華西雨屏區不同林齡柳杉人工林的根系形態和碳氮磷化學計量特征

李 婧，洪宗文，熊仕臣，李 宇，劉 宣，李冬青，李 晗，譚 波，徐振鋒，游成銘

（長江上游林業生態工程四川省重點實驗室/長江上游森林資源保育與生態安全國家林業和草原局重點實驗室/華西雨屏區人工林生態系統研究長期科研基地/四川農業大學生態林業研究所，成都 611130）

細根是林木獲取水分、養分和轉移碳到土壤的功能器官，對森林生態系統的生產力及碳和養分循環具有重要調控作用[1-4]。細根形態(如直徑、比根長和組織密度等)是影響植物生產力的重要指標，對維持根系的功能具有重要作用[5-6]。例如，根系直徑與根系壽命和周轉有關，而比根長和比表面積可以表征根系對養分的吸收效率和利用效率[5]。碳氮磷化學計量特征是研究植物體內元素分配及其耦合關系的有效手段，反映了植物資源利用效率和生態適應策略[7-8]。例如，細根碳含量可以揭示植物根系構建消耗的碳同化產物[9]，氮、磷含量是揭示植物養分庫和生理活性的重要指標[10]，并且氮磷比可以用于診斷林木潛在的養分限制狀態[11-13]。因此，研究細根形態和碳氮磷生態化學計量特征有助于深入認識林木資源吸收策略與養分平衡規律，可為人工林的可持續經營與管理提供理論依據。

目前國內外對細根的定義劃分主要有3 種，分別是按照直徑特定的閾值(如，≤ 0.5 mm、≤ 1 mm 或≤ 2 mm)、根序級以及根功能模塊(如，吸收根和運輸根)劃分[2,14-15]。越來越多的研究表明，植物細根較小的內部構造和功能具有高度的異質性，簡單地用直徑定義細根的方法難以量化其形態、結構和生理的可塑性和多樣性[16-17]。根系是由不同形態和功能的多個分支結構的遠端根構成，相較于直徑，細根結構和功能與根序及根功能模塊聯系更為緊密[16-17]。例如，位于根系遠端的吸收根易于菌根定殖、但壽命短，主要負責水分和養分的探測和吸收，而運輸根的壽命相較更長，主要執行養分運輸、儲存及其對植物的固定[18]。以往研究發現，細根直徑和根組織密度隨根序的增加而增加，而比根長、氮磷含量則相反[19-20]。近年來，國內外學者已對不同樹種根系形態和化學性狀在根序級和根功能模塊的差異進行了大量報道[3,21-22]，但缺乏林齡對細根形態和化學計量特征影響的研究。林齡作為林分結構的主要特征之一，不同生長階段的林木可以通過改變土壤的養分資源有效性和養分需求量[23]，進而改變林木細根形態和細根碳氮磷化學計量特征。首先，林齡可通過改變林分結構、微環境、凋落物歸還、根系分泌物等，影響土壤資源環境的異質性，從而影響林木細根性狀特征[5,18,24-25]。其次，不同生長階段的林木對土壤養分吸收能力不同，并且與根系形態密切相關[26]。 例如，有研究表明根系氮吸收速率與比根長和比表面積呈正相關，并且幼齡與成熟齡杉木(Cunninghamia lanceolata)對銨態氮的吸收速率均顯著高于中齡林[27]。然而，目前對基于根序的細根形態和根功能模塊的碳氮磷化學計量特征在林木不同林齡階段的差異還缺乏足夠的生態學認識。

柳杉(Cryptomeria japonicavar.sinensis)是四川省的常見針葉樹種，也是我國亞熱帶地區用材林基地建設的主要造林樹種之一。四川洪雅柳杉林場位于華西雨屏區核心地帶，具有大面積地理條件相對一致、經營歷史資料清晰、林齡序列完整的柳杉人工林?；诖?，本文以華西雨屏區不同林齡柳杉人工林為研究對象，通過采集根系樣品，從細根形態和碳氮磷化學計量特征入手，擬解決以下問題：(1)不同林齡柳杉人工林基于根序(1～5 級根)的細根形態有何差異？(2)不同林齡柳杉人工林基于根功能模塊(吸收根和運輸根)的碳氮磷化學計量特征有何差異？(3)細根形態和碳氮磷化學計量特征之間有何生態關聯？并且假設：華西雨屏區不同生長階段的柳杉細根性狀在根序或根功能模塊上具有明顯差異，并且細根化學計量特征與根系形態具有較強的生態關聯。本研究旨在深入認識不同生長發育階段柳杉人工林的養分吸收策略和養分平衡規律，從而為區域柳杉人工林的提質增效提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

樣地位于四川省洪雅縣 (102°49＇～103°32＇ E，29°24＇～30°00＇ N) 境內的洪雅林場。洪雅縣地處四川西南盆地，氣候為亞熱帶濕潤氣候，年降雨量1 435.5 mm，年無霜期長達303 d，年平均氣溫16.6 ℃。本研究擬選擇在林場的玉屏山工區，該工區擁有柳杉純林從幼齡林到過熟林完整的林齡序列，并且連接成片。該區海拔1 200 m，主要土壤類型為山地棕壤。林場主要造林樹種為柳杉(C. japonicavar.sinensis)和杉木(Cunninghamia lanceolata)等，其中柳杉作為優勢樹種，占總面積達49.6%。并且林下植被主要有蕨類(Pteridophyta)、箭竹(Fargesia spathacea)、蛇莓(Duchesnea indica)和樓梯草(Elatostema involucratum)等。

1.2 樣地設置與樣品采集

基于以往對人工林林齡的研究[23,28]和前期調查，參照柳杉人工林林齡劃分標準，選取洪雅林場玉屏山相鄰分布、海拔和坡度等條件相對一致的林場樣地，以中齡林(13 a)、成熟林(33 a)和過熟林(53 a)的柳杉人工林為研究對象。各林齡樣地內隨機3塊樣地大小為20 m×20 m 的樣方。各樣方坡向相同，坡度＜ 30°，冠層相似，樣地間距＞100 m，共計9 個樣方。

2021 年7 月，在13、33 和53 a 柳杉人工林的各樣方選擇3～5 株健康且發育基本一致的柳杉，結合“樹干追蹤法”[29]和“土塊法”[14]進行樣品采集。清除柳杉樹干周圍枯木和雜草后，在距樹干基部約二分之一冠幅的距離處，用平板利鏟清除表層土壤后找到主根，在暴露出來的側根兩側各挖3個土塊，土塊大小為20 cm×20 cm×10 cm，共計27 個土塊。取土塊時盡量保持根系的完整，將挖到的土塊小心破碎、分散，取樣時盡量避免低級根的損失。將挑出完整的根系裝入自封袋，并編好序號放入冷藏箱，運回室內后臨時保存在-4 ℃冰箱等待處理。

1.3 指標測定

將樣品帶回實驗室后小心清洗根系附著的泥土，根據細根顏色和質地辨別并去除死根，直至所有樣品處理完畢，再按照K. S. Pregitzer 等[30]分級法將細根按照1～5 級根序進行分級。首先，選取1 個完整根系，用鑷子固定整個根系，將最末端的根尖定為1 級根，兩個1 級根交匯處定義為2 級根，兩個2級根交匯處定義為3級根，以此類推到5級根。然后，用另一只鑷子從1級根根部摘取完整的小根，其余所有根系同樣用鑷子固定、摘取和分級。記錄每袋樣品中各級根的數量，分別裝袋并冷藏保存。

將各個樣方的1～5級細根依次分區置于掃描所用的透明托盤，用Epson 數字化掃描儀(Expression 10000XL 1.0)進行掃描，得到的根系掃描圖采用WinRHIZO 軟件(Pro2019a，Canada)進行根系形態分析。掃描分析后將根系樣品裝入牛皮紙信封，在65 ℃烘箱48 h烘至恒重，稱量各個級別細根的干質量，精確到0.000 1 g。軟件直接量化得到的根系形態有細根直徑、根長、表面積和根體積等參數，通過以下公式計算得到比根長、平均直徑、比表面積和根組織密度。

根據以往相關研究[21]，將1～3 級根定義為吸收根，4～5級根定義為運輸根，分別裝袋后粉碎研磨過1 mm篩，用于細根碳氮磷含量的測定。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定碳含量；采用凱氏定氮法測定氮含量；采用鉬銻抗比色法測定磷含量。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 進行數據整理后，采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗林齡和根序/根功能模塊及其交互作用對根系形態和碳氮磷化學計量特征的影響。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)分析林齡和根序對柳杉細根根系形態的影響，采用Duncan 多重比較法進行顯著性檢驗(P＜0.05)。采用獨立樣本t檢驗(independent-samplesttest)根功能模塊間碳氮磷化學計量的差異。采用相關性分析柳杉根系形態與碳氮磷化學計量特征的相關性。采用SPSS 22 進行統計分析，用Origin 2022b繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同林齡柳杉人工林1～5級根系的形態特征

結果表明，林齡顯著影響柳杉細根的直徑、比根長、比表面積和組織密度，其相對解釋度分別為7.15%、9.14%、4.72%和3.91%(表1)。柳杉比根長隨林齡增加呈先降低后增加趨勢，整體在13 a 最高，在33 a 最低；直徑隨林齡增加呈先增加后降低趨勢，整體在33 a最高，在13 a最低(5級根除外)；比表面積隨林齡增加整體呈降低趨勢，而組織密度隨林齡增加無明顯變化規律(圖1)。根序對柳杉細根的直徑、比根長、比表面積和組織密度均有顯著影響，其相對解釋度分別為76.72%、84.87%、77.81%和53.35%(表1)。柳杉細根比根長和比表面積隨根序增加而呈降低趨勢，直徑隨根序增加整體呈增加趨勢，低級根(1～2 級)組織密度整體低于高級根(3～5級)(圖1)。林齡和根序的交互作用對柳杉直徑、比根長和組織密度均有顯著影響(表1)。

表1 林齡和根功能模塊對柳杉根系形態的影響Table 1 Effects of stand age and root function modules on the morphology of the root system of C. japonica sinensis

圖1 不同林齡柳杉人工林1～5級根系的形態特征Figure 1 Morphological characteristics of grade 1-5 roots in C. japonica sinensis plantations of different stand age

2.2 不同林齡柳杉人工林吸收根和運輸根的碳氮磷化學計量特征

林齡對根系氮含量無顯著影響，但顯著影響柳杉細根碳含量和磷含量，其相對解釋度分別為43.50%和43.65%(表2)。細根碳含量整體隨林齡增加呈先增加后降低趨勢，但僅在運輸根顯著；細根磷含量隨林齡增加呈先降低后增加趨勢，但僅在吸收根具有顯著差異(表2，圖2)。運輸根碳含量整體相對高于吸收根，但無顯著差異。根功能模塊顯著影響氮和磷含量具有顯著影響，其相對解釋度分別為66.89%和17.79%(表2)。吸收根氮含量高于運輸根，在13 a 和33 a 具有顯著差異；吸收根磷含量高于運輸根，僅在53 a具有顯著差異(圖2)。林齡和根功能模塊的交互作用對柳杉細根碳、氮和磷含量均無顯著影響(表2)。

林齡對細根氮磷比無顯著影響，但顯著影響柳杉碳氮比、碳磷比，其相對解釋度分別為22.18%和59.76%(表2)。33 a細根碳氮比、碳磷比顯著高于其他林齡階段，并且在吸收根和運輸根均有顯著差異(圖2)。根功能模塊對細根碳氮比、碳磷比具有顯著影響，其相對解釋度為59.87%和14.81%(表2)。運輸根碳氮比、碳磷比整體高于吸收根；運輸根在33 a和53 a 碳氮比具有顯著差異，吸收根在13 a 和33 a碳磷比具有顯著差異(圖2)。林齡和根功能模塊的交互作用只對柳杉細根碳氮比有顯著影響，對碳磷比和碳氮比均無顯著影響(表2)。

圖2 不同林齡柳杉人工林吸收根和運輸根的碳氮磷化學計量特征Figure 2 C, N and P stoichiometric characteristics of absorptive root and transportive root in C. japonica var. sinensis plantations of different stand age

表2 林齡和根功能模塊對柳杉根系碳氮磷化學計量特征的影響Table 2 Effects of stand age and root function modules on the stoichiometric characteristics of C, N and P in the root system of C. japonica sinensis

2.3 根系形態與化學計量特征的相關性分析

相關性分析表明，細根直徑與比根長、比表面積呈顯著負相關關系。細根比根長與比表面積呈顯著正相關關系。根組織密度與直徑呈正相關關系，而與比根長和比表面積呈顯著負相關關系。細根碳含量與磷含量呈顯著負相關關系，與碳氮比、碳磷比呈顯著正相關關系。氮含量與磷含量、氮磷比呈顯著正相關關系，與碳氮比、碳磷比呈顯著負相關關系。細根直徑和根組織密度與細根氮含量、磷含量呈顯著負相關關系，與碳氮比、碳磷比呈顯著正相關關系。比根長和比表面積與氮含量之間呈顯著正相關關系，而與碳氮比呈顯著負相關關系。

圖3 根系形態與化學計量特征的相關性熱圖Figure 3 Heat map analysis of the correlation between root morphology and stoichiometry characteristics

3 討論

3.1 不同林齡柳杉人工林1～5級根系的形態特征

細根直徑可以表征細根壽命，比根長與比表面積能夠直觀反映根系對養分和水分的吸收能力，根組織密度與根系防御機制密切相關[31-33]。本研究發現，柳杉比根長整體隨林齡增加呈先降低后增加趨勢(圖1d)，這一結果與以往關于山毛櫸和橡樹的比根長隨林齡增加而降低的結果不一致[34]。這可能是因為柳杉是針葉樹種，在成熟林階段通過改變微環境和凋落物歸還等，提高了土壤資源有效性，有利于細根吸收養分。然而，在中林齡和過熟林階段受到養分限制或土壤酸化，則需要構建更長的根系來獲取資源從而滿足自身的養分需求[35-36]。直徑整體隨林齡增加呈先增加后降低趨勢(5級根除外)，這可能是由于柳杉在生長初期(中林齡)優先投資地上部分從而獲取競爭優勢，而直徑在過熟林階段減小則可能是受到土壤酸化和鋁毒害的影響[37]。比表面積隨林齡增加整體呈降低趨勢，這與任浩等[26]關于不同林齡紅松的研究結果一致，這可能是由于隨林齡增加，地表凋落物的積累導致土壤持水能力增強，從而降低了柳杉對水分獲取的投資成本。細根的組織密度與細根次生細胞壁的發育程度密切相關，并且反映了單位長度細根生物量的積累情況[38]，本研究發現，細根組織密度隨林齡增加無明顯變化規律，這可能是因為柳杉不斷調整根系組織的伸展能力，從而適應資源環境的變化[28]。

本研究表明，根序對平均直徑、比根長、比表面積和組織密度均有顯著影響。柳杉細根比根長和比表面積隨根序增加而呈降低趨勢，這與劉穎等[39]關于3種灌木根系形態的研究結果一致。這是因為低級根是根系新陳代謝最旺盛的部位，具有短壽命、周轉快、活性高和數量多等特點，主要起吸收水分和養分的作用，而高度木質化的高級根位于根系分支結構的頂端，主要通過增加直徑來提高運輸資源的效率[33]。本研究也表明，柳杉細根直徑隨根序增加整體呈增加趨勢，與張進如等[19]關于9 種灌木細根的研究結果一致，這是由于細根直徑與維管束直徑呈顯著正相關，維管束直徑隨著根序增加而增大[21]。然而，本研究發現，雖然低級根(1～2 級)組織密度整體低于高級根(3～5級)，但隨根序無明顯變化規律，這與王奕丹等[31]關于亞熱帶6 個典型樹種的研究結果一致。細根直徑和組織密度是比根長的主要構成部分，而本研究結果表明相比組織密度，細根直徑更能調控比根長的變異，并且高級根的物理防御能力比低級根更強[9]。

3.2 不同林齡柳杉人工林吸收根和運輸根的碳氮磷化學計量特征

碳元素是植物構成的基本骨架，而氮、磷元素是限制植物生長和關鍵生態過程的重要限制因子，在生態系統物質循環中發揮著關鍵作用[40-41]。本研究表明，細根碳含量整體隨林齡增加呈先增加后降低趨勢，但僅在運輸根顯著。這與洪滔等[24]關于千年桐的研究相近，這可能是由于柳杉在中齡林至成熟林階段需要利用運輸根進行養分的運輸和固定，以支持樹冠進行地上資源的爭奪[6]，而在過熟林階段生長速率減緩，降低了對各種資源的需求。本研究表明，細根磷含量隨林齡增加呈先降低后增加的趨勢，但僅在吸收根具有顯著差異。這與張蕓等[25]關于杉木的研究相似。這可能是因為相較于過熟林階段，在中林齡和成熟林階段柳杉處于快速生長階段，將更多磷投入到地上部分光合器官的構建合成。本研究發現，成熟林階段的細根碳氮比、碳磷比顯著高于其他林齡階段，這可能是由于碳氮比和碳磷比往往表征林木吸收養分和同化碳的能力，這一研究結果表明成熟林階段柳杉人工林養分利用效率最高。以往研究表明，當植物N / P＜14時，植物生長可能受N 限制；N / P＞16 時，植物生長可能受P限制；當14＜N / P＜16 時，植物生長受N 和P 共同限制。本研究發現，林齡對細根氮含量、氮磷比均無顯著影響，且氮磷比均小于14，說明柳杉在各個生長階段均可能受到氮元素的限制。

本研究中，吸收根氮含量和磷含量均高于運輸根，這與Bu W. S.等[20]關于亞熱帶混交闊葉樹種的研究結果一致。這可能是由于低級根是根系系統最活躍的部分，菌根定殖和完整的表皮和皮層組織以及較高的酶活性有助于植物代謝的養分獲取[2,14]。其次，運輸根碳含量整體相對高于吸收根，這可能是由于高級根生理活性較低，次生組織木質化程度高，需要投入大量結構性碳水化合物構建根系的防御機制[2,9,14]。另外，本研究發現運輸根碳氮比、碳磷比整體高于吸收根，這符合生長速率假說，即生長較快的組織(如吸收根)比生長較慢的組織(運輸根)需要更多的蛋白酶和核酸物質，從而支持蛋白質的快速合成[42]。本研究結果中，不同林齡柳杉吸收根與運輸根的氮磷比均小于14。這與紀嬌嬌等[43]關于亞熱帶地區杉木生長存在氮限制的結果一致。這可能是由于亞熱帶針葉林凋落物難以分解，土壤可利用性氮含量較低，植物更容易受氮限制[44-45]。

3.3 根系形態與化學計量特征的生態關聯

本研究表明，直徑與比根長呈顯著負相關關系，表明柳杉細根壽命與資源獲取效率之間存在權衡[3]，這與高彩龍等[21]關于小興安嶺3種植物細根形態的研究結果一致，這可能是因為細根的養分獲取能力越強，根系活性越強，從而加速了細根的周轉和對碳的消耗[46]。其次，本研究發現細根組織密度與比根長、比表面積呈顯著負相關關系，支持根系經濟譜理論[3]。這可能是因為林木在不同生長階段根系的養分吸收策略和防御能力可能存在權衡關系。此外，氮含量與碳氮比、碳磷比呈顯著負相關關系，這表明柳杉細根可能具有較高的養分利用效率和生長速率[47]。本研究還發現，細根根組織密度與細根氮含量呈顯著負相關關系，說明柳杉細根資源獲取策略存在獲取型—保守型的權衡，這與Ding J. X.等[3]關于針葉林的研究結果相似，這可能是由于細根獲取養分策略分配的不同，而組織密度較大的根更易于菌根定殖，養分獲取速率較慢[32]。比根長和比表面積與氮含量之間呈顯著正相關關系，而與碳氮比呈顯著負相關關系，這與張進如等[19]關于9種灌木細根的研究結果一致。這可能是由于比根長和比表面積能表征根系的養分和水分的吸收能力，細根養分吸收能力增強促進了氮元素的積累，從而提高了根系活性但降低了氮的利用效率[33]。綜上所述，這些結果進一步強調了不同生長階段對林木根系養分獲取策略和防御的調控作用。

4 結論

本研究發現，華西雨屏區柳杉細根隨根序的增加，比根長和比表面積減小，而平均直徑則呈相反的趨勢，與隨林齡增加根系形態的變化趨勢不一致。這說明柳杉不同根序的根系形態在不同生長階段均具有可塑性。本研究還發現，不同林齡柳杉細根氮磷比均小于14，說明該區域柳杉在不同生長階段均可能受到氮限制。此外，柳杉根系形態與化學計量特征的生態關聯表明柳杉細根在資源獲取、組織防御和壽命之間可能存在權衡關系。綜上，相較以往關于不同樹種細根形態的研究，本研究著重強調了不同生長階段柳杉細根性狀在根序上的變異，研究結果有助于提升對柳杉人工林養分獲取策略的認識，可為區域柳杉人工林提質增效提供理論依據。