重慶縉云山植物幼苗根系及土壤對酸雨的響應機制

朱君琳, 侯瑞萍, 王云琦?, 王玉杰, 楊 鳳, 張育萱, 鄭永林, 司洪濤

(1.北京林業大學水土保持學院 重慶三峽庫區森林生態系統教育部野外科學觀測研究站,100083,北京;2.北京林業大學水土保持學院 重慶縉云山三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站,100083,北京;3.國家林業和草原局林草調查規劃院,100714;北京;4.自然資源部重慶典型礦區生態修復野外科學觀測研究站(重慶地質礦產研究院),401120,重慶)

碳(C)是植物體的主要結構性元素,氮(N)和磷(P)是植物正常生長發育所需的大量元素,同時它們限制著陸地生態系統初級生產等其他過程。生態化學計量學通過研究生物系統能量和C、N、P平衡,將生物學科分子、細胞、有機體、種群、生態系統和全球尺度的不同層次的研究理論統一起來[1],是研究人類活動對生態系統元素循環影響的新興工具。

酸雨已成為世界性環境問題。我國是繼歐洲和北美之后的全球第3大酸雨區,其中我國南方酸雨污染問題尤為突出[2]。酸雨不僅損害植物葉片及植物體內化學元素平衡,影響抗氧化系統和光合作用,同時影響土壤pH、土壤養分、土壤酶活性、土壤呼吸及微生物群落結構[3-4]。因此,探究酸雨對森林生態系統的影響機制是保護并修復陸地生態系統的重要一環。由于野外試驗的條件限制,國內外學者普遍采用模擬酸雨的方法探究酸雨對植物及土壤的影響[5-6],國內關于森林生態系統的酸雨研究多集中于酸雨對植物地上部分的影響[6],而對于植物根系部分的研究則仍需深入探討。對于探究酸雨引起的土壤中養分變化多采用土柱淋溶法[7],所得結果是否符合自然條件下植物—土壤養分變化規律,有待進一步探索。

1 研究區概況

試驗地位于重慶縉云山(E 106°17′～106°24′,N 29°41′～29°52′)在重慶市北碚、沙坪壩、壁山3區縣境內,海拔為350～951.5 m,氣候類型為典型亞熱帶季風濕潤性氣候,年平均氣溫為13.6 ℃,年降水量為1 611.8 mm?？N云山屬國家級自然保護區,主要植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林,其土壤主要為酸性黃壤和水稻土,及零星分布的紫色土,其中酸性黃壤主要由三疊紀須家河組厚層石英砂巖、灰質頁巖和泥質頁巖為母質風化而成。

2 研究方法

2.1 試驗材料

選取長勢相同(株高、胸徑和冠幅)的2年生馬尾松、杉木、香樟、毛竹幼苗各5株,于2021年3月栽入高30 cm、上底內直徑28 cm、下底直徑22 cm的花盆,在重慶縉云山森林生態大棚培養,每盆栽培1株植物幼苗;栽植土壤取自重慶縉云山當地黃壤,土壤pH5.5,有機質35.3 g/kg,全氮1.4 g/kg,全磷0.3 g/kg,陽離子交換能力13.7 cmol/kg,充分混合均勻后,每盆土壤質量為(9±0.6) kg,緩苗期間采用自來水澆灌,待苗木長勢恢復后于2021年5月進行模擬酸雨噴灑,至2021年9月結束試驗。試驗期間,采用推拉式大棚遮擋自然降雨,無自然降水時打開大棚,保持植物幼苗生長在自然環境中。

圖1 實驗處理設計圖Fig.1 Experimental treatment setting diagram

2.2 樣品采集與測定方法

最后一次酸雨處理后1周進行樣品采集。每個處理在5株植物中隨機選取3株,小心取出整株植物,清理根系后,將植物根系用水沖洗擦干后,截取根系部分用天平稱量其鮮質量;待測樣品前期處理完畢后,均勻鋪于Epson Perfection V850 Pro掃描儀玻璃板上,掃描出根系圖片后,使用配套軟件分析測定各植物根長及表面積。測量完畢后將根系部分放入烘箱,90 ℃殺青處理30 min,后60 ℃烘干至恒量,稱取植物根系干質量后,研磨過篩密封待測。相關性狀計算方法如下[10],比根長(specific root length, SRL)為根系長度除以干質量;比根表面積(specific root surface area, SRA)為根系表面積除以干質量。

以植物樣本為中心,在樣本東南西北4個方向采集土樣,將4個點的土樣混合均勻為1個土壤樣品,除去混雜的石塊等雜物,在陰涼通風處鋪開自然風干后,研磨過篩放入自封袋保存,用于下一步各項指標測定。土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)和根系全碳(total carbon, TC)使用外加熱重鉻酸鉀法,土壤和根系全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏法,土壤和根系全磷(total phosphorus, TP)采用鉬銻抗比色法進行測定[11]。

2.3 數據分析

運用Excel進行數據平均值、標準差等計算,運用SPSS Statistics 22.0進行各樹種根系和土壤C、N、P含量及C∶N∶P以及根系SRL和SRA的單因素方差分析,并運用Canoco 5進行冗余分析。運用Origin 2021軟件進行相關性分析和作圖。

3 結果與分析

3.1 酸雨脅迫對植物根系碳氮磷含量的影響

如圖2所示,酸雨脅迫主要影響根系TN含量,其中香樟根系TN含量在pH3.5條件下與CK差異顯著(P<0.05),杉木根系TN含量在pH3.5和pH2.5條件下顯著低于CK(P<0.05)。杉木根系TN含量隨pH值降低而降低,在pH3.5和pH2.5條件下降低18.86%和23.31%,馬尾松、香樟、毛竹TN含量趨勢均為先降后升,并在pH3.5條件下達到最低,與CK相比分別降低22.95%、35.66%和11.67%。

在學習“散客導游服務的類型和特點”時，我先從互聯網上下載了一個關于散客導游服務的視頻，然后讓學生進行觀看，等學生看完之后結合視頻向學生提出問題：同學們，你們能對視頻中呈現的散客導游進行評價嗎？導游哪些地方做得不到位？其應該如何改正呢？我示意學生可以通過翻看課本或者與周圍學生進行討論的方式尋找答案；其次，學生發表自己的觀點，我一一進行了鼓勵，并再次設置問題：這次導游服務中，導游犯了一個最明顯的錯誤是什么？你們可以看出來嗎？學生面面相覷，我見機導入了散客導游服務類型的圖片陳述道：導游沒有弄清楚散客導游的類型和特點，學生恍然大悟，這就為我接下來的高效課堂奠定了良好基礎。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05). The same below.圖2 酸雨對馬尾松、杉木、香樟、毛竹根系TC、TN和TP質量分數的影響Fig.2 Effects of acid rain on the contents of TC, TN and TP in the roots of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, and Phyllostachys edulis

酸雨脅迫能夠降低馬尾松和毛竹的根系TC含量,且酸雨濃度不同其影響程度不同,馬尾松根系TC與CK相比在pH4.5條件下降低13.56%,而毛竹根系TC含量在pH3.5條件下降低14.44%。而杉木和香樟根系TC含量均表現為先升后降趨勢,杉木在pH4.5和pH3.5處理下分別升高12.68%和7.95%,而pH2.5處理則降低0.38%。香樟在pH4.5和pH3.5處理下與CK相比分別升高0.37%、2.53%,在pH2.5處理下降低1.31%。

不同樹種在酸雨脅迫下其根系TP含量變化趨勢不同。馬尾松、香樟和毛竹根系TP含量均在pH3.5條件下達到最低,分別降低25.22%、17.99%和27.55%。馬尾松在pH4.5和pH2.5條件下其根系TP含量與CK相比分別增加1.56%和1.17%。毛竹根系TP含量在pH2.5條件下與CK相比增加11.76%。

3.2 酸雨脅迫對植物根系C∶N∶P的影響

酸雨脅迫下,馬尾松、杉木、香樟根系C∶N均呈先升后降趨勢(表1)。上述3樹種均在pH3.5條件下C∶N達到最高,其中杉木根系C∶N在各梯度酸雨處理下均顯著高于CK(P<0.05),而香樟根系C∶N在pH3.5條件下顯著高于CK(P<0.05)。酸雨脅迫下,杉木、香樟、毛竹根系C∶P變化趨勢均為隨pH降低而先升后降,而馬尾松根系C∶P變化則為波浪狀。各樹種根系C∶P變化中,杉木根系C∶P在pH4.5條件下顯著高于CK(P<0.05),馬尾松、香樟、毛竹根系C∶P則在pH3.5條件下達到最高。酸雨脅迫下,馬尾松和香樟根系N∶P變化趨勢一致,隨pH降低呈現為先降后升,而杉木和毛竹根系N∶P隨pH降低表現為先升后降。

表1 酸雨對馬尾松、杉木、香樟、毛竹根系C∶N∶P影響Tab.1 Effects of acid rain on C∶N∶P in the roots of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, and Phyllostachys edulis

3.3 酸雨脅迫對土壤碳氮磷含量的影響

由圖3可知,酸雨脅迫下,各樹種土壤SOC含量變化不同。馬尾松土壤SOC含量隨pH值降低表現為先升后降,并在pH4.5條件下與CK相比增長41.12%達到最高值,差異顯著(P<0.05),杉木、毛竹土壤SOC含量隨pH值降低表現為先降后升。毛竹土壤TN含量在pH4.5和pH3.5條件下分別降低40.87%和42.31%,顯著低于CK(P<0.05)。杉木、香樟、毛竹土壤TN含量隨pH值降低均表現為先降后升,并在pH3.5條件下達到最低。馬尾松土壤TN含量隨pH值降低表現為先升后降,在pH4.5條件下達到最高。酸雨脅迫下,馬尾松和毛竹土壤TP含量隨pH值降低均呈波浪狀變化,并在pH4.5條件下達到最高,在pH3.5條件下達到最低。杉木土壤TP含量則隨pH值降低而降低。香樟土壤TP含量隨pH值降低表現為先降后升,并在pH3.5條件下達到最低。

圖3 酸雨對馬尾松、杉木、香樟、毛竹土壤C、N、P質量分數影響Fig.3 Effects of acid rain on the contents of C,N,P in the soil of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, and Phyllostachys edulis

3.4 酸雨脅迫對土壤C∶N∶P的影響

酸雨脅迫下,毛竹土壤C∶N在pH4.5和pH3.5條件下顯著高于CK(P<0.05)(表2)。毛竹土壤 N∶P隨 pH值降低表現為先降后升,在pH4.5和pH3.5條件下顯著低于CK(P<0.05),并在pH4.5條件下達到最低值。杉木、香樟、毛竹土壤C∶N隨pH值降低均表現為先升后降,并在pH3.5條件下達到最高。馬尾松土壤C∶N隨pH值升高而升高。酸雨脅迫下,馬尾松和香樟土壤C∶P隨pH值降低表現為先升后降,杉木和毛竹土壤C∶P隨pH值降低表現為波浪狀變化。杉木和香樟土壤C∶P在pH4.5條件下達到最高,而馬尾松和毛竹土壤C∶P在pH3.5條件下達到最高。馬尾松、杉木、香樟土壤N∶P隨pH值降低均表現為波浪狀。

表2 酸雨對馬尾松、杉木、香樟、毛竹土壤C∶N∶P影響Tab.2 Effects of acid rain on soil C∶N∶P of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, Phyllostachys edulis

3.5 酸雨脅迫對植物根系的影響

如圖4所示,酸雨對不同樹種產生的影響不同。馬尾松SRL在不同酸雨濃度條件下均顯著高于CK(P<0.05),香樟SRL在pH3.5和pH2.5條件下顯著低于CK(P<0.05),毛竹SRL在不同酸雨濃度條件下,均顯著低于CK(P<0.05)。杉木、毛竹SRL隨pH值降低表現為先降后升,杉木SRL隨pH值降低表現為先升后降,而馬尾松SRL表現為波浪狀。酸雨促進馬尾松和杉木SRL的增長,而抑制香樟和毛竹的SRL。

圖4 酸雨對馬尾松、杉木、香樟、毛竹比根長和比根表面積影響Fig.4 Effects of acid rain on specific root length and specific root surface area of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, and Phyllostachys edulis

酸雨脅迫下,馬尾松和杉木SRA均在pH4.5條件下達到最高值并與CK相比差異顯著(P<0.05),香樟和毛竹SRA均在pH3.5條件下達到最低值并與CK相比差異顯著(P<0.05)。香樟和毛竹SRA隨pH值降低表現為先降后升,馬尾松SRA隨pH值降低則表現為先升后降,杉木SRA表現為波浪狀。酸雨促進了馬尾松和杉木SRA的增長,而抑制香樟和毛竹SRA。

3.6 酸雨脅迫對植物根系和土壤碳氮磷及根系形態的相關性及冗余分析

皮爾遜相關分析(圖5)表明,根系SRL與根系C∶N顯著正相關(P<0.05),與根系SRA極顯著正相關(P<0.001),與根系N∶P顯著負相關(P<0.01);根系SRA與根系TC、土壤SOC、土壤C∶P和N∶P顯著正相關(P<0.05),與根系C∶N極顯著正相關(P<0.001),與根系N∶P極顯著負相關(P<0.001);根系TC與根系C∶N、土壤SOC、土壤N∶P顯著正相關(P<0.05),與根系C∶P、土壤C∶P極顯著正相關(P<0.001);根系TN與根系TP、土壤SOC、土壤TN顯著正相關(P<0.05),與根系N∶P極顯著正相關(P<0.001),與根系C∶P顯著負相關(P<0.05)、與根系C∶N極顯著負相關(P<0.001);根系TP與土壤SOC、土壤TN顯著正相關(P<0.05),與根系C∶N、根系N∶P顯著負相關(P<0.05),與根系C∶P極顯著負相關(P<0.001);根系C∶P與土壤TP顯著負相關(P<0.05)。

C∶N、C∶P、N∶P代表生態化學計量比。TN、TP、C∶N、C∶P和N∶P后面的1代表根系;TN、TP、C∶N、C∶P和N∶P后面的2代表土壤。下同。SRL: Specific root length, m/g. SRA: Specific root surface area, cm2/g. SOC: Soil organic carbon. TC: Total carbon of root. TN: Total nitrogen. TP: Total phosphorus. C∶N, C∶P, N∶P refers to ecological stoichiometry. The 1 after TN, TP, C∶N, C∶P, and N∶P refers to root. The 2 after TN, TP, C∶N, C∶P, and N∶P refers to soil. The same below. *P≤0.05;**P≤0.01;***P≤0.001.圖5 幼苗比根長和比根表面積與根系和土壤C、N、P含量及化學計量比的相關性分析Fig.5 Correlation analysis of SRL and SRA of seedlings with root and soil C, N and P contents and stoichiometry

表3 根系和土壤C、N、P、C∶N∶P及土壤pH值單因子解釋排序Tab.3 Roots and soil C, N, P, C∶N∶P and soil pH single factor interpretation ranking

圖6 幼苗比根長和比根表面積與土壤pH值、根系和土壤C、N、P、C∶N∶P的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of specific root length, specific root surface area with soil pH, roots and soil C, N, P and C∶N∶P

4 討論

4.1 酸雨脅迫對植物根系、土壤碳氮磷含量的影響

C、N、P是植物正常生長發育過程中所必需的化學元素。植物根系是不同礦質元素的重要儲藏庫,不僅能調節植物生長代謝和支撐植物個體,還能影響植物生產力的形成和固碳、養分循環等生態系統功能[12]。短時間內植物根系碳固持保持穩定,這與趙文瑞[13]通過研究發現短期混合型酸雨脅迫下麻櫟細根碳含量變化結果相同。土壤氮素去向主要分為植物吸收、土壤殘留和流失。土壤中的全氮由有機態氮和無機態氮組成,其中有機態氮占全氮的90%左右,不易被植物直接利用,在經過微生物礦化作用后,有機態氮轉化為無機態氮才能被植物吸收利用[14]。本研究中,杉木在酸雨脅迫下,其根系TN含量隨pH值降低減少。這可能是由于土壤酸性環境下硝化作用受到抑制,同時酸雨會促進土壤硝態氮的淋失,隨著酸雨pH值降低,其淋失量越大,同時土壤中銨態氮被酸雨中的H+交換進入土壤溶液產生淋失,土壤氮庫隨酸雨pH值變化逐步虧損[15]。土壤中無機氮含量降低,進而導致杉木根系可吸收固定的氮含量降低。

4.2 酸雨脅迫對植物根系、土壤生態化學計量比的影響

土壤C∶N∶P不僅是判斷土壤C、N、P平衡的重要參數,同時也是衡量土壤有機質組成和質量程度的重要指標,其與植物生長發育息息相關[1]。酸雨進入土壤后會加劇土壤酸化,降低土壤pH值,加劇森林土壤P限制,改變土壤中C、N、P耦合關系[16]。梁國華等[16]研究表明酸雨會促進土壤C積累。這與本研究中在酸雨影響下毛竹土壤C∶N上升的響應趨勢相同。陽離子交換、氫氧化鋁水解及原生礦物風化組成了土壤對酸雨的緩沖體系[15]。在短期酸雨處理中,香樟土壤緩沖作用最為顯著。

植物體內C、N、P含量及其生態化學計量比可以表現出該植物體對環境變化的防御和適應策略[17]。本試驗中杉木和香樟根系在酸雨脅迫下對N和P的吸收能力下降,導致其C∶N和C∶P升高。Koerselman等[17]的試驗結果表明,植物N∶P<14時,植物生長限制因素為N;植物N∶P在14～16范圍內時,植物生長限制因素為N和P共同作用或N和P均不影響;植物N∶P>16時,植物生長限制因素主要為P。本試驗中馬尾松、杉木和毛竹均為N限制,這表明短期酸雨提供的N沒有緩解馬尾松、杉木和毛竹生長受到的N限制。想要打破各樹種元素限制條件的機理仍需進一步探究。

4.3 酸雨脅迫對植物根系形態的影響

SRL可以反映細根對水分和養分的吸收效率,而SRA可以反映細根對土壤養分的利用效率[10]。本研究中,面對酸雨脅迫,不同樹種的響應機制有所不同。面對外界環境變化,馬尾松和杉木通過增加根系長度探索更多營養元素,擴大表面積以提高對營養元素的吸收效率。杉木則提高對土壤養分的利用效率以應對根系N缺失。在酸性環境下香樟根系分泌物受到影響,抑制根際N、P轉化[18],進而其根系對養分的吸收和利用能力降低。毛竹根系生長顯著受酸雨限制,這與王楠等[19]研究結果相同。

土壤C∶P和N∶P上升能夠促進根系SRA增長,同時由表3可知,在酸雨條件下,13個因子中對植物根系SRL及SRA主要影響排名為根系C∶N>根系N∶P>根系TC含量>土壤SOC含量>土壤TN含量。環境變化會引起根系形態變化,這與周鈞[20]加入外源氮元素引發草本根系形態變化的結果相一致。根系形態與根系C∶N∶P相關性較強,這說明植物形態變化與根系營養元素關系密切。這可能與C主要構成植物體內干物質,N、P主要構成蛋白質和遺產物質有關。

5 結論

1)樹種不同,其形成的植物-土壤整體對酸雨的響應機制不同。酸雨條件下,相比于杉木和香樟,馬尾松和毛竹根系對于營養元素的固持能力更強。

2)短期酸雨對土壤中氮元素淋失量大于其補充量,馬尾松、杉木、毛竹生長發育仍處于N限制中,但杉木土壤的緩沖能力較強,其C、N、P含量保持穩定。

3)面對短期酸雨環境,馬尾松、杉木的根系應對策略更為積極,其通過增加根系長度及表面積以提升自身對營養元素的獲取能力。從植物-土壤整體來看,杉木的酸雨應對機制更為積極。由于本研究屬短期模擬酸雨試驗,隨著酸雨時長的增加和植物年齡的變化,植物-土壤在自然長期酸雨環境下的響應機制仍需進一步探索。