连作杨树人工林细根寿命的代际差异及其影响因素

细根寿命是调控森林生产力形成的关键。通过在连作Ⅰ、Ⅱ代杨树人工林固定样地内埋设微根管,对杨树不同根序细根年度生长动态开展连续观测并进行生存分析。结果表明,杨树不同根序细根累积生存率存在显著差异,高级根(3—5级)寿命较长,其累积生存率显著高于1级和2级细根。杨树细根寿命存在显著的代际差异,连作Ⅱ代人工林活根量、死根量和细根总量均高于Ⅰ代林。连作Ⅱ代人工林细根中位值寿命为(90±16)d,显著低于Ⅰ代人工林((102±22)d)。连作Ⅱ代林各根序细根数量、分布比例均高于Ⅰ代林,低级细根累积生存率低于Ⅰ代林而高级细根累积生存率显著高于Ⅰ代林。连作杨树人工林细根寿命显著受制于土壤环境,1级细根寿命与土壤速效氮相关性极显著(r=-0.861),2级细根寿命与土壤物理性状相关性较强且与土壤酚酸含量呈现极显著相关(r=0.870),高级根序细根寿命与土壤物理性质和养分状况等也具有一定相关性。连作杨树人工林土壤酚酸累积和养分有效性下降影响了细根寿命和周转,并进而造成净初级生产力损耗,相关结论为连作杨树人工林生产力衰退机理模型的建立提供了科学依据。

氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤固碳贡献差异

由于复杂的根系-土壤互作过程,根际土壤碳(C)动态对氮(N)沉降的响应可能与非根际土壤存在较大差异,但目前关于N沉降下根际和非根际土壤C动态响应差异及其对土壤C固存的贡献方向与大小尚不明晰。基于此,该研究以西南山地典型云杉(Picea asperata)人工林为研究对象,依托研究团队前期建立的模拟N沉降(对照:0 kg·hm^(–2)·a^(–1);N添加:25 kg·hm^(–2)·a^(–1))实验样地,分别测定了根际与非根际土壤有机碳(SOC)及其物理组分和化学组分含量,并借助于根际空间数值模型,区分和量化了N添加下根际、非根际SOC和不同组分C库含量差异及其对土壤总C增量的贡献效应。研究结果表明:(1)尽管N添加处理同时增加了根际、非根际SOC及其物理、化学组分含量,但仅在根际区达到显著水平。具体地,与对照相比,N添加导致根际SOC含量增加了23.64%,其中颗粒有机碳(POC)、矿物结合态有机碳(MAOC)和活性碳(LP-C)、惰性碳(RP-C)含量分别增加了19.63%、18.01%和30.48%、15.01%。(2)通过云杉林总SOC库增量(0.88 kg·m^(–2))与根际空间数值模型结果相互印证,确定西南山地针叶林根际有效范围为1.6 mm。在该范围内,N添加导致根际和非根际SOC储量分别增加了33.37%和7.38%,分别贡献了总SOC库增量的45.45%和54.55%。其中,活性C组分(POC和LP-C)是N添加下根际SOC累积的主要贡献者。上述结果表明,西南山地针叶林根际和非根际土壤在N沉降下均发挥重要的土壤C汇作用,但根际土壤C汇效应更为显著。该研究充分强调了未来N沉降下应将根际C过程纳入森林土壤C循环模型参数构建之中,以更准确评估和预测全球变化下森林生态系统土壤C源/汇功能变化。

基于高通量测序的杨树人工林根际土壤真菌群落结构

研究不同根序细根根际土壤微生物群落组成结构对深入了解根系-微生物互作关系具有重要意义.本研究采用Illumina Mi Seq测序平台,对杨树人工林非根际土壤和不同根序细根根际土壤的真菌群落结构进行分析.物种注释结果显示:杨树1~2级根(R1)、3级根(R2)和4~5级(R3)根际及非根际土壤(NR)中分别包含128、124、130和101个真菌属,表明杨树根际存在对真菌群落构建的选择性机制.不同根序根际土壤中相对丰度>1%的真菌属有7个,木霉属在1~2级根根际土壤中丰度较高,毛孢子菌属和曲霉属分别是3级根和4~5级根根际土壤中丰度最高的真菌属.α多样性指数表明:根际土壤真菌的多样性在不同根序间存在显著差异,低级根显著高于高级根(P<0.05).β多样性指数表明:真菌群落随着序级的升高差异性不断上升,相似性不断降低.不同根序细根根际真菌群落的趋异化组成和结构与细根功能具有密切关系.

基于高通量测序的杨树人工林根际和非根际细菌群落结构比较

为准确分析定殖在根际和非根际土壤的细菌类群组成,采用454高通量测序技术,对杨树人工林根际和非根际细菌群落进行对比分析.本次测序共获得原始序列70 081条,过滤后序列总数为44 009条.物种注释结果显示,根际土壤包含145个细菌属,非根际土壤包含141个细菌属.根际和非根际相对丰度>4%的属有8个,它们是Acidobacterium GP1、Acidobacterium GP3、Acidobacterium GP6、Gemmatimonas、Bradyrhizobium、Burkholderia、Streptomyces和Acidobacterium GP4,同一属的细菌类群在根际和非根际土壤中相对丰度存在显著差异(P<0.05).α多样性分析表明,根际土壤细菌群落多样性高于非根际土壤,但差异未达到显著水平.细菌群落排序结果较好地反映了土壤细菌群落从根际到非根际的变化和不同取样点的空间差异,根际效应对细菌群落差异的贡献率占21.2%.β多样性分析表明,杨树人工林根际和非根际土壤样品间细菌群落组成具有较大差异,根际和非根际土壤中各含有一些特有属(根际15个,非根际11个),此外还发现丰度发生显著变化的23个属,主要以纤维素降解菌和固氮菌属为主.本研究表明,根系对根际微生物的选择是导致根际微生物群落组成和结构发生显著差异的重要机制,这将对根土界面碳氮循环产生显著影响.

杨树人工林细根数量和形态特征的季节动态及代际差异

采集欧美杨107Ⅰ代和Ⅱ代人工林细根样品,分析杨树不同根序细根数量特征（根长度、表面积和生物量）和形态特征（比根长、根长密度、根组织密度）对季节波动的响应及其代际差异.结果表明：杨树各根序细根数量特征（根长度、表面积和生物量）均呈明显的季节变化,且具有明显的根序差异性.低级根序细根数量特征季节差异显著,细根生物量在生长季显著增加而生长季后显著下降.高级根序细根比根长季节波动显著,而根长密度和根组织密度等形态特征波动较小.连作导致人工林杨树1～2级细根长度、生物量、比根长和根长密度在生长季显著增大.1级细根数量特征与土壤温湿度呈显著正相关,与土壤有机质和速效氮含量呈显著负相关;而2级细根数量特征仅与土壤养分显著相关.杨树人工林细根特征的季节动态及代际差异体现了杨树对细根的碳投入变化,因连作引发的土壤养分匮乏可能引发植株对根系的碳投入增加,这种碳分配格局与人工林地上部分生产力形成密切相关.

杨树根际土碳氮磷生态化学计量特征与根序的相关性

林木细根不同生长发育等级形态特点及功能分异是根系生态学研究的新视角.为深入探索林木根际土壤养分循环过程及根土互作关系,以杨树（Populus×euramericana‘Neva’）人工林为研究对象,按照随机布点原则采集杨树人工林非根际土壤和不同根序细根的根际土壤,测定其全碳（TC）、全氮（TN）、全磷（TP）及速效N、有效P的含量,并计算土壤C、N、P化学计量比.结果显示：（1）杨树人工林根际土壤C、N、P含量与非根际土壤存在显著差异,但不同根序间速效N、有效P含量以及铵硝比（NH_4~＋-N/NO_3^--N）未达到显著差异水平（P〉0.05）.随着根序升高根际土壤TC含量显著下降,而TN含量逐渐增加.1-2级细根根际土壤TP含量显著高于4-5级根（P〈0.05）.（2）杨树细根根际土壤C/N随着根序升高显著降低（P〈0.05）;C/P随着根序升高逐渐下降,但在不同根序间差异不显著（P〉0.05）.（3）基于细菌OTUs的非参数估计指数表明,根际土壤与非根际土壤细菌群落多样性存在显著差异;土壤TC和TN含量及C、N、P化学计量比均与细菌群落丰富性（Chao指数和ACE指数）呈显著相关（P〈0.05）,TP含量与细菌群落相关性不显著.上述结果说明杨树根际土壤C、N、P养分循环呈现依赖于根序的变化特征,不同根序细根根际细菌群落组成和结构的差异性可影响土壤C、N、P循环过程.

青藏高原东缘主要针叶树种叶片碳氮磷化学计量分布格局及其驱动因素

理解植物叶片化学计量特征及其驱动因素对认识植物种群分布规律及预测植物对环境变化响应具有重要意义。该研究采集了青藏高原东缘针叶林84个样点共29种主要针叶树种叶片,探讨该区域常绿针叶树种叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征和分布格局及其驱动因素。结果表明:(1)在科和属水平上,不同针叶树种叶片C、N含量和C:N差异显著;叶片N:P<14,表明该区域针叶树种主要受N限制。(2)叶片N、P含量在环境梯度上表现出一致的分布规律:均呈现出随纬度和海拔增加而显著降低,随年平均气温(MAT)和年降水量(MAP)增加而显著增加的趋势;而叶片C含量与纬度、海拔、MAT和MAP均未表现出显著相关性。(3)叶片C:N、C:P呈现出与N、P含量变化相反的分布格局:均随纬度和海拔增加而显著增加,随MAT和MAP增加而显著降低;而叶片N:P与海拔、MAT和MAP均无显著相关性。(4)进一步分析表明,叶片C、N、P含量及其化学计量比的主要驱动因素不尽相同。具体而言:土壤特性是叶片C含量和N:P变异的主要驱动因子,而叶片N、P含量和C:N、C:P的变异主要由气候因素决定。总之,该区域针叶树种叶片化学计量沿环境梯度的变异规律有力地支持了温度生物地球化学假说,在一定程度上丰富了对环境变化下植物叶片化学计量分布格局及其驱动机制的认识。

酚酸和氮素交互作用下欧美杨107细根形态特征

树木细根生长与根际过程的关系十分密切。该研究仿生欧美杨107(Populus×euramericana‘Neva’)人工林根际土壤酚酸沉降与氮素有效性变化,通过设置3种酚酸梯度(0X、0.5X、1.0X,X为田间土壤酚酸含量)与3种氮素水平(缺氮0 mmol·L^(–1)、正常氮10 mmol·L^(–1)、高氮20 mmol·L^(–1)),探究酚酸和氮素对欧美杨107细根形态的影响,以期为阐明树木根系生长对根-土界面过程的响应奠定基础。结果表明:(1)在无酚酸(0X)环境中,缺氮和高氮均可抑制欧美杨107细根生长,尤其对1–3级细根的影响更为显著。比根长随氮素水平升高逐渐减小,但其他细根特征并未呈现与氮素水平的线性关系。(2)0.5X和1.0X酚酸梯度相比,欧美杨107的1–2级细根直径和体积随酚酸浓度增加而显著增大(p<0.05)。酚酸和氮素对杨树细根的影响存在交互作用,1–2级细根直径、体积受酚酸的影响显著,而4–5级细根长度、表面积受氮素影响显著。双因素方差分析结果表明,酚酸和氮素对细根形态建成具有协同或拮抗效应。(3)主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)结果表明,在酚酸和氮素交互效应下,杨树1–3级、4级、5级细根之间具有显著的形态差异。第一主成分主要体现细根觅食性状特征,可解释细根形态变异的60.9%的信息;第二主成分主要体现细根形态构建特征,可解释25.3%的信息。杨树细根形态变化与根序高度相关,N素影响杨树细根形态的主效应较酚酸更强。因此,根际环境中酚酸累积和氮素有效性变化会影响杨树细根的形态构建和细根对水分、养分的吸收,而氮素有效性是影响杨树细根生长的重要因素,开展杨树人工林土壤养分管理是林分生产力长期维持的关键。

氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤微生物养分限制特征差异

长期氮(N)沉降诱导了土壤养分失衡,深刻影响着森林生态系统养分循环过程、生态功能及其可持续发展。前期研究发现N沉降下西南森林树木生长受到不同程度的磷(P)限制,而土壤微生物是否表现出与植物养分限制特征协同的响应仍未明确。基于此,该研究以西南山地典型人工针叶林——华山松(Pinus armandii)林为对象,通过野外原位模拟N沉降实验,测定了土壤有效养分供给、土壤微生物生物量(碳(C)、N、P)含量以及胞外酶活性,结合生态酶化学计量的3种模型(比值模型、矢量分析模型与阈值元素比率模型)验证森林根际/非根际土壤中微生物是否受P养分限制。结果表明:(1)N添加下两个土壤位置(根际和非根际土壤)酸性磷酸酶(AP)活性分别显著升高52.5%和53.2%,导致土壤酶活性N:P分别降低7.8%和4.8%;(2)矢量模型分析发现N添加下两个土壤位置的矢量角度均大于45°,根际土壤和非根际土壤的矢量角度分别为52.2°和49.0°;(3)N添加下两个土壤位置C:P阈值(TERC:P)显著降低,导致C:P阈值与土壤有效C:P的比值(TERC:P/AvC:P)远小于1,且根际土壤表现更明显。综上所述,3个模型均表明N沉降加剧了土壤微生物代谢的P限制,且根际土壤微生物P限制程度更强,这与土壤和微生物养分含量及其化学计量特征密切相关。该研究结果可为全球气候变化下森林生态系统的适应性管理提供重要科学依据。