连作杨树细根根序形态及解剖结构

【目的】针对连作杨树人工林细根形态和解剖结构,从根序视角探讨连作杨树人工林细根生长的代际差异及其与人工林生产力衰退的联系,以期揭示连作杨树人工林衰退机制。【方法】分别在杨树人工林Ⅰ和Ⅱ代林分设立标准地,采用改良全根取样法获得杨树细根（〈2 mm）并按根序进行分级,制作1~5级细根各根序石蜡切片。根系扫描仪结合分析软件获得各根序细根长度、直径,光学显微镜观察各根序细根剖面直径、皮层厚度、维管柱（中柱）直径等参数,并计算比根长、根组织密度、根长密度、维根比等。LSD分析1~5级根序形态参数的差异显著性,One-way ANOVA分析同一根序在不同代数间形态指标参数的差异显著性。【结果】杨树细根生物量表现为随根序增加而减小,且连作Ⅱ代人工林细根生物量分配高于Ⅰ代林,尤其在1,2级根序中更为显著（P〈0.05）;连作导致杨树1,2级细根平均长度减少而3~5级根长度增加;直径虽然在不同根序细根间差异并不显著,但Ⅱ代林显著高于Ⅰ代林;杨树细根表面积、比根长和根长密度总体表现为1,2级根显著高于3,4级根（P〈0.05）,但比根长在Ⅱ代林中差异不显著;连作导致杨树1,2级根表面积和根长密度显著增大,但比根长显著减小（P〈0.05）;细根解剖特征表明,横剖面宽度随根序逐渐增大,中柱面积占横剖面的比例随根序增加而增大,1,2级细根总体呈现初生结构的特征,从3级根开始出现木栓层且皮层开始脱落。【结论】杨树1~5级根序细根形态和功能存在显著差异,1,2级细根仅具初生结构,是杨树的吸收根,3级以上细根出现木栓层从而变为输导根。连作导致杨树细根形态发生显著变化,且低级细根生物量显著增加,表明连作导致杨树人工林对地下部分的生长投入增大,这与养分匮乏生境中植物光合产物最优分配理论相一致。伴随细根死亡和周转,连作杨树人工林细根生物量分配格局将影响人工林地上部分生产力的形成。

杨树人工林土壤养分有效性变化及其与土壤细菌群落演变的相关性

为揭示连作人工林衰退机制,基于离子交换树脂膜埋置和PCR-DGGE技术,对杨树人工林土壤养分库与流特征、土壤细菌群落结构的代际差异进行了对比分析.结果表明,随连作代数增加,杨树人工林土壤养分含量总体呈现逐渐下降的趋势;根际和非根际土壤中速效氮和钾的含量在代际间呈现显著降低(P<0.05),说明连作人工林极易出现养分亏缺.养分离子流在非根际土壤中并没有显著差异,但根际土壤中NH4+和K+在单位时间内的提取量呈现显著增加,NO3-则显著减少(P<0.05),说明连作杨树人工林土壤硝化作用存在障碍.对土壤细菌群落结构的研究表明,根际土壤细菌丰富度和Shannon-wiener多样性显著低于非根际土,但氨化细菌、好气性固氮菌和纤维素分解菌的数量显著高于非根际土;而且呈现出氨化细菌数量在代际间显著增加,亚硝化细菌和好气性固氮菌显著减少的趋势(P<0.05).典型相关分析表明,杨树人工林土壤养分有效性变化与细菌群落演变具有极显著相关性(P<0.01).因此,细菌群落演变可能是影响土壤硝化作用和氮素有效性变化的重要机制.

酚酸对杨树人工林土壤养分有效性及酶活性的影响

采用离子交换树脂膜作为根系模拟器,研究杨树人工林土壤在酚酸环境中养分有效性及酶活性的变化.结果表明:酚酸能显著影响杨树人工林土壤养分有效性和土壤酶活性,且二者受酚酸的影响具有显著的浓度效应和时间效应.随酚酸浓度增大,土壤中NH4+-N、NO3--N的提取量均显著下降.在高浓度酚酸环境中,PO43-、Mn2+的有效性显著提高,而K+、Fe3+的有效性被显著抑制;脲酶和碱性磷酸酶活性显著降低,而过氧化氢酶和多酚氧化酶活性则呈显著升高的趋势.随培养时间的延长,土壤中NH4+-N、PO43-、Mn2+的有效性逐渐增加,而NO3--N、K+、Fe3+、Zn2+的有效性显著降低.相关分析表明,脲酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶活性与NO3--N、K+、Fe3+、Mn2+等的有效性相关性较高.

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.

杨树细根碳、氮含量的季节动态及代际差异

研究杨树人工林1-5级根序细根内碳、氮及非结构性碳水化合物含量的季节动态,对比了杨树细根碳氮分配格局的代际差异,以期建立细根生长和功能变化与连作人工林生产力衰退的联系.结果表明：杨树细根非结构性碳水化合物（NSC）随根序显著增加,而氮含量显著减少.细根中全C和NSC含量与全N存在显著相关性.细根碳氮含量的变化在根序间的解释量占98.2%,而在代际间仅为1.7%.杨树不同根序细根均在生长季具有较高的碳含量和较低的氮含量,且碳、氮及NSC含量在代际间随季节差异显著,但C∶N差异不显著,根序与季节对细根碳氮含量存在显著交互效应.杨树低级细根C∶N约为20∶1,高级根则大于30∶1.细根C∶N在生长季（7和9月）显著低于其他季节,NSC含量在11月最高.连作人工林杨树细根的碳氮分配格局与细根根序具有较强的耦合性,NSC和C∶N在指示细根周转和调控细根季节性生长中具有重要生态学意义.