重庆缙云山植物幼苗根系及土壤对酸雨的响应机制

朱君琳, 侯瑞萍, 王云琦†, 王玉杰, 杨 凤, 张育萱, 郑永林, 司洪涛

(1.北京林业大学水土保持学院 重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站,100083,北京;2.北京林业大学水土保持学院 重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站,100083,北京;3.国家林业和草原局林草调查规划院,100714;北京;4.自然资源部重庆典型矿区生态修复野外科学观测研究站(重庆地质矿产研究院),401120,重庆)

碳(C)是植物体的主要结构性元素,氮(N)和磷(P)是植物正常生长发育所需的大量元素,同时它们限制着陆地生态系统初级生产等其他过程。生态化学计量学通过研究生物系统能量和C、N、P平衡,将生物学科分子、细胞、有机体、种群、生态系统和全球尺度的不同层次的研究理论统一起来[1],是研究人类活动对生态系统元素循环影响的新兴工具。

酸雨已成为世界性环境问题。我国是继欧洲和北美之后的全球第3大酸雨区,其中我国南方酸雨污染问题尤为突出[2]。酸雨不仅损害植物叶片及植物体内化学元素平衡,影响抗氧化系统和光合作用,同时影响土壤pH、土壤养分、土壤酶活性、土壤呼吸及微生物群落结构[3-4]。因此,探究酸雨对森林生态系统的影响机制是保护并修复陆地生态系统的重要一环。由于野外试验的条件限制,国内外学者普遍采用模拟酸雨的方法探究酸雨对植物及土壤的影响[5-6],国内关于森林生态系统的酸雨研究多集中于酸雨对植物地上部分的影响[6],而对于植物根系部分的研究则仍需深入探讨。对于探究酸雨引起的土壤中养分变化多采用土柱淋溶法[7],所得结果是否符合自然条件下植物—土壤养分变化规律,有待进一步探索。

1 研究区概况

试验地位于重庆缙云山(E 106°17′～106°24′,N 29°41′～29°52′)在重庆市北碚、沙坪坝、壁山3区县境内,海拔为350～951.5 m,气候类型为典型亚热带季风湿润性气候,年平均气温为13.6 ℃,年降水量为1 611.8 mm。缙云山属国家级自然保护区,主要植被类型为中亚热带常绿阔叶林,其土壤主要为酸性黄壤和水稻土,及零星分布的紫色土,其中酸性黄壤主要由三叠纪须家河组厚层石英砂岩、灰质页岩和泥质页岩为母质风化而成。

2 研究方法

2.1 试验材料

选取长势相同(株高、胸径和冠幅)的2年生马尾松、杉木、香樟、毛竹幼苗各5株,于2021年3月栽入高30 cm、上底内直径28 cm、下底直径22 cm的花盆,在重庆缙云山森林生态大棚培养,每盆栽培1株植物幼苗;栽植土壤取自重庆缙云山当地黄壤,土壤pH5.5,有机质35.3 g/kg,全氮1.4 g/kg,全磷0.3 g/kg,阳离子交换能力13.7 cmol/kg,充分混合均匀后,每盆土壤质量为(9±0.6) kg,缓苗期间采用自来水浇灌,待苗木长势恢复后于2021年5月进行模拟酸雨喷洒,至2021年9月结束试验。试验期间,采用推拉式大棚遮挡自然降雨,无自然降水时打开大棚,保持植物幼苗生长在自然环境中。

图1 实验处理设计图Fig.1 Experimental treatment setting diagram

2.2 样品采集与测定方法

最后一次酸雨处理后1周进行样品采集。每个处理在5株植物中随机选取3株,小心取出整株植物,清理根系后,将植物根系用水冲洗擦干后,截取根系部分用天平称量其鲜质量;待测样品前期处理完毕后,均匀铺于Epson Perfection V850 Pro扫描仪玻璃板上,扫描出根系图片后,使用配套软件分析测定各植物根长及表面积。测量完毕后将根系部分放入烘箱,90 ℃杀青处理30 min,后60 ℃烘干至恒量,称取植物根系干质量后,研磨过筛密封待测。相关性状计算方法如下[10],比根长(specific root length, SRL)为根系长度除以干质量;比根表面积(specific root surface area, SRA)为根系表面积除以干质量。

以植物样本为中心,在样本东南西北4个方向采集土样,将4个点的土样混合均匀为1个土壤样品,除去混杂的石块等杂物,在阴凉通风处铺开自然风干后,研磨过筛放入自封袋保存,用于下一步各项指标测定。土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)和根系全碳(total carbon, TC)使用外加热重铬酸钾法,土壤和根系全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凯氏法,土壤和根系全磷(total phosphorus, TP)采用钼锑抗比色法进行测定[11]。

2.3 数据分析

运用Excel进行数据平均值、标准差等计算,运用SPSS Statistics 22.0进行各树种根系和土壤C、N、P含量及C∶N∶P以及根系SRL和SRA的单因素方差分析,并运用Canoco 5进行冗余分析。运用Origin 2021软件进行相关性分析和作图。

3 结果与分析

3.1 酸雨胁迫对植物根系碳氮磷含量的影响

如图2所示,酸雨胁迫主要影响根系TN含量,其中香樟根系TN含量在pH3.5条件下与CK差异显著(P<0.05),杉木根系TN含量在pH3.5和pH2.5条件下显著低于CK(P<0.05)。杉木根系TN含量随pH值降低而降低,在pH3.5和pH2.5条件下降低18.86%和23.31%,马尾松、香樟、毛竹TN含量趋势均为先降后升,并在pH3.5条件下达到最低,与CK相比分别降低22.95%、35.66%和11.67%。

在学习“散客导游服务的类型和特点”时，我先从互联网上下载了一个关于散客导游服务的视频，然后让学生进行观看，等学生看完之后结合视频向学生提出问题：同学们，你们能对视频中呈现的散客导游进行评价吗？导游哪些地方做得不到位？其应该如何改正呢？我示意学生可以通过翻看课本或者与周围学生进行讨论的方式寻找答案；其次，学生发表自己的观点，我一一进行了鼓励，并再次设置问题：这次导游服务中，导游犯了一个最明显的错误是什么？你们可以看出来吗？学生面面相觑，我见机导入了散客导游服务类型的图片陈述道：导游没有弄清楚散客导游的类型和特点，学生恍然大悟，这就为我接下来的高效课堂奠定了良好基础。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05),下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05). The same below.图2 酸雨对马尾松、杉木、香樟、毛竹根系TC、TN和TP质量分数的影响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

酸雨胁迫能够降低马尾松和毛竹的根系TC含量,且酸雨浓度不同其影响程度不同,马尾松根系TC与CK相比在pH4.5条件下降低13.56%,而毛竹根系TC含量在pH3.5条件下降低14.44%。而杉木和香樟根系TC含量均表现为先升后降趋势,杉木在pH4.5和pH3.5处理下分别升高12.68%和7.95%,而pH2.5处理则降低0.38%。香樟在pH4.5和pH3.5处理下与CK相比分别升高0.37%、2.53%,在pH2.5处理下降低1.31%。

不同树种在酸雨胁迫下其根系TP含量变化趋势不同。马尾松、香樟和毛竹根系TP含量均在pH3.5条件下达到最低,分别降低25.22%、17.99%和27.55%。马尾松在pH4.5和pH2.5条件下其根系TP含量与CK相比分别增加1.56%和1.17%。毛竹根系TP含量在pH2.5条件下与CK相比增加11.76%。

3.2 酸雨胁迫对植物根系C∶N∶P的影响

酸雨胁迫下,马尾松、杉木、香樟根系C∶N均呈先升后降趋势(表1)。上述3树种均在pH3.5条件下C∶N达到最高,其中杉木根系C∶N在各梯度酸雨处理下均显著高于CK(P<0.05),而香樟根系C∶N在pH3.5条件下显著高于CK(P<0.05)。酸雨胁迫下,杉木、香樟、毛竹根系C∶P变化趋势均为随pH降低而先升后降,而马尾松根系C∶P变化则为波浪状。各树种根系C∶P变化中,杉木根系C∶P在pH4.5条件下显著高于CK(P<0.05),马尾松、香樟、毛竹根系C∶P则在pH3.5条件下达到最高。酸雨胁迫下,马尾松和香樟根系N∶P变化趋势一致,随pH降低呈现为先降后升,而杉木和毛竹根系N∶P随pH降低表现为先升后降。

表1 酸雨对马尾松、杉木、香樟、毛竹根系C∶N∶P影响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 酸雨胁迫对土壤碳氮磷含量的影响

由图3可知,酸雨胁迫下,各树种土壤SOC含量变化不同。马尾松土壤SOC含量随pH值降低表现为先升后降,并在pH4.5条件下与CK相比增长41.12%达到最高值,差异显著(P<0.05),杉木、毛竹土壤SOC含量随pH值降低表现为先降后升。毛竹土壤TN含量在pH4.5和pH3.5条件下分别降低40.87%和42.31%,显著低于CK(P<0.05)。杉木、香樟、毛竹土壤TN含量随pH值降低均表现为先降后升,并在pH3.5条件下达到最低。马尾松土壤TN含量随pH值降低表现为先升后降,在pH4.5条件下达到最高。酸雨胁迫下,马尾松和毛竹土壤TP含量随pH值降低均呈波浪状变化,并在pH4.5条件下达到最高,在pH3.5条件下达到最低。杉木土壤TP含量则随pH值降低而降低。香樟土壤TP含量随pH值降低表现为先降后升,并在pH3.5条件下达到最低。

图3 酸雨对马尾松、杉木、香樟、毛竹土壤C、N、P质量分数影响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 酸雨胁迫对土壤C∶N∶P的影响

酸雨胁迫下,毛竹土壤C∶N在pH4.5和pH3.5条件下显著高于CK(P<0.05)(表2)。毛竹土壤 N∶P随 pH值降低表现为先降后升,在pH4.5和pH3.5条件下显著低于CK(P<0.05),并在pH4.5条件下达到最低值。杉木、香樟、毛竹土壤C∶N随pH值降低均表现为先升后降,并在pH3.5条件下达到最高。马尾松土壤C∶N随pH值升高而升高。酸雨胁迫下,马尾松和香樟土壤C∶P随pH值降低表现为先升后降,杉木和毛竹土壤C∶P随pH值降低表现为波浪状变化。杉木和香樟土壤C∶P在pH4.5条件下达到最高,而马尾松和毛竹土壤C∶P在pH3.5条件下达到最高。马尾松、杉木、香樟土壤N∶P随pH值降低均表现为波浪状。

表2 酸雨对马尾松、杉木、香樟、毛竹土壤C∶N∶P影响Tab.2 Effects of acid rain on soil C∶N∶P of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Cinnamomum camphora, Phyllostachys edulis

3.5 酸雨胁迫对植物根系的影响

如图4所示,酸雨对不同树种产生的影响不同。马尾松SRL在不同酸雨浓度条件下均显著高于CK(P<0.05),香樟SRL在pH3.5和pH2.5条件下显著低于CK(P<0.05),毛竹SRL在不同酸雨浓度条件下,均显著低于CK(P<0.05)。杉木、毛竹SRL随pH值降低表现为先降后升,杉木SRL随pH值降低表现为先升后降,而马尾松SRL表现为波浪状。酸雨促进马尾松和杉木SRL的增长,而抑制香樟和毛竹的SRL。

图4 酸雨对马尾松、杉木、香樟、毛竹比根长和比根表面积影响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

酸雨胁迫下,马尾松和杉木SRA均在pH4.5条件下达到最高值并与CK相比差异显著(P<0.05),香樟和毛竹SRA均在pH3.5条件下达到最低值并与CK相比差异显著(P<0.05)。香樟和毛竹SRA随pH值降低表现为先降后升,马尾松SRA随pH值降低则表现为先升后降,杉木SRA表现为波浪状。酸雨促进了马尾松和杉木SRA的增长,而抑制香樟和毛竹SRA。

3.6 酸雨胁迫对植物根系和土壤碳氮磷及根系形态的相关性及冗余分析

皮尔逊相关分析(图5)表明,根系SRL与根系C∶N显著正相关(P<0.05),与根系SRA极显著正相关(P<0.001),与根系N∶P显著负相关(P<0.01);根系SRA与根系TC、土壤SOC、土壤C∶P和N∶P显著正相关(P<0.05),与根系C∶N极显著正相关(P<0.001),与根系N∶P极显著负相关(P<0.001);根系TC与根系C∶N、土壤SOC、土壤N∶P显著正相关(P<0.05),与根系C∶P、土壤C∶P极显著正相关(P<0.001);根系TN与根系TP、土壤SOC、土壤TN显著正相关(P<0.05),与根系N∶P极显著正相关(P<0.001),与根系C∶P显著负相关(P<0.05)、与根系C∶N极显著负相关(P<0.001);根系TP与土壤SOC、土壤TN显著正相关(P<0.05),与根系C∶N、根系N∶P显著负相关(P<0.05),与根系C∶P极显著负相关(P<0.001);根系C∶P与土壤TP显著负相关(P<0.05)。

C∶N、C∶P、N∶P代表生态化学计量比。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.图5 幼苗比根长和比根表面积与根系和土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性分析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值单因子解释排序Tab.3 Roots and soil C, N, P, C∶N∶P and soil pH single factor interpretation ranking

图6 幼苗比根长和比根表面积与土壤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 讨论

4.1 酸雨胁迫对植物根系、土壤碳氮磷含量的影响

C、N、P是植物正常生长发育过程中所必需的化学元素。植物根系是不同矿质元素的重要储藏库,不仅能调节植物生长代谢和支撑植物个体,还能影响植物生产力的形成和固碳、养分循环等生态系统功能[12]。短时间内植物根系碳固持保持稳定,这与赵文瑞[13]通过研究发现短期混合型酸雨胁迫下麻栎细根碳含量变化结果相同。土壤氮素去向主要分为植物吸收、土壤残留和流失。土壤中的全氮由有机态氮和无机态氮组成,其中有机态氮占全氮的90%左右,不易被植物直接利用,在经过微生物矿化作用后,有机态氮转化为无机态氮才能被植物吸收利用[14]。本研究中,杉木在酸雨胁迫下,其根系TN含量随pH值降低减少。这可能是由于土壤酸性环境下硝化作用受到抑制,同时酸雨会促进土壤硝态氮的淋失,随着酸雨pH值降低,其淋失量越大,同时土壤中铵态氮被酸雨中的H+交换进入土壤溶液产生淋失,土壤氮库随酸雨pH值变化逐步亏损[15]。土壤中无机氮含量降低,进而导致杉木根系可吸收固定的氮含量降低。

4.2 酸雨胁迫对植物根系、土壤生态化学计量比的影响

土壤C∶N∶P不仅是判断土壤C、N、P平衡的重要参数,同时也是衡量土壤有机质组成和质量程度的重要指标,其与植物生长发育息息相关[1]。酸雨进入土壤后会加剧土壤酸化,降低土壤pH值,加剧森林土壤P限制,改变土壤中C、N、P耦合关系[16]。梁国华等[16]研究表明酸雨会促进土壤C积累。这与本研究中在酸雨影响下毛竹土壤C∶N上升的响应趋势相同。阳离子交换、氢氧化铝水解及原生矿物风化组成了土壤对酸雨的缓冲体系[15]。在短期酸雨处理中,香樟土壤缓冲作用最为显著。

植物体内C、N、P含量及其生态化学计量比可以表现出该植物体对环境变化的防御和适应策略[17]。本试验中杉木和香樟根系在酸雨胁迫下对N和P的吸收能力下降,导致其C∶N和C∶P升高。Koerselman等[17]的试验结果表明,植物N∶P<14时,植物生长限制因素为N;植物N∶P在14～16范围内时,植物生长限制因素为N和P共同作用或N和P均不影响;植物N∶P>16时,植物生长限制因素主要为P。本试验中马尾松、杉木和毛竹均为N限制,这表明短期酸雨提供的N没有缓解马尾松、杉木和毛竹生长受到的N限制。想要打破各树种元素限制条件的机理仍需进一步探究。

4.3 酸雨胁迫对植物根系形态的影响

SRL可以反映细根对水分和养分的吸收效率,而SRA可以反映细根对土壤养分的利用效率[10]。本研究中,面对酸雨胁迫,不同树种的响应机制有所不同。面对外界环境变化,马尾松和杉木通过增加根系长度探索更多营养元素,扩大表面积以提高对营养元素的吸收效率。杉木则提高对土壤养分的利用效率以应对根系N缺失。在酸性环境下香樟根系分泌物受到影响,抑制根际N、P转化[18],进而其根系对养分的吸收和利用能力降低。毛竹根系生长显著受酸雨限制,这与王楠等[19]研究结果相同。

土壤C∶P和N∶P上升能够促进根系SRA增长,同时由表3可知,在酸雨条件下,13个因子中对植物根系SRL及SRA主要影响排名为根系C∶N>根系N∶P>根系TC含量>土壤SOC含量>土壤TN含量。环境变化会引起根系形态变化,这与周钧[20]加入外源氮元素引发草本根系形态变化的结果相一致。根系形态与根系C∶N∶P相关性较强,这说明植物形态变化与根系营养元素关系密切。这可能与C主要构成植物体内干物质,N、P主要构成蛋白质和遗产物质有关。

5 结论

1)树种不同,其形成的植物-土壤整体对酸雨的响应机制不同。酸雨条件下,相比于杉木和香樟,马尾松和毛竹根系对于营养元素的固持能力更强。

2)短期酸雨对土壤中氮元素淋失量大于其补充量,马尾松、杉木、毛竹生长发育仍处于N限制中,但杉木土壤的缓冲能力较强,其C、N、P含量保持稳定。

3)面对短期酸雨环境,马尾松、杉木的根系应对策略更为积极,其通过增加根系长度及表面积以提升自身对营养元素的获取能力。从植物-土壤整体来看,杉木的酸雨应对机制更为积极。由于本研究属短期模拟酸雨试验,随着酸雨时长的增加和植物年龄的变化,植物-土壤在自然长期酸雨环境下的响应机制仍需进一步探索。