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.     

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 MiSeq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.     

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。     

杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响

采用宏基因组测序技术,研究了杨树人工林Ⅰ代林地和连作Ⅱ代林地根际土和非根际土、Ⅱ代林地主伐后轮作花生地和轮荒地土壤中解磷微生物类群特征及磷酸酶基因丰度变化.结果表明: 参与磷循环微生物共9属,芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌群.土壤解磷微生物丰度大小顺序为轮荒地>轮作花生地>Ⅱ代林地>Ⅰ代林地;主伐更新后轮作花生地和轮荒地芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度显著升高,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度显著降低;但在人工林根际土壤中,与Ⅰ代林根际相比,Ⅱ代林根际土壤与此规律相反.在根际与非根际土壤中,芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度为根际小于非根际,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度为根际大于非根际.磷酸酶基因总丰度为Ⅰ代林地>轮荒地>Ⅱ代林地>轮作花生地,且在Ⅰ、Ⅱ代林中根际效应明显,但Ⅱ代林根际与非根际差异缩小且部分磷酸酶基因的根际丰度低于非根际丰度.解磷微生物数量与酚酸含量呈显著负相关,与pH值呈正相关.     

不同土壤深度落叶松细根分解及N动态变化

细根分解受根序和土壤深度的潜在影响。使用根序法分根,将落叶松Larix gmelini根系分为两类:一级根、二级根为一类(1—2级根),即低级根;三级根和四级跟为另一类(3—4级根),即高级根。采用埋袋法对落叶松低级根和高级根在不同土壤深度(0—10、10—20 cm和20—30 cm)进行了为期862 d的分解实验,探讨不同根序细根分解规律,养分释放及其影响。结果表明:1—2级根的分解速率比3—4级分解速率慢,这种规律同时存在于不同深度的土壤中。在空间上,低级根和高级根的分解速率均随土壤深度的增加而降低,高级根的降低趋势更明显。随着分解时间的进行,各个土层之间的分解率在低级根之间差异更大。细根分解过程中,落叶松不同根序养分的释放特征不同。N释放速率总体上随细根根序增加而增大,随土壤深度的增加而降低。     

长期连栽杨树林根际土壤自毒作用的生物测定

选取10—40a不同代际的长期集约连栽杨树土壤为对象,从自毒作用的角度探讨人工林连栽障碍的原因与机理。实施了不同连栽代际的杨树人工林土壤对莴苣种子发芽和扦插杨树枝条生长的抑制活性的系统生物测定试验。结果表明,连栽杨树林的根际土壤比非根际土壤能够显著抑制莴苣种子萌发率。对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代林根际土壤的浓度梯度试验都表明浸提液的质量浓度越大,对种子萌发的抑制性越强,其中Ⅲ代林处理液的浓度效应最明显。将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代杨树林根际土壤配置成加营养液组与无营养液组两组对照水培溶液测定扦插杨树枝条的胚芽生长长度和根伸长长度。结果表明,III代林根际土壤处理液的胚芽生长长度和根伸长长度显著小于Ⅱ代林根际土壤处理液,Ⅱ代林处理又显著小于Ⅰ代林处理,Ⅰ代林处理液与对照组无显著差别,这种随林代增大、根际土壤对植株生长的抑制活性增大的趋势在加营养液组更为显著。本文确定了连栽土壤抑制活性的根际效应与浓度效应,为连栽杨树人工林的自毒作用研究提供了重要的实验依据,并推断连栽杨树人工林通过根系分泌物的方式在根际部分逐代积累自毒物质,由于自毒物质的浓度效应,Ⅰ代林阶段自毒效应不显著甚至促进林木生长;随着集约时间增长,到Ⅲ代林阶段自毒效应显著抑制杨树生长和更新。在集约抚育中,对土壤实施人工添加营养液的方式无法缓解其抑制性自毒作用,有可能加剧连栽障碍的产生。     

杨树人工林品种更替连作与非更替连作根际效应的比较

采用空间位移法对杨树人工林更替连作和非更替连作两种经营模式下土壤养分、土壤酶活性和土壤微生物的根际效应进行了比较研究,以期探明不同连作经营模式对杨树人工林土壤生态环境的影响,探讨品种更替对杨树人工林地力维持的生态效果。研究结果表明,更替连作和非更替连作均导致杨树人工林土壤发生不同程度的衰退,非更替连作导致的林地土壤衰退现象更为严重。杨树根际和非根际土壤养分在非更替连作中下降最为显著,土壤有机质的根际效应显著大于更替连作,而土壤速效N、P、K的根际效应在更替连作中显著增大。非更替连作导致根际和非根际土壤中过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性发生较大幅度的下降,而多酚氧化酶和过氧化物酶活性较大幅度的上升;更替连作也导致土壤酶活性有类似的变化趋势,但下降(上升)幅度远小于非更替连作,土壤酶活性的根际效应总体呈现非更替连作变化幅度强于品种更替连作的趋势。两种连作模式下土壤中可培养土壤微生物的数量变化大致呈现一致趋势,连作将导致根际和非根际土壤微生物数量整体下降,其中土壤细菌比例有所降低,真菌比例上升,土壤呈现从细菌型向真菌型转化的特点,非更替连作对土壤微生物的根际效应明显大于更替连作。更替连作和非更替连作根际效应的差异可能由不同杨树品种根系分泌物的差异所导致。     

柠条人工林细根不同分枝根序寿命估计

植物细根在发育结构上表现的形态特征和生理功能异质性影响细根寿命的准确估计,因此了解分枝根序细根寿命差异对于深入认识细根的周转过程和陆地生态系统碳分配具有重要意义。采用微根管(Minirhizotron)技术对晋西北黄土区的五年生柠条(Caragana Korshinskii Kom.)人工林细根的生长过程进行了为期3a(2007—2009年)的追踪观测,分析了不同因素(土层深度、季节变化、空间位置)对一级根和高级根寿命的影响。结果表明:(1)在各土层深度处,一级根的中值寿命均低于高级根中值寿命,其中一级根中值寿命表现随土层深度增加而增加趋势,而高级根除表层0—20 cm中值寿命较短外,各土层间变化趋势不明显,40—60 cm、80—100 cm土层高级根在观测期结束时其累积存活率仍在50%以上;(2)不同季节出生一级根和高级根的中值寿命季节性表现为:秋季夏季春季,并且在各个季节均表现,高级根寿命显著大于一级根寿命(P0.01);一级根仅夏季与秋季差异性不显著(P0.05),而高级根仅春季与秋季存在极显著差异(P0.01);(3)一级根和高级根距树干基部0 cm处细根中值寿命均大于50 cm处一级根和高级根细根的中值寿命。同一位置处高级根寿命要大于一级根寿命。在距树干基部0 cm处和50 cm处,一级根和高级根的寿命均存在极显著差异(P0.01),但高级根却在距树干基部0 cm和50 cm处差异不明显,而一级根却表现极显著差异(P0.01)。     

不同林龄杉木人工林细根氮稳定同位素组成及其对氮循环的指示

通过测定中国亚热带5个不同林龄(3、8、14、21、46a)杉木人工林不同序级细根氮稳定同位素(δ~(15)N)组成,研究它们对土壤净氮矿化、硝化速率的指示并将其与叶片δ~(15)N值对土壤氮循环速率的指示作用进行对比,从而探索研究植物同位素对土壤氮循环状况的指示作用。结果显示,不同林龄杉木人工林细根δ~(15)N值间具有极显著差异,3年生幼林与46年生老林显著高于其他林分。不同序级细根δ~(15)N值间的差异未达到显著水平,但具有随着序级增大δ~(15)N值逐渐降低的趋势。细根δ~(15)N值与土壤净氮矿化和净硝化速率间均具有极显著相关性,并有随着细根序级减小相关性逐渐增加的趋势,而叶片δ~(15)N值与土壤氮循环速率间则不具有显著相关性。研究结果表明,相较叶片来说,细根氮稳定同位素组成能更好地指示土壤氮循环速率,且序级越小的细根指示作用越强;细根δ~(15)N值反映出尽管中国亚热带地区氮沉降现象严重,氮素可能仍是处于速生期杉木人工林生长的限制因素。     

Interactive effects of phenolic acid and nitrogen on morphological traits of poplar (Populus × euramericana ‘Neva’) fine roots

Aims The relationship between rhizosphere process and fine root growth is very close but still obscure. In poplar plantation, phenolic acid rhizodeposition and soil nutrient availability were considered as two dominant factors of forest productivity decline. It is very hard to separate them in the field and they might show an interactive effect on fine root growth. The objective of this study is to examine the influence of phenolic acids and nitrogen on branch orders of poplar fine roots and to give a deeper insight into how the ecological process on root-soil interface affected fine root growth as well as plantation productivity. Methods The cuttings of health annual poplar seedlings (I-107, Populus × euramericana ‘Neva’) serve as experiment materials, and were cultivated under nine conditions, including three concentration of phenolic acids at 0X, 0.5X, 1.0X (here, X represented the contents of phenolic acids in the soil of poplar plantation) and three concentration of nitrogen at 0 mmol·L^-1, 10 mmol·L^-1, 20 mmol·L^-1, based on Hoagland solution. The roots were all separated from poplar seedlings after 35 days, and 30 percent of total fine roots of every treatment were taken as fine root samples. These fine roots were grouped according to 1 to 5 branch orders, and then the morphological traits of each group of fine roots were scanned via root analyzer system (WinRHIZO, Regent Instruments Company, Quebec, Canada) including total length, surface area, volume and average diameter. Meanwhile, the dry mass of fine root samples of every order was measured to calculate specific root length (SRL), root tissue density (RTD). All data were analyzed via SPSS 17.0 software, and interactive effect of phenolic acids and nitrogen on roots was analyzed through univariate process module. Principal component analysis (PCA) and redundancy analysis (RDA) were conducted via Canoco 4.5 software. Important findings Under the conditions without phenolic acids application, the fine roots growth was significantly inhibited in deficiency and higher nitrogen treatments, especially for 1-3 order roots. Only specific root length appeared decreased with nitrogen level, and other traits of fine roots did not demonstrate linear relationship with nitrogen concentrations. Compared to 0.5X phenolic acids treatment, 1.0X phenolic acids significantly promoted the diameter and volume of 1-2 order roots (p < 0.05). Both phenolic acids and nitrogen demonstrated influence on poplar fine root traits. However, the diameter and volume of 1-2 order roots were significantly affected by phenolic acids, while the total length and surface area of 4-5 order roots was affected by nitrogen. Two way ANOVA showed that phenolic acids and nitrogen made a synergistic or antagonistic effect on morphological building of fine roots. Furthermore, PCA and RDA indicated that the interactive effects of phenolic acids and nitrogen led to significant differences among 1-3 order, 4th order and 5th order of poplar fine roots. The PC1 explained about 60.9 percent of root morphological variance, which was related to foraging traits of roots. The PC2 explained 25.3 percent of variance, which was related to root building properties. The response of poplar roots to phenolic acids and nitrogen was closely related to root order, and nitrogen played more influence on poplar roots than phenolic acids. Thus, phenolic acids and nitrogen level would affect many properties of root morphology and foraging in rhizosphere soil of poplar plantation. But nitrogen availability would serve as a dominant factor influencing root growth, and soil nutrient management should be critical to productivity maintenance of poplar plantation.     

不同连栽代数杉木人工林细根生长、分布与营养物质分泌特征

用土钻法研究了不同连栽代数杉木细根生长与分布,结果表明,杉木连栽1代后,细根生物量明显减少,第1代杉木活细根生物量的范围为646．4－799．7g.m-2,而第2代则为284．4－536．9g.m-2,在一定距离范围内,离树体的距离越远,细根分布越少,杉木连栽后,主要减少了表层土壤（0－10cm)细根的生长,根系分泌物的分析表明,杉木连栽1代后,根系阳离子NH4＋,Na ,K ,Ca2 ,Mg2 的分泌量没有变化,而阴离子NO3-,Cl-,SO4 2-,HPO4^2-,的量都减少,但只有Cl-和HPO4^2-差异显著（P＜0．05）,第2代杉木根系分泌物中的HPO4^2-量仅为第1代的1／65,根－土界面磷交换过程的阐明有利于说明第2代杉木根系HPO4^2-分泌量减少的原因,杉木连栽后,表层土壤细根生长的减少和根系分泌行为的改变可能是生产力下降的重要原因。     

施肥对日本落叶松人工林细根直径、根长和比根长的影响

以辽宁东部山区16年生日本落叶松人工林为研究对象,探讨施肥对日本落叶松1～5级根序中细根直径、根长和比根长的影响.结果表明：随着根序等级的增加,日本落叶松细根平均直径和根长显著增加（P<0。05,P<0。01）、比根长则显著下降（P<0。01）.在日本落叶松的5级根序中,1级根的平均直径最细、根长最短、比根长最高,而5级根则相反;随着根序等级的增加,日本落叶松细根平均直径、根长和比根长的变异系数逐渐增大.除1级根外,土层对细根的平均直径、根长和比根长没有显著影响(P>0。05).与对照样地相比,施肥对各级细根平均直径、根长和比根长的影响主要表现在1～2级根上,对3级根序以上的细根影响不显著（P>0.05）.其中,施氮肥显著降低了1～2级根的平均直径（P<0.05）,施氮肥以及氮磷肥显著降低了表层土壤（0～10 cm）中1级根的平均根长（P<0.05）,表层土壤中细根的比根长在施氮肥的条件下显著增加（P<0.05）.     

间伐对川西亚高山粗枝云杉人工林细根生物量及碳储量的影响

以川西亚高山50年生粗枝云杉(Picea asperata)人工林为研究对象, 探讨了间伐对粗枝云杉人工林1-5级细根生物量及碳储量的影响。结果表明: 粗枝云杉人工林细根生物量和碳储量随根序等级的增加而显著增加(p < 0.05), 5级根序中1级根生物量及碳储量最小, 5级根生物量及碳储量最大。与对照(间伐0%)相比, 间伐对粗枝云杉人工林林分细根生物量及碳储量有显著影响(p < 0.05); 而对单株细根生物量影响不一, 间伐10%和20%与对照没有显著性差异(p > 0.05)。间伐显著影响生物量在各根序中的分配, 随着间伐强度的增加, 1、2级细根中生物量分配比例增加, 1级细根的生物量增加幅度最大; 3-5级细根的生物量分配比例减小, 5级细根减少幅度最大。其中, 间伐50%显著减少了细根在下层(20-40 cm)土壤中的生物量比例(p < 0.05), 但与间伐20%和30%无显著差异(p > 0.05)。     

四种不同生活型树种细根寿命及影响因素

以4种不同生活型树种(常绿阔叶和针叶树种、落叶阔叶和针叶树种)为研究对象,通过微根管法现地观测细根的生长动态,比较不同生活型树种细根寿命在种内和种间的差异,探讨影响细根寿命的主要因子,研究结果对理解和预测森林生态系统碳及养分循环过程具有重要的理论意义。结果表明:(1)细根形态特征(分枝结构和直径)显著影响种内细根寿命,分枝等级越低、直径越小,细根的寿命越短;(2)4个树种的细根寿命表现出明显的土层效应和季节效应,即随土壤深度增加,细根的累积存活率逐渐增加,寿命延长;而不同季节出生的细根其寿命长短模式在树种间不一致,春季或夏季出生的细根寿命要长于秋冬季;(3)常绿树种(柳杉、石栎)的细根寿命要长于落叶树种(池杉、麻栎),同时,针叶树种(池杉、柳杉)的细根寿命要长于阔叶树种(麻栎、石栎)。在同一树种内,细根寿命受细根直径、根系分枝结构、土壤环境因子(土层)等因素显著影响,但在不同树种间,细根寿命可能更依赖于树木生长速率、碳分配模式等树木整体的功能性状差异。