模拟氮沉降对杉木幼苗细根的生理生态影响

细根对氮沉降的生理生态响应将显著影响森林生态系统的生产力和碳吸存。为了揭示氮沉降对杉木细根的生理生态影响,对一年生杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗进行了模拟氮沉降试验,并测定施氮1年后杉木幼苗细根生物量、细根形态学特征(比根长、比表面积)、元素化学计量学指标(C、N、P、C/N、C/P、N/P)、细根代谢特征(细根比呼吸速率、非结构性碳水化合物)。结果表明:(1)杉木细根生物量随氮添加水平的升高而显著降低,尤其是0—1 mm细根生物量;细根比根长和比表面积随氮添加水平升高而显著增大。(2)氮添加后杉木细根C含量、C/N、C/P显著降低,高氮添加导致1—2 mm细根N含量和N/P显著升高,而低氮添加导致1—2 mm细根P含量显著升高、N/P显著降低,而0—1 mm细根的N、P含量则保持相对稳定。(3)氮添加后杉木细根比呼吸速率无显著变化,细根可溶性糖含量随氮添加增加而显著增加,而淀粉含量和NSC显著降低。综合以上结果表明:氮添加后用于细根形态构建的碳分配减少,这可能会减少土壤中有机碳的保留,0—1 mm细根的形态更易发生变化,但是其内部N、P养分含量相对更稳定以维持生理活动,细根NSC对氮添加的响应表明施氮可能导致细根受光合产物的限制。     

土壤增温对杉木幼苗细根生长量及形态特征的影响

为了揭示杉木人工林对全球变暖的地下响应,在福建省三明市陈大国有林场开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温试验,采用内生长环法探讨增温实验开始后第2年(2015年1月、7月取样)和第3年(2016年1月、7月取样)杉木幼苗细根生长量和形态特征(比根长,SRL;比表面积,SRA;组织密度,RTD)的变化。结果表明:(1)随着苗木的生长,土壤增温对细根生长量的影响趋势是先抑制,再无显著影响,最后促进。(2)土壤增温对细根形态特征的影响在不同取样时间有差异:土壤增温对7月份(夏季)取样的细根SRL或SRA有显著促进作用,对1月份(冬季)取样的细根SRL、SRA均无显著影响。(3)土壤增温对第二、第三次取样的1—2 mm细根RTD有促进作用。表明土壤增温对杉木幼苗细根生长量的影响与苗木生长阶段有关;同时苗木可通过细根形态的调整(增大SRL和RTD)以适应土壤增温引起的土壤资源变化和环境胁迫,维持自身的生长。     

植被恢复十年喀斯特坡地细根对土壤碳氮存留与可利用性的影响

土壤碳氮存留与可利用性对恢复生态系统的稳定性和可持续性产生重要影响,研究其细根控制过程对深入理解植被恢复的作用及其针对性应用具有重要意义。依托中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站10年植被恢复平台,通过分析8种植被恢复模式植物（细根生物量、δ¹³C、δ¹⁵N）、土壤（有机碳、总氮、δ¹³C、δ¹⁵N、团聚体、砂粒、交换性钙、可溶性有机碳和氮、铵态氮、无机氮、微生物生物量碳和氮）理化性质的变化和关系,阐明细根对土壤碳氮存留与可利用性的影响。研究结果表明：细根对土壤碳氮存留的影响可能主要基于对土壤团聚体结构的改善,加强了对土壤原有机碳、氮的保护和存留,而细根有机质输入的影响是较弱的;细根可能通过影响微生物调控土壤可利用性碳和氮;因高的细根生物量和固氮植物,封育林和刈割草地模式具有较高的土壤碳氮存留效应。综上所述,喀斯特植被恢复过程中细根对土壤碳氮存留与可利用性产生积极的影响。因此,石漠化生态工程治理可以考虑根系发达与固氮植物共同引种。     

增温与氮添加对不同季节杉木幼苗细根不同形态氮吸收动力学的影响

为了揭示不同季节下杉木人工林不同形态氮吸收速率对全球变暖与氮沉降的地下响应,在福建三明森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点开展增温和氮添加双因子试验,包括对照、增温、施氮、增温+施氮4个处理。结果表明:(1)在三个季节中,4个处理的杉木细根对不同浓度下硝态氮的吸收速率基本呈现出春季较高,夏秋季较低的态势,而对不同浓度下铵态氮的吸收速率则相反,为夏秋季较高,春季较低。(2)不同季节四个处理的离体根对不同浓度下铵态氮的吸收均遵循米氏-曼氏动力学方程,而对硝态氮的吸收并不完全遵循米氏方程,表现为双相动力学。(3)春季,与无氮添加相比,氮添加提高了NH⁺₄的最大吸收速率(V_max-NH⁺₄)。夏季,与无增温相比,增温提高了V_max-NH⁺₄。秋季,与无增温相比,增温降低了NH⁺₄的半饱和常数(K_m-NH⁺₄);...     

西南喀斯特石漠化环境适生植物细根构型及其与细根和根际土壤养分计量特征的相关性

以西南喀斯特石漠化环境适生植物构树(Broussonetia papyrifera)、花椒(Zanthoxylum bungeanum)、刺梨(Rosa roxburghii)、火棘(Pyracantha fortuneana)为研究对象,采用挖掘法采集完整的细根根系,分析细根构型特征及其与细根和根际土壤C、N、P养分元素化学计量特征之间的相关性,探讨细根构型特征对石漠化贫瘠土壤生境的响应。结果表明:构树、花椒、刺梨、火棘细根构型均趋向于鱼尾形分支模式,细根拓扑指数分别为0.93、0.95、0.95和0.94。4种适生植物的细根连接长度较长,但细根根系分支率较小。构树、刺梨细根分支前后横截面积比不存在显著差异且分别为1.04、1.03,基本符合Leonardo da Vinci法则。细根构型与细根和根际土壤养分有一定的相关性。主成分分析结果表明,细根N含量及细根、根际土壤中与P相关的计量比均是影响细根构型的主要因子。进一步分析表明,4种适生植物通过减少细根次级分支、根系间的重叠、延长细根连接长度以获得充足的养分来应对环境的变化,提高对养分的吸收效率以及对喀斯特环境的生态适应性。研究结果...     

长白山白桦山杨次生林细根形态特征和解剖结构对氮沉降的响应

根系作为植物与土壤物质交换和养分循环的桥梁,长期以来一直是生态学研究的热点。于2017年7月植物生长季,对长白山模拟11年氮(N)沉降控制试验样地的白桦(Betula platyphylla)山杨(Populus davidiana)天然次生林进行了根系采样,并利用根序法研究了根系形态特征和解剖结构对不同梯度N添加处理的响应,旨在探求两物种根系之间潜在生态联系。本试验共设置了三个N添加梯度,分别为对照(CK,0 g N m~(-2 )a~(-1))、低N处理(T_L,2.5 g N m~(-2 )a~(-1))和高N处理(T_H,5.0 g N m~(-2 )a~(-1))。研究结果如下:1)T_L显著抑制白桦和山杨前三级细根皮层厚度的生长。白桦通过增加皮层细胞直径(一级根增加了72.77%,二级根增加了53.22%,三级根增加了39.96%)但减少皮层层数来降低皮层厚度,而山杨主要通过皮层细胞直径的减少(一级根下降了40.80%,二级根下降了28.17%)来降低其皮层厚度。2)T_H显著抑制山杨前三级细根生长。主要通过增加皮层厚度(一级根增加了68.78%,二级根增加了50.81%,三级根增加了88.53%)以及降低导管横截面积来抑制吸收养分,从而达到影响生长的目的。3)白桦T_H相比于T_L细根直径呈抑制生长状态。其主要通过抑制中柱直径(一级根下降了17.61%,二级根下降了16.89%,三级根下降了20.62%)的生长来实现。以上结果表明,在同一立地条件下,白桦和山杨的细根对不同浓度N沉降的响应方式不同。     

氮添加对温带森林细根长期分解的影响

细根分解是森林生态系统碳循环的重要过程之一,其分解速率受到大气氮沉降增加的潜在影响。利用长期模拟氮沉降样地（2009年至今）,采用凋落物分解袋方法,研究了氮添加对温带常见的5个森林树种长期细根分解的影响。结果表明：细根分解呈现先快后慢的趋势,在分解第516天质量损失达30%~50%,之后质量残留率变化较为平缓。总体上,渐近线分解模型可以更准确的反应各处理细根分解速率。氮添加对细根分解具有阶段性影响,分解前期促进细根分解,分解后期抑制分解。在细根分解后期氮添加减缓分解速率,一方面是因为木质素等较难分解的物质所占比例升高所带来的直接影响,另一方面,是因为氮添加改变了微生物活动所带来的间接影响。     

华西雨屏区苦竹细根分解对模拟氮沉降的响应

森林细根分解是陆地生态系统碳循环的重要过程之一,其分解速率受到大气氮沉降增加的潜在影响.2007年11月至2013年1月,对华西雨屏区苦竹人工林进行每月1次的模拟氮沉降试验,设对照(CK,0 g N·m-2·a-1)、低氮(5 g N·m-2·a-1)、中氮(15 g N·m-2·a-1)和高氮(30 g N·m-2·a-1)4个处理.2011年1月起,采用分解袋法研究苦竹细根分解.结果表明:苦竹细根分解呈现出先快后慢的趋势,在分解第1年质量损失达60%,分解第2年质量残留率变化较为平缓.对照处理细根质量损失50%和95%分别需要1.20和5.17 a.总体上,负指数模型低估了各处理细根分解速率.模拟氮沉降显著抑制了苦竹细根分解,相对于对照,高氮处理细根在分解2 a后残留量增加51.0%.模拟氮沉降显著增加了凋落物碳、氮和磷元素的残留率.与对照相比,模拟氮沉降处理4.5 a后,中氮和高氮处理土壤pH值显著降低,高氮处理土壤有机碳、总氮、铵态氮和硝态氮含量以及苦竹细根生物量显著增加.     

黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的差异及其影响因素

研究植被恢复对土壤碳氮动态的影响,对了解陆地生态系统碳氮循环,应对全球温室效应具有重要意义.本研究以黄土丘陵区不同人工恢复植被为对象,以农田为参照,分析了不同人工植被恢复方式对0～100 cm剖面土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量影响的差异及其影响因素.结果表明: 退耕还林还草显著提高了土壤的SOC和TN含量.退耕后,SOC和TN含量均较农田明显提高.0～100 cm土层SOC平均含量人工乔木林为农田的1.43倍,增幅最大;其次是人工灌木,为1.36倍;最后是人工草地,为1.21倍.0～100 cm土层TN平均含量人工乔木林增幅最大,是农田的1.30倍;其次是人工草地,为1.21倍;而人工灌木增幅最小,为1.13倍.与农田相比,人工恢复植被类型间SOC和TN含量及细根密度的差异在土壤剖面深度上表现出不同,人工乔木和灌木最明显,影响深度＞100 cm;草地最小,仅为60 cm.恢复植被的细根密度、C∶N和凋落物量显著高于农作物,细根密度与SOC、TN呈显著线性相关(P<0.01).细根的质和量以及凋落物量是不同人工恢复植被下SOC和TN含量差异的重要影响因素.     

杉木幼苗和伴生植物细根对土壤增温的生理生态响应

为揭示全球变暖背景下杉木人工林幼苗与其伴生的其它植物间的对土壤养分的竞争关系和适应性,本研究采用埋设加热电缆进行土壤增温(+5℃)技术,在福建省三明市陈大国有采育场内建立杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗试验小区,包括对照(NW)与增温(WNW)处理(均不除草)。采用内生长环法与土钻法相结合,测定增温对杉木幼苗及伴生的其他植物(主要为山油麻Helicteres angustifolia、东南野桐Mallotus lianus)等细根生物量、呼吸、形态、及根组织氮浓度的短期影响。结果表明,(1)增温显著降低了杉木1mm细根生物量,而显著增加了其他植物1mm细根生物量。增温显著提高了其他植物1mm细根的氮浓度,显著降低了其比根长(SRL)和比表面积(SRA);同时降低了比根呼吸(参比温度18℃,SRR_(18)),表明细根呼吸对增温产生了驯化现象。而增温对杉木细根的氮浓度没有显著影响,却显著提高了1mm细根比表面积;同时增温对杉木SRR_(18)没有显著影响,表明杉木细根呼吸没有产生驯化现象。(2)SRR_(18)与比根长间的关系受到增温的显著影响,但树种以及增温×树种的交互作用没有显著影响,表明杉木和其他植物细根竞争能力与维持成本间的平衡关系均受到增温的共同影响。综上结果显示,相较于杉木,伴生的其他植物在增温环境中对地下资源的竞争具有更强的优势,能通过增加细根生物量迅速抢夺吸收因增温而加速矿化的土壤养分,同时通过生理和形态的调整,减少根系单位质量的维持成本,从而提高其对全球变暖的适应性;而杉木在增温条件下面临其他植物的强烈竞争,细根生物量降低,处于不利地位,为了满足生长所需,需增大比根长和比根表面积,且因细根呼吸没有产生驯化现象,从而增加了细根单位质量的维持成本,说明杉木对全球变暖的适应性低于其他植物。该研究结果对于全球变暖下杉木人工林的管理具有重要意义。     

关于氮有效性影响细根生产量和周转率的四个假说

在全球变化如氮沉降及温度升高等可能导致土壤氮有效性增加的背景下,细根动态如何变化一直是陆地生态学研究中的一个重要内容.本文综述了前人提出的细根动态响应土壤N有效性提高的4个代表性假说:1)细根生产量和周转率都提高;2)细根生产量和周转率都下降;3)细根生产量下降,周转率提高;4)细根生产量提高,周转率下降.根据2000年以来以微根管方法为主测得的根系动态数据,笔者认为假说1)和假说2)得到的支持最为充分.此外,还探讨了树种、细根异质性、菌根真菌、细根采样方法和施肥方法等对上述各假说检验的影响.     

Interactive effects of soil warming and nitrogen addition on fine root production of Chinese fir seedlings

Aims There have been a large number of studies on the independent separate responses of fine roots to warming and nitrogen deposition, but with contradictory reporting. Fine root production plays a critical role in ecosystem carbon, nutrient and water cycling, yet how it responds to the interactive warming and nitrogen addition is not well understood. In the present study, we aimed to examine the interactive effects of soil warming and nitrogen addition on fine root growth of 1-year-old Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) seedlings in subtropical China.
Methods A mesocosm experiment, with a factorial design of soil warming (ambient, +5 °C) and nitrogen addition (ambient, ambient + 40 kg·hm^-2·a^-1, ambient + 80 kg·hm^-2·a^-1), was carried out in the Chenda State-owned Forest Farm in Sanming City, Fujian Province, China. Fine root production (indexed by the number of fine roots emerged per tube of one year) was measured biweekly using minirhizotrons from March of 2014 to February of 2015.
Important findings (1) The two-way ANOVA showed that soil warming had a significant effect on fine root production, while nitrogen addition and soil warming × nitrogen addition had no effect. (2) The three-way ANOVA (soil warming, nitrogen addition and diameter class) showed that soil warming, diameter class and soil warming × diameter class had significant effects on fine root production, especially for the number of fine roots in 0-1 mm diameter class that had been significantly increased by soil warming. Compared with the 1-2 mm roots, the 0-1 mm roots seemed more flexible. (3) Repeated measures of ANOVA (soil warming, nitrogen addition and season) showed that soil warming, season, soil warming × season, and soil warming × nitrogen addition × season had significant effects on fine root production. In spring, the number of fine roots was significantly increased both by soil warming and soil warming × season, while soil warming, nitrogen addition, soil warming × nitrogen addition significantly decreased fine root production in the summer. (4) Soil warming, soil layer, soil warming × soil layer had significant effects on fine root production. The number of in-growth fine roots was significantly increased by soil warming at the 20-30 cm depth only. It seemed that warming forced fine roots to grow deeper in the soil. In conclusion, soil warming significantly increased fine root production, but they had different responses and were dependent of different diameter classes, seasons and soil layers. Nitrogen addition had no effect on fine root production. Only in spring and summer, soil warming and nitrogen addition had significant interactive effects.     

华北落叶松林细根生物量对土壤水分、氮营养空间异质性改变的响应

在华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林选取采伐干扰样地和未采伐干扰样地进行对比研究, 分析采伐干扰造成林下土壤水分和氮营养空间异质性的改变对细根生物量空间变异的影响。采用空间格局分析的小支撑、多样点的设计原则, 对每个样点的土壤分3层取样(0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm)。进行细根(≤1 mm和1-2 mm)生物量与土壤含水量、全氮、硝态氮、铵态氮和土壤pH的偏相关分析, 以及细根生物量变异函数值和土壤各因子变异函数值的线性回归分析。研究结果表明, 在不同样地, 细根生物量与土壤各因子均表现为正相关关系, 不同土层相关性强弱表现各异, 其中土壤含水量与细根生物量的相关性显著。受采伐干扰后, 细根生物量与土壤含水量、全氮、土壤硝态氮空间变异的关联性更趋于明显。多元线性回归分析结果表明, 采伐干扰样地细根生物量的空间变异更多地受到土壤多因子的综合影响, 而未采伐干扰样地的细根生物量受土壤水分、全氮和硝态氮单独效应的影响更大。     

Effects of short-term nitrogen addition on fine root biomass,lifespan and morphology of Castanopsis platyacantha in a subtropical secondary evergreen broad-leaved forest

Aims Fine roots are the principal parts for plant nutrients acquisition and play an important role in the underground ecosystem. Increased nitrogen (N) deposition has changed the soil environment and thus has a potential influence on fine roots. The purpose of this study is to reveal the effect of N deposition on biomass, lifespan and morphology of fine root.Methods A field N addition experiment was conducted in a secondary broad-leaved forest in subtropical China from May 2013 to September 2015. Three levels of N treatments: CK (no N added), LN (5 g·m^-2·a^-1), and HN (15 g·m^-2·a^-1) were applied monthly. Responses of fine root biomass, lifespan, and morphology of Castanopsis platyacantha to N addition were analyzed by using a minirhizotron image system from April 2014 to September 2015. Surface soil sample (0-10 cm) was collected in November 2014 and soil pH value, and concentrations of NH₄⁺-N and NO₃^--N were measured.Important findings The biomass and average lifespan of the fine roots of C. platyacantha were 128.30 g·m^-3 and 113-186 days, respectively, in 0-45 cm soil layer. Nitrogen addition had no significant effect on either fine root biomass or lifespan in 0-45 cm soil layer. However, LN treatment significantly decreased C. platyacantha root superficial area in 0-15 cm soil layer. HN treatment significantly decreased soil pH value. Our study indicated that short-term N addition influences soil inorganic N concentration and thus decreased pH value in surface soil, and thereafter affect fine root morphology. Short-term N addition, however, did not affect the fine root biomass, lifespan and morphology in subsoil.     

氮肥对水曲柳和落叶松细根寿命的影响

采用微根管技术研究了氮肥对水曲柳和落叶松细根生长、衰老和死亡的影响,探讨两树种细根寿命与氮有效性之间的相关关系.结果表明：林地施氮肥后,两树种细根数量都呈减少趋势,细根总体直径增加,分枝程度降低;氮肥使水曲柳细根存活率提高,细根中位值寿命延长105 d,而落叶松细根存活率对氮肥反应不敏感;施氮肥对细根寿命的延长效应主要体现在直径较小的一级根、表层（0～15 cm)根系和春夏季新生的细根,表明氮肥对高生理活性的细根
影响较强.     

不同氮素添加量对大兴安岭冻土区泥炭地植物细根形态的影响模拟研究

为探讨氮素营养环境变化对冻土区泥炭地植物细根形态的影响,在大兴安岭泥炭地开展了不同浓度氮素添加模拟试验,添加量分别为0 g N m^-2 a^-1（CK）、6 g N m^-2 a^-1（N1）、12 g N m^-2 a^-1（N2）和24 g N m^-2 a^-1（N3）。在2020年8月和9月,利用微根管技术观测泥炭地不同深度（0-20 cm、20-40 cm）土壤中的植物细根形态,应用WinRHIZO图像分析软件分析根系特征。结果表明,在表层土壤（0-20 cm）中植物细根的总根长、总表面积、总体积和根长密度随施氮量增加而增加,其中8月份N3处理下细根总根长、总表面积、总体积和根长密度显著高于其他处理（P< 0.05）,N2处理下细根总表面积、总体积显著高于对照组和N1处理;9月份N3处理下细根总根长和根长密度显著高于对照组,总表面积和总体积显著高于对照组和N1处理。说明高浓度氮素添加在一定程度上缓解了植物氮素限制,能够显著促进表层土壤（0-20 cm）中植物细根的生长,但对亚表层土壤（20-40 cm）中细根的影响幅度小于表层土壤。     

土壤易矿化有机态氮和微生物态氮作为土壤氮素生物有效性指标的评价

通过盆栽试验研究了土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮与土壤净矿化氮及植物吸氮量之间的关系。结果表明,种植前土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮以及种植前后土壤易矿化有机态氮的变化量均与土壤氮素净矿化量和植物吸氮量之间存在显著的相关性。在盆栽试验条件下,土壤易矿化有机态氮和种植前土壤微生物态氮能够较好地反映土壤氮素的矿化和供应能力,可以作为土壤氮素的生物有效性指标。     

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）.     

保水剂-尿素凝胶对侧柏裸根苗细根生长和氮素利用率的影响

在盆栽试验条件下,研究不施肥和保水剂(CK)、单施尿素(U)、单施保水剂(S)、保水剂-尿素混施(SUM)和保水剂-尿素凝胶(SUG)处理对侧柏裸根苗细根的形态特征、吸收面积、氮代谢及氮素利用率的影响.结果表明:与U处理相比,SUG处理显著增加细根的生物量、长度、比根长、表面积和体积,并明显扩大细根的总吸收面积和根尖吸收面积;SUG处理比根长分别较CK、U、S和SUM处理显著增加34.7%、37.9%、41.1%和12.4%,细根的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶活性分别较U处理提高41.2%、76.6%、30.7%和125.8%,而GS/GDH(谷氨酰胺合成酶/谷氨酸脱氢酶)下降.SUG处理显著促进侧柏裸根苗地径、株高的生长以及地上部和地下部干物质积累,且氮素利用率达到40.7%,分别比U和SUM处理显著提高118.8%和44.5%.保水剂-尿素凝胶通过改善侧柏裸根苗细根的形态特征、提高吸收面积及氮代谢关键酶活性而提高氮素利用率,促进生长,并增强抵御干旱胁迫的能力.