黄栌幼苗根系构型对土壤养分胁迫环境的适应性研究

摘要

【目的】通过研究黄栌幼苗根系构型对土壤养分胁迫环境的适应性,探讨黄栌根系构型在土壤养分供应不足环境中的适应对策。【方法】试验材料为一年生黄栌幼苗,采用盆栽模拟控制试验,设置养分充足(即全土,土壤含沙比例0,CK),轻度养分胁迫(土壤含沙比例30%,N1),中度养分胁迫(土壤含沙比例50%,N2),重度养分胁迫(土壤含沙比例70%,N3)和极度养分胁迫(即全沙,土壤含沙比例100%,N4)5个梯度,分别在移栽后第31、38、45、52和59天取样,研究幼苗根系分枝模式、几何特征和不同径级细根形态在上述养分环境中的变化规律。【结果】(1)CK处理幼苗的根系拓扑指数(TI和DBI)最大,最长链接路径的链接数(a)、根系外部链接数(μ)以及所有链接路径的链接总数(Pe)最小。N1环境中,幼苗的TI和DBI最小,a、μ和Pe最大,分别比CK高53.2%、131.6%和194.7%。(2)N1、N2、N3和N4处理中:幼苗比根长(SRL)、比表面积(SRA)和分枝密度(RBI)逐渐增大,其中,N4处理幼苗的SRL、SRA和RBI分别比CK高67.7%~157.4%、52.3%~120.7%和14.7%~42.1%;根尖数量(RT)、根链接数量(RLN)、根链接总长度(RLTL)和分枝数量(RF)逐渐减小,以N1处理为最大,分别比CK高95.0%~279.6%、104.3%~247.4%、77.4%~193.5%和102.6%~235.0%;根链接平均长度(RLAL)、根链接平均直径(RLAD)和根组织密度(RTID)均呈减小趋势,以N4处理最小,分别比CK低15.2%~22.7%、9.3%~21.4%和32.4%~42.7%。(3)CK环境中,SRL和SRA的正相关系数最大(0.951),N4环境中,RF与RLN之间和RLAL和RLAD之间的正相关系数最大(分别为0.989、0.904)。N1、N2和N3处理的RBI和RLAL之间的负相关系数分别为-0.915、-0.889和-0.893。(4)N3和N4处理中,0~0.50 mm范围内细根的平均长度比例、平均表面积比例、平均体积比例和平均根尖数量比例均高于其他处理,分别达86.3%和86.1%、67.6%和66.7%、40.2%和38.1%、98.6%和98.4%,而上述指标在CK处理中均为最低,分别为80.9%、59.4%、32.2%和97.2%。【结论】(1)土壤养分充足时,黄栌根系最接近分枝少且结构相对简单的鲱鱼骨分枝模式,具有向土壤深处延伸生长的倾向。轻度胁迫环境中,黄栌构建了分枝多、次级根重叠度高的叉状分枝模式,主、侧根尽可能地主动向距离根基较远的土壤中拓展以吸收更大范围内的养分。中度、重度和极度胁迫环境中,幼苗为减少碳消耗而采取相对简单化的根系结构对策,根系通过形成短而细的密集横向分枝(以细根为主)而加强原位利用养分能力。(2)改变根系构型几何特征参数间的协同或权衡关系、实现自身资源利用的经济化,也是黄栌应对不同土壤养分环境的重要方面。(3)从全土到极端严重胁迫环境,0~0.50 mm范围细根的分化明显增强。重度胁迫逆境时,0~0.50 mm的细根是幼苗吸收养分的重要活跃位点。极度胁迫逆境时,黄栌通过促进产生一定数量的寿命相对较长、周转速率相对较慢的细根(0.50~2.00 mm)以减少细根周转对碳的消耗,从而维持根系资源利用效率。