李 婧，洪宗文，熊仕臣，李 宇，刘 宣，李冬青，李 晗，谭 波，徐振锋，游成铭
（长江上游林业生态工程四川省重点实验室/长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室/华西雨屏区人工林生态系统研究长期科研基地/四川农业大学生态林业研究所，成都 611130）
细根是林木获取水分、养分和转移碳到土壤的功能器官，对森林生态系统的生产力及碳和养分循环具有重要调控作用[1-4]。细根形态(如直径、比根长和组织密度等)是影响植物生产力的重要指标，对维持根系的功能具有重要作用[5-6]。例如，根系直径与根系寿命和周转有关，而比根长和比表面积可以表征根系对养分的吸收效率和利用效率[5]。碳氮磷化学计量特征是研究植物体内元素分配及其耦合关系的有效手段，反映了植物资源利用效率和生态适应策略[7-8]。例如，细根碳含量可以揭示植物根系构建消耗的碳同化产物[9]，氮、磷含量是揭示植物养分库和生理活性的重要指标[10]，并且氮磷比可以用于诊断林木潜在的养分限制状态[11-13]。因此，研究细根形态和碳氮磷生态化学计量特征有助于深入认识林木资源吸收策略与养分平衡规律，可为人工林的可持续经营与管理提供理论依据。
目前国内外对细根的定义划分主要有3 种，分别是按照直径特定的阈值(如，≤ 0.5 mm、≤ 1 mm 或≤ 2 mm)、根序级以及根功能模块(如，吸收根和运输根)划分[2,14-15]。越来越多的研究表明，植物细根较小的内部构造和功能具有高度的异质性，简单地用直径定义细根的方法难以量化其形态、结构和生理的可塑性和多样性[16-17]。根系是由不同形态和功能的多个分支结构的远端根构成，相较于直径，细根结构和功能与根序及根功能模块联系更为紧密[16-17]。例如，位于根系远端的吸收根易于菌根定殖、但寿命短，主要负责水分和养分的探测和吸收，而运输根的寿命相较更长，主要执行养分运输、储存及其对植物的固定[18]。以往研究发现，细根直径和根组织密度随根序的增加而增加，而比根长、氮磷含量则相反[19-20]。近年来，国内外学者已对不同树种根系形态和化学性状在根序级和根功能模块的差异进行了大量报道[3,21-22]，但缺乏林龄对细根形态和化学计量特征影响的研究。林龄作为林分结构的主要特征之一，不同生长阶段的林木可以通过改变土壤的养分资源有效性和养分需求量[23]，进而改变林木细根形态和细根碳氮磷化学计量特征。首先，林龄可通过改变林分结构、微环境、凋落物归还、根系分泌物等，影响土壤资源环境的异质性，从而影响林木细根性状特征[5,18,24-25]。其次，不同生长阶段的林木对土壤养分吸收能力不同，并且与根系形态密切相关[26]。
例如，有研究表明根系氮吸收速率与比根长和比表面积呈正相关，并且幼龄与成熟龄杉木(Cunninghamia lanceolata)对铵态氮的吸收速率均显著高于中龄林[27]。然而，目前对基于根序的细根形态和根功能模块的碳氮磷化学计量特征在林木不同林龄阶段的差异还缺乏足够的生态学认识。
柳杉(Cryptomeria japonicavar.sinensis)是四川省的常见针叶树种，也是我国亚热带地区用材林基地建设的主要造林树种之一。四川洪雅柳杉林场位于华西雨屏区核心地带，具有大面积地理条件相对一致、经营历史资料清晰、林龄序列完整的柳杉人工林。基于此，本文以华西雨屏区不同林龄柳杉人工林为研究对象，通过采集根系样品，从细根形态和碳氮磷化学计量特征入手，拟解决以下问题：(1)不同林龄柳杉人工林基于根序(1～5 级根)的细根形态有何差异？(2)不同林龄柳杉人工林基于根功能模块(吸收根和运输根)的碳氮磷化学计量特征有何差异？(3)细根形态和碳氮磷化学计量特征之间有何生态关联？并且假设：华西雨屏区不同生长阶段的柳杉细根性状在根序或根功能模块上具有明显差异，并且细根化学计量特征与根系形态具有较强的生态关联。本研究旨在深入认识不同生长发育阶段柳杉人工林的养分吸收策略和养分平衡规律，从而为区域柳杉人工林的提质增效提供科学依据。
1.1 研究区概况
样地位于四川省洪雅县 (102°49＇～103°32＇ E，29°24＇～30°00＇ N) 境内的洪雅林场。洪雅县地处四川西南盆地，气候为亚热带湿润气候，年降雨量1 435.5 mm，年无霜期长达303 d，年平均气温16.6 ℃。本研究拟选择在林场的玉屏山工区，该工区拥有柳杉纯林从幼龄林到过熟林完整的林龄序列，并且连接成片。该区海拔1 200 m，主要土壤类型为山地棕壤。林场主要造林树种为柳杉(C. japonicavar.sinensis)和杉木(Cunninghamia lanceolata)等，其中柳杉作为优势树种，占总面积达49.6%。并且林下植被主要有蕨类(Pteridophyta)、箭竹(Fargesia spathacea)、蛇莓(Duchesnea indica)和楼梯草(Elatostema involucratum)等。
1.2 样地设置与样品采集
基于以往对人工林林龄的研究[23,28]和前期调查，参照柳杉人工林林龄划分标准，选取洪雅林场玉屏山相邻分布、海拔和坡度等条件相对一致的林场样地，以中龄林(13 a)、成熟林(33 a)和过熟林(53 a)的柳杉人工林为研究对象。各林龄样地内随机3块样地大小为20 m×20 m 的样方。各样方坡向相同，坡度＜ 30°，冠层相似，样地间距＞100 m，共计9 个样方。
2021 年7 月，在13、33 和53 a 柳杉人工林的各样方选择3～5 株健康且发育基本一致的柳杉，结合“树干追踪法”[29]和“土块法”[14]进行样品采集。清除柳杉树干周围枯木和杂草后，在距树干基部约二分之一冠幅的距离处，用平板利铲清除表层土壤后找到主根，在暴露出来的侧根两侧各挖3个土块，土块大小为20 cm×20 cm×10 cm，共计27 个土块。取土块时尽量保持根系的完整，将挖到的土块小心破碎、分散，取样时尽量避免低级根的损失。将挑出完整的根系装入自封袋，并编好序号放入冷藏箱，运回室内后临时保存在-4 ℃冰箱等待处理。
1.3 指标测定
将样品带回实验室后小心清洗根系附着的泥土，根据细根颜色和质地辨别并去除死根，直至所有样品处理完毕，再按照K. S. Pregitzer 等[30]分级法将细根按照1～5 级根序进行分级。首先，选取1 个完整根系，用镊子固定整个根系，将最末端的根尖定为1 级根，两个1 级根交汇处定义为2 级根，两个2级根交汇处定义为3级根，以此类推到5级根。然后，用另一只镊子从1级根根部摘取完整的小根，其余所有根系同样用镊子固定、摘取和分级。记录每袋样品中各级根的数量，分别装袋并冷藏保存。
将各个样方的1～5级细根依次分区置于扫描所用的透明托盘，用Epson 数字化扫描仪(Expression 10000XL 1.0)进行扫描，得到的根系扫描图采用WinRHIZO 软件(Pro2019a，Canada)进行根系形态分析。扫描分析后将根系样品装入牛皮纸信封，在65 ℃烘箱48 h烘至恒重，称量各个级别细根的干质量，精确到0.000 1 g。软件直接量化得到的根系形态有细根直径、根长、表面积和根体积等参数，通过以下公式计算得到比根长、平均直径、比表面积和根组织密度。
根据以往相关研究[21]，将1～3 级根定义为吸收根，4～5级根定义为运输根，分别装袋后粉碎研磨过1 mm筛，用于细根碳氮磷含量的测定。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定碳含量；
采用凯氏定氮法测定氮含量；
采用钼锑抗比色法测定磷含量。
1.4 数据处理
用Microsoft Excel 进行数据整理后，采用双因素方差分析(two-way ANOVA)检验林龄和根序/根功能模块及其交互作用对根系形态和碳氮磷化学计量特征的影响。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)分析林龄和根序对柳杉细根根系形态的影响，采用Duncan 多重比较法进行显著性检验(P＜0.05)。采用独立样本t检验(independent-samplesttest)根功能模块间碳氮磷化学计量的差异。采用相关性分析柳杉根系形态与碳氮磷化学计量特征的相关性。采用SPSS 22 进行统计分析，用Origin 2022b绘图。
2.1 不同林龄柳杉人工林1～5级根系的形态特征
结果表明，林龄显著影响柳杉细根的直径、比根长、比表面积和组织密度，其相对解释度分别为7.15%、9.14%、4.72%和3.91%(表1)。柳杉比根长随林龄增加呈先降低后增加趋势，整体在13 a 最高，在33 a 最低；
直径随林龄增加呈先增加后降低趋势，整体在33 a最高，在13 a最低(5级根除外)；
比表面积随林龄增加整体呈降低趋势，而组织密度随林龄增加无明显变化规律(图1)。根序对柳杉细根的直径、比根长、比表面积和组织密度均有显著影响，其相对解释度分别为76.72%、84.87%、77.81%和53.35%(表1)。柳杉细根比根长和比表面积随根序增加而呈降低趋势，直径随根序增加整体呈增加趋势，低级根(1～2 级)组织密度整体低于高级根(3～5级)(图1)。林龄和根序的交互作用对柳杉直径、比根长和组织密度均有显著影响(表1)。
表1 林龄和根功能模块对柳杉根系形态的影响Table 1 Effects of stand age and root function modules on the morphology of the root system of C. japonica sinensis
图1 不同林龄柳杉人工林1～5级根系的形态特征Figure 1 Morphological characteristics of grade 1-5 roots in C. japonica sinensis plantations of different stand age
2.2 不同林龄柳杉人工林吸收根和运输根的碳氮磷化学计量特征
林龄对根系氮含量无显著影响，但显著影响柳杉细根碳含量和磷含量，其相对解释度分别为43.50%和43.65%(表2)。细根碳含量整体随林龄增加呈先增加后降低趋势，但仅在运输根显著；
细根磷含量随林龄增加呈先降低后增加趋势，但仅在吸收根具有显著差异(表2，图2)。运输根碳含量整体相对高于吸收根，但无显著差异。根功能模块显著影响氮和磷含量具有显著影响，其相对解释度分别为66.89%和17.79%(表2)。吸收根氮含量高于运输根，在13 a 和33 a 具有显著差异；
吸收根磷含量高于运输根，仅在53 a具有显著差异(图2)。林龄和根功能模块的交互作用对柳杉细根碳、氮和磷含量均无显著影响(表2)。
林龄对细根氮磷比无显著影响，但显著影响柳杉碳氮比、碳磷比，其相对解释度分别为22.18%和59.76%(表2)。33 a细根碳氮比、碳磷比显著高于其他林龄阶段，并且在吸收根和运输根均有显著差异(图2)。根功能模块对细根碳氮比、碳磷比具有显著影响，其相对解释度为59.87%和14.81%(表2)。运输根碳氮比、碳磷比整体高于吸收根；
运输根在33 a和53 a 碳氮比具有显著差异，吸收根在13 a 和33 a碳磷比具有显著差异(图2)。林龄和根功能模块的交互作用只对柳杉细根碳氮比有显著影响，对碳磷比和碳氮比均无显著影响(表2)。
图2 不同林龄柳杉人工林吸收根和运输根的碳氮磷化学计量特征Figure 2 C, N and P stoichiometric characteristics of absorptive root and transportive root in C. japonica var. sinensis plantations of different stand age
表2 林龄和根功能模块对柳杉根系碳氮磷化学计量特征的影响Table 2 Effects of stand age and root function modules on the stoichiometric characteristics of C, N and P in the root system of C. japonica sinensis
2.3 根系形态与化学计量特征的相关性分析
相关性分析表明，细根直径与比根长、比表面积呈显著负相关关系。细根比根长与比表面积呈显著正相关关系。根组织密度与直径呈正相关关系，而与比根长和比表面积呈显著负相关关系。细根碳含量与磷含量呈显著负相关关系，与碳氮比、碳磷比呈显著正相关关系。氮含量与磷含量、氮磷比呈显著正相关关系，与碳氮比、碳磷比呈显著负相关关系。细根直径和根组织密度与细根氮含量、磷含量呈显著负相关关系，与碳氮比、碳磷比呈显著正相关关系。比根长和比表面积与氮含量之间呈显著正相关关系，而与碳氮比呈显著负相关关系。
图3 根系形态与化学计量特征的相关性热图Figure 3 Heat map analysis of the correlation between root morphology and stoichiometry characteristics
3.1 不同林龄柳杉人工林1～5级根系的形态特征
细根直径可以表征细根寿命，比根长与比表面积能够直观反映根系对养分和水分的吸收能力，根组织密度与根系防御机制密切相关[31-33]。本研究发现，柳杉比根长整体随林龄增加呈先降低后增加趋势(图1d)，这一结果与以往关于山毛榉和橡树的比根长随林龄增加而降低的结果不一致[34]。这可能是因为柳杉是针叶树种，在成熟林阶段通过改变微环境和凋落物归还等，提高了土壤资源有效性，有利于细根吸收养分。然而，在中林龄和过熟林阶段受到养分限制或土壤酸化，则需要构建更长的根系来获取资源从而满足自身的养分需求[35-36]。直径整体随林龄增加呈先增加后降低趋势(5级根除外)，这可能是由于柳杉在生长初期(中林龄)优先投资地上部分从而获取竞争优势，而直径在过熟林阶段减小则可能是受到土壤酸化和铝毒害的影响[37]。比表面积随林龄增加整体呈降低趋势，这与任浩等[26]关于不同林龄红松的研究结果一致，这可能是由于随林龄增加，地表凋落物的积累导致土壤持水能力增强，从而降低了柳杉对水分获取的投资成本。细根的组织密度与细根次生细胞壁的发育程度密切相关，并且反映了单位长度细根生物量的积累情况[38]，本研究发现，细根组织密度随林龄增加无明显变化规律，这可能是因为柳杉不断调整根系组织的伸展能力，从而适应资源环境的变化[28]。
本研究表明，根序对平均直径、比根长、比表面积和组织密度均有显著影响。柳杉细根比根长和比表面积随根序增加而呈降低趋势，这与刘颖等[39]关于3种灌木根系形态的研究结果一致。这是因为低级根是根系新陈代谢最旺盛的部位，具有短寿命、周转快、活性高和数量多等特点，主要起吸收水分和养分的作用，而高度木质化的高级根位于根系分支结构的顶端，主要通过增加直径来提高运输资源的效率[33]。本研究也表明，柳杉细根直径随根序增加整体呈增加趋势，与张进如等[19]关于9 种灌木细根的研究结果一致，这是由于细根直径与维管束直径呈显著正相关，维管束直径随着根序增加而增大[21]。然而，本研究发现，虽然低级根(1～2 级)组织密度整体低于高级根(3～5级)，但随根序无明显变化规律，这与王奕丹等[31]关于亚热带6 个典型树种的研究结果一致。细根直径和组织密度是比根长的主要构成部分，而本研究结果表明相比组织密度，细根直径更能调控比根长的变异，并且高级根的物理防御能力比低级根更强[9]。
3.2 不同林龄柳杉人工林吸收根和运输根的碳氮磷化学计量特征
碳元素是植物构成的基本骨架，而氮、磷元素是限制植物生长和关键生态过程的重要限制因子，在生态系统物质循环中发挥着关键作用[40-41]。本研究表明，细根碳含量整体随林龄增加呈先增加后降低趋势，但仅在运输根显著。这与洪滔等[24]关于千年桐的研究相近，这可能是由于柳杉在中龄林至成熟林阶段需要利用运输根进行养分的运输和固定，以支持树冠进行地上资源的争夺[6]，而在过熟林阶段生长速率减缓，降低了对各种资源的需求。本研究表明，细根磷含量随林龄增加呈先降低后增加的趋势，但仅在吸收根具有显著差异。这与张芸等[25]关于杉木的研究相似。这可能是因为相较于过熟林阶段，在中林龄和成熟林阶段柳杉处于快速生长阶段，将更多磷投入到地上部分光合器官的构建合成。本研究发现，成熟林阶段的细根碳氮比、碳磷比显著高于其他林龄阶段，这可能是由于碳氮比和碳磷比往往表征林木吸收养分和同化碳的能力，这一研究结果表明成熟林阶段柳杉人工林养分利用效率最高。以往研究表明，当植物N / P＜14时，植物生长可能受N 限制；
N / P＞16 时，植物生长可能受P限制；
当14＜N / P＜16 时，植物生长受N 和P 共同限制。本研究发现，林龄对细根氮含量、氮磷比均无显著影响，且氮磷比均小于14，说明柳杉在各个生长阶段均可能受到氮元素的限制。
本研究中，吸收根氮含量和磷含量均高于运输根，这与Bu W. S.等[20]关于亚热带混交阔叶树种的研究结果一致。这可能是由于低级根是根系系统最活跃的部分，菌根定殖和完整的表皮和皮层组织以及较高的酶活性有助于植物代谢的养分获取[2,14]。其次，运输根碳含量整体相对高于吸收根，这可能是由于高级根生理活性较低，次生组织木质化程度高，需要投入大量结构性碳水化合物构建根系的防御机制[2,9,14]。另外，本研究发现运输根碳氮比、碳磷比整体高于吸收根，这符合生长速率假说，即生长较快的组织(如吸收根)比生长较慢的组织(运输根)需要更多的蛋白酶和核酸物质，从而支持蛋白质的快速合成[42]。本研究结果中，不同林龄柳杉吸收根与运输根的氮磷比均小于14。这与纪娇娇等[43]关于亚热带地区杉木生长存在氮限制的结果一致。这可能是由于亚热带针叶林凋落物难以分解，土壤可利用性氮含量较低，植物更容易受氮限制[44-45]。
3.3 根系形态与化学计量特征的生态关联
本研究表明，直径与比根长呈显著负相关关系，表明柳杉细根寿命与资源获取效率之间存在权衡[3]，这与高彩龙等[21]关于小兴安岭3种植物细根形态的研究结果一致，这可能是因为细根的养分获取能力越强，根系活性越强，从而加速了细根的周转和对碳的消耗[46]。其次，本研究发现细根组织密度与比根长、比表面积呈显著负相关关系，支持根系经济谱理论[3]。这可能是因为林木在不同生长阶段根系的养分吸收策略和防御能力可能存在权衡关系。此外，氮含量与碳氮比、碳磷比呈显著负相关关系，这表明柳杉细根可能具有较高的养分利用效率和生长速率[47]。本研究还发现，细根根组织密度与细根氮含量呈显著负相关关系，说明柳杉细根资源获取策略存在获取型—保守型的权衡，这与Ding J. X.等[3]关于针叶林的研究结果相似，这可能是由于细根获取养分策略分配的不同，而组织密度较大的根更易于菌根定殖，养分获取速率较慢[32]。比根长和比表面积与氮含量之间呈显著正相关关系，而与碳氮比呈显著负相关关系，这与张进如等[19]关于9种灌木细根的研究结果一致。这可能是由于比根长和比表面积能表征根系的养分和水分的吸收能力，细根养分吸收能力增强促进了氮元素的积累，从而提高了根系活性但降低了氮的利用效率[33]。综上所述，这些结果进一步强调了不同生长阶段对林木根系养分获取策略和防御的调控作用。
本研究发现，华西雨屏区柳杉细根随根序的增加，比根长和比表面积减小，而平均直径则呈相反的趋势，与随林龄增加根系形态的变化趋势不一致。这说明柳杉不同根序的根系形态在不同生长阶段均具有可塑性。本研究还发现，不同林龄柳杉细根氮磷比均小于14，说明该区域柳杉在不同生长阶段均可能受到氮限制。此外，柳杉根系形态与化学计量特征的生态关联表明柳杉细根在资源获取、组织防御和寿命之间可能存在权衡关系。综上，相较以往关于不同树种细根形态的研究，本研究着重强调了不同生长阶段柳杉细根性状在根序上的变异，研究结果有助于提升对柳杉人工林养分获取策略的认识，可为区域柳杉人工林提质增效提供理论依据。
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