细根在植物的养分获取和生态系统物质循环中有重要的作用,日益增加的氮沉降改变了土壤pH值和养分可利用性,潜在地影响着细根特性.为揭示氮沉降增加对木本植物细根寿命和形态的影响,于2013年5月至2015年9月在亚热带次生常绿阔叶林中开展每月一次的氮添加试验,共设对照(CK,0 g·m-2.a-1)、低氮(LN,5 g·m-2.a-1)、高氮(HN,1 5 g·m-2a-1)3个水平.以该林分建群种扁刺栲(Castanopsis platyacantha)为研究对象,于2014年4月至2015年9月,每月采用微根管技术获取根系影像,室内分析后得到各样地的扁刺栲细根生物量、寿命和形态指标.2014年11月取0-10 cm土壤分析土壤pH值、铵态氮和硝态氮含量.结果表明:扁刺栲0-45 cm土层细根生物量为128.30 g.m-3,细根平均寿命范围为113-186天;氮添加处理未显著影响扁刺栲0-45 cm土层细根寿命和生物量;低氮处理显著降低了0-15 cm土层细根根段表面积;高氮处理显著降低了表层土壤pH值.研究表明短期氮添加通过影响该次生林土壤无机氮含量,导致表层土壤酸化,对表层土壤扁刺栲细根的形态特征造成一定的影响;短期氮添加对扁刺栲细根生物量、寿命和深层细根的形态未产生显著影响.

细根寿命是调控森林生产力形成的关键.通过在连作Ⅰ、Ⅱ代杨树人工林固定样地内埋设微根管,对杨树不同根序细根年度生长动态开展连续观测并进行生存分析.结果表明,杨树不同根序细根累积生存率存在显著差异,高级根(3-5级)寿命较长,其累积生存率显著高于1级和2级细根.杨树细根寿命存在显著的代际差异,连作Ⅱ代人工林活根量、死根量和细根总量均高于Ⅰ代林.连作Ⅱ代人工林细根中位值寿命为(90±16)d,显著低于Ⅰ代人工林((102±22)d).连作Ⅱ代林各根序细根数量、分布比例均高于Ⅰ代林,低级细根累积生存率低于Ⅰ代林而高级细根累积生存率显著高于Ⅰ代林.连作杨树人工林细根寿命显著受制于土壤环境,1级细根寿命与土壤速效氮相关性极显著(r=-0.861),2级细根寿命与土壤物理性状相关性较强且与土壤酚酸含量呈现极显著相关(r=0.870),高级根序细根寿命与土壤物理性质和养分状况等也具有一定相关性.连作杨树人工林土壤酚酸累积和养分有效性下降影响了细根寿命和周转,并进而造成净初级生产力损耗,相关结论为连作杨树人工林生产力衰退机理模型的建立提供了科学依据.

为探究旱涝胁迫对棉花花铃期及吐絮期根系的影响,于2016年在武汉大学灌溉排水试验场开展了受旱、受涝及旱涝急转胁迫测坑试验,使用微根管系统对根系进行了原位生长过程监测,并用挖掘法对结果进行了验证.结果表明:通过微根管观测图片所获取的根系信息,代表了根管周围3.3 mm透视厚度土层的根系状况;从蕾期至吐絮期内,根系生长呈“S”型曲线,其中花铃期根系生长发育最快;0～ 30 cm是根系主要分布区域,约占根系总量的70％ ～ 80％;不同旱涝胁迫处理下总根长及总根表面积从大到小的顺序为受涝组＞旱转涝组＞正常组＞受旱组;涝渍导致表层根系大量繁殖,特别是根粗为0.2～0.4 mm的根系生长;干旱使得棉花根长密度变小,径变粗,深层根系生长加速、占比上升,根系重心下移;旱转涝后根系指标增速大于对照组,证明后期受涝对前期受旱在根系生长方面具有补偿效应.

该文以川西北高寒草甸为研究对象,采用微根管法研究了不同施氮(N)水平下高寒草甸植物群落根系现存量、生产量、死亡量和周转率的变化及其与土壤理化性质的相互关系.结果表明:N添加显著增加了土壤速效氮(AN)含量,降低了土壤pH值,但是对土壤有机质(SOM)和全氮(TN)含量无显著影响.在0-10 cm土层,平均根系现存量和累积根系生产量无显著变化,累积根系死亡量在N10处理下显著降低了206.1 g·m-2,根系周转率在N30处理下显著提高了17％;在10-20 cm土层,N添加处理的平均根系现存量和累积根系生产量分别显著降低了195.3和142.3 g·m-2 (N10)、235.8和212.1 g·m-2(N20)、198.0和204.4g·m-2 (N30),累积根系死亡量和周转率无显著变化.此外,累积根系生产量、死亡量和周转率与AN含量相关性较大,而平均根系现存量与SOM、AN和TN含量相关性较大.综上所述,N添加对高寒草甸的影响主要通过改变土壤可利用N含量,进而影响根系的动态特征、空间分布格局和周转以及碳分配特征.

以核桃(Juglans regia)-小麦(Triticum aestivum)间作复合系统为研究对象,用微根窗和根钻相结合的方法采样,研究复合系统中核桃和小麦细根年内年际的生长动态和竞争适应策略,为农林复合系统的经营管理和竞争模型的建立提供理论依据和技术支持.结果表明,间作核桃和小麦根系均在上半年有一个大的生长高峰(5月和4月),在下半年有一个小的生长高峰(9月和11月),二者的竞争主要发生在上半年的大生长高峰期.在各年份各土层,间作核桃的根长密度均低于单作核桃,且在从第7年开始存在显著差异.在0-20 cm土层间作小麦根长密度在第3-7年间获得迅速提高,从第7年开始显著高于单作小麦,但在20 cm以下土层则相反.间作使核桃和小麦细根生态位实现了分离,11年的观察期内间作核桃比单作核桃细根的垂直分布中心下移了6.59 cm.间作小麦比单作小麦的上移了8.59 cm.在根系竞争策略方面,小麦根系是通过短期内的快速生长,迅速占据土壤空间获得竞争优势;而核桃根系是通过根系的逐年积累,逐步占据土壤空间从而获得竞争优势.可以干扰核桃根系积累过程的“竞争-干扰-再平衡”农林复合经营管理策略可以让复合系统中核桃和小麦保持各自竞争优势的情况下实现共存.在根系形态方面,自身细根直径较小者小麦在剧烈竞争区域以增加细根直径减小比根长来适应竞争,而自身细根直径较大者核桃则相反.

以赣无1、赣永5、长林4、长林40和赣447等5个品种的油茶林为研究对象,采用微根管技术对0～40 cm土壤剖面的油茶细根进行了为期一年的观测,并分析了总根尖数(TRT)、平均根长密度(ARLD)、平均直径(ARD)的时空分布动态规律.结果表明:2016年下半年,各品种的TRT和ARLD变化相对稳定,2017年上半年,各品种的TRT和ARLD变化幅度较大,尤其体现在赣无1与长林40中.赣无1的TRT和ARLD在2017年5月出现峰值,长林4的ARD在2017年3月出现峰值.赣无1的TRT和ARLD以及长林4的ARD在整个观测期都显著大于其他品种.不同品种油茶细根在土层中的空间分布规律及动态变化存在明显差异,赣无1和赣447的细根主要分布在0～20 cm土层中,长林4和长林40的细根以20～40cm土层居多,空间分布动态变化较其他3个品种稳定;赣永5的空间分布动态变化幅度较大,根量分布各土层无显著差异;长林4的ARD表现为20-40 cm土层＞0～20 cm土层,其他品种的ARD在不同土层中无显著差异.赣无1的细根生物量最多,主要分布在上层;长林4的细根直径最粗,主要分布在下层.

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.

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)、12gNm-2a-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.

根系在植物生长和生物地球化学循环中扮演着重要的角色.为揭示不同建植期禾草混播人工草地植物群落根系特征的变化规律,以青海省果洛州玛沁县建植6、7、10和14年的人工草地为研究对象,利用"微根管"技术在2016年生长季(5-9月)原位监测了0-10、10-20和20-30 cm土层根系生长动态.结果 显示:(1)根系生产、死亡和现存量分别在6-7、8-9和7-8月最高.(2) 6-7月根系均为正生长(净生产速率为正值),8月开始出现负生长(净生产速率为负值).(3)建植6-10年,0-10 cm土层根系形态特征指标(长度、表面积和体积)、累积生产量、平均现存量和寿命先增加后降低,但无显著差异(P＞0.05);累积死亡量和周转率在建植6年显著高于10 a(P＜0.05).(4)建植14年,0-10 cm土层根系形态特征指标、累积生产量和平均现存量显著高于其他建植期,累积死亡量显著高于10年;20-30 cm土层累积生产量显著低于10年,周转率显著低于6年.同时,0-10 cm和10-20 cm土层根系存活率最高.(5)根系形态特征指标、累积生产量、累积死亡量和平均现存量在建植6、7和14年随土层深度的增加而显著下降,10年时则变化不明显.(6)Pearson相关性分析表明,土层和根系形态特征指标分别与寿命极显著正相关(P＜0.01);建植期与周转率显著负相关(P＜0.05),土层、根系表面积、体积和寿命分别与周转率极显著负相关;结构方程模型(SEM)进一步分析显示,建植期对根系长度具有显著正效应,对周转率具有显著负效应,周转率还受表面积、寿命和土层的直接影响.综上,恢复14年人工草地0-10 cm土层根系生长和累积量明显提高,建植年限的延长对周转率具有负效应,因此,长期恢复后人工草地地下碳循环速率下降,养分积累量增加,群落稳定性和生态系统生产、生态服务功能逐步恢复.

全球变暖对滨海湿地植物细根的影响目前尚不十分清楚.以长江口崇明东滩芦苇(Phragmites australis)湿地为对象,利用开顶式生长箱法进行模拟升温.于2019年5-10月,结合微根管法和根钻法,对0-40 cm 土层细根(直径≤2 mm芦苇须根)的总根长、总表面积、比根长、比表面积、平均直径和生物量等指标开展连续观测,并计算其净生长速率和周转速率,分析气温升高对芦苇湿地细根形态特征和生长动态的影响.结果表明:在整个生长季,升温显著提高了0-40 cm 土层细根的总根长、总表面积和总生物量,且主要表现在0-20 cm 土层,而对比根长、比表面积无显著影响.升温显著增强了0-40 cm 土层细根的净生长速率,且使其季节变异性加大.升温显著提高了10-40 cm 土层细根的周转速率,但在0-10 cm 土层影响不显著.总之,升温显著提高了芦苇湿地细根的总量和生长速率,改变其在土壤中的垂直分布格局,但对其水分和养分吸收效率无显著影响.升温使细根周转速率加快,同时使参与周转的细根总量增加,导致各土层特别是0-20 cm 土层根源有机碳输入显著增加,这可能会深刻影响芦苇湿地的土壤碳平衡.