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河北坝上乔灌木植物根系无机和有机氮吸收速率及其偏好

刘倩愿, 俞振东, 张微微

植物生态学报 2024, 48 (10): 1361-1373. DOI: 10.17521/cjpe.2023.0287

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土壤环境与植物自身属性影响着植物氮吸收, 明确河北坝上不同植物根系氮吸收偏好及其与土壤属性和根性状的关系, 可以增进对植物氮获取策略的理解, 同时为河北坝上混交防护林的构建提供理论依据。该研究选取张家口市康保县常见的农田防护林树种: 榆树(Ulmus pumila)、小叶杨(Populus simonii)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和宁夏枸杞(Lycium barbarum)为研究对象, 采用¹⁵N同位素示踪技术测定植物根系对不同形态氮(硝态氮、铵态氮和甘氨酸氮)的吸收速率及其偏好, 并分析其与根系形态、构型和化学性状以及土壤环境的相关关系。结果显示: 宁夏枸杞根系偏好吸收硝态氮(硝态氮占总氮吸收的贡献率为46.05%), 其次是甘氨酸氮和铵态氮。小叶杨、榆树和柠条锦鸡儿根系各形态氮吸收的贡献率为铵态氮(44.91%-68.68%) >甘氨酸氮(22.63%-45.11%) >硝态氮(8.69%-9.98%)。Spearman相关性和冗余分析显示: 硝态氮的吸收速率与根直径和组织密度显著负相关, 与比根长和比表面积显著正相关, 即具有小的直径和组织密度、大的比根长和比表面积的根系表现出更高的硝态氮吸收速率。根分支强度与甘氨酸氮和总氮吸收速率显著正相关, 即具有高分支强度的根系其有机和无机氮吸收速率更高。根氮含量与铵态氮、甘氨酸氮和总氮吸收速率均显著负相关, 即低氮含量的根系表现出更高的氮吸收速率。4种防护林植物对3种形态氮的吸收存在显著差异, 其不仅与土壤氮含量有关, 还与植物根系自身的形态、构型和化学性状有关。基于植物氮吸收偏好以及根系结构性状与土壤肥力的影响综合考虑树种搭配, 在养分贫瘠的环境需减小植物的种间竞争, 最大限度地利用养分, 因此建议构建乔木-灌木(小叶杨-宁夏枸杞、榆树-宁夏枸杞)、灌木-灌木(宁夏枸杞-柠条锦鸡儿)混交防护林, 或是在原有小叶杨纯林或榆树纯林的林下补栽灌木宁夏枸杞。研究结果为河北坝上地区多树种防护林的构建提供理论依据。

指标 Factor		缩写 Abbreviation	氮吸收速率 Nitrogen uptake rate (µg·g^-1·h^-1)
指标 Factor		缩写 Abbreviation	铵态氮 Ammonium nitrogen	硝态氮 Nitrate nitrogen	甘氨酸氮 Glycine nitrogen	总氮 Total nitrogen
根性状 Root trait	根直径 Root diameter (mm)	AD	-0.021	-0.688^**	-0.108	0.003
	根组织密度 Root tissue density (g·cm^-2)	RTD	0.264	-0.637^**	0.099	0.290
	比根长 Specific root length (m·g^-1)	SRL	-0.287	0.694^**	-0.094	-0.309
	比表面积 Specific surface area (cm²·g^-1)	SSA	-0.324	0.714^**	-0.100	-0.335
	分支比 Branching ratio	BR	-0.358	-0.218	-0.176	-0.235
	分支强度 Branching intensity (cm^-1)	BI	0.403	0.175	0.638^**	0.512^*
	根碳含量 Root carbon content (%)	RC	-0.592^*	0.053	-0.594^*	-0.662^**
	根氮含量 Root nitrogen content (%)	RN	-0.816^**	0.061	-0.685^**	-0.758^*
	根碳氮比 Ratio of carbon to nitrogen	C:N	0.823^*	-0.109	0.700^**	0.765^**
土壤 Soil	土壤pH Soil pH	pH	0.137	-0.492	0.225	0.308
	土壤含水量 Soil water content (%)	SWC	-0.686^**	0.346	-0.500^*	-0.571^*
	土壤有机碳含量 Soil organic carbon content (g·kg^-1)	SC	-0.072	0.613^*	-0.079	-0.115
	土壤全氮含量 Soil total nitrogen content (g·kg^-1)	SN	-0.442	0.584^*	-0.443	-0.462
	土壤铵态氮含量 Soil ammonium nitogen content (mg·kg^-1)	SAM	-0.035	0.448	0.015	0.082
	土壤硝态氮含量 Soil nitrate nitogen content (mg·kg^-1)	SNT	-0.275	0.750^**	0.088	-0.156
	土壤甘氨酸氮含量 Soil glycine nitogen content (mg·kg^-1)	SGLY	0.564^*	0.290	0.490	0.507^*

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表3 河北坝上4种植物根氮吸收速率与根性状和土壤属性的Spearman相关性分析

正文中引用本图/表的段落

植物吸收不同形态氮的贡献率呈现显著种间差异。小叶杨和柠条锦鸡儿铵态氮的贡献率(61.36%和68.68%)显著高于榆树(44.91%), 宁夏枸杞最小(20.77%, 图2)。榆树的甘氨酸氮贡献率最高(45.11%), 显著大于其他3个物种, 柠条锦鸡儿的甘氨酸氮贡献率最低(22.63%)。宁夏枸杞硝态氮的贡献率最高(46.05%), 显著大于其他3个物种, 小叶杨(9.01%)、榆树(9.98%)和柠条锦鸡儿(8.69%)之间无显著差异(图2)。4种植物的氮吸收偏好有显著差异。小叶杨和柠条锦鸡儿的氮吸收贡献率为铵态氮>甘氨酸氮>硝态氮, 偏好吸收铵态氮。榆树的甘氨酸氮和铵态氮贡献率相当(45%), 且显著高于硝态氮(9.98%)。宁夏枸杞则表现出与其他3种植物不同, 其硝态氮贡献率最高(46.05%), 其次是甘氨酸氮(33.17%), 铵态氮(20.77%)最小; 宁夏枸杞偏好吸收利用硝态氮(图2)。

柠条锦鸡儿根系直径和根组织密度显著高于榆树和小叶杨, 宁夏枸杞最小(图3A、3B)。宁夏枸杞根系比根长和比表面积显著高于其他3种植物(图3C、3D)。榆树的分支强度显著高于小叶杨、柠条锦鸡儿和宁夏枸杞(图3F)。4种植物根氮含量差异显著, 表现为宁夏枸杞>柠条锦鸡儿>榆树>小叶杨, 其中宁夏枸杞根氮含量是小叶杨的3.1倍(图3H)。根碳氮比的种间差异规律与根氮含量差异规律相反: 小叶杨>榆树>柠条锦鸡儿>宁夏枸杞, 其中小叶杨的根碳氮比是宁夏枸杞的2.96倍(图3I)。

基于Spearman相关性分析氮吸收速率与根性状关系: 硝态氮吸收速率与比根长、比表面积呈显著正相关关系, 与根平均直径和根组织密度呈显著负相关关系(表3)。甘氨酸氮吸收速率和总氮吸收速率与分支强度呈显著正相关关系, 而与根碳含量和根氮含量呈显著负相关关系。铵态氮吸收速率与根碳含量和根氮含量呈显著负相关关系, 与根碳氮比呈显著正相关关系。基于Spearman相关性分析氮吸收速率与土壤因子的关系: 铵态氮吸收速率和总氮吸收速率与土壤含水量呈显著负相关关系, 与土壤甘氨酸氮含量呈显著正相关关系。根系硝态氮吸收速率与土壤有机碳含量、全氮含量和硝态氮含量呈显著正相关关系。甘氨酸氮吸收速率与土壤含水量呈显著负相关关系(表3)。

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