【论文】根系功能性状是调控土壤有机质分解根际效应的关键因子

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本文字数：1371字

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研究背景

植物性状在调控生态系统碳-养分循环过程中发挥着重要作用，基于性状的研究手段也愈来愈受到重视。与植物地上部分(如叶、树干等)相比，根系的功能更加复杂，如获取水分和多种养分(氮、磷和钾等)，进而衍生出一系列化学、形态、生理等方面的性状。这也为我们研究根系如何调控地下生态过程提供了独特的视角。

在陆地生态系统，大部分碳以有机质的形式(soil organic matter, SOM)贮存在土壤中。土壤每年向大气中排放78-98 Gt的CO₂，其中大部分来自于微生物对SOM的分解。过去十几年来，人们逐渐认识到植物根系活动引起土壤诸多性质(生物、物理、化学)的改变在调控SOM分解方面发挥着重要作用。具体而言，植物根系通过分泌一系列含碳化合物或其它活动，进而促进/抑制微生物对SOM的分解(即SOM分解的根际效应)。目前有关SOM分解根际效应的产生机制仍不清晰，研究者从养分限制角度出发提出了微生物氮挖掘假说和植物-微生物养分竞争假说。相比之下，根系性状如何调控SOM分解的根际效应及相关机制如何目前仍不得而知。

材料与方法

本研究采用抖根法，在黑龙江帽儿山收集了14个常见温带阔叶树种的根际土和非根际土以及细根(1-3级)，测定了SOM的潜在分解速率(室内培养)、土壤酶活性和基础理化指标，以及细根化学/形态/生理三方面相关的功能性状。

结果&讨论

研究表明，在14个阔叶树种中，SOM分解的根际效应(=根际土/非根际土)变化范围为0.84(青楷槭)到1.30(暴马丁香)，其没有表现出显著的种间差异(图1)。这可能与根际效应的种内变异(变异系数CV=28%)比种间变异(CV=14%)更大有关。

图1 根际土与非根际土的SOM潜在分解速率(mg C g soil^-1 day ^-1)、酶活性(nmol g soil ^-1 hour ^-1 for BG, NAG and AP, µmol g soil ^-1 hour ^-1 for oxidase)，及相应的根际效应

相关性分析表明，SOM分解的根际效应与根氮浓度呈显著正相关，与根碳氮比和直径呈显著负相关(图2)。此外，SOM分解的根际效应也表现出随比根长、分泌物速率和根呼吸速率的增加而增加的趋势 (p > 0.05)。相比之下，SOM分解根际效应的种间变异与非根际土的理化性质之间没有表现出明显的关系。线性回归分析以及随机森林模型的结果表明，根氮浓度、碳氮比和直径是调控SOM分解根际效应的三个关键因子，它们分别能够解释其种间变异的63%、30%和36%(图3)。

图2 根际效应与非根际土理化性质和根系性状之间的相关性矩阵 

图3  SOM分解的根际效应与根氮浓度、根碳氮比和根直径之间的线性相关关系

小结

研究结果表明，根系性状是调控木本植物SOM分解的根际效应种间变异的关键因子。根据不同根系性状之间的权衡以及这些性状与SOM分解的根际效应之间的关系，我们进一步提出植物资源利用策略可能调控SOM分解根际效应的种间变异，即由具有保守型性状的树种到具有竞争型性状的树种，SOM分解的根际效应逐渐增强(图4)。

图4  SOM分解的根际效应随植物资源利用策略变化的简要概念框架

本研究于2020年9月28日以“Root functional traits are key determinants of the rhizosphere effect on soil organic matter decomposition across 14 temperate hardwood species”为题在线发表于Soil Biology and Biochemistry期刊上。北京大学地下生态学研究组2018级博士生韩孟光为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，其他合作作者还包括北京大学博士后孙丽娟博士，研究生干大勇和付粱晨。本研究受到国家自然科学基金委项目(31670525和31988102)的资助。

作者简介

韩孟光，北京大学地下生态学研究组在读博士生，主要从事土壤碳循环，根际效应以及细根生理生态等方面的研究。近年来在Global Change Biology、Soil Biology and Biochemistry、Catena、European Journal of Soil Biology等期刊发表了多篇论文。

帽儿山野外工作场景(左为韩孟光、右为干大勇)

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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