喀斯特植被恢复过程中细根分泌物缓解土壤氮磷养分限制的机制

Attributed to the ecological restoration projects and rocky desertification control projects, the net primary productivity, biomass, and vegetation coverage of karst ecosystem has been improving in Southwest China. However, the deficiency and component difference of soils are the primary limited factors for vegetation restoration, resulting in N limitation in earlier stage but P limitation in later stage of vegetation succession. The increasing of fine root exudations is the important adaptive mechanism for plants to adapt soil nutrient deficiency, but it has been neglected in the previous research about the evolution mechanism between vegetation restoration and soil nutrients in the karst region. In this research, we will analyze the differences of component, quantity, and exudate rates of fine root exudations in different vegetation successional stages to find the regularity of fine root exudations response to the changes of soil nutrients. We will explain the effect of the component, quantity, and exudate rates of fine root exudations on soil organic matter degradation, nitrogen mineralization, and transformation of phosphorus forms by the field experiments and natural 13C abundance. Combining the above parts of study and soil nutrients uptakes and symbiotic infection rates of mycorrhizal fungi in fine roots, we will reveal the mechanism of plant fine root exudations relieving N and P limitations along vegetation successional stages, which can provide a scientific basis for sustainable recovery of vegetation in the karst fragile ecosystem.

通过大规模石漠化治理工程的实施，喀斯特地区植被恢复效果明显，但土壤肥力恢复呈现滞后性，且不同植被恢复阶段土壤养分限制性各异。植物细根分泌物对土壤养分限制缓解具有重要作用，但其作用机制在喀斯特地区尚不明确。申请项目拟以喀斯特峰丛洼地不同植被恢复阶段为研究对象，采用原位收集法研究优势植物细根分泌物的主要组分、含量和分泌速率，明确植被恢复过程中细根分泌物响应土壤养分限制的动态变化；通过定位监测及13C自然丰度法探讨植物细根分泌物与土壤有机质降解、氮矿化和磷形态转化的关系；结合植物细根养分积累和共生菌根真菌侵染率等分析，揭示植被恢复过程中植物细根分泌物缓解土壤氮磷养分限制的作用机制。研究结果能为喀斯特脆弱生态系统植被优化配置和可持续恢复提供科学依据。

在土壤氮磷养分限制情况下，植物细根增加有机碳、有机酸和水解酶的分泌，激发土壤微生物的活性，是植物缓解氮磷限制的重要策略。本项目采用野外调查、定位控制性试验与盆栽试验相结合的研究方法，分析了喀斯特植被不同恢复阶段植物细根有机碳分泌速率、磷组分、丛枝菌根真菌侵染率等指标，研究了氮素和丛枝菌根真菌（AM）添加对菌根侵染率、土壤养分有效性和植物养分含量的影响，阐明喀斯特植被恢复过程中植物细根分泌物缓解氮磷限制的机制。研究结果表明：（1）喀斯特不同恢复阶段植物群落水平上细根有机碳分泌速率均值为0.44 mg C/ h / g根；植物物种水平上，草丛植物细根有机碳分泌速率均值为0.32 mg C/ h / g根，灌木植物则为0.72 mg C/ h / g根。（2）草酸是喀斯特地区重要的有机酸类型，原生乔木林土壤草酸含量高于灌木林，且根际土含量高于非根际土，在生长季也高于非生长季。（3）野外控制试验条件下，不同恢复阶段土壤Enzyme-P组分高于Citrate-P、CaCl2-P、HCl-P三种磷组分、Citrate-P次之，表明有机磷矿化与无机磷的酸化活化是喀斯特地区有效磷的主要来源。（4）植物细根分泌物总的酶活性和草酸含量、土壤交换性Ca2+含量和氮磷有效性随着植被正向恢复而逐渐升高。（5）植物群落细根比根长和比表面积随着植被恢复正向演替而降低，而植物群落细根直径和生物量的变化则相反。（6）喀斯特地区灌木林阶段豆科与非豆科植物细根AMF群落结构存在显著差异，表明喀斯特地区植物细根AMF与宿主的选择特异性更易体现在植物功能群上。（7）添加氮肥情况下，豆科植物细根的AM侵染率降低但是细根磷酸酶活性提高；添加AM真菌情况下，豆科植物细根AM侵染率和P含量升高，但是土壤有效P降低。以上结果表明，喀斯特地区植被恢复过程中植物细根胞外酶和有机酸的分泌对提高土壤氮磷有效性具有积极的促进作用，植物细根功能性状及其共生菌根真菌的耦合是喀斯特地区植被恢复过程中植物减缓氮磷限制的重要机制，结果能为喀斯特脆弱生态系统植被可持续恢复提供科学依据。