吸收根功能性状变化与树木年龄的关系和调节机制

Functional traits of absorptive roots in woody plants play key roles in nutrients and water acquisition, photosynthate metabolism, root turnover and decomposition, which thus have profound influences on carbon allocation and nutrients cycles in forest ecosystems. During past two decades, the linkage between absorptive root functional traits and belowground ecological processes has become a hot issue in root ecology. Accumulating evidences suggest that root functional traits are influenced by species evolution, growth form, climate and edaphic conditions and mycorrhizal association, however, the relationship between root functional traits and tree age is still poorly understood. To address this key question, we select four temperate commercial tree species, including thin- and thick-root species with arbuscular or ectomycorrhizal infection, to investigate the relationships between the composition of absorptive roots, variation patterns of root functional traits (i.e., root anatomy, morphology, architecture, tissue chemistry and physiological characteristics) and tree age, and to determine the changes of those functional traits under heterogeneous soil conditions. The main objective of this study is to reveal the mechanism for the changes of nutrient foraging strategies of absorptive roots associated with tree age increasing. The results of this study will provide insights for better understanding the variations in functional traits of absorptive roots in woody plants, and foundations for the nutrition management and productivity improvement in plantations during stand development.

木本植物吸收根功能性状在水分和养分吸收、光合产物代谢、根系周转与分解等方面发挥重要作用，对生态系统水平的碳分配格局和养分循环过程有重要影响。近二十年来，吸收根功能性状与森林地下生态学过程之间的联系和机制逐渐成为根系生态学研究的前沿问题。研究发现，吸收根功能性状与树种进化、生长型、气候和土壤条件以及共生真菌有密切的联系，但是，吸收根功能性状变化与树木年龄之间的关系并不清楚。为解决这一关键科学问题，本项目选择4个重要温带造林树种，涵盖细根型和粗根型，以及内生菌根和外生菌根树种，研究吸收根组成和功能性状（包括解剖特征、形态结构、化学成分和生理特征）与树木年龄的关系，以及这些功能性状对土壤资源空间异质性的响应，旨在揭示不同年龄树木吸收根的资源获取策略和内在调节机制。研究结果，不仅能够为认识木本植物吸收根功能性状提供新的理论知识，而且可以为不同发育阶段的人工林营养管理和生产力提高提供科学依据。

林木在生长发育过程中伴随着资源需求和生理机能的显著变化，然而吸收根功能性状所表征的地下资源获取策略如何改变却了解甚少。本项目以温带4种不同菌根类型、根形态特征的幼龄至成熟龄林木为研究对象，基于根解剖结构比较了吸收根组成、生物量和根长分配比例，分析了吸收根功能性状的变化规律及其对土壤资源空间异质性的响应。结果表明：从幼龄到成熟龄各根序吸收根数量比例没有显著变化，4树种1-3级吸收根数量比例均大于70%。不同年龄林木典型吸收根（1级根）功能性状具有多维特征，呈现出相似的“根经济空间”，即真菌协作维度（直径-比根长轴）和资源保持维度（组织密度-氮（N）含量轴）。不同年龄树木吸收根功能性状对“斑块”N添加响应趋势相近，但是细根型树种根性状表现更敏感。随着树木年龄的增加，水曲柳根直径增加，而比根长、根分泌和呼吸速率均降低，幼龄个体将更多的碳（C）被分配至根分泌而不是根呼吸过程，表明水曲柳根系资源获取策略由吸收型向保持型转变。通过15N同位素标记试验研究证实，红松等3树种根系总N吸收速率均随着年龄的增加而降低，但是N吸收偏好性没有发生改变；相对于幼龄和中龄林，成熟龄林木的根系N吸收策略转变为依靠菌根真菌。细根总生物量和根长密度在7个温带树种间相差达13倍，吸收根根长和生物量高的树种，倾向于生产更细、更轻的个体根，但是具有更多的根系分支。落叶松人工林有机质层吸收根占总细根生物量比例均显著高于矿质土层，根形态特征在有机质层中呈现出明显的资源吸收型策略。研究结果为理解生长发育过程中树木吸收根资源获取策略的变化和调节机制提供了科学依据。