我院根系生态学团队在人工林根系生理生态等方面研究取得系列进展

发布者:孙杰 发布时间:2022-10-16 浏览次数:18

进展1


气候变暖和氮沉降对根系氮吸收能力的耦合作用仍是空白,这限制了我们有关气候变化如何影响森林氮循环和生产力的预测,特别是在土壤氮有效性已经很高、具有很大NO3N淋失潜力的亚热带杉木人工林中。团队基于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站土壤增温和氮沉降双因子试验,通过测定不同季节下杉木幼树细根15NH4+15NO3-的吸收动力学及根系性状,探讨增温和氮沉降对亚热带杉木根系氮吸收能力的影响及其机理。结果发现:(1)增温提高了根系对NH4+NO3-的吸收能力,而施氮提高了根系对NH4+的吸收能力;增温和氮添加对氮吸收动力学均无显著交互作用。(2)根系对NH4+的吸收能力随菌根定殖率增加而提高,NO3-吸收能力随根系呼吸速率增加而提高。结论表明在增温和氮沉降下,杉木根系对NH4+NO3-的吸收能力提高,从而有利于提高杉木人工林生产力、缓解氮淋失和土壤酸化。研究结果以“Root nitrogen uptake capacity of Chinese fir enhanced by warming and nitrogen addition”为题,发表在国际林学著名期刊Tree Physiology上,博士生姜琦为第一作者,林成芳研究员和陈光水教授为共同通讯作者。

原文链接:https://academic.oup.com/treephys/advance-article-abstract/doi/10.1093/treephys/tpac103/6682842


进展2

成本-效益理论预测温度升高,细根寿命将缩短;但增温控制试验结果与理论预测并不完全相符,导致气候变暖下细根周转的预测仍具很大不确定性。团队基于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的杉木人工林原位土壤增温试验平台,利用微根管对细根动态进行长达4年定位监测,探讨增温对杉木细根寿命的影响及可能机理。结果发现:(1)增温缩短了细根寿命。(2)土壤温度升高对根寿命产生负面影响,而土壤水分降低则延长了根寿命。(3)增温下细根更细、分布更深,且更多分布在冬季;这些因素同时影响了根寿命。(4)葡萄糖添加只在增温下刺激细根呼吸,表明增温下细根受到光合产物供应限制。结论表明,气候变暖导致杉木林细根寿命缩短,从而加速根系向土壤中输入碳,而来自地上的碳供应可能是控制细根寿命的关键生理机制;同时本研究强调了在气候变化下同时考虑温度升高及其共变因素对预测根系寿命的重要性。研究结果以“Soil warming alters fine root lifespan, phenology, and architecture in a Cunninghamia lanceolata plantation”为题发表在国际林学著名期刊Agricultural and Forest Meteorology上,博士生姜琦、贾林巧为共同第一作者,王小红博士后和陈光水教授为共同通讯作者。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.109201



进展3


根系呼吸是植物呼吸和生态系统C通量的重要组成部分。探讨根系呼吸是否产生热驯化,对于预测气候变化下森林生态系统生产力和碳储存具有重要作用。团队基于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的土壤增温实验平台,探讨亚热带不同品种杉木幼苗(TGSYanglin 061)细根呼吸是否对季节性变温和土壤增温产生驯化。结果发现:(1)两个品种杉木没有对季节性变温产生驯化;(2)土壤增温后,根呼吸仅在夏季出现驯化现象;(3)两个品种杉木细根呼吸对土壤增温的响应没有显著差异;(4)在所测定的细根指标中,只有细根N浓度对细根呼吸有显著正相关。结论表明,杉木根呼吸只存在部分热驯化现象,这将会削弱亚热带森林生态系统在减轻气候变化方面的能力。研究结果以“Does root respiration of subtropical Chinese fir seedlings acclimate to seasonal temperature variation or experimental soil warming?”为题,发表在国际林学著名期刊Agricultural and Forest Meteorology上,博士生陈廷廷为第一作者,林成芳研究员和陈光水教授为共同通讯作者。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168192321002987




进展4


细根根龄结构和生理功能的调整是根系适应环境变化的重要策略。然而,不同根龄细根呼吸对气候变暖的响应及其潜在机制仍不清楚。团队依托福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站根箱增温试验平台,研究了土壤增温对不同根龄杉木细根呼吸速率的影响。研究发现:(1)增温显著提高了年轻细根(2个月根龄)的呼吸速率,但对较老细根(4个月和6个月根龄)的呼吸速率影响不显著;(3)土壤增温提高了比根长,而随根龄增长,比根长和根氮浓度均显著下降;(4)比根长和根氮浓度的变化可单独或共同解释增温对细根呼吸速率的影响,但不能解释细根呼吸速率随根龄的变化。研究结论表明,增温后,杉木可能采取更快的细根周转策略,即通过提高年轻细根的生理活性(呼吸速率提升、寿命缩短)和比根长,来最大化养分获取效率。研究结果以“Root age-related response of fine root respiration of Chinese fir seedlings to soil warming”为题,发表在国际林学著名期刊Tree physiology上,王小红博士后为第一作者,陈光水教授为通讯作者。


原文链接:

https://academic.oup.com/treephys/article-abstract/42/6/1177/6511333?redirectedFrom=fulltext


进展5

微生物化学计量与土壤资源化学计量失衡调控着微生物代谢和分解活性,继而深刻地影响土壤碳氮循环过程。然而,人们对热带亚热带外生菌根(ECM)树种和内生菌根(AM)树种森林土壤碳:氮资源失衡(C:N imbalance)及其对微生物生理活性的影响还知之甚少。团队依托福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站不同树种人工林样地,研究了2ECM树种和2AM树种人工纯林(林龄约为55年)土壤碳氮:资源失衡的差异及其对微生物生理活性的影响。研究发现:(1ECM树种纯林土壤碳:氮资源失衡高于AM树种纯林;(2ECM树种纯林土壤微生物碳利用效率(CUE)略低于,而比碳获取酶和比氮获取酶显著高于,AM树种纯林;(3)以土壤碳氮资源失衡作为协变量后,树种菌根类型对CUE和比酶活性的显著影响消失。研究结论表明,树种菌根类型通过改变土壤碳:氮资源失衡,调控了亚热带森林土壤微生物生理活性,这对于理解亚热带不同菌根类型树种土壤碳吸存潜在机制具有重要意义。研究结果以“Effects of C:N imbalance on soil microbial physiology in subtropical tree plantations associated with ectomycorrhizal and arbuscular mycorrhizal fungi”为题,发表在国际著名土壤学期刊Geoderma上,王小红博士为第一作者,陈光水教授为通讯作者。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706122002397


进展6

人们对于人工林林分发育过程中细根养分觅食策略变化及影响机制的认识仍存较大空白,这不利于对人工林生长后期生产力下降机制的揭示。团队以具有完整发育阶段的杉木人工林年龄序列为研究对象,对细根养分觅食性状和碳有效性相关性状进行了研究。结果发现:(10-1 mm细根的比根长、比表面积和比根尖密度随林龄的增加而降低,说明较老的林分细根养分觅食能力下降。(2)在较老的林分中,非结构性碳水化合物(NSC)及其组分浓度、NSC : N比值较低,而糖淀比和根系δ13C值较高,反映了在林分后期细根碳有效性下降和NSC库利用强度增加。(3)根系NSC浓度与比根长、比根尖密度和N浓度呈正相关,表明根系碳有效性对养分觅食能力有正向影响;根系δ13C值与糖淀比呈正相关,与NSC : N比值呈负相关,表明δ13C能准确反映细根碳水化合物供需平衡。结论表明,较老林分细根养分觅食能力的下降,可能与细根碳限制增加有关。这些结果为了解人工林与林龄相关的生产力下降机制提供了新的视角。研究结果以“Fine root nutrient foraging ability in relation to carbon availability along a chronosequence of Chinese fir plantations”为题,发表在国际林学著名期刊Forest Ecology and Management上,博士生朱丽琴和孙杰高级实验师为共同第一作者,姚晓东副教授和陈光水教授为共同通讯作者。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.foreco.2021.120003


进展7

由于细根高度的空间分布异质性及分形分布特征,探讨最佳取样策略在根系研究中至关重要。但以往有关根系取样策略研究仅关注估计精度,而忽略了样本代表性。为此,团队利用亚热带常绿阔叶林96个土芯和96根微根管,研究了根长和根体积(代表根生物量)随直径分布变化,并评估了样本量对估计精度和样本代表性的影响。结果发现:(1)微根管法估算的根系性状变异系数远大于土芯法;微根管法观测到小直径等级的根长和根体积占比较高,比用土芯法观测的根直径更小。(2)蒙特卡罗模拟分析表明,在相同置信水平和估算精度下,土芯法测定根长密度和根体积密度所需样本量远低于微根管法。(3)累积直径等级曲线分析表明,在获得相同样本代表性下,土芯法所需的样本量亦远低于微根管法。结论表明,由于根系直径的分形分布,以及不同方法间土壤取样体积的差异,微根管或直径较大的根系比土芯法或直径较小的根系需要更大的取样量,才能获得更好的估计精度和样本代表性。研究结果以“Root estimation accuracy and sampling representativeness in relation to sample size in a subtropical evergreen broad leaved forest: comparison between soil core and minirhizotron method”为题,发表在国际著名林学期刊New Forests上,博士生朱丽琴为第一作者,林成芳教授和陈光水教授为共同通讯作者。


原文链接:https://doi.org/10.1007/s11056-021-09880-z


上述论文均以福建师范大学为第一单位,且受到了国家自然科学基金项目(3183001431930071)的资助。