基于氮素吸收偏好性研究不同根构型杉木根系觅氮策略

Nitrogen deficiency is one of the major factors limiting the productivity of forest plantations. As distribution of absorbable nitrogen forms (NH4+ and NO3-) in soil is subject to large spatial heterogeneity, plants tend to develop preferences in nutrients and absorption strategies through root plasticity and architecture formation to promote the nitrogen absorption efficiency during their evolution. Based on the previous work of our research group which demonstrated that Chinese fir genotypes in different root architecture showed different strategies for phosphorous absorption, the present study will take the umbellate and inverted umbrella root types of Chinese fir as materials to investigate their preference behavior of nitrogen absorption under heterogeneous nitrogen environments. Treatments of different nitrogen forms and proportion will be built by self-designed Root Box Culture System to create heterogeneous nitrogen environments. Using the stable isotope techniques, root image analysis, and other physiological and biochemical measurements, the absorption rates of NH4+ and NO3-, above- and below-ground growth rates, and structural characteristics will be determined. The results will reveal the morphological and physiological mechanisms in Chinese fir genotypes with different root architecture, particularly the nutrient preference and nitrogen seeking strategy, in response to heterogeneous nitrogen environment. This project will not only provide a scientific theoretical basis for different root architecture configuration of the species, but also contribute to silviculture practice for alleviating the declination of soil fertility and productivity of the plantations.

氮亏缺是限制人工林生产力的重要因素。由于植物可吸收的主要氮形态NH4+和NO3-在土壤中存在很大空间异质性，在长期进化过程中不同植物形成了不同的根构型、氮素吸收偏好和根系觅氮策略。课题组前期研究发现不同根构型杉木具有不同的氮素吸收偏好，但对其在异质氮环境下的根系觅氮策略尚不清楚。本项目以课题组筛选的不同根构型杉木（伞型、倒伞型、中间型）为研究对象，采用自主研发的水平和垂直异质养分环境根箱培养系统，基于氮素吸收偏好性构建不同氮素形态、配比和浓度的异质氮环境，利用15N同位素示踪、根系监测、根系扫描和生理生化技术，研究不同根构型杉木根系对氮素异质分布环境的形态学和生理学响应，分析不同根构型杉木氮素吸收偏好差异及其形成机制，揭示不同根构型杉木在异质氮环境下的根系觅氮策略，为不同根构型杉木造林配置、指导配方施肥和提高林地氮素利用效率提供科学依据，最终对缓解杉木人工林连栽生产力下降具有重要现实意义。

氮亏缺是限制人工林生产力的重要因素，而林木可吸收利用NH4+-N和NO3--N在土壤中存在很大的空间异质性，不同树种具有不同的N素吸收偏好和根系觅N策略。研究亚热带主要树种杉木、马尾松和阔叶树种木荷的N素吸收偏好性及其根系觅氮策略，对于揭示3个树种的N素营养性状遗传特性，为营造针阔混交林、提高林地N素利用效率和生产力具有重要理论价值。本项目以杉木、马尾松和木荷为研究对象，采用自主研发的异质养分环境根箱培养系统，构建不同N素形态和浓度配比的供N处理，研究3个树种根系生长与形态特征、苗木生长和生物量分配、N素积累量和N素利用效率。结果表明：异质性供N处理下，杉木在NO3--N斑块中的根长、根表面积和根生物量均显著大于NH4+-N斑块中的值，而马尾松和木荷则是NH4+-N斑块中的值大于NO3--N斑块中的值；杉木根系平均直径NO3--N斑块中的小于NH4+-N斑块中的值，而马尾松和木荷根系平均直径为NO3--N大于NH4+-N斑块中的值，3个树种根系特征参数在同质供N处理下的2个斑块间无显著差异。总根长、根表面积和根生物量均表现为：同质<低异质<中异质<高异质。3个树种苗高、地径、总生物量表现为：低异质>同质>中异质>高异质。综上说明，在同质供N的理想环境中，杉木、马尾松和木荷的根系生长无显著的N素吸收偏好性。但在NO3--N和NH4+-N的异质性供N环境下，杉木偏向于在NO3--N的斑块中生长更多更细长的根系，而马尾松和木荷则偏向于在NH4+-N斑块中生长更多更细长的根系。3个树种根长、表面积和生物量随着异质供N性的程度提高而增大，但根系平均直径越小，且N异质性程度越大越不利于苗木生长和生物量的累积。异质性供N程度与比根长和总N积累量呈负相关关系，与根冠比和N素利用效率呈显著正相关关系。研究结果证实了亚热带主要树种杉木、马尾松和木荷具有对不同氮形态的偏好性，可为造林实践中不同树种造林配置和N素营养管理提供理论依据和参考。