川西北高原3种禾本科牧草根系特征比较研究

doi:10.11686/cyxb2020415

摘要/Abstract

摘要：

探究3种栽培牧草根系特征的差异，对维系川西北退化高寒草地地下生态系统结构和功能意义重大。本研究采用微根管原位监测与室内分析相结合的方法对紫羊茅、垂穂披碱草及老芒麦单播人工草地的根系特征及其土壤环境进行比较分析。结果表明：1）3种栽培牧草根系生长存在明显的季节节律，5-7月为生长高峰期，7-8月为现存高峰期，8-9月为死亡高峰期。2）3种栽培牧草根系现存量均随土层显著降低，其中老芒麦的根系现存量显著高于紫羊茅和垂穂披碱草（P<0.05）；紫羊茅根系生产量和死亡量最高，根系净生长速率最低。3）紫羊茅的根系周转率显著高于老芒麦和垂穂披碱草，且随土层加深而显著增加（P<0.05）。4）结构方程模型（SEM）显示，牧草种类和土层深度不仅直接影响根系特征，而且通过改变土壤化学计量比和土壤理化性质，间接影响根尖数和根系动态特征，进而影响根系周转。综上所述，3种栽培牧草在根系生长与资源获取方面存在明显差异性。紫羊茅采取缩短根系寿命，加快根系周转的生长策略以保证营养吸收效率，而垂穂披碱草和老芒麦采取增加根系产量，以及延长根系寿命的策略减缓根系周转，并通过降低根系的碳消耗而增加了其碳汇功能以适应高寒环境。

关键词: 人工草地, 草地恢复, 根系特征, 土壤理化性质, 微根管法

Abstract:

In order to restore degraded alpine grassland in the Northwest Sichuan to sustainability， it is essential to have an understanding of the structure and function of the underground ecosystem and knowledge of the root characteristics of three cultivated herbage species. This study investigated the root characteristics and soil environment of cultivated herbage of Festuca rubra， Elymus nutans and Elymus sibiricus， using minirhizotron in situ monitoring technology and laboratory experiments. The results showed that： 1） There were obvious seasonal rhythms in the root growth of the three cultivated herbage species. The growth peak was from May to July， the peak of root standing crop was from July to August， and the death peak was from August to September. 2） The root standing crop of the three cultivated herbage species decreased significantly with soil depth （P<0.05）. E. sibiricus had significantly higher root standing crop than F. rubra and E. nutans （P<0.05）； the root production and mortality of F. rubra were the highest， and it’s root net growth rate was the lowest. 3） The root turnover of F. rubra was significantly higher than that of E. sibiricus and E. nutans， and turnover of F. rubra increased significantly with soil depth （P<0.05）. 4） Structural equation modeling revealed that herbage species and soil depth not only directly affected root characteristics， but also had indirect effects on root tips and root dynamic characteristics by changing soil stoichiometric ratios and soil physicochemical properties， thus affecting root turnover. In conclusion， there were significant differences in root growth and resource acquisition among the three cultivated herbage species. The strategy of shortening root longevity and accelerating root turnover was used by F. rubra to ensure nutrient absorption efficiency， while E. sibiricus and E. nutans used the strategy of increasing root production and prolonging root longevity to slow down root turnover， and thereby reduced carbon consumption of the root system while simultaneously increasing carbon sink function so as to adapt to the alpine environment.

Key words: artificial grassland, grassland restoration, root characteristics, soil physicochemical properties, minirhizotron

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图/表 8

表1 3种栽培牧草土壤理化特征

Table 1 Soil physicochemical property of three cultivated herbage species

土层Soil depth (cm)

牧草种类

Herbage species

土壤全碳Soil total carbon

(g·kg^-1)

土壤全氮Soil total nitrogen (g·kg^-1)

土壤全磷Soil total phosphorus (g·kg^-1)

土壤有机质Soil organic matter (g·kg^-1)

碳氮比

C/N

碳磷比

C/P

氮磷比

N/P

土壤含水量Soil water content (%)

0~10

紫羊茅 F. rubra

35.92±

8.58Aa

3.02±

0.72Aa

1.10±

0.08Aa

70.53±

1.15Aa

11.89±

0.00Aa

33.44±

9.53Ab

2.81±

0.80Ab

5.33±

0.05Aa

25.63±

1.07Ab

垂穂披碱草 E. nutans

47.22±

0.18Aa

4.05±

0.02Aa

0.93±

0.23Aa

61.30±

1.92Aa

11.67±

0.10Ab

56.51±11.76Aab

4.85±

1.03Aab

5.28±

0.01Ba

22.93±

1.33Ab

老芒麦 E. sibiricus

52.51±

0.07Aa

4.49±

0.02Aa

0.68±

0.07Aa

78.17±

12.45Aa

11.69±

0.03Ab

78.62±

8.31Aa

6.73±

0.72Aa

5.16±

0.01Bb

29.57±

0.52Aa

10~20

紫羊茅 F. rubra

30.12±

0.12Bc

2.92±

0.69Ac

1.06±

0.07Aa

68.28±

0.59Aa

10.29±

0.04Bb

38.76±

8.11Ab

3.77±

0.11Aa

5.51±

0.60Ab

21.84±

1.16Aab

垂穂披碱草 E. nutans

36.33±

0.66Ab

3.43±

0.38Bb

0.78±

0.06Ab

52.05±

1.20Bb

10.57±

0.20Bb

46.82±

2.19Ba

4.44±

0.33Aa

6.22±

0.92Aa

19.83±

2.16Ab

老芒麦 E. sibiricus

47.41±

0.60Ba

4.07±

0.87Ba

1.05±

0.02Aa

71.01±

0.90Aa

11.64±

0.22Aa

45.22±

0.78Ba

3.88±

1.47Ba

5.70±

0.10Ab

27.09±

2.24Aa

图1 3种栽培牧草的根尖数动态变化不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。Different lowercase letters indicate significant difference among different treatment （P<0.05）. The same below.

Fig.1 Seasonal dynamics of root tips of three cultivated herbage species

图2 3种栽培牧草根系生长季节动态不同大写字母表示不同土层间差异显著（P<0.05）。下同。Different capital letters indicate significant difference between different soil layers （P<0.05）. The same below.

Fig.2 Seasonal dynamics of root growth of three cultivated herbage species

图3 3种栽培牧草根系净生长速率的差异

Fig.3 Differences in RLDNGRof three cultivated herbage species

图4 3种栽培牧草根系周转率及根系寿命的差异

Fig.4 Differences in root turnover rate and root longevity of three cultivated herbage species

表2 3种栽培牧草各项根系生长指标隶属函数值及评判结果

Table 2 Function value of subordination and result of comprehensive judgment on the root characteristics to three cultivated herbage species

土层深度Soil depth (cm)	牧草种类 Herbage species	根尖数Root tips	根系现存量Root standing crop	根系生产量Root production	根系死亡量Root mortality	根系净生长速率RLD_NGR	根系周转率Root turnover rate	根系寿命Root longevity	综合评判 Synthetic evaluation	排名Ranking
0~10	紫羊茅 F. rubra	0.00	0.00	0.00	0.96	0.00	1.00	0.00	0.28	3
	垂穂披碱草 E. nutans	0.61	0.64	0.82	0.00	1.00	0.32	1.00	0.63	2
	老芒麦 E. sibiricus	1.00	1.00	1.00	1.00	0.74	0.00	0.84	0.80	1
10~20	紫羊茅 F. rubra	0.01	0.00	1.00	1.00	0.00	1.00	0.00	0.43	2
	垂穂披碱草 E. nutans	0.00	0.06	0.14	0.08	1.00	0.34	0.55	0.31	3
	老芒麦 E. sibiricus	1.00	1.00	0.00	0.00	0.81	0.00	1.00	0.54	1

图5 根系特征与土壤环境因子的RDA分析TC: 全碳Total carbon；TN: 全氮Total nitrogen；TP: 全磷Total phosphorus；C/N: 碳氮比Carbon to nitrogen ratio；C/P: 碳磷比Carbon to phosphorus ratio；N/P: 氮磷比Nitrogen to phosphorus ratio；SOM: 土壤有机质Soil organic matter；SWC: 土壤含水量Soil water content；R.Tip: 根尖数Root tips；R.Sta: 根系现存量Root standing crop；R.Pro: 根系生产量Root production；R.Mor: 根系死亡量Root mortality；R.Tur: 根系周转率Root turnover rate；R.Lon: 根系寿命Root longevity。下同The same below.

Fig.5 Redundancy analysis for root characteristics and soil environmental factors

图6 根系特征与环境因子结构方程模型* P<0.05; ** P<0.01; *** P<0.001；实线表示影响显著，虚线表示影响不显著。CHI表示卡方值；DF表示自由度；GFI表示适配度指数；AGFI表示调整后适配度指数；RMSEA表示近似误差均方根；R2表示解释率。The solid line represents significant correlation, and the dotted line represents no significant correlation. CHI means Chi-Square; DF means degrees of freedom; GFI means goodness-offit index; AGFI means adjusted goodness-offit index; RMSEA means root mean square error of approximation; R2 means the rate of explanation.

Fig.6 The structural equation model of root characteristics and environmental factor

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