Effects of combined nitrogen and phosphorus application on root characteristics of alpine meadow

doi:10.11686/cyxb2022316

Abstract

Abstract:

The root system is a vital organ for plants to fix and support plant body， and it is also an important carbon pool in grassland ecosystems. In order to better understand the growth characteristics， carbon allocation pattern and nutrient cycle of roots in alpine meadow， we analyzed the morphological characteristics and physiological functions of roots with different diameters under four levels of nitrogen （N） and phosphorus （P） application rates. The minirhizotron observation method was applied to monitor the dynamics of root standing crop， production， death and turnover under CK （0 g·m^-2 fertilizer）， NP₁₀（N 5 g·m^-2+P 5 g·m^-2）， NP₂₀ （N 10 g·m^-2+P 10 g·m^-2） and^{NP₃₀（N 15 g·m^-2+P 15 g·m^-2） treatments in northwest Sichuan， and the relationships between root characteristics and environmental properties were examined. The results showed that： 1） The standing crop of the total roots differed significantly between soil horizons. In 0-10 cm， fertilization （NP₁₀， NP₂₀， NP₃₀） reduced the standing crop of roots ≤0.3 mm significantly， and NP₃₀ reduced the standing crop of the total roots as well as the roots >0.3 mm significantly； In 10-20 cm， the standing crop of the total roots as well as the roots >0.3 mm in NP₂₀were significantly higher than that in other treatments （P<0.05）. 2） There were significant differences in total root production and mortality between soil layers. In 0-10 cm， the production and mortality of the roots ≤0.3 mm varied slightly， while the mortality of the roots >0.3 mm increased significantly in NP₃₀； In 10-20 cm， the production and mortality of the roots ≤0.3 mm in fertilization treatments were significantly lower than that in CK， and the production and mortality of the roots >0.3 mm in NP₂₀ and NP₃₀ were significantly higher than that in CK （P<0.05）. 3） The root turnover varied insignificantly between soil horizons and fertilization treatments， but the turnover of the roots ≤0.3 mm was higher than that of the roots >0.3 mm. 4） The structural equation model suggested that the root standing crop and production were directly affected by the soil nutrients （total carbon and total nitrogen） and the root diameter， and the soil nutrients had a positive effect on root turnover. In summary， the combined N and P application had significant effects on the total root standing crop and mortality. Low and middle levels of NP （NP₁₀ and NP₂₀） application could reduce the biomass allocation of roots ≤0.3 mm while invest more to enhance the biomass of roots >0.3 mm. High level of NP （NP₃₀） application could reduce both coarse and fine root biomass and increase root mortality， thus reducing root carbon accumulation.}

Key words: combined application of nitrogen and phosphorus, root diameter, root characteristics, minirhizotron, alpine meadow

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Figures/Tables 10

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土层 Soil layer （cm）	处理 Treatment	土壤紧实度 SC （%）	土壤含水率 SWC （%）	全碳 TC （g·kg^-1）	全氮 TN （g·kg^-1）	全磷 TP （g·kg^-1）	C∶N	C∶P	N∶P
0~10	CK	126.00±16.44Aa	36.67±2.15Aa	62.75±1.45Aab	5.59±0.16Ab	1.13±0.03Aa	11.22±0.07Aa	55.43±2.37Ab	4.94±0.24Ab
	NP₁₀	109.33±2.96Ba	32.61±0.40Aa	67.87±3.68Aa	6.31±0.12Aa	0.93±0.00Aa	10.09±0.48Aa	45.14±2.57Abc	4.47±0.14Abc
	NP₂₀	161.00±2.08Aa	34.85±0.18Aa	56.78±1.47Ab	5.63±0.16Aab	1.01±0.08Aa	10.78±0.75Aa	72.48±3.98Aa	6.74±0.13Aa
	NP₃₀	155.00±17.34Aa	34.23±1.00Aa	66.79±1.30Aab	5.68±0.14Aab	1.11±0.09Aa	10.27±0.44Aa	42.39±1.85Bc	4.12±0.00Bc
10~20	CK	115.66±12.99Ab	36.50±0.28Aa	51.10±1.52Bb	5.07±0.14Aa	1.13±0.03Aa	10.09±0.49Aa	56.34±3.21Aa	5.62±0.51Aa
	NP₁₀	242.33±8.68Aa	34.85±0.91Aab	44.42±1.27Bc	4.33±0.12Bb	1.04±0.02Aa	10.81±0.15Aa	56.80±5.90Aa	5.24±0.52Aa
	NP₂₀	195.33±13.04Aa	32.91±0.47Bb	51.00±1.33Bb	4.71±0.16Bab	0.92±0.11Aa	11.77±0.47Aa	60.36±3.96Aa	5.17±0.55Ba
	NP₃₀	121.66±23.94Ab	32.26±0.83Ab	56.66±0.40Ba	5.10±0.19Aa	1.02±0.06Aa	11.13±0.34Aa	55.50±3.40Aa	4.97±0.17Aa

土层 Soil layer （cm）	处理 Treatment	土壤紧实度 SC （%）	土壤含水率 SWC （%）	全碳 TC （g·kg^-1）	全氮 TN （g·kg^-1）	全磷 TP （g·kg^-1）	C∶N	C∶P	N∶P
0~10	CK	126.00±16.44Aa	36.67±2.15Aa	62.75±1.45Aab	5.59±0.16Ab	1.13±0.03Aa	11.22±0.07Aa	55.43±2.37Ab	4.94±0.24Ab
	NP₁₀	109.33±2.96Ba	32.61±0.40Aa	67.87±3.68Aa	6.31±0.12Aa	0.93±0.00Aa	10.09±0.48Aa	45.14±2.57Abc	4.47±0.14Abc
	NP₂₀	161.00±2.08Aa	34.85±0.18Aa	56.78±1.47Ab	5.63±0.16Aab	1.01±0.08Aa	10.78±0.75Aa	72.48±3.98Aa	6.74±0.13Aa
	NP₃₀	155.00±17.34Aa	34.23±1.00Aa	66.79±1.30Aab	5.68±0.14Aab	1.11±0.09Aa	10.27±0.44Aa	42.39±1.85Bc	4.12±0.00Bc
10~20	CK	115.66±12.99Ab	36.50±0.28Aa	51.10±1.52Bb	5.07±0.14Aa	1.13±0.03Aa	10.09±0.49Aa	56.34±3.21Aa	5.62±0.51Aa
	NP₁₀	242.33±8.68Aa	34.85±0.91Aab	44.42±1.27Bc	4.33±0.12Bb	1.04±0.02Aa	10.81±0.15Aa	56.80±5.90Aa	5.24±0.52Aa
	NP₂₀	195.33±13.04Aa	32.91±0.47Bb	51.00±1.33Bb	4.71±0.16Bab	0.92±0.11Aa	11.77±0.47Aa	60.36±3.96Aa	5.17±0.55Ba
	NP₃₀	121.66±23.94Ab	32.26±0.83Ab	56.66±0.40Ba	5.10±0.19Aa	1.02±0.06Aa	11.13±0.34Aa	55.50±3.40Aa	4.97±0.17Aa

项目Item	现存量Standing crop	生产量Production	死亡量Mortality	周转率Turnover
处理Treatment （T）	14.771***	11.383***	6.811***	3.226*
土层Soil layer （S）	1419.057***	311.049***	440.862***	0.605
直径等级Diameter class （D）	198.509***	36.325***	59.704***	11.280***
处理×土层 T×S	14.316***	9.961***	7.211***	1.148
处理×直径等级 T×D	2.091	2.460*	1.151	1.595
土层×直径等级 S×D	130.872***	21.276***	27.598***	0.890
处理×土层×直径等级 T×S×D	2.178*	1.483	0.480	0.830

项目Item	现存量Standing crop	生产量Production	死亡量Mortality	周转率Turnover
处理Treatment （T）	14.771***	11.383***	6.811***	3.226*
土层Soil layer （S）	1419.057***	311.049***	440.862***	0.605
直径等级Diameter class （D）	198.509***	36.325***	59.704***	11.280***
处理×土层 T×S	14.316***	9.961***	7.211***	1.148
处理×直径等级 T×D	2.091	2.460*	1.151	1.595
土层×直径等级 S×D	130.872***	21.276***	27.598***	0.890
处理×土层×直径等级 T×S×D	2.178*	1.483	0.480	0.830

土层 Soil layer （cm）	处理 Treatment	直径≤0.3 mm根系 Root system with diameter≤0.3 mm	直径>0.3 mm根系 Root system with diameter>0.3 mm	总根系 Total root
0~10	CK	1.39±0.19Aa	0.54±0.02Aa	0.91±0.22Aa
	NP₁₀	1.81±0.15Aa	1.13±0.23Aa	1.35±0.12Aa
	NP₂₀	1.66±0.11Aa	1.42±0.32Aa	1.44±0.25Aa
	NP₃₀	1.58±0.11Aa	1.12±0.06Aa	1.29±0.07Aa
10~20	CK	2.21±0.46Aa	0.54±0.31Aa	1.69±0.41Aa
	NP₁₀	2.23±0.48Aa	1.29±0.44Aa	1.82±0.52Aa
	NP₂₀	1.72±0.37Aa	1.17±0.36Aa	1.35±0.36Aa
	NP₃₀	1.17±0.33Aa	1.20±0.22Aa	1.15±0.22Aa