细根是植物根系的重要组成部分，在森林生态系统能量流动和碳循环中起着关键性作用(Finér et al., 2011)。虽然细根占林木根系总生物量的比例不足30%(张小全等，2001; Helmisaari et al., 2002)，但其周转迅速，超过40%的森林净初级生产力(net NPP)用于细根的生长和维持(Tateno et al., 2004)。大多数研究把直径＜2 mm的根作为同一单元进行研究，认为其具有相同的生理功能(Pregitzer et al., 2002)； 而相关研究表明，根系具有复杂的分枝系统，个体根在分枝系统中的位置决定其生理生态功能(Guo et al., 2004; Li et al., 2010)。因此，采用根序分级法能较好地认识细根结构和功能。细根的形态特征直接与功能特征相关(Pregitzer et al., 2002)，直径是根系重要的形态特征，直径大小影响细根的吸收功能(王向荣等，2005)。细根单位质量的根长(比根长SRL)和单位面积的根长(根长密度RLD)也是决定根系吸收土壤水分和养分的重要指标，在反应根系生理生态功能方面具有重要意义(Ostonen et al., 2007; 黄林等，2012)。对于植物根系研究，目前多集中在细根总生物量及垂直分布方面，有关林草复合模式中不同根序细根形态和生物量的研究尚不多见。

台湾桤木(Alnus formosana)原产台湾，为阳性树种，材质优良，比四川桤木(A.cremastogyne)具有更强的耐旱生理适应性，已成功引种到四川等地。近年来，已有学者对林草模式种间关系、细根和草根生物量及细根分解动态等进行了报道(荣丽等，2009; 李贤伟等，2009; 秦树高等，2011)，但还缺乏对不同根序细根形态和生物量的研究。本研究以台湾桤木+黑麦草(Lolium multiflorum)林草复合模式与台湾桤木自然模式对比，研究台湾桤木不同根序细根形态和生物量的变化规律及差异，旨在为深入研究林草模式下细根对土壤资源有效性的响应以及细根养分和水分吸收规律提供基础依据。

研究区位于四川省丹棱县仁美镇飞龙村台湾桤木林地(102°57′—103°04′ E，29°55′—29°59′ N)，海拔570 ～ 590 m，该区地处四川盆地西南边缘，冬干春旱，夏洪秋雨，阴天偏多，日照偏少； 年平均降水量1 233 mm，年平均相对湿度82%； 属于亚热带气候，年平均气温16.6 ℃，最冷月平均气温6.7 ℃，最热月平均气温28.0 ℃。坡度13～17°，坡向南偏东，土壤类型为紫色土，地带性植被类型为亚热带常绿阔叶林。

2009年9月，在实施退耕还林工程的7年生台湾桤木林地，设置6块 20 m×20 m样地，随机选取3块样地进行除草、整地并采用撒播方式种植多年生黑麦草，播种量为37.5 kg·hm^-2，其余3块样地保留自然生长的杂草作为对照。建立以下2种模式： 台湾桤木＋黑麦草复合模式(AL)和台湾桤木自然模式(CK)，黑麦草每年刈割2次。2011年5月，对2种模式样地基本情况进行调查，主要包括林分密度、平均胸径、郁闭度和土壤性质等，结果见表 1和2。

表1 样地植被概况^① Tab.1 Survey of the vegetation of the sample plots

表 1样地植被概况① Tab.1 Survey of the vegetation of the sample plots 模式 Mode 物种 Species 年龄 Age/a 高度 Height/m DBH/cm 郁闭度或盖度 Coverage(%) 株行距 Distance 林草复合模式Forest and grass mode 台湾桤木Alnus formosana 9 7.5 17.4 70 2.5 m×2.5 m 黑麦草Lolium multiflorum 2 0.3 — 99 — 自然模式Natural mode 台湾桤木 Alnus formosana 9 7.0 16.5 70 2.5 m×2.5 m 自然草Natural grass 1年生或多年生Therophyte or perennial 0.1～0.3 — 50 —  ①自然草以空心莲子草、鱼腥草、白茅及悬钩子属植物为主。The natural grass mainly include Alternanthera philoxeroides，Herba houttuyniae，Imperata cylindrical and Rubus spp.

表2 样地土壤性质 Tab.2 Soil characteristics of the sample plots

表 2样地土壤性质 Tab.2Soil characteristics of the sample plots 模式 Mode 土层 Soil depth/cm 土壤含水量 Water moisture content(%) pH 温度 Temperature/℃ 全碳含量 Total carbon content/(g·kg-1) 全氮含量 Total nitrogen content/(g·kg-1) 水解性氮含量 Hydrolytic nitrogen content/(g·kg-1) 林草复合模式 0～10 28.05 5.19 18.70 12.45±0.92 1.76±0.25 256.63±15.23 Forest and grass mode 10～20 27.58 5.21 17.50 10.26±0.89 1.39±0.18 212.10±13.26 自然模式 0～10 24.88 5.33 20.18 11.05±1.01 1.42±0.21 222.33±20.35 Natural mode 10～20 24.41 5.39 19.01 9.28±0.73 1.22±0.19 191.21±23.22

2011年6月下旬，在每块样地按照“S”形选择5个采样点，用植物根系取样器(20 cm×20 cm×10 cm)分土壤表层(0～10 cm)和亚表层(10～20 cm)取完整土块样品，共选采样点30个。将土块装入封口袋中，做好标记，放入冷藏箱(< 5 ℃)内临时保存运输。带回实验室后，将土块放在100目(孔径为0.149 mm)土壤套筛上，用清水浸泡12 h，使土壤软化崩解，再用流水清洗分离土壤和细根(该过程中应尽量避免细根被折断和遗失)(刘运科等，2012)。再根据细根的颜色、外形、弹性、根皮与中柱分离的难易程度区分活根、死根和草根。按Fitter(1985)根序分级法对台湾桤木活细根分级，位于根轴最远端没有分枝的根称为1级根，1级根着生在2级根上，2级根着生在3级根上，依次分到5级根，着生于高级根上的没有分支的根也算作1级根。用镊子仔细分离出1～5级根，分别放入已标记的玻璃皿中，在最短的时间内对其进行扫描。对于个别不完整的单根，则按照其直径大小，根据已分出完整根系各根序的直径划分，编号备用。同时在每个采样点土壤表层和亚表层各取1 kg土壤样品装入样品袋内，放入冷藏箱暂时保存，带回实验室后立即进行样品处理与分析。

将分级后的台湾桤木各级细根用Epson数字化扫描仪(Expression 10000XL 1.0)进行扫描，扫描后用Win RHIZO 2007根系图像分析系统软件对细根图像进行形态指标分析，主要包括不同根序细根直径、根长和数量等指标参数。然后将所有样品分别放入65 ℃的烘箱48 h烘至恒质量，称量各个序级的干质量(精确到0.000 1 g)，进一步得到比根长(SRL)、根长密度(RLD)以及生物量数据，计算公式为：

土壤温度用DS1921G温度记录仪测定，5月下旬林分调查时，在2种模式样地内0～10 cm和10～20 cm土层各安装纽扣式温度自动记录仪1个，设置为每小时自动记录1次数据，在根系取样时回收。根据1999版《中华人民共和国林业行业标准》分析土壤含水量(烘干法)，重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量，碱解-扩散法测定水解性氮含量，凯式定氮法测定土壤全氮含量。

数据处理及图表生成采用Microsoft Excel 2007软件，统计分析用SPSS 17.0软件进行。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)法对不同模式、不同土层、不同根序细根平均直径、比根长(SRL)、根长密度(RLD)和生物量的差异显著性进行方差分析，再用LSD法进行多重比较，同时采用Pearson相关系数对细根形态指标和生物量与土壤理化性质之间的关系进行分析。

直径是细根重要的形态特征，直径大小影响细根的吸收功能。如图 1所示，台湾桤木前5级根直径随根序等级升高而显著增加(P<0.05)，也随土壤深度增加而增粗。与自然模式(CK)相比，种植黑麦草(AL)降低了整个土层台湾桤木前5级根直径，其中土壤表层分别降低10.29%，6.04%，6.58%，8.11%和6.91%，亚表层分别降低10.48%，3.00%，7.25%，6.10%和6.45%。方差分析显示，种植黑麦草对整个土层前5级根直径影响均不显著(P>0.05)。

	图1 不同模式各级细根平均直径、比根长和根长密度(n=15) Fig.1 Fine root mean diameter，specific root length， and root length density with different orders in different modes(n=15)

比根长(SRL)是反映植物投入与产出的重要指标。由图 1可知，台湾桤木前5级根比根长随根序等级升高而显著降低(P<0.05)，也随土壤深度增加而减小。与CK相比，种植黑麦草(AL)增加了整个土层台湾桤木前5级根比根长，其中土壤表层分别增加3.30%，4.60%，1.39%，0.33%和7.17%，亚表层分别增加1.70%，2.42%，0.94%，4.72%和13.91%。方差分析显示，种植黑麦草对整个土层前2级根比根长影响显著(P<0.05)，但对3～5级根均无显著影响(P>0.05)。

根长密度(RLD)可以反映出根系对土壤资源利用能力的强弱。如图 1所示，台湾桤木前5级根根长密度随根序等级升高而降低，也随土壤深度增加而减小。与CK相比，种植黑麦草(AL)对不同土壤层次台湾桤木各级细根根长密度影响不同。种植黑麦草降低了土壤表层3～5级根根长密度，增加了土壤表层1，2级根和亚表层前5级根根长密度。方差分析表明，种植黑麦草对土壤表层3～5级根根长密度影响不显著(P>0.05)，但对土壤表层1，2级根和亚表层前5级根均有显著影响(P<0.05)。土壤深度对2种模式台湾桤木细根根长密度的影响均达到极显著水平(P<0.01)。

由图 2可知，台湾桤木前5级根生物量均随根序等级升高而增加。与CK相比，种植黑麦草(AL)对不同土壤层次台湾桤木细根生物量影响不同。在土壤表层，AL和CK台湾桤木活细根总生物量分别为857.10和900.50 kg·hm^-2，种植黑麦草后活细根总生物量减少4.82%，3～5级根生物量分别减少6.56，24.82和45.05 kg·hm^-2，但1，2级根分别增加14.04和19.00 kg·hm^-2。在土壤亚表层，AL和CK台湾桤木活细根总生物量分别为282.20和178 kg·hm^-2，种植黑麦草后活细根总生物量增加58.54%，前5级根分别增加8.20，15.52，24.08，20.09和36.30 kg·hm^-2。方差分析显示，种植黑麦草对土壤表层和亚表层活细根总生物量均有显著影响(P<0.05)，除土壤表层3级根外，对表层和亚表层其他细根生物量影响显著(P<0.05)。

	图2 不同模式各级细根生物量(n=15) Fig.2 Fine root biomass with different orders in different modes(n=15)

如图 3所示，台湾桤木细根细根生物量表现出随土壤深度增加而显著减少的变化规律。2种模式下土壤表层各级细根生物量均显著高于土壤亚表层(P<0.05)，林草复合模式土壤表层前5级根分别占各自总生物量的80.89%，79.87%，74.20%，77.06%和71.51%，土壤亚表层只占19.11%～28.49%。与CK相比，种植黑麦草显著降低了前5级根在土壤表层中的生物量比例，但增加了亚表层中生物量比例(P<0.05)。

	图3 不同模式下各土层不同根序细根生物量占总生物量的比例 Fig.3 Proportion of different fine root biomass in each soil layer to total fine root biomass under different modes

相关分析(表 3)表明，AL和CK 2种模式下台湾桤木细根直径与土壤温度、全氮含量、水解性氮含量和有机质含量表现为负相关，其中土壤全氮含量和水解性氮含量对细根直径的影响达到显著水平(P<0.05)。细根比根长与土壤水分、温度、全氮含量、水解性氮含量和有机质含量均表现为正相关，其中与土壤水分含量显著相关(P<0.05)。细根根长密度与土壤水分、温度、水解性氮含量、全氮含量和有机质含量表现为正相关，其中与水解性氮含量显著相关(P<0.05)，与全氮含量和有机质含量极显著相关(P<0.01)。细根生物量与土壤水分、温度、水解性氮含量、全氮含量和有机质含量也表现为正相关，其中与土壤全氮含量、水解性氮含量和有机质含量极显著正相关(P<0.01)。

表3 台湾桤木细根特征参数与土壤理化特性参数的相关性^① Tab.3 Correlation coefficients of fine root parameter with soil physical and chemical properties of Alnus formosana

表 3台湾桤木细根特征参数与土壤理化特性参数的相关性① Tab.3Correlation coefficients of fine root parameter with soil physical and chemical properties of Alnus formosana 细根参数Fine root parameter 模式Mode R2 土壤水分含量 Soil water content 土壤温度 Soil temperature 全氮含量 Total nitrogen content 有机质含量Organic matter content 水解性氮含量Hydrolytic nitrogen content 直径Diameter 林草复合模式Forest and grass mode －0.11 －0.11 －0.56* －0.40 －0.59* 自然模式 Natural mode 0.06 －0.16 －0.74* －0.48 －0.69* 比根长 Specific root length 林草复合模式 Forest and grass mode 0.72* 0.07 0.50 0.52 0.23 自然模式 Natural mode 0.69* 0.16 0.54 0.42 0.38 根长密度 Root length density 林草复合模式 Forest and grass mode 0.48 0.15 0.85** 0.92** 0.64* 自然模式 Natural mode 0.45 0.13 0.80** 0.91** 0.75* 生物量Biomass 林草复合模式 Forest and grass mode 0.35 0.27 0.81** 0.92** 0.87** 自然模式 Natural mode 0.38 0.11 0.80** 0.95** 0.84**  ①*： P < 0.05； **： P < 0.01.

细根是一个不均质的周转很快的系统，是由形态、寿命、生理上差异巨大的不同个体组成的高度异质的混合体(王政权等，2008)， 根系在生长过程中产生复杂分枝系统，形成不同根序(Pregitzer et al., 2002)。已往的研究主要以直径大小划分等级，忽视了细根着生位置及不同根序等级细根的生理生态功能差异(于立忠等，2007)。本研究采用根序方法研究台湾桤木林草复合模式细根形态和生物量发现，台湾桤木1级根直径细、SRL高、RLD大、生物量小，且随着根序升高，直径增粗，SRL和RLD降低。在东北帽儿山天然次生林20种阔叶树种细根形态和亚热带浙江桂(Cinnamomum chekiangense)细根生物量研究也发现相同分配规律(师伟等，2008; 熊德成等，2012)，说明细根异质性在木本植物中具有普遍规律。不同根序细根具有不同的特性，低级根具有吸收能力，而高级根具有运输和贮存养分能力(Pregitzer et al., 2002)。本研究中低级根直径较细，有利于水分和养分吸收(刘金梁等，2009)，高级根直径较大，对碳储存和养分运输具有重要作用(熊德成等，2012)。同时，低级根具有较高的SRL和RLD，可以保持细根的吸收能力，但低级根生物量小，这种生物量与SRL和RLD不对称的比例关系，表明细根构建和维持单位长度所消耗的碳水化合物较少，对细根的吸收功能有利(Guo et al., 2004)，也反映了不同根序细根功能上的差异。

土壤环境存在空间异质性，为了最大限度地获取土壤资源，细根会对水分和养分的空间异质性产生各种可塑反应，根系调整细根形态和生物量的基本反应，也是根系适应土壤空间异质性的一种策略(史建伟等，2011)。本研究种植黑麦草降低了整个土层前5级根直径，但差异不显著(P>0.05)。这可能是因为林草模式中虽然黑麦草生长减缓，但与台湾桤木细根仍存在土壤资源争夺，为了满足林木地上部分生长，细根通过减小直径和增加根长来提高细根吸收养分的效率(程云环等，2005)。土壤资源养分有效性直接影响细根比根长(Hajibol and et al.， 2005)，土壤养分氮有效性增加会导致比根长提高(程云环等，2005)。本研究中，种植黑麦草提高了整个土层台湾桤木前5级根比根长，且对1，2级根影响显著(P<0.05)，而对3～5级根的影响不显著(P>0.05)。这可能是由于林草复合模式更多的林草凋落物、根系的分泌物和脱落物补充到土壤碳库(王敬等，2008)，微生物活性随土壤温度和水分升高(Dube et al., 2012)，提高了细根周转速率，使土壤资源有效性增加(Haile et al., 2010)、比根长提高； 同时说明低级根对土壤养分有效性更敏感，其形态特征更容易对土壤环境变化产生可塑性反应(王鹏等，2012; Wang et al., 2013)。本研究中，种植黑麦草显著增加了土壤表层1，2级根和亚表层前5级根根长密度，但降低了土壤表层3～5级根根长密度。这是因为林草竞争使分配到地下的碳更多地运输到土壤亚表层，通过增加根长提高水分和养分吸收能力(刘金梁等，2009)，根长密度增加。而为避免土壤表层碳分配减少导致细根吸收能力下降，植物体通过调整有限碳源，使更多碳分配到吸收功能最强的低级根，高级根则减少(刘运科等，2012)。因此，1，2级根迅速生长，根长密度显著增加，3～5级根根长密度降低。

细根生物量的高低反映了细根的形态构建，对植物光合产物的投入产出有深刻影响(刘金梁等，2009)。本研究表明，种植黑麦草降低了土壤表层活细根总生物量，增加了亚表层活细根总生物量。这可能是由于林草复合模式中台湾桤木细根与黑麦草草根之间存在对土壤水分和养分等资源的相互竞争(吕理兴，2012)，为了减小竞争和达到互补共存，台湾桤木和黑麦草通过调整其光合产物分配格局来占据不同的空间生态位(Haile et al., 2010)。林草复合模式中黑麦草80%以上草根主要分布在土壤表层(罗正华等，2008)，细根和草根竞争较为激烈，为了减少空间生态位的重叠，台湾桤木分配到土壤亚表层的光合产物增加，以此来减小竞争，因此土壤表层光合产物分配减少，活细根总生物量明显降低，而亚表层活细根总生物量明显增加。林草复合模式对土壤表层和亚表层不同根序细根影响也存在差异。种植黑麦草增加了土壤表层1、2级和亚表层前5级根生物量，但减少了土壤表层3～5级生物量。这是因为与高级根相比，低级根能有效吸收土壤养分和水分。在土壤表层根系C分配有限时，根据植物“投入”与“产出效益”理论，植物会分配更多的C用于构建吸收功能最强的低级根(刘金梁等，2009)，来满足台湾桤木地上部分的生长，1，2级根生物量增加。而土壤亚表层黑麦草草根分布很少，种间竞争较小，同时根系C分配增加，有利于细根生长，因此，土壤亚表层前5级根生物量明显高于自然模式。

台湾桤木细根生物量随土壤深度增加而减少的垂直分布规律也与土壤环境的高度异质性有关(史建伟等，2011)。由于土壤表面枯落物每年通过淋失(溶)、分解等过程向土壤提供大量有机C和养分，提高了土壤表层的有效养分，促进细根生长和生物量积累(King et al., 2002; 程云环等，2005)。而土壤亚表层养分资源相对匮乏，土壤密度大，水分条件差(董慧霞等，2007)，不利于细根生长，生物量较小。相关分析表明，细根生物量和土壤有机质、全氮含量和水解性氮含量极显著正相关(表 3)，说明细根对土壤资源有效性反应敏感，具有较强的可塑性(燕辉等，2010; 王鹏等，2012)，同时也反映出土壤环境条件存在差异。

林草复合模式是农林复合生态系统的重要类型，台湾桤木+黑麦草模式兼顾了长短期经济效益和水土保持的生态效益(王敬等，2008; 李贤伟等，2009)，通过对台湾桤木林草复合模式下细根形态特征和生物量的研究，为林草模式地下生态学过程研究提供了基础，同时为该林草模式可持续经营提供了科学依据。