植物在生长过程和调节生理机能等方面，碳 (C)、氮 (N)、磷 (P) 元素起着重要的作用^[1]。C是组成植物体干物质最主要的元素，在植物生长过程中，N、P元素参与蛋白质和遗传物质的合成，是植物生长和繁殖不可或缺的矿质元素^[2–4]。生态化学计量学原理表明，C、N、P之间存在复杂的耦合作用，其化学计量特征能够反映植物器官的内稳性及相互关系^[5]，在反映植物生长速率、养分利用效率、限制性元素的判断等方面计量比发挥着重要的作用^[6–7]。其中C/N和C/P指标能够反映植物对于养分的利用效率，控制植物许多生理生化过程，决定了生态系统中C、N、P利用、贮存和转移。N/P指标则指示了生态系统所受的元素限制，对不同种类和不同地域植被来说，其所揭示的元素限制作用的阈值往往是不同的^[8]。

细根通常是指直径小于2 mm的根，是植物体从土壤中获取物质和能量的主要器官，也是植物地下最活跃、对土壤环境影响反应最敏感的部分^[9]，在能量流动和物质循环中起着关键作用^[10]。目前，对于植物生态化学计量学的研究，主要集中在地上部分^[11–12]。近些年来虽然对地下部分生态化学计量学进行了研究，但对细根在空间分布和季节变化上的化学计量学研究甚少。有研究表明，细根的形态特征和生物量等在空间分布和季节变化上存在差异^[13–14]。细根的形态结构不同，其养分含量也有显著差异，从而影响细根的生理、生态功能^[15]。因此，研究不同空间分布的细根C、N、P的化学计量时间变异特征对于认识细根的作用具有重要意义。

板栗 (Castanea mollissima) 是壳斗科栗属植物，是我国重要的木本粮食作物之一，具有重要的经济效益与生态效益。关于板栗矿质营养的研究已有较多报道^[16–17]，但大多数研究都是以植物叶片、果实和枝条的矿质元素为主体，很少考虑到在根系中的分布规律。本研究通过利用C、N、P的生态化学计量学原理，探讨不同空间位置的板栗细根C、N、P计量关系随时间的变化特征，以期为有针对性地培育板栗，提高有效经济产量提供理论依据。

研究区域位于河北省迁西县北京林业大学经济林 (板栗) 育种与栽培实践基地。该地区地势平坦，属于东部季风暖温带半湿润气候，年平均气温10.9℃，最冷月 (1月) 平均气温–6.5℃，最热月 (7月) 平均气温25.4℃，年平均降水量744.7 mm，主要集中在7、8月份。全年日照总数为2581.5 h，无霜期176 d。试验地成土母质为片麻岩，土壤质地为砂壤土，土壤类型为褐土。试验地土壤理化性质见表1。

表1(Table 1)

表1 试验地土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the soils at the experiment site

表1 试验地土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the soils at the experiment site 土层深度 (cm) Soil depth 容重 (g/cm3) Volume weight 总孔隙度 (%) Total porosity pH 有机质 (g/kg) OM 碱解氮 (mg/kg) Avail. N 有效磷 (mg/kg) Avail. P 速效钾 (mg/kg) Avail. K 0—20 1.51 43.07 6.48 6.11 51.42 22.53 157.61 20—40 1.42 46.37 6.68 6.55 46.55 18.72 125.51 40—60 1.47 44.41 7.59 5.56 38.85 16.58 123.12

本研究的对象是位于示范园内的6年生板栗树，林带内植株密度为2 m × 3 m (株距为2 m，行距为3 m)，平均树高2.4 m，平均地径6.6 cm，采用中等强度的管理措施。在研究区域内设置3个40 m × 40 m的标准地，在每个样地选择标准木 (接近平均树高和平均地径的树木) 21株。采用连续根钻法，土钻内径为8 cm，于2016年4—10月生长季内，每月10—15日在每个样地内选择3株样本，以样本为中心，东西南北四个方向为取样区，距树干50 cm、100 cm处钻取土芯，每个土芯分3层 (0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm) 取样。试验为期6个月，共计分析7次样品。

根样取回后先在水中浸泡，然后用水冲洗过0.15 mm筛使根系与土壤等分离，重复多次。然后分拣出板栗及其他植物的根系，根据细根的颜色、外形、弹性等特征，拣出直径 ≤ 2 mm板栗活细根。置于80℃的烘箱中烘干至恒重，烘干后，将细根按编号粉碎后过0.15 mm孔径筛，然后分别取适量样品测定全C、全N和全P含量。其中，全C含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定，全N和全P含量采用AA3全自动连续流动分析仪测定。C、N、P含量以及C/N、C/P、N/P化学计量比中的C、N、P用质量分数g/kg表示。

数据前期处理、绘图及统计分析分别在Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件中完成，采用单因素方差分析 (One-way ANOVA)、Duncan多重比较分别分析不同土层深度、不同距离和不同月份细根C、N、P含量及其化学计量比的差异显著性。

图1显示，在0—60 cm土层，板栗生长季细根C含量变化范围在245.42～631.20 g/kg之间，平均为382.01 g/kg，6月份细根C含量最高，4月份最低。在4—10月板栗细根N含量的变化范围为5.21～11.72 g/kg，平均为7.99 g/kg，在4月份细根N含量最高，9月份最低。生长季板栗细根P含量的变化范围为0.68～1.82 g/kg，平均为1.06 g/kg，最高值出现的时间与N含量相同，也是出现在4月份，最低值则出现在10月份。从图1可以看出，距树干相同距离处，板栗细根C含量在不同土层之间随时间的变化趋势基本一致，N、P含量也表现出相同的规律。在0—20 cm土层，细根N、P含量大于其他两层，20—40 cm土层细根C含量最大，而且板栗细根C、N、P含量在其含量相对较多的土层随时间变化波动较大。故对于细根C含量主要讨论20—40 cm土层，细根N、P含量主要讨论0—20 cm土层的动态变化规律。

0—20 cm土层中，距树干50 cm和距树干100 cm处板栗细根N、P含量随时间变化均表现出明显的季节性变化。在距树干50 cm处，板栗细根N含量在6月份最低，4月份最高。除5月份外，4月份N含量显著大于其他各月份 (P < 0.05)。经过4—10月份的生长过程，板栗细根N含量相对减少了13.6%。距树干100 cm处，板栗细根N含量最大值出现的时间与距树干50 cm处相同，但最小值不同，出现在9月份。到了生长季末，板栗细根N含量较生长季初减少了2.91 g/kg。方差分析结果表明，除5月份外，4月份N含量显著大于其他各月份，而9月份则显著小于其他各月份 ( P < 0.05)。

在这一土层中，板栗细根P含量极值出现的时间在这两个距离处均不同。距树干50 cm处，板栗细根P含量6月份最低，7月份最高。而距树干100 cm处，最大值出现在8月份，最小值出现在10月份。经过一个生长季后，这两个距离的板栗细根P含量比4月份分别减少了0.60 g/kg和0.56 g/kg。

20—40 cm土层中，板栗细根C含量最多，在距树干50 cm和距树干100 cm处表现出不同的季节变化趋势。距树干50 cm处，板栗细根C含量呈现先升高后降低的趋势，7月份最大，但与6月份相差不大，4月份最小。距树干100 cm处，板栗细根C含量呈现双峰曲线变化，6月份和8月份均出现峰值。其最大值出现在6月份。最小值与距树干50 cm处相同，也是出现在4月份。在这两个距离处，一个生长季板栗细根C含量分别增加了26.82 g/kg和11.84 g/kg。方差分析结果表明，距树干50 cm处，6月份和7月份板栗细根的C含量显著大于其他各月。距树干100 cm处，6月份板栗细根的C含量也显著大于其他各月份 (P < 0.05)。

图1(Fig. 1)

图1 不同位置板栗细根C、N、P含量动态变化 Fig. 1 Seasonal dynamics of C, N, and P contents in fine root of Castanea mollissima at different locations

对相同月份不同位置板栗细根C、N、P含量及其化学计量比取平均值 (表2)，可以看出随着时间的变化，板栗细根C、N、P含量及其化学计量比在生长季中变化明显。细根C含量在板栗生长季中呈现先升高后降低的趋势，在6月份C含量达到最高 (485.87 g/kg)。从6—9月份这段时间，板栗细根C含量维持在较高水平。不同于细根C含量，板栗细根N、P含量在6月份相对较低。细根N、P含量均在4月份最高，分别为10.59 g/kg和1.33 g/kg。在10月份板栗细根N含量相比上月增加了27.1%，而P含量相比上月减少了21.0%。

板栗细根C/N、C/P和N/P在生长季中的平均值分别为50.48、377.35和7.62。其中C/N和C/P的变化趋势基本一致，都是先升高再降低。在6月份都到了最大值，分别为71.65和511.85。细根C/N从6—9月份没有明显变化，基本趋于稳定。不同于C/N，C/P在10月份有所升高，但变化不大，从6—10月份基本稳定。在板栗生长季中，细根N/P最大值出现在10月份且显著大于其他各月，最小值出现在8月份。

表2(Table 2)

表2 板栗细根C、N、P及其计量比 (平均值 ± 标准差) Table 2 C, N, and P contents and their ratios in fine root of Castanea mollissima (Mean ± SD)

表2 板栗细根C、N、P及其计量比 (平均值 ± 标准差) Table 2 C, N, and P contents and their ratios in fine root of Castanea mollissima (Mean ± SD) 月份Month C (g/kg) N (g/kg) P (g/kg) C/N C/P N/P 4 298.62 ± 26.14 d 10.59 ± 0.84 a 1.33 ± 0.10 a 28.14 ± 2.54 d 225.84 ± 20.04 d 7.98 ± 0.45 b 5 350.77 ± 30.08 cd 9.26 ± 0.72 b 1.21 ± 0.08 ab 38.08 ± 2.80 c 289.44 ± 24.82 c 7.63 ± 0.57 b 6 485.87 ± 44.34 a 6.96 ± 0.59 d 0.97 ± 0.06 c 71.65 ± 5.96 a 511.85 ± 47.96 a 7.17 ± 0.71 bc 7 430.12 ± 43.02 ab 7.35 ± 0.59 cd 0.99 ± 0.07 c 59.50 ± 6.22 b 447.66 ± 36.64 b 7.41 ± 0.52 b 8 423.13 ± 40.14 ab 7.05 ± 0.46 d 1.15 ± 0.07 b 60.62 ± 5.28 b 388.68 ± 30.46 b 6.15 ± 0.42 d 9 371.23 ± 30.54 bc 6.49 ± 0.43 d 1.00 ± 0.07 c 57.22 ± 4.34 b 373.74 ± 38.64 b 6.51 ± 0.39 cd 10 314.36 ± 23.34 cd 8.25 ± 0.57 bc 0.79 ± 0.05 d 38.15 ± 2.9 c 404.26 ± 34.44 b 10.47 ± 0.11 a 注（Note）：同列数据后不同小写字母表示月份间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in a column are significantly different among months at P < 0.05 level.

板栗细根C、N、P含量及其计量比受不同土层深度、月份和距树干距离因素及其交互作用影响程度各不相同 (表3)。板栗细根C、N、P含量及其计量比受月份和土层深度的影响极为显著 (P < 0.01)，其中受月份影响的离差平方和最大，受土层深度影响的离差平方和次之。土层深度和月份的交互影响除了对板栗N含量的影响达到显著外 ( P < 0.05)，其他均达到了极显著水平 ( P < 0.01)。土层深度、月份和距离三者的交互影响对C、N、P含量及其计量比的影响较小，除对板栗细根C含量影响显著 ( P < 0.05)，P含量极显著外 ( P < 0.01)，对其他均没有显著影响。总之，通过对比不同土层深度、月份、距树干距离因素的 F值，发现不同月份对板栗细根N、C/N、C/P、N/P的影响大于其他两个因素，不同土层深度对C、P的影响大于其他两个因素，而且距离因素的影响是最小的。

表3(Table 3)

表3 板栗细根C、N、P含量及其计量比的整体变异来源分析 Table 3 Summary about the effect of variation from different soil depths, months, distances and interactions on C, N, and P contents and their ratios in fine root of Castanea mollissima

表3 板栗细根C、N、P含量及其计量比的整体变异来源分析 Table 3 Summary about the effect of variation from different soil depths, months, distances and interactions on C, N, and P contents and their ratios in fine root of Castanea mollissima 参数 Parameter 变异来源 Source of variance 自由度 df 离差平方和 SS 均方 MS F C (g/kg) 土层深度Soil depth (S) 2 210874.87 105437.44 82.988** 月份Month (M) 6 493462.35 82243.73 64.733** 距离Distance (D) 1 2173.57 2173.57 1.710 土层深度 × 月份S × M 12 63633.20 5636.10 4.436** 距离 × 土层深度D × S 2 4654.46 2327.23 1.830 距离 × 月份D × M 6 98687.00 16447.83 12.946** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 36241.31 3020.11 2.377* N (g/kg) 土层深度Soil depth (S) 2 39.70 19.85 50.565** 月份Month (M) 6 234.64 39.11 99.607** 距离Distance (D) 1 16.89 16.89 43.017** 土层深度 × 月份S × M 12 9.60 0.80 2.037* 距离 × 土层深度D × S 2 2.37 1.19 3.020 距离 × 月份D × M 6 23.00 3.83 9.764** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 2.75 0.23 0.590 P (g/kg) 土层深度Soil depth (S) 2 1.58 0.79 143.910** 月份Month (M) 6 3.43 0.57 104.120** 距离Distance (D) 1 0.50 0.50 90.750** 土层深度 × 月份S × M 12 0.64 0.05 9.760** 距离 × 土层深度D × S 2 0.07 0.03 6.260** 距离 × 月份D × M 6 1.10 0.18 33.530** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 0.24 0.02 3.590** C/N 土层深度Soil depth (S) 2 4740.64 2370.32 52.780** 月份Month (M) 6 27180.00 4530.00 100.870** 距离Distance (D) 1 583.30 583.30 12.990** 土层深度 × 月份S × M 12 1806.52 150.54 3.350** 距离 × 土层深度D × S 2 178.22 89.11 1.980 距离 × 月份D × M 6 1870.74 311.79 6.940** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 864.56 72.05 1.600 C/P 土层深度Soil depth (S) 2 310479.52 155239.76 60.910** 月份Month (M) 6 994961.17 165826.86 65.070** 距离Distance (D) 1 45079.55 45079.55 17.690** 土层深度 × 月份S × M 12 122447.42 10203.95 4.000** 距离 × 土层深度D × S 2 6118.83 3059.41 1.200 距离 × 月份D × M 6 125141.73 20856.95 8.180** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 35663.11 2971.93 1.170 N/P 土层深度Soil depth (S) 2 6.63 3.31 11.950** 月份Month (M) 6 216.14 36.02 129.920** 距离Distance (D) 1 0.90 0.90 3.230 土层深度 × 月份S × M 12 16.33 1.36 4.910** 距离 × 土层深度D × S 2 0.51 0.26 0.920 距离 × 月份D × M 6 17.87 2.98 10.740** 距离 × 土层深度 × 月份D × S × M 12 5.62 0.47 1.690 注（Note）：*—P<0.05; *—P<0.01.

植物在进行生理生化过程中，C是底物，并且提供能量来源，N和P是植物体内各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素^[18]。Baldwin等通过对全球 492 种陆地植物的研究发现，植物平均C含量为464 g/kg，平均N含量为12.43 g/kg，平均P含量为1.99 g/kg^[19]。可以看出，板栗细根C、N、P含量均低于全球平均水平。通常情况下，N和P含量的变化是限制生态系统生产力的主要因素，C则不会限制植物的生长。Yuan等的研究表明，全球细根的N∶P比值在13 ～18之间^[20]。植物在生长过程中，N/P < 14 可以认为植物生长受到N限制，N/P > 16 可以认为植物生长受到P限制，14 < N/P < 16可以认为植物生长受到N、P共同限制 ^[21]。本研究中板栗细根的平均N/P为7.62，远远低于全球平均水平，可以看出板栗细根在生长过程中主要受到N的限制，尽管时间因素对板栗细根N/P变化影响显著，但影响该地区的板栗生长的限制性因素并未改变。闫道良等关于临安山地山核桃的研究也证明了这一结果^[22]。通过本研究中板栗细根的N/P，可以看出板栗在养分贫瘠环境下并没有通过加强自身对N的吸收提高对缺N的限制。

土壤水分与养分在垂直空间上的差异，使得在不同季节，甚至是同一季节不同层的细根发生变化^[23]。研究发现，板栗细根N、P含量在0—20 cm土层处最多，C含量在20—40 cm土层处最多。从试验地土壤理化性质可以发现，0—20 cm土层中碱解氮、有效磷和速效钾含量最高 (表1)，表明板栗细根N、P含量主要受到土壤养分的影响。在水平方向上，距树干100 cm处的C、N、P含量大于距树干50 cm处的。这主要是由于树冠影响了降水的再分配以及降水的化学性质，进而改变了树冠下土壤物理和化学性质^[24]，同时光照条件也存在差异。因此在对板栗进行水肥管理时，要充分考虑不同土层以及水平距离之间养分的差异，有针对性地进行管理。

通过对于试验地区板栗生长特征研究，其物候期可以分为叶芽萌发期 (4月)、展叶期 (5月)、授粉期 (6月初)、坐果期 (6月中旬)、幼果期 (7月)、果实膨大期 (8月)、果实成熟期 (9月)、落叶期 (10月)^[25]。在叶芽萌发期到展叶期，板栗细根C含量相对较低，而N、P含量则相对较高。主要是由于这一阶段温度不高，降雨量较少，细根生长活性减弱，增加了C的消耗，因此C含量下降^[26]。而从授粉期到果实成熟期，板栗细根C则保持在较高水平，其中6月份达到最大值，而N、P含量相对较低。这一阶段气温较高，再加上板栗进入生殖生长阶段，为了自身养分的需求以及抵御外界干旱的环境，增加了根系的C分配。根系的吸收能力增强，但是这一阶段花果与叶片之间共同竞争N，N则会优先供应花果的需要^[27]。若此时N供应不足，则会造成大量的落花落果，进而影响产量。在这一阶段确保板栗雌花序内的P含量也尤为重要，P能够很好地调节板栗雌雄花比例，极显著地增加板栗雌花数量，有利于板栗促雌保果^[28]。研究中发现该时期有较高的C/N和C/P，表明植物对N、P的利用率较高，因此，这一阶段适当的补充N、P元素有利于树体储藏养分，从而促进开花坐果，保证果实产量。李广会^[29]等通过对不同物候期结果枝叶片营养和土壤养分含量的回归分析表明，在6月上旬可以对板栗追施N、P肥，本研究通过对细根的研究也证明了这一结论。进入到生长末期，由于这一阶段地上部分生长结束，地下部分进行生长，对磷的利用效率较高，从而使板栗细根P含量较低，N/P较高。

在植物体中，C、N、P含量的化学计量特征受到温度、降水、土壤养分等因素的影响^[30]。研究发现，在生长季中，板栗细根C、N、P含量及其化学计量比在空间和时间上均表现出明显的变化。水平距离、土层深度和月份三个因素中，对板栗细根C、N、P含量及其计量比影响最小的均为水平距离。月份因素对板栗细根N、C/N、C/P、N/P的影响大于其他两个因素，造成这种差异一方面是由于植物不同物候期的特性引起的，另一方面，外界环境的变化导致植物的养分吸收效率也发生变化。土层深度对板栗细根C、P的影响大于其他两个因素，表明土壤在垂直方向上的异质性对于板栗细根C、P的影响较大。

在生长季中，板栗细根C、C/N、C/P在6—9月基本维持在较高水平且6月份最大，而N和P在4月份达到最大值，在6月份含量相对较少，N/P则在生长季末达到最大值。在水平方向上板栗细根C、N、P含量距树干100 cm处大于50 cm处，垂直方向上，C含量在20—40 cm最多，N和P含量在0—20 cm最多。根据变异来源分析，板栗细根N含量、C/N、C/P、N/P受不同月份的影响最大，C、P含量受不同土层深度的影响最大，距离因素的影响是最小的。通过N、P含量和N/P比可知，该地区板栗生长受到N、P含量共同限制，且更易受到N含量限制。