Traits associated with the conservation gradient are the strongest predictors of early-stage fine root decomposition rates

IF 5.3 1区环境科学与生态学 Q1 ECOLOGY

Journal of Ecology Pub Date : 2024-10-10 DOI:10.1111/1365-2745.14423

Saheed O. Jimoh, David H. Atkins, Hailey E. Mount, Daniel C. Laughlin

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与保护梯度相关的特征是早期细根分解率的最强预测因子

1 引言物种间细根性状的差异会影响地下资源的获取以及分解和养分循环的速率（Iversen 等，2017；Klimešová & Herben，2023；Petit-Aldana 等，2019）。分解是一个物理和化学过程，它将死亡的植物组织转化为其组成元素，推动养分循环速率和土壤有机质库（Aerts，1997 年；Guo 等人，2021 年；Wambsganss 等人，2022 年），但分解仍然是陆地生态系统中一个鲜为人知的养分和碳通量（See 等人，2019 年；Sun 等人，2013 年）。细根早期的分解会受到根形态特征（Wu 等人，2022 年）和化学特征（Bonanomi 等人，2021 年；Jiang 等人，2021 年；Silver & Miya, 2001 年）的影响。根的形态特征在系统发育上是保守的，但化学特征受进化史的限制较少（Liese 等，2017；Liu 等，2019；Sun 等，2018）。在系统发育背景下探索根系性状与分解之间关系的研究还很少（如 LeRoy 等人，2020 年）。确定根系性状在系统发育背景下作为分解驱动因素的相对重要性，仍然是提高我们对陆地生态系统分解动力学认识的研究重点。保护轴是由快与慢的权衡划定的，而协作轴则反映了自己动手与外包的权衡，这种权衡很可能是在与菌根共生的相互作用中演化而来的（Bergmann 等人，2020 年）。保护轴和协作轴可能会对分解率产生不同的影响（Guo 等人，2021 年；Klimešová & Herben，2023 年）。保护轴是通过根氮（RN）和根组织密度（RTD）的变化来量化的，这是众所周知的分解率驱动因素。获得性物种的高根氮（RN）可提高微生物加速分解的基质质量，而保守性物种的致密根组织孔隙结构较少，使其更耐分解（Valverde-Barrantes 等人，2016 年；Weigelt 等人，2021 年）。协作轴可通过根直径（RD）和特定根长（SRL）的变化进行量化，这也会影响分解速度，但目前还不清楚是细根还是粗根分解得更快。SRL高、表面积与体积比高的物种可能会促进更快的分解，这是因为微生物对基质的可及性增加了（Chengfang等人，2011年；Prieto等人，2016年；Wu等人，2022年），而且分解物质向土壤中的养分释放和扩散量也增加了（Liu等人，2017年），尤其是在分解的早期阶段。根系直径的变化也会影响分解（Goebel 等人，2011 年；He 等人，2019 年；Van Do 等人，2016 年）。Hobbie 等人（2010 年）的研究表明，在早期阶段，细根的分解速度比粗根更慢，但从长远来看，细根的分解速度比粗根更快。与此相反，微生物喜欢的优质皮层组织含量较高的粗根可能会分解得更快。已知根组织化学特征也是分解的主要驱动因素（Prieto 等人，2016 年；See 等人，2019 年；Sun 等人，2013 年；Tu 等人，2015 年）。在长期分解研究中，RN 是早期分解的最佳预测因子（Liao 等人，2022 年），而根木质素则是后期分解的最佳预测因子（Bachega 等人，2016 年）。人们普遍认为木质素是分解的重要驱动因素（Guo 等人，2021 年；Solly 等人，2014 年；Sun 等人，2018 年），因为它可以通过保护纤维素免受微生物侵害来抑制纤维素降解（Yue 等人，2016 年），而且木质素与氮之比高的根屑分解缓慢（Prieto 等人，2016 年；Solly 等人，2014 年）。木质纤维素指数（LCI）的计算公式为：LCI = 木质素/（木质素 + 纤维素）（Melillo 等人，1989 年），该指数被认为是通过阻止微生物获取可溶性碳化合物而阻碍分解的结构性障碍指标（Austin & Ballaré, 2010）。Bachega 等人（2016 年）报告称，金合欢细根的分解率较低，但 LCI 值却很高（从 0.49 到 0.64 不等）。在 Adair 等人（2008 年）进行的一项为期 10 年的分解研究中，由于纤维素受到木质素的保护，LCI 降低了中间阶段的分解。磷（P）的限制也可能会阻碍早期分解阶段的微生物活动（Liao 等人，2022 年），全球荟萃分析报告表明，磷对分解率具有一致的积极影响（See 等人，2019 年；Zhao、Tian 等人，2023 年），木质素与磷的比率越高，垃圾越难分解。最后，根干物质含量（RDMC）在 Roumet 等人的研究中也得到了证实。 (菌根关联也可以解释物种间分解速率的差异（Freschet等人，2021年；Kong等人，2019年）。例如，根屑质量高的丛枝菌根（AM）物种的细根（Jacobs等人，2018年；Taylor等人，2016年）比外生菌根（EM；Sun等人，2018年；Zhao，Tian等人，2023年）和麦角菌根物种的细根分解速度快（Cornelissen等人，2001年；Ward等人，2022年）。然而，南半球温带雨林以古老的针叶树系（即 Podocarpaceae 和 Araucariaceae）为主，它们通过根瘤与 AM 真菌结合（Scheublin 等人，2004 年），并表现出营养浓度低的致密根组织（Kramer-Walter 等人，2016 年）。因此，菌根关联对分解率的影响可能取决于系统发育背景。本文中，我们检验了与根经济空间（RES；Bergmann 等人，2020 年）相关的形态特征和根化学特征在解释细根分解率变化方面的相对重要性。我们对新西兰奥特亚罗瓦 63 种温带雨林树种的早期细根分解率（6 个月后的质量损失比例（pml））和细根功能特征进行了量化。我们的目标是在考虑系统发育的同时，确定哪些细根性状最能预测不同物种早期细根分解率。我们假设（H1）早期分解（pml）与根系保护轴的关系比与协作轴的关系更密切；（H2）化学根系性状比形态 RES 性状更能预测早期分解（pml）（表 1）。按照（McCormack 等人，2017 年）描述的性状类别及其与分解率（以质量损失比例（pml）衡量）的预期关系。性状类别性状定义与分解的预期关系（pml）参考文献形态学根组织密度（RTD；RES 核心性状）干细根质量与新鲜细根体积之比RTD 高的物种细胞壁较厚，限制了微生物的进入，对分解者的吸引力较小（-）de la Riva 等人（2021 年）、Kong 等人（2019 年）和 Ryser（2020 年）。(根干物质含量（RDMC）细根干物质含量与新鲜细根质量之比RDMC高的物种细胞壁较厚，限制了微生物的进入，对分解者的吸引力较弱(-)Bachega等人(2016)、Shipley和Vu(2002)根直径（RD；核心RES性状）细根的平均直径表面积与体积比高的细根物种，由于微生物可进入基质的机会增加，可能有利于加快分解。相反，粗根中微生物喜欢的优质皮层组织比例较高，分解速度也较快（-或+）Chengfang 等人（2011 年）、Hobbie 等人（2010 年）和 McClaugherty 等人（1985 年）特定根长（SRL）（核心 RES 性状）单位干重细根的长度SRL 高的物种，表面积与体积之比越高，微生物越容易接近基质，分解速度越快。与此相反，低 SRL 根具有更多微生物喜欢的高质量皮层组织，也可能分解得更快 (+ 或 -)Goebel 等人（2011 年）、Prieto 等人（2016 年）和 Wu 等人（2022 年）化学根中氮（RN；核心 RES 性状）细根中氮的浓度（%）高氮根具有高质量组织，可加速微生物分解 (+)Chen 等人（2002 年）、Prieto 等人（2016 年）和 Wu 等人（2022 年）化学根中氮（RN；核心 RES 性状）细根中氮的浓度（%）高氮根具有高质量组织，可加速微生物分解 (+)Chen 等人（2002 年）、Prieto 等人（2016 年）和 Wu 等人（2022 年）。(根磷 (RP)细根中磷的浓度（%）高磷根具有优质组织，可加速微生物分解（+）Birouste 等人（2012 年）、Liu（2021 年）、Xu 等人（2013 年）和 Zhang 等人（2008 年）根纤维素 (RP)细根中磷的浓度（%）高磷根具有优质组织，可加速微生物分解（+）Birouste 等人（2012 年）、Liu（2021 年）、Xu 等人（2013 年）和 Zhang 等人（2008 年）。(根纤维素纤维素是细根中的一种复杂碳水化合物，其浓度（%）较高，可形成不易分解的细胞壁，从而减缓分解速度（-）Birouste 等人（2012 年）、Genet 等人（2005 年）、Jiang 等人（2021 年）、Taylor（2008 年）和 Valverde-Barrantes 等人（2016 年）。(根单宁单宁是细根中的一种多酚和次生代谢物，其浓度（%）单宁会降低微生物的活性，因为单宁具有毒性，会与蛋白质和酶形成复合物，使分解生物无法食用 (-)Coulis et al.(根酚苯酚是一种芳香族有机化合物和次生代谢物，在细根中的浓度（%）苯酚可降低微生物活性，苯酚化合物分解缓慢（-）Boerjan 等人（2003 年）、Wang 等人（2015 年）和 Zwetsloot 等人（2012 年）。

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Journal of Ecology 环境科学-生态学

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期刊介绍： Journal of Ecology publishes original research papers on all aspects of the ecology of plants (including algae), in both aquatic and terrestrial ecosystems. We do not publish papers concerned solely with cultivated plants and agricultural ecosystems. Studies of plant communities, populations or individual species are accepted, as well as studies of the interactions between plants and animals, fungi or bacteria, providing they focus on the ecology of the plants. We aim to bring important work using any ecological approach (including molecular techniques) to a wide international audience and therefore only publish papers with strong and ecological messages that advance our understanding of ecological principles.