根-孔隙互作：驱动根际结构与根鞘形成的被低估的关键机制

本研究通过X射线显微计算机断层扫描（X-ray μCT）技术，首次量化了根际孔隙结构的两种形成机制——根系诱导改变与根系生长偏好，揭示了其在根鞘形成中的交互作用。文章强调自然土壤中根系生长偏好主导孔隙梯度，挑战了传统根鞘代表整个根际的假设，为理解植物-土壤互作提供了新框架。

　　

1 引言

根际作为植物根系直接接触的狭窄土壤区域，是土壤中物理、化学和生物性质变化最剧烈的动态区域之一。其结构特征（即土壤固体和孔隙的排列方式）被认为是根系诱导变化中最显著且影响最深远的方面。根际作为水分和养分释放或吸收的必经通道，其孔隙结构的变化直接影响水分流动、养分循环和碳储存过程。

然而，当前关于根际孔隙结构的研究存在明显矛盾：部分采用X射线计算机断层扫描（X-ray μCT）技术的研究报告显示根际大孔隙度降低，而另一些研究则指出孔隙度增加。这种不一致揭示了我们对潜在形成机制的认识仍存在重大空白，严重限制了植物-土壤相互作用的建模与预测进展。

本研究提出，根际孔隙梯度的矛盾结果可能源于两种不同机制的共同作用：一是根系直接诱导的土壤结构变化（如根系生长过程中对土壤的压缩）；二是根系生长偏好性（即根系倾向于向低穿透阻力的区域如大孔隙中生长）。在天然土壤中，根系生长偏好可能发挥更关键的作用，而以往在过筛土壤中进行的研究可能高估了根系直接诱导改变的影响。

与此同时，根鞘（根表附着土壤）作为根际土壤结构的固体组分表现形式，其形成受到根黏液、根毛和干湿循环等多种因素影响。尽管根鞘被认为在养分获取和水分保持中起关键作用，但其与真实根际结构之间的关系仍不明确。

2 方法

2.1 实验设计与¹⁴C标记

本研究基于Lucas, Santiago等人（2023）已发表的实验数据，采用分裂盆设计，使用来源于美国威斯康星州边际土地试验（MLE）站点的柳枝稷（Panicum virgatum）和草原群落土壤的侵入式生长芯（直径5 cm）。土壤处理分为保持原状结构和过筛后重新填充两种类型，确保除孔隙结构外其他条件一致。植物材料选用柳枝稷（Panicum virgatum L.）和黑眼苏珊（Rudbeckia hirta L.），在控制环境中生长48天。

通过LI-COR 6800便携式光合作用系统进行¹⁴C-CO₂标记，确保标记碳在整株植物中的均匀分布。所有生长芯在植物生长前后分别进行X-ray μCT扫描，分辨率达到0.0182 mm，足以分辨根系和孔隙结构。

2.2 根鞘与根际沉积物分析

收获时，仔细提取根系并收集根表附着土壤（即根鞘）。根鞘土壤经60°C烘干后称重，随后使用氧化燃烧仪结合液体闪烁计数法测定其¹⁴C活性，以量化植物源碳的输入。

2.3 图像分析

基于灰度值的局部厚度方法计算孔隙大小分布（PSD）。通过比较植物生长前后的图像，区分新生长根系与原有根系，并计算根系在不同土壤结构（基质、大孔隙和生物孔隙）中的生长比例。

采用欧几里得距离变换（EDT）计算根际大孔隙度梯度，重点关注0.04-0.15 mm的窄孔隙。通过比较根生长前后的孔隙度梯度，区分根系诱导变化和根系生长偏好效应的贡献。

2.4 统计学分析

采用线性混合效应模型分析植物种类、土壤结构、土壤来源和距离根系远近对孔隙度变化的影响。使用R语言的nlme和lme4包进行模型拟合，通过emmeans包进行事后检验和简单效应分析。

3 结果

3.1 根际大孔隙度梯度

研究发现，在根系生长前，根系后来占据位置的孔隙度梯度已经存在，且这些位置的大孔隙度普遍高于土壤平均水平。根系生长进一步改变了这些梯度，特别是在距离根表<0.2 mm范围内，所有土壤类型和结构中均观察到显著的大孔隙度增加。

根系生长偏好效应始终提高了根际附近的大孔隙度，且该效应随距离增加而逐渐减弱。在大多数距离上，这种效应超过了根系直接诱导的变化。然而，在0.2 mm范围内，两种过程均显著增加孔隙度（5%-30%）。过筛土壤中，R. hirta在距离>0.2 mm处甚至出现孔隙度降低。

3.2 窄孔隙的变化

窄孔隙（0.04-0.15 mm直径）的体积普遍较低，在原状土壤中尤为如此。根系生长偏好对这些孔隙的影响较小（<3%），而根系诱导变化则导致类似所有大孔隙的变化模式——根表附近窄孔隙急剧增加。

在过筛土壤中，这些窄孔隙主要被植物根系压缩，特别是在R. hirta的根系周围，尽管其根系直径小于原状土壤中的根系。

3.3 根系诱导变化对总大孔隙度的影响

原状土壤中总大孔隙度变化微小，与未种植对照无显著差异。而过筛土壤中，根系生长导致总大孔隙度下降，且根际局部孔隙度的减少与总孔隙度的变化呈显著正相关（R2=0.81, p<0.001）。

3.4 根鞘形成及其与根际特性的关系

根鞘干重表现出高度变异性，与植物源碳（¹⁴C活性）呈显著正相关。出乎意料的是，根鞘质量与X-ray CT衍生的根际密度无相关性（P. virgatum）甚至呈负相关（R. hirta）。

根鞘质量与根系向大孔隙中生长的比例呈正相关，而与向基质或生物孔隙中生长的比例无显著关联。这表明根鞘主要形成于生长在大孔隙中的根系周围，可能与这些区域更发达的根毛有关。

4 讨论

4.1 根系诱导变化与根系生长偏好驱动的孔隙梯度

本研究首次通过重复X-ray μCT成像量化了自然原状土壤中根际孔隙梯度的两种形成机制。结果部分支持了我们的第一个假设，即根系诱导变化对根际孔隙梯度形成的贡献小于根系生长偏好效应，但两种机制的相对重要性取决于根际中的位置和根系向土壤基质中生长的程度。

在根-土界面<0.2 mm范围内，根系直接影响与根系生长偏好效应贡献相当（过筛土壤）或较小（原状土壤）。在>0.4 mm距离处，根系诱导变化通常较小，而根系生长偏好效应尤其是在原状土壤中仍显著影响根际局部孔隙度。

根系诱导变化是土壤收缩膨胀、根际沉积物、根毛生长和根系收缩共同作用的结果。当更多根系向土壤基质中生长时，根系诱导变化在根表附近最为明显，主要表现为特定尺寸孔隙（窄孔隙）的形成。这表明几何因素强烈影响向基质中生长的根系在根-土界面处的诱导变化。

4.2 总大孔隙度的变化

正如预期，原状土壤中总大孔隙度变化极小，与未种植对照无差异。这与先前研究一致，表明当存在发达的大孔隙系统时，植物倾向于 reuse 和重组现有孔隙空间而不影响孔隙结构。

过筛土壤中总大孔隙度的降低部分源于根际局部孔隙度的减少，但也部分源于无植物对照中孔隙结构的自然沉降。这表明过筛土壤中观察到的根系诱导变化可能被高估。

4.3 根鞘发育

我们的第二个假设仅得到部分支持。虽然根鞘质量与植物源碳输入呈强正相关，但与预期相反，根鞘质量在根系向大孔隙中生长比例较高时反而增加。这些结果可能反映了植物释放的有机化合物和根毛将土壤粘合在一起的作用。

与这些发现一致，我们的第三个假设未得到支持，因为未发现根鞘质量与X-ray CT衍生的根际密度之间存在关联（P. virgatum）甚至部分负相关（R. hirta）。这种关联的缺乏可能主要是因为根鞘形成与向大孔隙中生长的根系相关，而最致密的根际发现于向基质中生长的根系。

总之，与常见假设相反，我们的数据不支持根鞘质量可作为根际结构或土壤接触程度的一般代表指标。根鞘主要形成于向大孔隙中生长的根系周围，这些根系可能具有更发达的根毛以改善土壤接触。相比之下，向基质中生长的根系保持高度的根-土接触，可能不依赖根毛，在这种情况下根际土壤与根表的附着较差，在根鞘取样过程中容易脱落。

4.4 对未来根际和根鞘研究的启示

本研究证明，根系与固有孔隙结构的相互作用对根际特性的形成至关重要，在天然土壤中，根系生长模式（而非直接诱导变化）是局部孔隙梯度的主要驱动因素。与实验中常用的过筛土壤均质结构不同，天然田间土壤通常包含复杂的天然大孔隙网络。因此，在过筛土壤中报告的根系诱导变化可能被高估，突显了在原状土壤系统中进行研究以更好捕捉自然条件下根际形成复杂性的必要性。

由于根际取样和量化的挑战，研究人员常使用根鞘土壤作为根际代表，并将其特性与 bulk 土壤进行比较。这种方法假设根附着土壤能代表整个根际，但我们的发现对这一假设的有效性提出了挑战。未来研究应整合根际结构分析与根鞘测量，以找到全面评估整个根际物理、化学和生物特性的最优策略。