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植物如何改變根系模式以競爭地下資源

2021/01/26 @國際

摘要

植物的根系決定碳的攝入、存活率和農業產量,並佔世界植被碳庫量約三分之一。世界上許多植物生物量以根的形式存在於地下看不見的地方,植物間地下競爭關係的研究因無法觀察地下的根而受到阻礙。普林斯頓大學研究團隊開發了一個理論模型並進行了實證測試,解釋控制根系生長的規則。植物會根據鄰近植物的緊密程度來調整其根的生長方式和生長位置。

示意圖

植物如何改變根系模式以競爭地下資源

  普林斯頓大學Ciro Cabal博士研究團隊發表論文並刊登在《科學》雜誌,研究團隊開發了一個理論模型並進行實驗測試。他們的研究結合了建模和溫室試驗,觀察植物地下根部生長模式,確認植物單獨種植和與其他植物一起種植時根部生長型態是否不同。
  Ciro Cabal博士表示:「我們對植物的地上部進行了廣泛的研究,包括它們可以儲存多少碳,但我們對植物地下根部如何存儲碳的了解卻很少,由於世界上約三分之一的植被碳庫(carbon pool)在地下,我們的模型為預測全球地球系統模型中的根系增殖提供了有價值的參考。」 
  植物有兩種不同功能的根:細根負責從土壤吸收水分和養分,粗根則將這些物質運輸回植物主體。植物對根的「投資」涉及根的總體積以及這些根在土壤中的分佈方式。植物可以將其所有的根直接集中在其芽的下方,也可以將其根水平展開以吸收附近土壤的養分和水分,這方式可能會造成相鄰植物的根進行競爭。
  該團隊的模型預測當植物發現與相鄰植物需共享土壤資源時,可能有兩種對應方式。第一種預測,相鄰的植物藉由根系減少重疊來合作,而導致植物產生的根比單獨種植時少。第二種預測,當植物感測到相鄰的植物時,植物會縮短其相鄰側的根系,但會在莖的正下方生長更多的根系。
  為了驗證模型的預測,研究員將溫室中的辣椒植物單獨或成對種植。實驗結束時,每個植物的根進行染色,不同個植物染不同色以便觀察。之後計算每個植物根系的總生物量(total biomass)以及根與芽的比率,以了解植物成對種植時是否改變了植物體儲存於地下部和地上部的能量和碳量,並計算種子產生的數量,以確認植物的適應性。
  研究發現植物成對相鄰種植時,植物會增加莖正下方的根系,試圖在有限的地下資源上相互競爭,但會減少其水平伸展根,以減少與相鄰植物根系重疊,符合模型的第二種預測。之前有人擔心植物相鄰種植會因為強化根系發展競爭地下資源而過度消耗土地的養分水分,而造成土地資源耗盡。從目前實驗結果可知,與單獨種植的植物相比,成對種植的植物其地上部結構(包括產生種子數量)和地下根系生物量沒有明顯差異,因此不會造成因競爭而耗盡土地資源的現象。
  植物從大氣中吸收二氧化碳並將其儲存在植物體中,三分之一的植物性碳儲存於根中。了解不同情況下的碳儲存變化可以幫助我們更準確地預測碳吸收,進而可能幫助設計緩解氣候變化的策略。此外,這項研究還可以幫助優化糧食生產,因為為了最大化農作物產量,了解如何最佳利用地下(和地面)資源是有極大幫助的。延伸閱讀】最新研究發現土壤孔隙結構與大小是影響土壤碳儲存的主要關鍵

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