本研究由Eric G. Lamb（萨斯喀彻温大学植物科学系）、Andrew C. Stewart（同机构）及James F. Cahill Jr.（阿尔伯塔大学生物科学系）合作完成，发表于2012年10月的《Plant Ecology》期刊（Volume 213, Issue 11）。论文标题《Root system size determines plant performance following short-term soil nutrient pulses》揭示了植物根系初始规模对短期养分脉冲响应的调控机制。
该研究聚焦于土壤养分时空异质性（spatiotemporal heterogeneity）这一生态学核心议题。尽管植物对空间养分异质性的响应已有广泛研究（如根增殖反应 root proliferation response），但时间维度上短期养分脉冲（nutrient pulses）的影响机制尚不明确。自然系统中，降水诱发氮矿化（nitrogen mineralization）或动物排泄物均可形成此类脉冲。研究提出三个关键科学问题：(1) 脉冲持续时间对生物量分配的影响；(2) 脉冲前根系规模是否决定植物获益程度；(3) 竞争如何调节植物对脉冲的响应。其理论价值在于揭示地下生态过程驱动植物群落大小分化的机制。
实验采用三因素析因设计（3×2×2），以草地早熟禾（Poa pratensis）为模式植物，具体流程如下：
1. 预培养阶段（26天） - 处理设置：仅施加竞争处理（有/无竞争者），通过自然变异形成初始根系差异。竞争者采用同种3株环绕目标植株的设计，避免种间竞争干扰。 - 基础营养：每两天施用5 mL 0.019 Hoagland溶液，建立低养分本底。
2. 脉冲处理阶段（15天） - 营养梯度：设置高（32 g N/m²）、低（3.2 g N/m²）两个氮水平，通过调节Hoagland溶液浓度实现。 - 脉冲时长：3天脉冲（93.8%总氮集中供应）、10天脉冲（95.2%集中供应）及连续供应对照（每日均衡）。 - 竞争交互：维持原有竞争处理，形成12种组合（表1）。脉冲期前后通过强淋洗防止养分残留。
3. 数据采集与分析 - 校准样本：45株额外植株用于建立根系生物量预测模型，以株高和叶片数为协变量（R²=0.428）。 - 主实验测量：收获后测定根/茎生物量、全株氮含量及根冠比（root-shoot ratio）。氮分析采用硫酸-过氧化氢湿消化法，限于成本仅分析5个区组。 - 统计模型：使用R语言lme4包构建混合效应模型，包含三类分析：(1) 处理主效应及交互作用；(2) 初始根系生物量与脉冲处理的交互；(3) 脉冲强度指数（单位时间供氮量/初始根系生物量）的影响。
1. 脉冲模式效应 - 连续供氮处理的生物量显著高于脉冲处理（茎生物量p=0.007，根生物量p=0.002）。3天脉冲的根生物量（p=0.045）和全株氮含量（p=0.028）高于10天脉冲，但茎生物量无差异。 - 组织氮百分比（%N）显示营养水平与脉冲交互作用（p=0.016）：高氮下3天脉冲%N最低，低氮下反而最高。
2. 根系规模的关键作用 - 初始根系生物量对最终生物量具有决定性影响（低氮条件下茎生物量p<0.001，R²=0.428），但未发现与脉冲时长的显著交互。 - 脉冲强度指数分析表明：单位根系获氮量增加时，植物利用效率显著下降（图3）。高氮环境下该效应更显著（茎生物量下降斜率p<0.001）。
3. 竞争处理的意外结果 - 竞争对初始和最终生物量均无显著影响（p>0.8），可能与实验周期较短或同质竞争者设计有关。
本研究首次证实：预存根系规模是植物捕获短期养分脉冲的关键限制因子。大根系植物通过”先占优势”（pre-emption advantage）获取更多脉冲资源，可能通过根-冠互作（root-shoot interaction）放大群落内个体大小差异。其科学价值体现在： 1. 机制创新：揭示了时间异质性资源分配的地下驱动机制，弥补了空间异质性研究的不足。 2. 方法学贡献：开发的脉冲强度指数为量化植物-养分动态关系提供新工具。 3. 应用启示：对草地管理（如放牧导致的尿液脉冲）和退化生态系统的营养调控具有指导意义。
作者指出自然系统中脉冲的可预测性（如动物排泄位点重复利用）可能塑造植物的”预见性”根系投资策略。该观点将时空异质性研究有机结合，为后续工作指明方向。研究局限性包括实验周期较短（62天）及竞争处理效应不显著等问题，建议未来研究纳入更多物种及更长观测时段。