森林生态系统是地球陆地生态系统的核心组成部分，它承载了全球约80%的植物生物量，对维持地球生态平衡至关重要。植物生长的基础是养分的获取，根系作为植物与土壤相互作用的前沿器官，直接参与养分的竞争。根系竞争指的是不同植物个体通过根系的生长、分布及生理代谢等方式，争夺土壤中有限的养分资源。
虽然早期研究将光照竞争视为森林植物竞争的主要方式，然而近年来的研究显示，根系在土壤养分竞争中的作用同样至关重要，尤其在养分贫乏的环境中，根系竞争可能直接影响植物的进化路径。根系形态被认为是植物应对竞争压力的关键特征。为了应对竞争，植物通过调整根系的深度、密度和分支结构，扩展养分吸收的空间。
在种间竞争中，高大乔木通常通过发展深根系来获取深层土壤中的养分，而灌木和草本植物则主要依赖浅根系。这样的“分层竞争”模式有效地减少了不同植物之间的资源冲突，使得植物能够在自然环境中和谐共存。
此外，根系密度的局部增加也是植物对养分空间异质性作出反应的重要表现。当土壤中形成养分斑块时，植物往往会在斑块周围集中生长侧根，以提高养分的吸收效率。例如，豌豆在富氮斑块附近的侧根密度可提高3至5倍，拟南芥则通过根尖分生组织的活性调节，快速吸收磷元素。
根系与土壤微生物的相互作用也在竞争过程中发挥着重要作用。菌根真菌通过扩大根系的吸收表面积，帮助植物获取氮、磷等重要养分，同时也从植物中获取碳源。根系分泌物的改变可能会影响根际微生物群落结构，从而影响养分循环。竞争优势物种的根系分泌物能够选择性地促进某些有益菌群的生长，增强自身的养分获取能力，同时抑制竞争对手的微生物共生网络。
氮是植物生长必不可少的养分之一。在森林土壤中，氮大部分以有机态存在，需要经过微生物的分解转化为无机氮才能被植物吸收。在根系竞争中，铵态氮和硝态氮的竞争尤为显著。不同植物对氮源的偏好不同，针叶树往往偏爱吸收铵态氮（NH4 ），而阔叶树则倾向于吸收硝态氮（NO3-）。这种差异导致了同种植物之间竞争的加剧，而不同种植物之间的竞争相对缓和。某些植物甚至能够通过根系直接吸收小分子有机氮，绕过微生物分解过程，在氮素匮乏的酸性土壤中占据竞争优势。
磷在土壤中通常易被固定成难溶性磷酸盐，因此植物的根系竞争主要依赖两种途径来获取磷：一是通过根系与菌根的协作，二是通过根系分泌物酸化土壤。AM真菌能够分泌酸性磷酸酶，将土壤中的有机磷分解成可被植物吸收的无机磷，并通过菌丝网络将磷转运到植物根系。研究表明，在贫磷土壤中，菌根植物的磷吸收效率比非菌根植物高40-50%。此外，植物根系分泌的有机酸也能降低根际pH值，促进磷的释放，如禾本科植物通过分泌麦根酸溶解铁磷复合物，从而获取磷。
土壤养分的空间分布不均衡会显著影响植物的根系竞争策略。在养分富集区，植物通常倾向于增加局部根系的投资，而在贫瘠区则向纵深生长，寻求新的资源。在热带雨林的“细根岛”中，落叶分解形成的富营养斑块周围，植物细根密度可能是背景值的2到3倍。
水分和养分之间的相互作用同样影响根系竞争的强度。在干旱环境中，植物通常会优先投资深根系以获取水分，从而导致养分竞争向更深的土层转移。而在湿润环境中，浅根系之间的养分竞争更为激烈。在季节性干旱的森林中，雨季时浅根植物占据主导地位，旱季时则是深根乔木成为竞争的主力。
人类活动和自然干扰可能打破原本的根系竞争平衡。例如，在砍伐森林后，林下植物的根系会迅速扩展，占据表层土壤空间，而剩余树木的深根系仍然控制着深层的养分。同时，长期施肥会减弱植物根系之间的竞争力。
根系竞争是维持森林生物多样性的重要机制之一。在亚马逊雨林，不同树种通过根系的深度差异各自在不同的“舒适区”内吸取养分，形成了一种微妙的平衡。植物根系竞争通过形态、生理变化及微生物互作等多重机制，直接影响养分的获取效率和群落动态。这不仅是植物适应环境的生存策略，也是生态系统养分循环和生物多样性维持的关键过程。在全球气候变化加剧的背景下，深入探讨根系竞争的生态机制，对于优化森林管理和提升生态系统服务功能具有重要意义。
