采用穩(wěn)定碳同位素法分析白羊草在不同干旱脅迫下的水分利用效率

劉 瑩,李 鵬,沈 冰,馮朝紅,劉 琦,張 祎

西安理工大學(xué), 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048

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采用穩(wěn)定碳同位素法分析白羊草在不同干旱脅迫下的水分利用效率

劉 瑩,李 鵬*,沈 冰,馮朝紅,劉 琦,張 祎

西安理工大學(xué), 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048

本研究以黃土高原鄉(xiāng)土草種白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng.)為研究對象,采用盆栽控制實驗,比較白羊草在3個水分處理(CK80%FC、MS60%FC和SS 40%FC)下的生物量積累和分配模式、瞬時水分利用效率(WUE)、不同部位(新葉、老葉、莖、細(xì)根、粗根)的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)和碳同位素分辨率(Δ13C)及其相互關(guān)系,以及干旱脅迫下影響水分利用效率的主導(dǎo)環(huán)境因子。結(jié)果表明：1)重度干旱脅迫顯著降低植物整體生物量,顯著增加根冠比和細(xì)根生物量比例；2)隨著干旱脅迫加劇,白羊草各器官的δ13C均呈上升趨勢,Δ13C呈減小趨勢,SS處理不同器官δ13C和Δ13C沒有顯著差異,CK和MS處理的各器官δ13C均值表現(xiàn)分別為細(xì)根>粗根>老葉>新葉>莖、細(xì)根>新葉>老葉>粗根>莖,CK和MS處理Δ13C的值總體呈根<葉<莖。3)新葉的δ13CNL和Δ13CNL與WUE的相關(guān)系數(shù)均最大,說明利用穩(wěn)定碳同位素方法測定白羊草水分利用效率具有可行性。4)不同水分處理的WUE的主導(dǎo)影響因子不同,CK、MS、SS水分處理WUE分別受到葉面溫度、大氣水汽壓虧缺和空氣溫度的影響最大。為采用穩(wěn)定碳同位素方法指示白羊草水分利用效率可行性及闡明植物的脅迫響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

白羊草；穩(wěn)定碳同位素；生物量；水分利用效率；干旱脅迫

黃土丘陵半干旱區(qū)由于降雨量少且年、季度分配不均勻?qū)е庐?dāng)?shù)馗珊殿l繁發(fā)生,影響植物的生長[1- 2]并制約當(dāng)?shù)氐耐烁€草工程的建設(shè)。植物水分利用效率(WUE)是植物生理活動過程中光合碳同化率與蒸騰速率的比值,反映植物的耗水性和對干旱的適應(yīng)性[3- 4]。高水分利用效率高是植物對干旱的響應(yīng)[5],也是植物適應(yīng)水分虧缺環(huán)境的一種反映表現(xiàn)[6]。該指標(biāo)的測定主要方法是用氣體交換法和穩(wěn)定碳同位素方法[7]。在對青藏高原草本及灌木樹種[8- 10]、荒漠植物[11-12]、東北草原區(qū)植物[13]以及熱帶亞熱帶植物[14- 15]的相關(guān)研究表明：植物組織穩(wěn)定碳同位素分辨率Δ13C和穩(wěn)定碳同位素比率δ13C與C3植物的瞬時WUE或者長期WUE有很強的相關(guān)性[16- 17],可以指示C3植物對干旱的適應(yīng)情況。但是穩(wěn)定碳同位素特征是否也與黃土丘陵半干旱區(qū)C4草本植物的WUE具有強相關(guān)性,能否做為指示植物長期WUE的測定指標(biāo)的研究尚未見報道,該方法能否解釋C4植物對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制也還未可知。

白羊草(Bothriochloaischaemum),C4植物,具有再生能力強、耐踩踏、耐旱、根系發(fā)達(dá)、具有較高的生產(chǎn)力等特點,是黃土丘陵半干旱區(qū)天然優(yōu)質(zhì)牧草[18- 19],是該地區(qū)退耕還草工程人工草地建設(shè)的主要草種,也是黃土高原退化草地恢復(fù)和C存儲的重要植物之一[20]。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)白羊草在不同土壤養(yǎng)分和水分[21- 22]、CO2濃度[23]以及和其他植物混交播種[24]條件下,白羊草在土壤水分含量較低時,雖然凈光合速率較小但蒸騰速率也減小,白羊草水分利用效率不變[21]或者反而提高[25]。同時這也說明白羊草水分利用效率在指示植物干旱程度時,也受到養(yǎng)分、水分、CO2濃度等環(huán)境因子的影響,且每個因子所占的比重和敏感性也是有區(qū)別的。黃土丘陵半干旱區(qū)環(huán)境條件復(fù)雜多變,常見研究主要探討了單個環(huán)境因子與白羊草水分利用效率之間的關(guān)系[23-25],但究竟哪個環(huán)境因子是主導(dǎo)因子還不明確。闡明在不同土壤水分條件下影響白羊草水分利用效率的主導(dǎo)因子,為今后調(diào)控主導(dǎo)環(huán)境因子進(jìn)而提高白羊草水分利用效率的研究工作提供參考依據(jù)。

本文通過盆栽實驗,研究了白羊草在不同土壤水分條件下的光合生理特性,分析干旱脅迫下生物量積累和分配的模式,瞬時水分利用效率與δ13C及Δ13C 值之間的關(guān)系,以及干旱脅迫下影響水分利用效率的環(huán)境因子,以闡明白羊草對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制,為黃土高原丘陵區(qū)白羊草人工草地的建設(shè)與管理提供理論支撐。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)計

實驗于2014年6月在西安理工大學(xué)進(jìn)行,采用自制長方體有機(jī)透明玻璃容器(尺寸19×4×27cm)控制實驗。實驗用土壤采于陜北綏德王茂溝以白羊草為優(yōu)勢種的草地,去除表層腐殖質(zhì)和枯落物,取0—30cm土壤均勻混合裝袋,自然風(fēng)干后過2mm篩,同時測定其容重。玻璃容器每盆裝土2.5Kg容重與陜北采土樣地容重相同,為1.2g/cm3。實驗用土全氮0.69g/Kg,土壤田間持水量22%。

實驗用白羊草種子與2013年10月采于陜北安塞天然草地,采收后裝在紙袋內(nèi)自然狀態(tài)下實驗室儲藏。種子于2014年5月1日播種,每個容器撒播5穴,出苗后每穴保留生長最旺盛的一株幼苗,未出苗的種穴進(jìn)行補植。定苗后于2014年7月1日開始控水實驗處理,設(shè)3個土壤水分梯度,供水充分(80%飽和田間持水量,即80%FC,CK),輕度脅迫(60%飽和田間持水量,60%FC,MS),重度脅迫(40%飽和田間持水量,40%FC,SS)；每個水分梯度10盆重復(fù)。

盆栽土壤含水量控制采用稱重法,每天傍晚18:00稱重控制澆水,直至2014年11月11日實驗結(jié)束。每盆白羊草生物量在控水處理前計入本底值重量,由于幼苗的初始生物量0.867g與實驗結(jié)束時每盆白羊草濕生物量最大值5.812g差值僅占整體盆栽控水總重量3880g的0.1%,且控水時間較短,因此忽略白羊草生長重量增加對水分處理控制的影響。

1.2 實驗方法與測定

1.2.1 白羊草光合特性和瞬時WUE的測定

實驗于2014年8月3、10、13日晴朗無云的天氣條件下于9：00—11：00進(jìn)行(此時白羊草生長期為開花前期),采用Li- 6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)(Li-Cor,USA)的2×3cm透明葉室,測定自然條件下(自然光源,未控制CO2濃度和濕度)白羊草光合特性指標(biāo)及環(huán)境因子參數(shù)：葉片凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr,、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Ci、光合有效輻射PAR、大氣溫度Ta、大氣CO2濃度Ca、相對濕度RH、葉片大氣水汽壓虧缺VPD。測定選用充分展開的葉片,每個點穩(wěn)定2分鐘后讀數(shù)。根據(jù)上述測定參數(shù)計算葉片水分利用效率WUE=Pn/Tr。

1.2.2 白羊草生物量的測定及各器官生物量比的計算

2014年11月11日,將白羊草地上部分刈割,分新葉、老葉、莖編號保存。盆栽中的土壤連同根系倒在塑料布中,立即將根系從土壤中挑出,同時區(qū)分主根(粗根)和枝毛根(細(xì)根),放入2—3℃的去離子水槽中沖洗干凈,隨后根系及地上樣品沖洗干凈后放入105℃殺青30min,之后在65℃下烘至恒重后用天平稱重(精確到0.001g)。

對上述各器官生物量比進(jìn)行了計算：式中MNL,MOL,MS,MFR,MCR分別表示白羊草新葉、老葉、莖、細(xì)根、粗根的干物質(zhì)的量(g)。

新葉老葉比=MNL:MOL,

細(xì)根粗根比= MFR:MCR

根冠比=(MFR+MCR):(MNL+MOL+MS)

根葉比=(MFR+MCR):(MNL+MOL)

根莖比=(MFR+MCR):MS

葉莖比=(MNL+MOL):MS

1.2.3 穩(wěn)定碳同位素值測定及碳同位素分辨率計算

白羊草各部分器官的干物質(zhì)用研體研磨后過80目篩備用,土壤樣品過0.149mm篩后備用。取0.1g土壤樣品或者0.005—0.006g植物樣品在MultiN/C3100德國耶拿總有機(jī)碳分/總氮析儀(Analytik Jena AG,Germany)固體燃燒室中1050℃高溫充分燃燒后生成CO2(同時記錄樣品TOC值g/Kg),然后用CCIA- 36d-EP二氧化碳同位素質(zhì)譜儀(Los Gatos Research,USA),檢測樣品的δ13C值。植物和土壤的δ13C值的測定以PDB(Pee Dee Belemnite)為標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)定碳同位素比值據(jù)下式計算[26]：

式中,(13C/12C)PDB為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PDB的13C/12C,δ13C表示樣品13C/12C與標(biāo)準(zhǔn)樣品偏離的千分率；

同位素分辨率Δ13C的計算方法如下式：

式中,δ13Ca表示大氣CO2的碳同位素比率,假設(shè)為-8‰[16,27]；δ13Cp表示植物或者土壤樣品中CO2的碳同位素比率。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2013和Sigma plot10.0繪圖,SPSS21.0統(tǒng)計分析軟件處理。對瞬時WUE與δ13C和Δ13C的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析,瞬時WUE與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析、通徑分析,并用LSD法分析各指標(biāo)的顯著性,顯著性水平α=0.05。對生物量及各器官比值進(jìn)行顯著性檢驗、并用單因素方差分析(one-way ANONA)和Duncan法對比上述指標(biāo)和比值的差異顯著性水平(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對白羊草光合特性及瞬時WUE的影響

由表1可知,除胞間CO2濃度Ci外,其余光合特性參數(shù)均隨著土壤水分的減小而減小,其中凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs在充分供水條件下的顯著高于兩種水分脅迫條件。輕度干旱脅迫的水分利用效率WUE顯著高于重度脅迫情況,但與充分供水處理無顯著性差異。對比CK及MS處理的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度可以發(fā)現(xiàn),雖然MS處理的Pn和Tr均顯著低于CK,但由于其氣孔導(dǎo)度Gs僅為0.037 mmol m-2s-1,說明植物此時氣孔關(guān)閉,雖然光合速率受到氣孔影響而下降,但氣孔關(guān)閉也降低了蒸騰速率,最終MS的水分利用效率顯著高于CK處理。但當(dāng)重度干旱脅迫時,白羊草光合速率下降,表明水分利用效率較低。胞間CO2濃度Ci隨著干旱脅迫的加劇呈上升趨勢,但在3個水分處理之間并無顯著性差異,這與前人對大豆[28]等C3植物光合速率的研究成果相反,但與徐偉洲對C4植物白羊草光合生理特征對干旱的響應(yīng)及張文麗對C4植物玉米幼苗光合特征對干旱的響應(yīng)研究結(jié)果相同[21,29]。這可能與C3和C4植物的光合途徑差異有關(guān),具體原因還有待后續(xù)的研究證明。

表1 不同水分條件下白羊草氣體交換參數(shù)的變化(日均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=9)

CK：80%FC；MS：60%FC；SS：40%FC;小寫字母表示不同水分處理間差異顯著(P<0.5)

2.2 干旱脅迫對白羊草各器官干物質(zhì)的量及其比值的影響

由圖1可知,白羊草總生物量隨土壤水分的降低顯著減少,對于地上部分的影響顯著大于對其地下部分的影響。對于地上部分,干旱脅迫對新葉生物量無顯著影響,卻顯著降低白羊草老葉的生物量,莖生物量在重度水分脅迫為0.049g,顯著低于水分充足條件0.071g。對于地下部分,雖然根系總體生物量在3個水分處理下差異不顯著,但是進(jìn)一步區(qū)分主根(粗根)和須根(細(xì)根)對土壤水分的響應(yīng),其表現(xiàn)完全不同。粗根生物量在水分充足時重量為0.024g,大于細(xì)根生物量0.014g,隨著土壤水分逐步減少,粗根生物量減小,細(xì)根生物量增大。重度水分脅迫時,粗根生物量僅為0.009g,細(xì)根生物量為0.049g,是粗根生物量的5.444倍。

圖1 不同水分處理下白羊草各器官生物量及其比值Fig.1 The biomass and ratio of different parts under different water stresses

對比圖1中SS處理的根葉比是0.386,顯著大于其他兩個處理,而SS處理的細(xì)根粗根比為6.123,分別是MS和CK處理的5.649倍和8.056倍；但該處理的葉莖比卻顯著減小,最終導(dǎo)致SS處理的根冠比顯著大其他兩個處理,即SS處理的根冠比的顯著增大受到于細(xì)根顯著增加和葉片顯著減少的共同作用。

2.3 干旱脅迫對白羊草各器官穩(wěn)定碳同位素特征的影響

表2從干旱脅迫和白羊草各個器官兩個角度闡述了穩(wěn)定碳同位素比值和同位素分辨率的變化。白羊草各器官δ13C在-13.942—-11.213‰之間,總體均值為-12.753‰。隨著干旱脅迫加劇,白羊草各器官的δ13C均呈上升趨勢,兩個干旱脅迫MS和SS處理的新葉δ13C顯著大于充分供水處理,SS處理莖的δ13C顯著大于其他兩個處理(P<0.05)。從不同器官的δ13C值來看,當(dāng)重度干旱脅迫時各器官δ13C 沒有顯著差異,輕度干旱脅迫MS各器官δ13C均值表現(xiàn)為δ13CFR>δ13CNL>δ13COL>δ13CCR>δ13CS,充分供水CK處理各器官δ13C均值表現(xiàn)為δ13CFR>δ13CCR>δ13COL>δ13CNL>δ13CS,且δ13CFR、δ13CNL、δ13CS之間具有顯著性差異。

白羊草碳同位素分辨率Δ13C的值在3.032—4.946‰之間,不同水分處理的Δ13C的值隨著干旱脅迫的增加而減小,但只有CK處理新葉的Δ13C值差異達(dá)到顯著水平,其余處理的葉、莖、根的差異不明顯。對比各處理器官的Δ13C的值發(fā)現(xiàn),Δ13C的值總體呈Δ13CR<Δ13CL<Δ13CS,SS處理各器官的Δ13C的值差異不明顯,CK和MS處理根系的Δ13C與葉片和莖均存在顯著性差異,葉片和莖的Δ13C之間差異不顯著。

表2 不同水分條件下白羊草各器官碳同位素值和分辨率(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=6)

δ13CNL、δ13COL、δ13CS、δ13CFR、δ13CCR(Δ13CNL、Δ13COL、Δ13CS、Δ13CFR、Δ13CCR)分別表示新葉、老葉、莖、細(xì)根、粗根的碳同位素值(分辨率).小寫字母表示不同水分處理間差異顯著,大寫字母表示不同器官之間差異顯著(P<0.5)

2.4 白羊草各器官穩(wěn)定碳同位素組成與WUE的相關(guān)關(guān)系

白羊草不同器官(新葉、老葉、莖、細(xì)根、粗根)的穩(wěn)定碳同位素值、分辨率、瞬時水分利用效率WUE的相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)：δ13CNL、δ13COL、δ13CS、δ13CFR、δ13CCR與Δ13CNL、Δ13COL、Δ13CS、Δ13CFR、Δ13CCR分別呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)均超過0.989)。δ13CNL、δ13COL、δ13CS與WUE呈顯著正相關(guān),Δ13CNL、Δ13COL、Δ13CS、Δ13CFR與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),其中新葉的δ13CNL與WUE的相關(guān)系數(shù)最大為0.614,其次是δ13COL為0.460,新葉的Δ13CNL與WUE的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大為-0.531。

表3 白羊草各器官碳同位素值及碳同位素分辨率與WUE的相關(guān)分析

2.5 不同土壤水分條件下影響白羊草水分利用效率WUE的影響因子機(jī)理分析

植物葉片水分利用效率WUE主要表征植物生存生長過程對環(huán)境的適應(yīng)的重要因素,是光合碳同化率(凈光合速率Pn)與蒸騰速率(Tr)的比值,而這2個因子又受到其他環(huán)境因子(光合有效輻射PAR、大氣CO2濃度Ca,葉片溫度Tl,空氣濕度RH等,空氣水分濃度Ha)的影響。在干旱脅迫環(huán)境下,植物可通過以下兩種機(jī)制提高水分利用效率：1)減低氣孔導(dǎo)度,使蒸騰速率減低高于光合速率的降低；2)提高光合速率,使光合速率的增加高于水分消耗的增加。本研究發(fā)現(xiàn)3種水分處理各個因子對WUE影響的通徑分析(表4)表明,各因子對WUE的影響效應(yīng)均不相同,CK處理影響效應(yīng)為Tl>Ta>Ca>Ha>RH>PAR>D,MS為D>RH>PAR>Ha>Ca>Ta>Tl,SS為Ta>D>Ca>PAR>Ha>RH>Tl。CK處理的水分利用效率受到Tl的影響均最大,為5.064,主要來自于Tl的直接影響和D對其間接影響；MS受到D影響最大(8.771),分別來自自身直接影響和Tl間接影響；而SS處理主要來源Ta的直接影響。對比各個環(huán)境因子對WUE的通徑分析發(fā)現(xiàn)CK和MS處理下,Gs、Tr與WUE極顯著正相關(guān)；但在SS處理下卻完全相反,同時凈光合速率也顯著降低。這說明當(dāng)水分脅迫時,白羊草自身的水分已經(jīng)不能維持其自身生長,使氣孔關(guān)閉,光合速率下降,導(dǎo)致水分利用效率降低。當(dāng)水分能滿足植物自身生長需要時,氣孔打開,凈光合速率增大,雖然此時蒸騰速率也增大,但顯然凈光合速率增大的幅度顯著大于蒸騰速率,水分利用效率提高。Lee K H 等[30]認(rèn)為干旱脅迫時植物通過改變合成ABA的關(guān)鍵酶,9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜雙氧合酶(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase,NCED)調(diào)控干旱脅迫[31]。田偉麗等[32]對馬鈴薯的水分利用效率的研究表明,在嚴(yán)重水分脅迫下(土壤相對含水量25%),植物激素脫落酸(ABA)含量增加33%。這可能也是導(dǎo)致白羊草表現(xiàn)出CK和MS條件下,水分利用效率高,SS水分利用效率低的主要原因。

表4 葉片水分利用效率與各影響因子的通徑系數(shù)

氣孔導(dǎo)度Gs,胞間CO2濃度Ci,蒸騰速率Tr,大氣水汽壓虧缺D,葉片溫度Tl,空氣CO2濃度Ca,空氣水分含量Ha,空氣相對濕度RH,光合有效輻射PAR；*表示葉片凈光合速率與對應(yīng)影響因子相關(guān)性顯著,**表示葉片凈光合速率與對應(yīng)影響因子相關(guān)性極顯著.Gs: stomatal conductance,Ci: intercellular CO2concentration,Tr: transpiration rate,D: Atmospheric water vapor pressure deficit,Tl: leaf temperature,Ca: atmospheric carbon dioxide concentration,Ha: atmospheric humidity, RH:relative humidity, PAR—photosynthetic active radiation;CK: Control, MS: mide stress, SS: serious stress

3 討論

3.1 白羊草碳同位素組成及其與WUE關(guān)系

白羊草的WUE表示為葉片進(jìn)行光合作用過程中,光合速率與蒸騰速率的比值。隨著干旱脅迫加劇,為了充分利用水分,植物常常關(guān)閉氣孔,減小氣孔導(dǎo)度,降低蒸騰速率,導(dǎo)致胞間CO2濃度降低,此時植物能選擇吸收的CO2減少,最終導(dǎo)致δ13C值增大,Δ13C值減小[33-34]。腰政懋等[35]研究發(fā)現(xiàn),遼東櫟碳同位素值δ13C隨干旱脅迫的增加而增加；張輝[36]等對甘薯的研究得到其碳同位素分辨率Δ13C值隨土壤含水量的降低；陳平等[37]研究表明,干旱條件下隨著水分虧缺的加劇,菘藍(lán)和決明子的δ13C顯著增大、兩種植物的Δ13C顯著減小。白羊草是C4植物,光合作用工程中的Δ13C和WUE的關(guān)系為:

式中,Δ13C為白羊草各個器官的碳同位素分辨率,a是CO2擴(kuò)散過程中引起的碳同位素判別值,b1是氣態(tài)CO2通過PEP羧化酶固定產(chǎn)生的判別值,b2為RuBP羧化酶對13C的判別值,ψ表示從維管束鞘中泄露到葉肉細(xì)胞中的CO2比例,Ca為大氣中的CO2濃度,Ci為白羊草葉片的胞間CO2濃度,ν是蒸汽壓虧缺,ν=μ(1-RH),μ為大氣飽和蒸汽壓,RH空氣相對濕度,1.6是氣孔對大氣和CO2傳導(dǎo)率的轉(zhuǎn)換系數(shù)。理論上WUE與Δ13C呈負(fù)相關(guān),本文研究發(fā)現(xiàn)白羊草WUE與葉片Δ13C的相關(guān)系數(shù)為-0.531,呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),同時WUE與葉片的δ13C也呈極顯著正相關(guān),這與其他研究說明采用葉片Δ13C研究它與WUE關(guān)系更為適宜[38]的結(jié)果一致,并且在其他C4植物的研究上也得到了證實[33]。因此可以通過測定C4植物葉片的δ13C或者Δ13C值來判斷干旱條件下白羊草水分利用情況同樣可行。此方法在黃土高原有限的水分條件下,對選育該區(qū)高水分利用效率的植物提供快速簡便的方法。

3.2 白羊草生物量分配對干旱脅迫的響應(yīng)

植物的葉片和根是植株的“源”器官和“庫”器官,源器官通過光合作用獲得光合同化物(碳水化合物)通過莖向庫器官運輸,使得植株整體協(xié)調(diào)生長。這種“源庫”關(guān)系由于物種、CO2濃度、干旱脅迫強度、干旱脅迫時間等因素的變化而變化[39-40]。一些學(xué)者認(rèn)為[25,41]：干旱脅迫使植物根系生長追逐水源,根冠競爭碳水化合物,同化產(chǎn)物多分配向根系,促進(jìn)根冠比增大。本文結(jié)果證實了這一論斷,重度水分脅迫下的根冠比顯著大于其他水分處理,且根葉比是其他處理2—2.2倍,與Fernández RJ[39]對C4草本植物和韋莉莉[42]對杉木的研究結(jié)果具有相同趨勢,這說明干旱脅迫加強光合產(chǎn)物從源器官向庫器官的轉(zhuǎn)運,增加庫器官的光合產(chǎn)物比例。本文進(jìn)一步分析細(xì)根和粗根比,發(fā)現(xiàn)重度干旱脅迫時,從葉片“源”流入根系“匯”的碳并未在根系中均勻分配,而是主要用于細(xì)根的生長,這主要是因為細(xì)根對養(yǎng)分和水分的有效性的敏感程度大于粗根,細(xì)根的主要生理功能是吸收養(yǎng)分和水分, 粗根主要起運輸和支持作用[43],這種“匯”碳分配的不均性,遵循植物個體最優(yōu)化分配原則[44],最終導(dǎo)致細(xì)根生物量增加而粗根生物量減少的結(jié)果。

3.3 白羊草各器官碳同位素組成的差異

許多研究學(xué)者通過對C4植物玉米[38]、C3植物甘薯[36]、旱稻[45]等不同器官的碳同位素分餾分析發(fā)現(xiàn),C3植物各器官的δ13C值均存在顯著性差異,C4植物葉片和莖的δ13C差異不顯著,C3和C4植物的籽粒和根系均比葉片和莖更易富集13C。本研究方差分析結(jié)果顯示,CK和MS不同器官的δ13C和Δ13C值差異達(dá)顯著水平,而SS處理各器官的差異不顯著,其原因可能是不同水分處理對白羊草13C分餾產(chǎn)生影響?？偨Y(jié)各器官的差異表現(xiàn)為Δ13C值莖、新葉、老葉之間差異不顯著,結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn),說明白羊草葉片和莖之間未發(fā)生13C分餾,但莖和葉的Δ13C值均顯著大于根,說明根與莖葉之間已經(jīng)產(chǎn)生了13C分餾。Brugnoli和Farquhar[46]以及Leavitt和 Long[47]提出植物13C分餾有3個原因造成：1)各個器官的化學(xué)組成成分不同導(dǎo)致13C分餾,各種化學(xué)成分具有各自穩(wěn)定的δ13C值,器官的纖維素含量高則較容易13C富集,木質(zhì)素和油脂含量高則13C含量低；2)植物器官生理生態(tài)特征差距大,在合成碳水化合物過程及其通過韌皮部的輸出、裝載、下載的過程中以及光合同化物從“源”運輸?shù)健皫臁边^程中都可能發(fā)生13C的二次分餾；3)不同器官的呼吸特征具有很大差異,植物器官在呼吸時優(yōu)先利用12C,從而使13C在組織中富集。根系是植物的“庫”器官,根系的碳在積累的過程中受到環(huán)境和代謝因素的綜合作用,從“源”到“庫”的轉(zhuǎn)換過程中都可能出現(xiàn)13C的二次分餾,且根系和葉片雖然都作為呼吸器官,但其呼吸速率顯著不同,這可能也是造成的其13C分餾的主要原因。因此,在對不同植物的δ13C和Δ13C值進(jìn)行比較時,應(yīng)根據(jù)具體植物的不同器官進(jìn)行具體分析。

4 結(jié)論

(1)干旱脅迫顯著降低白羊草的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度,但水分利用效率在適度干旱時最大,重度干旱脅迫時最小。

(2)重度干旱脅迫顯著降低植物整體生物量,但增加白羊草根冠比、根葉比和細(xì)根粗根比,說明植物適應(yīng)干旱環(huán)境時,對地下的生物量分配增加,且主要增加了細(xì)根生物量,降低粗根生物量,促進(jìn)植物細(xì)根生長；

(3)隨著干旱脅迫加劇,白羊草各器官的δ13C均呈上升趨勢,MS和SS處理的新葉δ13C顯著大于CK處理,Δ13C呈減小趨勢,且僅有CK處理新葉的Δ13C值差異達(dá)到顯著水平；白羊草SS處理不同器官δ13C和Δ13C沒有顯著差異,CK和MS處理的各器官δ13C均值表現(xiàn)分別為細(xì)根>粗根>老葉>新葉>莖、細(xì)根>新葉>老葉>粗根>莖,CK和MS處理Δ13C的值總體呈現(xiàn)根<葉<莖。

(4)3種水分處理下,新葉的δ13CNL與WUE的相關(guān)系數(shù)最大為0.614,其次是δ13COL為0.460,新葉的Δ13CNL與WUE的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大為-0.531,說明利用穩(wěn)定碳同位素方法測定白羊草水分利用效率具有可行性。

(5)CK水分處理的水分利用效率受到葉面溫度的影響最大,主要來源葉面溫度的直接影響和大氣水汽壓虧缺對其的間接效應(yīng)；MS處理受大氣水汽壓虧缺影響最大,主要來源其直接影響和葉面溫度的間接效應(yīng)；SS處理受空氣溫度影響最大,主要來源空氣溫度直接影響和空氣水分含量對其的間接效應(yīng)。

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Effects of drought stress onBothriochloaischaemumwater-use efficiency based on stable carbon isotope

LIU Ying, LI Peng*, SHEN Bing, FENG Zhaohong, LIU Qi, ZHANG Yi

StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicinAridArea,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China

Owing to low precipitation and high inter-annual variability, the Loess hilly and valley region experiences frequent drought, which significantly affects plant growth. Studying the response mechanism of plants to water stress is important with respect to improving water-use efficiency (WUE) in this arid and semi-arid area. In the present research,Bothriochloaischaemum(L.) Keng., a typical native species in the Loess hilly-gully region, was selected to investigate biomass accumulation and allocation, instantaneous WUE, stable carbon isotope composition (δ13C), and stable carbon isotope discrimination (Δ13C) in different organs under three water regimes: control [CK, 80% field capacity (FC)], mild water stress (MS, 60% FC), and severe stress (SS, 40% FC). Photosynthetic parameters ofB.ischaemumwere measured at 09:00—11:00 on sunny windless days (Aug 3, 10, and 13,2014), using a portable photosynthesis determination system (Li- 6400; Li-Cor, USA). On Nov 11, when the experiment ended, the new leaf, old leaf, stem, fine root, and coarse root parts of seedlings were sampled carefully and weighed (with accuracy 0.001 g) after drying at 65℃. The root-to-shoot ratio was then calculated as the ratio of the belowground dry biomass to aboveground dry biomass. Theδ13C of different plant parts was measured using a CCIA- 36d-EP Carbon isotope ratio mass spectrometer (Los Gatos Research, USA). TheΔ13C of different plant parts was calculated based onδ13C and the carbon isotope ratio of atmospheric CO2. Many environmental factors that might affect WUE were analyzed to explore the response mechanisms ofB.ischaemumunder drought conditions. The following results were obtained. (1) The total biomass ofB.ischaemumwas significantly decreased under the SS condition, whereas the root-to-shoot ratio and fine root biomass were significantly increased under this water regime. (2) Theδ13C andΔ13C in different plant parts showed different trends. Drought stress led to an increase in theδ13C value and decrease in theΔ13C value. There was no significant difference in theδ13C andΔ13C of different plant parts under the SS condition. Theδ13C values under CK and MS conditions were in the order of fine root > coarse root > old leaf > new leaf > stem, and fine root > new leaf > old leaf > coarse root > stem, respectively. Furthermore, theΔ13C values under CK and MS conditions were all in the order of root < leaf

Bothriochloaischaemum; Stable carbon isotope; Biomass; Water-use efficiency; Drought stress

國家自然科學(xué)基金重點項目(41330858);國家自然科學(xué)基金(41471226, 41271290)；校級基金(310- 252071506)

2016- 01- 18; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601180112

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lipeng74@163.com

劉瑩,李鵬,沈冰,馮朝紅,劉琦,張祎.采用穩(wěn)定碳同位素法分析白羊草在不同干旱脅迫下的水分利用效率.生態(tài)學(xué)報,2017,37(9):3055- 3064.

Liu Y, Li P, Shen B, Feng Z H, Liu Q, Zhang Y.Effects of drought stress onBothriochloaischaemumwater-use efficiency based on stable carbon isotope.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3055- 3064.