干旱脅迫和復(fù)水對(duì)浙江楠光合與根系生長的影響

李偉成,田新立,盛海燕 ,劉姚姚,張瑞

1.國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心,浙江省竹子高效加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310012

2.西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,昆明 650224

3.杭州環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,杭州 310005

0 前言

建造珍貴樹種人工林是恢復(fù)植被和提高低產(chǎn)低效林效益的森林可持續(xù)經(jīng)營措施之一,選擇合適的珍貴物種進(jìn)行斑塊化鑲嵌混交是提高其造林成活率和保存率、恢復(fù)植被、提高生物多樣性、改善其生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。營林的生境因子對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育至關(guān)重要[1]。造林過程中,不同樹種的異齡苗對(duì)土壤水分的響應(yīng)方式差異較大[2,3],需依據(jù)樹種的生物學(xué)特性進(jìn)行指導(dǎo)作業(yè)和提供基礎(chǔ)經(jīng)營方案。

全球氣候變化引發(fā)大氣-海洋-陸地界面的相互作用,導(dǎo)致極端氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生的頻率上升[4]。中國極端氣候的變化表現(xiàn)在極端降水事件趨多趨強(qiáng),尤其在長江中下游及長江以南地區(qū)的極端降水量比例趨于增大,直接導(dǎo)致干旱天氣持續(xù)時(shí)間增加,加劇水分虧缺程度,干旱對(duì)林業(yè)的建設(shè)發(fā)展造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。干旱作為植物所遭受的所有非生物脅迫中損害最為嚴(yán)重的不利因素,限制植物生長、發(fā)育和分布,影響植物種內(nèi)種間、群落關(guān)系以及生態(tài)系統(tǒng)功能[5]。植物根系表型生長、光合生理和抗氧化防御系統(tǒng)都會(huì)對(duì)干旱脅迫產(chǎn)生響應(yīng)[6],光合作用是植物最基本的生命活動(dòng),對(duì)干旱脅迫最敏感的生理過程之一[7],而根系對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)最為敏感[3]。因此,研究干旱脅迫和復(fù)水條件下珍貴造林樹種的光合特征和根系生長變化,對(duì)正確判斷和預(yù)測(cè)未來氣候條件下珍貴樹種生長、發(fā)育等生理生態(tài)過程具有重要意義。

浙江楠(Phoebe chekiangensis)系華東地區(qū)特有珍貴用材樹種,樟科(Lauraceae)楨楠屬(phoebe)中材質(zhì)最優(yōu)的物種之一,屬國家二級(jí)保護(hù)樹種,其樹干通直可高達(dá)20 m,樹冠整齊,枝葉繁茂,生態(tài)位寬度值較大,適合山地丘陵混交造林、林下補(bǔ)植樹種[8];野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),浙江楠分布以中下坡為主,常與毛竹(Phyllostachys edulis) 、 楓 香(Liquidambar formosana)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla),青岡櫟(Cyclobalanopsis glauca)混交成林,土壤主要為紅壤和黃壤,生存于林分的中層,較弱勢(shì)。浙江楠的材質(zhì)堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)細(xì)致,具光澤和香氣,是優(yōu)質(zhì)用材。因此,推廣發(fā)展這一珍稀優(yōu)良闊葉樹種與其他樹種的斑塊化鑲嵌混交,對(duì)改善低產(chǎn)低效林有重要意義。但是浙江楠木生長慢,對(duì)立地條件要求相對(duì)較高,因此了解分析其基礎(chǔ)生物學(xué)特征和適生環(huán)境,對(duì)發(fā)展浙江楠人工林具有重大的指導(dǎo)意義。

在浙江省“建設(shè)健康的森林”提升林業(yè)目標(biāo)的大背景下,本文以浙江楠為研究對(duì)象,通過干旱脅迫和復(fù)水試驗(yàn),分析其光合生理特征、根系生長和抗氧化系統(tǒng)的響應(yīng),為改善浙江省低產(chǎn)低效森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程,提升其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,為營造斑塊化鑲嵌式的復(fù)層異齡新型森林提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 自然概況

試驗(yàn)地位于浙江省湖州市長興縣(119°45′E、30°58′N),屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫(15.6±0.5) ℃,有效積溫5750 ℃,無霜期239 d。年平均降水量1 309 mm。年平均日照時(shí)數(shù)1 810.3 h,歷年平均日照百分率為41%,光照分配較均勻。土壤以發(fā)育于酸性巖漿巖和沉積巖的紅壤為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年3月,選取健康無病蟲害的2年生浙江楠進(jìn)行試驗(yàn)。將苗高60 cm 左右、基徑0.8 cm 的植株,僅留1—2 分枝附3—5 片葉,帶小土球(10 cm×10 cm)移栽入直徑47 cm、高37 cm 的花盆。土壤表層先覆蓋1—2 cm 厚的河沙,再覆蓋1—2 cm 厚的腐殖土,以保持花盆內(nèi)水分。期間常規(guī)管理與施水,試驗(yàn)苗栽培52 d。所用平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為27.31 g·kg-1,平均全氮 1.55 g·kg-1,平均有效磷 90.37 mg·kg-1,平均速效鉀56.15 mg·kg-1。放置大棚從地面至40 cm 高處不覆蓋薄膜,起到通風(fēng)的作用,頂棚封膜,晴天開啟頂棚,雨天關(guān)閉頂棚薄膜。

模擬自然干旱失水與復(fù)水過程67 d,試驗(yàn)設(shè)3個(gè)水分梯度,分別為對(duì)照的土壤水分含量為(36.09±3.22)%、中度干旱的土壤水分含量為28.34±5.04% (隔1—2 天補(bǔ)水)、重度干旱的土壤水分含量為(19.06±2.26)%,每個(gè)水分梯度設(shè)置5 重復(fù),共15盆。根據(jù)設(shè)定的土壤含水率計(jì)算每盆重量,作為標(biāo)準(zhǔn)盆重[9],每天傍晚進(jìn)行稱量,低于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤含水量時(shí)立即施水補(bǔ)充至設(shè)計(jì)土壤含水量。重度干旱以每日中午試驗(yàn)用苗不發(fā)生萎蔫為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 光合、葉片抗氧化酶和根系參數(shù)的測(cè)定

7月,在各自試驗(yàn)狀態(tài)下,分別于9:00—11:00到14:00—16:00,選取浙江楠最長枝條從上往下數(shù)的第3 片完整展開的成熟葉片,采用Li6400 測(cè)定瞬間氣體交換參數(shù)如蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs),每處理重復(fù)5 株,按照預(yù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果,測(cè)定時(shí)葉室內(nèi) CO2濃度和光合有效輻射分別為 400 μmol·mol-1與1000 μmol·m-2·s-1,根據(jù)凈光合速率和蒸騰速率的比值計(jì)算水分利用效率。光響應(yīng)曲線參數(shù)測(cè)定的CO2濃度為(391.4±4.6) μmol·mol-1,光強(qiáng)分別設(shè)定為2 000、1 500、l 200、1 000、800、600、400、200、150、100、70、50、20 和0 μmol·m-2·s-1,采用直角雙曲線修正模型計(jì)算光響應(yīng)曲線的參數(shù)如光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、暗呼吸絕對(duì)值(Rd)、光飽和點(diǎn)(LSP)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀量子效率(φAQY)。測(cè)定時(shí),葉室內(nèi)相對(duì)濕度61%—65%。同時(shí),在上午10:00 左右,采用PAM-2500 葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù),選取最長枝條從上往下數(shù)的第2 片完整展開的葉片,Fv/Fm 在葉片暗適應(yīng)20 min 后測(cè)定。

采集浙江楠的中部葉片進(jìn)行超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和過氧化物酶(POD)活性測(cè)定,共采樣5 次,取平均值。取0.2 g葉片洗凈后置于研缽中,加入1.6 mL 50 mmol·L-1預(yù)冷的磷酸緩沖液(pH 為7.8)在冰浴上研磨成勻漿,轉(zhuǎn)入離心管中在4 ℃、12000 r·min-1下離心20 min,取上清液測(cè)定酶活性,其中超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法,過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法[3]。

光合特征參數(shù)測(cè)量后,立即進(jìn)行浙江楠根系的采樣,采回實(shí)驗(yàn)室洗凈根系,量取根系總長,稱量鮮質(zhì)量,然后將根放入干燥箱80 ℃烘干至恒質(zhì)量后測(cè)量干質(zhì)量,每個(gè)處理5 重復(fù)。按生長分析方法計(jì)算:根的相對(duì)生長速率RGR=(lnW2-lnW1)·(T2-T1)-1,其中W1為剛移栽時(shí)器官的生物量,本試驗(yàn)量取移栽適應(yīng)52 d 的浙江楠苗5 重復(fù),取平均值作為其根系的起始生物量;W2為采樣時(shí)的生物量;T1為處理開始時(shí)間,T2為采樣時(shí)間,月;根半徑其中mf為側(cè)根鮮質(zhì)量,Lr為側(cè)根總長[10]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS11.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)浙江楠光合生理的影響

3 種土壤水分條件下,特別是重度干旱條件下,浙江楠光合能力、光適應(yīng)特征、瞬間氣體交換參數(shù)與對(duì)照、中度干旱條件都表現(xiàn)出顯著差異(p＜0.05) (表1)。對(duì)照條件下,浙江楠的光合能力參數(shù)如最大凈光合速率和表觀量子效率表現(xiàn)最好,分別為(11.51±1.71) μmol·m-2·S-1和(0.0230±0.0037) μmol·m-2·s-1,而重度干旱條件下,這兩個(gè)參數(shù)值僅為對(duì)照條件下的47.8%和5.2.2%,對(duì)照條件的暗呼吸平均值雖大于中度干旱條件,但并沒有顯著差異(p＞0.05),說明在重度干旱脅迫下浙江楠的光能利用率小于其他兩種條件,而且能量消耗較大;光適應(yīng)特征參數(shù)如光補(bǔ)償點(diǎn)隨著干旱程度的上升而上升,飽和光照強(qiáng)度則表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),說明只要土壤水分條件適宜,在強(qiáng)光條件下浙江楠對(duì)對(duì)強(qiáng)光仍具備一定的適應(yīng)能力。瞬間氣體交換參數(shù)如蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度隨著干旱程度的上升而急劇下降,重度干旱的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度分別為(0.92±0.10) mmol·m-2·s-1和(66.0±21.7) mol·m-2·s-1,與對(duì)照、中度干旱皆有顯著差異(p＜0.05)。同時(shí),中度干旱條件的浙江楠水分利用率最高,為(5.99±0.68) μmol·mmol-1,表明其具有一定的抗旱能力。

2.2 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)浙江楠葉綠素?zé)晒馓卣鞯挠绊?/h3>

隨著干旱程度的上升,浙江楠葉綠素PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率隨之下降(表2),重度干旱條件下與對(duì)照、中度干旱皆有顯著差異(p＜0.05),后兩者差異不顯著(p＞0.05);而光化學(xué)猝滅系數(shù)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)雖然趨勢(shì)與上述兩個(gè)參數(shù)類似,但在不同處理間都存在著差異顯著性(p＜0.05)。葉綠素?zé)晒馓卣髋c光合生理特征基本一致。

表1 浙江楠光合生理特征對(duì)干旱脅迫與復(fù)水條件的響應(yīng) Table1 Responses of photosynthetic characteristics of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

表2 浙江楠葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)干旱脅迫和復(fù)水的響應(yīng) Table2 Responses of Chlorophyll fluorescence parameters of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

2.3 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)浙江楠抗氧化系統(tǒng)的影響

對(duì)照條件中,浙江楠葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性以對(duì)照條件的最高,隨著干旱程度的加劇,SOD 活性顯著下降,重度干旱條件的最低,兩者有顯著差異(p＜0.05),說明SOD 系統(tǒng)受到了破壞;過氧化氫酶(CAT)活性以中度干旱條件最高,與對(duì)照條件差異不顯著且均值相近,與重度干旱條件有顯著差異(p＜0.05),說明在重度干旱下會(huì)出現(xiàn)生理過程受抑制的現(xiàn)象;過氧化物酶(POD)與CAT 活性的情況類似,但均值以對(duì)照條件的最高,表現(xiàn)出隨干旱程度上升而下降的趨勢(shì),重度干旱與對(duì)照、中度干旱條件皆有顯著差異(p＜0.05)。因此,就3 種抗氧化酶而言,中度干旱處理對(duì)提升浙江楠葉片的抗逆能力有一定的積極作用,而重度干旱條件對(duì)其葉片3 種抗氧化酶有抑制影響。

2.4 干旱脅迫和復(fù)水對(duì)浙江楠根系生長的影響

浙江楠根總長的均值以中度干旱條件的最長,為43.7±3.1 cm,與對(duì)照條件差異不顯著(p＞0.05) (圖1),重度干旱條件的總根長為(35.6±3.2) cm,與中度干旱條件有顯著差異(P＜0.05),表明中度干旱條件對(duì)浙江楠根系在拓展空間以尋找和吸收水分的能力上有一定的促進(jìn);根生物量以對(duì)照條件的植株最高,為16.9±2.5g,根生物量隨著干旱程度的上升而下降,重度干旱與對(duì)照、中度干旱皆有顯著差異(P＜0.05);根的相對(duì)生長速率與根生物量的趨勢(shì)相同,表明重度干旱條件的浙江楠根系,特別是側(cè)根的生長已經(jīng)受阻;3 種條件的根半徑互相之間都存在著顯著差異,表明浙江楠的根系對(duì)水分條件的變化較敏感,干旱減緩了根系的生長,單位長度的根鮮質(zhì)量下降明顯。

3 討論

圖1 不同干旱復(fù)水處理中浙江楠的抗氧化酶系統(tǒng) Figure1 Antioxidant enzyme system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

圖2 不同干旱復(fù)水處理中浙江楠的根系 Figure2 Root system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

植物處于最適環(huán)境(光照、溫度和水)條件時(shí)往往表現(xiàn)出最大光合速率[11]。本試驗(yàn)的最大凈光合速率表明,在對(duì)照條件下,由于土壤含水量長時(shí)間處于較高狀態(tài),浙江楠的光合生理最優(yōu),其葉綠素?zé)晒鈪?shù)亦佐證了這一試驗(yàn)結(jié)果,這與Ranney等[12]對(duì)水 分供應(yīng)充足的白樺(Betula platyphylla)的光合、蒸騰和氣孔行為的研究結(jié)論相符。而重度干旱嚴(yán)重影響浙江楠的生理進(jìn)程,具體表現(xiàn)為蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的顯著下降,表明光合速率的下降是由氣孔因素導(dǎo)致的[13]。重度干旱脅迫不僅對(duì)浙江楠的光適應(yīng)特征、光合能力、水分利用效率的影響最大,還對(duì)其葉綠素?zé)晒鈪?shù)造成較大的影響。本試驗(yàn)的中度干旱條件下,浙江楠的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)均表現(xiàn)出不同程度的降低,表明其光合作用的光破壞防御機(jī)制已經(jīng)啟動(dòng),雖在光合速率上差異并不顯著,但亦可說明從天線色素上捕獲的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額在減少,PSII 反應(yīng)中心的光化學(xué)活性亦已經(jīng)開始弱化,PSII 反應(yīng)中心累積的光能過剩,這與多數(shù)研究的規(guī)律相符[7,14,15]。水分利用效率是植物生理生化過程中消耗水固定CO2形成有機(jī)物質(zhì)的基本效率[3,14],有研究[2]認(rèn)為,干旱脅迫對(duì)植株水分狀況及光合作用的影響最終表現(xiàn)在水分利用率上,Moles 等[14]發(fā)現(xiàn)較高的水分利用率可以幫助植物在干旱條件下維持較高的形態(tài)可塑性,同時(shí)PSII 光化學(xué)系統(tǒng)亦能達(dá)到最大效率。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重度干旱條件下的水分利用率與對(duì)照、中度干旱條件相比較,分別下降了29.6%和46.4%;而中度干旱條件下的浙江楠植株水分利用率最高,說明在中度干旱條件下水分利用水平和能量利用效率最高,這與野外斑塊混交造林時(shí)觀察的情況相符,對(duì)于適應(yīng)造林環(huán)境具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。因此,浙江楠通過自身形態(tài)、生理等方面的不斷調(diào)整來適應(yīng)環(huán)境中生態(tài)因子的變化,將其限制作用減小。

在不同生境中,植物會(huì)對(duì)生長、繁殖和維持生存等過程進(jìn)行資源分配的權(quán)衡,使其各功能分配達(dá)到最佳狀態(tài)[14,16]。研究表明,干旱脅迫導(dǎo)致根生物量、根半徑減小,根長、根表面積和根冠比增加[3,10,17],當(dāng)土壤含水量低于一定程度時(shí),隨著脅迫時(shí)間的持續(xù),根系活力不足以維持生命而使植物不可逆轉(zhuǎn)地徹底死亡[14]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于主根系發(fā)達(dá)的浙江楠而言,雖然中度干旱條件下植株的根相對(duì)生長速率和根半徑下降,適當(dāng)?shù)耐寥浪趾咳?8.34±5.04%的干旱脅迫有利于其根系的生長發(fā)育,可增加其總根長的長度,根生物量亦下降不明顯。因此,對(duì)于依賴于主根系生長進(jìn)行水分吸收的浙江楠而言,中度干旱對(duì)浙江楠整個(gè)根系吸收功能的影響不大,亦表明根系形成不同分枝結(jié)構(gòu)是樹木適應(yīng)環(huán)境的一種生存策略[18],即在根生物量較穩(wěn)定的情況下,可促使浙江楠根系充分利用資源,拓寬其生態(tài)幅,通過減小根半徑來增加根系與土壤的接觸面積,從而提高根系對(duì)水分及其他礦物元素的吸收機(jī)會(huì)。

植物處于逆境時(shí),體內(nèi)的活性氧代謝會(huì)作出響應(yīng),SOD、POD 和CAT 的活性水平會(huì)發(fā)生變化[3,7,9],而當(dāng)處于干旱脅迫時(shí),會(huì)使植物失水而導(dǎo)致質(zhì)膜受損[19]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中度干旱條件下,SOD、POD 和CAT 未顯著下降,CAT 均值還略有上升,表明浙江楠植株通過增加體內(nèi)CAT活性來消除體內(nèi)的活性氧;隨著干旱程度的上升,重度干旱條件下的3 種保護(hù)酶均表現(xiàn)出顯著下降,抗氧化酶已不能有效清除掉活性氧物質(zhì),此時(shí)的葉片光合能力大幅下降,超出了保護(hù)酶調(diào)節(jié)能力的限度,抗氧化酶受到損傷而使活性下降。因此,浙江楠具備一定的抗旱能力,抗氧化酶活性表明浙江楠可以在中度干旱環(huán)境中生存,一定范圍內(nèi)的干旱能刺激其抗氧化酶活性的提升,其器官組織受到的氧化損傷并不是不可修復(fù);而重度干旱則會(huì)使用于光化學(xué)反應(yīng)的能量大量下降,形成的活性氧物質(zhì)使細(xì)胞膜系統(tǒng)嚴(yán)重受損。

對(duì)造林而言,如能在某生境類型中定植并且能夠產(chǎn)生較高的生物量,說明該樹種對(duì)此生境的適應(yīng)性較高[20,21],該樹種往往具有較強(qiáng)的繁殖能力及較高的適應(yīng)能力[22]。浙江楠是喜光樹種,1-3年生浙江楠植株以地下生長為主[8],在自然生長以主根系吸收水分為主,側(cè)根是一種輔助和補(bǔ)充,這個(gè)時(shí)期對(duì)其主根系的發(fā)育和定植十分關(guān)鍵。由于中度干旱并不影響浙江楠的正常生長,甚至一定長度上能促進(jìn)其生長,故在實(shí)際斑塊化造林過程中,適度控制土壤含水量,有利于在不同樹種斑塊化混交配置應(yīng)用中浙江楠造林的成活率和保存率。