干旱區(qū)不同地理種群駱駝刺元素組成及表面結(jié)構(gòu)特征的對(duì)比研究

尹 輝,張 波,荊瑞雪,曾凡江,*,牟書勇

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011 2 新疆大學(xué),烏魯木齊 830046 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,策勒 848300 5 中國(guó)科學(xué)院干旱區(qū)生物地理與生物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011

碳(C)、氮(N)、磷(P)元素是構(gòu)成一切生命的主要元素,三者的含量變化及其比值控制著植物的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)狀況[1]。植物體中的C幾乎全部來源于大氣中的CO2,它是連接外界無機(jī)環(huán)境與有機(jī)體的最重要環(huán)節(jié),是一切有機(jī)體的基本骨架。N和P元素是植物體中最重要的調(diào)節(jié)物質(zhì),是組成蛋白質(zhì)和核酸的基本元素,也常常是環(huán)境中的限制因素[2- 3]。葉、莖、根之間的營(yíng)養(yǎng)分配模式反映了植物獲取,運(yùn)輸和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。例如木本植物中,儲(chǔ)存蛋白質(zhì)占總可溶性蛋白質(zhì)的25%—30%,并且這些蛋白質(zhì)主要存儲(chǔ)在莖和根中[4]。這些儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在干旱條件下對(duì)維持植物營(yíng)養(yǎng)吸收、二氧化碳同化、支持葉片生長(zhǎng)方面起著重要作用[5]。植物各器官由于養(yǎng)分儲(chǔ)存及功能差異,導(dǎo)致同一植物不同器官間(葉、莖、根和生殖器官)的N、P含量存在顯著差異,但不同器官間的N、P濃度變化密切相關(guān)[6]。韓文軒等[7]通過測(cè)定北京及周邊地區(qū)358種植物的C、N、P含量發(fā)現(xiàn),葉片中C、N、P含量分別是葉柄中相應(yīng)元素含量的1.1、2.4和1.8倍,認(rèn)為葉片的高營(yíng)養(yǎng)(N和P)含量與其活躍的同化功能有關(guān)。植物體表面是與環(huán)境接觸最密切的部位,也是最敏感部位,表面形貌變化也可作為植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的又一衡量指標(biāo)[8- 9]。因此,研究植物體中C,N,P元素分配特征及表面形貌變化對(duì)于揭示植物的生態(tài)適應(yīng)性和養(yǎng)分利用特征有重要意義?；哪参锺橊劥?AlhagisparsifoliaShap.)是豆科多年生草本植物[10],單葉,全緣。枝上具有大量針刺,刺對(duì)駱駝刺適應(yīng)荒漠環(huán)境起到至關(guān)重要的作用,因而本研究中將其作為單獨(dú)的器官處理。

同一種植物,在異質(zhì)環(huán)境中生存,經(jīng)過長(zhǎng)期的適應(yīng)和進(jìn)化,會(huì)在形態(tài)結(jié)構(gòu)、元素組成及生理功能上產(chǎn)生變化,形成特殊的地理種群[11]。駱駝刺分布于我國(guó)內(nèi)陸干旱地區(qū)的新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏。新疆全疆均有分布,尤以南疆塔克拉瑪干沙漠周圍,吐鄯托盆地及北疆古爾班通古特沙漠南部扇緣最多[12]。本研究選取干旱區(qū)3個(gè)典型的駱駝刺分布區(qū)為研究對(duì)象：塔里木盆地策勒種群,吐鄯托盆地托克遜種群,及準(zhǔn)噶爾盆地阜康種群。研究各器官C,N,P元素組成及表面形貌變異,從而揭示駱駝刺在不同環(huán)境中的適應(yīng)能力,此研究對(duì)駱駝刺的保護(hù)和開發(fā)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒駱駝刺種群采自中國(guó)科學(xué)院策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(表1),策勒屬典型的內(nèi)陸極端干旱荒漠氣候,日照資源豐富。年降水量35.1 mm,風(fēng)沙活動(dòng)頻繁,多年平均沙塵天數(shù)25.9 d,最多年達(dá)59 d。采樣地地表沙質(zhì)非常細(xì)膩,所有植物表面均覆蓋一層細(xì)沙土。駱駝刺在該群落屬于優(yōu)勢(shì)建群種,相對(duì)多度>70%,伴生有沙拐棗,鹽生草和花花柴等植物。

托克遜駱駝刺種群采自吐魯番地區(qū)托克遜縣(表1),屬暖溫帶極端干旱荒漠氣候,夏季氣候炎熱,年平均降水量?jī)H9.4 mm,是全國(guó)降水最少的地方。托克遜多風(fēng),平均大風(fēng)天數(shù)84 d,遇到大風(fēng)天氣極易將地表的塵土揚(yáng)起,因而采樣點(diǎn)地表主要是顆粒1 mm左右的沙礫。采樣地駱駝刺為該群落的建群種,相對(duì)多度>80%,伴生有刺山柑。

阜康駱駝刺種群采自阜康市222團(tuán)附近(表1),屬溫帶大陸性干旱氣候,年平均降水164 mm,冬季有約20 cm厚的積雪,因而比策勒和托克遜濕潤(rùn)。阜康風(fēng)小,且土壤較濕潤(rùn),因而少見揚(yáng)沙天氣。此處駱駝刺與梭梭,沙蓬,琵琶柴等植物混生,形成多樣性較高的群落。駱駝刺相對(duì)多度<30%。

表1 3個(gè)采樣點(diǎn)的自然條件

GC: geographic coordinate; MAP: mean annual precipitation; MAE: mean annual evaporation; MAT: mean annual temperature; HT: highest temperature; A: accumulated temperature

1.2 樣品采集和指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)于2017年8月實(shí)施,在策勒、托克遜和阜康3個(gè)駱駝刺自然種群中,各隨機(jī)選擇三株駱駝刺,將整個(gè)地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室,葉、莖、刺分開,裝入牛皮紙袋,80℃烘干至恒重。粉碎,過100目篩,用于檢測(cè)C,N,P元素含量。C含量用總有機(jī)碳分析儀(OI 1030)測(cè)定,N含量用FOSS全自動(dòng)定氮儀測(cè)定,P含量用鉬銻抗比色法測(cè)定。

每個(gè)區(qū)域選取一株有代表性的植株,將成熟的葉,莖,刺,剪成5 mm×5 mm左右的小塊,快速投入FAA固定液中(FAA固定液配方：38%的甲醛5 mL,冰醋酸5 mL,75%酒精90 mL,丙三醇1 mL),帶回實(shí)驗(yàn)室。樣品經(jīng)乙醇梯度脫水,叔丁醇置換,冷凍干燥處理后,用掃描電子顯微鏡(ZEISS SUPRA55VP)觀測(cè)表面結(jié)構(gòu)。

用土鉆分別采集0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm土層的土壤樣品,裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣經(jīng)風(fēng)干后,過100目篩,全N和速效N含量用FOSS全自動(dòng)定氮儀測(cè)定,全P和速效P含量用鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel和SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,采用One-Way ANOVA方法進(jìn)行方差分析,選擇LSD(P=0.05)方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和多重比較。掃描電鏡圖片用Photoshop CS5和Illustrator CS5軟件剪切和拼接。

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)元素在3個(gè)地理種群駱駝刺葉,莖,刺中的分配特征

C,N,P元素是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。植物體通過光合作用固定C元素,并將其分配到各個(gè)器官中。葉片是駱駝刺最主要的光合作用器官;刺也具有氣孔和葉綠體,是重要的同化和輸導(dǎo)組織,很多研究者將刺描述為同化枝[13]。C含量在3個(gè)地理種群駱駝刺葉,莖,刺中的分配沒有顯著規(guī)律。3個(gè)地理種群相同器官相比,葉片中C含量存在顯著差異,策勒種群葉片C含量最高((404.0±8.25) mg/g),阜康種群葉片次之((377.9±1.75) mg/g),托克遜種群葉片C含量最少((351.7±0.4) mg/g)(表2)。阜康種群莖中C含量顯著高于策勒種群和托克遜種群,而3個(gè)種群刺中C含量差異不顯著(圖1)。

圖1 不同地理種群駱駝刺不同器官C,N,P含量的比較Fig.1 Comparison of C, N, P content among different organs of A. sparsifolia in different geographical populationsn=3,不同大寫字母表示同一地點(diǎn)不同器官之間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母代表相同器官不同地點(diǎn)之間差異顯著(P<0.05)

N是核酸和蛋白質(zhì)的重要組成成分,是構(gòu)成生命的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。植物中75%的N可以從葉綠體中提取出來,而其中30%—50%在Rubisco(核酮糖- 1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)中,參與光合作用[14- 15]。Olde等的研究也表明,在一定范圍內(nèi),葉片含氮量、葉綠素含量、Rubisco含量分別與光合速率呈正相關(guān)[16]。3個(gè)地理種群的駱駝刺的N含量均以葉片最高(策勒種群：15.6±3.2 mg/g,托克遜種群：10.5±1.3 mg/g,阜康種群：12.1±0.1 mg/g)(表2),莖中最低(策勒種群：6.2±1.0 mg/g,托克遜種群：5.1±0.4 mg/g,阜康種群：6.4±0.5 mg/g)。策勒種群刺中的N含量(9.3±0.6 mg/g)與莖中N含量沒有顯著差異,而明顯小于葉(圖1)。推測(cè)此時(shí)期策勒種群刺的光合作用能力與莖中較為接近。托克遜刺中的N含量(8.2±0.5 mg/g)介于葉與莖之間,說明此時(shí)期刺的光合作用強(qiáng)度介于葉和莖之間。阜康種群刺中的N含量與葉差不多,而顯著高于莖,推測(cè)此時(shí)期阜康種群的刺與葉的功能更接近。不同地理種群的葉N含量相比,策勒種群最大,托克遜種群最小,阜康種群介于二者之間。由于葉C含量也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,策勒種群最高,托克遜種群最低(圖1)。因此推測(cè),策勒種群葉片光合作用能力最強(qiáng),托克遜種群光合作用能力最差。刺中N含量阜康種群>策勒種群>托克遜種群,阜康種群刺N(yùn)含量與葉N含量相當(dāng),因而推測(cè)阜康種群刺的光合作用能力較強(qiáng)。3個(gè)地區(qū)莖中N含量沒有顯著差別。

生長(zhǎng)速率理論認(rèn)為,在植株快速生長(zhǎng)部位具有較高的P含量,因?yàn)榭焖偕L(zhǎng)部位需要大量的核糖體來合成蛋白質(zhì),而核糖體是含磷量最高的細(xì)胞器(P約占5%)[17]。策勒種群和阜康種群的駱駝刺均以葉片中P含量最高(策勒種群：1.2±0.0 mg/g,阜康種群：0.9±0.2 mg/g),莖與刺中含量相當(dāng)。但是托克遜駱駝刺的莖中P含量顯著高于其他部位,也高于其他地理種群莖中含量。托克遜種群莖中P含量1.7±0.2 mg/g,約為策勒種群和阜康種群莖中P含量的2倍(策勒種群：0.8±0.1 mg/g,阜康種群：0.7±0.0 mg/g)。3個(gè)地理種群葉片中P含量沒有顯著差異。采樣期托克遜駱駝刺處于結(jié)實(shí)期,莖稈不是快速生長(zhǎng)部位,那么如此高的P含量應(yīng)是存儲(chǔ)的無機(jī)P元素。據(jù)報(bào)道,植物體中無機(jī)P含量與生存環(huán)境密切相關(guān)[18- 19]。因此對(duì)3個(gè)采樣區(qū)域0—80 cm土層土壤的全N,速效N,全P,速效P含量進(jìn)行檢測(cè),從圖2可看出,每個(gè)區(qū)域4個(gè)土層間差異不顯著,但3個(gè)區(qū)域之間的差異較大。速效P,全N,速效N含量均為托克遜最多(圖2),策勒和阜康差異不大。且采樣過程中發(fā)現(xiàn),托克遜地區(qū)80 cm以上的土層中,駱駝刺毛細(xì)根非常密集。因此推測(cè)托克遜種群莖中大量的P元素積累可能與土壤中高濃度的養(yǎng)分含量有直接關(guān)系。耿燕等的研究指出,當(dāng)葉片磷元素含量足夠且穩(wěn)定時(shí),外界磷的供應(yīng)量不會(huì)影響植物的光合速率。而當(dāng)外界環(huán)境磷元素供給量降到一定程度時(shí),才會(huì)成為植物生長(zhǎng)的限制因子[20]。3個(gè)地理種群葉片中P含量差異不大,說明托克遜的駱駝刺將多余的P儲(chǔ)存于莖中,葉片仍舊保持比較穩(wěn)定的N∶P比。

圖2 不同地理種群不同深度的土壤樣品全N,速效N,全P,速效P含量Fig.2 The total nitrogen, available nitrogen, the total phosphorus and available phosphorus contents of soil at different depths in different geographical populationsn=3,不同大寫字母表示相同土層不同地點(diǎn)之間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母代表不同土層同一地點(diǎn)之間差異顯著(P<0.05)

葉片作為最重要的光合器官,其C∶N,C∶P比值往往代表植物養(yǎng)分利用效率,而N∶P值與土壤養(yǎng)分狀況直接相關(guān)。賀金生等對(duì)中國(guó)草原在3個(gè)不同地區(qū)(內(nèi)蒙古、青藏高原和新疆)C∶N化學(xué)計(jì)量比的研究中發(fā)現(xiàn)草原植被有著極為穩(wěn)定的C∶N值,并認(rèn)為C∶N化學(xué)計(jì)量比與物種組成以及氣候變化無關(guān)[21]。本研究中3個(gè)地理種群的駱駝刺葉片C∶N,C∶P,N∶P值均無顯著差異(表2),3個(gè)地理種群駱駝刺葉片中C∶N,C∶P,N∶P均值為30.6±4.3,357.4±49.9,12.0±2.4。說明雖然營(yíng)養(yǎng)元素含量、干旱程度和溫度等環(huán)境因子存在顯著差異,但駱駝刺具有較高的內(nèi)穩(wěn)性,這也可能是它能在全疆范圍普遍生存的重要原因。

表2 不同地理種群駱駝刺葉片C,N,P,C∶N,C∶P,N∶P含量差異

n=3,同列不同字母表示差異極顯著(P<0.05)

2.2 3個(gè)地理種群駱駝刺葉,莖,刺表面結(jié)構(gòu)特征

蠟質(zhì)是覆蓋在植物表面的一層防水保護(hù)層,與表皮層一起,有效防止植物體內(nèi)水分的非氣孔性散失,同時(shí)可以降低紫外線傷害[22]。蠟質(zhì)一般分成外蠟質(zhì)層和內(nèi)蠟質(zhì)層(蠟質(zhì)晶體下面的薄層)[23]。圖3C和3F顯示阜康種群葉片蠟質(zhì)層,內(nèi)外蠟質(zhì)層清晰可見。外蠟質(zhì)層呈片狀直立于內(nèi)蠟質(zhì)層上,排列規(guī)則;內(nèi)蠟質(zhì)層較薄,但是致密,與表皮結(jié)合的不是非常緊密。策勒種群駱駝刺葉表皮明顯增厚((1.42±0.07) μm)(圖3D),約為阜康種群表皮的2倍((0.75±0.02) μm)(圖3F)。策勒種群駱駝刺表皮蠟質(zhì)較致密,沒有明顯的內(nèi)外蠟質(zhì)層之分,從圖3A可看出,策勒種群表皮蠟質(zhì)也有垂直于表面的片層結(jié)構(gòu),但由于策勒夏季干旱高溫,且多風(fēng)沙,片層的蠟質(zhì)可能融化而粘附大量沙粒,掃描電鏡制樣過程中梯度酒精10次的沖洗仍不能洗脫。托克遜種群駱駝刺葉的上表皮異常增厚,與蠟質(zhì)結(jié)合得相當(dāng)緊密(圖3E),且表面蠟質(zhì)非常致密(圖3B)。以上結(jié)果表明,隨著外界干旱程度的加劇及年積溫的增加,阜康,策勒,托克遜種群葉的上表皮逐漸增厚,蠟質(zhì)越來越致密,主要用于防止水分蒸發(fā)及減少熱損傷。

圖3 不同地理種群駱駝刺葉表面掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Surface structure in leaves of A. sparsifolia in different geographical populationsA,B,C分別為策勒,托克遜,阜康駱駝刺葉上表面2500倍照片;D,E,F分別為策勒,托克遜,阜康葉上表皮縱切面10000倍照片,圖中標(biāo)示表皮厚度;G,H,I分別為策勒,托克遜,阜康葉下表面500倍照片

氣孔是植物水分代謝和光合作用中氣體交換的重要通道。氣孔密度受到多種因素調(diào)控,楊利民等對(duì)我國(guó)東北樣帶羊草的水分利用效率及氣孔密度的研究指出,東北樣帶自東向西,隨年降水量、年均溫、土壤水分的降低和海拔的升高,羊草水分利用效率和氣孔密度有明顯增大的趨勢(shì),說明水分條件是氣孔密度變化最重要的生態(tài)因子[24]。但溫度、CO2濃度等條件亦是氣孔密度變化的重要因素。楊惠敏等的研究指出,在其他條件一致的情況下,溫度升高會(huì)使小麥氣孔密度降低[25]。本研究中,不同地理種群的駱駝刺各器官的氣孔密度存在極大差異。駱駝刺葉片兩面均有氣孔,下表皮氣孔數(shù)量比上表皮略多。不同地理種群的相同器官相比,托克遜種群葉正面、葉背面、莖、刺中的氣孔密度均最大(分別為(298.5±9.6)個(gè)/mm2,(328.7±6.3)個(gè)/mm2,(161.4±6.8)個(gè)/mm2,(226.6±8.9)個(gè)/mm2)(圖4)。且托克遜種群表皮蠟質(zhì)非常厚,正面氣孔多被蠟質(zhì)覆蓋,表現(xiàn)出明顯的干旱適應(yīng)特征。策勒種群葉片正面和背面氣孔密度分別為(117.0±12.8)個(gè)/mm2,(298.5±9.6)個(gè)/mm2,明顯小于阜康種群(葉正面和葉背面分別為：(184.8±11.1)個(gè)/mm2和(266.5±15.1)個(gè)/mm2)(圖4),策勒種群刺與莖的氣孔密度與阜康種群差異均不顯著。說明,雖然策勒比阜康干旱程度高得多,但策勒種群駱駝刺沒有表現(xiàn)出明顯的干旱脅迫特征,且策勒種群在該群落中屬于優(yōu)勢(shì)種,說明策勒種群更加適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。策勒種群駱駝刺根系發(fā)達(dá),能夠利用地下水維持生存與生長(zhǎng)[26- 27]。羅維成的研究也指出策勒綠洲的駱駝刺,整個(gè)生長(zhǎng)季沒有表現(xiàn)出水分脅迫的現(xiàn)象[28]。

圖4 3個(gè)地理種群駱駝刺葉,莖,刺氣孔密度差異 Fig.4 The different stomatal density of leaves, stems, and thorns in different geographical populationsn=5,不同大寫字母代表相同器官不同地點(diǎn)之間差異顯著(P<0.05)

3 結(jié)論

3個(gè)地理種群駱駝刺在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境過程中,各器官元素組成和表面結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。

(1)策勒種群葉片C、N含量均最高,托克遜種群最低,阜康種群介于二者之間,推測(cè)策勒種群葉片光合作用能力最強(qiáng),而托克遜種群最弱。

(2)3個(gè)地理種群相比,刺N(yùn)含量阜康種群>策勒種群>托克遜種群。策勒種群刺N(yùn)含量與莖中相似,遠(yuǎn)低于葉片,而阜康種群刺N(yùn)含量與葉差異不大,顯著高于莖,托克遜種群刺N(yùn)含量介于葉與莖之間。N含量與植物光合作用能力呈顯著正相關(guān)關(guān)系,因此推測(cè)策勒種群刺同化作用能力與莖差不多,而阜康種群刺同化作用能力更接近于葉片,3個(gè)地理種群相比,阜康種群刺的同化作用最強(qiáng)。

(3)策勒種群和阜康種群各器官P含量差異不大,但托克遜種群莖中P含量異常高,不僅高于其他種群莖的含量,同時(shí)也高于自身葉和刺。因此對(duì)3個(gè)區(qū)域0—80 cm深度土壤的全N,速效N,全P,速效P含量進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明托克遜全N,速效N,速效P含量均比策勒和阜康高得多。從而推測(cè)外界環(huán)境中高的養(yǎng)分含量使得駱駝刺吸收較高的P,并積累于莖中。3個(gè)地理種群葉片C∶N,C∶P,N∶P均未受到外界環(huán)境的影響,平均值為C∶N=30.6±4.3,C∶P=357.4±49.9,N∶P=12.0±2.4,說明駱駝刺能夠保持較高的內(nèi)穩(wěn)態(tài),這也可能是它能在新疆廣泛分布的重要原因。

(4)本研究中,只有極端干旱的托克遜種群表現(xiàn)出明顯的干旱適應(yīng)特征：表皮和蠟質(zhì)極厚,蠟質(zhì)非常致密;各個(gè)器官氣孔密度顯著大于其他兩個(gè)地區(qū)。相對(duì)干旱的策勒種群比相對(duì)濕潤(rùn)的阜康種群葉表皮增厚,蠟質(zhì)致密,但氣孔密度卻小得多,說明策勒種群未受到明顯的干旱脅迫,因?yàn)槠涓的軌蛞缘叵滤疄橹饕?。且策勒種群在該群落中是優(yōu)勢(shì)種,說明駱駝刺更加適應(yīng)策勒的環(huán)境條件。

通過對(duì)駱駝刺葉、莖、刺元素組成和表面結(jié)構(gòu)分析,能夠確定駱駝刺與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)程度,因而為駱駝刺的保護(hù)與開發(fā)提供重要的理論支持。

致謝：Alzhan Kurmangozhinov博士在野外采樣過程中給予幫助,新疆資源環(huán)境科學(xué)大型儀器區(qū)域中心、新疆生態(tài)與地理研究所中心實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)給予幫助，特此致謝。