栓皮櫟實生幼苗生長發(fā)育動態(tài)特征

劉琳奇，李 揚，王 謙，陳景玲?，楊喜田，樊 巍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學林學院，450002，鄭州；2.河南省林科院，450003，鄭州)

栓皮櫟(Quercusvariabilis)屬殼斗科櫟屬植物。成年樹有發(fā)達的主根，對防止山體滑坡與水土流失具有較大作用，且其蒸騰量相對較小[1]，水分消耗少，耐旱性強，為我國華北石質(zhì)山區(qū)廣泛采用的造林和水土保持樹種之一。由于栓皮櫟具有重要的經(jīng)濟價值，砍伐嚴重，造成栓皮櫟林退化嚴重，且櫟類實生幼苗受環(huán)境脅迫，生長受阻，甚至導(dǎo)致大量死苗，種群自然更新困難，這種現(xiàn)象在不少國家都有發(fā)現(xiàn)[2-4]；因而幼苗死亡的原因成為亟待探索的科學問題。許多學者認為，幼苗死亡主要因素是干旱、高溫及強光，并開展了一些單因子對櫟類幼苗脅迫影響的研究[5-7]，但不能說明栓皮櫟死苗的內(nèi)在機制。環(huán)境脅迫會使幼苗生長受阻，強光、高溫、干旱的綜合作用結(jié)果表現(xiàn)在植物幼苗的生長動態(tài)中；因此，人們逐漸關(guān)注櫟幼苗的生長動態(tài)[8-11]及生長動態(tài)過程中生物量的分配[12-14]，以探討植物應(yīng)對環(huán)境脅迫的策略。植物光合的直接產(chǎn)物是碳水化合物(糖)，其代謝直接關(guān)系植物生長，是植物代謝過程的基石和能量載體，在植物功能中起著核心作用。Hartmann[15]認為，植物是固著的有機體，無法逃脫脅迫環(huán)境，只能通過戰(zhàn)略性分配碳水化合物資源來克服壓力和維持生命。研究櫟的糖代謝[16-17]、生長進程中的運移方向，可以了解不同生長階段、不同環(huán)境條件下櫟的生長對策，如Wang等[18]研究川滇高山櫟(Quercusaquifolioides)不同季節(jié)植株體組織內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)，認為植物組織間的NSC定位方向隨季節(jié)變化，在生長季節(jié)，NSC從葉片轉(zhuǎn)移到其他組織，在冬季，NSC從根轉(zhuǎn)移到地上組織。

由于栓皮櫟幼苗多生長在干旱、半干旱地區(qū)的山地生境，人們對它的生長進程動態(tài)了解甚少，本研究通過詳細跟蹤0～3年生(播種后至越冬期本文稱為0年生)栓皮櫟幼苗的生長動態(tài)，分析栓皮櫟幼苗各個器官生物量分配規(guī)律和總糖流動規(guī)律，結(jié)合幼苗的生長動態(tài)，以期闡明幼苗生長受阻的原因與抗逆機制，為提高栓皮櫟實生苗造林技術(shù)，減少幼苗死亡率提供科學支持，同時也為深入了解植物對保水固土的動態(tài)作用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗點位于鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學林學院試驗基地(E 112°42′，N 34°43′)。該地屬暖溫帶大陸性氣候，無霜期220 d，年均降雨量640.9 mm，土壤為粉砂壤土。

2014年10月5日播種，采用點播，播種苗床南北走向，長16 m，寬2 m，共4塊，株距×行距為20 cm×30 cm，播種深4 cm。同時，為測定側(cè)根需要，在預(yù)先豎直埋于土壤中的PVC管(直徑20 cm，長度1 m，管側(cè)面打孔8個)中播種，每管播種5粒，播深4 cm，定株后每管保留3株苗。播種后澆一次水，以后不再澆水施肥，使種子在自然條件下生長，及時除草。試驗用種子來源于河南省濟源市大溝河林場，當年采收的種子經(jīng)過人工挑選出個體均勻、有光澤、無蟲害的種子，種子平均干質(zhì)量為2.9 g，種仁平均干質(zhì)量為2.5 g，出苗率64%。

2 材料與方法

2.1 幼苗采樣和生物量測定

采樣間隔第1年為每10 d采樣1次，第2年為每月采樣1次，第3年為每季度采樣1次。冬季12、1、2月停止采樣。每次采樣10株。在根側(cè)20 cm挖土壤剖面，深度稍超過根長。用鏟子順著主根輕輕向下挖，直到看見主根根尖的白色生長點為止，然后將整株苗完整取出，用水沖掉泥土，再用濾紙吸干附著水，使用卷尺和游標卡尺分別測出每株苗的莖長和莖基徑、主根長與根基徑，并記錄葉片數(shù)，測量葉面積。之后用剪刀分開莖、葉、種子、主根、側(cè)根，剝離種子的種皮，稱量各器官的總鮮質(zhì)量，然后放入烘箱中80 ℃烘干至恒質(zhì)量(3次稱量質(zhì)量變化<0.02 g)。測出栓皮櫟幼苗各器官的總干質(zhì)量，并計算出單株各器官的干質(zhì)量平均值。

圖1 根、莖、葉的生長動態(tài)Fig.1 Growth dynamics of root，stem and leaf

由于側(cè)根和根毛易斷，很難完整取出，因此用PVC管中同期苗的側(cè)根和根毛占主根的干質(zhì)量比例來計算側(cè)根和根毛的干質(zhì)量。PVC管中根的采樣方法為：挖出長有栓皮櫟幼苗的3根管共9株苗，破開PVC管，用水沖掉土壤，取出完整的根后用濾紙吸干附著水。分開種子、主根、側(cè)根和根毛，烘干得出各器官的干質(zhì)量，計算出側(cè)根和根毛占主根干質(zhì)量的比例(%)，由該比例值對應(yīng)前述主根單株干質(zhì)量計算出單株的側(cè)根和根毛干質(zhì)量值。

2.2 總糖測定

將栓皮櫟幼苗各器官烘干后的樣本磨碎，使用蒽酮比色法測定單位質(zhì)量樣本中的總糖質(zhì)量分數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 栓皮櫟幼苗根、莖、葉生長動態(tài)

1年生幼苗根、莖以垂直生長為主，側(cè)根與分枝較少。圖1為栓皮櫟幼苗根、莖、葉的生長動態(tài)圖，圖中虛線A、B、C、D、E、F為不同生長階段的節(jié)點。由圖1可以看出：10月5日播種后，幼苗主根在越冬前有一段生長期(圖a中A～B)，約2個月，平均伸長19 cm；11月底至翌年3月中旬(圖a中B～C)是主根的冬季停止生長期。在第1年3月中旬，幼苗根、莖、葉3個器官均開始生長，其中主根在3月中旬至11月底(圖a中C～D)進入1年生幼苗的快速生長期，平均伸長95 cm；莖高在3月中旬到6月初(圖b中A～B)進入快速生長期，平均增長17 cm；1年生幼苗葉片則存在2次明顯的生長期，分別為3月中旬到6月初(圖c中A～B)以及8月底到9月底(圖c中C～D)，單株葉面積分別平均增加113與70 cm2。當幼苗進入2～3年生時，莖與葉片每年均有一個明顯的生長期，其中：莖的生長期約為2個多月，分別為第2年的4月下旬到7月初(圖b中C～D)、第3年的4月中旬到7月初(圖b中E～F)，平均增長22和40 cm；葉片的生長期約為3.5個月，均為3月中旬到7月初，單株葉面積分別增加了782與2 513 cm2；但根僅有1個生長期，為第2年3月中旬至7月初，平均伸長52 cm，達到166 cm，之后主根不再顯著伸長。可以看出：幼苗主根在第1、2年生長較快，第3年后生長較慢，在冬季幼苗主根都有一個停滯生長期，為11月中旬至翌年3月中旬，這也是葉片凋落時期；莖高在第1、2年生長較慢，第3年生長較快，在每年的2個多月快速生長期后，莖生長幾乎停滯；1年生幼苗葉片在2次生長期之間(圖c中B～C)存在1個生長停滯期。

對根基徑與莖基徑進行分析，發(fā)現(xiàn)根基徑在前兩年內(nèi)沒有明顯的增長，保持在0.6 cm左右。第3年當主根長不再增加時，根基徑開始快速增長，一年內(nèi)平均增加0.8 cm，達到1.5 cm。可見栓皮櫟幼苗主根的伸長和增粗并不是同步的，其生長特性是先伸長后增粗。側(cè)根和根毛也表現(xiàn)出在第3年開始快速生長。莖基徑的生長規(guī)律表現(xiàn)出與莖高度的生長同步。

對幼苗根生長動態(tài)進行Logistic數(shù)學模型擬合，發(fā)現(xiàn)3年中根生長最大值K=182.9，R2=0.942 9，模型系數(shù)a=13.75，b=0.006 4。擬合效果較好。

3.2 栓皮櫟幼苗各器官干物質(zhì)量積累

圖2示出栓皮櫟幼苗種仁、主根、側(cè)根、莖、葉各器官干物質(zhì)量隨時間的變化。種仁干物質(zhì)量隨著根和莖葉的生長逐漸降低。冬前播種后至12月下旬種仁干物質(zhì)量有下降期，主要用于根伸長。第1年的3月初至5月初有另一個快速下降期，主要用于根伸長和莖、葉生長，當年6月初，種仁干物質(zhì)量已經(jīng)降低到0.5 g，低于種仁初始質(zhì)量的20%。

主根干物質(zhì)在第1年5月上旬開始快速增長，而主根根長在3月中旬已進入快速增長期，即3月中旬至5月上旬根以伸長為主，較少增加干物質(zhì)，而在5月上旬至11月底干物質(zhì)量增加以主根伸長為主。第2、3年4月中旬開始主根干物質(zhì)量快速積累，到11月中旬停止積累，其中第2年主根干質(zhì)量增加仍以主根伸長為主，第3年以側(cè)根和根毛的生長及根基徑增粗生長為主，且主根干物質(zhì)積累速度逐年增加。莖干物質(zhì)量從第2年開始快速增長，也表現(xiàn)出積累速度逐年增加的規(guī)律。對比可知，主根與莖在第1年和第2年積累速率較慢，第3年積累速率明顯加快。

葉片干物質(zhì)在第1年有2個積累時期，分別為3月中旬至6月初和8月底至9月底，與葉面積的生長規(guī)律相同。第2年和第3年葉片干物質(zhì)量均在3月中旬開始積累，7月初停止，在第1年的2個積累期之間葉片干物質(zhì)積累停滯。

圖2 幼苗各器官干物質(zhì)量隨時間變化Fig.2 Changes in dry biomass of seedling organs over time

3.3 栓皮櫟幼苗各器官總糖質(zhì)量分數(shù)分析

圖3 種仁、葉、莖、根總糖質(zhì)量分數(shù)隨時間變化Fig.3 Change of total sugar concentration over time in seed kernel, root, stem and leaf

植物體內(nèi)總糖由高濃度向低濃度輸送[19-21]。圖3為幼苗各器官總糖質(zhì)量分數(shù)隨時間變化圖，可知播種后，種仁總糖質(zhì)量分數(shù)迅速升高，說明1年生幼苗前期由種仁供應(yīng)營養(yǎng)物質(zhì)。在4月至6月，隨著各個器官開始生長，種仁總糖質(zhì)量分數(shù)迅速下降，同時葉片開始產(chǎn)生糖分，為二者共同供應(yīng)能量。6月中旬后，葉片總糖質(zhì)量分數(shù)高于其他器官，此時由葉片光合作用供應(yīng)植株營養(yǎng)。至秋末葉片凋落，各器官總糖質(zhì)量分數(shù)逐漸下降。

圖4 種仁與葉片總糖質(zhì)量分數(shù)差隨時間變化Fig.4 Changes in total sugar concentration difference between seed kernel and leaf with time

2、3年生幼苗葉片總糖質(zhì)量分數(shù)最高，此時由葉片光合作用供應(yīng)營養(yǎng)。由圖3可見，當糖分全部由葉片光合作用供應(yīng)后，葉片總糖質(zhì)量分數(shù)在6.5%左右，莖在4%左右，主根在3%左右，三者的波動規(guī)律基本一致，主根、莖總糖質(zhì)量分數(shù)隨葉片的總糖濃度變化而變化。冬季主根和莖的總糖質(zhì)量分數(shù)因為逐漸消耗而降低。該結(jié)果表明，2、3年生幼苗器官糖分分配機制較為穩(wěn)定，能量流是由葉片到莖再到根。2、3年生幼苗的葉片總糖質(zhì)量分數(shù)(約6%)均低于1年生幼苗(有種子時10%，種子剛耗盡后8%)，這是因為1年生幼苗有種子供應(yīng)營養(yǎng)，2、3年生幼苗變成自養(yǎng)后植株糖需求大，葉片總糖輸出高。這也是導(dǎo)致2、3年生幼苗夏季生長不旺盛的原因。

當種仁總糖質(zhì)量分數(shù)大于葉片總糖質(zhì)量分數(shù)時，以種仁為糖供應(yīng)器官，反之亦然。種仁與葉片總糖質(zhì)量分數(shù)差的變化見圖4，由圖中的分段擬合線可以看出，在第1年6月初，種仁與葉片的總糖質(zhì)量分數(shù)差為零，此時種子的功能退去，供應(yīng)器官發(fā)生變化，即為幼苗由異養(yǎng)轉(zhuǎn)為自養(yǎng)的時間點。

4 討論

植物幼苗的表型狀況、生長快慢以及停滯等表現(xiàn)，反映了外界環(huán)境對其生長的影響程度。通過詳細觀察幼苗表現(xiàn)，一方面可以掌握幼苗的生長規(guī)律和生態(tài)對策，便于科學管理和采取培育措施，另一方面也為分析環(huán)境條件對幼苗的影響，提供了詳細的信息和參照。本文對1年生栓皮櫟幼苗研究發(fā)現(xiàn)，幼苗莖和葉在夏季存在生長—停滯—再生長現(xiàn)象，此結(jié)論與Baquedano等[22]的胭脂蟲櫟(Quercuscoccifera)和冬青櫟(Quercusilex)的研究一致。冬季低溫的停滯生長是大多數(shù)植物的生態(tài)習性，但在夏季高溫，不同植物有不同的生態(tài)對策，有些植物通過自身的高抗熱性抵御脅迫，而另一些植物則通過生長停滯來避免高溫傷害[23-24]，并通過不斷調(diào)節(jié)冠層、根、莖間的干物質(zhì)分配比例，以適應(yīng)環(huán)境變化[25]。

栓皮櫟1年生幼苗地上部分在夏季停滯生長。在逆境時，幼苗通過減少莖葉生長，來保證根的生長，并以此來抵抗逆境，表明栓皮櫟幼苗通過采取躲避策略來避免環(huán)境傷害的生態(tài)習性。根在0～2年生間，以主根的垂直向下伸長為主要生長特征，平均達到165 cm，最長的可達2 m以上，Holch等[26]研究發(fā)現(xiàn)黃栗櫟(Q.macrocarpa)幼苗主根可長達1.5 m，與本文的研究結(jié)果接近。3年生后主根增長明顯減緩，以根增粗和側(cè)根生長為主，根的總干物質(zhì)量也開始快速增加。幼苗根伸長過程符合Logistic生長模型，類似還有劉國軍等[27]研究發(fā)現(xiàn)梭梭幼苗根長呈現(xiàn)出慢—快—慢的生長節(jié)奏?？梢?，在干旱和半干旱地區(qū)，栓皮櫟幼苗根生長的表現(xiàn)反映出適應(yīng)環(huán)境的生態(tài)對策，即以保障根的生長為主。此條件下根的生長分為2個階段：第1階段，以根伸長到土壤深處尋找適宜的水條件為先期策略，以保證生存必須的水；第2階段，為主根的增粗和側(cè)根量的增加階段，吸收養(yǎng)分以滿足生長的需要，為快速生長形成優(yōu)勢創(chuàng)造條件，最大效率地利用資源來提高其生態(tài)適應(yīng)性和競爭能力。

幼苗干物質(zhì)分配的比例，在葉片生長旺盛的時間段，1～2年生幼苗地下部分明顯大于地上部分，3年生幼苗則地上地下部分基本相等，在沒有葉片的時段，主根的干物質(zhì)比例，1～2年生幼苗在65%以上，3年生幼苗在60%左右。Danner等[28]在研究黃栗櫟與米氏櫟(Quercusmuhlenbergii)生長動態(tài)時發(fā)現(xiàn)米氏櫟在發(fā)芽前100 d，主根生物量占總生物量的比例一直保持在60%以上，與本文的結(jié)論相同。

剛出苗的幼苗生長由種子供給營養(yǎng)，隨著幼苗的生長，開始由葉片光合作用供應(yīng)營養(yǎng)。播種后8個月時，種仁與葉片的總糖濃度差為零，此時種仁干物質(zhì)量已經(jīng)降低到0.5 g以下，是栓皮櫟幼苗的營養(yǎng)供應(yīng)由種仁向葉片轉(zhuǎn)折的時期；但此時幼苗僅有3～5片葉子，葉面積平均僅有100 cm2左右，是幼苗最為脆弱的時期，也是1年生幼苗生長停滯期。栓皮櫟種子大小具有不均勻性，干物質(zhì)質(zhì)量低于平均值的種仁，更容易因養(yǎng)分供應(yīng)不足、碳饑餓而導(dǎo)致死苗。有學者研究發(fā)現(xiàn)，櫟類第1年生長狀況更依賴于種子儲備而不是環(huán)境條件，種子越大，其營養(yǎng)物質(zhì)儲備越多，更有利于成苗[29]；但沒有明確得出依賴種子儲備的時間段和依賴種子儲備向依賴光合提供營養(yǎng)的轉(zhuǎn)變時間。筆者確定該轉(zhuǎn)折期是幼苗最脆弱的時期，也是1年生幼苗最容易受環(huán)境脅迫而發(fā)生停滯生長或死亡的時期。2、3年生幼苗的葉片糖濃度均低于1年生幼苗，這說明2～3年生幼苗雖已進入自養(yǎng)階段，但自養(yǎng)能力不完善，因而生長緩慢。本研究僅探索總糖濃度變化，若進一步詳細研究各種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物組成成分的濃度的變化，將更有利于探討幼苗對逆境的適應(yīng)機理。

5 結(jié)論

1)0～3年生栓皮櫟幼苗抵御非生物脅迫的生態(tài)策略為保證根生長。其中根生長分為2個階段：第1階段，伸長生長，尋找適宜水環(huán)境；第2階段，根的增粗和側(cè)根量的增加，最大限度利用環(huán)境資源，提高抵御環(huán)境脅迫能力。

2)1年生栓皮櫟幼苗莖、葉在夏季存在生長停滯現(xiàn)象，此時幼苗正值種子供給營養(yǎng)與葉片光合供給營養(yǎng)的轉(zhuǎn)換期(異養(yǎng)轉(zhuǎn)自養(yǎng)階段)，對逆境抗性最弱。這2個時期之間存在密不可分的關(guān)系。

3)2、3年生栓皮櫟幼苗無生長停滯現(xiàn)象，但葉片光合作用合成的糖分不能完全滿足植株生長需求，因此即使在7、8月熱量充足條件下，生長仍不旺盛。