開口導(dǎo)管比例對(duì)栓塞脆弱性曲線類型的影響*

趙 涵 黃 瑾 張友靜 魯彥君 姜在民 蔡 靖,3

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 楊凌712100； 3. 陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 楊凌 712100)

植物的生存生長離不開木質(zhì)部管道的水分運(yùn)輸，內(nèi)聚力-張力理論認(rèn)為，水分不斷向周圍大氣中蒸騰散失而產(chǎn)生的木質(zhì)部負(fù)壓使植物水分運(yùn)輸處于亞穩(wěn)態(tài)(Dixonetal., 1895)。這種狀態(tài)下的木質(zhì)部管道內(nèi)的水柱容易被氣泡打斷，植物處于發(fā)生栓塞的風(fēng)險(xiǎn)中(Sperryetal., 1988)。植物在干旱脅迫下，木質(zhì)部壓力(木質(zhì)部水勢(shì))更低，輸水管道更易發(fā)生栓塞。栓塞的管道失去輸水功能，使植物遭受到不可逆的傷害。干旱脅迫誘導(dǎo)的栓塞已被認(rèn)為是干旱引起植物死亡的主要原因之一(Brodribbetal., 2010; Choatetal., 2018; Urlietal., 2013)。當(dāng)今，氣候變化引起極端干旱多發(fā)，研究植物抵抗栓塞、適應(yīng)干旱的能力具有重要意義。

植物抵抗栓塞的能力已成為評(píng)估植物耐旱性的重要指標(biāo)，這可通過栓塞脆弱性曲線(vulnerability curve，以下簡稱VC)來反映，它描述的是木質(zhì)部水勢(shì)與栓塞程度的關(guān)系(Tyreeetal., 2002)。VC的建立方法有多種，常用方法主要有自然干燥法(Sperryetal., 1988)、離心機(jī)法(Alderetal., 1997; Cochard, 2002; Cochardetal., 2005; Pockmanetal., 1995)、壓力套法(Cochardetal., 1992; 2013a)。其中，離心機(jī)法的原理是用離心力模擬活體植物中的木質(zhì)部負(fù)壓，通過不斷增大離心力來誘導(dǎo)枝條產(chǎn)生栓塞并測(cè)定其導(dǎo)水率損失，利用該方法能夠在2 h內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)完整的栓塞脆弱曲線，具有操作簡單、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為建立VC的主要手段之一。根據(jù)裝置設(shè)計(jì)不同，離心機(jī)方法分為多種，主要區(qū)別在于栓塞程度測(cè)定方式不同。其中Cochard發(fā)明的Cavitron離心技術(shù)相比于其他離心機(jī)法，可以同步進(jìn)行栓塞誘導(dǎo)和栓塞程度測(cè)定，僅使用1根枝條就能構(gòu)建完整的VC，更加省時(shí)(Cochard, 2002)。根據(jù)VC形狀特點(diǎn)，可大致分為3種類型，即“s型”、“r型”及介于二者之間的“中間型”(Cochardetal., 2013a)。其中，“s型”VC指的是栓塞程度在木質(zhì)部水勢(shì)下降到臨界值之前幾乎為零，這個(gè)臨界值往往小于植物日常生長中經(jīng)歷的最小木質(zhì)部水勢(shì)(正午時(shí)的水勢(shì))，曲線在此臨界值之前表現(xiàn)為非常平緩，只有當(dāng)木質(zhì)部水勢(shì)降低到臨界值之后才逐漸發(fā)生栓塞，隨著水勢(shì)的降低，曲線變得陡峭，表明導(dǎo)水率損失急劇增大，栓塞程度增加。然而“r型”曲線沒有栓塞發(fā)生的臨界值，木質(zhì)部水勢(shì)從零稍降低之后，栓塞程度即陡然增加，曲線表現(xiàn)為一開始就十分陡峭(圖1)。目前，絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為離心機(jī)建立的“s型”VC可真實(shí)反映植物的栓塞脆弱性，而離心機(jī)建立的“r型”VC的真實(shí)性則存在很大爭(zhēng)議，認(rèn)為“r型”VC不符合植物的水分關(guān)系，嚴(yán)重高估了栓塞脆弱性(Choatetal., 2010; Martin-StPauletal., 2014; Wangetal., 2014)。應(yīng)用離心機(jī)法，導(dǎo)管比較短的散孔材樹種主要呈現(xiàn)“s型”VC，而導(dǎo)管比較長的環(huán)孔材樹種主要呈現(xiàn)“r型”VC(Cochardetal., 2013a)。

圖1 木質(zhì)部栓塞脆弱性曲線(VCs)示意

對(duì)離心機(jī)法建立的“r型”VC成因探究中，前人認(rèn)為長導(dǎo)管樹種的VC存在因“開口導(dǎo)管”造成的栓塞假象，即當(dāng)被測(cè)植物最大導(dǎo)管長度超過離心機(jī)轉(zhuǎn)子長度時(shí)，切取的離心枝條中就會(huì)不可避免地出現(xiàn)無導(dǎo)管端壁的兩端開口的導(dǎo)管(圖2A中黑點(diǎn)填充的導(dǎo)管)或者開口到離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(圖2A中黑色填充的導(dǎo)管)。目前，開口導(dǎo)管造成栓塞假象的物理機(jī)制尚未有定論，Cochard等(2005； 2010)認(rèn)為在開口導(dǎo)管中，由于沒有導(dǎo)管端壁或紋孔膜的過濾，導(dǎo)管中的小氣泡或雜質(zhì)微粒會(huì)向負(fù)壓最小的轉(zhuǎn)子中心移動(dòng)，最終聚集成核，在木質(zhì)部負(fù)壓較大時(shí)就會(huì)引發(fā)導(dǎo)管空穴化(圖2B)，從而使導(dǎo)管喪失導(dǎo)水功能，如果開口導(dǎo)管占到一定比例就會(huì)使離心枝條木質(zhì)部負(fù)壓較大時(shí)表現(xiàn)出較大程度的栓塞，從而高估了植物的栓塞脆弱性。然而，導(dǎo)管較短的散孔材離心枝條大多數(shù)導(dǎo)管是具有2個(gè)端壁的完整導(dǎo)管(圖2中灰色填充的導(dǎo)管)，導(dǎo)管端壁上的紋孔膜可以過濾掉微小氣泡或雜質(zhì)，阻止其向中心點(diǎn)移動(dòng)，避免了較早栓塞。近10年來，越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了栓塞假象的存在，，但多集中在離心機(jī)法與其他方法建立VC的比較(Choatetal., 2010; Jacobsenetal., 2012; McElroneetal., 2012; Tobinetal., 2013; Torres-Ruizetal., 2014; Yinetal., 2019)、同種植物不同樣本長度對(duì)離心機(jī)VC影響的檢驗(yàn)(Cochardetal., 2010; Sperryetal., 2012)、假象成因的探究(Lopezetal., 2019; Pivovaroffetal., 2016; Wangetal., 2014)等方面。在種間水平探究開口導(dǎo)管比例的多少對(duì)VC類型的影響，還未見報(bào)道。

圖2 離心枝條開口導(dǎo)管情況示意

本研究以9種具有不同導(dǎo)管長度的樹種為對(duì)象，采用Cavitron離心機(jī)法建立栓塞脆弱性曲線，采用注氣法測(cè)定導(dǎo)管長度，探究開口導(dǎo)管比例與VC曲線類型的關(guān)系，以驗(yàn)證“開口導(dǎo)管”造成的栓塞假象，為離心機(jī)法評(píng)估植物栓塞抗性的可靠性提供參考，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估植物抗栓塞能力的大小，為生態(tài)建設(shè)中抗旱樹種的選擇提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)校園內(nèi)(34°16′N，108°07′E)，海拔457 m，地處陜西關(guān)中平原中部，暖溫帶半濕潤半干旱氣候，年均氣溫12.9 ℃，無霜期221天，年均蒸發(fā)量884 mm，年均降水量651 mm。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2018年10—11月，選取生長于西北農(nóng)林科技大學(xué)校園和苗圃內(nèi)的9種生長良好的喬木樹種： 刺槐(Robiniapseudoacacia)、桑(Morusalba)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、女貞(Ligustrumlucidum)、桃(Amygdaluspersica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、元寶槭(Acertruncatum)、榛(Corylusheterophylla)、秦白楊[Populusalba‘I-101’× (P.alba×P.glandulosa‘84K’)]。于清晨采集當(dāng)年生或1年生枝條(基部直徑至少為6 mm，長度至少為1 m)，將其裝入帶有濕紙的黑色塑料袋，在30 min內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。

根據(jù)Cavitron離心機(jī)轉(zhuǎn)子直徑(27.4 cm)，將9個(gè)樹種分為3類： 長導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度>15 cm，刺槐、桑、紫薇)、中導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度10～15 cm，女貞、桃、沙棘)和短導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度<10 cm，元寶槭、榛、秦白楊)。

2.2 研究方法

2.2.1 栓塞脆弱性曲線(VC)的建立 應(yīng)用改進(jìn)的Cavitron離心機(jī)(ChinatronH2100R, 湘儀離心機(jī)儀器有限公司, 湖南, 中國)建立VC，具體方法參考Cochard(2002)、Cochard等(2005)和Wang等(2014)。先在水下切割基部直徑5.5～7.5 mm、長度274 mm的枝條莖段，用鋒利的單面刀片將切口修整平滑，再用經(jīng)過抽真空脫氣和凈化處理的0.1 mol·L-1KCl溶液在0.12 MPa下沖洗30 min，然后迅速將莖段兩端浸入裝有0.1 mol·L-1KCl溶液的比色杯中，置入離心機(jī)，在1 000 r·min-1轉(zhuǎn)速(相當(dāng)于木質(zhì)部水勢(shì)=-0.088 3 MPa)下離心20 min，測(cè)定最大導(dǎo)水率(Kmax)。逐步升高轉(zhuǎn)速獲得從高到低的一系列水勢(shì)值，每個(gè)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定2 min后測(cè)定導(dǎo)水率(Kh)，計(jì)算導(dǎo)水率損失百分?jǐn)?shù)(percentage loss of hydraulic conductivity, PLC)：

PLC=(1-Kh/Kmax)×100%。

(1)

當(dāng)PLC值達(dá)到95%以上時(shí)可視為導(dǎo)管完全栓塞，離心結(jié)束。將得到的木質(zhì)部水勢(shì)值(Ψ, MPa)與對(duì)應(yīng)的PLC值用單威布爾函數(shù)(公式2)或雙威布爾函數(shù)(公式3)擬合得到VC。

(2)

(3)

式中： λ，b，c，b1，c1，b2，c2均為參數(shù)。λ值為第1條威布爾曲線所能達(dá)到的最大PLC值； 當(dāng)Ψ的絕對(duì)值等于b值時(shí)，公式(2)的左邊恒等于0.632，故而b值等于PLC為63.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的木質(zhì)部水勢(shì)的絕對(duì)值，b值越大代表植物栓塞脆弱性越??；c值為形狀參數(shù)，代表著曲線在b值點(diǎn)的斜率，c值越大表示曲線在b值點(diǎn)的斜率越大，曲線越陡峭(Neufeldetal., 1992; Lietal., 2008; Caietal., 2010)。

在植物水力學(xué)研究中，通常使用P12、P50、P88(分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)水率損失12%、50%、88%時(shí)的木質(zhì)部水勢(shì))描述植物的栓塞脆弱性，P12可定義為栓塞起始點(diǎn)水勢(shì)值，P50為木質(zhì)部輸水功能障礙點(diǎn)水勢(shì)值，P88為栓塞致死點(diǎn)水勢(shì)值(Sparksetal., 1999; Domecetal., 2001; Fichotetal., 2015)。對(duì)于單威布爾函數(shù)擬合的VC，分別使用公式(4)—(6)計(jì)算P12、P50、P88：

P12=b(-ln0.88)1/c；

(4)

P50=b(-ln0.5)1/c；

(5)

P88=b(-ln0.12)1/c。

(6)

式中：b和c為單威布爾函數(shù)擬合得到的參數(shù)。

對(duì)于雙威布爾函數(shù)擬合的VC，使用EXCEL中的單變量求解功能計(jì)算P12、P50、P88。

每個(gè)樹種重復(fù)6根枝條。

2.2.2 導(dǎo)管長度的測(cè)定 導(dǎo)管長度測(cè)定采用注氣法，具體操作方法見張玲玲等(2016)。將采集的枝條基部用鋒利的刀片修整平滑后連接到塑料軟管上，在0.1 MPa壓力下注入空氣，枝條末端浸入水槽中，并在水下用修枝剪連續(xù)剪掉2 cm長度的莖段，直至枝條末端出現(xiàn)第1個(gè)氣泡，此時(shí)剩余的枝條長度即為最大導(dǎo)管長度(Lmax)。適量剪短枝條以使枝條排出更多氣泡(視樹種而異)，記錄剩余的枝條長度(x)，用排水法收集枝條末端排出的氣體(V)，記錄收集的時(shí)間(t)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)氣體體積流量(即流速Q(mào)=V/t)。連續(xù)剪短一定長度的莖段(視樹種而異)，獲得一系列的Q值。將乘積Qx的自然對(duì)數(shù)值與x進(jìn)行線性回歸，得到斜率k。每個(gè)樹種重復(fù)6根枝條。則平均導(dǎo)管長度Lv=-2/k。導(dǎo)管長度概率密度分布函數(shù)為：

P(x)=k2xekx。

(7)

式中：x為莖段長度，k為斜率。

距離離心枝條一端xcm處的開口導(dǎo)管比例可以通過下式計(jì)算：

F(x)=(1-kx)ekx。

(8)

式中：x為莖段長度，k為斜率。

根據(jù)公式(8)計(jì)算兩端開口的導(dǎo)管(x=27.4 cm，圖2A中黑點(diǎn)填充的導(dǎo)管)和開口至轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(x=13.7 cm，圖2A中黑色填充的導(dǎo)管)的比例，分別記為F27.4和F13.7。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，在0.05水平采用Turkey法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)9個(gè)樹種的栓塞脆弱性、最大導(dǎo)管長度、平均導(dǎo)管長度以及開口導(dǎo)管比例的差異顯著性。使用Pearson法在0.05水平檢驗(yàn)栓塞脆弱性和開口導(dǎo)管比例是否顯著相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 栓塞脆弱性曲線(VC)類型和栓塞脆弱性

長導(dǎo)管樹種(刺槐、桑、紫薇)和短導(dǎo)管樹種(元寶槭、榛)的栓塞脆弱性曲線可使用單威布爾函數(shù)良好地?cái)M合，中導(dǎo)管樹種(女貞、沙棘、桃)和短導(dǎo)管樹種秦白楊的VC使用雙威布爾函數(shù)擬合的精度更高，具體擬合參數(shù)值見表1。長導(dǎo)管樹種中，刺槐和桑的VC呈現(xiàn)“r型”，紫薇的VC呈“s型”(圖3A)。刺槐和桑的PLC值增長很快，分別在-0.3 MPa和-0.5 MPa時(shí)達(dá)到50%的PLC(表2)。雖然紫薇的P12和P50值比刺槐和桑更低，但是紫薇的威布爾函數(shù)c值更大，VC趨勢(shì)更陡峭，說明其導(dǎo)水率損失速度更快。中導(dǎo)管樹種均呈現(xiàn)由2條“s型”曲線組成的雙威布爾曲線(圖3B)，女貞和沙棘的VC相似，第1條“s型”曲線比第2條“s型”曲線更陡峭，說明女貞和沙棘開始時(shí)導(dǎo)水率損失速度很快，分別達(dá)到48.67%和55.73%的PLC后(表1中的λ值)，導(dǎo)水率的損失速度變慢，女貞和沙棘分別在-6.40 MPa和-4.16 MPa時(shí)達(dá)到88%的PLC(P88值，表2)。中導(dǎo)管樹種桃VC不同于沙棘和女貞，其VC雖然可以用雙威布爾函數(shù)擬合，但是，第1條“s型”曲線能達(dá)到的最大PLC僅為12.45%，更接近于單威布爾“s型”，栓塞發(fā)生的木質(zhì)部水勢(shì)臨界值(P12=-2.11 MPa)顯著低于沙棘和女貞(表2)。桃雙威布爾函數(shù)c2值顯著大于女貞和沙棘，P88值顯著低于女貞，說明導(dǎo)水率損失的速率比女貞和沙棘更快。短導(dǎo)管樹種元寶槭和榛的VC均呈“s型”(圖3C)，即當(dāng)木質(zhì)部水勢(shì)降低到一定臨界值(P12)時(shí)才開始發(fā)生栓塞，在此臨界值之前幾乎不發(fā)生栓塞。而秦白楊的VC不同于元寶槭和榛，呈現(xiàn)由2條“s型”曲線組成的雙威布爾曲線(圖3C)。短導(dǎo)管樹種中秦白楊的P12、P50、P88值均為最大，P12值顯著高于元寶槭和榛(表2)，說明秦白楊的栓塞脆弱性最大，其次為榛，元寶槭的栓塞脆弱性最小。

表1 9個(gè)樹種栓塞脆弱性曲線擬合參數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)①

①不同小寫字母代表存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異(P< 0.05)。下同。The different lower cases indicate statistically significant difference (P< 0.05).The same below.

表2 9個(gè)樹種的栓塞脆弱性(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)①

①P12、P50、P88分別代表導(dǎo)水率損失12%、50%、88%時(shí)對(duì)應(yīng)的木質(zhì)部水勢(shì)值。下同。P12,P50,P88represent xylem water potential causing 12%，50%，88% hydraulic loss, respectively. The same below.

圖3 9個(gè)樹種的栓塞脆弱性曲線

3.2 導(dǎo)管長度與開口導(dǎo)管比例

9個(gè)樹種中，最大導(dǎo)管長度(Lmax)最大的3個(gè)樹種是桑、紫薇和女貞(> 80 cm)(圖4)。長導(dǎo)管樹種刺槐的Lmax與中導(dǎo)管樹種桃和沙棘無顯著性差異(均在60 cm左右)。在短導(dǎo)管樹種中，Lmax最大的是秦白楊，約40 cm，顯著高于榛和元寶槭(均小于20 cm)。長導(dǎo)管樹種中平均導(dǎo)管長度(Lv)最大的是刺槐和桑，顯著高于紫薇，3個(gè)樹種的Lv值均在16 cm以上。中導(dǎo)管樹種的Lv值沒有表現(xiàn)出差異性(均在13 cm左右)，且均顯著小于長導(dǎo)管樹種。短導(dǎo)管樹種的Lv值均小于5 cm，顯著小于長導(dǎo)管和中導(dǎo)管樹種，其中元寶槭和桃的Lv值無顯著性差異，但顯著低于秦白楊。長導(dǎo)管樹種刺槐和桑的導(dǎo)管長度概率分布模式相近，大于27.4 cm的導(dǎo)管概率累積值較紫薇更大(圖5A)。中導(dǎo)管3個(gè)樹種導(dǎo)管長度概率分布模式均相近，絕大多數(shù)導(dǎo)管長度在27.4 cm以下(圖5B)。短導(dǎo)管樹種中榛和元寶槭的導(dǎo)管長度概率分布模式相近，絕大部分導(dǎo)管在5 cm以下，秦白楊的導(dǎo)管長度分布更廣(圖5C)，5 cm以上的導(dǎo)管依然占據(jù)了很大比例(39%左右)。

圖4 9個(gè)樹種的平均導(dǎo)管長度(Lv)和最大導(dǎo)管長度(Lmax)

長導(dǎo)管樹種27.4 cm處的開口導(dǎo)管比例(F27.4)達(dá)20%左右，13.7 cm處的開口導(dǎo)管(F13.7)達(dá)60%左右，其中刺槐和桑的開口導(dǎo)管比例最大，顯著高于其他7個(gè)樹種(圖6)。中導(dǎo)管樹種F27.4達(dá)10%左右，F(xiàn)13.7達(dá)40%左右，3個(gè)樹種均無顯著性差異。短導(dǎo)管樹種的F27.4均小于0.1%，秦白楊的F13.7最大(2.68%)，但3個(gè)樹種均無顯著性差異。

3.3 開口導(dǎo)管比例和栓塞脆弱性的關(guān)系

開口導(dǎo)管比例與栓塞脆弱性顯著相關(guān)(圖7)。除P88外，F(xiàn)27.4和F13.7與P12、P50均有顯著正相關(guān)性(P< 0.05)，即開口導(dǎo)管比例越多，植物栓塞脆弱性越高。F27.4、F13.7與P50的相關(guān)性均最強(qiáng)(圖7B、E)，而與P88相關(guān)性均不顯著(圖7C、F)。

圖5 9個(gè)樹種的導(dǎo)管長度分布

圖6 9個(gè)樹種兩端開口的導(dǎo)管(F27.4)和開口至轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(F13.7)的比例

4 討論

本研究顯示，9個(gè)樹種的P12、P50值與開口導(dǎo)管的比例顯著相關(guān)，說明開口導(dǎo)管比例的多少能顯著影響栓塞脆弱性?！皻夥N”假說(air-seeding hypothesis)(Sperryetal., 1988)和“紋孔面積”假說(Christmanetal., 2009)認(rèn)為，植物木質(zhì)部栓塞脆弱性大小主要由木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征決定，尤其是導(dǎo)管或管胞之間的紋孔膜性質(zhì)。種間比較發(fā)現(xiàn)，P50值與紋孔膜面積(Wheeleretal., 2005; 張海昕等, 2013)、紋孔膜上微孔的大小(Jansenetal., 2009)、紋孔膜厚度(Lietal., 2016)顯著相關(guān)。開口導(dǎo)管數(shù)量不是木質(zhì)部固有的結(jié)構(gòu)特征，是人為切割離心枝條造成的，如果開口導(dǎo)管的數(shù)量能顯著改變VC的類型，進(jìn)而影響植物栓塞脆弱性測(cè)定的真實(shí)性，那么通過離心機(jī)法測(cè)定的栓塞脆弱性可能存在開口導(dǎo)管造成的栓塞假象。

圖7 開口導(dǎo)管比例與栓塞脆弱性的關(guān)系

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，“r型”VC存在“開口導(dǎo)管”引起的栓塞假象，但是存在開口導(dǎo)管并不一定會(huì)導(dǎo)致“r型”VC的產(chǎn)生，二者不能混淆。開口導(dǎo)管栓塞假象的生理學(xué)依據(jù)是，植物的栓塞脆弱性曲線反映出的栓塞起始點(diǎn)的木質(zhì)部水勢(shì)遠(yuǎn)高于植物日常生存所經(jīng)歷的水勢(shì)范圍(Cochardetal., 2013b)。這意味著植物必須在每天的生存生長中經(jīng)歷很大程度的栓塞。目前，盡管有學(xué)者認(rèn)為植物可以通過某種機(jī)制進(jìn)行主動(dòng)的日常栓塞修復(fù)，但是這些栓塞修復(fù)假說缺少有力實(shí)驗(yàn)證據(jù)(Sperry, 2013; Wheeleretal., 2013)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為植物日常經(jīng)歷的水勢(shì)范圍應(yīng)高于發(fā)生栓塞的木質(zhì)部水勢(shì)臨界值，因此，正常生長的植物不會(huì)經(jīng)歷頻繁的栓塞。當(dāng)面臨水分脅迫時(shí)，植物可以通過氣孔調(diào)節(jié)機(jī)制調(diào)節(jié)水勢(shì)，緩解水分脅迫壓力，保障植物的主要水力系統(tǒng)不受傷害(Hochbergetal., 2017; Liuetal., 2015; Martin-StPauletal., 2017; Martinez-Vilaltaetal., 2017; Tombesietal., 2014; 2015)。本研究中，只有長導(dǎo)管植物桑和刺槐的VC展示出“r型”(圖1A)，但是并不能認(rèn)為只有這2個(gè)樹種具有開口導(dǎo)管造成的栓塞假象。本試驗(yàn)研究區(qū)生長季一天中最低水勢(shì)小于-1 MPa[參考Wang等(2014)中的Fig.3a]，將-1 MPa代入公式(2)或公式(3)可以得到各樹種在-1 MPa下的PLC。紫薇在此水勢(shì)下的PLC高達(dá)94.58%，超過了致死栓塞程度(88%)，水力系統(tǒng)幾乎完全喪失功能，所以盡管紫薇的VC呈現(xiàn)“s型”，但是其VC真實(shí)性也要受到質(zhì)疑。中導(dǎo)管樹種沙棘在此水勢(shì)下的PLC為45.53%，女貞為29.09%，二者VC呈現(xiàn)雙威布爾的“中間型”，雖然少有研究質(zhì)疑“中間型”曲線的真實(shí)性，但這類曲線依然有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。中導(dǎo)管樹種的F27.4較少，只有10%左右，而F13.7卻達(dá)到了40%，具有這種高比例F13.7的樹種往往會(huì)產(chǎn)生“中間型”曲線(Lopezetal., 2019)。然而中導(dǎo)管樹種桃雖然開口導(dǎo)管比例與沙棘、女貞無異，但是其VC類型更接近于“s型”。桃的木質(zhì)部栓塞起始水勢(shì)小于-2 MPa，日常水分運(yùn)輸相對(duì)安全，這似乎符合植物的水分關(guān)系。Yin等(2019)采用Cavitron離心機(jī)、Sperry離心機(jī)、自然干燥法建立了桃的脆弱性曲線，發(fā)現(xiàn)3種方法建立的VC一致，并提出桃雖然有一定比例的開口導(dǎo)管存在，但其VC也是可信的。然而，本研究中，桃枝條在離心測(cè)定前，枝條基部分泌的桃膠可能會(huì)堵塞導(dǎo)管，也包括開口導(dǎo)管，離心開始時(shí)測(cè)定的初始導(dǎo)水率已不包含這部分堵塞導(dǎo)管的導(dǎo)水貢獻(xiàn)，這就可能減輕了開口導(dǎo)管造成的影響。

長導(dǎo)管樹種紫薇VC呈現(xiàn)“s型”，不同于刺槐和桑，但其栓塞發(fā)生的臨界值為-0.61 MPa，大于植物日常經(jīng)歷的最小水勢(shì)值，這可能與離心機(jī)測(cè)定時(shí)的起始負(fù)壓有關(guān)。Cavitron離心機(jī)產(chǎn)生的離心力有兩方面作用： 一方面是產(chǎn)生誘導(dǎo)栓塞的負(fù)壓，一方面是產(chǎn)生驅(qū)使水分在枝條內(nèi)流動(dòng)的壓力差(Cochard， 2002)。離心枝條最大導(dǎo)水率的測(cè)定需要在較高負(fù)壓下進(jìn)行，該負(fù)壓還未能誘導(dǎo)產(chǎn)生栓塞，但Cavitron離心機(jī)法測(cè)定VC的起始負(fù)壓值并沒有固定要求，在實(shí)際操作中可視具體情況而定，如Cochard等(2005)設(shè)定的起始負(fù)壓值為-0.5 MPa，Martin-StPaul等(2014)設(shè)定為-0.1 MPa，Yin等(2019)設(shè)定為-0.083 MPa。若將建立紫薇VC的起始負(fù)壓設(shè)定為-0.5 MPa，可能會(huì)改變VC類型，成為“r型”。同樣地，若將雙威布爾VC樹種的起始負(fù)壓也設(shè)定為-0.5 MPa，雙威布爾的第1段“s型”曲線可能會(huì)變成“r型”。

短導(dǎo)管樹種中秦白楊的VC異常于元寶槭和榛，這也許與其存在少量比例的開口導(dǎo)管有關(guān)。Cai等(2010)使用Cavitron離心機(jī)得到了美洲山楊(Populustremuloides)的“s型”VC，并推斷出離心機(jī)法更適合建立平均導(dǎo)管長度小于3.8 cm的樹種的VC。美洲山楊的平均導(dǎo)管長度在3 cm左右，本研究中，元寶槭和榛的平均導(dǎo)管長度均小于3.8 cm，其VC均呈現(xiàn)“s型”，這符合Cai等(2010)的推斷。秦白楊的平均導(dǎo)管長度大于3.8 cm，曲線呈現(xiàn)2條“s型”曲線組成的雙威布爾形，這可能與其相對(duì)較長的導(dǎo)管有關(guān)。Lopez等(2019)建立CAVITOPEN模型定量模擬了開口導(dǎo)管對(duì)于離心機(jī)VC的影響，發(fā)現(xiàn)只要存在開口導(dǎo)管就會(huì)造成離心機(jī)VC的栓塞假象，即使在短導(dǎo)管樹種中，被切開的導(dǎo)管也會(huì)在較高的負(fù)壓下造成導(dǎo)水率部分損失，形成雙威布爾形曲線，而且開口導(dǎo)管越多，雙威布爾曲線的“λ值”就會(huì)越大，當(dāng)“λ值”較大時(shí)(如大于80)，VC就呈現(xiàn)“r型”。如Wang等(2014)使用單威布爾函數(shù)和雙威布爾函數(shù)擬合了刺槐的VC，發(fā)現(xiàn)雙威布爾擬合效果更佳，但雙威布爾曲線的第2段曲線只能解釋22%的PLC(λ值為78)，所以曲線類型近似單威布爾“r型”。同樣地，本研究的結(jié)果也支持了Lopez等(2019)建立的CAVITOPEN模型，如果不考慮特殊的桃，隨著導(dǎo)管長度增大，開口導(dǎo)管增多，λ值也在變大，曲線由“s型”變成“中間型”，最后變成“r型”。

由于技術(shù)限制，大多數(shù)植物栓塞脆弱性的研究技術(shù)(如離心機(jī)法、壓力套法、自然干燥法)是利用離體植物組織或器官進(jìn)行，這些方法或多或少都會(huì)存在人為假象。近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步，X射線顯微斷層攝影技術(shù)(X-ray microtomography, microCT)(Choatetal., 2016; Cochardetal., 2015)與核磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging, MRI)(Choatetal., 2010)實(shí)現(xiàn)了對(duì)完整活體植物栓塞水平的無創(chuàng)檢測(cè)，既精確評(píng)估了植物的栓塞脆弱性，又為其他方法的評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。Lopez等(2019)利用microCT技術(shù)證明離心枝條的兩端栓塞最多(開口導(dǎo)管引起的栓塞假象)，轉(zhuǎn)子中心部分因?yàn)橥暾麑?dǎo)管最多，所以栓塞最少。未來的研究需要利用這些新技術(shù)更全面地闡釋開口導(dǎo)管形成栓塞假象的物理機(jī)制。

5 結(jié)論

本研究在種間水平驗(yàn)證了開口導(dǎo)管比例能顯著影響Cavitron離心機(jī)法建立的栓塞脆弱性曲線類型，當(dāng)開口導(dǎo)管比例極少時(shí)，脆弱曲線呈“s型”，隨著開口導(dǎo)管比例增多可能會(huì)造成“r型”曲線以及介于“s型”與“r型”之間的“中間型”曲線。此結(jié)論進(jìn)一步支持了開口導(dǎo)管栓塞假象的假說，為Cavitron離心機(jī)法測(cè)定栓塞脆弱性時(shí)的樹種選擇提供了理論依據(jù)。為獲得可靠的栓塞脆弱性數(shù)據(jù)，基于本研究，建議使用Cavitron離心機(jī)法前，先測(cè)定樹種的導(dǎo)管長度，計(jì)算離心枝條開口導(dǎo)管比例，最后選擇開口導(dǎo)管比例極少的樹種進(jìn)行測(cè)定。