榆林地區(qū)不同生境下沙棘根瘤特性研究

加建斌，李 剛，張永恒，艾銀婷，陳 花

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

沙棘(Hippophae rhamnoides L.)為胡頹子科、沙棘屬的多刺落葉性灌木，多分布于歐洲和亞洲[1],我國(guó)沙棘種植非常廣泛，19個(gè)省份和自治區(qū)都有分布，約占全世界沙棘資源的90%以上[2]。沙棘是一種適應(yīng)能力強(qiáng)，生長(zhǎng)范圍廣的植物，因其抗旱、抗風(fēng)和抗沙的特性，同時(shí)能在鹽堿地生存，所以被廣泛用于水土保持及具有較高的生態(tài)價(jià)值[3]。沙棘根系發(fā)達(dá)，有較強(qiáng)的蔓延分蘗能力，且大多數(shù)根上都結(jié)有根瘤，是除了豆科植物之外，根瘤中存在有與共生內(nèi)生菌進(jìn)行固氮作用的典型植物之一。有關(guān)研究表明，沙棘根系根瘤中存在有與其共生結(jié)瘤并具有固氮能力的弗蘭克氏內(nèi)生菌[4-5]。榆林地區(qū)位于毛烏素沙地和黃土高原過(guò)渡地帶，風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重，是黃河中上游水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，通過(guò)研究該地區(qū)不同生境下沙棘根瘤的分布特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該地區(qū)沙漠化防治、水土保持及生態(tài)恢復(fù)具有積極的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

沙棘植株：選取榆林地區(qū)毛烏素沙地和黃土高原丘陵溝壑區(qū)兩種生境，不同樹(shù)齡，長(zhǎng)勢(shì)良好的沙棘植株若干。隨機(jī)選取20株，完整挖取根系。采樣植株生境概況如表1所示。 根系于密封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量。將植株根系測(cè)量結(jié)果按0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、60～70cm和70～80cm生長(zhǎng)土層分層,用游標(biāo)卡尺測(cè)量其根系直徑，按不同生長(zhǎng)土層稱取其根瘤重，并記錄數(shù)據(jù)。

1.2 沙棘根瘤石蠟包埋切片的制備

根據(jù)要求選取材料，經(jīng)固定、洗滌和脫水、透明、浸蠟、包埋、切片與貼片、脫蠟、染色、脫水、透明、封片等一系列步驟制作根瘤石蠟切片，如圖1所示。

圖1 石蠟包埋切片制作流程

表1 沙棘采樣的不同生境及樹(shù)齡概況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境沙棘根瘤分布特征

2.1.1 不同生境不同土層深度沙棘根瘤的分布情況

表2 不同生境沙棘根瘤在不同土層深度的重量分布

注：*表示p<0.05差異顯著，**表示p<0.01差異極顯著。

不同生境沙棘根瘤在不同土層深度的生長(zhǎng)情況不同。不同生境土層根瘤分布見(jiàn)表2。由表可知沙棘根瘤在不同生境不同土層深度的生長(zhǎng)情況各不相同。根瘤的生長(zhǎng)范圍在土壤0～80cm深度之間，深于80cm基本無(wú)根瘤著生。不同生境相比較，根瘤在0～10cm、10～20cm、70～80cm都存在極顯著差異(p<0.01)，在60～70cm土層存在顯著差異(p<0.05)，在20～30cm、30～40cm、40～50cm和50～60cm無(wú)顯著差異(p>0.05)。這表明在本區(qū)0～20cm土層沙土生境在根瘤極顯著少于黃土生境，在20～60cm土層中根瘤基本相同，在60～70cm土層沙土生境根瘤顯著多于黃土生境，在70～80土層沙土生境根瘤極顯著多于黃土生境。這同時(shí)也表明沙棘根瘤著生情況在不同生境主要差別在20cm之上的淺表層和60cm以下的深土層，隨土層越接近于表層沙土中根瘤生長(zhǎng)越少，隨深度的增加黃土中根瘤生長(zhǎng)越少(見(jiàn)圖2)。雖然不同生境沙棘根瘤生長(zhǎng)土層深度一致，但是主要分布土層存在差異，黃土生境中主要分布于0～40cm土層，沙土生境主要分布于10～40cm土層。前者與張吉科[6]研究結(jié)構(gòu)一致，同時(shí)也與劉洪章[7]對(duì)蒙古沙棘的研究結(jié)果一致，但是對(duì)中國(guó)沙棘的研究結(jié)果表明沙棘根瘤主要分布于10～60cm土層，存在很大不同；后者與胡建忠[8]對(duì)砒砂巖區(qū)沙棘的研究結(jié)果基本一致，砒砂巖區(qū)根瘤主要分布于10～30 cm土層，與沙土生境一樣，沙棘根瘤主要分布于相對(duì)表層土壤。

2.1.2 不同生境沙棘根瘤在不同根系直徑上生長(zhǎng)情況

根瘤生長(zhǎng)部位根系直徑在0.1～1cm之間，在側(cè)根上0～80cm土層深度分布不等。將根系直徑分為<0.1cm、0.1～0.3cm、0.3～0.6cm、0.6～1cm、>1cm五個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)出沙棘不同直徑根系上根瘤的生長(zhǎng)重量情況如下表所示：

圖2 根瘤在不同土質(zhì)的重量

表3 沙棘根瘤在不同根直徑的重量情況

由上表知，不同生境沙棘根瘤重量隨根系直徑的變化而變化。兩種生境沙棘根系直徑<0.1cm時(shí)，基本無(wú)根瘤著生；在根系直徑為0.1～0.3cm時(shí)，黃土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分別為22.85g和22.2g；在根系直徑為0.3～0.6cm時(shí)，黃土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分別為38.4和42.1g；在根系直徑為0.6～1cm時(shí)，黃土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分別為69.4和42.2g；在根系直徑>1cm時(shí)，黃土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分別為105.3和91.2g。由此可說(shuō)明沙棘根瘤隨根系直徑的增大，重量也相應(yīng)增加。同時(shí)黃土生境沙棘根瘤重量明顯多于沙土生境，說(shuō)明沙棘根瘤在黃土中結(jié)瘤能力要大于沙土，從調(diào)查采樣中也發(fā)現(xiàn)黃土中沙棘根瘤體積普遍大于沙土中。從不同土層來(lái)看，隨土層深度的增加，沙棘根瘤重量在所有根系都呈遞減趨勢(shì)，這與胡建忠[8]對(duì)砒砂巖區(qū)沙棘根瘤分布特征的研究結(jié)果一致。

2.1.3 不同生境沙棘根瘤在不同樹(shù)齡的生長(zhǎng)情況

沙棘的繁殖主要以分蘗為主，根生長(zhǎng)迅速，在一個(gè)三年生的沙棘根系上，可以看到一個(gè)分布非常廣、結(jié)瘤非常多的龐大的根瘤固氮體系[9-10]。隨沙棘樹(shù)齡的增加，孽生苗也逐漸增多，著生的根瘤量也相應(yīng)增多，從調(diào)查結(jié)果來(lái)看，不論是黃土生境還是沙土生境，沙棘根瘤重量都隨沙棘樹(shù)齡的增大而增加，同時(shí)黃土生境下根瘤著生數(shù)量高于沙地生境(見(jiàn)圖3)。沙棘根系發(fā)達(dá)，孽生苗多，所以其所覆蓋的地面面積較大，課題組曾從10年生沙棘植株中挖掘到超過(guò)15m的側(cè)根，孽生苗超過(guò)了8株。以此計(jì)算一株10年生沙棘至少可以覆蓋700m2的地面面積。黃土和沙土生境10年生沙棘如果平均以75g和60g鮮重根瘤，而鮮瘤的平均固氮活性為15.0umoLC2H4/(g·h)[11]計(jì)算的話，不同生境固氮量分別為7.88mg/h、6.3mg/h。也即一株10生黃土和沙土生境沙棘一年可以固氮量可分別達(dá)到69.03g和55.19g。

圖3 兩種生境下根瘤隨樹(shù)齡的重量

2.2不同生境沙棘根瘤形態(tài)的研究

2.2.1 外部形態(tài)

不同生境沙棘根瘤外形基本一致，根瘤都是著生于側(cè)根或主根上，為球形的瘤狀突起物，表面比較粗糙，且高低不平，幼小的當(dāng)年生根瘤多為白色，多年生根瘤顏色逐漸變深為灰褐色。這與張倩[12]和趙麗輝[13]研究結(jié)果一致。雖然兩種生境根瘤外部形態(tài)基本一致，但在根瘤大小上存在差異。沙地生境沙棘根瘤體積較小結(jié)瘤數(shù)量較多，較為分散；黃土生境沙棘根瘤體積較大，結(jié)瘤數(shù)量較少，較為集中(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同生境沙棘根瘤外形

2.2.2顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)

根據(jù)沙棘根瘤的顯微結(jié)構(gòu)，可把根瘤分為表皮、皮層和中柱構(gòu)成。皮層是由數(shù)層薄壁細(xì)胞構(gòu)成，在皮層中部的薄壁細(xì)胞中，存在大量由弗蘭克氏菌菌絲分化而形成的泡囊結(jié)構(gòu)，泡囊被認(rèn)為是弗蘭克氏菌的固氮場(chǎng)所。泡囊的多少?zèng)Q定了固氮能力的高低，泡囊越多固氮能力越強(qiáng)[14]。根瘤的中部有很明顯的中柱結(jié)構(gòu)，中柱外有類似于中柱鞘的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這些細(xì)胞被弗蘭克氏菌侵入，細(xì)胞質(zhì)也比較厚，染色偏深。曲東明[15]等通過(guò)投射電鏡對(duì)中國(guó)沙棘根瘤超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察研究，發(fā)現(xiàn)沙棘根瘤內(nèi)生菌存在菌絲、泡囊和內(nèi)生孢囊三種不同的形態(tài)，其中內(nèi)生孢囊比較少見(jiàn)。實(shí)際上這三種形態(tài)是內(nèi)生菌菌絲侵入根系的三個(gè)不同時(shí)期，早期(4～5月)體現(xiàn)了菌絲的浸入，根內(nèi)細(xì)胞只是發(fā)生了體積的增大，超微結(jié)構(gòu)可見(jiàn)菌絲圍繞在核周圍；隨著侵入的增加和菌絲的發(fā)生發(fā)育，浸染細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)泡囊，此即為中期(7～10)；后期(10月至來(lái)年3月)浸染細(xì)胞逐漸衰敗，細(xì)胞核和細(xì)胞器降解消失，最終成為一團(tuán)空殼，在顯微結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)中空透明的空泡狀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。不同生境相比較，沙土生境生長(zhǎng)的根瘤中柱結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，而黃土生境生長(zhǎng)的根瘤中柱結(jié)構(gòu)短而粗。沙土生境根瘤薄壁細(xì)胞排列稀松，細(xì)胞內(nèi)含有泡囊數(shù)量較少。黃土生境根瘤薄壁細(xì)胞排列致密，細(xì)胞內(nèi)含有的泡囊結(jié)構(gòu)較多，并且在中柱，皮層中部均有。所以從結(jié)構(gòu)來(lái)看過(guò)黃土生境根瘤的固氮活力應(yīng)強(qiáng)于沙土生境根瘤。

圖5 不同生境沙棘根瘤顯微結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論與討論

沙棘根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的分蘗能力，大多數(shù)根系都結(jié)有根瘤。而根瘤主要分布在一級(jí)側(cè)根，主根上沒(méi)有。本區(qū)不同生境沙棘根瘤都分布在0～80cm土層中，黃土生境中主要分布于0～40cm土層，沙土生境主要分布于10～40cm土層，且隨土層越接近于表層沙土生境中根瘤生長(zhǎng)越少，隨深度的增加黃土生境中根瘤生長(zhǎng)越少。不同生境沙棘根瘤隨根系直徑的增大，重量也相應(yīng)增加。同時(shí)黃土生境沙棘根瘤重量明顯多于沙土生境，說(shuō)明沙棘根瘤在黃土中結(jié)瘤能力要大于沙土。沙棘根瘤重量都隨沙棘樹(shù)齡的增大而增加，不同生境相比較黃土生境下根瘤著生數(shù)量高于沙地生境。不同生境沙棘根瘤主要分布土層雖有差異，但主要分布土層都集中在了表層土壤，這是由于在不同生境土壤溫度、通氣狀況基本相同而導(dǎo)致的[14]，同時(shí)也可能與沙棘根際微生物的分布及土壤肥力特別是氮含量有關(guān)，這有待進(jìn)一步研究。不同生境沙棘根瘤隨根系直徑的增大而增加，是由于沙棘根系大于1cm的根系基本上大多數(shù)分布在土表40cm之上，導(dǎo)致根瘤量的增多。在調(diào)查過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，在黃土生境中在7年樹(shù)齡以上的生境植株都存在較嚴(yán)重的沙棘木蠧蛾的鉆駐現(xiàn)象，但是根瘤重量減小不明顯，這可能與其孽生有關(guān)，如果主干植株收到蟲害的侵襲，其根系就補(bǔ)償性的生長(zhǎng)更多的孽生苗和發(fā)生更多的根系，以維持其活力，這有待進(jìn)一步研究。

不同生境沙棘根瘤外形基本一致，根瘤都是著生于側(cè)根或主根上，為球形的瘤狀突起物，表面比較粗糙，且高低不平，幼小的當(dāng)年生根瘤多為白色，多年生根瘤顏色逐漸變深為灰褐色。沙地生境沙棘根瘤體積較小結(jié)瘤數(shù)量較多，較為分散；黃土生境沙棘根瘤體積較大，結(jié)瘤數(shù)量較少，較為集中。沙棘根瘤沙棘根瘤包括表皮、皮層和中柱三部分結(jié)構(gòu)。它們都是由中柱分生細(xì)胞分化、發(fā)生和形成，所以和側(cè)根具有同源性[14]。不同生境相比較，沙土生境根瘤中柱細(xì)長(zhǎng)，黃土生境根瘤中柱短而粗。沙土生境根瘤細(xì)胞內(nèi)含有被染色的泡囊結(jié)構(gòu)較少。黃土生境根瘤細(xì)胞內(nèi)含有的泡囊結(jié)構(gòu)較多，并且在中柱，皮層中部均有。所以黃土生境根瘤的固氮活力強(qiáng)于沙土生境根瘤。

榆林地區(qū)處于毛烏素沙地邊緣與黃土高原過(guò)渡地帶，沙棘植株適應(yīng)性強(qiáng)，能防風(fēng)固沙。根瘤可以發(fā)揮積極的固氮作用，形成的化合物是土壤中氮素的主要來(lái)源[16]。從而提高土壤的含氮量，對(duì)保持土壤肥力，控制水土流失有著重要的作用[17]。