冬季覆土厚度對樹莓生長、水力結構和部分生理指標的影響

呂英忠，陳漢鑫，代永欣，張擁兵，王 林，①

(山西農(nóng)業(yè)大學： a. 果樹研究所，b. 林學院，山西 太谷 030801)

樹莓(RubusidaeusLinn.)的中文學名為復盆子，隸屬于薔薇科(Rosaceae)懸鉤子屬(RubusLinn.)，主要分布在北半球的溫帶地區(qū)。樹莓果實營養(yǎng)豐富，富含多種糖、有機酸、維生素和礦質(zhì)元素，還含有黃酮類和酚類等成分，被認為是第3代水果和保健食品，發(fā)展前景廣闊[1-3]。樹莓在歐美地區(qū)廣泛栽培，近年來在國內(nèi)也開始種植[4]。目前，國內(nèi)有關樹莓的研究主要集中在引種試驗、抗性評價、水肥管理、果實品質(zhì)和功能性成分分析以及品種繁育等方面[5-6]，而關于其生理生態(tài)特征的深入研究卻較少，不利于針對樹莓制定高效的栽培管理措施。

樹莓的地上部主要由當年生枝條和二年生枝條組成，且結果枝條主要為二年生枝條，但筆者在前期研究中發(fā)現(xiàn)樹莓二年生枝條的生長勢及葉片大小較當年生枝條差。雖然樹莓的適應性較強[7]，并具有一定的抗旱性[8-9]，但抗寒性不強，在寒冷地區(qū)越冬需要采取埋土防寒措施[4]。相關研究結果表明：低溫冰凍可導致植物體內(nèi)氣穴栓塞，增加栓塞脆弱性，破壞木質(zhì)部的水分輸導功能[10]，進而影響植物的光合作用和碳代謝[11]。據(jù)此推測，低溫冰凍可能是導致樹莓二年生枝條生長變差的主要原因[12-13]，但目前尚無直接的實驗證據(jù)。

鑒于此，以樹莓品種‘Royalty’的當年生枝條和二年生枝條(冬季覆土厚度分別為15和30 cm)為研究對象，對6月和8月各處理的二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量、單小葉面積和小葉比葉質(zhì)量、枝條水力結構、葉光合特性以及葉和枝條的非結構性碳含量進行了比較，并對不同處理枝條的栓塞脆弱性曲線進行了分析，以期探討冬季覆土厚度對樹莓生長、水力結構、葉光合特性以及葉和枝條的非結構性碳含量的影響，初步分析樹莓二年生枝條生長變差與其水力結構改變的關系，為華北和黃土高原區(qū)樹莓冬季防寒措施制定提供參考依據(jù)。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

本研究在山西省太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學果樹研究所試驗基地(東經(jīng)112°30′21″、北緯37°20′59″)完成。該區(qū)域屬溫帶大陸性季風氣候，年均溫5 ℃～10 ℃，1月均溫-6.4 ℃，極端最低溫-21.0 ℃，年均降水量458 mm，年均太陽總輻射量5 100 MJ·m-2，年均日照時數(shù)2 500～2 600 h，無霜期160～190 d。

1.2 材料

選擇基地內(nèi)種植的引自沈陽農(nóng)業(yè)大學的樹莓品種‘Royalty’進行實驗。供試樣株為2018年春季定植的植株，行距2.5 m、株距0.6 m。嚴重缺水時進行溝灌補水。

1.3 研究方法

1.3.1 枝條冬季覆土處理 在冬季來臨前(2018年11月上旬)，將樹莓枝條沿地面水平放置，在生長狀況相近的鄰行樣株枝條上分別覆蓋厚度15和30 cm的土壤進行防寒處理，分別記為T2和T3組。每個處理組3行，記為3個生物學重復，每行約15株。以樣株基部萌發(fā)的枝條作為當年生枝條，記為T1組。

1.3.2 二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量測定 分別在2019年6月中旬(干旱期，土壤含水量13%～15%)和8月中旬(濕潤期，土壤含水量29%～33%)，每組隨機選取6個二年生枝條，在枝條中部進行橫切，用OLYMPUS BH-2光學顯微鏡(日本Olympus公司)觀察并拍照，用ToupView軟件測量前一年年輪晚材以外部分的寬度，即二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量。

1.3.3 單小葉面積和小葉比葉質(zhì)量測定 在2019年6月中旬和8月中旬，每組隨機選取6個枝條，用LI-3100C葉面積儀(美國LI-COR公司)測量枝條中上部成熟葉中間小葉的面積，即單小葉面積；將小葉于70 ℃～80 ℃烘干2 d，用萬分之一電子天平稱量單小葉干質(zhì)量；根據(jù)公式“小葉比葉質(zhì)量=單小葉干質(zhì)量/單小葉面積”計算小葉比葉質(zhì)量。

1.3.4 枝條水力結構測定 分別在2019年6月中旬和8月中旬選擇連續(xù)晴天，每組隨機選取6個枝條，用PMS 600D水勢儀(美國PMS公司)在5：00至5：30測定枝條的凌晨水勢，在12：00至14：00測定枝條的正午水勢；參照王林等[14]的方法在12：00至14：00測定枝條的正午導水損失率，同時獲得枝條的最大比導水率。

在2019年8月中旬，每組隨機選取3個枝條，參照Wang等[15]的方法，用PMS 1505D-EXP水勢儀(美國PMS公司)測定枝條的導水率。在水下，將枝條接近基部位置剪斷；剪取枝條中部約30 cm的無分枝莖段，修平剪口；去除氣穴室內(nèi)枝條的韌皮部，用0.175 MPa高壓KCl溶液(經(jīng)0.22 μm微孔過濾器抽濾)沖洗20 min；用低壓液流測定系統(tǒng)測定枝條的最大導水率，之后用氣穴室逐漸加壓，測定不同壓力下的導水率，并計算各壓力下的導水損失率，直到導水損失率達到或接近90%時停止檢測。根據(jù)測定結果繪制枝條栓塞脆弱性曲線，并擬合方程。

1.3.5 葉光合特性指標測定 分別在2019年6月中旬和8月中旬連續(xù)晴天的9：00至11：30，每組隨機選取3～4個枝條，在每個枝條的中上部選取1枚成熟葉，用LI-6400光合儀(美國LI-COR公司)測定葉的凈光合速率、氣孔導度和水分利用效率。測定時，設定光照強度1 500 μmol·m-1·s-1，空氣CO2濃度410 μmol·mol-1。

1.3.6 葉和枝條非結構性碳含量測定 分別在2019年6月中旬和8月中旬，每組隨機選取3個枝條，采集枝條中上部的葉和枝條，采用硫酸-蒽酮法[16]測定可溶性糖和淀粉的含量，并計算非結構性碳總含量(可溶性糖含量和淀粉含量的總和)。各指標均重復測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理及單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較(LSD法)，并采用SigmaPlot軟件繪制枝條栓塞脆弱性曲線。

2 結果和分析

2.1 冬季覆土厚度對樹莓二年生枝條木質(zhì)部徑向生長和小葉生長的影響

不同處理組樹莓二年生枝條木質(zhì)部徑向生長和小葉生長的統(tǒng)計結果(表1)表明：在6月和8月，冬季覆土厚度30 cm的樹莓二年生枝條(T3組)木質(zhì)部徑向生長量和單小葉面積顯著(P<0.05)高于冬季覆土厚度15 cm的二年生枝條(T2組)；在6月和8月，T2和T3組的小葉比葉質(zhì)量顯著高于當年生枝條(T1組)，但二者間的小葉比葉質(zhì)量差異不顯著。

表1 冬季覆土厚度對樹莓枝條和小葉生長的影響

由表1還可見：在8月，各處理組的二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量及單小葉面積均高于6月，而小葉比葉質(zhì)量卻低于6月；并且，各處理組的二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量在不同月份間差異顯著，T2組的單小葉面積以及T2和T3組的小葉比葉質(zhì)量在不同月份間也差異顯著。

2.2 冬季覆土厚度對樹莓枝條水力結構的影響

不同處理組樹莓枝條水力結構的統(tǒng)計結果(表2)表明：在6月，樹莓當年生枝條(T1組)的凌晨水勢顯著(P<0.05)高于冬季覆土厚度15 cm的二年生枝條(T2組)，略高于冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條(T3組)；在8月，3個處理組間的凌晨水勢差異不顯著，表現(xiàn)為T1組最高、T2組最低。在6月和8月，3個處理組間的正午水勢和正午導水損失率差異顯著，其中，正午水勢表現(xiàn)為T1組最高、T2組最低，而正午導水損失率則表現(xiàn)為T1組最低、T2組最高。在6月，T1和T3組的最大比導水率顯著高于T2組，但二組間差異不顯著；在8月，3個處理組間的最大比導水率差異顯著，表現(xiàn)為T1組最高、T2組最低。

由表2還可見：在8月，各處理組的凌晨水勢、正午水勢和最大比導水率均高于6月，而正午導水損失率卻低于6月；并且，各處理組的凌晨水勢、正午水勢和正午導水損失率以及T1組的最大比導水率在不同月份間差異顯著。

表2 冬季覆土厚度對樹莓枝條水力結構的影響

根據(jù)不同處理組樹莓的枝條栓塞脆弱性曲線(圖1)，在0.5～2.0 MPa內(nèi)，相同木質(zhì)部壓力下T2組的導水損失率均最高，T1組的導水損失率均最低；T1、T2和T3組的木質(zhì)部壓力(x)與導水損失率(y)的擬合方程分別為y=94.42/{1+exp〔(1.20-x)/0.48〕}、y=97.43/{1+exp〔(0.68-x)/0.37〕}和y=94.86/{1+exp〔(0.91-x)/0.48〕}，R2值分別為0.981、0.998和0.993，導水損失率為50%時的水勢分別為-1.24、-0.73和-0.94 MPa。

2.3 冬季覆土厚度對樹莓葉光合特性的影響

不同處理組樹莓葉光合特性的統(tǒng)計結果(表3)表明：在6月和8月，不同處理組間樹莓葉凈光合速率和氣孔導度的差異均顯著(P<0.05)，3個處理組中，當年生枝條(T1組)的凈光合速率和氣孔導度均最高，而冬季覆土厚度15 cm的二年生枝條(T2組)的凈光合速率和氣孔導度均最低。在6月，3個處理組間的水分利用效率差異顯著，表現(xiàn)為T1組最低、T2組最高；而在8月，T1組的水分利用效率顯著低于T2組和冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條(T3組)，且T2組略低于T3組。

： 當年生枝條Annual branch； ： 冬季覆土厚度15 cm的二年生枝條Biennial branch with covering soil thickness of 15 cm in winter； ： 冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條Biennial branch with covering soil thickness of 30 cm in winter.

由表3還可見：在8月，各處理組的凈光合速率和氣孔導度顯著高于6月，而水分利用效率卻低于6月，且T1和T3組的水分利用效率顯著低于6月。

2.4 冬季覆土厚度對樹莓葉和枝條非結構性碳含量的影響

不同處理組樹莓葉和枝條非結構性碳含量的統(tǒng)計結果(表4)表明：在6月和8月，冬季覆土厚度15 cm的樹莓二年生枝條(T2組)和冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條(T3組)的葉可溶性糖含量均顯著(P<0.05)低于當年生枝條(T1組)，且二組間的葉可溶性糖含量在6月差異顯著、在8月差異不顯著；而在6月和8月，T2組的枝條可溶性糖含量顯著低于T1和T3組，且T3組的枝條可溶性糖含量略低于T1組。在6月和8月，T2組的葉淀粉含量顯著低于T1和T3組，且T3組的葉淀粉含量略低于T1組；在6月，T2組的枝條淀粉含量顯著低于T1組，T3組的枝條淀粉含量略低于T1組并略高于T2組，而在8月，T2組的枝條淀粉含量顯著低于T1和T3組，且T3組的枝條淀粉含量略高于T1組。在6月和8月，3個處理組間的葉非結構性碳總含量差異顯著，表現(xiàn)為T1組最高、T2組最低；在6月，3個處理組間的枝條非結構性碳總含量也差異顯著，也表現(xiàn)為T1組最高、T2組最低，而在8月，T2組的枝條非結構性碳總含量顯著低于T1和T3組，且T3組的枝條非結構性碳總含量略低于T1組。

表3 冬季覆土厚度對樹莓葉光合特性的影響

表4 冬季覆土厚度對樹莓葉和枝條非結構性碳含量的影響

由表4還可見：在8月，T1組的葉和枝條可溶性糖含量顯著低于6月，而T2組的葉和枝條可溶性糖含量卻顯著高于6月；各處理組的葉和枝條淀粉含量均顯著高于6月；而T2和T3組的葉和枝條非結構性碳總含量顯著高于6月。另外，同一月份，相同處理組的葉可溶性糖含量、淀粉含量和非結構性碳總含量均高于枝條。

3 討論和結論

本研究結果表明：冬季覆土厚度15 cm的樹莓二年生枝條(T2組)木質(zhì)部徑向生長量顯著(P<0.05)低于冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條(T3組)，表明冬季覆土厚度15 cm的樹莓二年生枝條較冬季覆土厚度30 cm的二年生枝條受低溫冰凍的影響更大。葉面積減小、比葉質(zhì)量增加通常是植物對水分條件變差的響應[17]。實驗期間，T2和T3組的單小葉面積顯著低于當年生枝條(T1組)，而小葉比葉質(zhì)量卻顯著高于T1組，表明經(jīng)歷低溫冰凍的樹莓二年生枝條的水分狀況較未經(jīng)歷低溫冰凍的當年生枝條差，這可能與低溫冰凍導致枝條受到一定的損傷有關[18-19]。

低溫冰凍是導致植物導水損失率和栓塞脆弱性增加的重要原因[20-21]。其中，導水損失率增加主要是因為在結冰過程中，導管內(nèi)汁液中溶解的氣體析出，在導管內(nèi)形成氣穴栓塞[21]；栓塞脆弱性增加主要是因為低溫冰凍對紋孔膜的結構產(chǎn)生不可逆的破壞作用[10，22]。在越冬后，T2和T3組的正午導水損失率在6月和8月較T1組顯著升高，說明T2和T3組的枝條栓塞脆弱性顯著增加，且T2組的枝條栓塞脆弱性較T3組更大，這種現(xiàn)象被稱為“霜凍疲勞”[10]，這可能與低溫冰凍導致木質(zhì)部導管結構產(chǎn)生不可逆變化有關[18-21]。T2和T3組的正午導水損失率顯著高于T1組，這是枝條的栓塞脆弱性增大和水勢降低共同作用的結果。越冬后，樹莓枝條正午導水損失率和枝條栓塞脆弱性增加嚴重影響枝條次年的水分輸導能力，導致二年生枝條及其葉片的水分狀況變差，這種現(xiàn)象在較干旱時期(6月)表現(xiàn)尤為突出。在受到低溫冰凍傷害后，植物在春季依靠根壓和栓塞修復等機制對木質(zhì)部氣穴栓塞進行修復[23-24]，新生木質(zhì)部也能在一定程度上修復植物的抗栓塞能力[10]。T2和T3組的正午導水損失率和栓塞脆弱性顯著高于T1組，表明樹莓的抗栓塞能力受到低溫冰凍傷害后不能完全修復，這可能是二年生枝條水分輸導能力變差的主要原因。另外，T2和T3組的二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量較低，且T2組的二年生枝條木質(zhì)部徑向生長量顯著低于T3組，這可能是限制樹莓二年生枝條栓塞修復的重要原因，還可能是T2組的枝條栓塞脆弱性明顯高于T3組的主要原因。

植物水分輸導能力降低可影響其葉片的光合能力[25-27]。在6月和8月，T2和T3組的正午水勢、凈光合速率和氣孔導度顯著低于T1組，且T2組的正午水勢、凈光合速率和氣孔導度顯著低于T3組，說明樹莓二年生枝條的葉光合作用嚴重受阻，據(jù)此推測低溫冰凍可導致樹莓水分狀況變差，影響葉光合作用，且冬季覆土厚度15 cm的枝條受到凍害的程度顯著高于冬季覆土厚度30 cm的枝條。但是T2和T3組的水分利用效率顯著高于T1組，說明樹莓二年生枝條越冬后受到的脅迫程度尚未嚴重損傷光合系統(tǒng)。

非結構性碳含量降低會影響植物的生長、呼吸及栓塞修復等生理過程[16，18-19]。在6月和8月，T2和T3組的葉非結構性碳總含量顯著低于T1組，表明樹莓二年生枝條上葉的碳平衡能力低于當年生枝條；T2組的枝條非結構性碳總含量顯著低于T1和T3組，表明覆土厚度不夠導致枝條受低溫冰凍傷害嚴重，使枝條也受到一定程度的碳限制，進而影響植物的生長和生理功能。在8月，T2和T3組的枝條和葉非結構性碳總含量均顯著高于6月，表明隨著樹莓水分狀況好轉，低溫冰凍對枝條碳失衡的影響在一定程度上得到緩解。

本研究結果顯示：冬季覆土可明顯降低樹莓受到的低溫冰凍傷害程度，且覆土厚度30 cm的效果優(yōu)于覆土厚度15 cm。在華北和黃土高原區(qū)，樹莓枝條的冬季覆土厚度應在30 cm以上，最佳覆土厚度有待深入研究。