地下空間擁擠程度對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸的影響

林德城， 盧佳奧， 李 琦， 鄒顯花， 李 明， 吳鵬飛

(1.福建農(nóng)林大學林學院；2.福建省杉木種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心，福建 福州350002)

自然環(huán)境中，植物難免會遭受水淹、干旱、重金屬、動物侵食、養(yǎng)分競爭等不同方式的逆境脅迫，它們會通過改變各種代謝途徑對逆境做出響應(yīng)，以延長生命周期[1].其中，植物根系分泌有機酸是一種重要的抗逆策略[2].研究表明，馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、蕎麥(Fagopyrum esculen-tum)、白羽扇豆(Lupinus albus)、玉米(Zea mays)、油菜(Brassica napus)在土壤磷虧缺的情況下會主動分泌大量有機酸，當鐵、鈣等營養(yǎng)元素缺失時也會分泌有機酸，以螯合土壤中不易溶解的營養(yǎng)元素，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锔悼芍苯游盏挠行B(tài)營養(yǎng)元素[3].在干旱脅迫下，通過施加一定濃度的水楊酸，不僅能有效緩解植物根系細胞膜的損傷，還能起到抗脫水作用[4].此外，植物根系產(chǎn)生的有機酸可有效緩解土壤鉛、鎘等重金屬的毒害，且植物抗毒害能力隨有機酸分泌量的增多而增強[5-6].因此，根系內(nèi)源有機酸變化機理是植物抗性研究的重要方面.

杉木是我國南方重要速生用材樹種，隨著杉木經(jīng)營技術(shù)的提升和小徑材市場的火熱，越來越多的林地出現(xiàn)了高密度栽植的現(xiàn)象.已有研究表明，高密度種植使植物地下空間擁擠程度增加，加劇了植物根系的競爭關(guān)系，進而影響了根際土壤理化性質(zhì).馮慧芳等[7-8]發(fā)現(xiàn)，高密度的大葉相思林(Acacia auriculiformis)的土壤有機質(zhì)含量明顯較高；隨著樟樹(Cinnamomum camphora)種植密度增大，其地下土壤營養(yǎng)成分含量會升高[9]；趙偉文等[10]發(fā)現(xiàn)，隨著華北落葉松林(Larix principis-rupprechtii)密度增大，其土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷的含量呈先增多后減少的趨勢.研究還發(fā)現(xiàn)，適度增大種植密度可顯著提高玉米根系對非生物資源的利用率；但地下空間過度擁擠會抑制玉米根系下扎，導致單株產(chǎn)量以及氮、磷營養(yǎng)元素吸收效率明顯下降[11].有關(guān)地下空間擁擠程度對杉木根系內(nèi)源有機酸的影響尚未見報道.

本研究利用室內(nèi)盆栽模擬地下空間的不同擁擠程度，分析不同生長時期以及不同擁擠程度下杉木根系內(nèi)源有機酸種類及其含量的差異，旨在為進一步了解杉木培育過程中地下根系生長的調(diào)控機制提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

選擇福建省洋口林場良種培育基地栽培的無性系杉木(洋-020)為研究對象，該品種具有生長快、材質(zhì)優(yōu)良、側(cè)枝少、冠幅較窄等優(yōu)良特點[12].試驗幼苗生長期為18 個月，長勢均一，生長良好，平均苗高為(19.8±0.4) cm，平均地徑為(3.5±0.1) mm.

1.2 試驗設(shè)計

在福建農(nóng)林大學溫室大棚中，采用2 種自制的玻璃盆栽裝置(裝置A:長10 cm、寬10 cm、高40 cm；裝置B:長30 cm、寬30 cm、高40 cm)進行試驗.設(shè)3 個程度的擁擠處理:(1)雙株擁擠(裝置A 內(nèi)種植2 株杉木幼苗，種植距離為2.5 cm，圖1A)；(2)雙株寬敞(裝置B 內(nèi)種植2 株杉木幼苗，種植距離為10 cm，圖1B)；(3)對照(裝置B 內(nèi)種植單株杉木幼苗，圖1C).使用洗凈的河砂作為試驗苗培養(yǎng)基質(zhì)，每盆培養(yǎng)基質(zhì)質(zhì)量為4.6 kg，對照和寬敞處理盆中砂子質(zhì)量均為41.4 kg.每隔3 d 施50 mL Hoagland 全營養(yǎng)液；每天傍晚對每個盆栽施加50 mL 純水以保證充足水分.分別于種植50、100、150 d 后對苗木進行破壞性收獲.每個處理設(shè)置3 個重復.

1.3 有機酸測定

收獲杉木幼苗后取新鮮的根尖部分(距根冠的長度小于2 cm)，使用Agilent-7890N 氣相色譜儀測定其內(nèi)源有機酸[13]，通過檢測出的有機酸對應(yīng)峰值、峰面積計算根系內(nèi)源有機酸的種類和含量，同一裝置中幼苗根系內(nèi)源有機酸的含量取2 株的平均值.已有研究發(fā)現(xiàn)，草酸、蘋果酸、檸檬酸是杉木根系分泌的主要有機酸成分，故本研究將其作為大量有機酸進行分析；辛酸、癸酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、亞油酸、山崳酸、γ-亞麻酸、十五碳烯酸等8 種有機酸在植物根系內(nèi)也經(jīng)常被檢出[4，6，13]，但含量較低，故本研究將其作為微量有機酸進行分析.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

從擁擠程度和處理時間這兩個因素出發(fā)，對不同處理條件下杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量的差異進行雙因素方差分析(P=0.05)；若兩者無顯著疊加效應(yīng)則進行單因素方差分析，采用LSD 多重比較方法進行檢驗(P=0.05).

利用SPSS 25.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，使用Origin Pro 8.5 軟件作圖，所有數(shù)據(jù)以平均值±標準誤表示.

圖1 不同擁擠程度處理的盆栽示意圖Fig.1 Schematic diagram of potted plants with different crowding treatments

2 結(jié)果與分析

2.1 擁擠程度和處理時間對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸種類的影響

從表1 可以看出，不同擁擠程度處理下杉木根系內(nèi)共檢測出9 種有機酸，未檢測出γ-亞麻酸和十五碳烯酸.其中，癸酸僅在雙株擁擠條件下處理第50 天時被檢出；山崳酸除了對照處理第50 天時未檢測出外，其他處理條件下均被檢出；其余7 種有機酸存在于各個處理的不同時期.

表1 不同擁擠程度下處理不同時間后杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸種類比較1)Table 1 Comparison of endogenous organic acids composition in the roots of Chinese fir seedling at different time durations and crowdness

2.2 擁擠程度和處理時間對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量的雙因素影響

雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，擁擠程度和處理時間對草酸、蘋果酸、檸檬酸、棕櫚酸、辛酸、肉豆蔻酸、亞油酸含量的交互作用均不明顯(P＞0.05)，而對山崳酸含量的交互作用明顯(P＜0.05).從單因素來看，擁擠程度對草酸、蘋果酸、檸檬酸、棕櫚酸、辛酸、肉豆蔻酸、亞油酸和山崳酸含量的影響均達顯著水平(P＜0.05)；而處理時間僅對檸檬酸含量的影響達顯著水平(P＜0.05).

2.3 擁擠程度對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量的影響

隨著地下空間擁擠程度的增加，杉木幼苗根系內(nèi)的大量有機酸(圖2A～C)和微量有機酸(圖2D～H)基本呈現(xiàn)增多的趨勢.雙株擁擠條件下處理第150 天時，草酸、蘋果酸、檸檬酸含量分別達8.99、0.63、0.09 mg·g-1，分別比對照提高了116.1%、171.5%、175.4%；棕櫚酸、辛酸、肉豆蔻酸、亞油酸、山崳酸含量分別比對照提高了98.1%、182.4%、91.3%、315.3%、266.5%.雙株寬敞與雙株擁擠條件下，草酸、檸檬酸、棕櫚酸、肉豆蔻酸、亞油酸含量差異均不顯著(P＞0.05).

表2 擁擠程度和處理時間對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量影響的雙因素方差分析1)Table 2 Two-factor ANOVA on the effects of crowding degree and time on the endogenous organic acid content in the roots of Chinese fir seedling

圖2 擁擠程度對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量的影響Fig.2 Effects on crowding degree on the contents of endogenous organic acids in the roots of Chinese fir seedling

2.4 處理時間對杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量的影響

在雙株擁擠條件下，第150 天時檸檬酸含量顯著低于第50 天時的含量(P＜0.05，圖3C)，第100 天時的山崳酸含量顯著高于另外兩個時間點的含量(P＜0.05，圖3H)，其他有機酸含量均未達顯著差異(P＞0.05，圖3A～B、3D～G).可見，營養(yǎng)條件充足的情況下杉木幼苗根系內(nèi)源有機酸含量與其生長時間的相關(guān)性不明顯.

圖3 處理時間對杉木內(nèi)源有機酸含量的影響Fig.3 Effects of treatment time on the contents of endogenous organic acids in the roots of Chinese fir seedling

3 討論

植物光合作用產(chǎn)生的有機酸分子可被根系的轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運至根系，對植物固碳起到重要作用；同時，低分子質(zhì)量有機酸如草酸、蘋果酸、檸檬酸可為植物根際微生物群落提供重要的碳源，進而促進植株的生長[14].本研究發(fā)現(xiàn)，隨著地下空間擁擠程度增加，杉木幼苗根系組織內(nèi)草酸、檸檬酸和蘋果酸等低分子質(zhì)量有機酸含量明顯增多.這類低分子質(zhì)量有機酸能將土壤閉蓄態(tài)磷(Ca-P、Al-P、Fe-P)絡(luò)合轉(zhuǎn)化為能被植物所吸收的有效態(tài)磷，這對維持杉木人工林的長期生產(chǎn)力具有重要意義[15-16].此外，在狹小的地下空間內(nèi)，杉木根系為爭奪更多的空間，根冠比明顯增大，有利于釋放出更多的有機酸活化土壤磷，進而促進根系生長[13，17-18].但競爭關(guān)系中根系內(nèi)源有機酸含量偏多時會對植物產(chǎn)生不利的影響，如棕櫚酸、肉豆蔻酸能與其他酚酸類物質(zhì)相互作用，干擾葉綠素的代謝過程，降低光合速率，抑制植株對養(yǎng)分離子的吸收[19-20]，同時會產(chǎn)生化感自毒效應(yīng)，進而使群體生產(chǎn)力下降[20-21].本研究發(fā)現(xiàn)，隨著地下空間擁擠程度增加，杉木幼苗根系內(nèi)微量有機酸的含量也呈增加的趨勢.但這些有機酸對杉木幼苗生長的影響還有待進一步研究.

在林木生產(chǎn)中，純林的生產(chǎn)效益低于混交種植的生產(chǎn)效益:王延平等[22]認為，楊樹(Populusspp.)純林經(jīng)營過程中，其根系持續(xù)釋放有機酸類化感物質(zhì)，可導致土壤肥力、活性下降，最終抑制楊樹生長；鄭郁善等[23]研究發(fā)現(xiàn)，杉木和毛竹(Phyllostachys heterocycla)混交能明顯改良土壤肥力；石培禮等[24]研究發(fā)現(xiàn)，榿木(Alnus cremastogyne)和柏木(Cupressus funebris)混交林根系的鑲嵌分布能避免植物對有限地下空間的強烈競爭；馬尾松和紅錐(Castanopsis hystrix)混交林根系的分泌物質(zhì)能減緩自毒效應(yīng)[25].因此，生產(chǎn)中可以利用混交種植手段減小杉木地下生長空間的壓力，同時降低化感自毒效應(yīng)，促進杉木的生長.

本研究還發(fā)現(xiàn)，除了檸檬酸和山崳酸外，其他有機酸含量在不同處理時間之間均未達顯著差異.這可能是由于根系內(nèi)的有機酸具有一個代謝消耗的過程，隨著杉木幼苗生長發(fā)育，其根系組織內(nèi)的有機酸消耗將維持一定的限度[26-28].如今杉木人工林存在多代連栽的現(xiàn)象，導致地力衰退和土壤營養(yǎng)虧缺等問題，根系對此所做出的響應(yīng)機制和不同種類有機酸對杉木生長的作用機理尚未完全明確，這將是今后的研究重點.