喀斯特特有植物羅甸小米核桃響應(yīng)土壤水分的表型可塑性

程 晶，劉濟(jì)明，*，王 姝，王 燈，李麗霞，徐國(guó)瑞，陳 夢(mèng)，黃路婷

(貴州大學(xué) a.林學(xué)院；b.森林生態(tài)研究中心，貴州 貴陽 550025)

土壤水分是影響植物光合作用和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等生理活動(dòng)的重要因素[1]。水分脅迫下植物葉片對(duì)光的利用能力減弱[2-3]，凈光合速率降低?？λ固厣车貐^(qū)在水平和垂直空間上具有高度異質(zhì)性，表現(xiàn)為土被不連續(xù)，地表復(fù)雜度高且地物分布不均，植被片段化嚴(yán)重[4-5]，石面、石縫、石溝、石洞、石槽、土面等不同類型小生境之間土壤水分差異更明顯。由于特殊的巖溶地質(zhì)地貌和氣候環(huán)境形成了喀斯特地區(qū)地表地下不同形態(tài)的雙層空間結(jié)構(gòu)，裂隙、洞穴及地表地下各種堆積形態(tài)形成了不均勻的“二元結(jié)構(gòu)”，喀斯特二元結(jié)構(gòu)加劇土壤水分向深層滲漏，在一定程度上限制了植物的分布與生長(zhǎng)[6-7]。

羅甸小米核桃(JuglansregiaL.f.luodianenseLiu et Xu)系胡桃科胡桃屬植物，為中國(guó)西南喀斯特地區(qū)特有物種，適應(yīng)當(dāng)?shù)乜λ固厥砙8]，能在這種高度異質(zhì)的喀斯特生境中良好地生長(zhǎng)，說明該物種對(duì)水分的響應(yīng)具有很強(qiáng)的可塑性。喀斯特地區(qū)頻繁的土壤干旱是限制該地區(qū)植物生長(zhǎng)分布的主要因子[9-10]，植物可通過發(fā)達(dá)的根系吸收土壤深層水和地下水來適應(yīng)喀斯特地區(qū)的季節(jié)性干旱[11]，如刺槐(Robiniapseudoacacia)幼苗在土壤水分脅迫條件下，通過發(fā)達(dá)的根系獲取土壤深層水分來保證正常生長(zhǎng)[12]。

植物表型可塑性指植物對(duì)不同環(huán)境因子(如土壤水分、營(yíng)養(yǎng)、光照等)變化做出響應(yīng)而產(chǎn)生的不同特征表現(xiàn)，是植物對(duì)異質(zhì)生境的生態(tài)適應(yīng)策略[13]。植物的生長(zhǎng)發(fā)育、功能及生活史特征對(duì)外界環(huán)境均有可塑性響應(yīng)[14]。最典型的例子是同一植株上產(chǎn)生形態(tài)迥異的“沉水葉”和“氣生葉”以適應(yīng)水下和水上兩種生境[15]。金靜等[16]研究了喀斯特生境植物木豆(Cajanuscajan)在水分影響下的表型可塑性，隨土壤含水量虧缺，木豆幼苗分配到根的生物量增加，葉生物量減少，表明木豆幼苗能通過器官生物量分配和形態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)整來提高對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力。植物通過表型可塑性變化，如調(diào)整各種形態(tài)結(jié)構(gòu)或生理生化性狀來適應(yīng)異質(zhì)生境，提高了對(duì)環(huán)境資源的獲取能力，最大限度利用了資源，從而降低了逆境對(duì)植物生長(zhǎng)的負(fù)面影響[17-18]。無論在自然界或者人工控制的生態(tài)系統(tǒng)，植物在變動(dòng)水分條件下的表型可塑性研究，包括植物根、莖、葉的形態(tài)、生理生化及植物的繁殖、生活史等各方面特征己經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)[19-21]。

目前關(guān)于羅甸小米核桃的研究只集中在植物栽培、生理生化[22-25]及果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)[26]方面，對(duì)表型可塑性的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)選用1年生羅甸小米核桃，設(shè)置4個(gè)水分梯度，研究羅甸小米核桃幼苗形態(tài)、生物量分配及生理指標(biāo)對(duì)土壤水分變化的可塑性響應(yīng)，探討羅甸小米核桃在不同水分環(huán)境下的適應(yīng)能力，為進(jìn)一步了解喀斯特特有植物對(duì)土壤水分變化的生態(tài)適應(yīng)策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于貴陽市花溪區(qū)貴州大學(xué)南校區(qū)林學(xué)院苗圃試驗(yàn)地，海拔約1 022 m，年均溫度15.3 ℃，年均總降水量1 129.5 mm，年均相對(duì)濕度77%，年均日照時(shí)數(shù)1 148.3 h，年均降雪時(shí)間11.3 d。夏無酷暑，冬季溫暖。試驗(yàn)地土壤由石灰?guī)r發(fā)育而來，呈微堿性，肥力中等，田間持水量約為26.4%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于秋冬季節(jié)收集同一母株上的種子，去除雜質(zhì)和果皮，采用0.4%的高錳酸鉀溶液消毒30 min后4 ℃儲(chǔ)存。試驗(yàn)前進(jìn)行發(fā)芽預(yù)試驗(yàn)，觀測(cè)種子發(fā)芽特性良好，然后另選一批種子種入托盤中，于3～4葉期移植入花盆。正常條件下緩苗1個(gè)月后，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致、無病害植株的幼苗進(jìn)行水分處理。采用控水試驗(yàn)，以Hsiao[27]關(guān)于中生植物的水分梯度劃分為依據(jù)，設(shè)置4個(gè)水分梯度，其土壤含水量分別為田間持水量的(100±5)%(輕度高水脅迫，W1，含水量26.4%)、(80±5)%(正常供水，CK，含水量21.1%)、(60±5)%(輕度低水脅迫，W2，含水量15.8%)、(40±5)%(中度低水脅迫，W3，含水量10.6%)。每個(gè)處理20盆，總共80盆。每天18:00稱量盆的質(zhì)量，補(bǔ)充當(dāng)天失去的水分，以維持設(shè)定的土壤含水量。

1.3 數(shù)據(jù)收集

1.3.1 形態(tài)及生長(zhǎng)指標(biāo)

控水2個(gè)月后測(cè)定所有處理苗木各器官的指標(biāo)，在每種水分處理中隨機(jī)選取5株苗木整株收獲，分為地上部分和地下部分取樣，每個(gè)樣株清洗干凈后將地上部分的莖、葉和地下部分的根分別放入牛皮信封中，在110 ℃的烘箱中殺青1 h 后在70 ℃下烘干至質(zhì)量恒定，分別測(cè)定各器官生物量及總生物量(total biomass，TB)，根長(zhǎng)(root length，RL)和苗高(seedling height，H)采用鋼卷尺測(cè)定；地徑(diameter，D)采用游標(biāo)卡尺測(cè)定，葉面積(leaf area，LA)采用葉面積儀(Yaxin-1241)掃描測(cè)定，葉片厚度(leaf thickness，LT)采用葉片厚度測(cè)定儀(YH-1)測(cè)定。其中，根冠比(root shoot ratio，RSR)=地下部分生物量/地上部分生物量，其中地上部分生物量為莖生物量(stem biomass，SB)與葉生物量(leaf biomass，LB)之和；比葉面積(specific leaf area，SLA)=單面面積/干重；葉片肉質(zhì)化程度(leaf succulence，LS)=葉鮮重/干重；根莖比(ratio of root and stem，RRS)=根長(zhǎng)/莖長(zhǎng)。

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(cell tense ratio，CTR)和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(spongy ratio，SR)的觀測(cè)用石蠟切片法[28]。在顯微鏡下觀察并用顯微測(cè)微尺測(cè)量其葉片總厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度，每個(gè)處理做5個(gè)切片，每片觀察5個(gè)視野。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)和組織結(jié)構(gòu)疏松度(SR)的計(jì)算公式[29]分別為：CTR(%)=柵欄組織/葉片厚度×100；SR(%)=海綿組織/葉片厚度×100。

1.3.2 生理指標(biāo)

控水2個(gè)月后，在每個(gè)處理下選擇5株生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)一致的成熟葉片，采用光合作用儀(Li-6400xt，LiCor公司，美國(guó))，于一晴天09:00—12:00測(cè)量?jī)艄夂纤俾?Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。選取5株植物的成熟葉片用80%丙酮提取葉片色素，用分光光度計(jì)(UV-2800A，UNICO公司，美國(guó))測(cè)定葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)含量，并計(jì)算葉綠素總量(Total Chl)以及葉綠素a/b(Chl a/b)[30]。

1.3.3 可塑性指數(shù)

可塑性指數(shù)參考Ashton等[31]方法，計(jì)算公式為P=(Xmax-Xmin)/Xmax。其中，P為不同水分環(huán)境中各指標(biāo)的可塑性指數(shù)，Xmax和Xmin分別表示各指標(biāo)的最大值與最小值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，用SPSS 18.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，使用One-way ANOVA分析不同水分處理對(duì)受體植物幼苗形態(tài)、生物量和生理指標(biāo)影響的差異顯著性，并利用Duncan多重比較法進(jìn)行檢驗(yàn)(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗的形態(tài)特征的影響

羅甸小米核桃幼苗的形態(tài)特征在不同水分處理下存在明顯差異(表1)。正常供水(CK)處理下植物的苗高高于其他處理組，與輕度高水脅迫W1處理間差異不顯著(P>0.05)，而與輕度低水脅迫W2、中度低水脅迫W3兩組處理差異顯著(P<0.05)。W3處理下植物的地徑最小，與其他3組處理差異顯著(P<0.05)，而其他3組處理下植物的地徑差異均不顯著(P>0.05)。植物的葉面積和比葉面積在CK與W1處理下顯著高于W2與W3(P<0.05)，葉面積在正常供水處理下達(dá)最大值，與其他3組處理差異顯著(P<0.05)，且中度低水脅迫處理下植物的葉面積最小。比葉面積在W1處理下達(dá)到最大，與CK處理差異不顯著(P>0.05)，與其他兩組處理差異顯著(P<0.05)。W2處理下羅甸小米核桃幼苗有最大的根莖比0.88，CK處理下的根最長(zhǎng)。方差檢驗(yàn)表明，根莖比與根長(zhǎng)在各水分梯度下的差異不顯著(P>0.05)；W1下的葉片肉質(zhì)化程度最高，CK、W1與W2環(huán)境下葉片肉質(zhì)化程度差異不顯著(P>0.05)，但三者均顯著(P<0.05)高于W3處理。

表1 不同水分條件下羅甸小米核桃幼苗形態(tài)特征Table 1 Morphological traits of J.regia seedlings under different water conditions

不同水分處理下羅甸小米核桃幼苗的葉片結(jié)構(gòu)存在較大差異(表2)。羅甸小米核桃幼苗葉片中柵欄組織在CK處理下最厚，隨著土壤含水量降低，柵欄組織的厚度開始下降，但中度低水脅迫處理下柵欄組織厚度極顯著(P<0.01)高于輕度低水脅迫處理；海綿組織厚度分別在W2和W1處理下達(dá)到最大和最小，CK與W3處理相差不大；葉片厚度在CK處理下最大，受到輕度高水脅迫W1時(shí)下降，并隨著土壤水分含量的降低而逐漸降低；柵欄組織與海綿組織之比和葉片組織結(jié)構(gòu)的緊密度(CTR)變化趨勢(shì)較為一致，均以W1為最高，與W2處理存在極顯著差異(P<0.01)。葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(SR)的變化情況與前者正好相反，W2極顯著(P<0.01)高于W1處理。

表2 不同水分條件下葉片組織厚度Table 2 Blade thickness under different water conditions

2.2 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗生物量積累與分配的影響

不同水分處理下羅甸小米核桃幼苗的各部位生物量存在一定差異(圖1)，但均在CK處理后的效果較好。地上部分葉的生物量指數(shù)均呈現(xiàn)為CK>W1>W2>W3。在不同水分處理下莖生物量各組間差異顯著(P<0.05)，CK處理與其他3組處理呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)，且W2處理下莖生物量最小。不同水分處理下各組間的根生物量也存在顯著差異(P<0.05)，W2處理下均極顯著低于CK和W3(P<0.01)?？偵锪吭赪2和W3處理下差異不顯著(P>0.05)，CK處理下總生物量極顯著(P<0.01)高于其他處理。

羅甸小米核桃幼苗的葉生物量比在輕度高水脅迫處理下最大，與輕度低水脅迫處理間無顯著差異(P>0.05)(圖2)，在中度低水脅迫處理下最小。在CK和W3處理下的莖生物量比無顯著差異(P>0.05)，與其他兩組呈顯著差異(P<0.05)。不同水分處理下各組間的根冠比和根生物量比差異呈現(xiàn)出相似的規(guī)律(W3>W2>CK>W1)，并且差異顯著(P<0.05)。根生物量比在W3處理下達(dá)到最大，與其他3組處理差異顯著(P<0.05)，其中CK和W2處理間差異不顯著(P>0.05)，根冠比指數(shù)呈現(xiàn)一樣的趨勢(shì)。

2.3 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗葉綠素含量的影響

不同水分處理下羅甸小米核桃幼苗葉綠素含量的變化如圖3所示，葉綠素a在不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)。葉綠素b隨著土壤含水量降低逐漸出現(xiàn)下降趨勢(shì)，W1處理下葉綠素b含量與其他3組處理間有顯著差異(P<0.05)，葉綠素a/b在W1處理下值最小，與CK差異不顯著(P>0.05)，而與其他兩組處理差異顯著(P<0.05)。葉綠素總量在W1處理下值較大，但與其他組間差異不顯著(P>0.05)。

2.4 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗光合參數(shù)的影響

羅甸小米核桃幼苗凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度以及蒸騰速率變化趨勢(shì)如圖4所示，凈光合速率與蒸騰速率在CK處理下達(dá)最大值，與W1處理間差異不顯著，但CK和W1處理顯著高于另外兩組(P<0.05)；胞間CO2濃度在CK、W1和W3處理間差異不顯著(P>0.05)，顯著低于W2處理(P<0.05)；氣孔導(dǎo)度均呈現(xiàn)隨著土壤含水量的降低而減小的趨勢(shì)，且CK和W1與其他兩組均有顯著差異(P<0.05)。

2.5 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗可塑性指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

羅甸小米核桃幼苗各形態(tài)特征、生物量分配、光合參數(shù)等各性狀對(duì)不同水分處理的可塑性差異很明顯(圖5)。在形態(tài)指標(biāo)中，葉面積可塑性指數(shù)最大(0.48)，其次為葉片肉質(zhì)化程度，最小的為葉片厚度(0.08)，基本上無明顯變化。在生物量分配指標(biāo)中，莖生物量可塑性指數(shù)最大(0.48)，其次是葉生物量，可塑性最低的為莖生物量比指數(shù)。在光合參數(shù)指標(biāo)中，凈光合速率的可塑性居高(0.50)，其次為氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，最小為胞間CO2濃度(0.09)。在葉綠素含量變化中，葉綠素a/b的可塑性指數(shù)較高(0.23)，而葉綠素a的可塑性指數(shù)是所有指標(biāo)中最小的(0.02)。綜合比較各指標(biāo)可塑性分析表明，羅甸小米核桃幼苗在不同水分條件下的凈光合速率可塑性最高，其次為葉面積和莖生物量，最低的為葉綠素a。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗形態(tài)特征的影響

植物的形態(tài)特征和生物量分配是植物對(duì)異質(zhì)生境響應(yīng)的外在體現(xiàn)。植物生長(zhǎng)量降低是對(duì)干旱脅迫的一種響應(yīng)[32]，本研究中羅甸小米核桃幼苗在低水脅迫下，其苗高、地徑、葉面積、比葉面積、根長(zhǎng)、葉片肉質(zhì)化程度以及葉厚均隨土壤水分脅迫加劇而下降；而在輕度高水脅迫下，以上特征也表現(xiàn)出輕微的抑制作用，說明羅甸小米核桃幼苗形態(tài)特征在不同水分處理下存在可塑性調(diào)整。在水分虧缺嚴(yán)重情況下，葉片擴(kuò)展受抑制，從而影響總?cè)~面積，植物通過調(diào)節(jié)葉片葉面積和關(guān)閉氣孔來穩(wěn)定生長(zhǎng)活動(dòng)[33]。本研究中，水分脅迫處理對(duì)羅甸小米核桃幼苗的葉面積和比葉面積(SLA)有顯著影響，當(dāng)輕度低水脅迫下，葉面積和SLA急劇降低，說明幼苗在水分虧缺時(shí)能通過降低比葉面積等行為來減少植物內(nèi)部水分散失，這與李永華等[34]研究結(jié)果相似。植物葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度在輕度低水脅迫下最低，而在中度低水脅迫下卻有所增加，說明羅甸小米核桃幼株通過增加葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度有效地提高了葉片輸水效率、減少蒸騰以維持基本的光合作用能力[29]。

3.2 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗生物量積累與分配的影響

在脅迫過程中，植物生物量分配可直接影響資源獲取及環(huán)境適應(yīng)能力[35-36]。本研究中，羅甸小米核桃幼苗的莖葉生物量分配在輕度高水脅迫之后下降，根部資源投入增多，根冠比增加，總生物量下降。有研究表明，植物在脅迫條件下，會(huì)調(diào)節(jié)地上和地下生物量比例來適應(yīng)環(huán)境變化[37]。輕度高水脅迫下，羅甸小米核桃相對(duì)減少了對(duì)莖部投入，加大對(duì)葉部的投入，但這方面的改變?cè)谒痔澣眹?yán)重時(shí)被再次扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，幼苗在受到輕度高水脅迫后隨著土壤含水量的降低，植株逐漸將更多的資源分配到根部，根冠比總體上表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，以中度低水脅迫時(shí)最大，說明長(zhǎng)期生活在中度低水脅迫下的羅甸小米核桃幼株不得不提高對(duì)根部的投入，最大限度地吸收周邊的水分以維持基本的生理活動(dòng)，這與邱權(quán)等[38]的研究結(jié)果相一致。

3.3 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗光合指標(biāo)的影響

植物的葉綠素含量在一定程度上反映著植物的光合能力，在不同水分條件下，植物葉綠素含量的變化呈現(xiàn)出不同結(jié)果。研究表明，水分脅迫會(huì)降低葉綠素含量[39-40]。本研究中，輕度高水脅迫下葉綠素b及葉綠素總量均達(dá)到最大，隨著水分虧缺嚴(yán)重后下降，說明輕度高水脅迫環(huán)境里生長(zhǎng)的羅甸小米核桃幼苗收集光能的效率最高，同時(shí)葉綠素a含量的增加提高了其進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的能力。植物的葉綠素含量對(duì)不同水分條件反應(yīng)敏感，葉綠素含量增加可能與植物對(duì)環(huán)境因子的補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)[41]。在輕度低水脅迫下的羅甸小米核桃幼苗通過提高葉綠素a/b值以保證對(duì)光能的充分利用，提高轉(zhuǎn)化率，增強(qiáng)體內(nèi)代謝活動(dòng)，以提高其在該水分脅迫環(huán)境下的適應(yīng)性。

植物葉片的光合生理特征可用來反映植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性[32，42]。本研究中，氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及蒸騰速率基本上都隨著水分脅迫加劇而降低，說明其控制失水和維持體內(nèi)水分平衡能力較強(qiáng)。植物光合作用受到的限制主要是由氣孔或者葉肉細(xì)胞變化引起，而導(dǎo)致植物Pn下降的原因主要有氣孔限制和非氣孔限制兩類[43]。在輕度低水脅迫后，葉片Pn明顯下降，也伴隨著Tr下降，說明此時(shí)的Pn下降可能與氣孔限制有關(guān)，在光合能力下降的同時(shí)，導(dǎo)致了胞間CO2濃度(Ci)的上升。而在中度低水處理下，氣孔導(dǎo)度降低，凈光合速率反而有所升高，說明此時(shí)非氣孔因素影響了幼苗葉片的光合作用。

3.4 不同水分條件對(duì)羅甸小米核桃幼苗可塑性指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

在脅迫條件下，植物可通過調(diào)節(jié)其形態(tài)特征、生物量分配、氣孔開閉、光合作用等方式形成適應(yīng)性的生存對(duì)策[44-46]。葉片是植物對(duì)環(huán)境變化較為敏感且可塑性較大的器官[47]，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化反映了環(huán)境因子對(duì)植物的影響和植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[48]。本研究綜合各可塑性指標(biāo)，羅甸小米核桃幼苗的形態(tài)特征、生物量分配、光合指標(biāo)對(duì)不同水分處理的可塑性差異較明顯，主要通過靈活改變?nèi)~面積及葉片肉質(zhì)化程度的外在形態(tài)結(jié)構(gòu)，莖生物量和葉生物量的資源分配，以及調(diào)整凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素a/b和葉綠素b的內(nèi)在生理性狀來響應(yīng)水分變化，最大限度地獲取現(xiàn)有資源，維持生長(zhǎng)。

綜上所述，羅甸小米核桃幼苗在不同水分處理下存在可塑性調(diào)整，在正常供水和輕度高水脅迫下均能良好生長(zhǎng)，表型性狀強(qiáng)于其他水分條件，能良好地適應(yīng)輕度土壤水分脅迫，這種適應(yīng)性很有可能是其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定生存在喀斯特復(fù)雜生境中的基礎(chǔ)。