不同無性系四川榿木嫁接苗生物量及其分配特征

白文玉，馮茂松，鐵烈華，汪亞琳，高嘉翔，賴 娟，戴曉康

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點實驗室，長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

四川榿木(Alnusledgeriana)為樺木科(Betulaceae)榿木屬(Alnus)落葉喬木，根系具有根瘤，可有效改良土壤，其適應(yīng)性強、繁殖容易、生長迅速且材質(zhì)優(yōu)良，生態(tài)和經(jīng)濟價值較高，是集用材、造紙和生態(tài)防護等為一體的多功能樹種，已經(jīng)成為我國西南地區(qū)的速生用材樹種和四川省重要的鄉(xiāng)土樹種，以及長江防護林工程及國家造林項目的重要樹種[1-4]。

林木優(yōu)良無性系的選育是林業(yè)研究的重要內(nèi)容之一[5]。生物量是植物的基本生物學(xué)特征和功能性狀之一，反映了植物的物質(zhì)積累狀況和對環(huán)境資源利用的能力[6-7]。植物生物量及其在各器官(枝、葉、干、根)的分配特征受植物體自身遺傳特性和外界環(huán)境條件的共同影響[8-10]，反映了其對外界環(huán)境的適應(yīng)策略及能力，是衡量林木優(yōu)良無性系的重要指標[11-12]。四川榿木不同無性系長期處于各種生境中，受遺傳變異和自然選擇的影響，其生長情況、對環(huán)境的適應(yīng)能力和生物量分配特征等可能發(fā)生了明顯變化，這為其良種育苗提供了繁育材料。已有研究主要集中在混交林營造[13]、種源選擇[14]、生物固氮[15]以及光合特征[16]等方面，但對四川榿木種子園建設(shè)中不同無性系生物量及其分配特征的研究還鮮見報道。為此，本研究依托國家級榿木種子園和良種基地建設(shè)平臺，調(diào)查無性系嫁接幼苗各器官生物量，研究四川榿木不同無性系1年生嫁接幼苗各器官的生物量及其分配特征，探索四川榿木無性系嫁接幼苗對環(huán)境的適應(yīng)策略和能力，為其優(yōu)良無性系的篩選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川省平昌縣元山鎮(zhèn)的榿木良種育苗基地(107°7′57.4″E，31°37′18.6″N)，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，海拔650 m，年均降雨量1 200 mm，早春時具有明顯的季節(jié)性干旱現(xiàn)象。年均氣溫為16.8 ℃，四季分明，年均日照時間為1 239.3 h，無霜期297 d?；仄孪驗闁|南方，坡度約10°，具有灌溉條件，光照充足，土壤為紫色壤土，呈弱酸性，土層深度大于40 cm。

1.2 試驗材料

2015年12月，在四川省宣漢縣、巴中市恩陽區(qū)和金堂縣分別選擇出林相整齊的15～20 年生四川榿木純林，采用優(yōu)勢木對比法篩選出自然整枝良好、樹干通直、無病蟲害的四川榿木優(yōu)樹共34株[宣漢(編號XH)16株，恩陽(編號EY)11株，金堂(編號JT)7株]，每株采集穗條約200枝。采集穗條時選擇樹冠中上部生長健壯、葉芽飽滿、粗度3～5 mm，長度30～50 cm的1年生枝條，編號分別為宣漢1～16(XH1～XH16)、恩陽1～11(EY1～EY11)、金堂1～7(JT1～JT7)。將采集好的穗條打捆，用濕報紙包裹，登記好編號，并盡快帶回實驗室，保存于4 ℃冰柜中待用。

2015年11月，將苗圃地劃分為3個區(qū)組，每個區(qū)組包含若干個1.2 m × 6.0 m的小區(qū)，選擇生長健壯、長勢基本一致、無病蟲害的當年生四川榿木實生營養(yǎng)袋苗(種子采自平昌縣四川榿木母樹林)，按株行距20 cm × 20 cm進行栽植，作為砧木。2016年1月初，采用隨機區(qū)組設(shè)計方法，將采集的四川榿木優(yōu)樹的穗條嫁接于長勢基本一致、無病蟲害的砧木上，每小區(qū)內(nèi)約嫁接100株(成活率45%～60%)，同株優(yōu)樹上采集的穗條重復(fù)3次(嫁接于3個小區(qū))。掛上對應(yīng)的標號牌，登記好編號，搭建小拱棚，及時澆水、除草。當嫁接幼苗成活并經(jīng)過煉苗后，去除小拱棚，此后根據(jù)土壤水分條件適當澆水，定時除草，常規(guī)田間管理。

1.3 試驗方法

2016年8月中旬，測定小區(qū)內(nèi)所有嫁接幼苗(平均約50株)的株高和基徑，根據(jù)測定結(jié)果在每個小區(qū)內(nèi)選出3株平均株作為待測植株，將待測植株全株挖起測定各器官生物量。

將待測植株按器官(主干、側(cè)枝、葉、根)進行分離，用精度為0.01 g的電子天平分別稱量待測植株主干、側(cè)枝和葉的鮮質(zhì)量。將根系帶回實驗室洗凈表土，利用Epson Expression 10000XL 110數(shù)字化掃描儀(Seiko Epson Corp.,Nagano,Japan)測定根系直徑(d)，按照根系粗度進行分級。根徑分級標準為細根(d<1 mm)、中根(1 mm ≤d≤ 2 mm)、粗根(d>2 mm)。根系掃描后，將植株的主干、側(cè)枝、葉、粗根、中根和細根放入烘箱105 ℃殺青30 min，在烘箱里65 ℃烘干至質(zhì)量恒定，分別稱其干質(zhì)量。

分別計算植株的地上部分生物量(主干干質(zhì)量+側(cè)枝干質(zhì)量+葉干質(zhì)量)、地下部分生物量(粗根干質(zhì)量+中根干質(zhì)量+細根干質(zhì)量)、總生物量(地上部分生物量+地下部分生物量)、葉生物量比(葉生物量/總生物量)、側(cè)枝生物量比(側(cè)枝生物量/總生物量)、主干生物量比(主干生物量/總生物量)、粗根生物量比(粗根生物量/總生物量)、中根生物量比(中根生物量/總生物量)、細根生物量比(細根生物量/總生物量)、根冠比(地下部分生物量/地上部分生物量)。植株葉、側(cè)枝和主干的相對含水量計算公式：相對含水量=(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 25.0統(tǒng)計分析軟件(IBM SPSS,Chicago,USA)對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)計算無性系嫁接幼苗鮮質(zhì)量、相對含水量、生物量等指標的平均值和標準偏差，并用Excel 2010作圖。采用系統(tǒng)聚類方法對四川榿木無性系嫁接幼苗生物量及其分配進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無性系嫁接幼苗鮮質(zhì)量和含水量特征

經(jīng)測定，四川榿木無性系嫁接幼苗鮮質(zhì)量和含水量特征見圖1、圖2。

圖1 四川榿木不同無性系地上部分鮮質(zhì)量的差異Fig.1 Differences of the aboveground parts of fresh mass in different Anus ledgeriana clones

無性系嫁接幼苗地上部分各器官鮮質(zhì)量表現(xiàn)為葉>主干>側(cè)枝，EY11的葉、側(cè)枝、主干以及地上部分鮮質(zhì)量均最大，XH3葉片鮮質(zhì)量最小(57.59 g)，EY1側(cè)枝、主干和地上部分鮮質(zhì)量最小。XH6、XH8、XH16、EY1、EY4、EY9、EY11、JT3、JT6地上部分各器官相對含水量表現(xiàn)為葉>主干>側(cè)枝，其他無性系地上部分各器官相對含水量表現(xiàn)為葉>側(cè)枝>主干。無性系嫁接幼苗葉片相對含水量為62.20%～72.79%，側(cè)枝相對含水量為49.23%～69.20%，主干相對含水量為50.38%～54.41%。

圖2 四川榿木不同無性系地上部分相對含水量的差異Fig.2 Differences of the aboveground parts of relative water content in different A.ledgeriana clones

2.2 無性系嫁接幼苗生物量特征

各無性系幼苗生物量見圖3、圖4，無性系XH2、XH7、XH10、XH14、XH15、EY5、EY6、EY10地上部分各器官生物量表現(xiàn)為葉>主干>側(cè)枝，其他無性系地上部分各器官生物量表現(xiàn)為主干>葉>側(cè)枝，其中EY11的葉、側(cè)枝、主干以及地上部分生物量均最大，分別為68.72、15.16、74.73和159.06 g，EY1的葉、側(cè)枝、主干以及地上部分生物量均最小(圖3)。四川榿木不同無性系地下部分生物量的差異見圖4。

圖3 四川榿木不同無性系地上部分生物量的差異Fig.3 Differences of the aboveground parts of biomass in different A.ledgeriana clones

圖4 四川榿木不同無性系地下部分生物量的差異Fig.4 Differences of the underground parts of biomass in different A.ledgeriana clones

由圖4可知，無性系JT5地下部分各根徑生物量表現(xiàn)為粗根>中根>細根，其他無性系地下部分各根徑生物量表現(xiàn)為粗根>細根>中根，四川榿木無性系嫁接幼苗粗根生物量為10.55～32.64 g，中根生物量在0.57～3.38 g，細根生物量為1.32～4.40 g。EY9總生物量最大(199.41 g)，是無性系XH6總生物量最小值的3.7倍。可見，四川榿木不同無性系嫁接幼苗生物量存在較大差異。

2.3 無性系嫁接幼苗各器官生物量分配特征

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖5)，無性系JT5生物量分配表現(xiàn)為主干>葉>側(cè)枝>粗根>中根>細根，無性系XH2、XH7、XH10、XH14、XH5、EY5、EY6和EY10生物量分配表現(xiàn)為葉>主干>側(cè)枝>粗根>細根>中根，其他無性系則表現(xiàn)為主干>葉>側(cè)枝>粗根>細根>中根。其中EY10葉的生物量占比最大(36.05%)，XH4葉生物量占比最小(31.40%)，XH3側(cè)枝生物量占比最小(5.96%)，EY2主干生物量占比最大(41.04%)，而EY6則具有最大側(cè)枝生物量占比(8.50%)和最小的主干生物量占比(32.27%)。

圖5 四川榿木不同無性系各器官生物量分配比Fig.5 Allocation ratio of biomass in different A.ledgeriana clones

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖6)，無性系XH11根冠比最大為0.37，EY2根冠比最小為0.24?？梢姡拇伳静煌瑹o性系嫁接幼苗生物量分配存在差異。

圖6 四川榿木不同無性系根冠比Fig.6 Root-shoot ratio of different A.ledgeriana clones

2.4 不同無性系嫁接幼苗聚類分析

系統(tǒng)聚類分析表明，在平均歐式距離約13處，可將34個四川榿木無性系嫁接幼苗按照生物量劃分為3類(圖7)。

由圖7可以看出，第1類包含15個無性系(XH1、XH4、XH5、XH9、XH12、XH13、EY2、EY3、EY7、EY8、JT1、JT2、JT4、JT5、JT7)，第2類包含7個無性系(XH8、XH16、EY4、EY9、EY11、JT3、JT6)，第3類包含12個無性系(XH2、XH3、XH6、XH7、XH10、XH11、XH14、XH15、EY1、EY5、EY6、EY10)。其中，第2類無性系植株總生物量和各器官生物量均最大，第1類無性系生物量次之，第3類無性系生物量最小。

圖7 四川榿木不同無性系生物量聚類分析Fig.7 Cluster analysis of A.ledgeriana clones based on biomass

經(jīng)測算可知(表1)，第2類無性系與第1、3類相比較，分配給側(cè)枝和細根的生物量最多；第1類無性系植株與第2、3類比較，側(cè)枝和主干生物量占比較大，而葉片和細根生物量占比最??；第3類無性系植株與第1、2類相比較，葉片生物量占比最大，側(cè)枝和主干生物量占比最小，粗根生物量占比最大但是其生物量明顯小于第1、2類?？梢姡?類四川榿木無性系嫁接幼苗生物量及其分配特征存在明顯差異。

表1 四川榿木不同無性系生物量終聚類中心分布Table 1 Final cluster center distribution of biomass in different A.ledgeriana clones

3 討 論

3.1 嫁接幼苗生物量分配特征

植物生物量是植物物質(zhì)和能量積累的基本體現(xiàn)[17]，生物量的大小表明植物利用和積累空間資源的能力[18]，而植物器官水分含量的高低則表明其抗旱能力的強弱[19]。本研究中，四川榿木嫁接幼苗葉片和主干相對含水量均在50%以上，側(cè)枝相對含水量為49%～69%，表明四川榿木嫁接幼苗抗旱能力較強，對環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力。

植物同化產(chǎn)物可在代謝源-庫之間運輸，且同化運輸具有優(yōu)先供應(yīng)生長點的特點[20]。本研究中，四川榿木嫁接幼苗主干和葉片分配的生物量較高，而側(cè)枝分配的生物量最低。這表明主干可能是1年生四川榿木嫁接幼苗地上部分主要的代謝庫，而葉片不僅是主要的代謝源還是重要的代謝庫，主干和葉片是同化產(chǎn)物優(yōu)先供應(yīng)的生長點。

3.2 嫁接幼苗生物量分配特點及其環(huán)境適應(yīng)能力

生物量分配可以反映植物對環(huán)境的適應(yīng)策略和能力[21-22]。通過對四川榿木無性系嫁接幼苗生物量及其分配聚類分析表明，34個四川榿木無性系嫁接幼苗按照生物量被劃分為3類。四川榿木不同無性系嫁接幼苗栽培于相同的環(huán)境條件中，并給予相同的管理措施，但是不同無性系嫁接幼苗的長勢不同，這可能主要是因為四川榿木不同無性系間遺傳性狀存在差異，從而導(dǎo)致其生物量分配特征不同。這與李鑫等[23]對不同地理種源云南松幼苗生物量分配及其異速生長的研究結(jié)果相似。

與第1、3類無性系相比，第2類無性系嫁接幼苗的總生物量最大，嫁接幼苗分配給側(cè)枝和細根的生物量最大。植物對土壤水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收主要是通過細根(根毛區(qū))完成的，細根分配的生物量較多說明根系對養(yǎng)分的吸收更強，根系可以吸收更多的水分、礦質(zhì)營養(yǎng)元素等供地上部分生長所需，這潛在地增加了植物適應(yīng)土壤水分和養(yǎng)分變化的能力[24-25]。不僅如此，根系對礦質(zhì)元素的吸收能力還會影響同化產(chǎn)物的運輸能力。因此，通常細根生物量越大，植物體代謝源-庫之間物質(zhì)運輸越快，植物適應(yīng)環(huán)境變化(如倒春寒、季節(jié)性干旱)的能力越強[26-27]。而本試驗地位于少日照地區(qū)(年日照時間<1 300 h)，側(cè)枝的生物量分配較高說明幼苗冠層截獲光合輻射的能力越強[20]，這潛在地增加了植物適應(yīng)少日照環(huán)境的能力?？梢?，第2類無性系嫁接幼苗累計的生物量最大，且生物量分配較均勻，可以很好地適應(yīng)當?shù)赝寥浪疅釛l件、光照條件等。

此外，第1類無性系總生物量次于第2類無性系，側(cè)枝和主干生物量占比較大，葉片和細根生物量占比最小，說明雖然第1類無性系同化產(chǎn)物主要運輸?shù)絺?cè)枝和主干，幼苗接收光能的面積較大，但是由于細根生物量較少，根系吸收養(yǎng)分的能力較差，這表明第1類無性系適應(yīng)當?shù)厣偃照盏哪芰^強，但是對土壤水熱條件的適應(yīng)能力不強。這與舒文將等[28]對棱角山礬幼苗研究結(jié)果相似。

根冠比可以反映植株地上部分及地下部分生長關(guān)系及植物自身對環(huán)境的適應(yīng)能力[29]。一般情況下，植物在受到干旱脅迫[30-31]和鹽脅迫[32]時會增加根冠比，以提高其對環(huán)境的適應(yīng)能力。本研究中四川榿木無性系根冠比存在一定的差異，第3類無性系根冠比大于第1類和第2類無性系，這表明第3類四川榿木無性系嫁接幼苗可能受到了干旱脅迫或鹽脅迫。進一步分析發(fā)現(xiàn)，第3類無性系的葉片生物量占比最大，主干、側(cè)枝和細根生物量占比較低，粗根和中根生物量占比最大但是其生物量明顯小于第1、2類。第3類無性系嫁接幼苗根系生物量主要分配給了粗根和中根，而細根生物量及其分配比例均較低。說明第3類無性系幼苗雖然根系分配的生物量較大，但是其根系活性較低，嫁接幼苗只是保留著砧木原有的根系，但是沒有及時生長出新根(細根)吸收土壤水分和礦質(zhì)養(yǎng)分[33]，幼苗雖然生長出了完整的葉片，可以進行光合作用，但是光合作用積累的同化產(chǎn)物不多，同化產(chǎn)物只能就近運輸(胞內(nèi)或胞間運輸)到光合葉片，滿足光合細胞自身所需，而長距離運輸?shù)絺?cè)枝、主干、細根的能力較差[34]，對光照條件和土壤水熱條件的適應(yīng)能力可能最差。

此次研究了四川榿木不同無性系1年生嫁接幼苗的生物量及分配特征。為了進一步了解不同無性系四川榿木嫁接幼苗的環(huán)境適應(yīng)策略和能力，今后應(yīng)整合不同無性系四川榿木嫁接幼苗生長、光合、生理特征等指標，綜合評價其環(huán)境適應(yīng)策略和能力。