旱季補水對桉樹幼齡林葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

余 斐，張水云，華 雷，劉文泉，邱 權(quán)，何 茜，蘇 艷，劉效東，李吉躍

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院廣東省森林培育與保護利用重點實驗室，廣東 廣州 510520；3.順化農(nóng)林大學(xué)，越南 順化 49116）

在當今全球變化背景下，我國華南地區(qū)的降水格局正發(fā)生著改變。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2014年的綜合報告，我國華南大部分地區(qū)的降水量在過去60年間呈現(xiàn)了減少的趨勢[1]。雖然華南地區(qū)雨量較為充沛，但是在時間上卻分配不均，每年10月到次年3月降水量不到全年的20%，具有明顯的旱、雨季[2]；同時華南地區(qū)多為丘陵坡地，土壤持水能力差，植物在旱季容易受到干旱脅迫[3]。郭晶等[4]對1962—2006年廣東省的氣象資料進行研究，發(fā)現(xiàn)干旱發(fā)生的頻率和嚴重程度逐年上升。根據(jù)2019年廣州市氣象局資料顯示，2019年9月至12月平均降水量僅為41.2 mm，最低地區(qū)只有4.6 mm。因此，華南地區(qū)的季節(jié)性干旱發(fā)生的嚴重程度和延續(xù)時間均在不斷加劇。

碳水化合物為植物光合作用的主要產(chǎn)物，通?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物[5-6]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在葉片內(nèi)的變化可以一定程度上反映植物對于環(huán)境變化的適應(yīng)性[7]，在脅迫條件下，其含量往往表現(xiàn)為積累的趨勢[8]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括可溶性糖和淀粉，可溶性糖是光合的主要產(chǎn)物，作為養(yǎng)分的同時，也是植物生長發(fā)育、新陳代謝、逆境響應(yīng)的調(diào)節(jié)者[9-10]。植物通過可溶性糖來激活蛋白質(zhì)的合成、基因的表達以及調(diào)節(jié)細胞滲透壓等來應(yīng)對受到的非生物脅迫以及維持細胞膜的穩(wěn)定[11-13]。淀粉相對于可溶性糖可以在細胞里貯存較長時間，可以為植物夜晚的呼吸提供能量。淀粉與可溶性糖之間的相互轉(zhuǎn)化，是植物維持滲透壓以及基礎(chǔ)代謝的關(guān)鍵[14]。研究植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及其組分在葉片中的變化，可以在了解植物碳水化合物供應(yīng)和轉(zhuǎn)化的同時，深入探討其對環(huán)境變化的應(yīng)對機制[15]。

季節(jié)性干旱一定程度上影響了我國華南地區(qū)人工林的生產(chǎn)力，尤其對于桉樹人工林生產(chǎn)力的限制較為嚴重，與國際上其他桉樹生產(chǎn)國比仍然非常落后[16-19]。段偉等[20]在干旱地區(qū)對楸葉泡桐苗木的水肥控制實驗中發(fā)現(xiàn)，水和肥的同時添加顯著增加了楸葉泡桐各器官的生物量?；诖耍菊撐耐ㄟ^模擬尾巨桉正常生產(chǎn)種植，并對其進行旱季補水處理，對不同處理間的尾巨桉幼齡林葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物進行比較分析，探討尾巨桉幼齡林對旱季補水和施肥兩種措施的環(huán)境變化響應(yīng)，進一步指出樹木對于不同生境的碳源輸出變化，不僅為探討尾巨桉人工林應(yīng)對季節(jié)性干旱的葉片碳分配提供了數(shù)據(jù)支持，也能為提高尾巨桉人工林生產(chǎn)力提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

本試驗區(qū)位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地（23°14′48N，113°38′20E），屬亞洲熱帶和亞熱帶的過渡帶，年均氣溫21.6℃，平均年降水量1 921.6 mm?？偨邓砍渥悖杲邓坎痪?，存在季節(jié)性干旱。每年降雨均集中在4月至9月，因此，把4月至9月稱為雨季，10月至翌年3月為旱季[21]。試驗林地共計0.567 hm2，采用水平梯田整地方式，分為五梯。本試驗所用材料為來自高要嘉耀林業(yè)發(fā)展有限公司的尾巨桉（Eucalyptus uorphylla×E.grandis）無性系DH32-293個月組培苗，平均苗高20～35 cm，地徑0.15～0.20 cm，無病害及機械損傷，于2017年4月進行造林。種植密度為3 m（行距）×2 m（株距），約為1 667 株/hm2，共0.567 hm2。采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，分為五梯，每梯均有4個處理，隨機排列，每小區(qū)20～92株林木。

1.2 試驗方法

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共4個處理：1）無施肥條件下的無旱季補水處理（簡稱無水無肥處理，用CK表示）；2）無施肥條件下的旱季補水處理（簡稱有水無肥處理，用W表示）；3）施肥條件下的無旱季補水處理（簡稱無水有肥處理，用F表示）；4）施肥條件下的旱季補水處理（簡稱有水有肥處理，用WF表示）（表1）。處理CK總數(shù)為189株，處理W為207株，處理F為177株，處理WF為186株。

表1 旱季補水試驗設(shè)計?Table 1 The experiment design of dry season irrigation

肥料購買于廣東達一農(nóng)林生態(tài)科技股份有限公司，采用桉樹專用基肥與追肥?；视?017年3月25日在處理F、WF的所有樹木中，穴施入400 g·株-1，施肥量均與生產(chǎn)桉樹用材林的用量一致?；拭恐旮髟赜行Я糠謩e為24 g（N）、72 g（P）、24 g（K）、0.4 mg（B）、0.2 mg（Zn）。追肥于2017年7月29日在處理F、WF所有樹木中施追肥300 g·株-1，每株各元素有效量分別為45 g（N）、21 g（P）、24 g（K）、0.3 mg（B）、0.15 mg（Zn）。

1.3 測量指標

本試驗于2018年5月在每個處理中選取長勢較為平均的5棵樹木，每棵取中上部分的成熟葉。把葉片放入烘箱中，在105℃下烘1 h，再放入65℃下烘至恒質(zhì)量。各處理干葉測量非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量NSC（Non-structural carbohydrate concentration;mg·g-1）。把各干樣粉碎，過100目篩后進行分裝保存。本實驗中，主要采用蒽酮-硫酸法測定不同處理間尾巨桉葉片的可溶性糖含量TSS（Soluble sugars concentration;mg·g-1）和葉片淀粉含量Starch（Starch concentration;mg·g-1）[22]。由于糖和淀粉占NSC總量的90%[23]，因此，葉片NSC的含量為NSC=TSS + Starch[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2013軟件進行作圖。使用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件用于單因素、雙因素方差分析及線性回歸方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的季度變化

由圖1可知，各處理間TSS在每個季度均存在顯著性差異（P＜0.05）。2017年9、12月，處理WF的TSS顯著高于其余3個處理（P＜0.05），分別為115.40 mg/g和105.30 mg/g。2018年3月，處理F（125.52 mg/g）的TSS為最高，顯著高于處理CK和W。2018年6月，處理CK（104.39 mg/g）最高，僅顯著高于處理WF，與處理W和F不存在顯著性相關(guān)性。2018年9月，處理WF的TSS最大（111.78 mg/g），為最小處理CK的1.32倍；12月，處理WF的TSS最大（116.19 mg/g），為最小處理W的1.14倍。

圖1 葉片可溶性糖含量的季度變化Fig.1 Seasonal changes of soluble sugar concentration in leaves

隨著季度的變化，4個處理的平均Starch呈現(xiàn)下降的趨勢，結(jié)果見圖2。2017年9月，處理F（76.65 mg/g）的Starch顯著大于處理CK和WF（P＜0.05），同時處理W（49.68 mg/g）顯著小于其余3個處理（P＜0.05）。2017年12月，處理F（61.02 mg/g）顯著大于處理W和WF，處理W和WF顯著大于處理CK。2018年的4個季度中，無肥處理CK和W的Starch均大于有肥處理F和WF（除2018年3月的處理W外）（P＜0.05）。2018年6月，4個處理間無顯著性差異，但在12月4個處理間均存在顯著性差異，大小排名為CK（19.24 mg/g）＞W(wǎng)（17.45 mg/g）＞F（13.84 mg/g）＞W(wǎng)F（13.02 mg/g）。

圖2 葉片淀粉濃度的季度變化Fig.2 Seasonal changes of starch concentration in leaves

每季度不同處理的葉片NSC變化存在波動性，結(jié)果如圖3所示。2017年9、12月，有肥處理F和WF的NSC均顯著大于無肥處理CK和W。2018年3月，處理W（145.03 mg/g）顯著低于其余3個處理。2018年6月，處理WF（113.48 mg/g）顯著低于處理CK。2018年9月，旱季補水處理WF和W顯著高于其余兩個無補水處理CK和F。2018年12月，處理W（119.08 mg/g）顯著低于其余3個處理。

圖3 葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的季度變化Fig.3 Seasonal changes of non-structural carbohydrates concentration in leaves

2.2 雨季和旱季的葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量比較

對雨季和旱季的葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量分析，發(fā)現(xiàn)只有在旱季時，4個處理的葉片TSS存在顯著性差異（P＜0.05），有肥處理F和WF顯著大于無肥處理CK和W，有肥處理是無肥處理的1.12～1.14倍（表2）。但在雨季時，處理WF的TSS（105.16 mg/g）最大，處理CK的Starch（45.91 mg/g）最大。僅施肥處理F的Starch在旱季中最大（43.54 mg/g），且僅旱季補水處理W的Starch在旱季中最?。?6.63 mg/g），進而影響在旱季中4個處理的NSC為處理F最大、處理W最小，且無肥處理均小于有肥處理。不同的是，在雨季中4個處理的NSC大小排列從大到小為WF＞CK＞W(wǎng)＞F。但同一處理同一指標的雨季和旱季間方差分析顯示，4個處理的葉片TSS、Starch、NSC在雨季和旱季間均無顯著性差異（表3）。

表2 雨季和旱季的葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量分析?Table 2 Analysis of non-structural carbohydrate concentration in leaves in rainy and dry seasons

表3 葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的雨季和旱季相關(guān)性分析?Table 3 Correlation analysis of leaf non-structural carbohydrates in rainy and dry seasons

2.3 水、肥因子效應(yīng)分析

對雨季和旱季的葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量進行水、肥因子的雙因素分析，結(jié)果如表4所示。只有在旱季，施肥措施對葉片可溶性糖含量存在顯著性差異（F=22.435**）。補水措施和水肥互作對葉片的TSS、Starch和NSC均無顯著性作用（P＞0.05）。

表4 水、肥因子對雨季和旱季的葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的雙因素分析（F值）Table 4 Two-way ANOVA of water and fertilizer factors on the concentration of non-structural carbohydrates in leaves in rainy and dry seasons (F value)

2.4 各因素綜合效應(yīng)分析

葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物受多因素的影響，其中在本次試驗中受影響較大的為測量的時間點和是否進行了補水、施肥處理。通過對葉片的TSS、Starch和NSC線性回歸方程擬合分析發(fā)現(xiàn)，試驗時間、補水、施肥能對葉片Starch和NSC具有較大的解釋度，分別為72.3%和64.3%，但對TSS的解釋較低（僅為16.9%）。補水和施肥措施均對葉片TSS產(chǎn)生正相關(guān)作用（表5）。4個處理的葉片TSS受施肥措施的影響最大（絕對值最高），其次為補水措施和試驗時間；但葉片的Starch和NSC均受試驗時間的影響最大，隨著生長的延續(xù)，葉片的Starch和NSC逐漸變小。

表5 葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的多元線性回歸方程的各項系數(shù)Table 5 The coefficients of the multiple linear regression equation of leaf non-structural carbohydrates with time and treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 不同處理對葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

在可溶性糖含量方面，處理前半年（2017年9月、12月），處理WF的葉片可溶性糖含量顯著高于其他處理，而可溶性糖更易于在植物體內(nèi)移動且被多個生命活動直接利用，參與了植物生長中的許多生理和代謝活動[25]，從而說明處理WF下，尾巨桉幼苗在前期生理代謝活躍，可能生長更加迅速。而在之后的觀測中除2018年6月份外，有肥處理F和WF的桉樹幼苗葉片中的可溶性糖均維持在較高水平。因此，施肥一定程度上促進了尾巨桉葉片的生理代謝，從而促進其生長。

在淀粉含量方面，觀測的前4個月（2017年9月、12月以及2018年3月、6月），處理F的葉片淀粉含量均維持在一個較高水平。淀粉是長期的存儲化合物，主要供應(yīng)植物將來的需求[26]，處理F桉樹儲備淀粉是為了應(yīng)對現(xiàn)在高耗水高生長下帶來的之后土壤水分不足引起的干旱。從2018年9月之后，處理F的淀粉含量迅速下降，轉(zhuǎn)化為可溶性糖，從而抵御干旱脅迫。

總體而言，有肥處理F和WF葉片的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量在月際變化中，均都在較高水平（除2018年6月外）。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物為葉片光合的產(chǎn)物，一定程度上反映了葉片光合能力[27]。因此，間接地說明了施肥有效提高了尾巨桉的光合能力。然而旱季補水對于葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量具有提升作用，但作用不顯著。旱季補水作用下，葉片可溶性糖含量較低，說明了干旱脅迫有所下降，而旱季補水對于光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移及在其他組織器官中的累積及變化需要進一步研究和測量。

3.2 雨季、旱季對葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

樹木受水分脅迫影響時，葉片可溶性糖含量隨著脅迫時間和脅迫程度均呈現(xiàn)先增加后減少的“單峰”變化趨勢[28]。植物在受到干旱脅迫時，通過各組織中淀粉向可溶性糖的轉(zhuǎn)化調(diào)整，從而降低水勢，來維持植物體內(nèi)水分運輸?shù)倪B續(xù)性。在本試驗中，通過補水措施能提高葉片可溶性糖含量，證明尾巨桉正處于中度或重度脅迫（45%田間持水量以下）[29]。旱季的葉片可溶性糖含量均大于雨季，葉片淀粉含量小于雨季（除了處理F外），因此，在旱季受到水分脅迫后，桉樹通過增加其葉片的可溶性糖含量和減少淀粉含量來維持其葉片正常的光合等生理功能。同時，養(yǎng)分的添加可緩解植物在極端干旱時期對其帶來的負面影響[29]。在本試驗中，只有在旱季條件下，施肥對葉片可溶性糖含量產(chǎn)生了極顯著性影響（P＜0.01）。

有肥處理F和WF的旱季非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量高于雨季，而無肥處理CK和W則恰好相反。施肥一定程度上可緩解植物在極端干旱時期對其帶來的負面影響[30]。因此有肥條件下，無論在旱季還是雨季，尾巨桉均維持了較高的光合水平，并且在旱季通過更多的淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，使得其在旱季總的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量高于雨季；而無肥處理下，植物在旱季受到嚴重干旱脅迫，光合能力下降，從而使得其非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量低于雨季。

3.3 綜合因素對葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要由可溶性糖和淀粉等組成，為碳代謝的主要產(chǎn)物，對植物的代謝、生長、發(fā)育有著重要的作用。施肥和試驗時間是影響非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的主要因素。隨著時間的推移，尾巨桉葉片淀粉含量隨之下降，而在可溶性糖含量變化不大的情況下，從而顯著影響了非結(jié)構(gòu)性碳水化合物也隨之顯著下降，這與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致[31]。

本論文的結(jié)果為短期旱季補水的效果，而長期的旱季補水對于尾巨桉葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響以及尾巨桉整體的生長有待進一步的研究。此外，不同季節(jié)環(huán)境因子的變化（如溫度、濕度、有效輻射等）均會對葉片光合以及氣孔造成影響，而這些影響是否最終導(dǎo)致了葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的季節(jié)性變化，也需要進一步結(jié)合微型氣象站的數(shù)據(jù)進行長期監(jiān)測分析。

3.4 結(jié) 論

施肥能顯著提高葉片可溶性糖含量，尤其在旱季，從而能更好地維持葉片生理活動，更有利于樹木的碳源輸出；而旱季補水能有效地緩解尾巨桉受到的季節(jié)性干旱脅迫，從而使得葉片中的可溶性糖含量以及淀粉含量均較低，能有效將光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到其他器官組織。