不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量及生理特性變化

張 磊，童 龍，謝錦忠，李俞佳，張 瑋

(1. 重慶市忠縣林業(yè)局, 重慶 忠縣 404300；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3. 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院, 重慶 400036)

毛竹(Phyllostachysedulis)是中國(guó)栽培歷史最久、栽培面積最廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值也最高的竹種[1]。毛竹可以利用其地下鞭根系統(tǒng)在克隆分株之間進(jìn)行水分的分享，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)毛竹林的灌溉。在毛竹的經(jīng)營(yíng)管理中，每年要砍伐大量的竹子，但是毛竹伐樁的腐爛卻非常緩慢，伐樁完全腐爛通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間[2]，毛竹林中多年不腐爛的伐樁會(huì)占據(jù)大量的空間，進(jìn)而影響毛竹林中新竹竹鞭的生長(zhǎng)和毛竹筍的產(chǎn)量。當(dāng)前對(duì)毛竹伐樁的研究多集中在毛竹林內(nèi)伐樁促腐、機(jī)械挖掘清理及伐樁腐爛對(duì)毛竹林內(nèi)土壤理化性質(zhì)的影響等方面[3-9]，同時(shí)張磊等[10-13]對(duì)毛竹伐樁打通灌水后，毛竹的光合特性及生理變化方面已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，研究結(jié)果顯示，利用毛竹伐樁灌水的方式進(jìn)行毛竹林灌溉，對(duì)毛竹的健康生長(zhǎng)起到了很好的作用。

毛竹大部分生長(zhǎng)地坡位相對(duì)較高，由于氣候變化，當(dāng)前的干旱天氣多有發(fā)生，僅靠降雨不能滿足毛竹生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，采用現(xiàn)代化的灌溉方式(如噴灌、滴管等)財(cái)力投入較大，同時(shí)對(duì)林地立地條件要求也高，而使用經(jīng)過(guò)毛竹打樁機(jī)打通灌水的毛竹伐樁進(jìn)行灌溉，不僅可以大幅度降低灌溉成本，提高毛竹林地利用率，灌水在一定程度上還可以加快毛竹伐樁的腐爛。毛竹伐樁灌水后，隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生老化，灌溉效果也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差，這些變化具體可以反映在其根系化學(xué)計(jì)量和生理指標(biāo)的變化上，究竟毛竹伐樁在時(shí)間推移及灌水下各項(xiàng)生理指標(biāo)將發(fā)生怎樣的變化，在哪個(gè)灌溉時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生較為顯著的變化，毛竹伐樁在毛竹林灌溉方面起到較好的效果能保持多長(zhǎng)時(shí)間，此方面研究還鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。筆者為了研究其中的機(jī)理，從試驗(yàn)毛竹林中選取灌水0、180、360和720 d的毛竹伐樁(即模擬最初伐樁未灌水的狀態(tài)、灌水0.5、1和2 a時(shí)伐樁的狀態(tài))進(jìn)行研究，測(cè)定隨時(shí)間推移及灌水影響下各時(shí)間點(diǎn)的毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量和生理指標(biāo)，得出毛竹伐樁在灌水影響下發(fā)生顯著變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而為毛竹伐樁灌溉時(shí)間長(zhǎng)短的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究地點(diǎn)位于浙江省杭州市富陽(yáng)區(qū)廟山塢自然保護(hù)區(qū)(119°56′～120°02′E,30°03′～30°06′N)，春季和冬季降雨相對(duì)較少。年均無(wú)霜期約237 d，年均降水量約1 700 mm，保護(hù)區(qū)海拔為290～530 m，年均氣溫17.2 ℃，土壤為微酸性的紅壤，該保護(hù)區(qū)總面積大約820.1 hm2，森林覆蓋率達(dá)到93.6%。植物種類豐富，主要植被類型包括毛竹林、杉木(Cunninghamialanceolata)林和馬尾松(Pinusmassoniana)林等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取面積不少于2 hm2且立地條件基本一致的毛竹林作為試驗(yàn)林。經(jīng)調(diào)查，試驗(yàn)毛竹林立竹密度為(3 000±123)株/ hm2、立竹胸徑為(12.25±0.59)cm、立竹年齡結(jié)構(gòu)(Ⅲ度竹、Ⅱ度竹、Ⅰ度竹數(shù)量比)為1.00∶0.63∶1.34。試驗(yàn)于2015年1月1日開(kāi)始，選取胸徑為(13.00±0.50) cm的6年生毛竹100株，毛竹的選擇要隨機(jī)，同時(shí)避免集中成片。毛竹砍伐后地面上均留取5 cm高度的伐樁并用毛竹打樁機(jī)將伐樁內(nèi)部的蠟質(zhì)層和竹隔打破灌水，灌水后用塑料薄膜將伐樁口包扎，以防止水分蒸發(fā)，定期檢查加水保證伐樁720 d內(nèi)始終有水(T3)；在T3處理持續(xù)灌水360 d時(shí)，選取胸徑和立竹數(shù)量均相同的6年生毛竹做伐樁，做相同處理，并定期檢查加水保證伐樁360 d內(nèi)始終有水(T2)；在T2處理持續(xù)灌水180 d時(shí)，選取胸徑和立竹數(shù)量均相同的6年生毛竹做伐樁，做相同處理，并定期檢查加水保證伐樁180 d內(nèi)始終有水(T1)；在取樣前選取胸徑和立竹數(shù)量均相同的6年生毛竹做伐樁，做相同處理，但不灌水(CK)。4種處理分別做好標(biāo)記，以方便取樣。

1.2.2 毛竹伐樁根系取樣方法

2016年12月，隨機(jī)選取灌水0 d(CK)、灌水180 d(T1)、灌水360 d(T2)、灌水720 d(T3)的毛竹伐樁各12個(gè)，分別對(duì)各處理毛竹伐樁根系進(jìn)行取樣800 g左右，混勻后，采用四分法各取根系200 g左右放于自帶的冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定毛竹伐樁根系抗氧化酶活性和根系活力；另各取200 g左右一并帶回實(shí)驗(yàn)室，放于實(shí)驗(yàn)室的烘箱內(nèi)，先對(duì)樣品進(jìn)行30 min 105 ℃殺青，然后再將烘箱調(diào)至80 ℃，烘至樣品質(zhì)量不變，粉碎，過(guò)孔徑0.63 mm篩，用于毛竹伐樁根系養(yǎng)分含量的測(cè)定。

1.2.3 毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量及生理特性指標(biāo)測(cè)定方法

采用混合取樣法，取各處理毛竹伐樁根系0.2 g放在預(yù)冷的研缽中，加入5 mL預(yù)冷的磷酸緩沖液(密度為50 mmol/L，pH 7.8)進(jìn)行冰浴研磨，隨后用磷酸緩沖液定容到10 mL，并于4 ℃下離心15 min(離心速度為10 500 r/min)，取上清液在4 ℃下進(jìn)行保存。丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸法測(cè)定；用DDSJ-308A型電導(dǎo)儀(上海儀電科學(xué)儀器公司)測(cè)定毛竹伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率；用愈創(chuàng)木酚氧化法測(cè)定毛竹伐樁根系過(guò)氧化物酶(POD)；用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定毛竹伐樁根系超氧化物歧化酶(SOD)活性；用紫外吸收法測(cè)定毛竹伐樁根系過(guò)氧化氫酶(CAT)[14]。用α-萘胺氧化法測(cè)定毛竹伐樁根系活力[15]。用重鉻酸鉀容量法測(cè)定毛竹伐樁根系有機(jī)碳含量，分別采用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法測(cè)定毛竹伐樁根系全氮、全磷含量[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量及生理特性的數(shù)據(jù)，分別采用Excel 2003 軟件整理并做表、Origin 8.0作圖，毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量及生理特性數(shù)據(jù)的方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(Duncan)在SPSS 19.0中進(jìn)行。所有數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量變化

由不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量變化情況(表1)可知，隨著灌水時(shí)間的增加，毛竹伐樁根系的C含量在不斷地增加，且表現(xiàn)為T1處理與T2處理差異不顯著(P>0.05)，但均與CK處理和T3處理達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)；毛竹伐樁根系N含量隨灌水時(shí)間的增加呈“N”形變化，表現(xiàn)為T1處理最高，其次為CK處理、T3處理，最后為T2處理，且CK處理和T1處理、T2處理和T3處理之間差異不顯著，但T2處理和T3處理均與CK處理和T1處理差異顯著；毛竹伐樁根系P含量隨灌水時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，其大小順序表現(xiàn)為T1>T2>CK>T3，且CK處理和T2處理間差異不顯著，但均與T1處理和T3處理達(dá)到差異顯著水平；毛竹伐樁根系碳氮質(zhì)量比(C/N)隨灌水時(shí)間的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為CK處理和T1處理差異不顯著，T2和T3處理之間差異不顯著，但T2和T3處理均與CK處理和T1處理差異顯著；毛竹伐樁根系碳磷質(zhì)量比(C/P)與灌水時(shí)間呈不規(guī)則的“V”字形變化，表現(xiàn)為CK處理和T2處理差異不顯著，但均與T1處理和T3處理差異顯著；毛竹伐樁根系氮磷質(zhì)量比(N/P)與灌水時(shí)間延長(zhǎng)也呈不規(guī)則的“V”字形變化，表現(xiàn)為T1處理和T2處理差異不顯著但均與CK處理和T3處理達(dá)到差異顯著水平，但整體變化相對(duì)穩(wěn)定。

表1 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系化學(xué)計(jì)量變化Table 1 Chemical metrology changes of Phyllostachys edulis stump roots under different irrigation time

2.2 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系生理指標(biāo)變化

毛竹伐樁根系丙二醛(MDA)含量隨著灌水時(shí)間的增加而不斷升高(圖1)，與CK處理相比，T3處理毛竹伐樁根系MDA含量最高，為0.019 3 μmol/g，CK、T1和T2 處理毛竹伐樁根系MDA含量之間未達(dá)到差異顯著水平，但均與T3處理差異顯著；T1、T2和T3處理毛竹伐樁根系MDA含量分別比CK處理增高了3.38%、10.14%和30.41%。毛竹伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率隨著灌水時(shí)間的增加呈“N”字形變化(圖1)，T1處理與CK處理相比，毛竹伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率顯著升高(P<0.05)且達(dá)到最大(10.58%)，T2處理與T1處理相比，其出現(xiàn)了降低，且兩者之間達(dá)到差異顯著水平，T3處理伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率與T2處理相比出現(xiàn)升高現(xiàn)象，同時(shí)與CK處理和T2處理達(dá)到差異顯著水平，但與T1處理差異不顯著，T1、T2和T3毛竹伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率分別比CK處理增高了54.00%、20.09%和48.33%。毛竹伐樁根系活力隨著灌水時(shí)間的增加而逐年下降(圖1)，與CK處理毛竹伐樁根系活力相比，T1處理與CK處理未達(dá)到差異顯著水平，T2處理與CK處理、T1處理和T3處理均差異顯著，T3處理毛竹伐樁根系活力最低[37.45 μg/(g·h)]，同時(shí)與其他各處理均達(dá)到顯著差異水平，T1、T2和T3處理毛竹伐樁根系活力分別比CK處理毛竹伐樁根系活力下降了5.28%、12.54%和26.48%。

圖柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著。下同。Different lowercase letter on columns showed significant difference among treatments. The same below.圖1 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系丙二醛含量、相對(duì)電導(dǎo)率和根系活力變化Fig.1 Changes of malondialdehyde content, relative conductivity and root activity of P. edulis stumps under different irrigation time

2.3 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系抗氧化酶活性變化

測(cè)定可知，毛竹伐樁根系各氧化酶活性均隨著灌水時(shí)間的增長(zhǎng)而增大(圖2)。CK處理毛竹灌水伐樁根系POD、SOD活性與T1和T2處理均未達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)，但CK、T1和T2處理均與T3處理毛竹伐樁根系POD和SOD活性差異顯著(P<0.05)，T1、T2和T3處理毛竹伐樁根系POD活性分別比CK處理升高了15.82%、21.55%和47.96%，與CK處理毛竹伐樁根系SOD活性相比，T1、T2和T3處理分別提高了1.98%、9.68%和26.03%；T1處理毛竹伐樁根系CAT活性與CK處理和T2處理均未達(dá)到顯著差異水平，但CK和T2毛竹伐樁根系CAT活性差異顯著，同時(shí)T3處理與各處理的差異均達(dá)到顯著水平，T1、T2和T3處理毛竹伐樁根系CAT活性分別比CK處理提高了25.28%、41.06%和90.25%。

圖2 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系抗氧化酶活性變化Fig.2 Changes of antioxidant enzyme activities of P. edulis stump roots under different irrigation time

2.4 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量變化

毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量隨著灌水時(shí)間的不斷增加呈倒“N”字形變化(圖3)。CK處理毛竹伐樁根系的可溶性蛋白含量顯著高于T1、T2和T3處理，在灌溉180 d時(shí)，出現(xiàn)了顯著的下降，灌溉360 d時(shí)，毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量有了小幅度的回升，在灌溉720 d時(shí)，又出現(xiàn)顯著的下降，CK處理毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量與各處理均達(dá)到差異顯著水平，T1處理毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量與T2和T3處理差異均不顯著，但T2和T3處理間的毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量差異達(dá)到顯著水平。

圖3 不同灌水時(shí)間下毛竹伐樁根系可溶性蛋白含量變化Fig.3 Changes of soluble protein content of P. edulis stump roots under different irrigation time

3 討 論

碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物組成的重要生命元素，也是全部生命化學(xué)構(gòu)成的基礎(chǔ)[17]。C是植物體內(nèi)干物質(zhì)中最重要的組成元素，N與植物的光合作用、P和細(xì)胞生長(zhǎng)分裂等其他重要生理活動(dòng)均有著密切的關(guān)系。本研究中，毛竹灌水伐樁根系C含量隨著伐樁灌水時(shí)間的增加而不斷增加，這可能是因?yàn)槊袷且环N克隆植物，即使砍掉地上部分，也能夠從周圍立竹獲得養(yǎng)分，這使得毛竹伐樁腐爛相當(dāng)緩慢，也正因?yàn)槿绱?，在毛竹林?jīng)營(yíng)中可以利用這一特性，對(duì)地下鞭相連立竹采用伐樁灌水的方式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的灌溉，從而使得即使在干旱天氣，毛竹也能夠正常地生長(zhǎng)。同時(shí)本研究中，根系N和P的含量均呈先升高后降低的現(xiàn)象，且N和P含量在灌水180 d時(shí)均最高，這可能是由于在灌水180 d時(shí)，伐樁根系仍然具有較高的活力，仍可以從土壤中吸收養(yǎng)分。隨著灌水時(shí)間的不斷增加，伐樁根系活力逐漸下降，吸收養(yǎng)分能力隨之下降，從而出現(xiàn)了N和P的含量顯著下降的現(xiàn)象。毛竹伐樁根系N、P含量下降的同時(shí)，N/P保持相對(duì)穩(wěn)定，出現(xiàn)這種現(xiàn)象說(shuō)明毛竹伐樁根系N和P的釋放基本保持同步，這與李雪峰等[18]的研究結(jié)果基本相同。隨著灌水時(shí)間的增加，竹伐樁根系C含量不斷增加，N、P含量不斷減少，這就使得C/N和C/P不斷的上升，但是這種變化已經(jīng)明顯的偏離了腐解微生物正常生長(zhǎng)、繁殖及生理代謝活動(dòng)對(duì)基質(zhì)C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比閾值的要求，從而使得伐樁在灌水2 a甚至多年都不腐爛，這也正是伐樁灌水2 a內(nèi)仍能夠起到一定灌溉作用的重要原因。

植物在受到各種傷害以后，其細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)遭到破壞或者發(fā)生膜脂過(guò)氧化，均會(huì)造成其細(xì)胞膜透性的增大，從而引起細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)的外滲，使植物組織相對(duì)電導(dǎo)率升高[19]。本研究中，與不灌水伐樁相比，毛竹灌水伐樁根系相對(duì)電導(dǎo)率顯著增加，這說(shuō)明毛竹伐樁在隨著時(shí)間的推移及灌水的作用下受到了傷害，但以灌水180 d時(shí)最高，后又下降，這可能是毛竹伐樁對(duì)這種傷害有一種適應(yīng)的緩沖作用。MDA作為膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一，通常主要用來(lái)反映細(xì)胞受損程度。本研究中，隨著灌水時(shí)間的不斷增加，MDA含量總趨勢(shì)不斷增加，說(shuō)明隨著灌水時(shí)間的增加，伐樁受到的傷害越大，伐樁起到的灌溉效果越差。這與高歡歡等[19]在研究中觀察到的現(xiàn)象基本相同。

植物在遭受各種脅迫后，就會(huì)引發(fā)其體內(nèi)活性氧的升高，同時(shí)也會(huì)主動(dòng)或被動(dòng)地啟動(dòng)自身的抗氧化防御系統(tǒng)來(lái)對(duì)外界的傷害進(jìn)行防御，減緩細(xì)胞受到的傷害，從而提高植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力。而植物防御系統(tǒng)中各氧化酶活性的高低就成為控制植物受到傷害程度的關(guān)鍵因素[20-21]。植物體內(nèi)這幾種酶之間的協(xié)調(diào)作用的好壞決定了抗氧化系統(tǒng)防御能力的高低[22]，植物體在遭遇脅迫時(shí)，就能引起植物體內(nèi)活性氧的積累，進(jìn)而對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)造成影響，植物為了避免造成這些傷害，就會(huì)產(chǎn)生脅迫蛋白，以抵抗外界的不良脅迫[23-28]。本研究中，隨著灌水時(shí)間的增加，伐樁根系的SOD、POD以及CAT的活性均在增加，根系活性氧清除系統(tǒng)的功能保持在相對(duì)較高水平，這說(shuō)明毛竹伐樁隨著灌水時(shí)間的增加自由基迅速增加的一種自我保護(hù)的反應(yīng)機(jī)制，同時(shí)也說(shuō)明毛竹伐樁的抵抗能力較強(qiáng)，能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)毛竹林的灌溉。這也進(jìn)一步說(shuō)明毛竹在灌水以后，會(huì)對(duì)伐樁根系抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響。細(xì)胞內(nèi)活性氧積累增加，細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度提高，細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力下降，伐樁根系衰老加速，并且隨著伐樁灌水時(shí)間的不斷增加其不斷增加，使得毛竹伐樁受到的傷害不斷增大，這也從伐樁根系活力隨著灌水時(shí)間的增加而顯著下降中得到反映。

綜合所測(cè)化學(xué)計(jì)量及生理指標(biāo)可以得出，毛竹伐樁灌水在360 d內(nèi)有較好的灌溉效果。但是本研究?jī)H是初步探討，更加精確的灌水時(shí)間長(zhǎng)度還需要進(jìn)一步研究。