中山杉功能性狀適應(yīng)三峽庫區(qū)消落帶研究

阮 宇,胡景濤,肖國生,李俊清,任 憑

1 重慶三峽學(xué)院,重慶 404020

2 北京林業(yè)大學(xué),北京 100091

3 重慶市萬州區(qū)林業(yè)科學(xué)研究所,重慶 404188

功能性狀是植物對外界環(huán)境的響應(yīng)[1—2],植物通過不斷調(diào)節(jié)或改變某些性狀,使功能性狀間相互協(xié)調(diào)進而共同適應(yīng)環(huán)境的變化。功能性狀間的協(xié)調(diào)關(guān)系是植物的生態(tài)策略即生境的適應(yīng)機制[3—5]。葉是對環(huán)境變化最為敏感的植物器官,其性狀與植物對資源的利用能力和效率緊密聯(lián)系,能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境變化的生存對策[6—8],也能更好地解釋植物的適應(yīng)性[9]。根系是對土壤因子必須做出響應(yīng)的器官,其性狀特征能承載一定的環(huán)境變化信息[10—11],研究葉片和根系的功能性狀及其在不同環(huán)境條件下的變化規(guī)律,有助于揭示植物對環(huán)境的適應(yīng)機理[1,3,12]。

三峽庫區(qū)消落帶具有特殊生境特征,消落帶水位每年在145—175 m之間漲落,漲水快退水慢。水位高度的變化使位于不同地勢的消落帶經(jīng)歷不同的水淹期,形成“水淹-干旱”交替脅迫的特點。針對三峽庫區(qū)消落帶生境特殊性,急需找到一些對消落帶環(huán)境比較適應(yīng)的植物[13—15],用于消落帶植被恢復(fù)和環(huán)境治理?？墒悄壳耙恍┽槍χ参镌馐堋八?干旱”交替脅迫后生理生化變化的研究[16—17],及相關(guān)適應(yīng)性研究大部分圍繞一種脅迫展開[18—19],而且實驗室條件下的模擬研究多,自然環(huán)境下的實地研究較少[20—21]。三峽庫區(qū)消落帶具復(fù)雜的氣候條件和地形地貌條件,在實驗室條件下研究的局限性大,難以完全反映庫區(qū)消落帶原生境對于植物的影響。

中山杉(Taxodium‘Zhongshanshan’)是杉科落羽杉屬的雜交種,它遺傳了落羽杉屬耐淹、耐堿、樹形優(yōu)美的優(yōu)良特性,又具生長快、抗逆性強、耐腐性好的個性特征,有“永不腐朽之木”美譽[22—23],在我國濕地生態(tài)保護中發(fā)揮重要作用[24—25]。2009年中山杉引種于三峽庫區(qū)消落帶萬州沱口,成活率高,適應(yīng)性強[26—27]。本研究以萬州沱口的中山杉為對象,分析不同樣帶內(nèi)中山杉功能性狀的特征、功能性狀間的關(guān)系、以及功能性狀隨消落帶水位高度變化的規(guī)律,旨在揭示中山杉在消落帶不同水位高度生境中的適應(yīng)特征,為三峽庫區(qū)消落帶保護和植被恢復(fù)提供支撐。

1 研究方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)地處長江中上游結(jié)合部,四川盆地東緣,重慶市東北邊緣,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,四季分明,冬暖,多霧； 夏熱,多伏旱； 春早,氣溫回升快而不穩(wěn)定； 秋長,陰雨綿綿。日照充足,雨量充沛,天氣溫和,無霜期長,霜雪稀少。多年平均氣溫17.7℃,極端最高氣溫為41℃,極端最低氣溫-3.7℃,平均年日照時數(shù)1484.4 h。平均年降雨1243 mm,平均年水面蒸發(fā)為620 mm。沱口位于重慶萬州區(qū)內(nèi),東經(jīng)：108°25′,北緯：30°46′,隸屬于萬州區(qū)百安壩街道。

1.2 野外調(diào)查與樣品采集

2009年配合三峽水庫首次蓄水,萬州區(qū)林科所從林場基地里移栽了208株中山杉,種在沱口福利院外側(cè)、水位165—175 m的消落區(qū)內(nèi)。然后將林場基地剩余的樹苗栽種在重慶三峽學(xué)院百安校園內(nèi)作為對照。移栽苗木來自同一批苗,規(guī)格為胸徑4.0 cm,樹高1.5—2 m。2018年6月15日,以采集當天的水位線為基數(shù),沿沱口消落帶垂直河流方向,按照水位高度的不同,設(shè)置165—168 m(大于等于165 m,小于168 m)、168—171 m(大于等于168 m,小于171 m)、171—175 m(大于等于171 m,小于175 m)3條樣帶及重慶三峽學(xué)院百安校園栽種區(qū)為對照組,具體見表1。在設(shè)置樣帶區(qū)內(nèi)隨機選取25—30株中山杉進行每木調(diào)查,并分別采集細根、葉帶回實驗室。

表1 樣帶的設(shè)置

1.3 樣品處理

1.3.1樣品固定處理

將采集回來的葉樣品清洗干凈后,放入70%FAA(配方: 福爾馬林(38%甲醛) 5 mL冰醋酸5 mL 70%酒精 90 mL 5 mL甘油)固定液固定,然后制作標本。標本放到光學(xué)顯微鏡(Olympus BX51)下觀察拍照。然后將葉表皮剝落下來[28],觀察表皮、表皮細胞及氣孔,再制作葉橫切面標本,觀察葉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最后將表皮細胞、氣孔及葉橫切面結(jié)構(gòu)圖片導(dǎo)入Photoshop CS6中,利用記錄測量工具算出葉表皮寬度、氣孔長軸孔徑、葉厚度及柵欄組織厚度。

1.3.2根系代謝物測定

將采集的根樣品立即裝入冰盒帶回實驗室,依次用自來水和去離子水清洗干凈,置于110℃烘箱內(nèi)殺青15 min,再調(diào)至80℃烘干至恒重；烘干的樣品采用MM400球磨儀研磨成小于2 mm的粉末,封裝待測。一部分送入重慶市海關(guān)技術(shù)中心檢測蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、草酸含量,分別以每克根干物質(zhì)含有的毫克數(shù)計(mg/g)[29—30]。一部分用于根系NSC測定。植物NSC=可溶性糖+淀粉。準確稱取中山杉根系粉末0.01 g置于10 mL離心管中,加入5 mL 80%乙醇,80℃水浴加熱40 min,冷卻至室溫,7000 r/min離心12 min 后取上清液。重復(fù)提取2次,合并上清液定容至50 mL,所得液體即為可溶性糖待測液。在625 nm波長下采用紫外可見光分光光度計(UV·2550)測定待測液的可溶性糖含量。淀粉用酸水解為可溶性糖后用上述蒽酮比色法進行測定[31]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 22.0、GraphPad Prism 5對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。差異性分析采用單因素方差(one-way ANOVA)以及Duncan多重比較法；采用Pearson相關(guān)分析檢驗功能性狀內(nèi)相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 中山杉的生長狀況比較

從樹高來看,淺水區(qū)(SS)平均樹高為(12.61±3.629) m,對照區(qū)(LS)為(11.13±3.037) m,中度水淹區(qū)(MS)為(4.87±2.222) m,深度水淹區(qū)(DS)為(3.06±1.276) m。SS、LS與DS、MS間差異顯著(P<0.05),SS與LS間、DS與MS間的差異性不顯著(P>0.05)。從胸徑來看,淺水區(qū)(SS)為(23.64±4.889) cm,LS、MS和DS分別為(12.9±2.514) cm、(7.79±3.486) cm和(5.71±2.492) cm。 SS與LS、 DS、MS間出現(xiàn)顯著差異(P<0.05),LS、DS、MS間差異性不顯著(P>0.05)。從平均冠幅來看,SS和LS分別為(4.365±1.157) m,(4.054±1.237) m；MS、DS分別為(1.860±0.7261) m,(1.905±0.6791) m。SS、LS與DS、MS間差異顯著(P<0.05),SS與LS之間、DS與MS之間的差異不顯著(圖1)。

圖1 不同樣帶中山杉生長狀況比較

上述結(jié)果說明淺水區(qū)(SS)的中山杉長勢最好,其次是對照組(LS),深度水淹區(qū)(DS)長勢最差。短時期的水淹對中山杉的生長影響不大,中山杉能適應(yīng)干濕交替的環(huán)境。生長在171 m以下中山杉長勢明顯劣于171 m以上,這些地段水淹時間超過120 d,最長可達190 d,水位沒過樹頂,樹高、胸徑以及冠幅都顯著降低。

2.2 中山杉葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的比較

將不同樣帶和對照組的中山杉葉解剖結(jié)構(gòu)進行比較,從橫切面結(jié)構(gòu)可以看出,圖2中深度水淹區(qū)(DS)葉柵欄組織豐富。將柵欄組織厚度量化后比較,深度水淹區(qū)(DS)的柵欄組織顯著厚于其他比較組(P<0.05)。從葉厚度比較,最厚的深度水淹區(qū)(DS)為(509.7±20.28) μm；其次中度水淹區(qū)(MS)為(485.0±91.44) μm；對照(LS)與淺水區(qū)(SS)分別為(404.0±58.22) μm,(436.6±28.04) μm。從葉表寬度比較,最寬的是對照(LS)為(4027±410.2) μm,其次淺水區(qū)(SS)為(3855±150.9) μm,中度水淹區(qū)(MS)為(3714±149.8) μm,深度水淹區(qū)(DS)為(3662±608.2) μm。但兩種性狀在各比較組間差異不顯著(P>0.05)。比較氣孔孔徑大小可以得到,深度水淹區(qū)(DS)氣孔孔徑較其他對照組孔徑小,中度水淹區(qū)(MS)的孔徑最大,DS與MS間出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。(圖3)

圖2 不同樣帶的葉橫切面

圖3 不同樣帶的葉結(jié)構(gòu)比較

2.3 根系NSC的比較

植物初生代謝產(chǎn)物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrates,NSC)是生命活動所需能量的直接來源,它包括可溶性糖及淀粉。從圖4可以看出,根系中可溶性糖含量最高的是中度水淹區(qū)(MS),其次是淺水區(qū)(SS),含量最低是深度水淹區(qū)(DS),對照組(LS)的含量低于MS及SS,LS、MS及SS三者間沒有顯著差異,DS與MS、SS間存在顯著差異。根系中淀粉含量最高的是中度水淹區(qū)(MS)為(87.39±26.99) mg/g,其次是對照組(LS)(77.48±12.31) mg/g,再其次是深度水淹區(qū)(DS),含量為(66.73±6.86) mg/g,含量最低的是淺水區(qū)(SS)為(52.12±8.154) mg/g,MS與DS間存在顯著差異(P<0.05),與SS間存在極顯著差異(P<0.01),LS與SS之間也存在顯著差異(P<0.05)。根系NSC含量最高的是中度水淹區(qū)(MS),其次是對照組(LS),淺水區(qū)(SS)含量低,MS與DS間存在顯著差異(P<0.05)、與SS間存在極其顯著的差異(P<0.01)。從可溶性糖推測,MS、SS、LS樣帶里的中山杉根代謝旺盛,DS根代謝較弱。

圖4 不同樣帶的根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量

2.4 有機酸含量的比較

有機酸是植物次生代謝產(chǎn)物,是碳代謝的中間產(chǎn)物,可以減緩逆境條件對植物的毒害,提高植物對逆境的適應(yīng)性和抵抗力。研究發(fā)現(xiàn)深度水淹區(qū)(DS)根系中草酸含量最高,其次是中度水淹區(qū)(MS),再其次是淺水區(qū)(SS),對照組(LS)含量最低,但4個比較組的差異未達到顯著水平(P>0.05)。比較根系中酒石酸含量,深度水淹區(qū)(DS)含量最低,淺水區(qū)(SS)含量最高,DS與MS、SS間差異顯著(P<0.05),其他對照組間差異不顯著(P>0.05)。比較根系中蘋果酸,含量最高的是淺水區(qū)(SS),其次是中度水淹區(qū)(MS),含量最少的是深度水淹區(qū)(DS),但各比較組間的差異不顯著(P>0.05)。比較根系中檸檬酸含量,從高到低依次為中度水淹區(qū)(MS)、對照組(LS)、深度水淹區(qū)(DS)、淺水區(qū)(SS)。MS與DS、SS間差異顯著(P<0.05)(圖5)。

圖5 不同樣帶根系中有機酸含量

2.5 各功能性狀間相關(guān)性分析

從表2可以看出,樹高、胸徑及冠幅間有極顯著的正相關(guān)性。樹高與根系可溶性糖、酒石酸含量呈正相關(guān)。胸徑與根系淀粉含量呈負相關(guān),與酒石酸呈正相關(guān)。冠幅與樹高、胸徑相關(guān),與其他功能性狀無相關(guān)性。根系淀粉含量、可溶性糖與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物呈極顯著的正相關(guān)性。酒石酸與草酸間有極其顯著的正相關(guān)性,與樹高、胸徑、蘋果酸及檸檬酸呈正相關(guān)。蘋果酸與檸檬酸呈正相關(guān)。

表2 各功能性狀間的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

3.1 三峽庫區(qū)消落帶不同水位高度中山杉功能性狀的特征及變化

消落帶生長的中山杉葉隨水位高度降低呈現(xiàn)出變窄,變厚的趨勢,深度水淹區(qū)(DS)氣孔孔徑變小,柵欄組織變厚,分化出較明顯的旱生特征,由于淹沒期中山杉葉片全部脫落,對葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)影響不大。葉在生長期內(nèi)高溫干旱時間較長,受高溫干旱影響較大。

根系代謝狀況可以通過非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及有機酸表現(xiàn)出來。根系可溶性糖直接為植物生長代謝提供能量[32—33]。草酸具較強的電荷平衡能力,酒石酸是一種抗氧化劑可以減少氧化傷害,減輕脅迫的影響[34—35]。蘋果酸可平衡硝酸還原過程中的電荷,增強能量供應(yīng)[36]。中度水淹區(qū)(MS)根系可溶性糖、淀粉及NSC含量高,表明根系中能量物質(zhì)豐富,能為根系代謝提供充足的能量,可溶性糖為代謝直接供能,淀粉儲藏起來滿足根系在長時間水淹脅迫時生長所需能量,也有助于中度水淹區(qū)(MS)中山杉在解除脅迫后,迅速恢復(fù)正常代謝能力。這與相關(guān)研究相似,王婷等研究落羽杉(Taxodiumdistichum)根系時發(fā)現(xiàn),維持較高的淀粉含量能適應(yīng)中度水淹脅迫[20]。張艷紅等研究秋華柳(Salixvariegate)時發(fā)現(xiàn)具有耐長期水淹的特性植物是以充裕的能量儲備為基礎(chǔ)的[37]。檸檬酸及蘋果酸高,表明中度水淹區(qū)(MS)根系呼吸旺盛,根系處于旺盛的代謝狀態(tài)。酒石酸含量高也可增加中度水淹區(qū)(MS)中山杉抵抗環(huán)境的能力。

深度水淹區(qū)(DS)根系中可溶性糖、淀粉含量低,表明深度水淹時為了維持植物體生存,中山杉增加能量消耗,根系中可溶性糖、淀粉被消耗,以至根系的代謝能力減弱。其檸檬酸及蘋果酸含量低,根系以無氧呼吸為主,這與相關(guān)研究相似[20,38]。受長時間的水淹脅迫后深度水淹區(qū)(DS)草酸含量高,酒石酸含量低[39],這些現(xiàn)象表明脅迫對深度水淹區(qū)(DS)中山杉的影響時間長,盡管采樣期水位已退下,但脅迫的影響仍未消除。

3.2 三峽庫區(qū)消落帶不同水位高度中山杉的適應(yīng)性

中山杉引種于沱口后,171 m以上植株生長狀況好,而171 m以下,生長狀況明顯處于劣勢,水位線越低,這種劣勢越明顯。說明水淹深度及時間是影響中山杉生長的主要因子[40]。

在深度水淹區(qū)(DS),9月份中山杉正處生長旺盛期時,長江消落帶進入淹沒期,淹沒期內(nèi)植株全部沉沒水下。次年3月長江水位退下,中山杉開始露出水面,由于雨季到來水位二次回升,部分植株直至5月底才完全解除水淹,此時三峽氣候進入高溫期。中山杉要經(jīng)歷2—3個月的高溫期和6個月的水淹期,適合中山杉生長的時間僅3—4個月,而“干旱-水淹”交替脅迫期長達8—9個月。針對生長期短,脅迫期長的特點,中山杉采取減小氣孔孔徑,增加?xùn)艡诮M織厚度來適應(yīng)高溫期,通過有機酸代謝,如增加草酸來抵抗脅迫；根系無氧呼吸強,有氧呼吸弱,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量少,根系的生理代謝弱。這些現(xiàn)象可以推測,水位退去后,中山杉仍受脅迫影響,需花費時間去解除,根系暫不能恢復(fù)到正常代謝水平,這間接地縮短了深度水淹區(qū)中山杉的生長時間,中山杉生長周期變得更短,植株的生長發(fā)育直接受到影響,生活力逐漸變?nèi)?多輪水淹后,植株易死亡。趙洋等人在研究水淹對三峽庫區(qū)消落帶中山杉生長的影響時表明,1次水淹后,消落帶的中山杉的存活率100%,隨著水淹次數(shù)的增加,多次水淹后,165—167 m 高程段內(nèi)的存活率下降至41.2%—71.4%[27]。

中度水淹區(qū)(MS)中山杉每年10月份淹沒于水下,淹沒期近4個月,次年2月中旬完全露出水面,這個時期正值春季,氣候逐漸回暖,正適宜中山杉萌芽生長,促進植株較早地進入恢復(fù)期,根系中非結(jié)構(gòu)碳水化合物、蘋果酸及檸檬酸含量高,表明根系已恢復(fù)正常的生理代謝。根系的代謝活動有助于加快地上部分的生長,保證中山杉正常的生長發(fā)育,使其具有較強的生活力,植株易成活。這與趙洋等人的研究結(jié)果相同,他的研究表明多次水淹后,168 m及以上的海拔高度的中山杉存活率可達98%—100%。水淹對168 m以上高程的中山杉存活率影響不大[27]。在淺水區(qū)(SS),10月中旬開始水淹,11月初淹至175 m,次年1月水位下降,中山杉也要經(jīng)過60—100 d的水淹期,而這段時期恰好是中山杉生長緩慢的時期,且水淹高度未超過中山杉的樹高,低水位和短時期的水淹對中山杉的生長影響不明顯。中山杉的生長狀況好。功能性狀與對照組沒有顯著差異。

為了適應(yīng)水淹期長而生長期短的特點,中山杉采取逃避策略[41],在短期內(nèi)進行高生長,緩解水淹對其產(chǎn)生的影響。這一點可以通過植物高生長與可溶性碳水化合物呈顯著正相關(guān)來間接證明。

3.3 結(jié)論

淺水區(qū)(SS)中山杉生長狀況明顯優(yōu)于中度水淹區(qū)(MS)和深度水淹區(qū)(DS),中山杉的生長狀況與水淹時間及深度有關(guān)。淺水區(qū)(SS)中山杉的生長周期未受到水淹影響,生境適宜中山杉的生長。中度水淹區(qū)(MS),脅迫引發(fā)中山杉生命系統(tǒng)在功能性水平上產(chǎn)生變化和反應(yīng)是可逆的,中山杉能夠通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù),脅迫在中山杉的自身調(diào)節(jié)能力極限范圍內(nèi),植株的生活力未受到較大影響,能正常生長發(fā)育。而深度水淹區(qū)(DS),脅迫已超過中山杉自身調(diào)節(jié)能力的極限,潛在損傷發(fā)展成慢性或不可逆地傷害,脅迫解除后,植株恢復(fù)正常代謝緩慢,生長周期縮短,植株的生活力變?nèi)?生命變得更脆弱,隨著水淹次數(shù)的增加,植株易死亡。與淺水區(qū)(SS)相比,中度水淹區(qū)(MS)的植株相對矮小,但它們的生活力相似,植株都易存活。與深度水淹區(qū)(DS)相比,中度水淹區(qū)(MS)的植株高度、大小差異不顯著,但生活力更強。因此,消落帶水位168 m及以上生境更適宜栽種中山杉。

致謝：李金娥同學(xué)、揚州大學(xué)羅云建老師對研究給予幫助,特此致謝。