草地沙化程度對地八角水分分配策略及抗性生理的影響

羊 勇，曾曉琳，陳 渤，劉金平，華 緒

（1. 四川久馬高速公路有限責(zé)任公司, 四川 成都611731；2. 西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 四川 南充 637009；3. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司, 四川 成都611731）

因氣候變暖、超載過牧、不合理利用及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制缺乏，川西北高原73.80%草地有“兩化三害”，約1.6 × 106hm2草地嚴(yán)重退化沙化。沙化引起土壤養(yǎng)分流失、生產(chǎn)力減退[1]、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞、生態(tài)功能喪失[2]，嚴(yán)重影響生態(tài)、生產(chǎn)和生活及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]，防止和治理草地沙化成為當(dāng)前面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題[4]。川西北草原沙化區(qū)常以高山柳(Salix cupularis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)建設(shè)生物圍欄和防風(fēng)格后，以披堿草(Elymus dahuricus)、燕麥(Avena sativa)等牧草為建群種，建設(shè)灌草組合的防沙治沙和植被恢復(fù)栽培草地[5]。因所選草本植物生態(tài)適應(yīng)性差，植株存活率和植被保存率極低[6]，3～5年后逐漸被沙生苔草(Carex praeclara)、地八角(Astragalus bhotanensis)等野生耐沙草種替代[7]。因此依據(jù)沙化草地特征選擇適沙抗沙草種是植被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵[8]，故篩選、馴化和利用拓展性能好、適應(yīng)范圍廣、分生再生能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)匾吧莘N，是該區(qū)植被恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)及防沙治沙的關(guān)鍵。

地八角又名不丹黃芪、球花紫云英、地皂角，豆科黃芪屬多年生草本植物，多生長在海拔3 000～3 100 m草地[9]，根系粗壯，須根發(fā)達(dá)，莖枝斜向上或匍匐，分蘗能力和再生能力強(qiáng)[10]，具抗寒、抗旱、抗瘠、耐酸能力，生態(tài)適應(yīng)性廣[11]、結(jié)實率高、繁殖能力強(qiáng)[9]。長期經(jīng)受高寒缺氧、強(qiáng)輻射、低CO2等氣候變化脅迫，且在極度沙化的沙丘中自然留存與生長[7]。目前對地八角研究集中于引種馴化[9]、繁殖栽培[10]、根際菌株特性[12]等方面，尚無其在草地沙化過程中的生態(tài)適應(yīng)方式、水分利用策略及抗性生理響應(yīng)的相關(guān)報道。

草地沙化是植物群落特征對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞、理化性狀衰退、供水供肥能力下降的外在表現(xiàn)，實質(zhì)是土壤供氧、供養(yǎng)、供水能力下降，植物受到生境脅迫的結(jié)果。資源分配格局反映了植物逆境響應(yīng)規(guī)律和適應(yīng)對策[13]，通過提高葉綠體密度和光合色素含量應(yīng)對或抵御輕度脅迫[14]，通過激活抗氧化酶系統(tǒng)提高抗氧化能力降低或減輕脅迫對植物造成傷害[15]。本研究以4個沙化程度草地上補(bǔ)播的地八角為材料，通過測定其構(gòu)件水分含量及配比、水分飽和虧、光合色素和抗性生理等指標(biāo)，研究地八角對草地沙化的水分利用策略和生理響應(yīng)機(jī)制，為防風(fēng)治沙植物篩選、沙化草地治理、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于四川省阿壩州紅原縣邛溪鎮(zhèn)四川草原科學(xué)研究院沙化實驗基地內(nèi)進(jìn)行。基地地處102°32′ E，32°46′ N，為大陸性高原溫帶季風(fēng)氣候，海拔3 497 m，年均溫1.1 ℃，極端高溫23.5 ℃，極端低溫-33.8 ℃，年降水量738 mm，相對濕度71%，≥ 10 ℃年積溫為865 ℃·d，年 輻 射 量(20.93～29.30) × 106kJ·m-2。草地沙化土壤性狀如表1與表2所列。

表1 草地沙化程度對土壤理化性狀影響Table 1 Effect of grassland desertification on physical and chemical properties of soil

表2 草地沙化程度對土壤顆粒組成影響Table 2 Effect of grassland desertification on particle composition of soil

1.2 試驗設(shè)計

于2016年7月，參考天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[16]，選取未沙化(no desertification,ND，蓋 度90%)、輕 度沙 化(light desertification, LD，蓋 度70%)、中 度 沙 化(moderate desertification, MD，蓋度45%)和重度沙化(heavy desertification, HD，蓋度10%)草地各20 m2。

各類草地分別設(shè)2.0 m × 2.0 m小區(qū)各3個，齊地刈割平整后，每小區(qū)按密度100 seed·m-2均勻補(bǔ)播野生地八角種子，3年自然生長與演替后，ND、LD、MD和HD存留密度和相對蓋度(地八角蓋度/草地蓋度)分別為5.32 plant·m-2和2.07%、4.28 plant·m-2和8.87%、21 plant·m-2和32.65%、3.55 plant·m-2和75.12%，于2019年7月進(jìn)行水分分配和生理生化指標(biāo)測定。

1.3 測定項目及方法

水分分配指標(biāo)：隨機(jī)挖取10株完整植株，清洗、拭干稱重后，將根、莖、葉、花、果分離，分別稱重為鮮重；將各構(gòu)件放水中浸泡2 h，取出、擦干、稱重為飽和鮮重[17]；于105 ℃下殺青0.5 h，75 ℃下烘至恒重，稱重為干重。然后計算以下指標(biāo)：構(gòu)件含水量 =(鮮重 - 干重)/鮮重 × 100%；整株含水量 = (構(gòu)件鮮重和 - 構(gòu)件干重和)/構(gòu)件鮮重和 × 100%；構(gòu)件水分配比 = 構(gòu)件含水量/整株含水量 × 100%；生殖構(gòu)件水分配比 = (花 + 果)含水量/整株含水量 × 100%；根冠水分比 = 根含水量/(莖 + 葉 + 花 + 果)含水量 × 100%；構(gòu)件相對含水量 = (鮮重 - 干重)/(飽和鮮重 - 干重) ×100%；構(gòu)件水分飽和虧 = (1 - 構(gòu)件相對含水量) × 100%；整株水分飽和虧 = (1 - 整株相對含水量) × 100%。

生理生化指標(biāo)：隨機(jī)取10株植物的葉片，用乙醇-丙酮混合提取法測葉綠素含量[18]；用“蘇州科銘生物有限公司”生產(chǎn)的試劑盒，分別測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)、過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性及總抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)，3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并用Duncan法對各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙化程度對地八角水分分配的影響

2.1.1 對含水量的影響

沙化程度對根、莖、葉、果含水量和整株總含水量均有極顯著影響(P＜ 0.01) (表3)，對花含水量無顯著影響(P＞ 0.05)。隨沙化程度增加莖、葉和整株含水量均下降，根含水量逐步顯著增加(P＜ 0.05)。LD降低莖含水量而增加了根、花與果的含水量，MD降低葉含水量，HD降低莖、葉含水量而增加根含水量(P＜ 0.05)。土壤沙化對地八角構(gòu)件含水量影響大小為根 ＞ 葉 ＞ 莖 ＞ 果 ＞ 花，花含水量幾乎不受生境影響，果含水量在LD、MD和HD間無顯著差異(P＞ 0.05)。

表3 草地沙化程度對地八角構(gòu)件含水量的影響Table 3 Effect of grassland desertification on water content of Astragalus bhotanensis components

2.1.2 對水分配比的影響

沙化程度對除花以外的其他水分配比有極顯著影響(P＜ 0.01)，對花水分配比有顯著影響(P＜ 0.05)(表4)。隨沙化程度增加，莖、葉的水分配比逐步降低，而根、花、果的水分配比逐步增加。土壤沙化對構(gòu)件水分配比影響表現(xiàn)為葉 ＞ 根 ＞ 莖 ＞ 果 ＞ 花，LD、MD、HD下葉水分配比分別比ND降低了7.17%、19.79%和38.42%，莖配比降低了8.24%、15.86%和22.67%，而根配比增加了6.01%、35.02%和70.04%，從而使根冠水分配比隨沙化程度增加而增大。生殖器官水分配比受影響小于營養(yǎng)器官，花、果水分配比隨沙化程度增加而增大，從而使生殖水分配比均大于ND (P＜ 0.05)。

表4 草地沙化程度對地八角構(gòu)件水分配比的影響Table 4 Effect of grassland desertification on water allocation of Astragalus bhotanensis components

2.2 沙化程度對地八角水分飽和虧的影響

沙化程度對莖、葉、花、果和整株水分飽和虧有極顯著影響(P＜ 0.01) (表5)，對根水分飽和虧影響較小(P＞ 0.05)。隨沙化程度增加整株水分飽和虧增大，莖、葉、花、果的水分飽和虧顯著增大(P＜ 0.05)，根水分飽和虧則降低，但降低程度不顯著(P＞0.05)。沙化程度對構(gòu)件水分飽和虧影響大小為果 ＞莖 ＞ 葉 ＞ 花 ＞ 根，但LD下莖、葉、花、果的水分飽和虧比ND分別增加31.22%、16.46%、31.37%和283.48%，MD下 比LD分 別 增 加12.78%、18.78%、17.28%和33.32%，HD下比MD分別增加13.19%、14.17%、35.32%和30.56%，可見沙化程度對構(gòu)件水分飽和虧增加值的響應(yīng)速度有影響。

表5 草地沙化程度對地八角構(gòu)件水分飽和虧的影響Table 5 Effect of grassland desertification on water-saturated deficit of Astragalus bhotanensis components

2.3 沙化程度對地八角葉綠素含量的影響

沙化程度對地八角的葉綠素含量及比例有極顯著影響(P＜ 0.01) (表6)，隨沙化程度增加，葉片中Chl a 、Chl b 和Chl (a + b)含 量 均 逐 步 下 降，Chl a/b則逐步增加。LD對Chl a含量影響較小，但顯著降低了Chl b和 Chl (a + b)含量(P＜ 0.05) ，使Chl a/b顯著增加。MD下Chl a 和Chl b均降低，使Chl a/b在LD和MD間無差異(P＞ 0.05)。HD下Chl b下降快于Chl a，使Chl a/b為ND的1.93倍。沙化程度對葉綠素影響為Chl b ＞ Chl (a + b) ＞ Chl a/b ＞ Chl a。

表6 草地沙化程度對地八角光合色素的影響Table 6 Effect of grassland desertification on photosynthetic pigments of Astragalus bhotanensis

2.4 沙化程度對地八角生理生化指標(biāo)的影響

土壤沙化程度對地八角葉內(nèi)H2O2含量無顯著影響(P＞ 0.05)，對MDA含量、SOD和T-AOC活性有極顯著影響(P＜ 0.01) (表7)。隨沙化程度增加，MDA含量和SOD活性逐步增加，而T-AOC則逐步降低。沙化程度對抗性系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為SOD ＞MDA ＞ T-AOC ＞ H2O2。LD、MD、HD下MDA含量和SOD活性分別是ND的1.44倍、1.84倍、2.43倍和1.49倍、2.73倍、4.05倍，而T-AOC比ND下降 3.22%、9.79%和14.50%。

表7 草地沙化程度對地八角生理生化指標(biāo)的影響Table 7 Effect of grassland desertification on physiological and biochemical indexes of Astragalus bhotanensis

3 討論與結(jié)論

砂粒、粉粒、粘粒的物理性質(zhì)、物理機(jī)械性質(zhì)和營養(yǎng)程度不同，顆粒越小養(yǎng)分越高且蓄水保肥力越強(qiáng)[3]。草地沙化引起粉粒和粘粒流失(表2)，直接影響土壤的水、養(yǎng)、氣、熱等特性。隨沙化程度增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、容重增加、含水量降低、有效養(yǎng)分下降(表1)，植物受到干旱、貧瘠及養(yǎng)分失衡等耦合脅迫，對受限生境資源的利用策略決定植物的生長發(fā)育與生存幾率[19]。構(gòu)件水分含量與分配比、相對含水量[17]、水分飽和虧[20]等水分特征是植物抗旱性的重要組成部分[21]，對植物生長速度、生物量累積及抗逆性能具有重要影響[22]。地八角通過降低莖、葉含水量與分配比，增加水分飽和虧，減緩蒸騰失水，同時通過降低根水分飽和虧且增加含水量與分配比，維持較大的根冠水分配，來應(yīng)對土壤沙化造成的干旱。水分優(yōu)先向可減緩或克服限制因子的根分配，提高植株的水分利用效率和抗旱性，以減少脅迫造成的傷害[23]，本研究與干旱脅迫下諸多植物反應(yīng)相似[17]。植物常依據(jù)生境條件進(jìn)行生殖權(quán)衡[24]，最大限度地利用有限資源來保證生殖生長以完成生活史[25]。地八角生殖器官水分配比相對穩(wěn)定，且水分飽和虧低于營養(yǎng)器官，為其開花、授粉和種子發(fā)育及生活史完成奠定水分基礎(chǔ)。植物通過系列權(quán)衡和協(xié)同變化適應(yīng)或應(yīng)對脅迫生境[26]，地八角采用相對保守的生存策略，通過增加根長和根幅，生物量優(yōu)先向具固氮能力根分配[7]，根水分飽和虧維持穩(wěn)定等策略，使有限資源在生存、生長與生殖間有效分配，以提高其對沙化草地的適應(yīng)性。

葉綠素含量直接影響光合作用的強(qiáng)弱[27]，可反映植物對脅迫生境的抗逆能力和適應(yīng)的能力[28-29]。Chl a負(fù)責(zé)光能的轉(zhuǎn)化，Chl b進(jìn)行光能的收集，Chl a/b的高低反映了植物對光能利用效率[30]。植物常通過提高葉綠體密度和光合色素含量應(yīng)對或抵御輕度脅迫[31-32]，地八角則通過降低葉綠素含量應(yīng)對土壤沙化，在HD下Chl b快速下降且Chl a/b嚴(yán)重失衡，符合重度脅迫導(dǎo)致光合色素分解，影響光能吸收和轉(zhuǎn)化效率[32-33]的觀點(diǎn)。葉綠素不斷合成和分解的動態(tài)變化中，缺氮會阻礙葉綠素的合成[34]，干旱則會加速葉綠素的分解[35]。本研究4種土壤的物理性狀與有效養(yǎng)分差異顯著，隨土壤沙化程度增加，地八角的Chl a、Chl b和Chl (a + b)逐漸降低，且Chl b更易受生境影響，表明土壤沙化主要影響地八角光能收集能力。但光合速率除色素含量外，還受葉片面積、氣孔導(dǎo)度、葉片水勢和CO2攝取量、光合相關(guān)酶活性等諸多因素的影響[33]，土壤沙化對地八角光合速率、能量流動、物質(zhì)分配及生物量累積影響的相關(guān)問題有待于深入研究。

逆境脅迫引起植物體內(nèi)活性氧積累和清除自由基的抗氧化酶系統(tǒng)激活[36]。若活性氧產(chǎn)生超過清除能力，導(dǎo)致植物膜系統(tǒng)受傷、生理紊亂和功能受損[37]?？寡趸窼OD活性隨土壤沙化程度增加而顯著增加，及時清除自由基并保持活性氧代謝平衡，使4個沙化土壤上地八角體內(nèi)的致害活性氧H2O2含量幾無差異，避免或減輕對細(xì)胞膜的損傷[38]。MDA作為膜系統(tǒng)受害產(chǎn)物，也是降低滲透勢、避免細(xì)胞膜傷害的小分子物質(zhì)[39]， 也是應(yīng)對重度脅迫的主要滲透物質(zhì)[40]，故沙化程度越重MDA含量越高。T-AOC是包括抗氧化酶和非酶促抗氧化兩大系統(tǒng)功能的綜合性衡量指標(biāo)[41]，土壤沙化提高了SOD活性， T-AOC則隨沙化程度增加而降低，或因自由基氧化反應(yīng)包含產(chǎn)生、傳播、分支、終止等多個步驟，是體現(xiàn)體系內(nèi)抗氧化大分子、抗氧化小分子和酶的總抗氧化能力。SOD主要使O2-轉(zhuǎn)化為H2O2和O2，將H2O2分解為H2O則需要其他抗氧化酶的參與，抗氧化酶系統(tǒng)組成與活性變化和增加幅度受植物種類、植物抗性、脅迫強(qiáng)度等諸多因素的影響[15,36,42]，而非酶促抗氧化系統(tǒng)更加復(fù)雜。故選用有限種類的抗氧化酶活性，僅可從特定角度表征或評價植物在特定時期的抗性表現(xiàn)，不能全部說明總抗氧化能力差異的原因。地八角通過抗性生理調(diào)節(jié)，形成匹配不同沙化土壤生境的適應(yīng)能力和抗性基礎(chǔ)。

綜上，地八角具水分整合能力，有限水分在構(gòu)件間合理分配，形成適合沙化程度的水分利用策略。水分優(yōu)先向根和花分配，使根水分飽和虧不受沙化程度影響，花維持較高的水分分配比，在4個沙化程度上均可完成生活史。地八角通過系列生理代謝反應(yīng)，適應(yīng)、抵御和降低土壤沙化造成的傷害。