干旱對碧玉楊幼苗水氮利用與同化物分配的影響

尚佳州， 趙瑜琦， 王衛(wèi)鋒， 高鈿惠， 宗毓錚

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西晉中 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西晉中 030801）

楊樹（Populusspp.）是我國北方地區(qū)的重要樹種，因其速生、造林成活率高等特性，20世紀(jì)50年代以來，一直是“三北”地區(qū)生態(tài)防護(hù)林的主要樹種，該地區(qū)以小葉楊（P.simonii）、群眾楊（P.×popularis‘35-44’）等樹種營造的人工喬木林，可能是當(dāng)?shù)赝寥栏蓪有纬傻闹匾?，而土壤干層又抑制了地上楊樹人工林植被生長，并形成了大面積“小老樹”退化林分［1-3］。未來氣候變化下該地區(qū)的干旱頻率與強(qiáng)度可能會增加［4］，將進(jìn)一步限制楊樹人工林生產(chǎn)力甚至導(dǎo)致林分死亡。

干旱下楊樹的生理生態(tài)響應(yīng)過程已有不少研究，土壤水分有效性降低可導(dǎo)致楊樹葉片氣孔關(guān)閉、光合速率降低，并使得個體生長受到抑制［5］，體內(nèi)有限的碳氮資源分配模式發(fā)生改變［6］，來維持整株水分平衡以及個體存活［7-8］，這些生理生態(tài)過程的響應(yīng)程度與樹種、器官功能、生長階段等因素有關(guān)［9］。多數(shù)楊樹樹種對土壤水分脅迫較為敏感，可調(diào)節(jié)根系空間分布以促進(jìn)吸水［10］、木質(zhì)部導(dǎo)管直徑減小維持水分運(yùn)輸安全性［11］、以及減小葉片數(shù)和葉面積降低水分散失，而抗旱性較強(qiáng)的楊樹則可以通過靈敏的氣孔開閉提高水分利用效率［12-13］。干旱下群眾楊葉片光合作用顯著下降且莖干物質(zhì)分配略有增加［14］，而干旱下小葉楊的根冠比和葉莖根中可溶性糖含量均顯著增加，且在復(fù)水后出現(xiàn)明顯的光合作用補(bǔ)償效應(yīng)［15］。雖然，干旱地區(qū)樹木莖中可溶性糖含量增強(qiáng)的形成機(jī)理還存在爭議［16］，但該現(xiàn)象參與的滲透調(diào)節(jié)通常被認(rèn)為有助于修復(fù)導(dǎo)管栓塞進(jìn)而維持水分長距離運(yùn)輸?shù)壬磉^程［17］。然而，干旱下楊樹的生理生態(tài)響應(yīng)過程還不夠清楚，種間抗旱策略差異也需要進(jìn)一步明確。

據(jù)報道歐美楊新品種碧玉楊（P. ×euramericana‘Biyu’）抗寒抗旱性強(qiáng)，可在內(nèi)蒙古中西部［18］、甘肅山丹縣［19］等干旱地區(qū)良好生長。田間觀察發(fā)現(xiàn)充分灌水下碧玉楊速生特性明顯，但控制干旱下碧玉楊生長量大幅降低［20］；且其根冠關(guān)系、非結(jié)構(gòu)性碳積累等方面對干旱的生理生態(tài)響應(yīng)仍不明確。本試驗以碧玉楊扦插苗為材料，通過盆栽控制試驗，研究了連續(xù)2 a土壤干旱下碧玉楊葉片光合特性、水氮利用和器官間同化物分配的響應(yīng)變化，研究結(jié)果可有助于進(jìn)一步明確干旱下楊樹的響應(yīng)機(jī)理，并為干旱半干旱區(qū)楊樹人工林高效培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院實驗苗圃高透光遮雨棚下進(jìn)行。該苗圃位于112.57°E，37.43°N，海拔796 m；屬暖溫帶大陸性氣候，年均日照時數(shù)2527.5 h，年均氣溫10.4 ℃，年均降水量397.1 mm，年平均蒸發(fā)量1649 mm，無霜期176 d。供試土壤取自苗圃表層土，質(zhì)地為壤土，基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)1.79 mg·g-1，全氮2.4 mg·g-1，全磷1.5 mg·g-1，pH 7.22，田間持水量為26.94%。

1.2 試驗材料與處理

于2016年4月初選用高35 cm、直徑30 cm的塑料桶，桶底鋪1層鵝卵石及2層報紙與土壤隔離，每桶裝風(fēng)干土18 kg；通過插到桶底的硬質(zhì)塑料管澆水，有利于土壤自下而上均勻吸水且避免土壤板結(jié)。選取生長良好粗細(xì)均勻的一年生碧玉楊苗干的中間部位剪成長約12 cm 插條，每桶扦插1 株，共60株，進(jìn)行正常盆栽管理。2016年6月底開始用稱重法進(jìn)行持續(xù)2 a的土壤干旱處理，設(shè)置3個水分處理：（1）正常供水（CK：土壤含水量為田間持水量的75%±5%）；（2）中度干旱（MS：土壤含水量為田間持水量的50%±5%）；（3）重度干旱（SS：土壤含水量為田間持水量的25%±5%），每個處理20 株重復(fù)。每天傍晚進(jìn)行稱重補(bǔ)水，使各處理維持在設(shè)定的土壤相對含水量范圍內(nèi)，并準(zhǔn)確記錄補(bǔ)水量。分別于2016年9月初與2017年9月初對上述試驗材料進(jìn)行葉片氣體交換、碳氮含量等指標(biāo)測定。

1.3 氣體交換參數(shù)測定

每處理隨機(jī)選取6 株，于10:00—11:30 用便攜式光合速率測定儀（Li-6400XT，Li-COR，USA）測定每株功能葉中部的凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1）等氣體交換參數(shù)。紅藍(lán)光源光強(qiáng)設(shè)定為1500 μmol·m-2·s-1，流速為500 μmol·s-1，葉溫25 ℃，相對濕度60%～70%，外界CO2濃度（Ca）為410～430 mmol×mol-1。并計算氣孔限制值（Ls）和瞬時水分利用效率（WUE）［21］。

1.4 葉片碳氮元素含量測定

選取與光合參數(shù)所測葉片相近的葉片，105 ℃殺青1 h 后75 ℃烘干至恒重，磨碎過200 目篩待用。測定時稱取0.1 g 樣品，用硫酸加速劑混合消煮，用凱氏定氮儀（FoodALYTD5000，OMNILab，Germany）測定葉氮含量。并計算單位面積葉氮含量、總?cè)~氮、整株氮利用效率（NUE）和光合氮利用效率（PNUE）［21］。葉碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法進(jìn)行測定。

1.5 生長指標(biāo)和非結(jié)構(gòu)性碳含量測定

分別用游標(biāo)卡尺和卷尺測定地徑和株高。選取與光合參數(shù)所測葉片相近的葉片，使用掃描儀（DS50000，EPSON，Japan）測得單葉面積。收獲時小心將根系沖洗干凈，并整株分成根、莖、葉3部分，分別置于牛皮紙袋中，放入烘箱中殺青后75 ℃烘干至恒重，用分析天平稱重并計算比葉重等參數(shù)。處理第2 年的根莖葉干樣粉碎后過100 目篩，然后用苯酚-硫酸法分別測定其可溶性糖和淀粉的含量［22］。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 進(jìn)行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；在SPSS 17.0 中用one-way ANOVA 進(jìn)行單因素方差分析，及Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較（顯著水平α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對碧玉楊氣體交換參數(shù)的影響

2016 年與2017 年碧玉楊氣體交換參數(shù)對干旱的響應(yīng)存在顯著差異。隨干旱程度加劇，第1 年碧玉楊Pn顯著（P＜0.05）下降，與正常供水相比分別下降了32.15%、44.81%；Gs，Ls，Tr和WUE也均呈下降趨勢，而Ci與正常供水無顯著差異（P＞0.05）。第2年碧玉楊中度、重度干旱與正常供水相比，Pn顯著（P＜0.05）提高了31.31%、32.37%，Gs與Tr與正常供水無顯著變化，重度干旱下Ci顯著（P＜0.05）下降，而Ls和WUE呈上升趨勢并與第1年的變化規(guī)律相反（圖1）。

圖1 干旱對碧玉楊扦插苗功能葉氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effects of soil drought on leaf gas exchanges of poplar cuttings

2.2 干旱對碧玉楊生長與生物量分配的影響

干旱顯著影響碧玉楊植株生長過程。隨干旱程度加劇第1年干旱處理碧玉楊單葉面積逐漸減小而比葉重增大（P＜0.05）；第2 年中度干旱碧玉楊單葉面積、比葉重與對照相比無顯著差異（P＞0.05），而重度干旱下分別降低了39.11%、12.39%。干旱顯著降低（P＜0.05）了碧玉楊的生物量積累，除第2 年中度干旱下莖干重有所提高外，干旱下各器官干重、植株總干重均顯著降低（P＜0.05）；碧玉楊株高、根冠比均顯著下降（P＜0.05）（表1）。與第1 年相比，第2年正常供水碧玉楊葉干重占比減小、根干重占比增加（P＜0.05）；干旱下根的生物量分配比例顯著降低（P＜0.05），而莖的顯著增大（P＜0.05）（圖2）。

圖2 干旱對碧玉楊扦插苗器官間生物量分配的影響Fig.2 Effects of soil drought on organ biomass fractions of poplar cuttings

表1 干旱對碧玉楊扦插苗生長指標(biāo)的影響Tab.1 Effects of soil drought on the growth of poplar cuttings

2.3 干旱對碧玉楊葉片碳氮含量與氮利用的影響

干旱下碧玉楊葉氮含量顯著減?。≒＜0.05）；而單位葉面積氮含量有所增加（P＜0.05），第1 年重度干旱提高了20.0%（表2）。第1 年干旱下碧玉楊PNUE顯著（P＜0.05）下降，而碳含量、碳氮比、NUE無顯著變化。隨干旱時間延長，葉片碳氮含量關(guān)系發(fā)生了改變，第2 年干旱下碧玉楊葉碳氮含量提高（P＜0.05），碳氮比顯著降低（P＜0.05），單位葉面積氮含量和PNUE無顯著變化，中度干旱下NUE顯著增加（P＜0.05）。2 a各處理的結(jié)果回歸分析表明，葉片WUE和PNUE之間存在極顯著（P＜0.01）正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

圖3 碧玉楊扦插苗葉片瞬時水氮利用的關(guān)系Fig.3 Relationship between leaf WUE and PNUE in poplar cuttings

2.4 干旱對根莖葉器官非結(jié)構(gòu)性碳含量的影響

碧玉楊葉、莖和根中的非結(jié)構(gòu)性碳含量依次降低。土壤干旱處理2 a后，葉中的可溶性糖含量顯著（P＜0.05）降低，重度干旱下莖的可溶性糖含量顯著（P＜0.05）增加，而根的無顯著變化；根莖葉中的淀粉含量各處理間無顯著差異；所以，總非結(jié)構(gòu)性碳（TNSC）的變化趨勢與可溶性糖含量一致（圖4）。圖4中結(jié)合器官生物量進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)莖的可溶性糖總量和TNSC總量分配比例隨干旱程度呈逐漸增大趨勢，而葉和根的則呈逐漸減小趨勢（圖5）。

圖4 干旱2 a后碧玉楊扦插苗器官非結(jié)構(gòu)性碳含量變化Fig.4 Organ non-structure carbohydrate content changes in poplar cuttings after two years of drought

圖5 干旱2 a后碧玉楊扦插苗非結(jié)構(gòu)性碳分配變化Fig.5 Organ non-structure carbohydrate allocation changes in poplar cuttings after two years of drought

3 討論

3.1 干旱對碧玉楊葉光合作用及水氮利用的影響

干旱對樹木葉片光合作用的抑制程度受干旱程度、持續(xù)時間以及樹種等因素的影響，且可初步分為氣孔限制和非氣孔限制2種類型［23］。本試驗中第1 年干旱下碧玉楊Pn持續(xù)降低，而Ls和Ci與正常供水無顯著差異（圖1），表明其Pn受到非氣孔限制，原因可能是葉肉組織光合系統(tǒng)受損、以及CO2從氣孔下腔到光合位點的傳導(dǎo)度降低［24］。干旱下有些樹木的葉片通常會關(guān)閉氣孔，進(jìn)而降低Tr并提高WUE［15,24］，而本研究中干旱下碧玉楊WUE顯著下降，這與中度和重度干旱下107 楊（P.×euramericana‘Neva’）［25］和群眾楊［14］的WUE變化趨勢一致。同時，碧玉楊葉面積減小、比葉重增加（表1），這有助于維持單位葉面積氮含量不變甚至增加，但卻導(dǎo)致PNUE顯著降低（表2）。維持較高的葉氮含量對光合作用至關(guān)重要，相比于群眾楊［14］，干旱下碧玉楊具有較強(qiáng)維持葉氮水平的能力，然而，由于干旱下黑楊派楊樹的葉肉組織膜系統(tǒng)更容易被破壞［25］，導(dǎo)致碧玉楊CO2的葉肉導(dǎo)度顯著降低，進(jìn)而不得不犧牲葉面積以維持較高的Gs和Ci，因此蒸騰耗水較大并導(dǎo)致WUE降低。所以，與樹種間的WUE和PNUE通常呈權(quán)衡關(guān)系［26］不同，干旱下碧玉楊CO2的葉肉導(dǎo)度降低很可能是導(dǎo)致WUE和PNUE均下降的關(guān)鍵原因，這可與Warren 等［24］的研究結(jié)果相符合，然而還需要進(jìn)一步開展抗氧化酶活性和葉肉導(dǎo)度等方面的試驗測定進(jìn)行驗證。

表2 干旱對碧玉楊扦插苗葉片碳氮含量及氮利用的影響Tab.2 Effects of soil drought on the C and N contents and N use of poplar cuttings

與第1 年相比，第2 年正常供水的單葉面積減小比葉重增大，而單位葉面積氮含量維持不變，Gs、Ci和Pn均顯著下降；中度、重度干旱下碧玉楊雖葉面積顯著減小但Pn小幅提高，中度干旱還顯著提高了NUE，這些結(jié)果表明二年生碧玉楊幼苗葉片抗旱性比第1 年有所增強(qiáng)，這可能與長期干旱下碧玉楊進(jìn)一步提高葉片碳投資維持高的葉氮含量有關(guān)。

3.2 干旱下碧玉楊器官同化物分配與抗旱性的關(guān)系

光合同化物分配過程可影響植物葉片光合速率、莖干運(yùn)輸與根系吸收功能［27］。本試驗發(fā)現(xiàn)中度和重度干旱下碧玉楊莖的干物質(zhì)和非結(jié)構(gòu)性碳比例顯著增加，而根的顯著下降（圖2 和圖5），這與大多數(shù)草本植物和部分樹木，如小葉楊［15］和毛白楊（P. tomentosa）［28］，干旱下根冠比增大的結(jié)果不同。干旱環(huán)境中樹木莖碳投資增加通常是由于木質(zhì)部建成的碳消耗增加，比如導(dǎo)管直徑減小而導(dǎo)管壁厚度增大［29］，可溶性糖等非結(jié)構(gòu)性碳含量增加（圖4和圖5）。但該現(xiàn)象的形成機(jī)制和生理作用還有很大爭議，有研究認(rèn)為是光合產(chǎn)物在葉片中停留時間增長、韌皮部運(yùn)輸速度下降而被動積累［30］，大多數(shù)研究認(rèn)為是導(dǎo)管直徑減小而壁增厚可降低導(dǎo)管空穴化風(fēng)險有利于提高木質(zhì)部的輸水安全性［31］，可溶性糖積累可通過滲透調(diào)節(jié)促進(jìn)導(dǎo)管栓塞修復(fù)并維持水分運(yùn)輸［32］。但不論何種解釋，結(jié)果是中度和重度干旱下碧玉楊根系的生物量和非結(jié)構(gòu)性碳的分配比例均顯著降低，這與植物生長的最優(yōu)分配理論不一致，且明顯不利于碧玉楊對水分和氮素等資源的吸收。相比于干旱下根冠比增加的小葉楊［15］，雖然碧玉楊葉面積減小以降低蒸騰耗水，但同時也降低了光合固碳的葉面積，導(dǎo)致整株生物量積累大幅降低，且干旱下葉片水氮利用能力均有所下降，根系同化物分配比例更小，因此碧玉楊的整體抗旱性很差，在干旱半干旱區(qū)種植碧玉楊后形成“小老樹”退化林分的可能性會更大。

4 結(jié)論

（1）干旱下一年生碧玉楊幼苗葉片變小變厚，維持較高的葉氮含量，但由于受到非氣孔限制，光合能力和瞬時水氮利用能力均顯著降低。

（2）二年生碧玉楊葉面積更小而碳氮比和比葉重增加，有助于提高其抗旱性；中度和重度干旱下仍通過減小葉面積維持葉氮含量、光合能力和瞬時水氮利用效率，且中度干旱提高了整株氮利用效率。

（3）土壤干旱下碧玉楊將更多的干物質(zhì)和非結(jié)構(gòu)性碳分配向莖器官，導(dǎo)致根冠比降低，這雖有助于維持莖的水分運(yùn)輸安全性，但不利于根系的水氮吸收和整株抗旱性。

（4）研究結(jié)果初步表明碧玉楊抗旱性較差，不適宜在干旱半干旱地區(qū)大面積造林。