白馬雪山莎草科胡蘿卜狀根植物的功能性狀及環(huán)境響應(yīng)

華巾幗， 樊 榕， 劉婉婷， 王曉琦， 吉文麗

(西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

莎草科(Cyperaceae)是單子葉植物中最大的科之一[1]，分布地區(qū)甚廣、地段多樣，莎草科植物具有生命力頑強、根系發(fā)達、耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿、生長速度快、分蘗能力強等特點，常遍布于林下遮蔭、高寒草甸等環(huán)境惡劣處，適應(yīng)能力極強[2]。環(huán)境因子是影響植物生長的重要調(diào)控因子，環(huán)境的理化指標(biāo)對不同植物的生長有著不同程度的影響[3]。植物個體與環(huán)境因子的相互作用決定了植物形態(tài)特征的發(fā)展，同時影響著植被的生產(chǎn)力[4]，處于脅迫環(huán)境中的植物通常會產(chǎn)生一些相應(yīng)利于生存的形態(tài)或生理改變以增強養(yǎng)分的吸收[5]。

土壤中的大部分磷以植物難以吸收的形式存在，對缺乏特殊適應(yīng)能力的植物生長沒有明顯促進效果[6]。而在養(yǎng)分極其貧乏的地區(qū)中，莎草科植物逐漸形成了一種特殊的養(yǎng)分高效利用機制，一種特殊的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)——胡蘿卜狀根(Dauciform roots)[7-8]，胡蘿卜狀根可以在很短間隙內(nèi)分泌大量的羧酸，以其豐富的根毛和有機陰離子的釋放來促進貧瘠土壤中莎草科植物對磷的吸收[6]。Gao等在云南高寒草甸發(fā)現(xiàn)蕨狀嵩草(Kobresiafilicina)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)均具有胡蘿卜狀根[9-10]，且這兩種植物地上生物量的變化受環(huán)境貧瘠程度的影響較不明顯[11]。目前國內(nèi)對于莎草科胡蘿卜狀根植物的研究仍處于初步探索階段，針對其形成原因以及相關(guān)作用尚待探究。

因此，本次試驗在迪慶藏族自治州的白馬雪山上，選擇了兩種能在自然條件下生成胡蘿卜狀根的莎草科植物——蕨狀嵩草和線葉嵩草，觀測了植物特征、測定了其性狀及體內(nèi)的元素含量和周圍環(huán)境指標(biāo)，同時測定了調(diào)查區(qū)域內(nèi)無胡蘿卜狀根的莎草科植物體內(nèi)的元素含量及生物量用以對比分析。本實驗結(jié)論可為貧瘠地區(qū)的植物提高磷的利用效率提供一個新的途徑，也為生態(tài)修復(fù)及草地治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于云南省迪慶藏族自治州的白馬雪山，地理位置為28°33′55″ N，99°07′66″ E，海拔為4 310～4 320 m。該地屬寒溫帶山地季風(fēng)氣候，太陽輻射總量和日照時數(shù)季節(jié)變化小，全年降水量70%以上集中在6—9月，年均降水量619.5 mm，年平均溫度5.5℃，年日照時數(shù)1 870.8 h。其中高寒草甸大多分布在海拔3 200 m以上的高山生態(tài)系統(tǒng)，禾本科、莎草科、菊科等為其優(yōu)勢科[12]。

1.2 研究方法

1.2.1植株樣品的采集 在白馬雪山的高寒草甸進行野外采集，設(shè)置9塊1 m×1 m的草本樣方[13]，每個樣方相距10 m以上，采集樣方中的所有莎草科植物，取出完整植株體，清理表面的土壤及雜質(zhì)。將樣品帶回實驗室清洗干凈，植株根系和葉片分開放入不同塑封袋內(nèi)，于4℃環(huán)境下冷藏放置。在289株蕨狀嵩草和93株線葉嵩草中，篩選觀察出有胡蘿卜狀根的植株分別為45株和22株。

1.2.2環(huán)境因子的測定 使用土壤溫度計測定15 cm以下深度的土壤溫度，使用SC-900土壤壓實測定儀測量土壤緊實度，環(huán)刀取土測鮮重，后用105℃的烘箱烘干土壤48小時至恒重以稱量土壤的干重。土壤化學(xué)性質(zhì)樣品取樣采用“對角線法”，在每個樣方的一條對角線上取兩個頂點和中點作為樣點，用直徑5 cm的土鉆垂直方向向地下分別鉆取0～10 cm和10～30 cm深的土壤樣品各50 g，充分混合裝入塑封袋中，帶回實驗室測定指標(biāo)含量。土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮含量測定采用凱氏定氮法；土壤全磷含量測定采用硫酸-高氯酸消解-鉬銻抗比色法；土壤速效氮含量測定采用堿解擴散法；土壤速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；土壤pH值采用電位法測定。

1.2.3植物功能性狀及胡蘿卜狀根特征的測定 采用卷尺測定植物株高，游標(biāo)卡尺測量葉片厚度，LI-3000C便攜式葉面積儀測定葉片長度、葉片寬度、葉片面積。對新鮮的植物樣品進行漂洗，將其置于清水中洗凈土體，用電子天平稱重其新鮮重量。將完整的植物根系置于體式顯微鏡下進行觀察并拍照記錄根系特征。用游標(biāo)卡尺精確測量根系的直徑，記錄每個種類胡蘿卜狀根的個體數(shù)量、尺寸、顏色、形狀及有無根毛等。根據(jù)觀測特征判斷其根部的生長階段：始發(fā)期—無根毛、白色表皮；幼年期—有根毛、雪白色、胡蘿卜形狀明顯；成熟期—黃色、根毛最長；衰老期—灰色或棕色、根毛停止生長。記錄各生長階段的數(shù)量及比例。最后在70℃烘箱中干燥24小時，對地上部及地下部稱重，并分別測定有無胡蘿卜狀根植物體內(nèi)的碳、氮、磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，不滿足的取其對數(shù)使之滿足正態(tài)性，利用Levene’s test檢驗方差齊性。植物功能性狀的相關(guān)性采用相關(guān)雙變量分析(Bivariable analysis)，植物功能性狀與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系采用冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，與普通莎草科的對比分析采用單因素方差分析(One-way analysis of variance，ANOVA)。數(shù)據(jù)處理與分析在Excel 2019，SPSS 22．0和Canoco 5中進行，繪圖在Origin 2021中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡蘿卜狀根根系特征

胡蘿卜狀根的形成有四個時期：始發(fā)期(白色)、幼年期(黃白色)、成熟期(黃色)、衰老期(棕黑色)，如圖1所示，同一植株的胡蘿卜狀根可能存在一個或多個時期。除此之外，根部有無根毛的胡蘿卜狀根皆在實驗觀測中記錄到，其中線葉嵩草僅存在有根毛的胡蘿卜狀根。對其上述根系特征分布繪制箱線圖，如圖2所示，結(jié)果顯示成熟期及有根毛的胡蘿卜數(shù)量大于其它分類。

圖1 胡蘿卜狀根根系各時期對比Fig.1 Morphology of dauciform roots at different stages

圖2 胡蘿卜狀根植物特征分布圖Fig.2 Distribution of characteristics of dauciform roots注：Qty，植株中胡蘿卜狀根的數(shù)量；Ini，胡蘿卜狀根始發(fā)期數(shù)量；Juv，胡蘿卜狀根幼年期數(shù)量；Mat，胡蘿卜狀根成熟期數(shù)量；Sen，胡蘿卜狀根衰老期數(shù)量；Rh，有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Nrh，無根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Dim，胡蘿卜狀根尺寸Note:Qty,the number of DRs in the plant;Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Dim,DRs size

2.2 胡蘿卜狀根功能性狀的相關(guān)性分析

對存在胡蘿卜狀根植物的數(shù)量、尺寸、生長時期、有無根毛等特征及地上部、地下部的碳、氮、磷含量等進行相關(guān)性分析(圖3)。結(jié)果顯示，33.34%的組合都具有相關(guān)關(guān)系，這說明胡蘿卜狀根在整個植株生長發(fā)育的過程中占據(jù)的地位較高。其中胡蘿卜狀根的數(shù)量與植株地上部磷含量和地下部氮含量呈極顯著正相關(guān)性關(guān)系(P<0.01)，與植株的比葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；胡蘿卜狀根的尺寸與地下部的磷含量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；胡蘿卜狀根幼年期的數(shù)量與碳、氮、磷含量關(guān)系密切；有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量和地上部磷含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。此外，植物根系的其他特征也與植物體內(nèi)的碳、氮、磷含量有顯著相關(guān)關(guān)系，其中多數(shù)與植株地上部氮的含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖3 胡蘿卜狀根根系相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis for traits of dauciform roots注：*，P<0.01；**，P<0.05。Qty，植株中胡蘿卜狀根的數(shù)量；Dim，胡蘿卜狀根尺寸；Ini，胡蘿卜狀根始發(fā)期數(shù)量；Juv，胡蘿卜狀根幼年期數(shù)量；Mat，胡蘿卜狀根成熟期數(shù)量；Sen，胡蘿卜狀根衰老期數(shù)量；Rh，有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Nrh，無根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Ph，植株高度；LT，葉片厚度；LA，葉面積；SLA，比葉面積；LST，葉形指數(shù)；R/T，根冠比；LCC，葉碳含量；LNC，葉氮含量；LPC，葉磷含量；RCC，根碳含量；RNC，根氮含量；RPC，根磷含量Note：*,P<0.01；**,P<0.05. Qty,the number of DRs in the plant;Dim,DRs size；Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Ph,plant height;LT,leaf thickness;LA,leaf area;SLA,specific leaf area;LST,leaf shape index;R/T,root-shoot ratio;LCC,leaf carbon content;LNC,leaf nitrogen content;LPC,leaf Phosphorus content;RCC,root carbon content;RNC,root nitrogen content;RPC,root phosphorus content

2.3 胡蘿卜狀根功能性狀與環(huán)境因子的相關(guān)性及冗余分析

對代表胡蘿卜狀根植物特征的20個指標(biāo)與代表周圍環(huán)境因子的11個指標(biāo)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。其中，胡蘿卜狀根的數(shù)量與土壤有機碳、土壤總磷、土壤有效磷、土壤堿解氮含量及土壤pH值有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；胡蘿卜狀根幼年期的數(shù)量也與上述環(huán)境因子有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；而胡蘿卜狀根的尺寸與環(huán)境因子的相關(guān)性較弱；有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量與土壤中磷含量有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；株高、葉面積、比葉面積和根冠比也與較多環(huán)境因子有相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；植株體內(nèi)的氮、磷含量與較多環(huán)境因子存在相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中地上部和地下部的碳含量與較多環(huán)境因子呈正相關(guān)關(guān)系。

對莎草科胡蘿卜狀根植物的功能性狀與周圍環(huán)境因子進行冗余分析(RDA)，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，第一軸對環(huán)境因子和莎草科胡蘿卜狀根植物指標(biāo)間關(guān)系的解釋度為24.94%，第二軸的解釋度為15.72%。土壤總磷含量、有效磷含量、緊實度、pH值、含水量、容重、總氮含量與植物指標(biāo)相關(guān)性都較強，其中土壤總磷和有效磷含量對指標(biāo)的解釋度高達20.1%和11.1%。可以看出胡蘿卜狀根的數(shù)量、有根毛數(shù)量、幼年期數(shù)量、始發(fā)期數(shù)量、成熟期數(shù)量與土壤總磷、土壤總氮和土壤有效磷的含量呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)程度較高；地上部和地下部碳含量以及根冠比與環(huán)境中的氮、磷含量相關(guān)性也較強；地上部和地下部氮、磷和植株高度、比葉面積、葉片面積及衰老期數(shù)量與土壤中氮、磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 胡蘿卜狀根與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis among traits of dauciform roots and environmental factors注：*，P<0.01；**，P<0.05。Qty，植株中胡蘿卜狀根的數(shù)量；Dim，胡蘿卜狀根尺寸；Ini，胡蘿卜狀根始發(fā)期數(shù)量；Juv，胡蘿卜狀根幼年期數(shù)量；Mat，胡蘿卜狀根成熟期數(shù)量；Sen，胡蘿卜狀根衰老期數(shù)量；Rh，有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Nrh，無根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量；Ph，植株高度；LT，葉片厚度；LA，葉面積；SLA，比葉面積；LST，葉形指數(shù)；R/T，根冠比；LCC，葉碳含量；LNC，葉氮含量；LPC，葉磷含量；RCC，根碳含量；RNC，根氮含量；RPC，根磷含量；Alt，海拔；Tem，溫度；kPa，緊實度；SBD，土壤容重；SWC，土壤含水量；pH，土壤酸堿度；SOC，土壤有機碳；STN，土壤總氮；STP，土壤總磷；SOP，土壤有效磷；SAH，土壤堿解氮，下同Note：*,P<0.01；**,P<0.05. Qty,the number of DRs in the plant;Dim,DRs size.；Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Ph,plant height;LT,leaf thickness;LA,leaf area;SLA,specific leaf area;LST,leaf shape index;R/T,root-shoot ratio;LCC,leaf carbon content;LNC,leaf nitrogen content;LPC,leaf Phosphorus content;RCC,root carbon content;RNC,root nitrogen content;RPC,root phosphorus content;Alt,altitude;Tem,temperature;kPa,compactness;SBD,soil bulk density;SWC,soil water content;pH,soil pH value;SOC,soil organic carbon;STN,soil total nitrogen;STP,soil total phosphorus;SOP,soil available phosphorus;SAH,soil alkaline hydrolyzable nitrogen，the same as below

圖5 胡蘿卜狀根與環(huán)境因子的冗余分析Fig.5 RDA for traits of dauciform roots and environmental factors

2.4 兩種胡蘿卜狀根植物的對比分析

對兩種莎草科胡蘿卜狀根植物——蕨狀嵩草和線葉嵩草的各個功能性狀指標(biāo)進行單因素方差對比分析。結(jié)果如表1?？梢钥闯鰞煞N植物間地上部和地下部的碳含量有著顯著差異(P=0.026<0.05；P=0.021<0.05)，其余指標(biāo)顯著性均不強。

2.5 胡蘿卜狀根植物與無胡蘿卜狀根植物的對比分析

對有無胡蘿卜狀根的莎草科植物體內(nèi)的碳、氮、磷含量及地上部和地下部的生物量進行單因素方差分析。結(jié)果如表2。分析表明，除地上部和地下部的碳含量之外，其它指標(biāo)都有著顯著差異，其中地上部和地下部的磷含量、氮含量和生物量都呈極顯著差異(P<0.001)。

表1 兩種莎草科植物間的單因素方差分析Table 1 One-way analysis of variance between two sedges

表2 胡蘿卜狀根植物與無胡蘿卜狀根植物間的單因素方差分析Table 2 One-way ANOVA between dauciform-root and no-dauciform-root plants

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)植物能夠通過增加根系與土壤的接觸面積來提高對不良環(huán)境的適應(yīng)能力，主要表現(xiàn)為側(cè)根數(shù)量和長度的增加、和菌根共生、根表面積的增加、根變細(xì)以及根毛數(shù)量和長度的增加等[14]。胡蘿卜狀根以其化學(xué)吸收能力為基礎(chǔ)，通過根毛從礦物質(zhì)資源中吸收磷和其它微量元素，且吸收被土壤吸附的磷的能力要高于菌根[15]。有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量和全部的胡蘿卜狀根數(shù)量與植株地上部的氮、磷濃度的相關(guān)性相同，這也彰顯了根毛對于植物適應(yīng)貧瘠環(huán)境的特殊作用，即根毛能增加植株與土壤的密切接觸，使得其吸收錳、鈣和水分的能力顯著提高[16]。

Shane等人研究表明胡蘿卜狀根在低磷的條件下更容易生成，這種特殊的反應(yīng)不是由土壤中的磷決定，而是由植株體內(nèi)的磷濃度和磷狀態(tài)決定[6]。本實驗研究顯示胡蘿卜狀根的數(shù)量與植物體內(nèi)的磷含量走勢一致，植物體內(nèi)的磷含量越高，胡蘿卜狀根的數(shù)量越多，這可能是因為在沒有其他抑制因子的情況下，植物體內(nèi)的磷濃度從未高到足以完全抑制胡蘿卜狀根的形成[17]，因而產(chǎn)生的胡蘿卜狀根數(shù)量較多。Elser及Harpole等人研究表明磷元素是植物生產(chǎn)的限制因素[18-19]，Lambers等認(rèn)為具有胡蘿卜狀根的植物根系釋放大量動員磷的羧酸鹽，在獲取磷的方面表現(xiàn)出色[20]，甚至可以充當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)的促進者，將難以獲得的磷轉(zhuǎn)化為更容易獲取的形式，并提高鄰近植物對磷的吸收[21-22]。植物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示，土壤中氮、磷元素的缺失致使胡蘿卜狀根的生成，胡蘿卜狀根的生成使得植株吸收氮、磷的能力增加，反饋到地上部即葉氮和葉磷的含量增加，而土壤中氮、磷含量上升，導(dǎo)致胡蘿卜狀根生成能力下降，繼而體內(nèi)元素呈現(xiàn)下降趨勢，這與Shane等人的結(jié)論相符[6]。此外有根毛的胡蘿卜狀根數(shù)量與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因為早期的研究表明，胡蘿卜狀根的形成往往會受到潮濕、缺氧條件的抑制[23]，推測最潮濕的地點胡蘿卜狀根的形成最少[24-25]。

胡蘿卜狀根形成的四個時期中僅幼年期具備與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)關(guān)系，推測是因為幼年期根系發(fā)育速度達到極值，此時的胡蘿卜狀根已經(jīng)具備活化磷的能力，能夠?qū)⑼寥乐械牧自剞D(zhuǎn)化吸收，且由于胡蘿卜狀根數(shù)量的減少，其與環(huán)境的相關(guān)性明顯變?nèi)酢４送?，土壤pH值的高低與胡蘿卜狀根也有部分關(guān)聯(lián)，即胡蘿卜狀根更容易在酸性條件下生成。也可能是因為胡蘿卜狀根數(shù)量越多，其分泌的羧酸、蘋果酸和檸檬酸就越多[26]，即pH值預(yù)測了胡蘿卜狀根的生成。研究顯示有胡蘿卜狀根的植物體內(nèi)的氮、磷含量和無胡蘿卜狀根的植物體內(nèi)的兩種元素相比有著較大的差異，說明胡蘿卜狀根的存在可以提高植物體內(nèi)的元素含量，進而提高生產(chǎn)力，減少牛羊啃食和惡劣環(huán)境給植物帶來的極大負(fù)影響[27]，縮小與優(yōu)良環(huán)境中生長的植物間的差異。同科屬種類之間的蕨狀嵩草體內(nèi)的碳含量要遠遠高于線葉嵩草，推測是因為種類不同，胡蘿卜狀根對應(yīng)的吸收能力也有著顯著的差異，反應(yīng)到植株上則表現(xiàn)為生產(chǎn)力的高低存在一定的差異。

植物葉片的功能性狀也與環(huán)境因子有著相關(guān)性，表明越貧瘠的環(huán)境中，植物葉面積和比葉面積的值越高，這是源于植物在不利的環(huán)境中會改變生存策略，增加地上部分的葉面積，從而增強光合作用，同時減少葉片的厚度，進而可以在調(diào)整適應(yīng)機制的同時降低地上生物量[28]。另外，胡蘿卜狀根植物的地上部與地下部的生物量之比偏低，且有著細(xì)根化的趨勢。有學(xué)者提出，與其它科的植物相比，莎草科植物在高海拔地區(qū)的分配特征和功能性狀對其獲取資源更有利[29]，其葉、根性狀都更有優(yōu)勢，地下生物量增加，細(xì)根增加，并認(rèn)為這是莎草科菌根的作用[30]。而本研究中，莎草科胡蘿卜狀根植物的生存機制則更符合這種模式，推測前人研究發(fā)現(xiàn)莎草科適應(yīng)環(huán)境的優(yōu)勢可能是形成了胡蘿卜狀根。

4 結(jié)論

在土壤貧瘠地區(qū)，莎草科胡蘿卜狀根植物表現(xiàn)出較高的生態(tài)適應(yīng)性，在不良環(huán)境中也對應(yīng)著較好的表現(xiàn)型，通過自身的根毛吸附活化作用，吸收周圍元素，促進植株葉形態(tài)和根性狀朝著環(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展。此外，由于胡蘿卜狀根在洗滌的過程中較容易洗掉，且白馬雪山上的土質(zhì)較為粘膩，容易把胡蘿卜狀根粘在土壤里，所以最終觀測到的數(shù)量和尺寸都與自然條件下生長的實際數(shù)值有差異，猜測真實生長在土里的胡蘿卜狀根數(shù)量要遠高于此實驗的觀測。