中國沙棘根尖功能特征對坡位和動物啃食枝葉的響應

李俊鵬,李海波,王 林

山西農(nóng)業(yè)大學林學院,太谷 030801

根系作為植物直接與土壤接觸的器官,其吸收和輸導功能與環(huán)境適應性密切相關(guān)[1—3]。當環(huán)境條件發(fā)生改變時,如干旱、火災、刈割等,植物通過自身的途徑調(diào)整生長策略,改變根系形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)適應環(huán)境。因此,根系形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征可以直接反應樹木應對逆境的適應能力和適應策略[4—6]。

根尖是根系中對環(huán)境響應最活躍的部分,其對環(huán)境條件的響應會在很大程度上影響樹木的適應能力和適應策略[7—8],通常認為根的直徑與吸收輸導能力密切相關(guān),根直徑小往往預示著有較大的比根長,能探索更大的土壤體積,并能減少水分和養(yǎng)分吸收的障礙提高其吸收效率,具有較大直徑的根主要起到輸導和儲藏的作用[9]。根尖的皮層厚度與水分吸收阻力密切相關(guān)[10—11],較大的皮層厚度會增加根水分和養(yǎng)分吸收的阻力,根導管直徑大、導管數(shù)目多、木質(zhì)部直徑大意味著有較強的水分輸導能力,導管直徑又與水分輸導安全性有密切聯(lián)系,如通常認為大的導管更容易發(fā)生氣穴栓塞,水力安全性降低[12]。有研究發(fā)現(xiàn),適度干旱脅迫會促進根尖數(shù)量、表面積及體積的增加,從而增加根系的吸收能力[13],隨著干旱脅迫的增加,根系總長度、總表面積、總體積和平均直徑均呈現(xiàn)出減小趨勢[14]。在放牧影響下,植物根系會趨向小型化,植株高度、總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)量和節(jié)數(shù)減小,抑制了植物對水分和養(yǎng)分的利用[15]。非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)是植物碳攝取和儲藏間的緩沖[16],由于根尖是距離光合器官最遠的部分,根尖的NSC含量直接反應植物對光合產(chǎn)物的供應能力和分配策略,也會影響到根尖的呼吸、滲透調(diào)節(jié)、水分吸收等生理功能[17—18]。有研究指出,適度干旱下,根尖的NSC含量高于粗根,即在碳有限的情況下,會優(yōu)先將碳分配給根尖[19]。放牧減少了植株的地上部分,降低了植物的光合速率,進而影響地上、地下對碳的分配[20]。前人研究發(fā)現(xiàn),植物通過減少地上部分的分配和增加地下生物量的分配以抵抗放牧壓力并幫助地上部分生長[21]。目前對于根尖對不同環(huán)境條件變化的響應程度和響應模式尚不完全了解,這也限制了對樹木根系在環(huán)境變化下的適應能力和策略的全面了解。

中國沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.sinensisRousi)是我國華北、西北地區(qū)重要的生態(tài)和經(jīng)濟兼用樹種,對當?shù)氐沫h(huán)境有較強的適應能力[22]。但在前期調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)不同坡位沙棘因水分等環(huán)境條件變化在生長上存在一定的差別,坡下水分較好的環(huán)境條件沙棘生長情況更好[23],同時山西的大部分沙棘分布區(qū)與放牧區(qū)重疊,動物啃食枝葉成為沙棘常見的一種生物脅迫形式,但動物啃食枝葉對沙棘根尖的影響尚不完全了解。本研究以山西沙棘重要分布區(qū)呂梁山區(qū)的中國沙棘作為研究對象,通過比較不同坡位和動物啃食枝葉條件下沙棘的根尖形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、NSC含量的響應,探究坡位和動物啃食枝葉對中國沙棘根尖形態(tài)和生理特征的影響,并進一步揭示兩種因素影響下根尖形態(tài)和生理特征改變對根尖功能的影響。研究結(jié)果有助于全面了解沙棘對坡位和動物啃食枝葉的響應模式。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于山西省交城縣西北部(37°45′—37°55′N,111°22′—11°33′E),該地區(qū)地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),年平均降水量 822.6 mm,年平均氣溫4.3 ℃, ≥10 ℃ 的積溫1800—2950 h。無霜期100—125 d。主要的喬木樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiM.) 、云杉(PiceaasperataM.)、白樺(BetulaplatyphyllaS.)、山楊(PopulusdavidianaD.)、遼東櫟(QuercuswutaishanicaM.)等;灌木樹種主要有中國沙棘 (Hippophaerhamnoidessubsp.sinensisRousi)、黃刺玫(RosaxanthinaL.)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.)、虎榛子(OstryopsisdavidianaD.)等。

1.2 研究方法

試驗地選擇野生中國沙棘純林,于2021年4月,在海拔1600—1750 m范圍內(nèi)選取坡上部和坡下部的沙棘純林樣地(5 m×5 m)各6塊,其中坡上部和坡下部的各3塊樣地位于牛養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),另外6塊(坡上部和坡下部各3塊樣地)位于牛養(yǎng)殖區(qū)外,不同樣地間的距離大于50 m。樣地分為坡上部正常沙棘、坡上部動物啃食沙棘、坡下部正常沙棘、坡下部動物啃食沙棘4種類型。

于2021年6月、8月分別對地上部分破壞程度進行調(diào)查,被破壞樣地的沙棘樹冠啃食枝條約占總枝條數(shù)量的70%—80%。于2021年9月對樣方內(nèi)的沙棘地上部分指標(株高、基徑、樹齡、冠幅)進行測定(表1)。在樣地內(nèi)選取樹木長勢基本一致的標準木,樹高和冠幅用米尺測量,基徑用胸徑尺測量,樹齡用生長錐取木芯確定。每個指標重復測量6次,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 坡位和動物啃食對沙棘地上部分生長和葉片形態(tài)的影響Table 1 Aboveground indexes of Hippophae rhamnoides under four environmental conditions

在每樣方內(nèi)隨機選擇2個點挖掘較完整的沙棘根,取樣根系深度在10—30 cm,挖掘出的根用清水沖洗干凈,將位于根系最末端且沒有分枝的根尖(在本研究中根尖指的是1級根)用小刀分離,裝入盛滿FAA固定液((甲醛-乙酸-酒精固定液,38%甲醛5mL:冰乙酸5mL:70%酒精90mL)的塑料瓶中進行固定,貼上標簽進行編號,放入冷儲藏箱(2—3 ℃),備用。挖取的同時使用W.E.T Sensor Kit土壤水分速測儀(WET-2,DELTA-T公司,英國)測定土壤體積含水量(圖1),分別測定10 cm、30 cm、50 cm深度處的土壤含水量。在10cm、30cm土層深度,坡上部土壤含水量顯著高于坡下部,在50cm土層深度無顯著差異。

圖1 坡下部與坡上部樣地含水量差異 Fig.1 Difference of water content between sample plots at lower and upper slope不同小寫字母代表不同坡位相同土層深度的土壤含水量間的差異顯著性(P<0.05)

1.3 根系形態(tài)測定

采集的根尖用Epson V850 Pro數(shù)字化掃描儀進行掃描,掃描出的圖像采用WinRHIZO軟件(雷金特儀器公司,加拿大)進行形態(tài)特征分析,可得到根尖的長度及平均直徑,掃描的同時記錄根尖數(shù)量,由總長度與總數(shù)量的比值可得根尖的平均長度。將掃描完成的根尖放入65 ℃烘箱中烘干至恒重,測定根系的生物量(精確到0.0001 g)。根尖的比根長用總根長除以根干重計算。

1.4 根系解剖指標

將FAA固定液中的根系取出,每種類型隨機選取5—8個根樣,采用石蠟切片法制成根尖橫剖面切片[24],每個根樣最少制作3張切片,使用Olympus-CX31光學顯微鏡觀測并拍照,并用Motic Images Plus 2.0軟件直接測量切片中每個根樣的導管直徑、最大導管直徑、皮層厚度、中柱直徑等,并計算皮層厚度與中柱直徑的比值。根導水率Khp(kg m-1s-1MPa-1)利用Hagen-Poiseuille[25]公式計算:

式中,ρ為水在20 ℃時的密度(998.205 kg/m3),η為水在20 ℃時的粘滯系數(shù)(1.002×10-9MPa·s),rlum為木質(zhì)部導管半徑,n為導管個數(shù)。

根比導水率(Ks):Ks=Khp/Axyl,Axyl為根橫截面上木質(zhì)部所占面積。根木質(zhì)部栓塞脆弱性指數(shù)為導管平均直徑與導管密度之比[26]。

1.5 根系非結(jié)構(gòu)性碳含量測定

烘干的根系粉碎過篩進行可溶性糖和淀粉含量測定,可溶性糖和淀粉測定采用硫酸蒽酮法[27],NSC含量為可溶性糖和淀粉之和。

1.6 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)形態(tài)測定數(shù)據(jù)計算各指標平均值和標準誤差。采用方差分析,通過SNK檢驗各個根序的根尖在形態(tài)和解剖之間的差異(α=0.05),并進行雙因素方差分析檢驗坡位、啃食及交互效應對各指標的影響。數(shù)據(jù)分析均采用SPSS 26.0 軟件完成,用GraphPad Prism作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡位和動物啃食對中國沙棘根尖形態(tài)和解剖的影響

坡位和動物啃食對根尖長度均沒有顯著影響,但動物啃食會導致根尖長度略低于未啃食(P>0.05)。坡上部導致沙棘的比根長顯著大于坡下部(P<0.05),比坡下部大26.7%。坡上和坡下動物啃食均導致根尖比根長顯著降低(P<0.05),坡上和坡下分別降低了41.2%和29.3%。雙因素方差分析結(jié)果顯示坡位和動物啃食的交互作用對比根長的影響達到顯著水平(P<0.05)(表2)。

表2 坡位和動物啃食及交互對根系各指標的影響Table 2 Impact of slope position and herbivores grazing and interaction on root indexes

坡位對根尖直徑?jīng)]有顯著影響,動物啃食導致根尖直徑增大,坡上和坡下分別增大27.2%(P<0.05)和15.3%(P>0.05)。坡位對根尖皮層厚度沒有顯著影響,坡位對根尖中柱直徑?jīng)]有顯著影響,動物啃食導致坡上部沙棘的根尖中柱直徑顯著增大(P<0.05),但坡下部無顯著性差異(P>0.05)。坡位對沙棘根尖皮層/中柱比例沒有顯著差異,動物啃食導致沙棘的皮層/中柱比例升高,坡上和坡下分別升高13.0%(P>0.05)和20.3%(P<0.05)(圖2)。

圖2 坡位和動物啃食對沙棘根尖形態(tài)和解剖的影響Fig.2 Effects of slope position and herbivores grazing on the morphology and anatomy of Hippophae rhamnoides root tips 不同小寫字母代表各處理組間差異顯著(P<0.05)

2.2 坡位和動物啃食對中國沙棘根尖水力結(jié)構(gòu)的影響。

坡位對沙棘最大導管直徑?jīng)]有顯著影響,但坡上部會導致最大導管直徑略低于坡下部,動物啃食導致坡上部沙棘的根尖最大導管直徑顯著降低(P<0.05),但坡下部沒有顯著性差異(P>0.05)。坡上部沙棘的平均導管直徑顯著低于坡下部(P<0.05),動物啃食導致坡上部沙棘的平均導管直徑顯著降低,但坡下部沒有顯著性差異(P>0.05)。

坡上部沙棘的導管密度顯著大于坡下部(P<0.05),動物啃食對導管密度沒有顯著影響,但動物啃食會導致導管密度略高于未啃食。動物啃食對根尖比導水率的影響達到顯著水平(P<0.05),坡位和動物啃食對根尖脆弱性指數(shù)的影響均達到顯著水平(P<0.05),二者交互作用對比導水率和脆弱性指數(shù)均未達到顯著水平(表2)。坡位對沙棘根尖比導水率沒有顯著影響,坡下部略高于坡上部。動物啃食導致沙棘的根尖比導水率顯著降低(P<0.05),坡上部和坡下部分別降低71.14%和70.25%。坡上正常沙棘的脆弱性指數(shù)顯著低于坡下正常沙棘,比正常沙棘低45.40%(P<0.05),動物啃食導致沙棘的脆弱性指數(shù)均顯著降低,坡上部和坡下部分別降低23.95%和19.41%(P<0.05)(圖3)。

圖3 坡位和動物啃食對根尖水力結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of slope position and herbivores grazing on fine root hydraulic structure

2.3 坡位和動物啃食對沙棘根尖NSC含量的影響

坡位對沙棘的可溶性糖含量沒有顯著性影響,動物啃食導致坡上部沙棘根尖可溶性糖含量顯著升高(P<0.05),但坡下部沒有顯著性差異。坡位對沙棘根尖的NSC含量沒有顯著性影響,動物啃食導致坡上部沙棘根尖的NSC含量顯著升高(P<0.05),而坡下部根尖NSC含量沒有顯著性差異(圖4)。

圖4 坡位和動物啃食對沙棘根尖可溶性糖、淀粉及非結(jié)構(gòu)性碳含量的影響Fig.4 Effect of slope position and animal eating on soluble sugar, starch and NSC content of Hippophae rhamnoides subsp. sinensis Rousi root tip

3 討論

3.1 坡位和動物啃食枝葉對中國沙棘根尖形態(tài)特征的影響

坡上部的水分條件低于坡下部,這是坡位造成的主要差異,前人有研究表明水分匱乏會導致根尖直徑變小,平均長度和根表面積增加,有利于根尖對水分的吸收,也有研究表明干旱環(huán)境增加了根尖的粗度[28—29],根尖采取相對保守的策略應對水分減少,這與不同物種根對干旱的響應策略有差別有關(guān)。在本研究中,沙棘根尖應對坡位的響應為:坡上部根尖的比根長顯著增加,平均長度、平均直徑、皮層和中柱直徑、皮層厚度/中柱直徑均沒有顯著性變化,這表明沙棘根在應對坡位變化時在根尖形態(tài)上響應不大,比根長增加表明單位質(zhì)量根尖的長度增加,這會增加同樣質(zhì)量根尖的吸收面積,但在平均長度、直徑上這種響應沒有達到顯著性水平。這表明這種響應幅度較小。

通常動物啃食對植物的影響主要是因為動物啃食會導致植物地上部分大量葉片和部分幼嫩枝條減少,光合能力減弱,減少了光合產(chǎn)物向地下部分的運輸,從而使根系受到影響[30];動物啃食的同時也可能因踩踏土壤導致土壤容重增加,孔隙度減小,植物根系生長時需要克服更大的機械阻力,致使根系生長和構(gòu)型發(fā)生改變[31]。在本研究中動物啃食顯著降低了中國沙棘根尖的比根長、增加了根尖的平均直徑及坡上部沙棘根尖的皮層厚度、中柱直徑,比根長降低與本研究中表現(xiàn)出的平均直徑增加結(jié)果一致,比根長的降低也與動物踩踏導致的土壤緊實相關(guān),但本研究無法準確區(qū)分動物啃食枝葉和踩踏在根尖形態(tài)上改變上的作用,這將是下一步研究的內(nèi)容。結(jié)果也表明動物啃食導致根尖皮層厚度/中柱直徑的比例增加,即在動物啃食條件下皮層厚度增加程度較中柱更大,這表明動物啃食后沙棘根尖采取了更為保守的策略,皮層增加會導致水分吸收阻力增加,根尖的水分吸收效率降低,這是對地上部分葉面積減少、水分需求減少的一種適應,也是在光合產(chǎn)物供應不足條件下減少新根發(fā)生[32],傾向于利用老的根尖的一種策略[33]。

3.2 坡位和動物啃食對中國沙棘根尖水力結(jié)構(gòu)的影響

根系承擔著水分吸收和運輸?shù)墓δ?前人的研究表明級次低的根尖主要功能是吸收水分和養(yǎng)分,但同樣承擔著水分運輸?shù)墓δ躘34]。對大部分植物來說,干旱會導致木質(zhì)部導管直徑減小、導管密度增加,這會導致水分輸導效率的下降,但有利于逆境下的水分輸導安全的維持[35—36]。在本研究中,坡上部正常中國沙棘根尖最大導管直徑、平均導管直徑、比導水率均略小于坡下部,沒有顯著性差異,這表明坡位對導水率的影響程度較小,但對于動物啃食,坡上部和坡下部的動物啃食沙棘比導水率均顯著低于對應的正常沙棘,這表明動物啃食對沙棘的水分輸導效率有較大的影響。

從比導水率和脆弱性指數(shù)的結(jié)果看,干旱等逆境下植物水分輸導組織的導水效率下降,水力安全性上升,這是大部分植物應對水分條件變差在水力結(jié)構(gòu)上的響應模式,犧牲部分導水效率,增加水分輸導安全性。在本研究中,發(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象,坡上部較差的水分條件導致比導水率較坡下小幅降低(正常沙棘降低18.12%,動物啃食降低20.6%),脆弱性指數(shù)較大幅度的降低(正常沙棘降低45.40%,動物啃食降低48.5%),但在遭受動物啃食時,與正常沙棘相比,坡上部和坡下部均表現(xiàn)出比導水率大幅度降低(坡上和坡下分別降低71.14%和70.25%),但脆弱性指數(shù)只有小幅度的降低(坡上和坡下分別降低23.95%和19.41%)。即在干旱條件下,沙棘的根尖比導水率小幅度降低的同時根尖水分輸導安全性大幅度增加,而在動物啃食條件下比導水率大幅度降低,水力安全性卻只有小幅度降低。這不僅僅是導管直徑變化導致的結(jié)果,同時與導管壁厚度、紋孔的變化模式或?qū)Ч鼙诩y孔膜的木質(zhì)素沉積模式有關(guān)[35,37],即動物啃食可能較大程度的影響了導管的水力安全性的維持能力,雖然僅僅通過脆弱性來推測水分輸導安全性說服力不夠,但仍反映出不同逆境條件下植物水分輸導效率和安全性可塑性響應模式不同,即單純干旱會小幅犧牲導水率,能較大幅度提高導水安全性,這對水分輸導效率和安全性間協(xié)調(diào)有利,而動物啃食大幅度影響了導水率,但對水力安全性的調(diào)節(jié)作用較小,這種響應差別的具體生理機制有待進一步深入研究。

3.3 坡位和動物啃食對根尖NSC含量的影響

對逆境下NSC含量和分配策略的研究有助于全面了解植物應對外界環(huán)境變化NSC分配和平衡策略[38]。應對不同的逆境及相同逆境下不同物種會有不同的響應程度。本研究中,在坡上部水分匱乏的環(huán)境下,沙棘根尖的可溶性糖、淀粉、NSC含量均有小幅的增加,根系可溶性糖含量的增加這有利于維持根系的水分吸收水勢梯度,同時防止水分從根系向環(huán)境散失。動物啃食最直接的影響是光合部位減少,碳攝取能力降低。前人的類似研究發(fā)現(xiàn)植物枝葉損失會導致根NSC含量減少[39],但同時也有研究表明去葉并沒有降低根尖的NSC含量[40—42]。在本研究中,無論是坡上部還是坡下部,動物啃食均未造成根尖可溶性糖、淀粉和NSC含量的降低。以上結(jié)果表明坡位和動物啃食沒有造成根尖的“碳限制”。

4 結(jié)論

本研究比較了坡位和動物啃食葉片對中國沙棘根尖形態(tài)、水力結(jié)構(gòu)和NSC含量的影響,結(jié)果表明坡上部的相對缺水條件導致中國沙棘根尖比根長顯著增加,根尖導管直徑降低、導管密度增加,比導水率小幅降低、脆弱性指數(shù)顯著降低,NSC含量沒有顯著性變化。動物啃食導致根尖直徑增加、皮層厚度和中柱直徑增加,導管直徑降低、導管密度增加,比導水率顯著降低、脆弱性指數(shù)小幅降低,NSC含量不變或增加,且以上指標在相對缺水的坡上部響應程度較坡下更大。以上結(jié)果表明坡上部水分條件變差會導致中國沙棘根尖有更大的吸收面積,水分輸導效率小幅降低,水力安全性提升;動物啃食導致根尖增粗、導水率較大程度降低、安全性小幅提升,這表明中國沙棘根尖對坡位和動物啃食的響應有助于對兩種影響因素的適應,動物啃食對根尖吸收和運輸功能的影響程度更大。