李澤東,陳志成,曹 振,車路平,劉舒文,張永濤, *

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰安 271018

2 山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站, 泰安 271018

3 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091

全球氣候變化導(dǎo)致的越來越頻繁的干旱事件在世界范圍內(nèi)引起了嚴(yán)重的森林衰敗死亡,干旱導(dǎo)致樹木死亡的生理學(xué)機制和樹木應(yīng)對干旱脅迫的適應(yīng)機制成為了目前的研究熱點[1]。樹木對干旱脅迫的適應(yīng)能力決定了其在生態(tài)系統(tǒng)中的分布,其生理性狀變化是適應(yīng)外部環(huán)境的客觀表達,也與生存策略密切相關(guān)[2]。以往學(xué)者的研究大多集中在植物生理生化指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng),包括抗旱性評價[3-6],但共生的不同樹種間水力輸導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)對干旱的適應(yīng)策略方面的研究較少。

目前認(rèn)為干旱導(dǎo)致樹木死亡存在兩種生理學(xué)機制,水力失衡和碳饑餓[1,7]。水力失衡是嚴(yán)重干旱脅迫下樹木的水力運輸功能喪失而干化死亡。依據(jù)內(nèi)聚力-張力理論(Cohesion-Tension Theory),植物主要是通過蒸騰作用的拉力將植物根部吸收的水分經(jīng)木質(zhì)部導(dǎo)管(或管胞)向上運輸,水分子依靠內(nèi)聚力保證導(dǎo)管中的水柱不至于斷裂[8]。干旱脅迫時木質(zhì)部中的張力變大,氣體會通過導(dǎo)管(或管胞)上的紋孔進入導(dǎo)管產(chǎn)生栓塞,干旱超過一定閾值時,會出現(xiàn)氣穴化,阻斷水分運輸?shù)倪B續(xù)性,從而影響植物一系列生理活動甚至導(dǎo)致植株死亡[9]。樹木木質(zhì)部輸水結(jié)構(gòu)與其抗栓塞能力緊密相關(guān)[10-12],通過對植物木質(zhì)部輸水結(jié)構(gòu)的研究可以更深入全面的理解植物抗旱性。木質(zhì)部中的導(dǎo)管或管胞提供輸水功能,纖維組織提供支撐功能,而薄壁組織作為木質(zhì)部中的活細(xì)胞提供儲存功能。而且近來的微CT成像技術(shù)表明薄壁組織還對導(dǎo)管的栓塞修復(fù)起到重要作用[13]。根據(jù)Hagen-Poiseuille 定律,導(dǎo)管的輸水效率與導(dǎo)管直徑是四次方關(guān)系,與導(dǎo)管密度是累加關(guān)系[14]。一般來說,抗旱植物具有小而密的導(dǎo)管,紋孔膜較厚,導(dǎo)水率較低但具有更強的抗栓塞能力；非抗旱樹種通常具有較大導(dǎo)管直徑和較高的導(dǎo)水率,但是抵抗栓塞能力偏低,因此很多研究發(fā)現(xiàn)不同樹種間木質(zhì)部導(dǎo)管存在水分運輸?shù)母咝院桶踩陨系臋?quán)衡關(guān)系[15-17],但是Gleason等在全球尺度上進行meta分析,發(fā)現(xiàn)只存在弱的水力安全-高效權(quán)衡[18]。碳饑餓是光合作用等非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)供應(yīng)量小于呼吸作用等NSC需求量,低于一定閾值時新陳代謝受限,或者與水力失衡交互導(dǎo)致NSC無法分配或利用。NSC還為栓塞修復(fù)提供必不可少的能量和物質(zhì),而木質(zhì)部中的NSC主要儲存在薄壁組織中。薄壁組織主要分為射線薄壁組織和軸向薄壁組織,軸向薄壁組織根據(jù)是否與導(dǎo)管相連,又可分為旁管薄壁組織和離管薄壁組織,而與導(dǎo)管相連的旁管薄壁組織對栓塞修復(fù)起重要作用[19]。

華北低山丘陵區(qū)土壤貧瘠,干旱缺水,水土流失嚴(yán)重,具有眾多的未造林或立地條件差的石質(zhì)丘陵山地,嚴(yán)重制約著這些未開發(fā)山地的生產(chǎn)力[20]。而植被恢復(fù)是華北低山丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要措施[21],所以采用植物措施對干旱瘠薄山地進行綠化,對改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、固碳增匯、有著重要的作用?；谥参锬举|(zhì)部解剖及非結(jié)構(gòu)性碳的測定,探討華北低山丘陵區(qū)常用樹種水力學(xué)抗旱性特征尚未見報道,研究不同樹種水力結(jié)構(gòu)的差異及其在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出的適應(yīng)性策略,不僅有利于抗旱植物的篩選,也將更好地揭示干旱條件下植物生存、演化、及區(qū)域群落結(jié)構(gòu)動態(tài)過程,為該區(qū)植物保護和植被恢復(fù)提供依據(jù)。在本研究中,根據(jù)以往學(xué)者的研究[22-25]以及實際造林經(jīng)驗選出了抗旱樹種(低山丘陵區(qū)造林樹種)和非抗旱樹種(城市綠化樹種)兩類,其中抗旱樹種包括臭椿(Ailanthusaltissima)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、麻櫟(Quercusacutissima)、榆樹(Ulmuspumila)和胡桃(Juglansregia),非抗旱樹種包括白玉蘭(Magnoliadenudata)、鵝掌楸(Liriodendronchinensis)、紫荊(Cercischinensis)和二球懸鈴木(Platanusacerifolia)。測定了以上10個樹種木質(zhì)部橫截面解剖的大量性狀指標(biāo)及NSC濃度,主要研究以下內(nèi)容：1)抗旱樹種的木質(zhì)部導(dǎo)管的解剖特征相較于非抗旱樹種有怎樣的差異；2)這種差異表現(xiàn)出兩類樹種具有怎樣不同的應(yīng)對干旱的策略。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地點位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物園內(nèi),位于泰安市南部(E 117°11′,N 36°16′),屬于溫帶季風(fēng)大陸性氣候,四季分明。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域,植物區(qū)系屬于華北植物區(qū)系,包括森林、灌叢、灌草叢、草甸、等生態(tài)系統(tǒng)；多年平均氣溫13℃,極端最高氣溫40℃,極端最低氣溫-20.7℃,7月氣溫最高,平均26.4℃,1月最低,平均-2.6℃；年平均降水量697mm,最大年降水量1083.00mm,最小年降水量434.0mm,降水分布不均,易發(fā)生春旱；年日照時數(shù)2355h；無霜期198d；土壤以棕壤、褐土為主,肥力中等。

1.2 試驗材料處理方法

試驗于2018年6月進行,在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物園內(nèi)采集不同樹種的枝條樣品。每個樹種選取3株胸徑相近的樹作為3個重復(fù),樹種信息見表1。用高枝剪剪下樹冠中上部、長勢良好且向陽的1—2年生枝條,枝條直徑0.8—1.2cm,取下后立即帶回實驗室處理。將枝條上所有葉片取下用于總?cè)~面積的測定,余下枝條的一部分用于木質(zhì)部切片的制作,另一部分剝皮去髓,放入烘箱105℃殺青,80℃烘干48h,之后用粉碎機粉碎并過100目篩用于木質(zhì)部NSC濃度的測定。

表1 樹種信息表

1.3 試驗指標(biāo)及測定方法

用LI-3100C葉面積儀測定葉面積；枝條邊材面積用掃描儀測定,邊材面積與總?cè)~面積的比值為Huber值。NSC是可溶性糖和淀粉的總和[26],采用改良的蒽酮-硫酸法測定[27]。

木質(zhì)部切片制作：將3cm長枝條固定在滑動切片機上進行切片,切片厚度在18—22μm,完成后在番紅-阿爾新藍溶液中染色60—90s,在不同濃度的乙醇溶液中脫水,在載玻片上固定之后在光學(xué)顯微鏡下觀察,在10×物鏡下觀察當(dāng)年和上一年的木質(zhì)部解剖,選區(qū)3—5個視野拍照。導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管密度、薄壁組織面積等均使用Image-J軟件測量完成,木質(zhì)部解剖圖像見圖1。

圖1 樹種木質(zhì)部解剖圖像

根據(jù)導(dǎo)管橫切面積與直徑的關(guān)系計算出每個導(dǎo)管的直徑D：

根據(jù)Hagen-Poiseuille方程計算潛在最大導(dǎo)水率Kp[28]：

Kp單位是kg m-1MPa-1s-1,其中ρw是純水密度,取998.2 kg/m3,η是粘滯系數(shù),取10-9MPa·s,VD是導(dǎo)管密度。

其中,D是導(dǎo)管直徑,n是導(dǎo)管數(shù)量。

其中,t是相鄰兩個導(dǎo)管的導(dǎo)管壁厚度,b是較大導(dǎo)管的導(dǎo)管直徑。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對樹種間的性狀進行單因素方差統(tǒng)計分析及Ducan法多重比較,用獨立樣本t檢驗((Independent-Samples t-Test))分析抗旱樹種和非抗旱樹種間的木質(zhì)部性狀差異,用Pearson相關(guān)分析抗旱樹種、非抗旱樹種及所有樹種性狀間的相關(guān)性。利用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 10個樹種的木質(zhì)部性狀變異

所研究的10個樹種的16個木質(zhì)部性狀均有較大變異性。其中抗旱樹種與木質(zhì)部水力相關(guān)性狀中潛在最大導(dǎo)水率的變異最大；薄壁組織性狀中離管薄壁組織比例的變異最大；非結(jié)構(gòu)性碳中可溶性糖的變異最大；非抗旱樹種與木質(zhì)部水力相關(guān)性狀中Huber值變異最大；薄壁組織性狀中離管薄壁組織比例的變異最大；非結(jié)構(gòu)性碳中可溶性糖的變異最大。組成木質(zhì)部的三大組織中導(dǎo)管占木質(zhì)部橫截面的比例為7.68%—25.64%,平均值為17.93%±5.22%；薄壁組織為22.10%—38.55%,平均值為34.45%±4.93%；纖維組織為43.23%—64.04%,平均值為50.46%±6.80%。

2.2 抗旱樹種與非抗旱樹種非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)濃度的差異

圖2 不同樹種之間木質(zhì)部非結(jié)構(gòu)性碳差異

不同樹種的木質(zhì)部NSC濃度變異較大(變異系數(shù)為40.30%)。麻櫟(Qa)的淀粉濃度在10個樹種中最高,達到(295.95±0.75)μg/mg, 是最小的白玉蘭(Md)的5倍((58.20±0.91)μg/mg)。麻櫟的可溶性糖濃度也高于其他所有樹種((107.33±2.26)μg/mg)?？购禈浞N的淀粉含量顯著高于非抗旱樹種(P<0.01),可溶性糖濃度無顯著差異(P>0.05),但抗旱樹種的總NSC濃度顯著高于非抗旱樹種(P<0.01)。

2.3 抗旱樹種與非抗旱樹種木質(zhì)部性狀的差異

麻櫟(Qa)的平均導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管壁厚度都是最大,分別為(119.71±21.171)μm,(4.57±0.713)μm；榆樹(Up)作為抗旱樹種中唯一的散孔材,相較于其他環(huán)孔材抗旱樹種,其導(dǎo)管密度最大((168.76±26.552)μm),而平均導(dǎo)管直徑最小((25.59±5.249)μm)?？傮w比較,抗旱樹種的導(dǎo)管壁厚度、最大導(dǎo)管直徑、旁管薄壁組織比例、軸向薄壁組織比例均顯著大于非抗旱樹種(P<0.01)；抗旱樹種的平均導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管密度及其他性狀與非抗旱樹種并無顯著差異(P>0.05)。

2.4 不同樹種木質(zhì)部性狀的協(xié)同性分析

10個樹種的導(dǎo)管壁厚度與平均導(dǎo)管直徑、最大導(dǎo)管直徑和潛在最大導(dǎo)水率均顯著相關(guān),5個抗旱樹種間也存在這種關(guān)系,但非抗旱樹種不存在。5個抗旱樹種和所有10個樹種的最大導(dǎo)管直徑與潛在最大導(dǎo)水率顯著相關(guān),但非抗旱樹種間不相關(guān)?？购禈浞N總薄壁組織比例與軸向薄壁組織面積比例存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明抗旱樹種的薄壁組織主要由軸向薄壁組織主導(dǎo),5個非抗旱樹種和總的10個樹種間未表現(xiàn)出現(xiàn)此種關(guān)系；5個抗旱樹種的導(dǎo)管連接度與Huber值存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而非抗旱樹種無此種關(guān)系。

3 討論

Morris等對全球范圍內(nèi)2332種木本被子植物的薄壁組織比例、軸向薄壁組織比例、射線薄壁組織比例和平均導(dǎo)管直徑進行分析,發(fā)現(xiàn)總的薄壁組織變化范圍為6.88%—64.20%,軸向薄壁組織比例變化范圍為0%—44.10%,射線組織比例變化范圍為5.23%—42.47%；導(dǎo)管平均直徑變化范圍為10%—435.12%[19]。本研究的10個樹種的上述木質(zhì)部性狀均在此范圍內(nèi)(表2、表3)。

表2 抗旱樹種的木質(zhì)部性狀變異

表3 非抗旱樹種的木質(zhì)部性狀變異

植物木質(zhì)部空穴化引起的植物輸水功能障礙可影響植物的水分平衡和氣孔運動,導(dǎo)致植物死亡[29],因此植物的抗旱性在一定程度上可以由其抵抗栓塞發(fā)生的能力或栓塞后的修復(fù)能力決定[30]?？购敌暂^強的植物一般具有較大的導(dǎo)管密度和較小的導(dǎo)管直徑,但本研究中抗旱樹種的平均導(dǎo)管直徑、Kp和導(dǎo)管密度與非抗旱樹種相比并無顯著差異(P>0.05),抗旱樹種的導(dǎo)管壁厚度和軸向薄壁組織均顯著大于非抗旱樹種(圖3,P<0.01),表明僅依靠導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管密度判斷植物抗栓塞能力并不客觀,還應(yīng)與導(dǎo)管紋膜孔特征和薄壁組織等木質(zhì)部水力性狀結(jié)合。本研究中抗旱樹種最大導(dǎo)管直徑與Kp存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.848),而非抗旱樹種的這種關(guān)系卻并不明顯(R2=0.430),表明抗旱樹種直徑較大的導(dǎo)管具有更高的導(dǎo)水率。根據(jù)Hagen-Poiseuille定律,當(dāng)植物木質(zhì)部導(dǎo)管直徑較大時,水分運輸效率越高,導(dǎo)水率越高[31]。本研究中樹種的導(dǎo)管壁厚度與Kp、最大導(dǎo)管直徑、平均導(dǎo)管直徑均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.554,0.781,0.727),這一點在抗旱樹種上的體現(xiàn)更為突出(圖4),即本研究抗旱樹種的導(dǎo)管直徑較大時,其導(dǎo)管有較厚的導(dǎo)管壁,導(dǎo)管內(nèi)徑增加的同時需要有較強的機械支撐力才能保證較大口徑的導(dǎo)管不易破裂,導(dǎo)管壁厚度在一定程度上可以體現(xiàn)其機械支撐力[32],厚的導(dǎo)管壁也影響導(dǎo)管紋孔形態(tài),尤其是紋孔膜厚度[10],所以厚的導(dǎo)管壁保證了水分運輸?shù)陌踩?。本研究中的抗旱樹種具有較高導(dǎo)水率的同時在一定程度上兼顧了安全性,因此并未體現(xiàn)出水分運輸高效性與安全性的權(quán)衡。

圖3 不同樹種之間導(dǎo)管解剖特征差異

圖4 不同樹種木質(zhì)部性狀的協(xié)同性分析

NSC為植物生長繁殖和新陳代謝提供能量,并被認(rèn)為對抵抗干擾和干擾后的恢復(fù)有重要作用[33],主要是可溶性糖和淀粉?？扇苄蕴鞘侵参镌陂L期的干旱環(huán)境中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),是植物細(xì)胞中濃度較高的一大類物質(zhì)[34],有研究表明干旱脅迫會使淀粉也轉(zhuǎn)化為可溶性糖[35-36]。本研究中抗旱樹種的NSC濃度為(2.882±0.689)μg/mg,顯著高于非抗旱樹種的(1.528±0.358)μg/mg,表明具有更高的環(huán)境適應(yīng)性以及較高的碳供應(yīng)水平。Toshihiro等發(fā)現(xiàn)闊葉植物木質(zhì)部栓塞修復(fù)能力要比針葉樹植物強,其原因就是闊葉植物木質(zhì)部中有較多薄壁組織和NSC[37]。目前研究發(fā)現(xiàn)植物抗栓塞能力與植物莖干的水容存在相關(guān)關(guān)系,木質(zhì)部的導(dǎo)管通過吸收旁管薄壁組織中的水分或者離子,改變導(dǎo)管內(nèi)溶液的滲透勢使水分向?qū)Ч苓\輸,從而緩和導(dǎo)管內(nèi)張力,達到防栓塞的目的[38],同時薄壁組織中含有大量水通道蛋白可以參與到木質(zhì)部栓塞修復(fù)中[39]。本研究中的抗旱樹種相較于非抗旱樹種具有更多薄壁組織,表明抗旱樹種具備更強的栓塞修復(fù)能力。也有研究表明,導(dǎo)管連接度越大,植物木質(zhì)部預(yù)防張力下導(dǎo)管破裂的能力越大[40]。Huber值表示維持單位葉面積水分供給所需的枝條邊材投入[41],一定程度反映植物枝條的輸水效率。本研究抗旱樹種的導(dǎo)管連接度與Huber值存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.609),導(dǎo)管連接度是導(dǎo)管壁厚度與導(dǎo)管直徑的比值,兩類樹種間導(dǎo)管直徑無顯著差異但抗旱樹種的導(dǎo)管壁厚度顯著大于非抗旱樹種(圖3),抗旱樹種導(dǎo)管連接度與Huber值的這種關(guān)系或許表明導(dǎo)管壁更厚的樹種容易維持更多的葉面積用來光合固碳?？傮w來說本研究的抗旱樹種即通過厚的導(dǎo)管壁維持最大導(dǎo)管直徑和水力效率,同時又保證了抗栓塞的水力安全性,并且抗旱樹種具有更多的旁管薄壁組織和NSC也保證了足夠的能量和資源進行栓塞修復(fù)。

麻櫟作為干旱瘠薄山地綠化造林的先鋒樹種[42],有最大的平均導(dǎo)管直徑和最厚的導(dǎo)管壁,反映了麻櫟在水分運輸高效性和安全性上有較好的協(xié)同關(guān)系。

4 結(jié)論

本研究抗旱樹種相較于非抗旱樹種,木質(zhì)部NSC濃度更高、導(dǎo)管壁更厚、最大導(dǎo)管直徑更大、旁管薄壁組織和軸向薄壁組織比例更大。抗旱樹種直徑較大的導(dǎo)管和較厚的導(dǎo)管壁既保證了較高的水分運輸效率又具有一定的抗栓塞能力,同時抗旱樹種更多的旁管薄壁組織和NSC又為更強的貯水能力和栓塞修復(fù)能力提供了條件。本研究木質(zhì)部導(dǎo)管解剖特征可為華北干旱瘠薄山區(qū)綠化造林樹種的選擇提供參考。