寧夏種植甘草δ13C組成與水分利用的關系

胡海英,梁新華,伏曉昭,王 興,謝應忠

(1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學生命科學學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；)

在降水量少、蒸發強烈、土壤含水量低的干旱、半干旱地區，土壤水分依舊是影響植物生長和發育的最重要的環境因素之一。因此，植物能否適應當地的極限環境條件，最主要還是要看它們能否很好地協調碳同化和水分耗散之間的關系。植物水分利用效率(water use efficiency，WUE )能夠很好地衡量和解析這種相關性[1-2]。當水分不足時，植物會關閉部分氣孔，使通過氣孔進入葉片的CO2減少，引起植物葉內CO2濃度(Ci)下降，植物對CO2的識別能力必然降低，從而使葉片 δ13C 值升高。δ13C 值與WUE呈正相關，高δ13C 值對應高WUE，許多試驗證實了兩者之間具有很強的相關性[3-5]，目前測定植物δ13C 值成為鑒定植物WUE的一種常規方法，推算的WUE其實就是單位氣孔導度所能同化的碳量，可以用來表征植物對環境變化所產生的生理響應。張正斌等[6-7]提出植物必須具有水分高效利用和抗旱性的雙重能力，充分利用生長季節的一定有限降水，才能夠生存和高產。因此了解植物WUE，探明植物水分利用特征不僅為生長在水分為限制因子的區域估計水分平衡提供思路，還能為荒漠化地區植被恢復的物種選擇、種植策略、人工管理等提供實踐應用支持。

烏拉爾甘草(GlycyrrhizarualensisL,下文簡稱甘草，Liquorice) 是一種用途廣泛的資源植物，也是人類開發利用最早的物種之一。其地下根莖是傳統的大宗中草藥，地上莖、葉、花果是荒漠畜牧業優良的天然牧草[8]，而且以其強大的地下根系和對風沙、鹽堿等惡劣環境的適應性，有效發揮著保護生態環境的重大作用。寧夏鹽池被譽為“中國甘草之鄉”，該地區累計發展人工種植甘草56 600 hm2，成為全國最大的甘草種苗培育基地[9]。但是近幾年受市場價格和管理成本等多重影響，人工甘草產區面積驟縮，灌溉栽培技術粗放，病蟲害肆虐，產量與品質不佳等諸多問題存在。尤其是隨著氣候變化和水資源日益匱乏，大面積種植甘草勢必存在如何用水問題，不同水分條件下甘草WUE存在何種差異，如何適應土壤水分變化，是目前需要解決的關鍵問題。針對此，本文在寧夏鹽池縣退耕還草地選擇不同水分來源的人工栽培甘草，利用穩定碳同位素技術，比較研究不同生境栽培甘草的WUE以及適應土壤水分變化特征，提出有效水分利用建議，為荒漠化地區人工種植甘草的栽培策略、水資源利用和管理提供研究資料。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏吳忠市鹽池縣(106°30′～107°41′E，37°04′～38°10′N)，該地區屬中溫帶大陸性氣候，為典型半干旱地區，年平均氣溫8.1℃，年降水量在250～350 mm，年際變化幅度高達30%以上。降雨主要集中在6-9月，約占全年降水量的60%以上，年蒸發量達2 710 mm，約為降水量的5～7倍，年均無霜期為165 d，≥10℃年有效積溫為2 945℃左右，年日照時數為2 867 h，全年太陽輻射總量為140 kJ·cm-2。土壤類型主要以灰鈣土和風沙土為主。

1.2 試驗材料與設計

在寧夏鹽池縣高沙窩鎮所轄退耕還草地烏拉爾甘草野生分布區和人工種植基地，選擇封育草地補播的2 a生和3 a生野生甘草為對照1(CK1)和對照2(CK2)，利用自然降水栽培種植2 a生和3 a生甘草分別為處理1(T1)和處理2(T2)，利用灌溉水栽培種植2 a生和3 a生甘草分別為處理3(T3)和處理4(T4)，共有6個試驗樣地，每個試驗樣地設3個重復，即分為3個試驗小區，每小區面積為223 m2，各試驗樣地氣候、地勢及土壤質地相近，年均降水量337.95 mm。栽培種植甘草定植密度為10 000～12 000 株·667m-2。人工灌溉甘草種植試驗區6-7月每月灌水定額為30～40 m3·667m-2，8月灌水定額為20～30 m3·667m-2，全年抽水漫灌3～4次水。

1.3 樣品采集

在2016年甘草旺盛生長期同期采集植物及土壤樣品。植物樣品采集：在各試驗小區隨機選取10株長勢相似植株，采集葉片混合成1份樣品，裝在干燥信封中冷藏保存帶回實驗室待測，3次重復。土壤樣品采集：在每個試驗小區按對角線5點法采集0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤剖面樣品，相同層次5點混合為1個樣品，裝入鋁盒帶回實驗室待測，3次重復。

1.4 樣品分析

1.4.1 植株樣品分析 葉片相對含水量(RWC)采用生物量差減法，游離脯氨酸(Pro)采用酸性茚三酮法，葉綠素含量采用95%乙醇浸提法[10]分別測定。δ13C值的測定分析：將甘草葉片用去離子水洗凈后于70℃恒溫條件下烘干72 h，用球磨儀粉碎并過100目篩后密封保存于1 mL離心管，寄送至深圳市華科精信檢測科技有限公司穩定同位素實驗室用DELTA V Advantage 同位素比率質譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometer)測定樣品碳同位素比值，樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2，質譜儀通過檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標準物(Pee Dee Belnite或PDB，一種海洋中的貝殼化石，其13C含量為1.124%)比對后，根據公式：δ13C=(Rp-Rs)/Rs(Rp、Rs分別表示植物組織樣品和標準化石PDB的13C /12C)計算出樣品的δ13C值。

1.4.2 土壤樣品分析 土壤含水量采用烘干差減法測定。

1.5 數據統計和分析

數據用平均值±標準差(Mean±SE)表示。采用SAS軟件對試驗結果進行單因素方差分析，利用IBM SPSS 22.0軟件進行相關性統計分析，處理間采用LSD法進行多重比較。用Excel 2007軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同生境土壤含水量的差異分析

圖1結果表明，自然降雨條件下 0～20、20～40、40～60、60～80 cm各土層土壤平均含水率分別為6.38%、5.49%、3.71%、2.99%，隨著土層深度增加土壤含水量逐漸降低，深層60～80 cm的含水量只有3%左右，顯著低于其他土層。人工灌溉下各土層平均值分別為13.50%、14.18%、16.22%、17.6%，土壤含水量隨著深度的增加而增加，深層60～80 cm的含水量達到18%左右。人工灌溉條件下的土壤含水量是自然降水下的3.31倍，人工灌溉顯著增加了土壤含水量。自然降水條件下，野生甘草(CK1、CK2)與人工栽培甘草(T1、T2)0～20 cm剖面土壤含水量有顯著差異，其它各剖面差異不顯著。

2.2 不同水分條件下甘草δ13C值組成與WUE

如圖2a所示，不同水分來源條件下，各生境的甘草葉片δ13C值在-25.91‰～-27.31‰之間，屬于C3植物，自然降水各處理(CK1、CK2、T1、T2)與灌溉條件下2個處理(T3、T4)甘草葉片δ13C值之間有顯著差異 (P<0.05)；在自然降水條件下，野生甘草葉片δ13C均值(-26.33‰)略高于人工栽培甘草葉片δ13C均值(-26.67‰)，但兩者之間差異不顯著；而同種水分條件下的2 a生與3 a生甘草之間的δ13C值無顯著差異 (P>0.05)。

植物體在光合作用過程中會對13C進行選擇吸收，其δ13C值的高低主要取決于光合作用途徑的差異，而植物CO2的同化過程與植物水分利用(主要是蒸騰作用)之間是相互偶聯的，因此通過測定植物葉片的δ13C值可以估算長期的WUE[11]。借鑒嚴昌榮[11]關于植物WUE推算公式：WUE=13.712+0.354 δ13C，估算不同處理甘草的WUE，如圖2b所示，自然降水條件下各處理甘草的WUE顯著高于人工灌溉甘草；野生甘草與人工栽培甘草之間的WUE差異不顯著，但降水條件下栽培甘草(T1、T2)顯著高于灌溉下栽培甘草(T3、T4)的WUE；同種水分條件下2 a生與3 a生甘草之間的WUE無顯著差異(P>0.05)。

2.3 不同水分條件下甘草葉片RWC和脯氨酸的變化特征

植物RWC可以反映植物的水分虧缺[12]，而且在干旱環境中植物普遍存在著水分虧缺。如圖3a所示，甘草在不同的水分條件下水分虧缺程度差異顯著，自然降水條件下各處理(CK1、CK2、T1、T2)甘草葉片RWC均值與灌溉條件下各處理(T3、T4)甘草RWC均值之間有顯著差異(P<0.05) ，且在自然降水條件下野生甘草和栽培甘草葉片RWC之間亦差異顯著(P<0.05)，灌溉條件下生長年限之間的RWC無顯著差異，但降水條件與灌溉條件之間栽培甘草的RWC差異顯著(P<0.05)。

植物葉片游離脯氨酸含量的積累可以反映植物應對水分虧缺的能力，研究表明[13-16]，在適宜水分條件下，植物的游離脯氨酸含量隨著時間推移變化不大，但干旱脅迫條件下，隨著時間變化其游離脯氨酸含量明顯呈現先上升后下降的趨勢。如圖3b所示，自然降水條件下各處理(CK1、CK2、T1、T2)甘草脯氨酸含量均值為150.39 μg·g-1，灌溉條件下各處理(T3、T4)甘草脯氨酸含量均值為451.87 μg·g-1，兩者之間呈顯著差異(P<0.05)，野生甘草(CK1、CK2) 脯氨酸含量均值(317.33 μg·g-1)與栽培甘草各處理(T1、T2、T3、T4)脯氨酸含量均值(326.14 μg·g-1)之間未呈現差異，自然降水條件下栽培甘草的脯氨酸含量顯著低于灌溉條件下的。可見，各處理甘草葉片RWC和脯氨酸含量會隨著土壤水分改變而發生變化。

圖1 不同生境土壤含水量變化特征Fig.1 Soil moisture content of different soil layers in different habitats

圖2 不同水分條件對甘草葉片δ13C值和WUE的影響Fig. 2 Effect of moisture conditions on the δ13C value and WUE in leaves of liquorice

圖3 不同水分條件對甘草葉片RWC和脯氨酸含量的影響Fig.3 Effect of moisture conditions on relative water content and proline content of liquorice

2.4 不同水分條件下甘草葉片葉綠素含量的變化特征

植物葉片中光合色素含量的高低在很大程度上反映了植物的生長狀況和葉片的光合能力，可以指示植物對水分脅迫的敏感性[17]。如表1所示，不同生境中甘草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a/b值及葉綠素含量均呈顯著性差異(P<0.05)。自然降水條件下的各處理(CK1、CK2、T1、T2)甘草的葉綠素a均值(1.17 mg·L-1)、葉綠素b均值(0.63 mg·L-1)及葉綠素總含量均值(1.79 mg·g-1)顯著低于灌溉條件下各處理(T3、T4)甘草的葉綠素a均值(2.08 mg·L-1)、葉綠素b均值(1.25 mg·L-1)及葉綠素總含量均值(3.33 mg·g-1)；而葉綠素a/b值的變化則相反。自然降水條件下栽培甘草與野生甘草之間的葉綠素各組分含量無顯著差異，而灌溉條件下不同生長年限之間的葉綠素各組分含量有顯著差異(P<0.05)。可見，土壤水分條件也是影響甘草光合色素含量的主要因子，其能夠維持葉綠素a/b穩定的比值。說明甘草葉片在自然降水條件下雖然總葉綠素含量下降，但因葉綠素a/b值提高，因此可以維持較穩定的光能吸收、傳遞、轉換功能，進而可以為光合作用順利進行提供保障。

2.5 甘草葉片δ13C值與土壤含水量、WUE、脯氨酸含量、葉綠素等指標間的相關性

從以上結果分析發現，不同生境中甘草因土壤含水量的不同而表現出δ13C值、RWC、脯氨酸含量、葉綠素含量等指標的顯著差異，將甘草各項指標進行相關性分析，發現甘草δ13C值與RWC極顯著正相關，與脯氨酸含量、葉綠素含量、葉綠素a含量顯著負相關，與土壤含水量極顯著負相關，相關系數分別為0.978、-0.804、-0.799、-0.775、-0.929；RWC與脯氨酸含量、葉綠素a含量顯著負相關，與葉綠素含量、土壤含水量極顯著負相關，相關系數分別為-0.756、-0.812、-0.836、-0.861；葉綠素含量與土壤含水量顯著正相關，相關系數為0.813。從這些相關性可以看出，甘草葉片δ13C值能夠同時反映植株與土壤的水分狀況，與植物光合及滲透調節也有一定的聯系。

表1 不同水分條件下甘草葉綠素及其組分含量變化

注: 同列數據后不同小寫字母代表不同處理差異達顯著水平(P<0.05) 。

Note: Data with different lowercase letters in the same column means significantly different (P<0.05) ．

表2 δ13C值與土壤含水量、RWC、脯氨酸含量、葉綠素等指標間的相關性分析Table 2 Correlation between the δ13C values and the soil water contents, the relative leaf water contents,the proline content, and the content of chlorophyll

注：*表示在0.05水平上顯著相關(雙側);**表示在0.01水平上顯著相關(雙側).

Note: * and ** indicate significant correlation atP=0.05 andP=0.01 levels, respectively.

3 結論與討論

研究表明[18]，干旱可提高植物δ13C值和WUE，而灌溉則降低植物的δ13C值和WUE，而且C3植物δ13C值與土壤水分呈現很好的負相關關系[19]。甘草是典型的C3植物，本研究中，甘草葉片δ13C值隨土壤含水量的增加而減少，且兩者之間呈極顯著負相關，這一結果與前人研究結果一致[5,19-22]。自然降水條件下栽培甘草與野生甘草之間的δ13C值無顯著差異，但土壤含水量大的灌溉地栽培甘草δ13C值顯著低于降水條件下的δ13C值，相應地栽培甘草在灌溉條件下的WUE顯著低于自然降水條件下的WUE。由于植物生長年齡影響根系的類型和分布深度，導致不同年齡的植物具有不同的水分利用效率[6]，在本文中，相同水分條件下2 a生與3 a生野生和栽培甘草葉片δ13C 值與WUE并無顯著差異。可見，利用自然降水的栽培甘草具有高的水分利用效率，與野生甘草一樣能夠節約并有效地利用土壤水分，并在一定可利用水分條件下最大程度地固定碳，這是對干旱土壤環境的長期適應結果。

同一植物生長在不同的環境中，通常可以用其葉片RWC來指示環境水分虧缺程度，而且植物RWC可以直觀地反映植物的抗脫水性，RWC越高，抗脫水性就越強[12]，本研究結果顯示，甘草葉片的δ13C 值與葉片RWC呈極顯著正相關，土壤含水量與葉片RWC呈極顯著負相關，說明葉片的δ13C 值可以同時反映出環境和植物體本身水分的虧缺程度，當甘草葉片水分不足時，通過氣孔調節保持膨壓穩定，維持植物正常的代謝活動，可見，在不同水分條件下甘草能通過調節氣孔導度達到合適的WUE。趙則海等[23]研究表明 3 a生栽培甘草的凈光合速率、表觀量子效率和水分利用效率等參數與野生甘草最接近，種植3 a的栽培甘草已基本具備了野生甘草的光合能力。本研究區野生甘草植被生長相對稀疏，但是在栽培種植條件下，甘草植被呈現出植株高大、濃密的外觀，說明當生長環境條件變好時，其光合能力可能是調節甘草δ13C值和WUE變化的主要因子。葉綠素是植物吸收太陽能進行光合作用的重要物質，在光合作用中起到接受和轉換能量的作用，在一定范圍內，葉綠素含量越高，光合越強，就能制造更多的光合產物[24]。本研究中甘草葉綠素a及葉綠素含量與δ13C 值之間具有一定負相關關系，而與土壤含水量之間呈顯著正相關。這進一步說明，水分條件的改變引起了光合色素的變化，進而引起光合功能的改變，從而影響到甘草δ13C值和WUE的變化。

當植物受環境脅迫(干旱、水澇、冷害等)時脯氨酸會大量累積，以維持細胞一定的含水量和滲透勢，從而增強植物的抗逆能力。本研究發現不同土壤含水量條件下的甘草葉片δ13C 值與脯氨酸含量呈顯著負相關，與馬劍英等[20]研究認為荒漠植物紅砂脯氨酸含量與葉片δ13C 值呈正相關關系不同，說明脯氨酸含量與δ13C 值對土壤含水量變化生理適應機制因物種不同而不同。自然降水條件下，甘草已處于一定時期的干旱脅迫(0～80 cm剖面平均土壤含水量為4.65%±0.46%)，唐曉敏等[14-15]研究認為，隨著干旱脅迫時間的延長，脯氨酸含量均呈先上升后下降并趨于穩定的變化態勢。因此，自然降水條件下，栽培甘草和野生甘草一樣，其脯氨酸含量處在較穩定的狀態，脯氨酸積累值與唐曉敏[14]研究結果相近。而在有灌溉條件的生境中，由于土壤水分過多，土壤漬水阻斷根系的氧氣供應，妨礙有氧呼吸，使得甘草處于水分過多的脅迫，因此，甘草的脯氨酸含量在短期內積累增加，極顯著高于自然降水條件下甘草的脯氨酸含量，可見，甘草應對水分條件變化具有明顯的滲透調節敏感性和適應能力。

綜上所述，土壤水分仍然是栽培甘草δ13C 值的主要影響因子，甘草葉片δ13C 值不僅能夠指示甘草長期WUE，也能夠指示環境水分虧缺程度。以自然降水為主要水分來源的人工種植甘草與野生甘草一樣具有較高的WUE，通過自身強大根系，以一定的生理適應機制來防止體內水分散失，可見，甘草會以較強的碳同化能力和節水型生理對策來適應干旱，且適度的干旱脅迫，有利于甘草生長量的積累和品質的提高[23-24]。因此，在干旱半干旱荒漠草原地區，要根據退耕地的水分環境條件，合理布設藥用甘草種植面積，不提倡利用地下水漫灌，應科學利用自然降水規律，創新甘草栽培管理模式，節約用水的同時有效提高甘草的產量和品質。在退化草場植被恢復過程中，應選擇如甘草這種WUE高、不依賴表層水穩定生存、且具有生態經濟價值的野生鄉土牧草，能夠以高的水分利用效率和抗旱能力來維持穩定的群落結構。今后的研究重點將把植物的水分利用效率與抗旱性結合起來，從而綜合有效地篩選出水分高效利用和耐旱性強的鄉土優勢植物，并研究制定如何以較少的耗水獲得更多綠色產出的種植策略。