干旱脅迫和復水對浙江楠光合與根系生長的影響

李偉成,田新立,盛海燕 ,劉姚姚,張瑞

1.國家林業和草原局竹子研究開發中心,浙江省竹子高效加工重點實驗室,杭州 310012

2.西南林業大學生命科學學院,昆明 650224

3.杭州環境保護科學研究院,杭州 310005

0 前言

建造珍貴樹種人工林是恢復植被和提高低產低效林效益的森林可持續經營措施之一,選擇合適的珍貴物種進行斑塊化鑲嵌混交是提高其造林成活率和保存率、恢復植被、提高生物多樣性、改善其生態環境和經濟效益的關鍵因素。營林的生境因子對整個生態系統的發育至關重要[1]。造林過程中,不同樹種的異齡苗對土壤水分的響應方式差異較大[2,3],需依據樹種的生物學特性進行指導作業和提供基礎經營方案。

全球氣候變化引發大氣-海洋-陸地界面的相互作用,導致極端氣候災害發生的頻率上升[4]。中國極端氣候的變化表現在極端降水事件趨多趨強,尤其在長江中下游及長江以南地區的極端降水量比例趨于增大,直接導致干旱天氣持續時間增加,加劇水分虧缺程度,干旱對林業的建設發展造成了嚴峻的考驗。干旱作為植物所遭受的所有非生物脅迫中損害最為嚴重的不利因素,限制植物生長、發育和分布,影響植物種內種間、群落關系以及生態系統功能[5]。植物根系表型生長、光合生理和抗氧化防御系統都會對干旱脅迫產生響應[6],光合作用是植物最基本的生命活動,對干旱脅迫最敏感的生理過程之一[7],而根系對干旱脅迫的響應最為敏感[3]。因此,研究干旱脅迫和復水條件下珍貴造林樹種的光合特征和根系生長變化,對正確判斷和預測未來氣候條件下珍貴樹種生長、發育等生理生態過程具有重要意義。

浙江楠(Phoebe chekiangensis)系華東地區特有珍貴用材樹種,樟科(Lauraceae)楨楠屬(phoebe)中材質最優的物種之一,屬國家二級保護樹種,其樹干通直可高達20 m,樹冠整齊,枝葉繁茂,生態位寬度值較大,適合山地丘陵混交造林、林下補植樹種[8];野外調查發現,浙江楠分布以中下坡為主,常與毛竹(Phyllostachys edulis) 、 楓 香(Liquidambar formosana)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla),青岡櫟(Cyclobalanopsis glauca)混交成林,土壤主要為紅壤和黃壤,生存于林分的中層,較弱勢。浙江楠的材質堅硬,結構細致,具光澤和香氣,是優質用材。因此,推廣發展這一珍稀優良闊葉樹種與其他樹種的斑塊化鑲嵌混交,對改善低產低效林有重要意義。但是浙江楠木生長慢,對立地條件要求相對較高,因此了解分析其基礎生物學特征和適生環境,對發展浙江楠人工林具有重大的指導意義。

在浙江省“建設健康的森林”提升林業目標的大背景下,本文以浙江楠為研究對象,通過干旱脅迫和復水試驗,分析其光合生理特征、根系生長和抗氧化系統的響應,為改善浙江省低產低效森林生態系統結構、功能和過程,提升其社會效益、經濟效益和生態效益,為營造斑塊化鑲嵌式的復層異齡新型森林提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 自然概況

試驗地位于浙江省湖州市長興縣(119°45′E、30°58′N),屬亞熱帶海洋性季風氣候。年平均氣溫(15.6±0.5) ℃,有效積溫5750 ℃,無霜期239 d。年平均降水量1 309 mm。年平均日照時數1 810.3 h,歷年平均日照百分率為41%,光照分配較均勻。土壤以發育于酸性巖漿巖和沉積巖的紅壤為主。

1.2 試驗設計

2017年3月,選取健康無病蟲害的2年生浙江楠進行試驗。將苗高60 cm 左右、基徑0.8 cm 的植株,僅留1—2 分枝附3—5 片葉,帶小土球(10 cm×10 cm)移栽入直徑47 cm、高37 cm 的花盆。土壤表層先覆蓋1—2 cm 厚的河沙,再覆蓋1—2 cm 厚的腐殖土,以保持花盆內水分。期間常規管理與施水,試驗苗栽培52 d。所用平均土壤有機質含量為27.31 g·kg-1,平均全氮 1.55 g·kg-1,平均有效磷 90.37 mg·kg-1,平均速效鉀56.15 mg·kg-1。放置大棚從地面至40 cm 高處不覆蓋薄膜,起到通風的作用,頂棚封膜,晴天開啟頂棚,雨天關閉頂棚薄膜。

模擬自然干旱失水與復水過程67 d,試驗設3個水分梯度,分別為對照的土壤水分含量為(36.09±3.22)%、中度干旱的土壤水分含量為28.34±5.04% (隔1—2 天補水)、重度干旱的土壤水分含量為(19.06±2.26)%,每個水分梯度設置5 重復,共15盆。根據設定的土壤含水率計算每盆重量,作為標準盆重[9],每天傍晚進行稱量,低于試驗設計的土壤含水量時立即施水補充至設計土壤含水量。重度干旱以每日中午試驗用苗不發生萎蔫為標準。

1.3 參數測量與數據處理

1.3.1 光合、葉片抗氧化酶和根系參數的測定

7月,在各自試驗狀態下,分別于9:00—11:00到14:00—16:00,選取浙江楠最長枝條從上往下數的第3 片完整展開的成熟葉片,采用Li6400 測定瞬間氣體交換參數如蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs),每處理重復5 株,按照預實驗的測定結果,測定時葉室內 CO2濃度和光合有效輻射分別為 400 μmol·mol-1與1000 μmol·m-2·s-1,根據凈光合速率和蒸騰速率的比值計算水分利用效率。光響應曲線參數測定的CO2濃度為(391.4±4.6) μmol·mol-1,光強分別設定為2 000、1 500、l 200、1 000、800、600、400、200、150、100、70、50、20 和0 μmol·m-2·s-1,采用直角雙曲線修正模型計算光響應曲線的參數如光補償點(LCP)、暗呼吸絕對值(Rd)、光飽和點(LSP)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀量子效率(φAQY)。測定時,葉室內相對濕度61%—65%。同時,在上午10:00 左右,采用PAM-2500 葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數,選取最長枝條從上往下數的第2 片完整展開的葉片,Fv/Fm 在葉片暗適應20 min 后測定。

采集浙江楠的中部葉片進行超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和過氧化物酶(POD)活性測定,共采樣5 次,取平均值。取0.2 g葉片洗凈后置于研缽中,加入1.6 mL 50 mmol·L-1預冷的磷酸緩沖液(pH 為7.8)在冰浴上研磨成勻漿,轉入離心管中在4 ℃、12000 r·min-1下離心20 min,取上清液測定酶活性,其中超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑法,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法,過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚比色法[3]。

光合特征參數測量后,立即進行浙江楠根系的采樣,采回實驗室洗凈根系,量取根系總長,稱量鮮質量,然后將根放入干燥箱80 ℃烘干至恒質量后測量干質量,每個處理5 重復。按生長分析方法計算:根的相對生長速率RGR=(lnW2-lnW1)·(T2-T1)-1,其中W1為剛移栽時器官的生物量,本試驗量取移栽適應52 d 的浙江楠苗5 重復,取平均值作為其根系的起始生物量;W2為采樣時的生物量;T1為處理開始時間,T2為采樣時間,月;根半徑其中mf為側根鮮質量,Lr為側根總長[10]。

1.3.2 數據處理

使用SPSS11.0 進行數據處理,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫和復水對浙江楠光合生理的影響

3 種土壤水分條件下,特別是重度干旱條件下,浙江楠光合能力、光適應特征、瞬間氣體交換參數與對照、中度干旱條件都表現出顯著差異(p＜0.05) (表1)。對照條件下,浙江楠的光合能力參數如最大凈光合速率和表觀量子效率表現最好,分別為(11.51±1.71) μmol·m-2·S-1和(0.0230±0.0037) μmol·m-2·s-1,而重度干旱條件下,這兩個參數值僅為對照條件下的47.8%和5.2.2%,對照條件的暗呼吸平均值雖大于中度干旱條件,但并沒有顯著差異(p＞0.05),說明在重度干旱脅迫下浙江楠的光能利用率小于其他兩種條件,而且能量消耗較大;光適應特征參數如光補償點隨著干旱程度的上升而上升,飽和光照強度則表現出下降的趨勢,說明只要土壤水分條件適宜,在強光條件下浙江楠對對強光仍具備一定的適應能力。瞬間氣體交換參數如蒸騰速率和氣孔導度隨著干旱程度的上升而急劇下降,重度干旱的蒸騰速率和氣孔導度分別為(0.92±0.10) mmol·m-2·s-1和(66.0±21.7) mol·m-2·s-1,與對照、中度干旱皆有顯著差異(p＜0.05)。同時,中度干旱條件的浙江楠水分利用率最高,為(5.99±0.68) μmol·mmol-1,表明其具有一定的抗旱能力。

2.2 干旱脅迫和復水對浙江楠葉綠素熒光特征的影響

隨著干旱程度的上升,浙江楠葉綠素PSⅡ原初光能轉化效率和PSⅡ實際光化學效率隨之下降(表2),重度干旱條件下與對照、中度干旱皆有顯著差異(p＜0.05),后兩者差異不顯著(p＞0.05);而光化學猝滅系數和非光化學猝滅系數雖然趨勢與上述兩個參數類似,但在不同處理間都存在著差異顯著性(p＜0.05)。葉綠素熒光特征與光合生理特征基本一致。

表1 浙江楠光合生理特征對干旱脅迫與復水條件的響應 Table1 Responses of photosynthetic characteristics of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

表2 浙江楠葉綠素熒光參數對干旱脅迫和復水的響應 Table2 Responses of Chlorophyll fluorescence parameters of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

2.3 干旱脅迫和復水對浙江楠抗氧化系統的影響

對照條件中,浙江楠葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性以對照條件的最高,隨著干旱程度的加劇,SOD 活性顯著下降,重度干旱條件的最低,兩者有顯著差異(p＜0.05),說明SOD 系統受到了破壞;過氧化氫酶(CAT)活性以中度干旱條件最高,與對照條件差異不顯著且均值相近,與重度干旱條件有顯著差異(p＜0.05),說明在重度干旱下會出現生理過程受抑制的現象;過氧化物酶(POD)與CAT 活性的情況類似,但均值以對照條件的最高,表現出隨干旱程度上升而下降的趨勢,重度干旱與對照、中度干旱條件皆有顯著差異(p＜0.05)。因此,就3 種抗氧化酶而言,中度干旱處理對提升浙江楠葉片的抗逆能力有一定的積極作用,而重度干旱條件對其葉片3 種抗氧化酶有抑制影響。

2.4 干旱脅迫和復水對浙江楠根系生長的影響

浙江楠根總長的均值以中度干旱條件的最長,為43.7±3.1 cm,與對照條件差異不顯著(p＞0.05) (圖1),重度干旱條件的總根長為(35.6±3.2) cm,與中度干旱條件有顯著差異(P＜0.05),表明中度干旱條件對浙江楠根系在拓展空間以尋找和吸收水分的能力上有一定的促進;根生物量以對照條件的植株最高,為16.9±2.5g,根生物量隨著干旱程度的上升而下降,重度干旱與對照、中度干旱皆有顯著差異(P＜0.05);根的相對生長速率與根生物量的趨勢相同,表明重度干旱條件的浙江楠根系,特別是側根的生長已經受阻;3 種條件的根半徑互相之間都存在著顯著差異,表明浙江楠的根系對水分條件的變化較敏感,干旱減緩了根系的生長,單位長度的根鮮質量下降明顯。

3 討論

圖1 不同干旱復水處理中浙江楠的抗氧化酶系統 Figure1 Antioxidant enzyme system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

圖2 不同干旱復水處理中浙江楠的根系 Figure2 Root system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

植物處于最適環境(光照、溫度和水)條件時往往表現出最大光合速率[11]。本試驗的最大凈光合速率表明,在對照條件下,由于土壤含水量長時間處于較高狀態,浙江楠的光合生理最優,其葉綠素熒光參數亦佐證了這一試驗結果,這與Ranney等[12]對水 分供應充足的白樺(Betula platyphylla)的光合、蒸騰和氣孔行為的研究結論相符。而重度干旱嚴重影響浙江楠的生理進程,具體表現為蒸騰速率和氣孔導度的顯著下降,表明光合速率的下降是由氣孔因素導致的[13]。重度干旱脅迫不僅對浙江楠的光適應特征、光合能力、水分利用效率的影響最大,還對其葉綠素熒光參數造成較大的影響。本試驗的中度干旱條件下,浙江楠的PSⅡ原初光能轉化效率和光化學猝滅系數均表現出不同程度的降低,表明其光合作用的光破壞防御機制已經啟動,雖在光合速率上差異并不顯著,但亦可說明從天線色素上捕獲的光能用于光化學反應的份額在減少,PSII 反應中心的光化學活性亦已經開始弱化,PSII 反應中心累積的光能過剩,這與多數研究的規律相符[7,14,15]。水分利用效率是植物生理生化過程中消耗水固定CO2形成有機物質的基本效率[3,14],有研究[2]認為,干旱脅迫對植株水分狀況及光合作用的影響最終表現在水分利用率上,Moles 等[14]發現較高的水分利用率可以幫助植物在干旱條件下維持較高的形態可塑性,同時PSII 光化學系統亦能達到最大效率。本試驗發現重度干旱條件下的水分利用率與對照、中度干旱條件相比較,分別下降了29.6%和46.4%;而中度干旱條件下的浙江楠植株水分利用率最高,說明在中度干旱條件下水分利用水平和能量利用效率最高,這與野外斑塊混交造林時觀察的情況相符,對于適應造林環境具有很大的現實意義。因此,浙江楠通過自身形態、生理等方面的不斷調整來適應環境中生態因子的變化,將其限制作用減小。

在不同生境中,植物會對生長、繁殖和維持生存等過程進行資源分配的權衡,使其各功能分配達到最佳狀態[14,16]。研究表明,干旱脅迫導致根生物量、根半徑減小,根長、根表面積和根冠比增加[3,10,17],當土壤含水量低于一定程度時,隨著脅迫時間的持續,根系活力不足以維持生命而使植物不可逆轉地徹底死亡[14]。本試驗發現,對于主根系發達的浙江楠而言,雖然中度干旱條件下植株的根相對生長速率和根半徑下降,適當的土壤水分含量如28.34±5.04%的干旱脅迫有利于其根系的生長發育,可增加其總根長的長度,根生物量亦下降不明顯。因此,對于依賴于主根系生長進行水分吸收的浙江楠而言,中度干旱對浙江楠整個根系吸收功能的影響不大,亦表明根系形成不同分枝結構是樹木適應環境的一種生存策略[18],即在根生物量較穩定的情況下,可促使浙江楠根系充分利用資源,拓寬其生態幅,通過減小根半徑來增加根系與土壤的接觸面積,從而提高根系對水分及其他礦物元素的吸收機會。

植物處于逆境時,體內的活性氧代謝會作出響應,SOD、POD 和CAT 的活性水平會發生變化[3,7,9],而當處于干旱脅迫時,會使植物失水而導致質膜受損[19]。本試驗發現中度干旱條件下,SOD、POD 和CAT 未顯著下降,CAT 均值還略有上升,表明浙江楠植株通過增加體內CAT活性來消除體內的活性氧;隨著干旱程度的上升,重度干旱條件下的3 種保護酶均表現出顯著下降,抗氧化酶已不能有效清除掉活性氧物質,此時的葉片光合能力大幅下降,超出了保護酶調節能力的限度,抗氧化酶受到損傷而使活性下降。因此,浙江楠具備一定的抗旱能力,抗氧化酶活性表明浙江楠可以在中度干旱環境中生存,一定范圍內的干旱能刺激其抗氧化酶活性的提升,其器官組織受到的氧化損傷并不是不可修復;而重度干旱則會使用于光化學反應的能量大量下降,形成的活性氧物質使細胞膜系統嚴重受損。

對造林而言,如能在某生境類型中定植并且能夠產生較高的生物量,說明該樹種對此生境的適應性較高[20,21],該樹種往往具有較強的繁殖能力及較高的適應能力[22]。浙江楠是喜光樹種,1-3年生浙江楠植株以地下生長為主[8],在自然生長以主根系吸收水分為主,側根是一種輔助和補充,這個時期對其主根系的發育和定植十分關鍵。由于中度干旱并不影響浙江楠的正常生長,甚至一定長度上能促進其生長,故在實際斑塊化造林過程中,適度控制土壤含水量,有利于在不同樹種斑塊化混交配置應用中浙江楠造林的成活率和保存率。