三峽庫(kù)區(qū)消落帶水樺（Betula nigra）周期性水淹后的生理與結(jié)構(gòu)響應(yīng)

甘麗萍，任 立，李 豪，王立春

(1. 重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，重慶 萬(wàn)州 404100；2. 重慶任甲生物科技有限公司，重慶 秀山 409999；3. 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，重慶 400000)

2019 年，三峽水庫(kù)已連續(xù)10 a 完成175 m 蓄水目標(biāo)。年復(fù)一年的季節(jié)性水位漲落形成30 m 的消落帶區(qū)域，是水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替存在的特殊地帶 (圖1)[1]。冬季的完全水淹和夏季的伏旱使消落區(qū)植被物種多樣性呈下降趨勢(shì)，水土流失較突出[2]。重新造林和植被重建是恢復(fù)這些新形成的河岸帶的首要任務(wù)[3]。因此，篩選出能長(zhǎng)期遭受水淹并能正常生長(zhǎng)的植物十分重要。目前，與草本植物相比，在長(zhǎng)期淹水中能夠存活的木本植物相對(duì)較少，尤其是完全淹沒(méi)的品種[4-5]。水樺（Betula nigraL.），屬樺木科（Betulaceae）落葉喬木，樹(shù)高18～25 m，具有抗病蟲(chóng)、抗寒、耐水淹、抗污染等特性[6]。三峽庫(kù)區(qū)良木水樺（良種編號(hào)：渝R-ETS-BN-007-013）為重慶市林業(yè)科學(xué)研究院引自美國(guó)的樹(shù)種[7]，研究表明，消落帶中高程170 m 處生長(zhǎng)的水樺光合作用略強(qiáng)于高程175 m處，說(shuō)明水樺可通過(guò)增強(qiáng)生長(zhǎng)期的光合能力一定程度上補(bǔ)償冬季蓄水對(duì)生長(zhǎng)的負(fù)面影響，是三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被恢復(fù)重建的適生樹(shù)種[7]。當(dāng)前，萬(wàn)州區(qū)消落帶示范區(qū)水樺定植后已有5 a，以時(shí)間為軸的形態(tài)與生理生化指標(biāo)變化等未見(jiàn)報(bào)道。本研究以三峽庫(kù)區(qū)消落帶溪口鄉(xiāng)栽培的水樺為研究對(duì)象，調(diào)查水樺在經(jīng)歷周期性水淹后的生理指標(biāo)的變化及解剖結(jié)構(gòu)的恢復(fù)動(dòng)態(tài)，為水樺的擴(kuò)大栽培與品種選育提供理論依據(jù)。

圖1 消落帶水樺采樣時(shí)間和地點(diǎn)Fig.1 Sampling time and place of Betula nigra

1 采樣地概況

本試驗(yàn)取樣點(diǎn)位于重慶市萬(wàn)州區(qū)溪口鄉(xiāng)玉竹村（30°35′41.7″ N，108°19′39.4″ E）消落帶內(nèi)。萬(wàn)州區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)帶，該區(qū)年平均溫度17.7℃，最高溫度41℃，最低溫度?3.7℃。2014年，確定三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州溪口鄉(xiāng)玉竹村1 社善溪溝長(zhǎng)江消落帶建立水樺植被恢復(fù)示范片，栽植面積13 340 m2，以3 年生種子繁殖苗（株高1.5 m 左右）為定植苗。栽植在高度為170～175 m 的消落帶區(qū)域，原地塊為農(nóng)田區(qū)域。該區(qū)域?yàn)榈湫烷L(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)干流消落區(qū)，植被恢復(fù)針對(duì)性強(qiáng)，立地條件較好，適宜濕地喬木生長(zhǎng)，景觀及示范性較強(qiáng)[7]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2014 年5 月至2018 年5 月，由重慶任甲生物科技有限公司牽頭，每年在萬(wàn)州溪口鄉(xiāng)玉竹村消落帶示范基地172 m 高程區(qū)栽植株高為1.5 ± 0.2 m 的3 年生種子繁殖的水樺苗150 余株，共計(jì)近800 株。本高程萬(wàn)州段每年從10 月15 日左右開(kāi)始蓄水，次年1 月15 日左右退水，分別經(jīng)歷過(guò)1～5 次周期性水淹。本次試驗(yàn)于2019 年4 月15 日取樣，即為水淹90 ± 5 d、出水90 ± 5 d 的處理?xiàng)l件，其中，定植后2 a 以內(nèi)的水樺植株株高沒(méi)有超過(guò)3 m，在175 m 的水位線下，為全淹沒(méi)。定植后3 a 的水樺植株株高超過(guò)了3 m，175 m 的水位線沒(méi)有完全淹沒(méi)，為半淹沒(méi)，即植株高于3 m 的上部枝條一直在水面以上。分別在該高程水樺栽植區(qū)隔5 株取1 株，每輪淹水取5 株，共取25 株，測(cè)量生長(zhǎng)指標(biāo)，并分別采集最上部枝條頂端第1～3 片葉和當(dāng)年生須根備用，同時(shí)以高程175 m以上沒(méi)有水淹的露地同齡水樺栽植后1～5 a 的植株的相同部位作為對(duì)照。

2.2 測(cè)定指標(biāo)

2.2.1 形態(tài)指標(biāo) 采用直尺和卷尺測(cè)定水樺根莖部直徑、株高，須根數(shù)為人工數(shù)第1 層主根上的數(shù)目，每個(gè)樹(shù)齡測(cè)量5 株，取平均值。

2.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定 葉綠素含量參照Grace 等[8]的方法測(cè)定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法[9]測(cè)定；超氧化物歧化酶（SOD）活性使用南京建成生物工程研究中心的黃嘌呤氧化酶法試劑盒測(cè)定。

2.3 根系切片

參照李和平[10]的方法，制作水樺葉片橫切面石蠟切片。沖洗干凈樣品后，濾紙吸干表面水分，以福爾馬林-乙酸-乙醇固定液固定。采用LERCA（GERMANY）全自動(dòng)切片機(jī)制作高精度切片，番紅染色，使用生物光學(xué)顯微鏡觀察石蠟切片中根系解剖結(jié)構(gòu)。本部分委托河南風(fēng)樺教學(xué)儀器有限公司完成。后在重慶三峽學(xué)院OlympusBX51 光學(xué)顯微鏡上拍照。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel2010 及SPSS19.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA），并用Tukey 多重比較檢驗(yàn)各指標(biāo)的差異顯著性，顯著水平為0.05 和0.01。

3 結(jié)果與分析

3.1 形態(tài)指標(biāo)

與對(duì)照組相比，在消落區(qū)栽植并經(jīng)歷水淹，對(duì)水樺株高有較大影響，水淹1 次后株高有近70 cm的停滯生長(zhǎng)，水淹2 次后株高與對(duì)照仍有差異，水淹3 次后，株高與對(duì)照沒(méi)有差異，水淹5 次后，株高比對(duì)照增加，并且差異顯著。從胸徑看，水淹1 次后與對(duì)照差異不顯著，水淹2 次和3 次后的水樺，胸徑與對(duì)照均差異顯著，水淹4 次以后與對(duì)照差異不顯著。總體可見(jiàn)，水樺在消落區(qū)定植后第1 年株高受抑制，第2 年和第3 年胸徑受抑制，經(jīng)過(guò)3 a 的適應(yīng)后，植株頂端不再被完全淹沒(méi)，生長(zhǎng)基本不再受影響，并且在第5 年開(kāi)始有了較強(qiáng)的生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng) (表1、圖2)。

表1 消落帶水樺周期性水淹后的形態(tài)指標(biāo)的變化Table 1 Changes of morphological indexes of Betula nigra after periodic flooding in the depression zone

3.2 生理生化指標(biāo)

3.2.1 含水量及葉綠素 圖3A 表明：隨樹(shù)齡增加水樺葉片中的含水量逐步降低，水淹1 次后的植株葉片含水量相比對(duì)照有顯著升高，水淹2 次后與對(duì)照葉片含水量顯著不差異。水樺葉片葉綠素含量變化主要在第1 次水淹后，葉綠素a 含量（圖3B）、總?cè)~綠素（圖3C）和葉綠素a/b（圖3D）與對(duì)照相比均呈顯著下降趨勢(shì)。水淹2 次后植株的這4 個(gè)指標(biāo)與對(duì)照相比再無(wú)差異；水淹3 次后，水淹和對(duì)照植株葉片的葉綠素a 含量、總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b 均顯著高于1～2 次水淹。說(shuō)明隨著水淹次數(shù)的增加，水樺的適應(yīng)性逐步建立，退水后刺激植物加速生長(zhǎng)，葉綠素含量相應(yīng)的增多，進(jìn)而增加了水樺葉片的光合強(qiáng)度，生長(zhǎng)能力也逐步恢復(fù)。

3.2.2 生理生化指標(biāo) 圖4A 表明：水樺葉片中可溶性蛋白含量比根中高，水淹1 次和2 次后的水樺葉片中可溶性蛋白含量都比對(duì)照高，水淹3 次后與對(duì)照組不再有差異；根系中的可溶性蛋白質(zhì)含量前3 次水淹后均高于對(duì)照，水淹4 次后，與對(duì)照差異不顯著。圖4B 表明：與對(duì)照組相比，水淹1 次和2 次后葉片和根系中的丙二醛含量顯著增加，水淹3 次后差異不顯著。圖4C 表明：第1 次水淹后葉片中的SOD 活性顯著高于對(duì)照，2 次水淹后與對(duì)照差異不顯著；根系中的SOD 活性在2 次水淹后顯著高于對(duì)照，水淹3 次后，與對(duì)照差異不顯著。水樺在水分脅迫時(shí)積累較多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶等來(lái)積極應(yīng)對(duì)水分逆境，經(jīng)過(guò)周期性水淹后的積累量和代謝速度都有差異，經(jīng)歷1～2 次水淹后，在恢復(fù)過(guò)程中這類(lèi)物質(zhì)消除比較慢，在出水后的葉片和根系中都能檢測(cè)到，相對(duì)來(lái)說(shuō)，根系的脅迫敏感和持久性比葉片更明顯，3 次水淹后水樺的幾項(xiàng)生理指標(biāo)基本上與對(duì)照沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明耐水淹的適應(yīng)機(jī)制基本建立，這估計(jì)與第3 次以后的水淹只是半淹的條件有關(guān)。

3.3 葉片結(jié)構(gòu)變化

水樺為典型的兩面葉植物，葉片有明顯的上表面和下表面之分，有表皮細(xì)胞，柵欄組織2 層，海綿組織多層，其中，分布有維管束(圖5)。周期性水淹次數(shù)對(duì)水樺葉形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)均有顯著的影響，水分脅迫改變了水樺葉片的組織結(jié)構(gòu)及比例，水淹1～2 次后，葉片上表皮（EP）均比未水淹厚，柵欄組織（PT）發(fā)達(dá)，排列緊密；3 次水淹后的植株葉片與對(duì)照沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)差異，特別是經(jīng)歷4 次水淹后，植物葉片氣孔窩密度增加，葉片海綿細(xì)胞間隙增大，與對(duì)照沒(méi)有差異。

圖2 消落帶水樺周期性水淹后的生長(zhǎng)形態(tài)Fig.2 Growth state of B.nigra after periodic flooding in the fallow zone

圖3 消落帶水樺周期性水淹后的含水量和葉綠素含量變化Fig.3 Changes of water content and chlorophyll content of Betula nigra after periodic flooding in the ebb zone

圖4 消落帶水樺周期性水淹后的生理指標(biāo)的變化Fig.4 Changes of physiological index of Betula nigra after periodic flooding in the ebb zone

圖6 表明：水淹2 次后，維管束中間導(dǎo)管（CA）細(xì)胞變大，細(xì)胞松散，水淹4 次后，木質(zhì)部與韌皮部之間出現(xiàn)了一些較大空隙的溶生型組織，能夠更好的適應(yīng)呼吸和代謝。

4 討論

4.1 水樺應(yīng)對(duì)周期性水淹的生長(zhǎng)響應(yīng)

3 年生水樺苗在消落區(qū)栽植后，逐步對(duì)水淹環(huán)境產(chǎn)生了適應(yīng)性，并且由于退水后土壤和樹(shù)體還保存有大量水分，進(jìn)入伏旱能極快速地加快生長(zhǎng)，產(chǎn)生了較明顯的補(bǔ)償效應(yīng)。同樣的補(bǔ)償效應(yīng)在長(zhǎng)期淹水的河竹中也報(bào)道過(guò)，通過(guò)鞭根系統(tǒng)的生物量合理分配和異速生長(zhǎng)調(diào)節(jié)河竹能逐步適應(yīng)淹水環(huán)境[11]。周期性淹水對(duì)植物是一種生物鐘的節(jié)律調(diào)節(jié)生長(zhǎng)，Burkett 等[12]研究表明，密西西比州亞祖河消落帶間歇性水淹地段的納櫟幼苗存活率明顯高于長(zhǎng)期性水淹地段。

圖5 消落帶水樺周期性水淹后的葉片橫切面結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Changes of cross section structure of Betula nigra leaves in the ebb zone after periodic flooding

圖6 消落帶水樺周期性水淹后的葉片橫切面維管束的結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of vascular bundle in the cross section of Betula nigra leaves after periodic flooding

4.2 水樺應(yīng)對(duì)周期性水淹的生理響應(yīng)

陰生植物葉綠素a/b 值普遍較小[13]。第1 次水淹后水樺葉片的總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b 顯著下降,說(shuō)明水淹環(huán)境形成了類(lèi)似一種陰生植物生存的條件，在退水后新發(fā)葉片色素代謝的影響還沒(méi)消退；水淹3 次后葉綠素合成已經(jīng)不再受之前水淹脅迫的影響，與第3 次水淹為半淹狀態(tài)和植物的適應(yīng)性形成有關(guān)系。植物在逆境中通過(guò)改變光合產(chǎn)物的分配比例等方式來(lái)維持糖分供應(yīng)和調(diào)節(jié)碳代謝，從而避免有毒物質(zhì)的形成，還可通過(guò)改變體內(nèi)SOD、CAT、POD 水平等以保持盡量低的能量?jī)?chǔ)備，降低代謝速率[14]。通過(guò)水樺水淹脅迫后幾項(xiàng)生理指標(biāo)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，葉片中可溶性蛋白含量、SOD 在水淹2 次后就與對(duì)照沒(méi)有差別，而同期的根系是在水淹3 次后與對(duì)照沒(méi)有差別。這亦佐證了根系是水淹脅迫下植株受傷最早、最敏感、持續(xù)最久的部位[15]。

4.3 水樺應(yīng)對(duì)周期性水淹的葉片結(jié)構(gòu)響應(yīng)

葉表皮角質(zhì)膜厚度、氣孔導(dǎo)度調(diào)節(jié)能力等是影響水分蒸騰和輸導(dǎo)、氣體交換的主要結(jié)構(gòu)指標(biāo)，能夠反映植物對(duì)環(huán)境水分和濕度條件的適應(yīng)狀況[16]。水分脅迫改變了水樺葉片的組織結(jié)構(gòu)及比例，水淹前2 次后，植株葉片上表皮部分增厚，柵欄組織發(fā)達(dá)，排列緊密。經(jīng)歷4 次水淹后，葉片海綿細(xì)胞間隙增大，形成較大的氣孔窩。氣孔下陷形成氣孔窩或其上有突出的角質(zhì)膜可能是由于水分脅迫對(duì)葉面積擴(kuò)展的限制而形成[17]。水淹4 次后水樺葉片的木質(zhì)部與韌皮部之間出現(xiàn)了一些較大空隙的溶生型組織是水樺適應(yīng)水淹環(huán)境而增加的通氣途徑。通氣組織的形成是植物耐澇的重要機(jī)制[18],肥大皮孔和溶生性通氣組織形成的主要原因是漬水植物莖中乙烯的增加引起的纖維素酶活力增加[19]。植物應(yīng)答澇漬脅迫依次通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)誘導(dǎo)合成、代謝適應(yīng)和形態(tài)適應(yīng)(比如形成通氣組織、不定根等)等過(guò)程來(lái)完成[20]。葉片和根系中穩(wěn)定的細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，有助于抗洪，在低氧脅迫下，根系比葉片遭受更嚴(yán)重的解剖和超微結(jié)構(gòu)損傷，下一步將深入研究根系解剖結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

萬(wàn)州區(qū)消落帶172 m 高程栽植的水樺在間歇性半水淹的條件下產(chǎn)生了較明顯的補(bǔ)償效應(yīng)，說(shuō)明水淹植物出水后產(chǎn)生了較高的激發(fā)能力，植物在“逃離”水環(huán)境后試圖加速生長(zhǎng)來(lái)彌補(bǔ)之前的損失。在水分脅迫下，水樺通過(guò)生理和結(jié)構(gòu)上的調(diào)整來(lái)適應(yīng)逆境，在萬(wàn)州消落帶172 m 及以上高程栽培的水樺已經(jīng)具備了較好的適應(yīng)能力，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為水樺在消落區(qū)更低高程、淹水期更長(zhǎng)的環(huán)境下生存的可能性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近兩年，項(xiàng)目組已經(jīng)在160 m高程栽植水樺并且成活率達(dá)到了60%，2020 年在高程152 m 又定植3 年生水樺苗200 多株繼續(xù)接受水淹，后期將繼續(xù)報(bào)道新高程下的水樺水淹耐受特征。