駱駝刺葉片和根系主要功能性狀對水分脅迫的適應

徐夢琦，高艷菊，張志浩，曾凡江

（1.中國科學院新疆生態與地理研究所新疆荒漠植物根系生態與植被修復重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，新疆策勒 848300；4.中國科學院大學，北京 100049）

水分是影響植物生長與生產力的重要因素之一[1]，尤其是在干旱和半干旱區?；哪鷳B系統是典型的以水分為主要限制因素的生態系統，因此與其他植物相比，荒漠植物對水分變化更為敏感。作為對環境變化的反饋，植物能夠通過調節自身的某些性狀來適應環境變化，包括形態、生理、物候等，這些性狀的存在程度或大小既能反映植物所處生態系統的功能特征，亦能反映植物對環境的適應情況，因此被稱為植物功能性狀[2-4]。葉片和根系是植物獲取地上和地下資源的重要器官，具有較強的可塑性，其結構和生理等方面的變化能直觀反映植物對環境的適應策略。因此研究葉與根對環境變化的響應具有重要意義，可提高對生態系統氣候變化的預測性[5]。葉片是植物進行光合、呼吸等過程的主要器官。干旱脅迫下，植物通過增加葉厚度、減小比葉面積、提高水分利用效率等途徑適應缺水條件[6]。根系作為植物體吸收土壤水分和養分最主要的器官，其功能性狀的變化能夠直接決定植物獲取資源的能力，能夠通過調節比根長、根氮含量、根直徑等適應水分變化[7]。植物不同功能性狀間存在內在聯系，如葉片性狀間、根性狀間、葉和根性狀間都具有緊密聯系，協同應對環境的變化。目前對植物功能性狀的研究更多的關注于性狀間的關聯關系，尤以權衡關系的研究最多[8-9]。相關研究發現，地上和地下性狀主要是協同變化而權衡作用較小[10-11]。因此，植物的適應策略通常體現在地上與地下過程的共同變化，對植物葉片、根系功能性狀及關聯關系的研究有助于更深入地了解植物適應策略與環境變化的關系。盡管對于植物功能性狀方面的研究十分廣泛，但是現階段的關于植物形態與功能譜的研究多偏向于植物葉片，鮮有涉及根的內容，同時也有研究者發現[12-13]，目前對于根系功能性狀的研究還存在許多空白，尤其荒漠植物[2-3]。

豆科植物駱駝刺(Alhagi sparsifolia)是典型的荒漠深根草本植物，在新疆的分布面積達1.73×106hm2，是塔克拉瑪干沙漠南緣地區的主要建群物種[14]。駱駝刺具有防風固沙、維護綠洲生態安全等重要作用[15]，也是該區域重要的牧草資源。塔克拉瑪干沙漠南緣地區屬于極端干旱區，該區域土壤條件貧瘠，年降水量小，風沙大，土壤持水能力差，受土壤水分條件的限制。為探究駱駝刺對水分變化的響應策略，設置4個水分梯度，模擬從濕潤到干旱的4種條件，選擇葉、莖、刺、地上、地下生物量以及根冠比6種生物量指標；葉面積、比葉面積、葉干物質含量、葉組織密度、根長、根體積、比根長、根組織密度8種葉和根的形態性狀；以及C、N、P和K 養分含量，探究功能性狀間的關聯關系以及不同器官間養分含量的分配比重，揭示駱駝刺對水分變化的適應策略，為塔克拉瑪干沙漠南緣地區荒漠植物的恢復和生態保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概括

試驗在中國科學院策勒國家站進行，地處塔克拉瑪干沙漠南緣的策勒綠洲–沙漠過渡帶(80°03′–82°10′E,35°17′–39°30′N)，平均海拔1 360 m。該地區屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均降水量僅35.1 mm，主要為夏季降雨；年均氣溫11.9℃，地區極端最高氣溫41.9℃，蒸發量高達2 600 mm[16]。該地區降水少，風沙大，土壤以風沙土為主，土壤表層含水量較低，持水力差，養分貧瘠，受此影響該區域的植被覆蓋率低，主要以多年生駱駝刺、花花柴(Karelinia caspica)、多枝檉柳(Tamarix ramosissima)和胡楊(Populus euphratica)等耐旱耐鹽堿的深根或河岸植物為主，其中駱駝刺是該區域的優勢植物。

1.2 試驗設計

以人工繁育的生長兩年的駱駝刺幼苗為試驗材料，于2019年4月在策勒國家站試驗場進行盆栽播種。盆栽土壤取自策勒綠洲外圍荒漠區0–30 cm土層。土壤pH為7.79，有機碳含量為2.99 g·kg?1，全氮、磷和鉀的含量分別為0.23、0.60和3.11 g·kg?1，過10 mm 篩后裝填至90 L聚乙烯塑料桶(底面直徑×口徑×高度=40 cm×50 cm×62 cm)。對桶內土壤澆水至最大田間持水量(約18%)。挑選飽滿無明顯損傷的駱駝刺種子若干，用25℃的清水浸泡12 h后播種。播種深度為3～5 cm，每桶播種9粒種子。

播種一周后出苗，待出苗穩定后，剔除長勢差的苗子，每盆保留1株。播種后的前30 d，所有植株保持相同的水分處理：每間隔2 d 稱重澆水至田間持水量的75%。隨后(2020年5月)開始進行不同梯度的水分處理。共設置4個水平的水分：重度干旱脅迫(W1)：田間持水量的30%；中度干旱脅迫(W2)：田間持水量的40%；輕度干旱脅迫(W3)：田間持水量的55%；對照(CK)：田間持水量的75%；每個處理15個重復，共60桶。每隔2 d 澆水一次，澆水時間固定為19：00，水分處理于10月初結束后進行采樣。

1.3 樣品采集與測定

2020年10月2日開始采樣。每個處理隨機選取6株并標記，并對每株駱駝刺的葉片和根系進行采集。

1.3.1 葉片功能性狀的測定

每株駱駝刺挑選不同方向的10片健康的葉片裝入自封袋后放入冰盒冷藏保存，帶回實驗室后用精度為0.01 g 的天平測定葉鮮重。再將這10片葉疊加用電子游標卡尺(精度為0.01 mm)測量葉片厚度，取其平均值，測量時避開主脈位置。用掃描儀(Canon)掃描葉片后，利用Image J 分析軟件計算葉面積，掃描后烘干稱重獲得相應葉片干重。比葉面積(cm2·mg?1)=葉面積 / 葉片干重；葉干物質含量(g·kg?1)=葉干重/ 葉鮮重；葉片組織密度(g·cm?3)=葉片干重/(葉面積×葉片厚度)[17]。

駱駝刺地上部分按照刺、莖和葉等器官分離裝入信封后帶回實驗室，放入60℃烘箱烘至恒重后用電子天平(精度0.01 g)稱重，計算各器官和地上部分總的生物量。烘干后的樣品分別用研磨儀粉碎，過0.3 mm 篩，用于測定全碳、氮、磷和鉀含量。用元素分析儀(VARIO MACRO cube，日本島津)測定全碳和全氮含量；全磷含量用濃硫酸雙氧水–鉬銻抗比色法測定；全鉀采用濃硫酸雙氧水–火焰光度計法測定。

1.3.2 根功能性狀的測定

用挖掘法挖出完整根系，除去附著在根系上的沙土后帶回實驗室，先用鋼卷尺測定主根長；再用數字化掃描儀掃描根系，用根系分析系統(WinRhizo；Régent Instruments Inc.，Quebec，Canada)分析獲得總根體積、根平均直徑[18]。將掃描后的根系裝進信封放入60℃烘箱烘至恒重，用精度為0.01 g 的電子天平稱重獲得地下生物量。比根長(cm·g?1)=根長/根干重；根組織密度(g·cm?3)= 根干重/根體積；根冠比=地下部分干重/地上部分干重。將烘干的根系用研磨儀粉碎后過0.3 mm 篩，用于測定根系全碳、氮、磷、鉀含量。

1.4 數據處理

用SPSS16.0進行數據分析，用單因素方差分析(one-way ANOVA)對4種處理下駱駝刺幼苗的生物量累積、葉片性狀、根系性狀以及養分含量分配進行方差分析(95%置信區間)，用平均值和標準誤表示測定結果，若方差齊性檢驗為齊性多重比較用LSD法，若不齊用Dunnet’s T3；用GraphPad Prism 8.0.1 制圖；用Person 相關系數分析地上地下各性狀間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理下葉片的功能性狀

水分變化對駱駝刺幼苗葉片功能性狀的影響較為明顯(圖1)。CK 處理下的葉面積顯著大于其余3 個處理的葉面積(P<0.05)，W1處理的葉面積最小。比葉面積則與葉面積呈相反趨勢，W1處理下的比葉面積最大，并與W3存在顯著差異，W2、W3和CK 之間的差異較小。葉干物質含量在W2處理下最大，其他處理之間的差異不明顯。葉組織密度隨著水分的減少呈現先增高后降低的趨勢，W2處理顯著高于其他處理。可以看出，駱駝刺幼苗主要通過調節葉面積和比葉面積來響應土壤水分的變化，而葉干物質含量和葉組織密度均在W2處理下值最大，說明W2的水分條件較為適宜駱駝刺幼苗生長。

圖1 不同水分處理對駱駝刺葉片功能性狀的影響Figure 1 Effect of different water treatments on the leaf functional traits of Alhagi sparsifplia seedlings

2.2 根形態性狀的變化特征

駱駝刺幼苗的根長、根體積和比根長均受到水分變化的顯著影響(圖2)。根長在51.4～235.2 cm 變化，表現為W3>CK >W1> W2，W3與其他處理間存在顯著差異(P<0.05)。根體積在5～94 cm3變化，水分的降低明顯減少了駱駝刺幼苗根系的體積(P<0.05)。比根長和根體積的變化呈相反趨勢，隨著水分的減少比根長逐漸增大，W1處理下的比根長顯著大于其他處理(P<0.05)，其余3個處理間比根長無顯著差異。處理間根組織密度W1顯著低于W2和CK (P<0.05)，說明在極度干旱的條件下駱駝刺會降低根組織密度來形成適應策略。雖然駱駝刺幼苗的4種根系形態性狀對于水分的變化都產生了相應的適應特征，但根體積和比根長最為敏感。

圖2 不同水分處理對駱駝刺幼苗的根功能性狀的影響Figure 2 Effect of different water treatments on the root functional traits of Aihagi sparsifplia seedlings

2.3 葉和根功能性狀的關聯關系

Person 相關性分析(表1)表明，駱駝刺葉片性狀間、根系性狀間以及葉片和根系的性狀間都存在一定的相關性。葉面積與比葉面積極顯著負相關(P<0.01)；葉干物質含量與葉組織密度極顯著正相關。根長和根體積顯著正相關(P<0.05)；比根長與根體積、根組織密度均極顯著負相關。葉與根性狀之間的關系較為緊密，主要集中在葉面積、比葉面積與根系各性狀間。葉面積與根長和根體積分別顯著和極顯著正相關，而與比根長極顯著負相關；比葉面積與比根長極顯著正相關，而與根長、根體積和根組織密度極顯著和顯著負相關。這些性狀間的關聯關系說明駱駝刺幼苗能夠通過調節性狀間的平衡使自身形成適應性。

表1 駱駝刺幼苗葉和根功能性狀間的相關關系Table 1 Correlation among leaves and roots functional traits of Aihagi sparsifolia seedlings

2.4 不同水分處理下駱駝刺地上與地下部分生物量累積

不同水分處理顯著影響了駱駝刺幼苗的生物量累積(表2)，駱駝刺幼苗的莖、葉、刺以及地上地下生物量均隨著灌溉量的減少而降低。W1的駱駝刺幼苗葉、莖、刺生物量與CK 相比，分別降低了90.27%、92.36%、88.88%；W2較CK 相比分別降低了69.91%、67.36%、69.36%；W3較CK 分別降低了43.84%、25.58%、19.23%。W1、W2、W3與CK 的葉和地 上的生物量 差 異 顯著(P< 0.05)；W1、W2與W3、CK 間的莖生物量存在顯著差異(P<0.05)，說明水分的減少限制了駱駝刺生物量的累積。與CK 相比，W1和W2處理對駱駝刺幼苗地上、地下生物量的累積有抑制作用，但二者間差異不明顯；其中，W1的地上和地下生物量最小，分別比CK 減少了90.92%、91.84%，W2分 別 減 少了68.71%、69.93%；W3與CK 的差異較小。上述結果說明，相比地上生物量，各水分條件下地下生物量的變化更大。水分脅迫對駱駝刺幼苗的葉、莖、刺的生物量以及地上地下生物量的影響都較為明顯，但根冠比在各水分處理間無顯著差異(P>0.05)，其變化范圍在2.06～2.82，大小順序表現為W3> W2> W1> CK。

表2 不同水分處理對駱駝刺幼苗地上地下生物量的影響Table 2 Effects of different water treatmentson the aboveground and underground biomassof Aihagi sparsifplia seedlings

2.5 不同水分處理下駱駝刺地上與地下部分化學組成特征

不同水分條件下地上與地下部分各器官間C、N、P、K 的含量存在明顯差異(圖3)，隨著水分的減少，駱駝刺將吸收的4種養分更多的集中在根中，地上部分分配較少。對比發現，4種養分在各器官間大多是根> 葉> 莖> 刺的分配規律。4種養分基本上在CK 處理下顯著最高(P<0.05)，說明充足的水分有助于促進植物從土壤中吸收養分。葉片的C含量、刺中的C、N、P含量以及莖中的4種養分含量都隨著水分的減少而降低，而根中的4種養分含量則呈現出先降低后增高的趨勢，表現為CK > W3>W1>W2，在W2處理下表現出最低；葉的N、P、K 含量以及刺的K 含量也呈現出這種變化趨勢。對地上與地下部分養分含量相關分析(圖4)表明，地上與地下部分的養分含量都存在極顯著的相關性。

圖3 不同水分處理下駱駝刺幼苗地上與地下部分化學組成變化特征Figure3 Variation in chemical composition of aboveground and underground parts of Aihagi sparsifolia seedlingsunder different water treatments

圖4 不同水分處理下駱駝刺幼苗地上部分與地下部分養分含量相關性Figure4 Correlation of nutrient contentsin the aboveground and underground partsof Aihagi sparsifolia seedlingsunder different water treatments

3 討論

3.1 水分變化對葉和根形態性狀的影響

葉是植物與大氣環境水氣交換和能量交換的主要器官[18-19]，同時也是植物適應特定環境的重要指示指標[20]。本研究發現，駱駝刺幼苗的葉片性狀對水分變化的響應不同，其中葉面積和比葉面積的響應最為顯著，主要表現為，隨著水分的減少駱駝刺幼苗總葉面積逐漸減小，比葉面積逐漸增大。說明隨著水分梯度的變化，駱駝刺幼苗主要通過減小葉面積、提高比葉面積來減少水分的損失，從而提高抗旱能力。同時，葉氮含量隨著水分的減少呈現先減小后增加的趨勢。較高的葉氮含量和比葉面積能夠提高植物的耐旱性和資源獲取能力[19-21]，因此在極端干旱的條件下駱駝刺幼苗的變化特征說明了駱駝刺幼苗本身已通過調節葉氮含量和比葉面積來形成相應的策略。同時，研究發現駱駝刺幼苗的葉干物質含量和葉組織密度都在W2梯度下達到最大值，這一現象可能是由于不同植物對干旱環境的適應都能夠采取多種不同的機制，駱駝刺是旱生植物，極端干旱會限制植物生長發育，同樣土壤水分超過一定閾值后也會影響植物生長。鑒于研究區的水資源環境，結合葉片各指標的變化特征，可以猜測4種水分梯度下，W2和W3梯度應較為適宜駱駝刺幼苗的生長。

根系是植物吸收水分和養分最主要的器官，其性狀特征對植物的生長和分布具有重要的指示作用[22-24]。本研究發現，水分變化對比根長和根體積的影響最為顯著。隨著水分的減少，根體積和比根長分別呈現降低和增加的趨勢，這與前人的研究結果相似，在干旱條件下駱駝刺主要表現為比根長增加而根體積降低[16]。而根組織密度在W2處理下值最大，該結果與葉干物質含量、葉組織密度的結果一致。根組織密度的降低能夠加快植物生長周轉，使駱駝刺減少水分及養分的流失，從而提高水分和養分的利用效率，增強防御力，因此干旱和濕潤的環境都會使駱駝刺幼苗通過限制根組織密度的增長來形成適應性?？傮w來看，駱駝刺幼苗主要是依靠比根長和根體積的變化來形成適應水分變化的，具體來說，是通過降低根組織密度和體積，提高比根長以減緩干旱脅迫。

植物的功能性狀并非相互獨立，而是通過協同作用或相互權衡促進植物生長。研究發現，駱駝刺幼苗葉面積與比葉面積極顯著負相關，而葉干物質含量與葉組織密度極顯著正相關。由于葉干物質含量與比葉面積之間存在負相關關系[25-26]，許多研究認為結合葉干物質含量與比葉面積有助于更好地預測植物適應策略[27]，但不同生態系統中的植物適應策略不一定相同?；哪参锿ㄟ^增加葉片厚度，降低比葉面積小適應水分脅迫[28]。水分不足的會導致葉體積變小，干重減小，從而致使葉組織密度增大[29]，說明葉片的形態性狀間存在一定的平衡，能夠共同協調適應水分的變化。有研究認為，植物通過葉氮含量、比葉面積和葉組織密度三者的共同作用形成水分的維持策略[30]，在本研究結果中也存在這種適應策略。比根長是決定植物吸收養分、水分能力的重要指標；組織密度高的根系使植物根系有較大的伸展力[30]，從而獲得較高的吸收水分、養分能力[31]；并且有相關研究發現比根長和根組織密度負相關[27,32]。本研究表明，駱駝刺幼苗的比根長與根體積、根組織密度間顯著負相關，與前人研究結果一致。Liu 等[33]在內蒙古草原環境梯度帶上的研究表明地上、地下器官權衡變異較小，而更多的是協同變化。本研究發現，駱駝刺幼苗地上與地下部分的關系主要集中在葉面積、比葉面積與根系性狀之間，葉面積與比根長極顯著負相關，與根長、根體積顯著和極顯著正相關；比葉面積與根長、根體積、根組織密度極顯著和顯著負相關，與比根長正相關。這也進一步說明駱駝刺地上與地下性狀間存在一定的協同性，能夠通過對水分的利用以及光合產物的交換和調節，達到平衡。與葉片間性狀相關性、根系性狀間相關性相比，駱駝刺幼苗更多的是通過調節地上與地下性狀間的平衡來適應水分脅迫。

3.2 水分變化對生物量累積的影響

荒漠植物對于水分的變化十分敏感，其生長發育對土壤水分有較大的依賴性，植物生長特征的變化能夠直觀的表現出對水分變化的適應性。水分的變化能夠影響植物生物量的分配[34]。在本研究中發現，駱駝刺幼苗的葉、莖、刺、地上、地下生物量均在水分CK 條件下達到最大值，各部分生物量的累積均呈現隨著水分的減少而減小的趨勢(表2)。在適宜的生長條件下植物根冠比通常較大，而干旱脅迫能夠降低植物生物量，通過植株變小、減緩生長速率等生長策略來適應干旱條件[35]。本研究中根冠比在CK 條件下值最小，在W3處理下值最大，說明就駱駝刺而言，土壤水分超過一定閾值后反而會降低其根冠比，不利于其生長。這可能是因為駱駝刺是深根植物，在干旱缺水的自然條件下主要靠根系尋找地下水來補給自身生長，而水分充足時雖然能夠滿足地上部分的生長需要，但會限制根系伸長生長，導致地上部分生長旺盛，使根冠比減小。土壤水分與地上、地下生物量的累積間存在明顯的交互作用，地上與地下的生物量間也存在關聯關系。相對于CK，隨著水分的減少，地上與地下的生物量之間，地下生物量減少比例大于地上生物量，這也說明干旱條件對地下部分生物量的積累影響更大。根系作為獲取土壤水分和養分最主要的部分，植物根系越發達則植物的適應性越強，生物量累積越多。干旱條件下駱駝刺幼苗通過更多的減少地下生物量累積形成適應策略，以達到地上與地下部之間的權衡。

3.3 水分變化對葉和根化學元素含量的影響

C、N、P和K 元素在植物各器官中的含量變化及其比值控制著植物的營養和生長狀況，是其對外界環境適應性的重要表征[36]。植物體內的C是連接外界無機環境與有機體的最重要環節，是一切有機體的基本骨架，與植物的光合、呼吸過程密切相關。N 和P是植物的基本營養元素，也是各種蛋白質和遺傳物質的重要組成元素和調節物質[37-38]。K 是植物生長發育所必需的營養元素，在植物體內常以離子狀態存在，含量僅次于氮，流動性強，在植物體內能被反復利用，被稱為植物的血液元素。本研究結果發現，4種水分處理條件下的C、N、P和K 養分含量在各器官分布呈現一致的規律性，含量分布順序表現為根> 葉>莖> 刺，且4 種養分均在CK 處理下顯著最高，說明充足的水分能夠促進植物各器官對養分的吸收能力；根中的4種養分含量呈現出先降低后增高的趨勢，順序表現為CK>W3>W1>W2，同時葉片中的C含量、刺中的C、N、P含量以及莖中的4種養分含量都隨水分的減少而降低，說明土壤含水量高有利于植物根系的存活[22]，促進根系吸取土壤中的水分和養分，土壤中的養分與水結合更易被植物吸收，并在植物體內經過運輸到達各器官；而較低的水分條件也會影響根系的存活，水分脅迫破壞了土壤中水肥平衡，土壤水勢低，使養分較難被根系吸收[39]，不僅使根系吸收水分和養分的能力降低，各器官養分含量減少，也進一步加劇了水分脅迫。與本研究的結果不同，尹輝等[36]基于自然生長的多年生駱駝刺的化學計量學研究發現，C含量在駱駝刺葉、莖和刺中的分配沒有顯著規律；N 含量在葉片最高，莖中最低；P含量在不同生境下，分配趨勢不同。生長速率理論認為，在植株快速生長部位具有較高的P含量[40]。因此推測4種水分處理下，CK 處理下的駱駝刺光合作用能力最強，且水分充足的條件能夠促進駱駝刺幼苗的養分吸收。有相關研究表明，葉片含氮量、葉綠素含量、Rubisco含量分別與光合速率正相關[41]，葉片作為植物最主要的光合作用器官，與養分的運輸與光合作用也存在密切關聯，因此在地上部分的器官中養分占比較高；而在整株植物器官中，根系作為吸收養分和水分的主要器官，養分含量占比最大。本研究也發現，4種水分處理下地上與地下部分的C、N、P、K 含量都極顯著正相關，說明駱駝刺地上和地下器官對養分的吸收具有強烈的關聯性。

4 結論

不同水分處理對駱駝刺幼苗的生長、葉和根的功能性狀以及養分在器官間的分配都產生了明顯的影響，每部分的變化既獨立又相關。駱駝刺地上與地下生物量均受到水分的強烈限制，主要通過減小各部分生物量來適應干旱環境，尤其地下生物量減少量最大。對于葉和根的功能性狀而言，駱駝刺主要通過減小葉面積、根體積，增大比葉面積、葉組織密度和比根長來適應水分虧缺。另一方面，地上和地下器官功能性狀間也存在一定的相關性，主要表現為，葉面積與根長、根體積分別顯著和極顯著正相關，與比根長極顯著負相關；比葉面積與根長、根體積和根組織密度分別極顯著和顯著負相關，與比根長極顯著正相關。水分變化對植株養分含量的分配也有明顯的影響，水分條件的改善顯著增加了駱駝刺葉片和根中C、N、P和K 的含量。除此之外，駱駝刺地上與地下部分中的這4種主要養分間均存在極顯著的正相關。駱駝刺作為旱生植物，極端干旱和超過植物需求的水分條件都會限制駱駝刺的生長。綜上所述，駱駝刺幼苗對于水分變化的適應能夠通過生物量累積、葉和根的功能性狀以及養分的分配等多方面相互調節而實現，具有較強的可塑性。