水淹和密度對(duì)牛鞭草與狗牙根碳水化合物的影響

李曉雪，李昌曉

(西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院； 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 重慶市三峽庫(kù)區(qū)植物生態(tài)與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715)

三峽水庫(kù)建成后，根據(jù)大壩的運(yùn)行規(guī)律，每年9月下旬水庫(kù)開始蓄水，水位逐步升高至175 m，12月至次年4月都維持在較高水位，到次年的5月水位才開始逐步降低到低水位，這就使得庫(kù)區(qū)消落帶植物每年連續(xù)數(shù)月處于水淹環(huán)境中。在水淹環(huán)境中，氧氣溶解度不高[1]，與空氣中相比，水中的氧氣含量很低,氧氣在空氣中的濃度大約是8.3 mol·m-3，即使在充滿氧氣的水中(25 ℃水溫)，溶解氧的濃度也只有空氣中的1/33，大約為0.25 mol·m-3[2]。其次，氧氣在水中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)低于其在空氣中的擴(kuò)散速率,氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.201 cm2·s，在水中的擴(kuò)散系數(shù)為2.1×10-5cm2·s[3]。另外，植物在水淹環(huán)境中獲得的光輻射很少[4]，光合作用受到限制，光合效率降低，導(dǎo)致植株體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備大量減少[5-7]。近年來(lái)很多研究發(fā)現(xiàn)耐水淹植物會(huì)從形態(tài)、生理和生化等方面對(duì)水淹脅迫做出響應(yīng)以減輕水淹環(huán)境對(duì)其造成的危害[8-9]。有研究表明，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在植株體內(nèi)的代謝對(duì)植株在水淹脅迫下的存活具有重要意義[10]。但非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的代謝會(huì)受到很多因子的影響[11]。已有研究表明水淹脅迫會(huì)對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的代謝產(chǎn)生影響[12]，但是密度配置對(duì)植物的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是否產(chǎn)生影響以及如何影響還鮮有報(bào)道。

狗牙根(Cynodondactylon)與牛鞭草(Hemarthriaaltissima)均屬于禾本科多年生草本植物[13-14]，二者都具有較強(qiáng)的水淹耐受性。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究狗牙根與牛鞭草在不同水淹處理和不同密度配置下植株體內(nèi)可溶性糖含量和淀粉含量的變化，以探討狗牙根與牛鞭草對(duì)水淹脅迫和密度配置的生理響應(yīng)，為利用兩草本植物恢復(fù)三峽庫(kù)區(qū)消落帶或其他河岸帶植被提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2016年4月28日于重慶北碚嘉陵江邊采集自然生長(zhǎng)的牛鞭草和狗牙根，并將牛鞭草截成10 cm左右含有3個(gè)節(jié)的小段，狗牙根截成10 cm左右?guī)в?個(gè)芽孢的小段，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)比例扦插至內(nèi)徑30 cm，高25 cm的盆缽中，之后將所有盆栽試驗(yàn)用苗置于西南大學(xué)生態(tài)試驗(yàn)園的遮雨棚下(棚頂透明，四面敞開)進(jìn)行相同條件的適應(yīng)生長(zhǎng)，并給予除草等常規(guī)管理。于2016年6月20日開始進(jìn)行試驗(yàn)處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)置2個(gè)處理因素，即水分處理和密度配置。其中水分處理分別為對(duì)照組(CK)：正常供水，土壤含水量為田間持水量的60%～63%；淺淹組(SF)：水淹超過(guò)土壤表面10 cm；全淹組(TF)：水淹超過(guò)土壤表面2 m。密度配置采用取代系列試驗(yàn)法[15]，每盆種植12株植物(相當(dāng)于種植密度為195株·m-2)，設(shè)置7種配置比例，每盆牛鞭草與狗牙根株數(shù)分別按2株進(jìn)行遞增與遞減，具體的配比分別為H0C12，H2C10，H4C8，H6C6，H8C4，H10C2，H12C0，采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，盆內(nèi)種植示意圖如圖1所示：

圖1 牛鞭草與狗牙根栽植示意Fig. 1 Planting configuration of Hemarthria altissima and Cynodon dactylon

從試驗(yàn)處理第1天開始，每天對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行觀察，并確保各處理組保持設(shè)定的土壤含水量。處理60 d后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)包括株高、基莖、總根長(zhǎng)、根直徑。測(cè)定植株的株高采用卷尺測(cè)量法，基莖采用游標(biāo)卡尺測(cè)量法。通過(guò)WinRHIZO La 2400根系掃描儀掃描根圖像,測(cè)量植株的根長(zhǎng)、根直徑。取樣時(shí)將植株的根、莖、葉分開，放置于80 ℃烘箱中烘干至恒重以備用。分別測(cè)定根、莖、葉中的可溶性糖含量和淀粉含量，測(cè)定方法主要參照高俊鳳的方法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

利用SPSS 18.0軟件雙因素方差分析(two-way ANOVA)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法檢驗(yàn)不同處理下各個(gè)指標(biāo)差異顯著性。利用軟件Origin 8.5繪圖，Microsoft word制表。

2 結(jié)果

2.1 水分處理和密度配置對(duì)狗牙根與牛鞭草可溶性糖和淀粉含量影響的方差分析結(jié)果

水分處理極顯著影響狗牙根根、莖、葉各部分的可溶性糖含量和根部的淀粉含量(P<0.01)(表1)，顯著影響莖的淀粉含量(P<0.05)，但對(duì)葉的淀粉含量沒有顯著影響(P>0.05)。水分處理對(duì)牛鞭草根、莖、葉各部分的可溶性糖含量和淀粉含量均有極顯著影響(P<0.01)(表2)。

密度配置對(duì)狗牙根根、葉部分的可溶性糖含量和根部的淀粉含量均有顯著影響(P<0.05)，但對(duì)莖的可溶性糖含量以及莖、葉部分的淀粉含量沒有顯著影響。密度配置對(duì)牛鞭草根可溶性糖含量、根淀粉含量、葉淀粉含量有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)葉可溶性糖含量、莖淀粉含量有顯著影響(P<0.05)，但對(duì)莖可溶性糖含量沒有顯著影響(表2)。

水分與密度配置的交互作用對(duì)狗牙根根、莖、葉的可溶性糖含量以及根、葉部分的淀粉含量均有顯著影響(P<0.05)，但對(duì)莖部的淀粉含量沒有顯著影響(表1)。水分與密度配置的交互作用對(duì)牛鞭草根可溶性糖、根淀粉以及葉淀粉含量均有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)莖可溶性糖、葉可溶性糖含量有顯著影響(P<0.05)，但對(duì)牛鞭草莖淀粉含量沒有顯著影響(表2)。

2.2 水分處理和密度配置對(duì)狗牙根可溶性糖和淀粉含量的影響

與對(duì)照相比，同一密度配置下淺淹組狗牙根根部的可溶性糖含量增加，淀粉含量降低；深淹組狗牙根根部可溶性糖和淀粉含量較對(duì)照組有所降低。與對(duì)照相比，淺淹組和深淹組狗牙根莖可溶性糖含量均呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)(P<0.05)，且深淹組的降低幅度大于淺淹組。與對(duì)照相比，同一密度配置下(H10C2除外)，淺淹組狗牙根的葉可溶性糖含量增加，在經(jīng)歷了60 d水淹后，狗牙根深淹組的葉片已完全凋落，所以沒有得到狗牙根葉片在深淹組的可溶性糖和淀粉含量。

表1 水分處理和密度配置對(duì)狗牙根可溶性糖和淀粉含量影響的方差分析結(jié)果 Table 1 ANOVA of the effects of water treatments and density configurations on sugar and starch content of Cynodon dactylon

表2 水分處理和密度配置對(duì)牛鞭草可溶性糖和淀粉含量影響的方差分析結(jié)果Table 2 ANOVA of the effects of water treatments and density configurations on sugar and starch content of Hemarthria altissima

在對(duì)照組，隨著牛鞭草在混植體系中所占比例的增大，狗牙根根淀粉含量有逐漸降低的趨勢(shì)(圖2)；狗牙根莖可溶性糖含量在H2C10下顯著高于其他密度配置下的可溶性糖含量(P<0.05)。在淺淹組，莖可溶性糖含量在H2C10下最高，且顯著高于狗牙根單植即H0C12下的含量(P<0.05)。深淹組，狗牙根單植處理下的根淀粉含量高于其他密度配置下的根淀粉含量。

圖2 水分處理和密度配置對(duì)狗牙根可溶性糖和淀粉含量的影響Fig. 2 Effect of water treatments and density configuration on sugar and starch content of Cynodon dactylon

不同大寫字母表示同一密度配置下不同水分處理間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一水分處理不同密度配置間差異顯著(P<0.05)。圖3同。

Different capital letters of same density configuration indicat significant differences among different water treatments at the 0.05 level; different lowercase letters of same water treatment indicate significant different among different density configurations at the 0.05 level; similarly for Table 3.

2.3 水分處理和密度配置對(duì)牛鞭草可溶性糖和淀粉含量的影響

與對(duì)照相比，淺淹組牛鞭草根淀粉含量在H2C10、H4C8密度配置下降低，在H6C6、H8C4、H10C2、H12C0密度配置下顯著增加(P<0.05)。深淹組與對(duì)照相比，根淀粉含量在H2C10密度配置下顯著降低(P<0.05)。對(duì)照相比，同一密度配置下，淺淹組和深淹組莖可溶性糖含量均顯著增加(P<0.05)，且淺淹組比深淹組增加的幅度大。深淹組牛鞭草淀粉含量與對(duì)照組牛鞭草淀粉含量相比增加(P<0.05)(圖3)。

在對(duì)照組， H2C10密度配置下牛鞭草根部可溶性糖、淀粉含量、地上部分(莖、葉)可溶性糖含量最高。淺淹組，在牛鞭草所占比例高的密度配置下，根部可溶性糖、淀粉含量、地上部分(莖、葉)淀粉含量較高。在深淹組，牛鞭草根部可溶性糖、淀粉含量在其所占比例較低的密度配置下含量較高，且在H2C10下其根可溶性糖含量最高，根淀粉含量隨著牛鞭草在混植體系中所占比例的增大而逐漸減小。深淹處理下，在牛鞭草所占比例較高的配置即H8C4、H10C2、H12C0下莖可溶性糖含量較高，牛鞭草單植處理下的葉可溶性糖含量顯著低于混植處理下牛鞭草的葉可溶性糖含量(圖3)。

圖3 水分處理和密度配置對(duì)牛鞭草可溶性糖和淀粉含量的影響Fig. 3 Effect of water treatments and density configuration on sugar and starch content of Hemarthria altissima

3 討論

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是一類重要的貯藏性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些貯藏性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝在很大程度上影響著植株的生長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)[17]。在不同的水分處理下，水中的溶氧、光照等環(huán)境因子不同，水淹環(huán)境中植物的呼吸作用和光合作用就會(huì)出現(xiàn)很大變化，從而影響貯藏性碳水化合物含量的變化。水下低氧環(huán)境使得被水淹植物的呼吸方式由有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)氧呼吸[18]，無(wú)氧呼吸的效率很低，導(dǎo)致植物體內(nèi)儲(chǔ)備的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗劇烈[19]，在長(zhǎng)時(shí)間的完全水淹條件下，厭氧或缺氧脅迫導(dǎo)致植株體內(nèi)碳水化合物饑餓[20],這將對(duì)植株的生存和生長(zhǎng)造成極大的危害。光合作用是植物最重要的代謝活動(dòng)，光照也是植物生長(zhǎng)發(fā)育必備的環(huán)境因子[21]。水淹環(huán)境中，光照強(qiáng)度會(huì)隨著水淹深度加深而逐漸減弱，植物在水下獲得的光輻射也隨之減少，光合作用受阻，使得植株體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備大量減少[22]。有研究表明，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移，在植物響應(yīng)環(huán)境脅迫過(guò)程中起關(guān)鍵作用[23-24]。研究發(fā)現(xiàn)，光限制條件下，海草不能維持正常的碳平衡，其組織中淀粉就會(huì)被利用以滿足植株碳需求，甚至可能會(huì)消耗地下組織的生長(zhǎng)來(lái)支持葉的生長(zhǎng)[25]。在本研究中，淺淹環(huán)境下，牛鞭草莖的可溶性糖含量低于根部的糖含量，可能原因是在淺淹條件下，牛鞭草采用“逃避”策略適應(yīng)水淹環(huán)境[26-27]而使得莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，消耗了莖部的可溶性糖，又由于牛鞭草植株在該環(huán)境下獲得的光輻射較少，從而葉片進(jìn)行光合作用受阻，導(dǎo)致葉片的糖含量較低。但是在深淹環(huán)境下，牛鞭草莖、葉的生長(zhǎng)得到維持，而根部可溶性糖和淀粉含量卻小于莖、葉的可溶性糖和淀粉含量，這可能是由于在深淹條件下，水中光照強(qiáng)度小，又有水壓的脅迫，牛鞭草無(wú)法通過(guò)光合作用制造有機(jī)物物支持莖的向上伸長(zhǎng)而“逃離”該環(huán)境[28-29]，為了保證存活，地下根的可溶性糖、淀粉轉(zhuǎn)移到了莖、葉，且在深淹條件下，水中溶氧低，牛鞭草地下根在缺氧的環(huán)境下，需要有足夠的可溶性糖、淀粉來(lái)支持厭氧代謝，這進(jìn)一步降低根部可溶性糖、淀粉的含量[30]。在淺淹條件下，狗牙根主莖會(huì)發(fā)生明顯的伸長(zhǎng)[31]，快速地伸長(zhǎng)生長(zhǎng)消耗過(guò)多的能量?jī)?chǔ)備，最終導(dǎo)致淺淹組的葉淀粉含量低于根、莖部分的淀粉含量。在深淹處理下，雖然無(wú)氧呼吸劇烈會(huì)消耗大量的有機(jī)物，但是由于狗牙根主莖沒有生長(zhǎng)[31]，所以在深淹組狗牙根的莖還是保持了較高的淀粉含量。然而，在深淹條件下狗牙根根部可溶性糖、淀粉的含量卻低于莖部，這可能是由于狗牙根為了最大限度地減少葉片脫落所引起的碳損失，同時(shí)確保地上組織有足夠的可溶性糖、淀粉來(lái)支持狗牙根生長(zhǎng)[32]而把根部的可溶性糖、淀粉轉(zhuǎn)移到了莖部，這意味著狗牙根體內(nèi)發(fā)生碳轉(zhuǎn)移以應(yīng)對(duì)水淹的脅迫[33]。

植物的生長(zhǎng)，首先要保證有足夠的葉面積以截獲更多的日光能，才能產(chǎn)生更多的有機(jī)物質(zhì)[34-35]。如果群體中植株密度很稀，群體的總?cè)~面積較小，雖然其中的各個(gè)單株能得到較充分的光照，但是群體的生長(zhǎng)狀況則因葉面積總量較小而比密度較大的群體差。如果群體中植株過(guò)于密集，葉面積指數(shù)過(guò)大，則由于葉片相互嚴(yán)重遮陰，使植株中下部的光照減弱，反而降低群體內(nèi)總?cè)~片的平均光合生產(chǎn)率，從而使群體的生物生產(chǎn)量降低[36-37]。本研究中，在對(duì)照組，與單植狗牙根、牛鞭草相比，混植體系中狗牙根根部的平均可溶性糖、淀粉含量都有所降低，地上部分可溶性糖、淀粉含量有所升高。牛鞭草根部平均可溶性糖、淀粉含量有所上升，地上部分的可溶性糖含量與單植相比卻下降了。這是因?yàn)楣费栏仓晗鄬?duì)較低，在混植體系中所占比例越小，生存空間越小，只有通過(guò)消耗根部的可溶性糖、淀粉來(lái)支持個(gè)體高度的增加從而來(lái)爭(zhēng)取更多的空間，才能吸取來(lái)自冠層上部光的輻射，獲得較為適宜的光照條件以供生存[38-40]。牛鞭草能夠直立生長(zhǎng)且生長(zhǎng)迅速，在混植體系中能夠接受較多的光輻射，光合速率比較大，可儲(chǔ)存更多的可溶性糖和淀粉[41]。在淺淹組，與單植相比，混植體系中狗牙根和牛鞭草的地上可溶性糖、淀粉含量都有所增加，牛鞭草根部的平均可溶性糖、淀粉含量與單植相比有所下降。這可能是由于牛鞭草植株高度本身比狗牙根高，空中資源優(yōu)勢(shì)使其可溶性糖、淀粉含量增加，狗牙根在混植組合中所占比例越多，牛鞭草對(duì)其遮陰環(huán)境減少，從而促進(jìn)了狗牙根地上可溶性糖、淀粉含量的增加。而牛鞭草根部可溶性糖、淀粉減少，可能原因是，在淺淹組，牛鞭草有明顯的不定根形成[31]，研究發(fā)現(xiàn)不定根的形成是許多耐水淹植物對(duì)水淹的一種主要適應(yīng)方式[42]，不定根能迅速取代因缺氧而窒息甚至死亡的初生根，保持根系的活力和功能[43]。而不定根的形成同時(shí)也消耗了牛鞭草根部的可溶性糖、淀粉。在深淹組，與單植相比，狗牙根和牛鞭草在混植體系中地下、地上部分的可溶性糖、淀粉含量都有所降低。這可能是由于在單植時(shí)，相同的遺傳特性造成了植物對(duì)資源的相似利用方式，植株間主要是種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)?；熘矊?dǎo)致種內(nèi)和種間競(jìng)爭(zhēng)[44]都會(huì)發(fā)生，資源(尤其是光資源)限制了狗牙根與牛鞭草的光合作用，使二者在混植體系中制造的可溶性糖、淀粉含量降低。

4 結(jié)論

正常供水條件下，混植體系中植株在牛鞭草∶狗牙根為2∶10(H2C10)密度配置下生長(zhǎng)狀況良好且可溶性糖、淀粉含量較高，可以考慮在三峽庫(kù)區(qū)消落帶高海拔無(wú)水淹地區(qū)以H2C10的比例配置牛鞭草與狗牙根，進(jìn)行栽培草地的恢復(fù)；淺淹處理?xiàng)l件下，狗牙根與牛鞭草莖、葉的偏上性生長(zhǎng)消耗了可溶性糖、淀粉，使得莖、葉的可溶性糖、淀粉含量低于根部；深淹處理組，狗牙根葉片掉落死亡，降低了植株可溶性糖、淀粉的消耗，從而保證整株植株在全淹條件下的存活，牛鞭草在深淹下消耗根部的可溶性糖、淀粉維持生存，使地下部分的可溶性糖、淀粉含量低于地上部分。綜合考慮，水淹條件下混植體系中植株的生長(zhǎng)狀況以及可溶性糖、淀粉含量，建議在三峽庫(kù)區(qū)水淹地區(qū)采取牛鞭草∶狗牙根為8∶4(H8C4)密度配置對(duì)牛鞭草、狗牙根進(jìn)行混植。