華北低山丘陵區(qū)常用樹(shù)種木質(zhì)部解剖特征及水其力學(xué)抗旱性

李澤東,陳志成,曹 振,車路平,劉舒文,張永濤, *

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰安 271018

2 山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站, 泰安 271018

3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091

全球氣候變化導(dǎo)致的越來(lái)越頻繁的干旱事件在世界范圍內(nèi)引起了嚴(yán)重的森林衰敗死亡,干旱導(dǎo)致樹(shù)木死亡的生理學(xué)機(jī)制和樹(shù)木應(yīng)對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)制成為了目前的研究熱點(diǎn)[1]。樹(shù)木對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力決定了其在生態(tài)系統(tǒng)中的分布,其生理性狀變化是適應(yīng)外部環(huán)境的客觀表達(dá),也與生存策略密切相關(guān)[2]。以往學(xué)者的研究大多集中在植物生理生化指標(biāo)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng),包括抗旱性評(píng)價(jià)[3-6],但共生的不同樹(shù)種間水力輸導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)干旱的適應(yīng)策略方面的研究較少。

目前認(rèn)為干旱導(dǎo)致樹(shù)木死亡存在兩種生理學(xué)機(jī)制,水力失衡和碳饑餓[1,7]。水力失衡是嚴(yán)重干旱脅迫下樹(shù)木的水力運(yùn)輸功能喪失而干化死亡。依據(jù)內(nèi)聚力-張力理論(Cohesion-Tension Theory),植物主要是通過(guò)蒸騰作用的拉力將植物根部吸收的水分經(jīng)木質(zhì)部導(dǎo)管(或管胞)向上運(yùn)輸,水分子依靠?jī)?nèi)聚力保證導(dǎo)管中的水柱不至于斷裂[8]。干旱脅迫時(shí)木質(zhì)部中的張力變大,氣體會(huì)通過(guò)導(dǎo)管(或管胞)上的紋孔進(jìn)入導(dǎo)管產(chǎn)生栓塞,干旱超過(guò)一定閾值時(shí),會(huì)出現(xiàn)氣穴化,阻斷水分運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性,從而影響植物一系列生理活動(dòng)甚至導(dǎo)致植株死亡[9]。樹(shù)木木質(zhì)部輸水結(jié)構(gòu)與其抗栓塞能力緊密相關(guān)[10-12],通過(guò)對(duì)植物木質(zhì)部輸水結(jié)構(gòu)的研究可以更深入全面的理解植物抗旱性。木質(zhì)部中的導(dǎo)管或管胞提供輸水功能,纖維組織提供支撐功能,而薄壁組織作為木質(zhì)部中的活細(xì)胞提供儲(chǔ)存功能。而且近來(lái)的微CT成像技術(shù)表明薄壁組織還對(duì)導(dǎo)管的栓塞修復(fù)起到重要作用[13]。根據(jù)Hagen-Poiseuille 定律,導(dǎo)管的輸水效率與導(dǎo)管直徑是四次方關(guān)系,與導(dǎo)管密度是累加關(guān)系[14]。一般來(lái)說(shuō),抗旱植物具有小而密的導(dǎo)管,紋孔膜較厚,導(dǎo)水率較低但具有更強(qiáng)的抗栓塞能力；非抗旱樹(shù)種通常具有較大導(dǎo)管直徑和較高的導(dǎo)水率,但是抵抗栓塞能力偏低,因此很多研究發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)種間木質(zhì)部導(dǎo)管存在水分運(yùn)輸?shù)母咝院桶踩陨系臋?quán)衡關(guān)系[15-17],但是Gleason等在全球尺度上進(jìn)行meta分析,發(fā)現(xiàn)只存在弱的水力安全-高效權(quán)衡[18]。碳饑餓是光合作用等非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)供應(yīng)量小于呼吸作用等NSC需求量,低于一定閾值時(shí)新陳代謝受限,或者與水力失衡交互導(dǎo)致NSC無(wú)法分配或利用。NSC還為栓塞修復(fù)提供必不可少的能量和物質(zhì),而木質(zhì)部中的NSC主要儲(chǔ)存在薄壁組織中。薄壁組織主要分為射線薄壁組織和軸向薄壁組織,軸向薄壁組織根據(jù)是否與導(dǎo)管相連,又可分為旁管薄壁組織和離管薄壁組織,而與導(dǎo)管相連的旁管薄壁組織對(duì)栓塞修復(fù)起重要作用[19]。

華北低山丘陵區(qū)土壤貧瘠,干旱缺水,水土流失嚴(yán)重,具有眾多的未造林或立地條件差的石質(zhì)丘陵山地,嚴(yán)重制約著這些未開(kāi)發(fā)山地的生產(chǎn)力[20]。而植被恢復(fù)是華北低山丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要措施[21],所以采用植物措施對(duì)干旱瘠薄山地進(jìn)行綠化,對(duì)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、固碳增匯、有著重要的作用?；谥参锬举|(zhì)部解剖及非結(jié)構(gòu)性碳的測(cè)定,探討華北低山丘陵區(qū)常用樹(shù)種水力學(xué)抗旱性特征尚未見(jiàn)報(bào)道,研究不同樹(shù)種水力結(jié)構(gòu)的差異及其在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出的適應(yīng)性策略,不僅有利于抗旱植物的篩選,也將更好地揭示干旱條件下植物生存、演化、及區(qū)域群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程,為該區(qū)植物保護(hù)和植被恢復(fù)提供依據(jù)。在本研究中,根據(jù)以往學(xué)者的研究[22-25]以及實(shí)際造林經(jīng)驗(yàn)選出了抗旱樹(shù)種(低山丘陵區(qū)造林樹(shù)種)和非抗旱樹(shù)種(城市綠化樹(shù)種)兩類,其中抗旱樹(shù)種包括臭椿(Ailanthusaltissima)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、麻櫟(Quercusacutissima)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)和胡桃(Juglansregia),非抗旱樹(shù)種包括白玉蘭(Magnoliadenudata)、鵝掌楸(Liriodendronchinensis)、紫荊(Cercischinensis)和二球懸鈴木(Platanusacerifolia)。測(cè)定了以上10個(gè)樹(shù)種木質(zhì)部橫截面解剖的大量性狀指標(biāo)及NSC濃度,主要研究以下內(nèi)容：1)抗旱樹(shù)種的木質(zhì)部導(dǎo)管的解剖特征相較于非抗旱樹(shù)種有怎樣的差異；2)這種差異表現(xiàn)出兩類樹(shù)種具有怎樣不同的應(yīng)對(duì)干旱的策略。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物園內(nèi),位于泰安市南部(E 117°11′,N 36°16′),屬于溫帶季風(fēng)大陸性氣候,四季分明。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域,植物區(qū)系屬于華北植物區(qū)系,包括森林、灌叢、灌草叢、草甸、等生態(tài)系統(tǒng)；多年平均氣溫13℃,極端最高氣溫40℃,極端最低氣溫-20.7℃,7月氣溫最高,平均26.4℃,1月最低,平均-2.6℃；年平均降水量697mm,最大年降水量1083.00mm,最小年降水量434.0mm,降水分布不均,易發(fā)生春旱；年日照時(shí)數(shù)2355h；無(wú)霜期198d；土壤以棕壤、褐土為主,肥力中等。

1.2 試驗(yàn)材料處理方法

試驗(yàn)于2018年6月進(jìn)行,在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物園內(nèi)采集不同樹(shù)種的枝條樣品。每個(gè)樹(shù)種選取3株胸徑相近的樹(shù)作為3個(gè)重復(fù),樹(shù)種信息見(jiàn)表1。用高枝剪剪下樹(shù)冠中上部、長(zhǎng)勢(shì)良好且向陽(yáng)的1—2年生枝條,枝條直徑0.8—1.2cm,取下后立即帶回實(shí)驗(yàn)室處理。將枝條上所有葉片取下用于總?cè)~面積的測(cè)定,余下枝條的一部分用于木質(zhì)部切片的制作,另一部分剝皮去髓,放入烘箱105℃殺青,80℃烘干48h,之后用粉碎機(jī)粉碎并過(guò)100目篩用于木質(zhì)部NSC濃度的測(cè)定。

表1 樹(shù)種信息表

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

用LI-3100C葉面積儀測(cè)定葉面積；枝條邊材面積用掃描儀測(cè)定,邊材面積與總?cè)~面積的比值為Huber值。NSC是可溶性糖和淀粉的總和[26],采用改良的蒽酮-硫酸法測(cè)定[27]。

木質(zhì)部切片制作：將3cm長(zhǎng)枝條固定在滑動(dòng)切片機(jī)上進(jìn)行切片,切片厚度在18—22μm,完成后在番紅-阿爾新藍(lán)溶液中染色60—90s,在不同濃度的乙醇溶液中脫水,在載玻片上固定之后在光學(xué)顯微鏡下觀察,在10×物鏡下觀察當(dāng)年和上一年的木質(zhì)部解剖,選區(qū)3—5個(gè)視野拍照。導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管密度、薄壁組織面積等均使用Image-J軟件測(cè)量完成,木質(zhì)部解剖圖像見(jiàn)圖1。

圖1 樹(shù)種木質(zhì)部解剖圖像

根據(jù)導(dǎo)管橫切面積與直徑的關(guān)系計(jì)算出每個(gè)導(dǎo)管的直徑D：

根據(jù)Hagen-Poiseuille方程計(jì)算潛在最大導(dǎo)水率Kp[28]：

Kp單位是kg m-1MPa-1s-1,其中ρw是純水密度,取998.2 kg/m3,η是粘滯系數(shù),取10-9MPa·s,VD是導(dǎo)管密度。

其中,D是導(dǎo)管直徑,n是導(dǎo)管數(shù)量。

其中,t是相鄰兩個(gè)導(dǎo)管的導(dǎo)管壁厚度,b是較大導(dǎo)管的導(dǎo)管直徑。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)樹(shù)種間的性狀進(jìn)行單因素方差統(tǒng)計(jì)分析及Ducan法多重比較,用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)((Independent-Samples t-Test))分析抗旱樹(shù)種和非抗旱樹(shù)種間的木質(zhì)部性狀差異,用Pearson相關(guān)分析抗旱樹(shù)種、非抗旱樹(shù)種及所有樹(shù)種性狀間的相關(guān)性。利用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 10個(gè)樹(shù)種的木質(zhì)部性狀變異

所研究的10個(gè)樹(shù)種的16個(gè)木質(zhì)部性狀均有較大變異性。其中抗旱樹(shù)種與木質(zhì)部水力相關(guān)性狀中潛在最大導(dǎo)水率的變異最大；薄壁組織性狀中離管薄壁組織比例的變異最大；非結(jié)構(gòu)性碳中可溶性糖的變異最大；非抗旱樹(shù)種與木質(zhì)部水力相關(guān)性狀中Huber值變異最大；薄壁組織性狀中離管薄壁組織比例的變異最大；非結(jié)構(gòu)性碳中可溶性糖的變異最大。組成木質(zhì)部的三大組織中導(dǎo)管占木質(zhì)部橫截面的比例為7.68%—25.64%,平均值為17.93%±5.22%；薄壁組織為22.10%—38.55%,平均值為34.45%±4.93%；纖維組織為43.23%—64.04%,平均值為50.46%±6.80%。

2.2 抗旱樹(shù)種與非抗旱樹(shù)種非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)濃度的差異

圖2 不同樹(shù)種之間木質(zhì)部非結(jié)構(gòu)性碳差異

不同樹(shù)種的木質(zhì)部NSC濃度變異較大(變異系數(shù)為40.30%)。麻櫟(Qa)的淀粉濃度在10個(gè)樹(shù)種中最高,達(dá)到(295.95±0.75)μg/mg, 是最小的白玉蘭(Md)的5倍((58.20±0.91)μg/mg)。麻櫟的可溶性糖濃度也高于其他所有樹(shù)種((107.33±2.26)μg/mg)?？购禈?shù)種的淀粉含量顯著高于非抗旱樹(shù)種(P<0.01),可溶性糖濃度無(wú)顯著差異(P>0.05),但抗旱樹(shù)種的總NSC濃度顯著高于非抗旱樹(shù)種(P<0.01)。

2.3 抗旱樹(shù)種與非抗旱樹(shù)種木質(zhì)部性狀的差異

麻櫟(Qa)的平均導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管壁厚度都是最大,分別為(119.71±21.171)μm,(4.57±0.713)μm；榆樹(shù)(Up)作為抗旱樹(shù)種中唯一的散孔材,相較于其他環(huán)孔材抗旱樹(shù)種,其導(dǎo)管密度最大((168.76±26.552)μm),而平均導(dǎo)管直徑最小((25.59±5.249)μm)?？傮w比較,抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管壁厚度、最大導(dǎo)管直徑、旁管薄壁組織比例、軸向薄壁組織比例均顯著大于非抗旱樹(shù)種(P<0.01)；抗旱樹(shù)種的平均導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管密度及其他性狀與非抗旱樹(shù)種并無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.4 不同樹(shù)種木質(zhì)部性狀的協(xié)同性分析

10個(gè)樹(shù)種的導(dǎo)管壁厚度與平均導(dǎo)管直徑、最大導(dǎo)管直徑和潛在最大導(dǎo)水率均顯著相關(guān),5個(gè)抗旱樹(shù)種間也存在這種關(guān)系,但非抗旱樹(shù)種不存在。5個(gè)抗旱樹(shù)種和所有10個(gè)樹(shù)種的最大導(dǎo)管直徑與潛在最大導(dǎo)水率顯著相關(guān),但非抗旱樹(shù)種間不相關(guān)?？购禈?shù)種總薄壁組織比例與軸向薄壁組織面積比例存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明抗旱樹(shù)種的薄壁組織主要由軸向薄壁組織主導(dǎo),5個(gè)非抗旱樹(shù)種和總的10個(gè)樹(shù)種間未表現(xiàn)出現(xiàn)此種關(guān)系；5個(gè)抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管連接度與Huber值存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而非抗旱樹(shù)種無(wú)此種關(guān)系。

3 討論

Morris等對(duì)全球范圍內(nèi)2332種木本被子植物的薄壁組織比例、軸向薄壁組織比例、射線薄壁組織比例和平均導(dǎo)管直徑進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)總的薄壁組織變化范圍為6.88%—64.20%,軸向薄壁組織比例變化范圍為0%—44.10%,射線組織比例變化范圍為5.23%—42.47%；導(dǎo)管平均直徑變化范圍為10%—435.12%[19]。本研究的10個(gè)樹(shù)種的上述木質(zhì)部性狀均在此范圍內(nèi)(表2、表3)。

表2 抗旱樹(shù)種的木質(zhì)部性狀變異

表3 非抗旱樹(shù)種的木質(zhì)部性狀變異

植物木質(zhì)部空穴化引起的植物輸水功能障礙可影響植物的水分平衡和氣孔運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致植物死亡[29],因此植物的抗旱性在一定程度上可以由其抵抗栓塞發(fā)生的能力或栓塞后的修復(fù)能力決定[30]?？购敌暂^強(qiáng)的植物一般具有較大的導(dǎo)管密度和較小的導(dǎo)管直徑,但本研究中抗旱樹(shù)種的平均導(dǎo)管直徑、Kp和導(dǎo)管密度與非抗旱樹(shù)種相比并無(wú)顯著差異(P>0.05),抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管壁厚度和軸向薄壁組織均顯著大于非抗旱樹(shù)種(圖3,P<0.01),表明僅依靠導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管密度判斷植物抗栓塞能力并不客觀,還應(yīng)與導(dǎo)管紋膜孔特征和薄壁組織等木質(zhì)部水力性狀結(jié)合。本研究中抗旱樹(shù)種最大導(dǎo)管直徑與Kp存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.848),而非抗旱樹(shù)種的這種關(guān)系卻并不明顯(R2=0.430),表明抗旱樹(shù)種直徑較大的導(dǎo)管具有更高的導(dǎo)水率。根據(jù)Hagen-Poiseuille定律,當(dāng)植物木質(zhì)部導(dǎo)管直徑較大時(shí),水分運(yùn)輸效率越高,導(dǎo)水率越高[31]。本研究中樹(shù)種的導(dǎo)管壁厚度與Kp、最大導(dǎo)管直徑、平均導(dǎo)管直徑均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.554,0.781,0.727),這一點(diǎn)在抗旱樹(shù)種上的體現(xiàn)更為突出(圖4),即本研究抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管直徑較大時(shí),其導(dǎo)管有較厚的導(dǎo)管壁,導(dǎo)管內(nèi)徑增加的同時(shí)需要有較強(qiáng)的機(jī)械支撐力才能保證較大口徑的導(dǎo)管不易破裂,導(dǎo)管壁厚度在一定程度上可以體現(xiàn)其機(jī)械支撐力[32],厚的導(dǎo)管壁也影響導(dǎo)管紋孔形態(tài),尤其是紋孔膜厚度[10],所以厚的導(dǎo)管壁保證了水分運(yùn)輸?shù)陌踩?。本研究中的抗旱?shù)種具有較高導(dǎo)水率的同時(shí)在一定程度上兼顧了安全性,因此并未體現(xiàn)出水分運(yùn)輸高效性與安全性的權(quán)衡。

圖3 不同樹(shù)種之間導(dǎo)管解剖特征差異

圖4 不同樹(shù)種木質(zhì)部性狀的協(xié)同性分析

NSC為植物生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝提供能量,并被認(rèn)為對(duì)抵抗干擾和干擾后的恢復(fù)有重要作用[33],主要是可溶性糖和淀粉?？扇苄蕴鞘侵参镌陂L(zhǎng)期的干旱環(huán)境中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),是植物細(xì)胞中濃度較高的一大類物質(zhì)[34],有研究表明干旱脅迫會(huì)使淀粉也轉(zhuǎn)化為可溶性糖[35-36]。本研究中抗旱樹(shù)種的NSC濃度為(2.882±0.689)μg/mg,顯著高于非抗旱樹(shù)種的(1.528±0.358)μg/mg,表明具有更高的環(huán)境適應(yīng)性以及較高的碳供應(yīng)水平。Toshihiro等發(fā)現(xiàn)闊葉植物木質(zhì)部栓塞修復(fù)能力要比針葉樹(shù)植物強(qiáng),其原因就是闊葉植物木質(zhì)部中有較多薄壁組織和NSC[37]。目前研究發(fā)現(xiàn)植物抗栓塞能力與植物莖干的水容存在相關(guān)關(guān)系,木質(zhì)部的導(dǎo)管通過(guò)吸收旁管薄壁組織中的水分或者離子,改變導(dǎo)管內(nèi)溶液的滲透勢(shì)使水分向?qū)Ч苓\(yùn)輸,從而緩和導(dǎo)管內(nèi)張力,達(dá)到防栓塞的目的[38],同時(shí)薄壁組織中含有大量水通道蛋白可以參與到木質(zhì)部栓塞修復(fù)中[39]。本研究中的抗旱樹(shù)種相較于非抗旱樹(shù)種具有更多薄壁組織,表明抗旱樹(shù)種具備更強(qiáng)的栓塞修復(fù)能力。也有研究表明,導(dǎo)管連接度越大,植物木質(zhì)部預(yù)防張力下導(dǎo)管破裂的能力越大[40]。Huber值表示維持單位葉面積水分供給所需的枝條邊材投入[41],一定程度反映植物枝條的輸水效率。本研究抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管連接度與Huber值存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.609),導(dǎo)管連接度是導(dǎo)管壁厚度與導(dǎo)管直徑的比值,兩類樹(shù)種間導(dǎo)管直徑無(wú)顯著差異但抗旱樹(shù)種的導(dǎo)管壁厚度顯著大于非抗旱樹(shù)種(圖3),抗旱樹(shù)種導(dǎo)管連接度與Huber值的這種關(guān)系或許表明導(dǎo)管壁更厚的樹(shù)種容易維持更多的葉面積用來(lái)光合固碳。總體來(lái)說(shuō)本研究的抗旱樹(shù)種即通過(guò)厚的導(dǎo)管壁維持最大導(dǎo)管直徑和水力效率,同時(shí)又保證了抗栓塞的水力安全性,并且抗旱樹(shù)種具有更多的旁管薄壁組織和NSC也保證了足夠的能量和資源進(jìn)行栓塞修復(fù)。

麻櫟作為干旱瘠薄山地綠化造林的先鋒樹(shù)種[42],有最大的平均導(dǎo)管直徑和最厚的導(dǎo)管壁,反映了麻櫟在水分運(yùn)輸高效性和安全性上有較好的協(xié)同關(guān)系。

4 結(jié)論

本研究抗旱樹(shù)種相較于非抗旱樹(shù)種,木質(zhì)部NSC濃度更高、導(dǎo)管壁更厚、最大導(dǎo)管直徑更大、旁管薄壁組織和軸向薄壁組織比例更大?？购禈?shù)種直徑較大的導(dǎo)管和較厚的導(dǎo)管壁既保證了較高的水分運(yùn)輸效率又具有一定的抗栓塞能力,同時(shí)抗旱樹(shù)種更多的旁管薄壁組織和NSC又為更強(qiáng)的貯水能力和栓塞修復(fù)能力提供了條件。本研究木質(zhì)部導(dǎo)管解剖特征可為華北干旱瘠薄山區(qū)綠化造林樹(shù)種的選擇提供參考。