干旱胁迫和复水对浙江楠光合与根系生长的影响

李伟成,田新立,盛海燕 ,刘姚姚,张瑞

1.国家林业和草原局竹子研究开发中心,浙江省竹子高效加工重点实验室,杭州 310012

2.西南林业大学生命科学学院,昆明 650224

3.杭州环境保护科学研究院,杭州 310005

0 前言

建造珍贵树种人工林是恢复植被和提高低产低效林效益的森林可持续经营措施之一,选择合适的珍贵物种进行斑块化镶嵌混交是提高其造林成活率和保存率、恢复植被、提高生物多样性、改善其生态环境和经济效益的关键因素。营林的生境因子对整个生态系统的发育至关重要[1]。造林过程中,不同树种的异龄苗对土壤水分的响应方式差异较大[2,3],需依据树种的生物学特性进行指导作业和提供基础经营方案。

全球气候变化引发大气-海洋-陆地界面的相互作用,导致极端气候灾害发生的频率上升[4]。中国极端气候的变化表现在极端降水事件趋多趋强,尤其在长江中下游及长江以南地区的极端降水量比例趋于增大,直接导致干旱天气持续时间增加,加剧水分亏缺程度,干旱对林业的建设发展造成了严峻的考验。干旱作为植物所遭受的所有非生物胁迫中损害最为严重的不利因素,限制植物生长、发育和分布,影响植物种内种间、群落关系以及生态系统功能[5]。植物根系表型生长、光合生理和抗氧化防御系统都会对干旱胁迫产生响应[6],光合作用是植物最基本的生命活动,对干旱胁迫最敏感的生理过程之一[7],而根系对干旱胁迫的响应最为敏感[3]。因此,研究干旱胁迫和复水条件下珍贵造林树种的光合特征和根系生长变化,对正确判断和预测未来气候条件下珍贵树种生长、发育等生理生态过程具有重要意义。

浙江楠(Phoebe chekiangensis)系华东地区特有珍贵用材树种,樟科(Lauraceae)桢楠属(phoebe)中材质最优的物种之一,属国家二级保护树种,其树干通直可高达20 m,树冠整齐,枝叶繁茂,生态位宽度值较大,适合山地丘陵混交造林、林下补植树种[8];野外调查发现,浙江楠分布以中下坡为主,常与毛竹(Phyllostachys edulis) 、 枫 香(Liquidambar formosana)、苦槠(Castanopsis sclerophylla),青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)混交成林,土壤主要为红壤和黄壤,生存于林分的中层,较弱势。浙江楠的材质坚硬,结构细致,具光泽和香气,是优质用材。因此,推广发展这一珍稀优良阔叶树种与其他树种的斑块化镶嵌混交,对改善低产低效林有重要意义。但是浙江楠木生长慢,对立地条件要求相对较高,因此了解分析其基础生物学特征和适生环境,对发展浙江楠人工林具有重大的指导意义。

在浙江省“建设健康的森林”提升林业目标的大背景下,本文以浙江楠为研究对象,通过干旱胁迫和复水试验,分析其光合生理特征、根系生长和抗氧化系统的响应,为改善浙江省低产低效森林生态系统结构、功能和过程,提升其社会效益、经济效益和生态效益,为营造斑块化镶嵌式的复层异龄新型森林提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 自然概况

试验地位于浙江省湖州市长兴县(119°45′E、30°58′N),属亚热带海洋性季风气候。年平均气温(15.6±0.5) ℃,有效积温5750 ℃,无霜期239 d。年平均降水量1 309 mm。年平均日照时数1 810.3 h,历年平均日照百分率为41%,光照分配较均匀。土壤以发育于酸性岩浆岩和沉积岩的红壤为主。

1.2 试验设计

2017年3月,选取健康无病虫害的2年生浙江楠进行试验。将苗高60 cm 左右、基径0.8 cm 的植株,仅留1—2 分枝附3—5 片叶,带小土球(10 cm×10 cm)移栽入直径47 cm、高37 cm 的花盆。土壤表层先覆盖1—2 cm 厚的河沙,再覆盖1—2 cm 厚的腐殖土,以保持花盆内水分。期间常规管理与施水,试验苗栽培52 d。所用平均土壤有机质含量为27.31 g·kg-1,平均全氮 1.55 g·kg-1,平均有效磷 90.37 mg·kg-1,平均速效钾56.15 mg·kg-1。放置大棚从地面至40 cm 高处不覆盖薄膜,起到通风的作用,顶棚封膜,晴天开启顶棚,雨天关闭顶棚薄膜。

模拟自然干旱失水与复水过程67 d,试验设3个水分梯度,分别为对照的土壤水分含量为(36.09±3.22)%、中度干旱的土壤水分含量为28.34±5.04% (隔1—2 天补水)、重度干旱的土壤水分含量为(19.06±2.26)%,每个水分梯度设置5 重复,共15盆。根据设定的土壤含水率计算每盆重量,作为标准盆重[9],每天傍晚进行称量,低于试验设计的土壤含水量时立即施水补充至设计土壤含水量。重度干旱以每日中午试验用苗不发生萎蔫为标准。

1.3 参数测量与数据处理

1.3.1 光合、叶片抗氧化酶和根系参数的测定

7月,在各自试验状态下,分别于9:00—11:00到14:00—16:00,选取浙江楠最长枝条从上往下数的第3 片完整展开的成熟叶片,采用Li6400 测定瞬间气体交换参数如蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs),每处理重复5 株,按照预实验的测定结果,测定时叶室内 CO2浓度和光合有效辐射分别为 400 μmol·mol-1与1000 μmol·m-2·s-1,根据净光合速率和蒸腾速率的比值计算水分利用效率。光响应曲线参数测定的CO2浓度为(391.4±4.6) μmol·mol-1,光强分别设定为2 000、1 500、l 200、1 000、800、600、400、200、150、100、70、50、20 和0 μmol·m-2·s-1,采用直角双曲线修正模型计算光响应曲线的参数如光补偿点(LCP)、暗呼吸绝对值(Rd)、光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pmax)和表观量子效率(φAQY)。测定时,叶室内相对湿度61%—65%。同时,在上午10:00 左右,采用PAM-2500 叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数,选取最长枝条从上往下数的第2 片完整展开的叶片,Fv/Fm 在叶片暗适应20 min 后测定。

采集浙江楠的中部叶片进行超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和过氧化物酶(POD)活性测定,共采样5 次,取平均值。取0.2 g叶片洗净后置于研钵中,加入1.6 mL 50 mmol·L-1预冷的磷酸缓冲液(pH 为7.8)在冰浴上研磨成匀浆,转入离心管中在4 ℃、12000 r·min-1下离心20 min,取上清液测定酶活性,其中超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法[3]。

光合特征参数测量后,立即进行浙江楠根系的采样,采回实验室洗净根系,量取根系总长,称量鲜质量,然后将根放入干燥箱80 ℃烘干至恒质量后测量干质量,每个处理5 重复。按生长分析方法计算:根的相对生长速率RGR=(lnW2-lnW1)·(T2-T1)-1,其中W1为刚移栽时器官的生物量,本试验量取移栽适应52 d 的浙江楠苗5 重复,取平均值作为其根系的起始生物量;W2为采样时的生物量;T1为处理开始时间,T2为采样时间,月;根半径其中mf为侧根鲜质量,Lr为侧根总长[10]。

1.3.2 数据处理

使用SPSS11.0 进行数据处理,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫和复水对浙江楠光合生理的影响

3 种土壤水分条件下,特别是重度干旱条件下,浙江楠光合能力、光适应特征、瞬间气体交换参数与对照、中度干旱条件都表现出显著差异(p＜0.05) (表1)。对照条件下,浙江楠的光合能力参数如最大净光合速率和表观量子效率表现最好,分别为(11.51±1.71) μmol·m-2·S-1和(0.0230±0.0037) μmol·m-2·s-1,而重度干旱条件下,这两个参数值仅为对照条件下的47.8%和5.2.2%,对照条件的暗呼吸平均值虽大于中度干旱条件,但并没有显著差异(p＞0.05),说明在重度干旱胁迫下浙江楠的光能利用率小于其他两种条件,而且能量消耗较大;光适应特征参数如光补偿点随着干旱程度的上升而上升,饱和光照强度则表现出下降的趋势,说明只要土壤水分条件适宜,在强光条件下浙江楠对对强光仍具备一定的适应能力。瞬间气体交换参数如蒸腾速率和气孔导度随着干旱程度的上升而急剧下降,重度干旱的蒸腾速率和气孔导度分别为(0.92±0.10) mmol·m-2·s-1和(66.0±21.7) mol·m-2·s-1,与对照、中度干旱皆有显著差异(p＜0.05)。同时,中度干旱条件的浙江楠水分利用率最高,为(5.99±0.68) μmol·mmol-1,表明其具有一定的抗旱能力。

2.2 干旱胁迫和复水对浙江楠叶绿素荧光特征的影响

随着干旱程度的上升,浙江楠叶绿素PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ实际光化学效率随之下降(表2),重度干旱条件下与对照、中度干旱皆有显著差异(p＜0.05),后两者差异不显著(p＞0.05);而光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数虽然趋势与上述两个参数类似,但在不同处理间都存在着差异显著性(p＜0.05)。叶绿素荧光特征与光合生理特征基本一致。

表1 浙江楠光合生理特征对干旱胁迫与复水条件的响应 Table1 Responses of photosynthetic characteristics of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

表2 浙江楠叶绿素荧光参数对干旱胁迫和复水的响应 Table2 Responses of Chlorophyll fluorescence parameters of P.chekiangensis to drought stress and water recovery conditions

2.3 干旱胁迫和复水对浙江楠抗氧化系统的影响

对照条件中,浙江楠叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性以对照条件的最高,随着干旱程度的加剧,SOD 活性显著下降,重度干旱条件的最低,两者有显著差异(p＜0.05),说明SOD 系统受到了破坏;过氧化氢酶(CAT)活性以中度干旱条件最高,与对照条件差异不显著且均值相近,与重度干旱条件有显著差异(p＜0.05),说明在重度干旱下会出现生理过程受抑制的现象;过氧化物酶(POD)与CAT 活性的情况类似,但均值以对照条件的最高,表现出随干旱程度上升而下降的趋势,重度干旱与对照、中度干旱条件皆有显著差异(p＜0.05)。因此,就3 种抗氧化酶而言,中度干旱处理对提升浙江楠叶片的抗逆能力有一定的积极作用,而重度干旱条件对其叶片3 种抗氧化酶有抑制影响。

2.4 干旱胁迫和复水对浙江楠根系生长的影响

浙江楠根总长的均值以中度干旱条件的最长,为43.7±3.1 cm,与对照条件差异不显著(p＞0.05) (图1),重度干旱条件的总根长为(35.6±3.2) cm,与中度干旱条件有显著差异(P＜0.05),表明中度干旱条件对浙江楠根系在拓展空间以寻找和吸收水分的能力上有一定的促进;根生物量以对照条件的植株最高,为16.9±2.5g,根生物量随着干旱程度的上升而下降,重度干旱与对照、中度干旱皆有显著差异(P＜0.05);根的相对生长速率与根生物量的趋势相同,表明重度干旱条件的浙江楠根系,特别是侧根的生长已经受阻;3 种条件的根半径互相之间都存在着显著差异,表明浙江楠的根系对水分条件的变化较敏感,干旱减缓了根系的生长,单位长度的根鲜质量下降明显。

3 讨论

图1 不同干旱复水处理中浙江楠的抗氧化酶系统 Figure1 Antioxidant enzyme system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

图2 不同干旱复水处理中浙江楠的根系 Figure2 Root system of P.chekiangensis under drought stress and water recovery conditions

植物处于最适环境(光照、温度和水)条件时往往表现出最大光合速率[11]。本试验的最大净光合速率表明,在对照条件下,由于土壤含水量长时间处于较高状态,浙江楠的光合生理最优,其叶绿素荧光参数亦佐证了这一试验结果,这与Ranney等[12]对水 分供应充足的白桦(Betula platyphylla)的光合、蒸腾和气孔行为的研究结论相符。而重度干旱严重影响浙江楠的生理进程,具体表现为蒸腾速率和气孔导度的显著下降,表明光合速率的下降是由气孔因素导致的[13]。重度干旱胁迫不仅对浙江楠的光适应特征、光合能力、水分利用效率的影响最大,还对其叶绿素荧光参数造成较大的影响。本试验的中度干旱条件下,浙江楠的PSⅡ原初光能转化效率和光化学猝灭系数均表现出不同程度的降低,表明其光合作用的光破坏防御机制已经启动,虽在光合速率上差异并不显著,但亦可说明从天线色素上捕获的光能用于光化学反应的份额在减少,PSII 反应中心的光化学活性亦已经开始弱化,PSII 反应中心累积的光能过剩,这与多数研究的规律相符[7,14,15]。水分利用效率是植物生理生化过程中消耗水固定CO2形成有机物质的基本效率[3,14],有研究[2]认为,干旱胁迫对植株水分状况及光合作用的影响最终表现在水分利用率上,Moles 等[14]发现较高的水分利用率可以帮助植物在干旱条件下维持较高的形态可塑性,同时PSII 光化学系统亦能达到最大效率。本试验发现重度干旱条件下的水分利用率与对照、中度干旱条件相比较,分别下降了29.6%和46.4%;而中度干旱条件下的浙江楠植株水分利用率最高,说明在中度干旱条件下水分利用水平和能量利用效率最高,这与野外斑块混交造林时观察的情况相符,对于适应造林环境具有很大的现实意义。因此,浙江楠通过自身形态、生理等方面的不断调整来适应环境中生态因子的变化,将其限制作用减小。

在不同生境中,植物会对生长、繁殖和维持生存等过程进行资源分配的权衡,使其各功能分配达到最佳状态[14,16]。研究表明,干旱胁迫导致根生物量、根半径减小,根长、根表面积和根冠比增加[3,10,17],当土壤含水量低于一定程度时,随着胁迫时间的持续,根系活力不足以维持生命而使植物不可逆转地彻底死亡[14]。本试验发现,对于主根系发达的浙江楠而言,虽然中度干旱条件下植株的根相对生长速率和根半径下降,适当的土壤水分含量如28.34±5.04%的干旱胁迫有利于其根系的生长发育,可增加其总根长的长度,根生物量亦下降不明显。因此,对于依赖于主根系生长进行水分吸收的浙江楠而言,中度干旱对浙江楠整个根系吸收功能的影响不大,亦表明根系形成不同分枝结构是树木适应环境的一种生存策略[18],即在根生物量较稳定的情况下,可促使浙江楠根系充分利用资源,拓宽其生态幅,通过减小根半径来增加根系与土壤的接触面积,从而提高根系对水分及其他矿物元素的吸收机会。

植物处于逆境时,体内的活性氧代谢会作出响应,SOD、POD 和CAT 的活性水平会发生变化[3,7,9],而当处于干旱胁迫时,会使植物失水而导致质膜受损[19]。本试验发现中度干旱条件下,SOD、POD 和CAT 未显著下降,CAT 均值还略有上升,表明浙江楠植株通过增加体内CAT活性来消除体内的活性氧;随着干旱程度的上升,重度干旱条件下的3 种保护酶均表现出显著下降,抗氧化酶已不能有效清除掉活性氧物质,此时的叶片光合能力大幅下降,超出了保护酶调节能力的限度,抗氧化酶受到损伤而使活性下降。因此,浙江楠具备一定的抗旱能力,抗氧化酶活性表明浙江楠可以在中度干旱环境中生存,一定范围内的干旱能刺激其抗氧化酶活性的提升,其器官组织受到的氧化损伤并不是不可修复;而重度干旱则会使用于光化学反应的能量大量下降,形成的活性氧物质使细胞膜系统严重受损。

对造林而言,如能在某生境类型中定植并且能够产生较高的生物量,说明该树种对此生境的适应性较高[20,21],该树种往往具有较强的繁殖能力及较高的适应能力[22]。浙江楠是喜光树种,1-3年生浙江楠植株以地下生长为主[8],在自然生长以主根系吸收水分为主,侧根是一种辅助和补充,这个时期对其主根系的发育和定植十分关键。由于中度干旱并不影响浙江楠的正常生长,甚至一定长度上能促进其生长,故在实际斑块化造林过程中,适度控制土壤含水量,有利于在不同树种斑块化混交配置应用中浙江楠造林的成活率和保存率。