荒漠草原猪毛蒿的生长特征与稳定碳同位素间的关系

苏 莹， 陈 林， 李月飞， 孟文婷， 祝忠有， 袁 闯， 王诗雅， 朱 林*

(1. 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室， 宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地， 宁夏 银川 750021； 3. 宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021)

植物的稳定碳同位素组成(δ13C)反映了与植物光合、蒸腾强度相关联的水分利用率，指示着植物的长期水分利用效率[1]，其变化对于植物适应干旱环境具有非常重要的作用[2]。此外，荒漠植物的密度、株高、冠幅等生长指标也能反映其对干旱环境的响应[3]。陈拓等[4]对荒漠C3植物进行了研究，认为土壤水分与植物的稳定碳同位素值(可间接指示水分利用效率)存在密切的联系。袁亚鹏等[5]分析了黑河下游不同生境胡杨(Populuseuphratica)的叶片碳同位素组成特征，认为稳定碳同位素组成与干旱胁迫程度呈负相关关系，且δ13C与种群的密度的相关性不明显，但与枯枝比呈显著正相关关系。陈世苹等[6]研究了水分梯度下黄囊苔草(CarexkorshinskyiKom)碳同位素组成及其适应对策，认为不同生境下叶片δ13C值与土壤含水量、叶片含水率(Leaf Water Content)呈显著负相关关系；且具有较高δ13C值的黄囊苔草种群在群落中出现的频度和地上生物量都显著增加。许浩[7]等通过对宁夏柠条(Caraganakorshinskii)叶片碳同位素分析，表明柠条通过提高水分利用效率以适应干旱的环境。由此可见，植物种群通过改变其生长状况及水分利用效率，以适应不同的水分状况，使其具有较强的生态适应能力。

生态适应(Ecological Adaptation)指生命系统与环境系统之间进行信息传递和交换时，表现出的自我调节特征[8];也指生物与环境的和谐、协调，以利于其生存、繁衍，以及生物对环境压力的反应[9]，因此各种的适应现象最终都可归结为形态结构适应、生理适应和行为适应[10]。荒漠草原是一个典型且脆弱的生态过渡区，是西北部的绿色生态屏障，具有较高的经济价值和重要生态意义，且易受到气候变化与人类活动的影响[11]。由于该区降水量少，蒸发量大，因此水分成为植物生长的主要限制因素，影响植物的生长发育[12-13]。通常植物会调节自身的形态及生理特征，以适应这种干旱环境[14]。

猪毛蒿(Artemisiascoparia)，菊科蒿属，一、二年生或多年生草本植物；生长过程中，叶片逐渐退化，最终形成同化枝；气味浓烈；适应性强，分布广泛，是宁夏盐池县荒漠草原生态系统主要的优势种和建群种[15-16]。目前，有关猪毛蒿的研究主要集中在种子重量和萌发特性[17-18]、根系生长[19]、生物量分布[20]、种内和种间竞争[21]及化感作用[22-23]等方面，而有关荒漠草原猪毛蒿种群水分利用效率的研究较少。因此，本文以广泛分布于宁夏盐池县荒漠草原区的猪毛蒿为研究对象，通过野外调查，选取不同土壤水分条件下猪毛蒿的同化枝，利用稳定碳同位素法，试图回答以下问题：(1)在宁夏荒漠草原区，猪毛蒿同化枝的δ13C值与土壤水分间的关系；(2)猪毛蒿同化枝的δ13C值与种群数量特征间的关系；(3)猪毛蒿同化枝的δ13C值与个体生物量分配间的关系，旨在揭示猪毛蒿种群的生态适应性，可为宁夏荒漠草原区草场质量的改良提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏盐池县，北部与毛乌素沙地相连，东南部与黄土高原相连，地势南高北低。气候属典型的中温带大陆性气候，年均气温3.5℃，年降雨量280 mm，主要集中在7～9月，年蒸发量2 710 mm。土壤类型以风沙土为主，此外还分布着少量的风化基岩残积土和灰钙土。植被类型以荒漠植被为主，主要有猪毛蒿(A.scoparia)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、猪毛菜(Salsolacollina)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨状黄芪(Astragalusmelilotoides)和阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等[24]。

1.2 实验设计

在宁夏吴忠市盐池县荒漠草原区选取38个猪毛蒿群落样地进行采样，采集对象为当年春萌苗生长的植株，分布范围为37°26′49″～37°57′53″ N，106°40′52″～107°39′23″ E，海拔1 320～1 534 m(图1)。采样点均选择在开阔、平坦的地区，以保证生长环境中有充足的光照。所有样品于2017年9月下旬至10月初进行采集。先用手持GPS定位，记录采样点的经度、纬度和海拔，共设置38个样地，然后在各样地设置5个1×1 m的样方，样方间距至少5 m。每个样方中，统计猪毛蒿的个体数量，并随机选取生长健康、没有人为干扰和病虫害影响的个体，测量株高、冠幅后，连根挖起备用，尽量保证根部完整，每个样方随机选取3株猪毛蒿样品，共取样190个。盖度测量采用目测估算法。密度为实际测量值。此外，采用便携式土壤水分速测仪测量各样方中的土壤体积含水率(%)，采用数显式土壤紧实度仪(USA，SC-900)测量土壤硬度(kPa)。

图1 样点示意图Fig.1 Sample plot

将采集的猪毛蒿样品洗净后，及时带回实验室放入烘箱105℃杀青30 min，并65℃烘干至恒重。烘干后，把植株分为根、茎和头状花序三部分，分别用0.0001 g电子天平分别称出各部分的重量。

由于在猪毛蒿生长的中后期，叶片退化形成同化枝，且同化枝生物量占据优势地位，在其整个群落初级生产力的构成中作用明显。因此，将烘干后的猪毛蒿同化枝分离出来，各样方中的3个重复混合、研磨，过60目筛制成供试样品。稳定碳同位素组成采用Flash 2000 EA-HT元素分析仪(Elemental Analyzer)与Delta V Advantage气体稳定同位素质谱仪(Isotope Ratio Mass Spectrometer)联用测定，样品在元素分析仪中高温燃烧后生成CO2，质谱仪通过检测CO2的13C与12C比率，并与国际标准物(Pee Dee Belnite)比对后计算出样品的δ13C组成值，根据下列公式进行计算:

δ13C(‰) = [(13C /12C)sample/ (13C /12C)standard-1] ×1000‰

(13C /12C)sample表示样品的重轻同位素丰度比，(13C /12C)standard表示标准样品的重轻同位素丰度比。整个测量误差不超过0.1‰。

1.3 数据处理

繁殖器官生物量(Reproductive organ biomass)=头状花序生物量

营养器官生物量(Vegetative organ biomas)=根生物量+茎生物量

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，绘制稳定碳同位素组成与各指标散点图；采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析、显著性检验及相关分析，数据结果用平均值±标准差表示；采用OriginPro 2017软件绘制稳定碳同位素组成分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤体积含水率、土壤硬度及猪毛蒿δ13C值的分布情况

如表1所示，研究区内各采样点的土壤体积含水率平均值为8.362±2.578%。其中第12，14，15，35，37和38号的土壤体积含水率较大，分别为11.040±0.842%，11.587±0.239%，10.580±1.753%，11.893±1.680%，18.827±3.065%和10.207±1.052%。土壤硬度的平均值为1648.054±790.593 kPa，其中第23号的土壤硬度值最大，为3024.800±398.027 kPa，第33号的土壤硬度值最小，为722.000±472.865 kPa。由图2可知，研究区内猪毛蒿稳定碳同位素组成分布在-25‰～-30‰，其中主要集中在—29 ‰ ～ —26.5 ‰，平均值为—27.79 ‰。

2.2 猪毛蒿生长特征与δ13C间的关系

植物的种群数量特征是对环境响应的结果，主要通过密度、盖度、株高及冠幅等表现出来[25]。将δ13C与各生长指标进行线性拟合，如图3所示，δ13C与密度呈显著负相关关系，拟合方程为y=—0.0006x—27.658(R2=0.036，P<0.05)。而δ13C与盖度、株高和冠幅均为极显著正相关关系，拟合方程分别为：y=0.0119x—28.198(R2=0.106，P<0.01)，y=0.0224x—28.344(R2=0.175，P<0.01)，y=0.0005x—28.004(R2=0.170，P<0.01)。

表1 各样点土壤体积含水率和土壤硬度Table 1 Soil volume moisture content and soil hardness at different plots

图2 各样点猪毛蒿同化枝δ13C值频率分布Fig.2 The distribution of δ13C values of Artemisia scoparia

2.3 猪毛蒿生物量分配与δ13C间的关系

将猪毛蒿的稳定碳同位素组成与生物量分配进行线性拟合(图4)，可知：δ13C值与地上生物量、地下生物量、繁殖器官生物量、营养器官生物量和总生物量的线性拟合方程分别为：y =0.017x—27.915(R2=0.177，P<0.01)；y=0.138x—27.918(R2=0.150，P<0.01)，y=0.032x—27.908(R2=0.167，P<0.01)，y=0.029x—27.92(R2=0.179，P<0.01)，y=0.016x—27.916(R2=0.175，P<0.01)。

2.4 土壤因子、猪毛蒿种群数量特征、个体生物量分配与δ13C间的关系

荒漠草原猪毛蒿的δ13C值、种群数量特征与个体生物量分配间的相关性表明(表2)，δ13C与盖度、株高、冠幅、营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与密度极显著负相关(P<0.01)。盖度与株高、冠幅、营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量呈极显著正相关(P<0.01)。密度与营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量和总生物量呈极显著负相关(P<0.01)，与地下生物量呈显著负相关(P<0.05)。株高与冠幅、营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量为极显著正相关(P<0.01)，冠幅与营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，营养器官生物量与繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，繁殖器官生物量与地上生物量、地下生物量和总生物量为极显著正相关(P<0.01)，地上生物量与地下生物量和总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，地下生物量与总生物量为极显著正相关(P<0.01)。

图3 猪毛蒿同化枝δ13C值与种群数量特征间的关系Fig.3 Relationship between δ13C value and quantitative characteristics of population of Artemisia scoparia注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。下同Note:* and** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 level,respectively. The same as below

图4 猪毛蒿同化枝δ13C值与个体生物量分配间的关系Fig.4 The relationship between δ13C value of assimilation branch and distribution of individual biomass ofArtemisia scoparia

土壤体积含水率与δ13C未达到显著水平，且与猪毛蒿种群数量特征及个体生物量均未达显著水平。土壤硬度与盖度呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与其他指标则相关性不显著。

表2 土壤因子、猪毛蒿稳定碳同位素组成、生长指标和生物量分配间的相关性Table 2 Correlation among the soil factors,δ13C values,growth index and biomass allocation of Artemisia scoparia

注：δ13C：稳定碳同位素组成；C：盖度；D：密度；H：株高；CW：冠幅；VB：营养器官生物量；RB：繁殖器官生物量；AB：地上生物量；UB：地下生物量；TB：总生物量；SW：土壤体积含水率；SH：土壤硬度

Note:δ13C:Stable carbon isotope composition;C:Coverage;D:Density;H:High;CW:Crown width;VB:Vegetative organ biomass;RB:Reproductive organ biomass;AB:Aboveground biomass;UB:Underground biomass;TB:Total biomass;SW:Soil volumetric water content;SH:Soil hardness

3 讨论

稳定碳同位素组成是研究植物生理生态学特性的重要方法[26-27]。稳定碳同位素组成可以表征植物叶片的气孔导度对环境因子的响应状况，也能反映植物对资源的利用程度及其对环境变化的响应程度[28]。潘佳[29]、刘莹[30]和孙慧玲[31]等的研究，认为植物的稳定碳同位素组成(δ13C)与水分利用效率呈正相关关系。因此，植物的δ13C值能很好地反映水分利用效率。此外，为适应荒漠草原的干旱环境，植物通过调节体内的机能，以提高水分利用效率[32]。本研究表明，猪毛蒿同化枝的δ13C值分布为—29.76‰～—25.10‰，平均值为—27.79 ‰，高于全球范围调查的植物δ13C平均值(—28.74‰)[33]。这是由于该区的降水稀少，且土壤含水率较低，植物为减少蒸发，会降低气孔导度，从而使得叶片内部的CO2浓度降低，且对CO2的识别能力也会降低，最终导致叶片δ13C值升高，因叶片δ13C值与水分利用效率(Water use efficiency)呈正相关关系，因此叶片的水分利用效率升高。本地区为荒漠区，降水少，猪毛蒿叶片(或同化枝)δ13C值升高，间接表明猪毛蒿提高了水分利用效率，可有效应对水分这个限制因子带来的生理胁迫，最终形成独特的干旱区生态适应机制。此外，陈拓等[34]的研究发现，植物的δ13C随土壤水分的增加而增加。刘莹等[30]的研究则认为，白羊草的δ13C与土壤水分呈负相关。而本研究则得出土壤水分、土壤硬度与猪毛蒿δ13C间的关系未达到显著水平的结论，这可能由于该区气候干旱，土壤沙化严重，且采样区域较小，因此使得土壤水分及土壤硬度的差异较少，故土壤水分及硬度对猪毛蒿δ13C的影响不显著。此外，土壤养分及其他物理性质也会对猪毛蒿δ13C产生影响，这将在后续的研究中进一步分析。

荒漠草原区，植物为适应干旱的环境，会改变植物形态、生物量分配格局等，以形成独特的适应策略[35]。姚小兰等[35]对桢楠(Phoebezhennan)幼苗的研究发现，随着干旱胁迫程度的增加，桢楠苗木株高会受到抑制。张腊梅等[36]研究了科尔沁固定沙地植被特征，认为降水的变化会影响植物种群的高度、盖度和密度等。王小东[37]的研究发现，水分添加会提高荒漠植物的密度、盖度、地上生物量和物种多样性。本研究认为，猪毛蒿δ13C与种群密度呈显著负相关关系，与盖度、株高和冠幅均为极显著正相关关系，即δ13C值越大，种群密度越小，而猪毛蒿的种群盖度、株高和冠幅则越大。这可能是受种内竞争效应的影响[38-39]，当种群密度较小时，种内竞争也较小，故猪毛蒿能够充分利用有限的水分，促进植株纵向和横向发展，使其株高和冠幅较大。而当植株个体较大时，会产生一定的遮阴效应，导致猪毛蒿的气孔导度增大，从而降低δ13C值和水分利用效率。

生物量能反映植株的生长状态。生物量分配是植物生长与发育过程中，不同器官中能量积累的比例，是生殖生长和营养生长平衡的结果[40]，也是植物适应环境的重要策略[41]。研究表明[42]，当环境适宜时，植株趋于营养生长；当环境不适时，植株趋于繁殖生长。本研究中，猪毛蒿同化枝δ13C值与繁殖器官生物量、营养器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量均为极显著正相关关系，即消耗一定的土壤水分时，当猪毛蒿的生物量越高，δ13C值也越大，因此水分利用效率相应也会提高。且猪毛蒿营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量间均为极显著负相关关系。这与Zhang等[43]的研究结论一致，即植物的营养构件和繁殖构件资源存在“此消彼长”的关系。因此，猪毛蒿对于营养与繁殖器官能量分配存在差异，主要趋于繁殖器官分配(图4)。正是猪毛蒿这种独特的适应策略，才能适应干旱少雨的荒漠环境。此外，植株种群数量特征对生物量分配的影响不同。盖度、株高与营养器官生物量、繁殖器官生物量、地上生物量、地下生物量和总生物量为极显著正相关，而密度、冠幅与其则为负相关关系，这可能与种内竞争效应有关[44]。当种群密度较多时，种内竞争加强，植物个体的生物量减少，对于生物量的分配也相应地减少。

因此，种群数量特征、个体生物量分配对于猪毛蒿同化枝δ13C值的影响较大。而由于研究区内土壤水分和土壤硬度的差异较小，对于猪毛蒿同化枝δ13C值的影响也较小。

4 结论

研究区内，土壤水分、土壤硬度与猪毛蒿同化枝δ13C间的关系不显著。猪毛蒿同化枝δ13C值与种群数量特征及个体生物量分配间的关系密切，这表明为了适应水分短缺的环境，猪毛蒿同化枝δ13C值升高，提高水分利用效率；此外，猪毛蒿种群数量特征和个体生物量分配也会发生相应的变化，以有效应对水分的胁迫，最终形成独特的干旱区生态适应机制。正是由于猪毛蒿这种独特的适应能力，才能维持其在荒漠草原区的优势地位。