地下空间拥挤程度对杉木幼苗根系内源有机酸的影响

林德城， 卢佳奥， 李 琦， 邹显花， 李 明， 吴鹏飞

(1.福建农林大学林学院；2.福建省杉木种质创新工程研究中心，福建 福州350002)

自然环境中，植物难免会遭受水淹、干旱、重金属、动物侵食、养分竞争等不同方式的逆境胁迫，它们会通过改变各种代谢途径对逆境做出响应，以延长生命周期[1].其中，植物根系分泌有机酸是一种重要的抗逆策略[2].研究表明，马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、荞麦(Fagopyrum esculen-tum)、白羽扇豆(Lupinus albus)、玉米(Zea mays)、油菜(Brassica napus)在土壤磷亏缺的情况下会主动分泌大量有机酸，当铁、钙等营养元素缺失时也会分泌有机酸，以螯合土壤中不易溶解的营养元素，从而转变为植物根系可直接吸收的有效态营养元素[3].在干旱胁迫下，通过施加一定浓度的水杨酸，不仅能有效缓解植物根系细胞膜的损伤，还能起到抗脱水作用[4].此外，植物根系产生的有机酸可有效缓解土壤铅、镉等重金属的毒害，且植物抗毒害能力随有机酸分泌量的增多而增强[5-6].因此，根系内源有机酸变化机理是植物抗性研究的重要方面.

杉木是我国南方重要速生用材树种，随着杉木经营技术的提升和小径材市场的火热，越来越多的林地出现了高密度栽植的现象.已有研究表明，高密度种植使植物地下空间拥挤程度增加，加剧了植物根系的竞争关系，进而影响了根际土壤理化性质.冯慧芳等[7-8]发现，高密度的大叶相思林(Acacia auriculiformis)的土壤有机质含量明显较高；随着樟树(Cinnamomum camphora)种植密度增大，其地下土壤营养成分含量会升高[9]；赵伟文等[10]发现，随着华北落叶松林(Larix principis-rupprechtii)密度增大，其土壤的有机质、全氮、全磷的含量呈先增多后减少的趋势.研究还发现，适度增大种植密度可显著提高玉米根系对非生物资源的利用率；但地下空间过度拥挤会抑制玉米根系下扎，导致单株产量以及氮、磷营养元素吸收效率明显下降[11].有关地下空间拥挤程度对杉木根系内源有机酸的影响尚未见报道.

本研究利用室内盆栽模拟地下空间的不同拥挤程度，分析不同生长时期以及不同拥挤程度下杉木根系内源有机酸种类及其含量的差异，旨在为进一步了解杉木培育过程中地下根系生长的调控机制提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

选择福建省洋口林场良种培育基地栽培的无性系杉木(洋-020)为研究对象，该品种具有生长快、材质优良、侧枝少、冠幅较窄等优良特点[12].试验幼苗生长期为18 个月，长势均一，生长良好，平均苗高为(19.8±0.4) cm，平均地径为(3.5±0.1) mm.

1.2 试验设计

在福建农林大学温室大棚中，采用2 种自制的玻璃盆栽装置(装置A:长10 cm、宽10 cm、高40 cm；装置B:长30 cm、宽30 cm、高40 cm)进行试验.设3 个程度的拥挤处理:(1)双株拥挤(装置A 内种植2 株杉木幼苗，种植距离为2.5 cm，图1A)；(2)双株宽敞(装置B 内种植2 株杉木幼苗，种植距离为10 cm，图1B)；(3)对照(装置B 内种植单株杉木幼苗，图1C).使用洗净的河砂作为试验苗培养基质，每盆培养基质质量为4.6 kg，对照和宽敞处理盆中砂子质量均为41.4 kg.每隔3 d 施50 mL Hoagland 全营养液；每天傍晚对每个盆栽施加50 mL 纯水以保证充足水分.分别于种植50、100、150 d 后对苗木进行破坏性收获.每个处理设置3 个重复.

1.3 有机酸测定

收获杉木幼苗后取新鲜的根尖部分(距根冠的长度小于2 cm)，使用Agilent-7890N 气相色谱仪测定其内源有机酸[13]，通过检测出的有机酸对应峰值、峰面积计算根系内源有机酸的种类和含量，同一装置中幼苗根系内源有机酸的含量取2 株的平均值.已有研究发现，草酸、苹果酸、柠檬酸是杉木根系分泌的主要有机酸成分，故本研究将其作为大量有机酸进行分析；辛酸、癸酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、亚油酸、山嵛酸、γ-亚麻酸、十五碳烯酸等8 种有机酸在植物根系内也经常被检出[4，6，13]，但含量较低，故本研究将其作为微量有机酸进行分析.

1.4 数据统计与分析

从拥挤程度和处理时间这两个因素出发，对不同处理条件下杉木幼苗根系内源有机酸含量的差异进行双因素方差分析(P=0.05)；若两者无显著叠加效应则进行单因素方差分析，采用LSD 多重比较方法进行检验(P=0.05).

利用SPSS 25.0 软件对试验数据进行统计分析，使用Origin Pro 8.5 软件作图，所有数据以平均值±标准误表示.

图1 不同拥挤程度处理的盆栽示意图Fig.1 Schematic diagram of potted plants with different crowding treatments

2 结果与分析

2.1 拥挤程度和处理时间对杉木幼苗根系内源有机酸种类的影响

从表1 可以看出，不同拥挤程度处理下杉木根系内共检测出9 种有机酸，未检测出γ-亚麻酸和十五碳烯酸.其中，癸酸仅在双株拥挤条件下处理第50 天时被检出；山嵛酸除了对照处理第50 天时未检测出外，其他处理条件下均被检出；其余7 种有机酸存在于各个处理的不同时期.

表1 不同拥挤程度下处理不同时间后杉木幼苗根系内源有机酸种类比较1)Table 1 Comparison of endogenous organic acids composition in the roots of Chinese fir seedling at different time durations and crowdness

2.2 拥挤程度和处理时间对杉木幼苗根系内源有机酸含量的双因素影响

双因素方差分析结果(表2)表明，拥挤程度和处理时间对草酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、辛酸、肉豆蔻酸、亚油酸含量的交互作用均不明显(P＞0.05)，而对山嵛酸含量的交互作用明显(P＜0.05).从单因素来看，拥挤程度对草酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、辛酸、肉豆蔻酸、亚油酸和山嵛酸含量的影响均达显著水平(P＜0.05)；而处理时间仅对柠檬酸含量的影响达显著水平(P＜0.05).

2.3 拥挤程度对杉木幼苗根系内源有机酸含量的影响

随着地下空间拥挤程度的增加，杉木幼苗根系内的大量有机酸(图2A～C)和微量有机酸(图2D～H)基本呈现增多的趋势.双株拥挤条件下处理第150 天时，草酸、苹果酸、柠檬酸含量分别达8.99、0.63、0.09 mg·g-1，分别比对照提高了116.1%、171.5%、175.4%；棕榈酸、辛酸、肉豆蔻酸、亚油酸、山嵛酸含量分别比对照提高了98.1%、182.4%、91.3%、315.3%、266.5%.双株宽敞与双株拥挤条件下，草酸、柠檬酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、亚油酸含量差异均不显著(P＞0.05).

表2 拥挤程度和处理时间对杉木幼苗根系内源有机酸含量影响的双因素方差分析1)Table 2 Two-factor ANOVA on the effects of crowding degree and time on the endogenous organic acid content in the roots of Chinese fir seedling

图2 拥挤程度对杉木幼苗根系内源有机酸含量的影响Fig.2 Effects on crowding degree on the contents of endogenous organic acids in the roots of Chinese fir seedling

2.4 处理时间对杉木幼苗根系内源有机酸含量的影响

在双株拥挤条件下，第150 天时柠檬酸含量显著低于第50 天时的含量(P＜0.05，图3C)，第100 天时的山嵛酸含量显著高于另外两个时间点的含量(P＜0.05，图3H)，其他有机酸含量均未达显著差异(P＞0.05，图3A～B、3D～G).可见，营养条件充足的情况下杉木幼苗根系内源有机酸含量与其生长时间的相关性不明显.

图3 处理时间对杉木内源有机酸含量的影响Fig.3 Effects of treatment time on the contents of endogenous organic acids in the roots of Chinese fir seedling

3 讨论

植物光合作用产生的有机酸分子可被根系的转运蛋白转运至根系，对植物固碳起到重要作用；同时，低分子质量有机酸如草酸、苹果酸、柠檬酸可为植物根际微生物群落提供重要的碳源，进而促进植株的生长[14].本研究发现，随着地下空间拥挤程度增加，杉木幼苗根系组织内草酸、柠檬酸和苹果酸等低分子质量有机酸含量明显增多.这类低分子质量有机酸能将土壤闭蓄态磷(Ca-P、Al-P、Fe-P)络合转化为能被植物所吸收的有效态磷，这对维持杉木人工林的长期生产力具有重要意义[15-16].此外，在狭小的地下空间内，杉木根系为争夺更多的空间，根冠比明显增大，有利于释放出更多的有机酸活化土壤磷，进而促进根系生长[13，17-18].但竞争关系中根系内源有机酸含量偏多时会对植物产生不利的影响，如棕榈酸、肉豆蔻酸能与其他酚酸类物质相互作用，干扰叶绿素的代谢过程，降低光合速率，抑制植株对养分离子的吸收[19-20]，同时会产生化感自毒效应，进而使群体生产力下降[20-21].本研究发现，随着地下空间拥挤程度增加，杉木幼苗根系内微量有机酸的含量也呈增加的趋势.但这些有机酸对杉木幼苗生长的影响还有待进一步研究.

在林木生产中，纯林的生产效益低于混交种植的生产效益:王延平等[22]认为，杨树(Populusspp.)纯林经营过程中，其根系持续释放有机酸类化感物质，可导致土壤肥力、活性下降，最终抑制杨树生长；郑郁善等[23]研究发现，杉木和毛竹(Phyllostachys heterocycla)混交能明显改良土壤肥力；石培礼等[24]研究发现，桤木(Alnus cremastogyne)和柏木(Cupressus funebris)混交林根系的镶嵌分布能避免植物对有限地下空间的强烈竞争；马尾松和红锥(Castanopsis hystrix)混交林根系的分泌物质能减缓自毒效应[25].因此，生产中可以利用混交种植手段减小杉木地下生长空间的压力，同时降低化感自毒效应，促进杉木的生长.

本研究还发现，除了柠檬酸和山嵛酸外，其他有机酸含量在不同处理时间之间均未达显著差异.这可能是由于根系内的有机酸具有一个代谢消耗的过程，随着杉木幼苗生长发育，其根系组织内的有机酸消耗将维持一定的限度[26-28].如今杉木人工林存在多代连栽的现象，导致地力衰退和土壤营养亏缺等问题，根系对此所做出的响应机制和不同种类有机酸对杉木生长的作用机理尚未完全明确，这将是今后的研究重点.