藏东南高寒草甸两种嵩草根系导管解剖结构对生境干旱化的响应

杨春娇，韩雨圳，李忠馗，张大才，王洪斌，栗宏林

（西南林业大学西南地区生物多样性保育国家林业和草原局重点实验室，云南昆明 650224）

水分是影响植物生存的主要因素，导管直接参与植物体内水分和无机盐的输导，是最直接感知水分条件变化的器官［1］。多项研究表明，不同气候条件、水分状况均可影响植物导管的特征，使其结构发生变化，以更好地适应生境，因而导管分子结构具有一定的可塑性［2］。干旱胁迫对植物根系导管形态解剖结构的影响是多方面的，导管对干旱的反应主要体现在它们对水分输导的有效性和安全性上［3-4］。在广大学者对导管生态解剖与其功能适应性的研究中，有侧重于导管输导效率的研究，认为导管直径与输导效率存在密切关系，大直径导管运输阻力小，输导水分的能力强，输导效率高［5］。很多植物在遭遇干旱胁迫时会增大导管直径，采取提高输导效率这一策略增强耐旱性。从烟台到吐鲁番自然梯度干旱生境下酸枣（Ziziphusjujuba）根系导管直径逐渐增大就是提高水分输导效率以适应生境干旱化［6］。根部导管直径大的黄柳（Salix gordejevii）较直径小的小红柳（Salix microstachya）耐旱性更强，也具有输导效率高的优势［7］。因而管腔的大小常常被作为评价导管水分输导效率的指标。

此外，也有侧重于导管输导安全性的研究，认为直径较小、密度较大、管壁较厚的导管抗负压能力强，不易受损，水分输导安全性高，有利于适应干旱生境［8］。天然干旱区生长的梭梭（Haloxylon ammodendron）、无叶假木贼（Anabasis aphylla）两种荒漠植物的导管直径较水分适宜的人工栽培林的导管直径小，管壁厚［9］。耐旱性较强的春小麦（Triticum aestivum）品种随着干旱胁迫程度的加剧其导管呈现出直径减小，数量增多的特征［10］。生长在干旱区的台湾水青冈（Fagus hayatae）和米心水青冈（Fagus engleriana）居群也比生长在湿润区的居群导管直径小［11］。可见，导管分子适应生境变化的过程与植物自身的生态学特性有关，不同植物根系导管结构响应干旱胁迫的策略不同［12］。有的植物趋向于提高水分输导效率以增强耐旱性，有的植物趋向于增强水分输导安全性以适应干旱生境，输导效率和输导安全性哪一策略更有利于植物适应干旱生境？两者在抗旱过程中能否兼得？

矮生嵩草（Kobresia humilis）和大花嵩草（Kobresia macrantha）是莎草科（Cyperaceae）嵩草属（Kobresia）多年生草本植物，主要分布于我国青藏高原［13］，是高寒草甸耐旱、耐寒、耐贫瘠植物的典型代表，也是高寒草甸的优势种和建群种［14］。经过多年的研究与调查发现，在高寒草甸生境干旱化过程中，矮生嵩草和大花嵩草盖度随土壤水分梯度具有不同的分布规律。大花嵩草盖度随土壤含水率的升高而增大，矮生嵩草盖度随土壤含水率升高呈单峰曲线格局，在半湿润生境中的最大。盖度提供了植物适应生态环境变化过程相关的重要信息，其在判断物种对生境的适应性方面具有重要的指示作用［15］。一般认为种群盖度越高的生境，越适宜该种植物生长［16］。矮生嵩草盖度最高的生境，其土壤含水率低于大花嵩草盖度最高的生境，因此矮生嵩草耐旱性更强，大花嵩草更喜欢湿润生境，耐旱性较弱，二者为对水分要求不同的生态类型［17］。本研究鉴于两者对土壤水分的依赖程度不同，耐旱能力和机制可能存在差异，分析两者导管结构沿土壤水分梯度的变化是否具有相异性？二者导管结构对生境干旱化的适应特征趋向于提高水分输导效率，还是输导安全性？哪些导管结构对两个种的耐旱性贡献更大？

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏昌都市左贡县东达山垭口附近的高寒草甸，植物群落以矮生嵩草、大花嵩草等嵩草属植物为优势种。地理坐标为29°71′94″N，98°04′53″E，海拔5000 m左右。年平均气温低，降水分布不均匀，夏季降水集中，冬春季气候干燥寒冷。研究区域小地形呈类似凹形，山间沟谷地形平坦，溪流纵贯，地表有积水或湿润［18］。高寒草甸分布于沟谷平坦处，并沿坡面分布于中下坡位。坡面中部为灌丛，是高寒草甸分布的边缘，坡面上部为流石滩。从沟谷溪边沿山坡斜升，生境趋于干旱化，形成自然的土壤水分梯度［19］。

1.2 样方设置与调查

按土壤水分梯度，从高寒草甸分布边缘至谷底溪边设置6个5 m×5 m样方，S1～S6样方土壤含水率逐渐升高。第1、2个样方地表干燥，生境干旱；第3、4个样方地表较湿润，但土壤受压不会渗出水分，为半湿润生境；第5、6个样方土壤表面湿润，用手指按压地表将渗出水分，生境湿润。用TS-TW土壤温湿度测定仪在样方内随机取5处样点测量土壤含水率，取平均值作为该样方的土壤含水率。调查记录每个样方的海拔、地形、地理坐标、优势种等信息（表1）。每个样方内选择4个1 m×1 m的小样方，使用数码相机以镜头垂直于地面进行拍摄获取图像，采用图像法分别测定矮生嵩草和大花嵩草盖度。

表1 样方信息表Table 1 Information of sample plots

1.3 材料采集和实验设计

实验材料采集于2019年8月，每个水分梯度随机采集矮生嵩草和大花嵩草植株，用剪刀剪取一年生根若干，放入备好的FAA（formaldehyde-acetic acid-ethanol fixative）固定液（70%乙醇∶冰醋酸∶甲醛=90∶5∶5）中保存。每次实验分别选择矮生嵩草和大花嵩草一年生根5根，实验共3次重复，每个种每个梯度共15条根，15张切片（表2）。

表2 实验设计Table 2 Design of exper iment

1.4 石蜡切片法

石蜡切片实验总历时5个月（2019-09-2020-01）。采回材料后，从固定液中取出材料，截取根基部长约1 cm的根段，用50%酒精洗涤。经20%、35%、55%、75%系列浓度叔丁醇-乙醇溶液脱水，每级脱水1.5 h。脱水后用100%叔丁醇透明，共透明9 h，期间每3 h换一次叔丁醇。透明结束后立即浸蜡，将材料浸于纯石蜡中，放置在65℃烘箱中浸润3～4 d。浸蜡后用KD-BM II型石蜡包埋机将材料包入石蜡中，用LEICA RM 2145型手动旋转切片机切片，切片厚度为8～10μm。切片在40℃烤片机或烘箱中烘干，再用番红固绿对染5 min，树胶封片［20］。

1.5 显微观察与测量

用LEICA DM 500显微镜观察切片、LAS V 4.4软件拍照。用ImageJ软件测量管腔面积（s，μm2）、导管直径（d，μm）、管壁厚度（th，μm）、根横切面面积（a，mm2），计数整个横切面上导管数量（n）。计算水力直径（dh，μm）、加固系数（cwr）、导管平均直径（d-，μm）、导管密度（p，n·mm-2）。管腔面积、导管平均直径、水力直径用于评价导管输导效率［5］，管壁厚度、加固系数、导管密度用于评价导管输导安全性［8］。矮生嵩草和大花嵩草导管结构、各指标的测量和计算方法如下（图1和表3）。

表3 导管结构参数测量方法与数据量Table 3 M easur ement method and data quantity of vessel str uctur es var iables

图1 矮生嵩草和大花嵩草根中柱横切面解剖图Fig.1 Anatomic graph of the middle column，root cross section of K.humilis and K.macrantha

1.6 导管大小径级划分

矮生嵩草导管最小直径为3.54μm，最大直径为28.31μm。95%的导管直径集中在5～23μm之间，差值为18μm，按6μm间隔均分为3个径级，加上超窄与超宽导管共5个径级：1）超窄导管，直径<5μm；2）窄导管，5～11μm；3）中型导管，11～17μm；4）宽导管，17～23μm；5）超宽导管，直径>23μm。同理，大花嵩草最小直径为5.72μm，最大直径为63.85μm。95%的导管直径在10～34μm之间，差值为24μm，按8μm间隔均分为3个径级，加上超窄与超宽导管共5个径级：1）超窄导管，直径<10μm；2）窄导管，10～18μm；3）中型导管，18～26μm；4）宽导管，26～34μm；5）超宽导管，直径>34μm。计算不同径级导管数量百分比，用Origin 2017绘制径级百分比堆积图，分析两个物种导管径级结构随土壤水分的变化规律，探讨径级结构对水分输导安全性和水分输导效率的动态调节能力。

1.7 数据分析

用SPSS 25.0分析导管结构与土壤含水率及群落盖度之间的相关性，判断哪些导管结构受土壤水分变化的影响较显著。对矮生嵩草和大花嵩草导管结构指标参数进行主成分分析［22］，得到原始数据相关矩阵的特征值、方差贡献率、累计方差贡献率、荷载矩阵。提取特征值大于1.00的因子作为主成分因子，确定主成分数量。以每个主成分所对应的特征值为权数，根据主成分表达式F=（λ1F1+λ2F2+λ3F3）/（λ1+λ2+λ3）［23］，计算综合评价模型F。对综合模型中各因子的系数进行排序，系数大的确定为主成分，筛选出对两个物种耐旱性贡献率最大的指标。用Origin 2017绘制导管各结构随土壤水分变化折线图，比较分析两个物种导管结构随土壤水分的变化规律，理解两种嵩草适应水分胁迫的生态对策。

2 结果与分析

2.1 两种嵩草导管结构与土壤含水率及群落盖度之间的关系

矮生嵩草盖度随土壤含水率升高呈先增加后减小的变化趋势，在土壤含水率为42.9%的半湿润生境中盖度最高；大花嵩草盖度随土壤水分升高而增加，土壤含水率越高，盖度越大（图2）。

图2 两种嵩草盖度随土壤含水率的变化Fig.2 The var iation of coverage of two Kobresia species along a gradient of soil water content

土壤含水率与矮生嵩草管壁厚度呈显著负相关，与导管密度呈显著正相关；盖度与管壁厚度、加固系数、管腔面积呈显著负相关，与导管密度呈显著正相关（P<0.01）。大花嵩草导管结构与土壤含水率、盖度之间的相关性基本一致，其中，与管壁厚度、加固系数呈显著负相关关系，与管腔面积、导管平均直径呈显著正相关关系（P<0.01）（表4）。

表4 两种嵩草植物根系导管结构与土壤含水率及其群落盖度之间的相关关系Table 4 Correlation between root vessel structure and community coverage or soil water content for two Kobresia species

2.2 土壤水分对两种嵩草根系导管结构的影响

2.2.1 输导效率 对于衡量输导效率的3个指标参数，大花嵩草的数值在所有生境中均极显著大于矮生嵩草（P<0.01），接近矮生嵩草的2倍，两者管腔面积分别在200～350μm2和75～150μm2之间；大花嵩草管腔面积随土壤含水率升高呈增大趋势，矮生嵩草管腔面积在1～5号样方中变化不显著，但在6号样方（最湿润生境）中显著减小（图3A）。两者导管平均直径、水力直径随土壤水分梯度的变化趋势几乎相反，大花嵩草导管平均直径和水力直径分别在20～24μm、22～26μm之间，矮生嵩草导管平均直径和水力直径分别在9～13 μm、12～18μm之间（图3B，C）。大花嵩草3个指标参数均在最干旱生境（22.4%）最小，矮生嵩草3个指标参数均在最湿润生境（58.7%）最小（图3）。

图3 矮生嵩草和大花嵩草管腔面积、导管平均直径、水力直径随土壤水分梯度的变化规律Fig.3 Variations of lumen area，aver age diameter of vessel and hydraulic diameter of K.humilis and K.macrantha with soil water gradient

2.2.2 输导安全性 矮生嵩草和大花嵩草管壁厚度随土壤含水率增加整体呈减小趋势（图4A）。两者加固系数的变化趋势不同，矮生嵩草加固系数在土壤含水率为42.9%生境最小，干旱和湿润条件下均显著增大；大花嵩草加固系数随土壤含水率增加而显著减小。两者相比，矮生嵩草导管加固系数极显著大于大花嵩草（P<0.01），是大花嵩草的2～5倍（图4B）。两者导管密度随土壤含水率的变化趋势相反，且矮生嵩草导管密度显著大于大花嵩草（P<0.05）；矮生嵩草导管密度随土壤含水率增加而增大，大花嵩草导管密度随土壤含水率增加呈减小趋势，但差异不显著（P>0.05）（图4C）。

图4 矮生嵩草和大花嵩草管壁厚度、导管加固系数、导管密度随土壤水分梯度的变化规律Fig.4 Variations of wall thickness，coefficient reinforcement and vessel density of K.humilis and K.macrantha with soil water gradient

2.3 导管径级结构随土壤水分梯度的变化

随土壤水分增加，矮生嵩草超窄导管、窄导管和宽导管占比均增加，中型导管占比减小。所有生境中接近90%的导管为窄导管和中型导管，两者比例相当，导管直径向两级扩张的动态调节能力较强。大花嵩草窄导管占比随土壤水分升高呈减小趋势，中型导管占比呈增加趋势，宽导管和超宽导管变化趋势不明显。所有生境中，中型导管占比均大于50%，占比始终最高，径级结构较为集中，导管直径向两级扩张的可塑性较小，动态调节能力较弱（图5）。

图5 矮生嵩草和大花嵩草导管径级分布Fig.5 Distr ibution of vessel diameter classes of K.humilis and K.macrantha

2.4 两种嵩草根导管耐旱结构的筛选

矮生嵩草第1主成分的贡献率为55.17%，所反映的信息量最多，第2主成分贡献率为24.76%，两者的累积贡献率达到79.93%，可以确定前两种成分为主成分。F1中管壁厚度、导管加固系数、导管密度具有较高荷载，反映矮生嵩草水分输导安全性方面的信息。F2中管腔面积、导管平均直径的荷载较高，反映矮生嵩草水分输导效率方面的信息。根据主成分的因子荷载及特征值计算综合模型并排序，得到对矮生嵩草耐旱性贡献最大的两个导管结构是导管密度和管壁厚度（表5）。

大花嵩草3个主成分贡献率分别为37.18%、26.56%、21.61%，累计贡献率为85.35%。因此，3个主成分可以代替原始所有指标的绝大部分耐旱信息。F1中管腔面积和导管平均直径具有较高荷载，主要反映大花嵩草水分输导效率方面的信息。F2中管壁厚度和导管加固系数具有较高荷载，主要反映大花嵩草水分输导安全性方面的信息。F3中导管密度荷载较高，导管密度大既有利于水分输导效率的提高，也有利于水分输导安全性的提高。根据主成分的因子荷载及特征值计算综合模型并排序，得到对大花嵩草耐旱性贡献最大的3个导管结构是导管平均直径、管壁厚度和管腔面积（表5）。

表5 两种嵩草导管结构的主成分特征向量、贡献率及因子排序Table 5 Eigenvector s and contr ibution r ates of pr incipal components in vessel str uctures of K.humilis and K.macrantha

3 讨论

3.1 矮生嵩草和大花嵩草导管水分输导效率比较分析

矮生嵩草盖度在半湿润生境中最大，大花嵩草盖度随土壤水分升高而增大（图2），说明矮生嵩草对水分的依赖程度低于大花嵩草，具有更强的耐旱性，大花嵩草则更喜湿润生境，耐旱性较弱。两者受土壤水分显著影响的导管结构不同（表4），其适应水分变化的策略也可能不同。

从两种植物导管管腔大小随土壤含水率变化趋势的角度来看，矮生嵩草管腔面积和直径在土壤含水率最高（58.7%）的生境显著小于其他生境，大花嵩草则在土壤含水率最低（22.4%）的生境最小（图3）。有关木质部结构与导水率方面的研究结果证明，直径是影响水分在导管中输导效率的主要因素，导管直径越大，运输水分的能力越强，有利于植物适应干旱生境［24-25］。土壤含水率低于50%时，矮生嵩草管腔面积和导管直径增大，提高输导效率，增强耐旱能力。土壤含水率为58.7%的生境矮生嵩草管腔面积和直径减小，降低了水分输导效率，体现其不喜水分过多的特点。这与刘冠志等［7］对黄柳和小红柳导管形态特征的生态适应性研究结果一致。相反，土壤含水率为22.4%生境大花嵩草导管直径显著减小，可能是为了增强输水安全性而做出的策略性变化。从两种植物间比较的角度来看，大花嵩草管腔面积、导管直径和水力直径在所有生境中都显著大于矮生嵩草，甚至是矮生嵩草的2倍（图3）。有研究表明导管直径增大一倍，输水能力可以呈指数增长［26］，这个结果凸显了大花嵩草输导效率远高于矮生嵩草的特点。即使干旱条件下管腔面积和直径有所减小，其水分输导效率也高于矮生嵩草。大花嵩草导管结构的主成分分析结果表明，导管平均直径、管壁厚度、管腔面积对大花嵩草耐旱能力的贡献较大（表5），主要反映输导效率方面的信息，符合大花嵩草输导效率高的特点，最能代表大花嵩草导管对干旱生境的适应特征。

3.2 矮生嵩草和大花嵩草导管水分输导安全性比较分析

管壁厚度和加固系数与导管水分输导安全性有密切关系，随土壤含水率降低，矮生嵩草和大花嵩草管壁逐渐增厚（图4A），说明二者在这一结构上存在共性。管壁增厚不仅增强了导管分子的抗负压能力和木质部输导组织的机械支持力，同时增加管内水分内聚力，减少产生气泡的危险，防止栓塞化的发生，从而提高植物的耐旱能力［27］。二者在导管加固系数上又有很大区别，矮生嵩草加固系数在土壤含水率为42.9%的半湿润生境下最小（图4B），而盖度在此生境最大（图2），说明半湿润生境是其生长的最适宜生境。随着土壤含水率在42.9%前后降低或增加，矮生嵩草加固系数均显著增大，而盖度有所降低，说明干旱和湿润生境对矮生嵩草的生长都造成胁迫，从而增加导管的输导安全性以更好地适应生境。大花嵩草加固系数随土壤含水率降低而增大，也是增强干旱条件下导管水分输导安全性的表现。两者相比，矮生嵩草导管直径小，管壁厚，导管加固系数达到大花嵩草的2倍以上。根据管壁厚度与导管直径的关系，管壁越厚，直径越小，导管加固性能越大，输导安全性越高［28］。这一特点凸显了矮生嵩草根系导管在生境干旱化过程中水分输导的安全性高。而大花嵩草管壁的增厚幅度远没有直径的增大程度大，导致导管加固性能没有矮生嵩草强。所以，在遭遇干旱胁迫时，大花嵩草的大直径导管并不能安全的发挥其输导效率高的特点，反而容易遭到破坏，导致耐旱性降低［29-30］。

导管密度也是影响根系水分输导安全性的重要因素之一，密度大既能增强根系的机械支撑能力，又能避免因部分导管堵塞而导致整个输导系统丧失功能，一定程度上保证了水分输导的安全性［31］。矮生嵩草作为耐旱性更强的植物，其导管密度随土壤水分增加而增加，增强了其在湿润环境中的机械支持力，正是其适应生境的一种表现。其次，在两物种间，矮生嵩草导管密度显著高于大花嵩草（图4C），密度上的优势也凸显了矮生嵩草输导安全性高于大花嵩草。导管密度和管壁厚度对矮生嵩草耐旱能力的贡献较大（表5），也符合矮生嵩草水分输导安全性高的特点。导管密度在达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）根解剖结构与耐旱性关系的研究中也作为评价植物耐旱能力的典型指标，认为密度越大，植物的耐旱能力越强［32］；张翠梅等［33］对不同耐旱性苜蓿（Medicago sativa）品种根系解剖结构的研究也表明，耐旱性较强的品种其导管密度更大，这可能就是矮生嵩草耐旱性更强的一个原因。通过对两者耐旱能力及导管结构特征的对比分析，发现在遭遇干旱胁迫时，首先保证输导安全性比输导效率更为重要。

3.3 径级结构的动态调节能力

导管直径决定着水分运输通道的大小，直径的宽窄多用来说明输导效率的高低。相对的，窄直径导管输导效率低，但其不易受损、不易发生栓塞的特点使得输导安全性高［34-35］。对于同一导管，其输导安全性与输导效率之间存在一种权衡关系，如果宽窄导管并存，一定程度上能更好地协调输导效率和输导安全性的平衡［36］。从径级结构上来看，矮生嵩草窄导管和中型导管的占比相近（图5A），导管直径向两级延伸的可塑性较强，动态调整能力强，对输导效率和输导安全性的协调作用强于大花嵩草，这可能也是矮生嵩草耐旱性强于大花嵩草的原因之一。楚光明等［37］对3种荒漠植物根系导管径级结构的研究表明，超耐旱植物无叶假木贼单位面积的窄导管数量要比其他两种植物更多，宽导管更少，具有更强的耐旱性，本研究结果与之相似。在对大花嵩草的径级划分中，大花嵩草在所有生境中均为中型导管占比最高（图5B），导管直径整体偏大，径级结构较为集中，动态调整能力弱，不能有效地协调输导效率和输导安全性的平衡，仍然表现为在输导效率方面的优势明显。不同物种的导管径级结构不同，对水分输导效率和输导安全性的动态调整能力也不同，耐旱性也因此而存在差异。宽窄导管并存可以促进植物能够适应一定的水湿环境而且具有耐旱性能，从而适应多变的环境得以更好地生存。

4 结论

不同植物根系导管结构响应干旱胁迫的策略不同，耐旱能力也不同。导管密度、管壁厚度最能代表矮生嵩草导管对土壤水分差异的适应特征，其导管密度大、加固系数大，在保证导管输导安全性上的优势明显；管腔面积、导管平均直径和管壁厚度最能代表大花嵩草导管对水分差异的适应特征，其管腔大、直径宽、加固系数小，主要保证导管的输导效率。矮生嵩草在生境干旱化过程中管腔变大，有增强输导效率的趋势；同时管壁增厚，加固系数也呈倍数增长，保证输导安全性；且径级结构对输导效率和输导安全性的动态调节能力强，耐旱性强。大花嵩草在生境干旱化过程中管腔变小、管壁增厚、加固系数增大，向增强水分输导安全性的方向发展；但径级结构中以中型导管为主，动态调节能力弱，耐旱性弱。

因此，在生境干旱化过程中，矮生嵩草在水分输导安全性高的基础上，有增强输导效率的趋势；大花嵩草在输导效率高的基础上，有增强输导安全性的趋势。二者都向协调输导效率和输导安全性的方向发展，但矮生嵩草径级结构的动态调节能力强，对输导效率和输导安全性的协调能力强，因此耐旱性强于大花嵩草。输导效率和输导安全性在植物适应生境变化的过程中，相互制约又相互影响，有效协调二者关系能更好地适应生境变化，增强耐旱性。