不同年代梭梭同化枝δ13C值与解剖结构及生理指标的关系

张元恺，王 飞,2*，郭树江,3，杨雪梅，张卫星，张晓娟，韩福贵,2，张裕年,2

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)，甘肃 武威 733000；3.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 民勤 733300)

叶片作为植物的主要光合器官，对外界环境变化较为敏感，其特征能够反映植物对环境的适应性[1]。植物碳同位素组成(δ13C)指示与植物光合、蒸腾强度相关联的水分利用效率，被公认为是一种估测植物长期水分利用效率的可靠途径，综合反映出植物生长期内的生理生态适应特性[2-3]，与其长期受环境影响形成的解剖结构及生理特征之间必然存在一定的相关性。但是，有关荒漠植物叶片δ13C与解剖结构及生理特征之间关系的研究鲜见报道。

民勤地区位于石羊河流域下游，三面被沙漠包围，属干旱的大陆性气候区，具有降水量少、降水变率大、年内分配不均、蒸发量大和干旱时段明显等特点。梭梭(Haloxylonammodendron)为藜科梭梭属植物，其抗旱、抗热、抗寒、耐盐碱性都很强，适应性强，根系发达，叶退化为同化枝进行光合作用，防风固沙能力强，是中国西部荒漠化地区固沙造林优良树种。梭梭也是民勤荒漠地区主要物种之一，自20世纪60年代以来，陆续在流动沙丘上营造梭梭防风固沙林，对该区生态环境保护具有重要作用。目前，有关梭梭的研究主要集中在分类学[4-6]、分子生物学[7-9]及生理生态学[10-12]等方面，但针对不同年代梭梭同化枝稳定碳同位素与解剖结构、生理指标之间关系的研究未见报道。为此，本研究以民勤不同年代梭梭为研究对象，分析梭梭同化枝δ13C值随生长年限变化的规律，探讨梭梭在长期适应环境中所形成的结构特征、生理特征对δ13C值的影响以及相互间的关系，以期揭示梭梭对荒漠生态环境的适应策略，为干旱荒漠区生态环境保护和梭梭资源的保护与利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于巴丹吉林沙漠东南缘的民勤治沙综合试验站周边(103°05′E，38°35′N，海拔1 378.5 m)，该区属于典型的温带大陆性干旱气候，降水量小，蒸发量大，气候干燥，年均降水量113.2 mm，年均气温7.7 ℃，年均蒸发量2 604.3 mm；光热充足，年均日照时数2 799.4 h；冬季盛行西北风，多集中在2-5月，年均风速2.5 m/s，是我国沙尘暴发生的重要策源地；自然土壤类型风沙土为主，现有的植被主要包括天然和人工2种类型，主要的灌木植物有梭梭、白刺(Nitrariatangutorum)、沙拐枣(Calligonummongolicum)等，其中人工梭梭林群落伴生植物主要有盐生草(Halogetonglomeratus)、猪毛菜(Salsolacollina)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)。

1.2 试验设计与方法

试验设置在民勤治沙综合试验站附近，分别选择20世纪60-90年代、2007年和2016年生人工梭梭群落为研究对象，测定梭梭样株高度、冠幅及样地土壤的基本概况(表1)。在每个样地随机选择3株生长健康，株高、冠幅、基径等基本一致的植株，采集植株中上部向阳处同化枝，用于各指标的测定。

表1 不同年代梭梭林基本概况Table 1 General status of Haloxylon ammodendron forests in different ages

1.2.1 稳定碳同位素与生理指标的测定 将梭梭同化枝及其着生小枝一同剪下，装入保鲜箱后立即带回实验室称鲜重，然后将其放入铝盒中，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，得到干重。叶片含水量(LWC,%)=(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%。

将梭梭同化枝干样研磨粉碎，过0.125 mm(120目)筛，用于同化枝养分含量及碳同位素的测定。将采集的新鲜梭梭同化枝用锡箔纸包裹后，立刻放入液氮罐速冻，用于各指标的测定。

梭梭同化枝稳定碳同位素(δ13C,%)采用Picarro G2131-ICO2激光碳同位素分析仪(美国Picarro公司)测定。采用分光光度法测量梭梭同化枝叶绿素质量分数(ChlC,mg·g-1)，ChlC=叶绿素a+叶绿素b[13]。脯氨酸(Pro,μg·g-1)质量分数采用茚三酮法测定[13]。可溶性糖(%)质量分数采用蒽酮法测定[13]。全碳质量分数(LCC,mg·g-1)与全氮质量分数(LNC,mg·g-1)采用Costech ECS4024元素分析仪(意大利NC Technologies)测定；叶全磷质量分数(LPC,mg·g-1)采用钼锑抗比色法测定[14]；叶全钾质量分数(LKC,mg·g-1)采用火焰光度法测定[13]。

1.2.2 同化枝解剖结构的测定 用解剖刀截取植株中上部向阳处同化枝，截成5 mm小段后立即放入FAA固定液(50%酒精∶福尔马林∶冰醋酸=90∶5∶5)中进行固定，以保证植物组织结构完整，固定时间为24 h以上。取固定好的同化枝进行脱水、透明、浸蜡、包埋，用轮转式切片机横向切割，将得到的石蜡切片进行番红-固绿对染，中性树胶封片，在ZEISSImager.A2(蔡司，德国)光学显微镜下观察拍照，选择有代表性的石蜡切片，记录同化枝的横切面特征。用ZEN2012测量软件分别测量同化枝直径、角质层、表皮、栅栏组织、贮水组织、维管柱厚度和导管孔径等指标，测量值为10个数值的平均值。

1.3 数据分析

采用Excel2003和SPSS19.0软件对数据进行统计分析。变异系数(CV)=标准差/均值。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较，用Pearson法对梭梭同化枝各指标间的相关性进行分析。利用Excel2003软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同年代梭梭同化枝δ13C特征

如图1所示，不同年代梭梭同化枝的δ13C值在-0.156 5%～-0.138 5%变动，随着年代的增加，梭梭同化枝的δ13C值呈先升高后降低再升高的趋势，在20世纪70年代出现峰值，20世纪80年代梭梭同化枝δ13C值降低，之后从20世纪90年代逐渐升高。其中，20世纪70年代梭梭同化枝的δ13C值显著(P<0.05)高于60、80、90年代，与2007、2016年差异不显著(P>0.05)。

图1 不同年代梭梭同化枝δ13C值Fig.1 δ13C values of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值与解剖结构的关系

2.2.1 不同年代梭梭同化枝解剖结构特征比较 对不同年代梭梭同化枝解剖结构特征进行比较(表2)，不同年代梭梭同化枝直径变化范围428.73～611.65 μm，变异系数14.13%，其中2016年梭梭同化枝直径显著(P<0.05)高于其他年代，其他年代差异不显著(P>0.05)；角质层差异不显著(P>0.05)，变化范围1.36～1.57 μm，变异系数最小，为5.19%。随着生长年限的增加，梭梭同化枝角质层厚度占半径比例呈先升高再降低趋势，其中80年代同化枝角质层厚度占半径比例最大，为0.69%，2016年最小，为0.47%；栅栏组织差异显著(P<0.05)，变化范围14.05～17.04 μm，变异系数6.23%，栅栏组织厚度占半径比例变化趋势与角质层变化相似；贮水组织差异显著(P<0.05)，变化范围91.48～120.05 μm，变异系数10.95%，20世纪80年代占半径比例最大；维管柱直径差异显著(P<0.05)，变化范围150.41～276.68 μm，变异系数21.53%，2007年占半径比例达到最大；导管孔径差异不显著(P>0.05)，变化范围5.04～7.43 μm，变异系数15.96%，80年代占半径比例最大。

表2 不同年代梭梭同化枝解剖结构特征值比较Table 2 Eigenvalues of assimilating shoots anatomical structure of different-aged H.ammodendron

2.2.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值与解剖结构的相关性 由表3可知，不同年代梭梭同化枝直径与栅栏组织呈显著正相关(P<0.05)，与贮水组织、维管柱直径呈极显著正相关(P<0.01)；栅栏组织与维管柱直径呈显著正相关(P<0.05)；维管柱直径与导管孔径呈显著正相关(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝δ13C值与解剖结构各指标之间相关性均未达到显著水平(P>0.05)，这就表明不同年代梭梭解剖结构的差异不是影响其稳定碳同位素分馏的主要因素。

图2 不同年代梭梭同化枝的横切解剖结构Fig.2 The anatomical structures of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

表3 不同年代梭梭同化枝δ13C值与解剖结构的相关系数Table 3 Correlation coefficients between δ13C values and anatomical structures of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.3 不同年代梭梭同化枝δ13C值与生理指标的关系

2.3.1 不同年代梭梭同化枝生理特征比较 经方差分析表明(表4)，不同年代梭梭同化枝含水量差异极显著(P<0.01)，其中2016年与70年代梭梭同化枝含水量显著高于其他年代(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝脯氨酸含量差异极显著(P<0.01)，其中20世纪80年代梭梭同化枝脯氨酸含量显著高于其他年代(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝全钾含量差异极显著(P<0.01)。不同年代梭梭同化枝可溶性糖含量差异显著(P<0.05)，其中2007年与20世纪90年代显著高于20世纪70年代与2016年(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝全氮含量差异显著(P<0.05)，叶绿素与全磷含量差异不显著(P>0.05)。不同年代梭梭同化枝生理指标变异范围在2.11%～42.43%，其中含水量的变异系数最小(2.11%)，脯氨酸的变异系数最大(42.43%)。

表4 不同年代梭梭同化枝生理特征比较Table 4 Comparison of physiological characteristics of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.3.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值与生理指标的相关性 由表5可知，不同年代梭梭同化枝叶绿素含量与全钾含量呈显著正相关(P<0.05)；全氮含量与全磷含量呈显著正相关(P<0.05)，δ13C值与全氮含量呈显著负相关(P<0.05)，其余各指标之间相关性未达到显著水平(P>0.05)。这就表明不同年代梭梭同化枝δ13C值受全氮含量的影响较大。

表5 不同年代梭梭同化枝δ13C值与生理指标的相关系数Table 5 Correlation coefficients between δ13C values and physiological indexes of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

3 结论与讨论

3.1 不同年代梭梭同化枝δ13C值特征

一般认为C4植物的δ13C值为-0.06%～-0.19%[15]，本研究中民勤不同年代梭梭同化枝δ13C值范围-0.156 5%～-0.138 5%，其同化枝δ13C值落在C4植物区。研究表明，植物叶片δ13C值能够指示植物的长期水分利用效率，其正值越大，水分利用效率就越高[2,16]。民勤地区梭梭同化枝具有较高的δ13C组成特性，表现出其较高的水分利用效率，这也是梭梭可以作为干旱荒漠区防风固沙优良树种的原因之一。研究表明，环境影响使得植物δ13C值大概在0.03%～0.05%变化[17]。本研究中，不同年代梭梭同化枝δ13C值的变化幅度为0.018%，与O'leary[17]的研究结果一致，进一步说明了植物稳定碳同位素组成是植物自身遗传特性与环境因子共同作用的结果[18]。

3.2 梭梭同化枝δ13C值与解剖结构的关系

梭梭是典型的超旱生植物，其同化枝取代叶片行使同化功能，是梭梭进化的顶峰。梭梭表皮外有角质层，连续紧密的栅栏组织、花环结构、黏液细胞、含晶细胞和贮水组织等解剖特征，有效地提高了光合效率，同时使体内水势始终低于土壤水势，提高了植物保水和吸水能力，在一定程度上增强同化枝的抗旱性。本研究中，不同年代梭梭同化枝直径、栅栏组织、贮水组织、维管柱直径差异显著(P<0.05)，这反映出随着梭梭生长年限的增加，这些结构更容易受到外界环境的影响；而角质层、导管孔径不同年代差异不显著(P>0.05)，表明这2个特征相对稳定，受环境条件的影响不大。

通过对不同年代梭梭同化枝解剖结构和δ13C值的相关分析表明，δ13C值与解剖结构各指标之间相关性均未达到显著水平(P>0.05)，这与张有福等[19]的研究结果相同，说明不同年代梭梭同化枝解剖结构的差异不是影响其稳定碳同位素分馏的主要因素。这可能是因为植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的主要过程，δ13C值变化的主要因素是光合过程相关酶的变化所致，而与解剖结构相关性不明显。

3.3 梭梭同化枝δ13C值与生理指标的关系

叶绿素是植物吸收太阳能进行光合作用的最重要物质，在一定范围内，叶绿素含量越高，光合越强，从而促进植物生长发育。有研究认为，植物叶片δ13C值与光合色素含量不存在相关性[20-21]；但也有研究表明，光合色素含量与δ13C值之间的关系较为复杂，因植物种而异[22-23]。本研究中，叶绿素含量与δ13C值呈正相关关系，但未达到显著水平(P>0.05)。然而，植物的光合速率并不完全取决于光合色素的含量，所以有关植物叶绿素含量与δ13C值的关系有待进一步研究。

干旱环境条件下，植物通过改变δ13C值提高水分利用效率的同时，也会增加有机溶质积累量来改善细胞渗透调节能力，以降低植物水势而延缓失水[24-26]。脯氨酸、可溶性糖是植物体内重要的有机渗透调节物质[27]。本研究中，梭梭同化枝δ13C值与可溶性糖、脯氨酸含量之间未达到显著的相关性(P>0.05)，说明在逆境环境条件下植物水分利用效率的提高和渗透调节物质在植物体内的积累不是协同变化的，是植物自身的遗传性和复杂外部环境共同综合作用的结果。各种生理因子综合对梭梭同化枝δ13C分馏的作用和影响机制可能比较复杂，还需进一步深入研究。

植物养分状况主要是通过作用于光合速率或气孔导度，从而影响水分利用效率。本研究中，不同年代梭梭同化枝δ13C值与全碳含量的相关性未达显著性水平(P>0.05)，说明了在进行光合固碳的过程中对于水分的变化敏感性较低。植物叶片氮含量在一定程度上可以反映叶片吸收和固定大气CO2的能力进而影响δ13C值[28-29]。研究认为，当植物叶片氮含量较高时，光合作用增强，叶片-大气之间碳的同位素丰度梯度增加[2]；也有研究认为，叶片氮含量增加会提高内部扩散限制[30]，使水分利用效率降低。本研究中，梭梭同化枝δ13C值与全氮含量呈显著负相关(P<0.05)，这可能是一方面与叶片的生理结构有关；另一方面与叶片氮含量在光合器官和非光合器官的分配，以及氮在光合器官内部各组分之间的分配比例等有关。