不同物候期龙竹植硅体含量及型态变化

朱方为 牛兆辉 李 娟 于丽霞 王曙光 王昌命 詹 卉

（1. 西南林业大学生命科学学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学林学院，云南 昆明 650233）

硅在地壳中含量仅次于氧，是绝大多数植物生长的矿质基质，对于一些含硅量高的禾本科植物是正常生长必需元素[1]。植物所含的硅元素具有多种生理效应，促进植株生长，增强茎秆抗折强度，改善植物矿质营养吸收状况，在植物应对干旱、重金属、冰冻、盐等胁迫中发挥重要作用，同时可提高植物抵御真菌、细菌、虫害等生物胁迫的能力[2]。硅以单硅酸Si(OH)4的形式从土壤溶液中被植物的根系吸收，经维管束向地上部运输，在植物不同组织的细胞内腔或细胞之间以水合硅(SiO2·nH2O)的型式出现，即植硅体[3]。在植物体内，硅以植硅体为主要型态存在。植物在不同的生长发育或环境条件下所形成植硅体的数量、型态具有显著差异，有些植物甚至能产生具有特定型态及组合的植硅体[4]。植硅体抗氧化能力较强，广泛存在于土壤及沉积物中，能够反映植被特别是禾本科植物的组成，具有重要的生态指示意义[5]。

竹子是含硅最丰富的植物之一，其表皮组织有高达70%的有机硅[6]，大部分硅沉积形成植硅体。同一竹种不同组织器官的硅含量存在明显差异，不同组织器官中的植硅体型态和数量不同[7]。Motomura等[8]观测了不同年龄山白竹(Sasa veitchii)叶表面硅沉积，发现植硅体硅化并不是匀速的，表皮细胞中短细胞优先硅化，其他表皮细胞硅化数量随着叶片老化逐渐增多，生长年份不同的细胞硅化程度具有一定差异。何蕊等[9]对不同发育阶段慈竹（Bambusa emeiensis）植硅体型态开展研究，结果显示不同器官慈竹植硅体型态发育不同，硅质细胞在慈竹发育期形成，笋期未发现植硅体。牛兆辉等[10]对不同年龄龙竹（Dendrocalamus giganteus）秆的植硅体含量和型态变化开展研究，发现龙竹秆植硅体随秆龄增长而增多，圆型、哑铃型植硅体发生较早，杆型、长方型植硅体发生较晚。Li等[11]对融安黄竹（D. ronganensis）叶片中植硅体进行了为期21个月的连续观测，发现植硅体的型态变化与季节和叶片成熟度有关。目前国内外关于竹亚科植物植硅体的研究多集中在含量及型态变化，对于不同物候期植硅体的变化规律报道较少。

龙竹别名“大麻竹”“印度麻竹”，隶属禾本科竹亚科牡竹属，属大型丛生型竹类植物[12]，是云南分布面积较广的重要经济竹种。其竹秆壁厚、通直、强度大，被广泛用于建筑、造纸及各种其他用途[13]。本实验通过测定不同物候期龙竹枝和叶硅及植硅体含量，并观察植硅体类型和型态，总结不同物候期对龙竹硅含量和植硅体形态变化的影响，为阐释竹类植物植硅体发生机理，更深入地揭示竹子的自然属性和硅的生理功能提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 取材与预处理

实验样品采自云南省新平彝族傣族自治县（东经101°16′～102°16′，北纬23°38′～24°26′）龙竹人工林，取样龙竹平均高度14 m，平均胸径28.1 cm，竹节数40～60节。分别在5月份（伸枝展叶期）、8月份（发笋期）、11月份（发笋期结束）和1月份（休眠期），选取1、2、3年生健康生长龙竹竹冠中部的枝条，平行取3株。取竹冠中部老叶、成熟叶以及幼叶各30 g。老叶呈黄绿色，叶梢或边缘发枯，通常生长靠近枝条梢基部；成熟叶呈深绿色，生长于枝条中部；幼叶颜色呈淡绿色，卷曲或还未伸展完全，生长于枝条顶端，平行取3株。将所有实验材料洗净，放入80 ℃烘箱中脱水杀青后，烘干至恒质量贮存备用。

1.2 实验方法

灰分含量测定按照国家标准GB/T 2677.3—1993方法测定，每种样本分别选取1 g，置于经预先灼烧至质量恒定的瓷坩埚中燃烧使其炭化，将瓷坩埚转移到马弗炉中，升至600 ℃高温灼烧2 h，取出坩埚在干燥器中冷却0.5 h后称量，再将坩埚放入高温炉中，重复上述操作，称量样品直至恒质量，坩埚增加质量即为灰分质量。实验重复3次。

硅含量按照国家标准GB/T 7978—1987方法测定。在灰分含量测定后，加入5 mL的浓盐酸（6 mol/L）于装有灰分的坩埚中，沸水浴上蒸干；再加入浓盐酸5 mL，再蒸干，重复3次，再加入热水以溶解残渣，趁热用定量滤纸过滤，以热水洗涤至洗液中不含有氯化物为止，将残渣连同滤纸移入已恒质量的瓷坩埚，在600 ℃烘干2 h后，取出放置于干燥器中冷却至室温，恒质量后坩埚所增加的质量，即为硅质量。

植硅体的提取采用湿式氧化法[14]。样本剪碎放入恒温干燥箱中烘干至恒质量，精确称量样品0.1 g放入20 mL试管中，均匀铺在试管底部；加入67%的HNO3溶液10 mL 于试管中，沸水浴加热，待反应变慢时加入适量KNO3晶体，直至加入KNO3晶体不继续反应或反应液完全澄清，取出试管降温；待试管降至室温后摇匀，倒入15 mL离心管中，离心5 min后倒掉上清液，加入10 mL蒸馏水摇匀，继续离心，重复3次，然后加入10mL丙酮进行离心洗涤，洗涤后沉淀连离心管放入烘箱中烘干，得到干燥的植硅体。

植硅体的计数。往盛有干燥植硅体的离心管中加入少量丙酮并摇匀，滴于载玻片上晾干，再用中性树脂封制成装片，计数时每个样品装片完全计数，若装片内植硅体数量不足 400 个，再追加1个样品装片，直至满足计数植硅体达 400 个。

2 结果与分析

2.1 不同物候期龙竹枝灰分及硅含量变化

不同物候期的龙竹枝灰分含量不同。由表1可知，灰分含量从低到高依次为休眠期（4.36%）、发笋期（4.52%）、伸枝展叶期（5.18%）和发笋期结束（6.48%），从发笋期结束至休眠期，竹枝中灰分含量迅速下降。不同年龄的竹枝中，总体上灰分含量呈现出3年枝＞1年枝＞2年枝。

不同物候期的龙竹枝硅含量不同。竹枝平均硅含量从低到高依次为休眠期（2.94%）、伸枝展叶期（3.08%）、发笋期（3.24%）和发笋期结束（4.14%）。龙竹休眠期后竹枝硅含量持续上升，而发笋期结束到休眠期期间，竹枝硅含量迅速下降。总体来看，不同物候期竹枝硅含量呈3年枝＞2年枝＞1年枝，且3年枝硅含量显著高于2年枝和1年枝（表1）。

表 1 不同物候期龙竹枝灰分与硅含量Table 1 Ash and silicon content of D. giganteus branches at different phenological periods

2.2 不同物候期龙竹枝的植硅体类型及含量变化

根据Twiss[15]和Gallego等[16]建立的植硅体分类系统，龙竹枝中观察到长方型、杆型、圆型、椭圆型、尖型、哑铃型、鞍型、融合型8种植硅体类型以及不规则型植硅体（图1）。长方型和杆型是竹枝中植硅体的主要类型，两种类型植硅体含量占植硅体总量的60%以上；圆形和椭圆形植硅体含量约占10%，鞍形和哑铃形植硅体主要分布在低年龄的竹枝中，其他类型植硅体所占比例较少（表2）。

图 1 龙竹枝中主要植硅体类型（比例尺=10 μm）Fig. 1 Different types of phytolith in D. giganteus branches (Bar=10 μm)

龙竹枝中植硅体总量随物候期的变化而变化，自伸枝展叶期到发笋期出现大幅增长，涨幅达到16%，而从发笋期结束到休眠期呈植硅体总量快速下降（表2）。不同物候期竹枝植硅体总量均呈3年枝＞2年枝＞1年枝趋势。龙竹枝中不同类型植硅体占比随着物候期发生相应变化。长方型植硅体自发笋期开始迅速增长，到发笋期后达到峰值，休眠期和来年伸枝展叶期比例有所下降。杆型植硅体自发笋期开始到来年伸枝展叶期不断减少。圆型、椭圆型和融合型植硅体含量变化趋势一致，发笋期后呈下降趋势，而在伸枝展叶期间大量增加。尖型和哑铃型植硅体在不同物候期未呈现规律性变化。鞍型植硅体在休眠期快速增长，不规则型植硅体主要在发笋期出现，含量较低。

表 2 不同物候期龙竹枝不同类型植硅体含量Table 2 Percentage of different phytolith type of D. giganteus branches at different phenological periods

2.3 不同物候期龙竹叶的灰分及硅含量变化

不同物候期的龙竹叶灰分含量不同。由表1可知，龙竹叶平均灰分含量从低到高依次为发笋期11.12%、伸枝展叶期12.37%、休眠期13.50%、发笋期结束14.19%。龙竹发笋期间，竹叶灰分含量呈上升趋势，持续到休眠期结束；伸枝展叶期间，灰分含量迅速下降。不同物候期竹叶灰分含量呈现老叶＞成熟叶＞幼叶。

不同物候期的龙竹叶硅含量不同，但差异不显著。龙竹叶平均硅含量从低到高依次为发笋期（8.12%）、伸枝展叶期（8.14%）、休眠期（8.34%）、发笋期结束（8.48%），从发笋期到发笋期结束硅含量明显上升，到伸枝展叶期硅含量下降，说明竹子发笋时会积累大量硅素。不同物候期竹叶硅含量表现为：老叶＞成熟叶＞幼叶，幼叶与成熟叶、老叶之间硅含量差异显著（表3）。

2.4 不同物候期龙竹叶的植硅体类型及含量变化

根据Twiss[15]和Gallego[16]建立的植硅体分类系统，龙竹叶中观察到长方型、杆形、圆型、椭圆型、扇型、尖型、哑铃型、鞍型、融合型9种植硅体类型。竹叶较竹枝多一种植硅体类型：扇型（图2）。龙竹叶中主要植硅体类型为哑铃型和鞍型，2种植硅体类型比例之和占植硅体总数的65%以上。与竹枝不同，竹叶中哑铃型、鞍型、尖型、扇型植硅体较多，但圆型、椭圆型、杆型和长方型植硅体较少，融合型植硅体少见，未观察到不规则型植硅体（表4）。

表 3 不同物候期龙竹叶灰分与二氧化硅含量Table 3 Ash and silica contents of D. giganteus leaves at different phenological periods

图 2 龙竹叶中主要植硅体类型（比例尺=10 μm）Fig. 2 Different types of phytolith in D. giganteus leaves (Bar=10 μm)

龙竹叶植硅体数量随物候期的变化而变化，伸枝展叶期间植硅体的数量最少，显著低于休眠期、发笋期和发笋期结束。不同物候期竹枝植硅体总量为老叶＞成熟叶＞幼叶（表4）。

竹叶中哑铃型植硅体所占比例在发笋期最高，之后呈下降趋势，直到伸枝展叶期比例有所回升。发笋期幼叶中哑铃型植硅体所占比例最高，而其他物候期哑铃型植硅体均在老叶中所占比例最高。鞍型植硅体自发笋期后比例呈上升趋势。尖型和扇型植硅体比例在不同物候期未发现规律性变化。长方型和杆型植硅体在发笋期后所占比例达到峰值。圆型植硅体自发笋期后持续增长，到休眠期达到峰值，但伸枝展叶期时有所下降。

3 结论与讨论

植硅体是植物体内硅存在的主要型态，植物不同组织器官中植硅体类型变化及组合具有差异。在本研究中，龙竹枝、叶硅含量与植硅体含量的变化趋势基本一致，刘俊霞等[17]的研究结果表明两者间存在显著正相关性，因此植硅体的含量变化在一定程度上可以反映植物体内的硅含量变化。在龙竹不同组织器官中，植硅体的分布极不均匀，竹叶所含植硅体数量显著高于竹枝。这是由于竹叶的蒸腾作用强于其他器官，从而能积累更多的硅，同时竹叶凋落进入土壤对竹林的生物硅平衡具有重要意义[18]。龙竹枝中观察到的8种植硅体类型与在龙竹秆[10]中观察到的植硅体类型一致，同时龙竹枝中并未观察到扇型植硅体，这与Zhan等人[7]对勃氏甜龙竹（D. brandisii）枝的植硅体型态观测结果相同。

龙竹的年生长周期以伸枝展叶期开始为计，经历发笋期、发笋期结束到次年的休眠期，枝、叶的植硅体含量及型态在不同物候期都有变化。龙竹枝最低植硅体含量出现在休眠期，竹叶最低植硅体含量出现在伸枝展叶期，竹枝、叶最高植硅体含量均出现在发笋期结束。从伸枝展叶期到发笋期，龙竹竹叶和竹枝中植硅体含量出现大量增长，此时龙竹处在高温高蒸发的季节，温度和蒸发速率的升高会加速植硅体的沉积，从另一方面表明硅沉积是由于植物失水而被动发生的。龙竹幼叶植硅体含量较低，成熟叶和老叶植硅体含量是幼叶的2倍。叶中植硅体从伸枝展叶期到发笋期的快速增长说明随着新叶发出，幼叶成长为成熟期的过程中，需要沉积大量硅素形成植硅体。而龙竹叶片成熟后细胞对硅的沉积能力下降，所以老叶相比与成熟叶而言植硅体的增量并不显著。Li等[11]认为随着叶片生长，形成的泡状细胞越多，而泡状细胞在受到水分胁迫和高蒸腾作用的影响下会优先沉积硅质。因此，植硅体的形成不仅与物候期变化有关，还受到植物在生长过程中细胞类型比例的影响。

不同物候期龙竹枝、叶植硅体主要植硅体类型的变化与硅含量和植硅体总量的变化一致。龙竹枝中长方型和杆型植硅体含量较高，2种类型之和占枝中植硅体总量的60%以上，最高可达90%；龙竹叶中以鞍型和哑铃型植硅体居多，2种类型之和占比与枝中长方型和杆型之和占比相近，但并未超过80%。可以看出不同物候期龙竹枝、叶中植硅体总量的变化与主要植硅体类型含量直接相关。从伸枝展叶期到发笋期时，随着温度和蒸腾速率提高，龙竹叶哑铃型植硅体的比例上升超过鞍形植硅体，在玉米（Zea mays）叶片中发现随着环境温度上升，哑铃型植硅体比例的逐渐增加[19]支撑了这一结果。在休眠期时，植硅体总量下降，推测是由于1月份新平遭遇降雪，低温和蒸腾速率降低影响了龙竹对无机盐的吸收，但此时龙竹叶中却含有较高含量的鞍型植硅体，同时期龙竹枝中也观测到鞍型植硅体含量的陡增。在对冷干气候地区表层土壤植硅体的分析发现，土壤中广泛分布着细长型和鞍型植硅体[20]，对东北地区芦苇（Phragmites australis）中植硅体进行鉴定和统计，其中鞍型植硅体比例占到77%[21]，这些观测结果预示着低温可能有利于鞍型植硅体的形成。

综上所述，龙竹植硅体含量及类型随着物候期变化发生变化。从伸枝展叶期到发笋期结束，龙竹中植硅体含量不断上升；进入休眠期，植硅体含量出现下降。龙竹枝中主要植硅体类型为长方型和杆型，休眠期时鞍型植硅体含量大幅上升。龙竹叶中主要植硅体类型为鞍型和哑铃型，幼叶在生长过程中大量积累植硅体，在成熟后硅沉积速度放缓。从伸枝展叶期至发笋期，龙竹对硅有大量需求，因此在丛生竹林经营管理中，可在发笋期至伸枝展叶期施加适量硅肥。