任麗媛,李宗善,王曉春

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 東北林業(yè)大學林學院, 哈爾濱 150040

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是一種優(yōu)良的豆科多年生牧草,作為黃土高原退耕還草的主要草種,在黃土高原地區(qū)的種植面積逐年擴大[1-2],有效地彌補了天然草場的不足并促進了畜牧業(yè)的發(fā)展,具有重要的經(jīng)濟價值[3-7],紫花苜蓿還能夠持續(xù)保持高產(chǎn)量[8],且其根瘤菌及大量須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機質(zhì),改善土壤團粒結(jié)構(gòu)[9]。紫花苜蓿在播種當年就可以完全郁蔽地面,有效降低地面徑流量[10],且可有效地控制土壤侵蝕、防止土壤退化[6]。另外,紫花苜蓿根深葉茂,固土能力強,耐貧瘠,對防風固沙也起著重要的作用[11]。種植苜蓿草地對黃土高原地區(qū)的脆弱生態(tài)修復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改良、土壤肥力提高,以及水土保持和生態(tài)保護等方面都發(fā)揮著積極作用[12]。

然而紫花苜蓿屬于多年生深根系植物,對土壤水分消耗十分強烈易造成土壤干化,導(dǎo)致苜蓿草地產(chǎn)量持續(xù)下降,植被出現(xiàn)生態(tài)退化現(xiàn)象,從而制約后續(xù)植被或作物生長[10],從黃土丘陵區(qū)紫花苜蓿生物量變化規(guī)律和土壤水分過耗與恢復(fù)特征來看,紫花苜蓿在退耕地生長的高峰期為第4年—第5年,到第6年,由于土壤水分過耗嚴重,生物量明顯下降而出現(xiàn)生長衰退[13]。黃土高原苜蓿草地普遍存在不同程度的土壤干層,土壤干化程度隨種植年限延長而加深,苜蓿生長6—8年后應(yīng)及時更新[14]；黃土高原不同種植年限苜蓿地在0—300 cm土層平均含水量均明顯低于當?shù)赝寥婪€(wěn)定濕度值,種植10年以上的苜蓿地的土壤水分含量僅為7%—9%,甚至低于作物有效水分利用下限,一般認為黃土高原地區(qū)苜蓿適宜的種植年限為6—8年左右[15]?？梢?對于黃土高原人工苜蓿草地在生活史后期出現(xiàn)生長衰退原因探討主要還是集中在土壤干化及其生態(tài)學效應(yīng)上,雖然也有研究從光合和呼吸[16]、水分輸導(dǎo)和利用[17]、滲透調(diào)節(jié)[18]和酶活性[19]等方面闡述苜蓿對干旱脅迫的響應(yīng)特點,但是基于草本年輪資料探討苜蓿草地對干旱環(huán)境響應(yīng)及其生長衰退的研究還未引起人們的關(guān)注。

現(xiàn)在越來越多的研究表明北半球溫帶地區(qū)的多年生草本物種的根部次生解剖結(jié)構(gòu)會像木本植物一樣在生長季早期形成較大的導(dǎo)管組織,而在生長季節(jié)晚期形成較小的導(dǎo)管組織,從而形成可以識別的逐年年輪組織結(jié)構(gòu)。草本年輪資料及其解剖結(jié)構(gòu)不僅可以確定草本物種的年齡[20],也開始被應(yīng)用于草本植物的導(dǎo)水特征、草本植物生長對氣候響應(yīng)以及草本物種生活史策略等研究領(lǐng)域[21-24]。運用草本年輪學方法,本研究在黃土高原多個地點采集紫花苜蓿的根部年輪樣本,并分析紫花苜蓿根部解剖結(jié)構(gòu)特征并辨識年輪特征；另外,在采樣點也采集黃土高原常見自然草本物種：委陵菜(Potentillachinensis)的根部年輪樣品作對照,以便更好地揭示出紫花苜蓿逐年生長趨勢和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)特征,并結(jié)合苜蓿草地在生長后期出現(xiàn)植被衰退現(xiàn)象進行討論分析。

1 研究區(qū)自然概況

黃土高原是世界上最大的黃土沉積區(qū),位于中國太行山以西、日月山以東,秦嶺以北、陰山以南,平均海拔在1500—2000 m間,面積約62.14萬km2(圖1)[25]。區(qū)域氣候為暖溫帶大陸性季風氣候,降雨量總的趨勢是從東南向西北遞減,東南部600—700 mm,中部300—400 mm,西北部100—200 mm。以200 mm和400 mm等年降雨量線為界,依次為半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)。年均氣溫從西北部的3.6℃上升到東南部的14.3℃,植被依次為風沙草原、草原和森林草原[26],苜蓿草地是黃土高原重要的草地生態(tài)系統(tǒng)[10]。土壤類型依次為風沙土、灰鈣土、黃綿土、黑壚土和褐土。由于人類活動的加劇以及土地長期不合理的利用等原因,黃土高原的植被總體覆蓋度較低,水土流失十分嚴重[27]。自實施植被建設(shè)和退耕還林(草)以來,植被覆蓋率明顯提高,使得黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱、黃河泥沙含量及斷流等問題均有所好轉(zhuǎn)[2]。

圖1 黃土高原紫苜蓿和委陵菜草根年輪樣品空間分布圖Fig.1 Sample sites of annual growth rings of roots in perennial forbs (Medicago sativa and Potentilla recta) in the Loess Plateau of China

2 材料和方法

2.1 樣品采集

2014年9月至10月,在黃土高原地區(qū)臨汾(500 mm)至鹽池(280 mm)的220 mm的降雨范圍沿東西方向均勻設(shè)置4個采樣點(圖1,表1)。在各樣點采集人工物種紫花苜蓿和自然物種委陵菜的草本主根,用刀片將離地面10 cm的主根截取一段并放入體積50倍以上的FAA(70%乙醇∶甲醛∶乙酸=9∶0.5∶0.5)固定液中固定[28],后放入便攜式冰箱中保存。

2.2 樣品處理

將采集的草根樣品進行石蠟切片前處理：即經(jīng)過脫水、透明、浸蠟和包埋操作。將草根樣品從固定液中取出,依次在70%、80%、85%、95%和100%濃度的乙醇溶液中浸泡各2 h進行逐級脫水；再將樣品2次浸泡在二甲苯溶液中各2 h以置換出脫水后組織中殘留的乙醇,即為透明；在高溫條件下,將樣品在石蠟溶液中浸泡并持續(xù)添加石蠟至組織完全浸蠟；最后將組織進蠟成功的樣品晾干,并做成便于切片的蠟塊,完成包埋[29]。

表1黃土高原紫苜蓿和委陵菜草本年輪樣點信息表

Table1Sampleinformationofannualgrowthringsofrootsinperennialforbs(MedicagosativaandPotentillarecta)intheLoessPlateauofChina

物種Species地點Site經(jīng)緯度Longtitude E, Latitude N降雨量Precipitation/mm海拔Elevation/m年齡Age/a紫苜蓿臨汾111.89°, 36.07°550120010Medicago sativa延安109.52°, 36.47°500118013吳起107.92°, 36.88°400147010鹽池107.44°, 37.79°280152012委陵菜臨汾111.92°, 36.76°55086011Potentilla recta延安109.52°, 36.07°550119011吳起107.92°, 37.05°400150013鹽池106.66°, 37.45°280154010

用輪轉(zhuǎn)式切片機切出大約厚度為10—15 μm樣品橫切面臘帶,后粘連到載玻片上,經(jīng)過番紅固綠染色,可區(qū)分出木質(zhì)部(紅色)和非木質(zhì)部(綠色)的結(jié)構(gòu)[28]。封片后使用數(shù)碼顯微鏡觀察、拍照；可根據(jù)草根次生木質(zhì)部中的早材(大細胞、大導(dǎo)管)和晚材(小細胞、小導(dǎo)管)清晰辨別出年輪的特征和模式[18]。一些生活史較長的物種,使用圖像處理軟件將解剖照片進行拼接后形成完整的年輪圖像。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過IMAGE TOOLS軟件對草根樣品切片照片的年輪結(jié)構(gòu)和最大導(dǎo)管直徑進行逐年量測,每一個樣品照片取3個不同射線方向進行測量,取平均數(shù)值序列作為該樣品的最終年 輪寬度序列[18]。如果一個樣品不同方向上的年輪數(shù)量有所不同,則取樣品年齡的最大值和最小值的平均值估測其年限[21,30]。

2.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)選取距離四個草本采樣點最近的國家標準臺站的數(shù)據(jù),包括逐年平均氣溫和年總降水量數(shù)據(jù),時間區(qū)間為1961—2016年,氣象資料來自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) (http://cdc.cma.gov.cn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 過去數(shù)十年氣候變化特征

從本研究4個采樣點的氣象站氣候數(shù)據(jù)變化趨勢來看(圖2),在過去數(shù)十年間,黃土高原地區(qū)溫度具有較為明顯的上升趨勢,特別是在1990年代以來,氣候變暖趨勢更加明顯；黃土高原地區(qū)降雨在過去數(shù)十年大致呈下降趨勢,從總體上看,黃土高原氣候特征總體向暖干化方向發(fā)展。

3.2 草根解剖結(jié)構(gòu)的年輪特征

從紫花苜蓿的根部解剖特征來看(圖3),其導(dǎo)管分布特征較像木本植物的環(huán)孔材(Ring porous woods),譬如櫟屬(Quercusspp.)和梣屬(Fraxinusspp.)物種,較大的導(dǎo)管均整齊排列在早材中,而較小的導(dǎo)管則均勻分布在晚材中,大小導(dǎo)管之間有明確邊界,根據(jù)每年早材的大導(dǎo)管特征可以界定年輪界限,另外紫花苜蓿的導(dǎo)管在縱向上被射線細胞和木纖維所分割；從委陵菜的根部解剖特征來看(圖3),其導(dǎo)管分布特征較像木本植物的半環(huán)孔材(Semi-ring porous),譬如胡桃屬(Juglansspp.)和楓楊屬(Pterocaryaspp.)物種,導(dǎo)管在早材中較大,而在晚材中較小,但是從早材到晚材的方向?qū)Ч苁侵饾u變小,根據(jù)每年導(dǎo)管大小漸變特征可以確定年輪邊界,另外委陵菜的導(dǎo)管在縱向上被射線細胞所分割,而沒有纖維組織分布。可見,根據(jù)紫花苜蓿和委陵菜的根部解剖結(jié)構(gòu)特征,特別是導(dǎo)管在早晚材的結(jié)構(gòu)特征,基本上都能劃分出較為清晰的年輪結(jié)構(gòu),從而獲取其逐年的年輪寬度和導(dǎo)管直徑數(shù)據(jù)。

圖3 黃土高原委陵菜和紫花苜蓿草根次生解剖結(jié)構(gòu)中的年輪特征Fig.3 Distinct growth rings in the secondary xylem of the root collar of Potentilla recta and Medicago sativa as viewed through a microscope. Scale bars=500 μm.

3.3 草根年輪寬度隨年齡變化趨勢

從草根年輪寬度隨年齡的變化趨勢特征來看(圖4),4個采樣點的紫花苜蓿和委陵菜的年輪寬度隨年齡增加均有明顯下降趨勢,另外兩個相對較為濕潤的采樣點(臨汾和延安),紫花苜蓿和委陵菜年輪寬度較寬,但隨著年齡下降趨勢也較為明顯；而兩個相對較為干旱的采樣點(吳起和鹽池),紫花苜蓿和委陵菜年輪寬度較窄,但隨著年齡下降趨勢也較為平緩。其次,各樣點的苜蓿年輪寬度均大于委陵菜的年輪寬度,但隨著生長年限增加,生活史末期苜蓿與委陵菜的年輪寬度趨于相近,甚至低于委陵菜的年輪寬度值,表明隨著年份增加,苜蓿的生長優(yōu)勢逐年減弱。

圖4 黃土高原紫苜蓿與委陵菜的年輪寬度變化特征Fig.4 The changing trends of mean width of annual root rings for Medicago sativa and Potentilla recta in relation to year in the Loess Plateau誤差線是年輪寬度測量數(shù)據(jù)(3—5個重復(fù)測量值)的標注差

3.4 草根年輪導(dǎo)管大小隨年齡變化趨勢

從草根年輪導(dǎo)管大小隨年齡變化趨勢來看(圖5),四個采樣點的紫花苜蓿的導(dǎo)管直徑隨年齡增加均有明顯下降趨勢,而委陵菜的導(dǎo)管直徑隨年齡增加則有明顯上升趨勢,生活史早期苜蓿的導(dǎo)管大小遠大于委陵菜的導(dǎo)管大小,但由于苜蓿和委陵菜的導(dǎo)管大小逐年變化,生活史后期苜蓿導(dǎo)管大小與委陵菜導(dǎo)管大小相近,甚至小于委陵菜的導(dǎo)管大小。另外,兩個相對較為濕潤的采樣點(臨汾和延安),紫花苜蓿導(dǎo)管隨年齡的變小趨勢和委陵菜導(dǎo)管隨年齡的變大趨勢都較為平緩；而兩個相對較為干旱的采樣點(吳起和鹽池),紫花苜蓿導(dǎo)管隨年齡的變小趨勢和委陵菜導(dǎo)管隨年齡的變大趨勢都較為明顯。

圖5 黃土高原紫苜蓿與委陵菜的導(dǎo)管大小變化特征Fig.5 The changing trends of vessel size of annual root rings for Medicago sativa and Potentilla recta in relation to year in the Loess Plateau誤差線是導(dǎo)管大小測量數(shù)據(jù)(3—5個重復(fù)測量值)的標注差

3.5 草根年輪導(dǎo)管大小與氣候要素相關(guān)特征

從草根年輪導(dǎo)管大小與氣候要素(年均溫度和年總降雨量)的相關(guān)分析來看(圖6),委陵菜與降雨的相關(guān)性較強,四個不同采樣點的委陵菜導(dǎo)管大小與降雨均呈正相關(guān)關(guān)系,其中在兩個降雨量較少的采樣點(吳起和鹽池),相關(guān)水平達到了顯著性水平；委陵菜與溫度的相關(guān)性較弱,僅延安采樣點的委陵菜導(dǎo)管大小與溫度有顯著負相關(guān)關(guān)系。因紫花苜蓿的導(dǎo)管大小隨年齡變化趨勢與委陵菜呈相反的趨勢,所以其與氣候要素的相關(guān)關(guān)系也基本上與委陵菜呈相反的關(guān)系特征。

圖6 黃土高原紫苜蓿和委陵菜的導(dǎo)管大小與氣候要素相關(guān)分析圖Fig.6 Correlation analysis of the vessel size and climatic elements of Medicago sativa and Potentilla recta on the Loess Plateau

4 討論

4.1 草根年輪寬度隨年齡的變化趨勢及原因分析

有研究表明黃土高原近代氣候向暖干化發(fā)展趨勢明顯,區(qū)域溫度上升明顯,而降雨則有下降趨勢,且干旱程度由南向北有逐漸加重的趨勢[31-32]；本研究4個采樣點的氣象站數(shù)據(jù)表明黃土高原過去數(shù)十年來暖干化趨勢明顯,其中年均溫度每10年上升0.284—0.386℃,年總降雨量每10年下降2.645—12.873 mm(圖2)。黃土高原暖干化氣候的發(fā)展會導(dǎo)致水分脅迫限制草本生長的程度趨于加強,植株的生長速率減緩,導(dǎo)致草本根部年輪寬度逐年減小。本研究結(jié)果也證實了黃土高原人工物種紫花苜蓿和自然物種委陵菜的年輪寬度隨年齡的增加均有下降趨勢(圖4),土壤水分狀況是控制黃土高原植被生長的重要影響要素[33],而隨著植株的生長,根系部分的旺盛生長而強烈耗水,導(dǎo)致土壤水分下降,形成更深的土壤干層,植株生長受到的土壤水分脅迫效益加重[34-35]。已有大量研究證實在黃土高原地區(qū)草地植被土壤含水量隨著恢復(fù)年限增加不同層次土壤水分均有明顯下降趨勢[14-15],一般認為植物受到水分脅迫程度越大,其生長速率越慢,因而隨年齡不斷增加的土壤水分脅迫可能是本研究紫花苜蓿和委陵菜根部年輪寬度逐年出現(xiàn)下降趨勢的主要原因。

結(jié)果還顯示在降水量較低的樣點,紫花苜蓿和委陵菜的年輪寬度數(shù)值也較低,年輪寬度隨年齡的下降趨勢也更加明顯,這是因為在降水量偏低的地區(qū),植株不僅遭受著自身生長消耗而致的土壤水分虧缺[36],還因黃土高原較為干旱地區(qū)的氣候暖干化程度更加嚴重,植株對深層土壤水分利用效率偏低[36],導(dǎo)致年輪寬度下降幅度較大,年輪寬度數(shù)值也較低[37]。有研究表明自然生長的紫花苜蓿樣地一般生長到第6年以后,生物量和生產(chǎn)力逐年下降,而人工補水的紫花苜蓿樣地在第6年以后生物量仍維持較高水平,一直可持續(xù)到9—10年,進一步說明土壤水分條件是限制紫花苜蓿生長的最為重要的因素[15]。本研究也發(fā)現(xiàn)不同采樣點的紫花苜蓿年輪寬度均明顯大于委陵菜年輪寬度,但隨著生長年限增加,紫花苜蓿的年輪寬度已經(jīng)接近于委陵菜年輪寬度,在降雨量較低的樣點紫花苜蓿生活史后期年輪寬度甚至低于委陵菜的年輪寬度,這進一步說明了紫花苜蓿在生活史后期出現(xiàn)明顯的生長衰退現(xiàn)象,且在降雨量較低區(qū)域,生長衰退出現(xiàn)時間也相對較早[33,36]。

4.2 草根年輪導(dǎo)管大小隨年齡變化變化趨勢及原因分析

本研究結(jié)果顯示不同采樣點的紫花苜蓿根部導(dǎo)管直徑隨年齡增加具有明顯下降趨勢,在生長早期苜蓿的導(dǎo)管直徑要明顯大于委陵菜,而在生長后期苜蓿的導(dǎo)管直徑已經(jīng)明顯下降,甚至還要低于委陵菜導(dǎo)管直徑(圖5)。紫花苜蓿根系發(fā)達,吸水能力極強,3年生苜蓿根系可到3 m,5米生苜蓿根系可達7 m以上[37],在生活史前期耗水依靠降雨和深層土壤水分補給,水分利用效率較高,因而導(dǎo)管直徑較大,生長速率也較快；隨著苜蓿生長年限的增加,深層土壤水分過度消耗形成干層,深層土壤水分補給能力大為減弱,水分利用效率明顯下降,導(dǎo)致其在生活史后期根部導(dǎo)管直徑明顯下降,最終導(dǎo)致苜蓿生長出現(xiàn)明顯的生長衰退[38-40]。另外,在降雨量較低的樣點,苜蓿根部導(dǎo)管直徑下降幅度總體上大于降雨量較高的樣點,這表明在氣候較為干旱的地區(qū),苜蓿草地隨年齡增加土壤干旱程度較高,水分利用效率下降也更加明顯[41-42]。已有研究表明,苜蓿草地的土壤有機質(zhì)和土壤氮、磷等養(yǎng)分含量隨恢復(fù)年限增加有逐漸下降趨勢,土壤酶活性也隨著恢復(fù)年限增加呈逐漸下降趨勢[43-44],這表明苜蓿由于在生長前期對水分和養(yǎng)分資源的過度消耗,導(dǎo)致生長后期小生境條件惡化,生長出現(xiàn)明顯衰退,這也是導(dǎo)致導(dǎo)管出現(xiàn)明顯下降趨勢的重要原因。

與紫花苜蓿相反,委陵菜的導(dǎo)管直徑隨著年齡增加有明顯上升趨勢,且在降雨量偏低的地區(qū)導(dǎo)管直徑隨年齡上升趨勢更加明顯。這表明自然草本物種：委陵菜能夠通過增大根部導(dǎo)管大小,增加其輸水能力來滿足隨年齡增加不斷上升的水分需求,而且這種生態(tài)適應(yīng)性特征在氣候較為干旱的樣點表現(xiàn)更加明顯,這也說明委陵菜導(dǎo)管結(jié)構(gòu)特征較好的適應(yīng)了黃土高原干旱半干旱環(huán)境,生長處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。

4.3 草根年輪導(dǎo)管生長對氣候要素的響應(yīng)特征

已有大量研究表明黃土高原地區(qū)植被生長主要受水分條件限制[45-46],在黃土高原的樹木年輪學材料也較好地反映出降雨信號,并被廣泛應(yīng)用于對過去降雨的歷史重建[47-48]；黃土高原草地植被生產(chǎn)力與氣候響應(yīng)特征也表明不同草原類型的生產(chǎn)力隨降雨量提高均呈逐漸增強的趨勢,表明水分是影響黃土高原地區(qū)生產(chǎn)力的首要驅(qū)動因子[49]。本研究中委陵菜年輪導(dǎo)管大小與降雨較為穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系,且在較為干旱的地區(qū)降雨信號更加明顯,這主要是因為委陵菜是黃土高原自然草本物種,比較適宜本地區(qū)氣候條件,因而其年輪數(shù)據(jù)基本體現(xiàn)出了水分條件對植物生長的限制性作用；而紫花苜蓿的年輪導(dǎo)管大小與降雨基本上呈負相關(guān)關(guān)系,因為苜蓿草地隨年齡增加基本上呈明顯的生長衰退趨勢,因而年輪數(shù)據(jù)中未能反映出水分條件對植物生長的限制性作用。

5 結(jié)論

本研究以在黃土高原廣泛種植的紫花苜蓿為研究對象,采用草本年輪學的理論和方法,沿4個不同降雨梯度采集苜蓿草地的主根年輪樣品,并對應(yīng)采集了每個采樣點的自然草本物種：委陵菜的對照樣品,并分析了其根部年輪寬度和導(dǎo)管大小隨年齡的變化趨勢及其氣候響應(yīng)特征。結(jié)果表明,紫花苜蓿和委陵菜的年輪寬度隨年齡增加的變化趨勢較為相似,大致上具有隨年齡增加年輪寬度呈明顯下降趨勢,且在較為干旱的樣地,年輪寬度下降趨勢更加明顯,這主要是由于隨年齡增加不斷增加的水分脅迫條件導(dǎo)致的。紫花苜蓿和委陵菜的導(dǎo)管大小隨年齡增加的變化趨勢具有明顯的差異性,紫花苜蓿的導(dǎo)管直徑隨年齡增加呈線性下降趨勢,體現(xiàn)出其導(dǎo)水能力逐年下降,生長逐漸趨于衰退,年輪數(shù)據(jù)中沒有穩(wěn)定的氣候信號；委陵菜的導(dǎo)管直徑隨年齡增加呈線性上升趨勢,體現(xiàn)出其導(dǎo)水能力逐年上升,生長趨于可持續(xù),其年輪數(shù)據(jù)能夠較為明確的反映出水分因子對植物生長的限制性影響作用。本研究利用草本年輪學的方法分析了黃土高原紫花苜蓿根部年輪寬度和導(dǎo)管變化特征,并與自然物種委陵菜進行了對比分析,并指出水分條件惡化和輸水能力下降是苜蓿草地在生長后期出現(xiàn)生長衰退的重要原因,該研究為該地區(qū)草地植被生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供科學依據(jù)。