劉琳奇，李 揚(yáng)，王 謙，陳景玲?，楊喜田，樊 巍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，450002，鄭州；2.河南省林科院，450003，鄭州)

栓皮櫟(Quercusvariabilis)屬殼斗科櫟屬植物。成年樹(shù)有發(fā)達(dá)的主根，對(duì)防止山體滑坡與水土流失具有較大作用，且其蒸騰量相對(duì)較小[1]，水分消耗少，耐旱性強(qiáng)，為我國(guó)華北石質(zhì)山區(qū)廣泛采用的造林和水土保持樹(shù)種之一。由于栓皮櫟具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，砍伐嚴(yán)重，造成栓皮櫟林退化嚴(yán)重，且櫟類(lèi)實(shí)生幼苗受環(huán)境脅迫，生長(zhǎng)受阻，甚至導(dǎo)致大量死苗，種群自然更新困難，這種現(xiàn)象在不少?lài)?guó)家都有發(fā)現(xiàn)[2-4]；因而幼苗死亡的原因成為亟待探索的科學(xué)問(wèn)題。許多學(xué)者認(rèn)為，幼苗死亡主要因素是干旱、高溫及強(qiáng)光，并開(kāi)展了一些單因子對(duì)櫟類(lèi)幼苗脅迫影響的研究[5-7]，但不能說(shuō)明栓皮櫟死苗的內(nèi)在機(jī)制。環(huán)境脅迫會(huì)使幼苗生長(zhǎng)受阻，強(qiáng)光、高溫、干旱的綜合作用結(jié)果表現(xiàn)在植物幼苗的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)中；因此，人們逐漸關(guān)注櫟幼苗的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)[8-11]及生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中生物量的分配[12-14]，以探討植物應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的策略。植物光合的直接產(chǎn)物是碳水化合物(糖)，其代謝直接關(guān)系植物生長(zhǎng)，是植物代謝過(guò)程的基石和能量載體，在植物功能中起著核心作用。Hartmann[15]認(rèn)為，植物是固著的有機(jī)體，無(wú)法逃脫脅迫環(huán)境，只能通過(guò)戰(zhàn)略性分配碳水化合物資源來(lái)克服壓力和維持生命。研究櫟的糖代謝[16-17]、生長(zhǎng)進(jìn)程中的運(yùn)移方向，可以了解不同生長(zhǎng)階段、不同環(huán)境條件下櫟的生長(zhǎng)對(duì)策，如Wang等[18]研究川滇高山櫟(Quercusaquifolioides)不同季節(jié)植株體組織內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)，認(rèn)為植物組織間的NSC定位方向隨季節(jié)變化，在生長(zhǎng)季節(jié)，NSC從葉片轉(zhuǎn)移到其他組織，在冬季，NSC從根轉(zhuǎn)移到地上組織。

由于栓皮櫟幼苗多生長(zhǎng)在干旱、半干旱地區(qū)的山地生境，人們對(duì)它的生長(zhǎng)進(jìn)程動(dòng)態(tài)了解甚少，本研究通過(guò)詳細(xì)跟蹤0～3年生(播種后至越冬期本文稱(chēng)為0年生)栓皮櫟幼苗的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，分析栓皮櫟幼苗各個(gè)器官生物量分配規(guī)律和總糖流動(dòng)規(guī)律，結(jié)合幼苗的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，以期闡明幼苗生長(zhǎng)受阻的原因與抗逆機(jī)制，為提高栓皮櫟實(shí)生苗造林技術(shù)，減少幼苗死亡率提供科學(xué)支持，同時(shí)也為深入了解植物對(duì)保水固土的動(dòng)態(tài)作用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院試驗(yàn)基地(E 112°42′，N 34°43′)。該地屬暖溫帶大陸性氣候，無(wú)霜期220 d，年均降雨量640.9 mm，土壤為粉砂壤土。

2014年10月5日播種，采用點(diǎn)播，播種苗床南北走向，長(zhǎng)16 m，寬2 m，共4塊，株距×行距為20 cm×30 cm，播種深4 cm。同時(shí)，為測(cè)定側(cè)根需要，在預(yù)先豎直埋于土壤中的PVC管(直徑20 cm，長(zhǎng)度1 m，管側(cè)面打孔8個(gè))中播種，每管播種5粒，播深4 cm，定株后每管保留3株苗。播種后澆一次水，以后不再澆水施肥，使種子在自然條件下生長(zhǎng)，及時(shí)除草。試驗(yàn)用種子來(lái)源于河南省濟(jì)源市大溝河林場(chǎng)，當(dāng)年采收的種子經(jīng)過(guò)人工挑選出個(gè)體均勻、有光澤、無(wú)蟲(chóng)害的種子，種子平均干質(zhì)量為2.9 g，種仁平均干質(zhì)量為2.5 g，出苗率64%。

2 材料與方法

2.1 幼苗采樣和生物量測(cè)定

采樣間隔第1年為每10 d采樣1次，第2年為每月采樣1次，第3年為每季度采樣1次。冬季12、1、2月停止采樣。每次采樣10株。在根側(cè)20 cm挖土壤剖面，深度稍超過(guò)根長(zhǎng)。用鏟子順著主根輕輕向下挖，直到看見(jiàn)主根根尖的白色生長(zhǎng)點(diǎn)為止，然后將整株苗完整取出，用水沖掉泥土，再用濾紙吸干附著水，使用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)出每株苗的莖長(zhǎng)和莖基徑、主根長(zhǎng)與根基徑，并記錄葉片數(shù)，測(cè)量葉面積。之后用剪刀分開(kāi)莖、葉、種子、主根、側(cè)根，剝離種子的種皮，稱(chēng)量各器官的總鮮質(zhì)量，然后放入烘箱中80 ℃烘干至恒質(zhì)量(3次稱(chēng)量質(zhì)量變化<0.02 g)。測(cè)出栓皮櫟幼苗各器官的總干質(zhì)量，并計(jì)算出單株各器官的干質(zhì)量平均值。

圖1 根、莖、葉的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)Fig.1 Growth dynamics of root，stem and leaf

由于側(cè)根和根毛易斷，很難完整取出，因此用PVC管中同期苗的側(cè)根和根毛占主根的干質(zhì)量比例來(lái)計(jì)算側(cè)根和根毛的干質(zhì)量。PVC管中根的采樣方法為：挖出長(zhǎng)有栓皮櫟幼苗的3根管共9株苗，破開(kāi)PVC管，用水沖掉土壤，取出完整的根后用濾紙吸干附著水。分開(kāi)種子、主根、側(cè)根和根毛，烘干得出各器官的干質(zhì)量，計(jì)算出側(cè)根和根毛占主根干質(zhì)量的比例(%)，由該比例值對(duì)應(yīng)前述主根單株干質(zhì)量計(jì)算出單株的側(cè)根和根毛干質(zhì)量值。

2.2 總糖測(cè)定

將栓皮櫟幼苗各器官烘干后的樣本磨碎，使用蒽酮比色法測(cè)定單位質(zhì)量樣本中的總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 栓皮櫟幼苗根、莖、葉生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

1年生幼苗根、莖以垂直生長(zhǎng)為主，側(cè)根與分枝較少。圖1為栓皮櫟幼苗根、莖、葉的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)圖，圖中虛線(xiàn)A、B、C、D、E、F為不同生長(zhǎng)階段的節(jié)點(diǎn)。由圖1可以看出：10月5日播種后，幼苗主根在越冬前有一段生長(zhǎng)期(圖a中A～B)，約2個(gè)月，平均伸長(zhǎng)19 cm；11月底至翌年3月中旬(圖a中B～C)是主根的冬季停止生長(zhǎng)期。在第1年3月中旬，幼苗根、莖、葉3個(gè)器官均開(kāi)始生長(zhǎng)，其中主根在3月中旬至11月底(圖a中C～D)進(jìn)入1年生幼苗的快速生長(zhǎng)期，平均伸長(zhǎng)95 cm；莖高在3月中旬到6月初(圖b中A～B)進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，平均增長(zhǎng)17 cm；1年生幼苗葉片則存在2次明顯的生長(zhǎng)期，分別為3月中旬到6月初(圖c中A～B)以及8月底到9月底(圖c中C～D)，單株葉面積分別平均增加113與70 cm2。當(dāng)幼苗進(jìn)入2～3年生時(shí)，莖與葉片每年均有一個(gè)明顯的生長(zhǎng)期，其中：莖的生長(zhǎng)期約為2個(gè)多月，分別為第2年的4月下旬到7月初(圖b中C～D)、第3年的4月中旬到7月初(圖b中E～F)，平均增長(zhǎng)22和40 cm；葉片的生長(zhǎng)期約為3.5個(gè)月，均為3月中旬到7月初，單株葉面積分別增加了782與2 513 cm2；但根僅有1個(gè)生長(zhǎng)期，為第2年3月中旬至7月初，平均伸長(zhǎng)52 cm，達(dá)到166 cm，之后主根不再顯著伸長(zhǎng)?？梢钥闯觯河酌缰鞲诘?、2年生長(zhǎng)較快，第3年后生長(zhǎng)較慢，在冬季幼苗主根都有一個(gè)停滯生長(zhǎng)期，為11月中旬至翌年3月中旬，這也是葉片凋落時(shí)期；莖高在第1、2年生長(zhǎng)較慢，第3年生長(zhǎng)較快，在每年的2個(gè)多月快速生長(zhǎng)期后，莖生長(zhǎng)幾乎停滯；1年生幼苗葉片在2次生長(zhǎng)期之間(圖c中B～C)存在1個(gè)生長(zhǎng)停滯期。

對(duì)根基徑與莖基徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根基徑在前兩年內(nèi)沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，保持在0.6 cm左右。第3年當(dāng)主根長(zhǎng)不再增加時(shí)，根基徑開(kāi)始快速增長(zhǎng)，一年內(nèi)平均增加0.8 cm，達(dá)到1.5 cm?？梢?jiàn)栓皮櫟幼苗主根的伸長(zhǎng)和增粗并不是同步的，其生長(zhǎng)特性是先伸長(zhǎng)后增粗。側(cè)根和根毛也表現(xiàn)出在第3年開(kāi)始快速生長(zhǎng)。莖基徑的生長(zhǎng)規(guī)律表現(xiàn)出與莖高度的生長(zhǎng)同步。

對(duì)幼苗根生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行Logistic數(shù)學(xué)模型擬合，發(fā)現(xiàn)3年中根生長(zhǎng)最大值K=182.9，R2=0.942 9，模型系數(shù)a=13.75，b=0.006 4。擬合效果較好。

3.2 栓皮櫟幼苗各器官干物質(zhì)量積累

圖2示出栓皮櫟幼苗種仁、主根、側(cè)根、莖、葉各器官干物質(zhì)量隨時(shí)間的變化。種仁干物質(zhì)量隨著根和莖葉的生長(zhǎng)逐漸降低。冬前播種后至12月下旬種仁干物質(zhì)量有下降期，主要用于根伸長(zhǎng)。第1年的3月初至5月初有另一個(gè)快速下降期，主要用于根伸長(zhǎng)和莖、葉生長(zhǎng)，當(dāng)年6月初，種仁干物質(zhì)量已經(jīng)降低到0.5 g，低于種仁初始質(zhì)量的20%。

主根干物質(zhì)在第1年5月上旬開(kāi)始快速增長(zhǎng)，而主根根長(zhǎng)在3月中旬已進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，即3月中旬至5月上旬根以伸長(zhǎng)為主，較少增加干物質(zhì)，而在5月上旬至11月底干物質(zhì)量增加以主根伸長(zhǎng)為主。第2、3年4月中旬開(kāi)始主根干物質(zhì)量快速積累，到11月中旬停止積累，其中第2年主根干質(zhì)量增加仍以主根伸長(zhǎng)為主，第3年以側(cè)根和根毛的生長(zhǎng)及根基徑增粗生長(zhǎng)為主，且主根干物質(zhì)積累速度逐年增加。莖干物質(zhì)量從第2年開(kāi)始快速增長(zhǎng)，也表現(xiàn)出積累速度逐年增加的規(guī)律。對(duì)比可知，主根與莖在第1年和第2年積累速率較慢，第3年積累速率明顯加快。

葉片干物質(zhì)在第1年有2個(gè)積累時(shí)期，分別為3月中旬至6月初和8月底至9月底，與葉面積的生長(zhǎng)規(guī)律相同。第2年和第3年葉片干物質(zhì)量均在3月中旬開(kāi)始積累，7月初停止，在第1年的2個(gè)積累期之間葉片干物質(zhì)積累停滯。

圖2 幼苗各器官干物質(zhì)量隨時(shí)間變化Fig.2 Changes in dry biomass of seedling organs over time

3.3 栓皮櫟幼苗各器官總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

圖3 種仁、葉、莖、根總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化Fig.3 Change of total sugar concentration over time in seed kernel, root, stem and leaf

植物體內(nèi)總糖由高濃度向低濃度輸送[19-21]。圖3為幼苗各器官總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化圖，可知播種后，種仁總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速升高，說(shuō)明1年生幼苗前期由種仁供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在4月至6月，隨著各個(gè)器官開(kāi)始生長(zhǎng)，種仁總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速下降，同時(shí)葉片開(kāi)始產(chǎn)生糖分，為二者共同供應(yīng)能量。6月中旬后，葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他器官，此時(shí)由葉片光合作用供應(yīng)植株?duì)I養(yǎng)。至秋末葉片凋落，各器官總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降。

圖4 種仁與葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)差隨時(shí)間變化Fig.4 Changes in total sugar concentration difference between seed kernel and leaf with time

2、3年生幼苗葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，此時(shí)由葉片光合作用供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)糖分全部由葉片光合作用供應(yīng)后，葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.5%左右，莖在4%左右，主根在3%左右，三者的波動(dòng)規(guī)律基本一致，主根、莖總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨葉片的總糖濃度變化而變化。冬季主根和莖的總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)因?yàn)橹饾u消耗而降低。該結(jié)果表明，2、3年生幼苗器官糖分分配機(jī)制較為穩(wěn)定，能量流是由葉片到莖再到根。2、3年生幼苗的葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(約6%)均低于1年生幼苗(有種子時(shí)10%，種子剛耗盡后8%)，這是因?yàn)?年生幼苗有種子供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)，2、3年生幼苗變成自養(yǎng)后植株糖需求大，葉片總糖輸出高。這也是導(dǎo)致2、3年生幼苗夏季生長(zhǎng)不旺盛的原因。

當(dāng)種仁總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，以種仁為糖供應(yīng)器官，反之亦然。種仁與葉片總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)差的變化見(jiàn)圖4，由圖中的分段擬合線(xiàn)可以看出，在第1年6月初，種仁與葉片的總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)差為零，此時(shí)種子的功能退去，供應(yīng)器官發(fā)生變化，即為幼苗由異養(yǎng)轉(zhuǎn)為自養(yǎng)的時(shí)間點(diǎn)。

4 討論

植物幼苗的表型狀況、生長(zhǎng)快慢以及停滯等表現(xiàn)，反映了外界環(huán)境對(duì)其生長(zhǎng)的影響程度。通過(guò)詳細(xì)觀(guān)察幼苗表現(xiàn)，一方面可以掌握幼苗的生長(zhǎng)規(guī)律和生態(tài)對(duì)策，便于科學(xué)管理和采取培育措施，另一方面也為分析環(huán)境條件對(duì)幼苗的影響，提供了詳細(xì)的信息和參照。本文對(duì)1年生栓皮櫟幼苗研究發(fā)現(xiàn)，幼苗莖和葉在夏季存在生長(zhǎng)—停滯—再生長(zhǎng)現(xiàn)象，此結(jié)論與Baquedano等[22]的胭脂蟲(chóng)櫟(Quercuscoccifera)和冬青櫟(Quercusilex)的研究一致。冬季低溫的停滯生長(zhǎng)是大多數(shù)植物的生態(tài)習(xí)性，但在夏季高溫，不同植物有不同的生態(tài)對(duì)策，有些植物通過(guò)自身的高抗熱性抵御脅迫，而另一些植物則通過(guò)生長(zhǎng)停滯來(lái)避免高溫傷害[23-24]，并通過(guò)不斷調(diào)節(jié)冠層、根、莖間的干物質(zhì)分配比例，以適應(yīng)環(huán)境變化[25]。

栓皮櫟1年生幼苗地上部分在夏季停滯生長(zhǎng)。在逆境時(shí)，幼苗通過(guò)減少莖葉生長(zhǎng)，來(lái)保證根的生長(zhǎng)，并以此來(lái)抵抗逆境，表明栓皮櫟幼苗通過(guò)采取躲避策略來(lái)避免環(huán)境傷害的生態(tài)習(xí)性。根在0～2年生間，以主根的垂直向下伸長(zhǎng)為主要生長(zhǎng)特征，平均達(dá)到165 cm，最長(zhǎng)的可達(dá)2 m以上，Holch等[26]研究發(fā)現(xiàn)黃栗櫟(Q.macrocarpa)幼苗主根可長(zhǎng)達(dá)1.5 m，與本文的研究結(jié)果接近。3年生后主根增長(zhǎng)明顯減緩，以根增粗和側(cè)根生長(zhǎng)為主，根的總干物質(zhì)量也開(kāi)始快速增加。幼苗根伸長(zhǎng)過(guò)程符合Logistic生長(zhǎng)模型，類(lèi)似還有劉國(guó)軍等[27]研究發(fā)現(xiàn)梭梭幼苗根長(zhǎng)呈現(xiàn)出慢—快—慢的生長(zhǎng)節(jié)奏?？梢?jiàn)，在干旱和半干旱地區(qū)，栓皮櫟幼苗根生長(zhǎng)的表現(xiàn)反映出適應(yīng)環(huán)境的生態(tài)對(duì)策，即以保障根的生長(zhǎng)為主。此條件下根的生長(zhǎng)分為2個(gè)階段：第1階段，以根伸長(zhǎng)到土壤深處尋找適宜的水條件為先期策略，以保證生存必須的水；第2階段，為主根的增粗和側(cè)根量的增加階段，吸收養(yǎng)分以滿(mǎn)足生長(zhǎng)的需要，為快速生長(zhǎng)形成優(yōu)勢(shì)創(chuàng)造條件，最大效率地利用資源來(lái)提高其生態(tài)適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)能力。

幼苗干物質(zhì)分配的比例，在葉片生長(zhǎng)旺盛的時(shí)間段，1～2年生幼苗地下部分明顯大于地上部分，3年生幼苗則地上地下部分基本相等，在沒(méi)有葉片的時(shí)段，主根的干物質(zhì)比例，1～2年生幼苗在65%以上，3年生幼苗在60%左右。Danner等[28]在研究黃栗櫟與米氏櫟(Quercusmuhlenbergii)生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)米氏櫟在發(fā)芽前100 d，主根生物量占總生物量的比例一直保持在60%以上，與本文的結(jié)論相同。

剛出苗的幼苗生長(zhǎng)由種子供給營(yíng)養(yǎng)，隨著幼苗的生長(zhǎng)，開(kāi)始由葉片光合作用供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)。播種后8個(gè)月時(shí)，種仁與葉片的總糖濃度差為零，此時(shí)種仁干物質(zhì)量已經(jīng)降低到0.5 g以下，是栓皮櫟幼苗的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)由種仁向葉片轉(zhuǎn)折的時(shí)期；但此時(shí)幼苗僅有3～5片葉子，葉面積平均僅有100 cm2左右，是幼苗最為脆弱的時(shí)期，也是1年生幼苗生長(zhǎng)停滯期。栓皮櫟種子大小具有不均勻性，干物質(zhì)質(zhì)量低于平均值的種仁，更容易因養(yǎng)分供應(yīng)不足、碳饑餓而導(dǎo)致死苗。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，櫟類(lèi)第1年生長(zhǎng)狀況更依賴(lài)于種子儲(chǔ)備而不是環(huán)境條件，種子越大，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)備越多，更有利于成苗[29]；但沒(méi)有明確得出依賴(lài)種子儲(chǔ)備的時(shí)間段和依賴(lài)種子儲(chǔ)備向依賴(lài)光合提供營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)變時(shí)間。筆者確定該轉(zhuǎn)折期是幼苗最脆弱的時(shí)期，也是1年生幼苗最容易受環(huán)境脅迫而發(fā)生停滯生長(zhǎng)或死亡的時(shí)期。2、3年生幼苗的葉片糖濃度均低于1年生幼苗，這說(shuō)明2～3年生幼苗雖已進(jìn)入自養(yǎng)階段，但自養(yǎng)能力不完善，因而生長(zhǎng)緩慢。本研究?jī)H探索總糖濃度變化，若進(jìn)一步詳細(xì)研究各種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物組成成分的濃度的變化，將更有利于探討幼苗對(duì)逆境的適應(yīng)機(jī)理。

5 結(jié)論

1)0～3年生栓皮櫟幼苗抵御非生物脅迫的生態(tài)策略為保證根生長(zhǎng)。其中根生長(zhǎng)分為2個(gè)階段：第1階段，伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，尋找適宜水環(huán)境；第2階段，根的增粗和側(cè)根量的增加，最大限度利用環(huán)境資源，提高抵御環(huán)境脅迫能力。

2)1年生栓皮櫟幼苗莖、葉在夏季存在生長(zhǎng)停滯現(xiàn)象，此時(shí)幼苗正值種子供給營(yíng)養(yǎng)與葉片光合供給營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)換期(異養(yǎng)轉(zhuǎn)自養(yǎng)階段)，對(duì)逆境抗性最弱。這2個(gè)時(shí)期之間存在密不可分的關(guān)系。

3)2、3年生栓皮櫟幼苗無(wú)生長(zhǎng)停滯現(xiàn)象，但葉片光合作用合成的糖分不能完全滿(mǎn)足植株生長(zhǎng)需求，因此即使在7、8月熱量充足條件下，生長(zhǎng)仍不旺盛。