張國帥,買爾當·克依木,焦 磊,高光耀,李宗善,*,王曉春

1 東北林業(yè)大學生態(tài)研究中心, 哈爾濱 150040

2 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

3 陜西師范大學, 西安 710119

越來越多的證據(jù)表明,全球氣候變暖及其導致的干旱脅迫已導致世界范圍,特別是干旱半干旱區(qū)出現(xiàn)大面積森林生長衰退和樹木死亡問題[1],從而對區(qū)域森林植被生產(chǎn)力和碳固定產(chǎn)生顯著負面影響[2]。干旱脅迫氣候條件能夠使得樹木木質部空穴化和栓塞(Xylem embolism)并導致水分輸導故障(Hydraulic failure),從而嚴重制約樹木正常的生長發(fā)育[3-4]。有研究表明,世界范圍森林植被對干旱脅迫響應的敏感性被明顯低估,不同類型森林在干旱脅迫下產(chǎn)生水分輸導障礙的水分安全閾值范圍較窄,區(qū)域差異性不大,這表明在森林植被在氣候變暖背景下的干旱脅迫風險正在不斷加劇[5]。樹木木質部導水解剖特征(導管大小、數(shù)量及密度等)作為反映樹木的水分的輸導能力和用水策略的主要參量,不僅被廣泛應用于樹木生長對干旱脅迫響應特征[6-7],還被應用于植物生理過程模型,用于預測森林生長對干旱脅迫的響應和適應方式[5, 8]。

黃土高原地區(qū)位于我國干旱半干旱區(qū),是典型生態(tài)脆弱區(qū)與氣候變化響應敏感區(qū),該地區(qū)植被生長主要受到水分條件脅迫影響[9-10]。利用木質部導水特征參量反映黃土高原植被對水分脅迫條件影響的響應特征的研究也逐漸受到了人們的關注,李榮等[11]分析了黃土高原6個耐旱樹種木質部結構與栓塞脆弱性的關系,發(fā)現(xiàn)導管密度對木質部栓塞脆弱性影響最大,而導管直徑次之,導管長度影響最?。话B水等[12]則對比了陜北沙地3種典型灌木根木質部解剖結構及水力特征,發(fā)現(xiàn)沙柳的木質部導管平均最大直徑、平均最小直徑、平均導管面積以及導管面積占木質部面積比例顯著高于檸條(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides),具有最優(yōu)的導水效率；李秧秧等(2010)[13]則研究了黃土丘陵區(qū)典型樹木抵抗空穴化能力及與木質部結構的關系,黃刺玫(Rosaxanthina)、山楊(Populusdavidiana)和山桃(Amygdalusdavidiana)的導管直徑較小而導管密度較大,導水安全性和抗干旱脅迫能力均較強；而遼東櫟(Quercuswutaishanica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)的導管直徑較大而導管密度較小,導水效率較高但抗干旱脅迫能力較弱?？v觀黃土高原基于木質部導管特征對輸水和抗旱能力的研究還是主要集中在木本喬木和灌木物種,而對多年生草本物種的研究還沒有引起人們的關注。

現(xiàn)在有足夠證據(jù)表明多年生草本根部次生組織中具有明顯的導管結構,并可根據(jù)導管直徑在生長季前后期大小變化規(guī)律辨識年輪界限,多年生草本根部解剖材料的氣候學和生態(tài)學價值正引起人們的關注[14-16]。草地是黃土高原地區(qū)分布最為廣泛的植被類型,總面積達20 多萬km2,占區(qū)域總面積的32.6%；在退耕還林還草與封山禁牧工程在1999 年大規(guī)模實施以來,黃土高原草地面積進一步擴大[17-18]。利用多年生草本根部解剖材料探討黃土高原草本物種對水分脅迫條件的響應特征具有重要的生態(tài)學價值,且已經(jīng)受到人們的關注。Shi 等[19-20]和任麗媛等[21-22]在黃土高原已經(jīng)初步收集了10 余種多年生草本根部年輪資料,發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)都具有清晰的年輪結構,并發(fā)現(xiàn)多年生草本根部導管大小與水分脅迫條件關系最為密切,并根據(jù)根部導管大小隨年齡變化特征探討了黃土高原自然和人工草本物種生活史策略的差異性。

但是,黃土高原目前開展的草本解剖學方面的相關研究還是較為零散和初步的,有待進一步深入研究。本研究在黃土高原沿降雨梯度設置調查樣地,并較為系統(tǒng)地采集多年生草本物種根部解剖材料,提取其根部導管解剖特征參量(包括導管面積、導管分數(shù)和水力傳導效率等),并闡明黃土高原多年生草本物種導水特征沿干旱脅迫梯度的變化特征,無疑將為黃土高原草地植被對氣候變化的響應和適應等方面研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地處我國西北地區(qū),位于中國黃河中上游地區(qū),是世界上最大的黃土沉積區(qū),東西綿延約1000 km,南北地跨 750 km,平均海拔在1500—2000 m 間,面積約62 萬km2(圖1)[23]。區(qū)域氣候為暖溫帶大陸性季風氣候,從西北到東南依次為干旱、半干旱和半濕潤氣候。黃土高原年均氣溫從西北區(qū)的3.6℃上升到東南區(qū)的14.3℃,降雨量300—800 mm,植被依次為風沙草原、草原和森林草原[24]。黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤侵蝕和水土流失嚴重,地表破碎、溝壑縱橫,區(qū)域植被總體覆蓋度較低。自封山育林和退耕還林(草) 工程實施以來,黃土高原植被覆蓋率明顯提高,植被持續(xù)改善的面積占整個區(qū)域的67.08%,區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境有很大好轉[25]。

圖1 黃土高原多年生草本樣品空間分布圖

1.2 樣品采集與處理

在黃土高原地區(qū),沿年平均降雨量等值線(東南至西北方向)設置調查樣帶,共布設12個草本植物調查樣點采集在該區(qū)域分布廣泛的多年生草本物種(表1)。在采樣點選取具有明顯主根多年生草本物種,挑選出3—5株健康成熟植株,挖取其主根并清洗干凈,用刀片裁取2—3 cm深近地面的樣品,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。

表1 黃土高原多年生草本物種采樣點信息

將采集的草根樣品進行石蠟切片前處理,即脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、染色和觀察測量等操作[26],脫水是將草根樣品從固定液中取出,放入不同濃度(80%、85%、90%、95%、100%Ⅰ和100%Ⅱ)的乙醇溶液中逐級進行脫水,目的在于用梯度乙醇溶液替換植物組織中的水分,以保證后續(xù)透明和包埋時二甲苯和石蠟完全滲進植物組織。透明是指用二甲苯作為媒介將脫水后組織中的乙醇置換出來。用石蠟取代透明劑,使二甲苯浸入植物組織,在切片時起支持作用,稱為浸蠟。包埋是指把浸蠟處理后的樣品用石蠟溶液包裹并晾干的過程。

當蠟塊充分凝固后,用輪轉式切片機切出大約8—14 μm厚度的橫切面臘帶,后粘連到載破片上。為了區(qū)分韌皮部、形成層、木質部等區(qū)域,采用復染的方法進行染色。首先經(jīng)過脫蠟過程,逐級復水后依次放入1%番紅水溶液和0.5%固綠乙醇溶液[27]。封片后使用Olympus DP73 (Olympus, Tokyo, Japan)在同一倍數(shù)(×40)下觀察、拍照,并用PTGui全景拼接軟件將不完整的圖片拼接在一起。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用ImageJ專業(yè)圖像分析軟件,選取切片上固定面積(500 × 500像素,1像素=2.63 μm)測量木質部導管區(qū)域,自動讀取被測量切片的導水解剖特征并獲取參量數(shù)值(圖2),并獲取以下9種導管參量。依次為1)導管數(shù)量(Number of vessel,NV)(個)：測量區(qū)內(nèi)導as管的總數(shù)量；2)導管分數(shù)(Vessel fraction,VF)(%)：測量區(qū)內(nèi)導管總面積占測量區(qū)面積的比例；3)導管平均面積(Mean vessel area, MVA)(μm2)：測量區(qū)內(nèi)所有導管面積的平均數(shù)值；4)

導管最大面積(Maximum vessel area, MAX.VA)(μm2)：測量區(qū)內(nèi)導管的最大面積；5)導管總面積(Total vessel area, TVA)(μm2)：測量區(qū)內(nèi)導管總面積；6)總體水力傳導率(Total hydraulic conductivity, TKp)(kg m-1MPa-1s-1)：測量區(qū)導管水力傳導率之和；7)平均水力傳導率(Mean hydraulic conductivity, MKp)(kg m-1MPa-1s-1)：測量區(qū)導管平均水力傳導率；8)最大水力傳導率(Maximum hydraulic conductivity, MAX.Kp)(kg m-1MPa-1s-1)：測量區(qū)最大導管水力傳導率。

由于導管大多數(shù)是橢圓的,導管的理論直徑D=[3(ab)3/ (2a2+2b2)]1/4,其中a和b 分別表示長軸和短軸的長度[28],根據(jù)Tyree和Zimmermann(2002)[29]的水力傳導概念,理論水力傳導率(The theoretical hydraulic conductivity,Kp)可由每個導管(等效圓)直徑通過改進的哈根泊肅葉方程(Hagen-Poiseuille)計算。

式中,ρ是20℃水(998.2 kg/m3)的密度,η是20℃(1.002×10-9MPa s)水的粘度,di是在第i年測量的第n個導管(等效圓)直徑。

本研究中相關數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2014 進行記錄和整理；數(shù)據(jù)分析主要采用SPSS 22.0(SPSS Inc. Chicago, USA)軟件和R語言程序(R Core Team 2016)；圖形繪制采用R語言程序(R Core Team 2016)和ArcGIS 9.2(ESRI, Redlands, CA, USA)軟件完成。

2 結果與分析

2.1 草根導管特征參量數(shù)值變化趨勢

本研究在黃土高原采集多年生草本物種30種,分屬于12科23屬(表2),種類最多的是菊科,一共有9個草本物種,分屬于7個屬,分別為小苦買屬(Ixeridium)、大丁草屬(Gerbera)、狗娃花屬(Heteropappus)、薊屬(Cirsium)、藍刺頭屬(Echinops)、泥胡菜屬(Hemistepta)和祁州漏蘆(Hemistepta)；其次是豆科,一共有8個草本物種,分屬于5個屬,分別為棘豆屬(Oxytropis)、草木犀屬(Melilotus)、黃耆屬(Astragalus)、苜蓿屬(Medicago) 和沙打旺屬(Astragalus)；其他科的草本種類均較少,多為1—2個草本物種。

表2 黃土高原多年生草本物種組成信息表

從多年生草本根部導管特征參量頻度特征來看(圖3),導管數(shù)量頻度呈正態(tài)分布特征,在測量面積內(nèi)導管數(shù)量(NV)最多的物種為益母草(Leonurusartemisia)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、柴胡(Bupleurumchinense),導管數(shù)量分別為295個、233個、227個；導管分數(shù)(VF)頻度呈偏正態(tài)分布特征,在固定面積內(nèi)導管分數(shù)數(shù)值最高的物種為沙打旺(A.adsurgens)、駱駝蓬(Peganumnigellastrum)、駱駝蒿(Peganumharmala),數(shù)值分別為33.16%、30.44%、28.91%；最大導管面積(MAX.VA)頻度呈偏正態(tài)分布特征,數(shù)值較大的物種有駱駝蓬、大果琉璃草(Cynoglossumdivaricatum)、紫苜蓿(Medicagosativa),導管面積為7340—7930 μm2,導管直徑約為100 μm；平均導管面積(MVA)頻度呈偏正太分布特征,數(shù)值較大的物種有沙打旺、砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)和駱駝蒿,導管面積約為2300 μm2,導管直徑約為50 μm；最大水分傳導率(MAX.Kp)、總水分傳導率(TKp)、平均水分傳導率(MKp)頻度分布以負指數(shù)曲線為主,水分傳導效率較高的物種有駱駝蓬、駱駝蒿、砂藍刺頭、紫苜蓿、沙打旺和大果琉璃草等。

圖3 黃土高原多年生草本根部導管特征參量頻度圖

從多年生草本根部導管特征參量間相關特征來看(圖4),多年生草本物種的水分傳導率(MAX.Kp、TKp、MKp)與導管分數(shù)(R=0.595—0.866,P<0.01)和導管平均面積(R=0.615—0.9,P<0.01)具有顯著相關關系,而與導管數(shù)量無明顯的相關特征(R=-0.011—0.213,P>0.05)。

圖4 黃土高原多年生草本根部導管特征參量間相關特征

2.2 草根導管特征參量在降雨梯度上的變化趨勢

從各導管特征參量隨降雨梯度上的變化趨勢來看(圖5),多年生草本的根部導管數(shù)量(NV)在固定面積內(nèi)隨降雨量增加無明顯上升趨勢,基本維持在150個導管左右,而導管分數(shù)(VF)則隨降雨量增加有不斷下降趨勢,從250 mm的16%下降到530 mm的11%。最大導管面積(MAX.VA)、總導管面積(TVA)、平均導管面積(MVA)均沿降雨梯度有不斷下降的趨勢,其中下降趨勢最為明顯的是平均導管面積,從250 mm的1700 μm2(直徑約為50 μm)下降到530 mm的1000 μm2(直徑約為30 μm)。最大水分傳導率(MAX.Kp)沿降雨梯度呈穩(wěn)定波動特征,無明顯變化趨勢,而總水分傳導率(TKp)和平均水分傳導率(MKp)隨著降雨量的增加則均有明顯下降趨勢,相關系數(shù)也達到了顯著性水平(R=-0.3—-0.362,P<0.05)。

圖5 黃土高原多年生草本根部導管特征參量隨降雨梯度變化特征

2.3 草根導管特征參量在不同科屬間的差異性

對本研究中種類較多或采樣點數(shù)較多菊科、豆科和蒺藜科物種根部導管特征參量進行了比較分析(圖6),結果發(fā)現(xiàn)各種類型的導管參量,包括導管數(shù)量、導管分數(shù)、最大導管面積、總導管面積、平均導管面積、最大水分傳導率、總水分傳導率、平均水分傳導率,均以菊科草本物種數(shù)值最低,其次是豆科草本物種,而蒺藜科草本物種各導管參量數(shù)值均處于最高水平。

圖6 黃土高原多年生草本根部導管特征參量在優(yōu)勢科之間的差異性

3 討論

3.1 黃土高原多年生草本物種根部導管基本表現(xiàn)特征

由于黃土高原空間范圍大、氣候條件多樣,區(qū)域內(nèi)的多年生草本物種根部導管參量數(shù)值也具有較大的變化幅度,在固定測量面積內(nèi)導管數(shù)量(NV)、導管分數(shù)(VF)、最大導管面積(MAX.VA)、平均導管面積(MVA)的變化范圍分別為25—295個、2.42%—33.16%、1280—7930 μm2(導管直徑約為 40—100 μm)、470—2300 μm2(導管直徑約為 25—55 μm)。固定測量面積內(nèi)導管數(shù)量最多的物種是益母草(295個),導管分數(shù)最大的物種是沙打旺(33.16%),最大導管面積最大的物種是紫苜蓿(直徑約為100 μm),平均導管面積最大的物種是駱駝蒿(直徑約為55 μm)。李榮等[11]發(fā)現(xiàn)黃土高原主要耐旱樹種刺槐、榆樹(Ulmuspumila)、旱柳(Salixmatsudana)、元寶楓(Acertruncatum)、榛(Corylusheterophylla)、沙棘的木質部導管的直徑約為56.96 μm、49.48 μm、32.11 μm、31.26 μm、26.81 μm、23.57 μm,并發(fā)現(xiàn)導管徑級較大的物種木質部較易發(fā)生栓塞,而導管徑級較小的物種木質部不易發(fā)生栓塞。由此可見,黃土高原多年生草本物種根部導管尺寸與主要抗旱樹種木質部導管尺寸大致相當,大約介于20—60 μm,其中沙打旺、駱駝蓬、紫苜蓿的導管大小(50—60 μm)與刺槐、榆樹相當,阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilotoides)、菊葉委陵菜的導管大小(30—35 μm)與旱柳、元寶槭相當,而益母草、龍膽、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)的導管大小與榛、沙棘相當。

3.2 黃土高原多年生草本物種根部導管特征沿降雨梯度變化規(guī)律

黃土高原多年生草本根部主要導管大小和導管分數(shù)隨降雨量減少呈不斷上升的趨勢(圖5),導管平均直徑和導管分數(shù)分別從530 mm的30 μm、11%上升到250 mm的50 μm、16%,表征導管水分傳導效率(MAX.Kp、TKp、MKp)的三個參量隨降雨量也具有持續(xù)上升趨勢。可見,黃土高原多年生草本物種沿降雨梯度的導管輸水策略發(fā)生了明顯的變化,在較為干旱的地區(qū),多年生草本物種導管較大、導水效率較高,在較為濕潤的地區(qū),多年生草本物種導管較小、導水效率較低。基于大尺度遙感植被歸一化指數(shù)(NDVI)和氣候柵格數(shù)據(jù),裴婷婷等[30]發(fā)現(xiàn)黃土高原草地植被水分利用效率與NDVI具有顯著相關性,且沿東南-西北隨降水量的減少,草地植被水分利用效率有不斷下降趨勢,這是與本研究結果相類似的。Zhang等[31]發(fā)現(xiàn)黃土高原南部秦嶺地區(qū)栓皮櫟(Quercusvariabilis)早材導管大小對干旱脅迫較為敏感,春季降雨較少的年份,早材導管直徑較小,水分輸導效率較低；而春季降雨較多的年份,早材導管直徑較大,水分輸導效率較高,而這也是與本研究相類似的。

一般認為,樹木木質部導管的導水率與導管直徑的四次方成正比(Hagen-Poiseuille方程),即導管直徑越大,木質部的導水能力和輸效率就越強[29]。在面臨干旱脅迫環(huán)境時,樹木生長一般都會面對木質部導水效率和導水安全上的權衡問題[32],一部分物種會采取擴大導管大小、提升導水效率的粗放式用水策略,發(fā)生導管栓塞的風險也隨之增加[33]；一部分物種會采取減小導管大小、降低導水效率的保守型用水策略,雖然植物輸水能力總體下降,但是導管導水安全性得到提升[34]。本研究結果可以看出,黃土高原在降雨量較少地區(qū)的多年生草本物種導管直徑和導管總面積明顯較大、導水效率明顯較高,可見草本物種采用的一種導水效率優(yōu)先策略來適應干旱脅迫環(huán)境。雖然較干旱地區(qū)草本物種根部導管較大,但是發(fā)生導管栓塞的風險應該比木本植物物種要明顯偏低。一般認為,草本物種比木本物種有更小的葉組織密度以及更大的葉面積、比葉面積、葉片氮含量、根氮含量和比根長,從而比木本植物表現(xiàn)出更強的干旱環(huán)境適應能力,因而草本植物導管輸水安全性相對較高[35]。

3.3 黃土高原不同類群多年生草本物種水分利用策略的差異性

黃土高原不同類群多年生草本物種根部導管參量特征具有較大差異性,其中以菊科物種數(shù)值最低,以自然分布的狗娃花屬、苦買菜屬、泥胡菜屬植物為主,導管直徑、導水效率為37.34 μm、2.887 kg m-1MPa-1s-1；豆科物種的數(shù)值居中,以人工種植的紫花苜蓿和沙打旺為主,導管直徑、導水效率為45.58 μm、5.109 kg m-1MPa-1s-1；蒺藜科物種的數(shù)值最高,以半荒漠分布的駱駝蓬和駱駝蒿為主,導管直徑、導水效率為47.85 μm、11.655 kg m-1MPa-1s-1。菊科植物物種多為黃土高原自然分布物種,多為于淺根系矮小植株,生長速率較慢,對土壤水分消耗量有限,因而這類植物的導管參量數(shù)值較低。豆科植物導管參數(shù)數(shù)值較高,主要是因為紫花苜蓿和沙打旺是黃土高原優(yōu)質牧草,生長速度快、植株高大；但是它們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,從而造成其生長后期生物量明顯下降而出現(xiàn)生長衰退[36-37]。已有研究表明黃土高原人工種植物種(紫花苜蓿)和自然物種(委陵菜)的用水策略隨年齡增長有明顯變異特征,紫花苜蓿導管直徑和生長量在生長后期明顯下降,生長出現(xiàn)衰退；委陵菜的導管直徑和生長量則持續(xù)增長,生長可以持續(xù)[19-22]。

蒺藜科駱駝蓬屬草本物種根部導管徑級最大,其導水效率也處于最高水平,這應是其適應半荒漠干旱氣候條件的直接表現(xiàn)。駱駝蓬屬多年生草本物種(駱駝蓬、駱駝蒿)是典型的半荒漠和荒漠植物,根系強大,主根和側根系統(tǒng)都非常發(fā)達,能夠吸收深達6—7m土壤中的水分[38]；根周皮發(fā)達,莖葉肉質,內(nèi)有發(fā)達的貯水組織,葉柵欄組織發(fā)達,呈環(huán)柵型、葉片表面積與體積之比較小[38]；莖的皮層、髓部及葉肉組織有大量含晶細胞；軸器官中厚壁組織發(fā)達,圍繞維管組織,維管組織內(nèi)部也有發(fā)達的厚壁組織[39]。由此可見,駱駝蓬屬植物通過發(fā)達的根系系統(tǒng)和特殊的抗旱解剖特征,維持其高效水分輸導特性來適應干旱環(huán)境條件。

4 結論

本研究在黃土高原沿東南至西北方向布設12個采樣點(降雨量從250 mm到530 mm),并系統(tǒng)性采集了多年生草本主根解剖材料,進而分析了黃土高原草本物種根部導管解剖結構及空間分異特征。黃土高原多年生草本物種根部導管特征參量具有較大的變異性,在固定測量范圍內(nèi)導管數(shù)量、導管直徑、導管分數(shù)、總水分傳導效率的變化范圍分別為25—295 個、24.46—54.58 μm、2.42%—33.16%、0.034—25.357 kg m-1MPa-1s-1；草本根部導管各種參量(導管面積、導管分量、水力傳導效率等)均沿降雨梯度具有明顯的空間分異特征,這表明黃土高原草本物種根部導管結構和輸水能力主要是由水分條件制約；黃土高原草本物種根部導管各參量以蒺藜科物種(半荒漠分布物種)數(shù)值最高,其次是豆科物種(人工種植物種),而以菊科物種(自然分布物種)的導管參量數(shù)值最低,這主要是因為不同科屬草本物種所處的具體生境條件不同導致的。