林達(dá) 賈競(jìng)波 趙志琛

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

硅是地殼中含量最豐富的元素之一。目前為止，硅元素雖然還未被發(fā)現(xiàn)是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，但近年研究表明，硅不僅參與植物的營養(yǎng)過程，還能為植物的生長起到積極促進(jìn)的作用[1-2]。在禾本科等植物中，其積累濃度可能還要高于大量營養(yǎng)元素[3]。硅元素主要以二氧化硅膠(SiO2·H2O)的無機(jī)物形態(tài)存在于植物表皮細(xì)胞和細(xì)胞壁上[4]，作用類似于木質(zhì)素[5]。硅對(duì)整株植物像“骨骼”一樣，增強(qiáng)了植物組織細(xì)胞的硬度和耐壓能力，提高了植株的抗倒伏能力，主要通過改善植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)等方面改變植物的機(jī)械性狀，是抵抗外來壓力的結(jié)構(gòu)成分[4]，提高植物對(duì)病原體、昆蟲、軟體動(dòng)物攻擊和草食動(dòng)物攝食的抵抗力[6]。大熊貓以竹子為主食，竹子又是典型的硅超富集植物。所以本研究以竹子中不同部位硅元素作為逆營養(yǎng)元素的含量為研究對(duì)象，分析其與大熊貓取食間存在的相關(guān)性，旨在為深入開展大熊貓營養(yǎng)生態(tài)適應(yīng)與對(duì)策、大熊貓與竹子協(xié)同進(jìn)化關(guān)系等提供參考。

1 研究地區(qū)概況

中國保護(hù)大熊貓雅安碧峰峽研究基地，位于四川省雅安市正北碧峰峽景區(qū)內(nèi)(102°51′～103°12′E，29°40′～30°14′N)，面積400 hm2，平均海拔1 100 m左右，年平均氣溫13.9 ℃，屬中緯度內(nèi)陸亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。中國保護(hù)大熊貓研究中心都江堰研究基地，位于四川省都江堰市青城山鎮(zhèn)石橋村(103°33′E，34°57′N)，面積51 hm2，海拔約785 m，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。

2 材料與方法

試驗(yàn)用動(dòng)物：在都江堰研究基地選取華奧[HA(669)]、憨憨[HH(852)]、蹺遠(yuǎn)[QY(416)]、怡暢[YC(838)]4只大熊貓；在雅安碧峰峽研究基地選取蜀蘭[SL(407)]、公主[GZ(477)]、芊芊[QQ(650)]、喜豆[XD(654)]4只大熊貓。

試驗(yàn)用竹：刺竹子(Chimonobambusapachystachys)、箬葉竹(IndocalamuslongiauritusHandel-Mazzetti)、白夾竹(Phyllostachysbissetii(McClure))、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv.Pubescens)、金竹(Phyllostachyssulphurea(Carr.) A. et C. Riv.)、苦竹(Pleioblastusamarus(Keng) keng)、紫竹(Phyllostachysnigra(Lodd. ex Lindl.) Munro)、大琴絲竹(Neosinocalamusaffinis‘Flavidorivens’)、慈竹(Nesinocalamusaffinis)、雷竹(PhyllostachyspraecoxC. D. Chu et C. S. Chao ‘Prevernalis’)共10種。前7種有取食記錄[7]，后3種沒有記載。試驗(yàn)中的雷竹、箬葉竹、白夾竹采自都江堰研究基地，剩余均采自雅安碧峰峽研究基地；投喂的竹子取竹齡3 a左右、竹莖地上30 cm以上部分；每種竹子取6株以上。

投喂時(shí)間：08:30—15:30，同一種竹子(n≥6)連續(xù)投喂3 d。投喂后觀察2 h，記錄取食行為。

取食：竹子被大熊貓啃食且吞咽，不包括啃食后未吞咽或啃食一口后放棄。

化學(xué)分析主要儀器為PE Optima 8000 ICP-OES。采用基于電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[8]對(duì)干燥后的竹子樣本進(jìn)行硅元素分析。

分析前處理：樣本在放入PE Optima 8000 ICP-OES儀器分析之前，主要做如下4個(gè)步驟的前處理。①干燥粉碎——將樣品放入烘箱干燥至恒質(zhì)量，切成小塊，再粉碎呈粉末狀；②振蕩溶解——稱取約100 mg樣品粉末，放入100 mL耐高壓離心管中，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的氫氧化鈉溶液(色譜純)，松蓋，再蓋嚴(yán)，放在振蕩器上振蕩；③高溫滅菌——將離心搖勻后的離心管放入高壓滅菌鍋中，121 ℃下滅菌20 min；④定容搖勻——最后用漏斗將樣本轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，用超純水定容，顛倒搖勻10次。

儀器分析：將處理好的樣品由進(jìn)樣口進(jìn)樣，并設(shè)定ICP-OES的運(yùn)行參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 大熊貓可食竹的選擇

投喂試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于投喂的10種竹子，大熊貓除不取食紫竹、慈竹，其余8種竹子全部取食；對(duì)于投喂的6種竹筍，大熊貓全部取食；對(duì)于投喂竹種部位，大熊貓取食傾向由先到后依次為筍肉、稈肉、筍皮、葉、稈皮。

3.2 大熊貓可食竹種硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

大熊貓可食竹種稈皮、稈肉、葉、筍皮、筍肉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值，分別為9.47、2.46、25.88、4.44、3.51；稈皮、葉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，稈肉、筍皮、筍肉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。綜合看，大熊貓可食竹種硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為葉、稈皮、筍皮、筍肉、稈肉，大熊貓可食竹種硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其取食傾向總體保持一致。

3.3 硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大熊貓取食相關(guān)性

由大熊貓可食竹種硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與取食率Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知，大熊貓可食竹種取食率與硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；由局部加權(quán)回歸(Lowess)統(tǒng)計(jì)分析可知，大熊貓更偏好于取食硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%的可食竹種(見圖1)。

研究中發(fā)現(xiàn)，大熊貓并非完全取食所有可食竹種葉，表現(xiàn)出一定的選擇性，且在不同個(gè)體間也存在選擇差異。由表1可見：大熊貓對(duì)白夾竹、箬葉竹、大琴絲竹、刺竹子4種可食竹種葉趨于回避，對(duì)于其余4種可食竹種葉的取食狀況存在個(gè)體間差異；大熊貓對(duì)可食竹種葉的平均取食率為20.85%。

表1 不同試驗(yàn)地大熊貓對(duì)可食竹種葉取食偏好

由大熊貓可食竹種葉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與取食率Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知，大熊貓可食竹種竹葉取食率與硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)(見圖2)。依據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)值閾等級(jí)分析，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)區(qū)間為[-1.0～1.0]，相關(guān)性取值范圍：極強(qiáng)(0.8～1.0]、強(qiáng)(0.6～0.8]、中等(0.4～0.6]、弱(0.2～0.4]、極弱或無(0～0.2]。大熊貓可食竹種取食率與硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性表明，取食率與稈皮、稈肉、筍皮、筍肉、葉的硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)系數(shù)，分別為-0.653、0.319、-0.769、-0.641、-0.900，取食率與稈皮、筍皮、筍肉、葉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，其中與葉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性極強(qiáng)(-0.900)。

4 討論

動(dòng)物的食性取決于決定其食物范圍的體型、生理特征等內(nèi)在因素的制約和決定其食物可得性的季節(jié)性等環(huán)境因素的制約[9]。食物是調(diào)節(jié)動(dòng)物種群數(shù)量的關(guān)鍵因素，了解動(dòng)物的食性對(duì)于其種群的管理和生態(tài)建模非常重要[10]。竹類植物營養(yǎng)物質(zhì)含量相對(duì)較低，大熊貓需要攝入大量竹類植物，以滿足其自身的營養(yǎng)需求。傅金和等[11]通過人工投喂試驗(yàn)分析表明，大熊貓對(duì)竹種的選擇范圍較寬，對(duì)于投喂的102個(gè)竹種，97種竹類被確認(rèn)為可食竹種。本研究投喂試驗(yàn)結(jié)果顯示：大熊貓對(duì)投喂的10種竹種，除不取食紫竹、慈竹外，其它竹種全部取食，表明大熊貓對(duì)可食竹種的選擇是廣譜性的。

植物在生長過程中吸收土壤中的單硅酸(Si(OH)4)，經(jīng)沉淀形成植硅體(無定型二氧化硅，SiO2·H2O)，存在于根、莖、葉等部位的細(xì)胞壁、細(xì)胞腔和皮層間隙[12-13]。植硅體的主要化學(xué)成分為SiO2，在植物中含有67%～95%，無法被動(dòng)物有機(jī)體消化[14]。硅元素富集在植物體內(nèi)，匯集成不同類型的硅酸體，顯著増強(qiáng)植物體各器官的機(jī)械強(qiáng)度，降低適口性及可消化性，從而在一定程度上規(guī)避食草動(dòng)物的取食作用[15-16]。竹類植物是典型的硅超富集植物，具有高生長速率、高生物產(chǎn)量的特點(diǎn)。有研究表明，竹林土壤中硅元素的累積速率，遠(yuǎn)高于其它植被類型土壤[17-18]。因此，對(duì)于以竹類植物為主要食物的大熊貓，可食竹種硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響其食物選擇的關(guān)鍵限制因子。本研究大熊貓可食竹種取食率與硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)，表明大熊貓偏好硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的可食竹種。

大熊貓通過多種營養(yǎng)采食策略(如增加進(jìn)食時(shí)間與頻率、減少能量消耗等)去克服竹子營養(yǎng)的不足，但主動(dòng)回避抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)是其主要策略之一[19-20]。劉蕾蕾[21]研究表明，竹類植物不同部位中硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，整體表現(xiàn)由大到小依次為竹葉、竹筍、竹稈。本研究大熊貓取食率與可食竹種葉(-0.900)、稈皮(-0.653)、筍皮(-0.769)、筍肉(-0.641)均呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步表明，大熊貓對(duì)硅元素總體趨于回避。但值得注意的是，大熊貓取食率與可食竹種稈肉(0.319)呈弱正相關(guān)。結(jié)果表明，大熊貓食性選擇對(duì)硅元素的回避性是有條件的，受大熊貓各方面利弊權(quán)衡的影響。硅元素雖然能阻抑大熊貓取食，但要發(fā)揮作用似乎還存在閾值，而且其含量常?？勺?，不僅有季節(jié)性(或植物生長階段性)，而且有動(dòng)物取食誘導(dǎo)性[22]。

Takahashi et al.[23]研究表明，干葉中硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10.0 g/kg的植物，屬于硅累積植物。姜培坤等[24]研究表明，竹類植物硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為18.24 g/kg，屬硅累積植物。竹類植物不同部位對(duì)硅元素的累積，主要與生物量、生物屏障等生理作用相關(guān)[25]。硅元素在竹葉中主要分布在表皮、維管束、維管束鞘和厚壁組織等處，尤其是葉片表皮細(xì)胞，還有1個(gè)二氧化硅與纖維素的結(jié)合層，該層之外則是很薄的角質(zhì)層，形成角質(zhì)-硅雙層結(jié)構(gòu)[22，26]。葉片中硅元素含量多少，則取決于積累時(shí)間和蒸騰量[27]。顯然，竹葉中的硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高，與這些結(jié)構(gòu)生長需求有關(guān)。劉蕾蕾[21]研究表明，竹類植物在不同月份硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，總體變化趨勢(shì)為從1月份開始逐漸升高，到3—5月份達(dá)到峰值，之后開始逐漸下降。本研究試驗(yàn)周期在4—5月份，正處于當(dāng)?shù)刂耦愔参锕柙刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)的高峰期。研究結(jié)果顯示，大熊貓取食率與可食竹種葉(-0.900)呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)，只挑食了10種竹類植物中的4種，并且個(gè)體間也存在取食差異；大熊貓對(duì)可食竹種葉的平均取食率僅為20.85%。這一現(xiàn)象明顯與4—5月份竹葉硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)正處于高峰期有關(guān)，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，大熊貓對(duì)竹葉取食率越低。竹葉中硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)最高，因此硅元素成為影響竹葉適口性的主導(dǎo)因子，也驗(yàn)證了“末端分布規(guī)律”[28]。

縱觀近幾十年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大熊貓食性的研究進(jìn)展，主要集中在可食竹種的資源調(diào)查、分類與分布、生態(tài)生物學(xué)特性、生理生化特征方面。竹類植物硅元素作為影響大熊貓食性選擇的重要影響因子，通過對(duì)大熊貓可食竹種硅元素的研究，有助于進(jìn)一步了解大熊貓的采食策略。本研究通過人工投喂試驗(yàn)，能夠?yàn)榇笮茇埖木偷乇Ｗo(hù)和野外放歸提供參考，對(duì)大熊貓種群的保護(hù)和恢復(fù)具有借鑒意義。