申靜霞,李邁和,于飛海,賀云龍,袁秀錦,雷靜品,*

1 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)局林木培育重點實驗室,北京 100091 2 南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037 3 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所,沈陽 110016 4 瑞士聯(lián)邦森林、雪和景觀研究院,瑞士蘇黎世 CH- 8903 5 臺州學院 浙江省植物進化生態(tài)與保護重點實驗室,臺州 318000 6 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京 100091

全球氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)植物的生長和分布產生的影響不僅是學術研究的熱點領域,而且作為全球性問題得到國際社會廣泛關注[1-3]。高山地區(qū)由于其生態(tài)較為脆弱且垂直變化大,低溫、干旱、強風和積雪等環(huán)境脅迫均有可能限制植物的生長發(fā)育[4],因此相較于陸地其它地區(qū),高海拔地區(qū)植物對氣候變化更為敏感[5-7],尤其是高山林線交錯帶,被認為是研究全球氣候變化的理想場所[8-10]。溫度[11-14]和水分[15-16]被認為是高山樹木分布上限形成的關鍵因子。因此,研究林線樹木生長和生理對溫度與水分變化的響應對于預測林線的動態(tài)變遷及山地森林恢復具有重要意義[17-18]。

生長季的土壤低溫與植物存活和生長密切相關,很可能是導致高山林線形成的關鍵因子[14，19],尤其是生長季的土壤低溫與高山林線的形成密切相關[12-14]。K?rner[19]提出土壤低溫限制了細胞分化抑制了樹木對碳水化合物的利用,從而抑制了樹木的生長發(fā)育導致垂直分布上限的形成。碳水化合物是植物生長發(fā)育必需的物質,對生長季植物維持自身生長,冬季植物維持正常呼吸、防止細胞間結冰安全越冬以及來年早春植物的復蘇發(fā)揮著至關重要作用[20-22]。高海拔樹木長期生活在高寒惡劣的環(huán)境中,碳水化合物生產、儲存及供應對高山樹木的生存與生長發(fā)育尤為重要。針對土壤低溫下林線樹木碳水化合物儲存、分配和利用的研究,形成了以碳水化合物為基礎的兩個主要假說：“碳受限”假說[3，23-28]和“生長受限”假說[5,11,19-22,29-31]。提出的這兩個假說迄今為止沒有統(tǒng)一的結論,另外,由于將地上和地下溫度嚴格分離較為困難,因此加強土壤溫度變化與植物碳水化合物關系的研究,有利于進一步對這兩個假說進行驗證。

水分同溫度一樣對植物的存活、生長及各項生理機能的正常運行也十分關鍵[15-16,32-34]。有研究表明,降水量隨著海拔攀升而增加,并且由于氣溫和土壤溫度降低,蒸發(fā)量變小且植物蒸騰速率顯著降低,因此高海拔地區(qū)樹木在生理上并不缺水[19,35]。但也有研究表明高海拔地區(qū)的樹木仍處于生理缺水狀態(tài)[16,36],這很可能是溫度和水分共同作用的結果,低溫限制了植物對水分的吸收及水分在樹干中的轉輸[36-37],同時較低的蒸騰作用降低了水分拉力也限制了對水分的吸收利用[38]。因此,水分也可能是限制樹木垂直分布的原因[5,15],并且研究溫度與水分間的交互作用對高山樹木生長和生理影響具有重要意義。

川西云杉(PiceabalfourianaRehd.et Wils)主要分布在我國西南地區(qū)海拔3300—4300m的森林垂直分布界限地帶,是云杉屬中分布海拔最高的樹種,經常被選作高海拔森林更新荒山造林樹種[39]。高山林線區(qū)嚴酷的環(huán)境可能并不足以導致樹木死亡或生長受阻,卻能強烈限制幼苗的存活和定居等森林更新過程[40-41],因此幼樹能否成功定居對于高山林線的位置變化至關重要[42]。本研究以5年生川西云杉幼苗為研究材料,采用嚴格的室內控制實驗,將土壤溫度和土壤水分相結合,探究川西亞高山地區(qū)土壤溫度和水分變化對高山樹木碳水化合物生產、儲存和供應生理過程的影響,以期驗證川西云杉樹線形成的“碳受限”假說和“生長受限”假說,完善對林線樹木碳水化化合物的研究,并為全球氣候變化下林線樹木的生理生態(tài)響應和動態(tài)變遷研究提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 植物材料與土壤采集

以四川省阿壩州金川縣苗木基地(30°28′01″N,101°50′02″E)人工培育的5年生川西云杉幼苗(Piceabalfouriana)作為試驗材料,試驗用土取自該地區(qū)海拔3800m川西云杉160年天然林林下土壤,土壤為棕色針葉林土,pH值為5.92,土壤質量含水量為57%(土壤質量含水量=土壤水重量/干土重量×100%)。該樹種分布區(qū)年平均氣溫7.8 ℃,生長季平均氣溫17 ℃；年平均降水量600—1000mm,6—9月降水量占全年降水量的80%,年平均相對濕度70%左右。于2016年6月初將川西云杉幼苗移栽至不透水的圓柱形塑料容器(直徑10cm; 高20cm)中,移栽時土壤高度為15cm,并保持根系位置一致,為保持土壤溫度和濕度在土壤表面撒約1cm厚的蛭石。

1.2 試驗設計

選擇135株長勢良好且一致的川西云杉幼苗,于2016年6月上旬轉移到3個環(huán)境條件完全相同的步入式人工氣候室內,氣候室內溫度保持在17 ℃。每個氣候室布設5個低溫循環(huán)水箱(YHX-0510,寧波江南儀器廠,中國)控制土壤溫度[43]。為檢驗K?rner等[11,19]關于全球林線位置受生長季6.7 ℃左右土壤溫度控制的假說,在整個試驗期間設定從冰點以上2 ℃到7 ℃(6.7 ℃左右)到高于7 ℃的土壤溫度梯度,即5個土壤溫度處理：2,7,12,17,22 ℃。每個低溫循環(huán)水箱中有9株川西云杉幼苗,連同培養(yǎng)容器被安置在水箱中,水箱中水的高度設置為高出培養(yǎng)容器中土壤表面1cm,用泡沫板封閉水箱,使土壤溫度保持在5個溫度(2、7、12、17和22 ℃)。每個水箱隨機選擇3株植物材料作干旱處理,3株植物材料作正常水分含量處理(對照處理),其余3株作飽和水分含量處理,分別用Dry、Normal和Wet表示。本試驗共135株川西云杉幼苗[5個溫度處理×3個水分處理×3個氣候室×3株川西云杉幼苗],試驗設計如圖1。選擇土壤溫濕度測試計(SS101,Dowdon technology Co.,Ltd.,深圳,中國)指示的3個土壤濕度水平直接作為試驗需要的3個土壤水分處理：干旱處理(土壤質量含水量為35%—40%)、正常水分含量處理(土壤質量含水量為55%—60%)、飽和水分含量處理(土壤質量含水量為75%—80%)。使用土壤溫濕度測試計監(jiān)測土壤溫度和濕度,發(fā)現(xiàn)大概在澆水后的第4至5天土壤濕度會降低至設置范圍以外,于是試驗期間每隔5d的下午5:00進行澆水,使土壤濕度保持在我們設定的范圍。

試驗期間,氣候室內光照時間14h,空氣相對濕度70%,白天/夜間溫度17/17 ℃。2016年10月上旬生長季末期,將全部川西云杉幼苗收獲。

圖1 試驗設計簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental design

1.3 幼苗生長和生理指標測定

待收獲后,將幼苗的各個器官分離(當年生葉、當年生枝、多年生葉、多年生枝、莖、根),放入烘箱于70 ℃烘至恒重,記錄幼苗各器官干質量。

使用普通研磨儀(FW100,Test Instrument Co.,Ltd.,天津,中國)和球磨儀(MM400,Retsch,德國)將幼苗各器官分別研磨,然后通過孔徑為0.3mm的標準分樣篩,過篩后的植物樣品用于可溶糖、淀粉和NSC濃度(可溶性糖濃度與淀粉濃度之和)的測定,含量為濃度與生物量的乘積。由于當年生葉和當年生枝的干物質含量過低,將同一個氣候室內相同處理的3株幼苗的器官分別混合在一起研磨。

1.4 數據處理和分析

利用SPSS 22.0進行數據統(tǒng)計分析,以嵌套雙因素方差(Two-way ANOVA)分析檢驗土壤溫度、土壤水分、二者交互作用、氣候室及同一個系統(tǒng)內的個體對生物量、可溶性糖、淀粉和NSC濃度的影響,差異顯著性水平設定為0.05。同一個系統(tǒng)內的個體被作為隨機因素嵌套在土壤水分處理中。當檢測到土壤溫度與土壤水分的交互作用有顯著影響時,用Bonferroni校正進行事后檢驗,比較5個土壤溫度處理下土壤水分處理之間生長和生理特性的差異以及同一土壤水分處理下5個土壤溫度處理對植物生長和生理影響的差異。分析前,對所有數據進行正態(tài)性和方差同質性檢驗。利用SigmaPlot 12.5進行柱狀圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度和土壤水分對生物量的影響

土壤溫度對莖生物量和根冠比影響顯著,對總生物量和其它部分生物量均無顯著影響(表1)。在正常水分含量處理下,土壤溫度對根生物量和根冠比有顯著影響(圖2),根生物量和根冠比隨土壤溫度降低顯著降低,可能是由于低溫會降低根系對土壤養(yǎng)分和水分的吸收速率,導致根的生長受到抑制。土壤水分對總生物量、多年生葉生物量、根生物量和根冠比影響顯著(表1)。干旱處理顯著降低了12 ℃時的總生物量和莖生物量；干旱處理和飽和水分含量處理對根生物量和根冠比有較顯著的影響(圖2),干旱處理和飽和水分含量處理顯著降低了17和22 ℃時的根生物量和根冠比,同時也顯著降低了12 ℃時的根生物量。土壤溫度和土壤水分對根冠比的影響存在顯著的交互作用(表1),在不同的土壤溫度處理下,干旱和飽和水分含量處理對根冠比的影響有不同表現(xiàn),在12和22 ℃時顯著降低了根冠比,而隨著溫度降低影響不再顯著；土壤溫度降低顯著減小了正常水分含量處理下的根冠比,而對干旱和飽和水分含量處理下的根冠比無顯著影響(圖2)。

表1 土壤溫度和土壤水分對幼苗各器官生物量的影響 (F)

圖2 不同土壤溫度和水分處理下川西云杉幼苗各器官生物量及分配(平均值±標準誤差)Fig.2 Biomass and root to shoot ratio of Picea balfouriana seedlings under different soil temperature and moisture treatments at the end of the experiment不同大寫字母表示不同土壤水分處理間差異顯著；不同小寫字母表示不同土壤溫度處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤溫度和土壤水分對非結構性碳水化合物的影響

土壤溫度對當年生葉中NSC濃度、淀粉濃度以及可溶性糖/淀粉比值影響顯著,但對可溶性糖濃度無顯著影響(表2)。正常水分含量處理下,當年生葉中淀粉和NSC濃度隨土壤溫度降低顯著升高(圖3)；飽和水分含量處理下,淀粉濃度在22 ℃時顯著低于其它4個溫度處理,且這4個溫度處理間無顯著差異,NSC濃度在22 ℃時顯著低于7和12 ℃(圖3)；干旱處理下,低溫顯著增大了可溶性糖/淀粉比值；飽和水分含量處理下,可溶性糖/淀粉比值在22 ℃時顯著高于其它4個溫度處理,且4個溫度處理間無顯著差異(圖4)。土壤溫度對莖和根中可溶性糖、淀粉和NSC濃度影響顯著(表2)。在正常水分含量處理下,莖中可溶性糖濃度在7 ℃顯著高于17 ℃；在干旱處理下,莖中可溶性糖和NSC濃度在7 ℃時最高,且顯著高于17和22 ℃(圖3)。土壤溫度對根中可溶性糖、淀粉和NSC濃度均有顯著影響(表2)。在正常水分含量處理下,隨著土壤溫度降低,根中可溶性糖濃度呈顯著增高趨勢,可溶性糖濃度在2和7 ℃顯著高于17 ℃；在飽和水分含量處理下,根中可溶性糖濃度在7 ℃最高,且顯著高于22 ℃(圖3)；正常水分含量處理下,根中淀粉濃度在12 ℃最高,且顯著高于22 ℃；干旱處理下,隨著土壤溫度降低,根中淀粉和NSC濃度有增大趨勢,在7 ℃時顯著高于17 ℃(圖3)。正常水分含量處理下,根中NSC濃度在2和12 ℃顯著高于22 ℃；飽和水分含量處理下,根中NSC濃度在7 ℃時最高,顯著高于2和22 ℃(圖3)。因此,土壤低溫并沒有導致碳受限,反而顯著增大了當年生葉和根中NSC濃度,這可能是由于在相對較低的溫度下,植物會增加NSC濃度來避免細胞間和細胞內結冰。

表2 土壤溫度和土壤水分對各器官可溶性糖、淀粉及NSC濃度的影響 (F)/%

圖3 不同土壤溫度和水分處理下川西云杉幼苗各器官可溶性糖、淀粉和NSC濃度Fig.3 Soluble sugar,starch and NSC concentration in different parts of Picea balfouriana seedlings under different soil temperature and moisture treatments at the end of the experiment不同大寫字母表示不同土壤水分處理間差異顯著；不同小寫字母表示不同土壤溫度處理間差異顯著(P<0.05)

圖4 不同土壤溫度和水分處理下川西云杉幼苗當年生葉中可溶性糖與淀粉的比值Fig.4 The ratio of soluble sugar to starch in annual needles of Picea balfouriana seedlings under different soil temperature and moisture treatments at the end of the experiment不同大寫字母表示不同土壤水分處理間差異顯著；不同小寫字母表示不同土壤溫度處理間差異顯著(P<0.05)

土壤水分對當年生葉中淀粉濃度、NSC濃度和可溶性糖/淀粉比值影響顯著(表2)。在2和7 ℃時,干旱顯著降低了當年生葉淀粉和NSC濃度；飽和水分含量處理顯著增大了17 ℃時當年生葉中淀粉和NSC濃度,同時顯著增大了12 ℃時當年生葉中淀粉濃度(圖3)；在2,7,12和22 ℃時,干旱顯著增大了可溶性糖/淀粉比值(圖4)。土壤水分對當年生枝中可溶性糖、淀粉和NSC濃度均有顯著影響(表2)。在2 ℃時,干旱處理下當年生枝中淀粉和NSC濃度顯著低于飽和水分含量處理；在7 ℃時,淀粉濃度在干旱處理下也顯著低于飽和水分含量處理(圖3)。土壤水分對莖中可溶性糖、淀粉和NSC濃度影響顯著(表2),干旱顯著降低了22 ℃時莖中NSC濃度(圖3)。土壤水分對根中淀粉和NSC濃度影響顯著(表2),在2,12和17 ℃時,干旱處理顯著降低了根中淀粉和NSC濃度,在2 ℃時,水分飽和含量處理也同樣顯著降低了根中淀粉和NSC濃度(圖3)。由以上結果可知,干旱對各器官NSC濃度的負面影響較大,尤其是對當年生葉中淀粉和NSC濃度影響最為顯著。

土壤溫度和水分對當年生葉和根中淀粉濃度、NSC濃度和可溶性糖/淀粉比值的影響存在顯著的交互作用(表2),不同水分處理下,土壤溫度的影響有不同表現(xiàn)。

3 討論

在本研究中,土壤溫度降低對川西云杉幼苗總生物量無顯著影響,但顯著降低了根生物量和根冠比,這與Domisch等[44]和Lahti等[45]的研究結果是一致的,可能是由于在低溫環(huán)境下,低溫會嚴重制約根系對土壤養(yǎng)分和水分的吸收速率,導致根的生長受到抑制[36]。劉新圣等[46]研究也發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高,為了應對低溫脅迫植物會將更多的生物量分配給光合器官,非光合器官的生物量相對減小。但也有研究表明土壤溫度降低導致生長速率降低,植物各器官的生物量均會呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢[47-48]。本研究結果表明,干旱和飽和水分脅迫顯著降低了根生物量和根冠比,且在土壤溫度較高時影響顯著。但有研究表明,幼苗的根冠比隨著土壤含水量的降低顯著提高[33,49],植物受到干旱脅迫時,根系首先做出感應,根比重增加,在嚴重土壤水分虧缺條件下幼樹光合產物傾向于向地下分布轉移,增大根系競爭水分和營養(yǎng)成分的能力[49-50]。而本研究結果與此恰相反,很可能是水分和溫度共同作用的結果。此外,本研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度與水分脅迫存在明顯的交互作用,隨著土壤溫度的降低,水分脅迫對根生物量和根冠比的影響由顯著變得不再顯著,這一結果表明,此時低溫對植物的影響要遠大于水分。

本研究結果表明,川西云杉幼苗葉片中NSC濃度隨著土壤溫度的降低并沒有降低,反而有顯著升高的趨勢,這可能是由于在相對較低的溫度下,植物會增加NSC濃度來避免細胞間和細胞內結冰[21-22],但NSC濃度隨著溫度的降低之所以呈現(xiàn)出升高的趨勢也可能是由于植物的生長在低溫條件下受到了抑制,因此產生了濃縮效應,但在本研究中,隨著溫度降低川西云杉的生長并未受到顯著抑制,且當年生葉的生物量也未發(fā)生顯著變化,即土壤溫度降低對NSC含量也無顯著影響,因此隨著土壤溫度降低川西云杉并沒有表現(xiàn)出碳受限,這也從側面支持了“生長受限”假說。這一結果說明,隨著土壤溫度降低,葉片仍能維持正常水平的光合作用或者仍能保持一定水平的光合產量。對可溶性糖/淀粉比值的分析發(fā)現(xiàn),正常水分條件下,土壤溫度對可溶性糖/淀粉比值無顯著影響,但以往的研究表明,可溶性糖/淀粉比值在植物抵御低溫脅迫中發(fā)揮著重要作用[51],生長在高海拔的樹木不僅依賴于NSC,而且需要足夠高的可溶性糖/淀粉比值才能順利越冬[52],植物組織中的可溶性糖/淀粉比值隨溫度降低會呈現(xiàn)出顯著升高的趨勢[31,53],休眠期的樹木為抵御嚴寒,組織中的可溶性糖/淀粉比值也顯著高于生長季[3]。

干旱對碳同化、碳利用和碳儲存過程均存在負面影響[54],研究表明干旱脅迫對NSC濃度影響顯著,干旱顯著降低了當年生葉中NSC濃度,這可能是由于干旱脅迫下植物氣孔關閉限制了植物的光合作用,導致光合產物減少,長期下去植物開始調動和利用植物體內儲存的可溶性碳水化合物維持植物生長[33,55],但本研究還發(fā)現(xiàn)土壤低溫顯著加重了干旱脅迫對植物NSC濃度的影響,這與Adams等[56]的研究結果是相反的,Adams研究發(fā)現(xiàn),在相同的干旱脅迫條件下,植物在較高的溫度對碳水化合物有更大的消耗,同時呼吸作用增強也會加劇對碳水化合物的消耗,而溫度較低時,植物本身對碳的需求減少,呼吸作用也相對減弱,因此干旱脅迫下可溶性碳水化合物會呈現(xiàn)出隨著溫度升高而降低的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn),土壤低溫下,干旱顯著提高了當年生葉中可溶性糖/淀粉比值,這意味著適度的干旱可能會有利于川西云杉幼苗抵御低溫脅迫,但是在低溫條件下,干旱也顯著降低了當年生葉中NSC濃度,即很可能會導致植物的碳饑餓,不利于植物抵御低溫脅迫,土壤低溫和干旱對川西云杉非結構性碳水化合物影響的交互作用有待進一步研究。

4 結論

土壤溫度對川西云杉幼苗地上和地下生物量的分配有顯著影響,土壤低溫顯著降低了根冠比。川西云杉幼苗在土壤低溫下并未表現(xiàn)出碳受限,NSC濃度反而有顯著升高的趨勢,這也從側面支持了林線形成的“生長抑制”假說。這一結果說明,川西云杉幼苗在土壤低溫下仍然能維持正常水平的光合作用或者葉片仍能保持一定水平的光合產量。此外,土壤溫度和水分對非結構性碳水化合物的影響存在顯著的交互作用,干旱在低溫處理下對川西云杉幼苗的NSC濃度有顯著影響,因此在土壤低溫下干旱很可能會導致川西云杉的“碳饑餓”。這些結果表明未來在模擬全球氣候變化影響的模型中應該考慮土壤溫度的影響,以便更準確地預測全球氣候變化的影響。

由于川西云杉幼苗針葉較粗硬,為光合指標的測定帶來了困難,因此建議下一步著重將光合作用與養(yǎng)分元素、碳水化合物三者結合起來進行探究,以期完善我們對高山樹木碳水化合物供應與積累生理過程的理解。