張?jiān)獝?，?飛,2*，郭樹(shù)江,3，楊雪梅，張衛(wèi)星，張曉娟，韓福貴,2，張?jiān)Ｄ?2

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 民勤 733300)

葉片作為植物的主要光合器官，對(duì)外界環(huán)境變化較為敏感，其特征能夠反映植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[1]。植物碳同位素組成(δ13C)指示與植物光合、蒸騰強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的水分利用效率，被公認(rèn)為是一種估測(cè)植物長(zhǎng)期水分利用效率的可靠途徑，綜合反映出植物生長(zhǎng)期內(nèi)的生理生態(tài)適應(yīng)特性[2-3]，與其長(zhǎng)期受環(huán)境影響形成的解剖結(jié)構(gòu)及生理特征之間必然存在一定的相關(guān)性。但是，有關(guān)荒漠植物葉片δ13C與解剖結(jié)構(gòu)及生理特征之間關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

民勤地區(qū)位于石羊河流域下游，三面被沙漠包圍，屬干旱的大陸性氣候區(qū)，具有降水量少、降水變率大、年內(nèi)分配不均、蒸發(fā)量大和干旱時(shí)段明顯等特點(diǎn)。梭梭(Haloxylonammodendron)為藜科梭梭屬植物，其抗旱、抗熱、抗寒、耐鹽堿性都很強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，葉退化為同化枝進(jìn)行光合作用，防風(fēng)固沙能力強(qiáng)，是中國(guó)西部荒漠化地區(qū)固沙造林優(yōu)良樹(shù)種。梭梭也是民勤荒漠地區(qū)主要物種之一，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，陸續(xù)在流動(dòng)沙丘上營(yíng)造梭梭防風(fēng)固沙林，對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。目前，有關(guān)梭梭的研究主要集中在分類學(xué)[4-6]、分子生物學(xué)[7-9]及生理生態(tài)學(xué)[10-12]等方面，但針對(duì)不同年代梭梭同化枝穩(wěn)定碳同位素與解剖結(jié)構(gòu)、生理指標(biāo)之間關(guān)系的研究未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究以民勤不同年代梭梭為研究對(duì)象，分析梭梭同化枝δ13C值隨生長(zhǎng)年限變化的規(guī)律，探討梭梭在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境中所形成的結(jié)構(gòu)特征、生理特征對(duì)δ13C值的影響以及相互間的關(guān)系，以期揭示梭梭對(duì)荒漠生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)策略，為干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和梭梭資源的保護(hù)與利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗(yàn)站周邊(103°05′E，38°35′N，海拔1 378.5 m)，該區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水量小，蒸發(fā)量大，氣候干燥，年均降水量113.2 mm，年均氣溫7.7 ℃，年均蒸發(fā)量2 604.3 mm；光熱充足，年均日照時(shí)數(shù)2 799.4 h；冬季盛行西北風(fēng)，多集中在2-5月，年均風(fēng)速2.5 m/s，是我國(guó)沙塵暴發(fā)生的重要策源地；自然土壤類型風(fēng)沙土為主，現(xiàn)有的植被主要包括天然和人工2種類型，主要的灌木植物有梭梭、白刺(Nitrariatangutorum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)等，其中人工梭梭林群落伴生植物主要有鹽生草(Halogetonglomeratus)、豬毛菜(Salsolacollina)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)置在民勤治沙綜合試驗(yàn)站附近，分別選擇20世紀(jì)60-90年代、2007年和2016年生人工梭梭群落為研究對(duì)象，測(cè)定梭梭樣株高度、冠幅及樣地土壤的基本概況(表1)。在每個(gè)樣地隨機(jī)選擇3株生長(zhǎng)健康，株高、冠幅、基徑等基本一致的植株，采集植株中上部向陽(yáng)處同化枝，用于各指標(biāo)的測(cè)定。

表1 不同年代梭梭林基本概況Table 1 General status of Haloxylon ammodendron forests in different ages

1.2.1 穩(wěn)定碳同位素與生理指標(biāo)的測(cè)定 將梭梭同化枝及其著生小枝一同剪下，裝入保鮮箱后立即帶回實(shí)驗(yàn)室稱鮮重，然后將其放入鋁盒中，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，得到干重。葉片含水量(LWC,%)=(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%。

將梭梭同化枝干樣研磨粉碎，過(guò)0.125 mm(120目)篩，用于同化枝養(yǎng)分含量及碳同位素的測(cè)定。將采集的新鮮梭梭同化枝用錫箔紙包裹后，立刻放入液氮罐速凍，用于各指標(biāo)的測(cè)定。

梭梭同化枝穩(wěn)定碳同位素(δ13C,%)采用Picarro G2131-ICO2激光碳同位素分析儀(美國(guó)Picarro公司)測(cè)定。采用分光光度法測(cè)量梭梭同化枝葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ChlC,mg·g-1)，ChlC=葉綠素a+葉綠素b[13]。脯氨酸(Pro,μg·g-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用茚三酮法測(cè)定[13]。可溶性糖(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮法測(cè)定[13]。全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(LCC,mg·g-1)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(LNC,mg·g-1)采用Costech ECS4024元素分析儀(意大利NC Technologies)測(cè)定；葉全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(LPC,mg·g-1)采用鉬銻抗比色法測(cè)定[14]；葉全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(LKC,mg·g-1)采用火焰光度法測(cè)定[13]。

1.2.2 同化枝解剖結(jié)構(gòu)的測(cè)定 用解剖刀截取植株中上部向陽(yáng)處同化枝，截成5 mm小段后立即放入FAA固定液(50%酒精∶福爾馬林∶冰醋酸=90∶5∶5)中進(jìn)行固定，以保證植物組織結(jié)構(gòu)完整，固定時(shí)間為24 h以上。取固定好的同化枝進(jìn)行脫水、透明、浸蠟、包埋，用輪轉(zhuǎn)式切片機(jī)橫向切割，將得到的石蠟切片進(jìn)行番紅-固綠對(duì)染，中性樹(shù)膠封片，在ZEISSImager.A2(蔡司，德國(guó))光學(xué)顯微鏡下觀察拍照，選擇有代表性的石蠟切片，記錄同化枝的橫切面特征。用ZEN2012測(cè)量軟件分別測(cè)量同化枝直徑、角質(zhì)層、表皮、柵欄組織、貯水組織、維管柱厚度和導(dǎo)管孔徑等指標(biāo)，測(cè)量值為10個(gè)數(shù)值的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2003和SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。變異系數(shù)(CV)=標(biāo)準(zhǔn)差/均值。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較，用Pearson法對(duì)梭梭同化枝各指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析。利用Excel2003軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年代梭梭同化枝δ13C特征

如圖1所示，不同年代梭梭同化枝的δ13C值在-0.156 5%～-0.138 5%變動(dòng)，隨著年代的增加，梭梭同化枝的δ13C值呈先升高后降低再升高的趨勢(shì)，在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)峰值，20世紀(jì)80年代梭梭同化枝δ13C值降低，之后從20世紀(jì)90年代逐漸升高。其中，20世紀(jì)70年代梭梭同化枝的δ13C值顯著(P<0.05)高于60、80、90年代，與2007、2016年差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同年代梭梭同化枝δ13C值Fig.1 δ13C values of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系

2.2.1 不同年代梭梭同化枝解剖結(jié)構(gòu)特征比較 對(duì)不同年代梭梭同化枝解剖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行比較(表2)，不同年代梭梭同化枝直徑變化范圍428.73～611.65 μm，變異系數(shù)14.13%，其中2016年梭梭同化枝直徑顯著(P<0.05)高于其他年代，其他年代差異不顯著(P>0.05)；角質(zhì)層差異不顯著(P>0.05)，變化范圍1.36～1.57 μm，變異系數(shù)最小，為5.19%。隨著生長(zhǎng)年限的增加，梭梭同化枝角質(zhì)層厚度占半徑比例呈先升高再降低趨勢(shì)，其中80年代同化枝角質(zhì)層厚度占半徑比例最大，為0.69%，2016年最小，為0.47%；柵欄組織差異顯著(P<0.05)，變化范圍14.05～17.04 μm，變異系數(shù)6.23%，柵欄組織厚度占半徑比例變化趨勢(shì)與角質(zhì)層變化相似；貯水組織差異顯著(P<0.05)，變化范圍91.48～120.05 μm，變異系數(shù)10.95%，20世紀(jì)80年代占半徑比例最大；維管柱直徑差異顯著(P<0.05)，變化范圍150.41～276.68 μm，變異系數(shù)21.53%，2007年占半徑比例達(dá)到最大；導(dǎo)管孔徑差異不顯著(P>0.05)，變化范圍5.04～7.43 μm，變異系數(shù)15.96%，80年代占半徑比例最大。

表2 不同年代梭梭同化枝解剖結(jié)構(gòu)特征值比較Table 2 Eigenvalues of assimilating shoots anatomical structure of different-aged H.ammodendron

2.2.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)性 由表3可知，不同年代梭梭同化枝直徑與柵欄組織呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與貯水組織、維管柱直徑呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；柵欄組織與維管柱直徑呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；維管柱直徑與導(dǎo)管孔徑呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)各指標(biāo)之間相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，這就表明不同年代梭梭解剖結(jié)構(gòu)的差異不是影響其穩(wěn)定碳同位素分餾的主要因素。

圖2 不同年代梭梭同化枝的橫切解剖結(jié)構(gòu)Fig.2 The anatomical structures of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

表3 不同年代梭梭同化枝δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between δ13C values and anatomical structures of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.3 不同年代梭梭同化枝δ13C值與生理指標(biāo)的關(guān)系

2.3.1 不同年代梭梭同化枝生理特征比較 經(jīng)方差分析表明(表4)，不同年代梭梭同化枝含水量差異極顯著(P<0.01)，其中2016年與70年代梭梭同化枝含水量顯著高于其他年代(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝脯氨酸含量差異極顯著(P<0.01)，其中20世紀(jì)80年代梭梭同化枝脯氨酸含量顯著高于其他年代(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝全鉀含量差異極顯著(P<0.01)。不同年代梭梭同化枝可溶性糖含量差異顯著(P<0.05)，其中2007年與20世紀(jì)90年代顯著高于20世紀(jì)70年代與2016年(P<0.05)。不同年代梭梭同化枝全氮含量差異顯著(P<0.05)，葉綠素與全磷含量差異不顯著(P>0.05)。不同年代梭梭同化枝生理指標(biāo)變異范圍在2.11%～42.43%，其中含水量的變異系數(shù)最小(2.11%)，脯氨酸的變異系數(shù)最大(42.43%)。

表4 不同年代梭梭同化枝生理特征比較Table 4 Comparison of physiological characteristics of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

2.3.2 不同年代梭梭同化枝δ13C值與生理指標(biāo)的相關(guān)性 由表5可知，不同年代梭梭同化枝葉綠素含量與全鉀含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；全氮含量與全磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，δ13C值與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，其余各指標(biāo)之間相關(guān)性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。這就表明不同年代梭梭同化枝δ13C值受全氮含量的影響較大。

表5 不同年代梭梭同化枝δ13C值與生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between δ13C values and physiological indexes of assimilating shoots of different-aged H.ammodendron

3 結(jié)論與討論

3.1 不同年代梭梭同化枝δ13C值特征

一般認(rèn)為C4植物的δ13C值為-0.06%～-0.19%[15]，本研究中民勤不同年代梭梭同化枝δ13C值范圍-0.156 5%～-0.138 5%，其同化枝δ13C值落在C4植物區(qū)。研究表明，植物葉片δ13C值能夠指示植物的長(zhǎng)期水分利用效率，其正值越大，水分利用效率就越高[2,16]。民勤地區(qū)梭梭同化枝具有較高的δ13C組成特性，表現(xiàn)出其較高的水分利用效率，這也是梭梭可以作為干旱荒漠區(qū)防風(fēng)固沙優(yōu)良樹(shù)種的原因之一。研究表明，環(huán)境影響使得植物δ13C值大概在0.03%～0.05%變化[17]。本研究中，不同年代梭梭同化枝δ13C值的變化幅度為0.018%，與O'leary[17]的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步說(shuō)明了植物穩(wěn)定碳同位素組成是植物自身遺傳特性與環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[18]。

3.2 梭梭同化枝δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系

梭梭是典型的超旱生植物，其同化枝取代葉片行使同化功能，是梭梭進(jìn)化的頂峰。梭梭表皮外有角質(zhì)層，連續(xù)緊密的柵欄組織、花環(huán)結(jié)構(gòu)、黏液細(xì)胞、含晶細(xì)胞和貯水組織等解剖特征，有效地提高了光合效率，同時(shí)使體內(nèi)水勢(shì)始終低于土壤水勢(shì)，提高了植物保水和吸水能力，在一定程度上增強(qiáng)同化枝的抗旱性。本研究中，不同年代梭梭同化枝直徑、柵欄組織、貯水組織、維管柱直徑差異顯著(P<0.05)，這反映出隨著梭梭生長(zhǎng)年限的增加，這些結(jié)構(gòu)更容易受到外界環(huán)境的影響；而角質(zhì)層、導(dǎo)管孔徑不同年代差異不顯著(P>0.05)，表明這2個(gè)特征相對(duì)穩(wěn)定，受環(huán)境條件的影響不大。

通過(guò)對(duì)不同年代梭梭同化枝解剖結(jié)構(gòu)和δ13C值的相關(guān)分析表明，δ13C值與解剖結(jié)構(gòu)各指標(biāo)之間相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，這與張有福等[19]的研究結(jié)果相同，說(shuō)明不同年代梭梭同化枝解剖結(jié)構(gòu)的差異不是影響其穩(wěn)定碳同位素分餾的主要因素。這可能是因?yàn)橹参锕夂献饔檬亲匀唤绠a(chǎn)生碳同位素分餾的主要過(guò)程，δ13C值變化的主要因素是光合過(guò)程相關(guān)酶的變化所致，而與解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)性不明顯。

3.3 梭梭同化枝δ13C值與生理指標(biāo)的關(guān)系

葉綠素是植物吸收太陽(yáng)能進(jìn)行光合作用的最重要物質(zhì)，在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量越高，光合越強(qiáng)，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。有研究認(rèn)為，植物葉片δ13C值與光合色素含量不存在相關(guān)性[20-21]；但也有研究表明，光合色素含量與δ13C值之間的關(guān)系較為復(fù)雜，因植物種而異[22-23]。本研究中，葉綠素含量與δ13C值呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。然而，植物的光合速率并不完全取決于光合色素的含量，所以有關(guān)植物葉綠素含量與δ13C值的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

干旱環(huán)境條件下，植物通過(guò)改變?chǔ)?3C值提高水分利用效率的同時(shí)，也會(huì)增加有機(jī)溶質(zhì)積累量來(lái)改善細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力，以降低植物水勢(shì)而延緩失水[24-26]。脯氨酸、可溶性糖是植物體內(nèi)重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[27]。本研究中，梭梭同化枝δ13C值與可溶性糖、脯氨酸含量之間未達(dá)到顯著的相關(guān)性(P>0.05)，說(shuō)明在逆境環(huán)境條件下植物水分利用效率的提高和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物體內(nèi)的積累不是協(xié)同變化的，是植物自身的遺傳性和復(fù)雜外部環(huán)境共同綜合作用的結(jié)果。各種生理因子綜合對(duì)梭梭同化枝δ13C分餾的作用和影響機(jī)制可能比較復(fù)雜，還需進(jìn)一步深入研究。

植物養(yǎng)分狀況主要是通過(guò)作用于光合速率或氣孔導(dǎo)度，從而影響水分利用效率。本研究中，不同年代梭梭同化枝δ13C值與全碳含量的相關(guān)性未達(dá)顯著性水平(P>0.05)，說(shuō)明了在進(jìn)行光合固碳的過(guò)程中對(duì)于水分的變化敏感性較低。植物葉片氮含量在一定程度上可以反映葉片吸收和固定大氣CO2的能力進(jìn)而影響δ13C值[28-29]。研究認(rèn)為，當(dāng)植物葉片氮含量較高時(shí)，光合作用增強(qiáng)，葉片-大氣之間碳的同位素豐度梯度增加[2]；也有研究認(rèn)為，葉片氮含量增加會(huì)提高內(nèi)部擴(kuò)散限制[30]，使水分利用效率降低。本研究中，梭梭同化枝δ13C值與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，這可能是一方面與葉片的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)；另一方面與葉片氮含量在光合器官和非光合器官的分配，以及氮在光合器官內(nèi)部各組分之間的分配比例等有關(guān)。