模擬喀斯特不同土壤生境下黑麥草對水分脅迫的生長和光合生理響應(yīng)

張 靜,李素慧,宋海燕,陳金藝,王佳敏,李若溪,楊 靜,陶建平,劉錦春

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715

西南喀斯特地區(qū)降雨充沛,但其特殊的“雙層結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致地表滲漏作用嚴(yán)重,同時(shí)因全球氣候變化的影響,降雨量時(shí)空分布不均,因此,該地區(qū)植被所能利用的水資源并不充足,土壤水分是喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵限制因子[1- 2]。同時(shí),該地區(qū)土壤的形成主要依賴碳酸鹽巖的溶蝕作用,速率緩慢,并且基巖出露面積不同,土層分布厚薄不均,土壤厚度異質(zhì)性明顯,從而也導(dǎo)致了水分的異質(zhì)性。在巖溶侵蝕的作用下,喀斯特地區(qū)微型生境十分復(fù)雜,形成了土面、石面、石溝、石槽、石縫等不同類型的小生境,這些生境的存在使得該地區(qū)土壤生境高度異質(zhì)。其中較為典型的,一種是土坑、石土面形態(tài)的淺土小生境,由于較淺的土層可能會(huì)有較大的水平分布空間,因此這種生境呈現(xiàn)“淺而寬”的土壤空間分布；另一種是石溝、石縫形態(tài)的深土小生境[3],因石溝和石縫多狹窄深長,因此這種生境的土壤呈現(xiàn)“深而窄”的空間分布特點(diǎn)。不同的土壤空間其土壤物理性質(zhì)存在差異,黏粒以及微團(tuán)聚體等數(shù)量不同導(dǎo)致土壤水分含量以及水分有效性不同[4]。在土坑、石土面等淺而寬小生境中土壤水分表現(xiàn)為旱季干燥、雨季濕潤,同時(shí)由于淺而寬土層水分蒸發(fā)較強(qiáng),持水力差,即使在雨季也有可能出現(xiàn)臨時(shí)性干旱[5],有研究表明土面小生境在持續(xù)放晴7天后就會(huì)出現(xiàn)中度水分脅迫[6]；在石溝、石縫等深而窄小生境中,土壤水分則常年較為濕潤[4],但由于土層緊實(shí),土壤易板結(jié),透氣性差,能供植物利用的有效性水仍然會(huì)出現(xiàn)缺乏。除此之外,土壤空間的異質(zhì)性也會(huì)導(dǎo)致植物資源利用的差異,覓食行為受到影響[7],從而在生長和生理上形成一定的適應(yīng)對策。

目前已有研究逐漸關(guān)注喀斯特地區(qū)土壤厚度變化的生態(tài)作用[8-9],認(rèn)為淺土由于土層儲(chǔ)水能力差,植物的生長和光合生理均會(huì)受到抑制[8],深厚的土壤含有更多的水分和養(yǎng)分,有利于植物根系的延伸和分布范圍的擴(kuò)大,更有利于植被的生長和發(fā)育[10]。然而,這些研究均通過模擬實(shí)驗(yàn)在控制土壤的面積一致且不對植物生長造成限制的條件下,只考慮了土壤厚度這一個(gè)因素的影響。而在喀斯特特殊生境中,如上所述,在石土、石面小生境中,植物生存的土壤空間通常淺而寬；石溝、石縫小生境中,植物生存的土壤空間通常深而窄。有研究表明,地下空間的大小對植物生長的影響也十分重要,甚至被認(rèn)為超越了土壤資源[11]。因此,在喀斯特地區(qū),考慮土壤厚度對植物的影響必然要考慮土壤水分和土壤空間的重要作用。

喀斯特地區(qū)的植被恢復(fù)和重建研究表明,在喀斯特進(jìn)行人工草地恢復(fù)的水土保持能力要高于其他植被類型[12]。草本植物冠層可以減小雨滴動(dòng)能,對自然降雨具有水分截留的作用；而地下根系十分密集,能夠形成較大的根網(wǎng),將根際土緊密聯(lián)系在一起。因此,選擇草本植物,研究不同土壤空間下植物對水分變化的生長生理響應(yīng),進(jìn)一步了解喀斯特地區(qū)不同生境下植物的適應(yīng)對策,對于喀斯特破碎化小生境植被的恢復(fù)和重建具有重要意義[13]。

因此,本研究將通過模擬“淺而寬”和“深而窄”兩種土壤空間類型,探究不同地下生長空間下草本植物隨水分變化的生長及光合生理響應(yīng)。由于淺而寬生境水分蒸發(fā)量大,容易發(fā)生臨時(shí)性干旱,但在同一時(shí)間內(nèi)接受的降雨量較高,從而該生境中的植物更容易遭受到“干濕交替”的水分脅迫,而干旱后的水濕又會(huì)對植物的光合和生長產(chǎn)生一定的補(bǔ)償作用[14],因此,我們假設(shè)：(1)淺而寬生境中,隨著供水量的減少,土壤水分含量會(huì)下降較快,并且植物根系縱向生長受到抑制,植物的生長和光合均可能會(huì)受到影響；輕度減水條件可能會(huì)對植物生長產(chǎn)生一定刺激作用,從而植物生長得到補(bǔ)償；(2)深而窄生境中,隨著供水量的減少,由于自身具有較好的保水能力,所以土壤水分含量下降可能不明顯,但植物吸收水分需要穿透較厚土層,同時(shí)根系橫向生長空間不足,從而地上生長和光合也可能會(huì)受到抑制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以禾本科多年生草本黑麥草(LoliumperenneL.)為植物材料,重慶市中梁山的黃色石灰土為供試土壤,基本理化性狀為：pH為7.4±0.14,有機(jī)質(zhì)為0.34%±0.02%,全氮為0.28±0.03 g/kg,全磷為0.39±0.02 g/kg,全鉀為23.7±3.22 g/kg,田間持水量為39.8%±2.23%,土壤容重約為0.013 g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在重慶市西南大學(xué)生態(tài)園實(shí)驗(yàn)基地大棚(透明頂棚,四周開放)(29°49′N,106°25′E)內(nèi)進(jìn)行,海拔225 m,屬亞熱帶季風(fēng)氣候。

為模擬喀斯特淺而寬(SW)和深而窄(DN)兩種不同的小生境,分別制作邊長為30 cm、高為5 cm和邊長為10 cm、高為45 cm的兩種規(guī)格的硬質(zhì)紙箱容器,內(nèi)部套有與紙箱規(guī)格一致的厚塑料袋,底部留有小孔以供重力水流走；供試土壤風(fēng)干后進(jìn)行碾磨,直至顆粒較小且均勻,稱取相同質(zhì)量(約5 kg,與容器口平齊)倒入容器中備用。以重慶近30年間的日均降水量(2.63 L/m2)和降水間隔天數(shù)(3 d)為對照,按照面積大小換算出兩容器每次的澆水量作為正常供水量(W100%,SW：711 mL/3 d；DN：78 mL/3 d),并在此基礎(chǔ)上減少50%作為輕度減水處理(W50%,SW：355.5 mL/3 d；DN：39 mL/3 d),減少70%作為重度減水處理(W30%,SW：213.3 mL/3 d；DN：23.4 mL/3 d)。

實(shí)驗(yàn)于2017年7月9日開始播種育苗,15 d后移栽至容器土壤的中央處,每器一株植物,進(jìn)行適應(yīng)生長,期間保持土壤濕潤,之后選取生長一致的黑麥草(株高約40 cm)于9月21日開始水分處理。每組6個(gè)處理,每個(gè)處理有8個(gè)重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定

水分處理60 d后收獲植物,收獲前選擇一個(gè)晴天上午使用Li- 6400便捷式光合分析儀(Li-COR,USA)測定光合指標(biāo)。每個(gè)處理選擇3株植物,每株植物選取1片位于分蘗的上兩層且完全展開的健康葉片,測量時(shí)取葉片中間部位置于葉室,并做好標(biāo)記,每個(gè)葉片重復(fù)測3次。測量完剪下整片葉帶回實(shí)驗(yàn)室用數(shù)字化掃描儀(STDl600Epson USA)掃描植物葉片并用WinRHIZO (Version 410B)根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Instrument Inc., Canada)分析標(biāo)記部位的面積,使用Li- 6400 File Exchange 2.04分析軟件得到各處理的光合參數(shù)。

用流水沖洗并在孔徑1 mm篩中挑出所有根系,裝入信封帶回實(shí)驗(yàn)室,稱鮮重后于60 ℃恒溫烘箱中烘干至恒重,稱干重。卷尺測量株高后剪取地上部裝入信封帶回實(shí)驗(yàn)室,同樣用數(shù)字化掃描儀掃描植物葉片并用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件分析葉面積。其中每株植物剪取一致部位的完整成熟葉片,稱鮮重后放入大試管中,注滿蒸餾水于黑暗條件下完全浸泡24 h,取出后用濾紙擦干表面水分,稱單葉飽和鮮重。所有鮮葉稱重后均置于105℃烘箱中殺青30 min,并于60℃恒溫烘箱中烘干至恒重,稱量得到葉片干重。各指標(biāo)計(jì)算方式如下：

土壤相對含水量(Soil relative water content,SRWC)=土壤含水量(Soil water content,SWC)/田間持水量(Field water holding capacity,FC)×100%；

比葉面積(Specific leaf area,SLA)=總?cè)~片面積/總?cè)~片干重；

葉面積比率(Leaf area ratio,LAR)=總?cè)~片面積/植株總重；

葉片相對含水量(Relative leaf water content,RLWC)=(單葉鮮重-單葉干重)/(單葉飽和鮮重-單葉干重)×100%；

水分利用效率(WUE)=凈光合速率(Pn)/蒸騰速率(Tr)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析(Two-way ANOVA),揭示土壤生境、水分以及土壤生境與水分的交互作用對多年生黑麥草的葉片生長、生物量積累與分配以及光合生理的影響；用Origin 2017對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤水分狀況

隨著施水量減少,SW土壤含水量顯著降低,W30%時(shí)最低,降低了30.38%,達(dá)到重度干旱水平；DN土壤含水量降低的趨勢相對較弱,W30%時(shí)降低了15.85%,且W30%與W50%無顯著差異,均達(dá)到輕度干旱水平(表1)。方差分析顯示,土壤和水分處理對土壤含水量和土壤相對含水量均有極顯著影響,且兩者之間具有極顯著交互作用(表2)。

表1 不同水分處理對深淺兩種容器中土壤水分的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

SW(淺而寬土壤,Shallow and wide),DN(深而窄土壤,Deep and narrow),FC(田間持水量,Field water holding capacity)；小寫字母表示在0.05水平上各水分處理之間具有顯著差異

表2 土壤水分狀況的兩因素方差分析

**表示P< 0.01；***表示P< 0.001

2.2 葉片水分狀況

隨著施水量減少,SW中黑麥草葉片相對含水量先升高后降低；DN中沒有表現(xiàn)出顯著差異(圖1)。方差分析表明,土壤對葉片相對含水量沒有顯著影響,水分處理對其有顯著影響,但兩者之間無顯著交互作用(表3)。

圖1 兩種容器中不同水分處理對黑麥草葉片水分含量的影響Fig.1 Effects of different water treatments on leaf water content of L. perenne in two kinds of containers (SW and DN)

2.3 地上形態(tài)特征

隨著施水量減少,SW和DN中黑麥草株高、葉面積比率和比葉面積均呈現(xiàn)先升后降趨勢,但DN中三者的變化幅度明顯低于SW。方差分析表明,土壤和水分處理對株高、葉面積比率和比葉面積均有顯著影響,但兩者之間對這三個(gè)生長指標(biāo)均無顯著交互作用(表3)。

圖2 兩種容器中不同水分處理對黑麥草地上部分生長形態(tài)的影響Fig.2 Effects of different water treatments on aboveground growth morphology of L. perenne in two kinds of containers (SW and DN)

2.4 生物量積累與分配

隨著施水量減少,SW中總生物量和地上生物量逐漸降低,但地上質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高；而DN中總生物量先降低,而后在W30%時(shí)有所升高,地上生物量逐漸降低,而地上質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)升高趨勢。DN中生物量積累和分配隨水分變化而變化的幅度小于SW。方差分析顯示,土壤和水分處理對總生物量和地上生物量沒有顯著影響,且兩者之間沒有顯著交互作用,但對地上質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有極顯著影響,且兩者之間具有顯著交互作用(表3)。

圖3 兩種容器中不同水分處理對黑麥草生物量積累和分配的影響Fig.3 Effects of different water treatments on biomass accumulation and distribution of L. perenne in two kinds of containers (SW and DN)

2.5 光合生理

隨著施水量減少,SW中黑麥草凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化趨勢基本一致,均呈先升后降趨勢；在DN中,黑麥草凈光合速率逐漸降低,相比W100%條件分別而降低27.72%和40.47%,蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的變化趨勢與在SW中一致(圖4)。方差分析表明,土壤和水分均對凈光合速率和蒸騰速率有顯著或極顯著影響,并且兩者之間具有極顯著交互作用,但對氣孔導(dǎo)度沒有顯著影響,且兩者之間也沒有顯著交互作用(表3)。

隨著施水量減少,SW中黑麥草水分利用效率逐漸升高,相比W100%條件分別升高36.24%和215%；DN中在W50%條件下比W100%低27.13%,而W30%下與W100%相差不大(圖4)。方差分析表明,土壤和水分均對水分利用效率有極顯著影響,并且兩者之間具有極顯著交互作用(表3)。

圖4 兩種容器中不同水分處理對黑麥草光合生理的影響Fig.4 Effects of different water treatments on photosynthetic physiology of L. perenne in two kinds of containers (SW and DN)

表3 黑麥草地上部各指標(biāo)的兩因素方差分析

*表示P< 0.05；**表示P< 0.01；***表示P< 0.001；ns表示在0.05水平上沒有顯著差異

3 討論

3.1 不同土壤生境的保水能力和土壤水分有效性具有差異

土壤是植物生長的基質(zhì),為植物提供營養(yǎng)和水分,也是植物根系的生長空間,對植物的生長發(fā)育起著非常重要的作用。不同的土壤生境,由于其土壤物理性質(zhì)和空間差異,保水能力存在明顯差異。本研究中,在淺而寬土壤生境下,其土壤含水量隨著施水量的減少而顯著降低,在施水量為對照水量的30%時(shí),土壤含水量達(dá)到重度干旱水平[15]。而在深而窄土壤生境中,土壤含水量隨著施水量的減少而降低的趨勢相對緩和,在施水量為對照水量的30%時(shí),土壤含水量也只達(dá)到中度干旱水平,且與施水量為對照水量的50%下的土壤含水量無顯著差異。可見,淺而寬土壤生境確實(shí)因?yàn)樗终舭l(fā)強(qiáng)烈,保水能力較弱,深而窄土壤生境因較弱的蒸發(fā)而具有較強(qiáng)的保水能力。

另一方面,土壤水分對植物的有效性不僅取決于土壤含水量,也與植物根系的吸水能力有關(guān)。通常從植物生長狀況可以反映出土壤水分的有效性[16]。正常供水下,淺而寬和深而窄兩種土壤生境中的土壤含水量并無明顯差異,均為輕度干旱水平,土壤水分相對充足(51%FC),但淺而寬土壤生境中黑麥草的葉片相對含水量卻明顯低于深而窄土壤生境,葉片水分相對虧缺,從而說明在該水分條件下淺而寬土壤生境的土壤水分可利用性不如深而窄土壤生境高。可能是由于水分充足時(shí),相較于水分環(huán)境穩(wěn)定的深而窄土壤生境,淺而寬土壤生境經(jīng)歷干旱后過濕的水分交替,使得植物對土壤水分的利用性不強(qiáng)。

然而,當(dāng)兩種土壤生境均達(dá)到中度干旱水平時(shí),生長在淺而寬土壤生境中黑麥草的葉片相對含水量明顯高于深而窄土壤生境,反而保水能力好的深而窄土壤生境中黑麥草的株高生長等均較低,說明此時(shí)淺而寬土壤生境中黑麥草充分利用現(xiàn)有的土壤水分促進(jìn)了自身地上部分的生長。深而窄土壤生境由于其自身的土壤緊實(shí),不透氣,同時(shí)草本植物根系的穿透能力較弱,從而其土壤中的水分也難以被植物吸收。這也就說明了即使在土壤相對含水量一致下,兩種生境中植物所能利用的土壤水分也并不會(huì)完全相同,雖然深而窄土壤生境有一定的保水能力,在降水減少的情況下,其土壤中水分的可利用性也會(huì)降低。

3.2 淺而寬土壤生境中黑麥草的地上生長和光合受到較輕水分脅迫促進(jìn)但受到較重水分脅迫抑制

與假設(shè)一致,淺而寬土壤生境中,黑麥草的生長和光合均受到了較輕水分脅迫的刺激作用,有一定的補(bǔ)償生長,具體體現(xiàn)在株高、葉面積比率和凈光合速率均在中度水分脅迫下(W50%)出現(xiàn)了回升趨勢。很多研究表明,一定程度的干旱脅迫可能會(huì)對植物的生長具有促進(jìn)作用[17- 19]。在本研究中,黑麥草具有較強(qiáng)的耐旱能力,中度干旱促進(jìn)了其根系在水平方向上的拓展(我們先前研究已證實(shí),但數(shù)據(jù)未給出),并提高了總根尖數(shù)[20]以提高其吸水能力；同時(shí)發(fā)展較大的葉面積捕獲光能(比葉面積增大),提高凈光合速率以充分利用水分[21],從而促進(jìn)了株高的增長和葉面積的增大。然而,有趣的是該水分條件雖然刺激了黑麥草的地上生長和光合,但植株的總生物量仍有所降低,可能是由于根系無法下扎,植株整體生長受到影響,同時(shí)植物地上部分夜間的呼吸消耗導(dǎo)致[22]。但地上冠層生物量的分配卻呈現(xiàn)上升趨勢,從而也就說明葉片水分利用效率的提高相對更多的是促進(jìn)了地上部分的生長,可能是因?yàn)橹参镌谒置{迫條件下,為提高根系的吸水能力而將較多的有機(jī)物質(zhì)分配在地上部分以保持較低的滲透勢[23]而選擇的分配策略。

當(dāng)土壤水分含量達(dá)到重度干旱水平時(shí),黑麥草葉片水分虧缺程度也達(dá)到最高,地上的生長和凈光合速率不再受到正向刺激,而是受到了明顯抑制,株高、葉面積、比葉面積、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和地上生物量及總生物量均顯著下降,而氣孔對蒸騰水分散失的影響大于對CO2吸收的限制[24],所以氣孔導(dǎo)度降低,在減少水分散失的情況下仍保證了CO2的固定量,從而植株的水分利用效率明顯提高,表明此時(shí)植物采取了降低蒸發(fā)面積同時(shí)提高自身水分利用效率的策略。

3.3 深而窄土壤生境中因土壤保水能力較好黑麥草對水分脅迫的生長和光合生理響應(yīng)變化遲緩

深而窄土壤生境中,如以上分析,土壤保水能力較強(qiáng),隨供水減少,土壤水分含量降低不明顯。因此,黑麥草的生長和光合在此生境下的響應(yīng)也是比較平緩的。在輕度減水條件下(46%FC),葉片含水量、株高和葉面積與W100%條件下無明顯差異,凈光合速率和水分利用效率隨土壤水分的下降而降低為環(huán)境刺激引發(fā)的應(yīng)激反應(yīng),并非是與脅迫因子相對應(yīng)的特殊反應(yīng)[25]；而當(dāng)水分進(jìn)一步減少,達(dá)到43%FC時(shí),葉片的水分利用效率才有所提高,說明在深而窄生境中,水分脅迫的過程發(fā)生相對較為緩慢,從而植物對生境下的適應(yīng)性反應(yīng)也相對滯后,但并沒有出現(xiàn)補(bǔ)償生長,這可能與我們之前分析的一樣,深而窄土壤生境在降水減少的情況下,其土壤中水分的可利用性也會(huì)降低。另外,本研究也發(fā)現(xiàn),隨著水分含量的降低,該生境中黑麥草也會(huì)促進(jìn)根系的生長以提高根系生物量的分配比例,同時(shí)以犧牲一部分光合作用為代價(jià)來提高水分利用效率。

4 結(jié)論

綜上所述,淺而寬土壤生境對水分變化敏感,隨供水減少土壤含水量顯著下降,但輕度減水下植物的葉片生長會(huì)有一定的提升,葉面積增大,光合速率提高且地上部分生長得到促進(jìn),水分的嚴(yán)重減少仍對其生長和光合生理有抑制作用,從而表明淺而寬生境中植物傾向于通過提高地上部分的生長,保持較高的光合速率,同時(shí)在地上部分分配較多生物量來應(yīng)對水分脅迫。深而窄土壤生境隨供水減少,土壤水分含量無明顯下降,但由于自身土壤物理?xiàng)l件,即使在保持較高含水量下,其土壤水分也難以被吸收利用,植物生長和光合均會(huì)受到一定程度的抑制,然而植物也會(huì)充分利用土壤空間條件,促進(jìn)根系的下扎來提高對水分的吸收,維持生長。