魯中丘陵山地干旱生境上11個樹種的細根解剖特征與耐旱策略*

劉洪凱 陳 旭 張明忠 王 強 王延平,

(1.黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點實驗室 泰安271018； 2. 山東農業(yè)大學林學院 泰安271018；3. 山東省林業(yè)外資與工程項目管理站 濟南250014)

干旱導致的樹木死亡是森林生產(chǎn)力的重要限制性因子之一(Choatetal., 2018)。針對干旱立地的造林樹種選擇與應用是林學和生態(tài)學共同關注的問題。干旱生境中植物可做出形態(tài)、生理生化、分子等諸多方面的響應，以適應水分條件的變化(Shaoetal., 2008)。就根系而言，遭受長期干旱的植物可逐步形成適應脅迫的根系形態(tài) (Kembeletal., 2011)。根系解剖結構可直觀反映樹木應對干旱逆境的生態(tài)適應策略(Macetal., 1991)，通常根內導管直徑大、導管數(shù)目多、維管柱直徑大，預示著植物具有較強的輸水性能以抵抗干旱(Zimmermann, 1982; Tyreeetal., 1994)。但是，極端干旱條件下導管的栓塞現(xiàn)象將導致植物體內輸水能力嚴重下降甚至喪失(McDowelletal., 2008)，這一過程與植物根系吸水和供水模塊的形態(tài)結構可能具有密切關系。根系具有復雜的分支結構，不同分支等級的細根在形態(tài)和結構上具有顯著差異，從而導致其功能產(chǎn)生分異(Pregizeretal., 2002)。對水曲柳(Fraxinusmandshurica)、落葉松(Larixgmelinii)(Guoetal., 2008)和楊樹(Populusspp.)(許壇等, 2015)等多樹種的研究結果均表明，位于根系最先端的1～2級細根通常具有吸收根的特征，而3級及以上細根主要發(fā)揮輸導作用。因此，探討各根序細根對干旱脅迫的響應將更能體現(xiàn)植物的適應策略。

目前，雖然開展了一些細根解剖結構特征研究(Kongetal., 2014; Liuetal., 2019)，但是對同質生境內多個樹種細根解剖結構的比較研究相對較少，并且尚未建立細根解剖結構特征與干旱環(huán)境下樹種水分利用策略的聯(lián)系。鑒于此，本研究基于2011年世界銀行貸款山東生態(tài)造林項目的樹種選擇試驗樣地，選取魯中干旱瘠薄山地常見的11個樹種，在根序劃分的基礎上對1～3級細根(直徑< 1 mm)解剖結構特征進行比較分析，以期揭示不同樹種應對干旱脅迫的生態(tài)適應策略與細根解剖結構的關系，為今后干旱瘠薄山地造林樹種選擇及耐旱機制研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山東省新泰市汶南鎮(zhèn)(117°42′—117°47′E，35°45′—35°48′N)，海拔268～467 m。該區(qū)域位于魯中山地丘陵地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫13.2 ℃，年均降水量715 mm，年均蒸發(fā)量690 mm，季節(jié)性干旱是限制該區(qū)域植被建設的重要因素。試驗樣地土壤類型為褐土，土層較薄(20～50 cm)，土壤保水性差。原生植被主要由胡枝子(Lespedezabicolor)和百里香(Thymusmongolicus)等低矮灌木和雀稗(Paspalumthunbergii)、隱子草(Cleistogeneshancei)等草本植物組成，偶見君遷子(Diospyroslotus)、黃連木(Pistaciachinensis)和臭椿(Ailanthusaltissima)等喬木樹種。2011年，依托世界銀行貸款山東生態(tài)造林項目，在研究區(qū)引入桑樹(Morusalba)、君遷子、皂莢(Gleditsiasinensis)、黃連木、苦楝(Meliaazedarach)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、海州常山(Clerodendrumtrichotomum)、荊條(Vitexnegundo)、連翹(Forsythiasuspensa)和金鐘花(Forsythiaviridissima) 11個樹種進行造林樹種選擇試驗。為符合世界銀行對造林項目樹種應用的要求，這些樹種均為魯中山地丘陵區(qū)常見的鄉(xiāng)土樹種。造林苗木均為2年生裸根苗； 造林整地方式為40 cm(長)×40 cm(寬)×30 cm(深)穴狀整地； 株行距為2 m×3 m，共計完成造林面積4.32 hm2。隨后進行嚴格管護，造林保存率95%左右。

2 研究方法

2.1 根系取樣和解剖特征觀察 2017年7月對每個樹種選取長勢良好的5株，采用挖掘法進行根系取樣。隨后，每株選取3個具有完整根序的細根作為樣本，用去離子水洗凈后放入FAA固定液中固定，儲存在冰盒內帶回實驗室。按Pregitzer (2002)的方法區(qū)分1～3級細根，即根系最先端的根為1級根，1級根所著生的母根為2級根，2級根所著生的母根為3級根。每個完整根序中每根序細根切取5個根樣，制作細根橫剖面石蠟切片。采用Nikon Eclipse E200生物顯微鏡觀察細根切片，用Scope Image 9.0軟件進行成像拍照。記錄每張切片上細根的剖面直徑、皮層厚度、維管柱直徑、導管內徑及導管數(shù)，并計算導管密度。本研究共計完成2 475個細根的解剖特征測定(11個樹種×5個植株×3個根系×3級根序×5個切片)。

2.2 數(shù)據(jù)處理 計算各樹種1～3級細根解剖特征數(shù)據(jù)的平均值和標準差(Mean ± SD)，采用SPSS 19.0的單因素方差分析法(One-way Anova)比較各樹種細根解剖結構特征的差異顯著性并進行檢驗 (α=0.05)，采用Origin 8.0軟件繪圖，采用Canoco 5.0軟件進行細根解剖特征主成分分析。

3 結果與分析

3.1 根直徑 由圖1可知，11個樹種的1～3級細根剖面直徑總體上隨著根序的升高而增大。就1級細根而言，剖面直徑最小的是黃連木(182.49 μm)，剖面直徑最大的是皂莢(819.42 μm，約是黃連木剖面直徑的4.5倍)。在2級細根中，荊條的剖面直徑最小(210.77 μm)，皂莢的剖面直徑最大(1 201.76 μm)。在3級細根中，荊條的剖面直徑最小(278.04 μm)，黃櫨的剖面直徑最大(1 366.24 μm)。整體而言，相同根序細根的剖面直徑在不同樹種間差異顯著 (P< 0.05)。上述結果說明，與直徑密切相關的細根吸收表面積在不同樹種間可能存在顯著差異。

3.2 皮層厚度 由圖2可知，1級細根中，海州常山的皮層最薄(29.88 μm)，皂莢的皮層最厚(300.34 μm，約是海州常山皮層厚度的10倍)； 在2級細根中，桑樹的皮層厚度最小(19.05 μm)，皂莢的皮層厚度最大(254.24 μm，約是桑樹皮層厚度的13倍)； 同根序細根的皮層厚度在不同樹種間也存在顯著差異(P< 0.05)。皮層是土壤水分進入細根輸水組織的必經(jīng)途徑，其厚度在一定程度上決定了土壤水分進入根內維管系統(tǒng)需要跨越的橫向距離。上述結果說明，由于樹種間1～2級細根皮層厚度的不同，土壤水分進入根內維管束的效率在樹種間可能存在顯著差異。

3.3 維管柱直徑及導管性狀 由表1可知， 3級細根維管柱直徑最大的是黃櫨 (616.22 μm)，最小的是黃連木 (182.47 μm)； 苦楝根內導管內徑最大(54.57 μm)，黃連木的導管內徑最小(11.75 μm)； 黃連木根內的導管密度可達到701.10 個·mm-2，約是苦楝的的 13倍(53.17 個·mm-2)。由于3級細根主要發(fā)揮輸導作用，其維管柱直徑和導管性狀決定了根內水分的輸導能力。上述研究結果說明，水分在不同樹種3級細根內的傳輸效率可能存在差異。

圖1 不同樹種1～3級細根剖面直徑的比較Fig.1 Comparison on the root diameter of 1 to 3 order in 11 tree species不同小寫字母表示相同根序的細根直徑在不同樹種間差異顯著(P< 0.05)，下同Different letters mean significant differences of root diameter with the same order among tree species (P< 0.05)，the same below.

圖2 不同樹種1～2級細根皮層厚度的比較Fig.2 Comparison on the cortex thickness of 1 to 2 order roots in 11 tree species

表1 不同樹種3級細根的維管柱直徑及導管性狀比較①Tab.1 Comparison on the root stele diameter and vessel traits of the third order roots in eleven trees

3.4 細根解剖特征的主成分分析 對11個樹種1～3級細根解剖特征的主成分分析表明，前2個主成分的累積貢獻率達到了84.21%(圖3)，可以代表11個樹種解剖特征的主要信息。在主成分1中，1級根直徑、2級根直徑、1級根皮層厚度和2級根皮層厚度這4個指標的載荷較大，分別為0.967、0.961、0.942和0.917(表2)，這些指標代表細根吸收功能性狀，可以解釋細根特征變化的46.2%。第2主成分中，3級根直徑、3級根維管柱直徑、3級根導管內徑、3級根導管密度這4個指標的載荷量絕對值較大，分別為0.713、0.977、0.920和0.766，可以解釋細根特征變化的38.02%，這4 個指標均表征細根輸導能力。

根據(jù)PCA分析結果，綜合考慮各樹種1～3級細根吸收功能和輸導功能的分異，將11個樹種劃分為3組(圖4)。A組： 根細、皮層薄、輸導組織密集型，包括桑樹、荊條、海州常山、黃連木、君遷子、連翹、花椒和金鐘花8個樹種，其典型特征為細根直徑和維管柱直徑小，1～2級根序細根皮層薄，3級細根導管內徑小但密度較大。 B組： 根細、皮層薄、輸導組織疏松型，包括黃櫨和苦楝2個樹種，這一類型樹種1～2級根序細根直徑較小、皮層薄，3級細根導管密度小、導管內徑大。 C組： 根粗、皮層厚、輸導組織密集型，只有皂莢1個樹種，其典型特征為細根直徑和維管柱直徑較大，導管密度大，導管內徑小，顯著區(qū)別于其他樹種。3組類別中，A 組(根細、皮層薄、輸導組織密集型)樹種最多，并且所占得比例最大，C組(根粗、皮層厚、輸導組織密集型)只有皂莢1個樹種，這說明大多數(shù)樹種通過增強細根的吸水功能來適應干旱立地環(huán)境。

圖3 11個樹種細根解剖結構特征的PCA分析Fig.3 PCA analysis on the fine root anatomical traits of 11 tree speciesA： 根細、皮層薄、輸導組織密集型 Ttrees with thin root and cortex and with compacted transport tissues； B： 根細、皮層薄、輸導組織疏松型Trees type with thin root and cortex and with loose transport tissues； C： 根粗、皮層厚、輸導組織密集型Trees type with thick root and cortex, and with compacted transport tissues.; Moal: 桑樹Morus alba； Dilo: 君遷子Diospyros lotus； Glsi: 皂莢Gleditsia sinensis； Pich: 黃連木Pistacia chinensis； Meaz: 苦楝Melia azedarach； Coco: 黃櫨Cotinus coggygria； Zabu: 花椒Zanthoxylum bungeanum； Cltr: 海州常山Clerodendrum trichotomum； Vine: 荊條Vitex negundo； Fosu: 連翹Forsythia suspensa； Fovi: 金鐘花Forsythia viridissima

表2 細根特征指標的主分量載荷Tab.2 Principal component load of fine root trait indices

4 討論

4.1 細根解剖結構與土壤水分利用能力的關系 細根解剖結構體現(xiàn)了根系的生長發(fā)育狀況，也是細根吸收、輸導等生理功能的重要決定因素(Macetal., 1991)。直徑小的細根往往具有較大的比根長(Comasetal., 2013)，能夠探索更大的土壤體積， 并且減少水分和養(yǎng)分進入木質部的障礙，從而使植物較快獲得水分和養(yǎng)分 (Riegeretal., 1999)。細根直徑越小，增殖速度也越快(Robinsonetal., 1991； 1999)。相比之下，直徑越大的細根壽命更長 (McCormacketal., 2012)但增殖速率較低 (Eissenstat, 1991)。但是，直徑越大使根系更有能力穿透厚的土壤，能夠發(fā)揮更大的生長勢能(Materecheraetal., 1991)。此外，直徑越大的細根還能支持更多的菌根增殖(Comasetal., 2014)。本研究中，桑樹、黃連木、黃櫨、苦楝、荊條、海州常山和連翹的1級根較細，能夠快速獲取水分和養(yǎng)分并對土壤中水分狀況變化做出快速反應。而皂莢1級根較其他樹種直徑大，在干旱瘠薄山地土層較薄的生境中具有更強的穿透能力以獲取資源。除直徑外，根解剖結構的差異性決定樹種耐受逆境的能力(Zadwornyetal., 2018)。干旱條件下，輸導根木質部內較小的導管內徑使植物木質部發(fā)生栓塞的風險降低(Sperry, 1995)，同時較大的導管密度又保證其輸水能力。維管組織特征可反映根系對水分的吸收輸導能力，也在一定程度上決定樹種對水分條件的適應性。

一般而言，細根皮層細胞層數(shù)在抗旱性強的樹種中較少，土壤水分通過皮層橫向進入根內維管束的距離也就越短，從而確保了較高的水分傳輸速率以滿足植物蒸騰對水分的需求。事實上，根系解剖結構，尤其是皮層厚度在很大程度上決定水分進入根系的效率(即水分吸收)。研究表明，水分傳輸速率與根直徑呈顯著負相關(r2=0.39)，與皮層厚度的相關性更可達55%(Riegeretal., 1999)。這說明，直徑越小或者皮層厚度越小的根更有利于水分吸收進入根內維管組織。也有研究表明，在干旱脅迫下，根皮層薄壁細胞的大小與根系分布深度呈顯著正相關(Chimunguetal., 2014)。本研究中，皂莢的1級根較其他樹種皮層厚，進一步證實其更強的生長勢及土壤穿透力。此外，根皮層厚度大可在一定程度上增加細根對水分的吸收面積(Wahletal., 2000)。酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)是極耐干旱樹種，在水分條件最差的生境中，酸棗初生根的皮層厚度最大，皮層薄壁細胞厚度和寬度均最大(朱廣龍 等, 2018)。可見，細根解剖結構體現(xiàn)了不同樹種應對干旱脅迫時的趨同和分異兩種趨勢(王勛陵等, 1999)。基于根序等級的細根解剖結構分析一方面關注低根序細根的吸水特性，同時考慮高根序細根根內維管組織的輸水特性，兩者在植物應對干旱脅迫逆境時具有同等重要性。

4.2 同質生境內樹種適應干旱脅迫的生態(tài)策略 基于同質生境的樹種比對是揭示樹種適應策略的重要手段。本研究的11個樹種即是生長在魯中干旱瘠薄山地同質生境樣地內的樹種，環(huán)境背景的均質性為比較不同樹種應對干旱逆境的生態(tài)策略提供了可能。基于根序的細根解剖結構比較可為闡釋不同樹種對水分缺乏生境的適應策略提供一定的科學依據(jù)。研究表明，不同根序的細根具有不同的生理功能(Pregizer, 2002)，尤其是樹木細根解剖結構上的異質性決定了其在水分養(yǎng)分吸收和運輸上的差異性(衛(wèi)星等, 2008； 2009)。本研究基于樹種1～3級細根解剖結構特征，經(jīng)PCA分析將11個樹種劃分為3組，歸納為2種干旱脅迫適應策略。

第一種策略是快速吸水和快速輸水，包括A組(吸收根細、皮層薄，輸導根維管組織密集型)和B組(吸收根細、皮層薄，輸導根維管組織疏松型)。雖然兩組樹種的細根在導管性狀上存在較大差異性，但兩類細根都具有發(fā)達的輸導組織，能將水分快速匯集并輸送到地上部分以滿足蒸騰耗水的需求。所不同的是，由于導管內徑的差異性可能導致其在極端干旱生境中由于較低水勢而引發(fā)的木質部栓塞程度不同，導管內徑越大發(fā)生栓塞的可能性也較大(Wahletal., 2000)。在持續(xù)干旱的環(huán)境下導管內徑小的樹種較內徑大的樹種可能具有更強的耐(抗)旱能力。本研究中將黃連木和苦楝歸為同一種生態(tài)策略，但分屬A、B兩組。有研究表明，干旱脅迫下黃連木的水分傳輸速率(0.000 6 g·cm-2s-1)顯著大于苦楝(0.000 3 g·cm-2s-1)，而水分環(huán)境良好時苦楝的水分傳輸速率(0.054 3 g·cm-2s-1)大于黃連木(0.013 3 g·cm-2s-1)(謝東鋒, 2004)。相關生理指標的研究表明，在相同水分脅迫條件下，苦楝在生理指標電導率值、丙二醛含量表現(xiàn)上均低于黃連木，其細胞膜系統(tǒng)受到更大程度的損傷(陳平等, 2012)。這些研究數(shù)據(jù)說明，黃連木較苦楝更為抗(耐)旱，在相同脅迫條件下，苦楝可能面臨更大程度的水分虧缺，而這種水分虧缺很可能是由木質部栓塞引起的，而木質部栓塞的主要后果則是導水率下降(Sperryetal., 1988)。馬履一等(2003)對海州常山等樹種的耗水研究表明，海州常山的液流速率(0.003 6 cm·s-1)遠高于臭椿(Ailanthusaltissima) (0.001 6 cm·s-1)和刺槐(Robiniapseudoacacia)(0.001 5 cm·s-1)，并且海州常山的邊材導管直徑明顯小于臭椿和刺槐。以上結果說明，導管內徑小能夠產(chǎn)生較大水分上升拉力，有助于樹體快速復水，這對樹種抗(耐)旱更具有積極意義。基于此，本研究推論A組樹種比B組樹種更能耐干旱脅迫。但是，植物整體抗(耐)旱能力由多方面因素決定。如李吉躍(1991)對太行山區(qū)9個主要造林樹種的耐旱性研究認為靈敏的氣孔反應和較低的蒸騰作用使黃櫨相比于其他闊葉樹種具有更強的節(jié)水能力和較高的束縛水含量(31.38%)，這使其擁有較強的抗脫水能力。因此，有效吸水、快速輸水可能是大多數(shù)抗(耐)旱型樹種所共有的一種生態(tài)策略。

樹木適應干旱脅迫的第二種生態(tài)適應策略是有效覓水和快速輸水，本研究只涉及皂莢1個樹種(C組)。皂莢是一種深根性落葉喬木(顧萬春等, 2003)，主根健壯，側根發(fā)達，是一種典型的耐旱型樹種，目前已對其耐旱機理作了大量研究(劉夢玲等, 2018； 李燕等, 2006； 史勝青等, 2004)。研究表明，皂莢1年生幼苗在重度干旱脅迫30天后，存活率仍可達87.5%(孔艷菊等, 2007)。本研究發(fā)現(xiàn)該樹種1～2級細根擁有較大的吸收表面積，同時1級細根中較粗的根直徑和較大的皮層薄壁細胞使其能夠到達更深層次的土壤，以有效地尋覓更多的水分； 而3級細根發(fā)達的輸導組織能夠為地上部分快速輸送水分。上述的細根解剖結構特征對皂莢較強的耐旱能力提供解剖學支撐。

快速吸水和快速輸水型的樹種能夠對土壤中的水分迅速作出反應，并將水分輸送到地上部分。具有類似解剖特征的樹種可能更加適應長期干旱、但有季節(jié)性降水且土層較薄的生境。而有效覓水和快速輸水型樹種能夠產(chǎn)生更多的深根，探索更多的土壤水分，也可能更加適合長期干旱但土層較厚的生境。當然，特定立地條件的樹種選擇還應該綜合考慮立地的溫度、降水、風力等氣候條件和土壤條件，以及所選樹種的生長習性。

5 結論

干旱生境下樹木根的解剖結構與其應對干旱脅迫生境的策略存在密切聯(lián)系，11個樹種的細根在解剖結構上呈現(xiàn)顯著差異，但總體體現(xiàn)出較強的吸水和輸水能力。依據(jù)不同樹種的根解剖結構特點，劃分為2種干旱適應策略： 1) 快速吸水和快速輸水； 2) 有效覓水和快速輸水。這2種適應策略在不同立地條件的生境中有各自優(yōu)勢。基于細根解剖性狀和生態(tài)適應策略，根內皮層厚度和維管組織導管特征是決定樹種適應干旱生境能力的重要參考指標，這可為干旱瘠薄生境造林樹種的選擇提供依據(jù)。從細根解剖性狀來看，在長期干旱但有季節(jié)性降水且土層較薄的生境，應該選擇桑樹、黃連木等快速吸水和快速輸水型樹種； 在長期干旱但土層較厚的生境，應該選擇皂莢等有效覓水和快速輸水型樹種。