三峽庫區消落帶水樺（Betula nigra）周期性水淹后的生理與結構響應

甘麗萍，任 立，李 豪，王立春

(1. 重慶三峽學院生物與食品工程學院，重慶 萬州 404100；2. 重慶任甲生物科技有限公司，重慶 秀山 409999；3. 重慶市林業科學研究院，重慶 400000)

2019 年，三峽水庫已連續10 a 完成175 m 蓄水目標。年復一年的季節性水位漲落形成30 m 的消落帶區域，是水生生態系統和陸生生態系統交替存在的特殊地帶 (圖1)[1]。冬季的完全水淹和夏季的伏旱使消落區植被物種多樣性呈下降趨勢，水土流失較突出[2]。重新造林和植被重建是恢復這些新形成的河岸帶的首要任務[3]。因此，篩選出能長期遭受水淹并能正常生長的植物十分重要。目前，與草本植物相比，在長期淹水中能夠存活的木本植物相對較少，尤其是完全淹沒的品種[4-5]。水樺（Betula nigraL.），屬樺木科（Betulaceae）落葉喬木，樹高18～25 m，具有抗病蟲、抗寒、耐水淹、抗污染等特性[6]。三峽庫區良木水樺（良種編號：渝R-ETS-BN-007-013）為重慶市林業科學研究院引自美國的樹種[7]，研究表明，消落帶中高程170 m 處生長的水樺光合作用略強于高程175 m處，說明水樺可通過增強生長期的光合能力一定程度上補償冬季蓄水對生長的負面影響，是三峽庫區消落帶植被恢復重建的適生樹種[7]。當前，萬州區消落帶示范區水樺定植后已有5 a，以時間為軸的形態與生理生化指標變化等未見報道。本研究以三峽庫區消落帶溪口鄉栽培的水樺為研究對象，調查水樺在經歷周期性水淹后的生理指標的變化及解剖結構的恢復動態，為水樺的擴大栽培與品種選育提供理論依據。

圖1 消落帶水樺采樣時間和地點Fig.1 Sampling time and place of Betula nigra

1 采樣地概況

本試驗取樣點位于重慶市萬州區溪口鄉玉竹村（30°35′41.7″ N，108°19′39.4″ E）消落帶內。萬州區屬亞熱帶季風濕潤帶，該區年平均溫度17.7℃，最高溫度41℃，最低溫度?3.7℃。2014年，確定三峽庫區萬州溪口鄉玉竹村1 社善溪溝長江消落帶建立水樺植被恢復示范片，栽植面積13 340 m2，以3 年生種子繁殖苗（株高1.5 m 左右）為定植苗。栽植在高度為170～175 m 的消落帶區域，原地塊為農田區域。該區域為典型長江三峽庫區干流消落區，植被恢復針對性強，立地條件較好，適宜濕地喬木生長，景觀及示范性較強[7]。

2 研究方法

2.1 試驗材料與試驗設計

2014 年5 月至2018 年5 月，由重慶任甲生物科技有限公司牽頭，每年在萬州溪口鄉玉竹村消落帶示范基地172 m 高程區栽植株高為1.5 ± 0.2 m 的3 年生種子繁殖的水樺苗150 余株，共計近800 株。本高程萬州段每年從10 月15 日左右開始蓄水，次年1 月15 日左右退水，分別經歷過1～5 次周期性水淹。本次試驗于2019 年4 月15 日取樣，即為水淹90 ± 5 d、出水90 ± 5 d 的處理條件，其中，定植后2 a 以內的水樺植株株高沒有超過3 m，在175 m 的水位線下，為全淹沒。定植后3 a 的水樺植株株高超過了3 m，175 m 的水位線沒有完全淹沒，為半淹沒，即植株高于3 m 的上部枝條一直在水面以上。分別在該高程水樺栽植區隔5 株取1 株，每輪淹水取5 株，共取25 株，測量生長指標，并分別采集最上部枝條頂端第1～3 片葉和當年生須根備用，同時以高程175 m以上沒有水淹的露地同齡水樺栽植后1～5 a 的植株的相同部位作為對照。

2.2 測定指標

2.2.1 形態指標 采用直尺和卷尺測定水樺根莖部直徑、株高，須根數為人工數第1 層主根上的數目，每個樹齡測量5 株，取平均值。

2.2.2 生理指標測定 葉綠素含量參照Grace 等[8]的方法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法[9]測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性使用南京建成生物工程研究中心的黃嘌呤氧化酶法試劑盒測定。

2.3 根系切片

參照李和平[10]的方法，制作水樺葉片橫切面石蠟切片。沖洗干凈樣品后，濾紙吸干表面水分，以福爾馬林-乙酸-乙醇固定液固定。采用LERCA（GERMANY）全自動切片機制作高精度切片，番紅染色，使用生物光學顯微鏡觀察石蠟切片中根系解剖結構。本部分委托河南風樺教學儀器有限公司完成。后在重慶三峽學院OlympusBX51 光學顯微鏡上拍照。

2.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel2010 及SPSS19.0 軟件對實驗數據進行分析處理和作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA），并用Tukey 多重比較檢驗各指標的差異顯著性，顯著水平為0.05 和0.01。

3 結果與分析

3.1 形態指標

與對照組相比，在消落區栽植并經歷水淹，對水樺株高有較大影響，水淹1 次后株高有近70 cm的停滯生長，水淹2 次后株高與對照仍有差異，水淹3 次后，株高與對照沒有差異，水淹5 次后，株高比對照增加，并且差異顯著。從胸徑看，水淹1 次后與對照差異不顯著，水淹2 次和3 次后的水樺，胸徑與對照均差異顯著，水淹4 次以后與對照差異不顯著。總體可見，水樺在消落區定植后第1 年株高受抑制，第2 年和第3 年胸徑受抑制，經過3 a 的適應后，植株頂端不再被完全淹沒，生長基本不再受影響，并且在第5 年開始有了較強的生長補償效應 (表1、圖2)。

表1 消落帶水樺周期性水淹后的形態指標的變化Table 1 Changes of morphological indexes of Betula nigra after periodic flooding in the depression zone

3.2 生理生化指標

3.2.1 含水量及葉綠素 圖3A 表明：隨樹齡增加水樺葉片中的含水量逐步降低，水淹1 次后的植株葉片含水量相比對照有顯著升高，水淹2 次后與對照葉片含水量顯著不差異。水樺葉片葉綠素含量變化主要在第1 次水淹后，葉綠素a 含量（圖3B）、總葉綠素（圖3C）和葉綠素a/b（圖3D）與對照相比均呈顯著下降趨勢。水淹2 次后植株的這4 個指標與對照相比再無差異；水淹3 次后，水淹和對照植株葉片的葉綠素a 含量、總葉綠素含量和葉綠素a/b 均顯著高于1～2 次水淹。說明隨著水淹次數的增加，水樺的適應性逐步建立，退水后刺激植物加速生長，葉綠素含量相應的增多，進而增加了水樺葉片的光合強度，生長能力也逐步恢復。

3.2.2 生理生化指標 圖4A 表明：水樺葉片中可溶性蛋白含量比根中高，水淹1 次和2 次后的水樺葉片中可溶性蛋白含量都比對照高，水淹3 次后與對照組不再有差異；根系中的可溶性蛋白質含量前3 次水淹后均高于對照，水淹4 次后，與對照差異不顯著。圖4B 表明：與對照組相比，水淹1 次和2 次后葉片和根系中的丙二醛含量顯著增加，水淹3 次后差異不顯著。圖4C 表明：第1 次水淹后葉片中的SOD 活性顯著高于對照，2 次水淹后與對照差異不顯著；根系中的SOD 活性在2 次水淹后顯著高于對照，水淹3 次后，與對照差異不顯著。水樺在水分脅迫時積累較多的滲透調節物質和抗氧化酶等來積極應對水分逆境，經過周期性水淹后的積累量和代謝速度都有差異，經歷1～2 次水淹后，在恢復過程中這類物質消除比較慢，在出水后的葉片和根系中都能檢測到，相對來說，根系的脅迫敏感和持久性比葉片更明顯，3 次水淹后水樺的幾項生理指標基本上與對照沒有顯著差異，說明耐水淹的適應機制基本建立，這估計與第3 次以后的水淹只是半淹的條件有關。

3.3 葉片結構變化

水樺為典型的兩面葉植物，葉片有明顯的上表面和下表面之分，有表皮細胞，柵欄組織2 層，海綿組織多層，其中，分布有維管束(圖5)。周期性水淹次數對水樺葉形態和組織結構均有顯著的影響，水分脅迫改變了水樺葉片的組織結構及比例，水淹1～2 次后，葉片上表皮（EP）均比未水淹厚，柵欄組織（PT）發達，排列緊密；3 次水淹后的植株葉片與對照沒有明顯的結構差異，特別是經歷4 次水淹后，植物葉片氣孔窩密度增加，葉片海綿細胞間隙增大，與對照沒有差異。

圖2 消落帶水樺周期性水淹后的生長形態Fig.2 Growth state of B.nigra after periodic flooding in the fallow zone

圖3 消落帶水樺周期性水淹后的含水量和葉綠素含量變化Fig.3 Changes of water content and chlorophyll content of Betula nigra after periodic flooding in the ebb zone

圖4 消落帶水樺周期性水淹后的生理指標的變化Fig.4 Changes of physiological index of Betula nigra after periodic flooding in the ebb zone

圖6 表明：水淹2 次后，維管束中間導管（CA）細胞變大，細胞松散，水淹4 次后，木質部與韌皮部之間出現了一些較大空隙的溶生型組織，能夠更好的適應呼吸和代謝。

4 討論

4.1 水樺應對周期性水淹的生長響應

3 年生水樺苗在消落區栽植后，逐步對水淹環境產生了適應性，并且由于退水后土壤和樹體還保存有大量水分，進入伏旱能極快速地加快生長，產生了較明顯的補償效應。同樣的補償效應在長期淹水的河竹中也報道過，通過鞭根系統的生物量合理分配和異速生長調節河竹能逐步適應淹水環境[11]。周期性淹水對植物是一種生物鐘的節律調節生長，Burkett 等[12]研究表明，密西西比州亞祖河消落帶間歇性水淹地段的納櫟幼苗存活率明顯高于長期性水淹地段。

圖5 消落帶水樺周期性水淹后的葉片橫切面結構變化Fig.5 Changes of cross section structure of Betula nigra leaves in the ebb zone after periodic flooding

圖6 消落帶水樺周期性水淹后的葉片橫切面維管束的結構Fig.6 The structure of vascular bundle in the cross section of Betula nigra leaves after periodic flooding

4.2 水樺應對周期性水淹的生理響應

陰生植物葉綠素a/b 值普遍較小[13]。第1 次水淹后水樺葉片的總葉綠素含量和葉綠素a/b 顯著下降,說明水淹環境形成了類似一種陰生植物生存的條件，在退水后新發葉片色素代謝的影響還沒消退；水淹3 次后葉綠素合成已經不再受之前水淹脅迫的影響，與第3 次水淹為半淹狀態和植物的適應性形成有關系。植物在逆境中通過改變光合產物的分配比例等方式來維持糖分供應和調節碳代謝，從而避免有毒物質的形成，還可通過改變體內SOD、CAT、POD 水平等以保持盡量低的能量儲備，降低代謝速率[14]。通過水樺水淹脅迫后幾項生理指標調查發現，葉片中可溶性蛋白含量、SOD 在水淹2 次后就與對照沒有差別，而同期的根系是在水淹3 次后與對照沒有差別。這亦佐證了根系是水淹脅迫下植株受傷最早、最敏感、持續最久的部位[15]。

4.3 水樺應對周期性水淹的葉片結構響應

葉表皮角質膜厚度、氣孔導度調節能力等是影響水分蒸騰和輸導、氣體交換的主要結構指標，能夠反映植物對環境水分和濕度條件的適應狀況[16]。水分脅迫改變了水樺葉片的組織結構及比例，水淹前2 次后，植株葉片上表皮部分增厚，柵欄組織發達，排列緊密。經歷4 次水淹后，葉片海綿細胞間隙增大，形成較大的氣孔窩。氣孔下陷形成氣孔窩或其上有突出的角質膜可能是由于水分脅迫對葉面積擴展的限制而形成[17]。水淹4 次后水樺葉片的木質部與韌皮部之間出現了一些較大空隙的溶生型組織是水樺適應水淹環境而增加的通氣途徑。通氣組織的形成是植物耐澇的重要機制[18],肥大皮孔和溶生性通氣組織形成的主要原因是漬水植物莖中乙烯的增加引起的纖維素酶活力增加[19]。植物應答澇漬脅迫依次通過信號傳導物質誘導合成、代謝適應和形態適應(比如形成通氣組織、不定根等)等過程來完成[20]。葉片和根系中穩定的細胞間和細胞內結構，有助于抗洪，在低氧脅迫下，根系比葉片遭受更嚴重的解剖和超微結構損傷，下一步將深入研究根系解剖結構。

5 結論

萬州區消落帶172 m 高程栽植的水樺在間歇性半水淹的條件下產生了較明顯的補償效應，說明水淹植物出水后產生了較高的激發能力，植物在“逃離”水環境后試圖加速生長來彌補之前的損失。在水分脅迫下，水樺通過生理和結構上的調整來適應逆境，在萬州消落帶172 m 及以上高程栽培的水樺已經具備了較好的適應能力，這些基礎數據為水樺在消落區更低高程、淹水期更長的環境下生存的可能性提供基礎數據。近兩年，項目組已經在160 m高程栽植水樺并且成活率達到了60%，2020 年在高程152 m 又定植3 年生水樺苗200 多株繼續接受水淹，后期將繼續報道新高程下的水樺水淹耐受特征。