雪松年內徑向生長節律研究

呂庚鑫，徐軍亮，何存存，皇開源，李藝杰，張玉茹，魏龍鑫

(河南科技大學 園藝與植物保護學院，河南 洛陽 471023)

年內徑向生長節律[1](intra-annual radial growth)是樹木生長特性研究的主要內容，是一年內樹木生長發育過程中受環境因子和自身生物學特性共同作用形成的規律。樹干徑向木質部生長的起止時間以及木質部細胞分化的持續時間決定了樹木的年內生長狀況，是理解樹木生長復雜年動態的關鍵[2]。因此，通過研究樹木徑向生長動態監測等工作，不僅可以了解樹木生長的動態變化，揭示樹木的生長活動規律，還可以為微樹芯研究提供理論基礎[3]。

微樹芯技術研究前景廣泛。郭霞麗等[4]研究明確了微樹芯技術可以監測形成層細胞的動態變化，并且可以研究樹木的初級生長和次級生長動態變化過程。S.Rossi等[5]認為通過微樹芯技術對樹木莖干采樣，對樹木的傷害小，樣芯質量高。因此該技術近年來得到大多數國內外學者的認可[4]。國內利用該技術監測樹木形成層以及木質部的發育過程的研究尚處于起步階段[6]。現階段微樹芯技術被認為是監測樹木徑向生長動態比較可靠、有效的方法[7]。目前關于樹木年內徑向生長的研究還存在著以下不足:1)研究區域不夠廣泛。大多國外研究集中在高山林線區域[8]，在國內中部地區采取此方法研究樹木徑向生長節律的研究還相對較少，主要在北方干旱半干旱地區利用徑向生長測量儀的方法研究過樹木徑向生長監測[9]。2)使用方法較為落后，誤差較大。目前國內學者采用樹木徑向生長測量儀(dendrometer)連續性監測樹木的徑向生長的動態變化，并模擬其季節生長量[10-12]。然而，樹木徑向生長測量儀直接測量的數據有一定的限制性，生長季初期的水分影響會覆蓋徑向生長信息，例如在生長季初期或生長季期間突然大規模降水，木質部細胞會吸水膨脹，莖干會明顯增粗，干旱缺水時期細胞收縮，莖干增量會出現負值，不能準確直觀的獲取樹木生長過程的重要生理時期節點，如形成層活動啟動及停止時間，木質部細胞生長速率出現的準確時期等[10,13-14]。3)以往研究都趨向于樹木連續多年、多樹種徑向生長監測[15-16]，而忽視了年內徑向生長的動態變化與氣候因子內在關系。準確探究樹木生長節律對氣候變化的響應機制，需要在不同地區開展不同類似專題研究進行比較[10]。針葉樹被認為是適于進行樹輪氣候學分析的樹種[17]。相對來說，利用微樹芯技術對暖溫帶地區針葉樹進行年內徑向生長動態變化監測的研究在國內較少，在整個生長季進行各階段細胞動態變化的研究涉及更為缺乏，因此在溫帶地區開展針葉樹種形成層活動規律及木質部細胞分化的研究顯得尤為必要。

本研究擬以暖溫帶常綠針葉樹雪松(Cedrusdeodara)為研究對象[18]，采用微型生長錐進行周期性取樣，后期對雪松樣芯進行石蠟切片制作[19]，獲取形成層和木質部細胞活動的起止時間及生長速率等生長指標數據，利用Compertz生長模型，進行年內細胞增量曲線擬合[20]，研究雪松年內徑向生長的變化規律，并進一步結合雪松生長年內氣象數據，探討氣候因子對樹木年內徑向生長的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南科技大學校園位于河南省中部偏西(34°40′06″-34°41′02″N，112°26′02″-112°27′06″E)，海拔142 m，地處暖溫帶南緣向北亞熱帶過渡地帶，屬于半干旱半濕潤區[21]。年平均氣溫14.8℃，歷年平均年降水量647 mm，試驗地為褐土，地勢平坦[22]。

1.2 樣品采集

采樣時間為2018年3月至2018年12月，本試驗對3棵雪松進行為期近9個月的連續監測，7～15 d為一個采樣周期。選取位于河南科技大學農科實驗樓前用于行道樹的雪松，選取其中3棵樹干通直、無病蟲害、無機械損傷、年齡、樹高、胸徑基本一致的雪松(表1)。沿樹皮向髓方向，用微型生長錐[5](Trephor；采樣頭長度15 mm，采樣頭長度直徑1.9 mm)，在胸徑處鉆取樹芯，每次每棵樹鉆取3～4個樣芯。采樣后封存于裝有50%乙醇和甘油(丙三醇)混合溶液=1∶1的小瓶中，進行固定和軟化，蓋緊瓶塞，瓶內抽氣真空，立即帶回實驗室避光，低溫保存。共計采樣30次，共采集微樹芯約300個，完成室內石蠟切片180片。

表1 樣樹雪松的基本特征

1.3 樣品處理

將處理好的微樹芯放入全自動脫水機(型號Leica ASP200S)中，依次用濃度為50%、70%、90%、100%的乙醇梯度脫水，二甲苯和石蠟等藥品使細胞透明和浸蠟。用自動石蠟包埋機(型號Leica EG 1150H)進行包埋，采用輪轉切片機(Leica RM 2235)，在烘片機上65℃烘干15 min，之后用二甲苯進行脫蠟，用70%、95%和100%的乙醇溶液復水，用1%番紅水溶液和0.5%固綠95%乙醇溶液進行細胞染色，最后用中性樹膠封片。用Leica顯微鏡(Leica DM 2500)分別在5倍鏡和10倍鏡下進行全片拍照。

1.4 數據處理

用Image J軟件測量年內徑向生長的長度，量3條求其平均值。觀察并記錄形成層細胞數量，擴大加厚期細胞數量和成熟期細胞數量。將記錄到的3棵樹的細胞數量和長度數據求平均，可以得到雪松累積徑向生長的年均值序列。為了評估雪松莖干徑向生長的動態，使用 Origin 2018中包括的非線性回歸程序，對每個位點的木質部細胞總數采用Gompertz函數建立生長模型[23]。此外，通過對Gompertz函數的一階求導可知生長季節的細胞生長速率。

Gompertz函數模擬公式如下：

Y=Ae-e(-k(x-xc))

(1)

式中,Y:徑向生長木質部細胞累積量；k:內秉生長率；A:上漸近線；x:時間(年序日DOY)；xc:最大增長速率出現的時間[15]。

1.5 氣象數據采集與處理

氣候資料來自于中國氣象科學數據共享網(http://data.cma.cn)，記錄時間間隔為1 h，包括空氣溫度(TA)、降水量(P)，氣象數據用Excel記錄保存并處理，采用origin 2018軟件完成圖表制作。

2 結果與分析

2.1 年內形成層細胞活動過程

結果顯示，雪松在年內生長階段，形成層細胞活動時間為3月中旬到11月中旬，持續時間為239 d。4-10月活動較為活躍，即第97天到第305天。在整個生長季期間其形成層活動呈現明顯的雙峰分布(圖1)。形成層細胞在70 d開始活動，4月初期(97 d)至5月，形成層細胞持續增長，5月份出現形成層活動雙峰的第1個峰值(7～8個)。7月中旬至9月中旬，細胞數量有所減少。形成層活動雙峰的第2個峰值出現在9月底至10月中旬(第272～294天)。之后形成層數量逐漸較少，到11月中旬恢復初始水平。這與肖生春等[24]的研究結論相似。

注：年序日是指day of the year以DOY表示。

2.2 年內木質部擴大加厚期細胞活動過程

根據結果顯示，在生長季期間，擴大加厚期細胞活躍時間為4月初到11月初，即第97天到第305天，擴大加厚期細胞生長持續時間為239 d，活動過程呈明顯的雙峰分布(圖3)。擴大加厚期細胞在83 d開始出現，3月中旬(第83天)至5月上旬，細胞數量持續增長，5月中下旬出現活動雙峰的第1個峰值(17～18個)。6月至7月，細胞數量略微減少。擴大加厚期活動的第2個峰值出現在8月(第208～243天)，之后擴大加厚期細胞數量逐漸減少，到11月中旬減少到0個。

注:CZ表示形成層細胞。

圖3 擴大期和加厚期細胞數量與年序日的關系

2.3 年內木質部成熟期細胞活動過程

成熟期細胞因細胞壁厚，故染色較深，呈現深紫色(圖4)。成熟期細胞的活動時間為4月中下旬到11月底(即第104～324天)，活動持續時間約為220 d，成熟期細胞數量的年生長動態變化呈現“S”型曲線(圖5、圖6)。成熟期的結束時間即為生長季的結束[25]。完全停止生長時，監測到年內平均累積成熟細胞個數為178.3個。

注：EN表示擴大期細胞,WT表示加厚期細胞,M代表成熟期細胞,比例尺長度為50 μm。

圖5 成熟期細胞數量與年序日的關系

圖6 Gompertz函數模擬雪松年內徑向生長變化

2.4 雪松徑向生長過程模擬

利用Gompertz生長模型對雪松莖干徑向變化進行擬合，擬合后表現為“S”型曲線(圖6)。徑向累積生長量上限值為5 276.7 μm，累積徑向細胞增量上限值178.3個。Gompertz模型能較好體現雪松的年內徑向累積生長動態變化[11]，擬合度達到了98%。在3月中旬(即第83天)雪松徑向生長開始，5-6月，雪松進入快速生長時期(大約60 d)，隨后7-9月徑向生長速率變慢，直至11月停止。對Gompertz擬合方程進行求導，獲得生長季雪松徑向生長速率的擬合曲線(圖7)，表現為單峰型曲線，峰值出現的時間為一年中的第162天(即Gompertz擬合方程拐點)，雪松莖干徑向日均生長最大速率為36.7 μm/d，徑向細胞增量最大速率為1.15個/d。

圖7 Gompertz函數模擬的雪松年內徑向生長速率

2.5 洛陽氣象要素特征

由圖8可知，洛陽地區的2018年的日均氣溫呈近似正態分布，在6月中旬至8月底期間溫度達到最高，日均氣溫在25～30℃變化。洛陽地區的降水量主要集中在6月中旬至7月底(第166～208天)和9月中下旬(第260～272天)2個時間段，第1階段降雨持續時間42 d，最大日均降雨量高達50 mm，占全年降雨量的54%。第2階段持續降雨持續時間12 d，最大日均降雨量高達43.5 mm。3月初(第60天)和4月中下旬(第110±5天)均有少量降雨。

圖8 洛陽氣象站逐日平均氣溫和降水量(2018年)

3 結論與討論

3.1 結論

利用微樹芯技術對洛陽地區的雪松年內徑向生長過程進行了周期性監測，得出了雪松的年內徑向生長規律。并結合當地氣象資料，探討了主要環境因子溫度和降水量對年內徑向生長的影響，得出如下結論。

研究結果表明，雪松莖干形成層的細胞和擴大加厚期的細胞數量在生長季期間呈現明顯的雙峰動態分布，雙峰出現時間分別在5月和8-9月，生長季期間形成層和擴大加厚期細胞數量在6～8個和12～18個變化。形成層細胞和擴大加厚期細胞的數量變化是感受環境變化最敏感的指標。

通過Gompertz函數模擬雪松生長過程可知，雪松木質部生長活動主要發生在3-11月，木質化平均持續時間為251 d，生長過程呈現“S”型曲線，生長過程完全符合“慢-快-慢”的生長規律[26]。最大生長速率出現時間為5月底至6月初，平均最大生長速率為1.15個/d (36.7 μm/d)，持續時間為15～18 d。年內平均累積生長細胞個數為178.3個(年內平均累積徑向生長長度為5 276.7 μm)。

在生長季期間，不同生長階段，洛陽地區雪松的徑向生長受到溫度和降水的共同影響，且降水影響更加明顯，這種影響的滯后效應期約為1個月。早期(4-7月)溫度和降水對徑向生長有促進作用，夏季高溫時(6-8月)，高溫抑制徑向生長，降水促進徑向生長。

3.2 討論

3.2.1 雪松年內徑向生長細胞動態變化 雪松形成層細胞活動呈現雙峰分布，細胞活動時期個數6～8個。峰值時間為5月和9月，峰值細胞個數為7～8個，活動時間持續時間239 d。木質部擴大加厚期細胞活動呈現雙峰分布，在5月下旬和8月期間有最大值，分別為18.3個和15.6個。木質部成熟細胞活動呈現“S”型曲線[24]，活動持續時間為251 d。通過Gompertz函數模擬雪松生長過程，發現在第162天，徑向生長細胞個數和長度均出現最大值，分別為1.15個/d，36.7 μm/d。年內平均累計生長細胞個數達到178.3個，年內平均累計生長量達到5 276.7 μm。華北地區的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)和白樺(Betulaplatyphylla)最大年生長量分別為0.41 cm和0.44 cm，與本研究結論基本一致[27]。本研究發現暖溫帶地區雪松的最大徑向生長速率出現的時間在6月11日，比梁爾源等[28]的研究結論提前10 d。最大徑向生長速率出現在年內日均最高氣溫之前[29]。

3.2.2 溫度對年內徑向生長的影響 由年內徑向生長細胞數量動態變化和年內日均氣溫進行分析可知(圖1、圖3、圖8)，雪松莖干徑向生長經歷了4個不同的階段，主要體現在早期低溫抑制，中期溫度促進，后期高溫抑制，末期低溫抑制。與董滿宇等[11]的研究高山林線樹種白杄(Piceameyeri)莖干徑向生長結果(3個階段)稍有不同，主要考慮是地域之間的差異，高海拔地區的年均氣溫較低，在夏季也未能達到影響形成層活動的高溫臨界點。崔克明等[30]研究闊葉樹杜仲也有類似結論，并認為第3階段是形成層的生理休眠期。溫度在生長季(3-11月)不同的時期對莖干徑向生長的影響不同。這與田義超等[31]的研究結果類似。洛陽地區雪松在早期(3月)溫度占主導因素[6]，土壤低溫限制樹木根部對土壤養分和水分的吸收，進而影響徑向生長進程[32]。4-6月適宜的溫度促進莖干徑向快速生長[11]，7-8月夏季高溫導致形成層和擴大加厚期細胞數量有所下降，呈負相關，徑向生長速率減慢[33]。說明洛陽的夏季持續高溫一定程度上影響了雪松的年內徑向生長：1)高溫加速土壤水分蒸發，土壤含水量下降，造成水分脅迫，樹木調節自身生長代謝水平，通過緩慢甚至停止生長以度過高溫干旱的逆境。2)夏季高溫會使土壤溫度升高，高溫抑制雪松根系生長甚至造成根系老化，根毛減少，吸水面積減小，吸水能力下降，樹體整體水分供應不足，形成層細胞分裂受阻，數量有所下降，進而影響徑向生長進程[8]。3)夏季的持續高溫使土壤升溫，從而限制了樹木的水分利用速率，樹木在高溫條件下通過蒸騰水分自身降溫，因此樹木的生長受到抑制。高溫影響樹木徑向生長具有滯后效應，本研究發現高溫對雪松的滯后期為1個月。這與張赟等[34]的研究結論基本一致。

3.2.3 降水量對年內徑向生長的影響 由年內徑向生長細胞數量動態變化和年內日均降水量進行分析可知(圖1、圖3、圖8)，洛陽地區的雪松年內徑向生長與降水量呈現明顯的正相關，4月中下旬的短暫降水極大促進了徑向生長的進程，降水提高了土壤含水量，促進根系快速吸水，促使形成層和擴大加厚期細胞數量出現了第1次峰值，表現為莖干徑向增長加快，這與A.Turcotte等[35]的觀測結果一致。當6月中旬降雨量增加時，平均氣溫雖然變化不大，但是降水緩解了高溫脫水帶來的干旱脅迫，充沛的雨水促進細胞膨脹增大和分裂，因此對徑向生長具有明顯的促進作用[33,36-37]。同時也說明雪松的徑向生長受到了水分的限制[38]這與B.Franco等[39]和曹受金等[40]的研究結論一致。韓艷剛等[41]研究認為6月份的大幅度降水對針葉樹的徑向生長有顯著促進作用，與本研究結論基本一致。