濕潤地區3種松屬植物枝和根導水系統的效率-安全關系*

葉琳峰 李 彥,2,3 王忠媛,2,3 陸世通 潘天天 陳 森 謝江波,2,3

(1.浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室 杭州 311300；2.中國科學院新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室 烏魯木齊 830011；3.浙江農林大學林業與生物技術學院 杭州 311300)

過去幾十年間，干旱引起的森林枯萎和死亡被廣泛報道(Youngetal.,2017)。在干旱區(Doughtyetal.,2015)、溫帶森林(Andereggetal.,2015)和熱帶雨林(Truebaetal.,2017)，植物生長和死亡都對干旱高度敏感。可見樹木干旱致死并不局限于干旱地區，通常認為不存在水分限制的區域也可能會發生(Allenetal.,2010)。實際上，干旱區的樹木能夠適應一定的干旱脅迫(Andereggetal.,2015)，而濕潤區的樹木因缺乏抗旱適應馴化或能力而對干旱脅迫更敏感(Jumpetal.,2017)，更易發生水力失效(Choatetal.,2012)。一般來說，裸子植物比被子植物抗栓塞性更強(Maheralietal.,2004)，但干旱同樣也會導致它們死亡(Hartmannetal.,2013)。全球范圍內，裸子植物干旱死亡及其導水系統栓塞抗性的研究多集中在干旱區(Larteretal.,2017)，而且側重植物單一器官(Boucheetal.,2014)，如葉(Schumannetal.,2019)、莖(David-Schwartzetal.,2016)或根(Lossoetal.,2015)。而栓塞抗性具有器官間差異，因此理解水力效率在不同器官的協調關系就顯得十分必要(Petersetal.,2020)。雖然同步檢驗莖、葉水力性狀權衡關系的研究逐漸增多(Rosasetal.,2019)，但將地上、地下部分結合考慮的研究依然非常有限。

植物木質部在有效運輸水分的同時，自身也面臨氣穴栓塞的風險(陳志成等，2017)，栓塞引起的水力失效可直接決定植物的生死(Brodribbetal.,2010;Choatetal.,2012)。木質部栓塞是木本植物在遭受水分脅迫時產生的導管輸水功能障礙，可用“脆弱曲線”(vulnerability curves，VC)來描述其栓塞抗性(Tyreeetal.,1989)。該曲線根據木質部導水率損失的百分數(percent loss of conductivity，PLC)與相對應水勢繪制而成(Domecetal.,2001)，P50(導水率損失50%時的木質部水勢)是脆弱曲線最陡處，常用來表征植物木質部栓塞抗性(Choatetal.,2012)。在植物水分關系研究中(Gleasonetal.,2016)，一般用比導率(Ks，枝條或根單位邊材面積的導水率)來定義水力效率(以下簡稱“效率”)，同時將其水力安全性(以下簡稱“安全”)定義為栓塞抗性(P50)。效率-安全權衡假說認為，木質部的安全性(抵抗栓塞形成和擴散的能力)應與木質部的效率(輸送水分的能力)相權衡，即水分運輸效率高的物種易發生栓塞，導致其安全性低；而水分運輸效率低的物種則更安全，栓塞抗性高(Hackeetal.,2006)。這一經典假說自其提出后一直被討論和驗證。Maherali等(2004)發現，相較于被子植物，裸子植物的效率-安全權衡更明顯。但由于裸子植物具有獨特的紋孔塞模式，這種權衡又可能被解偶聯(Burgessetal.,2006)，也確有研究發現二者并不存在權衡(Buccietal.,2013)。

氣候或生境對整個植物的影響可以改變效率或安全性的相對優勢，但不一定能改變木質部本身的結構特性帶來的權衡(Gleasonetal.,2016)。木質部作為維管植物的水分運輸組織，其結構是水力效率、水力安全的物質基礎(Scholzetal.,2013)，管胞和紋孔結構更是評估木質部功能性狀的重要依據(Brodersenetal.,2014)。已有研究表明，除管胞直徑外，管壁厚度(Hackeetal.,2001)、管胞密度(Frouxetal.,2005)和木材密度(Rosneretal.,2011)均與水力效率密切相關。此外，越來越多的證據表明，紋孔控制著栓塞在相鄰導管間的擴散，是決定木質部水力導度和栓塞抗性的關鍵結構(Schulteetal.,2015)。因此，木質部結構與效率-安全的關系，是揭示樹木干旱致死機制的基礎。

本文聚焦于濕潤區常見的3種松屬植物的枝與根的水力性狀，以確認是否存在地上、地下器官的木質部效率-安全權衡，及其存在是否與解剖結構有關。以便更深入認識植物干旱響應機制，為預測氣候變化導致的樹木干旱致死奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 試驗地位于浙江省西北的天目山區(30°24′55″N，119°24′47″E)。受海洋暖濕氣流與北方寒冷氣流的交互影響，該地四季分明、雨水相對充沛但干旱(尤其伏旱)頻發。年均氣溫14 ℃，最冷月平均氣溫-2.6～3.4 ℃，最熱月平均氣溫19.9～28.1 ℃，年降水量1 390～1 870 mm，年均相對濕度76%～81%，年太陽輻射3 270～4 460 MJ·m-2。

1.2 研究材料 選取3種當地常見的松屬樹種：馬尾松(Pinusmassoniana)、日本五針松(P.parviflora)和濕地松(P.elliottii)，樣本采集時間為2019年2月。每個樹種隨機選取立地一致、生長良好的3株樣樹，其株高、胸徑、冠幅相似。在8:00—11:00間，用枝剪采集樹冠中南部外層的基徑6～8 mm、長40～50 cm的2年生枝條。在對應樹冠方位下取根，即在10～20 cm土層選擇直徑3～5 mm、長20～40 cm側根，小心剝離土壤避免根損傷，迅速放入裝有水的黑箱中(以防止水分散失和外界空氣進入切開的導管內)，立即帶回實驗室。

1.3 研究方法 1)枝條(根)導水率及脆弱曲線測定 用木質部導水率與栓塞測量系統(XYL’EM-PLUS,Bronkhorst,Montigny-les-Cormeilles,France)測定導水率和導水損失率(樣品其余部分用于木質部解剖結構、木材密度的測定，以確保結構性狀與功能性狀指標來自同一枝條)。

(1)將采回的樣品在水下切割，用刀片把莖段兩端的切口修平(去除充滿空氣的導管或管胞)，剪取的枝干長度在10～20 cm。將莖段放入壓力套(Model 1505D-EXP Pressure Chamber,PMS Instrument Company,OR,USA)中且兩端露出，壓力套密封后連接壓力表，莖段近軸端與XYL’EM-PLUS連接(Kavanaghetal.,1999)。

(2)在水下切割莖段后立即用低壓(3～5 kPa)測定莖段初始導水率(Kstand，kg m·s-1MPa-1)，所用溶液為20 mmol·L-1KCl+1 mmol·L-1CaCl2(陳志成等，2018)。

(3)初始導水率(Kstand)測定后，用0.15～0.2 MPa的壓力沖刷枝條，直至枝條管胞內無氣泡溢出為止，然后測量最大導水率(Kmax，kg m·s-1MPa-1)(周洪華等，2015)。

(4)最大導水率(Kmax)測定后，使用空氣注入法(Schumannetal.,2019)，加壓10 min以誘導栓塞形成，停止加壓至壓力充分釋放后，測定相應導水率(Khi，kg m·s-1MPa-1)，依此類推，直至導水損失率PLC=(1-Khi/Kmax)×100%達90%以上。

(5)緊接著，用數顯卡尺測量枝條內徑(去除樹皮后枝條的直徑)、長度。比導率(Ks)：Kmax與單位邊材面積(無髓無樹皮)的比值(Schuldtetal.,2016)。

(6)所用壓力和相應的PLC之間關系的曲線即為枝干的脆弱性曲線，通過Weibull函數擬合。用R軟件中的“fitplc”包計算導水率損失50%時所對應的木質部水勢P50，以此代表木質部栓塞抗性(Duursmaetal.,2017)。

對根的相關操作同上。

此外，本研究收集了2000—2019年間發表的松屬植物效率-安全權衡的數據(這些研究均同時測量了植物輸水效率和栓塞抗性指標)，以甄別本試驗結果的普適性。這些文獻中研究對象多為自然生長的松屬植物，少數為人工栽培或室內盆栽。

2)木質部解剖結構 從測定脆弱曲線的枝條上截取3～5 cm枝段，切成0.5 cm長的條狀，放入FAA固定液保存。處理過的樣品依次經過軟化、脫水、包埋、切片、染色、粘片、膠封等步驟后，制成永久切片。使用Leica DM3000(Leica Microsystems CMS Gmbh,Germany)顯微鏡拍攝切片照片，觀察木質部解剖結構。

(1)水力直徑(Dh)計算 在Leica DM3000顯微鏡50×鏡下獲取管胞切面照片，每個切面上選取相對均勻的3個扇面(每個扇面30°)，每個扇面沿射線細胞、由木質部外側向內側髓心方向拍照，用ImageJ軟件直接從圖片上獲取D，每個扇面約有1 000～1 500個管胞(根每個扇面包含150～300個管胞)。Dh計算公式(黨維等，2017)：Dh(μm)=ΣD5/ΣD4。

(2)管胞密度(N)測量 在測量管胞直徑的照片上，用ImageJ軟件統計出單位面積內管胞數目和橫截面的面積，每根枝條5個重復(Caietal.,2014)。N(103個·μm-2)=橫截面所有管胞的數量/橫截面的面積。

(3)單管胞壁厚度(T)測量 依據Hacke等(2001)的研究方法，在400×鏡下拍攝管胞照片，測量T(μm)值，每根枝條5個重復。

(4)木材密度(WD)測量 每個枝條取2.5 cm枝段，測定枝段干質量和鮮體積，每根枝條5個重復(Hackeetal.,2000)。WD(g·cm-3)=干質量/鮮體積。

(5)紋孔特征測定 用Leica DM3000顯微鏡觀察拍照，將徑切面和弦切面切片放在400×鏡下觀察(Pittermannetal.,2006)，每根枝條選取5個視野，每個視野10～15個重復。利用ImageJ軟件進行測量，獲得紋孔塞面積(pit torus area，Ato，μm2)、紋孔膜面積(pit membrane area，Apm，μm2)，并計算塞緣面積(pit margo area，Am，μm2)(Boucheetal.,2014)：Am=Apm-Ato。

對根的操作方法同上。

1.4 數據分析 性狀單因素方差分析(one-way ANOVA，用LSD進行差異顯著性檢驗)、結構性狀和功能性狀相關分析以及冗余分析(RDA)、圖表制作等，均在R(版本3.5.3;R Core Team 2019)中完成。

2 結果與分析

2.1 水力功能性狀分析 1)輸水效率 3個樹種枝條比導率(Kss)大小順序為：日本五針松>馬尾松>濕地松，日本五針松Kss顯著大于馬尾松和濕地松(圖1A)；3個樹種根比導率(Ksr)有顯著差異，大小順序也為：日本五針松>馬尾松>濕地松(圖1B)；3個樹種根輸水效率極顯著大于枝條輸水效率(圖1)。此外，相關分析(圖2)表明：各樹種Kss和Ksr正相關。

圖1 3個樹種枝條和根的比導率Fig.1 Specific hydraulic conductivity of branch and root of the three Pinus species不同小寫字母表示各樹種枝條或根比導率差異顯著(P <0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences of specific hydraulic conductivity in branches and roots among species(P <0.05).

圖2 3個樹種枝條和根功能性狀的相關分析Fig.2 Correlation analysis of functional traits of branch/root for the three speciesKss：枝條比導率；Ksr：根比導率；P50s：枝條栓塞抗性；P50r：根栓塞抗性。相關系數的顯著性：*，P <0.10；**，P <0.05；***，P <0.01。下同。Kss:Branch specific hydraulic conductivity;Ksr:Root specific hydraulic conductivity;P50s:Branch embolism resistance;P50r:Root embolism resistance.Significance of correlation coefficient:*,P <0.10;**,P <0.05;***,P <0.01.The same below.

2)栓塞抗性 3個樹種枝條P50差異極顯著(圖3A-C)，表現為馬尾松<濕地松<日本五針松。根P50大小為馬尾松<日本五針松<濕地松，但3個樹種根P50無顯著差異(圖3D-F)。3個樹種枝條P50顯著小于根P50。相關性分析后發現枝條P50和根P50正相關(圖2)。

圖3 3個樹種枝條和根的脆弱曲線Fig.3 Branch and root vulnerability curves of the three Pinus species

另外，本研究整合了已發表數據與實測數據，分別對Kss與枝條P50、Ksr與根P50進行相關分析。結果(圖4)表明：枝條水力效率與水力安全極顯著負相關(R2=0.15,P<0.01)，根水力效率與水力安全相關系數趨近于0(R2=0.01,P=0.94)，即：生長于濕潤區的松屬樹種枝條效率與安全有權衡，但根無權衡。

圖4 松屬樹種枝條和根的比導率與P50的相關關系Fig.4 The correlation between branch and root specific hydraulic conductivity and P50 in Pinus species圖中“本研究”是指數據點為自測所得，注明文獻數據點來自對應文獻。In the figure,the data points of “this study”are obtained by self-measurement,and the other data points are from corresponding literature.

2.2 木質部解剖結構分析 1)水力直徑 3個樹種根水力直徑(Dh)極顯著大于枝條Dh(圖5)。各樹種枝條Dh無顯著差異，大小順序為濕地松>馬尾松>日本五針松；各樹種根Dh約為枝條的2倍且亦無顯著差異，大小順序為馬尾松>濕地松>日本五針松(圖6A)。

圖5 3個樹種枝條和根的木質部橫切面(標尺：100 μm)Fig.5 Cross sections of branches and roots for the three Pinus species(Scale:100 μm)

2)管胞密度 3個樹種枝條管胞密度(N)極顯著大于根的N(圖5)。各樹種枝條N無顯著差異，大小順序為日本五針松>濕地松>馬尾松；各樹種根N也無顯著差異，大小順序為馬尾松>濕地松>日本五針松(圖6B)。

3)單管胞壁厚度 3個樹種枝條單管胞壁厚度(T)之間無顯著差異，大小順序為日本五針松>馬尾松>濕地松；各樹種根T之間也無顯著差異，大小順序為濕地松>馬尾松>日本五針松(圖6C)。

圖6 3個樹種枝條和根的木質部結構性狀Fig.6 The xylem structural traits of branches and roots for the three Pinus species不同大寫字母表示各樹種枝條木質部結構差異顯著(P <0.05)，不同小寫字母表示各樹種根木質部結構差異顯著(P <0.05)。下同。Different capital letters indicate significant differences of xylem structure in branches among species(P <0.05),and different lowercase letters indicate the significant differences of xylem structure in roots among species(P <0.05).The same below.

4)木材密度 各樹種枝條木材密度(WD)大小無顯著差異，大小順序為日本五針松>濕地松>馬尾松；各樹種根WD大小為濕地松>馬尾松>日本五針松，其中濕地松和馬尾松根WD顯著大于日本五針松(圖6D)。

5)紋孔特征 3個樹種中日本五針松枝條紋孔塞面積(Ato)顯著大于馬尾松和濕地松；馬尾松根Ato在3個樹種中最大，但與日本五針松和濕地松根Ato差異不顯著(圖7、圖8A)。3個樹種中日本五針松枝條紋孔膜面積(Apm)顯著大于馬尾松和濕地松；馬尾松和日本五針松根Apm顯著大于濕地松(圖7、圖8B)。3個樹種中日本五針松枝條塞緣面積(Am)顯著大于馬尾松和濕地松；馬尾松根Am在3個樹種中最大，但與日本五針松和濕地松根Am無顯著差異(圖7、圖8C)。

圖8 3個樹種枝條和根的木質部紋孔結構比較Fig.8 Comparison of xylem pit structure in branches and roots of the three Pinus species

2.3 不同器官木質部解剖結構與水力功能性狀的關系 枝條水力功能性狀與枝條木質部解剖結構的相關分析(圖9A)發現：枝條輸水效率Kss與枝條P50之間的結構需求總體上呈對立關系，即Kss與水力直徑Dh負相關，而枝條P50與Dh正相關；Kss與管胞密度N、單管胞壁厚度T、紋孔塞面積Ato、紋孔膜面積Apm、塞緣面積Am正相關，而枝條P50正好相反，即上述結構指標均與枝條P50負相關。所有結構指標中：枝條Am與Kss相關性最顯著，枝條Ato與枝條P50相關性最顯著。

此外，以枝條水力功能性狀為響應變量，木質部解剖結構為解釋變量做冗余分析(圖10)發現：解剖結構對Kss解釋度從大到小依次為Apm(解釋度32.50%，P=0.06)>Am(解釋度27.30%，P=0.17)>N(解釋度22.30%，P=0.20)>WD(解釋度13.70%，P=0.12)；Ato對枝條P50解釋度最大，為85.80%(P=0.04)，其次是Apm。

根水力功能性狀與根木質部解剖結構的相關性分析(圖9B)表明：輸水效率Ksr與根P50之間的結構需求總體一致，即N、WD與Ksr、根P50均是負相關關系，T、Apm、Am與Ksr、根P50均正相關。所有結構指標中：根WD與Ksr相關性最顯著，根Am與根P50相關性最顯著。

冗余分析結果(圖10)表明：根解剖結構對Ksr解釋度從大到小依次為 WD(解釋度62.00%，P=0.18)>Am>T；對根P50解釋度最大的是Am(解釋度50.70%，P=0.15)，其次是WD(解釋度26.10%，P=0.22)。

圖10 枝條和根的木質部結構性狀和功能性狀冗余分析的解釋度Fig.10 The interpretation of structural traits on functional traits by redundancy analysis(RDA)

3 討論

3.1 地上、地下器官間效率和安全性比較 本研究涉及樹種的根均比枝條更易發生栓塞(圖1)。首先，根水力直徑大、管胞密度小(圖5，圖6A、B)的特點使得根比枝條對干旱更敏感(Frouxetal.,2005)。其次，研究區水分相對充足，根較少遇到干旱，由于缺失馴化和適應，因而一旦遭遇干旱就會更脆弱，這一結果與Cuneo等(2016)的結論一致。更早的研究也表明，在針葉樹種中，根比下游器官更易栓塞(Sperryetal.,1994)。一項針對全球木本植物死亡原因的研究表明，旱生樹種比濕生樹種更能抵抗栓塞(Choatetal.,2012)，隨后Zhang等(2016)發現干旱條件下根能比枝條存活更久。在干旱地區，植物受干旱脅迫時會選擇犧牲地上部分(莖、葉)(Rodriguez-Dominguezetal.,2018)，將非結構性碳水化合物轉移到根系(Zhangetal.,2016)，以維持地下部分(根)水力功能的完整性，保證其在水分狀況改善后再萌發。而本研究顯示，濕潤區松屬樹種的根栓塞抗性弱于枝條。因此，干旱侵襲發生時，根更易因水力失效而死亡；這種死亡將導致植物無法再次萌發，因而更具毀滅性(Zhangetal.,2016)。

此外，Kss與Ksr、枝P50與根P50的正相關關系(圖2)表明植物體內部輸水效率和栓塞抗性的彼此協調：根輸水效率越高的樹種，其枝條輸水效率也越高；根栓塞抗性強的樹種，其枝條栓塞抗性也強。這與近期研究結果(Rodriguez-Dominguezetal.,2018)一致。Gleason等(2016)的研究，將輸水效率區間在0～2 kg·m-1s-1MPa-1、栓塞抗性區間在-6～0 MPa的裸子植物定義為低效率低安全性。本文3個樹種枝條木質部水力效率和水力安全值總體處于這一區間內，屬低效率低安全性物種。

3.2 器官內效率-安全權衡 松屬植物枝條木質部輸水效率和栓塞抗性之間存在效率-安全權衡(圖4A)。木質部解剖結構數據表明，枝條Kss和P50的結構需求趨異(圖9A)，這是枝條木質部效率-安全權衡關系存在的結構基礎。但根木質部無效率-安全權衡(圖4B)，根Ksr與P50對結構需求趨同(圖9B)。也就是說，結構需求趨異或趨同是效率-安全權衡存在與否的解剖結構基礎。然而，效率-安全權衡不僅與木質部結構有關，也受其生境影響：根系的生境有效地保護根，這是因為在同一植物體內從根到葉水勢逐漸降低，因此根系受到水分脅迫的程度最低(Tyreeetal.,2002)，枝條和葉片受到的水分脅迫程度最高。這一觀點也與本研究結論——根無權衡、枝條有權衡相契合：根系所處環境水分狀況好，不需要通過權衡來保障自身水力安全，只需獲取足夠的水分滿足植物體正常需求即可；反之，枝條受水分脅迫程度高，需要在保證安全的同時輸送足夠的水分供給葉片進行光合作用。

Cochard(1992)的研究表明，在水分供應充足情況下，7種針葉樹枝條不存在效率-安全權衡。也有證據表明，不論在干旱或濕潤環境下，花旗松(Pseudotsugamenziesii)枝條和根均不存在效率-安全權衡(Kavanaghetal.,1999)。上述研究及本研究結果都表明，木質部效率-安全權衡仍存在爭議。源于不同生境或屬于不同分類單元(被子植物、裸子植物甚至不同科屬)的植物，效率-安全權衡很可能具有物種(或更大分類單元)特異性。

3.3 導水系統結構與功能相關關系的復雜性 木質部內部結構不是簡單的導管或管胞的疊加，而是由無數個導管或管胞以及內部的紋孔和穿孔板相互連通所構成的三維拓撲結構(張紅霞等，2017)。這一結構使木質部具有系統的屬性和網絡連通性，進而影響整個維管植物的輸水能力(Loepfeetal.,2007)。大量的解剖結構研究已經闡明了木質部栓塞抗性與輸水效率之間的關系，但管胞大小和據此計算的參數只是對輸水效率和栓塞抗性的粗略估計，因為與栓塞抗性相關性最強的是管胞壁上的紋孔結構(Hackeetal.,2004)。裸子植物管胞中的具緣紋孔是影響其輸水效率和栓塞抗性的重要結構指標(Boucheetal.,2014)。本研究發現：枝條紋孔膜面積(Apm)、塞緣面積(Am)對枝條比導率(Kss)的解釋度最高；枝條紋孔塞面積(Ato)、Apm對枝條P50解釋度最高；根Am對根比導率(Ksr)和P50解釋度均突出(圖10)。這表明木質部管胞間的紋孔結構不僅是決定栓塞抗性的關鍵結構基礎，也是影響植物木質部水力導度的關鍵要素(Brodersenetal.,2014)。除紋孔結構外，木材密度(WD)、單管胞壁厚度(T)和管胞密度(N)也是對植物輸水效率有重要影響的結構特征(圖9、圖10)，這些指標又與木質部機械強度緊密相關，在植物水分運輸過程中充當了重要角色(Lensetal.,2011;Rosasetal.,2019)。這是因為水力效率由木質部中“最脆弱”的那部分決定，增強徑向抗壓強度可防止管道內爆，有利于水力傳輸(Rosneretal.,2011)。

4 結論

本研究表明，松屬樹種器官間輸水效率和栓塞抗性是協調變化的，枝條輸水效率高，根輸水效率也高；枝條栓塞抗性低，根栓塞抗性也低。馬尾松、日本五針松和濕地松的枝和根的木質部水力系統效率-安全關系表現為：枝條有效率-安全權衡，根無權衡。木質部結構和功能相關性網絡分析發現，結構需求趨異是枝條存在效率-安全權衡的基礎，根結構需求趨同則無效率-安全權衡。植物水力系統對水分脅迫的反應是具有綜合反饋機制的調節系統，因此，未來應對木質部維管網絡作進一步研究，從而更深層地探究植物木質部功能與結構關系。解剖結構在器官間的差異也為根栓塞抗性低于枝條提供了解釋。栓塞抗性更脆弱的根可能代表了干旱期間植物水力通道的脆弱環節，在氣候變化導致干旱加劇的背景下，需要做更多的工作來深入理解根的水力功能，以提高植株水平上對植物耐旱能力的理解。