模擬不同降雨時間格局下喀斯特垂直異質生境對楨楠幼苗光合和生長的影響

王佳敏,成應杰,陳金藝,劉俊婷,李金明,李素慧,劉錦春

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室,西南大學生命科學學院,重慶 400715

喀斯特地區(qū)地質背景特殊,土層淺薄且薄厚不一[1]。以碳酸鈣為主的石灰?guī)r具有高滲透性且容易被溶蝕,導致該區(qū)域巖體存在大量巖溶裂隙[2],降雨后表層土壤容易沿著這些裂縫被淋洗到地下通道后流失,使得原本就稀少的土壤層更為淺薄[3]。然而,最近研究發(fā)現(xiàn)巖溶裂隙也具有一定的生境功能[4]。因為淺層裂隙巖層可以截留一部分的土壤,從而為水分和養(yǎng)分提供了儲存空間,也為植物根系穿竄提供通徑,根系可以從地表土層以下淺層的巖石裂隙中得到相對穩(wěn)定的水分與養(yǎng)分補充。

另一方面,喀斯特巖溶裂隙層的厚度差異造成該地區(qū)小生境具有極大的垂直異質性[1],從而引起小生境中的水分、營養(yǎng)元素、土壤透氣性和根系生長空間的差異[5]:在土層深厚而巖溶裂隙較薄區(qū)域,往往水分和養(yǎng)分充足,植物根系有更大的伸展空間,但是由于喀斯特土壤的通氣性差,土層容易板結,甚至會形成水分脅迫[6]；而在土層淺薄且?guī)r溶裂隙發(fā)育較厚的區(qū)域,巖溶裂隙的保水性能較弱,更易水土漏失從而導致養(yǎng)分缺乏[7],同時巖石占用了部分根系的伸展空間,這些可能不利于植物生長,但另一方面,巖溶裂隙在一定程度上可以增強土壤透氣性,對植物的生長產生有利影響。

全球氣候變化下降雨格局正在逐漸發(fā)生改變。我國西南喀斯特地區(qū)表現(xiàn)出總降雨量基本不變而年雨日顯著減小的趨勢[8]。由于喀斯特脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對于外界環(huán)境具有高度的依賴性和敏感性[9],降雨格局的改變極大的影響了喀斯特地區(qū)的土壤生境,從而影響植物的生存和發(fā)展[10]。如有研究表明,低頻率但高強度的降雨極易沖散土層,并攜帶走大量土壤,形成面蝕、片蝕甚至溝蝕,大大加強了水土流失的速度和程度[11],從而進一步加大了喀斯特地區(qū)土壤的垂直異質性。

光合作用是植物生命活動的基礎,決定植物能量吸收和有機物積累的數(shù)量,與植物生長、發(fā)育和繁殖密切相關[12]。喀斯特地區(qū)的土壤厚度從土壤水分、養(yǎng)分和地下空間可利用性等方面對植物的光合生理造成影響[13-14],進而影響植物的生長[5]。前期的研究關注了喀斯特小生境中土層厚度對植物的影響,卻忽略了既可以加速水土流失又具有一定生境功能的巖溶裂隙層的功能作用。大量的研究關注了降雨減少(干旱)喀斯特地區(qū)植物的影響,卻并沒有關注降雨時間格局的變化對該地區(qū)植物產生的負面作用。

楨楠(PhoebezhennanS.Lee)是樟科楠屬的常綠大喬木,是我國特有的珍稀樹種,該樹種生命周期長、幼齡期生長快,適應性較強,目前在綠化工程中廣泛應用[15]。雖然它只零星分布在喀斯特地區(qū),但由于它能在巖石間生長得很好,仍被認為是一種可能的適宜樹種。同時有研究表明,樹木幼苗階段對環(huán)境變化最為敏感[16]。因此,本研究采用室內模擬方法,探討楨楠幼苗在不同降雨時間格局及不同垂直土層生境(考慮巖溶裂隙)下的光合生理和生長,以期為喀斯特地區(qū)的植被恢復和楠木資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試土壤為重慶市具有喀斯特地貌的中梁山黃色石灰土。土壤基本理化性狀為:pH為7.4±0.14,有機質為(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。供試巖石為喀斯特石灰石,試供植物為樟科二年生楨楠(P.zhennan)幼苗。

1.2 實驗方法

本研究采用降雨時間格局和垂直小生境雙因素隨機區(qū)組試驗。降雨時間格局分為2 d降雨間隔(I2d)和19 d降雨間隔(I19d)。根據(jù)重慶市20年來的平均降雨時間間隔，將I2d設置為每隔2 d一次降雨;根據(jù)重慶市年均最長連續(xù)無有效降水日數(shù)將I19d設置為每隔19 d一次降雨[17],保持兩種處理的總降雨量相一致,根據(jù)重慶市的單位面積日平均降雨量、容器的底面積以及降雨間隔天數(shù)進行施水計算(表1)。在施水時,為了便于實施,結合實際情況,將施水量四舍五入精確到100 mL。

表1 降水設置Table 1 Water treatments

垂直小生境處理分為無石全土(S0)、半石半土(S1/2)和多石少土(S3/4),三種生境的總體積不變,S0生境只有土壤層,S1/2生境下半部分為巖溶裂隙層、上半部分為土壤層,S3/4生境上1/4層為土壤層,下3/4為巖溶裂隙層(圖1)。容器采用底部有孔的泡沫箱(長×寬×高:54 cm×39 cm×24 cm)。

圖1 生境設置Fig.1 habitats treatments橙色代表土壤層,碎石代表巖溶裂隙層

2019年7月15日選取生長狀態(tài)良好、一致的幼苗進行移栽,緩苗29 d后進行水分處理,實驗共設24個重復,處理3個月。(由于測量光合等指標時本實驗還在進行中,I19d處理施水4次,而I2d處理施水31次,故在這3個月處理期間I19d處理和I2d處理的總施水量暫時不完全相等)

1.3 指標測定

采用美國Li-COR公司的Li-6400便攜式光合測定儀于晴天的上午測定楨楠的光合速率(Pn),氣孔導度(Gs),蒸騰速率(Tr)以及胞間二氧化碳濃度(Ci)。測定中采用內置紅藍光源,光合有效輻射(PAR)為1200 μmol m-2s-1,通過連接緩沖瓶使得CO2濃度與外界二氧化碳濃度一致,每個植株上選取位置相似并健康的成熟葉片三片進行測量,每片葉子重復測量三次,并計算水分利用效率,水分利用效率(WUE)=光合速率(Pn)/蒸騰速率(Tr)。

采用印記法測量氣孔數(shù)量、氣孔面積和絨毛數(shù)量。使用顯微鏡(Nikon Eclipse 80 i)觀察數(shù)量氣孔數(shù)量和面積。利用Nikon圖像處理記錄裝置,在目鏡(10倍)×物鏡(20倍)中觀察單位面積的絨毛數(shù)目；在目鏡(10倍)×物鏡(40倍)下觀察氣孔面積和單位面積的氣孔數(shù)目。

土壤水分測定采用恒溫箱烘干法,烘干溫度為105℃,烘干時間為8 h。土壤含水率(%)=(濕土重-烘干土重)/土壤干重×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)分析采用 SPSS 22.0對相同小生境不同降雨時間間隔中楨楠的光合生理指標和生長指標進行t檢驗(Student′s t test),對相同降雨時間間隔、不同小生境的光合生理指標、生長指標以及土壤含水量進行單因素方差分析(One-way ANOVA)結合多重比較(LSD),對不同小生境下不同降雨時間間隔中楨楠的光合生理指標和生長指標進行雙因素方差分析(Two-way ANOVA),用 Origin 8.6軟件作圖。

2 研究結果

2.1 土壤含水量

I2d條件下,在澆水后第一天和第二天中,S3/4的土壤含水量顯著小于S1/2和S0兩種生境(P<0.05)。而S1/2和S0生境之間始終沒有顯著性差異；I19d條件下,從澆水后第三天開始,S3/4的土壤含水量顯著小于S0和S1/2(P<0.05),從第七天開始,S3/4的土壤含水量顯著小于S1/2(P<0.05),從第九天開始,S1/2的土壤含水量顯著小于S0(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同降雨時間間隔下三種小生境土壤含水量的影響Fig.2 Effect of different rainfall interval on soil water content in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)I2d:2 d降雨間隔；I19d:19 d降雨間隔；S0:全土生境；S1/2:半石半土生境；S3/4:多石少土生境

2.2 光合特性

I2d條件下,隨著巖溶裂隙的增加,楨楠的凈光合速率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢,即在S1/2的生境下,楨楠的光合速率最高,S3/4和S0兩種生境下,楨楠的光合速率沒有差異。然而,盡管S3/4和S0兩種生境下光合速率沒有差異,但S3/4生境下的氣孔導度、胞間二氧化碳濃度均顯著高于S0生境,而該生境下的水分利用效率顯著小于S0生境和S1/2的生境。I19d條件下,隨著巖溶裂隙層的增加,楨楠的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率逐漸降低；胞間二氧化碳濃度先降低,后保持不變；水分利用效率先顯著升高,后保持不變(圖3)。

另一方面,降雨時間格局對楨楠在不同小生境條件下的光合參數(shù)和水分利用效率也產生了影響。在S0生境中,不同降雨間隔處理對楨楠的凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率和水分利用效率無顯著影響,但I19d條件下氣孔導度比I2d下顯著降低了14.32%。在巖溶裂隙生境中(S1/2和S3/4),降雨時間間隔的延長顯著降低了楨楠的凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導度、蒸騰速率、水分利用效率等光合參數(shù),隨著垂直層面上土層的減少和巖溶裂隙層的增厚,這種差異更為明顯(圖3)。雙因素方差分析表明:生境和降雨時間格局處理以及二者的交互作用會對楨楠的光合生理以及水分利用效率有顯著影響(表2)。

表2 不同降雨時間間隔下三種小生境中楨楠光合指標的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of different rainfall interval on photosynthetic of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

圖3 不同降雨時間間隔下三種小生境對楨楠光合生理和水分利用效率的影響Fig.3 Effect of different rainfall interval on photosynthetic physiology and water use efficiency of P.zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)縱軸上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中不同時間間隔之間的差異顯著性,“**”表示極顯著(P<0.01),“*”表示顯著(P<0.05),“ns”表示差異不顯著；條形圖上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨時間間隔下不同小生境之間的差異顯著性,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 氣孔和絨毛特性

I2d條件下,S1/2、S3/4兩種生境較S0生境的氣孔密度均顯著減小；S3/4生境較S0和S1/2生境的氣孔面積顯著減小；在I19d條件下,相較于S0生境,S1/2生境中的氣孔密度顯著增大(圖4)。

圖4 不同降雨時間間隔下三種小生境對楨楠氣孔和絨毛密度的影響Fig.4 Effect of different rainfall interval on stomata and leaf pubescent density of P. zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)圖中縱軸上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中不同降雨時間間隔之間的差異顯著性,“**”表示差異極顯著(P<0.01),“*”表示差異顯著(P<0.05),“ns”表示差異不顯著；條形圖上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨時間間隔條件下不同小生境之間的差異顯著性,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

此外,在S0生境中,降雨時間間隔的延長顯著增大了楨楠的絨毛密度,而對氣孔密度和氣孔面積無顯著的影響；在S1/2生境中,降雨時間間隔的延長不僅僅更大幅度地增加了楨楠的絨毛密度,同時也顯著增大了氣孔密度；隨著土壤厚度進一步減小,巖溶裂隙層進一步增加,降雨時間間隔的延長依然提高了楨楠的氣孔密度但對于絨毛密度的影響并不顯著(圖4)。雙因素方差分析表明:生境處理和降雨處理的交互作用對楨楠的氣孔密度和氣孔面積的影響具有顯著性,而對絨毛密度的影響不顯著(表3)。

表3 不同降雨時間間隔下三種小生境中楨楠葉片形態(tài)指標的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of different rainfall interval on leaf morphological features of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

2.4 株高和地徑

I2d條件下,S3/4生境下的株高顯著小于S0和S1/2生境,而地徑受生境的影響不顯著；在I19d條件下,株高和地徑均隨著巖溶裂隙層的增加顯著減小。此外,在不同生境下,楨楠的株高和地徑總體上在I19d條件下均小于I2d(圖5)。雙因素方差分析表明:生境處理、降雨處理及其交互作用對楨楠的株高和地徑的影響均具有顯著性(表4)。

圖5 不同降雨時間間隔下三種小生境對楨楠株高和地徑的影響Fig.5 Effect of different rainfall intervals on height and ground diameter of P. zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)圖中縱軸上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中2 d降雨時間間隔與19 d降雨間隔之間的差異顯著性,“**”表示差異極顯著(P<0.01),“*”表示差異顯著(P<0.05),“ns”表示差異不顯著；條形圖上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨時間間隔下不同小生境之間的差異顯著性,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

表4 不同降雨時間間隔下三種小生境中楨楠生長指標的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA of different rainfall interval on growth features of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

3 討論與結論

3.1 降雨時間格局影響不同土壤小生境下楨楠的光合和生長

在2 d降雨時間間隔條件下,由于喀斯特地區(qū)降雨豐富,各種生境下水分均得到了及時的補充,水分并不成為主要限制因子,氣、養(yǎng)和生存空間可能會成為影響植物的重要因素[18-19]。全土處理下,植物雖然可獲得的養(yǎng)分和生存空間最多,但是喀斯特土壤的透氣性較差,該生境中土壤容易板結,進而造成一定的深層水分脅迫[20]；多石少土生境的土壤透氣性更好,但淺薄的土層使植物的生存空間受限,且容易被降雨侵蝕沖刷,造成水土流失[3],進而加劇土層淺薄帶來的營養(yǎng)元素缺乏、干旱脅迫等問題；半石半土生鏡中的巖溶裂隙一方面截留了部分土壤和水分,為植物扎根提供了條件[4],另一方面也提高了該生境的透氣性,所以即使在此種生境下土壤養(yǎng)分和植物生存空間有一定程度地減少,但楨楠的光合速率、株高和地徑最高。延長降雨時間間隔后,降雨總量并沒有減少,但單次降雨強度較大,對于土層淺薄(即有厚的巖溶裂隙層)的區(qū)域容易形成大量缺口,面臨更為嚴峻的的水土流失[11],而N、P、K等營養(yǎng)元素的流失會導致葉綠素減少、光吸收能力減弱、電子傳遞鏈受阻進而抑制光合作用[21-23]。同時,土壤水分無法得到及時的補充,進而形成越來越旱的水分狀況,土壤機械阻力隨之升高,根系延伸受到抑制,進而抑制水分的獲取[24]；另一方面,土壤的養(yǎng)分和植物的生存空間也隨之降低,即使在半土半石生境下,巖溶裂隙層的納氣作用也抵不過干旱的負面影響,因此,在延長降雨時間間隔后,巖溶裂隙層比例的增大對楨楠凈光合速率的抑制作用更為顯著。

3.2 不同土壤小生境影響不同降雨時間格局下楨楠的光合和生長

全土生鏡中,降雨時間間隔的延長對楨楠的光合和生長沒有影響。這可能與該生境土層深厚,土壤蓄水能力較強,水分和養(yǎng)分均相對充足有關。巖溶裂隙生境中,降雨時間間隔的延長顯著抑制了楨楠的凈光合速率、株高及地徑的生長,且隨著巖溶裂隙的增加,抑制作用增強。這是因為在巖溶裂隙生境中,土壤的蓄水能力減弱,降雨間隔為2 d的條件下,水分可以得到及時的補充,土壤含水量始終維持在一個較高的狀態(tài)；而降雨間隔19 d的條件下,一次性大量的降水會造成土壤養(yǎng)分的大量流失[11],同時會短暫性的為植株提供充足的水分,但在后期,持續(xù)的蒸發(fā)和植物根系的消耗且水分得不到及時補充導致干旱脅迫加重。

3.3 楨楠的水分利用效率和氣孔調節(jié)

水分利用效率(WUE)即單位的水分消耗量所同化的碳量,調節(jié)水分利用效率是植物對干旱脅迫的重要適應策略之一[25-26]。在本研究中,隨著土層的減少和巖溶裂隙層的增厚,在降雨時間間隔短的條件下,楨楠的水分利用效率采取先維持不變,后顯著減小的策略；延長降雨時間間隔后,采取先顯著增大后保持不變的策略,這說明:只有土層淺薄到一定程度時才會影響到楨楠的水分利用效率,而降雨時間間隔的延長會增大土層的減少和巖溶裂隙層的加厚對水分利用效率影響的敏感程度。隨著垂直層面上土層的減少和巖溶裂隙層的增厚,不同降雨時間間隔下水分利用效率的差異逐漸產生,且當土層淺薄到一定程度時,這種差異會增大,這說明垂直層面上較薄的土層和較厚的巖溶裂隙層會加劇降雨時間間隔延長對楨楠水分利用效率的增強作用。

氣孔是植物進行氣體、水分交換的通道,對植物的光合、蒸騰等生理活動起著重要的調節(jié)功能,氣孔密度和氣孔面積與植物的抗旱性密切相關[27]。本研究表明,在土層薄、巖溶裂隙層較厚的生境中氣孔密度對降雨時間間隔的改變較為敏感:為了適應垂直層面上巖溶裂隙層的增厚和土層的減少,時間間隔較短時,楨楠采取先減小氣孔密度、后減小氣孔面積的策略；延長降雨時間間隔后,楨楠采取增大氣孔密度的策略,這可能是由于干旱會造成氣孔數(shù)量和葉面積的減小[28],輕度干旱使楨楠葉片面積減小的程度小于氣孔數(shù)量減少的程度,從而表現(xiàn)為氣孔密度的減小,隨著干旱程度的加劇,葉面積減小的程度大于氣孔數(shù)量減小的程度[29],表現(xiàn)為氣孔密度的增大。

葉面絨毛是植物葉片表面的一種結構,受生境的濕潤程度和土壤肥沃程度影響較大,是植物對環(huán)境條件適應的表現(xiàn)之一[30-32]。本研究中,隨著垂直層面上土層的減少和巖溶裂隙層的增厚,楨楠絨毛密度在不同降雨時間間隔中的差異先增大后減小至無明顯差異,這說明延長降雨時間間隔會促進絨毛密度增大,而較薄的土層會減弱這種促進作用,雖然多石少土生境中土壤含水量較少,但可能由于時間間隔長、強度高的降水加劇水土流失導致的磷元素等的缺乏抑制絨毛的生長[30]。

總之,楨楠對不同土壤小生境的光合和生長響應受到降雨間隔時間的影響,而降雨時間間隔對楨楠的光合和生長影響也受到土壤小生境的制約:在降雨間隔時間短的條件下,有一定的巖溶裂隙對楨楠的光合起到促進作用,延長降雨間隔時間后,巖溶裂隙會加劇降雨間隔延長對楨楠光合的抑制作用。在土壤相對較厚條件下,降雨時間間隔對楨楠的光合影響不顯著,但隨著巖溶裂隙層的增加,降雨時間間隔延長對楨楠光合的負面影響也更為嚴重。在任何不利生境下,楨楠均會采取一定的氣孔調節(jié)和水分利用策略來適應環(huán)境,且在降雨間隔時間短的條件下通過其調節(jié)作用可以減弱土層減少對株高和地徑的影響。

致謝：感謝陶建平教授對本研究的幫助。