不同脅迫處理對栓皮櫟水分運輸和儲存的影響

樹木從土壤中吸收水分，并通過木質部傳輸到其他組織，以滿足正常生長的需要。然而，由于距離較長，水運輸率和效率受到國內外環境的影響。在水分虧缺的情況下,導管內的水柱容易被打斷快速形成氣穴,堵塞導管,阻礙水分運輸。此外,樹木邊材具有較大的容量,在蒸騰強烈時樹木會通過邊材組織儲水與導管內水分的交換來為蒸騰提供水分補充,這種水分交換會影響水分運輸速率和效率。盡管液流速率可以用來表示探針位點水流的瞬時速率,但液流速率與水分運輸速率并不完全相等。水分從大樹根部運輸到葉片可能需要幾天,期間受到木質部栓塞和邊材儲水的影響,水分運輸常以不同的速率運行并產生滯后效應。由于觀測方法的限制,樹體水分運輸、儲存、交換和利用多采用模型間接推算,模型不同得出的結果不盡相同。氫氧穩定同位素被認為是水的指紋,為研究水分運輸和分配提供了新的觀測手段。氘示蹤劑的δD值遠遠高于樹木枝條水中的氘同位素,微量的示蹤劑就能夠顯著提高枝條水的δD值,這為追蹤樹體水分運輸提供了基礎。近年來,研究者將氘同位素示蹤劑應用到對整株樹木水分流動、邊材水分運輸和儲存動態變化、液流和蒸騰估計的研究中,取得較多成果,但因樹木個體大,研究起來比較困難,先前的研究僅局限于單株自然生長樹木,對于控制水分條件下的樹木水分運輸速率、效率和儲水交換尚未見報道。栓皮櫟是華北石質山地的典型優勢樹種,生長較好,在有限的水分條件下形成穩定的自然群落,表現出較強的生態適應性,而長距離水分運輸的速率和效率關系到樹體水分平衡、氣孔調節和光合作用,對于研究栓皮櫟的生態適應機制意義重大。本項目以盆栽栓皮櫟為試材,控制水分以形成不同的脅迫梯度,同時外加氘示蹤劑來追蹤樹體水分的運輸,其研究的主要目的旨在:(1)獲得不同處理的栓皮櫟體內氘示蹤同位素比率的差異;(2)分析水分運輸速率和效率與部分生理指標之間的關聯,來獲得栓皮櫟在不同條件下的水分運輸、分配格局及其調控機制,進而為該地區林地土壤旱化防治、植被恢復和林業生態工程建設提供科學參考。1材料和方法1.1研究網絡的構建試驗于2010年6月在中國林業科學研究院黃河小浪底森林生態站進行,該站隸屬于中國森林生態系統定位研究網絡(CFERN),地處河南省濟源市境內的太行山南段與黃河流域的交界處,定位站中心地區海拔410m,屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫12.4—14.3℃,年日照時數2367.7h,年日照率54%,歷年平均降水量641.7mm,其中,6—9月為438.0mm,占全年的68.3%。1.2樹體表面活性劑的選擇從人工林中選擇干形相似的10年生栓皮櫟作試驗材料,于2009年3月移植并種在60cm×60cm的鐵皮容器中,容器四周用草繩纏繞防止高溫灼傷根系,基質是以壤土、細沙和草炭按照7∶2∶1比例混合均勻,容重為1.34g/cm3。試驗分充分灌溉(Fullirrigation,以下簡稱FI)、輕度(Lightwaterstress,以下簡稱LWS)和重度水分脅迫(Severewaterstress,以下簡稱SWS)3組進行,每天晚上分別澆水4kg、1.8kg和0.9kg,澆水后塑料薄膜覆蓋,每個處理重復3次,每重復3株樹。6月10日早晨6:00—7:00在距地表10cm的樹干東南西北四個方向上各去除1cm×1cm樹皮,露出木質部,使用4mm鉆頭與水平方向成45°夾角在木質部上打孔,深度為3cm,用醫用注射器注射0.3mL氘水,每棵樹共注射1.2mL,用帕拉膠纏繞封住處理孔。氘示蹤劑來自于美國CIL公司,濃度99.9%,分別在6月11日—15日的8:00、12:00、16:00和20:00對枝條取樣測定氘同位素、栓塞程度、蒸騰和水勢,16日—24日10:00取樣測定相應指標。1.3測試方法1.3.1液流速率及液流通量在距地面30cm處的樹干南北兩側安裝長10mm粗1mm的TDP探針,連接到數據采集器上(CR10X,Campbell公司,美國),設定每1min采集1次,每10min輸出1組平均值,樹干液流速率和液流通量使用Granier的經驗公式計算:Fs=0.0119[DTM?DTDT]1.231×As×3.6(1)Fs=0.0119[DΤΜ-DΤDΤ]1.231×As×3.6(1)式中,Fs(L/h)是液流速率,As(cm2)是邊材面積,DTM為一日內最大溫差值,DT為某時刻溫差值。因TDP探針所限,本試驗只能同時測定9棵栓皮櫟,即每個重復只測1棵樹,測定時間是6月6日至30日。1.3.2栓皮櫟中同位素的變化剪取栓皮櫟樹冠上部的1—2年生枝條,剝去樹皮,裝入帶聚乙烯蓋子的10mL小瓶中并用帕拉膠密封,0—5℃儲藏在便攜式冷藏包內,帶回林木遺傳育種國家重點實驗室,低溫真空抽提枝條中的水,抽提水的氘同位素用DLT-100液態水同位素分析儀(LosGatos公司,美國)測定,輸出結果是以相對于V-SMOW(ViennaStandardMeanOceanWater)的千分率(‰)給出,δD的測量精度是±0.1‰,計算方程為:δD=(RsampleRstandard?1)×1000(2)δD=(RsampleRstandard-1)×1000(2)式中,Rsample和Rstandard分別表示樣品和國際通用標準物的D/H的比值。采用氘同位素比率、示蹤速率、半減期和殘留期4個指標來描述示蹤劑在栓皮櫟中的運輸和儲存特性。將注射前枝條中氘同位素比率作為基線,根據氘同位素最大值對同位素數據進行標準化,標準化后基線值為0,最大值為1。連續測定枝條中氘同位素比率,當同位素比率明顯升高超過基線10%時記錄為時間h,同時測量采樣點與注射點的距離D,示蹤速率(m/h)=D/h。半減期Δt是氘同位素從最大值降為一半時的時間,通過修正的指數衰減方程Y=Y0e-λt進行計算,將氘同位素比率最大值的時間設為0,Y0和Y是0和t時的氘同位素比率,λ為衰變常數,殘留期是同位素比率從最大值降低到基線水平所經歷的時間。1.3.3枝條初始導水率的測定剪取的1—2年生枝條分為2部分,一部分用SAPSII便攜式植物水勢壓力室(SEC公司,美國)測定枝條水勢,另一部分在水中剪成5—6cm枝段,根據Sperry等沖洗方法進行改進,沖洗液為50mmol/LKCl溶液,用5kPa水壓下獲得枝條的初始導水率Ki,然后用100kPa水壓沖洗10—15min清除導管內氣泡,再用5kPa水壓沖洗,獲得最大導水率Kmax,氣穴栓塞程度用導水率損失百分數(Percentagelossofhydraulicconductance,以下簡稱PLC)表示,PLC=(1-Ki/Kmax)×100。1.3.4蒸騰速率的測定蒸騰測定選擇樹冠中上部長勢一致1—2年生枝條上的成熟葉片,使用Li-6400(LI-COR公司,美國)測定蒸騰速率,外加紅光LED光源,光照強度為1000μmolm-2s-1,每株樹測定6片。1.3.5空氣濕度vpd在試驗地旁設定自動氣象站,連續觀測空氣溫度(Ta)、相對濕度(HR)和太陽輻射(Ra),所采用的傳感器分別為05103(RMYoung公司,美國)、HMP45C(Campbell公司,美國)和LI190SB(LI-COR公司,美國),數據采集器為CR10X,設定每2min采集1次,每10min輸出1組平均值。蒸汽壓虧缺(Vaporpressuredeficit,簡稱VPD)采用以下公式計算:VPD=(1?RH100)×0.611×e17.27×TaTa÷237.3(3)VΡD=(1-RΗ100)×0.611×e17.27×ΤaΤa÷237.3(3)式中,RH為空氣相對濕度(%);Ta為空氣溫度(℃)。1.4數據處理及分析使用Excel2010整理試驗所得數據并作圖,用PASWStatistics18分析軟件進行統計分析,對不同脅迫處理的栓皮櫟進行One-wayANOVA分析并用最小顯著差數法(LSD)進行多重比較,統計顯著性水平為P<0.05。2結果與分析2.1日際間空氣溫度vpd的變化圖1顯示6月10日—26日期間內,溫度相對穩定,日際間的最高氣溫和最低溫度相差幅度分別在8℃和6℃之內,而相對濕度變化幅度較大,日際間的最高和最低相對濕度分別在50%—80%和20%—40%之間變化(圖1)。VPD最大值在2.6—6.0kPa之間變化,而最小值在0.4—1.2kPa變化,相對穩定(圖1)。試驗期間均為晴天,太陽輻射從7:00開始迅速增加,19:00后太陽輻射降為零,日際間的最大值在650—840W/m2變化。溫度和太陽輻射相對一致,有利于降低栓皮櫟日際間的水分變化幅度,減少實驗誤差。2.2重度與重度脅迫之間的示蹤速率圖2結果顯示,輕度和重度脅迫處理的示蹤速率分別為0.10m/h和0.07m/h,低于充分灌溉處理約65.11%和74.73%,差異顯著,但輕度與重度脅迫之間的示蹤速率差異不顯著。標準化后的結果顯示,充分灌水、輕度和重度脅迫處理的氘同位素比率在注射后均明顯增加,分別在注射后的9.78、27.56h和36.89h升至最大值,隨后時間內充分灌溉處理的氘同位素比率下降速率較快,輕度和重度脅迫處理的氘同位素比率下降速度相對緩慢(圖2)。2.3充分灌溉對濱水栓皮櫟的同位素的影響注射前的栓皮櫟枝條中氘同位素比率在-56.12‰—-48.11‰之間波動,三者之間無顯著差異。但注射后氘同位素比率明顯升高,充分灌溉、輕度和重度脅迫處理的栓皮櫟最大氘同位素比率分別增加到586.67‰、997.33‰和1364.89‰,三者之間差異顯著。注射后,充分灌溉栓皮櫟的氘同位素達到最大值的時間最短,約為9.78h,輕度脅迫處理次之,比充分灌溉處理增加了約1.82倍,重度處理的時間最長,比充分灌溉處理增加了約2.77倍,三者差異顯著(圖3)。充分灌溉的示蹤半減期為10.71h,輕度和重度脅迫處理的示蹤半減期比充分灌溉處理分別增加了55.73%和88.35%,三者之間差異顯著(圖3)。充分灌溉處理栓皮櫟樹體內示蹤劑殘留期為76.89h,脅迫處理后示蹤劑殘留期明顯延長,輕度和重度脅迫處理分別比充分灌溉處理增加了31.21%和92.49%,三者之間差異顯著(圖3)。2.4充分灌溉和重度脅迫對最大液流通量的影響圖4結果顯示注射氘示蹤劑后,不同處理栓皮櫟液流通量與注射前相比沒有明顯增大。統計顯示充分灌溉、輕度和重度脅迫處理栓皮櫟日均液流總量分別為2.59、2.12kg和1.66kg,相對于液流總量,注射的示蹤劑量非常小,不會影響到樹體液流變化。但是由于控制澆水,充分灌溉、輕度和重度脅迫處理的栓皮櫟液流通量之間差別明顯,充分灌溉處理最大液流通量在25.91—35.65gm-2s-1之間變動,輕度和重度脅迫處理的最大液流通量分別在15.67—24.48gm-2s-1和11.23—17.38gm-2s-1之間變化,且隨著處理時間增加而逐漸降低(圖4)。表1統計顯示示蹤最大值期、半減期內和殘留期內輕度和重度脅迫處理的液流速率比充分灌水處理分別減小了47.62%和57.14%、50.00%和63.64%、60.00%和72.00%,差異顯著。脅迫處理后,示蹤最大值期和半減期內的輕度與重度脅迫處理之間差異不顯著,但隨著處理時間延長,殘留期內輕度與重度脅迫處理之間差異顯著。樹液是示蹤同位素載體,不同時期內累積液流量是各個時期內的載體流量總和,表1統計顯示示蹤最大值期內充分灌溉和輕度脅迫的累積液流量比重度脅迫處理少20.41%和15.38%,差異顯著。在示蹤半減期和殘留期內,輕度和重度脅迫的累積液流量比充分灌溉處理分別增加了18.82%和33.33%、23.70%和28.41%,充分灌水與脅迫處理之間差異顯著。2.5灌溉處理前后灌溉效果比較表1顯示在示蹤最大值期、半減期和殘留期內,充分灌溉的枝條栓塞程度分別是36.03%,35.31%和34.95%,輕度和重度脅迫處理的枝條栓塞程度比充分灌溉處理分別增加了21.49%和32.44%、28.02%和41.90%、28.72%和53.11%,3個處理之間差異顯著。脅迫處理使得枝條水勢和蒸騰速率均下降,示蹤最大值期、半減期和殘留期內輕度和重度脅迫處理的枝條水勢比充分灌溉處理分別降低了38.95%和58.12%、46.04%和69.41%、51.38%和77.11%,蒸騰速率分別降低了20.18%和28.38%、26.26%和37.93%、29.09%和42.09%,3個處理之間差異顯著。3討論3.1水分脅迫及液流速率長距離水分運輸的速率是影響樹木體內水分平衡、氣孔調節以及對不同環境適應的重要因素,水分在樹體內流動,需要有足夠的動力。水分是氘示蹤劑的載體,示蹤速率越大則代表樹體內水分運輸的越快,表1統計顯示充分灌水、輕度和重度脅迫處理的葉片蒸騰速率逐漸降低,三者間差異顯著,葉片蒸騰速率與示蹤速率成正相關,相關系數為0.8242(圖5),方程達到極顯著水平(P<0.01,n=27),這表明較強的蒸騰是樹體水分快速流動的驅動力。蒸騰容易受到栓塞產生的水力信號影響,蒸騰速率減小與枝條栓塞增大在小時尺度上基本同步,氣孔關閉對水力信號響應的時間較短,但表1結果顯示脅迫處理后的較長時間內輕度和重度脅迫處理的蒸騰速率均顯著下降,并隨著時間延長下降程度越大,造成這種差別的原因可能是水分脅迫誘導根部產生ABA化學信號傳導到葉片導致氣孔關閉。ABA從根部傳導到葉片需要時間,圖2顯示充分灌溉同位素比率增加到10%的時間一般在注射同位素后的8—12h,脅迫處理栓皮櫟的時間則需要更長,說明根部產生的ABA運輸到葉片時間至少要滯后8—12h以上。由于根部持續受到水分脅迫,不斷產生ABA運輸到葉片導致脅迫處理栓皮櫟氣孔部分關閉,因此示蹤最大值期、半減期和殘留期內蒸騰速率下降的原因是ABA化學信號和栓塞的水力信號共同作用的結果。水分在樹體內快速運輸,運輸通道必須保持通暢,但水分虧缺時導管中的水柱容易被打斷發生氣穴栓塞,表1顯示示蹤速率隨著栓塞程度的增加而減小,圖5統計發現示蹤速率與栓塞程度成顯著的負相關(P<0.01,n=27),表明栓塞嚴重阻礙了木質部水分運輸。水分在樹體內連續流動形成液流,是反映植物蒸騰耗水和水分運輸規律的重要指標之一。表1顯示充分灌水、輕度和重度脅迫處理栓皮櫟的液流速率逐漸降低,統計表明液流速率與示蹤劑速率成顯著的正相關(P<0.01,n=9),相關系數達到0.9789(詳見圖5)。有研究證實示蹤速率和液流速率成線性相關,且這種關系不受樹木種類和大小的影響。由于計算方法差異,本試驗中示蹤速率與液流速率單位不同,無法對其進行大小比較,但Meinzer等研究發現示蹤速率并不等于液流速率,二者大小相差5倍左右,這可能是與插入熱擴散探針的位置有關。輕度和重度脅迫處理造成枝條水勢下降,圖5顯示示蹤速率與枝條水勢成顯著的指數函數關系(P<0.01,n=27),這與Sperry等發現的枝條水勢與枝條相對水分虧缺成典型的曲線關系相似,示蹤速率隨著枝條水勢降低而降低,表明脅迫造成的低水勢影響了樹體內水分的運輸,栓皮櫟通過調整水勢的變化來適應干旱環境變化。3.2水分運輸速率示蹤殘留期是運輸相同體積示蹤劑所需要的時間,其長短決定水分運輸效率在時間尺度上的高低。圖6顯示隨著栓塞程度增加,半減期和殘留期延長,二者成極顯著的指數函數關系(P<0.01,n=27),表明木質部栓塞不可避免地造成水分運輸功能失常,導致氘同位素運輸受阻,造成運輸效率下降。已有的研究成果認為木質部栓塞隨著干旱脅迫的程度快速地變化,栓皮櫟正是通過部分木質部栓塞降低水分運輸的效率,以減少水分的耗散來適應水分虧缺的環境。隨著栓塞程度增加,樹干輸水功能紊亂會導致氣孔關閉和蒸騰速率下降,圖6結果顯示蒸騰速率與液流速率成顯著的正相關(P<0.01,n=9),蒸騰的減小降低了水分運輸速率,造成示蹤半減期和殘留期增加。但是,統計發現示蹤半減期和殘留期與蒸騰速率成極顯著的冪函數關系(P<0.01,n=27),相關系數要高于線性關系(圖6),可能原因是氘示蹤劑除了進入液流參與蒸騰外,還有部分示蹤劑與樹體儲水發生交換進入邊材。邊材在樹木水分儲存與交換中具有重要作用,Domec等發現同種樹木的邊材儲水能力沒有顯著差異,但干旱或者劇烈蒸騰會造成邊材組織水分虧缺,為了彌補水分虧缺夜晚從土壤中吸收更多的水分儲存在邊材,交換過程增加了示蹤劑在樹體內殘留的時間。圖4中輕度和重度脅迫的液流速率在夜晚略高于充分灌水處理也佐證了這一點。當白天蒸騰