不同脅迫處理對(duì)栓皮櫟水分運(yùn)輸和儲(chǔ)存的影響

樹木從土壤中吸收水分，并通過木質(zhì)部傳輸?shù)狡渌M織，以滿足正常生長(zhǎng)的需要。然而，由于距離較長(zhǎng)，水運(yùn)輸率和效率受到國(guó)內(nèi)外環(huán)境的影響。在水分虧缺的情況下,導(dǎo)管內(nèi)的水柱容易被打斷快速形成氣穴,堵塞導(dǎo)管,阻礙水分運(yùn)輸。此外,樹木邊材具有較大的容量,在蒸騰強(qiáng)烈時(shí)樹木會(huì)通過邊材組織儲(chǔ)水與導(dǎo)管內(nèi)水分的交換來為蒸騰提供水分補(bǔ)充,這種水分交換會(huì)影響水分運(yùn)輸速率和效率。盡管液流速率可以用來表示探針位點(diǎn)水流的瞬時(shí)速率,但液流速率與水分運(yùn)輸速率并不完全相等。水分從大樹根部運(yùn)輸?shù)饺~片可能需要幾天,期間受到木質(zhì)部栓塞和邊材儲(chǔ)水的影響,水分運(yùn)輸常以不同的速率運(yùn)行并產(chǎn)生滯后效應(yīng)。由于觀測(cè)方法的限制,樹體水分運(yùn)輸、儲(chǔ)存、交換和利用多采用模型間接推算,模型不同得出的結(jié)果不盡相同。氫氧穩(wěn)定同位素被認(rèn)為是水的指紋,為研究水分運(yùn)輸和分配提供了新的觀測(cè)手段。氘示蹤劑的δD值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)輸提供了基礎(chǔ)。近年來,研究者將氘同位素示蹤劑應(yīng)用到對(duì)整株樹木水分流動(dòng)、邊材水分運(yùn)輸和儲(chǔ)存動(dòng)態(tài)變化、液流和蒸騰估計(jì)的研究中,取得較多成果,但因樹木個(gè)體大,研究起來比較困難,先前的研究?jī)H局限于單株自然生長(zhǎng)樹木,對(duì)于控制水分條件下的樹木水分運(yùn)輸速率、效率和儲(chǔ)水交換尚未見報(bào)道。栓皮櫟是華北石質(zhì)山地的典型優(yōu)勢(shì)樹種,生長(zhǎng)較好,在有限的水分條件下形成穩(wěn)定的自然群落,表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性,而長(zhǎng)距離水分運(yùn)輸?shù)乃俾屎托赎P(guān)系到樹體水分平衡、氣孔調(diào)節(jié)和光合作用,對(duì)于研究栓皮櫟的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制意義重大。本項(xiàng)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(shí)外加氘示蹤劑來追蹤樹體水分的運(yùn)輸,其研究的主要目的旨在:(1)獲得不同處理的栓皮櫟體內(nèi)氘示蹤同位素比率的差異;(2)分析水分運(yùn)輸速率和效率與部分生理指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián),來獲得栓皮櫟在不同條件下的水分運(yùn)輸、分配格局及其調(diào)控機(jī)制,進(jìn)而為該地區(qū)林地土壤旱化防治、植被恢復(fù)和林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)參考。1材料和方法1.1研究網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建試驗(yàn)于2010年6月在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院黃河小浪底森林生態(tài)站進(jìn)行,該站隸屬于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN),地處河南省濟(jì)源市境內(nèi)的太行山南段與黃河流域的交界處,定位站中心地區(qū)海拔410m,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫12.4—14.3℃,年日照時(shí)數(shù)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(yàn)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(zhì)是以壤土、細(xì)沙和草炭按照7∶2∶1比例混合均勻,容重為1.34g/cm3。試驗(yàn)分充分灌溉(Fullirrigation,以下簡(jiǎn)稱FI)、輕度(Lightwaterstress,以下簡(jiǎn)稱LWS)和重度水分脅迫(Severewaterstress,以下簡(jiǎn)稱SWS)3組進(jìn)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(gè)處理重復(fù)3次,每重復(fù)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(gè)方向上各去除1cm×1cm樹皮,露出木質(zhì)部,使用4mm鉆頭與水平方向成45°夾角在木質(zhì)部上打孔,深度為3cm,用醫(yī)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(guó)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(duì)枝條取樣測(cè)定氘同位素、栓塞程度、蒸騰和水勢(shì),16日—24日10:00取樣測(cè)定相應(yīng)指標(biāo)。1.3測(cè)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(cè)安裝長(zhǎng)10mm粗1mm的TDP探針,連接到數(shù)據(jù)采集器上(CR10X,Campbell公司,美國(guó)),設(shè)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(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(nèi)最大溫差值,DT為某時(shí)刻溫差值。因TDP探針?biāo)?本試驗(yàn)只能同時(shí)測(cè)定9棵栓皮櫟,即每個(gè)重復(fù)只測(cè)1棵樹,測(cè)定時(shí)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?nèi)淦?裝入帶聚乙烯蓋子的10mL小瓶中并用帕拉膠密封,0—5℃儲(chǔ)藏在便攜式冷藏包內(nèi),帶回林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tài)水同位素分析儀(LosGatos公司,美國(guó))測(cè)定,輸出結(jié)果是以相對(duì)于V-SMOW(ViennaStandardMeanOceanWater)的千分率(‰)給出,δD的測(cè)量精度是±0.1‰,計(jì)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(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)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(gè)指標(biāo)來描述示蹤劑在栓皮櫟中的運(yùn)輸和儲(chǔ)存特性。將注射前枝條中氘同位素比率作為基線,根據(jù)氘同位素最大值對(duì)同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化后基線值為0,最大值為1。連續(xù)測(cè)定枝條中氘同位素比率,當(dāng)同位素比率明顯升高超過基線10%時(shí)記錄為時(shí)間h,同時(shí)測(cè)量采樣點(diǎn)與注射點(diǎn)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(shí)的時(shí)間,通過修正的指數(shù)衰減方程Y=Y0e-λt進(jìn)行計(jì)算,將氘同位素比率最大值的時(shí)間設(shè)為0,Y0和Y是0和t時(shí)的氘同位素比率,λ為衰變常數(shù),殘留期是同位素比率從最大值降低到基線水平所經(jīng)歷的時(shí)間。1.3.3枝條初始導(dǎo)水率的測(cè)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(shì)壓力室(SEC公司,美國(guó))測(cè)定枝條水勢(shì),另一部分在水中剪成5—6cm枝段,根據(jù)Sperry等沖洗方法進(jìn)行改進(jìn),沖洗液為50mmol/LKCl溶液,用5kPa水壓下獲得枝條的初始導(dǎo)水率Ki,然后用100kPa水壓沖洗10—15min清除導(dǎo)管內(nèi)氣泡,再用5kPa水壓沖洗,獲得最大導(dǎo)水率Kmax,氣穴栓塞程度用導(dǎo)水率損失百分?jǐn)?shù)(Percentagelossofhydraulicconductance,以下簡(jiǎn)稱PLC)表示,PLC=(1-Ki/Kmax)×100。1.3.4蒸騰速率的測(cè)定蒸騰測(cè)定選擇樹冠中上部長(zhǎng)勢(shì)一致1—2年生枝條上的成熟葉片,使用Li-6400(LI-COR公司,美國(guó))測(cè)定蒸騰速率,外加紅光LED光源,光照強(qiáng)度為1000μmolm-2s-1,每株樹測(cè)定6片。1.3.5空氣濕度vpd在試驗(yàn)地旁設(shè)定自動(dòng)氣象站,連續(xù)觀測(cè)空氣溫度(Ta)、相對(duì)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(guó))、HMP45C(Campbell公司,美國(guó))和LI190SB(LI-COR公司,美國(guó)),數(shù)據(jù)采集器為CR10X,設(shè)定每2min采集1次,每10min輸出1組平均值。蒸汽壓虧缺(Vaporpressuredeficit,簡(jiǎn)稱VPD)采用以下公式計(jì)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(duì)濕度(%);Ta為空氣溫度(℃)。1.4數(shù)據(jù)處理及分析使用Excel2010整理試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)并作圖,用PASWStatistics18分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)不同脅迫處理的栓皮櫟進(jìn)行One-wayANOVA分析并用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較,統(tǒng)計(jì)顯著性水平為P<0.05。2結(jié)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(nèi),溫度相對(duì)穩(wěn)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(nèi),而相對(duì)濕度變化幅度較大,日際間的最高和最低相對(duì)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(duì)穩(wěn)定(圖1)。試驗(yàn)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(duì)一致,有利于降低栓皮櫟日際間的水分變化幅度,減少實(shí)驗(yàn)誤差。2.2重度與重度脅迫之間的示蹤速率圖2結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)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(shí)間內(nèi)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(duì)緩慢(圖2)。2.3充分灌溉對(duì)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(dòng),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(dá)到最大值的時(shí)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(shí)間最長(zhǎng),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(nèi)示蹤劑殘留期為76.89h,脅迫處理后示蹤劑殘留期明顯延長(zhǎng),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(duì)最大液流通量的影響圖4結(jié)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(tǒng)計(jì)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(duì)于液流總量,注射的示蹤劑量非常小,不會(huì)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(dòng),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(shí)間增加而逐漸降低(圖4)。表1統(tǒng)計(jì)顯示示蹤最大值期、半減期內(nèi)和殘留期內(nèi)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(nèi)的輕度與重度脅迫處理之間差異不顯著,但隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),殘留期內(nèi)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(shí)期內(nèi)累積液流量是各個(gè)時(shí)期內(nèi)的載體流量總和,表1統(tǒng)計(jì)顯示示蹤最大值期內(nèi)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(nèi),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(nèi),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(gè)處理之間差異顯著。脅迫處理使得枝條水勢(shì)和蒸騰速率均下降,示蹤最大值期、半減期和殘留期內(nèi)輕度和重度脅迫處理的枝條水勢(shì)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(gè)處理之間差異顯著。3討論3.1水分脅迫及液流速率長(zhǎng)距離水分運(yùn)輸?shù)乃俾适怯绊憳淠倔w內(nèi)水分平衡、氣孔調(diào)節(jié)以及對(duì)不同環(huán)境適應(yīng)的重要因素,水分在樹體內(nèi)流動(dòng),需要有足夠的動(dòng)力。水分是氘示蹤劑的載體,示蹤速率越大則代表樹體內(nèi)水分運(yùn)輸?shù)脑娇?表1統(tǒng)計(jì)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(guān),相關(guān)系數(shù)為0.8242(圖5),方程達(dá)到極顯著水平(P<0.01,n=27),這表明較強(qiáng)的蒸騰是樹體水分快速流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。蒸騰容易受到栓塞產(chǎn)生的水力信號(hào)影響,蒸騰速率減小與枝條栓塞增大在小時(shí)尺度上基本同步,氣孔關(guān)閉對(duì)水力信號(hào)響應(yīng)的時(shí)間較短,但表1結(jié)果顯示脅迫處理后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)輕度和重度脅迫處理的蒸騰速率均顯著下降,并隨著時(shí)間延長(zhǎng)下降程度越大,造成這種差別的原因可能是水分脅迫誘導(dǎo)根部產(chǎn)生ABA化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)到葉片導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。ABA從根部傳導(dǎo)到葉片需要時(shí)間,圖2顯示充分灌溉同位素比率增加到10%的時(shí)間一般在注射同位素后的8—12h,脅迫處理栓皮櫟的時(shí)間則需要更長(zhǎng),說明根部產(chǎn)生的ABA運(yùn)輸?shù)饺~片時(shí)間至少要滯后8—12h以上。由于根部持續(xù)受到水分脅迫,不斷產(chǎn)生ABA運(yùn)輸?shù)饺~片導(dǎo)致脅迫處理栓皮櫟氣孔部分關(guān)閉,因此示蹤最大值期、半減期和殘留期內(nèi)蒸騰速率下降的原因是ABA化學(xué)信號(hào)和栓塞的水力信號(hào)共同作用的結(jié)果。水分在樹體內(nèi)快速運(yùn)輸,運(yùn)輸通道必須保持通暢,但水分虧缺時(shí)導(dǎo)管中的水柱容易被打斷發(fā)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(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)示蹤速率與栓塞程度成顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01,n=27),表明栓塞嚴(yán)重阻礙了木質(zhì)部水分運(yùn)輸。水分在樹體內(nèi)連續(xù)流動(dòng)形成液流,是反映植物蒸騰耗水和水分運(yùn)輸規(guī)律的重要指標(biāo)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(tǒng)計(jì)表明液流速率與示蹤劑速率成顯著的正相關(guān)(P<0.01,n=9),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9789(詳見圖5)。有研究證實(shí)示蹤速率和液流速率成線性相關(guān),且這種關(guān)系不受樹木種類和大小的影響。由于計(jì)算方法差異,本試驗(yàn)中示蹤速率與液流速率單位不同,無法對(duì)其進(jìn)行大小比較,但Meinzer等研究發(fā)現(xiàn)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(kuò)散探針的位置有關(guān)。輕度和重度脅迫處理造成枝條水勢(shì)下降,圖5顯示示蹤速率與枝條水勢(shì)成顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01,n=27),這與Sperry等發(fā)現(xiàn)的枝條水勢(shì)與枝條相對(duì)水分虧缺成典型的曲線關(guān)系相似,示蹤速率隨著枝條水勢(shì)降低而降低,表明脅迫造成的低水勢(shì)影響了樹體內(nèi)水分的運(yùn)輸,栓皮櫟通過調(diào)整水勢(shì)的變化來適應(yīng)干旱環(huán)境變化。3.2水分運(yùn)輸速率示蹤殘留期是運(yùn)輸相同體積示蹤劑所需要的時(shí)間,其長(zhǎng)短決定水分運(yùn)輸效率在時(shí)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(zhǎng),二者成極顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01,n=27),表明木質(zhì)部栓塞不可避免地造成水分運(yùn)輸功能失常,導(dǎo)致氘同位素運(yùn)輸受阻,造成運(yùn)輸效率下降。已有的研究成果認(rèn)為木質(zhì)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(zhì)部栓塞降低水分運(yùn)輸?shù)男?以減少水分的耗散來適應(yīng)水分虧缺的環(huán)境。隨著栓塞程度增加,樹干輸水功能紊亂會(huì)導(dǎo)致氣孔關(guān)閉和蒸騰速率下降,圖6結(jié)果顯示蒸騰速率與液流速率成顯著的正相關(guān)(P<0.01,n=9),蒸騰的減小降低了水分運(yùn)輸速率,造成示蹤半減期和殘留期增加。但是,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)示蹤半減期和殘留期與蒸騰速率成極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01,n=27),相關(guān)系數(shù)要高于線性關(guān)系(圖6),可能原因是氘示蹤劑除了進(jìn)入液流參與蒸騰外,還有部分示蹤劑與樹體儲(chǔ)水發(fā)生交換進(jìn)入邊材。邊材在樹木水分儲(chǔ)存與交換中具有重要作用,Domec等發(fā)現(xiàn)同種樹木的邊材儲(chǔ)水能力沒有顯著差異,但干旱或者劇烈蒸騰會(huì)造成邊材組織水分虧缺,為了彌補(bǔ)水分虧缺夜晚從土壤中吸收更多的水分儲(chǔ)存在邊材,交換過程增加了示蹤劑在樹體內(nèi)殘留的時(shí)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(diǎn)。當(dāng)白天蒸騰