不同胁迫处理对栓皮栎水分运输和储存的影响

不同胁迫处理对栓皮栎水分运输和储存的影响

树木从土壤中吸收水分，并通过木质部传输到其他组织，以满足正常生长的需要。然而，由于距离较长，水运输率和效率受到国内外环境的影响。在水分亏缺的情况下,导管内的水柱容易被打断快速形成气穴,堵塞导管,阻碍水分运输。此外,树木边材具有较大的容量,在蒸腾强烈时树木会通过边材组织储水与导管内水分的交换来为蒸腾提供水分补充,这种水分交换会影响水分运输速率和效率。尽管液流速率可以用来表示探针位点水流的瞬时速率,但液流速率与水分运输速率并不完全相等。水分从大树根部运输到叶片可能需要几天,期间受到木质部栓塞和边材储水的影响,水分运输常以不同的速率运行并产生滞后效应。由于观测方法的限制,树体水分运输、储存、交换和利用多采用模型间接推算,模型不同得出的结果不尽相同。氢氧稳定同位素被认为是水的指纹,为研究水分运输和分配提供了新的观测手段。氘示踪剂的δD值远远高于树木枝条水中的氘同位素,微量的示踪剂就能够显著提高枝条水的δD值,这为追踪树体水分运输提供了基础。近年来,研究者将氘同位素示踪剂应用到对整株树木水分流动、边材水分运输和储存动态变化、液流和蒸腾估计的研究中,取得较多成果,但因树木个体大,研究起来比较困难,先前的研究仅局限于单株自然生长树木,对于控制水分条件下的树木水分运输速率、效率和储水交换尚未见报道。栓皮栎是华北石质山地的典型优势树种,生长较好,在有限的水分条件下形成稳定的自然群落,表现出较强的生态适应性,而长距离水分运输的速率和效率关系到树体水分平衡、气孔调节和光合作用,对于研究栓皮栎的生态适应机制意义重大。本项目以盆栽栓皮栎为试材,控制水分以形成不同的胁迫梯度,同时外加氘示踪剂来追踪树体水分的运输,其研究的主要目的旨在:(1)获得不同处理的栓皮栎体内氘示踪同位素比率的差异;(2)分析水分运输速率和效率与部分生理指标之间的关联,来获得栓皮栎在不同条件下的水分运输、分配格局及其调控机制,进而为该地区林地土壤旱化防治、植被恢复和林业生态工程建设提供科学参考。1材料和方法1.1研究网络的构建试验于2010年6月在中国林业科学研究院黄河小浪底森林生态站进行,该站隶属于中国森林生态系统定位研究网络(CFERN),地处河南省济源市境内的太行山南段与黄河流域的交界处,定位站中心地区海拔410m,属于暖温带大陆性季风气候,年均气温12.4—14.3℃,年日照时数2367.7h,年日照率54%,历年平均降水量641.7mm,其中,6—9月为438.0mm,占全年的68.3%。1.2树体表面活性剂的选择从人工林中选择干形相似的10年生栓皮栎作试验材料,于2009年3月移植并种在60cm×60cm的铁皮容器中,容器四周用草绳缠绕防止高温灼伤根系,基质是以壤土、细沙和草炭按照7∶2∶1比例混合均匀,容重为1.34g/cm3。试验分充分灌溉(Fullirrigation,以下简称FI)、轻度(Lightwaterstress,以下简称LWS)和重度水分胁迫(Severewaterstress,以下简称SWS)3组进行,每天晚上分别浇水4kg、1.8kg和0.9kg,浇水后塑料薄膜覆盖,每个处理重复3次,每重复3株树。6月10日早晨6:00—7:00在距地表10cm的树干东南西北四个方向上各去除1cm×1cm树皮,露出木质部,使用4mm钻头与水平方向成45°夹角在木质部上打孔,深度为3cm,用医用注射器注射0.3mL氘水,每棵树共注射1.2mL,用帕拉胶缠绕封住处理孔。氘示踪剂来自于美国CIL公司,浓度99.9%,分别在6月11日—15日的8:00、12:00、16:00和20:00对枝条取样测定氘同位素、栓塞程度、蒸腾和水势,16日—24日10:00取样测定相应指标。1.3测试方法1.3.1液流速率及液流通量在距地面30cm处的树干南北两侧安装长10mm粗1mm的TDP探针,连接到数据采集器上(CR10X,Campbell公司,美国),设定每1min采集1次,每10min输出1组平均值,树干液流速率和液流通量使用Granier的经验公式计算: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)是边材面积,DTM为一日内最大温差值,DT为某时刻温差值。因TDP探针所限,本试验只能同时测定9棵栓皮栎,即每个重复只测1棵树,测定时间是6月6日至30日。1.3.2栓皮栎中同位素的变化剪取栓皮栎树冠上部的1—2年生枝条,剥去树皮,装入带聚乙烯盖子的10mL小瓶中并用帕拉胶密封,0—5℃储藏在便携式冷藏包内,带回林木遗传育种国家重点实验室,低温真空抽提枝条中的水,抽提水的氘同位素用DLT-100液态水同位素分析仪(LosGatos公司,美国)测定,输出结果是以相对于V-SMOW(ViennaStandardMeanOceanWater)的千分率(‰)给出,δD的测量精度是±0.1‰,计算方程为:δD=(RsampleRstandard−1)×1000(2)δD=(RsampleRstandard-1)×1000(2)式中,Rsample和Rstandard分别表示样品和国际通用标准物的D/H的比值。采用氘同位素比率、示踪速率、半减期和残留期4个指标来描述示踪剂在栓皮栎中的运输和储存特性。将注射前枝条中氘同位素比率作为基线,根据氘同位素最大值对同位素数据进行标准化,标准化后基线值为0,最大值为1。连续测定枝条中氘同位素比率,当同位素比率明显升高超过基线10%时记录为时间h,同时测量采样点与注射点的距离D,示踪速率(m/h)=D/h。半减期Δt是氘同位素从最大值降为一半时的时间,通过修正的指数衰减方程Y=Y0e-λt进行计算,将氘同位素比率最大值的时间设为0,Y0和Y是0和t时的氘同位素比率,λ为衰变常数,残留期是同位素比率从最大值降低到基线水平所经历的时间。1.3.3枝条初始导水率的测定剪取的1—2年生枝条分为2部分,一部分用SAPSII便携式植物水势压力室(SEC公司,美国)测定枝条水势,另一部分在水中剪成5—6cm枝段,根据Sperry等冲洗方法进行改进,冲洗液为50mmol/LKCl溶液,用5kPa水压下获得枝条的初始导水率Ki,然后用100kPa水压冲洗10—15min清除导管内气泡,再用5kPa水压冲洗,获得最大导水率Kmax,气穴栓塞程度用导水率损失百分数(Percentagelossofhydraulicconductance,以下简称PLC)表示,PLC=(1-Ki/Kmax)×100。1.3.4蒸腾速率的测定蒸腾测定选择树冠中上部长势一致1—2年生枝条上的成熟叶片,使用Li-6400(LI-COR公司,美国)测定蒸腾速率,外加红光LED光源,光照强度为1000μmolm-2s-1,每株树测定6片。1.3.5空气湿度vpd在试验地旁设定自动气象站,连续观测空气温度(Ta)、相对湿度(HR)和太阳辐射(Ra),所采用的传感器分别为05103(RMYoung公司,美国)、HMP45C(Campbell公司,美国)和LI190SB(LI-COR公司,美国),数据采集器为CR10X,设定每2min采集1次,每10min输出1组平均值。蒸汽压亏缺(Vaporpressuredeficit,简称VPD)采用以下公式计算: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为空气相对湿度(%);Ta为空气温度(℃)。1.4数据处理及分析使用Excel2010整理试验所得数据并作图,用PASWStatistics18分析软件进行统计分析,对不同胁迫处理的栓皮栎进行One-wayANOVA分析并用最小显著差数法(LSD)进行多重比较,统计显著性水平为P<0.05。2结果与分析2.1日际间空气温度vpd的变化图1显示6月10日—26日期间内,温度相对稳定,日际间的最高气温和最低温度相差幅度分别在8℃和6℃之内,而相对湿度变化幅度较大,日际间的最高和最低相对湿度分别在50%—80%和20%—40%之间变化(图1)。VPD最大值在2.6—6.0kPa之间变化,而最小值在0.4—1.2kPa变化,相对稳定(图1)。试验期间均为晴天,太阳辐射从7:00开始迅速增加,19:00后太阳辐射降为零,日际间的最大值在650—840W/m2变化。温度和太阳辐射相对一致,有利于降低栓皮栎日际间的水分变化幅度,减少实验误差。2.2重度与重度胁迫之间的示踪速率图2结果显示,轻度和重度胁迫处理的示踪速率分别为0.10m/h和0.07m/h,低于充分灌溉处理约65.11%和74.73%,差异显著,但轻度与重度胁迫之间的示踪速率差异不显著。标准化后的结果显示,充分灌水、轻度和重度胁迫处理的氘同位素比率在注射后均明显增加,分别在注射后的9.78、27.56h和36.89h升至最大值,随后时间内充分灌溉处理的氘同位素比率下降速率较快,轻度和重度胁迫处理的氘同位素比率下降速度相对缓慢(图2)。2.3充分灌溉对滨水栓皮栎的同位素的影响注射前的栓皮栎枝条中氘同位素比率在-56.12‰—-48.11‰之间波动,三者之间无显著差异。但注射后氘同位素比率明显升高,充分灌溉、轻度和重度胁迫处理的栓皮栎最大氘同位素比率分别增加到586.67‰、997.33‰和1364.89‰,三者之间差异显著。注射后,充分灌溉栓皮栎的氘同位素达到最大值的时间最短,约为9.78h,轻度胁迫处理次之,比充分灌溉处理增加了约1.82倍,重度处理的时间最长,比充分灌溉处理增加了约2.77倍,三者差异显著(图3)。充分灌溉的示踪半减期为10.71h,轻度和重度胁迫处理的示踪半减期比充分灌溉处理分别增加了55.73%和88.35%,三者之间差异显著(图3)。充分灌溉处理栓皮栎树体内示踪剂残留期为76.89h,胁迫处理后示踪剂残留期明显延长,轻度和重度胁迫处理分别比充分灌溉处理增加了31.21%和92.49%,三者之间差异显著(图3)。2.4充分灌溉和重度胁迫对最大液流通量的影响图4结果显示注射氘示踪剂后,不同处理栓皮栎液流通量与注射前相比没有明显增大。统计显示充分灌溉、轻度和重度胁迫处理栓皮栎日均液流总量分别为2.59、2.12kg和1.66kg,相对于液流总量,注射的示踪剂量非常小,不会影响到树体液流变化。但是由于控制浇水,充分灌溉、轻度和重度胁迫处理的栓皮栎液流通量之间差别明显,充分灌溉处理最大液流通量在25.91—35.65gm-2s-1之间变动,轻度和重度胁迫处理的最大液流通量分别在15.67—24.48gm-2s-1和11.23—17.38gm-2s-1之间变化,且随着处理时间增加而逐渐降低(图4)。表1统计显示示踪最大值期、半减期内和残留期内轻度和重度胁迫处理的液流速率比充分灌水处理分别减小了47.62%和57.14%、50.00%和63.64%、60.00%和72.00%,差异显著。胁迫处理后,示踪最大值期和半减期内的轻度与重度胁迫处理之间差异不显著,但随着处理时间延长,残留期内轻度与重度胁迫处理之间差异显著。树液是示踪同位素载体,不同时期内累积液流量是各个时期内的载体流量总和,表1统计显示示踪最大值期内充分灌溉和轻度胁迫的累积液流量比重度胁迫处理少20.41%和15.38%,差异显著。在示踪半减期和残留期内,轻度和重度胁迫的累积液流量比充分灌溉处理分别增加了18.82%和33.33%、23.70%和28.41%,充分灌水与胁迫处理之间差异显著。2.5灌溉处理前后灌溉效果比较表1显示在示踪最大值期、半减期和残留期内,充分灌溉的枝条栓塞程度分别是36.03%,35.31%和34.95%,轻度和重度胁迫处理的枝条栓塞程度比充分灌溉处理分别增加了21.49%和32.44%、28.02%和41.90%、28.72%和53.11%,3个处理之间差异显著。胁迫处理使得枝条水势和蒸腾速率均下降,示踪最大值期、半减期和残留期内轻度和重度胁迫处理的枝条水势比充分灌溉处理分别降低了38.95%和58.12%、46.04%和69.41%、51.38%和77.11%,蒸腾速率分别降低了20.18%和28.38%、26.26%和37.93%、29.09%和42.09%,3个处理之间差异显著。3讨论3.1水分胁迫及液流速率长距离水分运输的速率是影响树木体内水分平衡、气孔调节以及对不同环境适应的重要因素,水分在树体内流动,需要有足够的动力。水分是氘示踪剂的载体,示踪速率越大则代表树体内水分运输的越快,表1统计显示充分灌水、轻度和重度胁迫处理的叶片蒸腾速率逐渐降低,三者间差异显著,叶片蒸腾速率与示踪速率成正相关,相关系数为0.8242(图5),方程达到极显著水平(P<0.01,n=27),这表明较强的蒸腾是树体水分快速流动的驱动力。蒸腾容易受到栓塞产生的水力信号影响,蒸腾速率减小与枝条栓塞增大在小时尺度上基本同步,气孔关闭对水力信号响应的时间较短,但表1结果显示胁迫处理后的较长时间内轻度和重度胁迫处理的蒸腾速率均显著下降,并随着时间延长下降程度越大,造成这种差别的原因可能是水分胁迫诱导根部产生ABA化学信号传导到叶片导致气孔关闭。ABA从根部传导到叶片需要时间,图2显示充分灌溉同位素比率增加到10%的时间一般在注射同位素后的8—12h,胁迫处理栓皮栎的时间则需要更长,说明根部产生的ABA运输到叶片时间至少要滞后8—12h以上。由于根部持续受到水分胁迫,不断产生ABA运输到叶片导致胁迫处理栓皮栎气孔部分关闭,因此示踪最大值期、半减期和残留期内蒸腾速率下降的原因是ABA化学信号和栓塞的水力信号共同作用的结果。水分在树体内快速运输,运输通道必须保持通畅,但水分亏缺时导管中的水柱容易被打断发生气穴栓塞,表1显示示踪速率随着栓塞程度的增加而减小,图5统计发现示踪速率与栓塞程度成显著的负相关(P<0.01,n=27),表明栓塞严重阻碍了木质部水分运输。水分在树体内连续流动形成液流,是反映植物蒸腾耗水和水分运输规律的重要指标之一。表1显示充分灌水、轻度和重度胁迫处理栓皮栎的液流速率逐渐降低,统计表明液流速率与示踪剂速率成显著的正相关(P<0.01,n=9),相关系数达到0.9789(详见图5)。有研究证实示踪速率和液流速率成线性相关,且这种关系不受树木种类和大小的影响。由于计算方法差异,本试验中示踪速率与液流速率单位不同,无法对其进行大小比较,但Meinzer等研究发现示踪速率并不等于液流速率,二者大小相差5倍左右,这可能是与插入热扩散探针的位置有关。轻度和重度胁迫处理造成枝条水势下降,图5显示示踪速率与枝条水势成显著的指数函数关系(P<0.01,n=27),这与Sperry等发现的枝条水势与枝条相对水分亏缺成典型的曲线关系相似,示踪速率随着枝条水势降低而降低,表明胁迫造成的低水势影响了树体内水分的运输,栓皮栎通过调整水势的变化来适应干旱环境变化。3.2水分运输速率示踪残留期是运输相同体积示踪剂所需要的时间,其长短决定水分运输效率在时间尺度上的高低。图6显示随着栓塞程度增加,半减期和残留期延长,二者成极显著的指数函数关系(P<0.01,n=27),表明木质部栓塞不可避免地造成水分运输功能失常,导致氘同位素运输受阻,造成运输效率下降。已有的研究成果认为木质部栓塞随着干旱胁迫的程度快速地变化,栓皮栎正是通过部分木质部栓塞降低水分运输的效率,以减少水分的耗散来适应水分亏缺的环境。随着栓塞程度增加,树干输水功能紊乱会导致气孔关闭和蒸腾速率下降,图6结果显示蒸腾速率与液流速率成显著的正相关(P<0.01,n=9),蒸腾的减小降低了水分运输速率,造成示踪半减期和残留期增加。但是,统计发现示踪半减期和残留期与蒸腾速率成极显著的幂函数关系(P<0.01,n=27),相关系数要高于线性关系(图6),可能原因是氘示踪剂除了进入液流参与蒸腾外,还有部分示踪剂与树体储水发生交换进入边材。边材在树木水分储存与交换中具有重要作用,Domec等发现同种树木的边材储水能力没有显著差异,但干旱或者剧烈蒸腾会造成边材组织水分亏缺,为了弥补水分亏缺夜晚从土壤中吸收更多的水分储存在边材,交换过程增加了示踪剂在树体内残留的时间。图4中轻度和重度胁迫的液流速率在夜晚略高于充分灌水处理也佐证了这一点。当白天蒸腾