水淹和密度对牛鞭草与狗牙根碳水化合物的影响

李晓雪，李昌晓

(西南大学生命科学学院； 三峡库区生态环境教育部重点实验室； 重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室,重庆 400715)

三峡水库建成后，根据大坝的运行规律，每年9月下旬水库开始蓄水，水位逐步升高至175 m，12月至次年4月都维持在较高水位，到次年的5月水位才开始逐步降低到低水位，这就使得库区消落带植物每年连续数月处于水淹环境中。在水淹环境中，氧气溶解度不高[1]，与空气中相比，水中的氧气含量很低,氧气在空气中的浓度大约是8.3 mol·m-3，即使在充满氧气的水中(25 ℃水温)，溶解氧的浓度也只有空气中的1/33，大约为0.25 mol·m-3[2]。其次，氧气在水中的扩散速率远低于其在空气中的扩散速率,氧气在空气中的扩散系数为0.201 cm2·s，在水中的扩散系数为2.1×10-5cm2·s[3]。另外，植物在水淹环境中获得的光辐射很少[4]，光合作用受到限制，光合效率降低，导致植株体内的营养储备大量减少[5-7]。近年来很多研究发现耐水淹植物会从形态、生理和生化等方面对水淹胁迫做出响应以减轻水淹环境对其造成的危害[8-9]。有研究表明，非结构性碳水化合物在植株体内的代谢对植株在水淹胁迫下的存活具有重要意义[10]。但非结构性碳水化合物的代谢会受到很多因子的影响[11]。已有研究表明水淹胁迫会对非结构性碳水化合物的代谢产生影响[12]，但是密度配置对植物的非结构性碳水化合物是否产生影响以及如何影响还鲜有报道。

狗牙根(Cynodondactylon)与牛鞭草(Hemarthriaaltissima)均属于禾本科多年生草本植物[13-14]，二者都具有较强的水淹耐受性。本试验重点研究狗牙根与牛鞭草在不同水淹处理和不同密度配置下植株体内可溶性糖含量和淀粉含量的变化，以探讨狗牙根与牛鞭草对水淹胁迫和密度配置的生理响应，为利用两草本植物恢复三峡库区消落带或其他河岸带植被提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2016年4月28日于重庆北碚嘉陵江边采集自然生长的牛鞭草和狗牙根，并将牛鞭草截成10 cm左右含有3个节的小段，狗牙根截成10 cm左右带有3个芽孢的小段，按试验设计比例扦插至内径30 cm，高25 cm的盆钵中，之后将所有盆栽试验用苗置于西南大学生态试验园的遮雨棚下(棚顶透明，四面敞开)进行相同条件的适应生长，并给予除草等常规管理。于2016年6月20日开始进行试验处理。

1.2 试验设计

本研究设置2个处理因素，即水分处理和密度配置。其中水分处理分别为对照组(CK)：正常供水，土壤含水量为田间持水量的60%～63%；浅淹组(SF)：水淹超过土壤表面10 cm；全淹组(TF)：水淹超过土壤表面2 m。密度配置采用取代系列试验法[15]，每盆种植12株植物(相当于种植密度为195株·m-2)，设置7种配置比例，每盆牛鞭草与狗牙根株数分别按2株进行递增与递减，具体的配比分别为H0C12，H2C10，H4C8，H6C6，H8C4，H10C2，H12C0，采用完全随机区组试验设计，盆内种植示意图如图1所示：

图1 牛鞭草与狗牙根栽植示意Fig. 1 Planting configuration of Hemarthria altissima and Cynodon dactylon

从试验处理第1天开始，每天对试验材料进行观察，并确保各处理组保持设定的土壤含水量。处理60 d后对各项指标进行测定，每个处理3次重复。

1.3 测定指标及方法

生长形态指标包括株高、基茎、总根长、根直径。测定植株的株高采用卷尺测量法，基茎采用游标卡尺测量法。通过WinRHIZO La 2400根系扫描仪扫描根图像,测量植株的根长、根直径。取样时将植株的根、茎、叶分开，放置于80 ℃烘箱中烘干至恒重以备用。分别测定根、茎、叶中的可溶性糖含量和淀粉含量，测定方法主要参照高俊凤的方法[16]。

1.4 数据处理和分析

利用SPSS 18.0软件双因素方差分析(two-way ANOVA)进行数据分析，并运用Duncan检验法检验不同处理下各个指标差异显著性。利用软件Origin 8.5绘图，Microsoft word制表。

2 结果

2.1 水分处理和密度配置对狗牙根与牛鞭草可溶性糖和淀粉含量影响的方差分析结果

水分处理极显著影响狗牙根根、茎、叶各部分的可溶性糖含量和根部的淀粉含量(P<0.01)(表1)，显著影响茎的淀粉含量(P<0.05)，但对叶的淀粉含量没有显著影响(P>0.05)。水分处理对牛鞭草根、茎、叶各部分的可溶性糖含量和淀粉含量均有极显著影响(P<0.01)(表2)。

密度配置对狗牙根根、叶部分的可溶性糖含量和根部的淀粉含量均有显著影响(P<0.05)，但对茎的可溶性糖含量以及茎、叶部分的淀粉含量没有显著影响。密度配置对牛鞭草根可溶性糖含量、根淀粉含量、叶淀粉含量有极显著影响(P<0.01)，对叶可溶性糖含量、茎淀粉含量有显著影响(P<0.05)，但对茎可溶性糖含量没有显著影响(表2)。

水分与密度配置的交互作用对狗牙根根、茎、叶的可溶性糖含量以及根、叶部分的淀粉含量均有显著影响(P<0.05)，但对茎部的淀粉含量没有显著影响(表1)。水分与密度配置的交互作用对牛鞭草根可溶性糖、根淀粉以及叶淀粉含量均有极显著影响(P<0.01)，对茎可溶性糖、叶可溶性糖含量有显著影响(P<0.05)，但对牛鞭草茎淀粉含量没有显著影响(表2)。

2.2 水分处理和密度配置对狗牙根可溶性糖和淀粉含量的影响

与对照相比，同一密度配置下浅淹组狗牙根根部的可溶性糖含量增加，淀粉含量降低；深淹组狗牙根根部可溶性糖和淀粉含量较对照组有所降低。与对照相比，浅淹组和深淹组狗牙根茎可溶性糖含量均呈现显著降低趋势(P<0.05)，且深淹组的降低幅度大于浅淹组。与对照相比，同一密度配置下(H10C2除外)，浅淹组狗牙根的叶可溶性糖含量增加，在经历了60 d水淹后，狗牙根深淹组的叶片已完全凋落，所以没有得到狗牙根叶片在深淹组的可溶性糖和淀粉含量。

表1 水分处理和密度配置对狗牙根可溶性糖和淀粉含量影响的方差分析结果 Table 1 ANOVA of the effects of water treatments and density configurations on sugar and starch content of Cynodon dactylon

表2 水分处理和密度配置对牛鞭草可溶性糖和淀粉含量影响的方差分析结果Table 2 ANOVA of the effects of water treatments and density configurations on sugar and starch content of Hemarthria altissima

在对照组，随着牛鞭草在混植体系中所占比例的增大，狗牙根根淀粉含量有逐渐降低的趋势(图2)；狗牙根茎可溶性糖含量在H2C10下显著高于其他密度配置下的可溶性糖含量(P<0.05)。在浅淹组，茎可溶性糖含量在H2C10下最高，且显著高于狗牙根单植即H0C12下的含量(P<0.05)。深淹组，狗牙根单植处理下的根淀粉含量高于其他密度配置下的根淀粉含量。

图2 水分处理和密度配置对狗牙根可溶性糖和淀粉含量的影响Fig. 2 Effect of water treatments and density configuration on sugar and starch content of Cynodon dactylon

不同大写字母表示同一密度配置下不同水分处理间差异显著(P<0.05); 不同小写字母表示同一水分处理不同密度配置间差异显著(P<0.05)。图3同。

Different capital letters of same density configuration indicat significant differences among different water treatments at the 0.05 level; different lowercase letters of same water treatment indicate significant different among different density configurations at the 0.05 level; similarly for Table 3.

2.3 水分处理和密度配置对牛鞭草可溶性糖和淀粉含量的影响

与对照相比，浅淹组牛鞭草根淀粉含量在H2C10、H4C8密度配置下降低，在H6C6、H8C4、H10C2、H12C0密度配置下显著增加(P<0.05)。深淹组与对照相比，根淀粉含量在H2C10密度配置下显著降低(P<0.05)。对照相比，同一密度配置下，浅淹组和深淹组茎可溶性糖含量均显著增加(P<0.05)，且浅淹组比深淹组增加的幅度大。深淹组牛鞭草淀粉含量与对照组牛鞭草淀粉含量相比增加(P<0.05)(图3)。

在对照组， H2C10密度配置下牛鞭草根部可溶性糖、淀粉含量、地上部分(茎、叶)可溶性糖含量最高。浅淹组，在牛鞭草所占比例高的密度配置下，根部可溶性糖、淀粉含量、地上部分(茎、叶)淀粉含量较高。在深淹组，牛鞭草根部可溶性糖、淀粉含量在其所占比例较低的密度配置下含量较高，且在H2C10下其根可溶性糖含量最高，根淀粉含量随着牛鞭草在混植体系中所占比例的增大而逐渐减小。深淹处理下，在牛鞭草所占比例较高的配置即H8C4、H10C2、H12C0下茎可溶性糖含量较高，牛鞭草单植处理下的叶可溶性糖含量显著低于混植处理下牛鞭草的叶可溶性糖含量(图3)。

图3 水分处理和密度配置对牛鞭草可溶性糖和淀粉含量的影响Fig. 3 Effect of water treatments and density configuration on sugar and starch content of Hemarthria altissima

3 讨论

非结构性碳水化合物是一类重要的贮藏性营养物质，这些贮藏性营养物质的代谢在很大程度上影响着植株的生长和对环境因子的响应[17]。在不同的水分处理下，水中的溶氧、光照等环境因子不同，水淹环境中植物的呼吸作用和光合作用就会出现很大变化，从而影响贮藏性碳水化合物含量的变化。水下低氧环境使得被水淹植物的呼吸方式由有氧呼吸转变为无氧呼吸[18]，无氧呼吸的效率很低，导致植物体内储备的营养物质消耗剧烈[19]，在长时间的完全水淹条件下，厌氧或缺氧胁迫导致植株体内碳水化合物饥饿[20],这将对植株的生存和生长造成极大的危害。光合作用是植物最重要的代谢活动，光照也是植物生长发育必备的环境因子[21]。水淹环境中，光照强度会随着水淹深度加深而逐渐减弱，植物在水下获得的光辐射也随之减少，光合作用受阻，使得植株体内的营养储备大量减少[22]。有研究表明，非结构性碳水化合物的储存和转移，在植物响应环境胁迫过程中起关键作用[23-24]。研究发现，光限制条件下，海草不能维持正常的碳平衡，其组织中淀粉就会被利用以满足植株碳需求，甚至可能会消耗地下组织的生长来支持叶的生长[25]。在本研究中，浅淹环境下，牛鞭草茎的可溶性糖含量低于根部的糖含量，可能原因是在浅淹条件下，牛鞭草采用“逃避”策略适应水淹环境[26-27]而使得茎伸长生长，消耗了茎部的可溶性糖，又由于牛鞭草植株在该环境下获得的光辐射较少，从而叶片进行光合作用受阻，导致叶片的糖含量较低。但是在深淹环境下，牛鞭草茎、叶的生长得到维持，而根部可溶性糖和淀粉含量却小于茎、叶的可溶性糖和淀粉含量，这可能是由于在深淹条件下，水中光照强度小，又有水压的胁迫，牛鞭草无法通过光合作用制造有机物物支持茎的向上伸长而“逃离”该环境[28-29]，为了保证存活，地下根的可溶性糖、淀粉转移到了茎、叶，且在深淹条件下，水中溶氧低，牛鞭草地下根在缺氧的环境下，需要有足够的可溶性糖、淀粉来支持厌氧代谢，这进一步降低根部可溶性糖、淀粉的含量[30]。在浅淹条件下，狗牙根主茎会发生明显的伸长[31]，快速地伸长生长消耗过多的能量储备，最终导致浅淹组的叶淀粉含量低于根、茎部分的淀粉含量。在深淹处理下，虽然无氧呼吸剧烈会消耗大量的有机物，但是由于狗牙根主茎没有生长[31]，所以在深淹组狗牙根的茎还是保持了较高的淀粉含量。然而，在深淹条件下狗牙根根部可溶性糖、淀粉的含量却低于茎部，这可能是由于狗牙根为了最大限度地减少叶片脱落所引起的碳损失，同时确保地上组织有足够的可溶性糖、淀粉来支持狗牙根生长[32]而把根部的可溶性糖、淀粉转移到了茎部，这意味着狗牙根体内发生碳转移以应对水淹的胁迫[33]。

植物的生长，首先要保证有足够的叶面积以截获更多的日光能，才能产生更多的有机物质[34-35]。如果群体中植株密度很稀，群体的总叶面积较小，虽然其中的各个单株能得到较充分的光照，但是群体的生长状况则因叶面积总量较小而比密度较大的群体差。如果群体中植株过于密集，叶面积指数过大，则由于叶片相互严重遮阴，使植株中下部的光照减弱，反而降低群体内总叶片的平均光合生产率，从而使群体的生物生产量降低[36-37]。本研究中，在对照组，与单植狗牙根、牛鞭草相比，混植体系中狗牙根根部的平均可溶性糖、淀粉含量都有所降低，地上部分可溶性糖、淀粉含量有所升高。牛鞭草根部平均可溶性糖、淀粉含量有所上升，地上部分的可溶性糖含量与单植相比却下降了。这是因为狗牙根植株相对较低，在混植体系中所占比例越小，生存空间越小，只有通过消耗根部的可溶性糖、淀粉来支持个体高度的增加从而来争取更多的空间，才能吸取来自冠层上部光的辐射，获得较为适宜的光照条件以供生存[38-40]。牛鞭草能够直立生长且生长迅速，在混植体系中能够接受较多的光辐射，光合速率比较大，可储存更多的可溶性糖和淀粉[41]。在浅淹组，与单植相比，混植体系中狗牙根和牛鞭草的地上可溶性糖、淀粉含量都有所增加，牛鞭草根部的平均可溶性糖、淀粉含量与单植相比有所下降。这可能是由于牛鞭草植株高度本身比狗牙根高，空中资源优势使其可溶性糖、淀粉含量增加，狗牙根在混植组合中所占比例越多，牛鞭草对其遮阴环境减少，从而促进了狗牙根地上可溶性糖、淀粉含量的增加。而牛鞭草根部可溶性糖、淀粉减少，可能原因是，在浅淹组，牛鞭草有明显的不定根形成[31]，研究发现不定根的形成是许多耐水淹植物对水淹的一种主要适应方式[42]，不定根能迅速取代因缺氧而窒息甚至死亡的初生根，保持根系的活力和功能[43]。而不定根的形成同时也消耗了牛鞭草根部的可溶性糖、淀粉。在深淹组，与单植相比，狗牙根和牛鞭草在混植体系中地下、地上部分的可溶性糖、淀粉含量都有所降低。这可能是由于在单植时，相同的遗传特性造成了植物对资源的相似利用方式，植株间主要是种内竞争。混植导致种内和种间竞争[44]都会发生，资源(尤其是光资源)限制了狗牙根与牛鞭草的光合作用，使二者在混植体系中制造的可溶性糖、淀粉含量降低。

4 结论

正常供水条件下，混植体系中植株在牛鞭草∶狗牙根为2∶10(H2C10)密度配置下生长状况良好且可溶性糖、淀粉含量较高，可以考虑在三峡库区消落带高海拔无水淹地区以H2C10的比例配置牛鞭草与狗牙根，进行栽培草地的恢复；浅淹处理条件下，狗牙根与牛鞭草茎、叶的偏上性生长消耗了可溶性糖、淀粉，使得茎、叶的可溶性糖、淀粉含量低于根部；深淹处理组，狗牙根叶片掉落死亡，降低了植株可溶性糖、淀粉的消耗，从而保证整株植株在全淹条件下的存活，牛鞭草在深淹下消耗根部的可溶性糖、淀粉维持生存，使地下部分的可溶性糖、淀粉含量低于地上部分。综合考虑，水淹条件下混植体系中植株的生长状况以及可溶性糖、淀粉含量，建议在三峡库区水淹地区采取牛鞭草∶狗牙根为8∶4(H8C4)密度配置对牛鞭草、狗牙根进行混植。