榆林地区不同生境下沙棘根瘤特性研究

加建斌，李 刚，张永恒，艾银婷，陈 花

(1.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000；2.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000)

沙棘(Hippophae rhamnoides L.)为胡颓子科、沙棘属的多刺落叶性灌木，多分布于欧洲和亚洲[1],我国沙棘种植非常广泛，19个省份和自治区都有分布，约占全世界沙棘资源的90%以上[2]。沙棘是一种适应能力强，生长范围广的植物，因其抗旱、抗风和抗沙的特性，同时能在盐碱地生存，所以被广泛用于水土保持及具有较高的生态价值[3]。沙棘根系发达，有较强的蔓延分蘖能力，且大多数根上都结有根瘤，是除了豆科植物之外，根瘤中存在有与共生内生菌进行固氮作用的典型植物之一。有关研究表明，沙棘根系根瘤中存在有与其共生结瘤并具有固氮能力的弗兰克氏内生菌[4-5]。榆林地区位于毛乌素沙地和黄土高原过渡地带，风蚀沙化和水土流失严重，是黄河中上游水土流失最严重的地区之一，通过研究该地区不同生境下沙棘根瘤的分布特征和结构特点，对该地区沙漠化防治、水土保持及生态恢复具有积极的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沙棘植株：选取榆林地区毛乌素沙地和黄土高原丘陵沟壑区两种生境，不同树龄，长势良好的沙棘植株若干。随机选取20株，完整挖取根系。采样植株生境概况如表1所示。 根系于密封袋内带回实验室进行相关数据的测量。将植株根系测量结果按0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、60～70cm和70～80cm生长土层分层,用游标卡尺测量其根系直径，按不同生长土层称取其根瘤重，并记录数据。

1.2 沙棘根瘤石蜡包埋切片的制备

根据要求选取材料，经固定、洗涤和脱水、透明、浸蜡、包埋、切片与贴片、脱蜡、染色、脱水、透明、封片等一系列步骤制作根瘤石蜡切片，如图1所示。

图1 石蜡包埋切片制作流程

表1 沙棘采样的不同生境及树龄概况

2 结果与分析

2.1 不同生境沙棘根瘤分布特征

2.1.1 不同生境不同土层深度沙棘根瘤的分布情况

表2 不同生境沙棘根瘤在不同土层深度的重量分布

注：*表示p<0.05差异显著，**表示p<0.01差异极显著。

不同生境沙棘根瘤在不同土层深度的生长情况不同。不同生境土层根瘤分布见表2。由表可知沙棘根瘤在不同生境不同土层深度的生长情况各不相同。根瘤的生长范围在土壤0～80cm深度之间，深于80cm基本无根瘤着生。不同生境相比较，根瘤在0～10cm、10～20cm、70～80cm都存在极显著差异(p<0.01)，在60～70cm土层存在显著差异(p<0.05)，在20～30cm、30～40cm、40～50cm和50～60cm无显著差异(p>0.05)。这表明在本区0～20cm土层沙土生境在根瘤极显著少于黄土生境，在20～60cm土层中根瘤基本相同，在60～70cm土层沙土生境根瘤显著多于黄土生境，在70～80土层沙土生境根瘤极显著多于黄土生境。这同时也表明沙棘根瘤着生情况在不同生境主要差别在20cm之上的浅表层和60cm以下的深土层，随土层越接近于表层沙土中根瘤生长越少，随深度的增加黄土中根瘤生长越少(见图2)。虽然不同生境沙棘根瘤生长土层深度一致，但是主要分布土层存在差异，黄土生境中主要分布于0～40cm土层，沙土生境主要分布于10～40cm土层。前者与张吉科[6]研究结构一致，同时也与刘洪章[7]对蒙古沙棘的研究结果一致，但是对中国沙棘的研究结果表明沙棘根瘤主要分布于10～60cm土层，存在很大不同；后者与胡建忠[8]对砒砂岩区沙棘的研究结果基本一致，砒砂岩区根瘤主要分布于10～30 cm土层，与沙土生境一样，沙棘根瘤主要分布于相对表层土壤。

2.1.2 不同生境沙棘根瘤在不同根系直径上生长情况

根瘤生长部位根系直径在0.1～1cm之间，在侧根上0～80cm土层深度分布不等。将根系直径分为<0.1cm、0.1～0.3cm、0.3～0.6cm、0.6～1cm、>1cm五个等级，统计出沙棘不同直径根系上根瘤的生长重量情况如下表所示：

图2 根瘤在不同土质的重量

表3 沙棘根瘤在不同根直径的重量情况

由上表知，不同生境沙棘根瘤重量随根系直径的变化而变化。两种生境沙棘根系直径<0.1cm时，基本无根瘤着生；在根系直径为0.1～0.3cm时，黄土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分别为22.85g和22.2g；在根系直径为0.3～0.6cm时，黄土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分别为38.4和42.1g；在根系直径为0.6～1cm时，黄土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分别为69.4和42.2g；在根系直径>1cm时，黄土生境和沙土生境沙棘根瘤重量分别为105.3和91.2g。由此可说明沙棘根瘤随根系直径的增大，重量也相应增加。同时黄土生境沙棘根瘤重量明显多于沙土生境，说明沙棘根瘤在黄土中结瘤能力要大于沙土，从调查采样中也发现黄土中沙棘根瘤体积普遍大于沙土中。从不同土层来看，随土层深度的增加，沙棘根瘤重量在所有根系都呈递减趋势，这与胡建忠[8]对砒砂岩区沙棘根瘤分布特征的研究结果一致。

2.1.3 不同生境沙棘根瘤在不同树龄的生长情况

沙棘的繁殖主要以分蘖为主，根生长迅速，在一个三年生的沙棘根系上，可以看到一个分布非常广、结瘤非常多的庞大的根瘤固氮体系[9-10]。随沙棘树龄的增加，孽生苗也逐渐增多，着生的根瘤量也相应增多，从调查结果来看，不论是黄土生境还是沙土生境，沙棘根瘤重量都随沙棘树龄的增大而增加，同时黄土生境下根瘤着生数量高于沙地生境(见图3)。沙棘根系发达，孽生苗多，所以其所覆盖的地面面积较大，课题组曾从10年生沙棘植株中挖掘到超过15m的侧根，孽生苗超过了8株。以此计算一株10年生沙棘至少可以覆盖700m2的地面面积。黄土和沙土生境10年生沙棘如果平均以75g和60g鲜重根瘤，而鲜瘤的平均固氮活性为15.0umoLC2H4/(g·h)[11]计算的话，不同生境固氮量分别为7.88mg/h、6.3mg/h。也即一株10生黄土和沙土生境沙棘一年可以固氮量可分别达到69.03g和55.19g。

图3 两种生境下根瘤随树龄的重量

2.2不同生境沙棘根瘤形态的研究

2.2.1 外部形态

不同生境沙棘根瘤外形基本一致，根瘤都是着生于侧根或主根上，为球形的瘤状突起物，表面比较粗糙，且高低不平，幼小的当年生根瘤多为白色，多年生根瘤颜色逐渐变深为灰褐色。这与张倩[12]和赵丽辉[13]研究结果一致。虽然两种生境根瘤外部形态基本一致，但在根瘤大小上存在差异。沙地生境沙棘根瘤体积较小结瘤数量较多，较为分散；黄土生境沙棘根瘤体积较大，结瘤数量较少，较为集中(见图4)。

图4 不同生境沙棘根瘤外形

2.2.2显微形态结构

根据沙棘根瘤的显微结构，可把根瘤分为表皮、皮层和中柱构成。皮层是由数层薄壁细胞构成，在皮层中部的薄壁细胞中，存在大量由弗兰克氏菌菌丝分化而形成的泡囊结构，泡囊被认为是弗兰克氏菌的固氮场所。泡囊的多少决定了固氮能力的高低，泡囊越多固氮能力越强[14]。根瘤的中部有很明显的中柱结构，中柱外有类似于中柱鞘的细胞结构。这些细胞被弗兰克氏菌侵入，细胞质也比较厚，染色偏深。曲东明[15]等通过投射电镜对中国沙棘根瘤超微结构进行了观察研究，发现沙棘根瘤内生菌存在菌丝、泡囊和内生孢囊三种不同的形态，其中内生孢囊比较少见。实际上这三种形态是内生菌菌丝侵入根系的三个不同时期，早期(4～5月)体现了菌丝的浸入，根内细胞只是发生了体积的增大，超微结构可见菌丝围绕在核周围；随着侵入的增加和菌丝的发生发育，浸染细胞开始出现泡囊，此即为中期(7～10)；后期(10月至来年3月)浸染细胞逐渐衰败，细胞核和细胞器降解消失，最终成为一团空壳，在显微结构中呈现中空透明的空泡状结构(见图5)。不同生境相比较，沙土生境生长的根瘤中柱结构细长，而黄土生境生长的根瘤中柱结构短而粗。沙土生境根瘤薄壁细胞排列稀松，细胞内含有泡囊数量较少。黄土生境根瘤薄壁细胞排列致密，细胞内含有的泡囊结构较多，并且在中柱，皮层中部均有。所以从结构来看过黄土生境根瘤的固氮活力应强于沙土生境根瘤。

图5 不同生境沙棘根瘤显微结构图

3 结论与讨论

沙棘根系发达，具有较强的分蘖能力，大多数根系都结有根瘤。而根瘤主要分布在一级侧根，主根上没有。本区不同生境沙棘根瘤都分布在0～80cm土层中，黄土生境中主要分布于0～40cm土层，沙土生境主要分布于10～40cm土层，且随土层越接近于表层沙土生境中根瘤生长越少，随深度的增加黄土生境中根瘤生长越少。不同生境沙棘根瘤随根系直径的增大，重量也相应增加。同时黄土生境沙棘根瘤重量明显多于沙土生境，说明沙棘根瘤在黄土中结瘤能力要大于沙土。沙棘根瘤重量都随沙棘树龄的增大而增加，不同生境相比较黄土生境下根瘤着生数量高于沙地生境。不同生境沙棘根瘤主要分布土层虽有差异，但主要分布土层都集中在了表层土壤，这是由于在不同生境土壤温度、通气状况基本相同而导致的[14]，同时也可能与沙棘根际微生物的分布及土壤肥力特别是氮含量有关，这有待进一步研究。不同生境沙棘根瘤随根系直径的增大而增加，是由于沙棘根系大于1cm的根系基本上大多数分布在土表40cm之上，导致根瘤量的增多。在调查过程中还发现，在黄土生境中在7年树龄以上的生境植株都存在较严重的沙棘木蠧蛾的钻驻现象，但是根瘤重量减小不明显，这可能与其孽生有关，如果主干植株收到虫害的侵袭，其根系就补偿性的生长更多的孽生苗和发生更多的根系，以维持其活力，这有待进一步研究。

不同生境沙棘根瘤外形基本一致，根瘤都是着生于侧根或主根上，为球形的瘤状突起物，表面比较粗糙，且高低不平，幼小的当年生根瘤多为白色，多年生根瘤颜色逐渐变深为灰褐色。沙地生境沙棘根瘤体积较小结瘤数量较多，较为分散；黄土生境沙棘根瘤体积较大，结瘤数量较少，较为集中。沙棘根瘤沙棘根瘤包括表皮、皮层和中柱三部分结构。它们都是由中柱分生细胞分化、发生和形成，所以和侧根具有同源性[14]。不同生境相比较，沙土生境根瘤中柱细长，黄土生境根瘤中柱短而粗。沙土生境根瘤细胞内含有被染色的泡囊结构较少。黄土生境根瘤细胞内含有的泡囊结构较多，并且在中柱，皮层中部均有。所以黄土生境根瘤的固氮活力强于沙土生境根瘤。

榆林地区处于毛乌素沙地边缘与黄土高原过渡地带，沙棘植株适应性强，能防风固沙。根瘤可以发挥积极的固氮作用，形成的化合物是土壤中氮素的主要来源[16]。从而提高土壤的含氮量，对保持土壤肥力，控制水土流失有着重要的作用[17]。