鲁中丘陵山地干旱生境上11个树种的细根解剖特征与耐旱策略*

刘洪凯 陈 旭 张明忠 王 强 王延平,

(1.黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室 泰安271018； 2. 山东农业大学林学院 泰安271018；3. 山东省林业外资与工程项目管理站 济南250014)

干旱导致的树木死亡是森林生产力的重要限制性因子之一(Choatetal., 2018)。针对干旱立地的造林树种选择与应用是林学和生态学共同关注的问题。干旱生境中植物可做出形态、生理生化、分子等诸多方面的响应，以适应水分条件的变化(Shaoetal., 2008)。就根系而言，遭受长期干旱的植物可逐步形成适应胁迫的根系形态 (Kembeletal., 2011)。根系解剖结构可直观反映树木应对干旱逆境的生态适应策略(Macetal., 1991)，通常根内导管直径大、导管数目多、维管柱直径大，预示着植物具有较强的输水性能以抵抗干旱(Zimmermann, 1982; Tyreeetal., 1994)。但是，极端干旱条件下导管的栓塞现象将导致植物体内输水能力严重下降甚至丧失(McDowelletal., 2008)，这一过程与植物根系吸水和供水模块的形态结构可能具有密切关系。根系具有复杂的分支结构，不同分支等级的细根在形态和结构上具有显著差异，从而导致其功能产生分异(Pregizeretal., 2002)。对水曲柳(Fraxinusmandshurica)、落叶松(Larixgmelinii)(Guoetal., 2008)和杨树(Populusspp.)(许坛等, 2015)等多树种的研究结果均表明，位于根系最先端的1～2级细根通常具有吸收根的特征，而3级及以上细根主要发挥输导作用。因此，探讨各根序细根对干旱胁迫的响应将更能体现植物的适应策略。

目前，虽然开展了一些细根解剖结构特征研究(Kongetal., 2014; Liuetal., 2019)，但是对同质生境内多个树种细根解剖结构的比较研究相对较少，并且尚未建立细根解剖结构特征与干旱环境下树种水分利用策略的联系。鉴于此，本研究基于2011年世界银行贷款山东生态造林项目的树种选择试验样地，选取鲁中干旱瘠薄山地常见的11个树种，在根序划分的基础上对1～3级细根(直径< 1 mm)解剖结构特征进行比较分析，以期揭示不同树种应对干旱胁迫的生态适应策略与细根解剖结构的关系，为今后干旱瘠薄山地造林树种选择及耐旱机制研究提供依据。

1 研究区概况

研究区域位于山东省新泰市汶南镇(117°42′—117°47′E，35°45′—35°48′N)，海拔268～467 m。该区域位于鲁中山地丘陵地区，属暖温带大陆性季风气候区，多年平均气温13.2 ℃，年均降水量715 mm，年均蒸发量690 mm，季节性干旱是限制该区域植被建设的重要因素。试验样地土壤类型为褐土，土层较薄(20～50 cm)，土壤保水性差。原生植被主要由胡枝子(Lespedezabicolor)和百里香(Thymusmongolicus)等低矮灌木和雀稗(Paspalumthunbergii)、隐子草(Cleistogeneshancei)等草本植物组成，偶见君迁子(Diospyroslotus)、黄连木(Pistaciachinensis)和臭椿(Ailanthusaltissima)等乔木树种。2011年，依托世界银行贷款山东生态造林项目，在研究区引入桑树(Morusalba)、君迁子、皂荚(Gleditsiasinensis)、黄连木、苦楝(Meliaazedarach)、黄栌(Cotinuscoggygria)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、海州常山(Clerodendrumtrichotomum)、荆条(Vitexnegundo)、连翘(Forsythiasuspensa)和金钟花(Forsythiaviridissima) 11个树种进行造林树种选择试验。为符合世界银行对造林项目树种应用的要求，这些树种均为鲁中山地丘陵区常见的乡土树种。造林苗木均为2年生裸根苗； 造林整地方式为40 cm(长)×40 cm(宽)×30 cm(深)穴状整地； 株行距为2 m×3 m，共计完成造林面积4.32 hm2。随后进行严格管护，造林保存率95%左右。

2 研究方法

2.1 根系取样和解剖特征观察 2017年7月对每个树种选取长势良好的5株，采用挖掘法进行根系取样。随后，每株选取3个具有完整根序的细根作为样本，用去离子水洗净后放入FAA固定液中固定，储存在冰盒内带回实验室。按Pregitzer (2002)的方法区分1～3级细根，即根系最先端的根为1级根，1级根所着生的母根为2级根，2级根所着生的母根为3级根。每个完整根序中每根序细根切取5个根样，制作细根横剖面石蜡切片。采用Nikon Eclipse E200生物显微镜观察细根切片，用Scope Image 9.0软件进行成像拍照。记录每张切片上细根的剖面直径、皮层厚度、维管柱直径、导管内径及导管数，并计算导管密度。本研究共计完成2 475个细根的解剖特征测定(11个树种×5个植株×3个根系×3级根序×5个切片)。

2.2 数据处理 计算各树种1～3级细根解剖特征数据的平均值和标准差(Mean ± SD)，采用SPSS 19.0的单因素方差分析法(One-way Anova)比较各树种细根解剖结构特征的差异显著性并进行检验 (α=0.05)，采用Origin 8.0软件绘图，采用Canoco 5.0软件进行细根解剖特征主成分分析。

3 结果与分析

3.1 根直径 由图1可知，11个树种的1～3级细根剖面直径总体上随着根序的升高而增大。就1级细根而言，剖面直径最小的是黄连木(182.49 μm)，剖面直径最大的是皂荚(819.42 μm，约是黄连木剖面直径的4.5倍)。在2级细根中，荆条的剖面直径最小(210.77 μm)，皂荚的剖面直径最大(1 201.76 μm)。在3级细根中，荆条的剖面直径最小(278.04 μm)，黄栌的剖面直径最大(1 366.24 μm)。整体而言，相同根序细根的剖面直径在不同树种间差异显著 (P< 0.05)。上述结果说明，与直径密切相关的细根吸收表面积在不同树种间可能存在显著差异。

3.2 皮层厚度 由图2可知，1级细根中，海州常山的皮层最薄(29.88 μm)，皂荚的皮层最厚(300.34 μm，约是海州常山皮层厚度的10倍)； 在2级细根中，桑树的皮层厚度最小(19.05 μm)，皂荚的皮层厚度最大(254.24 μm，约是桑树皮层厚度的13倍)； 同根序细根的皮层厚度在不同树种间也存在显著差异(P< 0.05)。皮层是土壤水分进入细根输水组织的必经途径，其厚度在一定程度上决定了土壤水分进入根内维管系统需要跨越的横向距离。上述结果说明，由于树种间1～2级细根皮层厚度的不同，土壤水分进入根内维管束的效率在树种间可能存在显著差异。

3.3 维管柱直径及导管性状 由表1可知， 3级细根维管柱直径最大的是黄栌 (616.22 μm)，最小的是黄连木 (182.47 μm)； 苦楝根内导管内径最大(54.57 μm)，黄连木的导管内径最小(11.75 μm)； 黄连木根内的导管密度可达到701.10 个·mm-2，约是苦楝的的 13倍(53.17 个·mm-2)。由于3级细根主要发挥输导作用，其维管柱直径和导管性状决定了根内水分的输导能力。上述研究结果说明，水分在不同树种3级细根内的传输效率可能存在差异。

图1 不同树种1～3级细根剖面直径的比较Fig.1 Comparison on the root diameter of 1 to 3 order in 11 tree species不同小写字母表示相同根序的细根直径在不同树种间差异显著(P< 0.05)，下同Different letters mean significant differences of root diameter with the same order among tree species (P< 0.05)，the same below.

图2 不同树种1～2级细根皮层厚度的比较Fig.2 Comparison on the cortex thickness of 1 to 2 order roots in 11 tree species

表1 不同树种3级细根的维管柱直径及导管性状比较①Tab.1 Comparison on the root stele diameter and vessel traits of the third order roots in eleven trees

3.4 细根解剖特征的主成分分析 对11个树种1～3级细根解剖特征的主成分分析表明，前2个主成分的累积贡献率达到了84.21%(图3)，可以代表11个树种解剖特征的主要信息。在主成分1中，1级根直径、2级根直径、1级根皮层厚度和2级根皮层厚度这4个指标的载荷较大，分别为0.967、0.961、0.942和0.917(表2)，这些指标代表细根吸收功能性状，可以解释细根特征变化的46.2%。第2主成分中，3级根直径、3级根维管柱直径、3级根导管内径、3级根导管密度这4个指标的载荷量绝对值较大，分别为0.713、0.977、0.920和0.766，可以解释细根特征变化的38.02%，这4 个指标均表征细根输导能力。

根据PCA分析结果，综合考虑各树种1～3级细根吸收功能和输导功能的分异，将11个树种划分为3组(图4)。A组： 根细、皮层薄、输导组织密集型，包括桑树、荆条、海州常山、黄连木、君迁子、连翘、花椒和金钟花8个树种，其典型特征为细根直径和维管柱直径小，1～2级根序细根皮层薄，3级细根导管内径小但密度较大。 B组： 根细、皮层薄、输导组织疏松型，包括黄栌和苦楝2个树种，这一类型树种1～2级根序细根直径较小、皮层薄，3级细根导管密度小、导管内径大。 C组： 根粗、皮层厚、输导组织密集型，只有皂荚1个树种，其典型特征为细根直径和维管柱直径较大，导管密度大，导管内径小，显著区别于其他树种。3组类别中，A 组(根细、皮层薄、输导组织密集型)树种最多，并且所占得比例最大，C组(根粗、皮层厚、输导组织密集型)只有皂荚1个树种，这说明大多数树种通过增强细根的吸水功能来适应干旱立地环境。

图3 11个树种细根解剖结构特征的PCA分析Fig.3 PCA analysis on the fine root anatomical traits of 11 tree speciesA： 根细、皮层薄、输导组织密集型 Ttrees with thin root and cortex and with compacted transport tissues； B： 根细、皮层薄、输导组织疏松型Trees type with thin root and cortex and with loose transport tissues； C： 根粗、皮层厚、输导组织密集型Trees type with thick root and cortex, and with compacted transport tissues.; Moal: 桑树Morus alba； Dilo: 君迁子Diospyros lotus； Glsi: 皂荚Gleditsia sinensis； Pich: 黄连木Pistacia chinensis； Meaz: 苦楝Melia azedarach； Coco: 黄栌Cotinus coggygria； Zabu: 花椒Zanthoxylum bungeanum； Cltr: 海州常山Clerodendrum trichotomum； Vine: 荆条Vitex negundo； Fosu: 连翘Forsythia suspensa； Fovi: 金钟花Forsythia viridissima

表2 细根特征指标的主分量载荷Tab.2 Principal component load of fine root trait indices

4 讨论

4.1 细根解剖结构与土壤水分利用能力的关系 细根解剖结构体现了根系的生长发育状况，也是细根吸收、输导等生理功能的重要决定因素(Macetal., 1991)。直径小的细根往往具有较大的比根长(Comasetal., 2013)，能够探索更大的土壤体积， 并且减少水分和养分进入木质部的障碍，从而使植物较快获得水分和养分 (Riegeretal., 1999)。细根直径越小，增殖速度也越快(Robinsonetal., 1991； 1999)。相比之下，直径越大的细根寿命更长 (McCormacketal., 2012)但增殖速率较低 (Eissenstat, 1991)。但是，直径越大使根系更有能力穿透厚的土壤，能够发挥更大的生长势能(Materecheraetal., 1991)。此外，直径越大的细根还能支持更多的菌根增殖(Comasetal., 2014)。本研究中，桑树、黄连木、黄栌、苦楝、荆条、海州常山和连翘的1级根较细，能够快速获取水分和养分并对土壤中水分状况变化做出快速反应。而皂荚1级根较其他树种直径大，在干旱瘠薄山地土层较薄的生境中具有更强的穿透能力以获取资源。除直径外，根解剖结构的差异性决定树种耐受逆境的能力(Zadwornyetal., 2018)。干旱条件下，输导根木质部内较小的导管内径使植物木质部发生栓塞的风险降低(Sperry, 1995)，同时较大的导管密度又保证其输水能力。维管组织特征可反映根系对水分的吸收输导能力，也在一定程度上决定树种对水分条件的适应性。

一般而言，细根皮层细胞层数在抗旱性强的树种中较少，土壤水分通过皮层横向进入根内维管束的距离也就越短，从而确保了较高的水分传输速率以满足植物蒸腾对水分的需求。事实上，根系解剖结构，尤其是皮层厚度在很大程度上决定水分进入根系的效率(即水分吸收)。研究表明，水分传输速率与根直径呈显著负相关(r2=0.39)，与皮层厚度的相关性更可达55%(Riegeretal., 1999)。这说明，直径越小或者皮层厚度越小的根更有利于水分吸收进入根内维管组织。也有研究表明，在干旱胁迫下，根皮层薄壁细胞的大小与根系分布深度呈显著正相关(Chimunguetal., 2014)。本研究中，皂荚的1级根较其他树种皮层厚，进一步证实其更强的生长势及土壤穿透力。此外，根皮层厚度大可在一定程度上增加细根对水分的吸收面积(Wahletal., 2000)。酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)是极耐干旱树种，在水分条件最差的生境中，酸枣初生根的皮层厚度最大，皮层薄壁细胞厚度和宽度均最大(朱广龙 等, 2018)。可见，细根解剖结构体现了不同树种应对干旱胁迫时的趋同和分异两种趋势(王勋陵等, 1999)。基于根序等级的细根解剖结构分析一方面关注低根序细根的吸水特性，同时考虑高根序细根根内维管组织的输水特性，两者在植物应对干旱胁迫逆境时具有同等重要性。

4.2 同质生境内树种适应干旱胁迫的生态策略 基于同质生境的树种比对是揭示树种适应策略的重要手段。本研究的11个树种即是生长在鲁中干旱瘠薄山地同质生境样地内的树种，环境背景的均质性为比较不同树种应对干旱逆境的生态策略提供了可能。基于根序的细根解剖结构比较可为阐释不同树种对水分缺乏生境的适应策略提供一定的科学依据。研究表明，不同根序的细根具有不同的生理功能(Pregizer, 2002)，尤其是树木细根解剖结构上的异质性决定了其在水分养分吸收和运输上的差异性(卫星等, 2008； 2009)。本研究基于树种1～3级细根解剖结构特征，经PCA分析将11个树种划分为3组，归纳为2种干旱胁迫适应策略。

第一种策略是快速吸水和快速输水，包括A组(吸收根细、皮层薄，输导根维管组织密集型)和B组(吸收根细、皮层薄，输导根维管组织疏松型)。虽然两组树种的细根在导管性状上存在较大差异性，但两类细根都具有发达的输导组织，能将水分快速汇集并输送到地上部分以满足蒸腾耗水的需求。所不同的是，由于导管内径的差异性可能导致其在极端干旱生境中由于较低水势而引发的木质部栓塞程度不同，导管内径越大发生栓塞的可能性也较大(Wahletal., 2000)。在持续干旱的环境下导管内径小的树种较内径大的树种可能具有更强的耐(抗)旱能力。本研究中将黄连木和苦楝归为同一种生态策略，但分属A、B两组。有研究表明，干旱胁迫下黄连木的水分传输速率(0.000 6 g·cm-2s-1)显著大于苦楝(0.000 3 g·cm-2s-1)，而水分环境良好时苦楝的水分传输速率(0.054 3 g·cm-2s-1)大于黄连木(0.013 3 g·cm-2s-1)(谢东锋, 2004)。相关生理指标的研究表明，在相同水分胁迫条件下，苦楝在生理指标电导率值、丙二醛含量表现上均低于黄连木，其细胞膜系统受到更大程度的损伤(陈平等, 2012)。这些研究数据说明，黄连木较苦楝更为抗(耐)旱，在相同胁迫条件下，苦楝可能面临更大程度的水分亏缺，而这种水分亏缺很可能是由木质部栓塞引起的，而木质部栓塞的主要后果则是导水率下降(Sperryetal., 1988)。马履一等(2003)对海州常山等树种的耗水研究表明，海州常山的液流速率(0.003 6 cm·s-1)远高于臭椿(Ailanthusaltissima) (0.001 6 cm·s-1)和刺槐(Robiniapseudoacacia)(0.001 5 cm·s-1)，并且海州常山的边材导管直径明显小于臭椿和刺槐。以上结果说明，导管内径小能够产生较大水分上升拉力，有助于树体快速复水，这对树种抗(耐)旱更具有积极意义。基于此，本研究推论A组树种比B组树种更能耐干旱胁迫。但是，植物整体抗(耐)旱能力由多方面因素决定。如李吉跃(1991)对太行山区9个主要造林树种的耐旱性研究认为灵敏的气孔反应和较低的蒸腾作用使黄栌相比于其他阔叶树种具有更强的节水能力和较高的束缚水含量(31.38%)，这使其拥有较强的抗脱水能力。因此，有效吸水、快速输水可能是大多数抗(耐)旱型树种所共有的一种生态策略。

树木适应干旱胁迫的第二种生态适应策略是有效觅水和快速输水，本研究只涉及皂荚1个树种(C组)。皂荚是一种深根性落叶乔木(顾万春等, 2003)，主根健壮，侧根发达，是一种典型的耐旱型树种，目前已对其耐旱机理作了大量研究(刘梦玲等, 2018； 李燕等, 2006； 史胜青等, 2004)。研究表明，皂荚1年生幼苗在重度干旱胁迫30天后，存活率仍可达87.5%(孔艳菊等, 2007)。本研究发现该树种1～2级细根拥有较大的吸收表面积，同时1级细根中较粗的根直径和较大的皮层薄壁细胞使其能够到达更深层次的土壤，以有效地寻觅更多的水分； 而3级细根发达的输导组织能够为地上部分快速输送水分。上述的细根解剖结构特征对皂荚较强的耐旱能力提供解剖学支撑。

快速吸水和快速输水型的树种能够对土壤中的水分迅速作出反应，并将水分输送到地上部分。具有类似解剖特征的树种可能更加适应长期干旱、但有季节性降水且土层较薄的生境。而有效觅水和快速输水型树种能够产生更多的深根，探索更多的土壤水分，也可能更加适合长期干旱但土层较厚的生境。当然，特定立地条件的树种选择还应该综合考虑立地的温度、降水、风力等气候条件和土壤条件，以及所选树种的生长习性。

5 结论

干旱生境下树木根的解剖结构与其应对干旱胁迫生境的策略存在密切联系，11个树种的细根在解剖结构上呈现显著差异，但总体体现出较强的吸水和输水能力。依据不同树种的根解剖结构特点，划分为2种干旱适应策略： 1) 快速吸水和快速输水； 2) 有效觅水和快速输水。这2种适应策略在不同立地条件的生境中有各自优势。基于细根解剖性状和生态适应策略，根内皮层厚度和维管组织导管特征是决定树种适应干旱生境能力的重要参考指标，这可为干旱瘠薄生境造林树种的选择提供依据。从细根解剖性状来看，在长期干旱但有季节性降水且土层较薄的生境，应该选择桑树、黄连木等快速吸水和快速输水型树种； 在长期干旱但土层较厚的生境，应该选择皂荚等有效觅水和快速输水型树种。