旱季补水对桉树幼龄林叶片非结构性碳水化合物的影响

余 斐，张水云，华 雷，刘文泉，邱 权，何 茜，苏 艳，刘效东，李吉跃

（1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.广东省林业科学研究院广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520；3.顺化农林大学，越南 顺化 49116）

在当今全球变化背景下，我国华南地区的降水格局正发生着改变。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2014年的综合报告，我国华南大部分地区的降水量在过去60年间呈现了减少的趋势[1]。虽然华南地区雨量较为充沛，但是在时间上却分配不均，每年10月到次年3月降水量不到全年的20%，具有明显的旱、雨季[2]；同时华南地区多为丘陵坡地，土壤持水能力差，植物在旱季容易受到干旱胁迫[3]。郭晶等[4]对1962—2006年广东省的气象资料进行研究，发现干旱发生的频率和严重程度逐年上升。根据2019年广州市气象局资料显示，2019年9月至12月平均降水量仅为41.2 mm，最低地区只有4.6 mm。因此，华南地区的季节性干旱发生的严重程度和延续时间均在不断加剧。

碳水化合物为植物光合作用的主要产物，通常可分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物[5-6]。非结构性碳水化合物在叶片内的变化可以一定程度上反映植物对于环境变化的适应性[7]，在胁迫条件下，其含量往往表现为积累的趋势[8]。非结构性碳水化合物主要包括可溶性糖和淀粉，可溶性糖是光合的主要产物，作为养分的同时，也是植物生长发育、新陈代谢、逆境响应的调节者[9-10]。植物通过可溶性糖来激活蛋白质的合成、基因的表达以及调节细胞渗透压等来应对受到的非生物胁迫以及维持细胞膜的稳定[11-13]。淀粉相对于可溶性糖可以在细胞里贮存较长时间，可以为植物夜晚的呼吸提供能量。淀粉与可溶性糖之间的相互转化，是植物维持渗透压以及基础代谢的关键[14]。研究植物非结构性碳水化合物及其组分在叶片中的变化，可以在了解植物碳水化合物供应和转化的同时，深入探讨其对环境变化的应对机制[15]。

季节性干旱一定程度上影响了我国华南地区人工林的生产力，尤其对于桉树人工林生产力的限制较为严重，与国际上其他桉树生产国比仍然非常落后[16-19]。段伟等[20]在干旱地区对楸叶泡桐苗木的水肥控制实验中发现，水和肥的同时添加显著增加了楸叶泡桐各器官的生物量。基于此，本论文通过模拟尾巨桉正常生产种植，并对其进行旱季补水处理，对不同处理间的尾巨桉幼龄林叶片非结构性碳水化合物进行比较分析，探讨尾巨桉幼龄林对旱季补水和施肥两种措施的环境变化响应，进一步指出树木对于不同生境的碳源输出变化，不仅为探讨尾巨桉人工林应对季节性干旱的叶片碳分配提供了数据支持，也能为提高尾巨桉人工林生产力提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本概况

本试验区位于华南农业大学增城教学科研基地（23°14′48N，113°38′20E），属亚洲热带和亚热带的过渡带，年均气温21.6℃，平均年降水量1 921.6 mm。总降水量充足，但年降水量不均，存在季节性干旱。每年降雨均集中在4月至9月，因此，把4月至9月称为雨季，10月至翌年3月为旱季[21]。试验林地共计0.567 hm2，采用水平梯田整地方式，分为五梯。本试验所用材料为来自高要嘉耀林业发展有限公司的尾巨桉（Eucalyptus uorphylla×E.grandis）无性系DH32-293个月组培苗，平均苗高20～35 cm，地径0.15～0.20 cm，无病害及机械损伤，于2017年4月进行造林。种植密度为3 m（行距）×2 m（株距），约为1 667 株/hm2，共0.567 hm2。采用完全随机区组设计，分为五梯，每梯均有4个处理，随机排列，每小区20～92株林木。

1.2 试验方法

本试验采用随机区组设计，共4个处理：1）无施肥条件下的无旱季补水处理（简称无水无肥处理，用CK表示）；2）无施肥条件下的旱季补水处理（简称有水无肥处理，用W表示）；3）施肥条件下的无旱季补水处理（简称无水有肥处理，用F表示）；4）施肥条件下的旱季补水处理（简称有水有肥处理，用WF表示）（表1）。处理CK总数为189株，处理W为207株，处理F为177株，处理WF为186株。

表1 旱季补水试验设计†Table 1 The experiment design of dry season irrigation

肥料购买于广东达一农林生态科技股份有限公司，采用桉树专用基肥与追肥。基肥于2017年3月25日在处理F、WF的所有树木中，穴施入400 g·株-1，施肥量均与生产桉树用材林的用量一致。基肥每株各元素有效量分别为24 g（N）、72 g（P）、24 g（K）、0.4 mg（B）、0.2 mg（Zn）。追肥于2017年7月29日在处理F、WF所有树木中施追肥300 g·株-1，每株各元素有效量分别为45 g（N）、21 g（P）、24 g（K）、0.3 mg（B）、0.15 mg（Zn）。

1.3 测量指标

本试验于2018年5月在每个处理中选取长势较为平均的5棵树木，每棵取中上部分的成熟叶。把叶片放入烘箱中，在105℃下烘1 h，再放入65℃下烘至恒质量。各处理干叶测量非结构性碳水化合物含量NSC（Non-structural carbohydrate concentration;mg·g-1）。把各干样粉碎，过100目筛后进行分装保存。本实验中，主要采用蒽酮-硫酸法测定不同处理间尾巨桉叶片的可溶性糖含量TSS（Soluble sugars concentration;mg·g-1）和叶片淀粉含量Starch（Starch concentration;mg·g-1）[22]。由于糖和淀粉占NSC总量的90%[23]，因此，叶片NSC的含量为NSC=TSS + Starch[24]。

1.4 数据分析

使用Excel 2013软件进行作图。使用SPSS 18.0统计分析软件用于单因素、双因素方差分析及线性回归方程拟合。

2 结果与分析

2.1 叶片非结构性碳水化合物含量的季度变化

由图1可知，各处理间TSS在每个季度均存在显著性差异（P＜0.05）。2017年9、12月，处理WF的TSS显著高于其余3个处理（P＜0.05），分别为115.40 mg/g和105.30 mg/g。2018年3月，处理F（125.52 mg/g）的TSS为最高，显著高于处理CK和W。2018年6月，处理CK（104.39 mg/g）最高，仅显著高于处理WF，与处理W和F不存在显著性相关性。2018年9月，处理WF的TSS最大（111.78 mg/g），为最小处理CK的1.32倍；12月，处理WF的TSS最大（116.19 mg/g），为最小处理W的1.14倍。

图1 叶片可溶性糖含量的季度变化Fig.1 Seasonal changes of soluble sugar concentration in leaves

随着季度的变化，4个处理的平均Starch呈现下降的趋势，结果见图2。2017年9月，处理F（76.65 mg/g）的Starch显著大于处理CK和WF（P＜0.05），同时处理W（49.68 mg/g）显著小于其余3个处理（P＜0.05）。2017年12月，处理F（61.02 mg/g）显著大于处理W和WF，处理W和WF显著大于处理CK。2018年的4个季度中，无肥处理CK和W的Starch均大于有肥处理F和WF（除2018年3月的处理W外）（P＜0.05）。2018年6月，4个处理间无显著性差异，但在12月4个处理间均存在显著性差异，大小排名为CK（19.24 mg/g）＞W（17.45 mg/g）＞F（13.84 mg/g）＞WF（13.02 mg/g）。

图2 叶片淀粉浓度的季度变化Fig.2 Seasonal changes of starch concentration in leaves

每季度不同处理的叶片NSC变化存在波动性，结果如图3所示。2017年9、12月，有肥处理F和WF的NSC均显著大于无肥处理CK和W。2018年3月，处理W（145.03 mg/g）显著低于其余3个处理。2018年6月，处理WF（113.48 mg/g）显著低于处理CK。2018年9月，旱季补水处理WF和W显著高于其余两个无补水处理CK和F。2018年12月，处理W（119.08 mg/g）显著低于其余3个处理。

图3 叶片非结构性碳水化合物含量的季度变化Fig.3 Seasonal changes of non-structural carbohydrates concentration in leaves

2.2 雨季和旱季的叶片非结构性碳水化合物含量比较

对雨季和旱季的叶片非结构性碳水化合物含量分析，发现只有在旱季时，4个处理的叶片TSS存在显著性差异（P＜0.05），有肥处理F和WF显著大于无肥处理CK和W，有肥处理是无肥处理的1.12～1.14倍（表2）。但在雨季时，处理WF的TSS（105.16 mg/g）最大，处理CK的Starch（45.91 mg/g）最大。仅施肥处理F的Starch在旱季中最大（43.54 mg/g），且仅旱季补水处理W的Starch在旱季中最小（36.63 mg/g），进而影响在旱季中4个处理的NSC为处理F最大、处理W最小，且无肥处理均小于有肥处理。不同的是，在雨季中4个处理的NSC大小排列从大到小为WF＞CK＞W＞F。但同一处理同一指标的雨季和旱季间方差分析显示，4个处理的叶片TSS、Starch、NSC在雨季和旱季间均无显著性差异（表3）。

表2 雨季和旱季的叶片非结构性碳水化合物含量分析†Table 2 Analysis of non-structural carbohydrate concentration in leaves in rainy and dry seasons

表3 叶片非结构性碳水化合物的雨季和旱季相关性分析†Table 3 Correlation analysis of leaf non-structural carbohydrates in rainy and dry seasons

2.3 水、肥因子效应分析

对雨季和旱季的叶片非结构性碳水化合物含量进行水、肥因子的双因素分析，结果如表4所示。只有在旱季，施肥措施对叶片可溶性糖含量存在显著性差异（F=22.435**）。补水措施和水肥互作对叶片的TSS、Starch和NSC均无显著性作用（P＞0.05）。

表4 水、肥因子对雨季和旱季的叶片非结构性碳水化合物含量的双因素分析（F值）Table 4 Two-way ANOVA of water and fertilizer factors on the concentration of non-structural carbohydrates in leaves in rainy and dry seasons (F value)

2.4 各因素综合效应分析

叶片非结构性碳水化合物受多因素的影响，其中在本次试验中受影响较大的为测量的时间点和是否进行了补水、施肥处理。通过对叶片的TSS、Starch和NSC线性回归方程拟合分析发现，试验时间、补水、施肥能对叶片Starch和NSC具有较大的解释度，分别为72.3%和64.3%，但对TSS的解释较低（仅为16.9%）。补水和施肥措施均对叶片TSS产生正相关作用（表5）。4个处理的叶片TSS受施肥措施的影响最大（绝对值最高），其次为补水措施和试验时间；但叶片的Starch和NSC均受试验时间的影响最大，随着生长的延续，叶片的Starch和NSC逐渐变小。

表5 叶片非结构性碳水化合物的多元线性回归方程的各项系数Table 5 The coefficients of the multiple linear regression equation of leaf non-structural carbohydrates with time and treatments

3 结论与讨论

3.1 不同处理对叶片非结构性碳水化合物含量的影响

在可溶性糖含量方面，处理前半年（2017年9月、12月），处理WF的叶片可溶性糖含量显著高于其他处理，而可溶性糖更易于在植物体内移动且被多个生命活动直接利用，参与了植物生长中的许多生理和代谢活动[25]，从而说明处理WF下，尾巨桉幼苗在前期生理代谢活跃，可能生长更加迅速。而在之后的观测中除2018年6月份外，有肥处理F和WF的桉树幼苗叶片中的可溶性糖均维持在较高水平。因此，施肥一定程度上促进了尾巨桉叶片的生理代谢，从而促进其生长。

在淀粉含量方面，观测的前4个月（2017年9月、12月以及2018年3月、6月），处理F的叶片淀粉含量均维持在一个较高水平。淀粉是长期的存储化合物，主要供应植物将来的需求[26]，处理F桉树储备淀粉是为了应对现在高耗水高生长下带来的之后土壤水分不足引起的干旱。从2018年9月之后，处理F的淀粉含量迅速下降，转化为可溶性糖，从而抵御干旱胁迫。

总体而言，有肥处理F和WF叶片的非结构性碳水化合物含量在月际变化中，均都在较高水平（除2018年6月外）。非结构性碳水化合物为叶片光合的产物，一定程度上反映了叶片光合能力[27]。因此，间接地说明了施肥有效提高了尾巨桉的光合能力。然而旱季补水对于叶片非结构性碳水化合物含量具有提升作用，但作用不显著。旱季补水作用下，叶片可溶性糖含量较低，说明了干旱胁迫有所下降，而旱季补水对于光合产物的转移及在其他组织器官中的累积及变化需要进一步研究和测量。

3.2 雨季、旱季对叶片非结构性碳水化合物含量的影响

树木受水分胁迫影响时，叶片可溶性糖含量随着胁迫时间和胁迫程度均呈现先增加后减少的“单峰”变化趋势[28]。植物在受到干旱胁迫时，通过各组织中淀粉向可溶性糖的转化调整，从而降低水势，来维持植物体内水分运输的连续性。在本试验中，通过补水措施能提高叶片可溶性糖含量，证明尾巨桉正处于中度或重度胁迫（45%田间持水量以下）[29]。旱季的叶片可溶性糖含量均大于雨季，叶片淀粉含量小于雨季（除了处理F外），因此，在旱季受到水分胁迫后，桉树通过增加其叶片的可溶性糖含量和减少淀粉含量来维持其叶片正常的光合等生理功能。同时，养分的添加可缓解植物在极端干旱时期对其带来的负面影响[29]。在本试验中，只有在旱季条件下，施肥对叶片可溶性糖含量产生了极显著性影响（P＜0.01）。

有肥处理F和WF的旱季非结构性碳水化合物含量高于雨季，而无肥处理CK和W则恰好相反。施肥一定程度上可缓解植物在极端干旱时期对其带来的负面影响[30]。因此有肥条件下，无论在旱季还是雨季，尾巨桉均维持了较高的光合水平，并且在旱季通过更多的淀粉转化为可溶性糖，使得其在旱季总的非结构性碳水化合物含量高于雨季；而无肥处理下，植物在旱季受到严重干旱胁迫，光合能力下降，从而使得其非结构性碳水化合物含量低于雨季。

3.3 综合因素对叶片非结构性碳水化合物含量的影响

非结构性碳水化合物主要由可溶性糖和淀粉等组成，为碳代谢的主要产物，对植物的代谢、生长、发育有着重要的作用。施肥和试验时间是影响非结构性碳水化合物含量的主要因素。随着时间的推移，尾巨桉叶片淀粉含量随之下降，而在可溶性糖含量变化不大的情况下，从而显著影响了非结构性碳水化合物也随之显著下降，这与现有的研究结果一致[31]。

本论文的结果为短期旱季补水的效果，而长期的旱季补水对于尾巨桉叶片非结构性碳水化合物的影响以及尾巨桉整体的生长有待进一步的研究。此外，不同季节环境因子的变化（如温度、湿度、有效辐射等）均会对叶片光合以及气孔造成影响，而这些影响是否最终导致了叶片非结构性碳水化合物含量的季节性变化，也需要进一步结合微型气象站的数据进行长期监测分析。

3.4 结 论

施肥能显著提高叶片可溶性糖含量，尤其在旱季，从而能更好地维持叶片生理活动，更有利于树木的碳源输出；而旱季补水能有效地缓解尾巨桉受到的季节性干旱胁迫，从而使得叶片中的可溶性糖含量以及淀粉含量均较低，能有效将光合产物转移到其他器官组织。