骆驼刺叶片和根系主要功能性状对水分胁迫的适应

徐梦琦，高艳菊，张志浩，曾凡江

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所新疆荒漠植物根系生态与植被修复重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；3.新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，新疆策勒 848300；4.中国科学院大学，北京 100049）

水分是影响植物生长与生产力的重要因素之一[1]，尤其是在干旱和半干旱区。荒漠生态系统是典型的以水分为主要限制因素的生态系统，因此与其他植物相比，荒漠植物对水分变化更为敏感。作为对环境变化的反馈，植物能够通过调节自身的某些性状来适应环境变化，包括形态、生理、物候等，这些性状的存在程度或大小既能反映植物所处生态系统的功能特征，亦能反映植物对环境的适应情况，因此被称为植物功能性状[2-4]。叶片和根系是植物获取地上和地下资源的重要器官，具有较强的可塑性，其结构和生理等方面的变化能直观反映植物对环境的适应策略。因此研究叶与根对环境变化的响应具有重要意义，可提高对生态系统气候变化的预测性[5]。叶片是植物进行光合、呼吸等过程的主要器官。干旱胁迫下，植物通过增加叶厚度、减小比叶面积、提高水分利用效率等途径适应缺水条件[6]。根系作为植物体吸收土壤水分和养分最主要的器官，其功能性状的变化能够直接决定植物获取资源的能力，能够通过调节比根长、根氮含量、根直径等适应水分变化[7]。植物不同功能性状间存在内在联系，如叶片性状间、根性状间、叶和根性状间都具有紧密联系，协同应对环境的变化。目前对植物功能性状的研究更多的关注于性状间的关联关系，尤以权衡关系的研究最多[8-9]。相关研究发现，地上和地下性状主要是协同变化而权衡作用较小[10-11]。因此，植物的适应策略通常体现在地上与地下过程的共同变化，对植物叶片、根系功能性状及关联关系的研究有助于更深入地了解植物适应策略与环境变化的关系。尽管对于植物功能性状方面的研究十分广泛，但是现阶段的关于植物形态与功能谱的研究多偏向于植物叶片，鲜有涉及根的内容，同时也有研究者发现[12-13]，目前对于根系功能性状的研究还存在许多空白，尤其荒漠植物[2-3]。

豆科植物骆驼刺(Alhagi sparsifolia)是典型的荒漠深根草本植物，在新疆的分布面积达1.73×106hm2，是塔克拉玛干沙漠南缘地区的主要建群物种[14]。骆驼刺具有防风固沙、维护绿洲生态安全等重要作用[15]，也是该区域重要的牧草资源。塔克拉玛干沙漠南缘地区属于极端干旱区，该区域土壤条件贫瘠，年降水量小，风沙大，土壤持水能力差，受土壤水分条件的限制。为探究骆驼刺对水分变化的响应策略，设置4个水分梯度，模拟从湿润到干旱的4种条件，选择叶、茎、刺、地上、地下生物量以及根冠比6种生物量指标；叶面积、比叶面积、叶干物质含量、叶组织密度、根长、根体积、比根长、根组织密度8种叶和根的形态性状；以及C、N、P和K 养分含量，探究功能性状间的关联关系以及不同器官间养分含量的分配比重，揭示骆驼刺对水分变化的适应策略，为塔克拉玛干沙漠南缘地区荒漠植物的恢复和生态保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

试验在中国科学院策勒国家站进行，地处塔克拉玛干沙漠南缘的策勒绿洲–沙漠过渡带(80°03′–82°10′E,35°17′–39°30′N)，平均海拔1 360 m。该地区属于暖温带极端干旱荒漠气候，年均降水量仅35.1 mm，主要为夏季降雨；年均气温11.9℃，地区极端最高气温41.9℃，蒸发量高达2 600 mm[16]。该地区降水少，风沙大，土壤以风沙土为主，土壤表层含水量较低，持水力差，养分贫瘠，受此影响该区域的植被覆盖率低，主要以多年生骆驼刺、花花柴(Karelinia caspica)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima)和胡杨(Populus euphratica)等耐旱耐盐碱的深根或河岸植物为主，其中骆驼刺是该区域的优势植物。

1.2 试验设计

以人工繁育的生长两年的骆驼刺幼苗为试验材料，于2019年4月在策勒国家站试验场进行盆栽播种。盆栽土壤取自策勒绿洲外围荒漠区0–30 cm土层。土壤pH为7.79，有机碳含量为2.99 g·kg−1，全氮、磷和钾的含量分别为0.23、0.60和3.11 g·kg−1，过10 mm 筛后装填至90 L聚乙烯塑料桶(底面直径×口径×高度=40 cm×50 cm×62 cm)。对桶内土壤浇水至最大田间持水量(约18%)。挑选饱满无明显损伤的骆驼刺种子若干，用25℃的清水浸泡12 h后播种。播种深度为3～5 cm，每桶播种9粒种子。

播种一周后出苗，待出苗稳定后，剔除长势差的苗子，每盆保留1株。播种后的前30 d，所有植株保持相同的水分处理：每间隔2 d 称重浇水至田间持水量的75%。随后(2020年5月)开始进行不同梯度的水分处理。共设置4个水平的水分：重度干旱胁迫(W1)：田间持水量的30%；中度干旱胁迫(W2)：田间持水量的40%；轻度干旱胁迫(W3)：田间持水量的55%；对照(CK)：田间持水量的75%；每个处理15个重复，共60桶。每隔2 d 浇水一次，浇水时间固定为19：00，水分处理于10月初结束后进行采样。

1.3 样品采集与测定

2020年10月2日开始采样。每个处理随机选取6株并标记，并对每株骆驼刺的叶片和根系进行采集。

1.3.1 叶片功能性状的测定

每株骆驼刺挑选不同方向的10片健康的叶片装入自封袋后放入冰盒冷藏保存，带回实验室后用精度为0.01 g 的天平测定叶鲜重。再将这10片叶叠加用电子游标卡尺(精度为0.01 mm)测量叶片厚度，取其平均值，测量时避开主脉位置。用扫描仪(Canon)扫描叶片后，利用Image J 分析软件计算叶面积，扫描后烘干称重获得相应叶片干重。比叶面积(cm2·mg−1)=叶面积 / 叶片干重；叶干物质含量(g·kg−1)=叶干重/ 叶鲜重；叶片组织密度(g·cm−3)=叶片干重/(叶面积×叶片厚度)[17]。

骆驼刺地上部分按照刺、茎和叶等器官分离装入信封后带回实验室，放入60℃烘箱烘至恒重后用电子天平(精度0.01 g)称重，计算各器官和地上部分总的生物量。烘干后的样品分别用研磨仪粉碎，过0.3 mm 筛，用于测定全碳、氮、磷和钾含量。用元素分析仪(VARIO MACRO cube，日本岛津)测定全碳和全氮含量；全磷含量用浓硫酸双氧水–钼锑抗比色法测定；全钾采用浓硫酸双氧水–火焰光度计法测定。

1.3.2 根功能性状的测定

用挖掘法挖出完整根系，除去附着在根系上的沙土后带回实验室，先用钢卷尺测定主根长；再用数字化扫描仪扫描根系，用根系分析系统(WinRhizo；Régent Instruments Inc.，Quebec，Canada)分析获得总根体积、根平均直径[18]。将扫描后的根系装进信封放入60℃烘箱烘至恒重，用精度为0.01 g 的电子天平称重获得地下生物量。比根长(cm·g−1)=根长/根干重；根组织密度(g·cm−3)= 根干重/根体积；根冠比=地下部分干重/地上部分干重。将烘干的根系用研磨仪粉碎后过0.3 mm 筛，用于测定根系全碳、氮、磷、钾含量。

1.4 数据处理

用SPSS16.0进行数据分析，用单因素方差分析(one-way ANOVA)对4种处理下骆驼刺幼苗的生物量累积、叶片性状、根系性状以及养分含量分配进行方差分析(95%置信区间)，用平均值和标准误表示测定结果，若方差齐性检验为齐性多重比较用LSD法，若不齐用Dunnet’s T3；用GraphPad Prism 8.0.1 制图；用Person 相关系数分析地上地下各性状间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理下叶片的功能性状

水分变化对骆驼刺幼苗叶片功能性状的影响较为明显(图1)。CK 处理下的叶面积显著大于其余3 个处理的叶面积(P<0.05)，W1处理的叶面积最小。比叶面积则与叶面积呈相反趋势，W1处理下的比叶面积最大，并与W3存在显著差异，W2、W3和CK 之间的差异较小。叶干物质含量在W2处理下最大，其他处理之间的差异不明显。叶组织密度随着水分的减少呈现先增高后降低的趋势，W2处理显著高于其他处理。可以看出，骆驼刺幼苗主要通过调节叶面积和比叶面积来响应土壤水分的变化，而叶干物质含量和叶组织密度均在W2处理下值最大，说明W2的水分条件较为适宜骆驼刺幼苗生长。

图1 不同水分处理对骆驼刺叶片功能性状的影响Figure 1 Effect of different water treatments on the leaf functional traits of Alhagi sparsifplia seedlings

2.2 根形态性状的变化特征

骆驼刺幼苗的根长、根体积和比根长均受到水分变化的显著影响(图2)。根长在51.4～235.2 cm 变化，表现为W3>CK >W1> W2，W3与其他处理间存在显著差异(P<0.05)。根体积在5～94 cm3变化，水分的降低明显减少了骆驼刺幼苗根系的体积(P<0.05)。比根长和根体积的变化呈相反趋势，随着水分的减少比根长逐渐增大，W1处理下的比根长显著大于其他处理(P<0.05)，其余3个处理间比根长无显著差异。处理间根组织密度W1显著低于W2和CK (P<0.05)，说明在极度干旱的条件下骆驼刺会降低根组织密度来形成适应策略。虽然骆驼刺幼苗的4种根系形态性状对于水分的变化都产生了相应的适应特征，但根体积和比根长最为敏感。

图2 不同水分处理对骆驼刺幼苗的根功能性状的影响Figure 2 Effect of different water treatments on the root functional traits of Aihagi sparsifplia seedlings

2.3 叶和根功能性状的关联关系

Person 相关性分析(表1)表明，骆驼刺叶片性状间、根系性状间以及叶片和根系的性状间都存在一定的相关性。叶面积与比叶面积极显著负相关(P<0.01)；叶干物质含量与叶组织密度极显著正相关。根长和根体积显著正相关(P<0.05)；比根长与根体积、根组织密度均极显著负相关。叶与根性状之间的关系较为紧密，主要集中在叶面积、比叶面积与根系各性状间。叶面积与根长和根体积分别显著和极显著正相关，而与比根长极显著负相关；比叶面积与比根长极显著正相关，而与根长、根体积和根组织密度极显著和显著负相关。这些性状间的关联关系说明骆驼刺幼苗能够通过调节性状间的平衡使自身形成适应性。

表1 骆驼刺幼苗叶和根功能性状间的相关关系Table 1 Correlation among leaves and roots functional traits of Aihagi sparsifolia seedlings

2.4 不同水分处理下骆驼刺地上与地下部分生物量累积

不同水分处理显著影响了骆驼刺幼苗的生物量累积(表2)，骆驼刺幼苗的茎、叶、刺以及地上地下生物量均随着灌溉量的减少而降低。W1的骆驼刺幼苗叶、茎、刺生物量与CK 相比，分别降低了90.27%、92.36%、88.88%；W2较CK 相比分别降低了69.91%、67.36%、69.36%；W3较CK 分别降低了43.84%、25.58%、19.23%。W1、W2、W3与CK 的叶和地 上的生物量 差 异 显著(P< 0.05)；W1、W2与W3、CK 间的茎生物量存在显著差异(P<0.05)，说明水分的减少限制了骆驼刺生物量的累积。与CK 相比，W1和W2处理对骆驼刺幼苗地上、地下生物量的累积有抑制作用，但二者间差异不明显；其中，W1的地上和地下生物量最小，分别比CK 减少了90.92%、91.84%，W2分 别 减 少了68.71%、69.93%；W3与CK 的差异较小。上述结果说明，相比地上生物量，各水分条件下地下生物量的变化更大。水分胁迫对骆驼刺幼苗的叶、茎、刺的生物量以及地上地下生物量的影响都较为明显，但根冠比在各水分处理间无显著差异(P>0.05)，其变化范围在2.06～2.82，大小顺序表现为W3> W2> W1> CK。

表2 不同水分处理对骆驼刺幼苗地上地下生物量的影响Table 2 Effects of different water treatmentson the aboveground and underground biomassof Aihagi sparsifplia seedlings

2.5 不同水分处理下骆驼刺地上与地下部分化学组成特征

不同水分条件下地上与地下部分各器官间C、N、P、K 的含量存在明显差异(图3)，随着水分的减少，骆驼刺将吸收的4种养分更多的集中在根中，地上部分分配较少。对比发现，4种养分在各器官间大多是根> 叶> 茎> 刺的分配规律。4种养分基本上在CK 处理下显著最高(P<0.05)，说明充足的水分有助于促进植物从土壤中吸收养分。叶片的C含量、刺中的C、N、P含量以及茎中的4种养分含量都随着水分的减少而降低，而根中的4种养分含量则呈现出先降低后增高的趋势，表现为CK > W3>W1>W2，在W2处理下表现出最低；叶的N、P、K 含量以及刺的K 含量也呈现出这种变化趋势。对地上与地下部分养分含量相关分析(图4)表明，地上与地下部分的养分含量都存在极显著的相关性。

图3 不同水分处理下骆驼刺幼苗地上与地下部分化学组成变化特征Figure3 Variation in chemical composition of aboveground and underground parts of Aihagi sparsifolia seedlingsunder different water treatments

图4 不同水分处理下骆驼刺幼苗地上部分与地下部分养分含量相关性Figure4 Correlation of nutrient contentsin the aboveground and underground partsof Aihagi sparsifolia seedlingsunder different water treatments

3 讨论

3.1 水分变化对叶和根形态性状的影响

叶是植物与大气环境水气交换和能量交换的主要器官[18-19]，同时也是植物适应特定环境的重要指示指标[20]。本研究发现，骆驼刺幼苗的叶片性状对水分变化的响应不同，其中叶面积和比叶面积的响应最为显著，主要表现为，随着水分的减少骆驼刺幼苗总叶面积逐渐减小，比叶面积逐渐增大。说明随着水分梯度的变化，骆驼刺幼苗主要通过减小叶面积、提高比叶面积来减少水分的损失，从而提高抗旱能力。同时，叶氮含量随着水分的减少呈现先减小后增加的趋势。较高的叶氮含量和比叶面积能够提高植物的耐旱性和资源获取能力[19-21]，因此在极端干旱的条件下骆驼刺幼苗的变化特征说明了骆驼刺幼苗本身已通过调节叶氮含量和比叶面积来形成相应的策略。同时，研究发现骆驼刺幼苗的叶干物质含量和叶组织密度都在W2梯度下达到最大值，这一现象可能是由于不同植物对干旱环境的适应都能够采取多种不同的机制，骆驼刺是旱生植物，极端干旱会限制植物生长发育，同样土壤水分超过一定阈值后也会影响植物生长。鉴于研究区的水资源环境，结合叶片各指标的变化特征，可以猜测4种水分梯度下，W2和W3梯度应较为适宜骆驼刺幼苗的生长。

根系是植物吸收水分和养分最主要的器官，其性状特征对植物的生长和分布具有重要的指示作用[22-24]。本研究发现，水分变化对比根长和根体积的影响最为显著。随着水分的减少，根体积和比根长分别呈现降低和增加的趋势，这与前人的研究结果相似，在干旱条件下骆驼刺主要表现为比根长增加而根体积降低[16]。而根组织密度在W2处理下值最大，该结果与叶干物质含量、叶组织密度的结果一致。根组织密度的降低能够加快植物生长周转，使骆驼刺减少水分及养分的流失，从而提高水分和养分的利用效率，增强防御力，因此干旱和湿润的环境都会使骆驼刺幼苗通过限制根组织密度的增长来形成适应性。总体来看，骆驼刺幼苗主要是依靠比根长和根体积的变化来形成适应水分变化的，具体来说，是通过降低根组织密度和体积，提高比根长以减缓干旱胁迫。

植物的功能性状并非相互独立，而是通过协同作用或相互权衡促进植物生长。研究发现，骆驼刺幼苗叶面积与比叶面积极显著负相关，而叶干物质含量与叶组织密度极显著正相关。由于叶干物质含量与比叶面积之间存在负相关关系[25-26]，许多研究认为结合叶干物质含量与比叶面积有助于更好地预测植物适应策略[27]，但不同生态系统中的植物适应策略不一定相同。荒漠植物往往通过增加叶片厚度，降低比叶面积小适应水分胁迫[28]。水分不足的会导致叶体积变小，干重减小，从而致使叶组织密度增大[29]，说明叶片的形态性状间存在一定的平衡，能够共同协调适应水分的变化。有研究认为，植物通过叶氮含量、比叶面积和叶组织密度三者的共同作用形成水分的维持策略[30]，在本研究结果中也存在这种适应策略。比根长是决定植物吸收养分、水分能力的重要指标；组织密度高的根系使植物根系有较大的伸展力[30]，从而获得较高的吸收水分、养分能力[31]；并且有相关研究发现比根长和根组织密度负相关[27,32]。本研究表明，骆驼刺幼苗的比根长与根体积、根组织密度间显著负相关，与前人研究结果一致。Liu 等[33]在内蒙古草原环境梯度带上的研究表明地上、地下器官权衡变异较小，而更多的是协同变化。本研究发现，骆驼刺幼苗地上与地下部分的关系主要集中在叶面积、比叶面积与根系性状之间，叶面积与比根长极显著负相关，与根长、根体积显著和极显著正相关；比叶面积与根长、根体积、根组织密度极显著和显著负相关，与比根长正相关。这也进一步说明骆驼刺地上与地下性状间存在一定的协同性，能够通过对水分的利用以及光合产物的交换和调节，达到平衡。与叶片间性状相关性、根系性状间相关性相比，骆驼刺幼苗更多的是通过调节地上与地下性状间的平衡来适应水分胁迫。

3.2 水分变化对生物量累积的影响

荒漠植物对于水分的变化十分敏感，其生长发育对土壤水分有较大的依赖性，植物生长特征的变化能够直观的表现出对水分变化的适应性。水分的变化能够影响植物生物量的分配[34]。在本研究中发现，骆驼刺幼苗的叶、茎、刺、地上、地下生物量均在水分CK 条件下达到最大值，各部分生物量的累积均呈现随着水分的减少而减小的趋势(表2)。在适宜的生长条件下植物根冠比通常较大，而干旱胁迫能够降低植物生物量，通过植株变小、减缓生长速率等生长策略来适应干旱条件[35]。本研究中根冠比在CK 条件下值最小，在W3处理下值最大，说明就骆驼刺而言，土壤水分超过一定阈值后反而会降低其根冠比，不利于其生长。这可能是因为骆驼刺是深根植物，在干旱缺水的自然条件下主要靠根系寻找地下水来补给自身生长，而水分充足时虽然能够满足地上部分的生长需要，但会限制根系伸长生长，导致地上部分生长旺盛，使根冠比减小。土壤水分与地上、地下生物量的累积间存在明显的交互作用，地上与地下的生物量间也存在关联关系。相对于CK，随着水分的减少，地上与地下的生物量之间，地下生物量减少比例大于地上生物量，这也说明干旱条件对地下部分生物量的积累影响更大。根系作为获取土壤水分和养分最主要的部分，植物根系越发达则植物的适应性越强，生物量累积越多。干旱条件下骆驼刺幼苗通过更多的减少地下生物量累积形成适应策略，以达到地上与地下部之间的权衡。

3.3 水分变化对叶和根化学元素含量的影响

C、N、P和K 元素在植物各器官中的含量变化及其比值控制着植物的营养和生长状况，是其对外界环境适应性的重要表征[36]。植物体内的C是连接外界无机环境与有机体的最重要环节，是一切有机体的基本骨架，与植物的光合、呼吸过程密切相关。N 和P是植物的基本营养元素，也是各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素和调节物质[37-38]。K 是植物生长发育所必需的营养元素，在植物体内常以离子状态存在，含量仅次于氮，流动性强，在植物体内能被反复利用，被称为植物的血液元素。本研究结果发现，4种水分处理条件下的C、N、P和K 养分含量在各器官分布呈现一致的规律性，含量分布顺序表现为根> 叶>茎> 刺，且4 种养分均在CK 处理下显著最高，说明充足的水分能够促进植物各器官对养分的吸收能力；根中的4种养分含量呈现出先降低后增高的趋势，顺序表现为CK>W3>W1>W2，同时叶片中的C含量、刺中的C、N、P含量以及茎中的4种养分含量都随水分的减少而降低，说明土壤含水量高有利于植物根系的存活[22]，促进根系吸取土壤中的水分和养分，土壤中的养分与水结合更易被植物吸收，并在植物体内经过运输到达各器官；而较低的水分条件也会影响根系的存活，水分胁迫破坏了土壤中水肥平衡，土壤水势低，使养分较难被根系吸收[39]，不仅使根系吸收水分和养分的能力降低，各器官养分含量减少，也进一步加剧了水分胁迫。与本研究的结果不同，尹辉等[36]基于自然生长的多年生骆驼刺的化学计量学研究发现，C含量在骆驼刺叶、茎和刺中的分配没有显著规律；N 含量在叶片最高，茎中最低；P含量在不同生境下，分配趋势不同。生长速率理论认为，在植株快速生长部位具有较高的P含量[40]。因此推测4种水分处理下，CK 处理下的骆驼刺光合作用能力最强，且水分充足的条件能够促进骆驼刺幼苗的养分吸收。有相关研究表明，叶片含氮量、叶绿素含量、Rubisco含量分别与光合速率正相关[41]，叶片作为植物最主要的光合作用器官，与养分的运输与光合作用也存在密切关联，因此在地上部分的器官中养分占比较高；而在整株植物器官中，根系作为吸收养分和水分的主要器官，养分含量占比最大。本研究也发现，4种水分处理下地上与地下部分的C、N、P、K 含量都极显著正相关，说明骆驼刺地上和地下器官对养分的吸收具有强烈的关联性。

4 结论

不同水分处理对骆驼刺幼苗的生长、叶和根的功能性状以及养分在器官间的分配都产生了明显的影响，每部分的变化既独立又相关。骆驼刺地上与地下生物量均受到水分的强烈限制，主要通过减小各部分生物量来适应干旱环境，尤其地下生物量减少量最大。对于叶和根的功能性状而言，骆驼刺主要通过减小叶面积、根体积，增大比叶面积、叶组织密度和比根长来适应水分亏缺。另一方面，地上和地下器官功能性状间也存在一定的相关性，主要表现为，叶面积与根长、根体积分别显著和极显著正相关，与比根长极显著负相关；比叶面积与根长、根体积和根组织密度分别极显著和显著负相关，与比根长极显著正相关。水分变化对植株养分含量的分配也有明显的影响，水分条件的改善显著增加了骆驼刺叶片和根中C、N、P和K 的含量。除此之外，骆驼刺地上与地下部分中的这4种主要养分间均存在极显著的正相关。骆驼刺作为旱生植物，极端干旱和超过植物需求的水分条件都会限制骆驼刺的生长。综上所述，骆驼刺幼苗对于水分变化的适应能够通过生物量累积、叶和根的功能性状以及养分的分配等多方面相互调节而实现，具有较强的可塑性。