模拟不同降雨时间格局下喀斯特垂直异质生境对桢楠幼苗光合和生长的影响

王佳敏,成应杰,陈金艺,刘俊婷,李金明,李素慧,刘锦春

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,西南大学生命科学学院,重庆 400715

喀斯特地区地质背景特殊,土层浅薄且薄厚不一[1]。以碳酸钙为主的石灰岩具有高渗透性且容易被溶蚀,导致该区域岩体存在大量岩溶裂隙[2],降雨后表层土壤容易沿着这些裂缝被淋洗到地下通道后流失,使得原本就稀少的土壤层更为浅薄[3]。然而,最近研究发现岩溶裂隙也具有一定的生境功能[4]。因为浅层裂隙岩层可以截留一部分的土壤,从而为水分和养分提供了储存空间,也为植物根系穿窜提供通径,根系可以从地表土层以下浅层的岩石裂隙中得到相对稳定的水分与养分补充。

另一方面,喀斯特岩溶裂隙层的厚度差异造成该地区小生境具有极大的垂直异质性[1],从而引起小生境中的水分、营养元素、土壤透气性和根系生长空间的差异[5]:在土层深厚而岩溶裂隙较薄区域,往往水分和养分充足,植物根系有更大的伸展空间,但是由于喀斯特土壤的通气性差,土层容易板结,甚至会形成水分胁迫[6]；而在土层浅薄且岩溶裂隙发育较厚的区域,岩溶裂隙的保水性能较弱,更易水土漏失从而导致养分缺乏[7],同时岩石占用了部分根系的伸展空间,这些可能不利于植物生长,但另一方面,岩溶裂隙在一定程度上可以增强土壤透气性,对植物的生长产生有利影响。

全球气候变化下降雨格局正在逐渐发生改变。我国西南喀斯特地区表现出总降雨量基本不变而年雨日显著减小的趋势[8]。由于喀斯特脆弱的生态系统对于外界环境具有高度的依赖性和敏感性[9],降雨格局的改变极大的影响了喀斯特地区的土壤生境,从而影响植物的生存和发展[10]。如有研究表明,低频率但高强度的降雨极易冲散土层,并携带走大量土壤,形成面蚀、片蚀甚至沟蚀,大大加强了水土流失的速度和程度[11],从而进一步加大了喀斯特地区土壤的垂直异质性。

光合作用是植物生命活动的基础,决定植物能量吸收和有机物积累的数量,与植物生长、发育和繁殖密切相关[12]。喀斯特地区的土壤厚度从土壤水分、养分和地下空间可利用性等方面对植物的光合生理造成影响[13-14],进而影响植物的生长[5]。前期的研究关注了喀斯特小生境中土层厚度对植物的影响,却忽略了既可以加速水土流失又具有一定生境功能的岩溶裂隙层的功能作用。大量的研究关注了降雨减少(干旱)喀斯特地区植物的影响,却并没有关注降雨时间格局的变化对该地区植物产生的负面作用。

桢楠(PhoebezhennanS.Lee)是樟科楠属的常绿大乔木,是我国特有的珍稀树种,该树种生命周期长、幼龄期生长快,适应性较强,目前在绿化工程中广泛应用[15]。虽然它只零星分布在喀斯特地区,但由于它能在岩石间生长得很好,仍被认为是一种可能的适宜树种。同时有研究表明,树木幼苗阶段对环境变化最为敏感[16]。因此,本研究采用室内模拟方法,探讨桢楠幼苗在不同降雨时间格局及不同垂直土层生境(考虑岩溶裂隙)下的光合生理和生长,以期为喀斯特地区的植被恢复和楠木资源管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试土壤为重庆市具有喀斯特地貌的中梁山黄色石灰土。土壤基本理化性状为:pH为7.4±0.14,有机质为(0.34±0.02)%,全氮为(0.28±0.03)g/kg,全磷为(0.39±0.02)g/kg,全钾为(23.7±3.22)g/kg。供试岩石为喀斯特石灰石,试供植物为樟科二年生桢楠(P.zhennan)幼苗。

1.2 实验方法

本研究采用降雨时间格局和垂直小生境双因素随机区组试验。降雨时间格局分为2 d降雨间隔(I2d)和19 d降雨间隔(I19d)。根据重庆市20年来的平均降雨时间间隔，将I2d设置为每隔2 d一次降雨;根据重庆市年均最长连续无有效降水日数将I19d设置为每隔19 d一次降雨[17],保持两种处理的总降雨量相一致,根据重庆市的单位面积日平均降雨量、容器的底面积以及降雨间隔天数进行施水计算(表1)。在施水时,为了便于实施,结合实际情况,将施水量四舍五入精确到100 mL。

表1 降水设置Table 1 Water treatments

垂直小生境处理分为无石全土(S0)、半石半土(S1/2)和多石少土(S3/4),三种生境的总体积不变,S0生境只有土壤层,S1/2生境下半部分为岩溶裂隙层、上半部分为土壤层,S3/4生境上1/4层为土壤层,下3/4为岩溶裂隙层(图1)。容器采用底部有孔的泡沫箱(长×宽×高:54 cm×39 cm×24 cm)。

图1 生境设置Fig.1 habitats treatments橙色代表土壤层,碎石代表岩溶裂隙层

2019年7月15日选取生长状态良好、一致的幼苗进行移栽,缓苗29 d后进行水分处理,实验共设24个重复,处理3个月。(由于测量光合等指标时本实验还在进行中,I19d处理施水4次,而I2d处理施水31次,故在这3个月处理期间I19d处理和I2d处理的总施水量暂时不完全相等)

1.3 指标测定

采用美国Li-COR公司的Li-6400便携式光合测定仪于晴天的上午测定桢楠的光合速率(Pn),气孔导度(Gs),蒸腾速率(Tr)以及胞间二氧化碳浓度(Ci)。测定中采用内置红蓝光源,光合有效辐射(PAR)为1200 μmol m-2s-1,通过连接缓冲瓶使得CO2浓度与外界二氧化碳浓度一致,每个植株上选取位置相似并健康的成熟叶片三片进行测量,每片叶子重复测量三次,并计算水分利用效率,水分利用效率(WUE)=光合速率(Pn)/蒸腾速率(Tr)。

采用印记法测量气孔数量、气孔面积和绒毛数量。使用显微镜(Nikon Eclipse 80 i)观察数量气孔数量和面积。利用Nikon图像处理记录装置,在目镜(10倍)×物镜(20倍)中观察单位面积的绒毛数目；在目镜(10倍)×物镜(40倍)下观察气孔面积和单位面积的气孔数目。

土壤水分测定采用恒温箱烘干法,烘干温度为105℃,烘干时间为8 h。土壤含水率(%)=(湿土重-烘干土重)/土壤干重×100%。

1.4 数据统计

数据分析采用 SPSS 22.0对相同小生境不同降雨时间间隔中桢楠的光合生理指标和生长指标进行t检验(Student′s t test),对相同降雨时间间隔、不同小生境的光合生理指标、生长指标以及土壤含水量进行单因素方差分析(One-way ANOVA)结合多重比较(LSD),对不同小生境下不同降雨时间间隔中桢楠的光合生理指标和生长指标进行双因素方差分析(Two-way ANOVA),用 Origin 8.6软件作图。

2 研究结果

2.1 土壤含水量

I2d条件下,在浇水后第一天和第二天中,S3/4的土壤含水量显著小于S1/2和S0两种生境(P<0.05)。而S1/2和S0生境之间始终没有显著性差异；I19d条件下,从浇水后第三天开始,S3/4的土壤含水量显著小于S0和S1/2(P<0.05),从第七天开始,S3/4的土壤含水量显著小于S1/2(P<0.05),从第九天开始,S1/2的土壤含水量显著小于S0(P<0.05)(图2)。

图2 不同降雨时间间隔下三种小生境土壤含水量的影响Fig.2 Effect of different rainfall interval on soil water content in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)I2d:2 d降雨间隔；I19d:19 d降雨间隔；S0:全土生境；S1/2:半石半土生境；S3/4:多石少土生境

2.2 光合特性

I2d条件下,随着岩溶裂隙的增加,桢楠的净光合速率呈现先升高再降低的趋势,即在S1/2的生境下,桢楠的光合速率最高,S3/4和S0两种生境下,桢楠的光合速率没有差异。然而,尽管S3/4和S0两种生境下光合速率没有差异,但S3/4生境下的气孔导度、胞间二氧化碳浓度均显著高于S0生境,而该生境下的水分利用效率显著小于S0生境和S1/2的生境。I19d条件下,随着岩溶裂隙层的增加,桢楠的光合速率、气孔导度和蒸腾速率逐渐降低；胞间二氧化碳浓度先降低,后保持不变；水分利用效率先显著升高,后保持不变(图3)。

另一方面,降雨时间格局对桢楠在不同小生境条件下的光合参数和水分利用效率也产生了影响。在S0生境中,不同降雨间隔处理对桢楠的净光合速率、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率和水分利用效率无显著影响,但I19d条件下气孔导度比I2d下显著降低了14.32%。在岩溶裂隙生境中(S1/2和S3/4),降雨时间间隔的延长显著降低了桢楠的净光合速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率等光合参数,随着垂直层面上土层的减少和岩溶裂隙层的增厚,这种差异更为明显(图3)。双因素方差分析表明:生境和降雨时间格局处理以及二者的交互作用会对桢楠的光合生理以及水分利用效率有显著影响(表2)。

表2 不同降雨时间间隔下三种小生境中桢楠光合指标的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of different rainfall interval on photosynthetic of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

图3 不同降雨时间间隔下三种小生境对桢楠光合生理和水分利用效率的影响Fig.3 Effect of different rainfall interval on photosynthetic physiology and water use efficiency of P.zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)纵轴上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中不同时间间隔之间的差异显著性,“**”表示极显著(P<0.01),“*”表示显著(P<0.05),“ns”表示差异不显著；条形图上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨时间间隔下不同小生境之间的差异显著性,不同字母表示差异显著(P<0.05)

2.3 气孔和绒毛特性

I2d条件下,S1/2、S3/4两种生境较S0生境的气孔密度均显著减小；S3/4生境较S0和S1/2生境的气孔面积显著减小；在I19d条件下,相较于S0生境,S1/2生境中的气孔密度显著增大(图4)。

图4 不同降雨时间间隔下三种小生境对桢楠气孔和绒毛密度的影响Fig.4 Effect of different rainfall interval on stomata and leaf pubescent density of P. zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)图中纵轴上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中不同降雨时间间隔之间的差异显著性,“**”表示差异极显著(P<0.01),“*”表示差异显著(P<0.05),“ns”表示差异不显著；条形图上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨时间间隔条件下不同小生境之间的差异显著性,不同字母表示差异显著(P<0.05)

此外,在S0生境中,降雨时间间隔的延长显著增大了桢楠的绒毛密度,而对气孔密度和气孔面积无显著的影响；在S1/2生境中,降雨时间间隔的延长不仅仅更大幅度地增加了桢楠的绒毛密度,同时也显著增大了气孔密度；随着土壤厚度进一步减小,岩溶裂隙层进一步增加,降雨时间间隔的延长依然提高了桢楠的气孔密度但对于绒毛密度的影响并不显著(图4)。双因素方差分析表明:生境处理和降雨处理的交互作用对桢楠的气孔密度和气孔面积的影响具有显著性,而对绒毛密度的影响不显著(表3)。

表3 不同降雨时间间隔下三种小生境中桢楠叶片形态指标的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of different rainfall interval on leaf morphological features of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

2.4 株高和地径

I2d条件下,S3/4生境下的株高显著小于S0和S1/2生境,而地径受生境的影响不显著；在I19d条件下,株高和地径均随着岩溶裂隙层的增加显著减小。此外,在不同生境下,桢楠的株高和地径总体上在I19d条件下均小于I2d(图5)。双因素方差分析表明:生境处理、降雨处理及其交互作用对桢楠的株高和地径的影响均具有显著性(表4)。

图5 不同降雨时间间隔下三种小生境对桢楠株高和地径的影响Fig.5 Effect of different rainfall intervals on height and ground diameter of P. zhennan in three kinds of habitats treatments(Mean±SE)图中纵轴上的“**”“*”“ns”表示相同小生境中2 d降雨时间间隔与19 d降雨间隔之间的差异显著性,“**”表示差异极显著(P<0.01),“*”表示差异显著(P<0.05),“ns”表示差异不显著；条形图上的“a”、“b”、“c”表示相同降雨时间间隔下不同小生境之间的差异显著性,不同字母表示差异显著(P<0.05)

表4 不同降雨时间间隔下三种小生境中桢楠生长指标的双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA of different rainfall interval on growth features of P.zhennan in three kinds of habitats treatments

3 讨论与结论

3.1 降雨时间格局影响不同土壤小生境下桢楠的光合和生长

在2 d降雨时间间隔条件下,由于喀斯特地区降雨丰富,各种生境下水分均得到了及时的补充,水分并不成为主要限制因子,气、养和生存空间可能会成为影响植物的重要因素[18-19]。全土处理下,植物虽然可获得的养分和生存空间最多,但是喀斯特土壤的透气性较差,该生境中土壤容易板结,进而造成一定的深层水分胁迫[20]；多石少土生境的土壤透气性更好,但浅薄的土层使植物的生存空间受限,且容易被降雨侵蚀冲刷,造成水土流失[3],进而加剧土层浅薄带来的营养元素缺乏、干旱胁迫等问题；半石半土生镜中的岩溶裂隙一方面截留了部分土壤和水分,为植物扎根提供了条件[4],另一方面也提高了该生境的透气性,所以即使在此种生境下土壤养分和植物生存空间有一定程度地减少,但桢楠的光合速率、株高和地径最高。延长降雨时间间隔后,降雨总量并没有减少,但单次降雨强度较大,对于土层浅薄(即有厚的岩溶裂隙层)的区域容易形成大量缺口,面临更为严峻的的水土流失[11],而N、P、K等营养元素的流失会导致叶绿素减少、光吸收能力减弱、电子传递链受阻进而抑制光合作用[21-23]。同时,土壤水分无法得到及时的补充,进而形成越来越旱的水分状况,土壤机械阻力随之升高,根系延伸受到抑制,进而抑制水分的获取[24]；另一方面,土壤的养分和植物的生存空间也随之降低,即使在半土半石生境下,岩溶裂隙层的纳气作用也抵不过干旱的负面影响,因此,在延长降雨时间间隔后,岩溶裂隙层比例的增大对桢楠净光合速率的抑制作用更为显著。

3.2 不同土壤小生境影响不同降雨时间格局下桢楠的光合和生长

全土生镜中,降雨时间间隔的延长对桢楠的光合和生长没有影响。这可能与该生境土层深厚,土壤蓄水能力较强,水分和养分均相对充足有关。岩溶裂隙生境中,降雨时间间隔的延长显著抑制了桢楠的净光合速率、株高及地径的生长,且随着岩溶裂隙的增加,抑制作用增强。这是因为在岩溶裂隙生境中,土壤的蓄水能力减弱,降雨间隔为2 d的条件下,水分可以得到及时的补充,土壤含水量始终维持在一个较高的状态；而降雨间隔19 d的条件下,一次性大量的降水会造成土壤养分的大量流失[11],同时会短暂性的为植株提供充足的水分,但在后期,持续的蒸发和植物根系的消耗且水分得不到及时补充导致干旱胁迫加重。

3.3 桢楠的水分利用效率和气孔调节

水分利用效率(WUE)即单位的水分消耗量所同化的碳量,调节水分利用效率是植物对干旱胁迫的重要适应策略之一[25-26]。在本研究中,随着土层的减少和岩溶裂隙层的增厚,在降雨时间间隔短的条件下,桢楠的水分利用效率采取先维持不变,后显著减小的策略；延长降雨时间间隔后,采取先显著增大后保持不变的策略,这说明:只有土层浅薄到一定程度时才会影响到桢楠的水分利用效率,而降雨时间间隔的延长会增大土层的减少和岩溶裂隙层的加厚对水分利用效率影响的敏感程度。随着垂直层面上土层的减少和岩溶裂隙层的增厚,不同降雨时间间隔下水分利用效率的差异逐渐产生,且当土层浅薄到一定程度时,这种差异会增大,这说明垂直层面上较薄的土层和较厚的岩溶裂隙层会加剧降雨时间间隔延长对桢楠水分利用效率的增强作用。

气孔是植物进行气体、水分交换的通道,对植物的光合、蒸腾等生理活动起着重要的调节功能,气孔密度和气孔面积与植物的抗旱性密切相关[27]。本研究表明,在土层薄、岩溶裂隙层较厚的生境中气孔密度对降雨时间间隔的改变较为敏感:为了适应垂直层面上岩溶裂隙层的增厚和土层的减少,时间间隔较短时,桢楠采取先减小气孔密度、后减小气孔面积的策略；延长降雨时间间隔后,桢楠采取增大气孔密度的策略,这可能是由于干旱会造成气孔数量和叶面积的减小[28],轻度干旱使桢楠叶片面积减小的程度小于气孔数量减少的程度,从而表现为气孔密度的减小,随着干旱程度的加剧,叶面积减小的程度大于气孔数量减小的程度[29],表现为气孔密度的增大。

叶面绒毛是植物叶片表面的一种结构,受生境的湿润程度和土壤肥沃程度影响较大,是植物对环境条件适应的表现之一[30-32]。本研究中,随着垂直层面上土层的减少和岩溶裂隙层的增厚,桢楠绒毛密度在不同降雨时间间隔中的差异先增大后减小至无明显差异,这说明延长降雨时间间隔会促进绒毛密度增大,而较薄的土层会减弱这种促进作用,虽然多石少土生境中土壤含水量较少,但可能由于时间间隔长、强度高的降水加剧水土流失导致的磷元素等的缺乏抑制绒毛的生长[30]。

总之,桢楠对不同土壤小生境的光合和生长响应受到降雨间隔时间的影响,而降雨时间间隔对桢楠的光合和生长影响也受到土壤小生境的制约:在降雨间隔时间短的条件下,有一定的岩溶裂隙对桢楠的光合起到促进作用,延长降雨间隔时间后,岩溶裂隙会加剧降雨间隔延长对桢楠光合的抑制作用。在土壤相对较厚条件下,降雨时间间隔对桢楠的光合影响不显著,但随着岩溶裂隙层的增加,降雨时间间隔延长对桢楠光合的负面影响也更为严重。在任何不利生境下,桢楠均会采取一定的气孔调节和水分利用策略来适应环境,且在降雨间隔时间短的条件下通过其调节作用可以减弱土层减少对株高和地径的影响。

致谢：感谢陶建平教授对本研究的帮助。