降水差异对内蒙古温带草原植物根系和叶片功能性状的影响

夏 蕾，吉 卉，张家铱，韩 飞，高剑飞，刘碧桃

(山西农业大学 林学院，山西太谷 030801)

植物性状是植物体具有的与其定植、存活、生长和死亡紧密相关的一系列核心植物性状，且这些性状能够显著影响生态系统功能，并能够反映植被对环境变化的响应[1-3]。植物通过自身功能性状的改变来调整对气候、植被、地形等环境变化的适应机制以及生存策略[4]。植物生态学研究工作者，根据叶片光合速率和寿命的关系，将不同物种的生态策略定位到从“资源保守策略”(具有较长的叶寿命，较低的叶氮浓度和比叶面积)到“资源获取策略”(具有较高的叶氮浓度和比叶面积，较短的叶寿命)轴上，称之为“叶片经济谱”[5]。而与叶片光合作用相对应的，根系从土壤中吸收水分和养料，承担土壤资源的获取功能，是许多生态系统过程的驱动因素[6]。目前降水变化对植物功能性状的研究大多集中在对叶片的研究[7]，关于根系在此方面的研究远远不够，又缺乏将根叶性状结合在一起进行的植物整体水分适应策略[8-9]研究。

水分是决定植物生长和存活最重要的因素之一，降水量变化是调节草原生态系统功能极其重要的因素[10]。最近，越来越多的研究表明，植物叶片可以通过改变自身功能性状来调整其资源获取能力，以响应降水的变化。Lozano通过对不同水分处理下叶片功能性状的研究发现，植物在较为干旱的环境下表现出较低的比叶面积和叶氮含量，以及较高的叶干物质含量[11]。同样Luong对干旱条件下草原叶片功能性状的研究发现，环境越干旱，植物叶片碳含量越高，氮含量越低，比叶面积也越低[12]。在对有关根系功能性状在干旱条件下的研究发现，在水分充足的环境中，根系直径和根组织密度增加，比根长降低，植物获取能力降低[13]。然而Isaac在研究中发现，生长在干旱环境中的根系具有更高的直径，更低的比根长和根系氮含量[14]，此外，全球田间试验的综合结果显示，在干旱条件下，杂草的比根长降低，但木本植物的比根长增加[15]。因此，根系对于干旱环境不同反应模式背后的机制值得进一步探讨。

植物通过协同地上与地下的功能性状以获取和分配有限资源来更好地适应环境，研究环境条件变化下根叶关系如何协同变异尤为重要。然而，目前关于根叶关系协同变异在环境变化下的研究很少。Tjoelker在对24种水分充足的稀树草原物种根叶关系的研究发现，根组织密度和叶氮浓度在地上和地下均为正相关[16]，表明此稀树草原物种之间根叶关系具有协同性。根据Liu的研究，在干旱和半干旱生态系统中，叶氮含量与根氮含量、比叶面积与比根长之间存在较强的相关性[17]。而de la Riva发现干旱环境下，根叶功能性状之间的协同性变得很弱或没有协同性[18]。因此，通过解析不同降水条件下其根系和叶片功能性状如何变化以及它们之间的关系如何变化，对揭示草原植物物种根系和叶片性状对干旱环境的响应机制，以及预测未来全球气候变化下草原植被结构和功能的变化具有重要意义。

本研究以内蒙古温带草原不同降水条件的两个草原群落(较为湿润的多伦草原和和较为干旱的正镶白旗草原)为研究对象，两个草原群落分别选取优势草种(多伦草原为20种，正镶白旗草原为13种)和共有种(8种)，分为单子叶禾草类、单子叶百合科类和双子叶非禾草类3种植物类群，分别测定3个根性状：包括根直径(root diameter, RD)、比根长(specific root length, SRL)和根组织密度(root tissue density, RTD)；及6个叶性状：包括叶面积(leaf area, LA)、比叶面积(specific leaf area, SLA)、叶干物质含量(leaf dry matter content, LDMC)、叶碳(leaf carbon, LC)、叶氮(leaf nitrogen, LN)和叶碳氮比(leaf carbon to nitrogen ratio, L_C/N)。以期解决以下两个科学问题：(1)不同降水条件草原群落优势种和共有种的根叶功能性状变异趋势及其关系？(2)不同植物类群根叶性状的变化规律。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及物种选择

研究区位于内蒙古自治区锡林浩特市的多伦草原(42°02′ N，116°17′ E)和正镶白旗(简称“正白”)草原(42°24′ N，115°17′ E)，气候为温带大陆性气候，降水量偏少，植被类型主要以禾本科、百合科、菊科、蔷薇科和豆科等科的多年生草本植物为主，常见种有糙隐子草、冷蒿和冰草等。根据植物根叶生理性状对水分响应的不同趋势，将选择的草本植物分为单子叶禾草类(monocotyledonous grasses)、单子叶百合类(monocotyledonous lilies)和双子叶非禾草类(dicotyledonous forbs)(表1)[19]。多伦草原的平均海拔为1 400 m，年均温度为2.1 ℃，年均降水量为385 mm；正白草原的平均海拔为1 300 m，年均温度为2.7 ℃，年均降水量为326 mm。2021年多伦草原生长季节(5～9月)的降雨量为322 mm，正白草原为265 mm。尽管两个草原的年均降水量差异仅为60 mm，但两个草原群落结构发生了明显的变化，又由于这两个草原群落包含有共同物种[20]，因此，十分有利于研究植物种间和种内的根叶功能性状在不同降水条件下的变异规律及其对环境的适应策略。前期研究表明所选的两个草原群落土壤养分基本相似，0～40 cm土层的全氮和全磷含量分别为0.64 g·kg-1、0.75 g·kg-1和0.28 g·kg-1、0.35 g·kg-1[8]。研究区用围栏封堵，处于长期无放牧干扰状态，因此，除降水因子外，其他环境条件如地形、土壤养分、放牧等在两个草原群落间均没有明显变化。

1.2 样品采集及性状测定

2021年7月，在多伦和正白草原先进行群落调查，之后选择两个草原群落的优势种和共同种，根据不同草种的丰度和植株大小，每个草种选取10～20株健康、完整的成熟个体，进行整株挖出。每个草种选取完整叶片10片，迅速放入装有水的塑封袋冷藏(< 5 ℃)保存，回到室内将叶片放入水中，在水分达到饱和后，用吸水纸迅速吸掉叶片表面的水分，用千分之一电子天平上称量叶片饱和鲜重，再用叶面积仪(Li-300，Li-COR，Lincoln，USA)测量叶面积。在65 ℃条件下烘干至恒重，测定叶片干重，最后用球磨仪粉碎叶片样品，用元素分析仪(Elementar，vario，EL，Ⅲ，Elementar，Hanau，Germany)测定叶片的全碳、全氮含量[21]，计算叶碳氮比(叶片中全碳和全氮含量的质量比)，比叶面积(叶片面积除以叶片干重)和叶干物质含量(叶片干重除以叶片鲜重)。

每个草种挑选5～8个完整根枝(至少包括前2级根)，小心清理掉根表面土壤和杂质，装入信封贴上标签，24 h内运回草原站放在冰柜-20 ℃保存。在实验室，按照Pregitzer等[22]根系分级的方法和McCormack等[23]根系功能模块法，将根系前两级挑出，作为研究对象，称其为吸收根。将吸收根平铺在装有蒸馏水的透明塑料器皿，用爱普生扫描仪(Epson Expression 10000 XL desktop scanner)在400 dpi分辨率下扫描，用根系分析软件WinRHIZO(Regent Instruments, Quebec, Canada)获得平均根直径、根体积和总根长度(root length, RL)，之后根样品在65 ℃下烘干至恒重，获取根系干重。计算其比根长(吸收根的总根长度除以其总干重)；根组织密度(吸收根的总干重除以其体积)。

1.3 数据处理与分析

用SPSS 23.0(SPSS Inc.，Chicago，IL，USA)的描述性统计分析分别计算多伦和正白两个草原群落植物根、叶性状的平均值和变异系数，并用单因素方差分析(one-way ANOVA)分别比较同一植物性状在两个草原群落间的差异。用R软件(R 4.0.5)的“ggpubr”包绘制多伦和正白草原群落优势种根、叶性状的箱线图。对三类草本植物的根、叶性状变化用单因素方差分析进行比较，若有显著差异，则用Turkey检验其显著性差异。对两个草原群落的共有种根、叶性状的差异用单因素方差分析进行比较；用R软件“vegan”包对两个草原群落共有种的根、叶性状进行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 两个草原群落优势种根和叶性状的变异

通过对两个地区根叶性状的变异系数进行分析，结果表明，在所有性状中，变异系数最大的是叶面积(多伦为110%，正白为121%)和比根长(多伦为96%，正白为86%)(图1)，这意味着叶面积和比根长会优先对环境变化做出响应。在多伦，根直径最大的为达乌里芯芭(1.18 mm)，最小为苔草(0.20 mm)；在正白，根直径最大为天门冬(1.30 mm)，最小为栉叶蒿(0.22 mm)和猪毛蒿(0.24 mm)。猪毛蒿的叶碳含量在两个地方均为最大(多伦为501.86 mm、正白为551.47 mm)(图1)。对多伦和正白的根叶性状单因素方差结果发现，植物根性状在两个群落间无显著差异，多伦草原植物的比叶面积显著高于正镶白旗草原(P< 0.05)，而叶干物质含量和叶碳含量则是相反趋势(图1)。

2.2 三种植物类群根叶性状的差异

对单子叶禾草类、单子叶百合科类、双子叶非禾草类3个植物类群的根叶性状进行单因素方差分析，结果(图2)表明，单子叶禾草类植物的根直径最小，比根长最大，叶干物质含量最高；单子叶百合科植物根组织密度最小，叶干物质含量和叶氮含量最低；双子叶非禾草类植物根组织密度最大，比叶面积最高而叶面积最低(图2)。

图中数据为平均值±标准误；图中不同小写字母表示三个植物类群的根叶性状存在显著差异图2 三种植物类群根叶性状的变化The data in the figure is mean ± standard error; The different normal letters indicated that there were significant differences in root and leaf traits among the three plant groupsFig.2 Changes of root and leaf traits in three plant groups

2.3 多伦及正白草原共有种对降水变化的响应

与多伦相比，羊草、冰草、糙隐子草在正白的根直径分别增加32%、13%、20%，猪毛蒿则降低31%；猪毛蒿、扁蓄豆的比根长分别增加49%、40%，羊草、糙隐子草分别降低48%、21%；羊草、冰草、糙隐子草的根组织密度分别降低6%、19%、23%，其他则无显著变化(图3)。

与多伦相比，羊草、冰草、糙隐子草在正白的叶面积分别降低了15%、36%、13%，糙隐子草、克氏针茅的比叶面积分别降低了13%、14%，冰草、糙隐子草的叶干物质含量分别增加了49%、41%，猪毛蒿、扁蓿豆、多根葱、达乌里芯芭的叶面积分别降低了19%、33%、25%、14%，比叶面积分别降低了37%、35%、24%、25%，叶干物质含量分别增加了28%、27%、24%、19%；共有种在正白的叶碳含量均增加了10%左右，冰草、克氏针茅的叶氮含量分别降低30%、19%，而糙隐子草、羊草、猪毛蒿的叶氮含量分别增加了15%、33%、19%；冰草、克氏针茅、扁蓿豆的叶碳氮比分别增加了39%、27%、13%(图3)。

Lc.羊草；Ac.冰草；Cs.糙隐子草；Ars.猪毛蒿；Sk.克氏针茅；Mr.扁蓿豆；Ap.多根葱；Cd.达乌里芯芭；※.0.05

2.4 两个草原群落植物根叶性状的关系

主成分分析结果表明，在多伦，主成分第一轴解释率为30.62%，而第二轴的解释率为22.36%。在正白，主成分的第一轴和第二轴解释率分别为30.15%和26.37%，多伦和正白整体情况下，主成分的第一轴和第二轴解释率分别为26.74%和20.28%，且根与叶性状几乎不相关(图4)。在多伦，根直径与比根长负相关，与根组织密度正相关；在正白，叶面积与根组织密度呈负相关(图4)。

RD.根直径；SRL.比根长；RTD.根组织密度；LA.叶面积；SLA.比叶面积；LDMC.叶干物质含量；LC.叶碳；LN.叶氮；L_C/N.叶碳氮比图4 多伦与正白两个地区根性状与叶性状的主成分分析RD. Root diameter; SRL. Specific root length; RTD. Root tissue density; LA. Leaf area; SLA. Specific leaf area; LDMC. Leaf dry matter content; LC. Leaf carbon; LN. Leaf nitrogen; L_C/N. Leaf carbon nitrogen ratioFig.4 Principal component analysis of root traits and leaf traits in Duolun and Zhengbai Steppe

3 讨 论

对多伦和正白的根叶性状单因素方差结果发现，随降水量的减少，草种的根性状没有显著变化，比叶面积显著降低，而叶干物质含量和叶碳含量显著增加，这表明叶片对干旱的反应比根系更为敏感，Lozano也报告了叶性状对干旱反应更加敏感这一现象[11]，这可能与根和叶片生理的差异有关，根系结构比叶片更为复杂，受到系统发育的强烈影响，根是负责吸收水分的器官，对多种压力作出第一反应[24]，缺水条件下，由于根系具有亲水性，可以向土壤中更为潮湿的地块生长，很大程度上减少了缺水带来的影响[25]。对于叶片，会有更高的水分胁迫，因为随着气孔打开吸收二氧化碳，蒸腾过程中会失去极高的水分[26]，其次，根系需要水分进行自身的新陈代谢，所以到达叶片的水分会减少[27]。这与之前的研究结果一致，Meziane研究发现叶片性状对环境变化的响应比根系性状更为敏感[28]。

本研究表明，单子叶禾草类植物的根直径最小，比根长最大，这可能是由于单子叶禾草类植物的木质部导管较小，较小的根直径会在养分吸收和运输之间取得更好的平衡[19]，通常根直径越细，比根长越高[29]。双子叶非禾草类植物根组织密度最大，单子叶百合科植物最小，这可能是由于双子叶非禾草类植物具有较低的皮层厚度和较高的中柱比例，使得其维管束的比例较大，从而导致根组织密度较大，而单子叶百合科植物较高的皮层厚度以及较低的中柱比例，其维管束比例较小，根组织密度较小[19]。双子叶非禾草类植物的比叶面积最大而叶面积最小，可能是因为双子叶非禾草类植物根外追肥效果一般好于单子叶植物，叶面积较小，且一些双子叶如冷蒿、阿尔泰狗娃花等植株较矮，受光较弱，导致比叶面积较大[30]，单子叶禾草类叶干物质含量最高，而百合科植物最低，这可能是因为单子叶百合科植物的皮层厚度比单子叶禾草类植物和双子叶非禾草类植物大得多，其导管直径也大得多，这表明单子叶百合科植物的径向水力阻力比草本植物的高，而单子叶百合科植物的总体流量主要由径向导水系数决定，高的径向水力阻力可能是单子叶百合科植物水分传输较低的原因，对于双子叶非禾草类植物来说，较低的皮层厚度可能会降低径向水力阻力，而较高的中柱比例将有利于轴向水力传导[26]。单子叶禾草类植物的导管较小但密度较大，即较窄但较密集的导管是对日益干旱的适应性变化[31]。这一发现与以前的报告一致，单子叶禾草类植物的长期水分利用效率可能最大[32]。另外，本研究发现，单子叶禾草类植物如羊草、冰草、糙隐子草等，其根系性状在降水变化中差异较为明显，而双子叶非禾草类植物基本没有变化(图2)，可能是因为大多数双子叶非禾草类植物根系性状在系统发育上较为保守[33-34]。

此外，在降水减少的情况下，羊草、冰草、糙隐子草直径增加，比根长、根组织密度降低，而猪毛蒿的直径、比根长则相反。这可能是由于不同的植物类群在获得水分和养分以支持其生长以应对干旱胁迫的策略上有显著差异[35]，羊草等禾草类植物通过增加直径，降低比根长以适应干旱的环境，在本研究中，猪毛蒿的根系十分细，直径为0.24 mm，一般来说，根直径越细，根系组织密度较低，比根长越高，更容易从土壤中吸收水和养分，在生态策略中属于快速生长的“资源获取策略”。另外，猪毛蒿在干旱环境可能通过增强地上生物量、密度、株高和冠幅等表型可塑性来适应降水的变化，以及通过独特的代谢机制也使得在干旱环境中仍然可以快速繁殖后代、保证种群存活[36-37,15]，且较大的比根长使它们能够在干旱条件下快速吸收水分和养分，这也是快速生长物种的一种“资源获取策略”，在降水变化下，根系存在独特的资源获取方式。

降水减少的情况下，糙隐子草、猪毛蒿、扁蓄豆、多根葱、达乌里芯芭的叶面积和比叶面积均降低，叶干物质含量均增加，羊草和冰草的叶面积降低，冰草的叶干物质含量增加，这可能是因为干旱环境下光合作用减弱，植物通过减小叶面积、增加叶厚的方式降低蒸腾速率，导致比叶面积降低[38]，表明叶片在干旱条件下保持膨大并将细胞损伤降至最低[39]。而较高的叶干物质含量可以增加植物的抗旱性[40]。此外，降水减少导致植物叶碳含量都增加，这可能是因为干旱使蒸腾速率降低的同时，气孔导度增加，由此吸收二氧化碳增加[33]，也可能是因为干旱条件下，植物为了适应水分的缺乏，将更多比例的光合碳分配给根际沉积和菌根共生以调节根系的生长[41]。糙隐子草、羊草、猪毛蒿的叶氮含量增加，冰草、克氏针茅叶氮含量降低，这与之前的研究结果类似，如Chen对386种木本植物叶片氮含量分析发现，叶氮含量随降水的减少而增加[42]，也有研究发现植物叶片氮含量随降水减少而降低[43]，这可能是因为糙隐子草和羊草在降水减少时叶面积减小从而体积变小，引起叶氮含量的增加[42]，这也体现出植物在应对环境变化时具有不同的适应策略。

本研究结果发现，在降水不同的条件下，根与叶性状几乎不相关，Liu等在内蒙古草原环境梯度带上的研究也表明地上、地下性状权衡变异较小，而更多的是协同变化[44]，这可能是因为地上、地下面临不同的环境约束和选择压力，根系属于结构器官，叶片属于代谢器官，二者面对不同的环境条件，采取不同的资源利用策略[45-46]。在降水较少的正镶白旗，叶面积与根组织密度呈负相关，这可能是因为根系组织密度越高的物种，如达乌里芯芭，在生态策略中属于保守型策略物种，根系生长速率和资源获取速率(水分、养分等)较为缓慢；那么从植物地上地下功能的协同性来讲，其地上的光合速率和蒸腾速率也较低，且在干旱环境中，保守型物种的叶片往往较厚，面积较小；与之相反，根系组织密度低的物种为获取型策略，生长较为快速，如冰草等禾草类植物，其对应的叶片光合速率和蒸腾速率也较高，具有更高的叶面积。地下性状和地上性状展现出来的这种协同性，往往在资源胁迫更强的环境中具有更高的协同性，以使植物具有更高的适应逆境的能力[47-48]。

4 结 论

本研究通过对内蒙古温带草原不同降水条件的两个草原群落优势种和共有种的根叶性状进行比较分析，结果发现随降水量的减少，草种的根性状没有显著变化，比叶面积显著降低，而叶干物质含量和叶碳含量显著增加。不同植物类群的根叶性状变异趋势不一致，单子叶禾草类的根直径最低，比根长和叶干物质含量最高；单子叶百合科类的根组织密度、叶干物质含量和叶氮含量最低；双子叶非禾草类的根组织密度和比叶面积最高。两个草原共有种的根叶性状变异趋势也不一致，随降水量的降低，糙隐子草、羊草、猪毛蒿的叶氮含量增加，冰草和克氏针茅的叶氮含量降低，羊草、冰草、糙隐子草的根直径增加，比根长和根组织密度降低，而猪毛蒿的直径、比根长则是相反的趋势，表明植物具有不同的水分环境适应策略。干旱对植物叶性状的影响大于根性状，且不同降水环境下，根与叶性状几乎不相关，表明根叶性状对环境的适应策略具有独立性。