過渡帶近距離同地分布不同植物群落建群種葉片草酸鈣特征

徐平宜，張嘉悅，何興東

(南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071)

植物體內(nèi)草酸鈣是由內(nèi)源合成的草酸和外源吸收的鈣離子共同反應(yīng)經(jīng)由嚴(yán)格遺傳調(diào)控形成的產(chǎn)物[1-3]，常以一水草酸鈣(CaC2O4·H2O，單斜晶系)和二水草酸鈣(CaC2O4·2H2O，四方晶系)的形式存在[4]，并且大部分都聚積在特化細(xì)胞—晶異細(xì)胞的液泡中[5-6]。研究表明，沙生灌木、旱生灌木和鹽生植物葉片中含有較多的草酸鈣[7-8]，因而草酸鈣被認(rèn)為是植物適應(yīng)干旱和鹽堿環(huán)境的重要功能特征[9]。在生理生態(tài)方面，草酸鈣的主要功能是調(diào)控細(xì)胞鈣的水平[10-11]，避免高濃度的游離鈣對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害，草酸鈣可充當(dāng)植物的內(nèi)源鈣庫(kù)[12-14]，還可耐受各種重金屬脅迫[15]、參與光的聚集和反射[16-17]，除此之外，草酸鈣可以起到抵御草食動(dòng)物對(duì)植物的取食、充當(dāng)植物內(nèi)源CO2及影響大氣碳循環(huán)[18]的作用。

近年來，本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，沙生植物和旱生灌木草酸鈣含量較多[8]；在鹽漬化生境中，從喬木、灌木、藤本到草本，植物體內(nèi)草酸鈣含量逐漸減少[19]；西北東部沙地建群種油蒿(Artemisiaordosica)在降水量較少地區(qū)體內(nèi)草酸鈣含量較高[20]，油蒿葉與根草酸鈣含量均顯著高于枝；半干旱區(qū)2類草原C3植物體內(nèi)草酸鈣含量顯著低于C4植物，禾本科草本植物草酸鈣含量顯著低于非禾本科草本植物[7,21]。顯然，不同分布區(qū)的不同生態(tài)系統(tǒng)和不同演替階段植物群落建群種體內(nèi)草酸鈣存在顯著差異是由環(huán)境不同造成的，如果這些建群種在近距離30 m以內(nèi)同地自然分布或同地栽培，它們體內(nèi)的草酸鈣是否仍存在差異是一個(gè)有待驗(yàn)證的科學(xué)問題。

寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)的寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和紅寺堡行政區(qū)同屬半干旱區(qū)和干旱區(qū)的氣候過渡帶以及草原和荒漠的植被過渡帶[22-23]，區(qū)域內(nèi)各類植物群落的建群種近距離共存，為研究近距離分布的不同生態(tài)系統(tǒng)和不同演替階段植物群落建群種體內(nèi)草酸鈣含量的差異提供了天然條件。本試驗(yàn)以寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和紅寺堡區(qū)為研究區(qū)，探討了近距離不同生態(tài)系統(tǒng)和不同演替階段建群種體內(nèi)草酸鈣含量的差異以及同種植物不同冠層高度和不同年齡階段草酸鈣含量的差異，旨在深入認(rèn)識(shí)草原和荒漠植物的適應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏吳忠市紅寺堡區(qū)酸棗梁和寧夏鹽池縣北部的寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)雙堆梁，2地同處于干旱區(qū)與半干旱區(qū)氣候過渡帶和荒漠與草原植被過渡帶。寧夏吳忠市紅寺堡區(qū)地處105°43′45″～106°42′50″ E，37°28′08″～37°37′23″ N，海拔1 240～1 450 m；年均氣溫8.4℃，年均蒸發(fā)量2 050 mm，年均降水量277 mm。寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處106°53′11″～107°38′10″ E，37°38′36″～38°02′00″ N，海拔1 300～1 622 m；年均氣溫7.7℃，年均蒸發(fā)量2 132 mm，年均降水量297 mm。研究區(qū)2地土壤為灰鈣土、棕鈣土(淡棕鈣土)及風(fēng)沙土(流動(dòng)風(fēng)沙土、半固定風(fēng)沙土和固定風(fēng)沙土)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1樣品采集 2019年7月，在寧夏紅寺堡區(qū)酸棗梁和寧夏哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)雙堆梁隨機(jī)設(shè)置6個(gè)樣地，同一樣地內(nèi)每種植物分布間隔均在30 m內(nèi)(表1)。每一種植物分別采集3株葉片樣品，將所采葉片放入貼有標(biāo)簽的牛皮紙袋內(nèi)，密封，置于-15℃低溫冰箱內(nèi)保存，用于草酸鈣含量的測(cè)定。共采集植物樣品63個(gè)，隸屬5科9屬12種。

表1 過渡帶不同群落建群種的分布間隔距離與物種生態(tài)位

1.2.2草酸鈣和鈣離子含量測(cè)定 草酸鈣和鈣離子含量采用對(duì)鈣組分法[24]改進(jìn)的化學(xué)方法[7]測(cè)定。

每種植物葉片樣品稱取3份，每份質(zhì)量在0.05～0.06 g，置于3個(gè)研缽中，用剪刀剪碎，分別加入1 mL的去離子水、1 mL的1.05 mol·L-1稀醋酸、1 mL的1 mol·L-1稀鹽酸，用研杵充分研磨直至研成勻漿，轉(zhuǎn)移到7 mL離心管中，再分別加入4 mL相對(duì)應(yīng)的處理溶液對(duì)研缽進(jìn)行沖洗，轉(zhuǎn)入離心管中；7 000 rpm離心15 min，所得上清液即為鈣組分提取液。

取3個(gè)錐形瓶，先分別加入 0.16，0.94和0.91 mL的4 mol·L-1NaOH，再分別加入1.84，1.06和1.09 mL的去離子水，最后均汲取3 mL三乙醇胺(1∶2水溶液)和3 mL提取液分別加入錐形瓶中，配成體積為8 mL的待滴定溶液。在配好的溶液中加入0.08 g的鈣羧酸指示劑，用 10 mmol·L-1的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液迅速滴定，邊滴定邊觀察溶液顏色的變化，當(dāng)溶液的顏色由紫紅色變?yōu)榱了{(lán)色時(shí)立即停止滴定，記錄此時(shí)消耗標(biāo)準(zhǔn)液的體積。每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)，取其平均值。

鈣離子含量的計(jì)算公式為：

草酸鈣含量的計(jì)算公式為：

1.2.3含水量測(cè)定 從-15℃低溫冰箱中取出樣品，每種植物葉片樣品稱取1份，每份質(zhì)量為0.05～0.06 g，將其置于紙袋內(nèi)，隨后放入105℃恒溫烘箱內(nèi)殺青，再將烘箱溫度下調(diào)至85℃，將樣品烘干至恒重后取出，再次稱量。

含水量的計(jì)算公式為：W(%)=(m1-m2)/m1×100%。

式中，W為組織含水量(%)，m1為烘干前稱量所得植物葉片鮮重的質(zhì)量(g)，m2為烘干后稱量所得植物葉片干重的質(zhì)量(g)。

植物含水量用于換算測(cè)定草酸鈣和鈣離子時(shí)植物的干重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)按照不同生態(tài)系統(tǒng)、不同演替階段、不同冠層高度與不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，在95%的置信水平上，2樣本用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，3樣本用單因素方差分析以及Duncan方法進(jìn)行檢驗(yàn)。用Excel 2019繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)系統(tǒng)、不同演替階段建群種葉片草酸鈣含量比較

本研究測(cè)定了油蒿、籽蒿(A.sphaerocephala)、紅砂(R.songarica)、貓頭刺(O.aciphylla)、長(zhǎng)芒草(S.bungeana)、戈壁針茅(S.tianschanicavar.gobica)、駝絨藜(C.latens)、糙隱子草(C.squarrosa)和冷蒿(A.frigida)葉片中的草酸鈣含量。測(cè)定結(jié)果表明，籽蒿葉片草酸鈣含量顯著高于油蒿(P<0.05)(圖1a)；紅砂葉片草酸鈣含量雖高于貓頭刺，但二者無顯著差異(圖1b)；戈壁針茅葉片草酸鈣含量顯著高于長(zhǎng)芒草(P<0.05)(圖1c)；駝絨藜葉片草酸鈣含量顯著高于糙隱子草和冷蒿(P<0.05)(圖1 d)。

圖1 過渡帶近距離同地分布不同生態(tài)系統(tǒng)不同演替階段植物群落建群種葉片草酸鈣含量比較

采樣區(qū)組3中的長(zhǎng)芒草和區(qū)組4中的糙隱子草兩者相距不到5 m，草酸鈣含量顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，雖然糙隱子草葉片草酸鈣含量高于長(zhǎng)芒草但差異不顯著(t=-0.303，P=0.766)。

2.2 不同冠層高度植物葉片草酸鈣含量比較

沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和紫穗槐(Amorphafruticose)是寧夏紅寺堡區(qū)酸棗梁分布較多的3種豆科灌木。本研究測(cè)定了這3種灌木不同冠層高度葉片草酸鈣含量(圖2)。

分析表明，3種豆科灌木冠層底部葉片草酸鈣含量較高(圖2a)；小葉錦雞兒冠層底部葉片草酸鈣含量最多(43.09 g·kg-1)，冠層頂部葉片草酸鈣含量最少(10.25 g·kg-1)，冠層底部顯著高于冠層頂部(圖2b)；沙冬青底部葉片草酸鈣含量高于頂部但差異不顯著(圖2c)；紫穗槐葉片草酸鈣含量也是冠層底部顯著高于頂部(圖2 d)。

圖2 過渡帶3種豆科灌木不同冠層葉片草酸鈣含量比較

2.3 不同生長(zhǎng)階段油蒿葉片草酸鈣含量比較

幼齡油蒿葉片草酸鈣含量最高(9.35 g·kg-1)，其次是老齡型(8.11 g·kg-1)，最低的是成齡型(2.67 g·kg-1)，且幼齡植株和老齡植株葉片草酸鈣含量均顯著高于成齡植株(P<0.05)(圖3)。

圖3 不同生長(zhǎng)階段油蒿葉片草酸鈣含量

3 討論

近距離自然同地分布的采樣分析是比較不同類群植物生理特性差異的良好手段。在過渡帶，很小的生境差異就可見到不同類型的單優(yōu)小群落，例如，在哈巴湖雙堆梁，長(zhǎng)芒草是典型草原的建群種，而戈壁針茅是荒漠草原的建群種，長(zhǎng)芒草單優(yōu)小群落與戈壁針茅單優(yōu)小群落毗鄰而居，但2者不是共優(yōu)種；在紅寺堡酸棗梁，油蒿和籽蒿毗鄰生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象在其他地區(qū)鮮少存在。本研究對(duì)于過渡帶近距離分布的不同生態(tài)系統(tǒng)和不同演替階段植物葉片草酸鈣的測(cè)定結(jié)果表明，沙漠先鋒植物籽蒿葉片草酸鈣含量顯著高于荒漠化草原沙地建群種油蒿；荒漠草原建群種戈壁針茅葉片草酸鈣含量顯著高于典型草原建群種長(zhǎng)芒草；荒漠演替中后期建群種駝絨藜葉片草酸鈣含量顯著高于典型草原演替中后期建群種糙隱子草和冷蒿，這表明荒漠植物群落建群種葉片草酸鈣含量顯著高于典型草原建群種。相對(duì)于典型草原建群種所處生境，荒漠建群種生長(zhǎng)在荒漠，生境比較干旱[25]，植物體內(nèi)富集較多的草酸鈣是其能夠抵御不良環(huán)境的因素之一?；哪参镌诼L(zhǎng)的生態(tài)適應(yīng)過程中，會(huì)通過調(diào)整自身表型特征和生理代謝，增強(qiáng)對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力[26]。大量試驗(yàn)證據(jù)表明，草酸鈣在植物正常的生理生化代謝和抵抗逆境的反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[27-28]。一方面，水分是限制荒漠植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子之一[29-30]，蘇志孟等[31]研究表明，晶異細(xì)胞中的草酸鈣能通過調(diào)節(jié)滲透勢(shì)維持植物細(xì)胞的水分平衡，可根據(jù)外界環(huán)境的水分狀況貯存水分或?yàn)橹苓吋?xì)胞提供較濕潤(rùn)環(huán)境，從而提高植物的抗旱性[32]。另一方面，草酸鈣與葉片光合作用相關(guān)，Tooulakou等[33]指出，植物可利用草酸鈣作為動(dòng)態(tài)碳庫(kù)，他們的研究也確證植物在氣孔關(guān)閉時(shí)可以分解草酸鈣產(chǎn)生CO2，代替從大氣中獲取的CO2，使光合作用得以正常進(jìn)行。本研究結(jié)果表明，荒漠演替后期建群種紅砂與演替中后期建群種貓頭刺葉片草酸鈣含量之間沒有顯著差異，典型草原演替后期建群種長(zhǎng)芒草與演替中后期建群種糙隱子草葉片草酸鈣含量之間也沒有顯著差異，這說明盡管植物群落演替后期土壤水分條件更為干燥[34]，但建群種葉片草酸鈣含量之間沒有質(zhì)的差異。

此外，本研究還測(cè)定了植物不同冠層高度葉片草酸鈣含量，結(jié)果表明，3種豆科灌木小葉錦雞兒、沙冬青和紫穗槐冠層底部葉片草酸鈣含量均顯著高于頂部。這可能是由于維持植物生理生態(tài)功能和合成草酸鈣所需的游離鈣，是植物根系將外界土壤中的鈣離子吸收進(jìn)入根細(xì)胞內(nèi)，再以橫向運(yùn)輸?shù)姆绞降诌_(dá)根系木質(zhì)部，繼而通過蒸騰拉力從木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到植物的地上部分[35]，由于冠層頂部葉片生理代謝活動(dòng)比較旺盛，因而需要較多的鈣離子，而多余的鈣離子合成為草酸鈣后就在冠部底層集聚，因而冠層底部葉片草酸鈣含量較高。此外，除植株不同冠層高度外，草酸鈣含量與植物年齡也有一定相關(guān)性[36-37]。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)分布最廣的植物油蒿葉片草酸鈣含量隨年齡不同而有所不同。Bernardino-Nicanor等[36]對(duì)墨西哥半干旱地區(qū)發(fā)育過程中的龍舌蘭(Agaveatrovirens)的草酸鈣含量變化研究得出，年齡是龍舌蘭葉片草酸鈣含量的決定性因素之一，幼齡龍舌蘭葉片中的草酸鈣含量高于成熟植物葉片中的草酸鈣含量；Mou[37]研究也表明，菠菜(SpinaciaoleraceaL.)的草酸鈣含量會(huì)隨著年齡增長(zhǎng)而降低。本研究結(jié)果與Mou相似，相同環(huán)境下，油蒿幼齡階段葉片草酸鈣含量最高，成齡階段葉片草酸鈣含量顯著低于幼齡及老齡。這可能是由于在油蒿的初始生長(zhǎng)發(fā)育階段，植物通過在幼葉中積累大量礦物質(zhì)以增加植株體量和維持機(jī)體穩(wěn)定性，而到了熟齡階段，植物將大部分養(yǎng)分用于器官的發(fā)育和自身旺盛的生理代謝，導(dǎo)致了葉片草酸鈣含量顯著下降。

4 結(jié)論

不同生態(tài)系統(tǒng)、冠層高度和齡級(jí)間，植物葉片的草酸鈣含量存在顯著差異。在干旱區(qū)與半干旱區(qū)過渡帶，近距離同地分布的籽蒿與油蒿、戈壁針茅與長(zhǎng)芒草、駝絨藜與糙隱子草和冷蒿之間的葉片草酸鈣含量存在顯著差異，但紅砂與貓頭刺、長(zhǎng)芒草與糙隱子草的葉片草酸鈣含量間不存在顯著差異。小葉錦雞兒、沙冬青和紫穗槐不同冠層高度葉片草酸鈣含量之間具有顯著差異，且底部高于頂部。油蒿不同齡級(jí)葉片草酸鈣含量具有顯著差異，幼齡階段葉片草酸鈣含量最高，成齡階段最低。說明植物會(huì)通過調(diào)整自身草酸鈣的分布從而形成抵御逆境的適應(yīng)策略。