楊 潔,單立山,蘇 銘,張正中,解婷婷,李 毅
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
大氣環(huán)流模型預(yù)測顯示,未來100年內(nèi),全球總降水量會產(chǎn)生巨大變化,極端天氣和干旱強降水事件的發(fā)生頻率將增加,季節(jié)性降水也會發(fā)生非常明顯的改變,總體表現(xiàn)為夏季單次降水量加大、降水時間延長[1]。西北干旱區(qū)降水的季節(jié)性波動表現(xiàn)更加明顯,廣泛分布于我國干旱和半干旱地區(qū)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)由于自身的脆弱性和不穩(wěn)定性,對極端干旱等氣候條件的響應(yīng)更為敏感[1-3]。水分作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)中植被生長的主要限制因子,其變化會直接影響植物根系的形態(tài)特征及分布[4-5],使植物不斷調(diào)整自身根系形態(tài)以適應(yīng)環(huán)境水分變化。因此,加強降水變化對荒漠植物根系形態(tài)變化特征的影響的研究,對干旱區(qū)荒漠植被的保護、恢復(fù)和重建等工作具有重要意義。
根系作為最先感應(yīng)到水分存在及變化的器官[6],水分不足或過量都會直接影響植物根系的形態(tài)特征、數(shù)量和空間分布,使根系各項生理生化功能受到阻礙并且生長異常[7]。良好的根系形態(tài)構(gòu)型不僅提高了根系對土壤水分和養(yǎng)分利用效率,也間接反映了根系對環(huán)境變化的積極響應(yīng)[8]。因此,在環(huán)境條件發(fā)生變化時,植物通過不斷改變自身根系形態(tài)和生理生化特性以調(diào)整生長策略適應(yīng)環(huán)境[9]。已有研究表明,隨著水分條件的改善,植物根系細根長、根表面積[10]、根冠比[6]逐漸增大。但也有研究發(fā)現(xiàn),隨著水分梯度的下降,不同退化程度草地內(nèi)的植物均表現(xiàn)為主根長、根系體積和根表面積逐漸增加[11]。還有研究指出,可能由于根系周轉(zhuǎn)過快,隨著降水量的增加,植物根系生產(chǎn)未發(fā)生顯著改變[12]??梢?,降水變化對植物根系形態(tài)特征的影響的研究結(jié)果因試驗條件及物種的不同而存在差異。
植物種間主要靠地下根系與土壤之間的物理、化學(xué)和生物過程表現(xiàn)出的競爭來實現(xiàn)對資源的合理分配利用[13]。在判定資源競爭利用強度方面,地下部分明顯重要于地上部分,從地下根系形態(tài)和分布特征來認識物種間競爭和互惠現(xiàn)象,才能更深入地了解種間關(guān)系的實質(zhì)[14]。有研究表明種間關(guān)系會對植物根系形態(tài)產(chǎn)生影響,王政權(quán)等[15]發(fā)現(xiàn)水曲柳(Fraxinusmandshurica)和落葉松(Larixgmelinii)混栽顯著增大了水曲柳細根、粗根生物量及根長,提高了水曲柳競爭效率;張彥東等[16]和廖利平等[17]對不同混交林的研究均得出類似的結(jié)論。然而由于荒漠生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和植物地下部分的不可見性及研究方法的局限性,目前人們對荒漠植物根系間的相互作用關(guān)系了解甚少[18]。針對植物根系形態(tài)特征對不同降水量的響應(yīng)的研究主要集中在某單一植物種,對荒漠灌木混生植物群落的相關(guān)研究極其缺乏。因此,結(jié)合種間關(guān)系開展不同降水量條件下荒漠植物的根系形態(tài)變化特征的研究,對揭示干旱荒漠區(qū)物種共存和生物多樣性維持具有重要意義。
紅砂(Reaumuriasoongorica)和珍珠(Salsolapasserina)是干旱荒漠和荒漠草原區(qū)分布最廣的植物種之一,兩者?;楣步ǚN組成混生群落[19]?;焐郝浞植忌愁愋投鄻樱渲橹饕娪谀杲涤炅?00~200 mm的低山丘陵、山間盆地和山前地帶;紅砂除此以外,還遍布于年降雨量100 mm以下的遼闊山前平原和廣大的戈壁灘[20]。研究發(fā)現(xiàn)兩者組成的混生群落適應(yīng)極端環(huán)境變化的能力要顯著高于單生群落[21],混生群落對提高植物在極端環(huán)境內(nèi)對水分和養(yǎng)分的吸收利用效率及維持生態(tài)穩(wěn)定方面具有重要作用[22]。近年來,針對紅砂和珍珠混生后根系分布規(guī)律有零星報道。例如,研究發(fā)現(xiàn)相同生境下紅砂和珍珠混生后,混生紅砂根系生物量大于單生紅砂,珍珠則相反[23]。也有研究指出兩種植物混生后,在適宜水分下紅砂細根的生長得到促進,而珍珠是在水分脅迫嚴重時通過增加細根比重提高其競爭力;低水條件下混生后,紅砂和珍珠的地下生物量以及根冠比顯著降低,珍珠細根的比根長和比根面積顯著降低[21]。可見,兩種植物為適應(yīng)不同的生境其各自的根系形態(tài)會產(chǎn)生不同變化。因此,本研究擬通過人工模擬自然降水變化,探討不同降水量條件下兩種生長方式的紅砂和珍珠的根系形態(tài)特征變化,以此揭示兩種荒漠植物根系形態(tài)特征變化對降水量和生長方式的響應(yīng)機制,為深入開展脅迫環(huán)境下的混生植被群落間的相互作用關(guān)系的研究提供一定的理論依據(jù)。
2017年3月底4月初土壤解凍之前,在甘肅省白銀市景泰縣(36°43′ N,104°43′ E)紅砂和珍珠生長的山前戈壁進行樣方調(diào)查。根據(jù)樣方調(diào)查數(shù)據(jù),以自然生境中紅砂和珍珠的平均樣株大小為標準,分別選取株高(10.0±0.2)cm、冠幅(10.0±0.2)cm,根系形態(tài)基本一致的一年生單生紅砂、單生珍珠以及混生紅砂和混生珍珠幼苗各36 株,將所有幼苗挖掘后帶回校內(nèi)試驗地,對幼苗根系進行適當(dāng)修剪后分別定植到自行設(shè)計的內(nèi)徑為15 cm、高度為80 cm的PVC管內(nèi),管內(nèi)裝入取自紅砂和珍珠采樣地的自然生境中的黃土,加入少量蛭石和珍珠巖混合,避免土壤板結(jié)影響植物根系生長。緩苗1個月,為保證幼苗成活對幼苗進行水分和病蟲害管理。試驗過程中為防止水分流失和土壤下沉,在管子底部均放置了面積稍大于管子底面面積的托盤。試驗地位于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗場,場地周圍開闊,無遮擋物,光照適宜。在試驗地搭設(shè)了簡易遮雨棚,出現(xiàn)降雨天氣時對紅砂和珍珠進行及時遮蓋,降雨停止后,及時取走防水篷布,保證植物可以進行充分的光合作用和呼吸作用。
因紅砂和珍珠混生群落由東向西氣候形成光-溫-濕的明顯梯度和多種多樣的水熱組合,在我國形成了從荒漠草原區(qū)、典型荒漠區(qū)到極端荒漠區(qū)的荒漠環(huán)境梯度分布格局,本試驗?zāi)M3種荒漠環(huán)境梯度下的降水條件,自西向東分別選取酒泉、張掖、武威、銀川、白銀、蘭州6個地點的年均降水量作為參照(6個參照點的水熱條件見表1),人工模擬降水量分別設(shè)置為50,100,150,200,250和300 mm。6個選取點自西向東隨著自然降水量的增加,自然生境中紅砂和珍珠的植物密度(即平均每平方米上的株數(shù))均逐漸增大,紅砂植株密度范圍為0.61 株·m-2~1.57 株·m-2,珍珠植株密度范圍為0.08 株·m-2~1.02 株·m-2。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),西北荒漠區(qū)氣候干燥,降水少而不穩(wěn)定,分配極不均勻,降水主要集中在夏秋季,占全年降水量70%~80%[24]。植物生長集中于夏季,在秋季進入凋零期。因此在模擬降水量變化的試驗中,計算出6,7,8,9這4個月的月降水量占比并分別換算為澆水量。降水量換算方法參考閆建成等[25]和寇祥明等[26]。具體如下:在直徑為20 cm的雨量器內(nèi),每降水31.4 mm相當(dāng)于自然降水1 mm。
表1 試驗設(shè)計參照的試驗6個選取點的水熱條件比較
(1)
式中,A代表降水量,S代表降水面積,即在面積為S的地面上降水AmL相當(dāng)于1 mm降水。單生紅砂、單生珍珠、混生紅砂和混生珍珠分別設(shè)置6種降水處理,每種降水處理下設(shè)置3個重復(fù)。年降水量為50 mm和100 mm的澆水頻次為4次·月-1,150 mm和200 mm的澆水頻次為6次·月-1,250 mm和300 mm的澆水頻次為8次·月-1,具體模擬的降水總量和單次降水量見表2。澆水時間從6月1日起至9月30日結(jié)束,降水時間設(shè)在19點,同時對植被進行等質(zhì)精細化管理,及時除草和預(yù)防病蟲害。
表2 降水量占比及澆水量換算
在植物的生長季末,將所有植株進行全根挖掘,以統(tǒng)計根系分布特征和植株生物量。收獲時,首先將已經(jīng)減去植株地上部分的PVC管小心傾倒至地面用小刀割開,至此可以看到完整含根系的土壤,用鋒利的刀小心地將完整的、圓柱狀的土壤切開,將每一次取得的含根土壤置于200 μm的篩一遍遍過濾,篩去土粒,挑出石子等雜質(zhì)后將根系清洗干凈,置于玻璃皿中。其中,混生紅砂和珍珠的根系根據(jù)顏色、形態(tài)和柔韌性進行區(qū)分。將清洗干凈后的根系用電子游標卡尺分成粗根(直徑≥2 mm)和細根(直徑<2 mm),然后分裝置于不同的信封并標記。將這些根樣用掃描儀掃描,最后用根系分析軟件(Win-RhIZO 2008a)得到植物根系的形態(tài)特征指標,如根長、根表面積等。將掃描過的根系重新裝入信封,與植物的地上部分一同放入75℃的烘箱烘至恒重,得到植物地上和地下部分的干重。其余指標計算方法如下:
所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析,生長方式和降水量對植物根系形態(tài)指標的影響采用雙因素方差分析;對同一降水量不同生長方式下同種植物根系形態(tài)指標進行了單因素方差分析;對同一生長方式不同降水量下同種植物根系形態(tài)指標進行了單因素方差分析。作圖采用Origin 2018,圖中數(shù)值均為平均值±標準誤差。
由表3可知,生長方式對紅砂細根生物量有極顯著影響(P<0.01),降水量對紅砂細根和粗根生物量影響均顯著(P<0.05)。生長方式對珍珠細根、粗根生物量、細根生物量比重、粗根生物量比重影響均為極顯著(P<0.01),降水量對其生長無顯著影響。
表3 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根和粗根生物量及其比重的雙因素方差分析
隨著降水量的增加,兩種生長方式下的紅砂細根生物量均呈現(xiàn)增-減-增的趨勢,且同一降水量下的單生紅砂細根生物量均大于混生紅砂,100 mm和150 mm降水量下差異顯著(P<0.05),單生紅砂細根生物量均值較混生紅砂高81.21%(圖1a)。由圖1b可知,同一降水量條件下,單生珍珠細根和粗根生物量均分別大于混生珍珠,均在300 mm降水量下達到顯著差異(P<0.05),均值分別高210.35%和367.06%。單生珍珠細根生物量隨降水量的增加呈增-減-增的變化趨勢,300 mm降水量下的最大值比50 mm降水量下的最小值高82.73%。
在50 mm和100 mm降水量條件下,混生紅砂細根生物量比重大于單生紅砂,但隨著降水量的增加,其余降水量下單生紅砂細根生物量比重均大于混生紅砂(圖1c)。同一降水處理下的混生珍珠細根生物量比重均大于單生珍珠,粗根生物量比重均小于單生珍珠(圖1d)。同一降水量下的單生紅砂的細根生物量比重均大于單生珍珠;除250 mm降水量外,其余降水量條件下混生紅砂的細根生物量比重均大于混生珍珠(圖1c,1d)。
圖1 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根、粗根生物量及其比重
由表4可知,生長方式、降水量及兩者的交互作用對紅砂比根長均無顯著影響,但生長方式對珍珠細根比根長有極顯著影響(P<0.01)。
表4 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根和粗根比根長的雙因素方差分析
由圖2a可知,50 mm降水量下單生和混生紅砂細根比根長差異顯著(P<0.05)。在50~200 mm降水量范圍內(nèi),單生和混生紅砂細根比根長均呈現(xiàn)先增后減變化趨勢。200~300 mm降水量范圍內(nèi),單生紅砂細根比根長先減后增,而混生紅砂細根比根長先增后減。由圖2b可知,150~300 mm降水量范圍內(nèi),混生珍珠細根比根長顯著大于單生珍珠(P<0.05)。在50~200 mm降水量范圍內(nèi),單生珍珠細根比根長呈現(xiàn)減-增-減的變化趨勢,而混生珍珠則呈現(xiàn)相反變化趨勢(增-減-增),200~300 mm降水量內(nèi),單生和混生珍珠細根比根長均先增大后減小。
圖2 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根、粗根比根長
由表5可知,生長方式對珍珠細根比根面積影響顯著(P<0.05),降水量及兩者的交互作用對兩種植物根系比根面積均無顯著影響。
表5 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根和粗根比根面積的雙因素方差分析
兩種生長方式下,紅砂細根比根面積變化均未呈線性變化,單生紅砂細根比根面積在100 mm降水量下的最大值與200 mm降水量下的最小值差異顯著(P<0.05),最大值比最小值高89.24%?;焐t砂粗根比根面積隨降水量的增加逐漸減小(圖3a)。由圖3b可知,對珍珠而言,在100~300 mm降水量范圍內(nèi),混生細根比根面積均大于單生,其均值較單生增加了84.00%。單生珍珠細根比根面積在50 mm處的最大值與在300 mm處的最小值差異顯著(P<0.05),最大值較最小值高137.36%;混生珍珠細根比根面積在200 mm處的最大值與降水量為50 mm時的最小值差異顯著(P<0.05),最大值較最小值高180.25%。
圖3 不同降水量條件下單生、混生紅砂珍珠的細根、粗根比根面積
由圖4a可知,在同一降水量條件下,混生紅砂根冠比均小于單生紅砂。隨著降水量的增加,混生后紅砂根冠比較單生分別降低了5.00%,12.50%,28.81%,21.43%,41.46%,14.55%。在150 mm降水量條件下,單生紅砂根冠比達到最大值(0.59)。
由圖4b可知,混生珍珠在250 mm降水量處理下根冠比達到最大值(0.58),與其他降水量條件下的根冠比值均差異顯著(P<0.05),比其它降水量條件下的根冠比分別高58.62%,58.62%,60.34%,70.69%,48.28%,比該降水量處理下的單生珍珠根冠比高56.90%。同一降水量下單生紅砂的根冠比均大于單生珍珠,其均值較單生珍珠高44.90%(圖4a,4b)。
圖4 不同降水量下單生、混生紅砂珍珠的根冠比
物種共存的一條重要策略是相鄰?fù)N和異種個體由于根系競爭調(diào)整其根系的空間分布格局[23,27],這樣的共存機制總體上有利于兩種植物協(xié)同適應(yīng)各種脅迫生境[28]。但也有研究指出,干旱環(huán)境中緊密共存的物種之間的根系分離不是普遍現(xiàn)象[29]。研究表明,相鄰植物可通過改變比根長和比根面積來適應(yīng)根系間的相互競爭實現(xiàn)共存[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn),紅砂和珍珠混生顯著提高了珍珠的細根比根長和比根面積,降低了紅砂細根比根長和比根面積,這與張海娜[21]對紅砂和珍珠的研究結(jié)果一致。同樣,對草本、喬木和農(nóng)作物的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)混交或混播會提高其中一種植物的細根比根長和比根面積[32-34]。說明紅砂和珍珠混生后,珍珠通過不斷增大細根比根長和比根面積來擴大根系與水分和養(yǎng)分的接觸面積,提高自身競爭力以獲取適合自身生長所需的水分和養(yǎng)分。紅砂細根比根長和比根面積降低,這可能是因為兩種植物混生后根系的重疊主要促進珍珠根系的生長,并改善了其周圍土壤的緊實度,從而對紅砂根系產(chǎn)生庇護效應(yīng)[21],因此紅砂沒必要通過增加自身根長和根表面積等形態(tài)特征指標來消耗更多的水分和養(yǎng)分對根系進行重建投資[35],而是選擇將更多的水分和養(yǎng)分輸送至地上部分以滿足地上部分的生理需求??梢姡煌参锘焐L時,植物會通過整合資源和相鄰植物信息來調(diào)整自身根系形態(tài)和資源分配策略[36]。
有研究指出不同種的植物,其根系交錯會促進細根的生長,更有利于植物從周圍環(huán)境中獲取養(yǎng)分和水分,對粗根卻幾乎不產(chǎn)生促進作用[37];Dudley和File[38]發(fā)現(xiàn)某些植物在與其它植物發(fā)生種間競爭時會分配給細根更多的生物量;Padilla等[39]的研究發(fā)現(xiàn)植物對水分和養(yǎng)分的吸收與土壤單位體積中細根生物量之間存在著很強的關(guān)系,但與粗根生物量無關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),混生顯著提高了珍珠細根生物量比重,降低了粗根生物量比重,這與張海娜[21]研究發(fā)現(xiàn)將紅砂和珍珠混生,細根會產(chǎn)生更多的重疊,促進了珍珠細根的伸長生長的結(jié)果一致。說明兩種植物混生后,珍珠地下部分的競爭能力增強,珍珠將更多的養(yǎng)分水分分配到細根,促進細根的生長發(fā)育,細根數(shù)量的增加使總根系對水分和養(yǎng)分的獲取能力得以補充,根系地下部分的生物量增大,使植物能夠更好的利用地下資源促進自身生長發(fā)育,體現(xiàn)了珍珠為適應(yīng)環(huán)境變化對自身粗細根的資源投入產(chǎn)生的一種分配策略。究其原因可能是因為混生加劇了兩種植物對資源的競爭利用強度,而根系木質(zhì)化程度會影響植物對脅迫條件的抵抗能力[40]。細根(直徑<2 mm)作為植物組織中的幼嫩部分,多數(shù)未木質(zhì)化,其對土壤環(huán)境因子的變化反應(yīng)極其敏感,粗根多為木質(zhì)化組織,其對環(huán)境變化的敏感程度較低[40]。紅砂和珍珠混生后根系對地下資源的競爭作用加強,珍珠作為淺根性植物,由于土壤表層水分養(yǎng)分資源豐厚[23],其細根能吸收充足的水分養(yǎng)分促進自身細根生物量增加,從而提高了細根比重。而深根性植物紅砂的細根在養(yǎng)分水分較少的深層土壤中獲取資源則處于一定的劣勢[23],只能不斷下扎自身根系探索更深層能夠促進自身發(fā)育的資源,越深層的土壤中細根生物量越小,這也體現(xiàn)了兩種植物混生后根系發(fā)生的生態(tài)位分離??梢姡毟谥参锔蹈偁庍^程中在吸收養(yǎng)分水分方面展現(xiàn)的較強的可塑性和活躍性。
荒漠環(huán)境中植物生長所需水分主要來源于自然降水,根系作為最先感知到水分存在及變化的器官,當(dāng)生境中水分減少時,根系首先產(chǎn)生化學(xué)信號并迅速傳遞至地上部分促使氣孔關(guān)閉,減少水分蒸騰散失;與此同時,地下根系也會通過調(diào)整自身形態(tài)特征和生物量分配策略來適應(yīng)環(huán)境水分變化[5]。比根長和比根面積是指示根系功能的重要指標,可綜合反映植物吸收資源的能力與生態(tài)適應(yīng)性[41],其值越大,根系吸收水分和養(yǎng)分的能力越強,表明投入相同的成本會產(chǎn)生更高的養(yǎng)分利用效率[23]。很多研究發(fā)現(xiàn),在降水減少的情況下,植物根系的比根長和比根面積會顯著增加[42-45]。但也有研究[46-47]指出,干旱條件下植物保存水分的策略之一是降低比根長,減少細根生長。本研究發(fā)現(xiàn),隨著降水量的增加,單生紅砂細根比根長和比根面積均呈現(xiàn)增-減-增的趨勢,這與種培芳等[48]研究發(fā)現(xiàn)降水量增多,單生紅砂比根長和比根面積逐漸降低的結(jié)果不一致,這可能是試驗處理和降水梯度不同導(dǎo)致的差異。自然界中紅砂主要分布在100 mm~200 mm降水量范圍的生境中,本研究發(fā)現(xiàn)在該降水范圍內(nèi),單生紅砂細根比根長和比根面積均隨降水量的增加逐漸減小,這與前人研究結(jié)果一致[48-49]。此外,本研究發(fā)現(xiàn),相同降水量下的單生紅砂根冠比均大于單生珍珠。這可能是因為紅砂為深根型植物,維持其生長的水源主要來自于地下水,且紅砂在脅迫條件下其根系會不斷下扎拓寬生長區(qū)域,從而增大地下生物量;大氣降水作為維持非深根型植物珍珠生長的主要水源[23],會對珍珠地上生物量的增加產(chǎn)生促進作用,導(dǎo)致相同生境中單生珍珠的地上部分生物量顯著大于單生紅砂[21]。因此,在相同降水條件下,紅砂深層的地下根系吸收水分養(yǎng)分能力較強,導(dǎo)致地下生物量顯著大于珍珠[50],而地上生物量小于珍珠,更易于形成大的根冠比促進根系發(fā)育。這與Schwinning等[51]發(fā)現(xiàn)在干旱區(qū),以深層土壤水為主要水源的植物,一般以深根性、大根冠比為主要表現(xiàn)特征;以不定降水為主要水源的植物則表現(xiàn)為淺根性、小根冠比的結(jié)論一致。Passiour等[52]研究也指出植物根冠比大,將會有更多的同化產(chǎn)物分配到根系,更有利于根系的快速擴張。但無論環(huán)境如何變化,植物會通過調(diào)整自身根系形態(tài),增加對養(yǎng)分和水分吸收的有效性,以期最大化地滿足自身的生長需求[53]。
混生降低了紅砂各根系形態(tài)特征指標的大小,而顯著增加了珍珠根系形態(tài)特征各指標的值,說明兩者混生時紅砂在根系競爭中表現(xiàn)出一定的劣勢,而混生提高了珍珠的競爭能力,更有利于珍珠塑造良好的根系形態(tài)特征以提高其根系對水分養(yǎng)分的吸收利用效率。兩種植物混生生長后,與粗根相比,珍珠細根的各形態(tài)指標均隨水分條件變化明顯,說明其細根對根系間相互作用的敏感程度高于粗根,混生生長過程中主要通過調(diào)整細根根系形態(tài)發(fā)育來適應(yīng)水分變化??梢?,在我國西北廣泛分布的紅砂-珍珠混生群落中,兩種植物均可通過各自的生存策略調(diào)整根系形態(tài)特征,從而降低競爭強度形成共存。