陳 森，陸世通，李 彥，謝江波,3，葉琳峰，王忠媛

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實驗室，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；3.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實驗室，新疆 烏魯木齊 830011）

氣候變暖加劇了全球范圍內(nèi)干旱程度[1]。CHOAT等[2]基于全球尺度對植物水力性狀進(jìn)行的Meta分析表明：所有的森林群落都易受到水力破壞的影響。然而，以往的研究主要集中于干旱區(qū)和半干旱區(qū)，對濕潤地區(qū)植物的研究較少。不同環(huán)境中植物木質(zhì)部性狀的變異和性狀權(quán)衡與組合的不同，反映植物個體及其群落獲取環(huán)境資源方式的不同，因此植物采取的生活策略也存在差異[3]。植物生理生態(tài)功能，如光合速率、木質(zhì)部輸水效率和栓塞抗性，與木質(zhì)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[4-9]。對植物生理生態(tài)變化與木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境的變異規(guī)律進(jìn)行研究，有助于理解植物響應(yīng)氣候變化的機(jī)制和物種分布的限制。植物的生長受木質(zhì)部水力效率與栓塞抗性權(quán)衡的制約[10]。對于裸子植物來說，木質(zhì)部管胞很大程度上決定了水力效率[11]，但是單位面積木質(zhì)部管胞直徑越大，數(shù)量越少，就更易發(fā)生水力障礙。此外，管胞壁上的紋孔膜面積也會隨著管胞直徑的增加而增加，進(jìn)一步降低植物的栓塞抗性[12]。因此“安全”的水力系統(tǒng)通常以降低水力效率為代價[13]。然而，關(guān)于植物對水力效率和栓塞抗性適應(yīng)機(jī)制的研究仍存在爭議。早期的植物干旱敏感性研究發(fā)現(xiàn)：木質(zhì)部性狀反映了植物水分利用上的效率-安全權(quán)衡[14]。木本植物不存在效率-安全權(quán)衡或存在較弱的權(quán)衡[15]，大多數(shù)物種在不同生境和生理狀態(tài)下表現(xiàn)出低效率和低安全性，這與木質(zhì)部性狀間的權(quán)衡相矛盾[15-17]。木質(zhì)部效率-安全權(quán)衡可能與一系列甚至單個解剖性狀的權(quán)衡有關(guān)[18]。然而，木質(zhì)部在不考慮效率-安全權(quán)衡情況下的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系尚未得到研究。權(quán)衡可能存在與木質(zhì)部安全、水力效率和機(jī)械強(qiáng)度之間[19-20]。LENS等[18]研究表明：許多物種的平均栓塞抗性與木質(zhì)部密度(Dw)和管道厚度跨度比(Ttob)密切相關(guān)[21-22]。這3種特性之間似乎存在復(fù)雜的權(quán)衡[23]，而且沒有一個有說服力的結(jié)果來解釋相當(dāng)數(shù)量的低效率和低安全性物種，是理解植物木質(zhì)部進(jìn)化時的挑戰(zhàn)[15]。此外，在干旱脅迫下，植物的枝和根都會采取各自的適應(yīng)策略。有研究發(fā)現(xiàn)：植物的葉比枝條更容易發(fā)生栓塞現(xiàn)象[24-25]。然而，一些對潮濕生境中生長的木本植物的研究表明：葉和枝的栓塞抗性幾乎沒有差別[26]，甚至葉片栓塞抗性比枝更強(qiáng)[27-28]。然而，WU等[29]研究發(fā)現(xiàn)：歐亞槭Acer pseudoplatanus、栓皮槭A. campestre、歐榛Corylus avellana根系的栓塞抗性大于枝條。枝的栓塞抗性低于根可能是植物對干旱脅迫的適應(yīng)策略，通過保留根部的完整性來優(yōu)化復(fù)水后的栓塞修復(fù)能力。相較于生長在干旱環(huán)境中的植物，北美紅杉Sequoia sempervirens和落羽杉屬Taxodium植物的木質(zhì)部栓塞抗性可能較弱，因此在全球變暖導(dǎo)致干旱強(qiáng)度和頻度增加的背景下，濕潤地區(qū)植物可能會面臨更大的威脅。本研究對杉科Taxodiaceae北美紅杉、落羽杉Taxodium distichum、池杉T. distichumvar.imbricatum的木質(zhì)部水力功能、解剖結(jié)構(gòu)性狀和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了測定，比較了3種植物枝/根木質(zhì)部水力功能和解剖結(jié)構(gòu)的差異，探討了木質(zhì)部水分運(yùn)輸、解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度的定量關(guān)系，以期在器官水平和種內(nèi)水平上，為評估木質(zhì)部解剖學(xué)基礎(chǔ)與木質(zhì)部功能的權(quán)衡是否存在因果關(guān)系提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省西北部的天目山 (30°18′30″～30°24′55″N，119°24′47″～119°28′27″E)。該區(qū)位于東南沿海丘陵山區(qū)，氣候具有中亞熱帶向北亞熱帶過渡的特征，受海洋暖濕氣流的影響，形成四季分明、雨水充沛、光照適宜且復(fù)雜多變的氣候。年均氣溫為15.6 ℃，年均降水量為1 420 mm，月平均氣溫最高為 7月(24 ℃)，最低為 1月(3 ℃)，無霜期為209～235 d，年雨日為159.2～183.1 d，年均相對濕度為 76%～81%，年日照時數(shù)為 1 550～2 000 h，年太陽輻射為 3 270～4 460 MJ·m-2。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗材料與取樣 于2021年2月，選取生長狀況良好的北美紅杉、落羽杉和池杉，各選擇樹高、胸徑和冠幅相近的15株植物，具體見表1。8:00—11:00采集目標(biāo)植株向陽部分健康生長且有充分光照的枝條2～3根，枝條長度大于1 m，長枝條上有1、2年生的小枝可用于測量導(dǎo)水率，小枝長為10～20 cm，直徑為 4～6 mm。在對應(yīng)方位樹冠下，10～20 cm 土層小心挖取直徑為 4～6 mm、長為 20～40 cm 的根1～2根，盡量不損傷根尖和根毛。將已取的枝條和根迅速放入裝有濕紙巾的黑色塑料袋中，防止水分流失和外部空氣進(jìn)入已經(jīng)切開的管胞，立即帶回實驗室。木質(zhì)部水力功能、解剖結(jié)構(gòu)性狀和機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)測定來自于同一物種15個不同的個體，共45株植物。

表1 采樣樹種形態(tài)和生境Table 1 Overview of trees and their habitat

1.2.2 枝/根木質(zhì)部導(dǎo)水率和脆弱性曲線測定 了解植物水力功能性狀的變化，有助于探索不同植物在氣候變化背景下的適應(yīng)性與競爭力[30]。比導(dǎo)率(Ks)和栓塞抗性(P50)是評價木質(zhì)部水分運(yùn)輸?shù)?個重要水力功能性狀。Ks為木質(zhì)部單位邊材面積導(dǎo)水率，最直接地反映物種的輸水效率，P50為導(dǎo)水損失率達(dá)50%時的水勢，代表著物種的栓塞抗性。脆弱性曲線描述了不同水勢梯度下導(dǎo)水率損失比例。不同的植物栓塞抗性差異很大，即使在相同環(huán)境下生長的近緣物種，栓塞抗性也存在很大差異。

首先將采回的樣品放入水中暗適應(yīng)60 min，在水下再次剪取，將切口修平，用電子游標(biāo)卡尺測量所剪枝條或者根段的長度和直徑。莖段平均長度為162.43 mm (標(biāo)準(zhǔn)誤為2.94 mm)，平均直徑為3.57 mm(標(biāo)準(zhǔn)誤為 0.06 mm)；根段平均長度為 170.03 mm (標(biāo)準(zhǔn)誤為 3.80 mm)，平均直徑為 3.79 mm (標(biāo)準(zhǔn)誤為0.09 mm)。然后將樣品置于壓力腔中且兩端露出，壓力腔上連接壓力表，樣品近軸端與木質(zhì)部導(dǎo)水率與栓塞測量儀 (XYL’EM-Plus, Bronkhorst, Montigny-les-Cormeilles, 法國) 連接[31]。在高壓 (120 kPa)沖刷20 min，以確保消除原位栓塞，直至達(dá)到最大液壓導(dǎo)水率 (Khmax，kg·m·s-1·MPa-1)。沖刷溶液為 20 mmol·L-1氯化鉀+1 mmol·L-1氯化鈣[32]。隨后在低壓(6 kPa)下測量枝條和根段的Khmax[33]。通過最大導(dǎo)水率除以邊材橫截面積再乘以樣本長度，得到比邊材導(dǎo)水率(簡稱比導(dǎo)率，Ks，kg·s-1·m-1·MPa-1)，邊材面積用顯微鏡 (Leica DM3000, Leica, Wetzlar，德國)和圖像分析軟件 (Image J)測量。采用空氣注入法測量脆弱性曲線[34]，在給定壓力下施壓 5 min，以誘導(dǎo)栓塞的形成，然后測量相應(yīng)的導(dǎo)水率 (Kh, kg·m·s-1·MPa-1)。接下來以0.2或0.3 MPa(取決于不同的植物或器官)的增量重復(fù)此過程，直至導(dǎo)水損失率達(dá)90%以上。導(dǎo)水損失率(PLC)的計算公式為：

所用壓力與相應(yīng)導(dǎo)水損失率之間的曲線即為樣本的脆弱性曲線。使用R中fitplc包擬合導(dǎo)水損失率與水勢之間的脆弱性曲線[35-36]，并從曲線中提取相應(yīng)的P50。

1.2.3 枝/根木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)測定 從用于測量脆弱性曲線的枝段或根段剪下2 cm長的木段，接著將其切成4小段(約0.5 cm)，根段木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)測定方法與枝條相同。將剪下的樣品放入FAA固定液保存48 h，再將植物樣品從固定液中取出制作成永久裝片，使用Leica DM 3000顯微鏡拍照，分別在50和400倍鏡下拍攝管胞結(jié)構(gòu)和紋孔結(jié)構(gòu)照片(圖1)。使用Image J軟件測量管胞直徑(D，μm)[21]、管胞壁厚度(Tt，μm)、紋孔膜直徑(Pd，μm)、紋孔口直徑(Ad，μm)。計算水力直徑(Dh，μm)、管胞密度(Nt，個·mm-2)、紋孔開口比(Rap)、紋孔密度(Npm，個·mm-2)[37]。水力直徑計算公式為：

圖1 3 種植物枝/根木質(zhì)部管胞和紋孔照片F(xiàn)igure 1 Tracheid and pit photographs of the branch and root xylem in the three species

管胞密度計算公式：

式(3)中：nt為橫切面上的管胞數(shù)量(個)；St為橫切面面積(mm2)。紋孔開口比計算公式為：

紋孔密度計算公式為：

式(5)中：np為縱切面上的紋孔數(shù)量(個)；Sv為縱切面面積(mm2)。

1.2.4 枝/根木質(zhì)部機(jī)械強(qiáng)度測定 從用于測量脆弱性曲線的枝條上剪下 3 段 3～5 cm 長的木段，用于測量木質(zhì)部密度。首先用排水法測量所剪木段的體積(V，cm3)，接著將木段放入信封中并置于烘箱中，在75 ℃溫度下烘干72 h，烘干后利用天平(精度0.000 1 g)稱量木段干質(zhì)量(M，g)，最后計算木質(zhì)部密度(Dw，g·cm-3)以及厚度跨度比(Ttob)。木質(zhì)部密度計算公式為：

厚度跨度比計算公式為：

1.2.5 統(tǒng)計分析 所有數(shù)據(jù)均在 Excel 2019 匯總整理。統(tǒng)計分析、圖片制作在 R 3.5 (version 3.5.3，R Core Team 2019)和Origin 2018中完成。在分析之前，取同株樹個體的子樣本平均值，在樹的水平上進(jìn)行重復(fù)。然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗，必要時對其進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力功能特征

北美紅杉、落羽杉和池杉枝的Ks分別為0.54、0.79和1.22 kg·s-1·m-1·MPa-1，根的Ks分別為8.25、1.19、1.36 kg·s-1·m-1·MPa-1，3 種植物根的Ks均高于枝 (圖2A)。北美紅杉、落羽杉和池杉枝的P50分別為-7.01、-1.82和-1.84 MPa，根的P50分別為-0.60、-0.14和-0.59 MPa，3種植物枝的P50均小于根 (圖2B)。

圖2 3 種植物枝/根的比導(dǎo)率 (Ks)和栓塞抗性 (P50)Figure 2 Specific sapwood conductivity (Ks) and cavitation resistance (P50) in the branches and roots

種內(nèi)水平上，北美紅杉枝的Ks和P50呈顯著正相關(guān)(R2=0.25，P＜0.01)，根的Ks和P50呈正相關(guān)但不顯著(R2=0.23，P=0.14，圖3A)；落羽杉枝的Ks和P50呈顯著正相關(guān)(R2=0.31，P＜0.01)，根的Ks和P50呈正相關(guān)但不顯著(R2=0.19，P=0.10，圖3B)；池杉枝的Ks和P50呈負(fù)相關(guān)但不顯著(R2=0.03，P=0.35)，根的Ks和P50呈顯著正相關(guān)(R2=0.65，P＜0.001，圖3C)。結(jié)果表明：3種植物枝和根的木質(zhì)部不存在效率-安全權(quán)衡?？缥锓NKs與P50呈負(fù)相關(guān)，但差異不顯著(R2=0.25，P=0.31，圖3D)。通過冪函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)：兩者存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.91，P＜0.001)，冪指數(shù)為-2.23 (95%的置信區(qū)間為-3.33～-1.14)，說明在跨物種水平上，3種植物存在效率-安全權(quán)衡。

圖3 物種內(nèi)和種間枝/根的比導(dǎo)率 (Ks)和栓塞抗性 (P50)關(guān)系Figure 3 Relationships between specific sapwood conductivity (Ks) and cavitation resistance (P50) for the branches and roots within and between species

2.2 木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)

落羽杉和池杉根的水力直徑(Dh)顯著大于枝(P＜0.05，圖4A)。北美紅杉根的管胞壁厚度(Tt)顯著大于枝(P＜0.05，圖4B)，北美紅杉枝的Dh、Tt顯著大于落羽杉和池杉(P＜0.05，圖4A和圖4B)，3種植物枝的管胞密度(Nt)均顯著大于根(P＜0.05，圖4C)。北美紅杉根的Tt、Nt顯著大于落羽杉和池杉(P＜0.05，圖4B和圖4C)。

圖4 3種植物枝/根的水力直徑 (Dh)、管胞壁厚度 (Tt)和管胞密度 (Nt)Figure 4 Hydraulic diameters (Dh), tracheid wall thickness (Tt) and tracheid density (Nt) of the branches and roots in the three species

池杉根的紋孔口直徑(Ad)顯著大于枝(P＜0.05，圖5A)，北美紅杉和池杉根的紋孔膜直徑(Pd)均顯著大于枝(P＜0.05，圖5B)，北美紅杉根的Pd顯著大于落羽杉和池杉(P＜0.05，圖5B)，北美紅杉枝的紋孔開口比(Rap)顯著大于根(P＜0.05，圖5C)。池杉枝的紋孔密度(Npm)顯著大于北美紅杉和落羽杉，北美紅杉和池杉枝的Npm顯著大于根，落羽杉和池杉根的Npm顯著大于北美紅杉(P＜0.05，圖5D)。

圖5 3種植物枝/根的紋孔口直徑(Ad)、紋孔膜直徑(Pd)、紋孔開口比(Rap)和紋孔密度(Npm)Figure 5 Pit aperture diameters (Ad), pit membrane diameters (Pd), aperture opening ratio (Rap), and pit density (Npm) of the branches and roots in three species

北美紅杉枝與根的木質(zhì)部密度(Dw)和厚度跨度比(Ttob)之間無顯著差異(P＞0.05)，而落羽杉和池杉枝的Dw和Ttob均顯著高于根(P＜0.05，圖6A和圖6B)。在枝中，池杉枝的Dw最大，其次是北美紅杉，落羽杉最低；3種植物枝的Ttob沒有顯著差異(P＞0.05)。而在根中，北美紅杉根的Dw最大，其次是落羽杉，池杉最低；北美紅杉根的Ttob顯著大于落羽杉和池杉(P＜0.05)，而落羽杉和池杉無顯著差異 (P＞0.05)。

圖6 3 種植物枝/根木質(zhì)部密度 (Dw)和厚度跨度比 (Ttob)Figure 6 Wood density (Dw) and thickness-to-span ratio (Ttob) of the branches and roots in the three species

2.3 木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)與功能性狀的定量關(guān)系

在種內(nèi)水平上，北美紅杉枝的Ks與Dh、Nt、Ad、Rap呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與Npm、Dw、Ttob呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；枝的P50與Dh、Nt呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與Npm、Ttob呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05，圖7A)。北美紅杉根的Ks與Dh呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，根的P50與Nt呈顯著正相關(guān)(P＜0.05，圖7D)。落羽杉枝的Ks與Dh呈顯著正相關(guān)，與Npm呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05，圖7B)。落羽杉根的Ks與Dh、Pd呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與Nt、Rap呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05，圖7E)。池杉枝的Ks與Dh、Tt呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；P50與Tt呈顯著正相關(guān)(P＜0.05，圖7C)。池杉根的P50與Npm呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與Dh呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05，圖7F)。

圖7 種內(nèi)枝/根的木質(zhì)部結(jié)構(gòu)性狀與功能性狀的相關(guān)性Figure 7 Correlations between the xylem structural traits and functional traits in the branches and roots within species

3 討論

3.1 枝/根水力功能性狀差異

本研究表明：3種植物根的導(dǎo)水率均高于枝條。根系吸收水分是土壤-植物-大氣連續(xù)體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[38-39]。被子植物和裸子植物的根比枝更容易受到干旱的影響[13, 40]，這與本研究結(jié)果一致。有研究表明：在干旱脅迫發(fā)生時，植物更傾向于增加地下生物量分配，發(fā)展根系，提高根冠比以增加抗旱性[41-42]。植物在嚴(yán)重干旱條件下保存根系的活力，提高了干旱脅迫過后的恢復(fù)能力[43]。生長在濕潤地區(qū)的樹木木質(zhì)部栓塞抗性(尤其是根栓塞抗性)比干旱地區(qū)的樹木弱，面對愈發(fā)嚴(yán)重、頻繁的干旱，濕潤地區(qū)的樹木面臨水力失效的風(fēng)險更高。

3.2 效率-安全權(quán)衡

本研究表明：3種植物枝/根均不存在效率-安全權(quán)衡，但是在跨物種間發(fā)現(xiàn)了權(quán)衡。GLEASON等[15]的研究發(fā)現(xiàn)了許多既低效又不安全的植物。與松科Pinaceae植物的Ks和P50相比[44]，3種植物都屬于低效率、低安全的物種。有研究表明：在管胞系統(tǒng)中構(gòu)建冗余[45]或者新的木質(zhì)部[15, 21]，可以在栓塞積累的情況下維持葉片的水分供應(yīng)。葉經(jīng)濟(jì)學(xué)光譜表明：一些物種具備“緩慢投資-收益”能力，即這些物種獲取和利用資源的速度很慢，因此只需要低效率和低安全性[23-24, 46]。此外，大量研究表明：北美紅杉和落羽杉屬植物除了具有效率-安全權(quán)衡以外還有其他重要性狀(如木質(zhì)部的機(jī)械支持)的解剖學(xué)基礎(chǔ)[15, 23]，本研究結(jié)果也證實了這一觀點(diǎn)。北美紅杉枝的Ks與Dw呈顯著負(fù)相關(guān)，根的Ks與厚度跨度比的相關(guān)系數(shù)為-0.55；落羽杉根的P50與厚度跨度比的相關(guān)系數(shù)為-0.46；池杉根的P50與木質(zhì)部密度相關(guān)系數(shù)為0.38。這些結(jié)果表明：3種植物水力效率與機(jī)械強(qiáng)度之間存在著平衡，這與PRATT等[23]的研究結(jié)果一致。這是濕潤區(qū)樹種對水分充足生境適應(yīng)的結(jié)果，因為水分充足，植物木質(zhì)部輸送水分安全性方面的威脅弱；反而高大的裸子植物其機(jī)械強(qiáng)度的需求在增加。此外，在跨物種水平上的冪函數(shù)曲線有助于解釋本研究種內(nèi)和其他研究中不存在效率-安全權(quán)衡的原因：冪函數(shù)的左端斜率為0，右端斜率為無窮大，因此，當(dāng)所測量的數(shù)據(jù)處于冪函數(shù)兩端時，效率-安全之間的權(quán)衡會因測量誤差的微小變化而產(chǎn)生劇烈波動；只有當(dāng)研究物種的Ks和P50處于冪函數(shù)曲線的中心部分，或所研究物種的Ks和P50變化范圍很大時，這種權(quán)衡才會變得顯著[47]。

一系列甚至單個解剖性狀的權(quán)衡都有可能對效率-安全權(quán)衡進(jìn)行解釋。LENS等[18]研究了7種槭屬Acer植物的解剖性狀以及水力性狀和解剖性狀的相關(guān)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)：幾乎所有測量到的解剖特征都是效率-安全權(quán)衡的因果基礎(chǔ)。在本研究中，3種植物的枝和根都沒有發(fā)現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。北美紅杉枝的Ks和P50與Dh、Tt、Ad呈正相關(guān)，根的Ks和P50也隨著Dh、Nt的增加呈升高的趨勢。落羽杉根的Ks和P50與Dh、Pd有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。池杉枝的Ks和P50也與Dh、Tt存在正相關(guān)關(guān)系。

由于導(dǎo)水率和栓塞抗性的結(jié)構(gòu)需求不同，無法實現(xiàn)效率-安全權(quán)衡。這種對結(jié)構(gòu)需求的獨(dú)立性僅在本研究的3種植物中發(fā)現(xiàn)，然而，這種獨(dú)立的物種特異性增加了對水力系統(tǒng)進(jìn)化的理解[48]。

4 結(jié)論

本研究表明：3種杉科植物不存在效率-安全權(quán)衡。效率-安全權(quán)衡不存在的原因是植物對高安全性和高效率的結(jié)構(gòu)性需求不同，表明效率-安全權(quán)衡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)并不存在?？缥锓N間輸水效率與栓塞抗性存在的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系或許存在于更多物種。效率、安全性和機(jī)械強(qiáng)度之間的權(quán)衡關(guān)系表明了木質(zhì)部水力功能是由多種木質(zhì)部共同決定的。為全面了解木質(zhì)部導(dǎo)水系統(tǒng)，需要在整株水平(包括根、莖、枝、葉柄和葉)上進(jìn)行更多的系統(tǒng)研究。