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2019年,三峡水库已连续10 a完成175 m蓄水目标。年复一年的季节性水位涨落形成30 m的消落带区域,是水生生态系统和陆生生态系统交替存在的特殊地带 (图1)[1]。冬季的完全水淹和夏季的伏旱使消落区植被物种多样性呈下降趋势,水土流失较突出[2]。重新造林和植被重建是恢复这些新形成的河岸带的首要任务[3]。因此,筛选出能长期遭受水淹并能正常生长的植物十分重要。目前,与草本植物相比,在长期淹水中能够存活的木本植物相对较少,尤其是完全淹没的品种[4-5]。水桦(Betula nigra L.),属桦木科(Betulaceae)落叶乔木,树高18~25 m,具有抗病虫、抗寒、耐水淹、抗污染等特性[6]。三峡库区良木水桦(良种编号:渝R-ETS-BN-007-013)为重庆市林业科学研究院引自美国的树种[7],研究表明,消落带中高程170 m处生长的水桦光合作用略强于高程175 m处,说明水桦可通过增强生长期的光合能力一定程度上补偿冬季蓄水对生长的负面影响,是三峡库区消落带植被恢复重建的适生树种[7]。当前,万州区消落带示范区水桦定植后已有5 a,以时间为轴的形态与生理生化指标变化等未见报道。本研究以三峡库区消落带溪口乡栽培的水桦为研究对象,调查水桦在经历周期性水淹后的生理指标的变化及解剖结构的恢复动态,为水桦的扩大栽培与品种选育提供理论依据。
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与对照组相比,在消落区栽植并经历水淹,对水桦株高有较大影响,水淹1次后株高有近70 cm的停滞生长,水淹2次后株高与对照仍有差异,水淹3次后,株高与对照没有差异,水淹5次后,株高比对照增加,并且差异显著。从胸径看,水淹1次后与对照差异不显著,水淹2次和3次后的水桦,胸径与对照均差异显著,水淹4次以后与对照差异不显著。总体可见,水桦在消落区定植后第1年株高受抑制,第2年和第3年胸径受抑制,经过3 a的适应后,植株顶端不再被完全淹没,生长基本不再受影响,并且在第5年开始有了较强的生长补偿效应 (表1、图2)。
处理
Treatment树高
Tree height/m胸径
DBH/cm水淹-1 1.52 ± 0.16 g 7.52 ± 1.68 d CK-1 2.27 ± 0.23 f 8.16 ± 2.14 d 水淹-2 2.35 ± 0.25 f 9.36 ± 2.22 d CK-2 2.79 ± 0.32 e 12.81 ± 2.08 c 水淹-3 3.56 ± 0.47 d 12.35 ± 3.18 c CK-3 3.88 ± 0.28 d 14.29 ± 5.16 b 水淹-4 6.59 ± 0.61 c 16.46 ± 4.28 b CK-4 7.04 ± 0.88 fc 18.61 ± 6.32 b 水淹-5 11.26 ± 1.27 a 20.52 ± 3.19 a CK-5 9.90 ± 1.38 b 19.56 ± 7.12 a 注:同列不同字母表示不同处理间差异显著(p < 0.05)。下同。
Note: Between different treatment groups (P < 0.05). The same below.Table 1. Changes of morphological indexes of Betula nigra after periodic flooding in the depression zone
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图3A表明:随树龄增加水桦叶片中的含水量逐步降低,水淹1次后的植株叶片含水量相比对照有显著升高,水淹2次后与对照叶片含水量显著不差异。水桦叶片叶绿素含量变化主要在第1次水淹后,叶绿素a含量(图3B)、总叶绿素(图3C)和叶绿素a/b(图3D)与对照相比均呈显著下降趋势。水淹2次后植株的这4个指标与对照相比再无差异;水淹3次后,水淹和对照植株叶片的叶绿素a含量、总叶绿素含量和叶绿素a/b均显著高于1~2次水淹。说明随着水淹次数的增加,水桦的适应性逐步建立,退水后刺激植物加速生长,叶绿素含量相应的增多,进而增加了水桦叶片的光合强度,生长能力也逐步恢复。
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图4A表明:水桦叶片中可溶性蛋白含量比根中高,水淹1次和2次后的水桦叶片中可溶性蛋白含量都比对照高,水淹3次后与对照组不再有差异;根系中的可溶性蛋白质含量前3次水淹后均高于对照,水淹4次后,与对照差异不显著。图4B表明:与对照组相比,水淹1次和2次后叶片和根系中的丙二醛含量显著增加,水淹3次后差异不显著。图4C表明:第1次水淹后叶片中的SOD活性显著高于对照,2次水淹后与对照差异不显著;根系中的SOD活性在2次水淹后显著高于对照,水淹3次后,与对照差异不显著。水桦在水分胁迫时积累较多的渗透调节物质和抗氧化酶等来积极应对水分逆境,经过周期性水淹后的积累量和代谢速度都有差异,经历1~2次水淹后,在恢复过程中这类物质消除比较慢,在出水后的叶片和根系中都能检测到,相对来说,根系的胁迫敏感和持久性比叶片更明显,3次水淹后水桦的几项生理指标基本上与对照没有显著差异,说明耐水淹的适应机制基本建立,这估计与第3次以后的水淹只是半淹的条件有关。
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水桦为典型的两面叶植物,叶片有明显的上表面和下表面之分,有表皮细胞,栅栏组织2层,海绵组织多层,其中,分布有维管束(图5)。周期性水淹次数对水桦叶形态和组织结构均有显著的影响,水分胁迫改变了水桦叶片的组织结构及比例,水淹1~2次后,叶片上表皮(EP)均比未水淹厚,栅栏组织(PT)发达,排列紧密;3次水淹后的植株叶片与对照没有明显的结构差异,特别是经历4次水淹后,植物叶片气孔窝密度增加,叶片海绵细胞间隙增大,与对照没有差异。
Figure 5. Changes of cross section structure of Betula nigra leaves in the ebb zone after periodic flooding
图6表明:水淹2次后,维管束中间导管(CA)细胞变大,细胞松散,水淹4次后,木质部与韧皮部之间出现了一些较大空隙的溶生型组织,能够更好的适应呼吸和代谢。