过渡带近距离同地分布不同植物群落建群种叶片草酸钙特征

徐平宜，张嘉悦，何兴东

(南开大学生命科学学院，天津 300071)

植物体内草酸钙是由内源合成的草酸和外源吸收的钙离子共同反应经由严格遗传调控形成的产物[1-3]，常以一水草酸钙(CaC2O4·H2O，单斜晶系)和二水草酸钙(CaC2O4·2H2O，四方晶系)的形式存在[4]，并且大部分都聚积在特化细胞—晶异细胞的液泡中[5-6]。研究表明，沙生灌木、旱生灌木和盐生植物叶片中含有较多的草酸钙[7-8]，因而草酸钙被认为是植物适应干旱和盐碱环境的重要功能特征[9]。在生理生态方面，草酸钙的主要功能是调控细胞钙的水平[10-11]，避免高浓度的游离钙对细胞产生毒害，草酸钙可充当植物的内源钙库[12-14]，还可耐受各种重金属胁迫[15]、参与光的聚集和反射[16-17]，除此之外，草酸钙可以起到抵御草食动物对植物的取食、充当植物内源CO2及影响大气碳循环[18]的作用。

近年来，本实验室研究发现，沙生植物和旱生灌木草酸钙含量较多[8]；在盐渍化生境中，从乔木、灌木、藤本到草本，植物体内草酸钙含量逐渐减少[19]；西北东部沙地建群种油蒿(Artemisiaordosica)在降水量较少地区体内草酸钙含量较高[20]，油蒿叶与根草酸钙含量均显著高于枝；半干旱区2类草原C3植物体内草酸钙含量显著低于C4植物，禾本科草本植物草酸钙含量显著低于非禾本科草本植物[7,21]。显然，不同分布区的不同生态系统和不同演替阶段植物群落建群种体内草酸钙存在显著差异是由环境不同造成的，如果这些建群种在近距离30 m以内同地自然分布或同地栽培，它们体内的草酸钙是否仍存在差异是一个有待验证的科学问题。

宁夏回族自治区境内的宁夏哈巴湖国家级自然保护区和红寺堡行政区同属半干旱区和干旱区的气候过渡带以及草原和荒漠的植被过渡带[22-23]，区域内各类植物群落的建群种近距离共存，为研究近距离分布的不同生态系统和不同演替阶段植物群落建群种体内草酸钙含量的差异提供了天然条件。本试验以宁夏哈巴湖国家级自然保护区和红寺堡区为研究区，探讨了近距离不同生态系统和不同演替阶段建群种体内草酸钙含量的差异以及同种植物不同冠层高度和不同年龄阶段草酸钙含量的差异，旨在深入认识草原和荒漠植物的适应机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏吴忠市红寺堡区酸枣梁和宁夏盐池县北部的宁夏哈巴湖国家级自然保护区双堆梁，2地同处于干旱区与半干旱区气候过渡带和荒漠与草原植被过渡带。宁夏吴忠市红寺堡区地处105°43′45″～106°42′50″ E，37°28′08″～37°37′23″ N，海拔1 240～1 450 m；年均气温8.4℃，年均蒸发量2 050 mm，年均降水量277 mm。宁夏哈巴湖国家级自然保护区地处106°53′11″～107°38′10″ E，37°38′36″～38°02′00″ N，海拔1 300～1 622 m；年均气温7.7℃，年均蒸发量2 132 mm，年均降水量297 mm。研究区2地土壤为灰钙土、棕钙土(淡棕钙土)及风沙土(流动风沙土、半固定风沙土和固定风沙土)。

1.2 试验方法

1.2.1样品采集 2019年7月，在宁夏红寺堡区酸枣梁和宁夏哈巴湖国家级自然保护区内双堆梁随机设置6个样地，同一样地内每种植物分布间隔均在30 m内(表1)。每一种植物分别采集3株叶片样品，将所采叶片放入贴有标签的牛皮纸袋内，密封，置于-15℃低温冰箱内保存，用于草酸钙含量的测定。共采集植物样品63个，隶属5科9属12种。

表1 过渡带不同群落建群种的分布间隔距离与物种生态位

1.2.2草酸钙和钙离子含量测定 草酸钙和钙离子含量采用对钙组分法[24]改进的化学方法[7]测定。

每种植物叶片样品称取3份，每份质量在0.05～0.06 g，置于3个研钵中，用剪刀剪碎，分别加入1 mL的去离子水、1 mL的1.05 mol·L-1稀醋酸、1 mL的1 mol·L-1稀盐酸，用研杵充分研磨直至研成匀浆，转移到7 mL离心管中，再分别加入4 mL相对应的处理溶液对研钵进行冲洗，转入离心管中；7 000 rpm离心15 min，所得上清液即为钙组分提取液。

取3个锥形瓶，先分别加入 0.16，0.94和0.91 mL的4 mol·L-1NaOH，再分别加入1.84，1.06和1.09 mL的去离子水，最后均汲取3 mL三乙醇胺(1∶2水溶液)和3 mL提取液分别加入锥形瓶中，配成体积为8 mL的待滴定溶液。在配好的溶液中加入0.08 g的钙羧酸指示剂，用 10 mmol·L-1的EDTA标准溶液迅速滴定，边滴定边观察溶液颜色的变化，当溶液的颜色由紫红色变为亮蓝色时立即停止滴定，记录此时消耗标准液的体积。每个样品设3个重复，取其平均值。

钙离子含量的计算公式为：

草酸钙含量的计算公式为：

1.2.3含水量测定 从-15℃低温冰箱中取出样品，每种植物叶片样品称取1份，每份质量为0.05～0.06 g，将其置于纸袋内，随后放入105℃恒温烘箱内杀青，再将烘箱温度下调至85℃，将样品烘干至恒重后取出，再次称量。

含水量的计算公式为：W(%)=(m1-m2)/m1×100%。

式中，W为组织含水量(%)，m1为烘干前称量所得植物叶片鲜重的质量(g)，m2为烘干后称量所得植物叶片干重的质量(g)。

植物含水量用于换算测定草酸钙和钙离子时植物的干重。

1.3 数据分析

数据按照不同生态系统、不同演替阶段、不同冠层高度与不同生长阶段进行分类统计，用SPSS 22.0软件对数据进行显著性检验，在95%的置信水平上，2样本用独立样本t检验，3样本用单因素方差分析以及Duncan方法进行检验。用Excel 2019绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同生态系统、不同演替阶段建群种叶片草酸钙含量比较

本研究测定了油蒿、籽蒿(A.sphaerocephala)、红砂(R.songarica)、猫头刺(O.aciphylla)、长芒草(S.bungeana)、戈壁针茅(S.tianschanicavar.gobica)、驼绒藜(C.latens)、糙隐子草(C.squarrosa)和冷蒿(A.frigida)叶片中的草酸钙含量。测定结果表明，籽蒿叶片草酸钙含量显著高于油蒿(P<0.05)(图1a)；红砂叶片草酸钙含量虽高于猫头刺，但二者无显著差异(图1b)；戈壁针茅叶片草酸钙含量显著高于长芒草(P<0.05)(图1c)；驼绒藜叶片草酸钙含量显著高于糙隐子草和冷蒿(P<0.05)(图1 d)。

图1 过渡带近距离同地分布不同生态系统不同演替阶段植物群落建群种叶片草酸钙含量比较

采样区组3中的长芒草和区组4中的糙隐子草两者相距不到5 m，草酸钙含量显著性检验结果表明，虽然糙隐子草叶片草酸钙含量高于长芒草但差异不显著(t=-0.303，P=0.766)。

2.2 不同冠层高度植物叶片草酸钙含量比较

沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)和紫穗槐(Amorphafruticose)是宁夏红寺堡区酸枣梁分布较多的3种豆科灌木。本研究测定了这3种灌木不同冠层高度叶片草酸钙含量(图2)。

分析表明，3种豆科灌木冠层底部叶片草酸钙含量较高(图2a)；小叶锦鸡儿冠层底部叶片草酸钙含量最多(43.09 g·kg-1)，冠层顶部叶片草酸钙含量最少(10.25 g·kg-1)，冠层底部显著高于冠层顶部(图2b)；沙冬青底部叶片草酸钙含量高于顶部但差异不显著(图2c)；紫穗槐叶片草酸钙含量也是冠层底部显著高于顶部(图2 d)。

图2 过渡带3种豆科灌木不同冠层叶片草酸钙含量比较

2.3 不同生长阶段油蒿叶片草酸钙含量比较

幼龄油蒿叶片草酸钙含量最高(9.35 g·kg-1)，其次是老龄型(8.11 g·kg-1)，最低的是成龄型(2.67 g·kg-1)，且幼龄植株和老龄植株叶片草酸钙含量均显著高于成龄植株(P<0.05)(图3)。

图3 不同生长阶段油蒿叶片草酸钙含量

3 讨论

近距离自然同地分布的采样分析是比较不同类群植物生理特性差异的良好手段。在过渡带，很小的生境差异就可见到不同类型的单优小群落，例如，在哈巴湖双堆梁，长芒草是典型草原的建群种，而戈壁针茅是荒漠草原的建群种，长芒草单优小群落与戈壁针茅单优小群落毗邻而居，但2者不是共优种；在红寺堡酸枣梁，油蒿和籽蒿毗邻生长，这种现象在其他地区鲜少存在。本研究对于过渡带近距离分布的不同生态系统和不同演替阶段植物叶片草酸钙的测定结果表明，沙漠先锋植物籽蒿叶片草酸钙含量显著高于荒漠化草原沙地建群种油蒿；荒漠草原建群种戈壁针茅叶片草酸钙含量显著高于典型草原建群种长芒草；荒漠演替中后期建群种驼绒藜叶片草酸钙含量显著高于典型草原演替中后期建群种糙隐子草和冷蒿，这表明荒漠植物群落建群种叶片草酸钙含量显著高于典型草原建群种。相对于典型草原建群种所处生境，荒漠建群种生长在荒漠，生境比较干旱[25]，植物体内富集较多的草酸钙是其能够抵御不良环境的因素之一。荒漠植物在漫长的生态适应过程中，会通过调整自身表型特征和生理代谢，增强对干旱环境的适应能力[26]。大量试验证据表明，草酸钙在植物正常的生理生化代谢和抵抗逆境的反应中发挥着至关重要的作用[27-28]。一方面，水分是限制荒漠植物生长发育的关键因子之一[29-30]，苏志孟等[31]研究表明，晶异细胞中的草酸钙能通过调节渗透势维持植物细胞的水分平衡，可根据外界环境的水分状况贮存水分或为周边细胞提供较湿润环境，从而提高植物的抗旱性[32]。另一方面，草酸钙与叶片光合作用相关，Tooulakou等[33]指出，植物可利用草酸钙作为动态碳库，他们的研究也确证植物在气孔关闭时可以分解草酸钙产生CO2，代替从大气中获取的CO2，使光合作用得以正常进行。本研究结果表明，荒漠演替后期建群种红砂与演替中后期建群种猫头刺叶片草酸钙含量之间没有显著差异，典型草原演替后期建群种长芒草与演替中后期建群种糙隐子草叶片草酸钙含量之间也没有显著差异，这说明尽管植物群落演替后期土壤水分条件更为干燥[34]，但建群种叶片草酸钙含量之间没有质的差异。

此外，本研究还测定了植物不同冠层高度叶片草酸钙含量，结果表明，3种豆科灌木小叶锦鸡儿、沙冬青和紫穗槐冠层底部叶片草酸钙含量均显著高于顶部。这可能是由于维持植物生理生态功能和合成草酸钙所需的游离钙，是植物根系将外界土壤中的钙离子吸收进入根细胞内，再以横向运输的方式抵达根系木质部，继而通过蒸腾拉力从木质部转运到植物的地上部分[35]，由于冠层顶部叶片生理代谢活动比较旺盛，因而需要较多的钙离子，而多余的钙离子合成为草酸钙后就在冠部底层集聚，因而冠层底部叶片草酸钙含量较高。此外，除植株不同冠层高度外，草酸钙含量与植物年龄也有一定相关性[36-37]。本研究结果表明，研究区分布最广的植物油蒿叶片草酸钙含量随年龄不同而有所不同。Bernardino-Nicanor等[36]对墨西哥半干旱地区发育过程中的龙舌兰(Agaveatrovirens)的草酸钙含量变化研究得出，年龄是龙舌兰叶片草酸钙含量的决定性因素之一，幼龄龙舌兰叶片中的草酸钙含量高于成熟植物叶片中的草酸钙含量；Mou[37]研究也表明，菠菜(SpinaciaoleraceaL.)的草酸钙含量会随着年龄增长而降低。本研究结果与Mou相似，相同环境下，油蒿幼龄阶段叶片草酸钙含量最高，成龄阶段叶片草酸钙含量显著低于幼龄及老龄。这可能是由于在油蒿的初始生长发育阶段，植物通过在幼叶中积累大量矿物质以增加植株体量和维持机体稳定性，而到了熟龄阶段，植物将大部分养分用于器官的发育和自身旺盛的生理代谢，导致了叶片草酸钙含量显著下降。

4 结论

不同生态系统、冠层高度和龄级间，植物叶片的草酸钙含量存在显著差异。在干旱区与半干旱区过渡带，近距离同地分布的籽蒿与油蒿、戈壁针茅与长芒草、驼绒藜与糙隐子草和冷蒿之间的叶片草酸钙含量存在显著差异，但红砂与猫头刺、长芒草与糙隐子草的叶片草酸钙含量间不存在显著差异。小叶锦鸡儿、沙冬青和紫穗槐不同冠层高度叶片草酸钙含量之间具有显著差异，且底部高于顶部。油蒿不同龄级叶片草酸钙含量具有显著差异，幼龄阶段叶片草酸钙含量最高，成龄阶段最低。说明植物会通过调整自身草酸钙的分布从而形成抵御逆境的适应策略。