白马雪山莎草科胡萝卜状根植物的功能性状及环境响应

华巾帼， 樊 榕， 刘婉婷， 王晓琦， 吉文丽

(西北农林科技大学风景园林艺术学院， 陕西 杨凌 712100)

莎草科(Cyperaceae)是单子叶植物中最大的科之一[1]，分布地区甚广、地段多样，莎草科植物具有生命力顽强、根系发达、耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐盐碱、生长速度快、分蘖能力强等特点，常遍布于林下遮荫、高寒草甸等环境恶劣处，适应能力极强[2]。环境因子是影响植物生长的重要调控因子，环境的理化指标对不同植物的生长有着不同程度的影响[3]。植物个体与环境因子的相互作用决定了植物形态特征的发展，同时影响着植被的生产力[4]，处于胁迫环境中的植物通常会产生一些相应利于生存的形态或生理改变以增强养分的吸收[5]。

土壤中的大部分磷以植物难以吸收的形式存在，对缺乏特殊适应能力的植物生长没有明显促进效果[6]。而在养分极其贫乏的地区中，莎草科植物逐渐形成了一种特殊的养分高效利用机制，一种特殊的根系形态结构——胡萝卜状根(Dauciform roots)[7-8]，胡萝卜状根可以在很短间隙内分泌大量的羧酸，以其丰富的根毛和有机阴离子的释放来促进贫瘠土壤中莎草科植物对磷的吸收[6]。Gao等在云南高寒草甸发现蕨状嵩草(Kobresiafilicina)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)均具有胡萝卜状根[9-10]，且这两种植物地上生物量的变化受环境贫瘠程度的影响较不明显[11]。目前国内对于莎草科胡萝卜状根植物的研究仍处于初步探索阶段，针对其形成原因以及相关作用尚待探究。

因此，本次试验在迪庆藏族自治州的白马雪山上，选择了两种能在自然条件下生成胡萝卜状根的莎草科植物——蕨状嵩草和线叶嵩草，观测了植物特征、测定了其性状及体内的元素含量和周围环境指标，同时测定了调查区域内无胡萝卜状根的莎草科植物体内的元素含量及生物量用以对比分析。本实验结论可为贫瘠地区的植物提高磷的利用效率提供一个新的途径，也为生态修复及草地治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于云南省迪庆藏族自治州的白马雪山，地理位置为28°33′55″ N，99°07′66″ E，海拔为4 310～4 320 m。该地属寒温带山地季风气候，太阳辐射总量和日照时数季节变化小，全年降水量70%以上集中在6—9月，年均降水量619.5 mm，年平均温度5.5℃，年日照时数1 870.8 h。其中高寒草甸大多分布在海拔3 200 m以上的高山生态系统，禾本科、莎草科、菊科等为其优势科[12]。

1.2 研究方法

1.2.1植株样品的采集 在白马雪山的高寒草甸进行野外采集，设置9块1 m×1 m的草本样方[13]，每个样方相距10 m以上，采集样方中的所有莎草科植物，取出完整植株体，清理表面的土壤及杂质。将样品带回实验室清洗干净，植株根系和叶片分开放入不同塑封袋内，于4℃环境下冷藏放置。在289株蕨状嵩草和93株线叶嵩草中，筛选观察出有胡萝卜状根的植株分别为45株和22株。

1.2.2环境因子的测定 使用土壤温度计测定15 cm以下深度的土壤温度，使用SC-900土壤压实测定仪测量土壤紧实度，环刀取土测鲜重，后用105℃的烘箱烘干土壤48小时至恒重以称量土壤的干重。土壤化学性质样品取样采用“对角线法”，在每个样方的一条对角线上取两个顶点和中点作为样点，用直径5 cm的土钻垂直方向向地下分别钻取0～10 cm和10～30 cm深的土壤样品各50 g，充分混合装入塑封袋中，带回实验室测定指标含量。土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法；土壤全氮含量测定采用凯氏定氮法；土壤全磷含量测定采用硫酸-高氯酸消解-钼锑抗比色法；土壤速效氮含量测定采用碱解扩散法；土壤速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤pH值采用电位法测定。

1.2.3植物功能性状及胡萝卜状根特征的测定 采用卷尺测定植物株高，游标卡尺测量叶片厚度，LI-3000C便携式叶面积仪测定叶片长度、叶片宽度、叶片面积。对新鲜的植物样品进行漂洗，将其置于清水中洗净土体，用电子天平称重其新鲜重量。将完整的植物根系置于体式显微镜下进行观察并拍照记录根系特征。用游标卡尺精确测量根系的直径，记录每个种类胡萝卜状根的个体数量、尺寸、颜色、形状及有无根毛等。根据观测特征判断其根部的生长阶段：始发期—无根毛、白色表皮；幼年期—有根毛、雪白色、胡萝卜形状明显；成熟期—黄色、根毛最长；衰老期—灰色或棕色、根毛停止生长。记录各生长阶段的数量及比例。最后在70℃烘箱中干燥24小时，对地上部及地下部称重，并分别测定有无胡萝卜状根植物体内的碳、氮、磷含量。

1.3 数据处理

将数据进行正态性检验，不满足的取其对数使之满足正态性，利用Levene’s test检验方差齐性。植物功能性状的相关性采用相关双变量分析(Bivariable analysis)，植物功能性状与环境因子的相关关系采用冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，与普通莎草科的对比分析采用单因素方差分析(One-way analysis of variance，ANOVA)。数据处理与分析在Excel 2019，SPSS 22．0和Canoco 5中进行，绘图在Origin 2021中完成。

2 结果与分析

2.1 胡萝卜状根根系特征

胡萝卜状根的形成有四个时期：始发期(白色)、幼年期(黄白色)、成熟期(黄色)、衰老期(棕黑色)，如图1所示，同一植株的胡萝卜状根可能存在一个或多个时期。除此之外，根部有无根毛的胡萝卜状根皆在实验观测中记录到，其中线叶嵩草仅存在有根毛的胡萝卜状根。对其上述根系特征分布绘制箱线图，如图2所示，结果显示成熟期及有根毛的胡萝卜数量大于其它分类。

图1 胡萝卜状根根系各时期对比Fig.1 Morphology of dauciform roots at different stages

图2 胡萝卜状根植物特征分布图Fig.2 Distribution of characteristics of dauciform roots注：Qty，植株中胡萝卜状根的数量；Ini，胡萝卜状根始发期数量；Juv，胡萝卜状根幼年期数量；Mat，胡萝卜状根成熟期数量；Sen，胡萝卜状根衰老期数量；Rh，有根毛的胡萝卜状根数量；Nrh，无根毛的胡萝卜状根数量；Dim，胡萝卜状根尺寸Note:Qty,the number of DRs in the plant;Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Dim,DRs size

2.2 胡萝卜状根功能性状的相关性分析

对存在胡萝卜状根植物的数量、尺寸、生长时期、有无根毛等特征及地上部、地下部的碳、氮、磷含量等进行相关性分析(图3)。结果显示，33.34%的组合都具有相关关系，这说明胡萝卜状根在整个植株生长发育的过程中占据的地位较高。其中胡萝卜状根的数量与植株地上部磷含量和地下部氮含量呈极显著正相关性关系(P<0.01)，与植株的比叶面积呈显著负相关关系(P<0.01)；胡萝卜状根的尺寸与地下部的磷含量呈正相关关系(P<0.05)；胡萝卜状根幼年期的数量与碳、氮、磷含量关系密切；有根毛的胡萝卜状根数量和地上部磷含量具有显著正相关关系(P<0.01)。此外，植物根系的其他特征也与植物体内的碳、氮、磷含量有显著相关关系，其中多数与植株地上部氮的含量呈显著负相关关系(P<0.05)。

图3 胡萝卜状根根系相关性分析Fig.3 Correlation analysis for traits of dauciform roots注：*，P<0.01；**，P<0.05。Qty，植株中胡萝卜状根的数量；Dim，胡萝卜状根尺寸；Ini，胡萝卜状根始发期数量；Juv，胡萝卜状根幼年期数量；Mat，胡萝卜状根成熟期数量；Sen，胡萝卜状根衰老期数量；Rh，有根毛的胡萝卜状根数量；Nrh，无根毛的胡萝卜状根数量；Ph，植株高度；LT，叶片厚度；LA，叶面积；SLA，比叶面积；LST，叶形指数；R/T，根冠比；LCC，叶碳含量；LNC，叶氮含量；LPC，叶磷含量；RCC，根碳含量；RNC，根氮含量；RPC，根磷含量Note：*,P<0.01；**,P<0.05. Qty,the number of DRs in the plant;Dim,DRs size；Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Ph,plant height;LT,leaf thickness;LA,leaf area;SLA,specific leaf area;LST,leaf shape index;R/T,root-shoot ratio;LCC,leaf carbon content;LNC,leaf nitrogen content;LPC,leaf Phosphorus content;RCC,root carbon content;RNC,root nitrogen content;RPC,root phosphorus content

2.3 胡萝卜状根功能性状与环境因子的相关性及冗余分析

对代表胡萝卜状根植物特征的20个指标与代表周围环境因子的11个指标进行相关性分析，结果如图4所示。其中，胡萝卜状根的数量与土壤有机碳、土壤总磷、土壤有效磷、土壤碱解氮含量及土壤pH值有显著相关关系(P<0.05)；胡萝卜状根幼年期的数量也与上述环境因子有显著相关关系(P<0.05)；而胡萝卜状根的尺寸与环境因子的相关性较弱；有根毛的胡萝卜状根数量与土壤中磷含量有显著正相关关系(P<0.01)；株高、叶面积、比叶面积和根冠比也与较多环境因子有相关关系(P<0.05)；植株体内的氮、磷含量与较多环境因子存在相关关系(P<0.05)，其中地上部和地下部的碳含量与较多环境因子呈正相关关系。

对莎草科胡萝卜状根植物的功能性状与周围环境因子进行冗余分析(RDA)，结果如图5所示。结果表明，第一轴对环境因子和莎草科胡萝卜状根植物指标间关系的解释度为24.94%，第二轴的解释度为15.72%。土壤总磷含量、有效磷含量、紧实度、pH值、含水量、容重、总氮含量与植物指标相关性都较强，其中土壤总磷和有效磷含量对指标的解释度高达20.1%和11.1%。可以看出胡萝卜状根的数量、有根毛数量、幼年期数量、始发期数量、成熟期数量与土壤总磷、土壤总氮和土壤有效磷的含量呈正相关关系，且相关程度较高；地上部和地下部碳含量以及根冠比与环境中的氮、磷含量相关性也较强；地上部和地下部氮、磷和植株高度、比叶面积、叶片面积及衰老期数量与土壤中氮、磷含量呈显著负相关关系。

图4 胡萝卜状根与环境因子的相关性分析Fig.4 Correlation analysis among traits of dauciform roots and environmental factors注：*，P<0.01；**，P<0.05。Qty，植株中胡萝卜状根的数量；Dim，胡萝卜状根尺寸；Ini，胡萝卜状根始发期数量；Juv，胡萝卜状根幼年期数量；Mat，胡萝卜状根成熟期数量；Sen，胡萝卜状根衰老期数量；Rh，有根毛的胡萝卜状根数量；Nrh，无根毛的胡萝卜状根数量；Ph，植株高度；LT，叶片厚度；LA，叶面积；SLA，比叶面积；LST，叶形指数；R/T，根冠比；LCC，叶碳含量；LNC，叶氮含量；LPC，叶磷含量；RCC，根碳含量；RNC，根氮含量；RPC，根磷含量；Alt，海拔；Tem，温度；kPa，紧实度；SBD，土壤容重；SWC，土壤含水量；pH，土壤酸碱度；SOC，土壤有机碳；STN，土壤总氮；STP，土壤总磷；SOP，土壤有效磷；SAH，土壤碱解氮，下同Note：*,P<0.01；**,P<0.05. Qty,the number of DRs in the plant;Dim,DRs size.；Ini,the number of DRs at the initial stage;Juv,the number of DRs at the juvenile stage;Mat,the number of DRs at the mature stage;Sen,the number of DRs at the senescent stage;Rh,the number of DRs with root hairs;Nrh,number of DRs without root hairs;Ph,plant height;LT,leaf thickness;LA,leaf area;SLA,specific leaf area;LST,leaf shape index;R/T,root-shoot ratio;LCC,leaf carbon content;LNC,leaf nitrogen content;LPC,leaf Phosphorus content;RCC,root carbon content;RNC,root nitrogen content;RPC,root phosphorus content;Alt,altitude;Tem,temperature;kPa,compactness;SBD,soil bulk density;SWC,soil water content;pH,soil pH value;SOC,soil organic carbon;STN,soil total nitrogen;STP,soil total phosphorus;SOP,soil available phosphorus;SAH,soil alkaline hydrolyzable nitrogen，the same as below

图5 胡萝卜状根与环境因子的冗余分析Fig.5 RDA for traits of dauciform roots and environmental factors

2.4 两种胡萝卜状根植物的对比分析

对两种莎草科胡萝卜状根植物——蕨状嵩草和线叶嵩草的各个功能性状指标进行单因素方差对比分析。结果如表1。可以看出两种植物间地上部和地下部的碳含量有着显著差异(P=0.026<0.05；P=0.021<0.05)，其余指标显著性均不强。

2.5 胡萝卜状根植物与无胡萝卜状根植物的对比分析

对有无胡萝卜状根的莎草科植物体内的碳、氮、磷含量及地上部和地下部的生物量进行单因素方差分析。结果如表2。分析表明，除地上部和地下部的碳含量之外，其它指标都有着显著差异，其中地上部和地下部的磷含量、氮含量和生物量都呈极显著差异(P<0.001)。

表1 两种莎草科植物间的单因素方差分析Table 1 One-way analysis of variance between two sedges

表2 胡萝卜状根植物与无胡萝卜状根植物间的单因素方差分析Table 2 One-way ANOVA between dauciform-root and no-dauciform-root plants

3 讨论

研究发现植物能够通过增加根系与土壤的接触面积来提高对不良环境的适应能力，主要表现为侧根数量和长度的增加、和菌根共生、根表面积的增加、根变细以及根毛数量和长度的增加等[14]。胡萝卜状根以其化学吸收能力为基础，通过根毛从矿物质资源中吸收磷和其它微量元素，且吸收被土壤吸附的磷的能力要高于菌根[15]。有根毛的胡萝卜状根数量和全部的胡萝卜状根数量与植株地上部的氮、磷浓度的相关性相同，这也彰显了根毛对于植物适应贫瘠环境的特殊作用，即根毛能增加植株与土壤的密切接触，使得其吸收锰、钙和水分的能力显著提高[16]。

Shane等人研究表明胡萝卜状根在低磷的条件下更容易生成，这种特殊的反应不是由土壤中的磷决定，而是由植株体内的磷浓度和磷状态决定[6]。本实验研究显示胡萝卜状根的数量与植物体内的磷含量走势一致，植物体内的磷含量越高，胡萝卜状根的数量越多，这可能是因为在没有其他抑制因子的情况下，植物体内的磷浓度从未高到足以完全抑制胡萝卜状根的形成[17]，因而产生的胡萝卜状根数量较多。Elser及Harpole等人研究表明磷元素是植物生产的限制因素[18-19]，Lambers等认为具有胡萝卜状根的植物根系释放大量动员磷的羧酸盐，在获取磷的方面表现出色[20]，甚至可以充当生态系统的促进者，将难以获得的磷转化为更容易获取的形式，并提高邻近植物对磷的吸收[21-22]。植物与环境因子的相关性分析显示，土壤中氮、磷元素的缺失致使胡萝卜状根的生成，胡萝卜状根的生成使得植株吸收氮、磷的能力增加，反馈到地上部即叶氮和叶磷的含量增加，而土壤中氮、磷含量上升，导致胡萝卜状根生成能力下降，继而体内元素呈现下降趋势，这与Shane等人的结论相符[6]。此外有根毛的胡萝卜状根数量与土壤含水量呈负相关关系，因为早期的研究表明，胡萝卜状根的形成往往会受到潮湿、缺氧条件的抑制[23]，推测最潮湿的地点胡萝卜状根的形成最少[24-25]。

胡萝卜状根形成的四个时期中仅幼年期具备与环境因子的关联关系，推测是因为幼年期根系发育速度达到极值，此时的胡萝卜状根已经具备活化磷的能力，能够将土壤中的磷元素转化吸收，且由于胡萝卜状根数量的减少，其与环境的相关性明显变弱。此外，土壤pH值的高低与胡萝卜状根也有部分关联，即胡萝卜状根更容易在酸性条件下生成。也可能是因为胡萝卜状根数量越多，其分泌的羧酸、苹果酸和柠檬酸就越多[26]，即pH值预测了胡萝卜状根的生成。研究显示有胡萝卜状根的植物体内的氮、磷含量和无胡萝卜状根的植物体内的两种元素相比有着较大的差异，说明胡萝卜状根的存在可以提高植物体内的元素含量，进而提高生产力，减少牛羊啃食和恶劣环境给植物带来的极大负影响[27]，缩小与优良环境中生长的植物间的差异。同科属种类之间的蕨状嵩草体内的碳含量要远远高于线叶嵩草，推测是因为种类不同，胡萝卜状根对应的吸收能力也有着显著的差异，反应到植株上则表现为生产力的高低存在一定的差异。

植物叶片的功能性状也与环境因子有着相关性，表明越贫瘠的环境中，植物叶面积和比叶面积的值越高，这是源于植物在不利的环境中会改变生存策略，增加地上部分的叶面积，从而增强光合作用，同时减少叶片的厚度，进而可以在调整适应机制的同时降低地上生物量[28]。另外，胡萝卜状根植物的地上部与地下部的生物量之比偏低，且有着细根化的趋势。有学者提出，与其它科的植物相比，莎草科植物在高海拔地区的分配特征和功能性状对其获取资源更有利[29]，其叶、根性状都更有优势，地下生物量增加，细根增加，并认为这是莎草科菌根的作用[30]。而本研究中，莎草科胡萝卜状根植物的生存机制则更符合这种模式，推测前人研究发现莎草科适应环境的优势可能是形成了胡萝卜状根。

4 结论

在土壤贫瘠地区，莎草科胡萝卜状根植物表现出较高的生态适应性，在不良环境中也对应着较好的表现型，通过自身的根毛吸附活化作用，吸收周围元素，促进植株叶形态和根性状朝着环境适应性的方向发展。此外，由于胡萝卜状根在洗涤的过程中较容易洗掉，且白马雪山上的土质较为粘腻，容易把胡萝卜状根粘在土壤里，所以最终观测到的数量和尺寸都与自然条件下生长的实际数值有差异，猜测真实生长在土里的胡萝卜状根数量要远高于此实验的观测。