高温条件下稀土尾砂干旱对4种植物生理特性的影响

张海娜,鲁向晖,金志农,李 阳,王瑞峰,李宗勋,刘利昆

南昌工程学院水利与生态工程学院,南昌 330099

离子型稀土矿是我国重要的战略资源,南方红壤区是主要产区。随着稀土研究的深入和需求量的增加,稀土矿山的开采迅速发展,但离子型稀土矿早期多采用堆浸工艺开采,遗留大面积尾砂地,造成严重的水土流失[1-2]。采取有效的矿山植被修复措施来改善稀土尾砂生态环境是亟待解决的问题。然而,稀土尾砂地表裸露、干热化强烈,保水能力差[3],植物生长受到严重的水分胁迫,尤其季节性高温干旱期,甚至影响到植物幼苗的存活。因此,筛选抗高温干旱性强的乡土植物,是实现稀土尾砂地生态恢复的首要措施。目前关于稀土尾砂植被恢复的研究报道大多集中在草灌层,如百喜草(Paspalumnotatum)[4],紫珠草(Callicarpamacrophylla)、栀子(Gardeniajasminoides)、果桑(Morusalba)、金银花(Lonicerajaponica)[5],宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)、胡枝子(Lespedezabicolor)[6]等；乔木层植物的筛选在福建长汀稀土尾砂植被恢复中有所报道,主要有木荷(Schimasuperba)、枫香(Liquidambarformosana)、火力楠(Micheliamacclurei)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)[6]等。虽然这些乔木是参考稀土矿区周边未破坏地土壤和植物的特点筛选的,但是尾砂地土壤的理化性质发生了很大变化,这些被筛选植物对废弃矿尾砂的适应性如何,缺少足够评价。根据课题组前期对江西寻乌稀土尾砂植被恢复情况的调查,发现稀土矿尾砂区地表植被覆盖度较高(甚至达到100%),但是乔木层主要是桉树,种类单一,在植物筛选方面存在一定的盲目性,缺乏适生植物筛选的有效指标。

光合作用是植物对环境变化很敏感的生理过程[7],高的净光合速率和水分利用效率(WUE)常常被作为植物生存和分布能力强的表征[8],而且WUE是植物抗旱特性的客观评价指标[9],在相同条件下WUE高的植物抗旱能力强[10],它能够揭示植物的潜在生存能力,有助于找出植物抵御极端干旱和水分胁迫的内在机理[11-12]。不仅如此,为适应复杂多变的环境,植物在生理上发生与之相应的改变来适应环境[13],如渗透调节物质、抗氧化酶等。研究发现,逆境胁迫下植物叶片会积累渗透调节物质(可溶性糖、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白等),通过提高细胞渗透压来维持细胞的持水力和水分代谢平衡[14-15],通过抗氧化酶活性抑制细胞的膜脂过氧化、维护氧自由基的代谢平衡和细胞膜的完整性[14]；而且,植物抗逆性与抗氧化酶和渗透调节物质含量正相关[16]。基于此,本文以稀土矿区周边的植物枫香、木荷、桉树以及江西广泛分布的乡土植物樟树为研究对象,对比分析植物幼苗在高温干旱和高温丰水条件下的光合作用、WUE,以及植物叶片的渗透调节物质含量和抗氧化酶活性,探讨4种植物对稀土尾砂高温干旱胁迫的响应机理与抗旱性,为稀土尾砂生态修复中抗逆植物的筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自江西省寻乌县某废弃稀土矿尾砂地,采集表层0—20 cm的尾砂,分析其理化性状。根据国际制土壤质地分类,土壤粒径在2—0.02 mm范围的含量约占65%左右,属于沙质壤土,田间持水量15.02%,土壤容重2.25 g/cm3；土壤pH为5.08,属于强酸性,电导率高达79.12 dS/m,是未破坏地红壤(6.9 dS/m)的10倍多,尾砂中土壤有机碳、有机质、全氮、全磷含量分别为6.29 g/kg、10.85 g/kg、0.20 mg/kg和1.21 g/kg,速效磷和速效钾含量分别为13.78 mg/kg和225.97 mg/kg(表1)。

供试植物种类为稀土矿区周边生长良好的枫香、木荷、桉树,和江西广泛分布的樟树,其中枫香、木荷和樟树为两年生幼苗,桉树为当年生盆栽苗。

表1 稀土尾砂0—20 cm深度土壤理化性状

1.2 试验方法

试验于南昌工程学院生物技术试验基地进行。该基地位于南昌市,属于亚热带湿润季风气候,年平均气温17—17.7℃,极端最高气温40.6℃,极端最低气温-9.7℃,年降雨量1600—1700 mm,降水日为147—157d,年平均暴雨日5.6d,年平均相对湿度为78.5%。年日照时间1723—1820 h,日照率为40%。年平均风速2.3 m/s。年无霜期251—272d。夏季高温期,降雨较少,植物常会遭受高温干旱胁迫。

2016年3月底将枫香、木荷、樟树幼苗(高约50 cm,冠幅15 cm)和桉树幼苗(高约15 cm,冠幅10 cm)种植于花盆(直径29 cm,高26 cm)中,每种植物10盆,盆与盆之间的距离为15 cm,完全随机摆放。试验初期是南昌雨季,将植物处于自然状态。在季节性高温干旱期,连续15d温度高于35℃,天气晴朗未降雨。在此期间将一半植株仍处于自然状态(高温干旱条件),另一半植株则每隔5d充分浇水,直到花盆底部有水流出(高温丰水条件)。光合参数和生理指标测定于充分浇水后第3天进行。同时,用烘干法测定盆中稀土尾砂的土壤含水量。

选择高温干旱和高温丰水条件下生长健壮均一的植株,用美国LI-Cor公司制造的LI- 6400便携式光合仪,于9:00—11:00测定植株中上部叶片的光合指标,包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr),每种处理重复3—5次。试验期间,光合有效辐射1022.90 μmol photons m-2s-1,叶片饱和水汽压差3.55 kPa,空气温度和相对湿度分别为40℃和50%左右。

光合测定的同时,采集植株中上部健康叶片,迅速放入液氮罐带回实验室低温-80℃保存,用于植物渗透调节物质和抗氧化酶活性测定,指标测定参考李合生[17]的实验方法。叶绿素(Chl)含量采用分光光度法,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法；可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法,游离脯氨酸(Pro)采用磺基水杨酸法,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G- 250法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT(氮蓝四唑)光还原法；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法,过氧化氢酶(CAT)活性采用碘量滴定法。

1.3 数据处理

采用SPSS16.0软件对数据进行不同处理的单因素方差分析(ANOVA),Duncan新复极差法检验生理指标在树种之间的差异显著性,显著性水平设定为α=0.05；模糊隶属函数[18]评价4种植物抗高温干旱的能力,隶属函数值越高则表示抗旱性越强；灰色关联法[19]分析各指标与抗旱隶属函数均值的关联度,关联度越大则表示该指标与抗旱性关系越紧密。

采用Origin 8.0软件进行数据处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分状况

高温干旱条件下土壤含水量为1.13%—2.13%,高温丰水条件下为13.57%—19.61%,其土壤含水量显著高于高温干旱条件。对不同植物来说,干旱条件下樟树的土壤含水量显著高于木荷,丰水条件下土壤含水量在4种植物之间无显著差异(表2)。

表2 4种植物土壤含水量情况

同一处理下植物种间差异显著用不同字母表示,P<0.05; HT：High temperatures

2.2 植物幼苗光合特征

高温干旱条件下,植物的Pn、Gs和Tr在4种植物之间差异不显著,樟树WUE显著高于枫香和木荷；高温丰水条件下,Pn在4种植物之间无显著差异,而樟树的Gs和Tr显著低于其他3种植物,WUE最高；不管是干旱还是丰水条件下,枫香、木荷和桉树的WUE无显著差异(图1)。

图1 高温干旱和高温丰水条件下4种植物幼苗的光合特征Fig.1 Photosynthetic characteristics of four plants under drought and wet conditions at high temperatures高温干旱条件下植物种间差异用小写字母表示,高温丰水条件下用大写字母表示。不同字母表示差异显著(P<0.05)

2.3 植物幼苗的Chl和MDA含量

不管是高温干旱还是丰水条件,枫香Chl含量最高,丰水条件下木荷和樟树次之,桉树最低；干旱处理下枫香、木荷和樟树的Chl含量较丰水条件显著降低,其中木荷的Chl含量降低幅度高达66.82%,远高于其他三种植物(表3),使其Chl含量显著低于樟树与桉树,说明木荷的Chl含量受干旱胁迫影响最大。对MDA来说,高温丰水条件下樟树含量最高,木荷和桉树次之,枫香最低；高温干旱胁迫下枫香和桉树的MDA含量显著高于丰水条件,分别高出49.14%和22.07%,木荷和樟树的MDA含量在两种水分处理之间的变化幅度分别为3.47%和2.68%,无显著差异(图2,表3)。

图2 高温干旱和高温丰水条件下4种植物的叶绿素和丙二醛含量Fig.2 Chl and MDA of four plants under drought and wet conditions at high temperatures同种植物不同水分之间差异显著用不同字母表示(P<0.05)

植物种类Plant species各指标变化幅度 Variation range of each index/%叶绿素Chl丙二醛MDA可溶性糖Solute sugar脯氨酸Proline可溶性蛋白Solute protein超氧化物歧化酶SOD过氧化物酶 POD过氧化氢酶CAT枫香L. formosana9.8749.144.7110.2332.761.29256.9852.74木荷S. superba66.823.4726.4597.09158.931113.44241.34840.75樟树C. camphora32.362.684.9328.9118.8331.52580.20117.59桉树E. gandis5.2822.0744.67179.2125.1018.95216.9559.61

Chl：chlorophyll；MDA：Malondialdehyde；SOD：Superroxide diamutase；POD：Peroxidase；CAT：Catalase

2.4 植物幼苗叶片的渗透调节物质含量

高温干旱条件下4种植物的渗透调节物质含量较丰水条件均有不同程度的升高,其中木荷和桉树的可溶性糖、Pro和可溶性蛋白含量显著高于丰水条件,枫香和樟树的3种物质含量在丰水与干旱条件之间无显著差异。高温干旱条件下,木荷的Pro和可溶性蛋白含量较丰水条件下的变化幅度分别为97.09%和158.93%；桉树的Pro含量变化幅度最大,为179.21%,可溶性糖次之,为44.67%,可溶性蛋白最低,为25.10%(表3)；枫香和樟树在干旱和丰水条件下渗透调节物质含量的变化幅度分别为4.71%—32.76%和4.93%—28.91%。可见,高温干旱胁迫下木荷和桉树的渗透调节能力高于枫香和樟树(图3)。

图3 高温干旱和高温丰水条件下4种植物的渗透调节物质Fig.3 Osmotic adjustment solutes of four plants under drought and wet conditions at high temperatures不同条件下同种植物差异显著用不同字母表示(P<0.05)

2.5 植物幼苗叶片的抗氧化酶活性

高温干旱胁迫下木荷、樟树和桉树的SOD活性较丰水条件显著升高,变化幅度依次为1113.44%、31.52%和18.95%,枫香的SOD活性在丰水和干旱处理之间无显著差异；4种植物在干旱条件下的POD活性显著高于丰水条件,其中樟树升高幅度最大,为580.20%,枫香和木荷次之,分别为256.98%和241.34%,桉树变化幅度最小,为216.95%；干旱胁迫下4种植物的CAT活性较丰水条件均显著升高,其中木荷升高840.75%,幅度最大,樟树次之,为117.59%,枫香和桉树CAT变化幅度无显著差异,分别为52.74%和59.61%。可见,枫香主要通过POD和CAT来应对干旱胁迫,其他3种植物则通过3种抗氧化酶活性的共同作用来应对高温干旱胁迫(图4)。

图4 高温干旱和丰水条件下4种植物的抗氧化酶活性Fig.4 Antioxidant enzyme activity of four plants under drought and wet conditions at high temperatures同种植物在不同处理间差异显著用不同字母表示(P<0.05)

2.6 植物幼苗抗旱性综合评价2.6.1 模糊隶属函数分析

通过隶属函数法对高温干旱条件下4种植物幼苗的9个抗旱性指标进行综合评价,可知4种植物枫香、木荷、樟树和桉树的隶属函数值分别为0.221、0.529、0.696和0.563,其抗旱性为樟树>桉树>木荷>枫香(表4)。

表4 稀土尾砂高温干旱条件下4种木本植物的抗旱性综合评价

Table 4 Comprehensive evaluation on drought resistance of four plants under high temperature and drought condition in rare earth mine tailings

抗旱性指标Drought resistance index植物种类Plant species枫香L. formosana木荷S. superba樟树C. camphora桉树E. grandis水分利用效率WUE0.0000.1381.0000.568叶绿素Chl0.0001.0000.5910.629可溶性糖Soluble sugar0.0210.0000.8191.000脯氨酸Pro0.2161.0000.1260.000可溶性蛋白质Soluble protein0.7781.0000.9240.000丙二醛MDA0.0000.3410.8011.000超氧化物歧化酶SOD0.5330.4890.0001.000过氧化物酶POD0.0000.7921.0000.091过氧化氢酶CAT0.4380.0001.0000.775隶属函数均值Membership function mean0.2210.5290.6960.563抗旱性排序Drought resistance sort4312

WUE：Water use efficiency；Chl：Chlorophyll；Pro：Proline；MDA：Malondialdehyte；SOD：Superoxide dismutase；POD：Peroxidase；CAT：Catlase

2.6.2灰色关联分析

对各抗旱指标均值与抗旱系数进行灰色关联分析,关联度越大表明该指标与抗旱性的关系越密切。表5显示,关联度大小为WUE>可溶性糖>CAT>Pro>MDA>SOD>Chl>POD>可溶性蛋白,表明WUE与抗旱性关联最大,其次为可溶性糖和CAT等指标,而SOD、POD、Chl以及可溶性蛋白对这4种植物幼苗的抗旱性影响较小。

表5 抗旱指标的灰色关联分析

WUE：Water use efficiency；Chl：Chlorophyll；Pro：Proline；MDA：Malondialdehyte；SOD：Superoxide dismutase；POD：Peroxidase；CAT：Catlase

通过隶属函数和灰色关联分析可知,枫香通过可溶性蛋白调节表现出最弱抗旱性,木荷在Pro渗透调节作用下体现抗旱性,樟树通过WUE、可溶性糖和CAT的共同作用来应对高温干旱,桉树则通过可溶性糖和MDA来响应干旱胁迫。

3 讨论与结论

矿山废弃地的植被恢复一般不具备灌溉条件,再加上稀土尾砂地土壤保水能力差,因此所选植物应具有尽可能强的抗旱性,尤其在研究区的季节性高温干旱期,对抗旱力强植物的筛选更具必要性,抗旱指标的作用在植物筛选也中有着重要的现实意义。本文比较了高温干旱条件下4种植物的光合生理和WUE,发现干旱胁迫下植物的Pn、Gs和Tr显著低于丰水条件,而WUE显著高于丰水条件,说明高温干旱抑制了4种植物的光合作用,主要通过提高WUE来应对稀土尾砂的高温干旱胁迫,其中樟树在干旱胁迫下具有最高WUE；而且丰水条件下樟树的Pn、Gs和Tr比其余3种植物都低,WUE也最高,说明高温丰水条件下,樟树采用“保守方式”适应环境,这使得樟树在干旱胁迫时依然能够保持较高WUE和生存能力,这可能与樟树叶片结构中较高的粘液细胞含量有关[20],有助于增强植物的抗性,这与王倩等[21]发现低温胁迫后3种景天的粘液细胞数量增多的研究结果基本一致。

植物遭受干旱胁迫时,其生理生化过程可以反映植物的应对机制,通过产生脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等渗透调节物质而维持细胞内外的渗透平衡[22-23],减轻干旱胁迫对植物的伤害效应。已有研究表明,干旱处理下刺槐幼苗的叶、枝、树干以及根系的可溶性糖均高于正常水分条件[24]。赵雪等对干旱胁迫下不同种源文冠果幼苗渗透调节物质的测定表明,随着干旱胁迫加剧,文冠果幼苗叶片的可溶性糖和可溶性蛋白含量增加[25]；马剑等关于文冠果的生理特性对水分胁迫响应的研究也得到一致结论[26]。本研究中,稀土尾砂高温干旱胁迫下4种植物的可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白含量均有不同程度的提高,与前人研究结果[24- 26]一致。木荷和桉树的3种渗透调节物质(可溶性糖、Pro和可溶性蛋白)含量显著高于丰水条件,枫香和樟树的渗调物质含量在两种处理之间无显著差异,说明木荷和桉树受干旱胁迫的影响较大,分别通过Pro和可溶性糖的渗透调节作用来维持叶片细胞膨压,减少高温干旱对植物叶片的破坏,而樟树在高温干旱胁迫下依然能够维持正常的渗透调节能力,枫香的主要渗透调节物质可溶性蛋白与植物抗旱性的关联性最小,抗旱性最弱。

干旱胁迫还会引起植物体内活性氧的积累,导致脂质过氧化反应和质膜透性增强,进而引起严重的生理伤害,那么植物清除活性氧的能力与其抗旱性紧密相关。干旱时叶片可以通过SOD、POD、CAT来清除树木体内的自由基,防止细胞膜受到伤害[23]。MDA作为膜脂过氧化产物之一,它可以与细胞膜上的蛋白质、酶等结合,导致膜完整性的破坏和选择透性的丧失,是细胞膜被破坏的标志性物质[27]。本研究中高温干旱胁迫下枫香和桉树MDA含量显著高于丰水条件,樟树和木荷的MDA无显著差异,说明枫香和桉树的细胞膜受损程度加剧,樟树和木荷细胞膜受损程度小,主要是由于木荷和樟树受到高温干旱胁迫时,其SOD、POD和SOD的活性急剧升高,及时清除植物体内自由基,使细胞膜免受伤害；而枫香和桉树在干旱条件下的SOD、POD和SOD活性升高幅度较小,致使植物体内的膜脂过氧化反应增强,MDA含量升高。这与王卓敏等[28]、宋爱琴等[29]对轻度干旱胁迫下樟树和木荷的抗氧化酶活性响应一致,重度干旱胁迫下的生理响应相反,说明本试验中稀土尾砂高温干旱对樟树和木荷幼苗的胁迫尚处于轻度,在水分条件改善后可以恢复正常生长。从上述4种植物的过氧化物酶活性可知,干旱胁迫下樟树和木荷的酶活性较高,枫香和桉树较低,说明樟树和木荷可通过抗氧化酶活性的调节来保护膜结构,维持正常生理代谢。

上述研究显示,稀土尾砂高温干旱胁迫下4种植物在WUE、渗透调解和抗氧化酶活性等方面表现出明显响应。灰色关联分析得出,各指标抗旱关联度大小为WUE>可溶性糖>CAT>Pro>MDA>SOD>Chl>POD>可溶性蛋白,可见WUE和可溶性糖是衡量植物抗旱性的主要指标。这与段洪浪等[30]的研究结果一致,季节性高温干旱会对植物的碳水过程产生重要影响,而“水力失衡”和“碳饥饿”可分别从水分关系和碳同化两方面解释树木干旱死亡的生理机制。植物通过提高WUE来提高抗旱性和生产力；非结构性碳水化合物(NSC)参与乔木的生命过程,在很大程度上影响着乔木对干旱胁迫的响应[31],可溶性糖作为NSC的主要组成物质,通过渗透调节以维持膨压,促进细胞吸水,维持导管的水分传导功能,提高树木存活率。对抗氧化酶活性来说,系统中SOD、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、CAT酶活性之间的平衡是确定活性氧(超氧自由基和H2O2)稳态水平的关键[32],SOD作为防御第一线,能特异性地将超氧阴离子歧化为H2O2和O2,然后由APX和CAT清除H2O2,由于CAT与H2O2具有较高的亲和力[18],CAT在清除过量的H2O2方面起了重要作用,因此CAT与树木抗旱性的关联度高于SOD和POD。基于隶属函数法对4种植物的抗旱性进行综合评价,结果显示：樟树>桉树>木荷>枫香,其中樟树是通过WUE、可溶性糖和CAT的共同作用体现抗旱性,桉树通过可溶性糖和MDA来响应干旱胁迫,木荷在Pro的调节作用下体现抗旱性,枫香则通过可溶性蛋白的调节表现了最弱抗旱性。因此,在稀土尾砂植被恢复中关于阔叶乔木的选择可优先考虑樟树。