羊草叶片性状对土壤石油污染胁迫的响应

陈 静，张凤杰，张 月，刘瀚泽，杨 楠，吴文爽

(大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116600)

1 引言

石油是现代经济的主要能源之一，被称为“黑色黄金”。随着经济的快速发展, 我国石油消费量剧增。石油在开采、运输和使用过程中泄漏事故频发, 造成了严重的土壤石油污染[1]。东三省、华北平原、内蒙古地区原油污染面积逐年扩大，在辽河油田的重污染区，土壤原油含量可达临界值的20倍。落地的原油发生平面的扩散运动影响土壤物理、化学和生物学性质从而影响植物生长[2]。植物叶片对环境变化最为敏感，成为近几年国内生态领域的研究热点，研究主要集中在叶片的光合效率与呼吸速率等叶片的功能性状上[3]。植物结构型性状直接的影响到植物的基本功能，可以很好地反映出植物为适应环境变化而形成的生存策略。盐胁迫环境下，骆驼刺叶片由薄变厚，光合速率由高变低，开拓性生存策略转变为保守性生存策略[4]。重度水淹胁迫下叶片的比叶重较低，叶片最大净光合速率较高，植物采用快速投资-收益的生存策略[5]。但是，目前关于植物叶片结构型性状对污染胁迫的响应机制研究鲜有报道。羊草(Leymus chinensis)是欧亚温带草原东缘的主要优势植物,具有良好的耐碱、耐寒、耐旱和生态可塑性，是内蒙古草原主要的牧草资源[6]。本研究在额尔古纳野外实验平台上，采用人工对草甸草原进行不同浓度的石油污染胁迫，观察优势植物羊草叶片结构性状对石油污染胁迫的响应，揭示羊草对土壤石油污染胁迫的适应对策。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

研究在内蒙古省呼伦贝尔市海拉尔区黑山头镇开展，实验样地地处内蒙古自治区东北部，呼伦贝尔市中部偏西南，属中温带半干旱大陆性草原气候，春季多风少雨，蒸发量大；夏季温凉短促，降水集中；秋季降温快，霜冻早；冬季寒冷漫长，地面长期积雪[7]。年平均气温-2～-1 ℃。主要植物物种有羊草、早熟禾、大针茅等。

2.2 实验方法

采用野外模拟控制实验，将实验样地划分为1 m×1 m的30个样方，设置五个石油浓度梯度分别为对照组(0 g/m2)低浓度石油污染(25 g/m2)，中浓度石油污染(50 g/m2,100 g/m2)，高浓度石油污染(200 g/m2)。每个梯度随机选取6个样方做重复处理，将所选样方按石油胁迫浓度做好标记。石油污染方式为土壤拌油,称取一定质量的柴油，拌入相同质量的土壤中，均匀撒入设置好的样地内。

2.3 分析方法

每个样方随机选取5片完整的取自羊草同一部位的叶子进行叶片性状的测量。用游标卡尺(精度为0.02 mm)在每片叶子的同一部位测量叶片厚度(leaf thickness, LT)。叶长(leaf length，LL)、叶宽(leaf width，LW)用钢卷尺测量。用精度为0.0001g的电子天平称量叶片鲜重(fresh weight，FW)和叶片干重(dry weight ,DW)并记录。叶面积(leaf area，LA)由LA-S叶面积仪扫描得出，比叶面积(Specific leaf area，SLA)、叶体积(Leaf volume,LV)用SPSS22.0 软件计算得出。

2.4 数据处理

用EXCEL 2013软件进行数据初步处理，用SPSS 22.0软件完成所有数据的统计分析，用 OriginPro 2017软件作图。叶片结构型性状的平均值差异性用单因素方差分析检验，用逐步回归分析法确定叶片质量与叶面积的关系。

3 结果分析

3.1 石油污染对羊草叶片结构型性状的影响

植物叶片是植物进行光合作用的主要场所，当植物受到环境胁迫时，通常会改变形态结构，调整资源分配以适应环境的变化。石油污染对羊草叶片结构型性状的影响具体情况可参见表1。

表1 石油污染胁迫下叶片的结构性性状

与对照组(0 g/m2)相比，低浓度石油污染(25 g/m2)下羊草的叶长、叶宽、叶厚、干重、叶面积、叶体积均增加，该实验中低浓度的石油污染对羊草的生长有一定的促进作用。当石油污染浓度达到50 g/m2，和100 g/m2时叶长、叶宽、干重、叶面积、叶体积较石油污染浓度为25 g/m2时降低，叶片厚度无明显变化。其中叶长在50 g/m2时达到最低值18.06 cm，较对照组下降了3.63%，高浓度石油污染(200 g/m2)下羊草叶长、叶厚、干重、叶面积、叶体积较油污染浓度为100 g/m2时均显著增加，其中叶厚、干重、叶体积均达到最大值，叶厚较对照组增加了11.1%，干重较对照组增加了16.1%，叶体积较对照组增加了22.1%。

羊草叶长、叶厚、干重、叶面积在不同石油浓度污染胁迫下差异性显著(P<0.05)。羊草的叶体积在不同石油浓度污染胁迫下差异性极显著(P<0.01)。叶宽不同石油浓度污染胁迫下差异性不显著(P>0.05)。羊草叶片宽度较其他叶片性状更稳定，为惰性性状。这与李西良的研究结果一致[8]。

3.2 羊草结构型性状相关性分析

在不同浓度石油污染胁迫下羊草叶片性状的改变具有一定的相关性，其相关性分析结果如表2所示。

表2 羊草叶片性状相关

注：Spearman 相关分析，双尾检验； **，P<0.01；*，P<0.05

由表2可知叶体积与叶长、叶宽、叶厚、鲜重、干重极显著正相关(P<0.01)，与叶面积显著相关(P<0.05)，与比叶面积极显著负相关。叶面积与比叶面积极显著正相关，与叶体积、叶长显著相关，与叶宽、叶厚、鲜重、干重无相关性(P>0.05)。干重与叶长、叶厚、叶宽、叶体积、鲜重极显著正相关，与比叶面积极显著负相关，与叶面积没有相关性。

3.3 羊草结构型性状与适应对策的关系

比叶质量LMA即叶片干重与面积之间的比率(g/m2)是一个非常重要的反应植物功能的结构参数。它能测定植物单位叶面积的投入成本，从而反应植物对环境的应对策略[9]。

植物向叶片的投资包括叶面积的扩张和单位叶面积的干物质积累( 即比叶质量)两个方面[10]。较大的叶面积有利于植物捕获光能，提高光合速率，促进能量转化和资源积累，实现快速生长，但同时也会增加蒸腾速率，导致植物失水，使植株受到水分胁迫的风险增大; 比叶质量反应了植物对资源的贮存，较大的比叶质量能够增强植株在逆境中的存活能力[11]。

当石油浓度低于50 g/m2时,随着石油浓度的提高干重/叶面积的比值减小，植物向叶片的投资更倾向于叶面积的扩张，叶面积的扩张有利于羊草捕获光能，提高光合速率，为其他部位的生长储备能量，实现快速生产。当石油浓度高于50 g/m2时干重/叶面积的值增加(图1)，植物向叶片的投资更倾向于单位面积的干物质积累，此时羊草通过维持较低的生长速率，积累干物质来抵御石油污染胁迫的不利影响，羊草的生存策略也由开始的快速生长转变为维持生存。

图1 石油污染胁迫下比叶质量的变化

4 结论

羊草叶长、叶厚、干重、叶面积在不同石油浓度污染胁迫下差异性显著(P<0.05)。羊草的叶体积在不同石油浓度污染胁迫下差异性极显著(P<0.01)。叶宽在不同石油浓度污染胁迫下差异性不显(P>0.05)，为惰性性状。羊草叶片鲜重、干重、叶面积对植物的权衡生长的贡献率明显，在低浓度石油污染胁迫下(50 g/m2)植物向叶片的投资倾向于叶面积的扩张，在高浓度石油污染胁迫下(100 g/m2)植物向叶片的投资更倾向于干物质的积累。