废弃采石场生态修复植物的抗旱性评价

徐 芳,张亚红,刘 敏,张 倩,杨瑞卿,盖军元*

(1.江苏省徐州市九州生态园林股份有限公司,江苏 徐州 221000;2.徐州工程学院 环境工程学院,江苏 徐州 221000)

徐州市作为苏北地区重要的工业城市,辖区内石灰岩和白云岩资源丰富,60余年来已开发采石场数百处,废弃采石场数量高达100多个[1]。这些废弃采石场给城市环境带来了一系列的严重问题,进行废弃采石场的生态修复是当前徐州市建设生态文明城市的重要内容之一[2-3]。植物修复是绿化和改善生态环境的重要措施,也是废弃采石场生态修复工作的重要环节,但实地调研发现废弃采石场土壤水分匮乏,水分供给困难,严重影响植物的正常生长[4-5]。此前用于徐州市废弃采石场绿化的植物多为侧柏、构树、刺槐、艾蒿等植物,这些植物的观赏效果较为单一,缺乏物种多样性。因此,科学筛选出适于废弃采石场干旱环境,同时兼具良好观赏效果的植物是徐州地区废弃采石场生态修复的关键和前提。

本研究根据实地情况选择7种观赏植物为研究材料,其中牡荆(观赏效果优良,是本土植物,也已被应用于山体绿化及常规的绿化工程)作为对照植物,通过比较不同植物在干旱胁迫下株高变化、叶片含水量、萎蔫系数等指标,并通过研究不同植物抗氧化酶活性及脯氨酸含量的变化情况,探究了不同植物的抗旱能力,以期筛选出适合废弃采石场特殊生境的抗旱植物,为今后废弃采石场生态修复中的植物选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以金钟花、多花木兰、小叶女贞、牡荆、绣线菊、金丝桃、锦带花共7种植物为供试材料,均取自徐州市苗圃科技园。将田园土与草炭土以3∶1的比例均匀混合，作为种植土壤；以内口径为18.5 cm,底径为13.0 cm,高度为15.0 cm的花盆为试验容器。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理 试验在顶部防雨且四周通风的钢架大棚内进行,每种植物均选取大小一致、长势相同的植株栽于花盆内,每盆两株,在正常条件下缓苗45 d。正式试验于2018年7月2日～7月15日进行,试验期间温度变化如图1所示。在试验开始前连续2 d浇透水,使土壤充分吸水,达到饱和状态。每种植物设置1个干旱处理和1个对照,每个处理3个重复,干旱组停止浇水,进行持续干旱；而对照组进行正常水分管理。

图1 试验期间的温度变化

1.2.2 取样与样品测定 每3 d对干旱处理和对照各取1次土样,将土样放入烘箱80 ℃条件下烘干至恒重,并测定土壤含水量[土壤含水量=(鲜重-干重)/干重×100%][6]。每天观察植物的生长情况,分别在植物出现临时萎蔫和永久萎蔫时(短期水分亏缺会造成“临时性萎蔫”,表现为叶片、幼茎下垂、萎蔫,至傍晚或及时补充水分后植株又可恢复过来;若长期缺水而至傍晚或补充水分后植株仍不能恢复正常则成为“永久性萎蔫”[7])测得土壤含水量,由此确定各植物的临时萎蔫系数与永久萎蔫系数。

每3 d测定各植物处理和对照的株高及叶片含水量1次。叶片含水量的测定采用称重法,取样后称鲜重,用蒸馏水浸泡24 h后称饱和鲜重,最后放入烘箱烘干后称干重,叶片含水量=(饱和鲜重-干重)/干重×100%[8]。取功能性叶片，采用酸性茚三酮法[9]测定脯氨酸含量,采用购自南京建成生物公司的试剂盒测定超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和过氧化物酶(POD)活性。

植物抗旱性综合评价采用隶属函数法[10]。利用下列公式对各项测定指标进行标准化处理,最后把每份材料的各项指标隶属函数值进行累加,求平均值,平均值越大,表示抗旱性越强。

X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X′=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式(1)和式(2)中：X′为标准化值；X为各材料的某一指标测定值；Xmin为该指标的最小值；Xmax为该指标的最大值。如果某一指标与抗旱性呈正相关,则用公式(1)计算；反之,则用公式(2)计算。

1.2.3 数据处理 采用SPSS 20.0软件和Excel 2010软件分析整理试验数据,方差分析采用Duncan法,显著性水平设定为α=0.05。表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 盆栽不同植物的土壤含水量变化

供试植物栽培中土壤含水量的变化情况如表1所示,随着干旱处理天数的增加，土壤含水量由初始的30%左右逐渐下降。在干旱处理3 d后,不同供试植物的土壤含水量在21.88%～23.40%;在干旱处理6 d后,土壤含水量降至17%左右;在干旱处理9 d后,土壤含水量降至12%左右,其中,多花木兰的土壤含水量最低,金丝桃的土壤含水量最高,但差别不大。不同植物土壤含水量的变化趋势基本一致,表明供试植物所受的干旱胁迫基本一致。

2.2 不同植物的株高变化

随着干旱天数的增加,植物的株高增长率[(干旱处理不同天数的株高-干旱处理0 d的株高)/干旱处理0 d的株高×100%]逐渐降低(图2A),且相对株高降低率[(干旱处理不同天数的对照株高-相应干旱处理的株高)/对照株高×100%]呈现逐渐升高的趋势(图2B),表明随干旱时间的延长,植物株高增长幅度减小直至不再增加。干旱处理3 d后,金钟花的株高增长率为12.86%,明显高于其他植物的;金丝桃与金钟花的相对株高降低率居前2位,分别为3.11%、5.19%,其他植物的相对株高降低率在1.23%～2.46%。随干旱时间的增加,金钟花与金丝桃的株高增长率出现大幅度下降,相对株高降低率也最大,至干旱处理9 d时,相对株高降低率分别为19.71%、19.06%,均明显高于其他植物的,表明金钟花与金丝桃这两种植物受干旱胁迫的影响最大。锦带花的株高增长率一直保持在较高水平,至干旱处理9 d时明显高于其他植物;从相对株高降低率来看,牡荆、锦带花和小叶女贞均明显低于其他植物的。

表1 不同植物在盆栽中土壤含水量的变化

A:株高增长率; B:相对株高降低率。

2.3 不同植物叶片水分含量的变化

干旱处理9 d时不同植物的叶片水分含量变化情况见表2。干旱处理植物的叶片含水量均较对照植物明显下降,对照组叶片含水量均在95%以上,而干旱处理组在69.18%～83.13%。叶片含水量与水分亏缺率反映了植物的水分状况。在干旱处理9 d后,不同植物的叶片含水量依次为锦带花>牡荆>绣线菊>多花木兰>小叶女贞>金丝桃>金钟花,锦带花、牡荆及绣线菊的叶片含水量显著高于其他植物的(P<0.05),相应的叶片水分亏缺率也显著低于其他植物的；而金丝桃与金钟花的叶片含水量较低,叶片水分亏缺率较高。

表2 不同植物的叶片水分含量变化

注:在同一列数据后附不同小写字母表示在P<0.05水平下差异显著。下同。

2.4 不同植物萎蔫系数的比较

从表3可以看出,不同植物出现萎蔫时的土壤含水量存在显著差异,临时萎蔫系数由小到大依次为锦带花<多花木兰<绣线菊<小叶女贞<牡荆<金钟花<金丝桃;永久萎蔫系数由小到大依次为锦带花<绣线菊<小叶女贞<多花木兰<牡荆<金钟花<金丝桃。其中金丝桃的临时萎蔫系数和永久萎蔫系数均显著高于其他植物的,金钟花仅次于金丝桃,牡荆、小叶女贞、绣线菊和多花木兰的萎蔫系数均为中等,而锦带花的萎蔫系数则显著低于其他植物的。

表3 不同植物的萎蔫系数

2.5 不同植物抗氧化酶活性与脯氨酸含量的变化

由图3可以看出,在干旱处理9 d后,不同植物干旱处理的CAT活性除金丝桃外均高于对照,不同植物CAT活性的增长率依次为牡荆>锦带花>小叶女贞>绣线菊>多花木兰>金钟花。从POD活性来看,金钟花、小叶女贞、牡荆与金丝桃的POD活性均低于对照的,其中金钟花的POD活性相对降低率达49.22%；金丝桃的POD活性相对降低率次之，为31.26%；而其他几种植物的POD活性均高于对照植物的,其中,绣线菊和锦带花的POD活性增长率居前2位,分别为59.75%和50.42%。在干旱处理下金丝桃的SOD活性低于对照,其他植物均出现SOD活性升高的现象,而金钟花的SOD活性相对增长率最低。此外，干旱处理植物叶片的脯氨酸含量均显著高于对照植物的；不同植物叶片脯氨酸含量的相对升高率表现为多花木兰>锦带花>金钟花>绣线菊>小叶女贞>牡荆>金丝桃。

2.6 不同植物抗旱性的综合评价

相关性分析结果(表4)表明：在干旱胁迫条件下，供试植物的叶片含水量与相对株高降低率、水分亏缺率和临时萎蔫系数均呈显著负相关关系；相对株高降低率与永久萎蔫系数呈显著正相关,与CAT活性增长率呈显著负相关。说明这6个指标均可作为衡量本试验中供试植物耐旱能力的指标。

采用在植物抗旱性研究中常用的模糊隶属函数法[10],应用上述6个生理指标对7种供试植物的抗旱性进行综合评价,结果见表5。由表5可知：锦带花和牡荆的各项生理指标的平均隶属函数值分别为0.94和0.83,远高于其他植物的,其抗旱能力分别排在第1位和第2位；绣线菊的抗旱能力仅次于锦带花和牡荆；金丝桃和金钟花的抗旱能力排名分别为第6位和第7位,它们的生理指标隶属函数平均值均在0.2以下,表明其抗旱性均低于其他植物；其余3种植物多花木兰、小叶女贞和绣线菊的抗旱能力为中等。

3 讨论

植物生长过程对水分的亏缺非常敏感,而影响植物生长的因素有很多,采用单一的抗旱指标很难准确反映植物的抗旱能力[11]。干旱胁迫对植物的生长和生理都有显著的影响,结合生长和生理指标进行综合评价,能够很好地反映植物对干旱胁迫的抗性[12]。本试验测定了7种供试植物的土壤含水量、株高、叶片水分含量、萎蔫系数和抗氧化酶活性等指标,并选取其中与抗旱能力显著相关的6个指标,采用模糊隶属函数法综合评价了7种植物的抗旱能力,所得结论具备一定的参考价值。本试验结果显示,锦带花、牡荆和绣线菊的抗旱能力最佳,理论上可作为废弃采石场的生态修复植物,但仍需进行进一步实地验证;金钟花和金丝桃的抗旱能力最弱,不具备参与废弃采石场生态修复的能力。

表4 不同植物各测定指标间的相关性分析结果(相关系数)

表5 不同植物6项测定指标的隶属函数值

注:“-”表示该值缺失,因为金丝桃的CAT活性相对升高,该值为负值。

随着干旱程度的加剧,叶片含水量逐渐下降,植物相继出现临时萎蔫和永久萎蔫[7]。由于不同植物的抗旱能力不同，因此它们在干旱胁迫下叶片含水量的下降幅度也不同,锦带花、牡荆和绣线菊在干旱条件下均表现出叶片含水量显著高于其他植物、水分亏缺率显著低于其他植物的特征(见表2),说明这3种植物的叶片保水能力较好,抗旱能力较强,这与表5中的综合评价结果一致。相关研究结果表明，在干旱胁迫条件下叶片含水量高的植物的生理功能旺盛,对干旱的适应能力强[13]。在本试验中，各供试植物在干旱处理下脯氨酸含量明显升高,SOD、POD、CAT活性均明显增强,表明植物叶片中活性氧大量积累,对细胞膜造成伤害,植物产生了相应的适应性反应[14]。其中,抗旱性强的植物如牡荆和锦带花的CAT活性增长率最高,绣线菊和锦带花的POD活性增长率最大,而抗旱性较差的植物如金钟花的CAT活性和SOD活性增长率均为最低,尤其是金丝桃,其3种抗氧化酶活性均低于对照,表明这两种植物在干旱胁迫下清除活性氧和自由基的能力较差,会较早出现萎蔫或死亡现象,这与其萎蔫系数特征基本一致(见表3)。同时,也证明了植物的抗旱能力与其抗氧化酶活性有密切联系,这与前人的研究结果[14-17]一致。脯氨酸是衡量植物受逆境胁迫程度的重要指标,其含量与品种的抗旱性呈正相关[18]。然而,本试验发现不同植物的脯氨酸含量相对增长率与其综合耐旱能力并不完全相符(见图2和表5),这可能是因为供试植物所属科属和生长环境差异较大,它们在对照条件下的脯氨酸含量差异也较大,因此脯氨酸含量并不能完全反映其抗旱能力,这也是本试验采取隶属函数法进行综合评价的重要原因。

本试验对7种植物抗旱性的评价结果,可为徐州市废弃采石场生态修复工作中选择植物材料提供一定的理论依据,但也要因地制宜,选择适于该地区生长的耐旱植物。此外也可结合植物的观赏特性和应用领域综合考量,例如小叶女贞在园林绿化领域应用较广泛,也可适当选为废弃采石场的生态修复植物。

4 结论

随着干旱时间的延长,不同植物的叶片含水量逐渐下降直至萎蔫，株高增加变缓，叶片抗氧化酶活性和脯氨酸含量有不同程度的增加趋势。锦带花、牡荆和绣线菊的抗旱能力高于其他植物,可作为徐州市废弃采石场的首选生态修复植物;多花木兰和小叶女贞的抗旱能力为中等;金丝桃和金钟花的抗旱性最低,理论上不建议选为废弃采石场的生态修复植物。