3种华北石质山区造林树种抗旱性评价

2019-11-12李泽东李亦然周晓莹张如明程甜甜张永涛

中国水土保持科学 2019年5期

李泽东，李亦然，周晓莹，张如明，程甜甜，张永涛†

(1.山东农业大学林学院，山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，271018，山东泰安； 2.莱芜市水土保持办公室，271100，山东莱芜)

全球背景下的气候变暖及人类活动的影响使得干旱问题越来越严重[1]。植物在生长发育过程中，会受到来自外界环境的各种生物、非生物胁迫，其中干旱是最重要的非生物胁迫之一，无论是长期干旱还是短期水分亏缺都可能对植物造成严重不可逆的伤害，影响植物生长发育及作物产量[2]。许多学者对植物抗旱机理和植物抗旱性评价做了大量的研究工作，并且也取得了较大进展[3-5]，大量研究表明，植物在遭受干旱胁迫时，植物体内会产生一系列生理变化来适应干旱逆境，不同植物对干旱胁迫的响应特点，适应能力和生理机制差别较大。因此，研究不同树种在遭受干旱胁迫时的响应特点与生理机制对其在荒山绿化，植被恢复中的应用具有重要的实践意义。

华北地区土壤贫瘠，干旱缺水，水土流失严重，具有众多的未造林或造林地差的石灰岩丘陵山地，严重制约着这些未开发山地的生产力[6]。植被恢复是华北石质山区生态环境恢复的重要措施[7]，采用植物措施对干旱瘠薄山地进行绿化，对改善生态环境、固碳增汇、促进经济社会协调发展有着重要的作用。白蜡、麻栎和皂荚作为华北石质山区造林的常用树种，较为耐干旱瘠薄[8]，虽然已有对3树种的生理方面的研究[9-10]，但3树种对不同程度干旱胁迫的生理响应的异同性以及树种之间的抗旱性强弱尚不明确。因此，笔者研究选择上述3种树种为研究对象，通过植物生理生化反应而表现出的抵抗干旱胁迫的能力，探讨植物的抗旱作用机制，选择丙二醛含量、细胞膜透性、超氧化物歧化酶活性和脯氨酸含量等作为评价植物抗旱性的生理生化指标[2]，基于隶属函数法对3种植物进行抗旱性评价；对植物在不同干旱胁迫梯度下的的生理响应进行分析；并用灰色关联分析各个生理生化指标的主次关系，区分不同的生理指标在植物遭受干旱胁迫时所表现出的差异性，以期为华北石质地区干旱瘠薄山区造林树种配置及生态环境修复提供理论支撑。

1 研究区概况

山东农业大学林学试验站位于泰安市南部(E 117°11′，N 36°16′)，属于温带季风大陆性气候，四季分明。植被属暖温带落叶阔叶林区域，植物区系属于华北植物区系，包括森林、灌丛、灌草丛、草甸、等生态系统[11]；多年平均气温13 ℃，极端最高气温40 ℃，极端最低气温-20.7 ℃，7月气温最高，平均26.4 ℃，1月最低，平均-2.6 ℃；年平均降水量697 mm，最大年降水量1 083.00 mm，最小年降水量434.0 mm，降水分布不均，易发生春旱；年日照时间2 355 h；无霜期198 d；土壤以棕壤、褐土为主，肥力中等。

2 材料与方法

2.1 试验材料处理方法

选择生长一致的2年生白蜡、麻栎、皂荚幼苗作为试验材料，2017年4月进行盆栽培育，花盆直径50 cm，高40 cm，每个树种盆栽25盆，每盆1株，采用常规方法管理盆栽。8月苗木新梢停止生长后进行试验。每个树种选取在相同逆境下具有代表性的苗木进行测定，通过环刀法测定盆内土壤密度为1.46 g/cm3，田间持水量35%。将所有试验幼苗进行饱和灌溉处理，然后自然蒸散耗水，自然耗水第3天后开始测定土壤含水量，用铝盒烘干法求出质量含水量，其与田间持水量的比值得出土壤相对含水量(SRWC)。此后每3 d测定1次，一共持续30 d，根据每次测定的土壤相对含水量划分出5个土壤水分梯度，对这5个水分梯度进行生理响应方面的比较。5个土壤水分梯度分别为：T1、T2、T3、T4、T5，其对应的土壤相对含水量分别为45.6%～50.9%、40.2%～45.6%、36.1%～40.2%、30.2%～36.1%和26.8%～30.2%。按照Hsiao等[12]中植物水分梯度划分的方法，分为中度干旱(T1、T2)和重度干旱(T3、T4、T5)。试验期间搭建透明塑料顶棚，防止雨天降水进入花盆，无降水时则撤掉顶棚。

2.2 试验指标及测定方法

试验植株用Li-6400光合仪测定净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、胞间二氧化碳浓度Ci等光合参数；叶片丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量用硫代巴比妥酸法测定；用相对电导率法测定细胞膜透性；采用烘干法测定叶片相对含水量；用CL-01叶绿素仪测定叶绿素；用抑制NBT光还原比色法测定超氧化物歧化酶(super oxide dismutose，SOD)活性；采用酸性茚三酮比色法测定脯氨酸。

2.3 数据分析

用模糊数学中的隶属函数法对3树种进行抗旱性评价[13]；用灰色理论系统中的灰色关联分析法确定抗旱指标与树种抗旱性的关系[14]。

对试验数据用SPSS进行方差分析，差异显著性运用Duncan’s检验法进行多重比较。所有数据用Origin软件进行处理作图，并在图中标出标准差。

3 结果与分析

3.1 不同干旱条件对植物光合作用的影响

3.2 不同干旱条件对植物MDA含量和细胞膜透性的影响

干旱对植物MDA含量和细胞膜透性的影响如图2所示，3树种MDA含量随着干旱胁迫加剧，总体上呈现出上升趋势。而白蜡、皂荚的细胞膜透性在T4时出现了降低的现象，到T5时又迅速上升，这可能是因为植物在受到干旱胁迫时，会做出自我保护反应，例如保护酶增多，增加渗透调节物质，植物自身产生了一些自我修复。但是随着干旱程度加剧，植物的自我修复能力不足以抵消干旱对植物的伤害，细胞膜透性继续加大。相对而言，白蜡的细胞膜过氧化程度较深，麻栎和皂荚的细胞膜过氧化程度较弱。经方差分析，T4时麻栎、皂荚、白蜡的MDA含量之间差异性显著(P<0.05)，T5时白蜡和麻栎、皂荚差异性显著(P<0.05)。

图2 不同干旱条件对植物MDA含量和细胞膜透性的影响Fig.2 Effects of different drought conditions on plant MDA (malondialdehyde) content and cell membrane permeability

3.3 不同干旱条件对植物叶片相对含水量和叶绿素质量分数的影响

图3 不同干旱条件对植物叶片相对含水量和叶绿素质量分数的影响Fig.3 Effects of different drought conditions on relative water content and chlorophyll content of plant leaves

干旱对3种植物叶片相对含水量和叶绿素质量分数的影响见图3，3树种的叶片相对含水量均随着干旱程度加深呈下降趋势。其中：白蜡在T1、T2时，即干旱前期下降速度较为缓慢，而在T3、T4、T5干旱后期时则下降较快；皂荚在T3时略微下降；麻栎保持缓慢下降趋势，T5到T1时白蜡，麻栎，皂荚的叶片相对含水量分别下降了38.79%、6.74%和13.81%，总体上看，白蜡相对于麻栎和皂荚更易失水；白蜡的叶绿素含量在试验前期有个略微升高的过程，之后随着干旱加剧到T5时才降低；麻栎的叶绿素质量分数随着土壤水分的减少，呈缓慢升高态势，这可能是因为麻栎遭受干旱胁迫时，叶片相对含水量下降，使得叶绿素质量分数升高；皂荚在干旱前期有一个急速上升过程，T2时达到了峰值(增幅达到72.82%)，到干旱后期又迅速下降，最后才趋于稳定；总体上白蜡的叶绿素质量分数要高于麻栎和皂荚。

3.4 不同干旱条件对植物SOD活性和脯氨酸质量分数的影响

由图4可知，白蜡和麻栎的脯氨酸质量分数随着干旱程度增加，并未发生显著变化；皂荚的脯氨酸质量分数于干旱前期上升平缓，到了干旱后期，特别是T3到T4这个阶段上升速率较快(达到82.19%)，T4时皂荚的脯氨酸质量分数和白蜡，麻栎之间差异性显著(P<0.05)。T5时差异性同T4；3树种的SOD活性总体与干旱程度呈正相关关系，其中麻栎、白蜡的SOD活性在T5时略微降低。SOD活性的变化规律大体与其细胞膜透性、MDA含量变化相一致。经方差分析：T4时3树种SOD活性的差异性都不显著，T5时皂荚的SOD活性与白蜡，麻栎之间差异性显著(P<0.05)。

SOD：superoxide dismutase content, the same below. 图4 不同干旱条件对植物SOD活性和脯氨酸质量分数的影响Fig.4 Effects of different drought conditions on SOD activity and proline content in plants

3.5 抗旱性的综合性评价

采用模糊数学中的隶属函数法对3树种的7项生理指标进行抗旱性综合评价，隶属函数值最大，抗旱性越强。结果如表1所示：在中度干旱条件下白蜡、麻栎、皂荚的隶属函数平均值分别为0.488、0.570、0.504；在重度干旱条件下白蜡、麻栎、皂荚的隶属函数平均值分别为0.496、0.532、0.504。所以无论在中度还是重度的干旱条件下，其抗旱能力大小均表现为麻栎>皂荚>白蜡。

表1 3个树种的7项生理指标隶属函数平均值Tab.1 Membership function average of 7 physiological indicators for 3 tree species

灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的一种方法[17]。根据灰色系统理论，关联度表征各个生理指标与抗旱性密切程度，关联度越大说明该指标与抗旱性关系越密切[13]。3树种的抗旱指标的平均值及标准化处理见表2和表3，通过表2和表3计算得出这7个指标的关联系数均在0.5以上，说明用这7个指标来评价这3个树种的抗旱性是合理的。对这些指标进行排序(表4和表5)，中度干旱条件各个指标与抗旱性的关联度表现为：叶片相对含水量>SOD活性>叶绿素含量>细胞膜透性>MDA含量>净光合速率>脯氨酸含量；重度干旱条件各个指标与抗旱性的关联度表现为：叶片相对含水量>细胞膜透性>净光合速率>SOD活性>MDA含量>叶绿素含量>脯氨酸含量，因此，中度干旱条件下，叶片相对含水量、SOD活性是与植物抗旱性联系比较密切的指标；而在重度干旱条件下与抗旱性联系较为密切的指标则变成叶片相对含水量、细胞膜透性。

表2 中度干旱条件下3个树种的抗旱性指标及标准化处理Tab.2 Drought resistance indexes of 3 tree species under moderate drought and their standardized treatment

表3 重度干旱条件下3个树种的抗旱性指标及标准化处理Tab.3 Drought resistance indexes of 3 tree species under severe drought and their standardized treatment

表4 中度干旱条件下3个树种抗旱性与各个指标的关联系数、关联度、关联序Tab.4 Correlation coefficient, correlation degree and correlation order of drought resistance and indexes of 3 tree species under moderate drought conditions

注：ε为不同指标与树种抗旱性的关联系数。下同。Notes:εis the correlation coefficient between different indicators and drought resistance of tree species. The same below.

表5 重度干旱条件下3个树种抗旱性与各个指标的关联系数、关联度、关联序Tab.5 Correlation coefficient, correlation degree and correlation order between drought resistance of three tree species and each index under severe drought condition

4 讨论

干旱胁迫会影响植物气孔开闭，进而影响CO2进入，存在气孔和非气孔因素影响植物光合作用，Ci和Ls是主要判断依据[15]。在T1到T3阶段，3树种均是Ci降低，Ls升高，此时的Pn降低主要是由于气孔导度降低引起的；在T3到T5阶段，白蜡和皂荚的Pn，Ls降低伴随着Ci升高，此时的气孔因素已经不是限制植物光合作用的主要因素，也有可能是叶肉细胞光合活性的下降，所以T3是白蜡和皂荚由气孔限制转为非气孔限制的转折点，二者在T3之后其Pn也开始较快下降。而麻栎的各个光合参数相较而言都变化不大，可以看出麻栎对干旱胁迫具有较强适应能力。

植物叶片相对含水量是重要的反映植物保水性状的指标，植物的叶片相对含水量越大，则植物的保水性越强，另外叶片相对含水量还可以反映植物水分与蒸腾作用之间的关系[18]。大部分研究[19]表明，随着干旱程度加剧，植物叶片相对含水量会下降，但抗旱保水能力强的植物叶片相对含水量下降慢。笔者通过研究发现麻栎在干旱后期叶片相对含水量要高于其余2树种，且下降速率最低，这也符合本文麻栎抗旱性要高于另外2树种的结论。一般情况下，干旱胁迫会抑制植物叶绿素合成，并加速使现有植物叶绿素分解，使植物叶绿素含量总体上降低[20-21]；但也有研究表明干旱会使植物叶绿素含量升高[22]，这可能是干旱胁迫抑制了植物叶片扩展生长，并使叶片含水量降低，由此产生了浓缩效应。T1时，3树种的叶绿素含量分别为白蜡18.83%、麻栎12.69%、皂荚13.35%，到T5时白蜡和皂荚叶绿素含量分别下降了8.4%和5.3%，而麻栎叶绿素含量却上升了34.9%，维持在一个较高的水平上，这说明适度的干旱并没有对麻栎的的叶绿体和线粒体受到损害[23]，麻栎表现出较强稳定性，这是耐旱植物的生理特点之一，这与徐飞等[24]在干旱胁迫对麻栎幼苗的研究结果一致。

逆境伤害时脂膜过氧化导致MDA积累，使蛋白质和核酸变性，导致膜流动性降低，膜透性增强；因此MDA和细胞膜相对透性是植物遭受逆境伤害的常用指标[25]。但是T3～T4时MDA与细胞膜透性的趋势并不一致，许多研究也有类似结果[26]，他们认为膜损伤并不完全由膜脂过氧化作用引起[27]。随着干旱加剧，3树种的MDA含量都是一个累积过程，且细胞膜透性也是一个增加的过程，这与许多研究结果[28-29]类似。麻栎MDA含量在干旱前期呈先升后降的趋势，这与喻晓丽等[30]对火炬树(RhusTyphina)和黄承玲等[25]对高山杜鹃(Rhododendronlapponicum)的研究结果一致。白蜡MDA含量在干旱前期略微下降，这可能是因为白蜡的酶保护系统先行启动，随着干旱程度加深，防御系统失去作用，MDA含量开始大幅上升。总体上麻栎MDA含量和细胞膜透性较为稳定，干旱胁迫并没有对麻栎细胞膜稳定性造成显著伤害，细胞膜结构功能比较完好。

脯氨酸除了作为一种重要的渗透调节物质，一般情况下含量较少，当植物在生长过程中出现逆境条件时，脯氨酸含量大量增加[31]；但本研究发现除了皂荚脯氨酸含量明显增加以外(增幅达到241.52%)，另外2个树种脯氨酸含量变化并不明显。由脯氨酸在3树种干旱过程中的反应可以猜测，脯氨酸在皂荚的抗旱性中起着重要作用，对白蜡和麻栎的抗旱性所起作用有限。目前的研究结论是脯氨酸与植物抗旱性相关性并不一致[20]。

由灰色关联分析得出结论，无论是在中度干旱还是重度干旱的条件下，叶片相对含水量与植物抗旱性关联最为密切，如果仅用叶片相对含水量这一指标来评价植物抗旱性，结果表现为麻栎>皂荚>白蜡，这也与本文的研究结果一致。在植物遭受逆境胁迫时，SOD是活性氧清除系统中第一个发挥作用的抗氧化酶[32]，植物在遭受逆境胁迫时维持较高的抗氧化酶活性，有利于清除活性氧，减少脂膜过氧化程度，减少脂膜损伤[33]，所以中度干旱时，SOD与抗旱性关联更为密切。干旱持续加剧，重度干旱时期，脂膜过氧化程度加剧，导致膜流动性降低，膜透性增强，所以此时细胞膜透性与植物抗旱性关联比较密切。