持续淹水胁迫对美洲黑杨幼苗生长及 生理生化的影响

晏 增，张江涛，赵蓬晖，杨淑红，马永涛，朱 镝

（河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

美洲黑杨由于其抗性强、耐水湿及造林易成活的特点成为目前我国亚热带、暖温带生态防护林的重要首选树种[9-10]。‘中红杨’P.deltoidescv.‘zhonghong'、‘ 全 红 杨’P.deltoidescv.‘quanhong'均为美洲黑杨‘2025’杨P.deltoidescv.‘Lux'（I-69/55）×P.deltoidscv.‘Shan Hai Guan'的芽变彩叶品种，是难得的速生丰产性高品质彩叶园林观赏树木。近年来，关于红叶杨研究主要集中在其光合特性[11-12]、色素含量[13-14]等方面，而对其耐涝性的研究几乎为空白，研究杨树新品种的抗涝性，了解其耐水淹能力，对新品种的科学推广以及生态环境建设均具有重要意义[15]。本研究对‘全红杨’‘中红杨’及‘2025’杨的抗涝性生理进行研究，比较3 个品种在土壤持续淹水胁迫下的外部形态和生理生化差异，并采用隶属函数和灰色关联分析法对抗涝能力和指标进行评价，为新品种选育及区域适应性推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

‘中红杨’为美洲黑杨2025 的芽变彩叶品种，‘全红杨’是在‘中红杨’基础上选育出的又一芽变新品种，枝叶色泽较‘中红杨’更加亮丽持久，以‘中红杨’或‘2025’为砧木繁育的‘全红杨’嫁接苗观赏性状均十分稳定。‘中红杨’和‘全红杨’分别于2006年和2011年获得国家新品种保护权。为统一实验材料的基础条件，均以1年生‘2025’杨为砧木分别嫁接‘全红杨’、‘中红杨’及‘2025’杨。2011年2月下旬将地径2 cm，高3 m 的1年生‘2025’杨实生苗移植于普通圆形塑料花盆内 （350 mm×250 mm×350 mm），每盆1 株，平茬20 cm 高。盆土为1∶1 等体积比例的普通园土+ 腐质土，装盛土量一致，常规管理。3月末分别嫁接‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨各100 盆，4 个月后待嫁接苗长势旺盛时进行淹水模拟试验。

1.2 试验处理

试验地点为河南省林业科学研究院院内。试验于2011年7月28日开始，为了保障试验过程中的取样量次，每个品种嫁接苗挑选长势均衡健康的70 盆，采用完全随机区组设计，对照组（CK）与土壤淹水处理组（Y）各35 盆，按7 株/行×5行排列。CK 组：根据天气及盆土水分情况，每隔5～7 d 浇1 次饱和水；Y 组：采用套盆法，将苗木整盆移入盛水的塑料大盆中进行淹水处理，水面保持高于茎干基部4 cm 左右。分别在淹水胁迫0 d（7月28日）、14 d（8月11日）、28 d （8月25日）、42 d（9月8日）、56 d（9月22日）、70 d（10月6日）及解除胁迫第14 天（10月20日）的上午8:00，采集每组各品种植株枝条顶端向下第3～5 片叶，设3 个重复，样叶袋封存置于冰桶立即带回实验室进行理化指标测试。同时，每组各品种固定6 株用于上午10:00 的光合特性测定（可视天气情况前后调动1～2 d），每次选取长势相对较好的3 株苗木，从顶端第3 片叶向下依次选取良好功能叶1～3 枚，总计6 枚进行测定，各参数取3～6 次测定结果的平均值。用卷尺对参试苗木进行株高（精确到0.1 cm）测量，并观察记录叶片形态变化和不定根的形成情况。

1.3 测定指标及方法

质膜透性的测定采用相对电导率法；MDA的测定采用硫代巴比妥酸比色法[16]；叶绿素含量的测定参照张宪政的方法[17]；游离脯胺酸的测定采用磺基水杨酸比色法[18]；SOD 活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法；CAT 活性的测定采用比色法[16]。气体交换特性采用美国LI-COR 公司生产的LI-6400 便捷式光合测定仪开放式气路测定。

1.4 统计分析

使用Excel，SPSS 和DPS 系统软件进行数据处理、统计并作图，在图中标出标准误差，图例同图集。

为避免不同物种间对照值的差异及气候因素对试验结果造成的影响，转换求得各生理指标在不同时间的变化系数：Ii=处理指标i/对照指标i0。

采用隶属函数法对品种抗淹水能力进行综合评定[19-20]。如指标与抗淹水性呈正相关，隶属函数公式：R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin) ，如果指标与抗淹水能力呈负相关，则公式为：R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中Xi为参试材料某指标抗淹水系数，Xmax、Xmin为所有参试材料中某指标抗淹水系数的最大值和最小值，再求取各抗淹水指标隶属函数值的平均值，综合评定值越大说明抗淹水能力越强。

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采用灰色关联分析法[21]，将品种的各项生理指标变化系数及抗淹水隶属函数均值为数据集合，建立灰色系统。设隶属函数均值作为参考数据列（母序列）X0；以各项生理指标的变化系数作为比较列（子序列）X1，X2，X3，…，X8，分别表示叶绿素，Pn，…，脯氨酸。利用计算机DPS 处理系统执行灰色关联分析，分辨系数取常规值0.5[19-20]，得出3 个杨树品种各指标与抗淹水能力的关联度与关联序。

2 结果与分析

2.1 对植株表型及生长的影响

通常淹水胁迫会影响树木叶原基的分化，新叶形成受阻，并诱导老叶变黄萎蔫、加快衰老并脱落，抑制苗木的高生长，茎基部不定根形成等。相对抗涝性强的植物受影响程度较小，因此淹水植株根、干、叶的形态变化是评价植物抗淹水能力的最直观和直接的指示[22]。

淹水28 d，3 者苗木外部形态较CK 无明显变化；淹水42 d，幼叶均出现萎蔫，‘2025’杨叶片绿色变淡，下部老叶发黄变薄，‘中红杨’下部老叶变暗黄色，‘全红杨’下部老叶变为橙红色，有少量脱落现象，个别植株茎与土壤接触部位萌生少量不定根。10:00 大部分叶片萎蔫下垂，16:00光强只有200 μmol·m-2时尚未完全恢复，而CK 组只有个别植株幼叶中午出现短暂性萎蔫；淹水56 d，3 者植株下部叶片脱落现象严重，上部叶片均出现了褐色斑点，多数植株产生不定根，表明有氧呼吸仍旧存在，这有助于增强体内的气体交换,获得一定量的O2[23]，水中的侧根数量减少并颜色变黑；淹水70 d，大部分植株落叶，生长几乎完全停滞，土壤根系不同程度发黑腐烂。‘全红杨’有7 株枝条顶部余1～5 片叶/株，‘中红杨’有11 株枝条顶部余1～7 片叶/株，‘2025’杨有12 株枝条顶部余2～6 片叶/株。考虑季节因素及叶量，10月6日解除淹水胁迫恢复正常管理，翌年3月调查存活率：‘全红杨’5 株，存活率14.29%，‘中红杨’10 株，存活率28.57%，‘2025’杨9 株，存活率25.71%。

由表1可见，CK 条件下，3 个杨树品种间株高及相对高生长差异极显著（P＜0.01）。持续淹水胁迫下，3 者株高及相对高生长均极显著下降 （P＜0.01），3 者间株高差异极显著（P＜0.01），相对高生长差异不显著（P＞0.05）。淹水28 d，‘全红杨’、‘中红杨’和‘2025’杨相对高生长较CK 增加了0.64%、7.68%和0.87%，与CK差异不显著（P＞0.05）；淹水56 d，相对高生长较CK 分别下降了80.13%、75.17%和77.20%；淹水70 d，相对高生长较CK 分别下降了97.17%、93.15%和91.26%。

表1 持续水淹胁迫对3 个杨树品种嫁接苗高生长的影响†Table1 Effect of soil flooding on three poplar varieties one year old grafting seedlings height

2.2 对叶片叶绿素含量和光合特性的影响

图1 淹水胁迫对叶片叶绿素含量及叶片Pn、Gs 的影响Fig.1 Effects of soil flooding on chlorophyll content,Pn and Gs

由图1可知，CK 条件下，‘全红杨’叶片中叶绿素含量极显著高于‘中红杨’和‘2025’杨 （P＜0.01）。持续淹水胁迫下，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨叶片叶绿素含量振荡下降，最多分别较CK 下降了26.41%（淹水28 d）、28.61%（淹水42 d）和23.73%（解除胁迫14 d），解除胁迫后，‘全红杨’‘中红杨’分别低于CK 21.77%和16.27%，均与CK 差异极显著（P＜0.01）。

CK 条件下，全红杨叶片净光合速率Pn 极显著低于‘中红杨’和‘2025’杨（P＜0.01）。持续淹水胁迫下，三者Pn 呈振荡下降，淹水28 d，‘全红杨’和‘2025’杨较CK 下降了73.21%和50.77%；淹水42 d，‘中红杨’较CK 下降了64.25%；淹水70 d，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨分别较CK 下降了72.93%、60.54%和76.72%；解除胁迫后，三者Pn 分别低于CK 66.33%、56.95%和72.79%，均与CK 差异极显著 （P＜0.01），三者间差异显著（P＜0.05）。

CK 条件下，‘全红杨’和‘中红杨’叶片Gs起伏较大，‘2025’杨叶片Gs平均值显著高于‘全红杨’和‘中红杨’（P＜0.05）。持续淹水胁迫下，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨叶片Gs振荡下降，分别最多较CK 下降了85.08%（淹水 28 d）、59.48%（淹水42 d）和78.65%（淹水70 d），解除胁迫后，分别较CK 下降了67.35%、54.14%和72.37%，均与CK 差异极显著（P＜0.01），‘中红杨’极显著高于‘全红杨’和‘2025’杨（P＜0.01）。

2.3 对叶片保护酶活性的影响

由图2可知，CK 条件下，‘全红杨’叶片中SOD 酶活性显著低于‘中红杨’和‘2025’杨 （P＞0.05）。持续淹水胁迫下，‘全红杨’叶片SOD 活性呈升-降变化，‘中红杨’和‘2025’杨则呈降-升-降的变化。淹水14 d，‘中红杨’和‘2025’杨较CK 下降了14.19%和20.74%，随后‘全红杨’、‘中红杨’和‘2025’杨分别较CK 增加了24.82%（淹水28 d）、27.79%（胁迫42 d）和28.38%（胁迫42 d），淹水70 d，分别较CK 下降了17.51%、18.40%和10.16%，均与CK 差异均极显著（P＜0.01），3 者间差异显著（P＜0.05）。解除胁迫后，3 者SOD 酶活性分别低于CK9.63%、5.43%和4.52%，与CK 差异显著（P＜0.05）。

CK 条件下，三者叶片CAT 酶活性平均值差异不显著（P＞0.05）。持续淹水胁迫下，‘全红杨’‘中红杨’叶片CAT 活性呈降-升-降变化，‘2025’杨呈升-降变化。淹水14 d，‘全红杨’‘中红杨’较CK 下降了7.31%和9.04%，与CK 差异显著（P＜0.05）。随后‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨叶片CAT 酶活性分别最多较CK 增加了16.36%（淹水42 d）、35.66%（淹水28 d）和26.83%（淹水42 d），淹水70 d，分别较CK下降了33.41%、25.20%和27.11%，与CK 差异极显著（P＜0.01）。解除胁迫后，三者分别低于CK31.55%、27.36%和31.66%，与CK 差异极显著 （P＜0.01），3 者间差异不显著（P＞0.05）。

2.4 对叶片质膜相对透性、脯氨酸含量、丙二酫含量的影响

由图3可知，CK 条件下，‘全红杨’叶片MDA含量显著高于‘中红杨’和‘2025’杨（P＜0.05）。持续淹水胁迫下，叶片MDA 含量均先降后升，淹水14 d，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨分别较CK 下降了15.42%、11.98%和27.34%，与CK 差异显著（P＜0.05），胁迫70 d，分别较CK 升高了52.82%、51.14%和56.88%，与CK 差异极显著 （P＜0.01），三者间差异不显著（P＞0.05）。解除胁迫后，分别高于CK 32.86%、31.64%和30.95%，与CK 差异极显著（P＜0.01），‘全红杨’显著高于‘中红杨’和‘2025’杨（P＜0.05）。

图2 淹水胁迫对叶片SOD 和CAT 酶活性的影响Fig.2 Effects of soil flooding on leaf enzyme SOD and CAT activity

图3 淹水胁迫对部分生理指标的影响Fig.3 Effects of soil flooding on some physiological indexes

2.5 3 个杨树品种抗涝能力的综合评价

能量代谢体系、抗氧化体系及细胞膜渗透调节功能均是树木能够忍耐长期逆境胁迫的重要物质基础，其抗涝性也是多种因素共同作用的综合性状[24]。利用隶属函数法，对3 个杨树品种在持续淹水胁迫下的性状表现进行综合评价分析，如表2结果表明，抗淹水能力‘2025’杨＞‘中红杨’＞ ‘全红杨’，三者间差异显著（P＜0.05）。

根据灰色系统理论，与抗淹水能力关系越密切的指标与变化系数的关联度越大，即对淹水胁迫的反应越敏感。从表4可以看出，8 个生理指标中除脯氨酸外，其余指标与变化系数关联度均大于0.6，处于较强关联水平，其中质膜相对透性与变化系数的关联度最大（0.777 3），其次是保护酶CAT、SOD 活性。

表2 3 个杨树品种生理指标的平均隶属函数值及排序Table2 The average of subordinate function and order of three poplar varieties physiological indexes

3 结论与讨论

3.1 水淹胁迫对生长的影响

本研究中短期淹水（28 d 以内）均没有对3 个杨树品种生长产生很大影响，高生长略高于对照组（CK），并且叶态良好，如能及时排除土壤中多余水分，苗木能恢复生长。这与落羽杉Antxodium distichum[25]和其它美洲黑杨无性系[15]的研究结果一致。随着淹水胁迫处理时间的延长，对3 个杨树品种的苗高产生显著的抑制作用，新叶形成受抑制，老叶加快脱落，影响了3 个杨树品种总叶面积和主干生长，使苗高生长较对照组降低42.79%～53.33%，甚至死亡。这与纸皮桦Betula papyriferaMarsh.[26]、乌桕[27]、中山杉[28]及Visser 等[29]研究薹草属植物、焦绪娟[30]研究杨树的结果相同。

表3 3 个杨树品种抗涝性与各生理指标的关联系数、关联度和关联序Table3 The correlation coefficient,correlation degree and correlation sequence of three poplar varieties with drought resistance physiological indexes

存活率是评价植物抗涝性的一个重要指标，长期涝渍胁迫下强抗涝性植物的存活率明显高于弱抗性的植物[31-32]。淹水胁迫处理近3 个月后解除胁迫，3 个杨树品种存活率均高于14%以上，对淹水环境应对能力均较强。

3.2 水淹胁迫对光合及色素的影响

在轻度淹水胁迫到中度淹水胁迫过程中，3 个杨树品种叶片中叶绿素含量均有一定的升高，这可能是3 个杨树品种喜水性的嗜水生理反映。随淹水时间的延长，3 个杨树品种的叶绿素含量均呈下降趋势，均与对照组差异极显著（P＜0.01），但三者间差异不显著（P＞0.05），表明淹水胁迫对3 个杨树品种叶片叶绿素有明显的破坏作用，在一定程度上影响了叶片的光合能力。淹水胁迫中，3 个杨树品种叶片各光合色素含量下降幅度出现缓解，可能是植株经历胁迫过程中，抗涝机制启动，有新的叶绿素合成，通过提高叶片叶绿素含量来调节光合作用机制，以维持生存所需的光合能力，这与其他杨树[30,33]的研究结果相类似。在解除胁迫14 d 后，三者叶片叶绿素含量仍呈下降趋势，这表明淹水胁迫对叶绿素的破坏存在明显的滞后现象。

淹水胁迫使3 个杨树品种叶片Gs、Pn 迅速下降，符合光合色素的变化趋势。淹水胁迫初期3者叶片Pn 下降幅度均明显小于Gs，说明根系缺氧使叶片气孔关闭，CO2向叶片扩散的阻力增大导致叶片净光合速率受到抑制。淹水胁迫中期，3 者叶片Gs 下降逐渐变缓，Pn 略有回升，可能是与水接触的茎基部产生的不定根和肥大的皮孔有效地弥补了根系的低氧状态，来维持一定的生理平衡，这与耐水湿树种乌桕[27]和枫杨[34]的研究结果相类似。随着胁迫持续，3 个杨树品种叶片Pn和Gs 再次下降，说明叶肉细胞光合活性和碳同化速率降低及植物体内代谢产物运输途径受阻，表现出明显的光胁迫效应。三者叶片Pn 均始终为正值，所剩无几的叶片也仍保持一定的净光合速率，均表现出一定的耐涝遗传特质[15,36]。

3.3 水淹胁迫对保护酶活性的影响

在淹水处理前期，‘中红杨’和‘2025’杨叶片SOD 酶活性较对照组明显下降，‘全红杨’有所升高。随着淹水胁迫的持续，SOD 活性均表现为上升的趋势，淹水胁迫56 d 内，三者叶片SOD 活性均较对照组显著提高，变化趋势表明‘全红杨’对淹水胁迫的反应最为敏感。SOD 是耐涝植物抵御淹涝胁迫逆境伤害的一种最主要的抗氧化酶，在水分胁迫42 d 内3 个品种杨体内产生的·O2-明显诱发了SOD 活性升高，这与张往祥 等[35]对3 个耐淹性树种落羽杉、美国山核桃Carya illinoensis和乌桕的研究结果相似，也与汤玉喜等[36]对其他多个美洲黑杨品种研究的结果相同。淹水持续胁迫56 d 后，3 个杨树品种叶片SOD活性均出现快速下降，与对照组差异显著（P＜ 0.01），说明淹水强度已经超过了三者所能忍受的程度，自由基产生和清除机制失衡，自由基大量积累，三者间差异并不显著（P＞0.05）。解除胁迫14 d 时也没表现出有明显的恢复，自由基清除机制丧失，这与其他多个杨树品种的研究[30]结果相同。

淹水胁迫下，3 个杨树品种叶片CAT 酶活性变化规律不明显，整体变化模式与SOD 类似度也不高。淹水胁迫14 d，‘全红杨’和‘中红杨’叶片CAT 活性较对照组有所下降，而‘2025’杨活性高于对照组。随后三者叶片CAT 活性均较对照有不同幅度的升高，‘中红杨’至淹水胁迫28 d 和‘全红杨’‘2025’杨至淹水胁迫42 d 时叶片CAT 活性开始降低，淹水处理56 d 时三者叶片CAT 活性均低于对照。

3.4 水淹胁迫对质膜相对透性、脯氨酸含量、丙二酫含量的影响

淹水胁迫28 d 内，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨3 个杨树品种叶片质膜透性没有出现升高，甚至低于对照。淹水胁迫持续，3 者叶片的相对电导率均开始呈现增加的变化趋势，淹水胁迫42 d 时3 者间差异显著（P＜0.05）。‘全红杨’叶片的质膜相对透性最先升高，增加的幅度也最大，膜的选择透性降低，细胞膜结构最先受到损伤；‘2025’杨叶片的质膜相对透性最晚增加且幅度最小，为抗水涝相对更好的种源[37]。解除胁迫后，3 个杨树品种叶片细胞膜结构均得到一定修复，但仍极显著高于对照（P＜0.01）。恢复的幅度及能力 ‘全红杨’＞‘中红杨’＞‘2025’杨，说明淹水胁迫引起的叶片细胞膜结构的变化仍处于弹性协变期，‘全红杨’受胁迫变化幅度最大，其恢复的弹性空间亦最大。

在淹水胁迫前期，3 个杨树品种叶片脯氨酸含量变化不明显，胁迫28 d 时‘中红杨’和‘2025’杨还出现了小幅下降，说明淹水程度对植株还未达到胁迫条件。随着淹水胁迫的持续，‘中红杨’和‘2025’杨叶片游离脯氨酸含量保持上升趋势，‘全红杨’叶片中脯氨酸含量升高后降解，最先达到了峰值，当淹水成为3 个杨树品种生长不利因素时，体内便出现游离脯氨酸积累，脯氨酸含量高峰值出现的时间与耐涝能力强弱密切相关，‘中红杨’和‘2025’杨具有更强耐涝能力的信号，这与麻栎Quercus acutissima[37]、无刺构骨Ilex cornuAntLindl[38]的研究结果相同。解除胁迫14 d后，‘中红杨’和‘2025’杨叶片脯氨酸含量开始回落，说明胁迫对其伤害较轻，能够在排水处理后逐步恢复正常。

淹水胁迫下，3 个杨树品种叶片中MDA 含量呈先下降后升高的趋势，原因可能是：当保护酶系统产生防御作用时，叶片MDA 含量出现下降，三者对水分胁迫表现出不同程度的适应过程。李淑琴等[38]在三种冬青属（IlexL.）树种的研究中，耐涝性较强的无刺构骨也与本研究结果相似，而耐涝性弱的冬青研究结果不尽一致，也与喜树Camptotheca acuminaAnt[39]、毛豹皮樟Litseacoreana[40]等一些不耐涝树种的研究结果有所不同。后期随着伤害增大，细胞中活性氧大量积累，3 个杨树品种对淹水胁迫的适应性也逐渐降低，导致解除胁迫14 d 后3 者叶片中MDA 含量仍极显著高于对照组，恢复能力‘中红杨’＞‘2025’杨＞‘全红杨’，说明‘中红杨’对持久性淹水胁迫更有耐受性。

解除胁迫后，苗木死亡数增多，说明长期淹水导致根系缺氧腐烂，即使排除土壤中多余水分，其伤害后效应仍继续。翌年春，‘全红杨’‘中红杨’和‘2025’杨的存活率分别为14.29%、28.57%和25.71%，三者均表现出较强的耐淹水能力。通过各生理指标隶属函数平均值对抗淹水能力进行综合评价，‘全红杨’的抗淹水能力较弱（P＜0.05），‘中红杨’和‘2025’杨差别不大（P＞0.05）。关联分析表明，质膜相对透性、抗氧化CAT 和SOD 酶活性是影响3 个杨树品种抗涝性的首要指标。