NaHCO3胁迫对紫根水葫芦形态学指标和光合参数的影响

程贝贝 陈胜艳 岳莉然

摘 要：為研究NaHCO3胁迫对紫根水葫芦的形态学指标及光合参数的影响，该文以紫根水葫芦为材料，采用不同浓度碱性盐NaHCO3溶液处理成株紫根水葫芦，测定在NaHCO3胁迫下紫根水葫芦的植株株高、根长、根冠比、生物量、含水量和光合参数[净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）]。结果表明：紫根水葫芦在20 mmol·L-1 NaHCO3浓度下的水溶液pH值最为平缓;在低浓度NaHCO3溶液中（≤40 mmol·L-1），相比CK，紫根水葫芦的形态学指标呈现增长或无显著影响情况，而在高浓度NaHCO3溶液中（≥60 mmol·L-1），随着NaHCO3浓度的升高，紫根水葫芦形态学指标显著降低，且与NaHCO3浓度呈负相关;NaHCO3胁迫对紫根水葫芦的光合参数影响显著，随着NaHCO3浓度的增加及试验处理时间的延长，紫根水葫芦的Pn呈持续下降的趋势，Ci、Tr和Gs整体呈上升趋势，其光合作用受到的主要是非气孔限制。综合分析显示，紫根水葫芦具有一定的耐NaHCO3能力，能正常生存在不超过40 mmol·L-1 NaHCO3浓度的水体中，且能改善低NaHCO3浓度下的水体pH值。

关键词：NaHCO3胁迫， 紫根水葫芦， 形态学指标， 光合参数

中图分类号：Q945

文献标识码：A

文章编号：1000-3142（2020）12-1781-09

Abstract：In order to study the effects of NaHCO3 stress on the morphological indices and photosynthetic parameters of purple root Eichhornia crassipes， we used purple root E.crassipes as material， treated the adult purple root E.crassipes with different concentrations of the alkaline salt NaHCO3 solution， and determined the morphological indices of purple root E.crassipes， including plant height， root length， root-shoot ratio， biomass， water content， and photosynthetic parameters of purple root E.crassipes， including net photosynthetic rate （Pn）， intercellular CO2 concentration （Ci）， transpiration rate （Tr） and stomatal conductance （Gs）.The results were as follows：The pH value of the water solution of purple root E.crassipes at 20 mmol·L-1 NaHCO3 concentration was the most gentle; In low concentration of alkaline salt NaHCO3 solution （≤40 mmol·L-1）， compared with CK， the morphological indices of purple root E.crassipes showed an increase or no significant effect， while in high concentration alkaline salt NaHCO3 solution （≥60 mmol·L-1）， with the increase of NaHCO3 concentration， the morphological indices of purple root E.crassipes decreased significantly， and there was a negative correlation with the concentration of NaHCO3; NaHCO3 stress had a significant effect on the photosynthetic parameters of purple root E.crassipes， with the increase of the alkaline salt NaHCO3 concentration and the extension of experimental treatment time， the Pn of purple root E.crassipes showed a continuously decrease trend， and Ci， Tr and Gs generally showed a continuously increase trend， and non-stomatal restriction was the main way to restrict photosynthesis in the purple root E.crassipes.Comprehensive analysis indicates that the purple root E.crassipes has a certain resistance to NaHCO3， and the purple root E.crassipes can normally survive in water environment with an alkali concentration of no more than 40 mmol·L-1 NaHCO3， and the purple root E.crassipes can improve the pH value of water bodies in the low alkaline salt NaHCO3 concentrations.

Key words：NaHCO3 stress， purple root Eichhornia crassipes， morphological indices， photosynthetic parameters

土壤盐渍化已经成为世界性环境问题。不同地域盐碱地所含盐类型不同，主要包括Na2SO4、NaCl、Na2CO3、NaHCO3以及钙盐和镁盐等，而苏打盐碱土主要盐成分以Na2CO3和NaHCO3为主（石伟，2011）。松辽平原西部是我国土壤盐渍化最集中的分布区，在松辽平原的盐渍土表层土壤中，阳离子含量主要以 Na+为主，占阳离子总量71.18%，阴离子则以HCO3-、CO32-为主，占阴离子总量的 74.27%（吴阳春，2012）。同时，盐化作用是影响和控制水体环境的重要因素，干旱半干旱地区天然水体盐化作用在世界范围内引起了重大关注（Sunil et al.， 2000）。根据盐碱土水盐迁移规律，虽水体矿化度不同，盐分中的主要离子都为Na+及 HCO3-、CO32-（许艳争，2008）。有研究表明，地下水的盐化作用过程，不仅与蒸发作用有关，更主要取决于水-土相互作用（章光新等，2005）。通过引进、筛选、培育耐盐碱水体的植物，恢复水域植被，减少水体盐化程度，反馈机制改善土壤理化性质，可达到改良利用抑制水体及土壤盐碱化的作用和效果。因此，通过挑选培育能净化水体、耐碱性盐NaHCO3的植物品种等生物手段控制水体盐化作用和盐化范围，从而达到改善环境和改良水体周围土质的效果，不失为一举两得的办法。

紫根水葫芦，全称巨紫根小柄叶水葫芦，是云南省生态农业研究所在普通水葫芦的基础上，用作物基因表型诱导调控表达（GPIT）技术培育成功的新种质材料。紫根水葫芦具有比普通水葫芦更强的净化水质的优点，同时克服了普通水葫芦的疯长、易腐烂、耗氧多等缺点（黄汗青，2015）。近几年来，紫根水葫芦在水生态环境修复中应用越来越广泛，逐渐体现其高效、快速修复水环境，却不造成二次污染等优势（陈松，2018;陈文萍等，2016;卢秀云，2016;展巨宏等，2014）。全球盐渍土地面积约10亿 hm2，中国盐渍化土地面积约3 460万hm2（谢振宇和杨光穗，2003），其中东南部的沿海地区、东北地区的松嫩平原和西北地区是主要的盐渍土分布区域（柴民伟，2013）。与此同时，通过盐化作用，盐渍土分布区域的河流水体生态环境也遭到不同程度的盐碱破坏。本文利用紫根水葫芦强大的水质净化能力和适应性强的特性开展研究，在NaHCO3胁迫下，记录研究紫根水葫芦的生长情况，为碱水体种植，改善水体盐化作用，调节水-土平衡提供理论依据打下坚实基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2018年5月将从浙江金华水生植物基地购得的全部紫根水葫芦植株表面泥土、杂草等冲洗干净并摘除严重损坏和腐烂的叶子后，放入事先准备好的24个长宽高分别为66 cm × 45 cm × 47 cm、装有三分之二清水的塑料敞口的水生种植箱中，缓苗7 d后，选取生长健壮、大小均一的紫根水葫芦植株作为胁迫处理材料，设置0 mmol·L-1（空白对照CK）、20 、40 、60 、80 、100 mmol·L-1等6个浓度的NaHCO3溶液梯度，每个浓度梯度设置3个重复，每个重复30株紫根水葫芦。试验在东北林业大学苗圃基地内进行，保证温度、湿度、光照等外界因素一致，植株放到大小一致的水生种植箱中。试验开始后，每天于17：00取水样监测pH值变化，每隔3 d取每个NaHCO3水溶液浓度梯度的3株植株进行单株拍照，观测其生长情况。同时，每隔3 d从每个NaHCO3水溶液浓度梯度中选取3株紫根水葫芦植株用于形态学指标和光合参数的测定。试验期间进行正常病虫害防治等苗期管理。

1.2 测量指标及方法

1.2.1 株高和根长的测定 胁迫试验开始后的第3、6、9、12、15、18天从每个NaHCO3水溶液浓度梯度中选取3株紫根水葫芦植株，先用装有冰袋的泡沫盒将其从苗圃保存运输至实验室后，逐一将根部洗净后再用蒸馏水冲洗干净，再用专用吸水滤纸将植株整株表面水分吸干，最后用钢尺分别测量其株高和根长。

NaHCO3对株高生长或根长生长的相对影响的计算方法在孙延爽等（2017）方法基础上作出改进。

NaHCO3对株高生长的相对影响=（胁迫后株高-非胁迫条件下株高）/非胁迫条件下株高 × 100%;NaHCO3对根长生长的相对影响=（胁迫后根长-非胁迫条件下根长）/非胁迫条件下根长 × 100%。

1.2.2 根冠比及含水量的测定 在测量株高及根长后，将植株按照浓度梯度分开称取水上和水下两部分鲜重后包装，并置于105 ℃的烘箱中杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，称取干重。

总生物量=水上生物量+水下生物量（韩静丽等，2019）;

根冠比=水下生物量/水上生物量（韩静丽等，2019）;

叶片含水量=（水上鲜重-水上干重）/水上鲜重×100%（吾木提·艾山江等，2019）;

根茎含水量=（水下鲜重-水下干重）/水下鲜重×100%。

耐NaHCO3系数（ω）在李影和王友保（2010）方法的基础上作出改进：耐NaHCO3系数（ω）=不同浓度处理下的平均测定值/对照测定值。

1.2.3 叶片光合参数的测定 采用LI-6400便携式光合作用测定系统，在试验开始后的第2天测定CK的光响应曲线，采用封闭式气路，利用CO2小钢瓶维持气体平衡，LI-6400的红蓝光源模拟设定光强依次为1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、25、0 μmoL·m-2·s-1，機器自动记录净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）等参数，得到紫根水葫芦植株的最适光强，之后分别于试验开始后的第3、6、9、12、15、18天上午09：00—11：30采用LI-6400便携式光合仪开放式气路，大气的CO2浓度保持在400～420 mmol·mol-1，在紫根水葫芦植株最适光强下测定净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）等参数。每个NaHCO3处理随机选择3株，每株选取长势和光照相似部位的一片功能叶（从顶部向下第三片功能叶），每片叶测3次，取平均值。

3.2 NaHCO3对紫根水葫芦光合参数的影响

紫根水葫芦作为近年新兴的一种优良水生态环境修复植物受到了诸多关注，但将其强大的净化水质能力和适应性应用于改善修复盐碱水质等方面鲜有报道。本研究以紫根水葫芦植株作为研究对象，对NaHCO3胁迫下其光合参数的变化进行了研究， 探究其在不同处理下随着处理时间的延长对NaHCO3胁迫的生态适应机制。

碱胁迫对植物造成的危害主要是渗透胁迫，进而导致植物的光合作用受到抑制（周珩等，2014）。有研究发现，Pn是反应植物对胁迫响应及鉴定植物抗逆性的有效指标（卢闯等，2017）。随着NaHCO3浓度的增加及处理时间的延长，紫根水葫芦的Pn呈持续下降的趋势，Ci、Tr和Gs整体呈上升趋势，这与于崧等（2018）研究的随着盐碱胁迫浓度的不断增加，芸豆叶片叶绿素含量、净光合速率（Pn）总体上呈不断下降趋势，胞间CO2浓度（Ci）呈不断升高趋势结论一致。许大全（1997）强调指出Ci降低是判定光合作用受气孔限制的不可或缺的条件，而Ci增加则是光合作用非气孔限制的最可靠的判据。表明本试验中紫根水葫芦的光合作用主要受到的是非气孔限制。

综上所述，紫根水葫芦能改善低碱浓度下的水体pH值，其光合作用主要受到的是非气孔限制，紫根水葫芦能安全适应生存在不超过40 mmol·L-1 碱浓度的水溶液中。同时发现，本次试验浓度设置跨度较大，尤其在40～60 mmol·L-1 NaHCO3浓度之间，而且试验期较短，后续研究可以更深入，包括对其进行不同浓度阶段的复水试验。

参考文献：

CHAI MW， 2013.Ecological responses of exotic species Spartina alterniflora and Flaveria bidentis to heavy metals and saline-alkali stress[D].Tianjin：Nankai University.[柴民伟，2013.外来种互花米草和黄顶菊对重金属和盐碱胁迫的生态响应[D].天津：南开大学.]

CHEN WP， XU SY， NA ZY， et al.， 2016.Purification of heavy metal water by purple root Eichhornia crassipes [J].J Environ Eng， 10（5）：2284-2290.[陈文萍，徐舒阳，那中元，等，2016.紫根水葫芦对重金属水体的净化作用[J].环境工程学报，10（5）：2284-2290.]

CHEN S， 2018.Research on purification of domestic sewage by Eichhornia crassipes in static mode[A].Editorial Board of Environmental Engineering， Industrial Architecture Magazine Co.， Ltd.Proceedings of Environmental Engineering 2018 National Academic Annual Conference （Vol.1）[C].Environmental Engineering Editorial Board， Industrial Construction Magazine Co.， Ltd.：Editorial Department of Environmental Engineering.[陈松，2018.静态模式下水葫芦净化生活污水研究[A].《环境工程》编委会、工业建筑杂志社有限公司.《环境工程》2018年全国学术年会论文集（上册）[C].《环境工程》编委会、工业建筑杂志社有限公司：《环境工程》编辑部.]

HAN JL， GUAN XK， CUI JY， et al.， 2019.Effects of continuous drought re-watering on the compensation ability of different genotypes of Zea mays roots and shoots[J].Acta Agric Boreal-Sin， 34（1）：140-147.[韩静丽，关小康，崔静宇，等，2019.连续干旱复水对不同基因型玉米苗期根冠补偿能力的影响[J].华北农学报，34（1）：140-147.]

HUANG HQ， 2015.Comparative study on nutrient composition and antioxidant capacity of purple root Eichhornia crassipes and common Eichhornia crassipes [D].Guangzhou：Jinan University.[黃汗青，2015.紫根水葫芦与普通水葫芦营养成分及抗氧化能力的比较研究[D].广州：暨南大学.]

LI Y， WANG YB， 2010.Study on absorption and tolerance of Cu to 4 species of fern herbs[J].Acta Pratac Sin， 19（3）：191-197.[李影，王友保，2010.4种蕨类草本植物对Cu的吸收和耐性研究[J].草业学报，19（3）：191-197.]

LU C， FENG HC， ZHAO CH， et al.， 2017.Effect of phosphorus on leaf net photosynthesis， protective enzyme activity and nutrient uptake of Zea mays at seedling stage in fluvo-aquic soils under water stress[J].Chin J Eco-Agric， 25（2）：239-246.[卢闯，逄焕成，赵长海，等，2017.水分胁迫下施磷对潮土玉米苗期叶片光合速率、保护酶及植株养分含量的影响[J].中国生态农业学报，25（2）：239-246.]

LU XY， 2016.Resource research of purple root Eichhornia crassipes under sub/supercritical water conditions[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology.[卢秀云，2016.紫根水葫芦在亚/超临界水条件下的资源化研究[D].昆明：昆明理工大学.]

MA YJ， NI Q， YANG YY， et al.， 2018.Effects of salt stress on seed germination and seedling growth of Astragalus mongholicus Bunge[J].Bull Soil Water Conserv， 38（3）：106-111.[马彦军，倪强，杨永义，等，2018.盐胁迫对蒙古黄芪种子萌发与幼苗生长的影响[J].水土保持通报，38（3）：106-111.]

SHI W， 2011.Isolation and screening of bacteria in extreme saline-alkali soils and their salt resistance[D].Harbin：Northeast Forestry University.[石伟，2011.极端盐碱土壤细菌的分离筛选及抗盐特性研究[D].哈尔滨：东北林业大学.]

SUNIL M， ALAN EF， JAY LB， 2000.Controls on the regional-scale salinizatian of the Ogallala aquifer， southern high plains，Texas， USA[J].Appl Geochem， （15）：849-864.

SUN YS， XING BY， YANG G， et al.， 2017.Effects of NaHCO3 stress on growth， photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of transgenic TaLEA genes in Populus davidiana × P.bolleana[J].J Beijing For Univ， 39（10）：33-41.[孙延爽，邢寶月，杨光，等，2017.NaHCO3胁迫对转TaLEA基因山新杨生长及光合、叶绿素荧光特性的影响[J].北京林业大学学报，39（10）：33-41.]

WANG L， ZHANG JL， WANG D， et al.， 2013.Assessment of salt tolerance in transgenic potato carrying AtNHX1 gene[J].Crop Sci， 53（6）：2643-2651.

WANG ZM， ZHANG FJ， XU X， 2014.Advances on physiological and biochemical indexes of salt tolerance in plant[J].Hubei Agric Sci， 53（7）：1493-1496.[王智明，张峰举，许兴，2014.植物耐盐生理生化指标研究进展[J].湖北农业科学，53（7）：1493-1496.]

WU MT·ASJ， MA MT·SWT， MA CY， 2019.Hyperspectral estimation of water content in Triticum aestivum L.leaves based on fractional differential and SPA-BP neural network[J].Las Optoelect Prog， 56（15）：251-259.[吾木提·艾山江，买买提·沙吾提，马春玥，2019.基于分数阶微分和连续投影算法-反向传播神经网络的小麦叶片含水量高光谱估算[J].激光与光电子学进展，56（15）：251-259.]

WU YC， 2012.Salt content of saline soil in Songliao Plain based on environmental satellite[D].Changchun：Jilin University.[吴阳春，2012.基于环境卫星的松辽平原盐渍土盐分含量研究[D].长春：吉林大学.]

XIE ZY， YANG GS， 2003.Advances in salt tolerance of forage plants[J].Pratac Sci， 20（8）：11-15.[谢振宇，杨光穗，2003.牧草耐盐性研究进展[J].草业科学，20（8）：11-15.]

XU DQ， 1997.Some problems in stomatal limitation analysis of photosynthesis[J].Plant Physiol Comm， 33（4）：241-244.[许大全，1997.光合作用气孔限制分析中的一些问题[J].植物生理学通讯，33（4）：241-244.]

XU YZ， 2008.Study on the water and salt transport law of saline soils with different salt supply types in Songnen Plain[D].Changchun：Northeast Normal University.[许艳争，2008.松嫩平原不同盐分补给类型盐渍土的水盐运移规律研究[D].长春：东北师范大学.]

YU W， ZHENG LN， LI X， et al.， 2018.Effects of NaCl and NaHCO3 stress on growth and photosynthetic characteristics of Phaseolus vulgaris seedlings[J].N Hortic， （23）：1-8.[于崧，郑丽娜，李欣，等，2018.NaCl和NaHCO3胁迫对芸豆幼苗生长及光合特性的影响[J].北方园艺，（23）：1-8.]

ZHANG GX， DENG W， HE Y， 2005.Isotopic evidence of water salinization mechanism in the Western Songnen Plain[J].Hydrogeol Eng Geol， （3）：55-58.[章光新，邓伟，何岩，2005.松嫩平原西部水体环境盐化机制的同位素证据[J].水文地質工程地质，（3）：55-58.]

ZHAN JH， LI Q， DENG S， et al.， 2014.Study on the purification effect of purple root Eichhornia crassipes on nitrogen and phosphorus in eutrophic water[J].Earth Environ， 3：389-397.[展巨宏，李强，邓莎，等，2014.紫根水葫芦对富营养化水体中氮磷的净化效果研究[J].地球与环境，3：389-397.]

ZHOU Y， GUO SR， SHAO HJ， et al.， 2014.Effects of iso-osmotic Ca（NO3）2 and NaCl stress on growth and physiological characteristics of cucumber seedlings[J].Acta Ecol Sin， 34（7）：1880-1890.[周珩，郭世荣，邵慧娟，等，2014.等渗NaCl和Ca（NO3）2胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响[J].生态学报，34（7）：1880-1890.]

（责任编辑 李 莉）