不同土壤水分条件下华西花楸幼苗生长特性和生理响应

陈菊艳 龙海燕 徐超然 邓伦秀

(贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005)

华西花楸(SorbuswilsonianaC. K. Schneid.)是蔷薇科(Rosacea)花楸属落叶小乔木或乔木，主要分布于湖南、湖北、四川、贵州、云南、广西等地[1]，贵州主要分布于纳雍、赤水、习水、都匀、大方以及梵净山、雷公山等地，生于海拔1300～2500m的中高山常绿落叶阔叶混交林中。华西花楸树姿优美，枝叶茂密，秋季变红，花期5月，白色顶生花多而密集，果期9-11月，大型橘红色或橙黄色果实经久不落[2]，甚为美观，是尚未开发的优良造林和园林绿化树种。近年来，随着贵阳市“千园之城”的建设要求实现“一园一特”“多园多彩”的要求[3]，特色乡土树种成为打造特色景观的重要资源，华西花楸正是这种特色乡土观果树种。目前国内外关于华西花楸的研究只有实生苗培育技术及苗木质量分级有相关报道[4]，其他方面的研究还处于空白。

植物对环境的适应取决于环境的水分供应状况，树木对水分的需要及其对水分条件的要求和适应，是水分关系上的重要特性[5]。在华西花楸引种栽培中，土壤水分是关键因素之一。为此，本试验对华西花楸盆栽实生幼苗采用人工控水的方法，对不同土壤水分条件下华西花楸幼苗的生长特性、生物量和叶片光合色素、SOD、POD活性以及MDA、Pro含量的变化进行研究，以探讨华西花楸对水分适应的生理特性，为该树种的迁地保育及园林应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试植物及处理

用华西花楸的种子培育幼苗，种子采于纳雍县大坪箐(107.58°E，28.82°N)，2017年10月采种，采种母树高10m，胸径20cm，冠幅5m×6m，将种子处理后，按湿沙和种子3:1混合均匀放于土陶花盆中储藏，第二年3月种子有10%露白即播种，播种后加强水肥管理，到5月初幼苗长出真叶后，选择长势较好的幼苗，栽植于花盆中(花盆直径21cm、高15cm)，盆土选用黄心土：珍珠岩=4∶1(V∶V)，黄心土于上盆前两个星期用0.1%的多菌灵进行消毒处理。在自然条件下正常生长。到7月初选择长势较一致的植株150盆进行控水实验，分为5组，即5个处理，每处理10盆，3个重复。土壤含水量分别为田间持水量的100% ～105%(1号)、80% ～85%(2号)、60% ～65%(3号)、40%～45%(4号)、20%～25%(5号)。待土壤水分自然干燥至设定标准后开始测定，用电子秤称盆重，使各处理土壤含水量稳定在设计范围内。从开始控制水分起，至达到设定的含水量大约需要1～2周，以后每天下午17：00用电子秤称盆、托盘、苗木及土壤总重量，按试验设计的含水量补充当天消耗的水分，使土壤水分含量控制在设定范围内。试验于9月20日结束，实验结束后测定各项指标。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 生长指标

(1)株高：从植株基部至最高点的长，用直尺(精确到：1mm)测定；(2)地径：苗木土痕处的直径，用游标卡尺测定；(3)冠幅：植株南北和东西方向的宽度，用直尺(精确到：1mm)测定，取平均值。以上各处理选取10株为1组，重复3次，取平均值。

1.2.2 生物量测定

将采集的植株地上部分与根系样品先在 105℃下杀青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，称量。叶生物量比=叶片干质量/总干重；茎生物量比=茎干质量/总干重；根生物量比=根干质量/总干重；根冠比=地下部分干质量/地上部分干质量；植株含水量：植株含水量(%)=[(植株鲜重一植株干重)/植株鲜重]×100%[6]。

1.2.3 生理指标含量

各生理生化指标参照李合生、张志良的方法测定[6-7]。(1)光合色素：采用丙酮-乙醇混合液提取法测定；(2)过氧化物酶(POD)活性：采用愈创木酚法；(3) 丙二醛(MDA)含量：采用硫代巴比妥酸法；(4)超氧化物歧化酶(SOD)活性：采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法；(5)游离脯氨酸：采用酸性茚三酮比色法测定。以上各指标所需材料均在上午8：00对各处理随机采5枚相同部位的成熟叶片，去除叶柄和中脉，剪碎混合均匀，用722型分光光度计测定，每个处理各指标均重复3次，取平均值。

1.3 数据处理

利用Excel2008软件进行数据的整理和图、表处理；用SPSS18.0软件进行方差分析及其它统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下华西花楸幼苗生长特性

从表1可知，不同土壤水分处理下华西花楸苗高存在显著差异(P<0.01)，即随着土壤含水量的不断增加，苗高逐渐增长，苗高最大的是1号处理，最小的是4号处理，1号处理与4号和5号处理之间存在极显著性差异(P<0.01)，2号与4号、5号处理之间有显著差异(P<0.05)，1号、2号、3号处理之间无显著差异，4号和5号处理之间无显著性差异；华西花楸的地径也随着土壤水分的增加呈现出增加的趋势，地径的大小为：1号>3号>4号>2号>5号，1号处理与2号和5号处理之间有显著差异(P<0.05)，其他处理之间均无显著差异；华西花楸植株的叶片数也随着土壤水分的增加呈现出增加的趋势，叶片数最多的是1号处理，最少的是4号处理，4号和5号处理之间无显著差异，1号处理和5号处理之间有极显著差异(P<0.01)，1号处理和4号处理之间有显著差异(P<0.05)；华西花楸植株的根长呈现出随土壤水分的增加而增加的趋势，根长最长的是1号处理，最短的是4号处理，各处理间均无显著差异；华西花楸植株根幅的大小为：1号>3号>2号>4号>5号，1号、2号、3号处理之间均无显著差异，4号处理和5号处理之间无显著差异，1号、2号、3号处理与4号和5号处理之间有显著差异(P<0.05)；华西花楸植株的侧根数随着土壤水分的增加呈现出增加的趋势，侧根数的多少为：1号>2号>3号>4号>5号，各处理间均无显著差异。随着土壤水分的增加，华西花楸生长特性的各项指标均表现出增长的趋势，这表明较多的水分有利于苗木的生长。

表1 不同土壤水分条件下华西花楸的生长状况

2.2 不同土壤水分条件对华西花楸生物量和分配的影响

2.2.1不同土壤水分条件对华西花楸生物量的影响

不同土壤水分条件对华西花楸生物量的积累产生了明显影响。从表2可知，随着土壤水分的不断增加，鲜重和干重表现出先增后减的趋势。其中，根鲜重的大小顺序为：4号(1.034g)>3号(1.020g)>5号(0.898g)>2号(0.608g)>1号(0.590g)，3号处理和4号、5号处理之间无显著差异，3号、4号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)；茎鲜重的大小顺序为：4号(1.568g)>3号(1.280g)>5号(1.142g)>1号(0.666g)>2号(0.622g)，4号处理和1号、2号处理之间有极显著差异(P<0.01)，3号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)，其他各处理间均无显著差异；叶鲜重和茎鲜重的大小顺序基本一致，都表现出4号处理最大，2号处理最小，4号处理和1号、2号处理之间有极显著差异；总鲜重的大小顺序为：4号(6.236g)>3号(6.080g)>5号(5.102g)>1号(2.606g)>2号(2.652 g)，3号、4号处理和1号、2号处理之间有极显著差异(P<0.01)，5号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)；根干重的大小顺序为：4号(0.328g)>3号(0.326g)>5号(5.102g)>1号(0.268g)>2号(0.260g)，各处理间均无差异；茎干重的大小顺序为：4号(0.532g)>5号(0.388g)>3号(0.372g)>1号(0.276g)>2号(0.274g)，4号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)；叶干重的大小顺序为：3号(1.044g)>4号(1.036g)>5号(0.846g)>1号(0.490g)>2号(0.436g)，3号、4号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)；总干重的大小顺序为：4号(1.896g)>3号(1.742g)>5号(1.502g)>1号(1.034g)>2号(0.970g)，3号、4号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)。这表明随着土壤水分的增加鲜重和干重均呈现出先增加后减小的趋势，均表现出4号处理最好，说明适量的水分有利于生物量的积累。

表2 不同土壤水分条件下华西花楸的生物量变化

2.2.2不同土壤水分条件对华西花楸生物量分配的影响

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土壤含水量的不同显著影响植株的生物量分配。从表3可以看出，华西花楸的叶生物量比随着土壤含水量的增加表现出先增加后减小的趋势，其中3号处理叶生物量比最大，2号处理最小，3号、5号处理和1号、2号处理之间有极显著差异(P<0.01)，4号处理和1号、2号处理之间有显著差异(P<0.05)；茎生物量比变化趋势也随着土壤含水量的增加表现出先增加后减小的趋势，但是增加的很少，最大的是4号处理，最小的是2号处理，3号、4号、5号处理和1号、2号处理之间有极显著差异(P<0.01)；根重比和根冠比则呈现相反的趋势，随着土壤含水量的增加，根重比和根冠比逐渐增加，最大的是2号处理，最小的是4号处理；土壤含水量对生物量分配的影响说明随着水分的增加，植株光合产物主要用于地下部分生物量的增加。以上分析表明，水分使植株的生物量向上集中，根冠比降低。同时适当的水分可以增加单株生物量。随着土壤含水量的增加，华西花楸植株含水量大致呈现先上升后减小的趋势，3号处理植株含水量最大，1号处理最小。说明华西花楸在某个范围的水分条件下，具有一定的保水能力，如果超出这个范围，在水分的重度胁迫下植株会因失水而受损害，表现出含水量偏低。

表3 不同土壤水分条件下华西花楸的生物量分配

2.3 不同土壤水分条件下华西花楸幼苗生理指标

2.3.1不同土壤水分条件下华西花楸幼苗光合色素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，它存在于植物细胞内的叶绿体中，是叶片进行光合作用时捕获光能的重要物质[8]，在不同土壤水分下叶绿素含量的变化，可以指示植物对水分的敏感性。从表4可以看出，随着土壤含水量的逐渐提高，华西花楸的叶绿素a(Chla)、叶绿素a/b(Chla/b)及叶绿素总量a+b(Chla+b)的含量呈先减少后增加的趋势，叶绿素a(Chla)、叶绿素a+b(Chla+b)的多少顺序为：5号>4号>1号>3号>2号，叶绿素a(Chla)在各处理间无显著性差异(P>0.05)，叶绿素a+b(Chla+b)在5号和2号、3号处理间有显著差异(P<0.05)，叶绿素b(Chlb)随水分的增加而逐渐减少，5号处理和其他处理间有显著差异(P<0.05)，叶绿素a/b(Chla/b)最大值出现在1号处理，但是各处理间均无显著差异，表明不同水分处理对华西花楸叶片光合潜力的影响不大。由表4可以看出，随着水分的增加，叶绿素a/b(Chla/b)值表现为先减后增的趋势，但是增减幅度都不太大，说明水分的不断增加，不利于叶绿素含量的增加。而类胡萝卜素(Caro)的作用主要是防止光照伤害叶绿素，华西花楸叶片中类胡萝卜素(Caro)含量随着土壤水分的不断增加逐渐减小。方差分析表明，各处理间均无显著差异。可见水分的增加不利于类胡萝卜素(Caro)含量的积累。

表4 不同光照条件下野扇花叶片的光合色素含量

2.3.2不同土壤水分条件下华西花楸幼苗的SOD酶活性变化

超氧化物歧化酶(SOD)是保护酶系统的关键酶，具有维持活性氧代谢平衡、保护膜结构的功能[9]。图1所示，随着土壤相对含水量的逐渐增大，幼苗叶片中SOD酶的活性总体呈上升的趋势，1号处理叶片中SOD酶活性明显高于2号和5号处理，1号处理和3号、4号处理无显著差异。2号处理SOD酶活性略有下降，但是和5号处理之间无显著性差异(P>0.01)，和3号处理有显著差异(P<0.05)，和1号和4号处理有极显著差异(P<0.01)。1号、3号、4号酶活性较5号处理有所提高，分别提高了384.78%、328.26%、363.04%。2号处理SOD酶活性略有下降，低于5号处理23.91%。

图1 不同水分条件下幼苗的SOD酶活性变化

图2 不同水分条件下幼苗的POD酶活性变化

2.3.3不同土壤水分条件下华西花楸幼苗的POD酶活性变化

过氧化物酶(POD)是植物体内清除活性氧的另一个重要酶类。试验结果如图2所示，随着土壤相对含水量的逐渐增大，幼苗叶片中POD的活性呈上升的趋势，1号处理显著高于其他处理，POD酶的活性含量大小顺序为：1号>4号>3号>2号>5号，POD酶的活性含量分别比5号处理提高了360.00%、130.00%、150.00%、210.00%。2号、3号、4号、5号处理之间无显著差异(P>0.05)，1号处理和5号处理之间有极显著差异(P<0.01)，1号处理和2号、3号、4号处理之间有显著差异(P<0.05)。

2.3.4不同水分条件下幼苗的MDA酶活性变化

丙二醛(MDA)含量是反映细胞膜脂过氧化作用的重要指标[10]，其含量的高低反映植物细胞膜受伤害程度。由图3可知，随着土壤水分的增大，华西花楸叶片的 MDA含量呈增加的趋势，各处理中增加的速度相对缓慢，且各处理均无显著差异，MDA含量大小顺序为：2号>1号>3号>4号>5号，MDA含量分别比5号处理提高了33.20%、36.02%、24.08%、23.55%。叶片MDA含量与土壤相对含水量之间表现出密切相关，但是华西花楸叶片细胞膜的受伤程度和土壤相对含水量关系不大。

图3 不同水分条件下幼苗的MDA酶活性变化

图4 不同水分条件下幼苗的游离脯氨酸含量

2.3.5不同土壤水分条件下华西花楸幼苗的游离脯氨酸含量的变化

一般认为植物体内游离脯氨酸含量不高，只有水分胁迫时，才迅速增加。脯氨酸含量的提高是水分胁迫下植物的自卫反应之一，其含量的增加，是通过质量作用定律进行渗透调节，维持细胞一定的含水量和膨压势，从而增强植物的抗旱能力和抗逆性， 当水分胁迫达到一定程度时会导致植物体内游离脯氨酸的积累，进行渗透调节，以适应水分胁迫环境[11]。由图4可知，随着土壤水分的逐渐增大，幼苗体内游离脯氨酸的含量呈现先上升后下降的趋势。4号处理下游离脯氨酸的含量显著高于1号处理下的含量，4号处理和2号、3号、5号处理之间无显著差异(P>0.05)，1号处理和3号、5号处理之间有显著差异(P<0.05)。3号和4号处理下，脯氨酸含量显著上升，和5号处理相比分别提高了4.41%、13.24%。1号和2号处理下，脯氨酸的含量下降，和5号处理相比分别提高了27.94%、11.76%。

在试验过程中，随着土壤含水量的加大，华西花楸幼苗体内脯氨酸含量增加说明幼苗出现了适应这种水分条件的渗透调节反应。

3 讨论

(1)在自然条件下，植物与水分的关系，较重要的是土壤水分。本研究表明，土壤水分不同导致华西花楸幼苗的形态指标和生理指标均有不同程度的差异。土壤水分在一定范围内，华西花楸均能正常生长，但是生长及生物量明显受到影响，土壤含水量越大(到100%～105%的田间持水量)时，苗高、地径、叶片数、根长、根幅、侧根数均表现出较好的生长势，在土壤含水量较低的时候，华西花楸具有一定的适应性和抵抗能力，产生一种缺水补偿效应，能够正常生长，但是外部形态表现为植株低矮、叶片狭小，植株萎焉。

生物量影响植物发育和结构的形成[12]，而光合作用是构成植物生物量的基础[13]。在几种土壤水分条件下华西花楸的根生物量、茎生物量、叶生物量、总生物量表现为随着土壤水分的增加均呈现出先增加后减小的趋势，适量的水分有利于生物量的积累，促进生长，总生物量增加，而过多的水分出现干物质积累较少，光合能力降低，生长受到抑制。土壤含水量使华西花楸干物质分配发生了改变，随着土壤含水量的不断增加，生物量优先向根系分配，根冠比增大，表现出在2号处理下最大，而叶生物量比、茎生物量比则在3号、4号处理下较好，植株含水量在3号处理下最大。

叶绿素是捕获光能的光合色素，抗旱性越强的植物在水分胁迫下叶绿素含量变化幅度也越小[14-15]。试验结果表明，随着水分的增加，叶绿素含量表现为先减后增的趋势，但是增减幅度都不太大，说明水分的不断增加，不利于叶绿素含量的增加，但是影响都不大。而类胡萝卜素(Caro)的作用主要是防止光照伤害叶绿素，华西花楸叶片中类胡萝卜素(Caro)含量随着土壤水分的不断增加逐渐减小。可见水分的增加不利于类胡萝卜素(Caro)含量的积累，叶绿素的增减在各处理间无显著差异，表明叶绿素不是影响不同土壤含水量下华西花楸抗氧化性强弱的主要因素。

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)是生物体内清除活性氧的主要保护酶[16]。酶活性越高，有效消除自由基的能力也越强，植物的抗逆性也越强[17-18]。本实验中，随着土壤相对含水量的逐渐增大，华西花楸幼苗叶片中SOD、POD的活性总体呈上升的趋势，说明华西花楸在不同土壤水分下改变保护酶活性来适应不同的环境，阻止膜脂过氧化，从而使细胞膜免受伤害，同时也表明华西花楸有较强的清除自由基的能力，能够适应不同的水分环境条件。

丙二醛(MDA)是具有细胞毒性的物质，能与膜结构上的蛋白质和酶结合、交联使之失去活性，从而破坏生物膜的结构与功能。MDA含量的高低，反映膜脂过氧化水平和膜结构的受害程度[19-20]，MDA积累越多，表明组织的保护能力越弱[21]，使植物抗逆性和抗衰老能力越弱[22]。本研究中，随着土壤水分的增强，华西花楸叶片的MDA含量呈增加的趋势，各处理中增加的速度相对缓慢，且各处理均无显著差异。说明土壤含水量的不同会导致膜质过氧化和细胞膜系统的变化，说明在土壤含水量低的时候，华西花楸能保持较低的MDA含量，膜脂过氧化程度轻，表明华西花楸对这种土壤含水量有较好的适应能力，但是这种变化对华西花楸的影响是非常小的。

游离脯氨酸(Pro)是植物在干旱环境下的有效渗透调节物质之一[23]，Pro的积累可以降低植物细胞内的水势，提高细胞浓度，维持细胞膨压，防止原生质过度脱水，从而维持正常生命活动[24]。抗旱性越强，其游离脯氨酸含量越高，在重度胁迫下可能下降[25-26]。本研究表明，随着土壤水分的逐渐加大，幼苗体内游离脯氨酸的含量呈现先上升后下降的趋势，在田间持水量为40%～45%时，含量最大，在田间持水量为100%～105%时，含量最小，这表明水分的不同在一定程度上能提高华西花楸的渗透调节能力，有助于细胞或组织的持水，从而保证组织水势下降时细胞膨压得以维持。

4 结论

(1)不同土壤水分条件下华西花楸幼苗在生长、生物量积累和生理生化等方面均对不同土壤含水量表现出明显的响应，在不同土壤含水量条件的耐受能力及适应能力不同。在土壤含水量为田间持水量的100%～105%(1号处理)下总是促进生长发育，其苗高、地径、叶片数、根长、根幅、侧根数表现最好，提高了幼苗叶片抗氧化能力；在土壤含水量为田间持水量的80%～85%(2号处理)下，可以保证较高的渗透调节作用，但是抗氧化酶活性(SOD、POD)相比1号处理有所下降，导致其生长、生物量也有所下降；在土壤含水量为田间持水量的60%～65%(3号处理)时，幼苗的生长发育也较1、2号处理有所下降，但是生物量积累在此处理下出现明显的转折，表现出随水分的减少，逐渐增加，且植株含水量最大，同时渗透调节和抗氧化能力都较好；在土壤含水量为田间持水量的40%～45%(4号处理)时，苗高、地径等形态指标有所下降，但是生物量积累还是较好，渗透调节物质和抗氧化能力和3号处理下相似；在土壤含水量为田间持水量的20%～25%(5号处理)时，形态指标下降，生物量积累减缓，SOD和POD活性较低，但是从实验观察中发现此时华西花楸幼苗表现为植株低矮、叶片狭小，植株萎焉等胁迫症状，但是到实验结束时，幼苗并未死亡，可能植株是通过积累游离脯氨酸来调节细胞的吸水能力，保持植株的正常生长。这说明华西花楸幼苗具有较强的适应能力，适合应用在不同的水分环境下。

(2)通过对华西花楸幼苗在不同土壤水分条件下的生长、生理进行研究可知，华西花楸对水分适应的范围较大，这将为华西花楸幼苗的培育、造林、园林应用提供一定的依据，从而实现对这一珍贵观果树种的有效保护和合理利用。由于本研究是在盆内进行的，在干旱条件下华西花楸没有任何地下水可供利用，且在试验期间温度较高，温室大棚内的热效应较强，水份散失快，因此，在大田生产中的实际抗旱能力应比本实验所提及的要好。