海水处理对沼泽小叶桦苗木生长和生理的影响

佘建炜，张 康，郑 旭，赵小军，程 方，唐罗忠

(南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，南京林业大学林学院，江苏 南京 210037)

沼泽小叶桦(Betulamicrophyllavar.paludosa)是桦木属植物小叶桦(B.microphylla)的变种，原产于新疆吉木乃县以及和布克赛尔县等地[1]。沼泽小叶桦种质资源稀少，为国家二级重点保护物种[2]。野生的沼泽小叶桦主要生长于盐碱沼泽地，具有较强的耐盐性，在改良和开发利用盐渍土方面具有较大潜力[3]，而通过种植耐盐植物来改良和利用盐渍土是目前的研究热点[4]。我国沿海地区盐渍土面积广阔，但沿海环境不同于内陆环境，因受水文和地质活动的影响，沿海地区土壤的盐分组成与海水相近[3]。在沿海地区，植物除了会受到土壤盐胁迫的影响，还易受到盐雾胁迫的影响。海水在风浪作用下会产生无数含盐的水滴微粒(盐雾)，这些微粒悬浮在空气中，会逐渐沉降到近海陆地上，致使植物受害，甚至枯萎死亡[5-7]。已有研究表明，盐胁迫会对植物组织产生渗透阻碍、离子毒害以及活性氧代谢失衡等生理干扰[8-9]。但是当不同的植物遭受盐胁迫时，它们在形态结构、生理代谢以及生长过程中的响应有所不同[4]。为此，本试验模拟沿海地区环境，首次采用不同浓度的海水对沼泽小叶桦的叶片进行盐雾处理，并对土壤进行浇灌处理。调查苗木的形态和生长状况，同时对叶片的叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性等生理指标进行动态观测，以探讨沼泽小叶桦对海水盐胁迫的响应情况，以期为珍稀植物沼泽小叶桦的保护及其在沿海地区的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及实验设计

供试材料为1.5年生沼泽小叶桦盆栽扦插苗，苗高约70 cm，地径约4.5 mm，苗木健康整齐。采用室内盆栽试验。花盆口径21.5 cm，底径17 cm，高22 cm。基质为长江滩地沙壤土，土壤pH为7.37，全氮含量为1.70 g/kg，全磷含量为2.40 g/kg，全钾含量为8.23 g/kg，全钠含量为0.21 g/kg。每盆土壤的质量控制在5 kg(烘干)。2018年7月初，把苗木转移到南京林业大学下蜀实习林场温室中(温室可以进行温度、光照强度、空气湿度和土壤水分的调控)。苗木经过2周的适应后，于7月中旬用稀释成一定盐度(含盐量)的海水对盆内土壤、苗木叶片进行浇灌、喷雾处理，实验用海水取自江苏省盐城市大丰区海域(黄海)，经测定总含盐量为30.7 g/L。胁迫处理时间从7月中旬到苗木完全落叶时为止(11月初)。

试验采用单因素设计，分别设置4个盐度的土壤海水处理(土壤浇灌)和4个盐度的叶片海水处理(叶片喷雾)。土壤海水处理的盐度分别为0%(CK)、0.2%、0.4%和0.6%(所浇灌海水的含盐量相对于盆土质量的百分比)，即取不同体积的海水，用自来水定容至1 L后均匀浇灌到相应的盆土中。叶片海水处理的盐度分别为0、3.07、6.14和15.35 g/L(稀释后的海水含盐量分别为原海水总含盐量的0倍、1/10倍、1/5倍和1/2倍)，即取不同体积的海水与蒸馏水混合，使其含盐量达到设计要求。用喷雾器向植株叶片正反两面均匀喷雾，直至叶片表面水分饱和、开始形成水滴时为止。试验期间应每隔2 d对土壤海水处理1次，叶片海水处理2次。每种处理重复4次，每个重复4盆苗木，每盆栽植2株苗。

试验期间用自来水小心浇灌苗木以补充土壤水分，并在每个花盆下部放置一个托盘，定期将渗漏至托盘中的水回灌至盆土中，尽量保证土壤盐分不流失。

1.2 调查方法

在海水胁迫处理后的第2、6、14、30天，观察并记录苗木的形态变化。在胁迫处理前和试验结束时分别测量苗木高度、地径，计算各处理苗高、地径的增量。试验结束时，统计苗木存活率，收获全株后带回实验室，洗净，分割为地上部分和地下部分，在105 ℃烘箱内杀青30 min，再在65 ℃下烘干称量，计算生物量。

海水处理后，每隔一定时间采集不同处理的苗木叶片，参照文献[10-13]的方法分别测定叶片叶绿素、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量，以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性和细胞质膜透性。

1.3 数据处理

用Excel 2007对原始数据进行整理和计算。用SPSS 24.0对数据进行方差分析和多重比较，并对生理指标进行相关性分析。用Origin 2017制图。

2 结果与分析

2.1 海水处理下沼泽小叶桦苗木的形态变化

在海水处理早期，沼泽小叶桦苗木形态并不会发生明显变化(表1)，经过0.4%以上盐度的海水处理土壤30 d后，苗木下部部分叶片枯萎、脱落。

表1 海水处理后沼泽小叶桦苗木的形态变化Table 1 Morphological changes of cutting seedlings after seawater treatment

高盐度海水处理(6.14 g/L以上)叶片6 d左右，苗木开始出现叶缘黄化和枯萎等症状；14 d后，受害症状加剧，出现落叶现象，尤其在15.35 g/L海水喷雾处理下，植株落叶严重，并开始萌发新叶；30 d后，部分植株枯梢。总体而言，低盐度的海水处理土壤对苗木危害较小，高盐度的海水处理叶片对苗木危害较大。

2.2 海水处理下沼泽小叶桦苗木存活及生长情况

从7月中旬开始进行海水处理到11月初试验结束时，各种土壤浇灌处理下的沼泽小叶桦苗木成活率均为100%(表2)，表明沼泽小叶桦对土壤海水胁迫具有很强的耐受性。但是不同盐度处理间的苗高增量、地径增量以及生物量存在一定差异，其中盐度为0.4%和0.6%处理下的苗高增量显著小于CK和0.2%处理(P<0.05)；0.6%处理下的苗木地径增量显著小于其他处理(P<0.05)；高盐度海水处理下的苗木生物量总体小于对照和低盐度海水处理，但是不同处理之间的差异不显著(P>0.05)(表2)。

表2 海水处理土壤叶片后沼泽小叶桦苗木的存活率及其生长情况Table 2 Survival rate and growth of seedlings under seawater treatments on soil and leaf

叶片海水处理的盐度在6.14 g/L及以下时，苗木存活率均为100%，在15.35 g/L叶片海水处理下，苗木存活率下降为87.5%，说明该盐度叶片海水处理下，沼泽小叶桦受到明显伤害。苗高增量和地径增量均随处理盐度的提高而降低，且15.35 g/L处理下的苗高和地径增量均显著小于CK处理(P<0.05)。3种盐度海水喷雾处理下的苗木生物量均小于CK处理，但差异不显著(P>0.05)(表2)。

2.3 海水处理对沼泽小叶桦苗木生理的影响

1)叶片叶绿素含量。沼泽小叶桦叶绿素含量(叶绿素a+叶绿素b)的变化如图1所示。可以看出，在0.2%的土壤海水浇灌处理和3.07 g/L的叶片海水喷雾处理下，叶绿素含量总体较高；在0.4%的土壤海水处理22 d时叶绿素含量明显低于其他处理(P<0.05)；除此之外，在相同时间点，不同处理之间的叶绿素含量差异均较小(P>0.05)。由于苗木在15.35 g/L喷雾处理下叶片大量枯萎并凋落，所以从第12天后，对该处理停止采叶分析，故没有该处理下的叶绿素含量、可溶性蛋白含量、叶片相对电导率、MDA含量、SOD和POD活性数据。

A.土壤海水浇灌处理seawater treatment on soil；B.叶片海水喷雾处理seawater treatment on leaf. 15.35 g/L叶片海水处理12 d后苗木全部落叶，故没有数据。下同。All leaves of seedlings were fallen after 12 days of seawater treatment in 15.35 g/L, so there was no data. The same below.图1 不同处理下沼泽小叶桦苗木叶片生理指标的变化Fig.1 Changes of chlorophyll content in seedlings leaves under different treatments

2)叶片可溶性蛋白含量。试验期间，苗木叶片可溶性蛋白含量变化虽然总体比较平缓，但是在0.2%的土壤海水浇灌处理和3.07 g/L的叶片海水喷雾处理下，可溶性蛋白含量在多数时间点上要高于CK和其他处理，特别是在海水处理12 d时，0.2%的土壤海水浇灌处理和3.07 g/L的叶片海水喷雾处理下可溶性蛋白含量显著高于其他相应处理(P<0.05)。

3)叶片细胞质膜透性。试验期间，各种处理的叶片相对电导率均呈上升趋势，其中CK处理下的上升比较平缓，其他处理的上升幅度较大，在15.35 g/L的叶片海水喷雾处理下，相对电导率升幅最大。方差分析结果显示：土壤海水浇灌处理下，0.6%处理的叶片相对电导率显著高于CK处理(P<0.05)，其他处理与CK相比无显著差异(P>0.05)。在叶片海水喷雾处理下，相对电导率都明显高于CK(P<0.05)，总体差异性依次为15.35 g/L处理>6.14 g/L处理>3.07 g/L处理>CK。

4)叶片MDA含量。试验期间，不论是土壤海水浇灌处理还是叶片海水喷雾处理，不同盐度之间的苗木叶片MDA含量差异均较小(P>0.05)，且动态变化规律基本相同。但是，土壤海水浇灌处理下的MDA平均含量都略低于CK；相反，叶片海水喷雾处理下的MDA平均含量都略高于CK。

5)叶片SOD活性。不同处理之间的苗木叶片SOD活性存在较大差异。方差分析结果表明，土壤经海水处理后苗木叶片SOD活性显著低于CK(P<0.05)。叶片经海水处理后，除了15.35 g/L处理在早期(12 d前)高于CK，其他处理的SOD活性都显著低于CK(P<0.05)。

6)叶片POD活性。不论是土壤还是叶片，经海水处理后，苗木叶片POD活性在早期(12 d前)几乎均高于CK；在后期均逐渐低于CK。平均值显示，土壤海水浇灌处理下，0.6%处理的POD活性最高，而0.2%、0.4%处理与CK之间差异较小；叶片海水喷雾处理早期，15.35 g/L处理的POD活性最高，但与CK的差异不显著(P>0.05)，处理36 d时CK明显最高(P<0.05)。

2.4 不同生理指标间的相关性

海水处理下，沼泽小叶桦叶片MDA含量与叶绿素含量呈极显著负相关(P<0.01)，与可溶性蛋白含量呈显著负相关(P<0.05)。SOD活性与相对电导率呈极显著正相关(P<0.01)，与MDA含量呈显著正相关(P<0.05)。其他指标之间的相关性均不显著(表3)。

表3 海水处理下沼泽小叶桦生理指标的Pearson相关性系数Table 3 Pearson correlation coefficient of physiological indexes of B. microphylla var. paludosa under seawater treatment

3 讨 论

存活率和生长量是植物抗逆性的直观表现[14-15]。多数研究显示，盐胁迫会导致植物苗高、地径生长减慢，生物量积累减少[16-17]。本试验中，沼泽小叶桦的苗高和地径增量随海水盐度的提高呈下降趋势，这与前人的研究结果[18]一致，尤其是在高盐度的土壤海水处理(0.6%)和高盐度的叶片海水处理(15.35 g/L)下，沼泽小叶桦的生长量显著降低，在15.35 g/L叶片海水处理下苗木甚至出现死亡现象，说明沼泽小叶桦受高盐度海水胁迫的影响较大。而在0.2%的土壤海水处理下，苗木地径增量和生物量却最大，说明适量的土壤盐(海水)处理可能有利于沼泽小叶桦的生长。这也许与其自然习性有关，沼泽小叶桦原产于盐碱地区，其在生理上已适应一定浓度的盐分环境。此外，本研究采用海水进行盐处理，除了含有Na+，还含有K+、Ca2+、Mg2+等离子，在低盐度的海水处理下，对于具有较强耐盐性的沼泽小叶桦而言，其促进作用可能大于抑制作用，但是在高盐度的海水处理下，抑制作用占据主导。

叶绿素表征了植物的光能利用率，是光合电子传递链的核心环节，能有效反映植物光合能力的强弱[19]。本研究中，各种海水处理的叶片叶绿素含量与CK的差异性虽没有明显规律，但0.2%土壤海水处理和3.07 g/L叶片海水处理的叶绿素含量总体上高于其他处理，说明沼泽小叶桦在低盐度的海水处理下能保持正常的光合作用，因此苗木碳水化合物的积累量(个体生长量)比较大。而当环境中的盐分含量过高时，植物吸水困难，容易引起生理干旱和离子毒害，阻碍植物生长。

可溶性蛋白既是植物体内典型的渗透调节物质[20]，也是细胞内重要的代谢酶组分[21]，在植物应对盐胁迫时发挥重要作用。本研究中，虽然可溶性蛋白含量变化较为平缓，但是低盐度的土壤海水处理(0.2%)和叶片海水处理(3.07 g/L)下苗木可溶性蛋白含量总体高于CK且差异显著，其他盐度的海水处理与CK差异不显著，表明低盐度的海水处理可以诱导沼泽小叶桦叶片形成和积累可溶性蛋白，而高盐度的海水处理可能无法促进可溶性蛋白的形成与积累。

细胞是植物生理活动的基本单元。盐胁迫往往会引起植物细胞膜结构的损伤，致使细胞内电解质外渗[22]。膜透性是反映细胞膜系统受损情况的重要指标，而MDA作为膜脂氧化的产物，同样反映出细胞膜的损伤程度[23-24]。本研究中，在土壤海水处理下，只有高盐度(0.6%)土壤海水处理的叶片相对电导率显著高于CK，其他盐度的土壤海水处理与CK相比无明显差别；而叶片海水处理下的相对电导率均明显高于CK，且呈现为15.35 g/L处理的相对电导率高于其他处理，说明叶片海水处理对叶片细胞的伤害要大于土壤海水处理，其原因可能是土壤的胶体吸附和离子交换等途径能缓解土壤海水处理后有害盐离子对植物的毒害作用，而叶片海水处理则导致有害盐离子对叶片产生直接伤害，同时也会导致盐分的渗透胁迫。

就MDA含量变化看，虽然不同处理间的差异未达到显著水平，但是土壤海水处理下的MDA含量总体要低于CK，而叶片海水处理下的MDA含量总体要高于CK。本研究中，叶片海水处理对沼泽小叶桦叶片细胞会造成较大伤害，而土壤海水处理的伤害相对较小。相关性分析结果表明，叶绿素及可溶性蛋白含量与MDA含量之间存在显著负相关关系，即MDA含量越高，叶绿素和可溶性蛋白含量越低。综合认为，与土壤海水浇灌处理相比，叶片海水喷雾处理不仅对沼泽小叶桦的细胞膜会造成较大损害，对其叶绿素和渗透调节的影响更大。

细胞膜受损往往与活性氧的增加有关。正常情况下，植物体内活性氧的代谢处于稳定状态，当植物遭遇盐胁迫时，代谢受到干扰，进而引发活性氧的积累，活性氧对细胞膜有明显的破坏作用[25]。多数研究表明，植物可以通过提高抗氧化酶活性来抵御活性氧的影响，SOD和POD是植物体内重要的抗氧化酶，它们在去除超氧阴离子的过程中起着关键作用[26-27]。本研究表明，与对照相比，不论是土壤海水处理还是叶片海水处理，都会导致沼泽小叶桦叶片SOD活性降低；而叶片POD活性在海水处理早期虽高于CK，在后期却逐渐低于CK。说明在海水胁迫处理下，沼泽小叶桦可能并不是通过提高叶片SOD活性来抵御活性氧的影响；而POD可能也只是在胁迫处理早期具有抵御作用，后期的作用会降低。

据统计，滨海盐土的表层含盐率一般为1%～3%，1 m土层中的含盐率介于0.5%～2.0%[28]。但经挖沟、洗盐、耕作等措施，滨海土壤含盐量能明显降低[29]。盐雾来自海洋，盐雾的组成与海水相似，一般来说，距海岸越近，风力越大，盐雾的盐浓度越高[30]。沿海防护林的营造可以明显阻挡盐雾的影响，降低盐雾的盐浓度[6]。本研究中，沼泽小叶桦对0.6%的海水浇灌处理和1/5倍的海水喷雾处理(即盐度为6.14 g/L)表现出较强的耐受性，表明沼泽小叶桦在滨海盐碱地绿化中具有一定的应用潜力。

4 结 论

低浓度的土壤海水处理(0.2%)能适当提高沼泽小叶桦叶片叶绿素含量和可溶性蛋白含量，并促进苗木生长。不论是土壤海水处理还是叶片海水处理，都会导致苗木叶片相对电导率提高，且叶片海水处理的提高幅度更加明显。土壤海水处理下的苗木叶片MDA含量低于CK，叶片海水处理下的MDA含量高于CK，但差异均不显著。除了高浓度的叶片海水处理(15.35 g/L)在早期会促使苗木叶片SOD活性显著高于CK，其他叶片或土壤海水处理的SOD活性均低于CK。海水处理后，苗木叶片POD活性在早期高于CK，在处理后期低于CK。

在0.6%的土壤海水处理或6.14 g/L的叶片海水处理下，苗木未出现死亡现象，且具有一定的生长量。可以认为，沼泽小叶桦能耐受0.6%的土壤海水处理盐度或6.14 g/L的叶片海水处理盐度，表现出较强的耐盐特性，在滨海盐碱地绿化中具有一定的应用潜力。

当然，本研究只采用单因素试验设计方法研究了土壤和叶片海水盐胁迫下的沼泽小叶桦形态、生长和生理变化，在沿海地区，土壤盐胁迫与空气盐雾胁迫往往是同时存在。所以，今后有必要进行双因素试验设计，以及持续性的盐雾试验，并有必要开展野外试验，以获得更加符合实际的研究结果。