高温胁迫下9种轻型屋顶绿化植物的生理响应*

胡 杏 钟丽媚 倪建中 王 伟 代色平

（广州市林业和园林科学研究院，广东 广州 510405）

随着城市建设飞速发展，建筑用地和绿化用地矛盾突出、“热岛效应”日趋严重，屋顶绿化作为一种新的环境美化新方式逐渐被引入到城市园林绿化建设中[1-2]。屋顶绿化不仅能有效扩大城市的绿化面积，还能减少城市高空悬浮物、降低室内温度、增强雨水蓄积能力、减轻城市“热岛效应”[3]。受屋顶光照、温度、湿度、土壤基质等环境因素的限制，土壤层厚5～10 cm 的轻型屋顶绿化有承重风险小、低成本、见效快、养护简便等优势，将是屋顶绿化发展的方向[4]。轻型屋顶绿化在植物的选择上主要以耐贫瘠、耐热、抗旱的多年生低矮草本植物为主[5]。我国在屋顶绿化植物的应用与研究主要以佛甲草Sedum lineare、垂盆草Sedum sarmentosum和绿景天Sedumsp.等景天科植物为主[6]，广州地处南亚热带，具有夏季长、温暖多雨、温差较小等气候特征，景天科植物在广州地区容易积水腐烂，景观效果持久性差、管理成本高[7]，需要筛选出更多适宜广州轻型屋顶绿化的植物，丰富屋顶绿化景观。

植物耐热性是屋顶绿化植物筛选的重要指标。2022 年7 月9 日到25 日，广东已连续17 天出现了大范围持续性高温天气，最高气温达39℃，地表温度超70℃。因此，筛选耐热性强的植物对于提高植物在屋顶的成活率、提升屋顶绿化景观效果具有重要的意义。国内近几年也开始了多项屋顶绿化植物的耐热性研究。汤聪等[8]以广州地区野外引种及已引种驯化成功的鸭跖草科和景天科8 种屋顶绿化植物为试材，采用电导率法并结合logistics 方程测定其耐热性。徐玉芬等[9]对鸭跖草科植物logistics 方程测定4 种鸭跖草科屋顶绿化植物的耐热性。周媛等[10]对高温胁迫下9 种景天属植物形态特征与生理响应进行研究，评价其耐热能力的高低，筛选出耐热性强、适宜无养护屋顶绿化的植物品种。通过引种驯化多种低矮草本地被植物并进行栽培观察，初步筛选出4 种鸭跖草科植物、3 种马齿苋科植物、2 种景天科植物开展了人工模拟高温胁迫试验，通过观察不同温度胁迫对其生长的影响、研究其生理生化的变化、评价其耐热能力的高低，以期筛选出耐热性强、适合广州轻型屋顶绿化的植物，丰富屋顶绿化植物多样性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为9 种低矮地被植物，选取相同长度的健康茎段于50 cm*25 cm*6 cm 的筛盘中扦插，栽培基质为草炭：陶粒=3:1，2 个月后选取生长健壮、无病虫害、覆盖满筛盘的植物作为试验材料。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 为模拟屋顶绿化环境并排除自然界光照、温湿度不稳定等因素对试验结果的影响，试验在广州市观赏植物种质资源圃人工气候室进行。气候室分别设置25/20℃（昼/夜）、35/30 ℃、40/35 ℃、45/40 ℃、55/50 ℃，其中25/20℃为对照组，湿度设置为75，16 h 明/8 h 暗，光照强度模拟夏季晴朗天气光照变化设置，胁迫3 d，每种植物每处理3 筛。

表1 9 种轻型屋顶绿化植物Table 1 9 plants for extensive green roof useage

1.2.2 形态特征变化观察 胁迫3 d 后，观察植物的形态受害情况。将高温高湿伤害程度划分为以下5 级：0 级，无热害症状；Ⅰ级，少于1/4 的叶片表现热害症状；Ⅱ级，1/4 至1/2 的叶片表现热害症状；Ⅲ级，1/2 至3/4 的叶片表现热害症状；Ⅳ级，3/4 以上的叶片表现热害症状；Ⅴ级，植株死亡。

1.2.3 生理指标的测定 随机采取中部成熟的叶片作为样品进行各生理指标测试。主要测试指标有丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量，实验方法参照李合生[11]的方法，每个处理每个样品重复测定3 次，取平均值。

1.3 数据处理

1.3.1 基础数据处理与相关性分析 测量的数据利用WPS XLSL 表格进行录入并作初步处理，利用IBM SPSS Statistics 21 软件进行数据相关性分析。

1.3.2 耐热系数计算 各指标耐热系数=高温胁迫下的指标测定值/对照指标测定值[12]。

1.3.3 主成分分析 以55℃高温胁迫后各植物的生理指标相关性与主成分分析，并基于主成分分析用主成分因子进行综合评价[13]。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下植物形态特征的变化

植物受热害叶片会出现明显的水渍状烫伤斑点，随后变褐，坏死，叶绿素破坏严重，叶色变为褐黄等情况。由表2 可知，25、35、40 ℃处理下，各植物均无热害表现。45 ℃胁迫处理3 d 后，铺地锦竹草与大苞水竹叶表现为Ⅰ级热害，有1/4～1/2 叶片有热害症状，其余植物无热害表现。55℃胁迫理3 d 后，仅紫米粒无热害症状，耐热性表现最好；其次为大花马齿苋与松叶牡丹，表现为Ⅰ级热害；薄雪万年草稍差，表现为Ⅱ级湿热伤害。其中铺地锦竹草的耐热性与观察到的植物外部形态受热害情况表现稍微有不同，原因可能是10 月份铺地锦竹草正处于开花季节，植物营养分散，叶片本身稍微偏黄造成的观察误差。

表2 不同温度胁迫3 天后植物的生长状况Tab. 2 The growth status of plants after 3 days high temperature treatment

2.2 高温胁迫对不同植物丙二醛（MDA）含量的影响

由图1 可以看出，9 种植物的MDA 含量对高温胁迫的响应整体趋势为先升后降，35 ℃胁迫处理时，大花马齿苋的MDA 相较于对照增幅最大，耐热系数为3.06；其余植物的MDA 含量变化幅度均不大。40 ℃胁迫处理时，大花马齿苋和薄雪万年草的MDA 含量相较于对照增幅较大，耐热系数分别为2.55、2.19。45 ℃胁迫处理时，大苞水竹叶与凹叶景天的MDA 含量相较于对照急剧下降，耐热系数分别为0.47、0.28；红趾草、大花马齿苋和重瓣大花马齿苋的MDA 含量增幅较大，耐热系数分别为2.45、2.42、3.02。55 ℃胁迫处理时，紫米粒的MDA 含量相较于对照增幅最大，耐热系数为2.29；大苞水竹叶和凹叶景天的MDA 含量降幅最大，耐热系数分别为0.24、0.23。

图1 不同温度胁迫对MDA 含量的影响Fig. 1 Effects of high temperature stress on MDA content

但不同植物在不同温度时的响应程度不同。铺地锦竹草、红趾草、假紫万年青、重瓣大花马齿苋在55℃胁迫处理时，MDA 含量急剧下降；大苞水竹叶、薄雪万年草和凹叶景天在45℃胁迫处理时MDA 含量就开始急剧下降；紫米粒在55 ℃胁迫处理时MDA 含量反而开始大幅增加；仅大花马齿苋的各温度胁迫下的MDA 值均保持在一个相对温度的水平。

2.3 高温胁迫对不同植物脯氨酸（Pro）含量的影响

由图2 可见，9 种植物的Pro 含量均随胁迫温度的升高成不断增加的趋势。相较于对照，在35℃、40℃、45℃胁迫下各植物的Pro 含量均有小幅度的增加。55℃处理下各植物的Pro 含量均大幅增加，大花马齿苋的Pro 含量相较于对照增幅最小，耐热系数为2.85；假紫万年青和大苞水竹叶的Pro 含量增幅较大，耐热系数分别为5.24、6.91；增幅最大的为薄雪万年草，耐热系数为8.19。

图2 不同温度胁迫对脯氨酸含量的影响Fig. 2 Effects of high temperature stress on proline content

2.4 高温胁迫对不同植物可溶性蛋白质含量的影响

由图3 可见，在35 ℃、40 ℃、45 ℃胁迫处理下，9 种植物的可溶性蛋白含量相较于对照变化幅度不大。55℃处理时，仅紫米粒的可溶性蛋白含量相较于对照变化幅度最小，其耐热系数为1.01；其余8 种植物的可溶性蛋白质含量均急剧下降，耐热系数在0.43～0.64，其中凹叶景天的可溶性蛋白下降幅度最大，其耐热系数为0.43。

图3 不同温度对可溶性蛋白质含量的影响Fig. 3 Effects of high temperature stress on soluble protein content

2.5 高温胁迫对不同植物可溶性糖含量的影响

由图4 可见，9 种植物的可溶性糖含量整体呈现先升后降的趋势。35℃胁迫处理时，9 种植物的可溶性糖含量相较于对照变化幅度不大，耐热指数在0.82～1.28。40℃胁迫处理时，仅大花马齿苋的可溶性糖含量相较于对照有所下降，耐热指数为0.7；其余8 种植物的可溶性糖含量相较于对照均有所上升，耐热指数在1.12～2.37，其中上升最多的为假紫万年青。45℃胁迫处理时，紫米粒的可溶性糖含量开始下降，耐热指数为0.82；其余8 种植物的可溶性糖含量相较于对照均上升，耐热系数为1.17～3.20，其中假紫万年青上升幅度最大。55℃胁迫处理时，仅红趾草的可溶性糖含量在持续上升，耐热系数为1.71；可溶性糖含量相较于对照下降幅度最大的为紫米粒，其耐热系数为0.67。

图4 不同温度对可溶性糖含量的影响Fig.4Effects of high temperature stress on soluble sugar content

2.6 各生理指标的相关性分析

9 种植物的4 个生理指标的相关性分析结果见表3～表6。35℃、40℃胁迫处理时，丙二醛与脯氨酸、可溶性糖含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），可溶性糖与脯氨酸呈显著正相关关系（P＜0.05）（表3、表4）。45℃胁迫处理时，可溶性糖与脯氨酸呈显著正相关关系（P＜0.05）（表5）。55℃胁迫处理时，丙二醛与可溶性蛋白、可溶性糖与脯氨酸呈极显著正相关关系（P＜0.01）（表6）。

表4 40℃高温胁迫下各生理指标的相关系数Tab. 4 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 40℃

表5 45℃高温胁迫下各生理指标的相关系数Tab. 5 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 45℃

表6 55℃高温胁迫下各生理指标的相关系数Tab. 6 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 55℃

由表3～表6 可知，4 个生理指标间都存在或大或小的相关性，有的存在显著或极显著的相关性，使它们所提供的信息发生重叠[14-15]。同时，由于不同植物的耐热机制上存在差异，各指标在耐热性中起的作用不尽相同。所以，直接利用这些单项指标很难对各植物的耐热性做出准确的评价，需综合各指标进行分析。

2.7 基于主成分分析的耐热性综合评价

如表7 所示，通过对55℃高温胁迫下9 种轻型屋顶绿化植物的生理指标进行主成分分析，提取主成分2 个，其中第1 主成分贡献率为48.937%，累计贡献率87.392%。从各主成分综合指标系数可以看出，第一主成分主要包括丙二醛和可溶性蛋白，荷载分别达到0.896、0.924；第二主成分主要包括脯氨酸和可溶性糖的荷载分别达到0.913、0.74；结果表明，需综合分析这4 个生理指标来评价植物的耐热性。

表7 55℃高温胁迫下各生理指标的主成分分析Tab.7 Principal component analysis of physiological indexes at 55℃

根据9 种轻型屋顶绿化植物的4 个生理指标的标准值和成分矩阵的因子得分系数特征向量，可得出第一、第二主成分的回归方程分别为：

以各主成分相应的贡献率为权重，分别为0.489 370、0.384 55，由于2 个主成分总的贡献率为0.873 92，还应对权重单位化[13]，获得各植物综合得分的计算式：Z=（0.489 37*C1+0.384 55*C2）/0.873 92。通过计算，获得9 种轻型屋顶绿化植物的综合得分与排名，其耐热性强弱顺序依次为：铺地锦竹草＞大花马齿苋＞假紫万年青＞红趾草＞重瓣大花马齿苋＞紫米粒＞凹叶景天＞大苞水竹叶＞薄雪万年草（表8）。

表8 9 种植物耐热性综合评价结果Tab. 8 The comprehensive evaluation on heat tolerance upon 9 species

3 讨论与结论

植物耐热性研究是屋顶绿化植物评价及筛选的基础。不同植物耐热机制不同，且受多个因素影响，多个指标的综合评价能更全面、真实地反应植物耐热能力的强弱。本研究综合分析了9 种轻型屋顶绿化植物受高温胁迫后4 个生理生化指标的变化，得出4 种植物的耐热性由强到弱依次为：铺地锦竹草＞大花马齿苋＞假紫万年青＞红趾草＞重瓣大花马齿苋＞紫米粒＞凹叶景天＞大苞水竹叶＞薄雪万年草。

通常用MDA 用以表示细胞膜脂过氧化的程度与植物对逆境反映的强弱[10]。试验结果表明，耐热性强的铺地锦竹草与大花马齿苋的MDA 累计量明显小于耐热性弱的大苞水竹叶，这与杨华庚、许桂芳等[16-17]的研究结论是一致的。而高温会使膜质过氧化作用加剧，形成的MDA 能使细胞膜的孔隙变大，通透性增加，导致细胞结构破裂[18]。丙二醛的大量积累以及质膜透性的不断增大是细胞损坏的重要标志[17]。耐热性差的大苞水竹叶、薄雪万年草与凹叶景天的MDA 含量在45 ℃胁迫处理时开始急剧下降，铺地锦竹草、红趾草、假紫万年青和重瓣大花马齿苋的MDA 含量在55 ℃胁迫处理时开始急剧下降，可能是植物长时间承受高温胁迫导致细胞受损，不能正常合成丙二醛所导致。

植物体内Pro、可溶性蛋白和可溶性糖具有调节渗透、保护细胞膜结构稳定的作用。在正常条件下，植物体内的Pro 含量很低，遭受胁迫的植物细胞内会大量积累Pro[19]。9 种植物在55 ℃胁迫处理后Pro 含量均急剧增加，这一变化的原因可能是高温触发了保护机制发生生理响应，导致Pro含量的大量累积，其中耐热性较差的大苞水竹叶、薄雪万年草、凹叶景天脯氨酸含量最高。而可溶性蛋白在55 ℃胁迫处理后急剧下降，其余温度下其含量变化幅度均很小，这可能由于Rubisco 等表达增强引起可溶性蛋白含量增加，随着高温程度的加剧，Rubisco 羧化酶活性下降，净光合速率减少，导致可溶性蛋白含量下降[20]。55 ℃高温胁迫下，假紫万年青和大苞水竹叶的可溶性糖含量急剧下降可能是因为当胁迫到一定程度后，呼吸作用大于光合作用消耗了贮存的糖类，会造成可溶性糖含量下降[21-22]。

4 个生理指标间均存在或大或小的相关性，与植物的耐热性也密切相关。但不同遗传背景的植物的耐热性影响机制不同，主要判定植物耐热性的指标也不一样，在将来的研究中可以测定更多指标，进一步进行生理指标的筛选。

极端天气气温超40 ℃会越来越常见，夏季裸露屋顶温度超45 ℃的可能性极大，屋顶绿化能有效隔绝太阳直接照射屋顶，进行隔热降温。综合植物在不同高温胁迫下的生长情况，筛选耐热性较好的铺地锦竹草、大花马齿苋、假紫万年青、红趾草、重瓣大花马齿苋应用于广州屋顶绿化，可丰富轻型屋顶绿化景观，保障屋顶绿化植物群落结构稳定，推动屋顶绿化的发展。