混合盐胁迫对栾树光合生理指标的影响

张若溪，蔡亚南，李庆卫

(北京林业大学 园林学院，北京,100083)

土壤盐渍化严重影响了全球土地资源和生态环境[1]，而近年来融雪剂的频繁使用导致了城市土壤受到严重的危害，受融雪剂污染的土壤也属于盐害土，融雪剂对土壤的污染最直接就表现在植物的生长上，土壤的盐渍化造成植被覆盖率低，植物种类单一，严重制约了城市环境的可持续发展[2]。因此，对于耐盐植物的选择、应用以及缓解盐害、修复盐渍化土地、丰富盐碱地景观和改善城市环境具有十分重要的意义[3]。迄今为止，植物盐碱胁迫方面的研究侧重于农业和草业方面，而关于林木耐盐碱方面的研究报道甚少[4]，并且此类研究也多集中于单盐对植物生长发育影响方面[5]。中国的盐碱土常以混合盐的形式存在，是盐和碱混合后形成的协同效应而不单是两种胁迫简单的叠加[6]，因此，在盐碱复合胁迫环境下，植物在遭受渗透伤害和离子毒害的同时还会受到碱胁迫所引起的高pH影响，这使得植物的生长抑制程度更加严重。

栾树(Koelreuteriapaniculata)在园林绿化中应用较多，其观赏性较高，抗逆性较强，是优良的园林绿化行道树树种[7]。现今国内外对栾树的研究多集中在光合特性[8-11]、繁殖育苗[12]、抗逆性等方面，其中抗逆性研究包括干旱胁迫[13]和重金属离子胁迫[14-15]等，关于栾树对混合盐胁迫的适应机制和耐盐机理的研究报道较少。本试验以“北京园林绿化增彩延绿科技创新工程”及“北京市耐盐性植物功能的筛选”课题为依托，以2年生扦插苗栾树为研究对象，参照前人实验加以修改[16-17]，将NaCl和NaHCO3按摩尔质量比(1∶1)配制成混合盐溶液，并设置不同胁迫浓度梯度，采用多次添加、逐级递增的施加方式，研究混合盐胁迫下栾树幼苗生理指标的变化，揭示盐逆境条件下其生理变化的规律，为栾树在盐渍化土壤上推广栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验在北京林业大学北林科技园苗圃进行，供试材料为2年生的栾树扦插苗。于2018年3月份将长势一致的苗木栽植于上30 cm×20 cm×30 cm的塑料花盆内，盆底设置托盘。盆内装6.0 kg 基质，基质由草炭土、珍珠岩、洗净河沙按2∶1∶1的比例混合而成。

1.2 试验设计

于2019年6月下旬，试验苗进入旺盛生长期时控水1周，使土壤干燥利于盐分的扩散。将NaCl和NaHCO3按摩尔质量比1∶1配制成混合盐溶液。试验设置0(清水，CK)、100、200、300、400和500 mmol·L-1共6个混合盐浓度处理，其对应的土壤含盐量(土壤含盐量=盐质量/土壤质量)分别为0、0.08%、0.17%、0.25%、0.33%和0.42%。盐施加方式为多次添加、逐级递增，每盆每次浇施混合盐溶液700 mL，从高浓度处理开始添加，采用每天增加100 mmol·L-1渐增的方式达到预设浓度，其他处理组浇等量的清水，第5天各处理达到预设浓度时记为混合盐胁迫开始的第1天。每个处理5个重复，处理期间保证苗木处于同一环境，采用温度计、水分探测器等仪器记录外界环境因子的变化，常规管理，土壤田间持水量始终保持在60%～80%。于盐处理后的第0(浇盐前)、10、20、30、40天选取植株中上部的功能叶进行各指标测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶长和叶宽生长量分别在试验开始前(0 d)和结束后(40 d)测定选定并标记好的植物中上部10枚成熟叶片，用游标卡尺测量叶长和叶宽，精度为0.01 cm，差值即为胁迫下的相对生长量。

1.3.2 叶绿素含量叶片叶绿素含量测定参考郝建军等[18]的丙酮乙醇混合法加以修改。称取新鲜叶片0.05 g洗净，剪碎放入离心管中，加入10 mL体积比为1∶1的80%丙酮和95%的乙醇混合提取液，及时用保鲜膜封口并置于暗处，在室温下提取24 h至叶片完全变白。取上清液2 mL于663、645 nm下分别进行比色，测定其吸光度值A663、A645，根据以下公式计算叶绿素总量。

叶绿素总量Chl(mg·g-1)=(8.04A663+20.29A645)×Vt×N/1000W

式中，Vt为提取液总体积(mL)；N为稀释倍数；W为样品鲜重(g)。

1.3.3 光合气体交换参数选取生长良好的功能叶，做好标记，采用便携式光合系统测定仪Li-6400于当地时间上午9:00-11:00，测定植株叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)。测定时保持叶片的叶倾角和方位角不变，重复3次。

1.3.4 叶绿素荧光参数选择生长良好的中上部功能叶片做好标记，每次测定相同叶片。将标记好的叶片充分暗适应30 min后，用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500于上午9：00～11:00测定PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学量子产量(Yield)、光化学猝灭系数(qP)等。

1.4 数据分析

数据均采用Excel 2016进行计算，用SPSS 22.0对试验数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 混合盐胁迫对栾树幼苗表观性状的影响

随着混合盐胁迫浓度的增加，栾树根系的侧根和须根数量也相应逐渐减少，栾树叶片表现为失水萎蔫、失绿、卷曲、干枯、落叶等症状，其生长受盐害程度逐渐加重，且各胁迫处理间差异明显(图1)。

2.2 混合盐胁迫对栾树生长特性的影响

由图2可知，栾树的叶长生长量在S100和S200混合盐处理下与CK相比无显著性差异，在S300-S500处理下比CK分别显著下降了52.63%、73.68%和94.74%；栾树的叶宽生长量在S100-S300混合盐处理下与CK相比无显著性差异，在混合盐浓度为400 mmol·L-1时比CK显著降低，S400和S500处理下比CK分别显著下降了54.55%和81.82%。以上结果说明，栾树对混合盐胁迫具有一定的耐受性，随着混合盐胁迫程度的增加(大于200 mmol·L-1)，栾树的生长受到了显著抑制，混合盐浓度越高，叶长和叶宽生长量降幅越大。

2.3 混合盐胁迫对栾树叶绿素含量的影响

图3显示，在混合盐胁迫10～20 d时，栾树叶片叶绿素含量随着混合盐胁迫浓度的增加均呈先上升后下降的趋势，但各胁迫处理叶绿素含量均不同程度地低于CK，且除S300处理外与CK差异均达到显著水平；在盐胁迫30～40 d时，S100处理叶绿素含量均与CK无显著性差异，而S300-S500处理的叶绿素含量均比CK显著降低，且盐浓度越高降幅越大；盐胁迫40 d时，S300-S400处理叶绿素含量比CK分别显著下降了20.49%、26.23%和41.60%，而此时S500处理的叶片已经全部脱落。以上结果说明100 mmol·L-1混合盐处理的栾树植株能够通过自身调节使叶绿素含量维持在较高水平，但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，叶绿体结构已遭到严重破坏，叶绿素含量开始出现明显下降。

2.4 混合盐胁迫对栾树气体交换参数的影响

2.4.1 净光合速率(Pn) 由图4，Ⅰ可知，在混合盐胁迫0～30 d时，栾树叶片Pn在S100处理下随胁迫时间增长呈现先下降后上升趋势，在S200处理下则呈现先下降后上升再下降趋势，在S300-S500处理下均呈现下降趋势，但各胁迫处理叶片Pn均不同程度地低于CK，且除0 d外，S400和S500处理的叶片Pn与CK差异均达到显著水平；盐胁迫40 d时，除S200处理外，各胁迫处理的叶片Pn均较第0天时显著降低，S100-S400处理叶片Pn相对于第0天降幅依次为18.04%、14.82%、60.56%和88.98%，相对于CK依次降低19.14%、28.83%、66.78%和90.88%。以上结果说明，随着混合盐胁迫程度的增加，栾树的光合作用逐渐受到抑制，净光合速率整体呈下降趋势。

2.4.2 气孔导度(Gs) 由图4,Ⅱ来看，在混合盐胁迫0～30 d时，栾树叶片Gs在S100-S300处理下随胁迫时间延长均呈现先下降后上升再下降趋势，在S400和S500处理下整体呈现下降趋势；在混合盐胁迫40 d时，各胁迫处理的Gs较盐胁迫0 d和CK均不同程度地降低，S100-S400处理较0 d分别下降了33.33%、10.00%、72.73%和87.50%，S100和S200处理的Gs与CK无显著性差异，S300和S400处理Gs相对于CK分别显著降低了72.73%和90.91%。可见，随着混合盐胁迫程度的增加，栾树叶片的气孔导度会逐渐受到抑制，整体呈下降趋势。

2.4.3 胞间二氧化碳浓度(Ci) 由图4,Ⅲ可知，在混合盐胁迫0～30 d时，栾树叶片Ci在S100-S300处理下随胁迫时间增长均呈现先下降后上升再下降趋势，且盐胁迫30 d时，S100和S200处理的Ci比CK分别显著下降了5.67%和12.29%，相对于0 d分别显著下降了10.05%和27.38%；在S400和S500处理下，Ci随胁迫时间延长整体呈现先降低后增高趋势，且混合盐胁迫30 d时，S400处理的Ci相对于CK和0 d分别显著增加了18.84%和33.80%。在盐胁迫40 d时，S100和S200处理的Ci相对于30 d时分别显著增加了9.95%和31.53%，S300处理的Ci则变化不显著，S400处理的Ci则降低。可见，在混合盐胁迫0～30 d时，胞间二氧化碳浓度在S100-S300处理下整体呈下降趋势，当胁迫程度增大时则整体呈上升趋势。

2.4.4 蒸腾速率(Tr) 由图4,Ⅳ可知，栾树的Tr在混合盐胁迫10和30 d时，各胁迫处理的Tr相对于CK均显著降低，且随着盐浓度的增高，整体降幅增大；盐胁迫20和40 d时，除了S200处理外各胁迫处理的Tr均不同程度地低于CK，盐浓度越高降幅越大，且S300-S500处理的Tr均比CK显著降低；盐胁迫40 d时，S300和 S400处理的Tr相对于CK分别显著下降了53.46%和82.39%。以上结果说明，随着混合盐胁迫程度的增加，栾树叶片的蒸腾速率整体呈下降趋势。

2.5 混合盐胁迫对栾树叶绿素荧光参数的影响

2.5.1 PSⅡ最大量子产量(Fv/Fm) 图5，Ⅰ显示，在混合盐胁迫10 d时，仅S500处理的Fv/Fm比CK显著降低；盐胁迫20 d时，S300-S500处理的Fv/Fm均比CK显著降低；盐胁迫30 d时，S400和S500处理的Fv/Fm均比CK显著降低；盐胁迫40 d时，S100和S200处理的Fv/Fm与CK相比无显著性差异，S300和S400处理的Fv/Fm相对于CK分别显著降低了5.41%和20.27%，相对于0 d时分别显著降低9.09%和24.36%。可见，S100和S200处理栾树植株能够通过自身调节使PSⅡ最大量子产量维持在较高水平，但当混合盐浓度达到300 mmol·L-1时，PSⅡ反应中心或PSⅡ氧化传递链已遭到严重破坏，PSⅡ最大量子产量开始出现明显下降。

2.5.2 PSⅡ实际量子产量(Yield) 由图5,Ⅱ可知，在混合盐胁迫10 d时，仅S400和S500处理的Yield与CK相比显著降低；盐胁迫20～30 d时，除S100处理外，其他处理的 Yield均比CK显著降低；盐胁迫40 d时，S100处理的Yield与CK无显著性差异，S200-S400处理的 Yield 分别比CK显著降低了10.45%、19.40%和41.79%。以上结果说明S100处理下的栾树植株能够通过自身调节使 PSⅡ实际量子产量维持在较高水平，但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，PSⅡ反应中心或PSⅡ氧化传递链已遭到严重破坏，PSⅡ实际量子产量开始出现明显下降。

2.5.3 光化学淬灭系数(qP) 图5,Ⅲ显示，在混合盐胁迫10 d时，除S100-S300处理外的qP 均比CK显著降低；在盐胁迫20 d时，除S100和S200处理外的qP均比CK显著降低；在盐胁迫30 d时，S100-S500处理的qP均比CK显著降低；在盐胁迫40 d时，S100处理的qP与CK相比无显著性差异，S200-S400处理的qP相对于0 d分别显著降低了6.38%、11.83%和29.03%，相对于CK分别显著降低了10.20%、16.33%和32.65%。可见，S100处理下的栾树植株能够通过自身调节使光化学淬灭系数维持在较高水平，但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，PSⅡ反应中心或PSⅡ氧化传递链已遭到严重破坏，光化学淬灭系数开始出现明显下降。

3 讨 论

3.1 栾树幼苗生长的响应

植物对盐胁迫的敏感性可以通过生长和形态的变化表现出来[19]。相关研究表明，盐渍环境下，植物生长受到抑制，且盐胁迫程度越高，受抑制现象越明显[20]。本试验中，S100和S200处理下，混合盐胁迫对栾树的叶长、叶宽生长量影响较小；当浓度达到300 mmol·L-1时，混合盐胁迫已对栾树的叶长生长量产生显著影响；当盐浓度达到400 mmol·L-1时，混合盐胁迫已对栾树的叶宽生长量产生显著影响。这表明栾树具有一定耐盐性。

3.2 栾树幼苗叶片叶绿素含量对混合盐胁迫的响应

叶绿素作为重要的光合色素，在对光能的吸收、传递和转化等方面发挥重要作用，在一定范围内与光合速率呈正相关[21]。本研究中，S100处理下的植物能够通过自身调节使叶绿素含量维持在较高水平，但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，叶绿体结构遭到严重破坏，叶绿素含量开始出现较明显的差异，整体随着混合盐浓度的增加呈逐渐下降趋势，这可能是由于土壤中离子的稳态被较高的pH值破坏，使得铁、镁等与叶绿素合成有关的离子发生沉淀，影响叶绿素的正常合成，从而导致叶绿素含量降低，这与前人对紫穗槐的研究一致。穆永光[22]对紫穃槐的研究中发现，加大混合盐胁迫会造成叶绿体中的基粒片层和类囊体结构发生一定程度的损伤，最终导致叶绿素成分含量损失，从而引起植株光合能力减弱。同时，这也与前人对枸杞[23]、朱槿[24]的研究结果一致。

3.3 栾树幼苗叶片光合气体交换参数对混合盐胁迫的响应

本研究中，随着混合盐胁迫程度的增加，栾树幼苗叶片Pn、Gs、Tr整体呈下降趋势，说明光合作用受到抑制，这与前人的研究结果一致[25]。盐碱胁迫可以显著降低植物的Pn，而Pn降低的因素包括气孔限制和非气孔限制[26]。气孔限制因子表现为植物叶片细胞程序性死亡、输导组织受损、气孔阻力增高，表现为Gs下降，CO2进入叶片受阻，Ci降低，导致Pn降低[27]，非气孔限制因子表现为混合盐胁迫导致磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和核酮糖二磷酸羧化酶活性降低，光合机构受损，电子传递速率下降，光合作用表观量子效率下降，导致光合效率下降，表现为Pn、Gs显著降低，Ci升高[28]。

在本研究中，当混合盐胁迫0～30 d时，S100-S300处理下栾树幼苗叶片Pn、Ci、Gs的整体变化趋势一致，说明气孔限制是Ci降低的主要因素，Gs的降低使CO2通过气孔进入叶绿体的含量减少，Ci下降而引起Pn降低；当盐胁迫程度增大时，Pn、Gs整体呈下降趋势，Ci整体呈上升趋势，说明气孔调节能力下降，导致CO2在细胞间积累，Ci显示出增大的现象，叶肉细胞光合活性降低而引起Pn下降，此时非气孔限制成为主要因素。多数研究表明随混合盐胁迫程度的增强，非气孔限制会代替气孔限制成为植株光合速率下降的主要因素[29-30]。

3.4 栾树幼苗叶片叶绿素荧光参数对混合盐胁迫的响应

研究表明，混合盐胁迫导致叶绿体光合机构的破坏，降低PSⅡ原初光能转换效率、抑制PSⅡ潜在活性[31]，从而引起植物光合能力的下降。叶绿素荧光参数可以直接反映逆境胁迫对植物PSⅡ活性、功能以及电子传递等的影响[32]。

本研究中，在不同浓度的混合盐胁迫下，PSⅡ最大量子产量Fv/Fm、PSⅡ实际量子产量Yield和光化学淬灭系数qP随胁迫时长的增加整体呈降低的趋势；S100处理下的植物能够通过自身调节使Fv/Fm、Yield和qP维持在较高水平，但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，Yield和qP开始显著下降，当混合盐浓度达到300 mmol·L-1时，Fv/Fm开始显著下降，说明S100处理下栾树叶片光化学性能和PSⅡ反应中心受到的影响不大，其潜在活性和光能转换效率并没有减弱，光抑制作用不明显，进一步说明混合盐浓度较低时，Pn的下降主要是由于气孔因素引起的，这与前人对高丛越橘[33]的研究结果一致；而随着混合盐胁迫程度的加重，PSⅡ反应中心或PSⅡ氧化传递链已受到了一定的损伤，使得反应中心的开放程度、光能转换效率下降，使电子传递能力下降，植物受到了严重的光抑制[34]，导致植株光化学效率降低，这也可能是混合盐浓度较高时光合速率下降的一个重要因素，这与前人对红芽芋[35]、垂丝海棠[36]、夏蜡梅[37]和棉花[38]的研究结果一致。

综上所述，栾树在100 mmol·L-1混合盐胁迫处理下叶片的生长指标、叶绿素含量、光合作用和叶绿素荧光特性没有受到显著影响，其对混合盐胁迫表现出一定适应性和耐受能力，此时其光合作用主要受气孔限制的影响;但当混合盐浓度达到200 mmol·L-1时，植株叶片的生长指标、叶绿素含量下降、光化学效率整体显著降低，非气孔限制成为影响光合作用的主要因素。