淹水胁迫对环巢湖湿地芦苇生长状态和生理特性的影响

尹 程，高 源，2* ，张祥霖 ,刘丹丹

(1.安徽水利水电职业技术学院 水利工程学院，安徽 合肥 231603；2.山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，山东 滨州 256603)

巢湖是中国长江流域的五大淡水湖之一，滋养了2046平方公里的土地，哺育了100万巢湖人民。近30年来，巢湖流域内社会经济的高速发展，巢湖湖水中内源营养盐负荷较高催生出巢湖富营养化现象[1-4]；巢湖的水生态环境恶化，水产资源骤降，严重制约了环巢湖城市乃至安徽省的社会经济的进一步发展[5]。巢湖富营养化受到了国家、政府和人民群众的密切关注，巢湖的研究与治理工作取得了很大的进步；当前随着巢湖生态治理工程不断深入推进，湿地面积不断增加以及湿地系统不断完善，巢湖富营养化得到一定的控制，水生态环境逐渐改善[6]。

湿地作为地球之肾具有拦蓄污染的重要作用，湿地水生植物恢复是湿地生态系统缓解湖水富营养化的关键[7-13]，水生植物健康生长是湿地系统健康运行的关键[14-16]。湿地是陆地和水域之间的过渡地带，湿地系统内水位受当地水文环境的影响水位不断变化，当夏季降水充沛时，湿地系统水位高，湿地系统中的植物可能长期处于淹水状态。许多研究表明，淹水会改变植物生长的条件，影响其生理生态特性。一般来说，植物淹水深度越深，持续时间越长，植物生理特性变化越显著，受到的损害也越严重；而不同的植物对淹水深度和淹水持续时间的敏感程度不同[17-23]。因此，不同的淹水程度会直接影响水生植物的生长状态和生理生态特征，进而影响湿地系统拦蓄污染的功能。

芦苇(Phragmitescommunis)是禾本科芦苇属多年生植物，因其繁殖能力、适应能力强，成为湿地水生植物的重要物种。本研究选取环巢湖湿地系统水生维管束植物优势种芦苇为试验样本，模拟深度分别为20 cm，40 cm，60 cm，90 cm等4种的淹水胁迫环境，以不淹水为对照，持续30 d后，调节淹水深度至20 cm，持续20 d，分析不同的淹水环境变化和持续时间对芦苇生长状态和生理特性的影响，探索芦苇对淹水胁迫的响应规律和淹水胁迫解除后芦苇恢复规律，旨在为环巢湖湿地系统健康运行提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料芦苇于2021年6月采自安徽巢湖湖岸湿地(31°43′6.16″N，117°23′9.31″E)，采集时选取生长状态、生物量基本一致的芦苇(株高约80-90 cm)连根挖起，保湿状态运送至室外大棚，移栽至同一区域采集的湖岸土壤中，期间以同一区域巢湖湖水浇灌，保持土壤含水量约为30%，缓苗复壮7 d备用。

1.2 试验方法

试验在室外大棚中进行，自2021年6月15日开始至8月4日结束，试验开始前选取缓苗复壮后生长状态、生物量基本一致的芦苇，去除黄叶，用去离子水冲洗后，栽种至直径25 cm，高40 cm的PVC塑料桶中，每桶定植3株，株高约为90 cm，鲜重约为100 g，桶中的栽种土壤采集自植物生长同一区域的湖岸，土壤深度20 cm。

试验设置处理组4个分别为淹水高于土壤20 cm组(C1)；淹水高于土壤40 cm组(C2)；淹水高于土壤60 cm组(C3)；淹水高于土壤90 cm组(C4)和不淹水对照组(CK)，每组设5个重复。选取长150 cm，宽35 cm，高120 cm的有机玻璃水箱5个，将同一处理组的5个重复放置在同一水箱中，处理组按照设定的淹水深度，用采集的同一区域巢湖湖水调节至相应标线，对照组定期用相同湖水浇灌，保持土壤含水量为30%。

淹水处理时长为30 d，第31 d起将处理组和对照组淹水调节至高于土壤20 cm，持续20 d。整个试验期间，每天10点钟，用相同湖水补充水箱内水位至相应标线，弥补自然蒸发和植物蒸腾作用损失的水分。

试验开始后分别测定统计芦苇生长状态指标和生理指标，分别于第0 d、30 d、50 d测定植物鲜重，植株高度，第10 d、30 d、50 d统计植株分蘖数。在第0 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d，上午8：00-9：00之间摘取植物上端完全展开的健康叶片(顶端下3-5叶)测定POD、SOD、CAT等3种抗氧化酶活性，在第0 d、30 d、50 d增加MDA(丙二醛)、可溶性蛋白和叶绿素含量等3种指标测定。

试验结束后收获芦苇植株，将芦苇分为地上部分和地下部分，烘干后分别测定干重。

1.3 测定方法

鲜重：使用梅特勒百分之一电子天平(瑞士梅特勒-托利多PL202-L型电子天平)测定植株鲜重。测定前用去离子水洗净，用滤纸吸干表面水分后进行称量，同一处理测定5次。

干重：采用百分之一电子天平(瑞士梅特勒-托利多PL202-L型电子天平)测定植株干重。测定前105 ℃杀青10 min，80 ℃烘干至恒重后进行称量，同一处理测定5次。

抗氧化酶活性：POD活性测定采用愈创木酚比色法[24]，以每分钟470 nm波长下吸光度变化0.01的酶量为1个酶活性单位(U)；SOD活性测定采用NBT还原法[24]，以抑制NBT光还原反应的50%为1个活性单位(U)；CAT活性测定采用过氧化氢分解法[24]，以每分钟240 nm波长下吸光度减少0.1的酶量为一个酶活性单位(U)。

MDA含量：采用TBA法[24]。

可溶性蛋白含量：采用考马斯亮蓝G-250染色法[24]。

叶绿素含量：以80%的丙酮溶液提取，分光光度法[24]测定(上海菁华752自动紫外分光光度计)。

1.4 数据分析

数据整理分析使用SPSS26.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)，经t检验(P<0.05)，图表采用SigmaPlot 14.0软件制作。

2 结果与分析

2.1 不同淹水深度下芦苇生物量变化分析

如表1所示，随着淹水深度的增加，处理组芦苇鲜重生物量增长量不断减少，各处理组间存在显著差异(P<0.05)；对照组与40 cm淹水组生物量及增长量相近(无显著差异)。随着淹水处理时间的增长，对照组及淹水深度小于60 cm组的增长率都下降，但淹水90 cm组的增长率变大。可见，淹水的深度和淹水的时间都对芦苇的生长量有显著影响。

表1 不同淹水深度下芦苇生物量(鲜重)

如图1所示，淹水50 d后，随着淹水深度的增加，处理组芦苇生物量干重增长量不断减少。淹水40 cm组芦苇生物量干重与对照组无显著差异，淹水60 cm，90 cm组生物量干重比对照组分别减少12.44%，19.68%。随着淹水深度的增大，生物量的组成比例发生变化，淹水90 cm组的地下生物量比例最高约为49%。可见，当淹水深度超过40 cm时，芦苇受到淹水胁迫的影响明显，生物量增大速度减缓。

图1 不同淹水深度下试验处理50天后芦苇生物量(干重)

2.2 不同淹水深度下芦苇形态结构变化分析

如图2所示，尽管受到淹水的影响，芦苇株高都继续增长。淹水处理组，随着淹水深度的增大，处理组株高增长量存在差异(P<0.05)。受淹水的影响，淹水60 cm，90 cm组株高比对照组在30 d分别减少8.22%，13.93%，在50 d分别减少9.23%，15.7%，而淹水20 cm组芦苇株高30 d，50 d株高均为最大，分别比对照组增大1.46%，20.38%。

图2 不同淹水深度下芦苇株高

如图3所示，淹水处理下各处理组植物均存在分蘖现象，淹水处理组随着淹水深度的增加分蘖数不断减少。淹水20 cm组分蘖数在第10 d，30 d，50 d比对照组分别增大116.67%，90.91%，57.15%；淹水60 cm，90 cm组分蘖数均显著小于相同天数的对照组。淹水处理50 d后，淹水40 cm，60 cm，90 cm组的分蘖数分别减少4.76%，38.1%，61.91%。

2.3 不同淹水深度下芦苇生理生态特征变化

不同淹水处理组叶片POD活性变化趋势不同，如图4所示。前30 d，对照组叶片POD活性基本不变，淹水20 cm组叶片活性呈现持续上升趋势，淹水40 cm，60 cm，90 cm组POD先增大后减小。在第10 d，淹水试验组POD活性均高于对照组，随着淹水深度的增加，POD活性增大，淹水90 cm组POD活性比对照组增大51.2%。在第30 d，淹水20 cm组叶片POD活性最大，淹水40 cm组叶片POD活性与对照组无显著差异，而淹水60 cm，90 cm组POD活性分别比对照组减少18.71%，36.53%。

图3 不同淹水深度下芦苇分蘖数

图4 不同淹水深度下芦苇过氧化物酶(POD)活性

第31-50 d各处理组叶片POD活性变化趋势不同。淹水20 cm组叶片POD活性无显著变化，其他处理组叶片POD活性较第30 d显著上升，上升幅度与淹水深度成负相关。第50 d时，淹水20 cm组叶片POD活性高于CK对照组，淹水40 cm组叶片POD活性与对照组无显著差异(P<0.05)，而淹水60 cm，90 cm组POD活性分别比对照组减少23.47%，42.65%。

不同淹水处理组叶片SOD活性变化趋势不同，如图5所示。

图5 不同淹水深度下芦苇超氧化物歧化酶(SOD)活性

前30 d，对照组叶片SOD活性基本不变，淹水20 cm组叶片SOD活性呈现持续上升趋势，淹水40 cm，60 cm，90 cm组SOD先增大后减小。在第10 d，淹水试验组SOD活性均高于对照组，随着淹水深度的增加，SOD活性增大，淹水90 cm组SOD活性比对照组增大1.8倍。在第30 d，淹水20 cm组叶片SOD活性最大，淹水40 cm组叶片SOD活性与对照组无显著差异，而淹水60 cm，90 cm组SOD活性分别比对照组减少17.88%，28.08%。

第31-50 d各处理组叶片SOD活性变化趋势不同。淹水20 cm组叶片SOD活性无显著变化，其他处理组叶片SOD活性较第30 d显著上升。第50 d时，淹水20 cm组叶片SOD活性高于对照组，而淹水60 cm，90 cm组SOD活性分别比对照组减少14.75%，29.65%。

不同淹水处理组叶片CAT活性变化趋势不同，如图6所示。前30 d，对照组叶片CAT活性基本不变，淹水20 cm组叶片CAT活性呈现持续上升趋势，淹水40 cm，60 cm，90 cm组CAT先增大后减小。在第10 d，淹水试验组CAT活性均高于对照组，随着淹水深度的增加，CAT活性增大，淹水90 cm组CAT活性比对照组增大1.4倍。在第30 d，淹水20 cm组叶片CAT活性最大，而淹水60 cm，90 cm组CAT活性分别比对照组减少31.06%，38.29%。

图6 不同淹水深度下芦苇过氧化氢酶(CAT)活性

第31-50 d各处理组叶片CAT活性变化趋势不同。淹水20 cm组叶片CAT活性无显著变化，其他处理组叶片CAT活性较第30 d小幅增大。第50 d时，淹水20 cm组叶片CAT活性高于CK对照组，而淹水60 cm，90 cm组CAT活性分别比对照组减少51.73%，56.81%。

2.4 不同淹水深度下芦苇MDA含量变化分析

淹水处理下各处理组芦苇MDA含量变化趋势不同，如图7所示。淹水20 cm，40 cm组与对照组在相同天数下的MDA含量无显著差异。在第30 d，淹水60 cm，90 cm组MDA含量50天分别比对照组增大39.87%，53.6%。在第50 d时，淹水60 cm，90 cm组MDA含量50天分别比对照组增大16.33%，42.81%。可见，随着淹水胁迫时间的延长，各处理组叶片MDA都是先增加后减少。

图7 不同淹水深度下芦苇丙二醛(MDA)含量

2.5 不同淹水深度芦苇可溶性蛋白含量变化分析

淹水处理下各处理组芦苇可溶性蛋白含量变化趋势不同，如图8所示。随着淹水时间的增加，淹水20 cm组芦苇可溶性蛋白含量不断增加，淹水40 cm组与对照组在相同天数下的MDA含量无显著差异。在第30 d，淹水60 cm，90 cm组可溶性蛋白含量分别比对照组增大10.25%，13.67%，在第50 d淹水60 cm，90 cm组可溶性蛋白含量分别比对照组减少18.11%，25.82%。

图8 不同淹水深度下芦苇可溶性蛋白含量

2.6 不同淹水深度下芦苇叶绿素含量变化分析

淹水处理下各处理组芦苇叶绿素含量变化趋势不同，如图9所示。

图9 不同淹水深度下芦苇叶绿素含量

随着淹水时间的增加，淹水20 cm组芦苇叶绿素含量不断增加，淹水40 cm组与对照组在相同天数下叶绿素含量无显著差异。在第30 d，淹水60 cm，90 cm组叶绿素含量分别比对照组增大14.75%，26.23%，在第50 d淹水60 cm，90 cm组叶绿素含量分别比对照组减少22%，44%。

3 讨论

3.1 淹水深度对芦苇的影响

湿地生态系统中的水生植物长期或者季节性地处于淹水状态，不同的水生植物的耐涝能力不同，耐涝能力强的植物不断调节自身的生理生态机能及生长状态以适应淹水胁迫。研究表明，芦苇因无性繁殖能力较强，具有耐水湿、适应能力强等特点而作为湿地生态系统构建的推荐物种。本研究中，随着淹水深度的增加(20-90 cm)，试验组的芦苇株高不断减少，分蘖数不断减少，鲜重增长量和干重增长量不断减少，而实验结束后芦苇地下生物量所占比例不断小幅增大。而河北白洋淀芦苇在10-45 cm水深处生长最适宜，淹水超过最适宜水深，株高、盖度、节间数等都受到显著限制[25]。淹水胁迫能限制芦苇幼苗的生长[26]，植物生物量的相对增长速率与淹水深度变化速率呈正相关[27]，这与我们的研究一致。可见，株高、分蘖数等简单的形态指标可以反映芦苇受淹水胁迫的影响。

淹水胁迫时挺水植物芦苇频繁遭受逆境胁迫。一般来说，当植物处于淹水逆境胁迫时，植物体内的膜脂过氧化或膜脂脱脂作用会导致MDA的积累，而SOD、POD和CAT等抗氧化酶通过活性调控则快速增加，清除活性氧和自由基，使细胞免受淹水胁迫毒害。本研究中，在相同的天数随着淹水深度的增大，MDA含量都不断增大，可溶性蛋白含量不断减少，叶绿素含量不断减少；而试验30-50天SOD、POD和CAT等抗氧化酶随淹水深度的增加不断减少。研究表明，当植物受到淹水胁迫影响时，随着淹水深度的增加(淹水深度9-12 cm)，芦苇幼苗抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量和叶绿素含量不断减少，这与我们的研究结果一致[28]。

3.2 淹水时间对芦苇的影响

本研究中，第10天的各处理组的SOD、POD和CAT均显著地高于对比组，且随着淹水深度的增大SOD、POD和CAT显著增大；而第30-50天淹水20 cm组SOD、POD和CAT显著大于对照组，淹水60-90 cm组随着淹水深度的增大，SOD、POD和CAT不断减少。芦苇幼苗，芦苇都有各自适宜的水深，超过适宜水深芦苇会受到淹水胁迫的影响[26]。有研究表明，植物体自身处于一个内稳态或者动态平衡过程，在自身受到胁迫时，启动机体胁迫应对策略，由抗氧化酶系统(SOD、POD和CAT)清除体内积累的过量的活性氧(含MDA)，进而应对淹水影响，这导致了早期淹水胁迫时SOD、POD和CAT的显著增大；而当芦苇长期处于淹水胁迫时，植物体受到淹水胁迫迫害的细胞增多，SOD、POD和CAT含量减少，MDA的积累量增加。在为期45天的淹水胁迫试验中，初期植株叶片MDA含量、SOD活性均有所增加，但是后期MDA含量继续增加，SOD活性则显著下降，这与我们的研究结论一致。当植物处于淹水胁迫时，植物启动机体胁迫应对策略，进而植物的生理生态出现变化。淹水胁迫时，植物的叶绿素受到损伤，蛋白质合成受到抑制，蛋白质分解增加，可溶性蛋白含量减少，进而株高、分蘖数、生物量受到影响[29]。本研究中，同一淹水深度时，淹水时间越长，芦苇叶绿素、蛋白质含量、株高、分蘖数、生物量与对照组相比的绝对增量越小。研究表明，芦苇的生长状况会受淹水时间的影响，短期的淹水芦苇能快速生长，长期的淹水需要生长新叶或者无性繁殖出新植物来适应淹水胁迫[26]。

淹水初期，芦苇MDA含量和SOD活性显著增大，说明芦苇受到淹水胁迫表现出强烈的抗逆性，随着淹水时间的延长或者淹水深度的增大，SOD、POD和CAT含量减少，这表明对芦苇抗氧化酶系统造成了一定的伤害。结束高水位淹水胁迫恢复轻度淹水(20 cm)，株高、分蘖数、生物量还能随着淹水时间增加而增大，这表明芦苇已经适应了淹水胁迫，进一步证明了芦苇的耐涝能力。因此芦苇可以适应巢湖湿地系统频繁或者季节性的淹水影响，芦苇在巢湖地区湿地的恢复与构建方面具有广阔的应用前景。

4 结论

巢湖地区芦苇随着淹水深度的增加，芦苇株高不断减少，分蘖数不断减少，鲜重增长量和干重增长量不断减少，但芦苇地下生物量所占比例不断小幅增大。淹水时间越长，芦苇叶绿素、蛋白质含量、株高、分蘖数、生物量与对照组相比的绝对增量越小。在淹水初期，芦苇MDA含量，SOD、POD和CAT活性显著增大;淹水处理第30天，随着淹水深度的加深，SOD、POD和CAT不断减少;在淹水20 cm的恢复期，叶绿素含量、可溶性蛋白含量小幅增大，芦苇SOD、POD和CAT活性恢复增大。在巢湖湿地生态系统中，20-40 cm是芦苇生长的适宜淹水深度；淹水初期芦苇对高淹水深度表现出强烈的抗逆性，30天后芦苇已经适应了淹水胁迫。