不同树种与马尾松混交的短期生理效应

周玮, 王艺, 苏春花

(贵州民族大学生态环境工程学院, 贵阳 550025)

马尾松(PinusmassonianaLamb.)生长快,耐干旱瘠薄,在恢复森林生态系统中起到先锋作用,是贵州省优良的乡土造林树种,在贵州省森林蓄积中马尾松占了30%以上[1]。由于大面积的马尾松纯林种植,树种单一,结构简单,物种多样性低。研究表明物种多样性降低会导致植物群落退化,土壤出现退化特征[2]。长期的纯林经营致使地力衰退,林分产量及质量下降,病虫害频发[3],为了维护生物多样性及可持续经营,保护生态环境,人们开始营造混交林或者对现有马尾松纯林进行林分改造。目前,有关马尾松混交林的研究主要集中在马尾松与不同树种混交后的生长效应[4-6],也有关马尾松混交林的物种组成的变化[7]、持水性能及抵御病虫害能力[8-9]等方面的研究,结果表明马尾松混交林较纯林具有更佳的物种组成及抵御病虫害的能力,增强林地的持水性,促进马尾松生长。

近年来,相关学者从马尾松混交后的生产力特征、生长、发育特性、林下植物多样性及水土保持特性等各个方面进行了研究,取得了一定的研究成果,如林润东等[10]研究了马尾松混交林的超产效应及其影响因素,结果表明混交林可以提高马尾松生物量的超产效应,促进马尾松的生长发育,优化马尾松林的林分结构;陈歆宇等[11]分析了不同马尾松混交林及其生产力功能的耦合关系,证明混交比例不合适及密度过大是影响马尾松生长的重要因素;罗创福等[12]及黄欣宇等[13]分析了马尾松混交林的生长及其林下植物,并对光环境的影响进行了研究,均证明混交林的生长及林下植被多样性均高于纯林;张博文等[14]对比分析了马尾松纯林及混交林的林下植物多样性,也得出相同结论;李鹏等[15]对马尾松混交林的水土保持特征及土壤性质进行了分析,表明马尾松混交林促进马尾松林的水土保持功能,提高土壤性质;文娟等[16]对混交林挥发性物质成分进行了分析,表明纯林挥发性有机物种类较混交林少;刘美玲[17]详细研究了马尾松-杉木混交后的生长及竞争关系。生理指标是植物生长变化的内在机制,是植物发育过程中形态、营养、生长及繁殖能力受外界影响而表现出的生命状态,能表征植物对逆境的抵抗能力及胁迫反应[18],较生长指标更能准确判断植物的发育特性及状况,但关于马尾松与树种混交后的生理特性及生理效应的研究至今未见报道。因此现选择贵州省主要的6种树种(枫香、香樟、杉木、桤木、木荷和刺槐)与马尾松按照1∶1比例在室内模拟混交种植,研究马尾松与不同树种混交后的叶绿素含量、抗氧化酶活性、渗透调节物质(可溶性蛋白及脯氨酸)、氮、磷转化酶活性(硝酸还原酶、酸性磷酸酶)以及丙二醛的含量,探讨混交后对马尾松生理特性的影响,揭示不同树种与马尾松混交的生理机制,为马尾松混交林营造中的树种选择提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用室内模拟试验,选择刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、桤木(AlnuscremastogyneBurk.)、枫香(LiquidambarformosanaHance)、香樟[Cinnamomumcamphora(Linn) Presl]、木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)及杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]与马尾松苗木混合种植,以马尾松单独种植为对照,分别记为CH-M、QM-M、FX-M、XZ-M、MH-M、SM-M及M(CK),共7个处理。各树种均采用1年生实生苗,各树种与马尾松苗按照1∶1行状混交种植于75 cm×50 cm×45 cm的种植盆中,每个盆中种 2 排,共计8株。于2021年2月进行盆栽试验,每种处理6盆。盆中所有土壤先混匀,再进行过筛、消毒处理。苗木移栽成活后,适时浇水、除草,定期进行苗期管理,按时监测苗木的生长。为避免产生边缘效应,定期交换盆栽位置及方向。

1.2 样品采集

待苗木移栽成活6个月后,于2021年10月底取出苗木进行分析。每种处理选取3盆,每盆选4株马尾松苗的上、中、下部针叶混合,约50 g,共3个重复,供马尾松苗生理指标分析用。

1.3 分析方法

1.3.1 实验方法

叶绿素测定:用95%乙醇液在避光条件下提取叶绿素,用紫外分光光度计测定其吸光值,参考刘秀丽等[19]方法进行叶绿素a、叶绿素b的含量计算。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性测定:采用氮蓝四唑法,以每克鲜样品酶活力单位表示。

过氧化物酶(peroxidase,POD)活性测定:采用愈创木酚显色法,以每分钟内470 nm处吸光度变化0.01为1个酶活性单位(U)。

可溶性蛋白含量测定:采用考马斯亮蓝G-250染色法。

脯氨酸含量测定:采用酸性茚三酮比色法。

丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量测定:采用硫代巴比妥酸法。

硝酸还原酶(nitrite reductase,NR)测定:采用磺胺比色法[20]。

酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)活性测定:采用刘渊等[21]酸性磷酸酶活性的方法测定,以单位时间内单位质量的针叶水解p-NPP 生成的对硝基苯酚的量来表示,即μg/(g·min)。

1.3.2 数据处理方法

用Excel进行数据整理并进行图表制作,应用SPSS 19.0的ANOVA进行方差分析、LSD法进行多重比较,应用Fuzzy综合评价法进行综合评价值分析,根据模糊数学综合决策原理, 采用加权平均和最大原则,公式[22]为

(1)

式(1)中:X(ij)为i处理j指标的隶属值均值;Xij为i处理j指标的测定值;maxXij为该指标的最大值;minXij为该指标的最小值;n为个案数。

2 结果与分析

2.1 不同处理对马尾松苗叶绿素含量的影响

从表1中可以看出,不同处理对马尾松叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量影响显著(P<0.05)。与对照M(CK)相比,CH-M处理叶绿素a及总叶绿素含量降低0.04 mg/g,叶绿素b含量与对照相同。其余处理下叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量均高于对照,MH-M、QM-M处理叶绿素a及总叶绿素含量显著高于M(CK)(P<0.05), 总叶绿素量分别较M(CK)高81.10%及57.46%。MH-M处理叶绿素b含量显著高于对照(P<0.05)。SM-M处理总叶绿素量增加量最小,较M(CK)总叶绿素含量高0.06 mg/g。QM-M处理叶绿素a/b最高,为3.60,比对照高0.33,其余处理比值低于对照,XZ-M处理马尾松针叶叶绿素a/b最小,为2.54。

表1 不同处理下马尾松针叶叶绿素含量

2.2 不同处理对马尾松抗氧化酶活性的影响

图1是不同处理下马尾松针叶过氧化物酶(POD)及超氧化物歧化酶(SOD)的活性。分析表明,不同处理下马尾松针叶抗氧化酶活性存在显著差异(P<0.05),与M(CK)相比,不同树种与马尾松混交后都显著提高了马尾松针叶的抗氧化酶活性。可以看出6种树种与马尾松苗混交后,马尾松针叶POD活性都比对照组M(CK)的高,其中FX-M处理POD的活性最高,为18.27 U/(g·min),较M(CK)高13.84 U/(g·min),其次是QM-M[14.91 U/(g·min)]、CH-M[14.21 U/(g·min)]处理,活性最低的是XZ-M处理,POD活性为8.82 U/(g·min)。不同处理下POD活性均显著高于对照处理M(CK)。

不同字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P>0.05)

不同处理下马尾松针叶SOD活性存在显著性差异(P=0.038<0.05),XZ-M、MH-M、FX-M与M(CK)间SOD活性存在显著性差异(P<0.05),CH-M、SM-M、QM-M与M(CK)间SOD活性差异不显著(P>0.05)。其中QM-M处理下SOD活性最低,仅为47.56 U/(g·h),其次是CH-M处理SOD活性较低。SOD活性最高的是FX-M处理,为85.47 U/(g·h),MH-M处理SOD活性也较高。

2.3 不同处理对马尾松针叶渗透调节物质的影响

由图2(a)可知,不同处理下马尾松针叶可溶性蛋白含量差异显著(P<0.05)。各处理可溶性蛋白的含量均高于对照M(CK),其中CH-M处理可溶性蛋白含量最高,为5.03 mg/g,其次是XZ-M处理;QM-M的可溶性蛋白含量最低(2.771 mg/g),较对照高 0.58 mg/g。

不同字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P>0.05)

由图2(b)可知,不同处理下马尾松针叶游离脯氨酸含量差异显著(P<0.05),其中FX-M处理下脯氨酸含量显著高于其他处理,其余各处理间差异不显著(P>0.05)。FX-M、XZ-M处理脯氨酸含量高于对照M(CK),FX-M处理脯氨酸含量最高,为191.38 μg/g,较对照高113.36 μg/g,其次是XZ-M处理。CH-M、SM-M、QM-M及MH-M处理脯氨酸含量低于对照,SM-M及MH-M处理脯氨酸含量最低,仅为46.83 μg/g及45.08 μg/g。

2.4 不同处理对马尾松针叶内转化酶活性的影响

由图3(a)可知,不同处理下马尾松针叶硝酸还原酶活性差异显著(P<0.05)。CH-M处理硝酸还原酶活性显著高于其余各处理。可以看出,CH-M的硝酸还原酶活性最高,为7.75 μg/(g·min),高于对照5.53 μg/(g·min),SM-M及MH-M处理硝酸还原酶活性也较对照高,分别高于对照1.20 μg/(g·min)及0.71 μg/(g·min);XZ-M、FX-M及QM-M处理硝酸还原酶活性低于对照,其中FX-M处理下硝酸还原酶活性最低,仅为1.57 μg/(g·min),低于对照0.66 μg/(g·min)。

不同字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P>0.05)

由图3(b)可知,根据多重比较结果可知,MH-M与QM-M、FX-M处理酸性磷酸酶活性存在显著性差异(P<0.05),MH-M与SM-M、CH-M、XZ-M及M(CK)的酸性磷酸酶活性间差异不显著(P>0.05)。MH-M处理马尾松苗酸性磷酸酶活性最高,为26.27 μg/(g·h),较对照M(CK)高1.19 μg/(g·h),其余处理马尾松针叶酸性磷酸酶活性均低于对照,其中FX-M处理马尾松苗的酸性磷酸酶活性最低,仅为17.69 μg/(g·h),较对照低7.00 μg/(g·h)。

2.5 不同处理马尾松针叶对MDA含量的影响

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的重要产物之一。由图4可知,不同处理下马尾松针叶中丙二醛(MDA)含量存在显著差异(P<0.05)。XZ-M、QM-M处理MDA含量显著高于其余处理(P<0.05)。XZ-M处理的MDA含量最高,为0.35 μmol/g,其次是QM-M处理,显著高于对照,说明与对照相比,XZ-M及QM-M处理对马尾松针叶的膜系统造成一定的伤害。FX-M、SM-M、CH-M处理马尾松针叶含量略高于对照,MH-M处理MDA含量最低,含量为0.045 μmol/g,且低于对照0.039 μmol/g。

不同字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P>0.05)

2.6 不同处理下马尾松幼苗生理综合评价

利用模糊隶属函数综合评价马尾松苗的生理效应(表2)。不同处理下马尾松苗的生理指标的综合评价值排序为MH-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。马尾松与其他树种混交后的综合值高于对照,针阔混交的综合评价值高于针叶与针叶混交(SM-M)。可见从生理特性上看,与马尾松混交效果最好的是MH-M、FX-M以及QM-M。

表2 不同处理下马尾松的各项生理指标的隶属度及其综合评价

3 讨论

叶绿素含量是反映光合器官生理状况的重要指标,其含量在一定程度上反映了生长状况和光合作用能力,叶绿素含量的高低影响着植物的光合速率。研究结果表明,除CH-M处理中叶绿素a及总叶绿素含量低于对照,其余处理叶绿素a、叶绿素b含量高于对照,特别是MH-M、QM-M处理显著高于对照。说明马尾松与除刺槐外的其余5种乡土树种混交能促进马尾松苗光合作用能力的提高,提升马尾松的光合速率。

植物细胞的渗透调节物质对维持细胞渗透平衡起重要作用。脯氨酸和可溶性蛋白等渗透调节物质含量的增加会改变细胞内外渗透势,从而显著提高植物的抗逆性[25]。可溶性蛋白含量越高,细胞的保水能力和结构稳定性越强,脯氨酸在消除活性氧、提高抗氧化能力、稳定大分子结构等方面也具有重要作用。不同处理下马尾松针叶可溶性蛋白含量高于对照,说明马尾松与6种树种混交后能提高马尾松苗的保水能力及结构稳定性。MH-M、SM-M处理脯氨酸含量低于对照,其余处理脯氨酸含量高于对照,FX-M处理脯氨酸含量显著高于对照。说明枫香与马尾松混交显著提升马尾松苗的抗逆性能,木荷、杉木与马尾松混交能提升马尾松的抗干旱能力,但马尾松苗消除活性氧略低。

硝酸还原酶(NR)及酸性磷酸酶(ACP)是植物体内氮、磷转化的诱导酶,硝酸还原酶(NR)将植物种氮素催化转化为无机氮,影响氮素的利用率,植物叶片、根系的代谢酶活性与植物体内氮素的积累量有明显相关性[26-27]。酸性磷酸酶(ACP)能分解和转化植物体内的有机磷,酶促有机磷化合物释放出植物生长所需要的无机磷,提高磷素的有效性[28],反映植物对磷素胁迫的适应能力。ACP 活性的增强是植物对缺磷适应能力的反映[29-31]。XZ-M、FX-M及QM-M处理下NR活性低于对照,说明香樟、枫香及桤木与马尾松混交对马尾松体内氮素的利用率有抑制作用,CH-M、SM-M及MH-M处理下NR活性高于对照,CH-M处理显著高于对照及其他处理,说明马尾松与刺槐混交后能显著提高马尾松体内氮素的利用率。仅MH-M处理下马尾松ACP活性含量高于对照,其余处理低于对照,说明马尾松与木荷混交后马尾松体内磷素转化能力增强,且对外界氮、磷元素缺乏有一定的适应性。

丙二醛(MDA)是植物细胞膜脂过氧化的产物之一,其含量的高低在一定程度上反映了膜脂的过氧化水平和膜结构的受害程度,其含量反映植物质膜受伤害的程度[32],植物细胞膜有强烈的过氧化作用,膜脂过氧化终产物 MDA 含量相应增加。FX-M及QM-M处理MDA含量显著高于对照及其他处理,MH-M处理中MDA含量最低,说明马尾松与枫香及桤木混交后马尾松针叶膜脂的过氧化水平高,马尾松膜受伤害的程度较高,与木荷混交,马尾松膜受伤害程度最低。

4 结论

不同树种与马尾松混交对马尾松苗的生理特性产生的影响不同,不同处理下马尾松苗的综合生理效应排序为MH-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。马尾松与其他树种混交后的生理特性综合评价值高于对照,针阔混交的综合评价值高于针叶与针叶混交(SM-M)。与马尾松混交从短期的生理特性上看综合效果最好的是MH-M处理,其次是FX-M以及QM-M处理。