3種華北石質山區(qū)造林樹種抗旱性評價

李澤東， 李亦然， 周曉瑩， 張如明， 程甜甜， 張永濤?

(1.山東農業(yè)大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，271018，山東泰安； 2.萊蕪市水土保持辦公室，271100，山東萊蕪)

全球背景下的氣候變暖及人類活動的影響使得干旱問題越來越嚴重[1]。植物在生長發(fā)育過程中，會受到來自外界環(huán)境的各種生物、非生物脅迫，其中干旱是最重要的非生物脅迫之一，無論是長期干旱還是短期水分虧缺都可能對植物造成嚴重不可逆的傷害，影響植物生長發(fā)育及作物產量[2]。許多學者對植物抗旱機理和植物抗旱性評價做了大量的研究工作，并且也取得了較大進展[3-5]，大量研究表明，植物在遭受干旱脅迫時，植物體內會產生一系列生理變化來適應干旱逆境，不同植物對干旱脅迫的響應特點，適應能力和生理機制差別較大。因此，研究不同樹種在遭受干旱脅迫時的響應特點與生理機制對其在荒山綠化，植被恢復中的應用具有重要的實踐意義。

華北地區(qū)土壤貧瘠，干旱缺水，水土流失嚴重，具有眾多的未造林或造林地差的石灰?guī)r丘陵山地，嚴重制約著這些未開發(fā)山地的生產力[6]。植被恢復是華北石質山區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復的重要措施[7]，采用植物措施對干旱瘠薄山地進行綠化，對改善生態(tài)環(huán)境、固碳增匯、促進經濟社會協調發(fā)展有著重要的作用。白蠟、麻櫟和皂莢作為華北石質山區(qū)造林的常用樹種，較為耐干旱瘠薄[8]，雖然已有對3樹種的生理方面的研究[9-10]，但3樹種對不同程度干旱脅迫的生理響應的異同性以及樹種之間的抗旱性強弱尚不明確。因此，筆者研究選擇上述3種樹種為研究對象，通過植物生理生化反應而表現出的抵抗干旱脅迫的能力，探討植物的抗旱作用機制，選擇丙二醛含量、細胞膜透性、超氧化物歧化酶活性和脯氨酸含量等作為評價植物抗旱性的生理生化指標[2]，基于隸屬函數法對3種植物進行抗旱性評價；對植物在不同干旱脅迫梯度下的的生理響應進行分析；并用灰色關聯分析各個生理生化指標的主次關系，區(qū)分不同的生理指標在植物遭受干旱脅迫時所表現出的差異性，以期為華北石質地區(qū)干旱瘠薄山區(qū)造林樹種配置及生態(tài)環(huán)境修復提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

山東農業(yè)大學林學試驗站位于泰安市南部(E 117°11′，N 36°16′)，屬于溫帶季風大陸性氣候，四季分明。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，植物區(qū)系屬于華北植物區(qū)系，包括森林、灌叢、灌草叢、草甸、等生態(tài)系統[11]；多年平均氣溫13 ℃，極端最高氣溫40 ℃，極端最低氣溫-20.7 ℃，7月氣溫最高，平均26.4 ℃，1月最低，平均-2.6 ℃；年平均降水量697 mm，最大年降水量1 083.00 mm，最小年降水量434.0 mm，降水分布不均，易發(fā)生春旱；年日照時間2 355 h；無霜期198 d；土壤以棕壤、褐土為主，肥力中等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料處理方法

選擇生長一致的2年生白蠟、麻櫟、皂莢幼苗作為試驗材料，2017年4月進行盆栽培育，花盆直徑50 cm，高40 cm，每個樹種盆栽25盆，每盆1株，采用常規(guī)方法管理盆栽。8月苗木新梢停止生長后進行試驗。每個樹種選取在相同逆境下具有代表性的苗木進行測定，通過環(huán)刀法測定盆內土壤密度為1.46 g/cm3，田間持水量35%。將所有試驗幼苗進行飽和灌溉處理，然后自然蒸散耗水，自然耗水第3天后開始測定土壤含水量，用鋁盒烘干法求出質量含水量，其與田間持水量的比值得出土壤相對含水量(SRWC)。此后每3 d測定1次，一共持續(xù)30 d，根據每次測定的土壤相對含水量劃分出5個土壤水分梯度，對這5個水分梯度進行生理響應方面的比較。5個土壤水分梯度分別為：T1、T2、T3、T4、T5，其對應的土壤相對含水量分別為45.6%～50.9%、40.2%～45.6%、36.1%～40.2%、30.2%～36.1%和26.8%～30.2%。按照Hsiao等[12]中植物水分梯度劃分的方法，分為中度干旱(T1、T2)和重度干旱(T3、T4、T5)。試驗期間搭建透明塑料頂棚，防止雨天降水進入花盆，無降水時則撤掉頂棚。

2.2 試驗指標及測定方法

試驗植株用Li-6400光合儀測定凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、胞間二氧化碳濃度Ci等光合參數；葉片丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量用硫代巴比妥酸法測定；用相對電導率法測定細胞膜透性；采用烘干法測定葉片相對含水量；用CL-01葉綠素儀測定葉綠素；用抑制NBT光還原比色法測定超氧化物歧化酶(super oxide dismutose，SOD)活性；采用酸性茚三酮比色法測定脯氨酸。

2.3 數據分析

用模糊數學中的隸屬函數法對3樹種進行抗旱性評價[13]；用灰色理論系統中的灰色關聯分析法確定抗旱指標與樹種抗旱性的關系[14]。

對試驗數據用SPSS進行方差分析，差異顯著性運用Duncan’s檢驗法進行多重比較。所有數據用Origin軟件進行處理作圖，并在圖中標出標準差。

3 結果與分析

3.1 不同干旱條件對植物光合作用的影響

3.2 不同干旱條件對植物MDA含量和細胞膜透性的影響

干旱對植物MDA含量和細胞膜透性的影響如圖2所示，3樹種MDA含量隨著干旱脅迫加劇，總體上呈現出上升趨勢。而白蠟、皂莢的細胞膜透性在T4時出現了降低的現象，到T5時又迅速上升，這可能是因為植物在受到干旱脅迫時，會做出自我保護反應，例如保護酶增多，增加滲透調節(jié)物質，植物自身產生了一些自我修復。但是隨著干旱程度加劇，植物的自我修復能力不足以抵消干旱對植物的傷害，細胞膜透性繼續(xù)加大。相對而言，白蠟的細胞膜過氧化程度較深，麻櫟和皂莢的細胞膜過氧化程度較弱。經方差分析，T4時麻櫟、皂莢、白蠟的MDA含量之間差異性顯著(P<0.05)，T5時白蠟和麻櫟、皂莢差異性顯著(P<0.05)。

圖2 不同干旱條件對植物MDA含量和細胞膜透性的影響Fig.2 Effects of different drought conditions on plant MDA (malondialdehyde) content and cell membrane permeability

3.3 不同干旱條件對植物葉片相對含水量和葉綠素質量分數的影響

圖3 不同干旱條件對植物葉片相對含水量和葉綠素質量分數的影響Fig.3 Effects of different drought conditions on relative water content and chlorophyll content of plant leaves

干旱對3種植物葉片相對含水量和葉綠素質量分數的影響見圖3，3樹種的葉片相對含水量均隨著干旱程度加深呈下降趨勢。其中：白蠟在T1、T2時，即干旱前期下降速度較為緩慢，而在T3、T4、T5干旱后期時則下降較快；皂莢在T3時略微下降；麻櫟保持緩慢下降趨勢，T5到T1時白蠟，麻櫟，皂莢的葉片相對含水量分別下降了38.79%、6.74%和13.81%，總體上看，白蠟相對于麻櫟和皂莢更易失水；白蠟的葉綠素含量在試驗前期有個略微升高的過程，之后隨著干旱加劇到T5時才降低；麻櫟的葉綠素質量分數隨著土壤水分的減少，呈緩慢升高態(tài)勢，這可能是因為麻櫟遭受干旱脅迫時，葉片相對含水量下降，使得葉綠素質量分數升高；皂莢在干旱前期有一個急速上升過程，T2時達到了峰值(增幅達到72.82%)，到干旱后期又迅速下降，最后才趨于穩(wěn)定；總體上白蠟的葉綠素質量分數要高于麻櫟和皂莢。

3.4 不同干旱條件對植物SOD活性和脯氨酸質量分數的影響

由圖4可知，白蠟和麻櫟的脯氨酸質量分數隨著干旱程度增加，并未發(fā)生顯著變化；皂莢的脯氨酸質量分數于干旱前期上升平緩，到了干旱后期，特別是T3到T4這個階段上升速率較快(達到82.19%)，T4時皂莢的脯氨酸質量分數和白蠟，麻櫟之間差異性顯著(P<0.05)。T5時差異性同T4；3樹種的SOD活性總體與干旱程度呈正相關關系，其中麻櫟、白蠟的SOD活性在T5時略微降低。SOD活性的變化規(guī)律大體與其細胞膜透性、MDA含量變化相一致。經方差分析：T4時3樹種SOD活性的差異性都不顯著，T5時皂莢的SOD活性與白蠟，麻櫟之間差異性顯著(P<0.05)。

SOD：superoxide dismutase content, the same below. 圖4 不同干旱條件對植物SOD活性和脯氨酸質量分數的影響Fig.4 Effects of different drought conditions on SOD activity and proline content in plants

3.5 抗旱性的綜合性評價

采用模糊數學中的隸屬函數法對3樹種的7項生理指標進行抗旱性綜合評價，隸屬函數值最大，抗旱性越強。結果如表1所示：在中度干旱條件下白蠟、麻櫟、皂莢的隸屬函數平均值分別為0.488、0.570、0.504；在重度干旱條件下白蠟、麻櫟、皂莢的隸屬函數平均值分別為0.496、0.532、0.504。所以無論在中度還是重度的干旱條件下，其抗旱能力大小均表現為麻櫟>皂莢>白蠟。

表1 3個樹種的7項生理指標隸屬函數平均值Tab.1 Membership function average of 7 physiological indicators for 3 tree species

灰色關聯分析方法，是根據因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關聯程度的一種方法[17]。根據灰色系統理論，關聯度表征各個生理指標與抗旱性密切程度，關聯度越大說明該指標與抗旱性關系越密切[13]。3樹種的抗旱指標的平均值及標準化處理見表2和表3，通過表2和表3計算得出這7個指標的關聯系數均在0.5以上，說明用這7個指標來評價這3個樹種的抗旱性是合理的。對這些指標進行排序(表4和表5)，中度干旱條件各個指標與抗旱性的關聯度表現為：葉片相對含水量>SOD活性>葉綠素含量>細胞膜透性>MDA含量>凈光合速率>脯氨酸含量；重度干旱條件各個指標與抗旱性的關聯度表現為：葉片相對含水量>細胞膜透性>凈光合速率>SOD活性>MDA含量>葉綠素含量>脯氨酸含量，因此，中度干旱條件下，葉片相對含水量、SOD活性是與植物抗旱性聯系比較密切的指標；而在重度干旱條件下與抗旱性聯系較為密切的指標則變成葉片相對含水量、細胞膜透性。

表2 中度干旱條件下3個樹種的抗旱性指標及標準化處理Tab.2 Drought resistance indexes of 3 tree species under moderate drought and their standardized treatment

表3 重度干旱條件下3個樹種的抗旱性指標及標準化處理Tab.3 Drought resistance indexes of 3 tree species under severe drought and their standardized treatment

表4 中度干旱條件下3個樹種抗旱性與各個指標的關聯系數、關聯度、關聯序Tab.4 Correlation coefficient, correlation degree and correlation order of drought resistance and indexes of 3 tree species under moderate drought conditions

注：ε為不同指標與樹種抗旱性的關聯系數。下同。Notes:εis the correlation coefficient between different indicators and drought resistance of tree species. The same below.

表5 重度干旱條件下3個樹種抗旱性與各個指標的關聯系數、關聯度、關聯序Tab.5 Correlation coefficient, correlation degree and correlation order between drought resistance of three tree species and each index under severe drought condition

4 討論

干旱脅迫會影響植物氣孔開閉，進而影響CO2進入，存在氣孔和非氣孔因素影響植物光合作用，Ci和Ls是主要判斷依據[15]。在T1到T3階段，3樹種均是Ci降低，Ls升高，此時的Pn降低主要是由于氣孔導度降低引起的；在T3到T5階段，白蠟和皂莢的Pn，Ls降低伴隨著Ci升高，此時的氣孔因素已經不是限制植物光合作用的主要因素，也有可能是葉肉細胞光合活性的下降，所以T3是白蠟和皂莢由氣孔限制轉為非氣孔限制的轉折點，二者在T3之后其Pn也開始較快下降。而麻櫟的各個光合參數相較而言都變化不大，可以看出麻櫟對干旱脅迫具有較強適應能力。

植物葉片相對含水量是重要的反映植物保水性狀的指標，植物的葉片相對含水量越大，則植物的保水性越強，另外葉片相對含水量還可以反映植物水分與蒸騰作用之間的關系[18]。大部分研究[19]表明，隨著干旱程度加劇，植物葉片相對含水量會下降，但抗旱保水能力強的植物葉片相對含水量下降慢。筆者通過研究發(fā)現麻櫟在干旱后期葉片相對含水量要高于其余2樹種，且下降速率最低，這也符合本文麻櫟抗旱性要高于另外2樹種的結論。一般情況下，干旱脅迫會抑制植物葉綠素合成，并加速使現有植物葉綠素分解，使植物葉綠素含量總體上降低[20-21]；但也有研究表明干旱會使植物葉綠素含量升高[22]，這可能是干旱脅迫抑制了植物葉片擴展生長，并使葉片含水量降低，由此產生了濃縮效應。T1時，3樹種的葉綠素含量分別為白蠟18.83%、麻櫟12.69%、皂莢13.35%，到T5時白蠟和皂莢葉綠素含量分別下降了8.4%和5.3%，而麻櫟葉綠素含量卻上升了34.9%，維持在一個較高的水平上，這說明適度的干旱并沒有對麻櫟的的葉綠體和線粒體受到損害[23]，麻櫟表現出較強穩(wěn)定性，這是耐旱植物的生理特點之一，這與徐飛等[24]在干旱脅迫對麻櫟幼苗的研究結果一致。

逆境傷害時脂膜過氧化導致MDA積累，使蛋白質和核酸變性，導致膜流動性降低，膜透性增強；因此MDA和細胞膜相對透性是植物遭受逆境傷害的常用指標[25]。但是T3～T4時MDA與細胞膜透性的趨勢并不一致，許多研究也有類似結果[26]，他們認為膜損傷并不完全由膜脂過氧化作用引起[27]。隨著干旱加劇，3樹種的MDA含量都是一個累積過程，且細胞膜透性也是一個增加的過程，這與許多研究結果[28-29]類似。麻櫟MDA含量在干旱前期呈先升后降的趨勢，這與喻曉麗等[30]對火炬樹(RhusTyphina)和黃承玲等[25]對高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)的研究結果一致。白蠟MDA含量在干旱前期略微下降，這可能是因為白蠟的酶保護系統先行啟動，隨著干旱程度加深，防御系統失去作用，MDA含量開始大幅上升。總體上麻櫟MDA含量和細胞膜透性較為穩(wěn)定，干旱脅迫并沒有對麻櫟細胞膜穩(wěn)定性造成顯著傷害，細胞膜結構功能比較完好。

脯氨酸除了作為一種重要的滲透調節(jié)物質，一般情況下含量較少，當植物在生長過程中出現逆境條件時，脯氨酸含量大量增加[31]；但本研究發(fā)現除了皂莢脯氨酸含量明顯增加以外(增幅達到241.52%)，另外2個樹種脯氨酸含量變化并不明顯。由脯氨酸在3樹種干旱過程中的反應可以猜測，脯氨酸在皂莢的抗旱性中起著重要作用，對白蠟和麻櫟的抗旱性所起作用有限。目前的研究結論是脯氨酸與植物抗旱性相關性并不一致[20]。

由灰色關聯分析得出結論，無論是在中度干旱還是重度干旱的條件下，葉片相對含水量與植物抗旱性關聯最為密切，如果僅用葉片相對含水量這一指標來評價植物抗旱性，結果表現為麻櫟>皂莢>白蠟，這也與本文的研究結果一致。在植物遭受逆境脅迫時，SOD是活性氧清除系統中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶[32]，植物在遭受逆境脅迫時維持較高的抗氧化酶活性，有利于清除活性氧，減少脂膜過氧化程度，減少脂膜損傷[33]，所以中度干旱時，SOD與抗旱性關聯更為密切。干旱持續(xù)加劇，重度干旱時期，脂膜過氧化程度加劇，導致膜流動性降低，膜透性增強，所以此時細胞膜透性與植物抗旱性關聯比較密切。

5 結論

1)對3樹種進行抗旱性排序：麻櫟>皂莢>白蠟，麻櫟面對干旱脅迫具有較強的適應能力，在干旱瘠薄的北方土石山區(qū)造林時可考慮將麻櫟作為先鋒樹種。

2)中度干旱時，葉片相對含水量和SOD活性與抗旱性關聯比較密切；重度干旱時，葉片相對含水量和細胞膜透性與抗旱性關聯比較密切，隨著干旱程度加劇，不同指標與抗旱性的關聯性有所差異。

3)3樹種在抵御干旱的手段具有一定共性，即通過保持葉片水分和SOD消除自由基來減少脂膜過氧化程度兩個機制來抵御干旱脅迫。