土壤酸化對景天三七生長、抗氧化酶活性及光合特性的影響

王一鳴，龍勝舉，陳 延，趙英鵬，仰路希，賀忠群

(四川農業大學 園藝學院，成都 611130)

土壤酸化是自然界中普遍存在的過程[1]，但在大氣環境污染致使酸沉降增加[2]及不當的農業措施[3]等人為因素影響下，加速或加重了這一過程。中國土壤酸化呈現出面積大、分布廣及部分地區酸化程度高的特點，其中酸化土壤總面積高達2.04×108hm2，約占全國土壤面積的22.7%[4]，并且呈逐年增加的趨勢，目前酸化的土地面積已擴大到中國耕地面積的40%以上。

土壤酸化會對植株的生長發育造成諸多影響，有研究發現受到酸化傷害(鋁毒)的作物通常表現為植株矮小，葉子呈墨綠色，葉尖發黃甚至枯死，生長點或葉柄萎蔫，與缺鈣和缺鐵的癥狀類似[5]，根尖和側根變得短而堅硬，根伸長受到抑制[6]。酸化后的土壤結構差、肥力低且有毒重金屬質量分數高，影響作物生長發育，降低作物產量，已經嚴重威脅糧食安全及農田的可持續發展[7]。

野生蔬菜的開發種植是近幾年的種植熱門[8]，景天三七(SedumaizoonL.)又名費菜、養心菜，屬景天科，景天屬多年生草本植物，是從傳統稀有野菜中培育出來的一種，其株叢矮小、生長整齊、花密集鮮艷，具有較高的觀賞價值，同時富含礦質元素和維生素等多種人體所需的物質[9]，常食可增強人體免疫力，具有預防高血壓和心臟病等保健功效。同時景天三七具有適應性強、無病蟲害及易種好管等優點，在野菜種植方面表現尤為突出，近幾年成為最具有經濟價值的綠色保健野菜[10]。

景天三七在生產栽培中表現出極強的抗逆性，但在酸化土壤中的種植研究較少，隨著景天三七栽培面積越來越廣泛以及中國可耕地土壤酸化面積的逐步增加，研究土壤酸化條件對景天三七生理生化的影響已顯得很有意義，同時也能夠為以后景天三七在酸化土壤中的生產栽培提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

參試的植物材料為景天三七(SedumaizoonL.)，由四川農業大學園藝學院提供。所有景天三七材料扦插繁殖20 d后得到，扦插繁殖所使用的基質為珍珠巖、蛭石、營養土按體積比1∶1∶4混合配置。

1.2 方 法

土壤來自四川農業大學(土壤pH 6.2，速效氮16.2 mg·kg-1，速效磷51.4 mg·kg-1，速效鉀49.2 mg·kg-1，有機質10.2 mg·kg-1)，將風干土過2 mm孔徑篩，取出部分土壤預調酸，每1 000 g土壤分別取濃硫酸0、1、2、3、4、5、6 mL稀釋至1 L后加入土壤中攪拌均勻，保濕并靜置1周，再次風干測定土壤pH，繪制土壤pH變化曲線，并得出土壤調酸公式[11]。根據得到的調酸公式對土壤進行調酸，得到pH為6.2、5.6、4.2和3.8 4個梯度的土壤，然后將長勢均勻一致的景天三七(株高5 cm左右)移栽到調好土壤pH的營養缽(規格：12 cm×13 cm)中培養，每個營養缽移栽1株并加300 g該處理土壤，每個處理8株，重復3次，共計96株，用土壤參數儀測定土壤含水量，使其保持在75%左右，生長40 d時取樣測定相關指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標的測定 莖粗、株高、根長和葉厚用游標卡尺進行測量；地上部和地下部鮮質量采用萬分之一電子天平進行稱量；根冠比=地上部分鮮質量∶地下部分鮮質量。

1.3.2 生理生化指標的測定 根系活力的測定采取氯化三苯基四氮唑(TTC)法；相對電導率的測定參考王學奎[12]的方法，傷害率=(處理電導率/煮沸電導率)×100%；可溶性糖質量分數的測定參考熊慶娥[13]的方法；葉綠素采用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502Plus)測定[14]，選取頂芽下第5片葉進行測定；葉片丙二醛(MDA)質量摩爾濃度的測定采用硫代巴比妥酸法；游離脯氨酸質量分數的測定采用茚三酮比色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用核黃素-NBT法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定。

1.3.3 光合參數的測定 光合參數采用Gene Company Limited公司生產的LI-6400XT光合儀進行測定，測定時選取頂芽下第5片葉進行，分別測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)，氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca(Ca為空氣中CO2濃度)。

1.3.4 熒光參數的測定 熒光參數采用德國Heinz Walz Company公司所生產的PAM-2500進行測定，測定時選取頂芽下第5片葉進行，得到初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實際光化學效率(ΦPSⅡ)、非光化學淬滅(NPQ)、光化學淬滅(qP)和最大光化學效率(Fv/Fm)。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2016和SPSS version 22.0 (IBM Corp oration)對試驗數據進行顯著性分析(P≤0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤酸化對景天三七生長的影響

土壤酸化對景天三七生長的影響見表1，隨著土壤酸化的加重，景天三七的葉片厚度、莖粗、株高和地上部鮮質量基本呈現逐漸降低的趨勢。其中在土壤pH 3.8中生長的景天三七的葉厚、莖粗、株高和地上部鮮質量分別較CK降低31.7%、10.95%、42.62%和61.78%，且差異顯著。

表1 土壤酸化對景天三七生長的影響Table 1 Effect of soil acidification on growth in Sedum aizoon L.

與之相反的是隨著土壤pH的下降，根長、根鮮質量以及根冠比均呈現先上升后下降的趨勢。在pH 5.6的土壤中生長的景天三七的根長、根鮮質量和根冠比分別比CK提高30.05%、48.37%和73.51%。而隨著土壤pH的進一步降低，土壤pH降到4.2和3.8后，與CK相比，根長降低57.41%和55.37%，根鮮質量降低45.01%和60.46%。說明植物能通過增加地下部的生長量以應對輕度的酸脅迫危害，而強的土壤酸脅迫則會對植株的生長造成明顯抑制。

2.2 土壤酸化對景天三七根系活力、相對電導率和可溶性糖質量分數的影響

由表2可以看出，隨著土壤pH的降低，景天三七的根系活力先升高后降低，而根系可溶性糖質量分數和根系相對電導率表現逐步升高的趨勢。

在pH 5.6的土壤中，景天三七的根系活力比CK提高32.04 %，在pH 4.2的土壤中植株根系活力與CK無顯著差異，隨著土壤進一步酸化，在pH 3.8的土壤中，植株的根系活力顯著降低，比CK降低24.73%。

隨著土壤酸化的加重，景天三七根系內的可溶性糖質量分數迅速增加以抵抗土壤酸脅迫，在pH 5.6的土壤中根系可溶性糖質量分數顯著高于CK，隨著脅迫的繼續加重，可溶性糖質量分數在pH 3.8的土壤中達到最大值，比CK提高147.98%。

根系的相對電導率在pH 5.6的土壤中與CK相比差異不顯著，在pH 4.2的土壤中則顯著升高，隨著土壤酸脅迫加重，根系質膜的通透性進步增大，在pH 3.8的土壤中根系電導率比CK提高 81.19%，表明質膜已經受到嚴重損傷。

表2 土壤酸化對景天三七根系根系活力、相對電導率及可溶性糖質量分數的影響Table 2 Effect of soil acidification on root activity,root soluble sugar mass fraction and root relative conductivity of Sedum aizoon L.

表3 土壤酸化對景天三七葉片滲透調節物質及抗氧化酶活性的影響Table 3 Effect of soil acidification on osmotic adjustment substances and antioxidant enzyme activity in leaves of Sedum aizoon L.

2.3 土壤酸化對景天三七葉片滲透調節物質、相對電導率及抗氧化酶活性的影響

由表3可以看出，隨著土壤酸化程度的加重，景天三七葉片內可溶性糖和游離脯氨酸質量分數先升高后降低，而MDA、相對電導率、SOD和CAT活性則表現持續上升的趨勢。

可溶性糖和游離脯氨酸屬于滲透調節物質，植物可以通過調節其質量分數應對土壤酸化[15]。在pH 5.6的土壤中，葉片中的可溶性糖和游離脯氨質量分數最高，隨著土壤的進一步酸化，其質量分數逐漸下降，在pH 3.8的土壤中葉片的可溶性糖質量分數依然顯著高于CK 23.44%，而游離脯氨酸質量分數則顯著低于CK11.09%。

MDA是脂質過氧化作用的主要產物之一，其質量摩爾濃度的高低在一定程度上反映膜脂過氧化作用水平和膜結構的受害程度。隨著土壤酸化加重，葉片MDA質量摩爾濃度逐漸升高，與葉片的相對電導率變化一致，在pH 3.8的土壤中葉片MDA質量摩爾濃度比CK提高60.91%，相對電導率比CK提高19.43%，表明景天三七葉片的膜結構在酸化土壤中受到損傷，質膜透性顯著增大。

輕度土壤酸脅迫(pH 5.6)對植株SOD活性沒有顯著影響。在土壤pH為4.2和3.8時植株SOD活性顯著升高，分別比CK提高2.68%和4.99%，而CAT活性隨著土壤酸化逐漸升高，在土壤pH 3.8時CAT活性相比CK提高36.2%，表明植株通過提高SOD和CAT活性來緩解土壤酸脅迫對其造成的損傷。

2.4 土壤酸化對景天三七葉片光合參數的影響

由表4可以看出，酸化土壤的pH為4.2～6.2時，土壤酸化對景天三七凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)并無顯著影響，但基本呈現Pn和Ls緩慢升高；Gs和Tr先升高后降低，Ci緩慢降低的趨勢。但隨著土壤pH進一步降低，土壤酸脅迫對景天三七的光合作用造成明顯的抑制作用。Pn、Gs、Tr、Ci與CK相比下降了67.12%、80.44%、75.92%和67.07%。而Ls則顯著升高，與CK相比提高69.03%。表中Pn和Gs的變化基本一致，說明隨著土壤酸化的加劇，植物氣孔基本失去調節能力。而Ci與Ls變化趨勢相反，表明Pn的下降與在土壤酸化作用下的氣孔因素有一定關系，這種關系在土壤pH低于4.2后表現的尤為明顯。

而景天三七葉片中葉綠素SPAD值的變化與Pn的變化相一致，表明隨著土壤酸化的加劇，植株通過增加葉綠素SPAD值來提高光合能力，以抵抗土壤酸脅迫的傷害。在土壤pH 4.2時葉綠素SPAD值比CK提高了9.88%，但當土壤pH降到3.8后，葉片中的葉綠素SPAD值則開始顯著降低，與pH 4.2相比降低了25.6%。表明土壤pH在低于4.2以后，土壤酸脅迫會對植株的葉綠體造成明顯的破壞。

表4 土壤酸化對景天三七葉片光合參數及葉綠素SPAD值的影響Table 4 Effects of soil acidification on Pn,Gs,Tr,Ci,Ls and total chlorophyll SPAD value in leaves of Sedum aizoon L.

2.5 土壤酸化對景天三七熒光參數的影響

由表5可知，隨著土壤酸化的加劇，景天三七初始熒光(Fo)沒有顯著差異，最大熒光(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)則呈現先升高后降低的趨勢。在土壤pH低于4.2以后Fm和Fv/Fm出現顯著性的降低，表明在pH 3.8的土壤中，葉片的光合電子傳遞能力以及光能轉化效率開始受到明顯的抑制。

光化學淬滅(qP)與實際光化學效率(ΦPSⅡ)隨著土壤pH的降低變化趨勢相一致，在pH 4.2的土壤中顯著升高，qP比CK提高了5.91%，表明土壤酸化會刺激PSⅡ反應中心的電子傳遞活性的升高。非光化學淬滅(NPQ)則表現出先升高后降低的趨勢，在pH 5.6的土壤中，NPQ達到最大值，比CK高48.18%，表明輕度的酸脅迫可增加景天三七葉片PSⅡ天線色素的熱耗散，在一定程度上緩解土壤酸脅迫對光合作用的影響。當土壤pH為3.8時，NPQ與CK相比顯著降低64.31%，表明嚴重的土壤酸脅迫會使 PSⅡ受到破壞，降低熱耗散能力。

表5 土壤酸化對景天三七葉片熒光參數的影響Table 5 Effect of soil acidification on Fo,Fm,Fv/Fm,qP and ΦPSⅡ in leaves of Sedum aizoon L.

3 討 論

逆境脅迫對植株的影響可以在株高、莖葉及根冠比等形態學指標上直觀地表現出來[16]。本試驗結果表明，輕度的土壤酸化(pH 5.6)會增強景天三七根系的活力，促進地下部的生長。但隨著土壤酸化程度的加劇，土壤 pH達到4.2甚至3.8時，景天三七的株高、葉厚、莖粗和根長會受到明顯的抑制作用，造成根系可溶性糖大量累積，相對電導率顯著增加，質膜透性增大，導致根系活力顯著降低，對景天三七的根系造成嚴重損傷，這與伍杰等[17]對康定木蘭幼苗的研究結果相似。

植物抗氧化酶系統活性的變化和膜脂過氧化作用已經廣泛用于對植物逆境反應機制的研究[18]。土壤酸化對景天三七地上部的影響同樣顯著，在輕度(pH 5.6)土壤酸脅迫下，景天三七的抗氧化酶系統啟動，SOD和CAT活性升高，以保護植物細胞免受自由基的影響[19]，同時葉片內可溶性糖和游離脯氨酸質量分數顯著升高，維持了細胞滲透壓的平衡，從而保護了光合作用的正常進行，結合景天三七熒光參數對土壤酸化的響應關系，可以認為在輕度脅迫下植株通過活性氧代謝、滲透調節物質與PSⅡ光能轉化協同發揮作用，保證了植株正常光合作用的進行，促進植株地下部的生長。但隨著土壤pH的降低，特別是土壤pH達到3.8時，SOD和CAT活性迅速增強，滲透調節物質的質量分數顯著下降，特別是MAD質量摩爾濃度急劇升高，葉綠素SPAD值急劇降低，說明細胞內活性氧的產生開始超出系統的清除能力，導致生物膜的結構和功能的破壞，葉綠素被氧化分解。光合上的表現就是出現閾值響應，Pn、Gs、Tr、Ci急劇降低，同時Ls顯著升高，氣孔喪失調節能力。

葉綠素熒光參數的變化可以反映光合作用的內在機制，已經被較多地應用于探索脅迫下植物光合的響應過程與機制[20-21]，土壤酸化對Fo的影響較小，其中NPQ反應了植物PSⅡ耗散過剩光能為熱量的能力[22]，即光保護能力，qP反應了PSⅡ吸收的能量用于進行光化學反應的比例，即電子傳遞活性的高低[23]。在輕度土壤酸(pH 5.6)脅迫下，景天三七的qP下降，NPQ上升，說明植株通過降低電子傳遞活性，增加對過剩光能的熱耗散能力對保護光合機構進行保護。但隨著土壤酸化的進一步加深，特別是土壤pH達到3.8時，NPQ的熱耗散能力急劇下降，最大光化學效率(Fv/Fm)顯著低于其余處理，表明此時PSⅡ已經受到破壞，但光化學淬滅(qP)與實際光化學效率(ΦPSⅡ)卻顯著上升又說明電子傳遞活性增加，結合葉綠素SPAD值以及Pn的急劇下降來分析，可以認為在pH 3.8的土壤酸脅迫下，景天三七的PSⅡ已經受到破壞并且發生了功能紊亂。

綜上所述，景天三七屬于耐酸性植物，能夠適應土壤pH 4.2及以上的土壤環境，但過度的土壤酸化(pH<5.6)會對景天三七的生長以及生理功能造成明顯的抑制。因此在酸化土壤中進行景天三七的生產栽培時，應注意當地土壤酸堿度不應低于pH 5.6。