水土保持先鋒植物類蘆對酸鋁脅迫的響應

吳家龍，戴 軍，馮 宏，鄧 婷，錢 歡 ，郭彥彪*

（1.華南農業大學資源環境學院，廣州 510642；2.農業部耕地保育重點實驗室，廣州 510642）

在我國熱帶和亞熱帶地區廣泛分布著大面積的酸性土壤，受東南季風氣候、高溫多雨的影響，由于強烈的風化淋溶作用，這類土壤大都呈酸性或強酸性反應，且呈現出加速發展的趨勢[1]，有些土壤pH已經低至4.0以下[2-3]，隨著土壤酸化的加劇，土壤中的可溶性鋁（Al）急劇增加，成為酸性土壤中限制植物生長的主導因素。含硫金屬礦山由于礦產開采，金屬硫化物暴露于空氣后氧化而產生大量的酸性廢水，導致礦區各類廢棄物嚴重酸化，其pH更是低至3.0以下，隨之造成Al的大量溶出[4]，可能是植被恢復的限制因素之一。關于Al對植物生長的影響，國內外已經開展了大量研究[5-6]，蕎麥[7]、大麥[8]等農作物、草類[9]和華南地區酸性土壤中的先鋒喬木樹種馬尾松[10]等對Al脅迫的響應規律均有研究報道，從現有研究明顯看出，Al對不同植物生長的影響程度差別很大，而且現有研究缺乏pH值低于4.0的強酸性條件下植物的鋁毒效應研究[11-12]，使得嚴重酸化土壤種植及酸性礦區植被恢復時在土壤改良和植物種篩選方面均缺乏理論指導。南方紅壤區分布著大量適合酸性土壤條件的優良水土保持鄉土草本植物，在嚴重退化生態系統的恢復中起著舉足輕重的作用，類蘆（Neyraudia reynau?diana）是其中最優良的水土保持先鋒植物之一，屬多年生禾本科大型密叢型草本植物，廣泛分布于我國長江以南的中亞熱帶至熱帶各省區，具有極強抗逆境生存能力[13-14]，是植被恢復的先鋒植物[15]，在裸露邊坡植被重建[16]和礦區植被恢復[17]方面往往起著最先定植固土、改良土壤水分條件，為其他植物侵占提供有利條件的先鋒作用[18]，具有巨大的應用價值。但是類蘆對酸性條件和鋁脅迫以及在酸鋁雙重脅迫下的耐受能力至今未得到系統研究。本研究通過營養液培養實驗，對不同pH值與不同Al濃度組合的多種酸鋁條件下類蘆植株的生長和養分吸收能力進行了研究，研究結果對進一步探索酸鋁對類蘆生長影響機制、充分挖掘類蘆這一優良水土保持先鋒植物資源和生態恢復時土壤改良標準的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

類蘆幼苗由當年新采集的種子在洗凈的河沙中培育而成，待幼苗生長至20 cm左右時用于試驗。不同pH值用稀H2SO4進行調節，不同Al濃度用[Al2（SO4）3·18H2O]（分析純）進行配制。營養液培養試驗以1/2Hogland營養液作為基礎培養液，所有營養液用高純水配制。然后以此為基礎先用Al2（SO4）3·18H2O配制鋁濃度分別為 0、10、40、200、1000 μmol·L-1和3000 μmol·L-1的處理液，然后再用稀硫酸調節處理液的pH，最終配制成pH 6.15、4.5、3.5、2.5的處理液。本試驗設置4個pH水平、6個Al濃度，每個處理設置3個重復。考慮到Al的氫氧化物Al（OH）3（無定形）的溶度積（1.3×10-33）[19]比較低，當 pH達到4.5時，200 μmol·L-1以上濃度因產生沉淀而無法達到設定濃度，因此本實驗在pH 4.5時未設置較高濃度的Al處理。各處理pH值和Al濃度見表1。

表1 不同pH值和Al濃度處理實驗方案Table 1 Experiment scheme for stress of pH and Al on N.reynaudiana

1.2 試驗方法

營養液培養試驗于2014年10月至12月期間在華南農業大學資源環境學院塑料大棚中進行，先將類蘆幼苗從沙中小心挖出，輕輕洗凈根部細沙，然后選擇長勢一致的幼苗移栽到裝有2 L營養液的塑料瓶中，先用完全營養液培養1周后再用相應的處理液進行處理，放置于塑料大棚內培養，每日用空氣泵充氣6 h，并根據水分損失情況補充水分，每周更換1次處理液，生長2個月后收獲，測定各指標。試驗處理結束后先測定其株高和分蘗數，然后小心將植株從塑料瓶中取出，將地下部和地上部分開，地下部依次用自來水、蒸餾水、高純水小心清洗后用濾紙吸干表面水分，然后與地上部同時在105℃殺青30 min后，70℃烘干至恒質量，分別稱量地上部和地下部生物量。將各樣品粉碎后用H2SO4-H2O2消煮，凱氏法測植株全氮；釩鉬黃比色法測植株全磷；火焰分光光度法測植株全鉀，具體測試方法參考《土壤農化分析（第三版）》[20]。

1.3 數據處理

用Excel 2003進行數據整理，運用SPSS 23.0統計軟件進行方差分析和Duncan多重比較，顯著性水平取α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同pH值和Al濃度對類蘆株高和分蘗能力的影響

在營養液培養條件下，不同pH值和Al濃度對類蘆株高的影響如圖1所示。在各Al濃度處理中，pH 3.5和pH 4.5處理的株高均顯著高于pH 2.5處理，而pH 3.5和pH 4.5處理之間并無顯著差異，在無Al條件下，pH 6.15處理的株高雖然顯著高于pH 2.5處理，但顯著低于pH 4.5處理。在pH 2.5條件下，隨著Al濃度的升高，類蘆株高呈現出先升高后下降的趨勢，其中3000 μmol·L-1處理顯著低于其他Al濃度處理，200 μmol·L-1處理株高最高。而在pH 3.5條件下，除3000 μmol·L-1處理顯著低于其他 Al濃度處理外，其他Al濃度對類蘆株高無顯著影響。除了3000 μmol·L-1和 1000 μmol·L-1Al處理外，一定的酸性條件更有利于類蘆植株的生長，只有pH 2.5的極強酸條件才顯著抑制類蘆株高，較高的pH條件（pH 6.15）也會對類蘆的株高有一定抑制作用。

水土保持先鋒植物的分蘗能力是衡量其侵占地表性能的重要指標。圖2為不同pH值和Al濃度對類蘆分蘗數的影響。從圖中可以看出，在相同Al濃度條件下，pH 2.5處理的分蘗數顯著低于pH 3.5和pH 4.5處理，而pH 3.5和pH 4.5處理之間并無顯著差異，當Al濃度為0時，pH 6.15處理的分蘗數顯著低于pH 3.5處理。當pH為4.5時，Al濃度對分蘗數無顯著影響；pH為3.5時，3000 μmol·L-1處理顯著少于其他處理，除40 μmol·L-1處理外，其他處理均顯著比無Al處理（0 μmol·L-1）少；而pH為2.5時，除200 μmol·L-1Al處理顯著高于1000 μmol·L-1處理外，其他處理分蘗數之間無顯著差異。可見極低的pH條件和3000 μmol·L-1的高Al濃度對類蘆分蘗能力均有顯著的抑制作用。但兩個因素（pH值和Al濃度）對類蘆株高和分蘗數的影響無顯著的交互作用，即二者之間并無相互加強對株高和分蘗數的抑制作用。

圖1 不同pH值和Al濃度對類蘆株高的影響Figure 1 Effects of pH and Al concentration on the height of N.reynaudiana

圖2 不同pH值和Al濃度對類蘆分蘗的影響Figure 2 Effects of pH and Al concentration on the tiller number of N.reynaudiana

2.2 不同pH值和Al濃度對類蘆生物量的影響

圖3 不同pH值和Al濃度條件下類蘆地上部生物量Figure 3 Effects of pH and Al on aboveground biomass of N.reynaudiana

圖4 不同pH值和Al濃度對類蘆地下部生物量的影響Figure 4 Effects of pH and Al on the underground biomass of N.reynaudiana

不同pH值和Al濃度條件下類蘆地上部和地下部生物量見圖3和圖4。從圖中可以看出，當Al濃度相同時，pH 2.5處理的地上部和地下部生物量均顯著低于pH 3.5、pH 4.5和pH 6.15處理，而pH 3.5、pH 4.5以及pH 6.15處理之間的地上和地下生物量均無顯著差異，表明類蘆生物質積累僅在極強酸環境（pH 2.5）下受到抑制，強酸環境（pH 3.5）并不影響類蘆生物質的積累。在pH 2.5的條件下，只有200 μmol·L-1Al處理的地上生物量顯著高于10 μmol·L-1和3000 μmol·L-1處理，地下生物量顯著高于 10 μmol·L-1和1000 μmol·L-1Al處理。在其他pH條件下，除3000 μmol·L-1Al處理地上部生物量顯著低于40 μmol·L-1處理外，其他Al濃度處理之間地上和地下生物量均無顯著差異，表明在非極端酸性條件下，只有Al濃度達到3000 μmol·L-1時才會對植株地上部生物量的積累產生抑制作用，而地下部在此條件下仍能正常生長。結果也顯示，pH值和Al濃度對類蘆地上部和地下部生物量的積累同樣無交互作用。

2.3 不同pH值和Al濃度條件下類蘆對養分的吸收能力

氮素是植物生長必不可少的大量元素之一，植株各部位氮素含量表明了植物對氮素的吸收和轉運能力。不同pH值和Al濃度條件下類蘆地上部全氮含量見圖5。在相同Al濃度條件下，在 0≤Al≤10 μmol·L-1的范圍內，地上部全氮含量在pH 2.5和4.5處理之間沒有顯著差異，而pH 3.5處理的地上部全氮含量低于 pH 2.5和4.5的處理。40 μmol·L-1Al濃度條件下3個pH處理之間地上部氮含量沒有差異，當Al濃度為200、1000 μmol·L-1和3000 μmol·L-1時，pH 3.5處理均顯著高于pH 2.5的處理。

在pH 2.5的條件下，隨著Al濃度的提高，類蘆地上部氮含量逐漸降低，其中10～200 μmol·L-1Al處理與無Al處理沒有顯著差異，而當Al濃度達到1000 μmol·L-1時，地上部氮含量則顯著低于無Al處理。當pH為3.5時，200 μmol·L-1Al處理的地上部含氮量最高，Al濃度高于或低于這一水平均使其含氮量隨之下降，其中無 Al和 10 μmol·L-1Al處理與 200 μmol·L-1處理之間的差異達到了顯著水平。pH為4.5時Al濃度對植株地上部全氮含量沒有影響。由此可以看出，只有極低pH和極高的Al濃度才嚴重抑制類蘆地上部氮素的積累。

不同pH值和Al濃度條件下對類蘆地下部全氮含量的影響見圖6。在不同pH處理之間，總體表現為pH 2.5處理的地下部全氮含量較高，其他pH處理相對較低，其中 0、1000 μmol·L-1和 3000 μmol·L-1Al濃度條件下，pH 2.5處理的地下部氮含量顯著高于pH 3.5處理，其他濃度處理的不同pH之間無顯著差異。當pH為3.5時，200 μmol·L-1Al處理地下部含氮量顯著高于 0、1000 μmol·L-1和 3000 μmol·L-1處理，其他Al濃度處理之間無顯著差異。而在pH 2.5和pH 4.5條件下，Al濃度對類蘆地下部全氮含量亦無顯著影響。對比地上部與地下部氮含量范圍，pH 2.5條件下，隨著Al濃度的增加，地上與地下氮含量逐漸減小，表明氮素從地下部向地上部的轉移受阻，而其他pH條件下，均為地上部氮含量高于地下部。

圖5 不同pH值和Al濃度對類蘆地上部全氮含量的影響Figure 5 Effects of pH and Al on the total nitrogen content in the aboveground of N.reynaudiana

圖6 不同pH值和Al濃度對類蘆地下部全氮含量的影響Figure 6 Effects of pH and Al on the total nitrogen content in the underground of N.reynaudiana

不同pH值和Al濃度條件下類蘆地上部和地下部全磷含量見圖7和圖8。從圖8中可以看出，pH值和Al濃度的變化均未對各處理植株地上部全磷含量產生顯著性的影響，說明在本實驗條件下，pH值和Al濃度的變化不影響植株地上部對磷的積累。從圖9中可以看出，無 Al和 10 μmol·L-1Al濃度條件下pH 2.5和pH 3.5處理之間地下部磷含量無顯著差異，但均顯著低于pH 4.5和pH 6.15處理，其他Al濃度條件下則pH 2.5處理的地下部全磷含量均顯著低于同一Al濃度下的其他pH值處理。pH 3.5條件下類蘆地下部全磷含量隨Al濃度的升高而顯著性降低，其他pH值條件下Al濃度的變化對類蘆地下部全磷含量均無顯著性影響。由前面分析可知，pH 2.5條件下，地下部生物量顯著低于其他處理，而此處磷的含量也顯著低于其他處理，由此可見，極低的pH會嚴重抑制類蘆地下部磷素的積累。

圖7 不同pH值和Al濃度對類蘆地上部全磷含量的影響Figure 7 Effects of pH and Al on the total phosphorus content in aboveground of N.reynaudiana

圖8 不同pH值和Al濃度對類蘆地下部全磷的影響Figure 8 Effects of pH and Al on the total phosphorus content in the underground of N.reynaudiana

不同pH值和Al濃度對類蘆地上部全鉀含量的影響如圖 9 所示。當 Al濃度為 0、1000 μmol·L-1和3000 μmol·L-1時，不同pH處理之間的類蘆地上部全鉀含量無顯著差異，而當Al濃度為10、40 μmol·L-1和200 μmol·L-1時，隨pH升高，類蘆地上部全鉀含量也隨之升高，在 10 μmol·L-1和 40 μmol·L-1Al濃度條件下，pH 2.5與pH 4.5處理之間達到顯著差異，200 μmol·L-1Al濃度條件下，pH 3.5處理的植株地上部全鉀含量顯著高于pH 2.5。只有pH 3.5處理中Al濃度對植株地上部鉀含量有顯著影響，在pH 3.5處理中，10、40 μmol·L-1和200 μmol·L-1的處理植株地上部全鉀含量顯著高于3000 μmol·L-1處理，表現為中等Al濃度處理有利于地上部鉀的積累。以上分析可以看出，pH 2.5嚴重抑制了其地上部對鉀的積累，導致Al濃度的變化不再對地上部鉀的含量具有影響，而當pH升高到3.5時，酸本身對類蘆的影響減小，此時Al濃度達到3000 μmol·L-1就會對植株地上部鉀含量產生顯著抑制作用。

不同pH值和Al濃度對類蘆地下部全鉀含量的影響見圖10。從圖中可以看出，在各Al濃度水平下，只有pH 2.5顯著抑制了植株地下部對鉀的積累，其鉀含量顯著低于其他pH處理，而其他pH處理之間地下部全鉀含量無顯著差異，表明只有極端酸性條件才造成類蘆地下部全鉀含量的顯著減少；在pH 4.5條件下，10 μmol·L-1Al處理地下部全鉀含量顯著高于無Al處理外，其他pH條件下Al濃度處理對類蘆地下生物量均未產生顯著影響。由此可見，pH 2.5的極強酸條件都嚴重抑制了類蘆地上和地下對鉀的積累，但pH 3.5條件下，3000 μmol·L-1的高濃度 Al處理只影響到地上部對鉀的積累，并未影響其地下部對鉀素的吸收，這可能是高濃度Al處理下鉀向植株地上部的運輸受到阻礙導致的。

圖9 不同pH值和Al濃度對類蘆地上部全鉀含量的影響Figure 9 Effects of pH and Al on the potassium content in aboveground of N.reynaudiana

圖10 不同pH值和Al濃度對類蘆地下部全鉀含量的影響Figure 10 Effects of pH and Al on the potassium content in root of N.reynaudiana

3 討論

3.1 pH值對植物生長的影響

pH值可以直接影響植物生長[21]、養分吸收[22-23]等，不同的植物對pH有不同的適應范圍。本研究中pH 2.5條件下各處理根尖伸長受阻，根系短小，當pH≥3.5時，各處理根系正常生長，pH為6.15時，類蘆株高和分蘗數反而不及酸性條件，綜合來看，pH 4.5條件下，類蘆生長更好，表明類蘆適合在酸性條件下生長，這與陳雪嬌等的研究結果一致[24]。較早研究發現，當pH≤4.0時，類蘆種子萌發會受到影響[24]，而本研究和前人研究[24]顯示類蘆在pH 3.5的條件下仍然能夠正常生長，表明類蘆種子萌發受酸的影響更大，而植株生長過程中耐酸能力更強，可見類蘆植株對酸性環境具有很強的適應能力和自我調節能力。

3.2 Al對植物生長和養分吸收的影響

鋁毒是酸性土壤（pH＜5.0）中限制植物生長的主要因子之一[26]，會抑制植物對養分的吸收[27]，會抑制植物的地上部和根部的生長，使生物量降低[28-29]。但不同植物對鋁毒的耐受能力不同，對紅三葉草、高粱、大豆、紅云杉、小麥和大麥以及馬尾松的生長產生嚴重抑制的 Al濃度分別為 0.04、0.07、0.18、0.25、0.37 mmol·L-1和1.0 mmol·L-1。也有報道指出，當Al濃度達到400 mg·L-1時，會造成蕎麥死亡[30]，100～500 mg·L-1時，黑麥草根系停止生長[31]。對于南方重要的經濟樹種桉樹而言，砂土培育pH 3.0條件下120 mg·L-1Al處理對桉樹幼苗的生長產生的抑制作用明顯，葉、芽皺縮、變形，質膜透性和葉綠素含量下降[32]。廣東大寶山礦區酸性礦山廢水中Al濃度范圍為62～100 mg·L-1（pH 2.4～2.57）[4，33]，據測定，pH 為 3.9 的自然土壤和2.94的礦區棄土的土壤溶液中Al濃度分別為31.4 mg·L-1和 2068 mg·L-1，而紅壤模擬酸雨淋出液中 Al濃度最高僅為0.1 mmol·L-1（約2.7 mg·L-1）[34]，可見酸性礦山棄土因酸化嚴重而導致Al活化程度要比自然酸性土壤嚴重得多，Al濃度足可以達到嚴重抑制植物生長的濃度。本研究中類蘆能夠在3000 μmol·L-1Al（=81 mg·L-1，pH2.5和pH3.5）的環境中生存且保持一定的生物量，且在pH 3.5條件下，根系生長未受到影響，說明類蘆也具有非常強的耐酸鋁毒能力，在酸性土壤分布區和酸性礦區植被恢復中有巨大的應用潛力。前人研究發現，低濃度的Al則有利于植株的生長[35]，本研究中 pH 2.5條件下200 μmol·L-1Al處理的株高和分蘗最高，這可能是Al對類蘆生長的Hormesis效應，該效應是自然界普遍存在的劑量-反應規律，通常表現為隨濃度的增加而先出現促進作用（低濃度范圍），達到一定劑量時出現抑制作用[36]。分蘗能力對于水土保持植物而言尤為重要，分蘗能力的正常發揮與否除了關系到植物對土壤的固持能力以外，還會直接影響植物對養分元素的吸收[37]。類蘆具有較強的分蘗能力，但是逆境條件對其分蘗有抑制作用[38]。本研究中pH 2.5的極強酸性環境和3000 μmol·L-1的高濃度Al條件明顯抑制了類蘆的分蘗，其他處理的類蘆分蘗數均達到20以上，這進一步證實了類蘆具有強大的分蘗能力。氮素供應水平對類蘆生長的影響非常大[39]，本研究中極低的pH和高濃度的Al對類蘆地上部氮的吸收有一定抑制作用，進而影響類蘆生長；類蘆具有較強的耐低磷能力[40]，本研究發現即使pH 2.5的極強酸性環境對類蘆地上部吸收磷和鉀的能力沒有顯著影響，但會抑制地下部對磷和鉀的吸收，3000 μmol·L-1的高濃度 Al條件會抑制地上部鉀的吸收，但對地上部磷和地下部的磷鉀吸收都沒有顯著影響，可見類蘆在Al脅迫條件下仍能維持體內較高含量的磷、鉀和根部的氮吸收能力，以維持自身正常的生長能力。由于Al離子的水解作用，pH和Al離子濃度相互影響[41]。本研究pH和Al離子濃度對類蘆生長以及養分吸收均無顯著的交互作用，原因可能是酸和Al對類蘆的毒害作用機理不同，因此在pH和Al離子的作用下未表現出相互加強或相互抑制的交互作用，相關機理需要進一步研究。

4 結論

通過以上分析，本研究得出以下主要結論：在本試驗條件下，類蘆在pH 2.5～6.15環境中都能夠存活并生長，其中在pH 3.5和4.5環境中生長更好，只有在強酸性條件（pH 2.5）或很高的Al濃度（≥3000 μmol·L-1）條件下生長才會受到明顯的抑制；在非極端酸鋁脅迫條件下，類蘆具有對較大范圍酸鋁環境的適應能力，酸鋁條件對類蘆的氮磷鉀三大元素的吸收能力影響較小，尤其是磷和鉀。由此可見，類蘆在強酸性土壤的植被恢復中具有極大的應用潛力，應充分挖掘其先鋒植物的潛力。