高溫條件下稀土尾砂干旱對4種植物生理特性的影響

張海娜,魯向暉,金志農,李 陽,王瑞峰,李宗勛,劉利昆

南昌工程學院水利與生態工程學院,南昌 330099

離子型稀土礦是我國重要的戰略資源,南方紅壤區是主要產區。隨著稀土研究的深入和需求量的增加,稀土礦山的開采迅速發展,但離子型稀土礦早期多采用堆浸工藝開采,遺留大面積尾砂地,造成嚴重的水土流失[1-2]。采取有效的礦山植被修復措施來改善稀土尾砂生態環境是亟待解決的問題。然而,稀土尾砂地表裸露、干熱化強烈,保水能力差[3],植物生長受到嚴重的水分脅迫,尤其季節性高溫干旱期,甚至影響到植物幼苗的存活。因此,篩選抗高溫干旱性強的鄉土植物,是實現稀土尾砂地生態恢復的首要措施。目前關于稀土尾砂植被恢復的研究報道大多集中在草灌層,如百喜草(Paspalumnotatum)[4],紫珠草(Callicarpamacrophylla)、梔子(Gardeniajasminoides)、果桑(Morusalba)、金銀花(Lonicerajaponica)[5],寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)、胡枝子(Lespedezabicolor)[6]等；喬木層植物的篩選在福建長汀稀土尾砂植被恢復中有所報道,主要有木荷(Schimasuperba)、楓香(Liquidambarformosana)、火力楠(Micheliamacclurei)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)[6]等。雖然這些喬木是參考稀土礦區周邊未破壞地土壤和植物的特點篩選的,但是尾砂地土壤的理化性質發生了很大變化,這些被篩選植物對廢棄礦尾砂的適應性如何,缺少足夠評價。根據課題組前期對江西尋烏稀土尾砂植被恢復情況的調查,發現稀土礦尾砂區地表植被覆蓋度較高(甚至達到100%),但是喬木層主要是桉樹,種類單一,在植物篩選方面存在一定的盲目性,缺乏適生植物篩選的有效指標。

光合作用是植物對環境變化很敏感的生理過程[7],高的凈光合速率和水分利用效率(WUE)常常被作為植物生存和分布能力強的表征[8],而且WUE是植物抗旱特性的客觀評價指標[9],在相同條件下WUE高的植物抗旱能力強[10],它能夠揭示植物的潛在生存能力,有助于找出植物抵御極端干旱和水分脅迫的內在機理[11-12]。不僅如此,為適應復雜多變的環境,植物在生理上發生與之相應的改變來適應環境[13],如滲透調節物質、抗氧化酶等。研究發現,逆境脅迫下植物葉片會積累滲透調節物質(可溶性糖、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白等),通過提高細胞滲透壓來維持細胞的持水力和水分代謝平衡[14-15],通過抗氧化酶活性抑制細胞的膜脂過氧化、維護氧自由基的代謝平衡和細胞膜的完整性[14]；而且,植物抗逆性與抗氧化酶和滲透調節物質含量正相關[16]?；诖?本文以稀土礦區周邊的植物楓香、木荷、桉樹以及江西廣泛分布的鄉土植物樟樹為研究對象,對比分析植物幼苗在高溫干旱和高溫豐水條件下的光合作用、WUE,以及植物葉片的滲透調節物質含量和抗氧化酶活性,探討4種植物對稀土尾砂高溫干旱脅迫的響應機理與抗旱性,為稀土尾砂生態修復中抗逆植物的篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自江西省尋烏縣某廢棄稀土礦尾砂地,采集表層0—20 cm的尾砂,分析其理化性狀。根據國際制土壤質地分類,土壤粒徑在2—0.02 mm范圍的含量約占65%左右,屬于沙質壤土,田間持水量15.02%,土壤容重2.25 g/cm3；土壤pH為5.08,屬于強酸性,電導率高達79.12 dS/m,是未破壞地紅壤(6.9 dS/m)的10倍多,尾砂中土壤有機碳、有機質、全氮、全磷含量分別為6.29 g/kg、10.85 g/kg、0.20 mg/kg和1.21 g/kg,速效磷和速效鉀含量分別為13.78 mg/kg和225.97 mg/kg(表1)。

供試植物種類為稀土礦區周邊生長良好的楓香、木荷、桉樹,和江西廣泛分布的樟樹,其中楓香、木荷和樟樹為兩年生幼苗,桉樹為當年生盆栽苗。

表1 稀土尾砂0—20 cm深度土壤理化性狀

1.2 試驗方法

試驗于南昌工程學院生物技術試驗基地進行。該基地位于南昌市,屬于亞熱帶濕潤季風氣候,年平均氣溫17—17.7℃,極端最高氣溫40.6℃,極端最低氣溫-9.7℃,年降雨量1600—1700 mm,降水日為147—157d,年平均暴雨日5.6d,年平均相對濕度為78.5%。年日照時間1723—1820 h,日照率為40%。年平均風速2.3 m/s。年無霜期251—272d。夏季高溫期,降雨較少,植物常會遭受高溫干旱脅迫。

2016年3月底將楓香、木荷、樟樹幼苗(高約50 cm,冠幅15 cm)和桉樹幼苗(高約15 cm,冠幅10 cm)種植于花盆(直徑29 cm,高26 cm)中,每種植物10盆,盆與盆之間的距離為15 cm,完全隨機擺放。試驗初期是南昌雨季,將植物處于自然狀態。在季節性高溫干旱期,連續15d溫度高于35℃,天氣晴朗未降雨。在此期間將一半植株仍處于自然狀態(高溫干旱條件),另一半植株則每隔5d充分澆水,直到花盆底部有水流出(高溫豐水條件)。光合參數和生理指標測定于充分澆水后第3天進行。同時,用烘干法測定盆中稀土尾砂的土壤含水量。

選擇高溫干旱和高溫豐水條件下生長健壯均一的植株,用美國LI-Cor公司制造的LI- 6400便攜式光合儀,于9:00—11:00測定植株中上部葉片的光合指標,包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr),每種處理重復3—5次。試驗期間,光合有效輻射1022.90 μmol photons m-2s-1,葉片飽和水汽壓差3.55 kPa,空氣溫度和相對濕度分別為40℃和50%左右。

光合測定的同時,采集植株中上部健康葉片,迅速放入液氮罐帶回實驗室低溫-80℃保存,用于植物滲透調節物質和抗氧化酶活性測定,指標測定參考李合生[17]的實驗方法。葉綠素(Chl)含量采用分光光度法,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法；可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法,游離脯氨酸(Pro)采用磺基水楊酸法,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G- 250法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT(氮藍四唑)光還原法；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法,過氧化氫酶(CAT)活性采用碘量滴定法。

1.3 數據處理

采用SPSS16.0軟件對數據進行不同處理的單因素方差分析(ANOVA),Duncan新復極差法檢驗生理指標在樹種之間的差異顯著性,顯著性水平設定為α=0.05；模糊隸屬函數[18]評價4種植物抗高溫干旱的能力,隸屬函數值越高則表示抗旱性越強；灰色關聯法[19]分析各指標與抗旱隸屬函數均值的關聯度,關聯度越大則表示該指標與抗旱性關系越緊密。

采用Origin 8.0軟件進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤水分狀況

高溫干旱條件下土壤含水量為1.13%—2.13%,高溫豐水條件下為13.57%—19.61%,其土壤含水量顯著高于高溫干旱條件。對不同植物來說,干旱條件下樟樹的土壤含水量顯著高于木荷,豐水條件下土壤含水量在4種植物之間無顯著差異(表2)。

表2 4種植物土壤含水量情況

同一處理下植物種間差異顯著用不同字母表示,P<0.05; HT：High temperatures

2.2 植物幼苗光合特征

高溫干旱條件下,植物的Pn、Gs和Tr在4種植物之間差異不顯著,樟樹WUE顯著高于楓香和木荷；高溫豐水條件下,Pn在4種植物之間無顯著差異,而樟樹的Gs和Tr顯著低于其他3種植物,WUE最高；不管是干旱還是豐水條件下,楓香、木荷和桉樹的WUE無顯著差異(圖1)。

圖1 高溫干旱和高溫豐水條件下4種植物幼苗的光合特征Fig.1 Photosynthetic characteristics of four plants under drought and wet conditions at high temperatures高溫干旱條件下植物種間差異用小寫字母表示,高溫豐水條件下用大寫字母表示。不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 植物幼苗的Chl和MDA含量

不管是高溫干旱還是豐水條件,楓香Chl含量最高,豐水條件下木荷和樟樹次之,桉樹最低；干旱處理下楓香、木荷和樟樹的Chl含量較豐水條件顯著降低,其中木荷的Chl含量降低幅度高達66.82%,遠高于其他三種植物(表3),使其Chl含量顯著低于樟樹與桉樹,說明木荷的Chl含量受干旱脅迫影響最大。對MDA來說,高溫豐水條件下樟樹含量最高,木荷和桉樹次之,楓香最低；高溫干旱脅迫下楓香和桉樹的MDA含量顯著高于豐水條件,分別高出49.14%和22.07%,木荷和樟樹的MDA含量在兩種水分處理之間的變化幅度分別為3.47%和2.68%,無顯著差異(圖2,表3)。

圖2 高溫干旱和高溫豐水條件下4種植物的葉綠素和丙二醛含量Fig.2 Chl and MDA of four plants under drought and wet conditions at high temperatures同種植物不同水分之間差異顯著用不同字母表示(P<0.05)

植物種類Plant species各指標變化幅度 Variation range of each index/%葉綠素Chl丙二醛MDA可溶性糖Solute sugar脯氨酸Proline可溶性蛋白Solute protein超氧化物歧化酶SOD過氧化物酶 POD過氧化氫酶CAT楓香L. formosana9.8749.144.7110.2332.761.29256.9852.74木荷S. superba66.823.4726.4597.09158.931113.44241.34840.75樟樹C. camphora32.362.684.9328.9118.8331.52580.20117.59桉樹E. gandis5.2822.0744.67179.2125.1018.95216.9559.61

Chl：chlorophyll；MDA：Malondialdehyde；SOD：Superroxide diamutase；POD：Peroxidase；CAT：Catalase

2.4 植物幼苗葉片的滲透調節物質含量

高溫干旱條件下4種植物的滲透調節物質含量較豐水條件均有不同程度的升高,其中木荷和桉樹的可溶性糖、Pro和可溶性蛋白含量顯著高于豐水條件,楓香和樟樹的3種物質含量在豐水與干旱條件之間無顯著差異。高溫干旱條件下,木荷的Pro和可溶性蛋白含量較豐水條件下的變化幅度分別為97.09%和158.93%；桉樹的Pro含量變化幅度最大,為179.21%,可溶性糖次之,為44.67%,可溶性蛋白最低,為25.10%(表3)；楓香和樟樹在干旱和豐水條件下滲透調節物質含量的變化幅度分別為4.71%—32.76%和4.93%—28.91%?？梢?高溫干旱脅迫下木荷和桉樹的滲透調節能力高于楓香和樟樹(圖3)。

圖3 高溫干旱和高溫豐水條件下4種植物的滲透調節物質Fig.3 Osmotic adjustment solutes of four plants under drought and wet conditions at high temperatures不同條件下同種植物差異顯著用不同字母表示(P<0.05)

2.5 植物幼苗葉片的抗氧化酶活性

高溫干旱脅迫下木荷、樟樹和桉樹的SOD活性較豐水條件顯著升高,變化幅度依次為1113.44%、31.52%和18.95%,楓香的SOD活性在豐水和干旱處理之間無顯著差異；4種植物在干旱條件下的POD活性顯著高于豐水條件,其中樟樹升高幅度最大,為580.20%,楓香和木荷次之,分別為256.98%和241.34%,桉樹變化幅度最小,為216.95%；干旱脅迫下4種植物的CAT活性較豐水條件均顯著升高,其中木荷升高840.75%,幅度最大,樟樹次之,為117.59%,楓香和桉樹CAT變化幅度無顯著差異,分別為52.74%和59.61%。可見,楓香主要通過POD和CAT來應對干旱脅迫,其他3種植物則通過3種抗氧化酶活性的共同作用來應對高溫干旱脅迫(圖4)。

圖4 高溫干旱和豐水條件下4種植物的抗氧化酶活性Fig.4 Antioxidant enzyme activity of four plants under drought and wet conditions at high temperatures同種植物在不同處理間差異顯著用不同字母表示(P<0.05)

2.6 植物幼苗抗旱性綜合評價2.6.1 模糊隸屬函數分析

通過隸屬函數法對高溫干旱條件下4種植物幼苗的9個抗旱性指標進行綜合評價,可知4種植物楓香、木荷、樟樹和桉樹的隸屬函數值分別為0.221、0.529、0.696和0.563,其抗旱性為樟樹>桉樹>木荷>楓香(表4)。

表4 稀土尾砂高溫干旱條件下4種木本植物的抗旱性綜合評價

Table 4 Comprehensive evaluation on drought resistance of four plants under high temperature and drought condition in rare earth mine tailings

抗旱性指標Drought resistance index植物種類Plant species楓香L. formosana木荷S. superba樟樹C. camphora桉樹E. grandis水分利用效率WUE0.0000.1381.0000.568葉綠素Chl0.0001.0000.5910.629可溶性糖Soluble sugar0.0210.0000.8191.000脯氨酸Pro0.2161.0000.1260.000可溶性蛋白質Soluble protein0.7781.0000.9240.000丙二醛MDA0.0000.3410.8011.000超氧化物歧化酶SOD0.5330.4890.0001.000過氧化物酶POD0.0000.7921.0000.091過氧化氫酶CAT0.4380.0001.0000.775隸屬函數均值Membership function mean0.2210.5290.6960.563抗旱性排序Drought resistance sort4312

WUE：Water use efficiency；Chl：Chlorophyll；Pro：Proline；MDA：Malondialdehyte；SOD：Superoxide dismutase；POD：Peroxidase；CAT：Catlase

2.6.2灰色關聯分析

對各抗旱指標均值與抗旱系數進行灰色關聯分析,關聯度越大表明該指標與抗旱性的關系越密切。表5顯示,關聯度大小為WUE>可溶性糖>CAT>Pro>MDA>SOD>Chl>POD>可溶性蛋白,表明WUE與抗旱性關聯最大,其次為可溶性糖和CAT等指標,而SOD、POD、Chl以及可溶性蛋白對這4種植物幼苗的抗旱性影響較小。

表5 抗旱指標的灰色關聯分析

WUE：Water use efficiency；Chl：Chlorophyll；Pro：Proline；MDA：Malondialdehyte；SOD：Superoxide dismutase；POD：Peroxidase；CAT：Catlase

通過隸屬函數和灰色關聯分析可知,楓香通過可溶性蛋白調節表現出最弱抗旱性,木荷在Pro滲透調節作用下體現抗旱性,樟樹通過WUE、可溶性糖和CAT的共同作用來應對高溫干旱,桉樹則通過可溶性糖和MDA來響應干旱脅迫。

3 討論與結論

礦山廢棄地的植被恢復一般不具備灌溉條件,再加上稀土尾砂地土壤保水能力差,因此所選植物應具有盡可能強的抗旱性,尤其在研究區的季節性高溫干旱期,對抗旱力強植物的篩選更具必要性,抗旱指標的作用在植物篩選也中有著重要的現實意義。本文比較了高溫干旱條件下4種植物的光合生理和WUE,發現干旱脅迫下植物的Pn、Gs和Tr顯著低于豐水條件,而WUE顯著高于豐水條件,說明高溫干旱抑制了4種植物的光合作用,主要通過提高WUE來應對稀土尾砂的高溫干旱脅迫,其中樟樹在干旱脅迫下具有最高WUE；而且豐水條件下樟樹的Pn、Gs和Tr比其余3種植物都低,WUE也最高,說明高溫豐水條件下,樟樹采用“保守方式”適應環境,這使得樟樹在干旱脅迫時依然能夠保持較高WUE和生存能力,這可能與樟樹葉片結構中較高的粘液細胞含量有關[20],有助于增強植物的抗性,這與王倩等[21]發現低溫脅迫后3種景天的粘液細胞數量增多的研究結果基本一致。

植物遭受干旱脅迫時,其生理生化過程可以反映植物的應對機制,通過產生脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調節物質而維持細胞內外的滲透平衡[22-23],減輕干旱脅迫對植物的傷害效應。已有研究表明,干旱處理下刺槐幼苗的葉、枝、樹干以及根系的可溶性糖均高于正常水分條件[24]。趙雪等對干旱脅迫下不同種源文冠果幼苗滲透調節物質的測定表明,隨著干旱脅迫加劇,文冠果幼苗葉片的可溶性糖和可溶性蛋白含量增加[25]；馬劍等關于文冠果的生理特性對水分脅迫響應的研究也得到一致結論[26]。本研究中,稀土尾砂高溫干旱脅迫下4種植物的可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白含量均有不同程度的提高,與前人研究結果[24- 26]一致。木荷和桉樹的3種滲透調節物質(可溶性糖、Pro和可溶性蛋白)含量顯著高于豐水條件,楓香和樟樹的滲調物質含量在兩種處理之間無顯著差異,說明木荷和桉樹受干旱脅迫的影響較大,分別通過Pro和可溶性糖的滲透調節作用來維持葉片細胞膨壓,減少高溫干旱對植物葉片的破壞,而樟樹在高溫干旱脅迫下依然能夠維持正常的滲透調節能力,楓香的主要滲透調節物質可溶性蛋白與植物抗旱性的關聯性最小,抗旱性最弱。

干旱脅迫還會引起植物體內活性氧的積累,導致脂質過氧化反應和質膜透性增強,進而引起嚴重的生理傷害,那么植物清除活性氧的能力與其抗旱性緊密相關。干旱時葉片可以通過SOD、POD、CAT來清除樹木體內的自由基,防止細胞膜受到傷害[23]。MDA作為膜脂過氧化產物之一,它可以與細胞膜上的蛋白質、酶等結合,導致膜完整性的破壞和選擇透性的喪失,是細胞膜被破壞的標志性物質[27]。本研究中高溫干旱脅迫下楓香和桉樹MDA含量顯著高于豐水條件,樟樹和木荷的MDA無顯著差異,說明楓香和桉樹的細胞膜受損程度加劇,樟樹和木荷細胞膜受損程度小,主要是由于木荷和樟樹受到高溫干旱脅迫時,其SOD、POD和SOD的活性急劇升高,及時清除植物體內自由基,使細胞膜免受傷害；而楓香和桉樹在干旱條件下的SOD、POD和SOD活性升高幅度較小,致使植物體內的膜脂過氧化反應增強,MDA含量升高。這與王卓敏等[28]、宋愛琴等[29]對輕度干旱脅迫下樟樹和木荷的抗氧化酶活性響應一致,重度干旱脅迫下的生理響應相反,說明本試驗中稀土尾砂高溫干旱對樟樹和木荷幼苗的脅迫尚處于輕度,在水分條件改善后可以恢復正常生長。從上述4種植物的過氧化物酶活性可知,干旱脅迫下樟樹和木荷的酶活性較高,楓香和桉樹較低,說明樟樹和木荷可通過抗氧化酶活性的調節來保護膜結構,維持正常生理代謝。

上述研究顯示,稀土尾砂高溫干旱脅迫下4種植物在WUE、滲透調解和抗氧化酶活性等方面表現出明顯響應?；疑P聯分析得出,各指標抗旱關聯度大小為WUE>可溶性糖>CAT>Pro>MDA>SOD>Chl>POD>可溶性蛋白,可見WUE和可溶性糖是衡量植物抗旱性的主要指標。這與段洪浪等[30]的研究結果一致,季節性高溫干旱會對植物的碳水過程產生重要影響,而“水力失衡”和“碳饑餓”可分別從水分關系和碳同化兩方面解釋樹木干旱死亡的生理機制。植物通過提高WUE來提高抗旱性和生產力；非結構性碳水化合物(NSC)參與喬木的生命過程,在很大程度上影響著喬木對干旱脅迫的響應[31],可溶性糖作為NSC的主要組成物質,通過滲透調節以維持膨壓,促進細胞吸水,維持導管的水分傳導功能,提高樹木存活率。對抗氧化酶活性來說,系統中SOD、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、CAT酶活性之間的平衡是確定活性氧(超氧自由基和H2O2)穩態水平的關鍵[32],SOD作為防御第一線,能特異性地將超氧陰離子歧化為H2O2和O2,然后由APX和CAT清除H2O2,由于CAT與H2O2具有較高的親和力[18],CAT在清除過量的H2O2方面起了重要作用,因此CAT與樹木抗旱性的關聯度高于SOD和POD。基于隸屬函數法對4種植物的抗旱性進行綜合評價,結果顯示：樟樹>桉樹>木荷>楓香,其中樟樹是通過WUE、可溶性糖和CAT的共同作用體現抗旱性,桉樹通過可溶性糖和MDA來響應干旱脅迫,木荷在Pro的調節作用下體現抗旱性,楓香則通過可溶性蛋白的調節表現了最弱抗旱性。因此,在稀土尾砂植被恢復中關于闊葉喬木的選擇可優先考慮樟樹。