羊草葉片性狀對土壤石油污染脅迫的響應

陳 靜，張鳳杰，張 月，劉瀚澤，楊 楠，吳文爽

(大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116600)

1 引言

石油是現代經濟的主要能源之一，被稱為“黑色黃金”。隨著經濟的快速發展, 我國石油消費量劇增。石油在開采、運輸和使用過程中泄漏事故頻發, 造成了嚴重的土壤石油污染[1]。東三省、華北平原、內蒙古地區原油污染面積逐年擴大，在遼河油田的重污染區，土壤原油含量可達臨界值的20倍。落地的原油發生平面的擴散運動影響土壤物理、化學和生物學性質從而影響植物生長[2]。植物葉片對環境變化最為敏感，成為近幾年國內生態領域的研究熱點，研究主要集中在葉片的光合效率與呼吸速率等葉片的功能性狀上[3]。植物結構型性狀直接的影響到植物的基本功能，可以很好地反映出植物為適應環境變化而形成的生存策略。鹽脅迫環境下，駱駝刺葉片由薄變厚，光合速率由高變低，開拓性生存策略轉變為保守性生存策略[4]。重度水淹脅迫下葉片的比葉重較低，葉片最大凈光合速率較高，植物采用快速投資-收益的生存策略[5]。但是，目前關于植物葉片結構型性狀對污染脅迫的響應機制研究鮮有報道。羊草(Leymus chinensis)是歐亞溫帶草原東緣的主要優勢植物,具有良好的耐堿、耐寒、耐旱和生態可塑性，是內蒙古草原主要的牧草資源[6]。本研究在額爾古納野外實驗平臺上，采用人工對草甸草原進行不同濃度的石油污染脅迫，觀察優勢植物羊草葉片結構性狀對石油污染脅迫的響應，揭示羊草對土壤石油污染脅迫的適應對策。

2 材料和方法

2.1 研究區概況

研究在內蒙古省呼倫貝爾市海拉爾區黑山頭鎮開展，實驗樣地地處內蒙古自治區東北部，呼倫貝爾市中部偏西南，屬中溫帶半干旱大陸性草原氣候，春季多風少雨，蒸發量大；夏季溫涼短促，降水集中；秋季降溫快，霜凍早；冬季寒冷漫長，地面長期積雪[7]。年平均氣溫-2～-1 ℃。主要植物物種有羊草、早熟禾、大針茅等。

2.2 實驗方法

采用野外模擬控制實驗，將實驗樣地劃分為1 m×1 m的30個樣方，設置五個石油濃度梯度分別為對照組(0 g/m2)低濃度石油污染(25 g/m2)，中濃度石油污染(50 g/m2,100 g/m2)，高濃度石油污染(200 g/m2)。每個梯度隨機選取6個樣方做重復處理，將所選樣方按石油脅迫濃度做好標記。石油污染方式為土壤拌油,稱取一定質量的柴油，拌入相同質量的土壤中，均勻撒入設置好的樣地內。

2.3 分析方法

每個樣方隨機選取5片完整的取自羊草同一部位的葉子進行葉片性狀的測量。用游標卡尺(精度為0.02 mm)在每片葉子的同一部位測量葉片厚度(leaf thickness, LT)。葉長(leaf length，LL)、葉寬(leaf width，LW)用鋼卷尺測量。用精度為0.0001g的電子天平稱量葉片鮮重(fresh weight，FW)和葉片干重(dry weight ,DW)并記錄。葉面積(leaf area，LA)由LA-S葉面積儀掃描得出，比葉面積(Specific leaf area，SLA)、葉體積(Leaf volume,LV)用SPSS22.0 軟件計算得出。

2.4 數據處理

用EXCEL 2013軟件進行數據初步處理，用SPSS 22.0軟件完成所有數據的統計分析，用 OriginPro 2017軟件作圖。葉片結構型性狀的平均值差異性用單因素方差分析檢驗，用逐步回歸分析法確定葉片質量與葉面積的關系。

3 結果分析

3.1 石油污染對羊草葉片結構型性狀的影響

植物葉片是植物進行光合作用的主要場所，當植物受到環境脅迫時，通常會改變形態結構，調整資源分配以適應環境的變化。石油污染對羊草葉片結構型性狀的影響具體情況可參見表1。

表1 石油污染脅迫下葉片的結構性性狀

與對照組(0 g/m2)相比，低濃度石油污染(25 g/m2)下羊草的葉長、葉寬、葉厚、干重、葉面積、葉體積均增加，該實驗中低濃度的石油污染對羊草的生長有一定的促進作用。當石油污染濃度達到50 g/m2，和100 g/m2時葉長、葉寬、干重、葉面積、葉體積較石油污染濃度為25 g/m2時降低，葉片厚度無明顯變化。其中葉長在50 g/m2時達到最低值18.06 cm，較對照組下降了3.63%，高濃度石油污染(200 g/m2)下羊草葉長、葉厚、干重、葉面積、葉體積較油污染濃度為100 g/m2時均顯著增加，其中葉厚、干重、葉體積均達到最大值，葉厚較對照組增加了11.1%，干重較對照組增加了16.1%，葉體積較對照組增加了22.1%。

羊草葉長、葉厚、干重、葉面積在不同石油濃度污染脅迫下差異性顯著(P<0.05)。羊草的葉體積在不同石油濃度污染脅迫下差異性極顯著(P<0.01)。葉寬不同石油濃度污染脅迫下差異性不顯著(P>0.05)。羊草葉片寬度較其他葉片性狀更穩定，為惰性性狀。這與李西良的研究結果一致[8]。

3.2 羊草結構型性狀相關性分析

在不同濃度石油污染脅迫下羊草葉片性狀的改變具有一定的相關性，其相關性分析結果如表2所示。

表2 羊草葉片性狀相關

注：Spearman 相關分析，雙尾檢驗； **，P<0.01；*，P<0.05

由表2可知葉體積與葉長、葉寬、葉厚、鮮重、干重極顯著正相關(P<0.01)，與葉面積顯著相關(P<0.05)，與比葉面積極顯著負相關。葉面積與比葉面積極顯著正相關，與葉體積、葉長顯著相關，與葉寬、葉厚、鮮重、干重無相關性(P>0.05)。干重與葉長、葉厚、葉寬、葉體積、鮮重極顯著正相關，與比葉面積極顯著負相關，與葉面積沒有相關性。

3.3 羊草結構型性狀與適應對策的關系

比葉質量LMA即葉片干重與面積之間的比率(g/m2)是一個非常重要的反應植物功能的結構參數。它能測定植物單位葉面積的投入成本，從而反應植物對環境的應對策略[9]。

植物向葉片的投資包括葉面積的擴張和單位葉面積的干物質積累( 即比葉質量)兩個方面[10]。較大的葉面積有利于植物捕獲光能，提高光合速率，促進能量轉化和資源積累，實現快速生長，但同時也會增加蒸騰速率，導致植物失水，使植株受到水分脅迫的風險增大; 比葉質量反應了植物對資源的貯存，較大的比葉質量能夠增強植株在逆境中的存活能力[11]。

當石油濃度低于50 g/m2時,隨著石油濃度的提高干重/葉面積的比值減小，植物向葉片的投資更傾向于葉面積的擴張，葉面積的擴張有利于羊草捕獲光能，提高光合速率，為其他部位的生長儲備能量，實現快速生產。當石油濃度高于50 g/m2時干重/葉面積的值增加(圖1)，植物向葉片的投資更傾向于單位面積的干物質積累，此時羊草通過維持較低的生長速率，積累干物質來抵御石油污染脅迫的不利影響，羊草的生存策略也由開始的快速生長轉變為維持生存。

圖1 石油污染脅迫下比葉質量的變化

4 結論

羊草葉長、葉厚、干重、葉面積在不同石油濃度污染脅迫下差異性顯著(P<0.05)。羊草的葉體積在不同石油濃度污染脅迫下差異性極顯著(P<0.01)。葉寬在不同石油濃度污染脅迫下差異性不顯(P>0.05)，為惰性性狀。羊草葉片鮮重、干重、葉面積對植物的權衡生長的貢獻率明顯，在低濃度石油污染脅迫下(50 g/m2)植物向葉片的投資傾向于葉面積的擴張，在高濃度石油污染脅迫下(100 g/m2)植物向葉片的投資更傾向于干物質的積累。