廢棄采石場生態修復植物的抗旱性評價

徐 芳,張亞紅,劉 敏,張 倩,楊瑞卿,蓋軍元*

(1.江蘇省徐州市九州生態園林股份有限公司,江蘇 徐州 221000;2.徐州工程學院 環境工程學院,江蘇 徐州 221000)

徐州市作為蘇北地區重要的工業城市,轄區內石灰巖和白云巖資源豐富,60余年來已開發采石場數百處,廢棄采石場數量高達100多個[1]。這些廢棄采石場給城市環境帶來了一系列的嚴重問題,進行廢棄采石場的生態修復是當前徐州市建設生態文明城市的重要內容之一[2-3]。植物修復是綠化和改善生態環境的重要措施,也是廢棄采石場生態修復工作的重要環節,但實地調研發現廢棄采石場土壤水分匱乏,水分供給困難,嚴重影響植物的正常生長[4-5]。此前用于徐州市廢棄采石場綠化的植物多為側柏、構樹、刺槐、艾蒿等植物,這些植物的觀賞效果較為單一,缺乏物種多樣性。因此,科學篩選出適于廢棄采石場干旱環境,同時兼具良好觀賞效果的植物是徐州地區廢棄采石場生態修復的關鍵和前提。

本研究根據實地情況選擇7種觀賞植物為研究材料,其中牡荊(觀賞效果優良,是本土植物,也已被應用于山體綠化及常規的綠化工程)作為對照植物,通過比較不同植物在干旱脅迫下株高變化、葉片含水量、萎蔫系數等指標,并通過研究不同植物抗氧化酶活性及脯氨酸含量的變化情況,探究了不同植物的抗旱能力,以期篩選出適合廢棄采石場特殊生境的抗旱植物,為今后廢棄采石場生態修復中的植物選擇提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以金鐘花、多花木蘭、小葉女貞、牡荊、繡線菊、金絲桃、錦帶花共7種植物為供試材料,均取自徐州市苗圃科技園。將田園土與草炭土以3∶1的比例均勻混合，作為種植土壤；以內口徑為18.5 cm,底徑為13.0 cm,高度為15.0 cm的花盆為試驗容器。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理 試驗在頂部防雨且四周通風的鋼架大棚內進行,每種植物均選取大小一致、長勢相同的植株栽于花盆內,每盆兩株,在正常條件下緩苗45 d。正式試驗于2018年7月2日～7月15日進行,試驗期間溫度變化如圖1所示。在試驗開始前連續2 d澆透水,使土壤充分吸水,達到飽和狀態。每種植物設置1個干旱處理和1個對照,每個處理3個重復,干旱組停止澆水,進行持續干旱；而對照組進行正常水分管理。

圖1 試驗期間的溫度變化

1.2.2 取樣與樣品測定 每3 d對干旱處理和對照各取1次土樣,將土樣放入烘箱80 ℃條件下烘干至恒重,并測定土壤含水量[土壤含水量=(鮮重-干重)/干重×100%][6]。每天觀察植物的生長情況,分別在植物出現臨時萎蔫和永久萎蔫時(短期水分虧缺會造成“臨時性萎蔫”,表現為葉片、幼莖下垂、萎蔫,至傍晚或及時補充水分后植株又可恢復過來;若長期缺水而至傍晚或補充水分后植株仍不能恢復正常則成為“永久性萎蔫”[7])測得土壤含水量,由此確定各植物的臨時萎蔫系數與永久萎蔫系數。

每3 d測定各植物處理和對照的株高及葉片含水量1次。葉片含水量的測定采用稱重法,取樣后稱鮮重,用蒸餾水浸泡24 h后稱飽和鮮重,最后放入烘箱烘干后稱干重,葉片含水量=(飽和鮮重-干重)/干重×100%[8]。取功能性葉片，采用酸性茚三酮法[9]測定脯氨酸含量,采用購自南京建成生物公司的試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和過氧化物酶(POD)活性。

植物抗旱性綜合評價采用隸屬函數法[10]。利用下列公式對各項測定指標進行標準化處理,最后把每份材料的各項指標隸屬函數值進行累加,求平均值,平均值越大,表示抗旱性越強。

X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X′=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式(1)和式(2)中：X′為標準化值；X為各材料的某一指標測定值；Xmin為該指標的最小值；Xmax為該指標的最大值。如果某一指標與抗旱性呈正相關,則用公式(1)計算；反之,則用公式(2)計算。

1.2.3 數據處理 采用SPSS 20.0軟件和Excel 2010軟件分析整理試驗數據,方差分析采用Duncan法,顯著性水平設定為α=0.05。表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 盆栽不同植物的土壤含水量變化

供試植物栽培中土壤含水量的變化情況如表1所示,隨著干旱處理天數的增加，土壤含水量由初始的30%左右逐漸下降。在干旱處理3 d后,不同供試植物的土壤含水量在21.88%～23.40%;在干旱處理6 d后,土壤含水量降至17%左右;在干旱處理9 d后,土壤含水量降至12%左右,其中,多花木蘭的土壤含水量最低,金絲桃的土壤含水量最高,但差別不大。不同植物土壤含水量的變化趨勢基本一致,表明供試植物所受的干旱脅迫基本一致。

2.2 不同植物的株高變化

隨著干旱天數的增加,植物的株高增長率[(干旱處理不同天數的株高-干旱處理0 d的株高)/干旱處理0 d的株高×100%]逐漸降低(圖2A),且相對株高降低率[(干旱處理不同天數的對照株高-相應干旱處理的株高)/對照株高×100%]呈現逐漸升高的趨勢(圖2B),表明隨干旱時間的延長,植物株高增長幅度減小直至不再增加。干旱處理3 d后,金鐘花的株高增長率為12.86%,明顯高于其他植物的;金絲桃與金鐘花的相對株高降低率居前2位,分別為3.11%、5.19%,其他植物的相對株高降低率在1.23%～2.46%。隨干旱時間的增加,金鐘花與金絲桃的株高增長率出現大幅度下降,相對株高降低率也最大,至干旱處理9 d時,相對株高降低率分別為19.71%、19.06%,均明顯高于其他植物的,表明金鐘花與金絲桃這兩種植物受干旱脅迫的影響最大。錦帶花的株高增長率一直保持在較高水平,至干旱處理9 d時明顯高于其他植物;從相對株高降低率來看,牡荊、錦帶花和小葉女貞均明顯低于其他植物的。

表1 不同植物在盆栽中土壤含水量的變化

A:株高增長率; B:相對株高降低率。

2.3 不同植物葉片水分含量的變化

干旱處理9 d時不同植物的葉片水分含量變化情況見表2。干旱處理植物的葉片含水量均較對照植物明顯下降,對照組葉片含水量均在95%以上,而干旱處理組在69.18%～83.13%。葉片含水量與水分虧缺率反映了植物的水分狀況。在干旱處理9 d后,不同植物的葉片含水量依次為錦帶花>牡荊>繡線菊>多花木蘭>小葉女貞>金絲桃>金鐘花,錦帶花、牡荊及繡線菊的葉片含水量顯著高于其他植物的(P<0.05),相應的葉片水分虧缺率也顯著低于其他植物的；而金絲桃與金鐘花的葉片含水量較低,葉片水分虧缺率較高。

表2 不同植物的葉片水分含量變化

注:在同一列數據后附不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。下同。

2.4 不同植物萎蔫系數的比較

從表3可以看出,不同植物出現萎蔫時的土壤含水量存在顯著差異,臨時萎蔫系數由小到大依次為錦帶花<多花木蘭<繡線菊<小葉女貞<牡荊<金鐘花<金絲桃;永久萎蔫系數由小到大依次為錦帶花<繡線菊<小葉女貞<多花木蘭<牡荊<金鐘花<金絲桃。其中金絲桃的臨時萎蔫系數和永久萎蔫系數均顯著高于其他植物的,金鐘花僅次于金絲桃,牡荊、小葉女貞、繡線菊和多花木蘭的萎蔫系數均為中等,而錦帶花的萎蔫系數則顯著低于其他植物的。

表3 不同植物的萎蔫系數

2.5 不同植物抗氧化酶活性與脯氨酸含量的變化

由圖3可以看出,在干旱處理9 d后,不同植物干旱處理的CAT活性除金絲桃外均高于對照,不同植物CAT活性的增長率依次為牡荊>錦帶花>小葉女貞>繡線菊>多花木蘭>金鐘花。從POD活性來看,金鐘花、小葉女貞、牡荊與金絲桃的POD活性均低于對照的,其中金鐘花的POD活性相對降低率達49.22%；金絲桃的POD活性相對降低率次之，為31.26%；而其他幾種植物的POD活性均高于對照植物的,其中,繡線菊和錦帶花的POD活性增長率居前2位,分別為59.75%和50.42%。在干旱處理下金絲桃的SOD活性低于對照,其他植物均出現SOD活性升高的現象,而金鐘花的SOD活性相對增長率最低。此外，干旱處理植物葉片的脯氨酸含量均顯著高于對照植物的；不同植物葉片脯氨酸含量的相對升高率表現為多花木蘭>錦帶花>金鐘花>繡線菊>小葉女貞>牡荊>金絲桃。

2.6 不同植物抗旱性的綜合評價

相關性分析結果(表4)表明：在干旱脅迫條件下，供試植物的葉片含水量與相對株高降低率、水分虧缺率和臨時萎蔫系數均呈顯著負相關關系；相對株高降低率與永久萎蔫系數呈顯著正相關,與CAT活性增長率呈顯著負相關。說明這6個指標均可作為衡量本試驗中供試植物耐旱能力的指標。

采用在植物抗旱性研究中常用的模糊隸屬函數法[10],應用上述6個生理指標對7種供試植物的抗旱性進行綜合評價,結果見表5。由表5可知：錦帶花和牡荊的各項生理指標的平均隸屬函數值分別為0.94和0.83,遠高于其他植物的,其抗旱能力分別排在第1位和第2位；繡線菊的抗旱能力僅次于錦帶花和牡荊；金絲桃和金鐘花的抗旱能力排名分別為第6位和第7位,它們的生理指標隸屬函數平均值均在0.2以下,表明其抗旱性均低于其他植物；其余3種植物多花木蘭、小葉女貞和繡線菊的抗旱能力為中等。

3 討論

植物生長過程對水分的虧缺非常敏感,而影響植物生長的因素有很多,采用單一的抗旱指標很難準確反映植物的抗旱能力[11]。干旱脅迫對植物的生長和生理都有顯著的影響,結合生長和生理指標進行綜合評價,能夠很好地反映植物對干旱脅迫的抗性[12]。本試驗測定了7種供試植物的土壤含水量、株高、葉片水分含量、萎蔫系數和抗氧化酶活性等指標,并選取其中與抗旱能力顯著相關的6個指標,采用模糊隸屬函數法綜合評價了7種植物的抗旱能力,所得結論具備一定的參考價值。本試驗結果顯示,錦帶花、牡荊和繡線菊的抗旱能力最佳,理論上可作為廢棄采石場的生態修復植物,但仍需進行進一步實地驗證;金鐘花和金絲桃的抗旱能力最弱,不具備參與廢棄采石場生態修復的能力。

表4 不同植物各測定指標間的相關性分析結果(相關系數)

表5 不同植物6項測定指標的隸屬函數值

注:“-”表示該值缺失,因為金絲桃的CAT活性相對升高,該值為負值。

隨著干旱程度的加劇,葉片含水量逐漸下降,植物相繼出現臨時萎蔫和永久萎蔫[7]。由于不同植物的抗旱能力不同，因此它們在干旱脅迫下葉片含水量的下降幅度也不同,錦帶花、牡荊和繡線菊在干旱條件下均表現出葉片含水量顯著高于其他植物、水分虧缺率顯著低于其他植物的特征(見表2),說明這3種植物的葉片保水能力較好,抗旱能力較強,這與表5中的綜合評價結果一致。相關研究結果表明，在干旱脅迫條件下葉片含水量高的植物的生理功能旺盛,對干旱的適應能力強[13]。在本試驗中，各供試植物在干旱處理下脯氨酸含量明顯升高,SOD、POD、CAT活性均明顯增強,表明植物葉片中活性氧大量積累,對細胞膜造成傷害,植物產生了相應的適應性反應[14]。其中,抗旱性強的植物如牡荊和錦帶花的CAT活性增長率最高,繡線菊和錦帶花的POD活性增長率最大,而抗旱性較差的植物如金鐘花的CAT活性和SOD活性增長率均為最低,尤其是金絲桃,其3種抗氧化酶活性均低于對照,表明這兩種植物在干旱脅迫下清除活性氧和自由基的能力較差,會較早出現萎蔫或死亡現象,這與其萎蔫系數特征基本一致(見表3)。同時,也證明了植物的抗旱能力與其抗氧化酶活性有密切聯系,這與前人的研究結果[14-17]一致。脯氨酸是衡量植物受逆境脅迫程度的重要指標,其含量與品種的抗旱性呈正相關[18]。然而,本試驗發現不同植物的脯氨酸含量相對增長率與其綜合耐旱能力并不完全相符(見圖2和表5),這可能是因為供試植物所屬科屬和生長環境差異較大,它們在對照條件下的脯氨酸含量差異也較大,因此脯氨酸含量并不能完全反映其抗旱能力,這也是本試驗采取隸屬函數法進行綜合評價的重要原因。

本試驗對7種植物抗旱性的評價結果,可為徐州市廢棄采石場生態修復工作中選擇植物材料提供一定的理論依據,但也要因地制宜,選擇適于該地區生長的耐旱植物。此外也可結合植物的觀賞特性和應用領域綜合考量,例如小葉女貞在園林綠化領域應用較廣泛,也可適當選為廢棄采石場的生態修復植物。

4 結論

隨著干旱時間的延長,不同植物的葉片含水量逐漸下降直至萎蔫，株高增加變緩，葉片抗氧化酶活性和脯氨酸含量有不同程度的增加趨勢。錦帶花、牡荊和繡線菊的抗旱能力高于其他植物,可作為徐州市廢棄采石場的首選生態修復植物;多花木蘭和小葉女貞的抗旱能力為中等;金絲桃和金鐘花的抗旱性最低,理論上不建議選為廢棄采石場的生態修復植物。