海岸抗風植物黑松對凈風和風沙流的生理響應

周瑞蓮,逄金強,宋 玉

魯東大學生命科學學院, 煙臺 264025

海岸地區年均風速高,大風或臺風頻發,風沙流活動和風沙危害更為嚴重。強風裹挾著大量沙塵,不僅污染大氣環境、破壞濱海防風林,而且風沙流還侵襲農田、公路、鐵路等生產設施,破壞海岸景觀,嚴重危及當地社會經濟發展和生態安全[1- 2]。國家對于海岸環境的治理和植被建設工作歷來十分重視。

風沙流是一種氣固兩相流,它是起沙風通過風沙流對地面侵蝕，使不飽和氣流挾帶沙子而形成的混合物,其所含的大量高能沙粒使其土壤風蝕力要比凈風強數倍到數十倍[2- 4]。而且,風沙環境與干旱、鹽堿、高溫環境一樣,都屬于極端環境。與之不同的是,風沙流對植物的危害不是源于水、鹽和高溫的脅迫,而是通過大風搖弋、沙礫擊打磨蝕莖葉對植物造成機械損傷。雖然其危害時間短,但危害極大[3- 4]。一場大風或沙塵暴之后,就可導致大面積植物受損甚至死亡,因而風沙流的危害程度要遠大于干旱、高溫和鹽堿。但在這種極端環境中,風沙流活動強烈的地區,除了少數耐風沙能力強的植物外,大多數植物難以生存和繁衍[4- 6]。但迄今為止,關于風沙流脅迫對植物究竟是如何產生危害的、耐風沙流吹襲的植物又會采取哪些適應對策,其生理調控是否參與其對風沙流吹襲的適應等科學問題,人們還知之甚少。

目前,關于植物對逆境環境生理響應機制的研究報道已有很多。大量研究表明,高溫[7]、干旱[8]、鹽堿[9- 10]等環境脅迫會引發葉片失水,但植物可通過積累一些小分子滲透調節物質(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿)等進行滲透調節,維護細胞水分平衡[9- 11]。同時研究還發現,在干旱[12- 13]、高溫[14]、鹽[15]、沙埋[16- 17]等脅迫下,植物細胞中會大量積累活性氧自由基,引發膜脂過氧化、破壞膜的完整性、造成細胞死亡；但同時植物細胞中積累的活性氧自由基會激活體內抗氧化防御體系,提高抗氧化酶活力(SOD、CAT、POD等)、清除氧自由基、抑制氧自由基積累、防止膜脂過氧化以維護膜的完整性和細胞氧自由基代謝的平衡。因此,逆境脅迫下,植物滲透調節功能和抗氧化酶防御功能在植物抗逆中起重要生理作用。

關于大風和風沙流對植物危害的研究,國內外學者發現,不同風沙環境中植物解剖結構[18- 21]、滲透調節物質、抗氧化酶活性、細胞膜透性的變化與其抗風性有關[22- 23]。研究發現,抗風植物霸王和木本豬毛菜在自然大風下生長90天,其株高、葉片長度、單葉面積明顯減少,它們通過減少地上各器官體積,增加葉片厚度以減小大風吹襲的傷害[20- 21]。樟子松在中強度風沙流吹襲下,葉片凈光合速率和日均蒸騰速率增加,在高強度風沙流吹襲下,葉片凈光合速率和日均蒸騰速率下降[24]。在強風沙流吹襲下,樟子松[22]、玉米[23]葉片相對含水量下降, 可溶性糖和脯氨酸含量增加, 細胞膜透性和抗氧化酶活力提高。可見,風不僅對植物外部直接造成機械損傷,還間接通過改變植物周圍的空氣環境,導致植物內部葉片失水形成生理干旱,從而引發抗逆生理變化[24]。目前風沙流與植物生長關系的研究內容多集中于風沙流對植物生長特性[4,22]和光合蒸騰特性[24]的影響,及植物抗風生理響應[22- 23]。且研究材料主要集中于內陸植物。盡管內陸沙漠區和濱海地區均存在大面積流動和半流動沙地,但由于內陸環境干旱,濱海環境濕潤,而導致兩沙地生長不同種類的防風固沙樹種,但目前對海濱防風優勢樹種抗風機理研究較少。而且目前植物抗風機制研究方法較多,但各有側重。野外調查法可對風害結果進行研究,不能確定其與風吹強度和時間的定量關系[25]；人工晃動法,不能真實反映風吹環境變化對植物的影響；鼓風機(或風扇)吹風法可用于低風速持續風吹試驗,但風剖面風速不均勻[20- 21]；而風洞法進行風吹試驗,其優點是風剖面均勻,能夠定量控制風速大小和風吹時間[22- 24]。目前利用風沙洞已對內陸沙生植物抗風沙機理進行了研究[4,22- 24],但對濱海沙地防風樹種抗風沙生理生態適應機制的定量研究還未見有報道。

黑松(PinusthunbergiiParl.)別名白芽松,常綠喬木,是山東海岸防風林帶建設的重要樹種,其在海岸防風固沙、公路維護、海岸經濟發展中起到重要的防護和保護作用[26]。然而關于黑松抗風沙流的生理機制尚不清楚。以山東省煙臺市濱海海岸防護林主要樹種黑松為對象,通過開展野外便攜式風洞的風吹試驗,研究黑松對不同時間和強度凈風和風沙流脅迫的生態適應對策和生理響應規律,探討其耐風沙能力與抗性生理指標變化的關系,闡明其對風沙環境的生理生態適應機制,以期為我國北方海岸沙地防風固沙樹種的篩選和培育提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

煙臺市地處山東半島中部,位于東經119°34′—121°57′,北緯36°16′—38°23′。該地區屬于溫帶季風氣候,空氣濕潤,氣候溫和。年平均降水量為651.9 mm,主要集中在7—8月；年平均氣溫11.8℃,最熱月為8月(24.6℃),土壤pH為4.22—6.79。年平均相對濕度68%,年平均風速內陸地區3—4 m/s,沿海地區4—6 m/s。煙臺沿海防護林自然保護區是我國第一個以沿?；闪謳橹饕稚鷳B系統,而黑松是煙臺地區沙質海岸基干林帶的主要造林樹種。

1.2 材料來源

黑松苗購置于山東乳山市桑行埠村黑松苗圃。

1.3 材料培養

為了能排除移栽帶來的傷害得到生長健壯的黑松苗用于試驗,材料培養提前一年開始。在2017年11月從山東乳山市桑行埠村黑松苗圃購置了株高40 cm黑松苗移栽在30 cm ×30 cm ×25 cm的花盆中。花盆中土取自魯東大學生命科學學院生物園土壤表土和西泊子海岸沙地的沙子,并按1∶2比例混勻成沙土裝入各盆中,以保證各盆中土質一致和接近黑松原生長地的土質。在生物園試驗地平行挖四行寬30 cm、深度25 cm的溝,將花盆依依安放在深溝中,用周圍的土填充盆間隙,并拍實盆周圍的土。移栽后馬上給花盆注滿水,在冬季和春季定時給花盆澆水,并清除盆內外雜草。

1.4 風吹試驗設計

風吹試驗分為凈風吹襲和風沙流吹襲。凈風吹即風吹襲中沒有沙粒,風沙流吹襲即在風吹襲中加入沙粒。風吹強度試驗設計分為0(CK)、和風(6 m/s)、清風(9 m/s)、強風(12 m/s)、疾風(15 m/s)、大風(18 m/s)6個梯度風速處理,分別相當于 0、4、5、6、7、8級風,其中6 m/s風速略高于當地起沙風。每個處理3個重復,每個重復含3株黑松幼樹。每個風吹強度下,風吹時間為0、10、20、30、40、50 min。0 (CK)、6、9、12、15、18 m/s風沙流強度分別為 0、1.00、28.30、63.28、111.82、172.93 g cm-1min-1。

1.5 標記植物

為適應70 cm高風洞裝置,在風吹處理前一晚,從試驗地中挑選生長勢、生長高度一致(約50 cm)的盆栽黑松苗,挖出后搬到實驗室, 將各盆澆等量水備用。同時標記試驗植株,并在枝干上部、中部、下部作標記,以利于試驗取樣。

1.6 試驗取材

風吹試驗于2018年6月中旬進行,風吹設備為野外便攜式風洞(專利號：ZL 2008 10182207X))。在風吹處理前將黑松放置于風洞儀中,并分別在風吹處理的0、20、40、60 min時停機,從處理黑松迎風面處剪取針葉立刻測定RWC和細胞膜透性；而在風吹處理的0、10、20、30、40、50 min時停機，同樣從黑松迎風面剪取針葉快速包裹放到液氮中固定,帶回實驗室保存在超低溫冰箱中,用于抗氧化酶活力、滲透調節物含量、丙二醛含量的測定。風吹處理后將處理的盆栽黑松澆水放回到生物園。各風吹處理重復兩次,各生理指標的測定重復5次以上。

1.7 試驗方法

酶液提取是在4℃條件下進行的,準確稱取1 g液氮固定的葉片于預冷研缽中,加入酶提取液(pH值=7.8磷酸緩沖液),冰浴上研磨成勻漿,在15000 r/min、4℃條件下離心15 min,上清液用于抗氧化酶活力和脯氨酸、可溶性糖和MDA含量的測定。

采用愈創木酚法測定POD活力[27]；采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定SOD活力[28]；采用過氧化氫-碘量法測定CAT活力[29]。采用茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量、采用蒽酮法測定可溶性糖含量、采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白質含量、采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量[27]、采用電導率法測定細胞膜透性[29]。

1.8 數據處理

實驗數據采用3個以上重復的平均值±標準差(Mean±SD)。應用SPSS 20軟件進行數據的統計分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 黑松葉片相對含水量對不同風速凈風和風沙流吹襲的響應

隨著凈風風吹強度增加和風吹時間延長,黑松葉片RWC波動變化,雖略有下降但不明顯,但在大風(18 m/s) 吹襲下RWC下降明顯(圖1)。例如,在風速6—15 m/s凈風吹襲60 min時, 葉片RWC較對照下降僅有0.6%—1.4%, 且不同風速間葉片平均RWC差異不顯著。 在風速18 m/s凈風吹襲下,葉片RWC下降幅度達6.3%,與其他風速葉片平均RWC差異顯著(P<0.05)。

隨著風沙流風吹強度增加葉片RWC趨于下降,并隨吹襲時間的延長下降幅度增大,其下降幅度明顯高于凈風吹襲(圖1)。例如,在風速6、9、12、15 m/s風沙流吹襲60 min,葉片RWC分別較對照下降1.2%、2.1%、3.3%、4.4%,而風速18 m/s風沙流吹襲下,葉片RWC下降幅度達7.5%,與其他風速葉片平均RWC差異顯著(P<0.05)。同風速處理下,風沙流處理的葉片RWC均低于凈風吹襲。

圖1 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片相對含水量的影響Fig.1 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on relative water content (RWC) in the leaves of Pinus thunbergii Parl.不同小寫字母表示同一時間不同風速之間差異顯著(P<0.05)

2.2 黑松葉片細胞膜透性對不同風速凈風和風沙流吹襲的響應

隨著凈風風吹強度增加,黑松葉片平均細胞膜透性變化不同(圖2)。與對照相比,葉片細胞膜透性在低風速(6、9 m/s)穩定、在中風速(12、15 m/s)增高(11.1%、20.9%)、在高速(18 m/s)大風吹襲下下降(17.4%)。不同風速處理間,葉片平均細胞膜透性差異顯著(P<0.05)。另外,隨不同風速吹襲時間延長,葉片細胞膜透性增大,在40 min達到最大,然后下降。例如,凈風吹襲40 min,細胞膜透性在低風速下增幅較小(4.9%、6.6%)、中風速下增幅較高(41.5%、43.3%)、而在高速大風吹襲下則下降(24.4%)。

隨著風沙流風吹強度的增加和吹襲時間的延長,葉片細胞膜透性變化趨勢與凈風吹襲相同(圖2)。只是隨風沙流吹襲風速增強和處理時間延長,細胞膜透性的增幅較凈風吹襲的大。而且不同風速處理間,葉片平均細胞膜透性差異顯著(P<0.05)。但同風速下,風沙流處理葉片平均膜透性與凈風吹襲差異不顯著。

圖2 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片細胞膜相對透性的影響Fig.2 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on membrane permeability in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

2.3 黑松葉片丙二醛含量對不同風速凈風和風沙流吹襲的響應

隨著凈風風吹強度增加,不同時間葉片平均MDA含量略增加,在15 m/s達到最大,葉片MDA含量較對照增大54.2%,而在18 m/s時下降(圖3)。另外,隨不同風速處理時間延長,葉片MDA含量增大,并在40—50 min達到最大。例如12、15 m/s處理40 min, 葉片MDA含量分別較對照增高70.5%和70.3%。

隨著風沙流風吹強度增加,葉片平均MDA含量快速增高,在12 m/s時達到最高,在高風速下下降(圖3)。例如9、12 m/s處理下, 葉片平均MDA含量較對照增加了114.1%、92.5%。隨不同風速風沙流處理時間延長, 葉片MDA含量增大,在40—50 min達到最大。而且,同風速吹襲下,風沙流處理的葉片MDA含量增幅均明顯高于凈風處理。例如,6、9、12、15、18 m/s風沙流處理下葉片平均MDA含量分別較凈風處理高63.4%、91.8%、51.8%、4.7%、20.7%。結果顯示,不僅不同風速風沙流處理間葉片平均MDA含量差異顯著,而且同風速下葉片平均MDA含量也與凈風吹襲差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片MDA含量的影響Fig.3 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on MDA content in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

2.4 黑松葉片滲透調節物含量對不同風速凈風和風沙流吹襲的響應

隨著凈風風吹強度的增加,葉片平均脯氨酸含量趨于增高,并在12 m/s達到最高,隨著風速進一步增大而下降(圖4)。如, 葉片平均脯氨酸含量在12 m/s風吹襲時較對照增高28.7%,在15、18 m/s風吹襲時較對照降低了20.3%、15.3%。 在不同風速吹襲的初期,葉片脯氨酸含量出現暫短增加(10 min),然后緩慢下降,50 min時降為最低。不同風速凈風處理間葉片平均脯氨酸含量差異顯著(P<0.05)。

隨著風沙流風吹強度的增加,葉片平均脯氨酸含量無明顯增加,且不同風速間葉片平均脯氨酸含量差異不明顯(圖4)。但就絕對值而言,風沙流處理組黑松葉片平均脯氨酸含量高于同風速凈風處理組,如,在15、18 m/s吹襲下,風沙流處理組葉片平均脯氨酸含量較凈風吹襲高36.6%和20.5%,并與凈風吹襲差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片脯氨酸含量的影響Fig.4 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on proline content in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

隨著凈風風吹強度的增加和時間的延長,葉片可溶性糖含量呈波動式下降,但幅度較小,且不同風速處理間葉片平均可溶性糖含量差異不明顯(圖5)。與凈風吹襲有所不同,隨風沙流風吹強度增加葉片平均可溶性糖含量略增加且高于對照,但幅度較小,而且不同風速處理間差異不明顯(圖5)。但就絕對值而言,風沙流處理組黑松葉片平均可溶性糖含量高于同風速凈風處理組,如,在6、9、12、15、18 m/s吹襲下,風沙流處理的葉片平均脯氨酸含量較凈風處理高26.2%、17.8%、23.9%、22.1%、7.5%,并與凈風吹襲差異顯著(P<0.05)。

圖5 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片可溶性糖含量的影響Fig.5 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on soluble sugar content in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

2.5 黑松葉片抗氧化酶活力對不同風速凈風和風沙流吹襲的響應

隨著凈風風速增加,黑松在低風速下(9 m/s)葉片SOD活力增加,較對照增高12.2%,隨著風速進一步增高而活力下降(圖6)。9 m/s風速吹襲下,葉片平均SOD活力與其他風速葉片SOD活力差異顯著(P<0.05)。隨著風吹時間延長,葉片SOD活力趨于增高,并在風吹30—40 min達到最高,然后下降。

不同風速風沙流吹襲下,葉片SOD活力變化與凈風吹襲不同(圖6)。隨著風沙流風吹強度的提高,葉片平均SOD活力增高,在18 m/s達到最高,其葉片SOD活力較對照高14.7%。隨著不同風速風沙流處理時間延長,葉片SOD活力增高,且在風吹40 min達到最高。如在12、15、18 m/s 風吹襲40 min, 葉片SOD活力分別較對照增加15.3%、21.5%和21.6%。不同風速間葉片平均SOD活力差異顯著(P<0.05)。就絕對值而言,風沙流處理組葉片平均SOD活力高于同風速凈風處理組,如,在12、15、18 m/s吹襲下,風沙流處理的葉片平均SOD活力較同風速凈風吹高15.3%、21.5%、21.1%,并與凈風吹襲差異顯著(P<0.05)。

圖6 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片超氧化物歧化酶活力的影響Fig.6 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on activity of superoxide dismutase (SOD) in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

黑松葉片CAT對凈風和風沙流吹襲響應不同(圖7)。隨著凈風風速提高,葉片平均CAT活力沒有顯著增加。隨著風吹時間延長,葉片CAT活力增高,在風吹30 min達到最高,隨后降低。如在9、12、15 m/s風吹30 min,葉片CAT活力分別較對照高34.8%、23.6%、28.6%。不同風速處理間葉片平均CAT活力差異顯著(P<0.05)。

隨風沙流吹襲風速提高,葉片平均CAT活力趨于增高,在15 m/s達到最大,較對照增高30.4%,在18 m/s葉片CAT活力下降(圖7)。隨著不同風速風沙流吹襲時間延長,葉片CAT活力增高,在風吹30—40 min達到最高。從絕對值而言,風沙流處理組葉片CAT活力明顯高于同風速凈風處理組,例如,在 6、9、12、15 m/s吹襲下,風沙流處理組葉片平均CAT活力較同風速凈風吹分別高57.0%、15.9%、26.6%、36.5%,并與凈風吹襲組差異顯著(P<0.05)。

圖7 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片過氧化氫酶活力的影響Fig.7 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on activity of catalase (CAT) in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

黑松葉片POD對凈風和風沙流吹襲處理響應基本相同(圖8)。隨著凈風和風沙流風吹強度的增加和風吹時間延長,葉片POD活力增加,其中在15 m/s風強度和不同風速下吹襲30 min,葉片POD活力達到最高(圖8)。如在15 m/s凈風和風沙流吹襲下,葉片平均POD活力較對照增高8.4%、13.9%。在12、15 m/s凈風和風沙流吹襲30 min,葉片POD活力較對照分別增加23.5%和13.3%、18.3%和34.3%。所不同的是,黑松在18 m/s凈風和風沙流處理下葉片POD活力差異增大,凈風吹襲使POD活力下降, 風沙流吹襲使葉片POD活力略有增加。從絕對值而言,凈風處理組葉片POD活力較同風速風沙流組高,例如,在9、12、15 m/s吹襲下,凈風處理組葉片平均POD活力較同風速風沙流處理組分別高20.8%、 14.9%、7.9%,并與風沙流吹襲差異顯著(P<0.05)。

圖8 不同風速凈風和風沙流吹襲對黑松葉片過氧化物酶活力的影響Fig.8 Effect of wind blowing and wind-drift blowing at different wind speed on activity of peroxidase (POD) in the leaves of Pinus thunbergii Parl.

3 討論與結論

關于大風和風沙流對植物危害的研究發現,長期在自然大風環境下生長的抗風植物霸王[20]、樟子松[24]葉片凈光合速率和日均蒸騰速率下降,并在強風沙流吹襲下,霸王[20]、樟子松[22]葉片相對含水量下降。本研究結果表明,黑松在6—15 m/s凈風吹襲下,葉片RWC相對穩定,只在高風速吹襲(18 m/s)下下降,而在風沙流吹襲中,黑松葉片RWC在短時低風速吹襲下就開始下降,但下降幅度不高(圖1)。在不同強度凈風和風沙流吹襲中,黑松表現出較高的抗脫水性和持水力,這可能與其較強抗風和抗風沙流吹襲能力相關。而黑松較強的抗脫水力,一方面可能與其植株構型有關。有研究發現,長期生長在風環境中的黑松冠幅減小, 主側枝與主干的夾角減小[30],可減小葉片在風中的受力面積并有效減少水分散失。另一方面可能與黑松小而粗硬的針葉有關。針葉不僅葉面積小可降低蒸騰失水,而且其表面附有油脂層可防蒸發,因而在低、中風速凈風吹襲中葉片RWC相對穩定[31]。但在高風速(18 m/s)吹襲下,強風沙流吹襲引發植株枝葉的劇烈擺動,干擾莖干水分輸導,植株不能及時補充蒸騰失水而引發葉片缺水和RWC降低[32- 33]。同時,風沙流吹襲使葉表皮和枝干受到沙粒擊打和磨蝕導致角質層蒸騰加劇可能是導致葉片失水的另一重要原因。

其次,結果發現,隨著凈風吹襲風速提高至15 m/s時,黑松葉片RWC下降1.4%(圖1),而脯氨酸含量下降17.5%(圖4)。而隨著風沙流吹襲風速提高至15 m/s時,葉片RWC下降4.4%,而脯氨酸含量增加8.9%。同風速下(15 m/s)吹襲下,風沙流吹襲葉片平均脯氨酸含量較凈風吹襲高21.3%。盡管不同風速凈風和風沙流處理下葉片可溶性糖尚未發生明顯增加(圖5),但風沙流處理組葉片可溶性糖含量均高于同風速凈風處理。對風的生態作用研究發現,風一方面對植物產生機械刺激,直接對植物造成機械損傷；另一方面改變植物周圍的空氣環境,如降低了大氣濕度、溫度等,間接導致植物葉片生理干旱[23]。大量研究也表明,植物在受到干旱、高溫、鹽脅迫時,會通過增加小分子有機滲透調節物質(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等)含量[7,9- 12],維持細胞膨壓、防止細胞脫水、增強細胞持水力等,并對細胞生物膜起到保護作用[10- 11]。對樟子松研究發現,在18 m/s風沙流吹襲30 min,葉片RWC下降的同時可溶性糖和脯氨酸增加[22]。結果表明,風吹襲引發的葉片缺水導致的滲透脅迫是葉內滲透調節物脯氨酸積累的誘因。低、中風速凈風吹襲使黑松葉片失水量較少導致脯氨酸積累較少和可溶性糖含量較低。而風沙流吹襲使葉片失水量增多,脯氨酸積累量增多。可見,風沙流吹襲下,葉片脯氨酸的積累多少與葉片水分含量的多寡呈負相關。而葉片水分虧缺引發脯氨酸合成和氧化降解過程受抑制可能是導致脯氨酸大量積累的原因[11]。因此,風沙流吹襲中,黑松葉片積累的脯氨酸和維持較高的可溶性糖含量即是葉內水分虧缺的產物,但它們在防止細胞脫水、增強細胞持水力、維護細胞膨壓和細胞水分平衡上起重要生理保護作用?？梢?黑松較強的滲透調節作用可能是其持水力強、抗風性強的生理原因。

此外,研究結果還顯示,隨著凈風吹襲風速提高至15 m/s,黑松葉片平均MDA含量和細胞膜透性小幅增加且絕對值較低(圖3),同時葉片SOD、CAT、POD活力波動增加且增幅較小(圖6—8)。與之相比,隨著風沙流吹襲風速提高至15 m/s,葉片平均MDA含量、細胞膜透性、SOD、CAT、POD活力分別較對照增加61.3%、25.6%、21.5%、30.4%、13.9%。同風速(15 m/s)下,風沙流處理的黑松葉片平均MDA含量、SOD和CAT活力分別較凈風處理的高4.7%、11.5%、36.2%。該研究表明, 不同風速凈風和風沙流吹襲下,黑松葉片的失水不僅與細胞膜透性變化和膜脂過氧化作用程度成負相關,而且與抗氧化酶活力變化也成負相關。黑松葉片MDA含量的增高與抗氧化酶活力的提高成正相關。大量研究表明,植物在受到水分、高溫、鹽等環境脅迫時,自身的活性氧清除平衡機制被打破,在體內會積累大量的氧自由基。氧自由基的大量積累會引發細胞膜脂過氧化作用,造成MDA的大量積累和細胞膜受損[7- 10]。人們對樟子松研究也發現,在風沙脅迫下,樟子松幼樹MDA含量、細胞膜透性、POD活力、可溶性糖和脯氨酸含量趨于增加[22]。研究表明,其一,凈風和風沙流吹襲引發葉片水分虧缺而導致的細胞生理干旱可能是細胞氧自由基積累的誘因。因為植物細胞在水分虧缺時,細胞代謝就會發生紊亂而引發氧自由基代謝平衡失衡,即氧自由基積累速率大于清除速率而導致細胞氧自由基的積累[7,13]。一方面,積累的氧自由基通過誘發膜脂過氧化而使細胞膜受損和細胞膜透性加大。由于風沙流吹襲中沙粒的擊打磨蝕導致葉片失水加劇和水分虧缺程度加大,使細胞中積累的氧自由基增多、細胞脂過氧化作用加重、膜脂過氧化產物(MDA)增多、細胞膜受損加大、細胞膜透性增大。風沙流吹襲下葉片水分虧缺引發氧自由基積累是膜脂過氧化加劇的直接誘因。另一方面,積累的氧自由基可激活抗氧化保護酶系統,如SOD、CAT,它們能及時清除氧自由基、抑制膜脂過氧化而維持氧自由基代謝平衡[12- 14]?？梢?在風沙流吹襲中,黑松葉片SOD和CAT即是葉內氧自由基積累的激活產物,但它們又通過清除氧自由基、抑制膜脂過氧化而在維護氧自由基代謝平衡、維護細胞膜的完整性,而在黑松適應風沙流環境中起重要生理保護作用。其二,黑松在低、中風速凈風吹襲條件下的生存與其體內維護較低的膜脂過氧化水平和氧自由基代謝平衡相關。在低、中風速凈風吹襲下,黑松葉片較強的持水力及控制膜脂過氧化和維護細胞膜完整性能力可能是其適應風吹環境的關鍵。

然而,在高風速(18 m/s)凈風和風沙流吹襲中,隨著風吹時間延長(50 min), 葉片MDA、脯氨酸、可溶性糖含量,SOD、CAT、POD活力均下降。一些研究發現,植物在輕度和中度水分脅迫下,葉片SOD、CAT、POD活力增高,而在重度和長時間水分脅迫下,其活力大幅度下降[7- 8]。因此,在高風速凈風和風沙流長時間吹襲下,葉片過度失水會導致水分代謝異常、水分平衡失衡、光合速率下降[22,24 ]。而光合速率下降會引發植物能量儲存不足而使植物產生碳饑餓導致可溶性糖和脯氨酸可能作為能量消耗而降低。同時在葉片嚴重水分虧缺時,葉內氧自由基代謝紊亂導致氧自由基積累過量而抑制了抗氧化酶活力[34 ]。可見,高風速風沙流引發黑松葉片細胞膜膜脂過氧化加劇、抗氧化防御能力下降導致細胞膜完整性喪失可能是其抗風力降低的生理原因。

綜上所述,黑松抗風沙流能力與其形態和生理抗逆機理密切相關。黑松硬而小的針葉疏風保水、抗脫水力強,其較強的抗脫水力在其適應風沙流吹襲和抗風生長中起關鍵作用。 其次,黑松具有較強的滲透調控作用并與其抗風生長相關。在遭遇風沙流脅迫引發葉片失水時,黑松葉片能快速積累脯氨酸和維持較高可溶性糖含量以維護水分代謝平衡,因此滲透調節作用在黑松抗風生長中起重要生理保護作用。其三,黑松具有較強的抗氧化防御系統與其抗風生長相關。在遭遇風沙流脅迫引發葉片失水時,黑松葉片可快速啟動細胞抗氧化防御體系,提高SOD和CAT酶活力及時清除氧自由基、抑制膜脂過氧化在維護膜的完整性和穩定性上起重要生理保護作用?？梢?黑松自身葉片形態所具有較強的保水能力使其具有較強的保水性和抗風性,而其較強的滲透調節力和抗氧化防御系統是其適應風沙流吹襲的重要生理調控機理。

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