淹水脅迫對2個薄殼山核桃品種苗期生長及葉綠素熒光特性的影響

苗婷婷， 曹志華， 劉俊龍， 孫 慧， 吳中能

(安徽省林業科學研究院，安徽合肥 230088)

薄殼山核桃()又稱長山核桃，是胡桃科山核桃屬植物，原產自美國和墨西哥北部，是優良的干果、用材、綠化兼用樹種，具有廣泛的用途和很高的經濟、社會和生態效益。近年來，薄殼山核桃作為重要的經濟林木，發展迅猛。安徽省是國內最早引種薄殼山核桃的省份之一，自2013年起開始規模化發展，截至目前全省薄殼山核桃種植總面積約4萬hm。安徽省江淮地區湖泊灘地、濕地資源豐富，綠化潛力巨大，若篩選出耐淹水性強的薄殼山核桃品種并推廣應用，不僅能擴大其適種范圍還能豐富灘地生物與景觀多樣性。

國內外學者對薄殼山核桃開展了引種繁殖、栽培管理、光合特性等基礎研究，目前在薄殼山核桃抗旱性研究上已取得了一些進展，而關于耐淹水方面的研究報道不多。孫凡等通過人工模擬干旱、水淹、鹽脅迫條件，分析了薄殼山核桃抗性生理和光合作用特征適應機制，結果顯示間接性淹水處理下的薄殼山核桃生長良好，表明薄殼山核桃具有耐淹水的特性。范龍惠通過對美國東部黑核桃、四川鄉土核桃、泡核桃、美國(薄殼)山核桃不同淹水處理下形態特性、光合作用等指標的測定，對其耐澇性進行綜合評價，認為薄殼山核桃的耐澇性最強。已有報道大多關注淹水脅迫對薄殼山核桃光合特性的影響，而對葉綠素熒光特性變化的研究較少。本研究根據長江中下游季節性淹水的特點，在夏季高溫期(7—9月)人工模擬淹水脅迫環境，研究薄殼山核桃在水脅迫逆境下的生理響應機制，并綜合評價其耐淹水能力，以期為長江中下游季節性淹水地區薄殼山核桃耐淹水品種的篩選和推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在安徽省林業科學研究院合肥園林花卉繁育中心苗圃(117°18′33″E，31°52′45″N)內，屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫為 15.5 ℃，年均降水量近1 000 mm，無霜期達227 d。

1.2 研究材料及試驗設計

本試驗選取的黃薄1號(皖S-SC-CI-004-2013)、黃薄2號(皖R-SF-CI-005-2013)是由黃山市林業科學研究所于2013年審(認)定的薄殼山核桃良種。選取生長健壯一致的二年生黃薄1號、黃薄2號實生苗，于2018年春天移栽至塑料盆中，正常水肥管理。試驗開始后，將植株帶盆一起放入長10 m、寬0.6 m、高1 m的人工水池中進行淹水處理。處理設3個水平：(1)對照(CK)，保持正常水分管理；(2)低水淹 (T) ，淺度積水，水面高于土面5 cm左右；(3)高水淹(T) ，深度積水，水面高于土面 20 cm左右。試驗苗木按不同處理水平隨機分成3組，每個品種每組各3株。2018年7月中旬開始將盆放入人工水池進行淹水試驗，時間持續 60 d 左右，期間定時觀察水位變化，及時補換水保持淹水深度，直至當年9月試驗結束。

1.3 測定內容及方法

在淹水脅迫試驗開始前，用卷尺與游標卡尺測量各植株的地徑與苗高，每個處理重復3 次。定期觀察、記錄植株的外部形態特征，包括葉色、葉形、莖基部是否有皮孔及不定根出現等方面的變化。生理生化指標在試驗初期間隔5 d 采樣1次，試驗中期間隔10 d采樣1次，共4次，試驗后期間隔 15 d 采樣1次，選取每株苗木中上部生長良好的3張成熟葉片混合后進行指標測定，重復3次。其中，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；葉綠素含量采用丙酮浸提法測定。葉綠素熒光參數采用德國WALZ超便攜式調制葉綠素熒光儀MINI-PAM-Ⅱ測定，測定前先進行30 min暗適應。主要參數包括：暗適應初始熒光()、光系統Ⅱ(PSⅡ)最大光化學效率(/)、光合電子傳遞速率(ETR)、非光化學猝滅系數(NPQ)和光化學淬滅系數()等。

1.4 數據處理及分析

參考孫慧等的方法，按照公式將測量數據轉換得出各指標的耐淹水系數(耐淹水系數=處理測定值/對照測定值×100%)。采用隸屬函數值法對2個薄殼山核桃品種的耐淹水性進行評價。分別計算每個薄殼山核桃品種在2種水脅迫處理下各指標耐淹水系數的隸屬函數平均值。如測試指標與耐淹水性呈正相關，則其計算公式為：

(1)

如測試指標與耐淹水性呈負相關，則計算公式為：

(2)

式中：()是品種某個指標的隸屬函數值；代表品種某個指標測定的均值；是試驗材料中某個指標的最大值；是試驗材料中某個指標的最小值。將每個品種各指標的隸屬函數值累加起來，求其平均值，均值越大則表明其耐淹水性越強。

運用Excel對試驗數據進行處理，運用DPS軟件對試驗數據進行相關性分析及差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 淹水脅迫對薄殼山核桃形態的影響

試驗期間，2個薄殼山核桃品種的所有植株均未出現死亡現象，至試驗結束(60 d)存活率均為 100%。外部形態特征觀察發現，在淹水25 d左右薄殼山核桃葉片出現變色漬斑，到淹水60 d時個別葉片漬斑擴大形成小孔；莖基部在淹水15 d左右出現皮孔膨大現象，直到淹水結束也沒有產生不定根，這與劉春風等觀測的情況一致。皮孔增生是植物適應淹水的一種生理表現，比較大的表面積和疏松結構有利于溶于水中的氧分子及其他物質分子的交換。薄殼山核桃苗木在60 d淹水試驗結束后依然存活，說明其有一定的耐淹水能力。

2.2 淹水脅迫對薄殼山核桃苗高及地徑的影響

分別在淹水試驗開始前后對地徑、苗高進行測量，結果見表1。各品種薄殼山核桃地徑、苗高的生長都隨淹水脅迫程度的增加而減緩，特別是地徑，在高水淹處理60 d后，地徑均出現了不同程度的負增長。低水淹和高水淹處理下地徑、苗高的增長率均低于對照，同處理條件下黃薄2號地徑、苗高的增長率均高于黃薄1號。

表1 不同淹水處理對薄殼山核桃地徑、苗高的影響

2.3 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號2種淹水處理葉綠素含量整體呈下降趨勢：低水淹處理25 d達到最低水平，高水淹處理45 d達到最低水平。黃薄2號2種淹水處理下葉綠素含量整體呈下降趨勢：低水淹處理15 d達到最低水平，高水淹處理45 d達到最低水平。黃薄1號、黃薄2號2種淹水處理葉綠素含量都低于對照。經方差分析，黃薄1號高水淹處理葉綠素含量與對照有極顯著差異，而黃薄2號2種淹水處理葉綠素含量與對照無顯著差異。

2.4 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片丙二醛(MDA)含量的影響

由圖2可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號在對照和高水淹處理下的MDA含量均呈先上升后下降的趨勢，在35 d時達到最高水平；在低水淹處理下，黃薄1號的MDA含量整體呈上升趨勢。黃薄2號在對照和高水淹處理下的MDA含量整體均呈上升趨勢；低水淹處理下，黃薄2號的MDA含量呈波動上升趨勢，25 d時急劇上升，35 d時小幅回落后又繼續上升，在60 d時達到最高水平。黃薄1號、黃薄2號在2種脅迫處理下的MDA含量整體都高于對照。經方差分析，2個品種各處理間均無顯著差異。

2.5 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片可溶性糖含量的影響

由圖3可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號各處理下可溶性糖含量均在15 d下降到最低水平，低水淹處理在15 d后整體呈上升趨勢；高水淹處理在15 d后呈先上升后下降趨勢，在35 d達到最高水平。黃薄2號各處理的可溶性糖含量也在15 d略有下降，然后整體呈上升趨勢。黃薄1號、黃薄2號在2種脅迫處理下的可溶性糖含量都整體高于對照。經方差分析，2個品種高水淹處理下的可溶性糖含量與對照有顯著差異。

2.6 淹水脅迫對薄殼山核桃葉綠素熒光參數的影響

植物的光合作用是所有物質代謝的基礎。葉綠素熒光特性在葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有反映“內在性”的特點。對葉綠素熒光特性進行研究可以更好地了解植物生長狀況和受脅迫時生理生態的變化。

2.6.1 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片的影響是反映PSⅡ反應中心的電子傳遞情況的良好指標。由圖4可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號低水淹處理下的高低起伏，總體呈下降趨勢，高水淹處理則呈先上升后下降趨勢；黃薄2號2種淹水處理下的都呈先升高后下降的趨勢。2個品種各淹水處理下變化幅度不同，但平均值都高于對照；經方差分析，均與對照無顯著差異。有研究認為，PSⅡ天線色素的非光化學能量耗散易造成降低，而光合機構被破壞或可逆失活又使其增加，增加越多，PSⅡ反應中心受損越嚴重。說明淹水脅迫對2個品種的PSⅡ反應中心造成了不同程度的傷害。

2.6.2 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片/的影響/反映植物葉片PSⅡ原初光能轉換效率，正常狀態下植物的/值在0.75～0.85之間，比較穩定，逆境條件下該參數會發生變化。/值越大，PSⅡ最大光化學量子產量越大，植物對環境適應性越好，植物生長狀態越好；反之則越小。由圖5可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號低水淹處理下的/總體呈上升趨勢，而高水淹處理下的/呈先下降后上升的趨勢；黃薄2號低水淹處理下的/呈先下降后上升的趨勢，高淹水處理下的/總體呈上升趨勢。2個品種各淹水脅迫處理下/都低于對照，且低水淹處理高于高水淹處理。經方差分析，2個品種高水淹處理下的/都與對照和低水淹處理有極顯著差異。說明淹水脅迫使薄殼山核桃的光合作用原初反應過程受到部分破壞，而且隨著脅迫程度的增加，光合功能受到的破壞程度也相應增加。

2.6.3 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片ETR的影響 ETR是植物光合作用PSⅡ的表觀光合電子傳遞效率，與植物凈光合速率呈顯著正相關。由圖6可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號低水淹處理ETR呈先上升后下降的趨勢，高水淹處理則呈起伏式緩慢上升趨勢，幅度都不大；黃薄2號低水淹和高水淹處理下的ETR高低起伏，總體呈下降趨勢。2個品種各淹水脅迫處理下ETR都低于對照，且低水淹處理下ETR高于高水淹處理。這與/參數表現一致。經方差分析，黃薄1號高水淹處理下的ETR與對照有極顯著差異，黃薄2號2種淹水脅迫處理下的ETR都與對照有極顯著差異。

2.6.4 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片的影響是反映PSⅡ反應中心的開放程度和光合活性變化的指標，其數值越大，說明傳遞活性越高。由圖7可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號、黃薄2號在低水淹和高水淹處理下的均總體呈下降趨勢。黃薄1號在高水淹處理下的高于對照，經方差分析，高水淹與對照及低水淹處理有極顯著差異。黃薄2號2種脅迫處理下的都低于對照，且無顯著差異。

2.6.5 淹水脅迫對薄殼山核桃葉片NPQ的影響 NPQ反映PSⅡ天線色素吸收的不能用于光合電子傳遞而以熱耗散的形式釋放的光能，是植物自我保護的一種途徑。由圖8可知，隨著淹水時間的延長，黃薄1號低水淹處理下的NPQ呈先下降后上升的趨勢，而高水淹處理下的NPQ則呈大幅度上升趨勢；黃薄2號低水淹處理下的NPQ與黃薄1號低水淹處理變化一致，高水淹處理下的NPQ總體呈緩慢上升趨勢。2個品種各淹水脅迫處理下的NPQ整體都高于對照，且低水淹處理整體低于高水淹處理。這與/、ETR參數表現正好相反。經方差分析，黃薄1號高水淹處理下的NPQ與對照有顯著差異，黃薄2號2種淹水脅迫處理下的NPQ都與對照有極顯著差異。

2.7 2個薄殼山核桃品種耐淹水性綜合評價

研究表明植物在逆境條件下的生理變化過程很復雜，無法采用單一的生理生化指標評價其對逆境的適應能力。本研究對不同薄殼山核桃品種的生長、生理指標進行相關性分析(表2)，通過計算各指標耐淹水系數可知，各指標的變化幅度存在差異(表3)。各項指標之間存在一定的相關性，有的指標間達顯著相關水平，有的達極顯著相關水平。如地徑增長率與苗高增長率、/、ETR、NPQ呈極顯著相關，與可溶性糖含量、丙二醛含量、呈顯著相關等。而且各單項指標對不同薄殼山核桃品種耐淹水能力發揮的作用也各不相同，為此采用隸屬函數法進行綜合性評價(表4)。由表4可知，2個薄殼山核桃品種不同淹水處理下的耐淹水性排序為：黃薄2號(T)>黃薄1號(T)>黃薄2號(T)>黃薄1號(T)。黃薄2號平均隸屬函數值(0.514 5)高于黃薄1號(0.494 7)，因此黃薄2號耐淹水性高于黃薄1號。

表2 各生長生理指標相關系數矩陣

3 結論與討論

淹水脅迫會使土壤缺氧而產生大量有毒有害物質，植物呼吸受抑制并引起能量供應紊亂，導致植物根系大量死亡，生物量持續減少。淹水脅迫對植物的形態、營養代謝、激素平衡、光合作用等多個方面產生顯著影響。

表3 不同薄殼山核桃品種及處理各指標耐淹水系數

表4 不同薄殼山核桃品種及處理各指標的隸屬函數值

形態結構能直接反映植物受逆境脅迫的損傷程度，淹水脅迫下植物會產生葉片黃化、干枯，根系褐變或腐爛，皮孔膨大，形成不定根等現象。皮孔膨大和不定根的產生可以幫助植物從水體中獲取氧氣與營養元素，釋放乙炔、乙醇等有害物質，減輕其毒害從而適應長期的淹水脅迫環境。本試驗中，薄殼山核桃葉片出現變色漬斑現象(25 d左右)和皮孔膨大的現象(15 d左右)，直到淹水結束(60 d)也沒有產生不定根，但試驗植株成活率為100%，說明薄殼山核桃具有一定的耐淹水能力。

生長量和葉片葉綠素含量可以間接反映植物受逆境脅迫的損傷程度。本試驗中，各品種薄殼山核桃的地徑、苗高生長都隨淹水脅迫程度的增加而降低，特別是地徑，在高水淹處理60 d后，地徑均出現了不同程度的負增長。2種淹水處理下的地徑、苗高增長率均低于對照，黃薄2號地徑、苗高的增長率均高于黃薄1號。

2種淹水處理下，黃薄1號、黃薄2號的葉片葉綠素含量總體都隨著淹水脅迫時間的增加而降低，且整體低于對照。這與梓樹、北美楓香、丁香等對淹水脅迫的響應一致。淹水脅迫可能導致薄殼山核桃呼吸作用減弱，細胞內積累了較多的氧自由基，破壞了葉綠體膜結構，加快了葉綠素的降解。葉綠素是植物進行光合作用的關鍵因子，葉綠素含量降低會造成光合作用強度下降，進而影響植株的正常生長發育。在高淹水處理下黃薄1號的葉綠素含量與對照有極顯著差異，而在2種淹水處理下黃薄2號葉綠素含量與對照無顯著差異，說明黃薄1號在高淹水處理下葉綠素受損程度較大。

淹水條件下細胞內自由基過度積累，導致自由基平衡被破壞，引發和加劇膜脂的過氧化作用，產生丙二醛(MDA)這一代謝產物。通常利用它作為脂質過氧指標，表示細胞膜脂過氧化程度和膜系統損害程度。有研究表明，淹水脅迫會導致植物葉片MDA含量升高，本試驗結果與已有報道結果基本一致。黃薄1號、黃薄2號各處理隨著淹水時間的延長，其MDA含量變化雖有起伏但整體均呈上升趨勢，2種脅迫處理下的MDA含量整體都高于對照，但與對照均無顯著差異。2個品種的MDA含量變化起伏和上升幅度略有不同，一方面說明其對淹水脅迫的敏感性不同，另一方面也表明其受到淹水脅迫的傷害有差異。

可溶性糖是一種重要的滲透調節物質，揭示了逆境脅迫對植物代謝過程的影響。本試驗中，隨著淹水時間的延長，黃薄1號、黃薄2號各處理下可溶性糖含量均在15 d下降到最低水平，然后整體呈上升趨勢或趨于穩定，且都高于對照。2個品種高水淹處理下可溶性糖含量與對照有顯著差異。一般而言，植物在應對環境的變化時會自主積累一部分可溶性糖，作為能量基礎和調節代謝的重要物質，可以在一定程度上減輕水分脅迫帶來的危害。試驗初期可溶性糖含量降低可能是植物體在面對逆境脅迫下的“自救”反應，分解體內現有可溶性糖以提高自身滲透壓，促進各項生化反應正常進行，后期可溶性糖含量升高可能是隨著脅迫時間的延長，植物體自主進行滲透調節以適應外部環境的表現。

葉綠素熒光效應是植物對環境變化的生理響應，它與光合作用中各個反應過程緊密相關，能靈敏迅速地反映出逆境脅迫對植物光合作用產生的影響。有研究表明，淹水后植株葉片初始熒光()呈上升趨勢，最大光化學效率(/)、光化學淬滅系數()以及光合電子傳遞速率(ETR)將顯著降低，非光化學淬滅系數(NPQ)將顯著增加。本試驗中，2個薄殼山核桃品種各淹水處理下的平均值均高于對照，但無顯著差異；/與ETR參數表現一致，均整體低于對照，2個品種高水淹處理的/、ETR均與對照有極顯著差異；除黃薄1號高水淹處理的高于對照外，其他處理的都低于對照，其中黃薄1號高淹水處理與對照有極顯著差異，黃薄2號各淹水處理與對照差異不顯著；NPQ整體高于對照，黃薄1號高淹水處理與對照差異顯著，黃薄2號2個淹水處理均與對照有極顯著差異。試驗結果與已有研究有相似規律，各葉綠素熒光參數差異程度因薄殼山核桃品種及淹水程度不同而有所區別。淹水脅迫后，升高說明PSⅡ原初光能轉化效率及其潛在活力降低，/、ETR參數降低說明光合電子傳遞與光合原初反應受到抑制，PSⅡ受損，光合作用受到影響。的降低和NPQ升高則說明保護機制啟動，通過增加熱耗散來減少淹水對PSⅡ系統的影響。

研究證明，植物耐淹水性受多種因素綜合影響，同一指標在不同材料上的表現有差別，應該集中多個指標運用科學方法來進行綜合評價。本研究采用10個生長和生理生化指標通過隸屬函數法對2個薄殼山核桃品種的耐淹水能力進行綜合評價，結果表明，黃薄2號耐淹水性高于黃薄1號。本研究結果可為薄殼山核桃耐淹水性品種篩選提供參考。由于試驗是人工控制試驗，不能全面展現其在自然環境條件下對淹水脅迫的響應，所以還需進行田間試驗進一步加以驗證。