不同樹種與馬尾松混交的短期生理效應

周瑋, 王藝, 蘇春花

(貴州民族大學生態環境工程學院, 貴陽 550025)

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)生長快,耐干旱瘠薄,在恢復森林生態系統中起到先鋒作用,是貴州省優良的鄉土造林樹種,在貴州省森林蓄積中馬尾松占了30%以上[1]。由于大面積的馬尾松純林種植,樹種單一,結構簡單,物種多樣性低。研究表明物種多樣性降低會導致植物群落退化,土壤出現退化特征[2]。長期的純林經營致使地力衰退,林分產量及質量下降,病蟲害頻發[3],為了維護生物多樣性及可持續經營,保護生態環境,人們開始營造混交林或者對現有馬尾松純林進行林分改造。目前,有關馬尾松混交林的研究主要集中在馬尾松與不同樹種混交后的生長效應[4-6],也有關馬尾松混交林的物種組成的變化[7]、持水性能及抵御病蟲害能力[8-9]等方面的研究,結果表明馬尾松混交林較純林具有更佳的物種組成及抵御病蟲害的能力,增強林地的持水性,促進馬尾松生長。

近年來,相關學者從馬尾松混交后的生產力特征、生長、發育特性、林下植物多樣性及水土保持特性等各個方面進行了研究,取得了一定的研究成果,如林潤東等[10]研究了馬尾松混交林的超產效應及其影響因素,結果表明混交林可以提高馬尾松生物量的超產效應,促進馬尾松的生長發育,優化馬尾松林的林分結構;陳歆宇等[11]分析了不同馬尾松混交林及其生產力功能的耦合關系,證明混交比例不合適及密度過大是影響馬尾松生長的重要因素;羅創福等[12]及黃欣宇等[13]分析了馬尾松混交林的生長及其林下植物,并對光環境的影響進行了研究,均證明混交林的生長及林下植被多樣性均高于純林;張博文等[14]對比分析了馬尾松純林及混交林的林下植物多樣性,也得出相同結論;李鵬等[15]對馬尾松混交林的水土保持特征及土壤性質進行了分析,表明馬尾松混交林促進馬尾松林的水土保持功能,提高土壤性質;文娟等[16]對混交林揮發性物質成分進行了分析,表明純林揮發性有機物種類較混交林少;劉美玲[17]詳細研究了馬尾松-杉木混交后的生長及競爭關系。生理指標是植物生長變化的內在機制,是植物發育過程中形態、營養、生長及繁殖能力受外界影響而表現出的生命狀態,能表征植物對逆境的抵抗能力及脅迫反應[18],較生長指標更能準確判斷植物的發育特性及狀況,但關于馬尾松與樹種混交后的生理特性及生理效應的研究至今未見報道。因此現選擇貴州省主要的6種樹種(楓香、香樟、杉木、榿木、木荷和刺槐)與馬尾松按照1∶1比例在室內模擬混交種植,研究馬尾松與不同樹種混交后的葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調節物質(可溶性蛋白及脯氨酸)、氮、磷轉化酶活性(硝酸還原酶、酸性磷酸酶)以及丙二醛的含量,探討混交后對馬尾松生理特性的影響,揭示不同樹種與馬尾松混交的生理機制,為馬尾松混交林營造中的樹種選擇提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用室內模擬試驗,選擇刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、榿木(AlnuscremastogyneBurk.)、楓香(LiquidambarformosanaHance)、香樟[Cinnamomumcamphora(Linn) Presl]、木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)及杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]與馬尾松苗木混合種植,以馬尾松單獨種植為對照,分別記為CH-M、QM-M、FX-M、XZ-M、MH-M、SM-M及M(CK),共7個處理。各樹種均采用1年生實生苗,各樹種與馬尾松苗按照1∶1行狀混交種植于75 cm×50 cm×45 cm的種植盆中,每個盆中種 2 排,共計8株。于2021年2月進行盆栽試驗,每種處理6盆。盆中所有土壤先混勻,再進行過篩、消毒處理。苗木移栽成活后,適時澆水、除草,定期進行苗期管理,按時監測苗木的生長。為避免產生邊緣效應,定期交換盆栽位置及方向。

1.2 樣品采集

待苗木移栽成活6個月后,于2021年10月底取出苗木進行分析。每種處理選取3盆,每盆選4株馬尾松苗的上、中、下部針葉混合,約50 g,共3個重復,供馬尾松苗生理指標分析用。

1.3 分析方法

1.3.1 實驗方法

葉綠素測定:用95%乙醇液在避光條件下提取葉綠素,用紫外分光光度計測定其吸光值,參考劉秀麗等[19]方法進行葉綠素a、葉綠素b的含量計算。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性測定:采用氮藍四唑法,以每克鮮樣品酶活力單位表示。

過氧化物酶(peroxidase,POD)活性測定:采用愈創木酚顯色法,以每分鐘內470 nm處吸光度變化0.01為1個酶活性單位(U)。

可溶性蛋白含量測定:采用考馬斯亮藍G-250染色法。

脯氨酸含量測定:采用酸性茚三酮比色法。

丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量測定:采用硫代巴比妥酸法。

硝酸還原酶(nitrite reductase,NR)測定:采用磺胺比色法[20]。

酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)活性測定:采用劉淵等[21]酸性磷酸酶活性的方法測定,以單位時間內單位質量的針葉水解p-NPP 生成的對硝基苯酚的量來表示,即μg/(g·min)。

1.3.2 數據處理方法

用Excel進行數據整理并進行圖表制作,應用SPSS 19.0的ANOVA進行方差分析、LSD法進行多重比較,應用Fuzzy綜合評價法進行綜合評價值分析,根據模糊數學綜合決策原理, 采用加權平均和最大原則,公式[22]為

(1)

式(1)中:X(ij)為i處理j指標的隸屬值均值;Xij為i處理j指標的測定值;maxXij為該指標的最大值;minXij為該指標的最小值;n為個案數。

2 結果與分析

2.1 不同處理對馬尾松苗葉綠素含量的影響

從表1中可以看出,不同處理對馬尾松葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量影響顯著(P<0.05)。與對照M(CK)相比,CH-M處理葉綠素a及總葉綠素含量降低0.04 mg/g,葉綠素b含量與對照相同。其余處理下葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量均高于對照,MH-M、QM-M處理葉綠素a及總葉綠素含量顯著高于M(CK)(P<0.05), 總葉綠素量分別較M(CK)高81.10%及57.46%。MH-M處理葉綠素b含量顯著高于對照(P<0.05)。SM-M處理總葉綠素量增加量最小,較M(CK)總葉綠素含量高0.06 mg/g。QM-M處理葉綠素a/b最高,為3.60,比對照高0.33,其余處理比值低于對照,XZ-M處理馬尾松針葉葉綠素a/b最小,為2.54。

表1 不同處理下馬尾松針葉葉綠素含量

2.2 不同處理對馬尾松抗氧化酶活性的影響

圖1是不同處理下馬尾松針葉過氧化物酶(POD)及超氧化物歧化酶(SOD)的活性。分析表明,不同處理下馬尾松針葉抗氧化酶活性存在顯著差異(P<0.05),與M(CK)相比,不同樹種與馬尾松混交后都顯著提高了馬尾松針葉的抗氧化酶活性?？梢钥闯?種樹種與馬尾松苗混交后,馬尾松針葉POD活性都比對照組M(CK)的高,其中FX-M處理POD的活性最高,為18.27 U/(g·min),較M(CK)高13.84 U/(g·min),其次是QM-M[14.91 U/(g·min)]、CH-M[14.21 U/(g·min)]處理,活性最低的是XZ-M處理,POD活性為8.82 U/(g·min)。不同處理下POD活性均顯著高于對照處理M(CK)。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

不同處理下馬尾松針葉SOD活性存在顯著性差異(P=0.038<0.05),XZ-M、MH-M、FX-M與M(CK)間SOD活性存在顯著性差異(P<0.05),CH-M、SM-M、QM-M與M(CK)間SOD活性差異不顯著(P>0.05)。其中QM-M處理下SOD活性最低,僅為47.56 U/(g·h),其次是CH-M處理SOD活性較低。SOD活性最高的是FX-M處理,為85.47 U/(g·h),MH-M處理SOD活性也較高。

2.3 不同處理對馬尾松針葉滲透調節物質的影響

由圖2(a)可知,不同處理下馬尾松針葉可溶性蛋白含量差異顯著(P<0.05)。各處理可溶性蛋白的含量均高于對照M(CK),其中CH-M處理可溶性蛋白含量最高,為5.03 mg/g,其次是XZ-M處理;QM-M的可溶性蛋白含量最低(2.771 mg/g),較對照高 0.58 mg/g。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

由圖2(b)可知,不同處理下馬尾松針葉游離脯氨酸含量差異顯著(P<0.05),其中FX-M處理下脯氨酸含量顯著高于其他處理,其余各處理間差異不顯著(P>0.05)。FX-M、XZ-M處理脯氨酸含量高于對照M(CK),FX-M處理脯氨酸含量最高,為191.38 μg/g,較對照高113.36 μg/g,其次是XZ-M處理。CH-M、SM-M、QM-M及MH-M處理脯氨酸含量低于對照,SM-M及MH-M處理脯氨酸含量最低,僅為46.83 μg/g及45.08 μg/g。

2.4 不同處理對馬尾松針葉內轉化酶活性的影響

由圖3(a)可知,不同處理下馬尾松針葉硝酸還原酶活性差異顯著(P<0.05)。CH-M處理硝酸還原酶活性顯著高于其余各處理?？梢钥闯?CH-M的硝酸還原酶活性最高,為7.75 μg/(g·min),高于對照5.53 μg/(g·min),SM-M及MH-M處理硝酸還原酶活性也較對照高,分別高于對照1.20 μg/(g·min)及0.71 μg/(g·min);XZ-M、FX-M及QM-M處理硝酸還原酶活性低于對照,其中FX-M處理下硝酸還原酶活性最低,僅為1.57 μg/(g·min),低于對照0.66 μg/(g·min)。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

由圖3(b)可知,根據多重比較結果可知,MH-M與QM-M、FX-M處理酸性磷酸酶活性存在顯著性差異(P<0.05),MH-M與SM-M、CH-M、XZ-M及M(CK)的酸性磷酸酶活性間差異不顯著(P>0.05)。MH-M處理馬尾松苗酸性磷酸酶活性最高,為26.27 μg/(g·h),較對照M(CK)高1.19 μg/(g·h),其余處理馬尾松針葉酸性磷酸酶活性均低于對照,其中FX-M處理馬尾松苗的酸性磷酸酶活性最低,僅為17.69 μg/(g·h),較對照低7.00 μg/(g·h)。

2.5 不同處理馬尾松針葉對MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的重要產物之一。由圖4可知,不同處理下馬尾松針葉中丙二醛(MDA)含量存在顯著差異(P<0.05)。XZ-M、QM-M處理MDA含量顯著高于其余處理(P<0.05)。XZ-M處理的MDA含量最高,為0.35 μmol/g,其次是QM-M處理,顯著高于對照,說明與對照相比,XZ-M及QM-M處理對馬尾松針葉的膜系統造成一定的傷害。FX-M、SM-M、CH-M處理馬尾松針葉含量略高于對照,MH-M處理MDA含量最低,含量為0.045 μmol/g,且低于對照0.039 μmol/g。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.6 不同處理下馬尾松幼苗生理綜合評價

利用模糊隸屬函數綜合評價馬尾松苗的生理效應(表2)。不同處理下馬尾松苗的生理指標的綜合評價值排序為MH-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。馬尾松與其他樹種混交后的綜合值高于對照,針闊混交的綜合評價值高于針葉與針葉混交(SM-M)。可見從生理特性上看,與馬尾松混交效果最好的是MH-M、FX-M以及QM-M。

表2 不同處理下馬尾松的各項生理指標的隸屬度及其綜合評價

3 討論

葉綠素含量是反映光合器官生理狀況的重要指標,其含量在一定程度上反映了生長狀況和光合作用能力,葉綠素含量的高低影響著植物的光合速率。研究結果表明,除CH-M處理中葉綠素a及總葉綠素含量低于對照,其余處理葉綠素a、葉綠素b含量高于對照,特別是MH-M、QM-M處理顯著高于對照。說明馬尾松與除刺槐外的其余5種鄉土樹種混交能促進馬尾松苗光合作用能力的提高,提升馬尾松的光合速率。

植物細胞的滲透調節物質對維持細胞滲透平衡起重要作用。脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調節物質含量的增加會改變細胞內外滲透勢,從而顯著提高植物的抗逆性[25]。可溶性蛋白含量越高,細胞的保水能力和結構穩定性越強,脯氨酸在消除活性氧、提高抗氧化能力、穩定大分子結構等方面也具有重要作用。不同處理下馬尾松針葉可溶性蛋白含量高于對照,說明馬尾松與6種樹種混交后能提高馬尾松苗的保水能力及結構穩定性。MH-M、SM-M處理脯氨酸含量低于對照,其余處理脯氨酸含量高于對照,FX-M處理脯氨酸含量顯著高于對照。說明楓香與馬尾松混交顯著提升馬尾松苗的抗逆性能,木荷、杉木與馬尾松混交能提升馬尾松的抗干旱能力,但馬尾松苗消除活性氧略低。

硝酸還原酶(NR)及酸性磷酸酶(ACP)是植物體內氮、磷轉化的誘導酶,硝酸還原酶(NR)將植物種氮素催化轉化為無機氮,影響氮素的利用率,植物葉片、根系的代謝酶活性與植物體內氮素的積累量有明顯相關性[26-27]。酸性磷酸酶(ACP)能分解和轉化植物體內的有機磷,酶促有機磷化合物釋放出植物生長所需要的無機磷,提高磷素的有效性[28],反映植物對磷素脅迫的適應能力。ACP 活性的增強是植物對缺磷適應能力的反映[29-31]。XZ-M、FX-M及QM-M處理下NR活性低于對照,說明香樟、楓香及榿木與馬尾松混交對馬尾松體內氮素的利用率有抑制作用,CH-M、SM-M及MH-M處理下NR活性高于對照,CH-M處理顯著高于對照及其他處理,說明馬尾松與刺槐混交后能顯著提高馬尾松體內氮素的利用率。僅MH-M處理下馬尾松ACP活性含量高于對照,其余處理低于對照,說明馬尾松與木荷混交后馬尾松體內磷素轉化能力增強,且對外界氮、磷元素缺乏有一定的適應性。

丙二醛(MDA)是植物細胞膜脂過氧化的產物之一,其含量的高低在一定程度上反映了膜脂的過氧化水平和膜結構的受害程度,其含量反映植物質膜受傷害的程度[32],植物細胞膜有強烈的過氧化作用,膜脂過氧化終產物 MDA 含量相應增加。FX-M及QM-M處理MDA含量顯著高于對照及其他處理,MH-M處理中MDA含量最低,說明馬尾松與楓香及榿木混交后馬尾松針葉膜脂的過氧化水平高,馬尾松膜受傷害的程度較高,與木荷混交,馬尾松膜受傷害程度最低。

4 結論

不同樹種與馬尾松混交對馬尾松苗的生理特性產生的影響不同,不同處理下馬尾松苗的綜合生理效應排序為MH-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。馬尾松與其他樹種混交后的生理特性綜合評價值高于對照,針闊混交的綜合評價值高于針葉與針葉混交(SM-M)。與馬尾松混交從短期的生理特性上看綜合效果最好的是MH-M處理,其次是FX-M以及QM-M處理。