郁萬文 曹福亮 蔡金峰 高長忠

(南京林業(yè)大學，南京，210037) (鹽城市紅多草莓專業(yè)合作社)

責任編輯:任 俐。

全球土壤鹽堿化日益嚴重［1-2］，已成為限制世界農(nóng)林業(yè)進一步發(fā)展的重要環(huán)境因子之一。我國現(xiàn)代鹽堿土壤、殘余鹽堿土壤和潛在鹽堿化土壤總面積達到9 913.3 萬hm2［3］，主要分布于西北、華北、東北和濱海地區(qū)，嚴重影響著我國現(xiàn)代化農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。因此，植物耐鹽/堿性及其對鹽/堿脅迫適應機理研究日益受到重視。許多研究發(fā)現(xiàn)，中性鹽脅迫與堿性鹽脅迫實際是兩種性質(zhì)不同的脅迫［4］，二者間有一定的相關性，但其對植物的脅迫作用機制以及植物對其生理適應機制均有明顯不同［5-6］。堿脅迫比鹽脅迫具有更大的生態(tài)破壞力［7］，由于土壤所含鹽分的種類、比例、數(shù)量等各不相同，致使土壤堿化往往與鹽化交織在一起相伴發(fā)生，造成了問題的復雜性。迄今為止，有關植物抗鹽堿研究仍多以NaCl 為研究對象，以Na+離子代謝、抗鹽性相關基因的分子生物學及鹽脅迫信息傳導等為主要研究方向。盡管目前在認識植物抗鹽機制方面有了長足進步，但在堿性鹽脅迫及鹽堿混合脅迫方面仍研究很少。我國林木資源豐富，生態(tài)類型多，但有關耐水樹種的耐鹽堿機理的研究相對缺乏。劉慧娟［8］、郝峰鴿等［9-10］對喜樹的生長及生理生化特性對NaCl 的響應進行了研究，張露婷等［11］對不同喜樹種源的耐鹽能力進行了評價并篩選出了耐鹽評價指標。在前人研究的基礎上，本研究以喜樹幼苗為材料，研究在鹽堿脅迫下喜樹生長及體內(nèi)離子吸收平衡特性的變化，探討喜樹耐鹽堿機理，為開展濱海鹽堿地區(qū)林木的耐鹽堿研究和耐鹽堿樹種篩選提供理論和技術參考。

1 材料與方法

材料培育:2014年4月中旬將規(guī)格一致(苗高(20±5)cm，地徑(4.0±0.5)mm)的喜樹半同胞家系1年生苗栽植于20 cm(徑)×30 cm(高)的塑料盆中，每盆定植2 株，盆中裝有10 kg 的干沙土，盆底墊托盤，防止鹽分流失。每5 d 透灌1 次1/2Hoagland溶液，常規(guī)培養(yǎng)2 個月。本底土壤理化特征為沙土，pH 值7.18，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)3.71 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)0.54 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分數(shù)16.04 mg·kg-1，全磷質(zhì)量分數(shù)0.52 g·kg-1，速效磷質(zhì)量分數(shù)2.56 mg·kg-1，全鉀質(zhì)量分數(shù)1.10 g·kg-1，速效鉀質(zhì)量分數(shù)23.2 mg·kg-1。

鹽堿處理:6月中旬在溫室中對喜樹苗進行鹽堿處理。選擇生長健壯、長勢一致(苗高(50±5)cm，地徑(8.0±0.5)mm)的苗木54 盆，隨機分成9組，每組6 盆，即每2 盆為一個重復，重復3 次。其中8 組分別用NaCl(50、100 mmol·L-1)、NaHCO3(50、100 mmol·L-1)和Na2SO4(25、50 mmol·L-1)、Na2CO3(25、50 mmol·L-1)的1/2Hoagland 溶液每2 d 澆灌1.0 L 相應濃度溶液1 次，連續(xù)進行7 次，此時僅就50、100 mmol·L-1NaCl 兩個處理的土壤中NaCl 質(zhì)量分數(shù)(土壤質(zhì)量以干質(zhì)量計，同時忽略本底土壤中NaCl)分別為0.205%、0.410%。以后每3 d 稱質(zhì)量補蒸餾水，維持土壤最大田間持水量的70%～80%。另外一組用清水處理作為對照。

指標測定:鹽堿處理1 個月后，小心取出每盆中的完整植株，先用自來水沖洗，再用蒸餾水洗凈全株，用吸水紙吸去附著水分，分根、莖、葉稱取鮮質(zhì)量。60 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱取干質(zhì)量，粉碎過50目篩備用。

稱取干樣0.5 g，用HSO4-H2O2法消煮，火焰原子吸收法檢測組織中Na+、K+、Ca2+質(zhì)量分數(shù)［12］。按照下列公式計算不同部位對礦質(zhì)元素選擇性運輸或吸收(吸收選擇性系數(shù)RS，X，Na+)能力。

式中:X 代表K+、Ca2+礦質(zhì)元素;RS，X，Na+值越大，表明源器官控制Na+、促進X 向庫器官的運輸能力越強，即庫器官的選擇性運輸能力越強［13］。

數(shù)據(jù)處理及方差分析均用SPSS18.0 完成。文中所有數(shù)據(jù)均以3 次重復的平均值±標準誤差(S.E.)表示。顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對喜樹幼苗生物量的影響

如表1所示，鹽堿脅迫抑制了喜樹根、莖生物量的積累，且隨著脅迫強度的增加被進一步抑制;對葉生物量的影響因鹽分種類和脅迫強度表現(xiàn)出一定的差異。與對照相比，低濃度中性鹽使葉生物量變化不大或略有升高，表明在低強度脅迫下植株能夠主動適應鹽堿逆境;而在高濃度處理時有所增加，則是植株通過增加葉片的生長來稀釋高濃度的Na+來部分適應高鹽環(huán)境。與對照相比，喜樹在低濃度堿性鹽脅迫下葉生物量積累變化不大，而在高濃度脅迫下生物量呈現(xiàn)較大幅度地降低，表明高鹽、高pH 值環(huán)境嚴重抑制喜樹葉生物量積累?？傮w上說，堿性鹽對生物量的影響高于中性鹽;鹽堿脅迫下喜樹通過犧牲喜樹根、莖生物量的積累保證葉的生長主動適應鹽堿逆境，但在高鹽、高pH 值條件下，葉生物量的積累也被不同程度抑制。

表1 鹽堿脅迫下喜樹幼苗生物量的變化

2.2 鹽堿脅迫對喜樹幼苗體內(nèi)Na+質(zhì)量分數(shù)的影響

如表2所示，鹽堿脅迫的喜樹苗根、莖、葉中的Na+質(zhì)量分數(shù)極顯著高于對照(p＜0.01)。不同器官的增幅存在差異，由高到低的順序為莖、葉、根。莖、葉中Na+質(zhì)量分數(shù)顯著低于根中的，但鹽堿脅迫削弱了這種質(zhì)量分數(shù)差。與對照相比，隨著鹽堿濃度的增加，喜樹根、莖、葉中的Na+質(zhì)量分數(shù)均有不同程度地增加。其中中性鹽NaCl 和Na2SO4脅迫對根、莖、葉中Na+質(zhì)量分數(shù)的影響相當，但其影響低于堿性鹽NaHCO3和Na2CO3。NaHCO3和Na2CO3相比，Na2CO3使喜樹根、莖、葉中的Na+質(zhì)量分數(shù)增加的幅度更大些。

表2 鹽堿脅迫下喜樹幼苗體內(nèi)Na+質(zhì)量分數(shù)的變化

2.3 鹽堿脅迫對喜樹幼苗體內(nèi)K+、Ca2+質(zhì)量分數(shù)的影響

如表3所示，鹽堿脅迫對喜樹苗根、莖、葉中的K+質(zhì)量分數(shù)的影響較小(p＞0.05)。K+存在由地下器官向地上器官運輸?shù)内厔?，且鹽堿脅迫強度增強這種趨勢。與對照相比，低濃度中性鹽NaCl(50 mmol·L-1)和Na2SO4(25 mmol·L-1)脅迫下喜樹根、莖、葉中的K+質(zhì)量分數(shù)有所增加，而高濃度的中性鹽使喜樹根中K+質(zhì)量分數(shù)降低，但莖、葉中的K+質(zhì)量分數(shù)有所增加。與對照相比，低濃度的堿性鹽NaHCO3使喜樹根、莖、葉K+質(zhì)量分數(shù)有所增加，高濃度的NaHCO3降低了喜樹中根、莖中的K+質(zhì)量分數(shù)，但葉中K+質(zhì)量分數(shù)有所增加。低濃度Na2CO3使喜樹中根的K+質(zhì)量分數(shù)降低，莖、葉中的質(zhì)量分數(shù)增加，高濃度使喜樹根、莖、葉中的K+質(zhì)量分數(shù)均降低。

與對照相比，鹽堿脅迫使喜樹植株體內(nèi)Ca2+存在由地上器官向地下器官轉(zhuǎn)移的趨勢，且鹽堿脅迫強度增強這種趨勢。NaCl 處理使根、莖葉中Ca2+有所積累，且地下部分積累的幅度較地上部分大;Na2SO4處理使根、莖中Ca2+質(zhì)量分數(shù)增加，而葉中Ca2+降低;NaCl 與Na2SO4對根、莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)的影響隨著脅迫強度的增加而加劇。與對照相比，NaHCO3處理使根、莖中Ca2+質(zhì)量分數(shù)增加，而葉中Ca2+降低;低濃度Na2CO3處理(25 mmol·L-1)使根、莖中Ca2+質(zhì)量分數(shù)升高，葉中Ca2+有所降低，而高濃度(50 mmol·L-1)處理使根中Ca2+質(zhì)量分數(shù)升高，但莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)降低;隨著脅迫強度的增加，NaCl 與Na2SO4對根、莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)的影響的正效應降低，負效應加劇。

表3 鹽堿脅迫下喜樹幼苗組織中K+、Ca2+質(zhì)量分數(shù)的變化

2.4 鹽堿脅迫對喜樹幼苗體內(nèi)K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)、Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)的影響

如表4所示，與對照相比，鹽堿脅迫降低了根、莖、葉中K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)，且隨著濃度增加其降低幅度增加。鹽堿脅迫對根、莖、葉中K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)影響的程度由小到大的順序為Na2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3。4 種鹽堿脅迫對根、莖、葉中K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)影響的程度由小到大的順序為根、葉、莖。同樣，鹽堿脅迫降低了根、莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)，且隨著濃度增加其降低幅度增加。鹽堿脅迫對根、莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)影響的程度由小到大的順序為Na2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3。4 種鹽堿脅迫對根、莖、葉中Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)影響的程度由小到大的順序為根、葉、莖。

2.5 鹽堿脅迫對喜樹幼苗選擇性運輸K+、Ca2+能力的影響

如表5所示，鹽堿脅迫改變了喜樹幼苗莖、葉選擇性運輸和吸收K+、Ca2+的能力，具體表現(xiàn)為鹽堿脅迫降低了由根向莖選擇性運輸K+、Ca2+的能力，且總體上隨著脅迫強度的增加而加劇，同時增加了葉對K+、Ca2+的選擇性吸收，但總體上隨著脅迫的增加而降低，但仍高于對照。中性鹽NaCl 和NaHCO3對喜樹由根向莖選擇性運輸K+、Ca2+的能力的影響低于堿性鹽NaHCO3和Na2CO3的影響，但對由莖向葉中選擇運輸K+、Ca2+的能力的影響則與之相反。

表4 鹽堿脅迫對喜樹幼苗的K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)、Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)的影響

表5 鹽堿脅迫對喜樹幼苗K+、Ca2+選擇性運輸能力的影響

3 結(jié)論與討論

林木在鹽堿環(huán)境下生存就要以降低生長為代價［14］。生物量是植物對鹽堿脅迫反應的綜合表現(xiàn)，也是植物耐鹽堿性的直接指標之一。本研究結(jié)果表明，鹽堿脅迫下喜樹通過犧牲喜樹根、莖生物量的積累，保證葉生物量的積累的方式主動適應鹽堿逆境，即植株通過增加葉片的生長來稀釋高濃度的Na+來部分適應鹽堿環(huán)境;堿性鹽對喜樹根、莖、葉生物量的影響高于中性鹽，表明離子脅迫和高pH 值脅迫下喜樹葉生物量的積累也被不同程度抑制。

植物的耐鹽性主要取決于根系對鹽分的選擇吸收及其在器官、組織和細胞3 個層次上的區(qū)域化。植物抗鹽機制實質(zhì)上就是Na+及其他離子代謝問題。大多數(shù)植物隨體內(nèi)Na+質(zhì)量分數(shù)上升，K+、Ca2+質(zhì)量分數(shù)下降，使細胞內(nèi)Na+增加和K+外滲，K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)、Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)比率減小，打破原有的離子平衡，導致K+、Ca2+營養(yǎng)失調(diào)，同時因土壤中多量的Na+和堿性鹽，使土壤pH 值上升，影響?zhàn)B分的有效性和對養(yǎng)分的吸收。一般認為，在鹽脅迫下，植物Na+上升和K+、Ca2+下降的幅度越小，即維持較高的K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)、Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)，則表明植物對該種鹽的耐受能力越強［17］。本研究通過比較不同鹽堿脅迫下喜樹根莖葉礦質(zhì)離子分布及選擇性運輸?shù)淖兓C明了不同鹽堿逆境下喜樹的適應性反應有其相似性，但也存在其特異性反應。鹽堿脅迫下喜樹通過大量吸收Na+以降低細胞滲透勢來維持根系對水分和營養(yǎng)元素的吸收。這與雙子葉植物主要以無機離子為滲透調(diào)節(jié)劑的研究結(jié)論是一致的［15］。不同器官Na+質(zhì)量分數(shù)增幅由大到小的順序為莖、葉、根，這種增幅的變化也與以無機離子為主要滲透調(diào)節(jié)劑的結(jié)論一致。莖木質(zhì)部主要作為通道運輸水分和礦質(zhì)離子，生理活動相對較弱，所以Na+在此富集則是喜樹主動適應鹽堿逆境的表現(xiàn)，另外，葉中相對較高的離子濃度，則有利于根中水分和礦質(zhì)元素的上運。鹽堿脅迫處理使喜樹體內(nèi)K+由地下器官向地上器官運輸，使Ca2+由地上器官向地下器官轉(zhuǎn)移。隨著鹽堿濃度和pH 值的升高，K+、Ca2+質(zhì)量分數(shù)沿轉(zhuǎn)移方向呈“升高→降低”的趨勢，其中堿性鹽對Ca2+質(zhì)量分數(shù)的影響較大，Na2CO3尤甚。鹽堿脅迫降低了根、莖、葉中K+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)、Ca2+質(zhì)量分數(shù)/Na+質(zhì)量分數(shù)，且隨著濃度增加其降低幅度增加;4 種鹽對其影響的程度由小到大的順序為Na2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3。鹽堿脅迫改變了喜樹幼苗莖葉選擇性運輸和吸收K+、Ca2+的能力，具體表現(xiàn)為鹽堿脅迫降低了由根向莖選擇性運輸K+、Ca2+的能力，同時增加了葉對K+、Ca2+的選擇性吸收，表明喜樹對K+、Ca2+的由莖到葉的選擇性吸收和運輸能力較強，從而維持葉中相對較好的離子平衡。根系環(huán)境的高pH 值直接降低植物必需礦質(zhì)元素的游離度和活度，造成鈣、鎂等元素的大量沉淀［16］，致使根系周圍離子供應嚴重失衡。從根際營養(yǎng)角度來看，pH 值上升，必然會影響根際大部分營養(yǎng)元素的有效性，最終擾亂植物正常生理代謝。所以，在以NaHCO3、Na2CO3為主的堿化地上，采用降低pH 值的中和措施無疑是一種有效的治理途徑。

綜上所述，喜樹在低強度的鹽堿脅迫下通過犧牲根、莖生物量積累維持葉的生長來稀釋葉中迅速升高的Na+濃度，同時喜樹通過吸收Na+降低滲透勢維持對水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，另外，通過由根向葉運輸K+部分消除葉中大量積累的Na+毒害，又通過由葉向根中運輸Ca2+部分消除根中高濃度Na+的毒害，表現(xiàn)出一定的主動適應性。但長期的鹽堿脅迫必然造成葉中Ca2+和根中K+的顯著降低及Na+毒害，致使礦質(zhì)營養(yǎng)的失衡和匱乏。堿脅迫對喜樹的影響甚于鹽脅迫。鹽脅迫主要涉及滲透脅迫和離子毒害［18-19］，堿脅迫除涉及以上因素還涉及高pH 值脅迫，要適應堿脅迫必然要消耗更多的物質(zhì)和能量，因此，生長抑制更嚴重［15］。

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