許振偉,宋慧佳,李明燕,張廷靖,郭 霄,2,FRANZISKA Eller,HANS Brix, 杜 寧,侯文軒,郭衛(wèi)華,*

1 山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 青島 266237 2 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院, 青島 266109 3 丹麥奧爾胡斯大學(xué),生命科學(xué)學(xué)院植物科學(xué)系,奧爾胡斯 8000

隨著全球氣候變暖問題的加劇,干旱和半干旱地區(qū)的蒸發(fā)量和礦物質(zhì)積累增加[1],濕地土壤鹽漬化和次生鹽漬化面積逐漸擴大,成為各國關(guān)注的全球性問題[2]。我國土壤鹽漬化分布面積大,范圍廣,主要包括內(nèi)陸的鹽漬化和沿海土壤鹽漬化兩種類型。采用生態(tài)措施改善鹽漬土是目前土壤鹽漬化改良的重要方向,能夠極大地提高鹽漬土壤的利用效率[2]。

蘆葦(Phragmitesaustrilis(Cav.)Trin.ex Steud.)是一種具有廣泛生境適應(yīng)能力的水生挺水物種,其繁殖能力極強,生態(tài)幅極廣,可在濱海灘涂、河流沿岸、河口等淺水濕地形成典型的單優(yōu)群落,而且可以在鹽堿、荒漠地區(qū)也可廣泛分布,有著極好的耐鹽特性[3]。研究發(fā)現(xiàn),在鹽處理條件下,蘆葦可以通過增強吸水,增強細(xì)胞膜的穩(wěn)定和膜功能,促進蘆葦生理生化代謝,進而促進幼苗的生長和生物量積累,來提高其耐鹽性[4]。同時,蘆葦通過調(diào)控滲透壓的有關(guān)物質(zhì)和降低超氧化物陰離子產(chǎn)生速率降低鹽分對于植物生長的毒害作用[5]。研究表明,蘆葦在適應(yīng)鹽脅迫有著較好的潛力[6],可以在中等鹽漬化的土壤中正常生長[4],成為改良鹽漬化土壤一種可行性的材料。

不同生境下的蘆葦種群在長期的進化過程中,形成了生態(tài)學(xué)上互有差異的類群,具有各自穩(wěn)定的形態(tài)、生理生化和生態(tài)學(xué)等特征,構(gòu)成豐富的生態(tài)型[3]。不同生態(tài)型的蘆葦種群因其所處的環(huán)境不同,在進化的過程中其形態(tài)、生理特征等都發(fā)生了不同程度的變化,來應(yīng)對各種形式的環(huán)境壓力[7]。Li等人比較研究了陸生型蘆葦與水生型蘆葦功能性狀的差異,發(fā)現(xiàn)兩者主要是通過葉片和根的功能性狀改變來適應(yīng)環(huán)境的變化,兩者有著不同的資源分配策略,水生型蘆葦主要是通過調(diào)整葉面積和根的長度進行快速的生長,但是對環(huán)境脅迫敏感,而陸生型蘆葦通過調(diào)整葉片和根中的干物質(zhì)含量對變化的環(huán)境進行適應(yīng),使得其自身生長緩慢,但同時也造就了其對環(huán)境脅迫具有高耐受性的優(yōu)勢[8]。

蘆葦生長所需要的能量主要來自于光合作用固定的光能,但是鹽脅迫卻會對蘆葦?shù)墓夂献饔卯a(chǎn)生消極影響[9]。鹽脅迫造成蘆葦光合作用下降主要包括兩部分原因,一是氣孔因素,低程度鹽脅迫會造成蘆葦氣孔關(guān)閉,使得蘆葦光合作用底物供應(yīng)不足[10]；二是非氣孔因素,嚴(yán)重鹽脅迫造成蘆葦光合結(jié)構(gòu)和功能損傷,進而造成蘆葦光合作用的下調(diào)[7,9]。盡管國內(nèi)外學(xué)者對蘆葦光合作用對鹽脅迫響應(yīng)機制有部分的研究,但是不同生態(tài)型的蘆葦?shù)墓夂献饔脤}脅迫的響應(yīng)研究卻很少[1],因此本實驗將不同生態(tài)型的蘆葦?shù)墓夂献饔米鳛檠芯恐攸c,通過模擬濱海鹽漬化土壤,比較內(nèi)陸型與河口型蘆葦在含鹽(2.00%)與無鹽(0.00%)的處理下的生長及光合特性,對比不同生態(tài)型蘆葦種群的耐鹽機理,并推測兩種生態(tài)型蘆葦可能存在的耐鹽機理差異的原因,為鹽漬化土壤的改良提供科學(xué)依據(jù)。由于河口型蘆葦長期生活在鹽漬化土壤環(huán)境中,我們預(yù)測,較之內(nèi)陸型蘆葦,長期的生態(tài)適應(yīng)將使得河口型蘆葦擁有更強的耐鹽性。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

實驗于2017年4月—8月在山東省萊蕪市房干野外實驗基地種植園(36°26′N,117°27′E)中進行,為典型的溫帶季風(fēng)型氣候,四季分明,雨熱同期,夏季高溫多雨,冬季干旱少雨,光、熱、水等條件較優(yōu)越,年平均氣溫為12.4℃,≥10℃年積溫為4200—4600℃,年降水量為600—830 mm[11]。內(nèi)陸型(CN)共11種類型采于內(nèi)陸,每種標(biāo)記為1個類型,河口型(YRD)共11種類型采于黃河三角洲,每種標(biāo)記為1個類型(表1)。對于同一生態(tài)型的蘆葦,在每個采集點選擇生長狀況良好且較為一致的蘆葦作為采集樣本,采集蘆葦根系至實驗室進行栽種培養(yǎng)。在第二年,每種蘆葦剪取若干且粗細(xì)長度一致的根狀莖作為繁殖體進行移栽,每個容器內(nèi)種植一段。

表1 蘆葦群落取樣地點

YRD：黃河三角洲,Yellow River delta；CN：中國內(nèi)陸

1.2 實驗設(shè)計

實驗時間為2017年4月—8月,將蘆葦?shù)柠}度設(shè)置為淡水處理(0.00%),含鹽處理(質(zhì)量濃度2.00%)共兩個鹽度梯度,0.00%梯度使用淡水進行灌溉,2.00%梯度,在種植3—4周后進行加鹽處理,首次加鹽至鹽質(zhì)量濃度1.00%,后兩次加鹽每次提高0.50%鹽濃度,每次加鹽間隔1周。蘆葦種植于20 L的塑料桶中,土壤基質(zhì)為河沙,種植時添加緩釋肥料(約50 g/盆)和0.5 g/盆絡(luò)合鐵(Fe-EDDHA)將其混河沙中,自來水充分浸透沙子并且沙子表面無積水。每個處理隨機分布在試驗小區(qū)內(nèi),并且在每個地塊內(nèi)圍成一個面積為1 m2(1 m×1 m)的樣地。各個處理都保持灌溉水層為30 cm。

1.3 測量方法

在蘆葦生長初期(5月初)、成熟期(8月末) 在每個地塊內(nèi)選出長勢均一的5株蘆葦測量其株高(height),測量測量5個最高的芽時自盆土頂部到頂端(包括頂端葉)的高度,選取實驗開始處理時蘆葦?shù)闹旮邤?shù)據(jù)H1和收獲時株高數(shù)據(jù)H2,相差時間為ΔT,用于計算相對生長速率(RGR)；在蘆葦?shù)纳L末期測量每盆株數(shù)(shoot number)。每個處理選擇兩株測量葉片的鮮重(FW),干重(DW),飽和重(TW),計算葉片相對含水量(RWC)。選取晴朗天氣,使用CCM- 200(Opti-Sciences, USA)葉綠素含量測定儀測定蘆葦功能葉片葉綠素總含量(chla+b),葉綠素比(chla/b)；在收獲日9：00—11：00,使用LI- 6800(Li-Cor, USA)便攜式光合儀測定蘆葦功能葉片的凈光合速率(A),氣孔導(dǎo)度(Gs),蒸騰速率(E),計算水分利用效率(WUE)。

其中：RWC=(FW-DW)/(TW-DW);

RGR=InH2-InH1/ΔT;

WUE=A/E。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測量的數(shù)據(jù)使用Excel 2013進行數(shù)據(jù)的整理,使用SPSS for windows 13.0(SSPS Inc, USA)數(shù)據(jù)分析軟件進行雙因素方差分析(Two-way ANOVE)檢驗不同鹽度、生態(tài)型和兩者交互作用的影響和單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同處理間的差異,并采用Turkey HSD法進行多重性比較,

用字母標(biāo)記法在各圖中標(biāo)出統(tǒng)計分析結(jié)果,繪圖制作工具采用Origin 8.0(Origin Lab Co, Northampton, MA, USA)。

2 實驗結(jié)果

2.1 鹽脅迫對兩種生態(tài)型的蘆葦生長指標(biāo)的影響

在實驗過程中觀察發(fā)現(xiàn),盡管河口型和內(nèi)陸型蘆葦雖然采集于不同地點,但是同一生態(tài)型的蘆葦生長狀況較為一致。由圖1可知,在加鹽處理下,河口型蘆葦?shù)闹旮邽?20.5 cm,與淡水處理相比,下降33.0%；內(nèi)陸型蘆葦?shù)闹旮邽?24.7 cm,下降32.1%,鹽脅迫顯著性的降低了兩種生態(tài)型的蘆葦株高(P<0.05)。在淡水處理和加鹽處理條件下,兩種生態(tài)型的蘆葦?shù)闹旮呔鶝]有顯著性差異(P>0.05)。在加鹽處理下,與淡水處理相比,河口型蘆葦和內(nèi)陸型蘆葦?shù)南鄬ιL速率分別下降33.7%和37.9%,降低顯著(P<0.05)。在淡水和加鹽處理條件下,河口型蘆葦?shù)纳L速率顯著性地高于內(nèi)陸型蘆葦(P<0.05)。鹽脅迫并沒有對蘆葦?shù)闹陻?shù)和葉片相對含水量產(chǎn)生顯著性影響(P>0.05),兩種生態(tài)型蘆葦?shù)闹陻?shù)在相對含水量在淡水和加鹽處理下并沒有顯著性差異(P>0.05)。

圖1 不同品系蘆葦在不同鹽度下生長指標(biāo)的變化情況(數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.1 The growth parameters of different ecotypes reeds in different salinities (mean ± SE)

在雙因素方差分析中, “*”代表不同組別間差異顯著,P<0.05; “**”代表不同組別間差異極顯著P<0.01

2.2 鹽脅迫對兩種生態(tài)型的蘆葦光合指標(biāo)及葉綠素指標(biāo)的影響

植物的光合作用和蒸騰作用是對脅迫的直觀體現(xiàn)。在加鹽處理下,與淡水處理相比,河口型蘆葦和內(nèi)陸型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾史謩e降低19.7%和16.7%,降低并不顯著(P>0.05),在淡水處理下,河口型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾曙@著性高于內(nèi)陸型蘆葦(P<0.05),但在加鹽處理下,兩種生態(tài)型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾蕸]有顯著性差異(P>0.05)。鹽脅迫造成兩種生態(tài)型蘆葦?shù)恼趄v速率顯著性降低(P<0.05),無論在淡水還是加鹽處理條件下兩種生態(tài)型蘆葦?shù)恼趄v速率沒有顯著性差異(P>0.05)。在加鹽處理條件下,與淡水處理相比,兩種生態(tài)型蘆葦?shù)乃掷眯曙@著性提高(P<0.05)。在加鹽處理下,河口型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度為434.2042 mol m-2s-1,但與淡水處理沒有顯著性差異(P>0.05),但在加鹽處理下,內(nèi)陸型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度顯著性下降(P<0.05),兩種生態(tài)型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度存在顯著性差異(P>0.05)。

在淡水和加鹽處理下,兩種生態(tài)型蘆葦?shù)目側(cè)~綠素濃度均維持在400 mg/g以上,葉綠素比在1.25以上,與淡水處理相比,鹽脅迫使得河口型蘆葦?shù)目側(cè)~綠素濃度和葉綠素比略有上升,內(nèi)陸型蘆葦?shù)目側(cè)~綠素濃度和葉綠素比略有下降,但均不顯著(P>0.05)。

3 討論及分析

3.1 鹽脅迫對兩種生態(tài)型蘆葦?shù)挠绊?/h3>

從圖1得出,與淡水處理相比,在加鹽(2.00%)處理條件下,河口型蘆葦和內(nèi)陸型蘆葦?shù)闹旮叱尸F(xiàn)顯著下降趨勢(P<0.05),河口型蘆葦株高下降33.0%和,內(nèi)陸型蘆葦株高下降32.1%,鹽脅迫對兩種生態(tài)型的蘆葦?shù)纳L產(chǎn)生顯著抑制。我們推測原因可能包括兩方面：一方面,蘆葦?shù)纳L與其凈光合速率密切相關(guān)[12],鹽脅迫會造成蘆葦?shù)膬艄夂纤俾曙@著性下降,使得蘆葦固定光能和碳供應(yīng)能力明顯下降,蘆葦?shù)纳L所需要的能量和物質(zhì)供應(yīng)受到抑制[9],使得兩種生態(tài)型的蘆葦株高下降；另一方面,可能是在鹽脅迫下,蘆葦將活躍的分生組織生長分裂的能量轉(zhuǎn)移到保持植物滲透平衡中去[13],使得蘆葦?shù)那o和新葉的生長受到鹽脅迫的抑制[1],造成兩種生態(tài)型蘆葦株高的降低。

凈光合速率是反映植物遭受鹽脅迫程度和鑒定植物耐鹽性的重要指標(biāo),直接反映了植物光同化能力[14]。鹽脅迫使得兩種生態(tài)型的凈光合速率略有下降,河口型蘆葦和內(nèi)陸型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾史謩e下降19.7%和16.7%,但兩者并不顯著(P>0.05)(表2,圖2),表明兩種生態(tài)型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾视兄^高的耐鹽閾值,因此我們推測在鹽脅迫下凈光合速率并不是兩種生態(tài)型蘆葦生長受到抑制的原因。但是,鹽脅迫造成兩種生態(tài)型的蘆葦蒸騰速率顯著性地下降(P<0.05),河口型蘆葦?shù)恼趄v速率下降38.4%,內(nèi)陸型蘆葦?shù)恼趄v速率下降38.6%(表2,圖2),在鹽脅迫下,蘆葦經(jīng)常出現(xiàn)生理性“干旱”[7],蘆葦?shù)母夂陀啄廴~片細(xì)胞膨壓降低,進而造成氣孔關(guān)閉,使得蒸騰作用下調(diào),造成蘆葦碳積累不足,抑制蘆葦生長[7]。

圖2 不同品系的蘆葦在不同鹽度下光合作用指標(biāo)變化情況(數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2 The parameters of photosynthesis of different ecotypes reeds in different salinities (mean ± SE)

水分利用效率是蘆葦光合作用和蒸騰作用特征的綜合體現(xiàn),水分利用效率高的植物,葉片保持水分能力強,對水分輸出節(jié)約,限制葉片表面的水分蒸發(fā),減輕了鹽脅迫對植物光合作用的限制,提高了植物對鹽脅迫的抗性[15]。在本實驗過程中,鹽脅迫會造成兩種生態(tài)型蘆葦水分利用效率顯著性提高(P<0.05),河口型蘆葦?shù)乃掷眯侍岣?4.8%,內(nèi)陸型蘆葦?shù)乃掷眯侍岣?6.1%(表2,圖2)。在實驗中,鹽脅迫并未對兩種生態(tài)型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾十a(chǎn)生明顯影響,但是卻明顯降低了兩種生態(tài)型蘆葦?shù)恼趄v速率(圖2),明顯提高兩者水分利用效率,說明適當(dāng)?shù)柠}濃度會顯著促進兩種生態(tài)型蘆葦?shù)乃掷眯?該結(jié)果與張曉曉等人研究Y65,Y1品系白榆在50 mmol/L鹽濃度時水分利用效率結(jié)果一致[15]。研究發(fā)現(xiàn),蘆葦體內(nèi)的滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì),如脯氨酸,蔗糖含量都會明顯提高[16],可溶性蛋白質(zhì)含量增加[17],提高了兩種生態(tài)型蘆葦?shù)乃掷眯?保證了其正常生長和生理過程所需要的水分。

圖3 不同品系蘆葦在不同鹽度下葉綠素指標(biāo)的變化情況(數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.3 The chlorophyll parameters of different ecotypes reeds in the different salinities (mean ± SE)

3.2 河口型蘆葦與內(nèi)陸型蘆葦耐鹽性差異

在淡水和加鹽(2.00%)處理下,兩種生態(tài)型蘆葦?shù)闹旮邲]有顯著性差異,但是河口型蘆葦?shù)南鄬ιL速率顯著高于內(nèi)陸型蘆葦(表2,圖1)。莊遙提出,同一形態(tài)指標(biāo)的在不同蘆葦種群間變化較大,說明蘆葦是形態(tài)高度變異的物種,這一發(fā)現(xiàn)也與本實驗不同生態(tài)型蘆葦?shù)南鄬ιL速率變化相符[4]。

在淡水條件下,河口型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾曙@著性高于內(nèi)陸型蘆葦(P<0.05)(表2,圖2),高的凈光合速率積累充足的光合產(chǎn)物,保證了蘆葦碳供應(yīng),使得蘆葦有著足夠能量進行生長,因此,高的凈光合速率可能是在淡水條件下河口型蘆葦?shù)南鄬ιL速率明顯高于內(nèi)陸型蘆葦(圖1,圖2)的原因之一。

鹽脅迫對蘆葦?shù)淖饔檬嵌喾矫娴?其作用程度對不同生態(tài)型的蘆葦也有所差異,研究表明,蘆葦?shù)脑邴}脅迫條件下,在較低和中等的鹽濃度下,鹽脅迫作用于光合作用,造成植物產(chǎn)生應(yīng)急性反應(yīng),像氣孔的關(guān)閉；在較高的鹽濃度下,光系統(tǒng)PSⅡ的供體和受體是鹽離子的主要靶點[7],Na+和Cl-對葉綠體造成了一定程度的損傷[18],鹽脅迫嚴(yán)重?fù)p害了光合作用的結(jié)構(gòu)和功能[1]。

在鹽脅迫下,高水平的氣體交換是河口型蘆葦應(yīng)對鹽脅迫的一種重要策略[12,19]。氣孔關(guān)閉是蘆葦在鹽脅迫下對水勢降低第一反應(yīng),水勢降低驅(qū)動蘆葦對鹽脅迫的生理響應(yīng),但同時限制了物質(zhì)的吸收,其中也包括了光合作用的底物[19]。在本實驗中,與淡水處理相比,在加鹽(2.00%)處理時,內(nèi)陸型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度顯著性(P<0.05),降低30.0%,河口型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度降低8.2%,但并不顯著性(P>0.05),同時,在加鹽(2.00%)處理條件下,河口型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度明顯高于內(nèi)陸型蘆葦(P<0.05)(表2,圖2)。植物可以通過調(diào)節(jié)氣孔開放程度,平衡水分散失和CO2交換,達到最適的生理狀態(tài)[20]。研究表明,在含鹽條件下,鹽脅迫會使蘆葦?shù)乃畡萁档?造成水供應(yīng)“赤字”,使得蘆葦吸收水分的代價增大,為了避免因蒸騰作用喪失過多水分,蘆葦會關(guān)閉氣孔,造成內(nèi)陸型蘆葦?shù)臍饪讓?dǎo)度降低[18]。Rajput研究鹽脅迫對胡楊幼苗影響時也發(fā)現(xiàn),鹽脅迫會造成胡楊嚴(yán)重水分脅迫,隨著鹽濃度的逐漸升高,胡楊幼苗氣孔導(dǎo)度逐漸降低,胡楊幼苗通過減小葉片的氣孔開口面積和增加氣孔密度來避免鹽脅迫下過多的蒸騰耗水[21]。在本實驗中,在加鹽(2.00%)處理條件下,河口型蘆葦有著內(nèi)陸型蘆葦更高的氣孔導(dǎo)度,保證了其高的氣體交換速率,使河口型蘆葦光合作用的底物CO2充足,保證高的凈光合速率,降低碳匱乏的可能性。

葉綠素是植物葉綠體類囊體膜上重要的光能吸收和轉(zhuǎn)化分子,是植物光合結(jié)構(gòu)的重要組成部分,與植物忍受逆境能力和光活力強弱有密切關(guān)系[22]。從表2和圖2可以看出,在淡水和加鹽處理條件下,同一生態(tài)型蘆葦?shù)目側(cè)~綠素含量和葉綠素比都沒有顯著性差異(P>0.05)(表2,圖3)。同時,Tho等人在研究不同來源的蘆葦差異性時也發(fā)現(xiàn),歐洲蘆葦種群與北美蘆葦種群在同一處理下時葉綠素a,b及葉綠素總量都沒有顯著性的變化[23]。在種植過程中,在加鹽處理一段時間后,盡管兩種生態(tài)型的蘆葦下部葉片出現(xiàn)枯黃現(xiàn)象[24],但是兩種生態(tài)型蘆葦?shù)膬艄夂纤俾?、總?cè)~綠素和葉綠素比并沒有顯著性下降,說明兩種生態(tài)型蘆葦?shù)墓夂辖Y(jié)構(gòu)和功能并沒有發(fā)生明顯損傷[18],因此,我們推測葉綠素在蘆葦正常生命活動和生長的過程中扮演著重要的角色,是蘆葦捕獲和轉(zhuǎn)化光能的重要物質(zhì),對于維持蘆葦高水平的光合作用十分重要。

蘆葦在長期的生態(tài)適應(yīng)過程中,不斷進化,逐漸形成了適應(yīng)當(dāng)?shù)厣车纳鷳B(tài)型。本研究中,內(nèi)陸型蘆葦與河口型蘆葦?shù)某跏贾仓甏笮?、所處環(huán)境、處理因素均完全一致,因此不同鹽分條件的表型性狀的差異是由于植物的表型可塑性導(dǎo)致的,而不同生態(tài)型蘆葦表現(xiàn)出的表型性狀的差異來自于其遺傳背景的不同[25]。植物的遺傳背景是由于其原產(chǎn)地的環(huán)境特征所決定的[26],所以內(nèi)陸型蘆葦與河口型蘆葦?shù)哪望}性差異的來源是其原產(chǎn)地生境的不同。

高的相對生長速率能夠幫助蘆葦迅速占據(jù)有利的位置,在應(yīng)用到實際鹽漬化土壤改良中,河口型蘆葦有著較高的耐鹽能力,通過快速的生長和擴展占領(lǐng)棲息地,成為該地的優(yōu)勢種,起到良好的覆蓋作用,進而降低地表的水分蒸發(fā),緩解當(dāng)?shù)氐耐寥利}漬化現(xiàn)象。