張德順，陳陸琪瑤，羅靜茹，劉 鳴，姚馳遠

（1.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092；2.四川省國土空間規(guī)劃院，四川成都 610036；3.德累斯頓工業(yè)大學，塔蘭特01735）

氣候變暖背景下，我國極端天氣事件的發(fā)生變得更加頻繁［1］。20 世紀90 年代后，夏季降水出現(xiàn)大幅增加趨勢，強降水頻率上升導致長江中下游流域和東南沿海地區(qū)的洪澇和城市內澇事件也隨之加重［2-4］。

上海作為東部沿海城市，地處長江入?？?，地勢低洼，夏季臺風暴雨一直是城市面臨的主要氣象災害之一［5-7］，海平面的上升和地質沉降等不利因素的影響使城市內澇災害愈演愈烈［8］。城市內澇發(fā)生頻率的增大和水澇時間的延長不僅給社會經(jīng)濟帶來嚴重損失，還對城市園林樹木的健康生長造成潛在威脅。因此，對上海園林樹木進行抗?jié)承匝芯渴直匾⒕哂袑嶋H意義。合理選擇樹種不僅可以降低園林樹木的死亡率，穩(wěn)定城市景觀風貌，還能緩解由內澇災害引起的城市生態(tài)安全問題，提高生態(tài)系統(tǒng)服務功能［9］。

為了解常見園林樹種的抗?jié)衬芰?，國內外已有學者通過人工模擬淹水環(huán)境，分析了脅迫過程中植株生物量、光合作用、氣體交換、酶活性、激素含量等形態(tài)生理生態(tài)指標的變化，得出樹種耐淹性能、淹水脅迫的影響以及抵御淹水脅迫的有效途徑，相關研究涉及包括香樟（Cinnamomum camphora）、落羽杉（Taxodium distichum）、烏桕（Triadica sebifera）、欒樹（Koelreuteria paniculata）和喜樹（Camptotheca acuminata）等在內的數(shù)十種園林綠化樹種［10-21］。然而，關于園林樹種抗?jié)承缘难芯看蠖嚓P注少數(shù)物種的部分生理過程，不能全面提供與樹木生長息息相關的各項因子的實證性數(shù)據(jù)分析，更缺少關于園林樹種適應性選擇的機制探討，無法對城市綠地規(guī)劃做出正確的樹種選擇。

以上海市25種常見園林樹種為研究對象，以適應未來氣候變化的抗?jié)承院Y選為目標，通過淹水脅迫實驗對各樹種做出客觀可信的抗?jié)承栽u價，為抗?jié)承詧@林樹種的篩選及綠地生態(tài)系統(tǒng)韌性提升提供參考依據(jù)。

1 實驗地點

實驗地點位于上海市奉賢區(qū)的上海市園林科學規(guī)劃研究院鄔橋實驗基地內?；氐貏萜教?，平均海拔4.0～4.5 m。年均氣溫17.6 ℃，最熱月平均氣溫28.1 ℃，最冷月平均氣溫-2.1 ℃。年均降雨日117 d，年均降雨量1 106.5 mm。

2 實驗對象

選擇25種上海市常用園林樹種作為研究對象，其中常綠樹種6種，落葉樹種19種，如表1所示。

3 實驗方法

2015 年3 月起在同一環(huán)境條件下培育盆栽1 年生實生苗，至9月進行淹水模擬實驗，分為淹水組和對照組進行。淹水組隨機選取每種3株帶盆一起放入大塑料桶中，然后進行淹水脅迫，淹水高度至離土面15 cm 處止。分別于7、14、21、28、35 d 測定實驗苗的受害程度以及葉綠素、電導率、比葉質量、凈光合速率、丙二醛含量、脯氨酸含量等7 項指標，每次測定均使用當日采集的鮮葉或直接進行活體測定，重復3 次。對照組則正常培育，數(shù)據(jù)測定方法同淹水組。

在淹水脅迫下，植物形態(tài)結構、高生長和生物量積累變化明顯，光合作用、酶促防御系統(tǒng)、呼吸代謝等生理反應也有相應的變化［10］。采用變異系數(shù)衡量受淹水脅迫后各變量的波動變化，變異系數(shù)越高，表明植物對淹水逆境的不適反應越敏感、越劇烈，反之，則表明植物能快速適應。變異系數(shù)計算式如下所示：

式中：αcv為變異系數(shù)；σsd為標準差；為均值。

3.1 受害程度

葉片受害程度根據(jù)7級評價標準對不同時間節(jié)點的苗木做出評價（見表2）。植物對澇害脅迫的響應是動態(tài)變化的，Ⅳ和Ⅴ是處在臨界狀態(tài)中的2 個等級，后者受淹程度更嚴重。

受澇害指數(shù)Z計算式如下所示：

式中：Z為受澇害指數(shù)（WI）；Ri為受淹級數(shù)；Ai為各等級受淹株數(shù)；A為調查總株數(shù)。

3.2 葉綠素（chlorophyll，CHL）測定

使用SPAD-502PLUS 葉綠素熒光測定儀進行現(xiàn)場測定，每次均選擇第5、6個葉位的葉片，避開葉脈，多次測定后取平均值。

3.3 電導率（electrical conductivity，EC）測定

采集相同葉位的新鮮葉片用純水洗凈后吸干水分，再用直徑0.6 cm的打孔器打出無葉脈的葉圓片10 片，放入容量10 mL 的潔凈試管中，加入6 mL 純水，浸沒樣本25 min，充分搖勻后使用DDS-IIA 直讀電導儀測定溶液電導率S1。封口后進行沸水浴15 min，冷卻靜置至室溫，充分搖勻后測煮沸電導率S2。計算相對電導率，即S2/S1的值。

表1 抗?jié)承詼y定樹種名錄Tab.1 List of tree species tested for waterlogging resistance

表2 受淹級數(shù)的評價標準說明Tab.2 Description of evaluation criteria for flooded series

3.4 比葉質量（specific leaf mass，SLM）測定

采集同一葉位的新鮮葉片2～3 片，通過描形計算葉面積a（cm2），再使用電子天平測定葉片質量w（g），則比葉質量為w/a的值（g·cm-2）即為單位面積的葉片質量。

3.5 凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）測定

使用Licor-6400型光合作用儀進行凈光合速率的測定。于晴朗無風日在09∶00～12∶00 進行測定，氣溫為27～35 ℃，CO2體積分數(shù)設定為400 μL·L-1，光通量密度設定為800 μmol·m-2·s-1，選取第5、6個葉序的功能葉，測定凈光合速率。

3.6 丙二醛（malondialdehyde，MDA）測定

用純水洗凈葉片并吸干水分，稱取剪碎的試材1 g，加入2 mL 質量分數(shù)為10%的三氯乙酸溶液（TCA）和少量石英砂，研磨至勻漿，再加8 mL TCA進一步研磨，勻漿在轉速4 000 r·min-1、溫度4 ℃的離心機中離心10 min，上清液為樣品提取液。在2 mL 上清液（對照組中加2 mL 蒸餾水）中加入2 mL質量分數(shù)為0.6%的硫代巴比妥酸溶液（TBA），混勻物于沸水浴上反應15 min，冷卻后再次離心。取上清液測定532、600、450 nm 波長下的消光度D，丙二醛的含量MMDA（mmol·g-1）可由下式得出：

式中：VT為提取液總體積，mL；VS為測定用提取液體積，mL；w為樣品鮮重，g。

3.7 脯氨酸（proline，Pro）測定

首先制作脯氨酸標準曲線，然后測定樣品。采集同一葉位的葉片用純水洗凈并吸干水分，稱取0.5 g葉片并剪碎，置于容量為10 mL的試管中，將5 mL質量分數(shù)為3%的磺基水楊酸溶液加入試管中，沸水浴10 min，冷卻后過濾于干凈的試管中，得到提取液。吸取2 mL 提取液于帶塞試管中，加入2 mL冰醋酸和2 mL 質量分數(shù)為2.5%的酸性茚三酮試劑，進行30 min 沸水浴后得到紅色溶液。冷卻后加入4 mL 甲苯并充分振蕩，靜置片刻，取上清液至容量為10 mL的離心管中，在4 ℃轉速為4 000 r·min-1的離心機中離心5 min。吸取離心后的上清液置于比色杯中，以甲苯溶液為空白對照，測定520 mm 波長處的吸光度值，再在標準曲線中查得脯氨酸含量。葉片中脯氨酸含量MPRO（μg·g-1）計算式如下所示：

式中：P為脯氨酸質量，μg。

4 結果與分析

4.1 各變量的種間差異性分析

4.1.1 形態(tài)差異性分析

淹水脅迫下，植物形態(tài)會發(fā)生適應性變化，樹木受到淹水脅迫后引起的形態(tài)變化主要表現(xiàn)為：頂芽壞死或新葉形成受阻；葉片變黃，出現(xiàn)漬斑，葉緣枯焦直至葉片失水；葉片由莖基部開始逐漸變黃、壞死并脫落；植株生長緩慢甚至停滯；莖基部皮孔增大，生成有利于吸收氧氣的不定根［11］。

按形態(tài)變化的變異系數(shù)可以較清晰地反映各樹種對淹水脅迫的響應程度（見圖1）。在整個淹水過程中，落羽杉、香泡和垂柳3種樹種在形態(tài)上幾乎未發(fā)生變化，表現(xiàn)出較強的抗?jié)承?。落羽杉不斷萌發(fā)新葉，葉片數(shù)量變多，垂柳在淹水21 d后開始出現(xiàn)大量不定根。

香樟、木瓜、紫薇、白蠟、絢麗海棠、光皮徠木、英國懸鈴木和桂花在淹水14 d后，不再形成新葉，部分頂芽壞死，淹水30 d后葉片變色，其中白蠟在淹水7 d后莖基部就開始出現(xiàn)皮孔，光皮徠木和香樟前期生長良好，后期部分葉片出現(xiàn)紅色斑點。南方紅豆杉、榆樹、廣玉蘭和香椿在淹水21 d天后出現(xiàn)大規(guī)模葉片變色萎蔫并脫落的現(xiàn)象，深淹水平下的植株變化更為明顯。銀杏、烏桕、樸樹、金絲楸、女貞和碧桃在淹水7 d后開始出現(xiàn)適應性變化，后期出現(xiàn)整個植株葉片全部變黃、枯焦或脫落的情況，28 d后出現(xiàn)部分植株死亡現(xiàn)象，35 d后受澇植株大量死亡。復羽葉欒樹、無患子、金枝槐和‘金色普林斯頓’挪威槭等在淹水7 d時葉片就出現(xiàn)受澇害癥狀，葉片變色，出現(xiàn)漬斑，淹水21 d后葉片開始大量脫落并出現(xiàn)部分植株死亡。

圖1 淹水脅迫下樹種間形態(tài)變化的變異系數(shù)Fig.1 Variation coefficient of morphology among trees under flooding stress

4.1.2 葉綠素差異性分析

植物在淹水脅迫下，由于根系缺氧限制了有氧呼吸和葉片光合作用，與光合作用相關的酶活性受到影響，加之根系活力降低阻礙礦物質吸收，造成葉片營養(yǎng)不良，導致葉綠素合成能力下降，葉片變色，葉綠素含量減少，因此葉綠素含量可以在一定程度上反映植物的抗?jié)衬芰Α?/p>

由圖2 可知，木瓜、絢麗海棠、香泡和白蠟在整個淹水過程中葉綠素含量無明顯變化；桂花、香樟、南方紅豆杉、金枝槐、垂柳、落羽杉、碧桃、紫薇、英國懸鈴木、光皮梾木和女貞的葉片葉綠素含量呈緩慢下降趨勢，其中碧桃在14 d 后就開始出現(xiàn)葉片變黃掉落癥狀；金絲楸、‘金色普林斯頓’挪威槭、烏桕、榆樹和廣玉蘭在淹水前2 周葉綠素含量呈下降趨勢，而后葉綠素含量或上升或持平，最終達到穩(wěn)定，28 d后葉子開始脫水枯焦；樸樹、復羽葉欒樹、銀杏、無患子和香椿的葉片葉綠素含量急劇下降，葉片逐漸變黃、枯焦直至脫落。

4.1.3 電導率差異性分析

植物在淹水脅迫下導致植物細胞膜脂過氧化，改變細胞質膜透性，通常表現(xiàn)為選擇透性喪失，電解質和某些小分子有機物的大量滲漏。受澇傷害越大，植物細胞質膜透性越大，細胞外滲物越多，電導率越高，因此可以通過電導率來評價植物細胞膜的傷害程度。

圖2 淹水脅迫下樹種間葉綠素變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficient of chlorophyll among trees under flooding stress

白蠟、光皮梾木、樸樹和英國懸鈴木的電導率隨淹水時間呈現(xiàn)較少的波動，具有較高的適應性。金絲楸、榆樹、木瓜、南方紅豆杉和落羽杉等10種樹種的電導率在整個淹水過程中有一定波動，表現(xiàn)出較強的抗?jié)承?。垂柳、絢麗海棠、復羽葉欒樹、碧桃和‘金色普林斯頓’挪威槭等10種樹種波動較大；銀杏的波動最大，表現(xiàn)出低抗?jié)承?。淹水脅迫下的樹種間電導率變異系數(shù)如圖3所示。

圖3 淹水脅迫下樹種間電導率變異系數(shù)Fig.3 Variationcoefficientofelectrical conductivity among trees under flooding stress

4.1.4 比葉質量差異性分析

植物受到淹水脅迫后，由于光合作用受阻，生長速率減慢，生物量累積減少，同時由于根系缺氧影響水分吸收導致葉片含水量減少，因此一些樹種的葉片單位面積質量減少，葉片變薄變輕。

大部分樹種的比葉質量均較高，表明淹水脅迫下，植物均處于消耗狀態(tài)。落羽杉、垂柳和白蠟表現(xiàn)出了良好的適應性。香椿、銀杏、無患子、南方紅豆杉、榆樹等受澇害較為嚴重。淹水脅迫下的樹種間比葉質量變異系數(shù)如圖4所示。

圖4 淹水脅迫下樹種間比葉質量變異系數(shù)Fig.4 Variation coefficient of specific leaf mass among trees under flooding stress

4.1.5 凈光合速率差異性分析

植物受到淹水脅迫后，高生長受到明顯的抑制，凈光合速率、氣孔導度顯著下降，胞間CO2體積分數(shù)則隨著脅迫時間的持續(xù)逐漸升高［12］。嚴重淹水使植物因無法有效光合而處于長期饑餓狀態(tài)，最終造成植株死亡。

淹水35 d 時，受影響較小的有英國懸鈴木、香泡、榆樹、樸樹、光皮徠木、絢麗海棠和木瓜，其次是香椿、紫薇、香樟、無患子和‘金色普林斯頓’挪威槭等14種樹種，受影響較大的有銀杏、金絲楸、碧桃和復羽葉欒樹。淹水脅迫下的樹種間凈光合速率變異系數(shù)如圖5所示。

4.1.6 丙二醛含量差異性分析

植物在逆境下遭受傷害時，通常會發(fā)生過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，丙二醛含量可以從抗氧化的角度反映植物遭受逆境傷害的程度。

如圖6 所示，丙二醛含量與對照組相比無明顯差異的有紫薇、光皮徠木、絢麗海棠、無患子和垂柳等，表明這些樹具有一定的抗?jié)承?；丙二醛含量明顯高于對照組的有榆樹、‘金色普林斯頓’挪威槭、金枝槐和桂花等。

4.1.7 脯氨酸含量差異性分析

圖5 淹水脅迫下樹種間凈光合速率變異系數(shù)Fig.5 Variation coefficient of net photosynthetic rate among trees under flooding stress

圖6 淹水脅迫下樹種間丙二醛含量變異系數(shù)Fig.6 Variation coefficient of malondialdehyde content among trees under flooding stress

在淹水脅迫下，植物的根系活力下降導致植株缺水。脯氨酸是植物體內的一種滲透調節(jié)物質，逆境條件下植物體內的脯氨酸含量會增加。因此，植物體內的脯氨酸含量在一定程度上可以反映植株體內的水分情況，是植物缺水情況的生理指標之一。

圖7為淹水脅迫下的樹種間脯氨酸含量變異系數(shù)。由圖7可知，脯氨酸含量最高是銀杏，其次是絢麗海棠、女貞和廣玉蘭，含量變化相對較小的是復羽葉欒樹、榆樹和香樟。

4.2 各變量之間相關性分析

變量之間相關性如表3所示。由表3可知，受澇害指數(shù)與葉綠素、比葉質量、凈光合速率之間成顯著負相關關系，與脯氨酸含量成顯著正相關；凈光合速率與葉綠素、比葉質量顯著正相關，與脯氨酸含量顯著負相關；丙二醛含量與其他變量均不相關。因此，通過葉綠素、比葉質量、凈光合速率和脯氨酸含量4個變量可以有效推斷植物受澇害情況。

圖7 淹水脅迫下樹種間脯氨酸含量變異系數(shù)Fig.7 Variation coefficient of proline content among trees under flooding stress

4.3 主成分分析

對各變量進行主成分分析（αKMO=0.735，p＜0.01），最終選擇3個特征值λ＞1的公因子作為主成分，累積貢獻率達到81.19%，基本概括了6 個抗?jié)承誀畹闹饕嚓P信息。主成分總方差解釋如表4所示。

旋轉后的主成分矩陣如表5所示。由表5可知：第一主成分關聯(lián)度較高的因子有受澇害指數(shù)、葉綠素、比葉質量與凈光合速率，都直接與光合代謝作用有關，因此將公因子命名為樹木光合因子；第二主成分中的電導率和脯氨酸含量與植物細胞質的滲透調節(jié)相關，可命名為樹木滲透調節(jié)因子；第三個公因子與丙二醛含量關聯(lián)度很高，丙二醛含量代表著植物細胞膜質的過氧化程度，可將第三個公因子命名為樹木抗氧化因子。

表3 各變量相關性分析Tab.3 Correlation analysis of variables

表4 主成分總方差解釋Tab.4 Total variance of principal components

表5 主成分分析旋轉后的負荷矩陣Tab.5 Load matrix of principal component analysis after rotation

根據(jù)樹種因子綜合得分（見表6）可將25種樹種抗?jié)承詣澐譃? 級：強抗?jié)承停á窦墸? 種，較抗?jié)承停á蚣墸? 種，一般抗?jié)承停á蠹墸? 種，不抗?jié)承停á艏墸?種。該結論與部分樹種的抗?jié)承匝芯课墨I結論基本一致。例如，香樟具有較強的抗?jié)承裕?3］，落羽杉在抗?jié)承苑矫娓哂跒蹊辏?4］，但烏桕則要強于復羽葉欒樹［15］，絢麗海棠具有一定的耐淹水能力［16］等。這說明本實驗得出的樹種抗?jié)承耘判蛳鄬煽俊?/p>

表6 各樹種抗?jié)承跃C合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of waterlogging resistance of various trees

5 結論

對各變量與因子綜合得分進行相關分析發(fā)現(xiàn)，比葉質量和受澇害指數(shù)的相關系數(shù)最高，凈光合速率、葉綠素與脯氨酸含量次之，電導率和丙二醛含量不相關。因此，在對樹木抗?jié)承赃M行預判時，可以優(yōu)先考慮與光合作用直接相關的葉綠素、比葉質量與凈光合速率。

根據(jù)受澇害指數(shù)、葉綠素、電導率、比葉質量、凈光合速率、丙二醛含量、脯氨酸含量等與植物澇害相關的指標，對25種上海常用園林樹種進行抗?jié)承耘判?，依?jù)抗?jié)承源笮》譃閺娍節(jié)承汀⑤^抗?jié)承?、一般抗?jié)承秃筒豢節(jié)承? 個等級，其中落羽杉和垂柳抗?jié)承宰顝姟?/p>

作者貢獻聲明:

張德順：研究計劃制定，論文撰寫。

陳陸琪瑤：論文完善，插圖繪制。

羅靜茹：研究實施，初稿編寫。

劉 鳴：研究輔助實施。

姚馳遠：論文優(yōu)化、修改和提升。