藍(lán)蘋(píng)予 榮航 姚作芳 楊鈣仁 劉蓮 何鐵光

關(guān)鍵詞：園林植物；氨氮脅迫；淹水脅迫；抗氧化酶

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2020年，我國(guó)觀賞園林苗木種植面積已達(dá)86.25萬(wàn)hm2，是城市綠化的主要植物，隨著人工濕地、雨水花園、海綿城市的發(fā)展，園林植物用于水污染治理生態(tài)空間前景廣闊。植物生長(zhǎng)環(huán)境中氮素的濃度與植物的形態(tài)和生理特征變化息息相關(guān)。ZHANG等[1]對(duì)氨氮脅迫下的植物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)植物為了應(yīng)對(duì)高氮和低光脅迫，通過(guò)大量合成游離氨基酸來(lái)降低胞內(nèi)游離銨離子的毒害，同時(shí)植物傾向于降低組織的可溶性蛋白含量，促進(jìn)超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶活性的提高。YUAN等[2]對(duì)氨氮處理下10種植物的研究發(fā)現(xiàn)，植物會(huì)通過(guò)提高氮同化相關(guān)酶類(lèi)的活性，促進(jìn)游離氨基酸和可溶性蛋白等含氮化合物的積累，以應(yīng)對(duì)氨氮脅迫。高奇英等[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體中的氨氮濃度>4mg/L時(shí)，狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）、小茨藻（Najasminor）的可溶性蛋白生成受到抑制，MDA含量增加且均在短時(shí)間內(nèi)死亡。顏昌宙等[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體中的氨氮濃度≥16mg/L時(shí)，黑藻（Hydrillaverticillata）的可溶性蛋白增加，SOD、POD則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且在短時(shí)間內(nèi)死亡。另外，不同的逆境條件下，植物外部形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化、生理生化指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化不同。VOESENEK等[5]研究發(fā)現(xiàn)，缺氧環(huán)境下，植物會(huì)通過(guò)激素的分泌和相互作用來(lái)快速調(diào)節(jié)莖的生長(zhǎng)，通過(guò)增加植株的高度來(lái)適應(yīng)缺氧狀態(tài)。DIXON等[6]研究發(fā)現(xiàn)缺氧脅迫下篦齒眼子菜（Stuckeniapectinata）莖節(jié)長(zhǎng)度變?yōu)檎l件下的4倍左右，植物可能通過(guò)莖節(jié)內(nèi)部生成大量通氣組織來(lái)應(yīng)對(duì)缺氧脅迫。除了水生植物，也有研究指出[7]，園林植物在間歇式淹水模式下，莖基會(huì)形成肥大皮孔和不定根，通氣組織數(shù)量不斷增加，植株地上部分生長(zhǎng)均受到明顯促進(jìn)，抗氧化酶活性顯著升高，能夠長(zhǎng)期適應(yīng)低水位間歇淹水環(huán)境。但氨氮脅迫和淹水脅迫的共同作用對(duì)陸生園林植物的生理生態(tài)響應(yīng)特征尚不明確。目前，大多數(shù)氨氮脅迫和淹水脅迫的研究都集中在水生植物的黑藻屬（Hydrilla）、狐尾藻屬（Myriophyllum）[4，8]，單一物種研究對(duì)于理解各種適應(yīng)性調(diào)節(jié)很有價(jià)值，但從生態(tài)學(xué)的角度來(lái)看意義不大，園林植物對(duì)氨氮和間歇淹水的耐受范圍研究還處于空白狀態(tài)。

鑒于此，在前人的基礎(chǔ)上，本研究主要探討氨氮脅迫和淹水脅迫的共同作用對(duì)園林植物形態(tài)和生理的影響特征。紅背桂、夾竹桃、灰莉都是南亞熱帶常見(jiàn)的觀賞植物，常在公園、風(fēng)景區(qū)、道路旁或河旁、湖旁周?chē)耘?，以這3種園林植物為研究對(duì)象，模擬間歇淹水綠地采用間歇淹水模式，即淹水3d，排空1d，設(shè)置6種氨氮濃度水溶液的間歇淹水栽培試驗(yàn)，研究間歇淹水和氨氮脅迫的共同作用對(duì)植物各指標(biāo)的變化規(guī)律，對(duì)合理地選育耐氨氮耐水淹的植物品種、發(fā)揮其景觀生態(tài)價(jià)值、治理城市富營(yíng)養(yǎng)化水體具有重要意義。

1材料與方法

1.1材料

供試植物材料購(gòu)自廣西造福園林綠化工程有限公司。2020年8月，選取無(wú)病蟲(chóng)害、生長(zhǎng)發(fā)育良好、生長(zhǎng)較為一致的兩年生紅背桂、夾竹桃、灰莉扦插苗各200株轉(zhuǎn)至廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃溫室備用（表1）。

1.2方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)間歇淹水模式的滿床與空床時(shí)長(zhǎng)比為3∶1，滿床水深為25cm，空床水深為1cm，空床情況下注水至滿床用時(shí)為3～4min，排空用時(shí)為6min左右。間歇淹水下設(shè)置6組氨氮濃度（AN0～AN5），對(duì)應(yīng)的氨氮濃度分別為0、0.5、7.5、14.5、21.5、28.5mg/L，所用的培養(yǎng)液為自配無(wú)氮霍格蘭10倍稀釋液（表2）。通過(guò)向培養(yǎng)液添加相應(yīng)量硫酸銨來(lái)設(shè)置氨氮濃度。同時(shí)設(shè)置土培為對(duì)照處理（CK），所用土壤為壤土，通過(guò)人工補(bǔ)水使土壤含水量為田間持水量的75%左右，各處理3個(gè)重復(fù)。

1.2.2試驗(yàn)過(guò)程本研究在廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃的透明塑料大棚內(nèi)進(jìn)行，用于栽培植物的盆栽器口徑、底徑和高度分別為25.5、22.7、27.0cm的聚乙烯樹(shù)脂桶，在距桶底2cm處設(shè)置水龍頭用于排空。2020年8月1日，挑選供試的紅背桂、夾竹桃、灰莉各50株移栽到廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃，移栽完畢后放置苗圃緩苗，期間進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)管理。2020年9月1日，緩苗結(jié)束，再各選取21株長(zhǎng)勢(shì)一致、生長(zhǎng)旺盛、無(wú)病蟲(chóng)害的植株進(jìn)行正式試驗(yàn)。試驗(yàn)前為提高植物成活率，用稀釋500倍后的生根液（河南省指南針生物科技有限公司）浸泡植物5min，再將植物裸根定植于各盆栽器20cm左右，每盆栽植1株。間歇淹水處理的盆栽器填充23cm粒徑為2～3cm的礫石（堆積空隙率為37%），栽植54盆；對(duì)照處理的盆栽器填充23cm壤土，栽植9盆，共栽植63盆。

1.2.3測(cè)定項(xiàng)目與方法（1）生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定。每15d在7：00—8：00測(cè)定株高，用卷尺測(cè)量（精度0.1cm）植株頂芽的葉尖到盆栽器中基質(zhì)表面的垂直距離。株高增長(zhǎng)量為各階段株高與初始株高的差值。

（2）形態(tài)觀察。每日7：00—8：00觀察試驗(yàn)植株葉片形態(tài)變化、不定根形成以及肥大皮孔出現(xiàn)等現(xiàn)象，進(jìn)行詳細(xì)記錄。

（3）生理指標(biāo)測(cè)定。每30d在7：00—8：00采用完全隨機(jī)取樣選取在各植株中上部東西南北4個(gè)方向上選取成熟功能葉各1片，放置于冰盒中保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。葉綠素含量采用丙酮浸取法測(cè)定；丙二醛（MDA）含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法；過(guò)氧化物酶（POD）活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法；抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）參照沈文飚等[9]的方法；可溶性蛋白（SP）含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；游離脯氨酸（Pro）含量測(cè)定采用酸性茚三酮顯色法。具體操作均參考李合生[10]的實(shí)驗(yàn)方法。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用Duncans法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），所有圖表用Excel2016軟件制作。

2結(jié)果與分析

2.1淹水及氨氮對(duì)植物株高和形態(tài)的影響

試驗(yàn)期間，間歇淹水對(duì)3種植物的株高生長(zhǎng)影響較小，3種植物的AN0組與CK組的株高生長(zhǎng)均差異不大，受氨氮的影響AN1～AN5組株高生長(zhǎng)存在顯著差異（表3）。試驗(yàn)60d，紅背桂和灰莉AN1～AN5組的株高增長(zhǎng)量均隨氨氮濃度增加而呈單峰型變化。其中紅背桂AN2組株高增長(zhǎng)量最大，平均每天增長(zhǎng)0.32cm，灰莉AN1組株高增長(zhǎng)量最大，平均每天增長(zhǎng)0.12cm。而夾竹桃株高增長(zhǎng)量隨著氨氮濃度的增加而增加，在AN5組達(dá)到最大值，為CK組的1.26倍；平均每天增長(zhǎng)0.69cm，AN1～AN5組的株高增長(zhǎng)速率均大于CK組。3種植物的AN0～AN5組的莖基均形成肥大皮孔，根部也均出現(xiàn)了不定根。紅背桂的葉片從AN4組開(kāi)始出現(xiàn)失綠現(xiàn)象，夾竹桃和灰莉AN0～AN5組葉片均正常。

2.2淹水及氨氮對(duì)植物葉綠素的影響

試驗(yàn)期間，3種植物AN0組葉綠素含量均略大于CK組，AN1～AN5組受氨氮的影響葉綠素含量積累速率存在顯著差異（圖1）。60d時(shí)，紅背桂和灰莉AN1～AN5組葉綠素增長(zhǎng)速率均隨著氨氮濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)。二者都在AN2組達(dá)到峰值，分別為CK組的1.17倍、1.28倍。但紅背桂從AN4組開(kāi)始葉綠素增長(zhǎng)速率開(kāi)始減小，而灰莉則是從AN3組開(kāi)始的。夾竹桃AN1～AN5組的葉綠素增長(zhǎng)速率則隨著氨氮濃度的增加而上升，在AN5組達(dá)到最大值，增幅為109%，為CK的1.72倍，AN1～AN5組的增幅均大于CK。

2.3淹水及氨氮對(duì)植物MDA的影響

試驗(yàn)期間，3種植物AN0組的MDA含量隨時(shí)間的增加呈先升后降的趨勢(shì)，最終均略小于CK組，AN1～AN5組受氨氮的影響MDA含量存在顯著差異（圖2）。30d時(shí)，3種植物AN1～AN5組的MDA含量隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，其中灰莉的增幅最大為62%。60d時(shí)，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的MDA含量開(kāi)始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為24%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的MDA含量依然上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，分別為各自同期CK的1.74倍、2.27倍。

2.4淹水及氨氮對(duì)植物抗氧化物酶活性的影響

2.4.1淹水及氨氮對(duì)植物SOD活性的影響試驗(yàn)期間，3種植物AN0組的SOD活性隨時(shí)間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響SOD活性存在顯著差異（表4）。30d時(shí)，3種植物AN1～AN5組的SOD活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為73%。第60天時(shí)，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的SOD活性開(kāi)始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為28%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SOD活性依然上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，分別為各自同期CK的2.38倍、1.66倍。

2.4.2淹水及氨氮對(duì)植物POD活性的影響試驗(yàn)期間，3種植物AN0組的POD活性隨時(shí)間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大。AN1～AN5組受氨氮的影響POD活性存在顯著差異（表5）。30時(shí)，3種植物AN1～AN5組的POD活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為65%。60d時(shí)，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的POD活性開(kāi)始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為29%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SOD活性依然上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，分別為各自同期CK的2.78倍、1.90倍。

2.4.3淹水及氨氮對(duì)植物APX活性的影響試驗(yàn)期間，3種植物AN0組的APX活性隨時(shí)間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響APX活性存在顯著差異（表6）。30d時(shí)，3種植物AN1～AN5組的APX活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為109%。60d時(shí)，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的APX活性開(kāi)始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為54%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的APX活性依然上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，分別為各自同期CK的2.02倍、2.33倍。

2.5淹水及氨氮對(duì)植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.5.1淹水及氨氮對(duì)植物SP含量的影響試驗(yàn)期間，3種植物AN0組SP含量隨時(shí)間的增加而上升且均大于CK組，但AN0組的SP含量積累速率均明顯小于AN1～AN5組，AN1～AN5組受氨氮的影響SP含量存在顯著差異（表7）。30d時(shí)，紅背桂和灰莉AN1～AN5組的SP含量均隨著氨氮濃度的增加而上升，均在AN5組達(dá)到最大值，增幅分別為56%、66%。60d時(shí)，紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SP含量開(kāi)始下降，其中灰莉AN5組的下降幅度最大為51%；而紅背桂AN1～AN3、灰莉AN1～AN2的SP含量依然上升，但上升速度明顯減緩，灰莉AN1組上升幅度最大，增幅為17%。夾竹桃在整個(gè)試驗(yàn)期間AN1～AN5組的SP含量均隨氨氮濃度的增加均顯著上升，但30～60d上升幅度明顯減小。60d時(shí)其SP含量在AN5組達(dá)到最大值，為同期CK的1.51倍。

2.5.2淹水及氨氮對(duì)Pro含量的影響試驗(yàn)期間，3種植物AN0組的Pro含量隨時(shí)間的增加先升后降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響Pro含量存在顯著差異（表8）。30d時(shí)，3種植物AN1～AN5組的Pro含量隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為60%。60d時(shí)，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的Pro含量開(kāi)始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為40%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的APX活性依然上升，且均在AN5組達(dá)到最大值，分別為各自同期CK的1.78倍、2.19倍。

3討論

植物在淹水和氨氮等脅迫逆境中，植物形態(tài)及生理會(huì)受到一定影響[11]。本研究中，間歇淹水使3種植物形態(tài)發(fā)生改變，根系的肥大皮孔，不定根等通氣組織能有效緩解根系缺氧。同時(shí)植物體內(nèi)非酶促系統(tǒng)也刺激葉綠素體內(nèi)的抗壞血酸[12]、類(lèi)胡蘿卜素[13]等將ROS清除，在一定程度上有助于維持ROS平衡，進(jìn)而又促進(jìn)葉綠素的積累。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，試驗(yàn)初期，氨氮可能是作為一種營(yíng)養(yǎng)素促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[14]，3種植物株高生長(zhǎng)量和葉綠素積累量增加。試驗(yàn)后期，隨著氨氮濃度的增加，夾竹桃的形態(tài)無(wú)任何受害癥狀。葉綠素含量的積累和株高生長(zhǎng)顯著大于對(duì)照，說(shuō)明其對(duì)氨氮的耐受性較強(qiáng)，生態(tài)幅較廣。而紅背桂和灰莉在較高的氨氮濃度下則會(huì)出現(xiàn)株高增長(zhǎng)減緩、葉片失綠、葉綠素含量積累速率減小等現(xiàn)象。這可能是由于高濃度氨氮導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧增加，進(jìn)而促進(jìn)三線態(tài)葉綠素（3Chl）的形成[15]。3Chl容易與O2反應(yīng)而生成1O2[16]，1O2又進(jìn)一步對(duì)植物產(chǎn)生損害，形成惡性循環(huán)，因此導(dǎo)致植物生長(zhǎng)及葉綠素積累速率減緩?？扇苄缘鞍缀陀坞x脯氨酸都是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[17]。逆境下植物通過(guò)合成脯氨酸、可溶性糖類(lèi)和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)滲透脅迫[18]。本研究中，3種植物在間歇淹水的情況下都能在短時(shí)間內(nèi)提升自身的可溶性蛋白、游離脯氨酸來(lái)應(yīng)對(duì)間歇淹水脅迫，隨后逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài)，這與潘兵青等[19]的結(jié)論一致。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，試驗(yàn)初期，植物為了抵御環(huán)境的變化，3種植物的可溶性蛋白和游離脯氨酸均隨氨氮濃度的增加而增加。試驗(yàn)后期，紅背桂和灰莉可溶性蛋白含量下降，游離脯氨酸含量依然上升，無(wú)法回到正常水平。說(shuō)明逆境中植物體內(nèi)游離脯氨酸含量升高可能是植物適應(yīng)性的表現(xiàn)，也可能是植物細(xì)胞受損的表征[20]。較高濃度的氨氮導(dǎo)致植物產(chǎn)生的ROS沒(méi)有得到及時(shí)清除，蛋白經(jīng)過(guò)一定程度的氧化損傷而導(dǎo)致大面積的交聯(lián)和聚合物生成后，不但不易被水解，而且還能抑制蛋白酶降解其他被氧化的蛋白[21]。逆境環(huán)境下，植物細(xì)胞內(nèi)自由基代謝平衡被破壞，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化，使膜系統(tǒng)受到傷害[22]。丙二醛的高低可以反映植物的脂質(zhì)過(guò)氧化水平，目前已被廣泛用作脅迫條件下生物膜受ROS氧化損傷的標(biāo)志物[23]。植物體內(nèi)抗氧化酶活性大小可以反映植物的抗性[24]。從本研究結(jié)果來(lái)看，間歇淹水短期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致3種植物ROS增加從而導(dǎo)致MDA含量上升。植物為了抵御ROS的毒害作用，會(huì)啟動(dòng)自身的酶促系統(tǒng)來(lái)維持ROS代謝平衡[25]。從而導(dǎo)致SOD、POD、APX活性上升，緩解了間歇淹水對(duì)植物的傷害，使得3種園林植物能適應(yīng)間歇淹水環(huán)境，這與劉蓮等[7]的結(jié)論一致。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，夾竹桃即使在氨氮達(dá)28.5mg/L時(shí)，也依然可以維持自身抗氧化酶系統(tǒng)平衡。MDA含量也能逐漸降低，但無(wú)法降低到正常水平，通常MDA含量隨脅迫程度和處理時(shí)間的增加而增加[26]。而紅背桂和灰莉在氨氮達(dá)21.5mg/L后，植物體內(nèi)ROS失衡，活性氧過(guò)量積累，SOD、POD、APX活性持續(xù)上升。但由于抗氧化酶清除ROS的速度趕不上ROS的增長(zhǎng)速度，因此MDA含量也持續(xù)上升。所以在較高的氨氮濃度下，紅背桂和灰莉體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生過(guò)量ROS，ROS累積會(huì)直接損害植物細(xì)胞，導(dǎo)致MDA含量持續(xù)升高、植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)短期內(nèi)無(wú)法達(dá)到平衡。

4結(jié)論

間歇淹水下，缺氧-復(fù)氧的模式能促進(jìn)這3種園林植物莖基形成肥大皮孔，不定根等通氣組織加強(qiáng)植物的代謝速率和株高生長(zhǎng)速率，但生理指標(biāo)變化不明顯。間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，紅背桂和灰莉受高濃度氨氮的影響導(dǎo)致生長(zhǎng)減緩，葉片失綠，生理失調(diào)特征明顯；而夾竹桃形態(tài)無(wú)受害癥狀，各項(xiàng)生理指標(biāo)也能恢復(fù)到正常水平。因此，在對(duì)這3種園林植物進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮在熱帶亞熱帶地區(qū)的人工濕地、間歇淹水綠地等中高氨氮濃度的區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用管理。同時(shí)植物的耐氨氮、耐水性還會(huì)受諸多因素的影響，如氣候因子、土壤因子等，因此在間歇淹水條件下園林植物的抗逆性及應(yīng)用技術(shù)等還需進(jìn)一步驗(yàn)證與研究。