苦草對(duì)鹽度脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)及其應(yīng)用

王在易

摘 要：拉尼娜-厄爾尼諾現(xiàn)象交替出現(xiàn)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件屢屢發(fā)生，導(dǎo)致我國(guó)華南沿海地區(qū)受到海水倒灌的嚴(yán)重侵襲，鹽度脅迫已成為影響華南河口區(qū)沉水植物生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖的主要因素。該文以華南地區(qū)最常見的沉水植被“先鋒物種”苦草（Vallisneria natans）為實(shí)驗(yàn)材料，研究其對(duì)不同鹽度脅迫的光合生理響應(yīng)，并通過(guò)模擬試驗(yàn)觀察其表觀生長(zhǎng)狀況變化，以期為河口區(qū)沉水植被重建與生態(tài)修復(fù)提供參考。

關(guān)鍵詞：苦草；生態(tài)生理特性；鹽度脅迫；生態(tài)修復(fù)

中圖分類號(hào) Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）21-0021-04

Ecophysiology Responsesof Vallisneria natans to Salinity Stress And Its Application

Wang Zaiyi

（School of Life Sciences and Technology of Jinan University，Guangzhou 510632，China）

Abstract：The alternation of La Nina and El Nino phenomenon，frequent occurrence of extreme weather events such as super typhoons，often seriouslycause alt-water encroachmentinvadethe coastal waters in Southern China，and lead the stress of salinity to become the main factor that affects the estuarine submersed plants'growth，development and reproduction.In this dissertation，the pioneerplant Vallisneria natans in the reconstruction of submerged vegetation were used as experimental materials，to study ecophysiology response of it to differentsalinity stress，andobserve the change of its apparent growth through simulation tests.It might be expected to provides the reference to the submerged vegetation's restoration and ecological restoration in the estuary areas.

Key words：Vallisneria natans；Ecophysiological characteristics；Stress of salinity；Ecological restoration

近年來(lái)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、海嘯等極端天氣事件頻發(fā)，造成我國(guó)華南沿海經(jīng)常性地受到嚴(yán)重的海水倒灌，從而引發(fā)海岸侵蝕、河口濕地萎縮、沉水植物衰退及生物資源退化等，已經(jīng)對(duì)相關(guān)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅與挑戰(zhàn)[1]。一方面，海水倒灌使得受影響的沿海地區(qū)土壤腐蝕退化和淡水鹽堿化等問(wèn)題[2]進(jìn)一步加劇，并引發(fā)了咸潮現(xiàn)象，給受侵?jǐn)_地區(qū)的農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)了困擾，并將大量海洋垃圾卷向海岸、河口、濕地和養(yǎng)殖基塘，造成環(huán)境超載、污染嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、水產(chǎn)品病害盛行等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。另一方面，海水倒灌加劇了河口生態(tài)環(huán)境的多變性，特別是其直接將等鹽線推向內(nèi)陸河流，影響范圍向內(nèi)陸達(dá)20km左右[3]，內(nèi)陸河流鹽分濃度驟升，導(dǎo)致原生沉水植物和浮游植物衰退，引發(fā)水生植物群落優(yōu)勢(shì)種群的波動(dòng)。同時(shí)還改變了河口區(qū)上緣底質(zhì)的理化條件，造成沉水植物光合作用率的下降，植物光合產(chǎn)物減少，直接影響到草食性動(dòng)物的攝食、產(chǎn)卵以及洄游魚類的洄游活動(dòng)等。

海水倒灌對(duì)近海河口及其臨近的河口區(qū)上緣最直接的影響就是鹽度的上升，使得鹽度日益成為關(guān)系到沉水植被的存活和生長(zhǎng)、繁殖的重要因素，其鹽度經(jīng)常性波動(dòng)甚至?xí)斐沙了脖粐?yán)重衰退[4]。

由于河口區(qū)鹽度變化較大，某些沉水植物在進(jìn)化過(guò)程中形成了一定的耐鹽性。Doering等（2001）研究了海水入侵對(duì)Caloosahatchee河口美洲苦草生長(zhǎng)和生存的影響，旱季鹽度升高不利于美洲苦草的生長(zhǎng)，當(dāng)鹽度超過(guò)耐鹽極限時(shí)導(dǎo)致美洲苦草群落的衰退。據(jù)Den Hartog（1970）報(bào)道，一般沉水植物都能夠在鹽度為0～0.5g·L-1的水體中正常生長(zhǎng)。

苦草（Vallisneria natans）作為全球廣布性的水生植物物種，同時(shí)也是華南沿海重要的沉水植物，具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性。大量的研究表明，苦草廣泛分布在河流、湖泊等淡水水體以及咸淡水交匯的河口中[5-6]，能平衡水體N、P比，對(duì)水質(zhì)有較強(qiáng)的凈化能力[7]，在修復(fù)與重建水域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中也常作為先鋒物種。因此，本研究選用苦草開展了近海河口沉水植被重建研究。

1 材料與方法

1.1 材料 苦草：俗名面條草、水韭菜等，為水鱉科（Hydrochartaceae）多年生沉水草本。本研究實(shí)驗(yàn)材料苦草（Vallisneria natans）采自廣州市華南植物園的自然種群，分別于2015年7月、2016年7月開始進(jìn)行野外采集及適應(yīng)性栽培試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 沉水植物的適應(yīng)性培養(yǎng)及不同鹽度處理 將從野外采集的苦草置于25℃恒溫條件下進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)30d。挑選生長(zhǎng)健壯、大小均一的經(jīng)適應(yīng)性培養(yǎng)后的苦草，設(shè)置鹽度梯度為：0.5ppt、1.5ppt、2.5ppt、3.5ppt的4個(gè)處理組，另外0ppt為對(duì)照組，每組各6缸，每缸4棵，控制其他培養(yǎng)條件適宜且一致。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程都在25℃恒溫氣候箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別于第0d、1d、3d、5d、7d（上午10：00）對(duì)苦草光合光合生理特性進(jìn)行取樣測(cè)定，并對(duì)其表觀生長(zhǎng)狀況進(jìn)行持續(xù)的觀察并記錄。

1.2.2 光合生理與生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)量 選取植株中上部葉位一致的葉片，在測(cè)定前先用錫紙包住待測(cè)定葉片，充分暗適應(yīng)30min之后測(cè)定，使用CF Imager葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)定暗適應(yīng)后的初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、PSⅡ反應(yīng)中心潛在的激發(fā)能捕獲效率（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、作用光存在時(shí)PSⅡ?qū)嶋H的光化學(xué)量子效率（Yield），以及根據(jù)公式：ETR=PPFD×Yield×0.84×0.5計(jì)算ETR電子傳遞速率。分別采用硫代巴比妥酸法、氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法、愈創(chuàng)木酚法、次溴酸鹽氧化法，計(jì)算測(cè)定樣品中的MDA含量、超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）活力，以及水體氨氮變化量。根據(jù)外傷癥狀估計(jì)方法[8]，測(cè)量苦草的生長(zhǎng)狀況。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0 One Way ANOVA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)同一測(cè)定指標(biāo)在不同處理間的差異進(jìn)行方差分析，并用LSD法、SNK法作多重比較，檢測(cè)各處理與對(duì)照組之間或同一處理不同時(shí)段間的差異顯著性。使用Sigmaplot12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽度條件下苦草葉綠素?zé)晒獾淖兓?圖1顯示：從第0天到第5天，鹽度2.5ppt的Fv/Fm先降后升，第3天達(dá)到最低值0.75±0.01，且僅此時(shí)與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）；鹽度3.5ppt的Fv/Fm下降明顯，第3天后基本保持穩(wěn)定，與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）。鹽度2.5ppt和鹽度3.5ppt的Yield和ETR均下降明顯，與對(duì)照組差異極顯著（P<0.01）。

2.2 不同鹽度條件下苦草非光化學(xué)淬滅和光化學(xué)淬滅的變化 圖2顯示：從第0天到第7天，鹽度為2.5ppt、3.5ppt的2組NPQ反復(fù)波動(dòng)，鹽度3.5ppt的NPQ于第1天時(shí)與對(duì)照組差異極顯著（P<0.01），之后趨于正常，鹽度2.5ppt的NPQ于第5天時(shí)與對(duì)照組顯著（P<0.05）。同時(shí)，鹽度0.5ppt和鹽度1.5ppt的qP變化不大，均與對(duì)照組差異不顯著（P>0.05），其他兩組先下降后保持穩(wěn)定，鹽度3.5ppt與對(duì)照組差異極顯著（P<0.01），第7天達(dá)到最低值0.42±0.01。

2.3 不同鹽度條件下苦草葉片抗氧化酶（POD、SOD）活性的變化 圖3顯示：從第0天到第7天，各處理組POD活性上升趨勢(shì)大小依次：鹽度3.5ppt>鹽度2.5ppt>鹽度0.5ppt>鹽度1.5ppt。其中，鹽度3.5ppt和鹽度2.5ppt的POD活性先升高，分別于第3d達(dá)到最大值135.23±13.81和200.86±12.61，之后下降但高于初始水平，從第1天到第7天均與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）。各處理組的SOD活性上升趨勢(shì)大小依次：鹽度3.5ppt>鹽度2.5ppt>鹽度1.5ppt>鹽度0.5ppt。其中，鹽度1.5ppt、鹽度2.5ppt和鹽度3.5ppt的SOD活性均先升高后又下降，第5天時(shí)均達(dá)到最高水平，分別為25.25±1.24、35.18±1.41、38.63±1.18，與對(duì)照組差異極顯著（P<0.01）；第5天時(shí)，鹽度3.5ppt和鹽度2.5ppt的SOD活性顯著高于鹽度3.5ppt（P<0.05）。

2.4 不同鹽度條件對(duì)苦草葉片丙二醛（MDA）含量的影響 圖4顯示：從第0天到第7天，各處理組上升趨勢(shì)大小依次：鹽度3.5ppt>鹽度2.5ppt>鹽度1.5ppt>鹽度0.5ppt。其中，除鹽度0.5ppt基本保持穩(wěn)定外（P>0.05），其他3組的MDA含量先升高后下降，于第3天時(shí)均達(dá)到最高水平，從大到小依次為：28.83±0.68、26.28±0.83、20.35±0.66，與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）。

含量的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=3）

2.5 不同鹽度條件對(duì)苦草和川蔓藻氨氮吸收的影響 圖5顯示：鹽度3.5ppt和鹽度2.5ppt的NH4+含量從第3天均開始明顯升高，鹽度3.5ppt的NH4+含量與對(duì)照組差異極顯著（P<0.01），鹽度2.5ppt與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）；其他2組的NH4+含量均有所下降，但與對(duì)照組差異不顯著（P>0.05）。同時(shí)，鹽度3.5ppt和鹽度2.5ppt的NO3-含量均從第0天開始明顯升高，與對(duì)照組差異均極為顯著（P<0.01）；其他2組的NO3-含量均先緩降后緩升，與對(duì)照組差異不顯著（P>0.05）。

2.6 不同鹽度條件對(duì)苦草表觀生長(zhǎng)狀況的影響 由表1可知：苦草在鹽度為0.5ppt、1.5ppt條件下均能正常生長(zhǎng)，無(wú)明顯傷害癥狀；在鹽度為2.5ppt條件下，苦草在實(shí)驗(yàn)初期無(wú)明顯傷害癥狀，后期表現(xiàn)出輕度傷害的癥狀；而鹽度為3.5ppt條件下，苦草在實(shí)驗(yàn)初期表現(xiàn)出輕度傷害，后期達(dá)到了中度傷害。3 討論與結(jié)論

3.1 苦草的光合特性對(duì)不同鹽度的響應(yīng) （1）在逆境脅迫下，葉片氣孔關(guān)閉、光合酶活性降低，因而植物的光合速率也會(huì)降低，顯著地體現(xiàn)在各項(xiàng)光合特性參數(shù)（Yield、ETR等）的變化，特別是ETR的降低反映出苦草光合能力大小的減弱。本實(shí)驗(yàn)中，鹽度高于2.5ppt時(shí)，Yield和ETR下降明顯，鹽度越高則下降越明顯，說(shuō)明苦草受到非常強(qiáng)的脅迫。正常條件下，F(xiàn)v/Fm維持在0.80～0.85，一般都不會(huì)發(fā)生降低，但受到脅迫時(shí)，則會(huì)開始下降，且隨著脅迫程度加深和脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，其下降程度越大[9]。實(shí)驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，鹽度為2.5ppt、3.5ppt處理1天后Fv/Fm顯著下降，說(shuō)明光合結(jié)構(gòu)受到了一定的損傷，這種下降主要?dú)w因于氣孔限制和非氣孔限制。由于鹽度脅迫主要改變了苦草細(xì)胞滲透壓，影響到其氣孔的開放，即氣孔限制，同時(shí)也限制了對(duì)CO2吸收，因而當(dāng)鹽度高于2.5ppt時(shí)，苦草葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在低鹽處理初期出現(xiàn)降低，但由于沉水植物本身具備一定耐鹽性，因而后期又能發(fā)生部分恢復(fù)。NPQ反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，是表示熱耗散多少的指標(biāo)[68]，是光合機(jī)構(gòu)的一種自我保護(hù)機(jī)制，qP在一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度[10]。本實(shí)驗(yàn)中，較高的鹽度（3.5ppt）條件下，苦草的非光化學(xué)淬滅（NPQ）耗散加快，而當(dāng)鹽度高于2.5ppt時(shí)，光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）降低，說(shuō)明PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉，均顯示出較強(qiáng)的鹽度脅迫，但第5天后，不再下降且基本保持穩(wěn)定，也說(shuō)明了苦草具備一定的鹽度耐受性。

3.2 苦草的生理特性對(duì)不同鹽度的響應(yīng) 沉水植物在受到鹽度脅迫時(shí)，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生的大量活性氧，活性氧對(duì)植物的功能分子產(chǎn)生破壞作用，在誘導(dǎo)作用下，抗氧化防御系統(tǒng)：超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）的活性會(huì)被迅速增強(qiáng)，兩者共同清除活性氧并抵御逆境脅迫。同時(shí)，植物細(xì)胞生物膜中的多價(jià)不飽和脂肪酸將受到活性氧自由基的攻擊，產(chǎn)生大量的丙二醛（MDA），因此測(cè)定MDA含量能間接反映機(jī)體細(xì)胞受自由基攻擊的嚴(yán)重程度。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽度高于2.5ppt時(shí)，苦草POD、SOD活性顯著增強(qiáng)，而鹽度為3.5ppt時(shí)，SOD活性最高，鹽度脅迫最為明顯。此外，較高的鹽度導(dǎo)致苦草MDA含量增加，其中鹽度為3.5ppt時(shí)的處理，于第3天出現(xiàn)MDA含量最高，即28.83±0.68，可能與此鹽度帶來(lái)細(xì)胞外部滲透壓過(guò)高有關(guān)，SOD和POD活性的顯著增強(qiáng)仍滿足不了對(duì)活性氧的消除作用。

3.3 不同鹽度對(duì)苦草氨氮吸收以及表觀生長(zhǎng)狀況的影響 鹽度對(duì)沉水植物的氮磷吸收有一定影響[11]，可能與鹽度變化引起水生植物滲透壓變化有關(guān)。通過(guò)測(cè)定不同鹽度條件對(duì)沉水植物氨氮吸收的影響，能間接地反映出鹽度脅迫對(duì)沉水植物的物質(zhì)合成及生長(zhǎng)狀況。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：較高的鹽度（≧2.5ppt），造成苦草不僅不吸收NH4+、NO3-，反而向水體釋放NH4+、NO3-，使得水體中氨氮含量高于初始水平，可能由于其根系、葉片開始發(fā)生部分腐敗，有機(jī)氮溶解到水體中，顯示出苦草所受鹽度脅迫較大。較低的鹽度（<2.5ppt），苦草的氮吸收情況正常，但對(duì)NO3-的吸收不顯著。

通過(guò)對(duì)不同鹽度下苦草的表觀生長(zhǎng)狀況的觀察和記錄來(lái)看，當(dāng)鹽度為2.5ppt時(shí)，苦草開始表現(xiàn)出輕度傷害的癥狀，鹽度為3.5ppt時(shí)則出現(xiàn)了中度傷害，說(shuō)明苦草具備一定鹽度耐受性。

總之，從生態(tài)生理特性及生長(zhǎng)狀況等方面，本實(shí)驗(yàn)研究了不同鹽度脅迫下苦草的生態(tài)生理響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明：苦草對(duì)鹽度的耐受幅較窄（0～2.5ppt），即鹽度耐受閾值不高于2.5ppt。通過(guò)苦草鹽度耐受閾值與當(dāng)?shù)睾涌趨^(qū)水文數(shù)據(jù)、海水倒灌相關(guān)報(bào)道的綜合考慮，建議在利用苦草開展華南地區(qū)近海河口植被重建和生態(tài)修復(fù)時(shí)，應(yīng)將苦草植于近海河口區(qū)上緣，遠(yuǎn)離潮上帶的河口區(qū)域。然而，由于試驗(yàn)條件的限制和沉水植物對(duì)不同脅迫因子響應(yīng)的復(fù)雜性，對(duì)于一些問(wèn)題的研究仍有待進(jìn)一步深入。

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（責(zé)編：張宏民）