6種園林樹木對持續(xù)性淹水脅迫的生理響應及其比較

張文豹，周忠勝，曾 雷，王津寧，金雅琴

（1.南京濱江公園管理有限公司,江蘇南京210019；2.金陵科技學院園藝學院,江蘇南京210038）

植物生長過程中需要大量水分，但土壤水分過多反而會阻礙植物與大氣環(huán)境間的氣體交換，造成植物組織缺氧和生理傷害，嚴重影響植物的生長發(fā)育[1]。據(jù)報道，淹水脅迫通過減緩葉片和根系生長、降低水分與礦質營養(yǎng)吸收、改變葉綠素含量和組分、破壞光合機構的結構與性能等，降低植物光合同化能力，進而抑制其生長和生物量積累[2-3]。大量研究表明，林木在遭遇水澇脅迫下自身往往會產(chǎn)生一定的形態(tài)和生理反應，以適應水澇對自身生理生長的不良影響[4-5]。但是，不同樹木對水澇脅迫的生理反應有所不同，表現(xiàn)的抗水澇能力也不盡相同。如方貴榮[6]的研究表明，楓香樹（Liquidambar formosana）幼苗在脅迫60 d的情況下仍生長良好，長勢顯著優(yōu)于對照，表現(xiàn)出很強的耐澇性，表明楓香樹可以作為耐水濕樹種應用；陳桂芳等[7]的研究表明，持續(xù)淹水脅迫對水松（Glyptostrobus pensilis）生理生化指標產(chǎn)生了明顯的影響，水松表現(xiàn)出較強的適應水生環(huán)境的能力，可在水庫庫岸、河岸及湖岸等水位容易波動的濕地種植；胡燕莉等[8]對油用牡丹‘鳳丹’（Paeonia ostii）的研究表明，水淹后油用牡丹‘鳳丹’葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及根系活力均較對照組顯著下降，且下降幅度隨著水淹時間的延長而增大，油用牡丹‘鳳丹’對水淹脅迫的應答迅速且靈敏，但不耐水淹[8]。因此，深刻認識樹木的的耐澇性，了解不同樹種在遭遇脅迫條件的生理適應性，對于河岸帶園林功能植物的選擇和景觀配置十分有用，不僅有利于提高水岸帶園林植物選配的科學性、合理性，而且對豐富城市水岸帶植物的多樣性，改善城市園林建設的施工質量具有重要意義。本文以6種常見園林喬木樹種為研究對象，對不同樹種受澇后外部形態(tài)及生理特征進行觀察，比較了不同樹種對水澇脅迫的應答，為城市園林耐水澇樹種的選擇提供基本理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為榔榆(Ulmus parvifolia)、櫸樹(Zelkova papyrifera)、樸樹 (Celtis sinensis)、女貞(Ligustrum lucidum)、枇杷(Eriobotrya japonica)、珊瑚樹(Viburnum odoratissimum)。苗源來自江蘇省林業(yè)科學研究院實驗林場，均為2年生實生苗。春季上盆栽培，盆徑15 cm，園土作基質，于2019年7月1日開始水淹處理。每天定期觀察耐水淹情況，記錄葉片受損及脅迫情況。

1.2 測定方法

試驗地點在金陵科技學院園藝學院實驗站，試驗時間為2019年7~9月。淹水期間，觀察6種不同樹木的形態(tài)變化，分階段測定樣本的生理指標。每次采樣均取0.5 g生長一致的葉片指標測定。游離脯氨酸采用磺基水楊酸法提取，并用茚三酮比色法測定其含量[9]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[10]；相對電導率的測定應用DDS0-11A型直讀電導儀測定。上述指標測定時均設3次重復，以作統(tǒng)計分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價

不同處理用SPSS17.0軟件進行方差分析，多重比較采用t檢驗法；抗性評價采用隸屬函數(shù)法（Method of subordination function）[11-12]。

2 結果與分析

2.1 淹水條件不同樹種的外觀形態(tài)變化

淹水條件下6種不同樹木的形態(tài)變化記錄見表1。

表1 淹水條件下不同樹種呈現(xiàn)水漬斑點及葉片黃化的處理天數(shù)Tab.1 Days showed water stains spots and leaves yellowing of different tree species under flooding stress

水淹第3天時，榔榆、櫸樹、樸樹、枇杷、珊瑚樹均開 始呈現(xiàn)不同程度的受澇癥狀，葉緣、葉背面中脈或者側脈不同程度的褐斑點，生長開始受到影響。常綠樹種女貞開始呈現(xiàn)癥狀較晚，直到處理第7天時才出現(xiàn)了水漬斑點。就不同樹種出現(xiàn)黃化的時間來看，榔榆出現(xiàn)癥狀最早（第4天），枇杷為第9天，珊瑚樹為第11天；出現(xiàn)葉片黃化癥狀較晚的樹種是櫸樹、樸樹，兩者出現(xiàn)的天數(shù)均為第17天；常綠樹種女貞處理期幾乎未出現(xiàn)黃化癥狀。觀察發(fā)現(xiàn)，不同樹種盡管早期呈現(xiàn)一定的水澇受害癥狀，但一般短期內不會立刻死亡，表現(xiàn)出一定的耐水性。

2.2 淹水條件下不同樹種生理指標的變化

2.2.1 淹水條件不同樹種葉片游離脯氨酸含量的變化

研究表明，植物葉片在逆境條件下游離脯氨酸含量增加是一種普遍的生理現(xiàn)象，對植物自身來說是一種生理適應，對植物起到緩沖保護作用[12]。因此，分析植物在淹水脅迫下葉片游離脯氨酸含量的變化趨勢對比較不同植物的耐水性具有一定參考意義。

水淹條件下，不同樹種葉片中的游離脯氨酸含量變化見圖1。結果表明，水淹脅迫下，6樹種葉片的游離脯氨酸含量存在顯著差異。櫸樹、樸樹的游離脯氨酸含量變化呈現(xiàn)幾乎一致的變化態(tài)勢，即前期游離脯氨酸略有下降，但隨著淹水持續(xù)時間的延長其測定值則緩慢上升，并于試驗終期（24 d）出現(xiàn)極值（分別為906.93、521.20μg·g-1），不同處理期游離脯氨酸含量存在顯著差異（P＜0.05）；榔榆在整個淹水期間其游離脯氨酸含量測定值始終是上升的；珊瑚樹在整個淹水期間其游離脯氨酸含量變化很小，幾乎呈現(xiàn)一直線型變化，不同處理期游離脯氨酸含量差異不顯著（P＞0.05）；女貞、枇杷兩樹種的游離脯氨酸含量變化盡管數(shù)值大小變化大，但趨勢基本一致，即先期呈現(xiàn)高值，隨著淹水時間的延長，其值開始下降，直至整株死亡。

圖1 淹水條件下不同樹種葉片游離脯氨酸含量的變化Fig.1 Changes of free proline content in leaves of different tree species under flooding

2.2.2 淹水條件不同樹種葉片丙二醛(MDA)含量的變化

MDA是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，通常將其作為脂質過氧化指標，用于表明細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境脅迫反應的強弱[1]。MDA含量的多少可以間接地表示植物膜的受損狀況，并兼有反饋作用[12]。水淹條件下，不同樹種葉片中MDA含量的變化見圖2。從圖2可以看出，榔榆在淹水期間的MDA含量一直高于處理開始期的測定值，并于淹水第13天時MDA含量最高(0.009 μmol·g-1)，但在處理末期（24 d）其值略有下滑（0.006 μmol·g-1），不同處理期MDA含量存在顯著差異（P＜0.05）；。而櫸樹和樸樹的MDA含量變化則呈現(xiàn)先期下降后期緩慢上升的鉤型變化態(tài)勢，尤以樸樹的MDA含量上升態(tài)勢較為明顯（淹水第24天時MDA含量為0.013μmol·g-1）；淹水試驗期間枇杷的MDA含量變化很小，整體呈現(xiàn)下降的態(tài)勢；女貞的MDA含量變化前期幾乎呈一直線，但試驗后期卻急劇抬升，并達到極值（0.021μmol·g-1）。方差分析表明，不同樹種在同一處理時間點葉片MDA含量均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖2 淹水條件下不同樹種葉片MDA含量的變化Fig.2 Changes of content of malondialdehyde in leaves of different tree species under flooding

2.2.3 淹水條件不同樹種葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的變化

為抵御淹水脅迫條件下活性氧自由基的毒害作用，植物經(jīng)過長期的進化與適應，形成了相應的抗氧化防御系統(tǒng)[13]。超氧化物歧化酶（SOD）是植物抗氧化保護系統(tǒng)的第一道防線，對植物遭受逆境狀態(tài)下的反應較為敏感，主要功能是清除O2-，是防護氧自由基對細胞膜傷害的一種主要保護酶[14]。不同樹種葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性的變化見圖3A。

圖3 淹水條件下不同樹種葉片SOD及POD活性的變化Fig.3 Changes of SOD and POD activity of different tree species under flooding

從圖3A中曲線變化的來看，不同樹種葉片中SOD活性的變化態(tài)勢存在顯著不同。盡管有一定的波動，但是榔榆在整個淹水期間SOD活性明顯上升，其淹水第22天時葉片中SOD活性為163.32 U·g-1FW，為淹水始期SOD活性（60.56 U·g-1FW）的2.69倍，表明淹水脅迫下榔榆葉片抗氧化保護酶的活性反應極為敏感；櫸樹、樸樹兩樹種在整個淹水期SOD活性存在波動變化，淹水早期SOD活性下降，但后期隨著淹水時間的延長，淹水末期的SOD活性仍高于試驗始期；淹水期間枇杷的SOD活性變化較為劇烈，淹水初期(第2天)SOD活性微降(66.43 U·g-1FW)，但處理第12天時SOD活性則顯著增加(209.91 U·g-1FW)，并顯著高于淹水初期的SOD活性（P＜0.05）；女貞、珊瑚樹在整個淹水期SOD活性變化較為平緩，差異不顯著，且兩樹種的SOD活性前期較為接近，但在后期整體上其活性仍然是趨于上升的。

2.2.4 淹水條件不同樹種葉片過氧化物酶（POD）活性的變化

過氧化物酶（POD）的作用具有雙重性，一方面是在逆境中清除O2-，表現(xiàn)為保護效應，為細胞活性氧保護酶系統(tǒng)的成員之一；另一方面，POD也在逆境中參與活性氧的生成、葉綠素的降解，并引發(fā)膜脂過氧化作用，表現(xiàn)為傷害效應[12，15]。

從圖3B可以看出，在淹水條件下不同樹種的POD活性(△A470·g-1FW·min-1)變化曲線顯著不同。淹水條件下樸樹葉片POD活性均顯著的增加趨勢，淹水第24天其POD活性為231.50，為淹水初期(第2天)的10.68倍。淹水條件下POD活性增加以有效地清除O2-，體現(xiàn)了樸樹自身的自我保護。方差分析表明，不同處理期樸樹葉片POD活性呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。榔榆葉片中POD活性變化最為劇烈，不同處理期樸樹葉片POD活性呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。淹水始期，葉片中POD活性為19.33，但處理后第2天葉片中POD活性快速上升至為233.83，為淹水處理期的最高值，但隨著淹水處理的延續(xù)，POD活性劇烈下降，處理末期（第24天）POD活性略高于處理開始期。女貞在淹水后POD活性緩慢上升，并在第12天時POD活性最大（217.29），但在后期淹水處理期間葉片的POD活性始終變化很小。在整個處理期，枇杷、櫸樹和珊瑚樹3樹種POD活性差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.5 淹水條件下不同樹種葉片葉綠素含量的變化

葉綠素是植物光合作用的載體，葉綠素含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用強度的高低，從而影響植物的生長。近年研究表明，逆境脅迫可能破壞植物組織的葉綠體結構，使得葉綠素含量下降，引起植物光合作用能力降低[1]，但樹種不同其影響效應有所不同，體現(xiàn)出不同樹種對逆境脅迫的適應能力有不同。

淹水條件下不同樹種葉片中葉綠素含量（a+b）的變化見表2。表中可見，淹水條件下所有樹種葉片中葉綠素含量均隨淹水時間的延長而有所下降，但是下降的幅度和下降速度有所不同，說明淹水對處理樹種的葉片組織內葉綠體的合成造成一定的影響。榔榆是葉片中葉綠素變化幅度最大的樹種，淹水第2天葉綠素含量為0.940 mg·g-1FW，但第8天其值降至0.374 mg·g-1FW，淹水條件下不同處理時期綠素含量呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。櫸樹和枇杷2樹種在不同處理時期葉綠素含量變化不大，但不同處理時期葉綠素含量仍呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05），所以淹水對櫸樹和枇杷兩樹種的光合色素仍然存在一定的影響。淹水對樸樹和女貞葉片葉綠素含量的初期影響較小，不同處理時間葉綠素含量無顯著差異（P＞0.05），但隨著處理時間的延長，葉綠素含量顯著下降。淹水初期，珊瑚樹葉片中葉綠素含量呈現(xiàn)短期上升，但隨著淹水時間的延長其含量下降，但下降幅度不大。

就同一時期不同樹種葉綠素含量絕對值來看，不同樹種的葉綠素測定值存在顯著差異（P＜0.05），這是不同樹種之間的生物學特性所決定的，體現(xiàn)了遺傳因素對植物色素的形成客觀上存在決定性作用。

2.3 淹水脅迫條件下不同樹種的抗性比較

表2 淹水條件下不同樹種葉片葉綠素含量（a+b）的變化Tab.2 Changes of chlorophyll content（a+b）in leaves of different species under flooding(mg·g-1 FW)

在淹水脅迫條件下，不同樹種各種生理指標的變化存在差異，這反映了不同樹種對淹水脅迫適應途徑的多樣性和復雜性。因此，單一的任何指標都很難準確地評判不同樹種抗性的強弱。而運用數(shù)學方法將多項指標進行綜合考慮，才能客觀地比較不同樹種在淹水脅迫下的抗性差異。依據(jù)文獻資料，本研究采用Fuzzy隸屬函數(shù)法對淹水條件下不同樹種耐澇性的測定指標進行綜合評判，其評判結果見表3。就本試驗測得的5項生理參數(shù)進行隸屬函數(shù)判斷，6種樹木的耐澇性排序大致為：女貞、枇杷、珊瑚樹、樸樹、櫸樹、榔榆。

表3 淹水脅迫下不同樹種耐澇性的綜合評判指標Tab.3 Comprehensive evaluation of waterlogging tolerance of different species under flooding

3 結論與討論

1）植物在長期的自然選擇過程中，一定的生態(tài)環(huán)境必然會留下選擇的烙印，加上其分布區(qū)生境的復雜性，促進了植物不同群體間的生物學特性的分化[12]。植物應對淹水脅迫的傷害會涉及形態(tài)、解剖和生理代謝等多個方面[16-17]，但形態(tài)變化是最直觀最明顯的特征。Schmull等[18]認為，相對于生理適應，形態(tài)的變化對植物抵御長時間淹水脅迫的意義更大。本研究表明，持續(xù)淹水條件下不同樹種對逆境的反應特性存在一定的差異，表現(xiàn)為呈現(xiàn)水漬斑點出現(xiàn)的早晚和黃化葉落的時間有所不同，表明不同樹種對抵御澇澤所呈現(xiàn)的反應特征和生理傷害程度有所不同，這些特征可以作為野外判定耐澇性最簡單的形態(tài)依據(jù)。

2）淹水脅迫引起的植物傷害大多數(shù)與組織內的活性氧傷害有關，而植物體往往通過提高自身SOD、POD等酶的活性來清除由脅迫而產(chǎn)生的大量自由基，以增強其抗逆性[19]。植物在遭受逆境脅迫時往往通過改變自身SOD、POD、CAT等酶的活性抵御外界對自身的傷害[12]，但不同植物其酶活性的改變態(tài)勢不完全相同。一般認為，淹水情況下，缺氧使植物體內積累了較多的活性氧自由基，抗氧化酶活性的提高將有利于清除自由基，減輕細胞受到傷害，這是多數(shù)植物對淹水脅迫的一種適應性表現(xiàn)[20]。但試驗表明，淹水脅迫下不同樹種兩種保護酶(SOD和POD)活性呈現(xiàn)出不同的變化態(tài)勢。其中，榔榆葉片抗氧化保護酶的活性反應最為敏感，表現(xiàn)為淹水初期SOD活性的顯著上升和POD活性的劇烈增加，這與秋茄(Kandelia obovata)[21]、銀杏(Ginkgo biloba)[22]的研究結果基本一致。但是，后期兩種保護酶活性趨于平緩變化，在長期淹水脅迫時這種結果可能源于澇害的持續(xù)導致靠活性氧的清除對植物的抗?jié)硻C能可能已經(jīng)無法發(fā)揮作用。

一般來說，耐淹能力強的植物在遭受水澇時，體內的SOD、POD活性會顯著升高，以清除植物在淹水脅迫下積累的活性氧[20-21]。女貞、珊瑚樹在整個淹水期SOD、POD活性的變化相對較為平緩，不同處理期的測定值差異均不顯著，說明淹水脅迫下女貞、珊瑚樹兩樹種清除活性氧的自我調節(jié)能力不強。植物在長期與當?shù)厮疅岷屯寥赖拳h(huán)境條件的適應過程中，不同樹種已經(jīng)形成了各自比較穩(wěn)定的抗逆適應機理，不同生理參數(shù)的相互協(xié)調，保證了植物個體在逆境中的存活生長。

3)脯氨酸為植物生存提供足夠的自由水和化學生理活動物質，在植物自我調節(jié)中表現(xiàn)異?；钴S。盡管對于不同植物來說，脯氨酸積累在逆境中的生理作用及機理還不完全清楚，但脯氨酸含量的增加可以增強細胞的滲透調節(jié)能力，這對提高植物的逆境抗性是有益的[22]。本試驗中，櫸樹、樸樹的游離脯氨酸含量變化呈現(xiàn)幾乎一致的變化態(tài)勢，即前期游離脯氨酸略有下降，但隨著淹水持續(xù)時間的延長其測定值則緩慢上升，說明短期的水澇脅迫未對櫸樹、樸樹的生理造成大的影響，但淹水持續(xù)一段后游離脯氨酸含量則明顯上升，脯氨酸含量增加，說明2植物在持續(xù)淹水條件下葉肉細胞具有一定的滲透調節(jié)能力，客觀上增強了其對淹水逆境的適應性。而女貞、枇杷葉片中游離脯氨酸含量變化盡管數(shù)值大小變化大，但趨勢基本一致，即先期下降，隨著淹水時間的延長，其游離脯氨酸含量一直處于低度變化，直至整株死亡，說明2樹種在淹水脅迫下細胞的滲透調節(jié)能力偏弱。

4）細胞膜是植物細胞與外界的第一道防線，它的穩(wěn)定性直接影響到植物細胞的代謝功能[12]。榔榆在淹水初期MDA含量明顯上升，并于淹水第13天時MDA含量最高，櫸樹和樸樹的MDA含量變化則呈現(xiàn)先期下降后期緩慢上升的變化，而枇杷和女貞的MDA含量變化幾乎呈一直線變化，說明不同樹種在淹水脅迫條件下，其細胞膜的受傷害程度不同，對逆境脅迫的脂膜反應不同，這種不同的反應在一定程度上可作為不同植物耐澇性的指標依據(jù)[23]。

5）淹水條件下所有樹種葉片葉綠素含量均隨淹水時間的延長而下降，說明淹水對6樹種的葉片組織內葉綠體的合成均造成一定的生理影響，淹水脅迫加速了受淹植物葉片葉綠素的降解，進而影響植物的光合作用效率，導致植物葉片黃化、凋落、枯萎。根據(jù)不同樹種在持續(xù)淹水條件下的外部形態(tài)表現(xiàn)，并結合生理指標測試結果可以看出，不同樹種的耐澇能力還是存在顯著差異的，這是由于不同樹種自身生物學特性的差異造成的。綜合以上指標進行隸屬函數(shù)分析，主要木本植物耐澇性排序大致為：女貞、枇杷、珊瑚樹、樸樹、櫸樹、榔榆。如此研究結果可以為城市生態(tài)環(huán)境建設中園林樹種的選擇提供基本的理論參考。