“綠色屋頂”中常用的四種景天科植物的抗酸性研究

黃青青，高松，倪榮偉，周陳野，徐建偉，程園園，施夢(mèng)嫻，蔡顏蔚，黃珊珊，朱欣

(臺(tái)州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，浙江臺(tái)州318000)

酸雨是指pH小于5.6的雨水，也包括雪、霧、冰雹等其他形式的酸性降水形式［1］。目前，酸雨已對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境造成較為嚴(yán)重的破壞，并且嚴(yán)重威脅人類(lèi)的健康。同時(shí)，酸雨對(duì)植物的傷害也受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。有研究表明，酸雨會(huì)顯著降低植物的株高，破壞植物葉片的上皮細(xì)胞，增加細(xì)胞膜的透性，還會(huì)使植物體內(nèi)多種酶活性發(fā)生改變，對(duì)植物的生理、生化等多方面特征造成顯著的影響［2－6］。

城市區(qū)域是酸雨的高發(fā)區(qū)，而屋頂綠化植物是維持城市生態(tài)平衡、改善城市環(huán)境的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。在當(dāng)前城市用地緊張、綠化用地不斷被減少、人口密集帶來(lái)巨大的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)的背景下，屋頂綠化的興起對(duì)生態(tài)城市的建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。屋頂綠化能夠降低城市大氣二氧化碳濃度，降低粉塵，改善霧霾天氣，對(duì)維持生態(tài)的平衡具有極其重要的意義［2］。因此，研究模擬酸雨對(duì)“屋頂綠化”植物的生理生化的影響，將有助于了解其抗酸性，為“屋頂綠化”植物的應(yīng)用和栽培提供理論依據(jù)。

景天科植物因具有植株矮小、對(duì)水肥的需求量不高、抗風(fēng)的能力強(qiáng)、抵抗環(huán)境污染的能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成為屋頂綠化的首選植物。目前，已知的景天科植物大約有35個(gè)屬，1 500多種。我國(guó)有10個(gè)屬，240多種，其中屋頂綠化最常用的有佛甲草、垂盆草、東南景天、凹葉景天等。這4種植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，耐貧瘠，耐旱，耐寒，抗風(fēng)，防風(fēng)，能凈化空氣，具有很高的生態(tài)價(jià)值，同時(shí)因其葉和花的顏色和形狀多樣，具有很高的觀賞價(jià)值。因此，這4種景天科植物成為屋頂綠化中的優(yōu)質(zhì)物種，被普遍地運(yùn)用于屋頂綠化中［7］。

不同pH的模擬酸雨對(duì)植物的脅迫程度是存在差異的。目前，有關(guān)上述4種植物抗性的研究報(bào)道多見(jiàn)于耐熱性、抗旱性、抗風(fēng)性等方面的研究，但對(duì)4種植物的抗酸性方面國(guó)內(nèi)外還少有研究。筆者通過(guò)模擬酸雨對(duì)屋頂綠化常用的4種景天科植物生理特性影響的研究，探討其對(duì)酸雨的敏感性、耐受能力，以期為景天科植物在屋頂綠化推廣提供理論依據(jù)，為屋頂綠化建設(shè)中物種的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在臺(tái)州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)室處于臺(tái)州市的東部，E 121°24'，N 28°40'，為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫約為17.6℃，最高氣溫約為41.7℃，最低氣溫約為0.9℃，四季鮮明，無(wú)霜期約為280 d，年降水量約為1 700 mm，年平均相對(duì)濕度約為65%。試驗(yàn)所用植株幼苗由浙江省內(nèi)采集。種植所用土壤為泥炭土和黃壤按1∶1配制。

1.2 試驗(yàn)材料及方法 試驗(yàn)物種為佛甲草、垂盆草、東南景天、凹葉景天。為確保試驗(yàn)植株能滿足試驗(yàn)多級(jí)pH梯度下多次取樣測(cè)定的需要，采用不同物種的一年生扦插苗作為試驗(yàn)材料，培養(yǎng)至植株葉片數(shù)量充足。

從2013年5月開(kāi)始，每種植物選取100株生長(zhǎng)健壯的植株，將每種25株設(shè)為1組，共設(shè)4組，扦插于基質(zhì)相同的種植盆中。試驗(yàn)植株5～7月進(jìn)行適應(yīng)性生長(zhǎng)培育管理，8月初進(jìn)行模擬酸雨處理。扦插和模擬酸雨脅迫試驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，以避免降雨干擾。

按照浙江省酸雨的離子組成以及模擬酸雨試驗(yàn)中常用的配比方案［8－9］，用分析純H2SO4和 HNO3配制成體積比為8∶1的酸雨母液，再將母液用蒸餾水稀釋成 pH 分別為3.5、4.5、5.5的稀釋液作為模擬酸雨試液，以自來(lái)水(pH約6.5)作為對(duì)照。按照臺(tái)州市多年平均降水量1 700 mm，每日每盆植物用小型噴霧器噴淋約27.5ml酸雨(與本地總的降水量基本持平)，期間適當(dāng)補(bǔ)水到2013年10月上旬，測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法 室內(nèi)生理生化實(shí)驗(yàn)在臺(tái)州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。測(cè)定的指標(biāo)包括不同植物葉片中的超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量，其中MDA含量采用寶交早生雙組分光光度法測(cè)定［10］;Pro含量采用寶交早生磺基水楊酸提取法測(cè)定［11］;SOD活性采用寶交早生氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定［12］;POD活性采用寶交早生愈創(chuàng)木酚法測(cè)定［10］;CAT活性采用寶交早生分光光度法測(cè)定［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理 使用Microsoft Excel2003、SPSS18.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，并且作圖。試驗(yàn)結(jié)果采用ANOVA進(jìn)行Duncan多重差異分析(P＜0.05)。抗酸性評(píng)價(jià)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法［13］，對(duì)所測(cè)定的葉片葉面積、光合速率等10項(xiàng)生理生化指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值計(jì)算公式為:

式中，Xij為第i種植株的第j個(gè)種性狀指標(biāo)的測(cè)定值;Ximin、Ximax分別為所有試驗(yàn)植株第i種第j個(gè)性狀指標(biāo)測(cè)定的最小值和最大值;R(Xij)為第i種第j個(gè)性狀的抗酸性隸屬函數(shù)值。如果指標(biāo)的測(cè)定值與物種抗性呈負(fù)相關(guān)，那么用反隸屬函數(shù)值。計(jì)算公式為:

利用公式R(Xi)=∑(Xij)/n來(lái)計(jì)算平均隸屬函數(shù)值，再根據(jù)平均值的大小，綜合評(píng)價(jià)4個(gè)物種的抵抗酸雨能力的強(qiáng)弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對(duì)葉片MDA含量的影響 從圖1可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，4種景天科植物的MDA含量呈現(xiàn)出不同程度的先上升后下降的趨勢(shì)。垂盆草的峰值出現(xiàn)在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的峰值出現(xiàn)在pH 5.5處理下，4種植物分別相對(duì)CK上升了43.77%、53.73%、51.07%、20.59%。

2.2 模擬酸雨對(duì)Pro含量的影響 從圖2可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，垂盆草和東南景天的Pro含量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，分別相對(duì)CK上升29.50%和35.91%，凹葉景天的Pro含量先下降后上升，佛甲草先上升后下降。

2.3 模擬酸雨對(duì)抗氧化酶活性的影響 從圖3可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，4種景天科植物的SOD活性呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，相對(duì)于 CK分別上升了1 311.21%、862.98%、74.25%、161.40%，差異在0.05水平顯著。從圖4可以看出，POD活性的變化與SOD活性的變化有所不同，4種植物的POD活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，垂盆草的POD活性峰值出現(xiàn)在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的POD峰值出現(xiàn)在pH 3.5處理下，峰值相對(duì)于CK分別上升了57.15%、18.97%、41.75% 和 48.65%，差異在0.05水平顯著。從圖5可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，垂盆草和凹葉景天的CAT活性呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，相對(duì)于CK分別下降了26.86%和31.27%，前者差異不顯著，后者差異在0.05水平顯著，而東南景天的CAT活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，峰值相對(duì)于CK上升了60.03%，差異在0.05水平顯著。在相同的處理?xiàng)l件下，佛甲草的CAT活性表現(xiàn)為持續(xù)上升，相比CK上升52.46%，差異在0.05水平顯著。

2.4 抗性綜合評(píng)價(jià) 為了更加有效地比較4種景天屬植物抗酸能力的強(qiáng)弱，研究采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)分析法。其特點(diǎn)是能夠?qū)ξ锓N的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而對(duì)物種的抗性做出全面的評(píng)價(jià)。通過(guò)MDA和Pro含量的變化以及SOD、POD和CAT活性的變化等5個(gè)指標(biāo)，對(duì)各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，再計(jì)算其平均數(shù)，進(jìn)行物種間比較用以評(píng)價(jià)其抗酸性。

4種景天科植物5個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值見(jiàn)于表1。其中，垂盆草的加權(quán)值最大，說(shuō)明它是抗酸性較強(qiáng)的品種。4種植物根據(jù)平均隸屬函數(shù)加權(quán)值的大小排列為垂盆草、佛甲草、凹葉景天、東南景天，反映這些材料抗酸性強(qiáng)弱的順序?yàn)榇古璨荩痉鸺撞荩景既~景天＞東南景天。

表1 不同pH模擬酸雨處理下4種景天科植物各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

3 討論

酸雨環(huán)境可導(dǎo)致植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化活動(dòng)加劇，產(chǎn)生大量的MDA，導(dǎo)致過(guò)氧化產(chǎn)物的含量增加，加劇膜脂過(guò)氧化作用，并且增大質(zhì)膜的透性［14］。隨著脅迫程度的加強(qiáng)，MDA含量雖然有所下降，但相對(duì)于CK仍有升高，且差異在0.05水平顯著。佛甲草的MDA含量比其他3種植物穩(wěn)定，表明它在MDA含量方面對(duì)酸性環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

在通常情況下，植物體內(nèi)游離Pro含量會(huì)處于較低水平，但在逆境下，植物會(huì)不同程度的提高Pro含量。這在一定程度上反映植物的抗逆性［15］。由此可見(jiàn)，垂盆草和東南景天的Pro含量上升是適應(yīng)酸雨脅迫的一種途徑。而凹葉景天在pH 3.5與CK條件下表現(xiàn)出較高的Pro水平，而在pH 4.5與pH 5.5處理下較低，表明凹葉景天在Pro方面更適宜在弱酸環(huán)境下生長(zhǎng)。佛甲草的pH峰值在pH 4.5處理下出現(xiàn)，表明佛甲草在此處理下受到的脅迫最大。

植物細(xì)胞具備氧化還原系統(tǒng)，能夠維持生理?xiàng)l件下細(xì)胞的氧化還原平衡，而酶促氧化還原反應(yīng)主要依賴(lài)于SOD、POD等抗逆性酶的作用。只有在SOD、POD等酶的作用下，才能夠有效地清除細(xì)胞中的活性氧，使細(xì)胞避免受到氧化傷害［16］。CAT、POD、SOD是生物體內(nèi)重要的活性氧消除酶，在清除超氧化物自由基、減弱脂質(zhì)過(guò)氧化作用和膜傷害方面起重要作用［17］。SOD是一種能夠消除生物體內(nèi)超氧陰離子自由基的酶，在細(xì)胞受到脅迫的狀態(tài)下能夠有效地清除超氧陰離子，減輕細(xì)胞膜脂受損的程度［18］。研究表明，隨著模擬酸雨溶液酸度的增加，4種植物葉片SOD活性均上升，表明植物通過(guò)酶活性的增加來(lái)提高適應(yīng)脅迫環(huán)境的能力。在pH 3.5時(shí)各植物的SOD活性達(dá)到峰值。SOD活性變化越大植物的抗酸性越強(qiáng)，反之抗酸性較弱，因此SOD活性增幅較大的佛甲草和東南景天抗酸性較強(qiáng)，而增幅較小的凹葉景天和垂盆草抗酸性較弱。

POD廣泛存在于植物體中，在植物的生長(zhǎng)、發(fā)育以及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)等方面起重要的調(diào)節(jié)和保護(hù)作用［19］。研究表明，4種植物的POD活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，垂盆草的POD活性峰值出現(xiàn)在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的POD峰值出現(xiàn)在pH 3.5處理下，峰值相對(duì)于CK 分別上升了 57.15%、18.97%、41.75% 和 48.65%，差異在0.05水平顯著。這表明4種景天科植物在受到酸雨脅迫時(shí)植株中的保護(hù)酶POD活性得到加強(qiáng)，并且激發(fā)植株自身的防御機(jī)制，在一定程度上抵制和清除由酸雨脅迫而引起的脂膜過(guò)氧化及其他傷害過(guò)程。

研究還表明，隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，垂盆草和凹葉景天的CAT活性呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，相對(duì)于CK分別下降了26.86%和31.27%，前者差異不顯著，后者差異在0.05水平顯著，而東南景天的CAT活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，峰值相對(duì)于CK上升60.03%，差異在0.05水平顯著。這表明隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，植物通過(guò)提高抗氧化酶的活性及時(shí)清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，從而增強(qiáng)對(duì)逆境的適應(yīng)能力。

從生理生化指標(biāo)測(cè)定及隸屬函數(shù)的綜合評(píng)價(jià)來(lái)看，除垂盆草和佛甲草適宜在酸雨環(huán)境下生長(zhǎng)，適宜運(yùn)用于長(zhǎng)期粗放管理的屋頂綠化，而凹葉景天和東南景天則不適宜運(yùn)用于酸雨嚴(yán)重的城市的屋頂綠化。當(dāng)凹葉景天和東南景天應(yīng)用在粗放型管理的屋頂時(shí)，如果遇到長(zhǎng)期pH低于4.5的酸雨，那么應(yīng)及時(shí)進(jìn)行遮蓋保護(hù)，以免災(zāi)情加重，影響植物的抗酸性恢復(fù)、景觀效果。特別是酸雨重災(zāi)區(qū)，在選擇屋頂綠化植物時(shí)，應(yīng)選擇抗酸性強(qiáng)的物種，以便于進(jìn)行長(zhǎng)期粗放管理。

［1］鄧偉，劉榮花，熊杰偉，等.當(dāng)前國(guó)內(nèi)外酸雨研究進(jìn)展［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32(1):82 －87.

［2］趙曉英，胡希軍，馬永俊，等.屋頂綠化的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)外政策借鑒［J］.北方園藝，2008(2):109 －112.

［3］陳笑玲，何東進(jìn)，洪偉，等.酸雨脅迫對(duì)園林植物傷害機(jī)理的研究進(jìn)展［J］.亞熱帶農(nóng)業(yè)研究，2007，2(2):99 －103.

［4］王應(yīng)軍，鄧仕槐，姜靜，等.酸雨對(duì)木芙蓉幼苗光合作用及抗氧化酶活性的影響［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，25(3):588 －593.

［5］劉建福，楊晨，王明.模擬酸雨對(duì)南方紅豆杉生理特性的影響［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2012，33(6):1046 －1050.

［6］魯美娟，江洪，李巍，等.模擬酸雨對(duì)刨花楠幼苗生長(zhǎng)和光合生理的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(11):5986 －5994.

［7］李敏.景天科植物在屋頂綠化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［J］.現(xiàn)代園藝，2009(9):23.

［8］徐德才.酸雨污染與防治浙江區(qū)域酸雨趨勢(shì)與防治對(duì)策［J］.能源環(huán)境保護(hù)，1995，9(4):25 －28.

［9］齊澤民，鐘章成.模擬酸雨對(duì)杜仲光合生理及生長(zhǎng)的影響［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，31(2):151 －156.

［10］孫群，胡景江.植物生理學(xué)研究技術(shù)［M］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社，2005:138 －139，168－170.

［11］趙世杰，史國(guó)安，董新純.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2002:83 －84，132 －133.

［12］鄭炳松.現(xiàn)代植物生理生化研究技術(shù)［M］.北京:氣象出版社，2006:91－92.

［13］單長(zhǎng)卷，韓蕊蓮，梁宗鎖.干旱脅迫下黃土高原4種鄉(xiāng)土禾草抗氧化特性［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(4):1174 －1184.

［14］陳學(xué)政，李永健，朱高浦，等.模擬酸雨對(duì)花生生長(zhǎng)和一些生理指標(biāo)的影響［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，13(5):105 －107.

［15］徐同，陳翠蓮.植物坑逆性測(cè)定(脯氨酸快速測(cè)定)法［J］.華中農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1983，3(2):94 －95.

［16］POLESSKAYA O G，KASHIRIAN E I，ALEKHINA N D.Changes in the activity of antioxidant cnzymes in whcat leaves and roots as a function of nitrogen source and supply［J］.Russian Journal of Plant Physilogy，2004，51(5):615－620.

［17］WANG W B，KIM Y H，LEE H S，et al.Analysis of antioxidant enzyme activity during germination of alfalfa under salt and drought stresses［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2009，47(7):570 －577.

［18］冷宇，張衛(wèi)國(guó)，嚴(yán)秀珍，等.屋頂綠化植物研究綜述［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(2):145－147.

［19］苑麗霞，孫毅，楊艷君.鎘脅迫對(duì)油菜生長(zhǎng)發(fā)育中生理生化特性的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(9):2544 －2547.