堿脅迫條件下皇竹草和玉米的適應(yīng)性研究

馬崇堅(jiān)，陳小娟，黎華壽

（1.韶關(guān)學(xué)院英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部熱帶農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/廣東省高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642）

眾所周知，土壤堿性化后土壤結(jié)構(gòu)將受到破壞，透水性變差，物理性質(zhì)惡化，干旱時(shí)土壤堅(jiān)硬板結(jié)，植物根系難以通過，對(duì)植物根系產(chǎn)生嚴(yán)重毒害，嚴(yán)重影響了作物正常的生長發(fā)育。因而，堿性土壤的修復(fù)已經(jīng)成為目前世界性的難題，治理、修復(fù)的理論及技術(shù)研究非常迫切［1-2］。赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性強(qiáng)堿性廢渣，pH值高達(dá)10～12。氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的大量赤泥長期堆積不僅占用了大量的耕地面積，而且造成周邊環(huán)境的嚴(yán)重污染，植被受到堿性傷害而死亡。赤泥顆粒極細(xì)、易板結(jié)，營養(yǎng)物質(zhì)含量極低，一般植物難以正常生長，故赤泥的處置與利用問題早已是世界性難題。有研究表明，利用赤泥生產(chǎn)的硅肥在農(nóng)業(yè)方面具有可觀的應(yīng)用，但依然存在著滲漏而造成地下水污染的問題［3-4］?？梢娙绾螌?qiáng)堿性的赤泥無害化并有效利用，對(duì)其堆場進(jìn)行植被的生態(tài)恢復(fù)，最大限度地減少其危害，是當(dāng)前的首要問題。

許多研究表明，利用合理的植物的作用對(duì)鹽堿土具有的較好修復(fù)效果。Liang等［2］通過對(duì)耐鹽堿水稻品種的篩選與育種，提出有效利用耐鹽堿牧草或種植耐鹽堿品種水稻對(duì)恢復(fù)生態(tài)和提高劣變土地生產(chǎn)的重要性。Ma等［4］利用甜高粱改良和修復(fù)赤泥，效果顯著。Ma等［5］在利用皇竹草（Pennisetum hydridum）進(jìn)行赤泥修復(fù)試驗(yàn)時(shí)，同樣獲得了非常顯著的效果。皇竹草是由象草和非洲狼尾草雜交育成的品種，由于其根須根系發(fā)達(dá)，抗旱性強(qiáng)等特點(diǎn)，在環(huán)境方面受到重視［1，5-6］。有報(bào)道顯示皇竹草在鹽堿化土壤綜合治理上有較大的潛力，其在鹽堿撂荒地（沙壤土）種植的成活率高達(dá)98.49%，數(shù)據(jù)還顯示種植皇竹草后鹽堿化程度明顯下降［7］。皇竹草在荒漠化治理等方面的應(yīng)用也具有良好效果，且安全風(fēng)險(xiǎn)?。?-10］。目前，國內(nèi)外已開始皇竹草在抗旱、抗鹽堿化、污水處理、重金屬污染修復(fù)等［11-12］生態(tài)環(huán)境治理上的應(yīng)用研究，在赤泥修復(fù)上已有嘗試，但國內(nèi)外對(duì)其相應(yīng)的植物學(xué)特點(diǎn)和抗逆生理生態(tài)的研究都鮮見報(bào)道，缺乏更為充分的理論依據(jù)，這必將極大地制約其生態(tài)應(yīng)用價(jià)值。

鑒于皇竹草的優(yōu)良特性及其在退化土壤上進(jìn)行的諸多嘗試，本研究以赤泥為試驗(yàn)土壤材料，選擇強(qiáng)堿耐性的皇竹草與一般堿耐性的玉米（Zea mays L.）試驗(yàn)對(duì)比其在不同堿性土壤中的生長特點(diǎn)、抗逆生理生態(tài)反應(yīng)差異，研究它們?cè)趬A脅迫條件下的相應(yīng)反應(yīng)，探討其對(duì)堿性土壤的適應(yīng)性機(jī)理，為赤泥的植物修復(fù)與綜合利用提供基礎(chǔ)研究參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在韶關(guān)學(xué)院（24°46′35″N，113°40′9″E）塑料大棚中進(jìn)行，用5 L塑料桶（22.8 cm×17 cm×17.5 cm）裝滿以赤泥為基本堿性原料混配成不同pH值的堿性栽培土壤（4 kg），分別種植皇竹草（來源于韶關(guān)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)園種植多年苗圃）和玉米（粵農(nóng)19號(hào)）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。供試赤泥來源于廣西平果鋁業(yè)有限公司，污泥來源于韶關(guān)市第二污水處理廠的生活污水處理后的新鮮廢渣，鋸末為韶關(guān)市效木材中工廠的松樹加工木屑，紅壤取于韶關(guān)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)園的試驗(yàn)田。

1.2 試驗(yàn)方法

2015年4月大棚溫室平均溫度為25℃，利用大小相近的單莖桿皇竹草節(jié)段扦插，玉米采用種子播種，均在紅壤育苗床培育。至6月，皇竹草和玉米生長至三葉即將抽出第4葉片時(shí)定植。將預(yù)先培育的皇竹草幼苗和玉米幼苗稱重后分別定植至裝滿試驗(yàn)土壤的塑料小桶中，皇竹草、玉米試驗(yàn)分別設(shè)紅壤、純赤泥、赤泥∶污泥=1∶1、赤泥∶污泥∶鋸末=1∶1∶1（分別用 H1、H2、H3、H4，Z1、Z2、Z3、Z4表示）4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3桶，每桶定植3株幼苗。種植后澆自來水（pH 7.0）至田間持水量的60%，此后，每周定量澆2次，每次0.5 L，保持基本濕潤度。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為60 d，大棚氣溫維持在30℃左右。

定植后每隔5 d觀察試驗(yàn)植株生長情況，記錄植株高度、葉長、葉寬、葉片數(shù)并測定葉片葉綠素含量。分別于移栽當(dāng)天以及定植后2、5、20、60 d隨機(jī)取樣3株，小心將植株帶根整體挖出，仔細(xì)去除根系土壤后分別測定植株地上部和地下部鮮重。用約1∶5蒸餾水浸提后以酸度計(jì)測定土壤pH值；三酮顯色法測定植株根系脯氨酸含量；用相對(duì)電導(dǎo)率測定植株根系細(xì)胞膜透性；用蒽酮法測定植株葉片可溶性糖含量［1］；用SPSD502葉綠素含量測定儀直接測定植株生長過程中的葉綠素含量［13］。

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分類整理，用SPSS19.0軟件對(duì)同類數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，并用Duncan法對(duì)各類測定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，最后用Excel進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植后土壤pH值的變化

表1數(shù)據(jù)顯示皇竹草及玉米種植后試驗(yàn)土壤pH值均顯著下降。在相同土壤處理中，種植皇竹草促使土壤pH變化的幅度均大于玉米。種植皇竹草后的堿性土壤pH值平均下降0.24，下降幅度達(dá)到2.5%，而同等情況下的玉米pH僅下降0.12，下降幅度為1.3%。在余下3種土壤處理中皇竹草對(duì)土壤pH的改變幅度為0.15～0.18，差異均達(dá)顯著水平。

表1 皇竹草及玉米種植后土壤pH值的變化

2.2 不同堿性土壤對(duì)植株生長的影響

2.2.1 不同堿性土壤中皇竹草及玉米植株生長及產(chǎn)量的差異 試驗(yàn)結(jié)果（圖1）顯示，不同植物在不同堿性脅迫條件下生長狀態(tài)體現(xiàn)出顯著差異。移栽后60 d，4個(gè)不同pH值堿性土壤中皇竹草均正常生長，但在堿性最強(qiáng)的純赤泥中，生長速率較慢，顯著低于其他處理，植株高度較紅壤低28.9%。而玉米則明顯黃化并逐漸枯萎，至移栽后20 d全部死亡。其余3個(gè)處理皇竹草生長情況差異不大，可見皇竹草能在較高pH值的堿性土壤中正常生長。不同堿性土壤中pH值越大，玉米生長越慢。從圖1B可以看出，皇竹草和玉米生長過程中單葉平均面積變化趨勢與植株高度變化一致。

不同堿性土壤中種植的皇竹草及玉米植株鮮重差異顯著（表2），與植株高度結(jié)果一致。各處理中皇竹草的植株鮮重顯著高于玉米鮮重，平均鮮重超過50%以上。 pH值越高，植物受到的生長限制影響越大，其中堿性最強(qiáng)的赤泥條件下植株鮮重顯著低于其他3種pH處理土壤下的鮮重，較紅壤低20.3%?？梢?，皇竹草比玉米較能適應(yīng)堿性土壤，生長情況更好，產(chǎn)量更高。

2.2.2 不同堿性土壤對(duì)植株葉綠素含量的影響 從表3可見，土壤的特性會(huì)影響植物的生長進(jìn)而影響植株的葉綠素合成。葉綠素含量在移栽后2 d降到最低，經(jīng)過最初的適應(yīng)階段后，葉綠素含量逐漸上升。在不同堿性土壤中，玉米葉片中葉綠素含量與土壤pH值成反比，土壤pH值越高，葉綠素含量越低，葉片越黃，其受不同pH值土壤的影響明顯大于皇竹草。而皇竹草在赤泥+污泥土壤中葉片葉綠素含量最高，與紅壤玉米持平，其他不同pH值土壤對(duì)皇竹草葉片葉綠素含量影響不大，但均顯著高于堿性土壤中玉米葉片的葉綠素含量。

圖1 不同堿性土壤對(duì)植株生長情況的影響

表2 不同堿性土壤對(duì)皇竹草和玉米植株鮮重（g）的影響

表 3 不同堿性土壤植株葉片葉綠素含量（SPAD）差異

2.2.3 不同堿性土壤中植物根系生理反應(yīng)的差異 （1）不同堿性土壤對(duì)根系細(xì)胞膜透性（相對(duì)電導(dǎo)率）的影響。從表4可以看出，移栽后2 d皇竹草及玉米植株根系細(xì)胞膜透性出現(xiàn)大幅度增大。土壤堿性越強(qiáng)，細(xì)胞膜透性升幅越大，其中赤泥中皇竹草根系電導(dǎo)率較紅壤上升82.35%，玉米中則上升90.63%。此后除赤泥中的玉米根系電導(dǎo)率繼續(xù)上升外均呈下降趨勢，至移栽后60 d降至較移栽前更低的水平。但玉米根系的相對(duì)電導(dǎo)率在移栽后2 d仍繼續(xù)上升，至移栽后5 d達(dá)到峰值，較剛移栽時(shí)升幅達(dá)到1.56倍。玉米幼苗出現(xiàn)黃化癥狀，至移栽后20 d死亡。

表4 不同堿性土壤對(duì)植株根系相對(duì)電導(dǎo)率（%）的影響

（2）不同堿性土壤對(duì)根系游離脯氨酸含量的影響。從表5可見，不同堿性土壤對(duì)植株根系脯氨酸含量影響顯著，其變化整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。相對(duì)而言，pH值越高，根系脯氨酸含量也越高。定植初期，各植株根系脯氨酸含量迅速增加，至移栽后2 d達(dá)到峰值后開始快速下降。但赤泥中的玉米移栽后2 d，脯氨酸含量仍進(jìn)一步升高，移栽后5 d脯氨酸含量出現(xiàn)峰值。同等情況下，在受到堿性脅迫下，皇竹草移栽后2 d根系脯氨酸含量均高于玉米，但隨后其根系脯氨酸含量的下降速率均高于同等條件下的玉米。至移栽后60d降至接近剛移栽時(shí)的水平，但仍高于玉米根系。

表5 不同堿性土壤對(duì)植株根系脯氨酸含量（μg/g，F(xiàn)W）的影響

（3）不同堿性土壤對(duì)植株可溶性糖含量的影響。不同堿性土壤中皇竹草及玉米植株可溶性糖含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢（表6）。在紅壤中皇竹草及各處理的玉米植株中可溶性糖含量在移栽后20 d出現(xiàn)峰值。相對(duì)而言，堿脅迫下皇竹草植株中可溶性糖含量上升的速度較玉米快而且下降速度亦快于玉米。移栽后60 d，受到堿性土壤脅迫的皇竹草和玉米可溶性糖含量均顯著低于紅壤中皇竹草和玉米可溶性糖含量。

表6 不同堿性土壤對(duì)植株可溶性糖含量（%）的影響

3 結(jié)論與討論

植物耐鹽堿性是植物承受全部或部分鹽堿脅迫而不致引起或較小引起傷害的能力，主要通過積累一定量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如可溶性糖等，降低體內(nèi)水勢實(shí)現(xiàn)。而植物的滲透調(diào)節(jié)表現(xiàn)在脅迫條件下細(xì)胞主動(dòng)形成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高溶質(zhì)濃度，從外界吸水，維持細(xì)胞內(nèi)滲透壓的穩(wěn)定［1］。而在干旱、鹽漬等脅迫條件下，許多植物體內(nèi)脯氨酸大量積累，其除作為植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，還在穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢等方面起重要作用［6，14-15］，可作為環(huán)境脅迫耐受能力的判定標(biāo)準(zhǔn)之一，可見，脯氨酸在植物耐鹽堿過程中發(fā)揮了重要作用。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同堿性土壤條件下，皇竹草和玉米根系中的游離脯氨酸含量在受到鹽堿脅迫后均迅速增加，細(xì)胞膜透性在受到堿性脅迫后也迅速升高，在之后的生長過程中脯氨酸含量及細(xì)胞膜透性均有所下降。只是皇竹草根系中脯氨酸含量較玉米的變幅更大，上升及下降均更加快速。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)耐鹽堿性更強(qiáng)的皇竹草比玉米在定植初期快速產(chǎn)生更多的可溶性糖，并迅速下降。在植株體內(nèi)脯氨酸含量及可溶性糖含量的積累規(guī)律與前人研究報(bào)道相符。印證了在鹽堿脅迫下，植株會(huì)產(chǎn)生更多脯氨酸和可溶性糖參與應(yīng)對(duì)脅迫，脯氨酸和可溶性糖含量隨土壤的鹽堿度的提高而升高［14-15］。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)種植皇竹草對(duì)土壤OH-濃度的調(diào)節(jié)更為有效，顯著降低土壤pH值，與馬崇堅(jiān)等［17］和Ma等［1，4-5］試驗(yàn)研究也證明了皇竹草能在堿性土壤下正常生長并有效降低土壤pH值提高土壤品質(zhì)相一致。

值得關(guān)注的是，相比于皇竹草，耐鹽堿特性較弱的玉米受到堿性土壤脅迫后，也會(huì)迅速調(diào)節(jié)脯氨酸含量應(yīng)對(duì)脅迫，玉米體內(nèi)沒有相應(yīng)的產(chǎn)生大量的可溶性糖的積累，從土壤的大量進(jìn)入玉米體內(nèi)的OH-沒有得到及時(shí)的清除。最終，植株體內(nèi)OH-離子大量積累而死亡［18］。同時(shí)，玉米在受到強(qiáng)堿脅迫后，細(xì)胞膜透性顯著增加，而且保持較長時(shí)間的強(qiáng)透性狀態(tài)，推測此現(xiàn)象導(dǎo)致了植株體內(nèi)大量代謝物流失和失去平衡。因此證明強(qiáng)鹽堿耐性的皇竹草在受到堿性土壤的脅迫后，植物機(jī)體會(huì)迅速、大量地產(chǎn)生較普通玉米更多的脯氨酸和可溶性糖。在它們的共同作用下，通過結(jié)合體內(nèi)過量的OH-，并通過后續(xù)的代謝過程，將機(jī)體內(nèi)過量的OH-清除，從而使得植株能更好地抵御堿性土壤對(duì)其產(chǎn)生的脅迫。并且，逐步適應(yīng)脅迫條件后，相應(yīng)的代謝物逐漸快速的回歸正常水平，使植株體內(nèi)代謝得以重新平衡，最終使皇竹草體現(xiàn)出相比于玉更高的堿性土壤的忍受能力。

由此可見，在堿性土壤條件下，皇竹草可以作為赤泥等堿性土壤植物修復(fù)及資源化利用的較理想的候選植物，并能大量生產(chǎn)生物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源化利用效果一致，其將在堿性土壤治理與植被恢復(fù)上體現(xiàn)出較大的應(yīng)用前景。

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