底泥養(yǎng)分富集條件下11種水生植物的光合氮利用效率

曾小平,姚 睿,蔡錫安,饒興權(quán),張奕奇,張瀟瀟

1 中國科學(xué)院華南植物園,廣州 510650 2 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣州 510060

廣州市位于珠江三角洲中北部,境內(nèi)河流眾多,流經(jīng)市區(qū)的河涌多達(dá)230多條(段),河涌具有重要的防洪、排澇、灌溉、排污等功能,是城市水生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。由于全球變化的日益加劇,隨著人口的增長及工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大氣、河流、土壤、水體受到不同程度的污染,廣州的河涌也不例外,李明光等[1]的調(diào)查分析結(jié)果表明,廣州河涌底泥受到不同程度的有機(jī)物、植物營養(yǎng)鹽、石油類和重金屬污染,尤其是位于老城區(qū)的河涌底泥,富營養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重。盡管對河涌污染的治理取得不少成效,但在當(dāng)前環(huán)境壓力下,要全面根治污染仍任重道遠(yuǎn)。

在河涌的綜合治理過程中,為達(dá)到既美化又凈化環(huán)境的目的,引種去污能力強(qiáng)且具有觀賞價值水生植物是重要途徑之一。研究表明,水生植物對水體污染物具有凈化作用[2- 7],且對污染物的凈化能力存在差異[5,7]；在水生植物種質(zhì)資源方面,據(jù)統(tǒng)計(jì),全球濕地高等植物達(dá)6700多種,但用于處理污水、污泥且產(chǎn)生效益的不到100種[8],眾多植物種質(zhì)資源的利用價值有待挖掘,為改善受損的人類生存環(huán)境,凈化河流、濕地等水體生態(tài)系統(tǒng),加強(qiáng)對水生植物生態(tài)功能的試驗(yàn)研究具有重要意義。

本文以廣州河涌底泥為依托,開展不同水生植物對底泥污染凈化效應(yīng)的試驗(yàn),研究在此條件下不同水生植物的生理生態(tài)特性及其對底泥污染物的凈化效率。

植物光合作用氮利用效率(PNUE,即葉片光合作用速率與葉片氮含量的比率),反映植物光合作用過程中利用養(yǎng)分的能力,因此被用于獲得植物對資源分配的認(rèn)識；是反映葉片功能性狀的重要指標(biāo),關(guān)系到植物葉片的經(jīng)濟(jì)、生理和策略[9]。PNUE不受植物形態(tài)可塑性的限制,直接與資源有效性相關(guān)。盡管大量的研究結(jié)果顯示植物葉片光合速率和葉片氮含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,但植物PNUE值并不是恒定的,在野外,一年生草本植物和常綠木本植物的PNUE差異顯著[10],幾十年來,對PNUE的研究涉及廣泛的范圍,從草本植物、木本植物等不同生活型[11- 21],從河岸過渡帶中水生植物、水陸兩棲植物到陸生植物[22],分別在自然環(huán)境以及在玻璃溫室,控制光照或水分等條件下進(jìn)行研究。植物葉片比葉面積(SLA,葉片面積與葉干質(zhì)量之比)與PNUE之間存在顯著的相關(guān)性[16,18-19],植物PNUE種間的差異與內(nèi)在的SLA變化密不可分。

本文以生長在底泥養(yǎng)分富集條件下的11種水生植物(挺水)研究對象,通過測定植物葉片的光飽和光合速率、氮含量和SLA,比較分析不同植物的PNUE及其與SLA、葉片氮含量之間的關(guān)系,揭示植物對養(yǎng)分的分配利用效率,為評估水生植物對養(yǎng)分富集的適應(yīng)性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)地位于中科院華南植物園珍稀植物繁育中心(23°11′ N,113°21′ E),自2015年9月開始,在空曠的平地上,平整有序地放置種植箱(550 mm×365 mm×330 mm),在每個種植箱里填入采自高度富營養(yǎng)化的河涌沉積底泥(表1),約占箱體2/3,以相同的密度種植供試的水生植物幼苗(表2),每一種植類型共布置3個種植箱,定期向種植箱注水(水源來自華南植物園進(jìn)行植物日常澆灌的天然蓄水庫),所有種植箱的植物保持一致的管護(hù)。完成試驗(yàn)地的各項(xiàng)設(shè)置后,采集種植植物的底泥及植物樣品,測定其主要元素成分含量;于2016年10月開展與本文的相關(guān)各項(xiàng)測定工作。

表1 試驗(yàn)前河涌底泥的養(yǎng)分含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

表2 供試的11種水生植物

*本土植物 Indigenous plant

1.2 測定方法

1.2.1 植物葉片光合光響應(yīng)曲線的測定

用美國產(chǎn)LI- 6400XT(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)光合作用測定系統(tǒng)和配件LI- 6400-02B LED光源,將氣體交換室的CO2、溫度設(shè)定為與測定時的空氣相應(yīng)值同步,分別將光合有效輻射(PAR,mol m-2s-1)設(shè)置在0、50、80、100、150、300、500、800、1000、1200、1500、2000等光照水平,為獲得更為可靠的數(shù)據(jù),每次光合光響應(yīng)進(jìn)程的測定均采用手工操作。在晴朗天氣條件下,選取植物向陽面的成熟葉片,在每天的9:00—12:00間進(jìn)行測定,每種植物測定3次重復(fù)。

對供試植物中葉片未能完全覆蓋葉室(2 cm×3 cm)的葉片,完成每次測定后摘下葉片,用LI- 3000C(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)面積儀測定夾在葉室中的葉面積(<6 cm2),將實(shí)際面積輸入LI- 6400XT光合作用測定系統(tǒng),對相應(yīng)的測定結(jié)果進(jìn)行校正。

測定結(jié)果用Von Bertalanffy非線性模型擬合出每種植物的光合-光響應(yīng)方程,根據(jù)方程求出光合作用的一系列參數(shù)[23],本文取其中的光飽和光合速率(Psat,mol m-2s-1)用于相關(guān)研究。

1.2.2 植物葉片氮含量(TN)的測定

各項(xiàng)觀測測定結(jié)束后,采集供試植物葉片的樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理與測定。新鮮樣品采回實(shí)驗(yàn)室后立即置于105℃烘箱里干燥15—30 min,在70℃下烘干至恒重,用粉碎機(jī)將干樣品粉碎并過篩,分別放入密封的樣品袋中備用。測定前將所有樣品在70℃下烘4—6 h再取樣稱重。

樣品采用堿性過硫酸鉀消解,紫外分光光度法測定總氮含量(TN,mg/g)。

1.2.3 植物葉片比葉面積(SLA)的測定

在完成植物光合光響應(yīng)曲線的測定工作后,采集植物葉片至實(shí)驗(yàn)室,用電子天平快速稱取樣品的鮮質(zhì)量(g),再用LI- 3000C面積儀測定葉面積(cm2),最后將樣品置于75℃烘箱中烘干至恒重并測定其干質(zhì)量(g),根據(jù)公式SLA=樣品葉面積/樣品干質(zhì)量,計(jì)算出供試植物葉片的SLA(m2/kg),每次測定重復(fù)3次。

1.2.4 植物葉片光合作用氮利用效率(PNUE)的計(jì)算

將TN的單位通過SLA及氮素的摩爾質(zhì)量轉(zhuǎn)換為mol/m2,根據(jù)公式：植物光合作用氮利用效率(PNUE)=葉片光飽和光合速率(Psat)/葉片總氮含量(TN),計(jì)算出供試植物葉片的PNUE(mol mol-1s-1)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖表數(shù)據(jù)以各重復(fù)測定的平均值(±標(biāo)準(zhǔn)誤)表示。用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件對相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA),采用最小顯著差法(LSD)對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行多重比較以及T-test比較。通過Sigmaplot 11.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物葉片光飽和光合速率(Psat)

植物碳含量約占干重的40%,源自植物光合作用對CO2的固化[24]。11種植物的平均Psat(mol m-2s-1)在3.76—21.53之間,最大值是最小值的5.7倍,差異顯著；其中,水罌粟的Psat明顯高于其他10種植物(P<0.05),其次為天使花和美人蕉,具有較高的Psat,分別達(dá)到16.73和14.98；Psat值較低的植物有春芋、蘆竹和鳶尾草3種,分別為6.99、5.91和3.76；處在中間的5種植物Psat值較為相近,差異不明顯(P>0.05)(圖1)。

圖1 11種水生植物葉片的Psat,SLA,TN和PNUE(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Psat, SLA, TN and PNUE in leaves of 11 aquatic plant species (mean±SE)相同字母表示在P=0.05水平差異不顯著,植物編碼見表2

2.2 植物葉片比葉面積(SLA)

11種植物葉片的平均SLA(m2/kg)值最高為大葉皇冠草(20.31),最低為鳶尾草(7.22),相差近3倍。圖中表明,物種間的差異性層次比較分明,蘆竹的SLA(14.76)接近11種植物的平均值,分別與6種高于平均值和4種低于平均值的植物均存在顯著的差異(P<0.05),在具有較高的SLA植物中,大葉皇冠草、美人蕉和天使花的SLA值相近(P>0.05),水罌粟、春芋和風(fēng)車草的SLA也十分接近(P>0.05)緊隨其后。在SLA值較低的4種植物中,香蒲和菖蒲的較為接近,兩者的SLA均顯著高于藍(lán)花草和鳶尾草(P<0.05)(圖1)。

2.3 植物葉片氮含量(TN)

11種植物的總平均TN(mg/g)為12.78,種間One-Way ANOVA分析結(jié)果表明,總平均值以上的藍(lán)花草(21.12)、水罌粟(18.88)、菖蒲(17.05)和大葉皇冠草(16.19)等4種植物的TN差異不顯著(P>0.05),另外,低于總平均值的7種植物TN的大小變化梯度較為平緩,不存在顯著差異(P>0.05),這7種植物的TN分別與藍(lán)花草和水罌粟相比明顯偏低(P<0.05),其中,TN最高的藍(lán)花草是天使花(7.13)的2.96倍(圖1)。

2.4 植物葉片光合作用氮利用效率(PNUE)

2.5 PNUE,SLA,Psat,TN之間的關(guān)系

根據(jù)11種植物的測定結(jié)果,比較分析植物SLA、Psat、TN和PNUE之間的關(guān)系。結(jié)果表明,植物葉片生理性狀(Psat和PNUE)和結(jié)構(gòu)性狀(SLA和TN)之間存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。SLA是表征植物葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的重要特征值,與PNUE和Psat(以葉片干質(zhì)量表示,mol kg-1s-1)呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.486和0.575),若Psat以葉片面積為基礎(chǔ),則SLA與Psat雖具一定的正相關(guān)關(guān)系,但不顯著(R2=0.249)；另一方面,SLA和以葉面積為基礎(chǔ)的Psat分別與以面積為基礎(chǔ)的TN(mmol/m2)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,以指數(shù)函數(shù)擬合的曲線效果更佳(R2分別為0.566和0.699)(圖2,圖3)。

圖2 11種水生植物葉片PNUE, Psat, TN與SLA的關(guān)系(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Relationships between PNUE,Psat and TN versus SLA in leaves for 11 aquatic plant species (mean±SE)

圖3 11種水生植物葉片TN與PNUE的關(guān)系(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig 3 Relationship between TN versus PNUE in leaves for 11 aquatic plant species (mean±SE)

2.6 本地種與外來種的PNUE、SLA、Psat和TN之間差異

11種供試水生植物中6種屬于本地植物,另外5種植物屬外來種類(表2),原產(chǎn)地分布于南美、南亞等國家和地區(qū)。本文將本地種和外來種歸為2類群,分析不同種源植物PNUE、SLA、Psat和TN之間是否存在差異。獨(dú)立樣本T-test結(jié)果表明(表3),兩種類群之間的PNUE、SLA、Psat和TN均存在一致的差異,本地植物類群低于外來植物類群,除PNUE達(dá)到差異顯著外(P<0.05),其他指標(biāo)均的差異性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),外來植物類群的PNUE、SLA、Psat和TN分別比本地植物類群高51.51%、24.53%、47.00%和26.32%。

3 討論

根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果[25],本試驗(yàn)所采集的河涌底泥,其養(yǎng)分已達(dá)到富營養(yǎng)化的水平(表1),經(jīng)過1年的種植水生植物試驗(yàn),植物生長狀況良好,1年后供植物生長的底泥的氮、磷養(yǎng)分含量均呈不同程度的下降(數(shù)據(jù)未顯示),結(jié)合對植物生長及根系分布結(jié)構(gòu)的調(diào)查,說明這些植物能適應(yīng)這種底泥養(yǎng)分富集化的環(huán)境,并具有凈化功能。本文討論在此生長條件下11種水生植物的PNUE及其與SLA、TN和Psat之間的關(guān)系。

表3 本地種和外來種Psat、TN、SLA和PNUE的T檢驗(yàn)結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

同列不同大、小寫字母表示在P=0.01和P=0.05水平差異顯著

關(guān)于植物PNUE與生態(tài)學(xué)特征的關(guān)系,有關(guān)研究結(jié)果表明在對環(huán)境脅迫耐性強(qiáng)的植物[11,26-27]、生長速率慢的植物[11,16,28]和最新的演替植物[29-30],其PNUE均偏低；根據(jù)植物的生長特征,生長較為緩慢的植物其葉片壽命較長,而葉片壽命與PNUE呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[9]。結(jié)果表明,藍(lán)花草、菖蒲和鳶尾草的PNUE均低于其他植物,根據(jù)物候觀察,這3種植物的葉片壽命明顯長于其他植物,供試的其他多種植物,其葉片在冬季氣溫較低時多數(shù)葉片開始干枯,直至來年春天才重新長出新葉,進(jìn)行新的生長周期。這些生長特性及其PNUE所展現(xiàn)的結(jié)果與前人的研究報道相一致(圖1)。

大量的研究結(jié)果一致表明,植物葉片PNUE和SLA呈正相關(guān)關(guān)系[16,18-19],與比葉重(Leaf mass per area, LMA=1/SLA)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[9]。研究結(jié)果為PNUE與SLA呈顯著的線性正相關(guān)(R2=0.486),進(jìn)一步確認(rèn)PNUE-SLA的關(guān)系,因此,通過了解植物SLA的大小,可間接地了解植物的N分配及其相關(guān)生理及結(jié)構(gòu)特征變化。已有研究結(jié)果表明,雖然PNUE-SLA存在相關(guān)關(guān)系,但植物種間的PNUE則存在差異,且有的差異極其顯著。Quero等[17]通過研究4種橡樹幼苗的生理和結(jié)構(gòu)對干旱和遮陰的響應(yīng),認(rèn)為SLA是研究植物生理活動有效的預(yù)報因子(predictor),通過對植物SLA的觀測,可了解植物PNUE特征及其解植物對資源利用及環(huán)境的適應(yīng)情況。Hikosaka[9]分析產(chǎn)生種間PNUE差異的生理因素,認(rèn)為葉片PNUE較低的植物,可能是由于細(xì)胞壁的總量被調(diào)節(jié),較多的生物量和氮素進(jìn)入細(xì)胞壁,從而降低了葉肉細(xì)胞導(dǎo)度和氮素對光作用器官的分配,增強(qiáng)葉片的韌性。Poorter和Evans[16]的研究發(fā)現(xiàn),在低光照條件下,低SLA和PNUE、低生長速率的植物由于光照限制,其高的單位面積氮含量不能完全用于光合作用；而在高光照下,植物PNUE的差異是由于高SLA、生長速率高的植物分配更多的氮素進(jìn)入Rubisco酶,使植物具更高的催化活性。

當(dāng)前,在城市周邊的人工濕地以及城市公園水體和河涌等所種植的水生、濕生植物,有一部分是通過引種、馴化、改良培育的外來種類,加強(qiáng)對外來植物的引種及其適應(yīng)性研究具有重要意義。Baruch和Goldstein[31]以夏威夷群島森林植物為研究對象,為揭示外來物種的生理生態(tài)習(xí)性,分別從不同海拔、不同土壤基質(zhì)等條件下選取了30種外來植物和34種本地植物,這些植物的生活型包括喬木、灌木和草本,具有廣泛的代表性,對這些物種進(jìn)行多項(xiàng)葉片生理與結(jié)構(gòu)特性的觀測與比較。結(jié)果表明,外來植物的最大光合速率(Amax)、TN、SLA和PNUE均高于本地植物(表4)。同在夏威夷群島,Durand和Goldstein[32]以4種杪欏科(Cyatheaceae)為研究對象(其中1種為外來植物、另3種為本地種),在不同海拔、不同光照條件(林下、林隙或林緣)下比較分析4種植物的光合作用、光抑制以及PNUE特性,結(jié)果表明,無論在何種條件,外來種Sphaeropteriscooperi(原產(chǎn)地為澳大利亞)的Psat、SLA、TN(%,干質(zhì)量)和PNUE均高于同科Cibotium屬的3種本地杪欏植物(C.chamissoi,C.menziesii和C.glaucum)。針對有關(guān)外來種與本地種PNUE之間的差異的其他研究報道相對較少,上述研究均局限于同一島嶼區(qū)域。本文以水生環(huán)境、底泥養(yǎng)分富集化為背景,研究11種水生植物的PNUE特征,其中,水罌粟、藍(lán)花草、大葉皇冠草、天使花和美人蕉等5種植物為外來物種(原生地來自不同國家和地區(qū))。本文的研究結(jié)果表明(表3),外來植物的Psat、SLA、TN和PNUE均顯著高于本地植物,與Baruch和Goldstein[31]、Durand和Goldstein[32]的研究結(jié)果完全一致,具有相同或相似的變化,總體上說明這些外來植物比本地植物具有更高的資源利用效率和生長速率。但從個體而言,仍存在一些不同之處,如在藍(lán)花草和天使花這2種外來植物中,藍(lán)花草葉片的SLA低于本土植物,其PNUE不如其他外來植物,相對較低；而天使花葉片卻具有最低的TN含量。這可能與植物固有的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān),如藍(lán)花草原產(chǎn)墨西哥,適應(yīng)性強(qiáng),葉片壽命相對較長,韌性好,屬于低SLA的植物,因此其PNUE相對較低,與其他外來種的生境存在差異,偏低光照環(huán)境可能更適合其生長；天使花的TN含量較低而Psat卻較高,這可能光合作用器官的氮素分配及Rubisco酶有關(guān)；從這些變化進(jìn)一步說明SLA與PNUE才具有更穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系。

表4 夏威夷本土植物和外來植物葉片的最大光合用速率(Amax)、TN、SLA和PNUE均值

根據(jù)Baruch和Goldstein[31]

水生植物根據(jù)生長習(xí)性可分為挺水植物、浮葉植物和沉水植物等幾種類型。Cavalli等[22]研究了河岸水體-岸邊濕地-陸地3種棲息地的植物,發(fā)現(xiàn)生長于河水的沉水植物的光合速率和PNUE均低于水陸兩生植物和陸生植物,與陸生植物的差異顯著,而濕生與陸生區(qū)植物的光合速率及PNUE的差異不顯著。本研究所選用的11種植物屬挺水植物,與Cavalli等[22]所選的水陸中間過渡帶的植物相類似。與異地森林植物在自然條件下觀測結(jié)果[31]相比,從表3和表4可見,本試驗(yàn)結(jié)果,無論的本地植物或外來引種植物,SLA極為相近,光合速率比森林植物高,而葉片氮含量低于森林植物,最終葉片PNUE高于森林植物,雖然研究地分屬熱帶與亞熱帶地區(qū),有一定的氣候相似性,但除了物種間的差異外,實(shí)驗(yàn)的土壤養(yǎng)分條件和測定環(huán)境(如光照、空氣溫濕度)的差異均能影響植物的光合作用能力、葉片氮含量及葉片結(jié)構(gòu),從而影響到植物的PNUE。由此可見,相比沉水植物,挺水植物受水體CO2低、光照強(qiáng)度弱等不利因素的影響較小,在生存環(huán)境中更具競爭優(yōu)勢。

研究還發(fā)現(xiàn),11種植物SLA與Psat呈正相關(guān)關(guān)系,與以質(zhì)量為基礎(chǔ)單位的Psat(μmol kg-1s-1)呈顯著正相關(guān)(R2=0.575),與以面積為基礎(chǔ)的Psat(μmol m-2s-1)的相關(guān)性則不顯著(R2=0.249)；SLA與以質(zhì)量基礎(chǔ)Psat的顯著相關(guān)性這一結(jié)果與Reich等[33]、Poorter 和Evans[16]的研究結(jié)果相一致,且Poorter和Evans[16]的研究結(jié)果也表明,SLA與分別與面積基礎(chǔ)和質(zhì)量基礎(chǔ)的光合速率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。由于植物種間的相對生長率與以質(zhì)量為基礎(chǔ)的光合速率具有更強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[34],因此,在比較分析種間SLA與光合速率的關(guān)系時采用質(zhì)量基礎(chǔ)單位的光合速率更為合適。其他方面,11種植物SLA與TN(面積基礎(chǔ),mmol/m2)、TN(mmol/m2)與PNUE均呈顯著的負(fù)相關(guān),R2分別為0.565和0.699),與Rosati等[35]和Benomar等[18]的研究結(jié)果具有一致的相關(guān)性,表明植物葉片SLA在揭示植物葉片光合速率、葉片氮含量變化等方面充當(dāng)重要角色(圖2，圖3)。

4 結(jié)論

綜上所述,11水生植物在底泥養(yǎng)分富集化條件下生長良好,種植1年后的測定結(jié)果表明：植物種間的SLA層次比較分明,最高的大葉皇冠草與最低的鳶尾草相差近3倍。植物種間的Psat(mol m-2s-1)在3.76—21.53之間,最大值比最小值高達(dá)5.7倍。種間的PNUE從42.53(鳶尾草)至655.8(天使花),美人蕉、水罌粟、風(fēng)車草和香蒲的PNUE值均較高,這些植物的PNUE顯著高于較低PNUE的菖蒲、藍(lán)花草和鳶尾草。種間SLA分別與PNUE和Psat(mol kg-1s-1)呈顯著的正相關(guān),SLA和Psat(mol m-2s-1)分別與TN(mmol/m2)呈顯著負(fù)相關(guān)。外來植物的PNUE、SLA、Psat和TN顯著高于本地植物,說明外來水生植物在養(yǎng)分富集化環(huán)境下能更有效地利用資源,具有潛在的高生長速率和種間競爭優(yōu)勢。