土壤酸化對景天三七生長、抗氧化酶活性及光合特性的影響

王一鳴，龍勝舉，陳 延，趙英鵬，仰路希，賀忠群

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，成都 611130)

土壤酸化是自然界中普遍存在的過程[1]，但在大氣環(huán)境污染致使酸沉降增加[2]及不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施[3]等人為因素影響下，加速或加重了這一過程。中國土壤酸化呈現(xiàn)出面積大、分布廣及部分地區(qū)酸化程度高的特點(diǎn)，其中酸化土壤總面積高達(dá)2.04×108hm2，約占全國土壤面積的22.7%[4]，并且呈逐年增加的趨勢，目前酸化的土地面積已擴(kuò)大到中國耕地面積的40%以上。

土壤酸化會對植株的生長發(fā)育造成諸多影響，有研究發(fā)現(xiàn)受到酸化傷害(鋁毒)的作物通常表現(xiàn)為植株矮小，葉子呈墨綠色，葉尖發(fā)黃甚至枯死，生長點(diǎn)或葉柄萎蔫，與缺鈣和缺鐵的癥狀類似[5]，根尖和側(cè)根變得短而堅(jiān)硬，根伸長受到抑制[6]。酸化后的土壤結(jié)構(gòu)差、肥力低且有毒重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，影響作物生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量，已經(jīng)嚴(yán)重威脅糧食安全及農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展[7]。

野生蔬菜的開發(fā)種植是近幾年的種植熱門[8]，景天三七(SedumaizoonL.)又名費(fèi)菜、養(yǎng)心菜，屬景天科，景天屬多年生草本植物，是從傳統(tǒng)稀有野菜中培育出來的一種，其株叢矮小、生長整齊、花密集鮮艷，具有較高的觀賞價(jià)值，同時(shí)富含礦質(zhì)元素和維生素等多種人體所需的物質(zhì)[9]，常食可增強(qiáng)人體免疫力，具有預(yù)防高血壓和心臟病等保健功效。同時(shí)景天三七具有適應(yīng)性強(qiáng)、無病蟲害及易種好管等優(yōu)點(diǎn)，在野菜種植方面表現(xiàn)尤為突出，近幾年成為最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的綠色保健野菜[10]。

景天三七在生產(chǎn)栽培中表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗逆性，但在酸化土壤中的種植研究較少，隨著景天三七栽培面積越來越廣泛以及中國可耕地土壤酸化面積的逐步增加，研究土壤酸化條件對景天三七生理生化的影響已顯得很有意義，同時(shí)也能夠?yàn)橐院缶疤烊咴谒峄寥乐械纳a(chǎn)栽培提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

參試的植物材料為景天三七(SedumaizoonL.)，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供。所有景天三七材料扦插繁殖20 d后得到，扦插繁殖所使用的基質(zhì)為珍珠巖、蛭石、營養(yǎng)土按體積比1∶1∶4混合配置。

1.2 方 法

土壤來自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)(土壤pH 6.2，速效氮16.2 mg·kg-1，速效磷51.4 mg·kg-1，速效鉀49.2 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)10.2 mg·kg-1)，將風(fēng)干土過2 mm孔徑篩，取出部分土壤預(yù)調(diào)酸，每1 000 g土壤分別取濃硫酸0、1、2、3、4、5、6 mL稀釋至1 L后加入土壤中攪拌均勻，保濕并靜置1周，再次風(fēng)干測定土壤pH，繪制土壤pH變化曲線，并得出土壤調(diào)酸公式[11]。根據(jù)得到的調(diào)酸公式對土壤進(jìn)行調(diào)酸，得到pH為6.2、5.6、4.2和3.8 4個(gè)梯度的土壤，然后將長勢均勻一致的景天三七(株高5 cm左右)移栽到調(diào)好土壤pH的營養(yǎng)缽(規(guī)格：12 cm×13 cm)中培養(yǎng)，每個(gè)營養(yǎng)缽移栽1株并加300 g該處理土壤，每個(gè)處理8株，重復(fù)3次，共計(jì)96株，用土壤參數(shù)儀測定土壤含水量，使其保持在75%左右，生長40 d時(shí)取樣測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長指標(biāo)的測定 莖粗、株高、根長和葉厚用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量；地上部和地下部鮮質(zhì)量采用萬分之一電子天平進(jìn)行稱量；根冠比=地上部分鮮質(zhì)量∶地下部分鮮質(zhì)量。

1.3.2 生理生化指標(biāo)的測定 根系活力的測定采取氯化三苯基四氮唑(TTC)法；相對電導(dǎo)率的測定參考王學(xué)奎[12]的方法，傷害率=(處理電導(dǎo)率/煮沸電導(dǎo)率)×100%；可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定參考熊慶娥[13]的方法；葉綠素采用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502Plus)測定[14]，選取頂芽下第5片葉進(jìn)行測定；葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度的測定采用硫代巴比妥酸法；游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用茚三酮比色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用核黃素-NBT法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定。

1.3.3 光合參數(shù)的測定 光合參數(shù)采用Gene Company Limited公司生產(chǎn)的LI-6400XT光合儀進(jìn)行測定，測定時(shí)選取頂芽下第5片葉進(jìn)行，分別測定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)，氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca(Ca為空氣中CO2濃度)。

1.3.4 熒光參數(shù)的測定 熒光參數(shù)采用德國Heinz Walz Company公司所生產(chǎn)的PAM-2500進(jìn)行測定，測定時(shí)選取頂芽下第5片葉進(jìn)行，得到初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)、光化學(xué)淬滅(qP)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2016和SPSS version 22.0 (IBM Corp oration)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P≤0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸化對景天三七生長的影響

土壤酸化對景天三七生長的影響見表1，隨著土壤酸化的加重，景天三七的葉片厚度、莖粗、株高和地上部鮮質(zhì)量基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中在土壤pH 3.8中生長的景天三七的葉厚、莖粗、株高和地上部鮮質(zhì)量分別較CK降低31.7%、10.95%、42.62%和61.78%，且差異顯著。

表1 土壤酸化對景天三七生長的影響Table 1 Effect of soil acidification on growth in Sedum aizoon L.

與之相反的是隨著土壤pH的下降，根長、根鮮質(zhì)量以及根冠比均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在pH 5.6的土壤中生長的景天三七的根長、根鮮質(zhì)量和根冠比分別比CK提高30.05%、48.37%和73.51%。而隨著土壤pH的進(jìn)一步降低，土壤pH降到4.2和3.8后，與CK相比，根長降低57.41%和55.37%，根鮮質(zhì)量降低45.01%和60.46%。說明植物能通過增加地下部的生長量以應(yīng)對輕度的酸脅迫危害，而強(qiáng)的土壤酸脅迫則會對植株的生長造成明顯抑制。

2.2 土壤酸化對景天三七根系活力、相對電導(dǎo)率和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表2可以看出，隨著土壤pH的降低，景天三七的根系活力先升高后降低，而根系可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根系相對電導(dǎo)率表現(xiàn)逐步升高的趨勢。

在pH 5.6的土壤中，景天三七的根系活力比CK提高32.04 %，在pH 4.2的土壤中植株根系活力與CK無顯著差異，隨著土壤進(jìn)一步酸化，在pH 3.8的土壤中，植株的根系活力顯著降低，比CK降低24.73%。

隨著土壤酸化的加重，景天三七根系內(nèi)的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增加以抵抗土壤酸脅迫，在pH 5.6的土壤中根系可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于CK，隨著脅迫的繼續(xù)加重，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在pH 3.8的土壤中達(dá)到最大值，比CK提高147.98%。

根系的相對電導(dǎo)率在pH 5.6的土壤中與CK相比差異不顯著，在pH 4.2的土壤中則顯著升高，隨著土壤酸脅迫加重，根系質(zhì)膜的通透性進(jìn)步增大，在pH 3.8的土壤中根系電導(dǎo)率比CK提高 81.19%，表明質(zhì)膜已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p傷。

表2 土壤酸化對景天三七根系根系活力、相對電導(dǎo)率及可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Effect of soil acidification on root activity,root soluble sugar mass fraction and root relative conductivity of Sedum aizoon L.

表3 土壤酸化對景天三七葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶活性的影響Table 3 Effect of soil acidification on osmotic adjustment substances and antioxidant enzyme activity in leaves of Sedum aizoon L.

2.3 土壤酸化對景天三七葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、相對電導(dǎo)率及抗氧化酶活性的影響

由表3可以看出，隨著土壤酸化程度的加重，景天三七葉片內(nèi)可溶性糖和游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低，而MDA、相對電導(dǎo)率、SOD和CAT活性則表現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。

可溶性糖和游離脯氨酸屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物可以通過調(diào)節(jié)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)對土壤酸化[15]。在pH 5.6的土壤中，葉片中的可溶性糖和游離脯氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，隨著土壤的進(jìn)一步酸化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，在pH 3.8的土壤中葉片的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然顯著高于CK 23.44%，而游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)則顯著低于CK11.09%。

MDA是脂質(zhì)過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其質(zhì)量摩爾濃度的高低在一定程度上反映膜脂過氧化作用水平和膜結(jié)構(gòu)的受害程度。隨著土壤酸化加重，葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度逐漸升高，與葉片的相對電導(dǎo)率變化一致，在pH 3.8的土壤中葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度比CK提高60.91%，相對電導(dǎo)率比CK提高19.43%，表明景天三七葉片的膜結(jié)構(gòu)在酸化土壤中受到損傷，質(zhì)膜透性顯著增大。

輕度土壤酸脅迫(pH 5.6)對植株SOD活性沒有顯著影響。在土壤pH為4.2和3.8時(shí)植株SOD活性顯著升高，分別比CK提高2.68%和4.99%，而CAT活性隨著土壤酸化逐漸升高，在土壤pH 3.8時(shí)CAT活性相比CK提高36.2%，表明植株通過提高SOD和CAT活性來緩解土壤酸脅迫對其造成的損傷。

2.4 土壤酸化對景天三七葉片光合參數(shù)的影響

由表4可以看出，酸化土壤的pH為4.2～6.2時(shí)，土壤酸化對景天三七凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)并無顯著影響，但基本呈現(xiàn)Pn和Ls緩慢升高；Gs和Tr先升高后降低，Ci緩慢降低的趨勢。但隨著土壤pH進(jìn)一步降低，土壤酸脅迫對景天三七的光合作用造成明顯的抑制作用。Pn、Gs、Tr、Ci與CK相比下降了67.12%、80.44%、75.92%和67.07%。而Ls則顯著升高，與CK相比提高69.03%。表中Pn和Gs的變化基本一致，說明隨著土壤酸化的加劇，植物氣孔基本失去調(diào)節(jié)能力。而Ci與Ls變化趨勢相反，表明Pn的下降與在土壤酸化作用下的氣孔因素有一定關(guān)系，這種關(guān)系在土壤pH低于4.2后表現(xiàn)的尤為明顯。

而景天三七葉片中葉綠素SPAD值的變化與Pn的變化相一致，表明隨著土壤酸化的加劇，植株通過增加葉綠素SPAD值來提高光合能力，以抵抗土壤酸脅迫的傷害。在土壤pH 4.2時(shí)葉綠素SPAD值比CK提高了9.88%，但當(dāng)土壤pH降到3.8后，葉片中的葉綠素SPAD值則開始顯著降低，與pH 4.2相比降低了25.6%。表明土壤pH在低于4.2以后，土壤酸脅迫會對植株的葉綠體造成明顯的破壞。

表4 土壤酸化對景天三七葉片光合參數(shù)及葉綠素SPAD值的影響Table 4 Effects of soil acidification on Pn,Gs,Tr,Ci,Ls and total chlorophyll SPAD value in leaves of Sedum aizoon L.

2.5 土壤酸化對景天三七熒光參數(shù)的影響

由表5可知，隨著土壤酸化的加劇，景天三七初始熒光(Fo)沒有顯著差異，最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在土壤pH低于4.2以后Fm和Fv/Fm出現(xiàn)顯著性的降低，表明在pH 3.8的土壤中，葉片的光合電子傳遞能力以及光能轉(zhuǎn)化效率開始受到明顯的抑制。

光化學(xué)淬滅(qP)與實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)隨著土壤pH的降低變化趨勢相一致，在pH 4.2的土壤中顯著升高，qP比CK提高了5.91%，表明土壤酸化會刺激PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞活性的升高。非光化學(xué)淬滅(NPQ)則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，在pH 5.6的土壤中，NPQ達(dá)到最大值，比CK高48.18%，表明輕度的酸脅迫可增加景天三七葉片PSⅡ天線色素的熱耗散，在一定程度上緩解土壤酸脅迫對光合作用的影響。當(dāng)土壤pH為3.8時(shí)，NPQ與CK相比顯著降低64.31%，表明嚴(yán)重的土壤酸脅迫會使 PSⅡ受到破壞，降低熱耗散能力。

表5 土壤酸化對景天三七葉片熒光參數(shù)的影響Table 5 Effect of soil acidification on Fo,Fm,Fv/Fm,qP and ΦPSⅡ in leaves of Sedum aizoon L.

3 討 論

逆境脅迫對植株的影響可以在株高、莖葉及根冠比等形態(tài)學(xué)指標(biāo)上直觀地表現(xiàn)出來[16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，輕度的土壤酸化(pH 5.6)會增強(qiáng)景天三七根系的活力，促進(jìn)地下部的生長。但隨著土壤酸化程度的加劇，土壤 pH達(dá)到4.2甚至3.8時(shí)，景天三七的株高、葉厚、莖粗和根長會受到明顯的抑制作用，造成根系可溶性糖大量累積，相對電導(dǎo)率顯著增加，質(zhì)膜透性增大，導(dǎo)致根系活力顯著降低，對景天三七的根系造成嚴(yán)重?fù)p傷，這與伍杰等[17]對康定木蘭幼苗的研究結(jié)果相似。

植物抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化和膜脂過氧化作用已經(jīng)廣泛用于對植物逆境反應(yīng)機(jī)制的研究[18]。土壤酸化對景天三七地上部的影響同樣顯著，在輕度(pH 5.6)土壤酸脅迫下，景天三七的抗氧化酶系統(tǒng)啟動(dòng)，SOD和CAT活性升高，以保護(hù)植物細(xì)胞免受自由基的影響[19]，同時(shí)葉片內(nèi)可溶性糖和游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高，維持了細(xì)胞滲透壓的平衡，從而保護(hù)了光合作用的正常進(jìn)行，結(jié)合景天三七熒光參數(shù)對土壤酸化的響應(yīng)關(guān)系，可以認(rèn)為在輕度脅迫下植株通過活性氧代謝、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與PSⅡ光能轉(zhuǎn)化協(xié)同發(fā)揮作用，保證了植株正常光合作用的進(jìn)行，促進(jìn)植株地下部的生長。但隨著土壤pH的降低，特別是土壤pH達(dá)到3.8時(shí)，SOD和CAT活性迅速增強(qiáng)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，特別是MAD質(zhì)量摩爾濃度急劇升高，葉綠素SPAD值急劇降低，說明細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生開始超出系統(tǒng)的清除能力，導(dǎo)致生物膜的結(jié)構(gòu)和功能的破壞，葉綠素被氧化分解。光合上的表現(xiàn)就是出現(xiàn)閾值響應(yīng)，Pn、Gs、Tr、Ci急劇降低，同時(shí)Ls顯著升高，氣孔喪失調(diào)節(jié)能力。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以反映光合作用的內(nèi)在機(jī)制，已經(jīng)被較多地應(yīng)用于探索脅迫下植物光合的響應(yīng)過程與機(jī)制[20-21]，土壤酸化對Fo的影響較小，其中NPQ反應(yīng)了植物PSⅡ耗散過剩光能為熱量的能力[22]，即光保護(hù)能力，qP反應(yīng)了PSⅡ吸收的能量用于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的比例，即電子傳遞活性的高低[23]。在輕度土壤酸(pH 5.6)脅迫下，景天三七的qP下降，NPQ上升，說明植株通過降低電子傳遞活性，增加對過剩光能的熱耗散能力對保護(hù)光合機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。但隨著土壤酸化的進(jìn)一步加深，特別是土壤pH達(dá)到3.8時(shí)，NPQ的熱耗散能力急劇下降，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)顯著低于其余處理，表明此時(shí)PSⅡ已經(jīng)受到破壞，但光化學(xué)淬滅(qP)與實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)卻顯著上升又說明電子傳遞活性增加，結(jié)合葉綠素SPAD值以及Pn的急劇下降來分析，可以認(rèn)為在pH 3.8的土壤酸脅迫下，景天三七的PSⅡ已經(jīng)受到破壞并且發(fā)生了功能紊亂。

綜上所述，景天三七屬于耐酸性植物，能夠適應(yīng)土壤pH 4.2及以上的土壤環(huán)境，但過度的土壤酸化(pH<5.6)會對景天三七的生長以及生理功能造成明顯的抑制。因此在酸化土壤中進(jìn)行景天三七的生產(chǎn)栽培時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)?shù)赝寥浪釅A度不應(yīng)低于pH 5.6。