廢棄采石場生態(tài)修復(fù)植物的抗旱性評價

徐 芳,張亞紅,劉 敏,張 倩,楊瑞卿,蓋軍元*

(1.江蘇省徐州市九州生態(tài)園林股份有限公司,江蘇 徐州 221000;2.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

徐州市作為蘇北地區(qū)重要的工業(yè)城市,轄區(qū)內(nèi)石灰?guī)r和白云巖資源豐富,60余年來已開發(fā)采石場數(shù)百處,廢棄采石場數(shù)量高達100多個[1]。這些廢棄采石場給城市環(huán)境帶來了一系列的嚴(yán)重問題,進行廢棄采石場的生態(tài)修復(fù)是當(dāng)前徐州市建設(shè)生態(tài)文明城市的重要內(nèi)容之一[2-3]。植物修復(fù)是綠化和改善生態(tài)環(huán)境的重要措施,也是廢棄采石場生態(tài)修復(fù)工作的重要環(huán)節(jié),但實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)廢棄采石場土壤水分匱乏,水分供給困難,嚴(yán)重影響植物的正常生長[4-5]。此前用于徐州市廢棄采石場綠化的植物多為側(cè)柏、構(gòu)樹、刺槐、艾蒿等植物,這些植物的觀賞效果較為單一,缺乏物種多樣性。因此,科學(xué)篩選出適于廢棄采石場干旱環(huán)境,同時兼具良好觀賞效果的植物是徐州地區(qū)廢棄采石場生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵和前提。

本研究根據(jù)實地情況選擇7種觀賞植物為研究材料,其中牡荊(觀賞效果優(yōu)良,是本土植物,也已被應(yīng)用于山體綠化及常規(guī)的綠化工程)作為對照植物,通過比較不同植物在干旱脅迫下株高變化、葉片含水量、萎蔫系數(shù)等指標(biāo),并通過研究不同植物抗氧化酶活性及脯氨酸含量的變化情況,探究了不同植物的抗旱能力,以期篩選出適合廢棄采石場特殊生境的抗旱植物,為今后廢棄采石場生態(tài)修復(fù)中的植物選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以金鐘花、多花木蘭、小葉女貞、牡荊、繡線菊、金絲桃、錦帶花共7種植物為供試材料,均取自徐州市苗圃科技園。將田園土與草炭土以3∶1的比例均勻混合，作為種植土壤；以內(nèi)口徑為18.5 cm,底徑為13.0 cm,高度為15.0 cm的花盆為試驗容器。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理 試驗在頂部防雨且四周通風(fēng)的鋼架大棚內(nèi)進行,每種植物均選取大小一致、長勢相同的植株栽于花盆內(nèi),每盆兩株,在正常條件下緩苗45 d。正式試驗于2018年7月2日～7月15日進行,試驗期間溫度變化如圖1所示。在試驗開始前連續(xù)2 d澆透水,使土壤充分吸水,達到飽和狀態(tài)。每種植物設(shè)置1個干旱處理和1個對照,每個處理3個重復(fù),干旱組停止?jié)菜?進行持續(xù)干旱；而對照組進行正常水分管理。

圖1 試驗期間的溫度變化

1.2.2 取樣與樣品測定 每3 d對干旱處理和對照各取1次土樣,將土樣放入烘箱80 ℃條件下烘干至恒重,并測定土壤含水量[土壤含水量=(鮮重-干重)/干重×100%][6]。每天觀察植物的生長情況,分別在植物出現(xiàn)臨時萎蔫和永久萎蔫時(短期水分虧缺會造成“臨時性萎蔫”,表現(xiàn)為葉片、幼莖下垂、萎蔫,至傍晚或及時補充水分后植株又可恢復(fù)過來;若長期缺水而至傍晚或補充水分后植株仍不能恢復(fù)正常則成為“永久性萎蔫”[7])測得土壤含水量,由此確定各植物的臨時萎蔫系數(shù)與永久萎蔫系數(shù)。

每3 d測定各植物處理和對照的株高及葉片含水量1次。葉片含水量的測定采用稱重法,取樣后稱鮮重,用蒸餾水浸泡24 h后稱飽和鮮重,最后放入烘箱烘干后稱干重,葉片含水量=(飽和鮮重-干重)/干重×100%[8]。取功能性葉片，采用酸性茚三酮法[9]測定脯氨酸含量,采用購自南京建成生物公司的試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和過氧化物酶(POD)活性。

植物抗旱性綜合評價采用隸屬函數(shù)法[10]。利用下列公式對各項測定指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,最后把每份材料的各項指標(biāo)隸屬函數(shù)值進行累加,求平均值,平均值越大,表示抗旱性越強。

X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X′=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式(1)和式(2)中：X′為標(biāo)準(zhǔn)化值；X為各材料的某一指標(biāo)測定值；Xmin為該指標(biāo)的最小值；Xmax為該指標(biāo)的最大值。如果某一指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān),則用公式(1)計算；反之,則用公式(2)計算。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 20.0軟件和Excel 2010軟件分析整理試驗數(shù)據(jù),方差分析采用Duncan法,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 盆栽不同植物的土壤含水量變化

供試植物栽培中土壤含水量的變化情況如表1所示,隨著干旱處理天數(shù)的增加，土壤含水量由初始的30%左右逐漸下降。在干旱處理3 d后,不同供試植物的土壤含水量在21.88%～23.40%;在干旱處理6 d后,土壤含水量降至17%左右;在干旱處理9 d后,土壤含水量降至12%左右,其中,多花木蘭的土壤含水量最低,金絲桃的土壤含水量最高,但差別不大。不同植物土壤含水量的變化趨勢基本一致,表明供試植物所受的干旱脅迫基本一致。

2.2 不同植物的株高變化

隨著干旱天數(shù)的增加,植物的株高增長率[(干旱處理不同天數(shù)的株高-干旱處理0 d的株高)/干旱處理0 d的株高×100%]逐漸降低(圖2A),且相對株高降低率[(干旱處理不同天數(shù)的對照株高-相應(yīng)干旱處理的株高)/對照株高×100%]呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(圖2B),表明隨干旱時間的延長,植物株高增長幅度減小直至不再增加。干旱處理3 d后,金鐘花的株高增長率為12.86%,明顯高于其他植物的;金絲桃與金鐘花的相對株高降低率居前2位,分別為3.11%、5.19%,其他植物的相對株高降低率在1.23%～2.46%。隨干旱時間的增加,金鐘花與金絲桃的株高增長率出現(xiàn)大幅度下降,相對株高降低率也最大,至干旱處理9 d時,相對株高降低率分別為19.71%、19.06%,均明顯高于其他植物的,表明金鐘花與金絲桃這兩種植物受干旱脅迫的影響最大。錦帶花的株高增長率一直保持在較高水平,至干旱處理9 d時明顯高于其他植物;從相對株高降低率來看,牡荊、錦帶花和小葉女貞均明顯低于其他植物的。

表1 不同植物在盆栽中土壤含水量的變化

A:株高增長率; B:相對株高降低率。

2.3 不同植物葉片水分含量的變化

干旱處理9 d時不同植物的葉片水分含量變化情況見表2。干旱處理植物的葉片含水量均較對照植物明顯下降,對照組葉片含水量均在95%以上,而干旱處理組在69.18%～83.13%。葉片含水量與水分虧缺率反映了植物的水分狀況。在干旱處理9 d后,不同植物的葉片含水量依次為錦帶花>牡荊>繡線菊>多花木蘭>小葉女貞>金絲桃>金鐘花,錦帶花、牡荊及繡線菊的葉片含水量顯著高于其他植物的(P<0.05),相應(yīng)的葉片水分虧缺率也顯著低于其他植物的；而金絲桃與金鐘花的葉片含水量較低,葉片水分虧缺率較高。

表2 不同植物的葉片水分含量變化

注:在同一列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。下同。

2.4 不同植物萎蔫系數(shù)的比較

從表3可以看出,不同植物出現(xiàn)萎蔫時的土壤含水量存在顯著差異,臨時萎蔫系數(shù)由小到大依次為錦帶花<多花木蘭<繡線菊<小葉女貞<牡荊<金鐘花<金絲桃;永久萎蔫系數(shù)由小到大依次為錦帶花<繡線菊<小葉女貞<多花木蘭<牡荊<金鐘花<金絲桃。其中金絲桃的臨時萎蔫系數(shù)和永久萎蔫系數(shù)均顯著高于其他植物的,金鐘花僅次于金絲桃,牡荊、小葉女貞、繡線菊和多花木蘭的萎蔫系數(shù)均為中等,而錦帶花的萎蔫系數(shù)則顯著低于其他植物的。

表3 不同植物的萎蔫系數(shù)

2.5 不同植物抗氧化酶活性與脯氨酸含量的變化

由圖3可以看出,在干旱處理9 d后,不同植物干旱處理的CAT活性除金絲桃外均高于對照,不同植物CAT活性的增長率依次為牡荊>錦帶花>小葉女貞>繡線菊>多花木蘭>金鐘花。從POD活性來看,金鐘花、小葉女貞、牡荊與金絲桃的POD活性均低于對照的,其中金鐘花的POD活性相對降低率達49.22%；金絲桃的POD活性相對降低率次之，為31.26%；而其他幾種植物的POD活性均高于對照植物的,其中,繡線菊和錦帶花的POD活性增長率居前2位,分別為59.75%和50.42%。在干旱處理下金絲桃的SOD活性低于對照,其他植物均出現(xiàn)SOD活性升高的現(xiàn)象,而金鐘花的SOD活性相對增長率最低。此外，干旱處理植物葉片的脯氨酸含量均顯著高于對照植物的；不同植物葉片脯氨酸含量的相對升高率表現(xiàn)為多花木蘭>錦帶花>金鐘花>繡線菊>小葉女貞>牡荊>金絲桃。

2.6 不同植物抗旱性的綜合評價

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明：在干旱脅迫條件下，供試植物的葉片含水量與相對株高降低率、水分虧缺率和臨時萎蔫系數(shù)均呈顯著負相關(guān)關(guān)系；相對株高降低率與永久萎蔫系數(shù)呈顯著正相關(guān),與CAT活性增長率呈顯著負相關(guān)。說明這6個指標(biāo)均可作為衡量本試驗中供試植物耐旱能力的指標(biāo)。

采用在植物抗旱性研究中常用的模糊隸屬函數(shù)法[10],應(yīng)用上述6個生理指標(biāo)對7種供試植物的抗旱性進行綜合評價,結(jié)果見表5。由表5可知：錦帶花和牡荊的各項生理指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值分別為0.94和0.83,遠高于其他植物的,其抗旱能力分別排在第1位和第2位；繡線菊的抗旱能力僅次于錦帶花和牡荊；金絲桃和金鐘花的抗旱能力排名分別為第6位和第7位,它們的生理指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值均在0.2以下,表明其抗旱性均低于其他植物；其余3種植物多花木蘭、小葉女貞和繡線菊的抗旱能力為中等。

3 討論

植物生長過程對水分的虧缺非常敏感,而影響植物生長的因素有很多,采用單一的抗旱指標(biāo)很難準(zhǔn)確反映植物的抗旱能力[11]。干旱脅迫對植物的生長和生理都有顯著的影響,結(jié)合生長和生理指標(biāo)進行綜合評價,能夠很好地反映植物對干旱脅迫的抗性[12]。本試驗測定了7種供試植物的土壤含水量、株高、葉片水分含量、萎蔫系數(shù)和抗氧化酶活性等指標(biāo),并選取其中與抗旱能力顯著相關(guān)的6個指標(biāo),采用模糊隸屬函數(shù)法綜合評價了7種植物的抗旱能力,所得結(jié)論具備一定的參考價值。本試驗結(jié)果顯示,錦帶花、牡荊和繡線菊的抗旱能力最佳,理論上可作為廢棄采石場的生態(tài)修復(fù)植物,但仍需進行進一步實地驗證;金鐘花和金絲桃的抗旱能力最弱,不具備參與廢棄采石場生態(tài)修復(fù)的能力。

表4 不同植物各測定指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果(相關(guān)系數(shù))

表5 不同植物6項測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

注:“-”表示該值缺失,因為金絲桃的CAT活性相對升高,該值為負值。

隨著干旱程度的加劇,葉片含水量逐漸下降,植物相繼出現(xiàn)臨時萎蔫和永久萎蔫[7]。由于不同植物的抗旱能力不同，因此它們在干旱脅迫下葉片含水量的下降幅度也不同,錦帶花、牡荊和繡線菊在干旱條件下均表現(xiàn)出葉片含水量顯著高于其他植物、水分虧缺率顯著低于其他植物的特征(見表2),說明這3種植物的葉片保水能力較好,抗旱能力較強,這與表5中的綜合評價結(jié)果一致。相關(guān)研究結(jié)果表明，在干旱脅迫條件下葉片含水量高的植物的生理功能旺盛,對干旱的適應(yīng)能力強[13]。在本試驗中，各供試植物在干旱處理下脯氨酸含量明顯升高,SOD、POD、CAT活性均明顯增強,表明植物葉片中活性氧大量積累,對細胞膜造成傷害,植物產(chǎn)生了相應(yīng)的適應(yīng)性反應(yīng)[14]。其中,抗旱性強的植物如牡荊和錦帶花的CAT活性增長率最高,繡線菊和錦帶花的POD活性增長率最大,而抗旱性較差的植物如金鐘花的CAT活性和SOD活性增長率均為最低,尤其是金絲桃,其3種抗氧化酶活性均低于對照,表明這兩種植物在干旱脅迫下清除活性氧和自由基的能力較差,會較早出現(xiàn)萎蔫或死亡現(xiàn)象,這與其萎蔫系數(shù)特征基本一致(見表3)。同時,也證明了植物的抗旱能力與其抗氧化酶活性有密切聯(lián)系,這與前人的研究結(jié)果[14-17]一致。脯氨酸是衡量植物受逆境脅迫程度的重要指標(biāo),其含量與品種的抗旱性呈正相關(guān)[18]。然而,本試驗發(fā)現(xiàn)不同植物的脯氨酸含量相對增長率與其綜合耐旱能力并不完全相符(見圖2和表5),這可能是因為供試植物所屬科屬和生長環(huán)境差異較大,它們在對照條件下的脯氨酸含量差異也較大,因此脯氨酸含量并不能完全反映其抗旱能力,這也是本試驗采取隸屬函數(shù)法進行綜合評價的重要原因。

本試驗對7種植物抗旱性的評價結(jié)果,可為徐州市廢棄采石場生態(tài)修復(fù)工作中選擇植物材料提供一定的理論依據(jù),但也要因地制宜,選擇適于該地區(qū)生長的耐旱植物。此外也可結(jié)合植物的觀賞特性和應(yīng)用領(lǐng)域綜合考量,例如小葉女貞在園林綠化領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛,也可適當(dāng)選為廢棄采石場的生態(tài)修復(fù)植物。

4 結(jié)論

隨著干旱時間的延長,不同植物的葉片含水量逐漸下降直至萎蔫，株高增加變緩，葉片抗氧化酶活性和脯氨酸含量有不同程度的增加趨勢。錦帶花、牡荊和繡線菊的抗旱能力高于其他植物,可作為徐州市廢棄采石場的首選生態(tài)修復(fù)植物;多花木蘭和小葉女貞的抗旱能力為中等;金絲桃和金鐘花的抗旱性最低,理論上不建議選為廢棄采石場的生態(tài)修復(fù)植物。