山地水庫消落帶建群種植物五節(jié)芒干旱復(fù)水生理效應(yīng)研究

吳國泉，陳海生，任如紅

（1.舟山市農(nóng)林科學(xué)研究院，浙江舟山 316000；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311231）

水庫消落帶是水庫運行期間水文調(diào)度引起的庫區(qū)水位變化，在庫區(qū)流域周邊形成的一段特殊生態(tài)環(huán)境區(qū)域[1-2]。浙江省黃巖長潭水庫是一座以供水、防洪、灌溉為主的大型水庫，主要提供臺州市椒江區(qū)、黃巖區(qū)、路橋區(qū)及玉環(huán)市、溫嶺市的200 多萬城鄉(xiāng)居民的生活用水[3]。隨著水庫水位的漲落，長潭水庫消落帶深度位于36～29 m 之間，庫區(qū)會形成面積達(dá)0.7 km2的消落帶區(qū)。消落帶區(qū)域是生態(tài)環(huán)境敏感脆弱的地帶。長潭水庫10 月至翌年4 月水位會比較高，常常會淹沒消落帶中生長的植物。4 月后，水庫進(jìn)入汛期，而同時這也是用水高峰期，所以這時一般會降低運行水位，騰空庫容，因此在4 月至10 月水庫水位會相應(yīng)降低，而這時期消落帶中的植物常處于干旱脅迫環(huán)境中。

積極防止消落帶自然植被的退化，恢復(fù)和重建受損的消落帶生態(tài)系統(tǒng)，是當(dāng)前水環(huán)境研究的熱點。消落帶重建的關(guān)鍵是在水庫集雨區(qū)篩選抗逆性能強(qiáng)、降污效果好的鄉(xiāng)土植物，即要能適應(yīng)消落帶特殊生態(tài)環(huán)境，既能抗長時間的干旱，又能抗長時間的澇漬，還能較強(qiáng)地降解污染物，具有較好的水環(huán)境效應(yīng)的，且已是長期適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的鄉(xiāng)土植物。長潭水庫消落帶內(nèi)廣泛分布著一種耐淹的鄉(xiāng)土植物五節(jié)芒Miscanthus floridulus，它是禾本科Gramineae 芒屬Miscanthus 多年生草本植物，能夠涵養(yǎng)水源、截流雨水、防止水土流失，具有較大的水土保持價值[4-6]，是公認(rèn)的水土保持物種[4-5]。五節(jié)芒為高大的多年生C4 植物，株高約2～4 m。根系發(fā)達(dá)，一般情況下入土深度可在1 m 以上，根莖長而發(fā)達(dá)，長于地表下10 cm 左右，可構(gòu)成地下根系根莖立體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并可形成地上草叢，分蘗數(shù)可達(dá)100 以上；為多年生植物，通?？缮L18～20 a[6]。五節(jié)芒生長、繁殖、競爭和生態(tài)適應(yīng)能力均強(qiáng)，成為我國南方溪流、灘涂和水庫消落帶等草本群落的優(yōu)勢成分[7]。

目前國內(nèi)一些研究涉及到五節(jié)芒對重金屬污染的降解能力，以及該植物的耐澇性方面，如任立民等[7]對廣西刁江流域和安徽有色金屬礦區(qū)一些植物的調(diào)查研究表明，五節(jié)芒對錳、鎳、砷和鋅均具有較強(qiáng)的吸收能力；孫健等[8]對湖南郴州鉛鋅礦區(qū)土壤和植物重金屬污染進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)五節(jié)芒對鉛和鋅具有較強(qiáng)的吸收與轉(zhuǎn)運能力。陳海生等[9]曾進(jìn)行過盆栽實驗，以生長于浙南山地水庫周圍農(nóng)田溝渠里的鄉(xiāng)土植物五節(jié)芒為材料，測定在澇漬條件下其葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率以及凈光合作用速率，結(jié)果表明生長于溝渠濕地上的五節(jié)芒具有較強(qiáng)的澇漬逆境適應(yīng)性。但關(guān)于水庫消落帶環(huán)境中干旱復(fù)水條件下五節(jié)芒生理生態(tài)特征研究還未見報道。本文選擇廣泛分布于浙江省長潭水庫庫區(qū)消落帶中的建群種植物五節(jié)芒為研究對象，研究盆栽五節(jié)芒在經(jīng)受長時間的干旱脅迫及復(fù)水后，其葉片MDA 含量以及SOD、POD 活性的變化情況，探索消落帶植物五節(jié)芒的逆境適應(yīng)性和生長恢復(fù)能力，以期為浙江省山地水庫消落帶植被生態(tài)重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

長潭水庫(28°30′-28°40′N，121°00′-121°04′E)位于浙江臺州市黃巖區(qū)西23 km 處，庫區(qū)面積為441.3 km2，湖面寬廣，東西寬1 200 m，南北長約4 200 m，周圍山高在350～780 m 之間。長潭水庫始建于1958 年，于1964 年竣工，是一座以供水、防洪、灌溉為主的大型綜合性水利工程。水庫壩高43 m，最高水位42 m，總庫容為6.9×109m3，常水位36 m，相應(yīng)庫容4.57×109m3，灌溉面積7×104hm2。1995 年10 月，黃椒溫引水工程(一期)建成，成為臺州市黃巖區(qū)、椒江區(qū)、路橋區(qū)、溫嶺市居民飲用水的主要源泉[3]。

該地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫在10 ℃以上的積溫為5 336 ℃，持續(xù)日照天數(shù)247.9 d，年平均日照時數(shù)為1 955 h。一般年降雨量在1 800 mm 以上，多年平均降水日數(shù)為167 d。多年平均陸面蒸發(fā)量為671 mm。多年平均風(fēng)速為2.7 m·s-1，干旱指數(shù)為0.53。

1.2 試驗設(shè)計

2019 年5 月10 日選取長潭水庫庫區(qū)上垟鄉(xiāng)政府旁邊的消落帶(XM)上自然生長、長勢一致、且當(dāng)年萌發(fā)的五節(jié)芒M.floridulus 新苗，帶土幼苗采樣后帶回溫室，移植到18 cm×14 cm×15 cm 的塑料盆缽栽培，每個盆缽裝5 kg 土，每盆移栽2 株五節(jié)芒。盆缽底部鉆孔。土壤基質(zhì)統(tǒng)一采用水庫岸邊的黃泥土。土壤先風(fēng)干，再過2 mm 篩，然后裝入塑料盆缽中。確保盆栽植株生長均勻一致。在當(dāng)?shù)刈匀粭l件下生長60 d，進(jìn)行持續(xù)干旱和復(fù)水處理。

試驗采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)三個處理：(1)正常澆灌為對照(CK)，每周2 次澆水至土壤飽和。(2)持續(xù)自然干旱處理60 d。(3)干旱及復(fù)水處理。在干旱處理30 d 后，再開始復(fù)水。每個處理4 次重復(fù)，每處理2 枝五節(jié)芒幼苗。

1.3 植物生理指標(biāo)測定

上清提取液制?。喝「魈幚碇仓甑捻敹说箶?shù)第三片葉0.2 g，放于冰浴中研磨至勻漿，分次倒入20 mL預(yù)冷的0.05 mmol·L-1pH 7.8 的磷酸緩沖液，4 ℃以下7 000 r·min-1離心10 min。上清提取液用于葉片的蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、多酚氧化酶(PPO)活性和丙二醛(MDA)含量的測定。

MDA 的測定采用張志良[10]的方法，取酶液2 mL，加入0.67%的TBA(硫代巴比妥酸)2 mL，混合后在100 ℃水浴上煮沸30 min，冷卻后再離心1 次。分別測定上清液在450、532 和600 nm 處的吸光度值。

用氮藍(lán)四唑法(NBT)[10]測定葉片的SOD 活性：

取3 個系列透明度好、質(zhì)地相同的試管，1 個系列用于測定，2 個系列用于對照，其反應(yīng)體系含0.013 mol·L-1甲硫氨酸(Met)、7.5×10-6mol·L-1氮藍(lán)四唑(NBT)、1×10-7mol·L-1EDTA-2Na、2×10-6mol·L-1核黃素各0.3 mL、0.05 mol·L-1的pH 7.8 磷酸緩沖液1.5 mL、待測酶液0.05 mL(對照管則用緩沖液來代替酶液)、蒸餾水0.25 mL，一共3 mL，混勻后，將對照試管放在暗處，各測定試管同時放于4 000 lx 日光燈下反應(yīng)30 min。到反應(yīng)停止時，以未照光的對照作為空白，分別在560 nm 下測定各管的吸光度。將抑制光還原NBT 50%設(shè)為一個酶活性單位。

用愈創(chuàng)木酚法[10]測定葉片的POD：其反應(yīng)體系為含2.9 mL 0.05 mol·L-1磷酸緩沖液，1.0 mL 2%H2O2，1.0 mL 0.05 mol·L-1愈創(chuàng)木酚和0.1 mL 酶液。將加熱煮5 min 的酶液作對照，加進(jìn)酶液后，于34 ℃水浴保溫3 min，再迅速稀釋1 倍，在470 nm 下比色，1 min 記錄1 次，以每分鐘內(nèi)A470 變化0.01 為一個酶活性單位。

所有指標(biāo)選取測定2 株，均重復(fù)3 次以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱復(fù)水對五節(jié)芒葉片MDA 含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的產(chǎn)物，通常是作為膜脂過氧化指標(biāo)。其含量的變化可反映逆境條件下膜系統(tǒng)受傷害的程度[11]。

從表1 可以看出，沒有進(jìn)行干旱處理的對照五節(jié)芒葉片MDA 含量在整個實驗期間沒有發(fā)生明顯的變化，而持續(xù)干旱處理的五節(jié)芒葉片MDA 含量在整個實驗期間一直增加，如在干旱處理第30 天時，五節(jié)芒葉片MDA 含量為19.2 μmol·g-1，比未處理時的11.36 μmol·g-1增加了69.01%，到干旱處理第60 天時，五節(jié)芒葉片MDA 含量為23.5 μmol·g-1，比未處理時的11.36 μmol·g-1增加了106.87%，而在第30 天開始復(fù)水后，五節(jié)芒葉片MDA 含量就一直開始下降，到第60 天時為16.32 μmol·g-1，比第30 天時的19.26 μmol·g-1下降了15.26%，但仍高于未處理時的11.36 μmol·g-1。

表1 不同水分處理時五節(jié)芒葉片MDA 含量動態(tài)變化(μmol·g-1)Tab.1 Dynamic changes of MDA content in leaves of M.sibiricus under different water treatments (μmol·g-1)

2.2 干旱復(fù)水對五節(jié)芒葉片SOD 活性的影響

超氧物歧化酶(SOD)是植物保護(hù)酶，在植物抵抗外界不良環(huán)境中起著清除自由基的作用[12]。由表2 可見，在整個試驗過程中，對照的五節(jié)芒葉片的SOD 活性變化不大，而持續(xù)干旱處理的五節(jié)芒葉片的SOD活性在處理前期呈上升趨勢，說明干旱脅迫啟動了消落帶生境中的五節(jié)芒植株的自身防御機(jī)制，升高的SOD 活性可以抵抗逆境條件下植物體內(nèi)產(chǎn)生的并且處于上升的活性氧。而隨著干旱脅迫時間的延長，五節(jié)芒葉片的SOD 活性下降，到干旱第60 天時，五節(jié)芒葉片的SOD 活性已低于處理前的水平。說明隨著干旱脅迫程度的加劇，五節(jié)芒葉片保護(hù)酶活性降低，抗氧化系統(tǒng)受到一定程度的破壞。

表2 不同水分處理時五節(jié)芒葉片SOD 活性動態(tài)變化(g·FW-1·min-1)Tab.2 Dynamic changes of SOD activity in leaves of M.sibiricus under different water treatments(g·FW-1·min-1)

但在復(fù)水處理后，五節(jié)芒葉片的SOD 活性呈緩慢上升趨勢，到第60 天時，五節(jié)芒葉片的SOD 活性為1 239 g·FW-1·min-1，恢復(fù)到接近最大活性水平。這說明消落帶生境中的五節(jié)芒經(jīng)過較長時間的干旱后，仍具有較強(qiáng)的逆境恢復(fù)能力。

2.3 干旱復(fù)水對五節(jié)芒葉片POD 活性的影響

過氧化物酶(POD)也是植物在逆境下酶促防御系統(tǒng)的重要酶，它可以與超氧物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)互相配合作用，清除植物體內(nèi)過多的自由基，使植物體內(nèi)自由基含量保持在正常水平以下，從而使植物在逆境下產(chǎn)生一定的抗逆功能[13]。從表3 可見，在整個實驗過程中，對照的五節(jié)芒葉片POD 活性變化不是很大，而持續(xù)干旱的五節(jié)芒葉片POD 活性在處理前呈上升趨勢，而隨著干旱時間的延長，五節(jié)芒葉片POD 活性呈下降趨勢，到干旱第60 天時，POD 活性已低于處理前的水平。但在復(fù)水處理后，五節(jié)芒葉片POD 活性在下降后又呈上升趨勢，到第60 天時接近于處理過程中的最高水平。

表3 不同水分處理時五節(jié)芒葉片POD 活性動態(tài)變化(g·FW-1·min-1)Tab.3 dynamic changes of POD activity of M.sibiricus leaves under different water treatments (g·FW-1·min-1)

3 結(jié)論與討論

(1)干旱脅迫條件下植物體內(nèi)會造成活性氧積累，產(chǎn)生的自由基會傷害植物細(xì)胞。植物體內(nèi)有一套由保護(hù)酶和抗氧化物質(zhì)組成的活性氧清除系統(tǒng)。SOD 是重要的保護(hù)酶，是抵御活性氧傷害的第一道防線。POD 能清除SOD 歧化產(chǎn)物H2O2，干旱脅迫促使了五節(jié)芒植株中活性氧的產(chǎn)生，使得SOD、POD 活性上升。隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，脅迫程度超過了植株體內(nèi)的防御能力，結(jié)果SOD 和POD 活性下降。本研究結(jié)果表明了消落帶生境中五節(jié)芒在干旱脅迫條件下，干旱初期活性氧的增多會誘導(dǎo)SOD、POD 響應(yīng)并迅速增多。在繼續(xù)干旱條件下，五節(jié)芒葉片SOD、POD 活性都呈下降趨勢。而在復(fù)水后，五節(jié)芒葉片SOD、POD活性都呈上升趨勢，甚至接近于處理過程中的最高水平。

(2)本研究結(jié)果表明了五節(jié)芒葉片POD 活性與SOD 活性相比，在整個處理過程中變化幅度較大，這說明POD 活性對干旱逆境變化比較敏感，而SOD 活性在干旱逆境恢復(fù)中的應(yīng)答時間較長。

(3)本研究說明了水庫消落帶生境下的五節(jié)芒具有較強(qiáng)的干旱脅迫逆境適應(yīng)性。生長于水庫消落帶中的植物五節(jié)芒長期處于水庫水位交替漲落的水旱變化的環(huán)境中，當(dāng)受到干旱脅迫損傷時，在恢復(fù)水分供應(yīng)后，具有較強(qiáng)的生理恢復(fù)能力。因此，在浙南山地水庫消落帶生態(tài)重建中，五節(jié)芒應(yīng)作為消落帶植物群落構(gòu)建的先鋒植物。