施鐵對(duì)泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)及環(huán)境鐵含量的影響

趙牧秋,王 慧,王 帥,秦福廣,陳文瀅,陳棣凱,韓秋影,史云峰

(海南熱帶海洋學(xué)院 a.熱帶海洋生物資源利用與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.海南省現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)工程研究中心；c.生態(tài)環(huán)境學(xué)院,海南 三亞 572022)

0 引言

在所有被子植物中,只有大約0.02%能夠進(jìn)行海洋沉水生活并在海水中完成種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開(kāi)花結(jié)果等生命歷程,這部分高等植物被稱為“海草”[1].全世界共有6科13屬74種海草[2],在我國(guó)海域迄今已發(fā)現(xiàn)4科10屬22種[3].海草通常在沿海淺水及潮間帶區(qū)域形成植被茂密的海草床.雖然全球海草床的分布面積不足海洋總面積的0.05%,但由于其是一種初級(jí)生產(chǎn)力極高的生態(tài)系統(tǒng),因此具有非常重要的生態(tài)功能和服務(wù)價(jià)值[4].不幸的是,在人類活動(dòng)和全球氣候變化的共同影響下,海草床的衰退速率超過(guò)了地球上大部分的生態(tài)系統(tǒng)：1993年到2003年間,全世界約2.6×104km2的海草床消失；在過(guò)去的20年里,全球喪失了約18%的海草床；當(dāng)前海草床的消失速度是熱帶森林的2～15倍,且衰退速度還在加快[5].

鐵(Fe)是植物合成多種酶和細(xì)胞色素所必需的元素,其對(duì)于海洋植物生長(zhǎng)限制的“臨界濃度”尤為重要[6].通常淡水植物體內(nèi)Fe含量超過(guò)3.0×103mg·kg-1,而被子植物維持生長(zhǎng)時(shí)葉片的最低Fe含量為100 mg·kg-1[7]131.在熱帶海草床中,沉積物中Fe的含量一般低于200 mg·kg-1,且大多數(shù)被碳酸鹽束縛而不能被海草利用；加上缺少陸源Fe輸入,海草生長(zhǎng)很容易受到Fe限制[8].研究表明,生長(zhǎng)于碳酸鹽沉積物中的海草,其凈增長(zhǎng)量與Fe的輸入成正相關(guān),當(dāng)Fe的輸入低于43 mg·m-2·d-1時(shí),海草床就會(huì)有衰退的風(fēng)險(xiǎn)[9].施Fe對(duì)海草的生長(zhǎng)能起到顯著的促進(jìn)作用,比如添加Fe可使大洋波喜蕩草(PosidoniaOceanica)葉片的生產(chǎn)力提高55%[10]721.另有研究表明,Fe可提高海草堿性磷酸酶活性,促進(jìn)海草對(duì)磷(P)素的吸收利用[11]462.

泰來(lái)草(ThalassiaHemprichii)主要分布于熱帶西太平洋-印度洋海區(qū),同時(shí)也是海南島周圍海區(qū)以珊瑚碎屑為主的碳酸鹽沉積物上的優(yōu)勢(shì)種[12-13].同世界上其他海草床一樣,在水體富營(yíng)養(yǎng)化、過(guò)度捕撈、海洋污染、生境破壞等因素的干擾下,泰來(lái)草床也面臨著快速衰退的困境.因此,人們已經(jīng)嘗試通過(guò)多種方式恢復(fù)正在衰退的海草床[14].在泰來(lái)草床生態(tài)修復(fù)和種群恢復(fù)的過(guò)程中,幼苗期是其單株存活和種群擴(kuò)展的決定性階段,也是其生活史中非常關(guān)鍵和非常敏感的時(shí)期,在這個(gè)時(shí)期植物個(gè)體對(duì)生態(tài)因子的變化非常敏感,個(gè)體損失率非常高,從而制約了海草床規(guī)模化修復(fù)工作的開(kāi)展[15].而廣泛分布于碳酸鹽沉積物上的泰來(lái)草,其幼苗是否同母株一樣受到Fe缺乏的脅迫,外源施Fe是否能有效提升泰來(lái)草幼苗的成活率和生長(zhǎng)狀況,這些問(wèn)題至今為止尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.

鑒于此,本研究采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),探討了不同外源施Fe量對(duì)泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)速度、葉綠素含量及植株Fe含量的影響,同時(shí)探討了施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)海水及沉積物Fe含量的影響,以期為Fe肥在泰來(lái)草幼苗培育及海草床生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用提供依據(jù).

1材料與方法

1.1 泰來(lái)草幼苗的獲取

成熟的泰來(lái)草果實(shí)采集于三亞情人灣海區(qū).果實(shí)采集后置于盛有天然海水的容器中,一般會(huì)在24 h內(nèi)開(kāi)裂并釋放出泰來(lái)草種子.在聚乙烯塑料育苗容器底部置入厚5 mm的細(xì)沙(粒徑<2 mm),將收集的泰來(lái)草種子子葉端朝上,一半埋入沙中.容器內(nèi)充入海水,水面距沙上表面5～10 cm.水體持續(xù)充氣,每3天換水1/2.育苗容器置于溫室內(nèi)并覆蓋雙層遮陽(yáng)網(wǎng)以免暴曬,保持水溫不高于30 ℃,鹽度32～35 psu.培養(yǎng)7天后,泰來(lái)草幼苗平均葉長(zhǎng)達(dá)到2 cm,根長(zhǎng)1.4 cm,可用于進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn).

1.2 泰來(lái)草幼苗施Fe栽培實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用沉積物為采自三亞情人灣泰來(lái)草分布區(qū)的沉積物,CaCO3含量58.2%,全Fe含量3.53×102mg·kg-1,屬典型碳酸鹽沉積物.沉積物采回實(shí)驗(yàn)室后,日光暴曬消毒,過(guò)1 mm孔徑篩.取10 kg沉積物,置于38 cm×26 cm×20 cm(長(zhǎng)×寬×高)塑料箱中,厚度約5 cm.取6株健康泰來(lái)草幼苗,將幼根栽入沉積物中,幼葉露出.向箱中加入10 L不同F(xiàn)e含量的海水后,將培養(yǎng)箱置于日光溫室內(nèi)培養(yǎng).

本研究按照海水中Fe添加量,共設(shè)5個(gè)處理：CK(僅添加天然海水,含F(xiàn)e量16 μg·L-1,不施Fe)、Fe-2.5(海水按2.5 mg·L-1添加Fe)、Fe-5(海水按5 mg·L-1添加Fe)、Fe-10(海水按10 mg·L-1添加Fe)、Fe-20(海水中按20 mg·L-1添加Fe).Fe均以七水硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)形式加入,每個(gè)處理重復(fù)3次.

通過(guò)設(shè)置遮陽(yáng)網(wǎng)的厚度調(diào)整溫室內(nèi)光合有效輻射不高于2.0×102μmol·m-2·s-1；通過(guò)風(fēng)機(jī)-水幕系統(tǒng)調(diào)整栽培系統(tǒng)海水最高溫度不高于30 ℃；培養(yǎng)過(guò)程海水鹽度控制在32～35 psu范圍.培養(yǎng)開(kāi)始時(shí),按照10 g·m-2施入控釋肥料(N含量15%,P含量9%,釋放期90天).整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)持續(xù)鼓泡充氣.栽培實(shí)驗(yàn)共持續(xù)30 d.

分別于培養(yǎng)開(kāi)始后的6,12,18,24 d,從各塑料栽培箱中取出5 L海水,并回補(bǔ)同樣體積的施Fe天然海水,海水的Fe添加量與各處理要求的Fe添加量一致.

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

栽培實(shí)驗(yàn)的最后5 d,每個(gè)處理隨機(jī)選擇5株泰來(lái)草幼苗,采用針孔標(biāo)記法[16]測(cè)定各處理海草幼苗的生長(zhǎng)速度.栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,每個(gè)處理隨機(jī)選擇5株泰來(lái)草幼苗,測(cè)定其株高及葉片葉綠素含量[17].另每個(gè)處理隨機(jī)取5株海草,分割為地上和地下兩部分,65 ℃烘干過(guò)夜并測(cè)定其Fe含量.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,分別應(yīng)用鄰菲羅啉比色法[18]測(cè)定每個(gè)栽培箱上覆海水和間隙水中Fe含量；應(yīng)用HCl提取法[19]測(cè)定沉積物活性Fe含量；應(yīng)用HNO3-HF-HClO4消解法[20]提取并測(cè)定沉積物全Fe含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2016及SPSS 22.0對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；采用One-Way ANOVA比較泰來(lái)草生長(zhǎng)指標(biāo)、葉綠素含量、Fe含量,以及海水、沉積物Fe含量的差異..

2 結(jié)果與分析

2.1 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗的影響

如圖1(A)所示,泰來(lái)草幼苗施Fe栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),CK處理泰來(lái)草幼苗平均株高僅為(4.10±0.27) cm.各施Fe處理泰來(lái)草幼苗平均株高達(dá)到(6.58±1.08) cm,均顯著(P<0.05)高于CK處理,但各施Fe處理之間泰來(lái)草幼苗株高無(wú)顯著性(P<0.05)差異.栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)束的前5 d內(nèi),CK處理泰來(lái)草幼苗的生長(zhǎng)速度為(11.0±2.2) mm·d-1[如圖1(B)].各施Fe處理泰來(lái)草幼苗的生長(zhǎng)速率均顯著(P<0.05)高于CK,且隨Fe添加量的增加而加快,Fe-2.5、Fe-5、Fe-10和Fe-20處理泰來(lái)草的生長(zhǎng)速率分別較CK處理增加41.5%、63.6%、80.7%和92.7%.

圖1 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗株高(A)和生長(zhǎng)速度(B)的影響

CK處理泰來(lái)草幼苗葉綠素a含量較低,僅為(1.64±0.32) mg·g-1；隨施Fe量的增加,幼苗葉綠素a含量隨之升高[圖2(A)],Fe添加量高于2.5 mg·g-1，各處理(Fe-5、Fe-10和Fe-20)泰來(lái)草幼苗葉綠素a含量均顯著(P<0.05)高于CK.施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗葉綠素b含量無(wú)影響[圖2(B)].

圖2 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗葉綠素a(A)和葉綠素b(B)含量的影響

CK處理泰來(lái)草幼苗地上部分Fe含量為(7.07×102±1.35×102) mg·kg-1[圖3(A)].隨Fe添加量的增加,幼苗地上部分Fe含量呈增加趨勢(shì),并均顯著(P<0.05)高于CK.施Fe對(duì)泰來(lái)草地下部分Fe含量基本無(wú)影響[圖3(B)].

圖3 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗地上部分(A)和地下部分(B)Fe含量的影響

2.2 施Fe對(duì)栽培環(huán)境Fe含量的影響

泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)上覆水和間隙水Fe含量均較低[圖4(A)、[圖4(B)],各處理平均僅為(59.4±18.0) μg·L-1和(1.13×102±18.9) μg·L-1.對(duì)于上覆水,僅Fe-2.5和Fe-5處理Fe含量顯著(P<0.05)高于CK；對(duì)于間隙水,僅Fe-5處理Fe含量顯著(P<0.05)高于CK.

圖4 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)上覆水(A)和間隙水(B)Fe含量的影響

沉積物活性Fe含量及全Fe含量均隨Fe添加量的增加而升高[圖5(A)、[圖5(B)].Fe-2.5、Fe-5、Fe-10、Fe-20處理沉積物活性Fe含量較CK處理分別高出0.51、0.96、1.29、1.42倍；全Fe含量較CK處理分別高出0.24、0.41、0.77、1.45倍.

圖5 施Fe對(duì)泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)沉積物活性Fe(A)和全Fe(B)含量的影響

2.3 沉積物Fe含量與泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)及Fe含量的相關(guān)關(guān)系

對(duì)沉積物活性Fe和全Fe含量與泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)速度、葉綠素a含量及地上部分Fe含量進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析,結(jié)果[圖6(A)～[圖6(F)])表明：沉積物活性Fe含量與泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)速度、葉綠素a含量及地上部分Fe含量具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01,R2分別為0.989、0.972、0.975,n=5)；沉積物全Fe含量與泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)速度、葉綠素a含量及地上部分Fe含量具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05,R2分別為0.772、0.772、0.853,n=5).

圖6 沉積物活性Fe和全Fe含量與泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)速度、葉綠素a含量及地上部分Fe含量的相關(guān)關(guān)系注：*代表顯著相關(guān)(P<0.05),**代表極顯著相關(guān)(P<0.01).

3 討論

Fe元素是植物生長(zhǎng)必不可少的中微量元素之一,對(duì)于海洋中營(yíng)沉水生活的唯一高等植物海草亦不例外.大量研究均表明,在海草床中添加Fe能夠顯著改善海草的生長(zhǎng)狀況.比如,Duarte等[21]向沉積物中添加4 g·m-2的Fe元素,發(fā)現(xiàn)施Fe可使泰來(lái)草葉片生長(zhǎng)速率提升約30%,由此作者認(rèn)為Fe是限制海草生長(zhǎng)的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素之一.Holmer等[10]723研究發(fā)現(xiàn),Fe元素對(duì)于位于地中海的大洋波喜蕩草是一個(gè)限制性營(yíng)養(yǎng)因子,添加Fe對(duì)海草的生長(zhǎng)和沉積物中活性Fe的含量均起到提升作用.本研究的結(jié)果也表明,向泰來(lái)草幼苗生長(zhǎng)系統(tǒng)中添加一定量的Fe元素,可有效提升其株高,促進(jìn)其葉片生長(zhǎng).

向泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)中添加Fe元素能夠促進(jìn)海草幼苗生長(zhǎng)的原因可能有如下幾點(diǎn).其一,施Fe消除了碳酸鹽沉積物導(dǎo)致的Fe限制.本研究中不添加Fe的CK處理泰來(lái)草幼苗地上部分Fe元素含量為(7.07×102±1.35×102) mg·kg-1,遠(yuǎn)低于一般水生植物Fe元素含量(3.17×103mg·kg-1)[7]132,且泰來(lái)草幼苗葉片F(xiàn)e含量隨施Fe量的增加而升高,都能夠說(shuō)明本研究設(shè)定的對(duì)照(CK處理)環(huán)境是一種泰來(lái)草生長(zhǎng)受Fe限制的環(huán)境,且隨Fe添加量的增加,這種限制作用逐漸消除.其二,在植物的光合作用中,Fe作為一種必要元素在特定的蛋白質(zhì)和酶中起著運(yùn)載電子的作用[22].施Fe提升了海草幼苗葉片葉綠素a含量[圖2(a)],增強(qiáng)了海草葉片的光合作用效率,進(jìn)而促進(jìn)植株生長(zhǎng).其三,施Fe可能促進(jìn)海草對(duì)P元素的吸收.由于在碳酸鹽沉積物環(huán)境中,活性P可形成磷灰石而沉淀,同時(shí)易被Fe(III)的氫氧化物強(qiáng)烈吸附,因此海草的生長(zhǎng)往往受到Fe和P的雙重限制[23].但也有研究表明沉積物中的Fe可促進(jìn)泰來(lái)草、海菖蒲(EnhalusAcoroides)及圓葉絲粉草(CymodoceaRotundata)對(duì)P的吸收,而沉積物中的P也明顯促進(jìn)上述海草對(duì)Fe的吸收[7]133,[11]463.其四,已有研究表明,當(dāng)沉積物間隙水中H2S含量超過(guò)10 μmol·L-1時(shí),就會(huì)引起海草床的衰退[24].Fe2+能與S2-反應(yīng)形成難溶的FeS,因此施Fe能夠有效降低硫化物對(duì)海草幼苗的毒害作用,進(jìn)而促進(jìn)海草幼苗生長(zhǎng).

海草可通過(guò)多個(gè)部位、多種形式吸收生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)養(yǎng)分,并可同時(shí)通過(guò)根和葉分別從沉積物間隙水和上覆水中獲得生長(zhǎng)所需礦質(zhì)元素.但由于沉積物間隙水中的養(yǎng)分含量往往高于上覆水,所以通常認(rèn)為沉積物是海草體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源[25].但也有學(xué)者認(rèn)為海草主要通過(guò)葉片從海水中獲取金屬類礦質(zhì)元素,比如Whelan等[26]對(duì)泰來(lái)草各組織和沉積物中的Fe含量進(jìn)行了相關(guān)分析,結(jié)果顯示各相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值,表明海草對(duì)這些金屬元素的吸收是通過(guò)海水而不是沉積物；Schlacher-Hoenlinger等[27]認(rèn)為,大洋波喜蕩草主要通過(guò)葉片從海水中獲得金屬元素,而金屬元素在海草各組織及其附著植物中的含量是沉積物的10多倍；而Xu等[28]則通過(guò)海草組織分隔供Fe實(shí)驗(yàn),直接證實(shí)了鰻草(ZosteraMarina)主要是通過(guò)葉片從周圍水體中吸收Fe元素.在本研究中,向泰來(lái)草幼苗栽培系統(tǒng)添加Fe元素,并未有效提高海草地下部分Fe含量[圖3(b)],而幼苗地上部Fe含量卻隨Fe元素添加量的增加而升高,這也進(jìn)一步間接證實(shí)了上述結(jié)論.