高溫脅迫下9種輕型屋頂綠化植物的生理響應(yīng)*

胡 杏 鐘麗媚 倪建中 王 偉 代色平

（廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，建筑用地和綠化用地矛盾突出、“熱島效應(yīng)”日趨嚴(yán)重，屋頂綠化作為一種新的環(huán)境美化新方式逐漸被引入到城市園林綠化建設(shè)中[1-2]。屋頂綠化不僅能有效擴(kuò)大城市的綠化面積，還能減少城市高空懸浮物、降低室內(nèi)溫度、增強(qiáng)雨水蓄積能力、減輕城市“熱島效應(yīng)”[3]。受屋頂光照、溫度、濕度、土壤基質(zhì)等環(huán)境因素的限制，土壤層厚5～10 cm 的輕型屋頂綠化有承重風(fēng)險(xiǎn)小、低成本、見(jiàn)效快、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，將是屋頂綠化發(fā)展的方向[4]。輕型屋頂綠化在植物的選擇上主要以耐貧瘠、耐熱、抗旱的多年生低矮草本植物為主[5]。我國(guó)在屋頂綠化植物的應(yīng)用與研究主要以佛甲草Sedum lineare、垂盆草Sedum sarmentosum和綠景天Sedumsp.等景天科植物為主[6]，廣州地處南亞熱帶，具有夏季長(zhǎng)、溫暖多雨、溫差較小等氣候特征，景天科植物在廣州地區(qū)容易積水腐爛，景觀效果持久性差、管理成本高[7]，需要篩選出更多適宜廣州輕型屋頂綠化的植物，豐富屋頂綠化景觀。

植物耐熱性是屋頂綠化植物篩選的重要指標(biāo)。2022 年7 月9 日到25 日，廣東已連續(xù)17 天出現(xiàn)了大范圍持續(xù)性高溫天氣，最高氣溫達(dá)39℃，地表溫度超70℃。因此，篩選耐熱性強(qiáng)的植物對(duì)于提高植物在屋頂?shù)某苫盥?、提升屋頂綠化景觀效果具有重要的意義。國(guó)內(nèi)近幾年也開(kāi)始了多項(xiàng)屋頂綠化植物的耐熱性研究。湯聰?shù)萚8]以廣州地區(qū)野外引種及已引種馴化成功的鴨跖草科和景天科8 種屋頂綠化植物為試材，采用電導(dǎo)率法并結(jié)合logistics 方程測(cè)定其耐熱性。徐玉芬等[9]對(duì)鴨跖草科植物logistics 方程測(cè)定4 種鴨跖草科屋頂綠化植物的耐熱性。周媛等[10]對(duì)高溫脅迫下9 種景天屬植物形態(tài)特征與生理響應(yīng)進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)其耐熱能力的高低，篩選出耐熱性強(qiáng)、適宜無(wú)養(yǎng)護(hù)屋頂綠化的植物品種。通過(guò)引種馴化多種低矮草本地被植物并進(jìn)行栽培觀察，初步篩選出4 種鴨跖草科植物、3 種馬齒莧科植物、2 種景天科植物開(kāi)展了人工模擬高溫脅迫試驗(yàn)，通過(guò)觀察不同溫度脅迫對(duì)其生長(zhǎng)的影響、研究其生理生化的變化、評(píng)價(jià)其耐熱能力的高低，以期篩選出耐熱性強(qiáng)、適合廣州輕型屋頂綠化的植物，豐富屋頂綠化植物多樣性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物為9 種低矮地被植物，選取相同長(zhǎng)度的健康莖段于50 cm*25 cm*6 cm 的篩盤(pán)中扦插，栽培基質(zhì)為草炭：陶粒=3:1，2 個(gè)月后選取生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲(chóng)害、覆蓋滿(mǎn)篩盤(pán)的植物作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為模擬屋頂綠化環(huán)境并排除自然界光照、溫濕度不穩(wěn)定等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)在廣州市觀賞植物種質(zhì)資源圃人工氣候室進(jìn)行。氣候室分別設(shè)置25/20℃（晝/夜）、35/30 ℃、40/35 ℃、45/40 ℃、55/50 ℃，其中25/20℃為對(duì)照組，濕度設(shè)置為75，16 h 明/8 h 暗，光照強(qiáng)度模擬夏季晴朗天氣光照變化設(shè)置，脅迫3 d，每種植物每處理3 篩。

表1 9 種輕型屋頂綠化植物Table 1 9 plants for extensive green roof useage

1.2.2 形態(tài)特征變化觀察 脅迫3 d 后，觀察植物的形態(tài)受害情況。將高溫高濕傷害程度劃分為以下5 級(jí)：0 級(jí)，無(wú)熱害癥狀；Ⅰ級(jí)，少于1/4 的葉片表現(xiàn)熱害癥狀；Ⅱ級(jí)，1/4 至1/2 的葉片表現(xiàn)熱害癥狀；Ⅲ級(jí)，1/2 至3/4 的葉片表現(xiàn)熱害癥狀；Ⅳ級(jí)，3/4 以上的葉片表現(xiàn)熱害癥狀；Ⅴ級(jí)，植株死亡。

1.2.3 生理指標(biāo)的測(cè)定 隨機(jī)采取中部成熟的葉片作為樣品進(jìn)行各生理指標(biāo)測(cè)試。主要測(cè)試指標(biāo)有丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量，實(shí)驗(yàn)方法參照李合生[11]的方法，每個(gè)處理每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與相關(guān)性分析 測(cè)量的數(shù)據(jù)利用WPS XLSL 表格進(jìn)行錄入并作初步處理，利用IBM SPSS Statistics 21 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。

1.3.2 耐熱系數(shù)計(jì)算 各指標(biāo)耐熱系數(shù)=高溫脅迫下的指標(biāo)測(cè)定值/對(duì)照指標(biāo)測(cè)定值[12]。

1.3.3 主成分分析 以55℃高溫脅迫后各植物的生理指標(biāo)相關(guān)性與主成分分析，并基于主成分分析用主成分因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫下植物形態(tài)特征的變化

植物受熱害葉片會(huì)出現(xiàn)明顯的水漬狀燙傷斑點(diǎn)，隨后變褐，壞死，葉綠素破壞嚴(yán)重，葉色變?yōu)楹贮S等情況。由表2 可知，25、35、40 ℃處理下，各植物均無(wú)熱害表現(xiàn)。45 ℃脅迫處理3 d 后，鋪地錦竹草與大苞水竹葉表現(xiàn)為Ⅰ級(jí)熱害，有1/4～1/2 葉片有熱害癥狀，其余植物無(wú)熱害表現(xiàn)。55℃脅迫理3 d 后，僅紫米粒無(wú)熱害癥狀，耐熱性表現(xiàn)最好；其次為大花馬齒莧與松葉牡丹，表現(xiàn)為Ⅰ級(jí)熱害；薄雪萬(wàn)年草稍差，表現(xiàn)為Ⅱ級(jí)濕熱傷害。其中鋪地錦竹草的耐熱性與觀察到的植物外部形態(tài)受熱害情況表現(xiàn)稍微有不同，原因可能是10 月份鋪地錦竹草正處于開(kāi)花季節(jié)，植物營(yíng)養(yǎng)分散，葉片本身稍微偏黃造成的觀察誤差。

表2 不同溫度脅迫3 天后植物的生長(zhǎng)狀況Tab. 2 The growth status of plants after 3 days high temperature treatment

2.2 高溫脅迫對(duì)不同植物丙二醛（MDA）含量的影響

由圖1 可以看出，9 種植物的MDA 含量對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)整體趨勢(shì)為先升后降，35 ℃脅迫處理時(shí)，大花馬齒莧的MDA 相較于對(duì)照增幅最大，耐熱系數(shù)為3.06；其余植物的MDA 含量變化幅度均不大。40 ℃脅迫處理時(shí)，大花馬齒莧和薄雪萬(wàn)年草的MDA 含量相較于對(duì)照增幅較大，耐熱系數(shù)分別為2.55、2.19。45 ℃脅迫處理時(shí)，大苞水竹葉與凹葉景天的MDA 含量相較于對(duì)照急劇下降，耐熱系數(shù)分別為0.47、0.28；紅趾草、大花馬齒莧和重瓣大花馬齒莧的MDA 含量增幅較大，耐熱系數(shù)分別為2.45、2.42、3.02。55 ℃脅迫處理時(shí)，紫米粒的MDA 含量相較于對(duì)照增幅最大，耐熱系數(shù)為2.29；大苞水竹葉和凹葉景天的MDA 含量降幅最大，耐熱系數(shù)分別為0.24、0.23。

圖1 不同溫度脅迫對(duì)MDA 含量的影響Fig. 1 Effects of high temperature stress on MDA content

但不同植物在不同溫度時(shí)的響應(yīng)程度不同。鋪地錦竹草、紅趾草、假紫萬(wàn)年青、重瓣大花馬齒莧在55℃脅迫處理時(shí)，MDA 含量急劇下降；大苞水竹葉、薄雪萬(wàn)年草和凹葉景天在45℃脅迫處理時(shí)MDA 含量就開(kāi)始急劇下降；紫米粒在55 ℃脅迫處理時(shí)MDA 含量反而開(kāi)始大幅增加；僅大花馬齒莧的各溫度脅迫下的MDA 值均保持在一個(gè)相對(duì)溫度的水平。

2.3 高溫脅迫對(duì)不同植物脯氨酸（Pro）含量的影響

由圖2 可見(jiàn)，9 種植物的Pro 含量均隨脅迫溫度的升高成不斷增加的趨勢(shì)。相較于對(duì)照，在35℃、40℃、45℃脅迫下各植物的Pro 含量均有小幅度的增加。55℃處理下各植物的Pro 含量均大幅增加，大花馬齒莧的Pro 含量相較于對(duì)照增幅最小，耐熱系數(shù)為2.85；假紫萬(wàn)年青和大苞水竹葉的Pro 含量增幅較大，耐熱系數(shù)分別為5.24、6.91；增幅最大的為薄雪萬(wàn)年草，耐熱系數(shù)為8.19。

圖2 不同溫度脅迫對(duì)脯氨酸含量的影響Fig. 2 Effects of high temperature stress on proline content

2.4 高溫脅迫對(duì)不同植物可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3 可見(jiàn)，在35 ℃、40 ℃、45 ℃脅迫處理下，9 種植物的可溶性蛋白含量相較于對(duì)照變化幅度不大。55℃處理時(shí)，僅紫米粒的可溶性蛋白含量相較于對(duì)照變化幅度最小，其耐熱系數(shù)為1.01；其余8 種植物的可溶性蛋白質(zhì)含量均急劇下降，耐熱系數(shù)在0.43～0.64，其中凹葉景天的可溶性蛋白下降幅度最大，其耐熱系數(shù)為0.43。

圖3 不同溫度對(duì)可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig. 3 Effects of high temperature stress on soluble protein content

2.5 高溫脅迫對(duì)不同植物可溶性糖含量的影響

由圖4 可見(jiàn)，9 種植物的可溶性糖含量整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。35℃脅迫處理時(shí)，9 種植物的可溶性糖含量相較于對(duì)照變化幅度不大，耐熱指數(shù)在0.82～1.28。40℃脅迫處理時(shí)，僅大花馬齒莧的可溶性糖含量相較于對(duì)照有所下降，耐熱指數(shù)為0.7；其余8 種植物的可溶性糖含量相較于對(duì)照均有所上升，耐熱指數(shù)在1.12～2.37，其中上升最多的為假紫萬(wàn)年青。45℃脅迫處理時(shí)，紫米粒的可溶性糖含量開(kāi)始下降，耐熱指數(shù)為0.82；其余8 種植物的可溶性糖含量相較于對(duì)照均上升，耐熱系數(shù)為1.17～3.20，其中假紫萬(wàn)年青上升幅度最大。55℃脅迫處理時(shí)，僅紅趾草的可溶性糖含量在持續(xù)上升，耐熱系數(shù)為1.71；可溶性糖含量相較于對(duì)照下降幅度最大的為紫米粒，其耐熱系數(shù)為0.67。

圖4 不同溫度對(duì)可溶性糖含量的影響Fig.4Effects of high temperature stress on soluble sugar content

2.6 各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

9 種植物的4 個(gè)生理指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3～表6。35℃、40℃脅迫處理時(shí)，丙二醛與脯氨酸、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），可溶性糖與脯氨酸呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）（表3、表4）。45℃脅迫處理時(shí)，可溶性糖與脯氨酸呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）（表5）。55℃脅迫處理時(shí)，丙二醛與可溶性蛋白、可溶性糖與脯氨酸呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）（表6）。

表4 40℃高溫脅迫下各生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab. 4 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 40℃

表5 45℃高溫脅迫下各生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab. 5 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 45℃

表6 55℃高溫脅迫下各生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab. 6 The correlation coefficient matrix of different physiological indexes at 55℃

由表3～表6 可知，4 個(gè)生理指標(biāo)間都存在或大或小的相關(guān)性，有的存在顯著或極顯著的相關(guān)性，使它們所提供的信息發(fā)生重疊[14-15]。同時(shí)，由于不同植物的耐熱機(jī)制上存在差異，各指標(biāo)在耐熱性中起的作用不盡相同。所以，直接利用這些單項(xiàng)指標(biāo)很難對(duì)各植物的耐熱性做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，需綜合各指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.7 基于主成分分析的耐熱性綜合評(píng)價(jià)

如表7 所示，通過(guò)對(duì)55℃高溫脅迫下9 種輕型屋頂綠化植物的生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取主成分2 個(gè)，其中第1 主成分貢獻(xiàn)率為48.937%，累計(jì)貢獻(xiàn)率87.392%。從各主成分綜合指標(biāo)系數(shù)可以看出，第一主成分主要包括丙二醛和可溶性蛋白，荷載分別達(dá)到0.896、0.924；第二主成分主要包括脯氨酸和可溶性糖的荷載分別達(dá)到0.913、0.74；結(jié)果表明，需綜合分析這4 個(gè)生理指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)植物的耐熱性。

表7 55℃高溫脅迫下各生理指標(biāo)的主成分分析Tab.7 Principal component analysis of physiological indexes at 55℃

根據(jù)9 種輕型屋頂綠化植物的4 個(gè)生理指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和成分矩陣的因子得分系數(shù)特征向量，可得出第一、第二主成分的回歸方程分別為：

以各主成分相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，分別為0.489 370、0.384 55，由于2 個(gè)主成分總的貢獻(xiàn)率為0.873 92，還應(yīng)對(duì)權(quán)重單位化[13]，獲得各植物綜合得分的計(jì)算式：Z=（0.489 37*C1+0.384 55*C2）/0.873 92。通過(guò)計(jì)算，獲得9 種輕型屋頂綠化植物的綜合得分與排名，其耐熱性強(qiáng)弱順序依次為：鋪地錦竹草＞大花馬齒莧＞假紫萬(wàn)年青＞紅趾草＞重瓣大花馬齒莧＞紫米粒＞凹葉景天＞大苞水竹葉＞薄雪萬(wàn)年草（表8）。

表8 9 種植物耐熱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 8 The comprehensive evaluation on heat tolerance upon 9 species

3 討論與結(jié)論

植物耐熱性研究是屋頂綠化植物評(píng)價(jià)及篩選的基礎(chǔ)。不同植物耐熱機(jī)制不同，且受多個(gè)因素影響，多個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)能更全面、真實(shí)地反應(yīng)植物耐熱能力的強(qiáng)弱。本研究綜合分析了9 種輕型屋頂綠化植物受高溫脅迫后4 個(gè)生理生化指標(biāo)的變化，得出4 種植物的耐熱性由強(qiáng)到弱依次為：鋪地錦竹草＞大花馬齒莧＞假紫萬(wàn)年青＞紅趾草＞重瓣大花馬齒莧＞紫米粒＞凹葉景天＞大苞水竹葉＞薄雪萬(wàn)年草。

通常用MDA 用以表示細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的程度與植物對(duì)逆境反映的強(qiáng)弱[10]。試驗(yàn)結(jié)果表明，耐熱性強(qiáng)的鋪地錦竹草與大花馬齒莧的MDA 累計(jì)量明顯小于耐熱性弱的大苞水竹葉，這與楊華庚、許桂芳等[16-17]的研究結(jié)論是一致的。而高溫會(huì)使膜質(zhì)過(guò)氧化作用加劇，形成的MDA 能使細(xì)胞膜的孔隙變大，通透性增加，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)破裂[18]。丙二醛的大量積累以及質(zhì)膜透性的不斷增大是細(xì)胞損壞的重要標(biāo)志[17]。耐熱性差的大苞水竹葉、薄雪萬(wàn)年草與凹葉景天的MDA 含量在45 ℃脅迫處理時(shí)開(kāi)始急劇下降，鋪地錦竹草、紅趾草、假紫萬(wàn)年青和重瓣大花馬齒莧的MDA 含量在55 ℃脅迫處理時(shí)開(kāi)始急劇下降，可能是植物長(zhǎng)時(shí)間承受高溫脅迫導(dǎo)致細(xì)胞受損，不能正常合成丙二醛所導(dǎo)致。

植物體內(nèi)Pro、可溶性蛋白和可溶性糖具有調(diào)節(jié)滲透、保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。在正常條件下，植物體內(nèi)的Pro 含量很低，遭受脅迫的植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)大量積累Pro[19]。9 種植物在55 ℃脅迫處理后Pro 含量均急劇增加，這一變化的原因可能是高溫觸發(fā)了保護(hù)機(jī)制發(fā)生生理響應(yīng)，導(dǎo)致Pro含量的大量累積，其中耐熱性較差的大苞水竹葉、薄雪萬(wàn)年草、凹葉景天脯氨酸含量最高。而可溶性蛋白在55 ℃脅迫處理后急劇下降，其余溫度下其含量變化幅度均很小，這可能由于Rubisco 等表達(dá)增強(qiáng)引起可溶性蛋白含量增加，隨著高溫程度的加劇，Rubisco 羧化酶活性下降，凈光合速率減少，導(dǎo)致可溶性蛋白含量下降[20]。55 ℃高溫脅迫下，假紫萬(wàn)年青和大苞水竹葉的可溶性糖含量急劇下降可能是因?yàn)楫?dāng)脅迫到一定程度后，呼吸作用大于光合作用消耗了貯存的糖類(lèi)，會(huì)造成可溶性糖含量下降[21-22]。

4 個(gè)生理指標(biāo)間均存在或大或小的相關(guān)性，與植物的耐熱性也密切相關(guān)。但不同遺傳背景的植物的耐熱性影響機(jī)制不同，主要判定植物耐熱性的指標(biāo)也不一樣，在將來(lái)的研究中可以測(cè)定更多指標(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行生理指標(biāo)的篩選。

極端天氣氣溫超40 ℃會(huì)越來(lái)越常見(jiàn)，夏季裸露屋頂溫度超45 ℃的可能性極大，屋頂綠化能有效隔絕太陽(yáng)直接照射屋頂，進(jìn)行隔熱降溫。綜合植物在不同高溫脅迫下的生長(zhǎng)情況，篩選耐熱性較好的鋪地錦竹草、大花馬齒莧、假紫萬(wàn)年青、紅趾草、重瓣大花馬齒莧應(yīng)用于廣州屋頂綠化，可豐富輕型屋頂綠化景觀，保障屋頂綠化植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，推動(dòng)屋頂綠化的發(fā)展。