華南地區(qū)22種園林植物耐旱性分級篩選

孫 林，鄭衛(wèi)國，宮彥章，林瑞君

(深圳文科園林股份有限公司/廣東省園林景觀與生態(tài)恢復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518000)

目前，有關(guān)耐旱植物或節(jié)水植物栽培品種的選育研究多數(shù)是基于地域的角度[1]，其成果作為地域性干旱災(zāi)害環(huán)境修復(fù)的儲備資料，為解決我國干旱半干旱區(qū)、石漠化地區(qū)、水庫消落帶等生態(tài)薄弱區(qū)的生態(tài)問題提供了借鑒[2—9]。這使得全國的干旱重災(zāi)區(qū)，尤其是我國北方、西北地區(qū)率先成為研究的熱點地區(qū)；然而全球氣候變暖，干旱成因由“自然”一元驅(qū)動向“自然—社會”二元驅(qū)動演進。我國南方濕潤區(qū)的干旱災(zāi)害頻率也逐漸增高增強，影響范圍逐漸增大[10—12]。以深圳為例，1952～2005年間，當?shù)囟嗄昴昃珊等找灾饾u上升的趨勢攀升至192.8 d，最長干旱持續(xù)時間238 d，甚至出現(xiàn)四季都有干旱災(zāi)害的記錄[13]。如此氣候條件下，城市園林綠化的發(fā)展不僅要克服季節(jié)性干旱環(huán)境，一些特殊園林場景如輕型屋頂綠化、垂直綠化、邊坡綠化等還要克服基質(zhì)層薄造成的長期水分虧損的困境[1]。因此催生了許多以城市人居環(huán)境為研究基點，以改善人居環(huán)境為目的的耐旱植物篩選課題[14—20]。

干旱問題已經(jīng)從自然滲透到人居，加強城市園林植物的篩選于城市應(yīng)對水資源短缺問題至關(guān)重要；然而不合理的園林植物配置形式依然存在，這使得耐干旱植物的節(jié)水優(yōu)勢得不到體現(xiàn)，進而導致植物管養(yǎng)成本增加、各類場景的植物元素趨同[21]。為降低養(yǎng)護成本、豐富華南地區(qū)各類干旱脅迫綠化場景的園林植物應(yīng)用，本文以22種華南地區(qū)常見園林植物為研究材料，通過測定其葉片在干旱脅迫下丙二醛、過氧化物酶、葉綠素、相對電導率等4個生理指標的動態(tài)變化規(guī)律，綜合評價篩選出華南地區(qū)的耐旱園林植物品種，為城市園林綠化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用長勢均一盆栽1年生的園林植物22種，包括4種多年生草本植物和18種灌木，種植于21 cm(口徑)×21 cm (高)的種植盆中。每種植物5個重復(fù)。試驗苗、種植盆、基質(zhì)規(guī)格、類型統(tǒng)一，皆由深圳花卉苗圃供應(yīng)商提供。

表1 供試植物種類Table 1 Plants list of drought resistance test

1.2 方法

2020年6月23日進苗，放入深圳龍崗區(qū)達成工業(yè)園簡易透光塑料遮雨棚內(nèi)，盆與盆之間保持一定距離，避免交叉遮光。試驗時間為6月23日～7月13日，在試驗前3 d澆水至飽和狀態(tài)，分別將每種植物取5盆置于雨棚內(nèi)的中轉(zhuǎn)箱(隔絕盆栽植物根系與盆栽外土壤的聯(lián)系)作干旱脅迫處理。設(shè)定土壤相對含水量(土壤含水量占田間持水量的比例)80%以上為正常水平，50%～70%為輕度干旱，30%～50%為中度干旱，低于 30%為重度干旱[7]。實驗期間遮雨棚內(nèi)月均溫度31.2 ℃，最高溫度37.4 ℃，每天測定土壤含水量，確立不同土壤干旱等級對應(yīng)的脅迫天數(shù)0 d、5 d、10 d、15 d，即采樣時間節(jié)點，其中0 d作為參照組(CK)指示供試苗木正常水分條件下的指標。葉綠素含量測定時標記中高處固定枝條上的葉片，于14:30～15:30現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)；采樣時取植物中高處未干枯葉裝入自封袋，置于液氮中短暫保存，隨后轉(zhuǎn)至超低溫保存箱-80 ℃長期保存[22]，測定葉片相對電導率、丙二醛含量、過氧化物酶活性等指標的變化，采樣時間定于上午8:00～9:00[1]。

1.3 指標測定

葉綠素含量采用便攜式葉綠素測定儀(HM-YC)進行測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定，相對電導率采用DDS-307電導儀測定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2016處理數(shù)據(jù)和制作圖表，運用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析，使用最小顯著差異法(LSD法)對每個指標不同處理間的差異顯著性進行多重比較分析(P＜0.05)。用耐旱系數(shù)對相關(guān)指標進行數(shù)據(jù)分析，單項指標耐旱系數(shù)α=實驗組指標含量/參照組指標含量×100%[24—26]。采用主成分分析法計算各項指標耐旱系數(shù)的綜合指標，然后根據(jù)各綜合指標的隸屬函數(shù)權(quán)重值對各種植物進行耐旱性綜合評價、排序。

采用綜合評價法對葉片各生理指標的測定值進行抗逆性評定。若某一指標與植物抗逆性呈正相關(guān)，隸屬函數(shù)值的計算公式為 U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；若某一指標與植物抗逆性呈負相關(guān)，其計算公式為U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。其中U(Xi)代表指標的隸屬函數(shù)值，Xi表示指標的平均測定值，Xmin表示該指標的最小值，Xmax表示該指標的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對葉片葉綠素含量的影響

隨著干旱脅迫時間增長，22種園林植物中多數(shù)種類的葉綠素含量呈下降趨勢，而梔子花(Gardenia jasminoides)、紅車(Syzygium hancei)、桂花Osmanthus fragrans var.fragrans)、鴨腳木Schefflera octophylla)葉綠素含量總體呈上升趨勢(表2)。同一種植物在不同的控水時間內(nèi)葉綠素含量變化幅度有所差異，鳶尾(Iris tectorum)、翠蘆莉Ruellia simplex)、灰莉(Fagraea ceilanica)等植物在整個控水周期或大部分時段，葉綠素含量上升或下降速度較緩慢，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，說明其對干旱脅迫的適應(yīng)性；龍船花(Ixora chinensis)、黃蟬Allemanda schottii)、假連翹(Duranta erecta)、紅檵木(Loropetalum chinense var.rubrum)、紫薇(Lagerstroemia indica)、小花月季(Rosa chinensis var.minima)、銅錢草(Hydrocotyle chinensis)在干旱5 d后葉綠素出現(xiàn)急劇下降，脅迫15 d后相對于對照組，下降幅度超過70%以上，說明這些植物對干旱的耐受性較差。

表2 干旱脅迫對22種植物葉片葉綠素相對含量(SPAD)的影響Table 2 Effect of drought stress on chlorophyll relative contents (SPAD) of leaves of 22 plants

2.2 干旱脅迫對葉片丙二醛含量的影響

相對于對照組，干旱脅迫的22種植物葉片丙二醛(MDA)含量隨著干旱脅迫時間延長總體呈持續(xù)上升的趨勢(表3)。同種植物在不同控水時間內(nèi)葉片丙二醛含量變化幅度不一，桂花、鴨腳木、灰莉等植物在整個控水周期或大部分時段，MDA含量差異較小，說明它們面對干旱脅迫能有效緩解 MDA含量上升，降低干旱脅迫傷害；而銅錢草、紅檵木、紫薇、風車草、小花月季、黃蟬等植物在干旱5 d后，表現(xiàn)出與對照組 MDA的明顯差異，且不同時間段呈現(xiàn)的差異也較大，脅迫15 d后MDA含量是CK組的2倍，說明這些植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)性較差。

表3 干旱脅迫對22種植物葉片MDA含量的影響Table 3 Effect of drought stress on MDA content of leaves of 22 plants

2.3 干旱脅迫對葉片過氧化物酶活性的影響

隨著干旱時間延長，多數(shù)植物葉片的過氧化物酶(POD)活性呈先增加后降低的趨勢，米仔蘭(Aglaia odorata)、琴葉珊瑚(Jatropha integerrima)、銅錢草、梔子花、鳶尾、紅背桂(Excoecaria cochinchinensis)逐漸升高的趨勢，翠蘆莉呈先降低后升高趨勢(表4)；鴨腳木、紅車(Syzygium hancei)、紫薇、紅檵木在不同時間梯度下，POD活性差異不明顯，龍船花、紅背桂、小花月季等植物POD活性的差異顯著。

表4 干旱脅迫對22種植物葉片POD活性的影響Table 4 Effect of drought stress on POD activity of leaves of 22 plants

2.4 干旱脅迫對葉片相對電導率的影響

與對照組比較，各種植物相對電導率在不同干旱脅迫時間內(nèi)均有一定的差異，且隨著干旱時間的增加，大部分植物的電導率呈現(xiàn)增加的趨勢(表 5)。同種植物在不同的控水時間內(nèi)相對電導率含量變化幅度不同，灰莉、鴨腳木、翠蘆莉、鳶尾、茉莉花在不同時間梯度下與對照組差異不明顯，說明這些植物葉細胞膜受損程度較低，體現(xiàn)出對干旱脅迫的適應(yīng)性；而黃嬋、銅錢草、紅檵木、小花月季、風車草等在脅迫第5天就表現(xiàn)出與對照組的顯著差異，15 d后的電導率是CK組的1.48倍以上，且不同時間段的相對電導率差異明顯，說明這些植物在干旱條件下細胞膜破損程度較大。

表5 干旱脅迫對22 種植物葉片相對電導率的影響Table 5 Effect of drought stress on the relative conductivity of leaves of 22 plants

2.5 22種園林植物的耐干旱綜合評價

抽樣適合性檢驗值KMO=0.625，P<0.05，表明原始數(shù)據(jù)適合做主成分分析。單指標的相關(guān)矩陣分析顯示，葉綠素與POD、電導率的相關(guān)系數(shù)分別為0.848、-0.742，分別呈顯著正、負相關(guān)。電導率與MDA、POD的相關(guān)系數(shù)為 0.750、-0.846，分別呈顯著正、負相關(guān)(表6)。

表6 單指標相關(guān)矩陣Table 6 Correlation matrix

方差分解主成分提取分析顯示，主成分1僅能提取76.054%的數(shù)據(jù)信息(表7)，因此設(shè)置特征值0.7以提取2個主成分，解釋了95.529%的信息，達到較理想的數(shù)據(jù)降維效果。初始荷載矩陣顯示，主成分1將POD、葉綠素、MDA、電導率4個指標信息進行較全面提取，同時也顯現(xiàn)出各指標間的顯著正負相關(guān)關(guān)系，主成分2主要提取了MDA信息(表8)。

表7 方差分解主成分提取分析表Table 7 Principal component analysis of variance decomposition

表8 初始因子載荷矩陣Table 8 Component matrix of variance decomposition

通過綜合評價，22種植物抗旱能力由高到低綜合排序為：灰莉、鴨腳木、桂花、鳶尾、翠蘆莉、梔子花、變?nèi)~木(Codiaeum variegatum)、紅車、紅背桂、茉莉花、福建茶(Carmona microphylla)、米仔蘭、大紅花(Hibiscus rosa-sinensis)、琴葉珊瑚、龍船花、黃蟬、假連翹、紅檵木、紫薇、風車草、小花月季、銅錢草(表9)。耐旱等級的表觀劃分是以植物葉片的萎蔫率或凋落量為依據(jù)，即葉片萎蔫率和凋落量10%以下為 A級強耐旱植物，葉片萎蔫率和凋落量10%～30%為 B級中耐旱植物，葉片萎蔫率和凋落量30%以上為C級不耐旱植物。以每種植物的綜合指標得分為基礎(chǔ)進行聚類，將22種植物劃分為三大類群(圖1)：灰莉、鴨腳木、桂花、鳶尾4種植物綜合得分 0.805～0.954，這些植物在脅迫期間生長正常，無明顯葉片萎蔫(萎蔫率0%～5%)、灼傷現(xiàn)象，屬于 A級強耐旱植物；翠蘆莉、梔子花、變?nèi)~木、紅車、紅背桂、茉莉花 6種植物綜合得分 0.570～0.732，在脅迫期間生長良好，但伴隨不同程度的葉片發(fā)黃、萎蔫(萎蔫率15%～25%)、枯落現(xiàn)象，屬B級耐旱植物；福建茶、米仔蘭、大紅花、琴葉珊瑚、龍船花、黃蟬、假連翹、紅檵木、紫薇、風車草、小花月季、銅錢草12種植物綜合得分0.039～0.478，在干旱脅迫末期長勢差，常伴隨大部分葉片萎蔫(萎蔫率達 50%～100%)或枯落或植株死亡枝條干枯現(xiàn)象，屬于C級不耐旱植物，這些植物不宜應(yīng)用于干旱脅迫嚴重的園林場景(表9)。

圖1 22種植物的D值聚類分析Fig.1 D value cluster analysis of 22 species of landscape plants

表9 耐旱系數(shù)主成分分析Table 9 Principal component of drought tolerance

3 討論

土壤干旱會降低植物葉片葉綠素的合成效率，同時加速葉片自身葉綠素的分解，導致葉片葉綠素含量降低[18]。干旱脅迫下抗性強的植物葉綠素含量降低幅度小于抗旱性弱的植物。本研究的灰莉、鳶尾、翠蘆莉均能維持穩(wěn)定的葉綠素含量，而同為耐旱植物的鴨腳木、桂花、梔子花、紅車葉綠素含量呈持續(xù)增長，這與潘昕等[7]、吳雪儀等[18]的研究結(jié)果一致，究其原因可能是由于組織含水量下降使葉綠素含量呈相對濃縮的狀態(tài)，從而提高了葉片單位鮮重中的葉綠素含量[18]。

丙二醛是植物受不利環(huán)境因素脅迫時膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，含量增幅越大，植物受損程度越高，其耐受性越差，相反則表現(xiàn)出對不利環(huán)境的適應(yīng)性。桂花、鴨腳木、灰莉等植物在整個控水周期或大部分時段表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，屬耐旱性較強植物。

相對電導率是反映植物細胞膜受損程度的指標。一般而言，干旱脅迫會破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，通過增強質(zhì)膜的透性，使內(nèi)含物外滲，從而增強電導率，灰莉、鴨腳木、翠蘆莉、鳶尾、茉莉花在不同時間干旱梯度下相對電導率與對照組差異不明顯，表現(xiàn)出較強的耐旱性，而黃嬋、銅錢草、紅檵木、小花月季、風車草等在干旱脅迫期間，其細胞膜受損程度大，相對電導率一直處于上升狀態(tài)，耐旱性較差。

為了應(yīng)對外界不利環(huán)境條件，植物體內(nèi)抗氧化酶清除作用常與活性氧的產(chǎn)生保持動態(tài)平衡。干旱脅迫下植物體水分失衡將造成活性氧積累，POD活性可以反映細胞清除活性氧的能力。本研究多數(shù)植物的POD活性呈先增加后降低的趨勢，少數(shù)植物呈逐漸升高的趨勢，說明多數(shù)植物都對環(huán)境脅迫產(chǎn)生了一定的應(yīng)激生理反應(yīng)。部分植物如鴨腳木、紅車、紫薇、風車草、紅檵木、紫薇的POD活性在干旱脅迫前后并未出現(xiàn)明顯的差異，但耐旱性卻存在顯著的差異，可能是因為植物對逆境的抗性是多種抗氧化酶作用的結(jié)果，僅用POD活性指標不能完整地體現(xiàn)不同植物抗氧化酶系統(tǒng)的作用。

通過對植物葉片在干旱梯度下的多個生理指標進行植物耐旱性綜合評價和等級劃分，篩選出的 A級強耐旱植物(灰莉、鴨腳木、桂花、鳶尾)和 B級中耐旱植物(翠蘆莉、梔子花、變?nèi)~木、紅車、紅背桂、茉莉花)，這些植物在干旱脅迫期間生長狀況良好，葉片枯落現(xiàn)象不明顯，復(fù)水后能迅速復(fù)壯，在后續(xù)工作中這些植物可以結(jié)合場景的干旱梯度和對光環(huán)境需求，于邊坡綠化、垂直綠化、屋頂綠化場景中試用。需注意的是，紅檵木、紫薇是兩種傳統(tǒng)園林中應(yīng)用較多的耐干旱植物，而本研究中的表觀現(xiàn)象、綜合指標評價和聚類劃分均支持將二者劃為C級不耐旱植物之列，這可能是本研究僅考察植物葉片部位若干生理指標對梯度干旱脅迫的響應(yīng)，而植物對干旱脅迫的響應(yīng)或適應(yīng)是根、莖、葉綜合作用的結(jié)果。有些植物葉片部位的萎蔫、枯落及其生理指標的變化并不一定能夠體現(xiàn)整株植物的耐旱性。實際上，紫薇和紅檵木在干旱脅迫期間隨著處理時間延長，葉片趨于完全萎焉或枯落的現(xiàn)象，是防止體內(nèi)水分蒸發(fā)，適應(yīng)干旱環(huán)境的有效方式。本研究在干旱脅迫60 d后澆水，二者仍能迅速復(fù)壯。因此，在同類研究中應(yīng)綜合考慮干旱脅迫對植物根、莖、葉等的形態(tài)、生理關(guān)聯(lián)性變化，避免單一指標分析的局限性。