海水處理對(duì)沼澤小葉樺苗木生長(zhǎng)和生理的影響

佘建煒，張 康，鄭 旭，趙小軍，程 方，唐羅忠

(南京林業(yè)大學(xué)，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037)

沼澤小葉樺(Betulamicrophyllavar.paludosa)是樺木屬植物小葉樺(B.microphylla)的變種，原產(chǎn)于新疆吉木乃縣以及和布克賽爾縣等地[1]。沼澤小葉樺種質(zhì)資源稀少，為國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)物種[2]。野生的沼澤小葉樺主要生長(zhǎng)于鹽堿沼澤地，具有較強(qiáng)的耐鹽性，在改良和開發(fā)利用鹽漬土方面具有較大潛力[3]，而通過種植耐鹽植物來改良和利用鹽漬土是目前的研究熱點(diǎn)[4]。我國沿海地區(qū)鹽漬土面積廣闊，但沿海環(huán)境不同于內(nèi)陸環(huán)境，因受水文和地質(zhì)活動(dòng)的影響，沿海地區(qū)土壤的鹽分組成與海水相近[3]。在沿海地區(qū)，植物除了會(huì)受到土壤鹽脅迫的影響，還易受到鹽霧脅迫的影響。海水在風(fēng)浪作用下會(huì)產(chǎn)生無數(shù)含鹽的水滴微粒(鹽霧)，這些微粒懸浮在空氣中，會(huì)逐漸沉降到近海陸地上，致使植物受害，甚至枯萎死亡[5-7]。已有研究表明，鹽脅迫會(huì)對(duì)植物組織產(chǎn)生滲透阻礙、離子毒害以及活性氧代謝失衡等生理干擾[8-9]。但是當(dāng)不同的植物遭受鹽脅迫時(shí)，它們?cè)谛螒B(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝以及生長(zhǎng)過程中的響應(yīng)有所不同[4]。為此，本試驗(yàn)?zāi)M沿海地區(qū)環(huán)境，首次采用不同濃度的海水對(duì)沼澤小葉樺的葉片進(jìn)行鹽霧處理，并對(duì)土壤進(jìn)行澆灌處理。調(diào)查苗木的形態(tài)和生長(zhǎng)狀況，同時(shí)對(duì)葉片的葉綠素含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性等生理指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以探討沼澤小葉樺對(duì)海水鹽脅迫的響應(yīng)情況，以期為珍稀植物沼澤小葉樺的保護(hù)及其在沿海地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為1.5年生沼澤小葉樺盆栽扦插苗，苗高約70 cm，地徑約4.5 mm，苗木健康整齊。采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)?；ㄅ杩趶?1.5 cm，底徑17 cm，高22 cm。基質(zhì)為長(zhǎng)江灘地沙壤土，土壤pH為7.37，全氮含量為1.70 g/kg，全磷含量為2.40 g/kg，全鉀含量為8.23 g/kg，全鈉含量為0.21 g/kg。每盆土壤的質(zhì)量控制在5 kg(烘干)。2018年7月初，把苗木轉(zhuǎn)移到南京林業(yè)大學(xué)下蜀實(shí)習(xí)林場(chǎng)溫室中(溫室可以進(jìn)行溫度、光照強(qiáng)度、空氣濕度和土壤水分的調(diào)控)。苗木經(jīng)過2周的適應(yīng)后，于7月中旬用稀釋成一定鹽度(含鹽量)的海水對(duì)盆內(nèi)土壤、苗木葉片進(jìn)行澆灌、噴霧處理，實(shí)驗(yàn)用海水取自江蘇省鹽城市大豐區(qū)海域(黃海)，經(jīng)測(cè)定總含鹽量為30.7 g/L。脅迫處理時(shí)間從7月中旬到苗木完全落葉時(shí)為止(11月初)。

試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，分別設(shè)置4個(gè)鹽度的土壤海水處理(土壤澆灌)和4個(gè)鹽度的葉片海水處理(葉片噴霧)。土壤海水處理的鹽度分別為0%(CK)、0.2%、0.4%和0.6%(所澆灌海水的含鹽量相對(duì)于盆土質(zhì)量的百分比)，即取不同體積的海水，用自來水定容至1 L后均勻澆灌到相應(yīng)的盆土中。葉片海水處理的鹽度分別為0、3.07、6.14和15.35 g/L(稀釋后的海水含鹽量分別為原海水總含鹽量的0倍、1/10倍、1/5倍和1/2倍)，即取不同體積的海水與蒸餾水混合，使其含鹽量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。用噴霧器向植株葉片正反兩面均勻噴霧，直至葉片表面水分飽和、開始形成水滴時(shí)為止。試驗(yàn)期間應(yīng)每隔2 d對(duì)土壤海水處理1次，葉片海水處理2次。每種處理重復(fù)4次，每個(gè)重復(fù)4盆苗木，每盆栽植2株苗。

試驗(yàn)期間用自來水小心澆灌苗木以補(bǔ)充土壤水分，并在每個(gè)花盆下部放置一個(gè)托盤，定期將滲漏至托盤中的水回灌至盆土中，盡量保證土壤鹽分不流失。

1.2 調(diào)查方法

在海水脅迫處理后的第2、6、14、30天，觀察并記錄苗木的形態(tài)變化。在脅迫處理前和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別測(cè)量苗木高度、地徑，計(jì)算各處理苗高、地徑的增量。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，統(tǒng)計(jì)苗木存活率，收獲全株后帶回實(shí)驗(yàn)室，洗凈，分割為地上部分和地下部分，在105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min，再在65 ℃下烘干稱量，計(jì)算生物量。

海水處理后，每隔一定時(shí)間采集不同處理的苗木葉片，參照文獻(xiàn)[10-13]的方法分別測(cè)定葉片葉綠素、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量，以及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性和細(xì)胞質(zhì)膜透性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算。用SPSS 24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較，并對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。用Origin 2017制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水處理下沼澤小葉樺苗木的形態(tài)變化

在海水處理早期，沼澤小葉樺苗木形態(tài)并不會(huì)發(fā)生明顯變化(表1)，經(jīng)過0.4%以上鹽度的海水處理土壤30 d后，苗木下部部分葉片枯萎、脫落。

表1 海水處理后沼澤小葉樺苗木的形態(tài)變化Table 1 Morphological changes of cutting seedlings after seawater treatment

高鹽度海水處理(6.14 g/L以上)葉片6 d左右，苗木開始出現(xiàn)葉緣黃化和枯萎等癥狀；14 d后，受害癥狀加劇，出現(xiàn)落葉現(xiàn)象，尤其在15.35 g/L海水噴霧處理下，植株落葉嚴(yán)重，并開始萌發(fā)新葉；30 d后，部分植株枯梢。總體而言，低鹽度的海水處理土壤對(duì)苗木危害較小，高鹽度的海水處理葉片對(duì)苗木危害較大。

2.2 海水處理下沼澤小葉樺苗木存活及生長(zhǎng)情況

從7月中旬開始進(jìn)行海水處理到11月初試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各種土壤澆灌處理下的沼澤小葉樺苗木成活率均為100%(表2)，表明沼澤小葉樺對(duì)土壤海水脅迫具有很強(qiáng)的耐受性。但是不同鹽度處理間的苗高增量、地徑增量以及生物量存在一定差異，其中鹽度為0.4%和0.6%處理下的苗高增量顯著小于CK和0.2%處理(P<0.05)；0.6%處理下的苗木地徑增量顯著小于其他處理(P<0.05)；高鹽度海水處理下的苗木生物量總體小于對(duì)照和低鹽度海水處理，但是不同處理之間的差異不顯著(P>0.05)(表2)。

表2 海水處理土壤葉片后沼澤小葉樺苗木的存活率及其生長(zhǎng)情況Table 2 Survival rate and growth of seedlings under seawater treatments on soil and leaf

葉片海水處理的鹽度在6.14 g/L及以下時(shí)，苗木存活率均為100%，在15.35 g/L葉片海水處理下，苗木存活率下降為87.5%，說明該鹽度葉片海水處理下，沼澤小葉樺受到明顯傷害。苗高增量和地徑增量均隨處理鹽度的提高而降低，且15.35 g/L處理下的苗高和地徑增量均顯著小于CK處理(P<0.05)。3種鹽度海水噴霧處理下的苗木生物量均小于CK處理，但差異不顯著(P>0.05)(表2)。

2.3 海水處理對(duì)沼澤小葉樺苗木生理的影響

1)葉片葉綠素含量。沼澤小葉樺葉綠素含量(葉綠素a+葉綠素b)的變化如圖1所示?？梢钥闯?，在0.2%的土壤海水澆灌處理和3.07 g/L的葉片海水噴霧處理下，葉綠素含量總體較高；在0.4%的土壤海水處理22 d時(shí)葉綠素含量明顯低于其他處理(P<0.05)；除此之外，在相同時(shí)間點(diǎn)，不同處理之間的葉綠素含量差異均較小(P>0.05)。由于苗木在15.35 g/L噴霧處理下葉片大量枯萎并凋落，所以從第12天后，對(duì)該處理停止采葉分析，故沒有該處理下的葉綠素含量、可溶性蛋白含量、葉片相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、SOD和POD活性數(shù)據(jù)。

A.土壤海水澆灌處理seawater treatment on soil；B.葉片海水噴霧處理seawater treatment on leaf. 15.35 g/L葉片海水處理12 d后苗木全部落葉，故沒有數(shù)據(jù)。下同。All leaves of seedlings were fallen after 12 days of seawater treatment in 15.35 g/L, so there was no data. The same below.圖1 不同處理下沼澤小葉樺苗木葉片生理指標(biāo)的變化Fig.1 Changes of chlorophyll content in seedlings leaves under different treatments

2)葉片可溶性蛋白含量。試驗(yàn)期間，苗木葉片可溶性蛋白含量變化雖然總體比較平緩，但是在0.2%的土壤海水澆灌處理和3.07 g/L的葉片海水噴霧處理下，可溶性蛋白含量在多數(shù)時(shí)間點(diǎn)上要高于CK和其他處理，特別是在海水處理12 d時(shí)，0.2%的土壤海水澆灌處理和3.07 g/L的葉片海水噴霧處理下可溶性蛋白含量顯著高于其他相應(yīng)處理(P<0.05)。

3)葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性。試驗(yàn)期間，各種處理的葉片相對(duì)電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)，其中CK處理下的上升比較平緩，其他處理的上升幅度較大，在15.35 g/L的葉片海水噴霧處理下，相對(duì)電導(dǎo)率升幅最大。方差分析結(jié)果顯示：土壤海水澆灌處理下，0.6%處理的葉片相對(duì)電導(dǎo)率顯著高于CK處理(P<0.05)，其他處理與CK相比無顯著差異(P>0.05)。在葉片海水噴霧處理下，相對(duì)電導(dǎo)率都明顯高于CK(P<0.05)，總體差異性依次為15.35 g/L處理>6.14 g/L處理>3.07 g/L處理>CK。

4)葉片MDA含量。試驗(yàn)期間，不論是土壤海水澆灌處理還是葉片海水噴霧處理，不同鹽度之間的苗木葉片MDA含量差異均較小(P>0.05)，且動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本相同。但是，土壤海水澆灌處理下的MDA平均含量都略低于CK；相反，葉片海水噴霧處理下的MDA平均含量都略高于CK。

5)葉片SOD活性。不同處理之間的苗木葉片SOD活性存在較大差異。方差分析結(jié)果表明，土壤經(jīng)海水處理后苗木葉片SOD活性顯著低于CK(P<0.05)。葉片經(jīng)海水處理后，除了15.35 g/L處理在早期(12 d前)高于CK，其他處理的SOD活性都顯著低于CK(P<0.05)。

6)葉片POD活性。不論是土壤還是葉片，經(jīng)海水處理后，苗木葉片POD活性在早期(12 d前)幾乎均高于CK；在后期均逐漸低于CK。平均值顯示，土壤海水澆灌處理下，0.6%處理的POD活性最高，而0.2%、0.4%處理與CK之間差異較??；葉片海水噴霧處理早期，15.35 g/L處理的POD活性最高，但與CK的差異不顯著(P>0.05)，處理36 d時(shí)CK明顯最高(P<0.05)。

2.4 不同生理指標(biāo)間的相關(guān)性

海水處理下，沼澤小葉樺葉片MDA含量與葉綠素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與可溶性蛋白含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。SOD活性與相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與MDA含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。其他指標(biāo)之間的相關(guān)性均不顯著(表3)。

表3 海水處理下沼澤小葉樺生理指標(biāo)的Pearson相關(guān)性系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficient of physiological indexes of B. microphylla var. paludosa under seawater treatment

3 討 論

存活率和生長(zhǎng)量是植物抗逆性的直觀表現(xiàn)[14-15]。多數(shù)研究顯示，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致植物苗高、地徑生長(zhǎng)減慢，生物量積累減少[16-17]。本試驗(yàn)中，沼澤小葉樺的苗高和地徑增量隨海水鹽度的提高呈下降趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果[18]一致，尤其是在高鹽度的土壤海水處理(0.6%)和高鹽度的葉片海水處理(15.35 g/L)下，沼澤小葉樺的生長(zhǎng)量顯著降低，在15.35 g/L葉片海水處理下苗木甚至出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，說明沼澤小葉樺受高鹽度海水脅迫的影響較大。而在0.2%的土壤海水處理下，苗木地徑增量和生物量卻最大，說明適量的土壤鹽(海水)處理可能有利于沼澤小葉樺的生長(zhǎng)。這也許與其自然習(xí)性有關(guān)，沼澤小葉樺原產(chǎn)于鹽堿地區(qū)，其在生理上已適應(yīng)一定濃度的鹽分環(huán)境。此外，本研究采用海水進(jìn)行鹽處理，除了含有Na+，還含有K+、Ca2+、Mg2+等離子，在低鹽度的海水處理下，對(duì)于具有較強(qiáng)耐鹽性的沼澤小葉樺而言，其促進(jìn)作用可能大于抑制作用，但是在高鹽度的海水處理下，抑制作用占據(jù)主導(dǎo)。

葉綠素表征了植物的光能利用率，是光合電子傳遞鏈的核心環(huán)節(jié)，能有效反映植物光合能力的強(qiáng)弱[19]。本研究中，各種海水處理的葉片葉綠素含量與CK的差異性雖沒有明顯規(guī)律，但0.2%土壤海水處理和3.07 g/L葉片海水處理的葉綠素含量總體上高于其他處理，說明沼澤小葉樺在低鹽度的海水處理下能保持正常的光合作用，因此苗木碳水化合物的積累量(個(gè)體生長(zhǎng)量)比較大。而當(dāng)環(huán)境中的鹽分含量過高時(shí)，植物吸水困難，容易引起生理干旱和離子毒害，阻礙植物生長(zhǎng)。

可溶性蛋白既是植物體內(nèi)典型的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[20]，也是細(xì)胞內(nèi)重要的代謝酶組分[21]，在植物應(yīng)對(duì)鹽脅迫時(shí)發(fā)揮重要作用。本研究中，雖然可溶性蛋白含量變化較為平緩，但是低鹽度的土壤海水處理(0.2%)和葉片海水處理(3.07 g/L)下苗木可溶性蛋白含量總體高于CK且差異顯著，其他鹽度的海水處理與CK差異不顯著，表明低鹽度的海水處理可以誘導(dǎo)沼澤小葉樺葉片形成和積累可溶性蛋白，而高鹽度的海水處理可能無法促進(jìn)可溶性蛋白的形成與積累。

細(xì)胞是植物生理活動(dòng)的基本單元。鹽脅迫往往會(huì)引起植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損傷，致使細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲[22]。膜透性是反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受損情況的重要指標(biāo)，而MDA作為膜脂氧化的產(chǎn)物，同樣反映出細(xì)胞膜的損傷程度[23-24]。本研究中，在土壤海水處理下，只有高鹽度(0.6%)土壤海水處理的葉片相對(duì)電導(dǎo)率顯著高于CK，其他鹽度的土壤海水處理與CK相比無明顯差別；而葉片海水處理下的相對(duì)電導(dǎo)率均明顯高于CK，且呈現(xiàn)為15.35 g/L處理的相對(duì)電導(dǎo)率高于其他處理，說明葉片海水處理對(duì)葉片細(xì)胞的傷害要大于土壤海水處理，其原因可能是土壤的膠體吸附和離子交換等途徑能緩解土壤海水處理后有害鹽離子對(duì)植物的毒害作用，而葉片海水處理則導(dǎo)致有害鹽離子對(duì)葉片產(chǎn)生直接傷害，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鹽分的滲透脅迫。

就MDA含量變化看，雖然不同處理間的差異未達(dá)到顯著水平，但是土壤海水處理下的MDA含量總體要低于CK，而葉片海水處理下的MDA含量總體要高于CK。本研究中，葉片海水處理對(duì)沼澤小葉樺葉片細(xì)胞會(huì)造成較大傷害，而土壤海水處理的傷害相對(duì)較小。相關(guān)性分析結(jié)果表明，葉綠素及可溶性蛋白含量與MDA含量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即MDA含量越高，葉綠素和可溶性蛋白含量越低。綜合認(rèn)為，與土壤海水澆灌處理相比，葉片海水噴霧處理不僅對(duì)沼澤小葉樺的細(xì)胞膜會(huì)造成較大損害，對(duì)其葉綠素和滲透調(diào)節(jié)的影響更大。

細(xì)胞膜受損往往與活性氧的增加有關(guān)。正常情況下，植物體內(nèi)活性氧的代謝處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)植物遭遇鹽脅迫時(shí)，代謝受到干擾，進(jìn)而引發(fā)活性氧的積累，活性氧對(duì)細(xì)胞膜有明顯的破壞作用[25]。多數(shù)研究表明，植物可以通過提高抗氧化酶活性來抵御活性氧的影響，SOD和POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，它們?cè)谌コ蹶庪x子的過程中起著關(guān)鍵作用[26-27]。本研究表明，與對(duì)照相比，不論是土壤海水處理還是葉片海水處理，都會(huì)導(dǎo)致沼澤小葉樺葉片SOD活性降低；而葉片POD活性在海水處理早期雖高于CK，在后期卻逐漸低于CK。說明在海水脅迫處理下，沼澤小葉樺可能并不是通過提高葉片SOD活性來抵御活性氧的影響；而POD可能也只是在脅迫處理早期具有抵御作用，后期的作用會(huì)降低。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，濱海鹽土的表層含鹽率一般為1%～3%，1 m土層中的含鹽率介于0.5%～2.0%[28]。但經(jīng)挖溝、洗鹽、耕作等措施，濱海土壤含鹽量能明顯降低[29]。鹽霧來自海洋，鹽霧的組成與海水相似，一般來說，距海岸越近，風(fēng)力越大，鹽霧的鹽濃度越高[30]。沿海防護(hù)林的營造可以明顯阻擋鹽霧的影響，降低鹽霧的鹽濃度[6]。本研究中，沼澤小葉樺對(duì)0.6%的海水澆灌處理和1/5倍的海水噴霧處理(即鹽度為6.14 g/L)表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，表明沼澤小葉樺在濱海鹽堿地綠化中具有一定的應(yīng)用潛力。

4 結(jié) 論

低濃度的土壤海水處理(0.2%)能適當(dāng)提高沼澤小葉樺葉片葉綠素含量和可溶性蛋白含量，并促進(jìn)苗木生長(zhǎng)。不論是土壤海水處理還是葉片海水處理，都會(huì)導(dǎo)致苗木葉片相對(duì)電導(dǎo)率提高，且葉片海水處理的提高幅度更加明顯。土壤海水處理下的苗木葉片MDA含量低于CK，葉片海水處理下的MDA含量高于CK，但差異均不顯著。除了高濃度的葉片海水處理(15.35 g/L)在早期會(huì)促使苗木葉片SOD活性顯著高于CK，其他葉片或土壤海水處理的SOD活性均低于CK。海水處理后，苗木葉片POD活性在早期高于CK，在處理后期低于CK。

在0.6%的土壤海水處理或6.14 g/L的葉片海水處理下，苗木未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，且具有一定的生長(zhǎng)量。可以認(rèn)為，沼澤小葉樺能耐受0.6%的土壤海水處理鹽度或6.14 g/L的葉片海水處理鹽度，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽特性，在濱海鹽堿地綠化中具有一定的應(yīng)用潛力。

當(dāng)然，本研究只采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了土壤和葉片海水鹽脅迫下的沼澤小葉樺形態(tài)、生長(zhǎng)和生理變化，在沿海地區(qū)，土壤鹽脅迫與空氣鹽霧脅迫往往是同時(shí)存在。所以，今后有必要進(jìn)行雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及持續(xù)性的鹽霧試驗(yàn)，并有必要開展野外試驗(yàn)，以獲得更加符合實(shí)際的研究結(jié)果。