混合鹽脅迫對欒樹光合生理指標的影響

張若溪，蔡亞南，李慶衛(wèi)

(北京林業(yè)大學 園林學院，北京,100083)

土壤鹽漬化嚴重影響了全球土地資源和生態(tài)環(huán)境[1]，而近年來融雪劑的頻繁使用導致了城市土壤受到嚴重的危害，受融雪劑污染的土壤也屬于鹽害土，融雪劑對土壤的污染最直接就表現在植物的生長上，土壤的鹽漬化造成植被覆蓋率低，植物種類單一，嚴重制約了城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此，對于耐鹽植物的選擇、應用以及緩解鹽害、修復鹽漬化土地、豐富鹽堿地景觀和改善城市環(huán)境具有十分重要的意義[3]。迄今為止，植物鹽堿脅迫方面的研究側重于農業(yè)和草業(yè)方面，而關于林木耐鹽堿方面的研究報道甚少[4]，并且此類研究也多集中于單鹽對植物生長發(fā)育影響方面[5]。中國的鹽堿土常以混合鹽的形式存在，是鹽和堿混合后形成的協同效應而不單是兩種脅迫簡單的疊加[6]，因此，在鹽堿復合脅迫環(huán)境下，植物在遭受滲透傷害和離子毒害的同時還會受到堿脅迫所引起的高pH影響，這使得植物的生長抑制程度更加嚴重。

欒樹(Koelreuteriapaniculata)在園林綠化中應用較多，其觀賞性較高，抗逆性較強，是優(yōu)良的園林綠化行道樹樹種[7]?，F今國內外對欒樹的研究多集中在光合特性[8-11]、繁殖育苗[12]、抗逆性等方面，其中抗逆性研究包括干旱脅迫[13]和重金屬離子脅迫[14-15]等，關于欒樹對混合鹽脅迫的適應機制和耐鹽機理的研究報道較少。本試驗以“北京園林綠化增彩延綠科技創(chuàng)新工程”及“北京市耐鹽性植物功能的篩選”課題為依托，以2年生扦插苗欒樹為研究對象，參照前人實驗加以修改[16-17]，將NaCl和NaHCO3按摩爾質量比(1∶1)配制成混合鹽溶液，并設置不同脅迫濃度梯度，采用多次添加、逐級遞增的施加方式，研究混合鹽脅迫下欒樹幼苗生理指標的變化，揭示鹽逆境條件下其生理變化的規(guī)律，為欒樹在鹽漬化土壤上推廣栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗在北京林業(yè)大學北林科技園苗圃進行，供試材料為2年生的欒樹扦插苗。于2018年3月份將長勢一致的苗木栽植于上30 cm×20 cm×30 cm的塑料花盆內，盆底設置托盤。盆內裝6.0 kg 基質，基質由草炭土、珍珠巖、洗凈河沙按2∶1∶1的比例混合而成。

1.2 試驗設計

于2019年6月下旬，試驗苗進入旺盛生長期時控水1周，使土壤干燥利于鹽分的擴散。將NaCl和NaHCO3按摩爾質量比1∶1配制成混合鹽溶液。試驗設置0(清水，CK)、100、200、300、400和500 mmol·L-1共6個混合鹽濃度處理，其對應的土壤含鹽量(土壤含鹽量=鹽質量/土壤質量)分別為0、0.08%、0.17%、0.25%、0.33%和0.42%。鹽施加方式為多次添加、逐級遞增，每盆每次澆施混合鹽溶液700 mL，從高濃度處理開始添加，采用每天增加100 mmol·L-1漸增的方式達到預設濃度，其他處理組澆等量的清水，第5天各處理達到預設濃度時記為混合鹽脅迫開始的第1天。每個處理5個重復，處理期間保證苗木處于同一環(huán)境，采用溫度計、水分探測器等儀器記錄外界環(huán)境因子的變化，常規(guī)管理，土壤田間持水量始終保持在60%～80%。于鹽處理后的第0(澆鹽前)、10、20、30、40天選取植株中上部的功能葉進行各指標測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉長和葉寬生長量分別在試驗開始前(0 d)和結束后(40 d)測定選定并標記好的植物中上部10枚成熟葉片，用游標卡尺測量葉長和葉寬，精度為0.01 cm，差值即為脅迫下的相對生長量。

1.3.2 葉綠素含量葉片葉綠素含量測定參考郝建軍等[18]的丙酮乙醇混合法加以修改。稱取新鮮葉片0.05 g洗凈，剪碎放入離心管中，加入10 mL體積比為1∶1的80%丙酮和95%的乙醇混合提取液，及時用保鮮膜封口并置于暗處，在室溫下提取24 h至葉片完全變白。取上清液2 mL于663、645 nm下分別進行比色，測定其吸光度值A663、A645，根據以下公式計算葉綠素總量。

葉綠素總量Chl(mg·g-1)=(8.04A663+20.29A645)×Vt×N/1000W

式中，Vt為提取液總體積(mL)；N為稀釋倍數；W為樣品鮮重(g)。

1.3.3 光合氣體交換參數選取生長良好的功能葉，做好標記，采用便攜式光合系統測定儀Li-6400于當地時間上午9:00-11:00，測定植株葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)。測定時保持葉片的葉傾角和方位角不變，重復3次。

1.3.4 葉綠素熒光參數選擇生長良好的中上部功能葉片做好標記，每次測定相同葉片。將標記好的葉片充分暗適應30 min后，用便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500于上午9：00～11:00測定PSⅡ最大光化學量子產量(Fv/Fm)、PSⅡ實際光化學量子產量(Yield)、光化學猝滅系數(qP)等。

1.4 數據分析

數據均采用Excel 2016進行計算，用SPSS 22.0對試驗數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 混合鹽脅迫對欒樹幼苗表觀性狀的影響

隨著混合鹽脅迫濃度的增加，欒樹根系的側根和須根數量也相應逐漸減少，欒樹葉片表現為失水萎蔫、失綠、卷曲、干枯、落葉等癥狀，其生長受鹽害程度逐漸加重，且各脅迫處理間差異明顯(圖1)。

2.2 混合鹽脅迫對欒樹生長特性的影響

由圖2可知，欒樹的葉長生長量在S100和S200混合鹽處理下與CK相比無顯著性差異，在S300-S500處理下比CK分別顯著下降了52.63%、73.68%和94.74%；欒樹的葉寬生長量在S100-S300混合鹽處理下與CK相比無顯著性差異，在混合鹽濃度為400 mmol·L-1時比CK顯著降低，S400和S500處理下比CK分別顯著下降了54.55%和81.82%。以上結果說明，欒樹對混合鹽脅迫具有一定的耐受性，隨著混合鹽脅迫程度的增加(大于200 mmol·L-1)，欒樹的生長受到了顯著抑制，混合鹽濃度越高，葉長和葉寬生長量降幅越大。

2.3 混合鹽脅迫對欒樹葉綠素含量的影響

圖3顯示，在混合鹽脅迫10～20 d時，欒樹葉片葉綠素含量隨著混合鹽脅迫濃度的增加均呈先上升后下降的趨勢，但各脅迫處理葉綠素含量均不同程度地低于CK，且除S300處理外與CK差異均達到顯著水平；在鹽脅迫30～40 d時，S100處理葉綠素含量均與CK無顯著性差異，而S300-S500處理的葉綠素含量均比CK顯著降低，且鹽濃度越高降幅越大；鹽脅迫40 d時，S300-S400處理葉綠素含量比CK分別顯著下降了20.49%、26.23%和41.60%，而此時S500處理的葉片已經全部脫落。以上結果說明100 mmol·L-1混合鹽處理的欒樹植株能夠通過自身調節(jié)使葉綠素含量維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，葉綠體結構已遭到嚴重破壞，葉綠素含量開始出現明顯下降。

2.4 混合鹽脅迫對欒樹氣體交換參數的影響

2.4.1 凈光合速率(Pn) 由圖4，Ⅰ可知，在混合鹽脅迫0～30 d時，欒樹葉片Pn在S100處理下隨脅迫時間增長呈現先下降后上升趨勢，在S200處理下則呈現先下降后上升再下降趨勢，在S300-S500處理下均呈現下降趨勢，但各脅迫處理葉片Pn均不同程度地低于CK，且除0 d外，S400和S500處理的葉片Pn與CK差異均達到顯著水平；鹽脅迫40 d時，除S200處理外，各脅迫處理的葉片Pn均較第0天時顯著降低，S100-S400處理葉片Pn相對于第0天降幅依次為18.04%、14.82%、60.56%和88.98%，相對于CK依次降低19.14%、28.83%、66.78%和90.88%。以上結果說明，隨著混合鹽脅迫程度的增加，欒樹的光合作用逐漸受到抑制，凈光合速率整體呈下降趨勢。

2.4.2 氣孔導度(Gs) 由圖4,Ⅱ來看，在混合鹽脅迫0～30 d時，欒樹葉片Gs在S100-S300處理下隨脅迫時間延長均呈現先下降后上升再下降趨勢，在S400和S500處理下整體呈現下降趨勢；在混合鹽脅迫40 d時，各脅迫處理的Gs較鹽脅迫0 d和CK均不同程度地降低，S100-S400處理較0 d分別下降了33.33%、10.00%、72.73%和87.50%，S100和S200處理的Gs與CK無顯著性差異，S300和S400處理Gs相對于CK分別顯著降低了72.73%和90.91%?？梢?，隨著混合鹽脅迫程度的增加，欒樹葉片的氣孔導度會逐漸受到抑制，整體呈下降趨勢。

2.4.3 胞間二氧化碳濃度(Ci) 由圖4,Ⅲ可知，在混合鹽脅迫0～30 d時，欒樹葉片Ci在S100-S300處理下隨脅迫時間增長均呈現先下降后上升再下降趨勢，且鹽脅迫30 d時，S100和S200處理的Ci比CK分別顯著下降了5.67%和12.29%，相對于0 d分別顯著下降了10.05%和27.38%；在S400和S500處理下，Ci隨脅迫時間延長整體呈現先降低后增高趨勢，且混合鹽脅迫30 d時，S400處理的Ci相對于CK和0 d分別顯著增加了18.84%和33.80%。在鹽脅迫40 d時，S100和S200處理的Ci相對于30 d時分別顯著增加了9.95%和31.53%，S300處理的Ci則變化不顯著，S400處理的Ci則降低。可見，在混合鹽脅迫0～30 d時，胞間二氧化碳濃度在S100-S300處理下整體呈下降趨勢，當脅迫程度增大時則整體呈上升趨勢。

2.4.4 蒸騰速率(Tr) 由圖4,Ⅳ可知，欒樹的Tr在混合鹽脅迫10和30 d時，各脅迫處理的Tr相對于CK均顯著降低，且隨著鹽濃度的增高，整體降幅增大；鹽脅迫20和40 d時，除了S200處理外各脅迫處理的Tr均不同程度地低于CK，鹽濃度越高降幅越大，且S300-S500處理的Tr均比CK顯著降低；鹽脅迫40 d時，S300和 S400處理的Tr相對于CK分別顯著下降了53.46%和82.39%。以上結果說明，隨著混合鹽脅迫程度的增加，欒樹葉片的蒸騰速率整體呈下降趨勢。

2.5 混合鹽脅迫對欒樹葉綠素熒光參數的影響

2.5.1 PSⅡ最大量子產量(Fv/Fm) 圖5，Ⅰ顯示，在混合鹽脅迫10 d時，僅S500處理的Fv/Fm比CK顯著降低；鹽脅迫20 d時，S300-S500處理的Fv/Fm均比CK顯著降低；鹽脅迫30 d時，S400和S500處理的Fv/Fm均比CK顯著降低；鹽脅迫40 d時，S100和S200處理的Fv/Fm與CK相比無顯著性差異，S300和S400處理的Fv/Fm相對于CK分別顯著降低了5.41%和20.27%，相對于0 d時分別顯著降低9.09%和24.36%?？梢姡琒100和S200處理欒樹植株能夠通過自身調節(jié)使PSⅡ最大量子產量維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到300 mmol·L-1時，PSⅡ反應中心或PSⅡ氧化傳遞鏈已遭到嚴重破壞，PSⅡ最大量子產量開始出現明顯下降。

2.5.2 PSⅡ實際量子產量(Yield) 由圖5,Ⅱ可知，在混合鹽脅迫10 d時，僅S400和S500處理的Yield與CK相比顯著降低；鹽脅迫20～30 d時，除S100處理外，其他處理的 Yield均比CK顯著降低；鹽脅迫40 d時，S100處理的Yield與CK無顯著性差異，S200-S400處理的 Yield 分別比CK顯著降低了10.45%、19.40%和41.79%。以上結果說明S100處理下的欒樹植株能夠通過自身調節(jié)使 PSⅡ實際量子產量維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，PSⅡ反應中心或PSⅡ氧化傳遞鏈已遭到嚴重破壞，PSⅡ實際量子產量開始出現明顯下降。

2.5.3 光化學淬滅系數(qP) 圖5,Ⅲ顯示，在混合鹽脅迫10 d時，除S100-S300處理外的qP 均比CK顯著降低；在鹽脅迫20 d時，除S100和S200處理外的qP均比CK顯著降低；在鹽脅迫30 d時，S100-S500處理的qP均比CK顯著降低；在鹽脅迫40 d時，S100處理的qP與CK相比無顯著性差異，S200-S400處理的qP相對于0 d分別顯著降低了6.38%、11.83%和29.03%，相對于CK分別顯著降低了10.20%、16.33%和32.65%?？梢?，S100處理下的欒樹植株能夠通過自身調節(jié)使光化學淬滅系數維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，PSⅡ反應中心或PSⅡ氧化傳遞鏈已遭到嚴重破壞，光化學淬滅系數開始出現明顯下降。

3 討 論

3.1 欒樹幼苗生長的響應

植物對鹽脅迫的敏感性可以通過生長和形態(tài)的變化表現出來[19]。相關研究表明，鹽漬環(huán)境下，植物生長受到抑制，且鹽脅迫程度越高，受抑制現象越明顯[20]。本試驗中，S100和S200處理下，混合鹽脅迫對欒樹的葉長、葉寬生長量影響較??；當濃度達到300 mmol·L-1時，混合鹽脅迫已對欒樹的葉長生長量產生顯著影響；當鹽濃度達到400 mmol·L-1時，混合鹽脅迫已對欒樹的葉寬生長量產生顯著影響。這表明欒樹具有一定耐鹽性。

3.2 欒樹幼苗葉片葉綠素含量對混合鹽脅迫的響應

葉綠素作為重要的光合色素，在對光能的吸收、傳遞和轉化等方面發(fā)揮重要作用，在一定范圍內與光合速率呈正相關[21]。本研究中，S100處理下的植物能夠通過自身調節(jié)使葉綠素含量維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，葉綠體結構遭到嚴重破壞，葉綠素含量開始出現較明顯的差異，整體隨著混合鹽濃度的增加呈逐漸下降趨勢，這可能是由于土壤中離子的穩(wěn)態(tài)被較高的pH值破壞，使得鐵、鎂等與葉綠素合成有關的離子發(fā)生沉淀，影響葉綠素的正常合成，從而導致葉綠素含量降低，這與前人對紫穗槐的研究一致。穆永光[22]對紫穃槐的研究中發(fā)現，加大混合鹽脅迫會造成葉綠體中的基粒片層和類囊體結構發(fā)生一定程度的損傷，最終導致葉綠素成分含量損失，從而引起植株光合能力減弱。同時，這也與前人對枸杞[23]、朱槿[24]的研究結果一致。

3.3 欒樹幼苗葉片光合氣體交換參數對混合鹽脅迫的響應

本研究中，隨著混合鹽脅迫程度的增加，欒樹幼苗葉片Pn、Gs、Tr整體呈下降趨勢，說明光合作用受到抑制，這與前人的研究結果一致[25]。鹽堿脅迫可以顯著降低植物的Pn，而Pn降低的因素包括氣孔限制和非氣孔限制[26]。氣孔限制因子表現為植物葉片細胞程序性死亡、輸導組織受損、氣孔阻力增高，表現為Gs下降，CO2進入葉片受阻，Ci降低，導致Pn降低[27]，非氣孔限制因子表現為混合鹽脅迫導致磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和核酮糖二磷酸羧化酶活性降低，光合機構受損，電子傳遞速率下降，光合作用表觀量子效率下降，導致光合效率下降，表現為Pn、Gs顯著降低，Ci升高[28]。

在本研究中，當混合鹽脅迫0～30 d時，S100-S300處理下欒樹幼苗葉片Pn、Ci、Gs的整體變化趨勢一致，說明氣孔限制是Ci降低的主要因素，Gs的降低使CO2通過氣孔進入葉綠體的含量減少，Ci下降而引起Pn降低；當鹽脅迫程度增大時，Pn、Gs整體呈下降趨勢，Ci整體呈上升趨勢，說明氣孔調節(jié)能力下降，導致CO2在細胞間積累，Ci顯示出增大的現象，葉肉細胞光合活性降低而引起Pn下降，此時非氣孔限制成為主要因素。多數研究表明隨混合鹽脅迫程度的增強，非氣孔限制會代替氣孔限制成為植株光合速率下降的主要因素[29-30]。

3.4 欒樹幼苗葉片葉綠素熒光參數對混合鹽脅迫的響應

研究表明，混合鹽脅迫導致葉綠體光合機構的破壞，降低PSⅡ原初光能轉換效率、抑制PSⅡ潛在活性[31]，從而引起植物光合能力的下降。葉綠素熒光參數可以直接反映逆境脅迫對植物PSⅡ活性、功能以及電子傳遞等的影響[32]。

本研究中，在不同濃度的混合鹽脅迫下，PSⅡ最大量子產量Fv/Fm、PSⅡ實際量子產量Yield和光化學淬滅系數qP隨脅迫時長的增加整體呈降低的趨勢；S100處理下的植物能夠通過自身調節(jié)使Fv/Fm、Yield和qP維持在較高水平，但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，Yield和qP開始顯著下降，當混合鹽濃度達到300 mmol·L-1時，Fv/Fm開始顯著下降，說明S100處理下欒樹葉片光化學性能和PSⅡ反應中心受到的影響不大，其潛在活性和光能轉換效率并沒有減弱，光抑制作用不明顯，進一步說明混合鹽濃度較低時，Pn的下降主要是由于氣孔因素引起的，這與前人對高叢越橘[33]的研究結果一致；而隨著混合鹽脅迫程度的加重，PSⅡ反應中心或PSⅡ氧化傳遞鏈已受到了一定的損傷，使得反應中心的開放程度、光能轉換效率下降，使電子傳遞能力下降，植物受到了嚴重的光抑制[34]，導致植株光化學效率降低，這也可能是混合鹽濃度較高時光合速率下降的一個重要因素，這與前人對紅芽芋[35]、垂絲海棠[36]、夏蠟梅[37]和棉花[38]的研究結果一致。

綜上所述，欒樹在100 mmol·L-1混合鹽脅迫處理下葉片的生長指標、葉綠素含量、光合作用和葉綠素熒光特性沒有受到顯著影響，其對混合鹽脅迫表現出一定適應性和耐受能力，此時其光合作用主要受氣孔限制的影響;但當混合鹽濃度達到200 mmol·L-1時，植株葉片的生長指標、葉綠素含量下降、光化學效率整體顯著降低，非氣孔限制成為影響光合作用的主要因素。