淹水脅迫對環(huán)巢湖濕地蘆葦生長狀態(tài)和生理特性的影響

尹 程，高 源，2* ，張祥霖 ,劉丹丹

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院 水利工程學院，安徽 合肥 231603；2.山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東 濱州 256603)

巢湖是中國長江流域的五大淡水湖之一，滋養(yǎng)了2046平方公里的土地，哺育了100萬巢湖人民。近30年來，巢湖流域內(nèi)社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，巢湖湖水中內(nèi)源營養(yǎng)鹽負荷較高催生出巢湖富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1-4]；巢湖的水生態(tài)環(huán)境惡化，水產(chǎn)資源驟降，嚴重制約了環(huán)巢湖城市乃至安徽省的社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展[5]。巢湖富營養(yǎng)化受到了國家、政府和人民群眾的密切關(guān)注，巢湖的研究與治理工作取得了很大的進步；當前隨著巢湖生態(tài)治理工程不斷深入推進，濕地面積不斷增加以及濕地系統(tǒng)不斷完善，巢湖富營養(yǎng)化得到一定的控制，水生態(tài)環(huán)境逐漸改善[6]。

濕地作為地球之腎具有攔蓄污染的重要作用，濕地水生植物恢復是濕地生態(tài)系統(tǒng)緩解湖水富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[7-13]，水生植物健康生長是濕地系統(tǒng)健康運行的關(guān)鍵[14-16]。濕地是陸地和水域之間的過渡地帶，濕地系統(tǒng)內(nèi)水位受當?shù)厮沫h(huán)境的影響水位不斷變化，當夏季降水充沛時，濕地系統(tǒng)水位高，濕地系統(tǒng)中的植物可能長期處于淹水狀態(tài)。許多研究表明，淹水會改變植物生長的條件，影響其生理生態(tài)特性。一般來說，植物淹水深度越深，持續(xù)時間越長，植物生理特性變化越顯著，受到的損害也越嚴重；而不同的植物對淹水深度和淹水持續(xù)時間的敏感程度不同[17-23]。因此，不同的淹水程度會直接影響水生植物的生長狀態(tài)和生理生態(tài)特征，進而影響濕地系統(tǒng)攔蓄污染的功能。

蘆葦(Phragmitescommunis)是禾本科蘆葦屬多年生植物，因其繁殖能力、適應(yīng)能力強，成為濕地水生植物的重要物種。本研究選取環(huán)巢湖濕地系統(tǒng)水生維管束植物優(yōu)勢種蘆葦為試驗樣本，模擬深度分別為20 cm，40 cm，60 cm，90 cm等4種的淹水脅迫環(huán)境，以不淹水為對照，持續(xù)30 d后，調(diào)節(jié)淹水深度至20 cm，持續(xù)20 d，分析不同的淹水環(huán)境變化和持續(xù)時間對蘆葦生長狀態(tài)和生理特性的影響，探索蘆葦對淹水脅迫的響應(yīng)規(guī)律和淹水脅迫解除后蘆葦恢復規(guī)律，旨在為環(huán)巢湖濕地系統(tǒng)健康運行提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料蘆葦于2021年6月采自安徽巢湖湖岸濕地(31°43′6.16″N，117°23′9.31″E)，采集時選取生長狀態(tài)、生物量基本一致的蘆葦(株高約80-90 cm)連根挖起，保濕狀態(tài)運送至室外大棚，移栽至同一區(qū)域采集的湖岸土壤中，期間以同一區(qū)域巢湖湖水澆灌，保持土壤含水量約為30%，緩苗復壯7 d備用。

1.2 試驗方法

試驗在室外大棚中進行，自2021年6月15日開始至8月4日結(jié)束，試驗開始前選取緩苗復壯后生長狀態(tài)、生物量基本一致的蘆葦，去除黃葉，用去離子水沖洗后，栽種至直徑25 cm，高40 cm的PVC塑料桶中，每桶定植3株，株高約為90 cm，鮮重約為100 g，桶中的栽種土壤采集自植物生長同一區(qū)域的湖岸，土壤深度20 cm。

試驗設(shè)置處理組4個分別為淹水高于土壤20 cm組(C1)；淹水高于土壤40 cm組(C2)；淹水高于土壤60 cm組(C3)；淹水高于土壤90 cm組(C4)和不淹水對照組(CK)，每組設(shè)5個重復。選取長150 cm，寬35 cm，高120 cm的有機玻璃水箱5個，將同一處理組的5個重復放置在同一水箱中，處理組按照設(shè)定的淹水深度，用采集的同一區(qū)域巢湖湖水調(diào)節(jié)至相應(yīng)標線，對照組定期用相同湖水澆灌，保持土壤含水量為30%。

淹水處理時長為30 d，第31 d起將處理組和對照組淹水調(diào)節(jié)至高于土壤20 cm，持續(xù)20 d。整個試驗期間，每天10點鐘，用相同湖水補充水箱內(nèi)水位至相應(yīng)標線，彌補自然蒸發(fā)和植物蒸騰作用損失的水分。

試驗開始后分別測定統(tǒng)計蘆葦生長狀態(tài)指標和生理指標，分別于第0 d、30 d、50 d測定植物鮮重，植株高度，第10 d、30 d、50 d統(tǒng)計植株分蘗數(shù)。在第0 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d，上午8：00-9：00之間摘取植物上端完全展開的健康葉片(頂端下3-5葉)測定POD、SOD、CAT等3種抗氧化酶活性，在第0 d、30 d、50 d增加MDA(丙二醛)、可溶性蛋白和葉綠素含量等3種指標測定。

試驗結(jié)束后收獲蘆葦植株，將蘆葦分為地上部分和地下部分，烘干后分別測定干重。

1.3 測定方法

鮮重：使用梅特勒百分之一電子天平(瑞士梅特勒-托利多PL202-L型電子天平)測定植株鮮重。測定前用去離子水洗凈，用濾紙吸干表面水分后進行稱量，同一處理測定5次。

干重：采用百分之一電子天平(瑞士梅特勒-托利多PL202-L型電子天平)測定植株干重。測定前105 ℃殺青10 min，80 ℃烘干至恒重后進行稱量，同一處理測定5次。

抗氧化酶活性：POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚比色法[24]，以每分鐘470 nm波長下吸光度變化0.01的酶量為1個酶活性單位(U)；SOD活性測定采用NBT還原法[24]，以抑制NBT光還原反應(yīng)的50%為1個活性單位(U)；CAT活性測定采用過氧化氫分解法[24]，以每分鐘240 nm波長下吸光度減少0.1的酶量為一個酶活性單位(U)。

MDA含量：采用TBA法[24]。

可溶性蛋白含量：采用考馬斯亮藍G-250染色法[24]。

葉綠素含量：以80%的丙酮溶液提取，分光光度法[24]測定(上海菁華752自動紫外分光光度計)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理分析使用SPSS26.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)，經(jīng)t檢驗(P<0.05)，圖表采用SigmaPlot 14.0軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同淹水深度下蘆葦生物量變化分析

如表1所示，隨著淹水深度的增加，處理組蘆葦鮮重生物量增長量不斷減少，各處理組間存在顯著差異(P<0.05)；對照組與40 cm淹水組生物量及增長量相近(無顯著差異)。隨著淹水處理時間的增長，對照組及淹水深度小于60 cm組的增長率都下降，但淹水90 cm組的增長率變大?？梢?，淹水的深度和淹水的時間都對蘆葦?shù)纳L量有顯著影響。

表1 不同淹水深度下蘆葦生物量(鮮重)

如圖1所示，淹水50 d后，隨著淹水深度的增加，處理組蘆葦生物量干重增長量不斷減少。淹水40 cm組蘆葦生物量干重與對照組無顯著差異，淹水60 cm，90 cm組生物量干重比對照組分別減少12.44%，19.68%。隨著淹水深度的增大，生物量的組成比例發(fā)生變化，淹水90 cm組的地下生物量比例最高約為49%。可見，當淹水深度超過40 cm時，蘆葦受到淹水脅迫的影響明顯，生物量增大速度減緩。

圖1 不同淹水深度下試驗處理50天后蘆葦生物量(干重)

2.2 不同淹水深度下蘆葦形態(tài)結(jié)構(gòu)變化分析

如圖2所示，盡管受到淹水的影響，蘆葦株高都繼續(xù)增長。淹水處理組，隨著淹水深度的增大，處理組株高增長量存在差異(P<0.05)。受淹水的影響，淹水60 cm，90 cm組株高比對照組在30 d分別減少8.22%，13.93%，在50 d分別減少9.23%，15.7%，而淹水20 cm組蘆葦株高30 d，50 d株高均為最大，分別比對照組增大1.46%，20.38%。

圖2 不同淹水深度下蘆葦株高

如圖3所示，淹水處理下各處理組植物均存在分蘗現(xiàn)象，淹水處理組隨著淹水深度的增加分蘗數(shù)不斷減少。淹水20 cm組分蘗數(shù)在第10 d，30 d，50 d比對照組分別增大116.67%，90.91%，57.15%；淹水60 cm，90 cm組分蘗數(shù)均顯著小于相同天數(shù)的對照組。淹水處理50 d后，淹水40 cm，60 cm，90 cm組的分蘗數(shù)分別減少4.76%，38.1%，61.91%。

2.3 不同淹水深度下蘆葦生理生態(tài)特征變化

不同淹水處理組葉片POD活性變化趨勢不同，如圖4所示。前30 d，對照組葉片POD活性基本不變，淹水20 cm組葉片活性呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，淹水40 cm，60 cm，90 cm組POD先增大后減小。在第10 d，淹水試驗組POD活性均高于對照組，隨著淹水深度的增加，POD活性增大，淹水90 cm組POD活性比對照組增大51.2%。在第30 d，淹水20 cm組葉片POD活性最大，淹水40 cm組葉片POD活性與對照組無顯著差異，而淹水60 cm，90 cm組POD活性分別比對照組減少18.71%，36.53%。

圖3 不同淹水深度下蘆葦分蘗數(shù)

圖4 不同淹水深度下蘆葦過氧化物酶(POD)活性

第31-50 d各處理組葉片POD活性變化趨勢不同。淹水20 cm組葉片POD活性無顯著變化，其他處理組葉片POD活性較第30 d顯著上升，上升幅度與淹水深度成負相關(guān)。第50 d時，淹水20 cm組葉片POD活性高于CK對照組，淹水40 cm組葉片POD活性與對照組無顯著差異(P<0.05)，而淹水60 cm，90 cm組POD活性分別比對照組減少23.47%，42.65%。

不同淹水處理組葉片SOD活性變化趨勢不同，如圖5所示。

圖5 不同淹水深度下蘆葦超氧化物歧化酶(SOD)活性

前30 d，對照組葉片SOD活性基本不變，淹水20 cm組葉片SOD活性呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，淹水40 cm，60 cm，90 cm組SOD先增大后減小。在第10 d，淹水試驗組SOD活性均高于對照組，隨著淹水深度的增加，SOD活性增大，淹水90 cm組SOD活性比對照組增大1.8倍。在第30 d，淹水20 cm組葉片SOD活性最大，淹水40 cm組葉片SOD活性與對照組無顯著差異，而淹水60 cm，90 cm組SOD活性分別比對照組減少17.88%，28.08%。

第31-50 d各處理組葉片SOD活性變化趨勢不同。淹水20 cm組葉片SOD活性無顯著變化，其他處理組葉片SOD活性較第30 d顯著上升。第50 d時，淹水20 cm組葉片SOD活性高于對照組，而淹水60 cm，90 cm組SOD活性分別比對照組減少14.75%，29.65%。

不同淹水處理組葉片CAT活性變化趨勢不同，如圖6所示。前30 d，對照組葉片CAT活性基本不變，淹水20 cm組葉片CAT活性呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，淹水40 cm，60 cm，90 cm組CAT先增大后減小。在第10 d，淹水試驗組CAT活性均高于對照組，隨著淹水深度的增加，CAT活性增大，淹水90 cm組CAT活性比對照組增大1.4倍。在第30 d，淹水20 cm組葉片CAT活性最大，而淹水60 cm，90 cm組CAT活性分別比對照組減少31.06%，38.29%。

圖6 不同淹水深度下蘆葦過氧化氫酶(CAT)活性

第31-50 d各處理組葉片CAT活性變化趨勢不同。淹水20 cm組葉片CAT活性無顯著變化，其他處理組葉片CAT活性較第30 d小幅增大。第50 d時，淹水20 cm組葉片CAT活性高于CK對照組，而淹水60 cm，90 cm組CAT活性分別比對照組減少51.73%，56.81%。

2.4 不同淹水深度下蘆葦MDA含量變化分析

淹水處理下各處理組蘆葦MDA含量變化趨勢不同，如圖7所示。淹水20 cm，40 cm組與對照組在相同天數(shù)下的MDA含量無顯著差異。在第30 d，淹水60 cm，90 cm組MDA含量50天分別比對照組增大39.87%，53.6%。在第50 d時，淹水60 cm，90 cm組MDA含量50天分別比對照組增大16.33%，42.81%。可見，隨著淹水脅迫時間的延長，各處理組葉片MDA都是先增加后減少。

圖7 不同淹水深度下蘆葦丙二醛(MDA)含量

2.5 不同淹水深度蘆葦可溶性蛋白含量變化分析

淹水處理下各處理組蘆葦可溶性蛋白含量變化趨勢不同，如圖8所示。隨著淹水時間的增加，淹水20 cm組蘆葦可溶性蛋白含量不斷增加，淹水40 cm組與對照組在相同天數(shù)下的MDA含量無顯著差異。在第30 d，淹水60 cm，90 cm組可溶性蛋白含量分別比對照組增大10.25%，13.67%，在第50 d淹水60 cm，90 cm組可溶性蛋白含量分別比對照組減少18.11%，25.82%。

圖8 不同淹水深度下蘆葦可溶性蛋白含量

2.6 不同淹水深度下蘆葦葉綠素含量變化分析

淹水處理下各處理組蘆葦葉綠素含量變化趨勢不同，如圖9所示。

圖9 不同淹水深度下蘆葦葉綠素含量

隨著淹水時間的增加，淹水20 cm組蘆葦葉綠素含量不斷增加，淹水40 cm組與對照組在相同天數(shù)下葉綠素含量無顯著差異。在第30 d，淹水60 cm，90 cm組葉綠素含量分別比對照組增大14.75%，26.23%，在第50 d淹水60 cm，90 cm組葉綠素含量分別比對照組減少22%，44%。

3 討論

3.1 淹水深度對蘆葦?shù)挠绊?/h3>

濕地生態(tài)系統(tǒng)中的水生植物長期或者季節(jié)性地處于淹水狀態(tài)，不同的水生植物的耐澇能力不同，耐澇能力強的植物不斷調(diào)節(jié)自身的生理生態(tài)機能及生長狀態(tài)以適應(yīng)淹水脅迫。研究表明，蘆葦因無性繁殖能力較強，具有耐水濕、適應(yīng)能力強等特點而作為濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的推薦物種。本研究中，隨著淹水深度的增加(20-90 cm)，試驗組的蘆葦株高不斷減少，分蘗數(shù)不斷減少，鮮重增長量和干重增長量不斷減少，而實驗結(jié)束后蘆葦?shù)叵律锪克急壤粩嘈》龃?。而河北白洋淀蘆葦在10-45 cm水深處生長最適宜，淹水超過最適宜水深，株高、蓋度、節(jié)間數(shù)等都受到顯著限制[25]。淹水脅迫能限制蘆葦幼苗的生長[26]，植物生物量的相對增長速率與淹水深度變化速率呈正相關(guān)[27]，這與我們的研究一致?？梢姡旮?、分蘗數(shù)等簡單的形態(tài)指標可以反映蘆葦受淹水脅迫的影響。

淹水脅迫時挺水植物蘆葦頻繁遭受逆境脅迫。一般來說，當植物處于淹水逆境脅迫時，植物體內(nèi)的膜脂過氧化或膜脂脫脂作用會導致MDA的積累，而SOD、POD和CAT等抗氧化酶通過活性調(diào)控則快速增加，清除活性氧和自由基，使細胞免受淹水脅迫毒害。本研究中，在相同的天數(shù)隨著淹水深度的增大，MDA含量都不斷增大，可溶性蛋白含量不斷減少，葉綠素含量不斷減少；而試驗30-50天SOD、POD和CAT等抗氧化酶隨淹水深度的增加不斷減少。研究表明，當植物受到淹水脅迫影響時，隨著淹水深度的增加(淹水深度9-12 cm)，蘆葦幼苗抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量和葉綠素含量不斷減少，這與我們的研究結(jié)果一致[28]。

3.2 淹水時間對蘆葦?shù)挠绊?/h3>

本研究中，第10天的各處理組的SOD、POD和CAT均顯著地高于對比組，且隨著淹水深度的增大SOD、POD和CAT顯著增大；而第30-50天淹水20 cm組SOD、POD和CAT顯著大于對照組，淹水60-90 cm組隨著淹水深度的增大，SOD、POD和CAT不斷減少。蘆葦幼苗，蘆葦都有各自適宜的水深，超過適宜水深蘆葦會受到淹水脅迫的影響[26]。有研究表明，植物體自身處于一個內(nèi)穩(wěn)態(tài)或者動態(tài)平衡過程，在自身受到脅迫時，啟動機體脅迫應(yīng)對策略，由抗氧化酶系統(tǒng)(SOD、POD和CAT)清除體內(nèi)積累的過量的活性氧(含MDA)，進而應(yīng)對淹水影響，這導致了早期淹水脅迫時SOD、POD和CAT的顯著增大；而當蘆葦長期處于淹水脅迫時，植物體受到淹水脅迫迫害的細胞增多，SOD、POD和CAT含量減少，MDA的積累量增加。在為期45天的淹水脅迫試驗中，初期植株葉片MDA含量、SOD活性均有所增加，但是后期MDA含量繼續(xù)增加，SOD活性則顯著下降，這與我們的研究結(jié)論一致。當植物處于淹水脅迫時，植物啟動機體脅迫應(yīng)對策略，進而植物的生理生態(tài)出現(xiàn)變化。淹水脅迫時，植物的葉綠素受到損傷，蛋白質(zhì)合成受到抑制，蛋白質(zhì)分解增加，可溶性蛋白含量減少，進而株高、分蘗數(shù)、生物量受到影響[29]。本研究中，同一淹水深度時，淹水時間越長，蘆葦葉綠素、蛋白質(zhì)含量、株高、分蘗數(shù)、生物量與對照組相比的絕對增量越小。研究表明，蘆葦?shù)纳L狀況會受淹水時間的影響，短期的淹水蘆葦能快速生長，長期的淹水需要生長新葉或者無性繁殖出新植物來適應(yīng)淹水脅迫[26]。

淹水初期，蘆葦MDA含量和SOD活性顯著增大，說明蘆葦受到淹水脅迫表現(xiàn)出強烈的抗逆性，隨著淹水時間的延長或者淹水深度的增大，SOD、POD和CAT含量減少，這表明對蘆葦抗氧化酶系統(tǒng)造成了一定的傷害。結(jié)束高水位淹水脅迫恢復輕度淹水(20 cm)，株高、分蘗數(shù)、生物量還能隨著淹水時間增加而增大，這表明蘆葦已經(jīng)適應(yīng)了淹水脅迫，進一步證明了蘆葦?shù)哪蜐衬芰?。因此蘆葦可以適應(yīng)巢湖濕地系統(tǒng)頻繁或者季節(jié)性的淹水影響，蘆葦在巢湖地區(qū)濕地的恢復與構(gòu)建方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

巢湖地區(qū)蘆葦隨著淹水深度的增加，蘆葦株高不斷減少，分蘗數(shù)不斷減少，鮮重增長量和干重增長量不斷減少，但蘆葦?shù)叵律锪克急壤粩嘈》龃蟆Ｑ退畷r間越長，蘆葦葉綠素、蛋白質(zhì)含量、株高、分蘗數(shù)、生物量與對照組相比的絕對增量越小。在淹水初期，蘆葦MDA含量，SOD、POD和CAT活性顯著增大;淹水處理第30天，隨著淹水深度的加深，SOD、POD和CAT不斷減少;在淹水20 cm的恢復期，葉綠素含量、可溶性蛋白含量小幅增大，蘆葦SOD、POD和CAT活性恢復增大。在巢湖濕地生態(tài)系統(tǒng)中，20-40 cm是蘆葦生長的適宜淹水深度；淹水初期蘆葦對高淹水深度表現(xiàn)出強烈的抗逆性，30天后蘆葦已經(jīng)適應(yīng)了淹水脅迫。