異質(zhì)鹽脅迫對杜梨幼苗生長及光合特性的影響

李永濤王霞馬丙堯胡丁猛王清華李宗泰囤興建許景偉

(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站/鹽堿地生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心，山東 東營 257000)

土壤鹽漬化是影響黃河三角洲地區(qū)植物生長和生物多樣性的主要限制因素之一，該區(qū)鹽堿地范圍廣、面積大、生產(chǎn)力低，大量長期處于撂荒狀態(tài)，如何有效利用和改善這些資源成為該區(qū)域亟待解決的問題[1，2]。研究表明，由于受微地形、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、降水、蒸發(fā)、覆蓋等因素的影響[3，4]，土壤空間異質(zhì)性被認(rèn)為是自然生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)普遍特征，鹽漬土空間分布的不均勻性是其中的一個(gè)重要表現(xiàn)特征[5，6]。植物能夠在鹽漬土中維持生長，土壤鹽分的分布不均勻性起著重要作用。因此，了解土壤鹽分異質(zhì)性和植株生長的互饋關(guān)系對提高鹽堿地使用率具有十分重要的意義。

鹽脅迫對植株生長的抑制引起植株生長緩慢、葉片氣孔關(guān)閉、葉細(xì)胞失水及胞間CO2濃度下降等，從而影響植株的生長發(fā)育[7]。異質(zhì)鹽脅迫條件下，植物受抑制的程度可得到部分緩解。研究表明，與均勻鹽脅迫相比，根系異質(zhì)鹽脅迫減輕其對小麥地上部、根系生長及光合作用的抑制作用，緩解鹽脅迫對小麥的傷害[8]；局部低鹽脅迫條件下絨毛白蠟生長高于鹽分均勻脅迫，并通過降低葉片中Na+、Cl-和脯氨酸的積累增加K+含量，緩解鹽脅迫的抑制[9，10]；不均勻鹽脅迫中大洋洲濱藜的生長量高于同等含鹽量的均勻鹽分脅迫，鹽分的差異化分布促進(jìn)植物生長[11]；此外，根系異質(zhì)鹽脅迫對高粱[12]、紫花苜蓿[13]等植物生長的抑制也均低于均勻鹽脅迫。

杜梨(Pyrus betulifoliaBunge)為薔薇科(Rosaceae)梨屬(Pyrus)落葉喬木，是我國原生梨屬植物，具有較強(qiáng)的耐鹽能力，也是黃河三角洲地區(qū)主要綠化觀賞樹種之一?；诋愘|(zhì)鹽脅迫下的植物耐鹽性研究更接近于植物生長實(shí)際環(huán)境。本研究通過異質(zhì)鹽脅迫分根試驗(yàn)，對杜梨幼苗的生長狀況、光合特征、葉片氮含量及葉面溫度等進(jìn)行分析，以揭示杜梨異質(zhì)鹽脅迫下的生長特征及光合特性，探索局部鹽分淡化技術(shù)在鹽堿地上應(yīng)用的可行性，為鹽堿地原土綠化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2021年在山東省林業(yè)科學(xué)研究院東營林草試驗(yàn)站進(jìn)行。供試材料為杜梨當(dāng)年容器播種苗。無紡布容器規(guī)格為直徑5.5 cm，高度7.5 cm，之中基質(zhì)為草炭+珍珠巖+蛭石，其配比為7∶2∶1。4月中旬在溫室內(nèi)將層積好的杜梨種子點(diǎn)播到無紡布容器內(nèi)，5月底將容器苗移到煉苗場備用。7月初選擇生長一致、株高20 cm左右的杜梨容器苗，去除外層無紡布，栽植于具有中間隔板的分根容器中間位置，以保證后期根系均等向隔板兩側(cè)生長。

分根容器制作:采用PVC塑料管(直徑20 cm，高度35 cm)和鋁塑板(厚度3 mm)制作分根容器，結(jié)構(gòu)示意圖(圖1a)與效果圖(圖1b)描述和制作過程參照Feng等[14]的研究，具體規(guī)格略有調(diào)整。為了便于移動，分根容器制作完成后放入塑料花盆中(上口直徑23 cm)。將通用的建筑水洗沙過2 mm篩，等量裝入分根容器兩側(cè)，之前容器底部放置少許粗大的石礫，以便于排水。

圖1 杜梨幼苗沙培分根容器結(jié)構(gòu)示意圖(a)與效果圖(b)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，包括對照非鹽脅迫(0/0)、根系異質(zhì)鹽脅迫(0/100、0/200)、均勻鹽脅迫(100/100、200/200)，鹽脅迫濃度分別為0、100、200 mmol·L-1。每處理重復(fù)3次。

為保證幼苗在分根容器兩側(cè)均勻生長，先配制1/3改良Hoagland’s營養(yǎng)液進(jìn)行澆灌(每5 d澆灌1次)，10 d后澆灌含有不同濃度NaCl的1/3改良Hoagland’s營養(yǎng)液。其中，分根容器內(nèi)無鹽脅迫一側(cè)直接澆灌1/3改良Hoagland’s營養(yǎng)液，鹽脅迫一側(cè)分別澆灌相應(yīng)NaCl濃度的1/3改良Hoagland’s營養(yǎng)液。采用過量澆灌方法，試驗(yàn)開始后每10 d澆灌1次，每次澆灌以營養(yǎng)液從底部滲透孔浸出為宜。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 株高及生物量測定 鹽脅迫處理60 d后，采用塔尺測定幼苗株高。分地上部分和地下部分收獲整株。根系取樣時(shí)采用自來水緩慢沖洗，沖走分根容器兩側(cè)內(nèi)的沙子。地上和地下部生物量的測定采用烘干法，即于烘箱中105℃殺青0.5 h后70℃烘48 h至恒重，稱重。

1.3.2 光合指標(biāo)測定 幼苗鹽脅迫處理15、30 d和45 d時(shí)，利用Li-6400便攜式光合儀(LI-COR，USA)測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測定時(shí)采用LED紅/藍(lán)光源，光強(qiáng)為1 000 μmol·m-2·s-1，測定時(shí)間為10∶00—11∶00，每處理測3株。

采用OS-30p+快速植物脅迫測量儀(美國)測定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每株選取3片葉，用暗葉夾夾住葉片中間部位暗適應(yīng)40 min后，測定其Fv/Fm值，每處理3個(gè)重復(fù)。

1.3.3 葉片葉綠素含量、氮含量及葉片溫度測定 幼苗鹽脅迫處理15、30 d和45 d時(shí)，利用TYS-4N植物營養(yǎng)測定儀(中國)同步測定幼苗葉片的SPAD值、氮含量及葉片溫度的變化，每處理3個(gè)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、DPS 15.10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、作圖與分析，采用單因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對杜梨幼苗生長的影響

由表1可知，鹽脅迫下杜梨幼苗生長受到明顯抑制，且隨著鹽脅迫濃度升高，均勻鹽脅迫和異質(zhì)鹽脅迫處理均降低幼苗株高和總生物量，兩者間差異顯著。隨著脅迫時(shí)間的延長，均勻鹽脅迫100/100和200/200處理下，杜梨植株生長受阻，葉片變小，出現(xiàn)葉尖葉緣干枯或葉片萎蔫脫落等鹽害癥狀，幼苗分別在鹽脅迫41 d和26 d后死亡。其株高相對生長率分別為5.42%和0.05%，而異質(zhì)鹽脅迫0/100和0/200處理下相對生長率分別為26.96%和16.60%，較均勻鹽脅迫顯著增加。與對照(0/0，無鹽脅迫)相比，鹽脅迫顯著降低植株的根冠比。異質(zhì)鹽脅迫(0/100、0/200)和均勻鹽脅迫(100/100、200/200)處理下地上生物量分別較對照降低11.86%、17.70%和32.57%、60.88%，而根系則分別降低30.52%、43.03%和54.29%、73.56%，較地上部降幅大。

表1 不同鹽脅迫處理下杜梨幼苗生長及生物量

2.2 鹽脅迫對杜梨幼苗葉片SPAD值和熒光參數(shù)Fv/Fm的影響

由圖2可知，鹽脅迫下，葉片SPAD值隨著鹽脅迫濃度的增加而降低。與對照(0/0)相比，均勻鹽脅迫100/100和200/200處理，15 d時(shí)SPAD值顯著下降，分別降低11.67%和39.87%；鹽脅迫30 d時(shí)，100/100處理植株的SPAD值顯著下降達(dá)28.95%，而此時(shí)200/200處理植株已死亡。異質(zhì)鹽脅迫0/100和0/200處理下，植株未出現(xiàn)死亡，15 d和30 d時(shí)其SPAD值與對照相比無顯著差異，45 d時(shí)則差異顯著。

圖2 不同鹽脅迫下杜梨幼苗葉片的SPAD值

圖3顯示，鹽脅迫下，葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm隨脅迫時(shí)間延長和濃度增加呈現(xiàn)下降趨勢，其中，均勻鹽脅迫處理下降顯著，且降幅明顯高于異質(zhì)鹽脅迫。鹽脅迫15 d時(shí)，異質(zhì)鹽脅迫0/100處理葉片F(xiàn)v/Fm較對照無顯著差異，0/200處理較對照差異顯著，但降幅較小，兩者較同濃度均勻鹽脅迫100/100和200/200處理相應(yīng)多出24.14%和82.01%；30 d時(shí)，均勻鹽脅迫200/200處理植株已死亡，0/100處理較均勻鹽脅迫100/100多出73.77%，差異顯著。45 d時(shí)，均勻鹽脅迫處理下植株均已全部死亡。

圖3 不同鹽脅迫下杜梨幼苗葉片的Fv/Fm

2.3 鹽脅迫對杜梨幼苗葉片光合特性的影響

由圖4可知，鹽脅迫降低杜梨葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。隨著鹽脅迫濃度升高和時(shí)間延長，均勻鹽脅迫下Pn、Gs、Tr與對照差異顯著，而異質(zhì)鹽脅迫下0/100處理15 d時(shí)與對照差異不顯著，且異質(zhì)鹽脅迫受抑制程度明顯低于均勻鹽脅迫。鹽脅迫15 d時(shí)，異質(zhì)鹽脅迫0/100和0/200處理與同濃度均勻鹽脅迫100/100和200/200處理相比，Pn、Gs、Ci及Tr指標(biāo)分別多出26.55%、137.11%、28.18%、87.90%和93.36%、104.08%、0.97%、71.52%；30 d時(shí)，均勻鹽脅迫200/200處理植株死亡，異質(zhì)鹽脅迫0/100與均勻鹽脅迫100/100處理相比，Pn、Gs、Ci、Tr分別多出169.13%、471.74%、626.94%、625.51%；45 d時(shí)，均勻鹽脅迫處理植株均已死亡，而異質(zhì)鹽脅迫下植株均正常生長。

圖4 不同鹽脅迫下杜梨葉片的光合特性

2.4 鹽脅迫對杜梨幼苗葉片氮含量和葉面溫度的影響

由圖5可知，異質(zhì)鹽脅迫與均勻鹽脅迫下杜梨幼苗葉片氮含量的變化規(guī)律并不一致。隨著鹽濃度升高，15 d時(shí)，異質(zhì)鹽脅迫下葉片氮含量略有增加；而30 d時(shí)，葉片氮含量先升高后降低；45 d時(shí)，則呈下降趨勢。隨著鹽脅迫時(shí)間延長，15～45 d期間，異質(zhì)鹽脅迫下葉片氮含量均呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢，且差異顯著；均勻鹽脅迫則呈下降趨勢，100/100和200/200處理下植株分別于41 d和26 d后陸續(xù)死亡。

圖5 不同鹽脅迫下杜梨幼苗的葉片氮含量

由圖6可知，異質(zhì)和均勻鹽脅迫下，植株葉面溫度略高于對照，并隨脅迫時(shí)間延長呈現(xiàn)“低-高-低”的單峰趨勢。脅迫15～30 d，除均勻鹽脅迫200/200處理植株死亡外，其它異質(zhì)鹽脅迫處理的葉面溫度與均勻鹽處理無顯著差異；45 d時(shí)，均勻鹽脅迫植株均已死亡。

圖6 不同鹽脅迫下杜梨幼苗葉片的葉面溫度

3 討論與結(jié)論

鹽堿脅迫下植株的生長狀態(tài)是耐鹽堿能力強(qiáng)弱的最直接表現(xiàn)，其生長量和生物量會隨脅迫程度的變化而受到不同程度的抑制[15，16]。本研究表明，不同鹽脅迫處理方式均降低杜梨地上、地下部生物量和株高，而異質(zhì)鹽脅迫下植株的生物量則顯著高于均勻鹽脅迫，這與在橙子[17]、絨毛白蠟[9]上的研究結(jié)果一致。異質(zhì)鹽脅迫0/100和0/200處理下，杜梨植株能夠保持正常生長，而均勻鹽脅迫100/100和200/200處理下，植株分別在41 d和26 d后死亡，這說明該鹽脅迫濃度高于其致死脅迫濃度，而異質(zhì)鹽脅迫可以有效緩解高鹽脅迫對杜梨生長的抑制。有研究表明，植物生物量配置模式的自我調(diào)節(jié)是適應(yīng)鹽脅迫的可塑性機(jī)制之一，往往符合最優(yōu)分配理論的預(yù)測[18，19]。本研究中，杜梨的根冠比隨著鹽脅迫濃度升高而下降的趨勢明顯，而異質(zhì)鹽脅迫下降有所緩解，這與小麥[8]、大洋洲濱藜[11]根冠比增大的結(jié)果不同。其原因主要與本試驗(yàn)設(shè)置的鹽濃度高于杜梨的致死濃度有關(guān)，該濃度鹽脅迫下根系生物量明顯下降，而植株地上部生物量的下降趨勢比根系更顯著，這是導(dǎo)致根冠比下降和后期均勻脅迫處理下植株死亡的主要原因。由此看出這種生物量分配的差異性能夠減輕土壤鹽漬化對根系的危害[20]。

光合參數(shù)是評價(jià)植物鹽脅迫能力的重要指標(biāo)，主要表現(xiàn)為離子滲透和毒害作用導(dǎo)致的植株代謝紊亂、葉綠素含量降低，從而影響植物的光合作用[21]。本研究表明，隨著鹽脅迫濃度升高和脅迫時(shí)間延長，杜梨葉片SPAD值、Fv/Fm均降低，受到明顯的光抑制影響，光合作用減弱，此時(shí)Pn、Gs、Ci和Tr也表現(xiàn)出一致的協(xié)同作用，且均勻鹽脅迫處理45 d時(shí)植株全部死亡。而異質(zhì)鹽脅迫下，葉片光合特征參數(shù)較均勻鹽脅迫有所增大，表明異質(zhì)鹽脅迫能緩解均勻鹽脅迫對光反應(yīng)的抑制，光合作用雖有所減弱，但仍能維持植株正常生長，這與異質(zhì)鹽脅迫對番茄[22]、葡萄[23]的影響結(jié)果類似。

植物氮素含量和葉面溫度是表征植物生長的重要營養(yǎng)和生理指標(biāo)，也是反映植物生命體征的重要參數(shù)。本研究鹽處理15～45 d期間，無鹽脅迫(對照)下葉片氮含量呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，而異質(zhì)鹽脅迫下葉片氮含量呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢，均勻鹽脅迫則呈下降趨勢。其主要原因?yàn)?本試驗(yàn)測定時(shí)間為夏季，對照植株隨著生長和光合產(chǎn)物的積累及轉(zhuǎn)化，葉片氮含量不斷增加。異質(zhì)鹽脅迫與均勻鹽脅迫相比顯著減輕鹽分對葉片的損傷，30 d時(shí)仍呈現(xiàn)升高趨勢，但隨著脅迫時(shí)間的延長，過多的Na+會抑制葉片中氮素的積累，從而導(dǎo)致氮含量下降。均勻鹽脅迫由于濃度較高，光合作用受到嚴(yán)重抑制，導(dǎo)致植物體內(nèi)一系列含氮化合物的代謝紊亂，葉片氮含量不斷下降[24，25]。

植株的溫度值是其能量代謝的結(jié)果，其葉溫的變化受多種外界條件的影響，它常被用來反饋植物水分狀態(tài)、氣孔的關(guān)閉和蒸騰的衰減[26]。異質(zhì)和均勻鹽脅迫下，杜梨的葉面溫度略高于無鹽脅迫，其原因可能是鹽脅迫擾亂了植株體內(nèi)的水分平衡，水分虧缺和冷卻水分的不足導(dǎo)致葉溫升高，尤其是夏季炎熱時(shí)蒸騰降溫功能失調(diào)。隨鹽脅迫時(shí)間延長，對照和處理葉面溫度均呈現(xiàn)“低-高-低”的單峰趨勢，這主要與測定時(shí)氣溫的高低呈直接關(guān)聯(lián)性，本研究均勻鹽脅迫45 d時(shí)植株均已死亡。

杜梨作為黃河三角洲地區(qū)主要的耐鹽鄉(xiāng)土樹種，已在輕中度鹽堿地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)在全株水平上研究杜梨幼苗對異質(zhì)性鹽脅迫的響應(yīng)，這為重鹽堿地局部淡化原土栽植杜梨提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，本研究為方便控制試驗(yàn)的開展，采用了杜梨苗期盆栽試驗(yàn)，在時(shí)間和空間應(yīng)用上具有一定的局限性。此后，隨著微域土壤學(xué)的提出[27]，異質(zhì)性鹽脅迫對大田環(huán)境條件下苗木整個(gè)生育周期的影響有待于進(jìn)一步研究。