土壤石礫含量對掌葉木幼苗生長及生理影響的年際變化

馬朝陽 劉天鳳 李曉雪 霍燦燦 付玲玲 李在留*

（1.廣西大學林學院，南寧 530004； 2.國家林草局中南速生材繁育重點實驗室點實驗室，南寧 530004； 3.廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，南寧 530004）

石礫廣泛存在于土壤中，通過與細土相互作用使土壤孔隙度、容重、含水量等發(fā)生改變，從而影響土壤pH、溫度、養(yǎng)分等理化性質(zhì)［1］。與無石土相比，石礫增加了土壤的孔隙度，保持了較高的陽離子交換，改變了土壤的保水性和持水時間，降低了土壤對于根系的機械阻力，有利于根系的生長分布［2］。但若土壤中石礫含量過多，甚至出現(xiàn)大范圍巖石裸露現(xiàn)象時，便會導致土壤石漠化以及植物難以生長［3］。中國南方喀斯特山區(qū)便是典型的石礫地，包括廣西、貴州、云南等地，該地區(qū)土壤發(fā)育緩慢、土層淺薄、水土流失嚴重，在人為活動干擾下極易退化導致石漠化［4-5］。因此，加強喀斯特山區(qū)特色植物栽培與恢復研究具有重要意義。

掌葉木（Handeliodendron bodinieri）又名鴨腳板、平舟木，隸屬于無患子科（Sapindaceae）掌葉木屬（Handeliodendron），自然分布于廣西、貴州以及云南交界處的喀斯特山區(qū)［6-7］。其樹形高大，葉形奇特，花果艷麗，是集藥用、材用、油用、綠化觀賞為一體的中國特有單屬種孑遺植物［8-9］。掌葉木雌樹中具有單性花和敗育雄蕊，種仁含油量高達52.6%，易受蟲害和動物采食，易發(fā)霉，自然狀態(tài)下種子萌發(fā)率低，加之生境被破壞，更新幼苗幼樹少，已成為西南喀斯特地區(qū)特有瀕危樹種［10-11］。掌葉木自然生長較慢，種群年齡結(jié)構(gòu)呈衰退型［12］。但能夠從巖石表面和縫隙中獲取生長所需的水分和養(yǎng)分，對不良環(huán)境具有較強的適應(yīng)性，是西南巖溶石山區(qū)多功能潛力樹種，也是喀斯特地區(qū)植被恢復的首選樹種之一。因此，人工繁育掌葉木幼苗并探索其適宜土壤條件具有重要意義。

課題組前期初步研究了不同石礫含量對掌葉木幼苗生長、生理特性及根系的影響［13-14］，結(jié)果表明，適當增加土壤石礫含量，能夠有效促進掌葉木幼苗及其根系的生長，但隨著處理時間的延長，促進作用是否能持續(xù)尚不清楚。因此，本研究通過對比3個連續(xù)生長季內(nèi)，不同石礫含量土壤對掌葉木幼苗生長、光合和抗性生理的影響，探究掌葉木幼苗對不同石礫含量土壤的適應(yīng)性，篩選出適宜掌葉木幼苗生長的土壤石礫含量，為其人工繁育及其在喀斯特石漠化地區(qū)的合理種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于廣西大學林學院苗圃（22°12′N，107°19′E）進行。以1 年生掌葉木實生苗為試驗材料開展盆栽試驗，苗高為（25±5） cm。土壤為喀斯特石山地區(qū)土壤（過篩去除枯枝落葉等雜質(zhì)，pH約7.16，全氮質(zhì)量分數(shù)2.54 g·kg-1，全磷質(zhì)量分數(shù)0.20 g·kg-1），石礫為采集土壤地區(qū)石灰?guī)r（工廠統(tǒng)一加工成約0.5 cm3的顆粒）。

1.2 試驗設(shè)計

2018 年3 月，采用單因素完全隨機試驗設(shè)計，按體積比配置成石礫含量為0（ck），20%，40%，60%和80%的土壤，裝入育苗盆內(nèi)，種植容器使用進口塑料容器（上口徑15.0 cm，下口徑10.6 cm，高度13.0 cm，容積為1 688.45 cm3）。將長勢一致的掌葉木幼苗栽植到育苗盆，每盆1 株，每個處理設(shè)置3 次重復，每個重復15 株。試驗期間，每隔1 d用自動噴灌系統(tǒng)噴水5 min，及時除草除蟲。

1.3 試驗方法

1.3.1 生長指標測定

分別于2018、2019、2020年的3月和9月，每組隨機選擇10 株幼苗，使用直尺測量掌葉木幼苗株高，游標卡尺測量地徑，并計算各處理株高和地徑增長率。采用手持激光葉面積儀（YMJ-B，中國），測量掌葉木幼苗葉面積。每組隨機選擇3株幼苗，采用烘干法測定掌葉木幼苗根、莖、葉及總生物量。

株高增長率=（當年9 月株高-當年3 月株高）/當年3月株高×100% （1）

地徑增長率=（當年9 月地徑-當年3 月地徑）/當年3月地徑×100% （2）

1.3.2 光合生理指標測定

分別于2018、2019、2020 年9 月晴朗天氣的上午，每組隨機選擇3 株幼苗，使用光合儀（LI-6400，美國）測定掌葉木幼苗凈光合速率（Pn）、胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）等指標。

1.3.3 抗性生理指標測定

分別于2018、2019、2020 年9 月，采用NBT 比色法、愈創(chuàng)木酚法、硫代巴比妥酸法、蒽酮比色法和考馬斯亮藍染色法，分別測定掌葉木幼苗葉片超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性，丙二醛（MDA）質(zhì)量摩爾濃度、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)［15］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，采用主成分分析法（PCA）對掌葉木幼苗生長、光合及生理各項指標進行綜合分析與排名。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤石礫含量對3個生長季掌葉木幼苗生長指標的影響

由圖1 可見，隨著石礫含量的增加，第1 個生長季內(nèi)，掌葉木幼苗地徑增長率及葉生物量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，且在土壤石礫含量為40%時顯著（P＜0.05）高于對照組。而各處理組株高增長率、葉面積以及根、莖、總生物量與對照組差異不顯著。在第2 個生長季，隨著生長季的延長，掌葉木幼苗根、總生物量及株高增長率在土壤石礫含量為40%時顯著高于對照組。在第3 個生長季，當土壤石礫含量為60%時，幼苗株高增長率、地徑增長率、葉面積顯著高于對照組，分別比對照組增加了43.8%、12.4%、5.95 cm2。此時，幼苗根、總生物量最適宜土壤石礫含量依舊為40%，而對照組幼苗根冠比達到最大值。此外，在3個連續(xù)生長季內(nèi)，掌葉木幼苗莖生物量分別在土壤石礫含量為20%、20%、60%時達到最大值，分別比對照組增加了0.02、0.11、0.60 g。在第二、第三生長季，各處理組幼苗株高增長率顯著增高，而地徑增長率顯著降低。隨著生長季的延長，各處理組根、莖、葉及總生物量顯著增高，0、40%及60%處理組葉面積在第三生長季顯著增加。

圖1 土壤石礫含量對掌葉木幼苗生長指標的影響同一項目不同小寫字母表示相同生長季、不同石礫含量土壤間各性狀差異顯著（P＜0.05）；同一項目不同大寫字母表示相同石礫含量土壤、不同生長季間各性狀差異顯著；下同F(xiàn)ig.1 Effects of soil gravel content on growth index of Handeliodendron bodinieri seedlings Different lowercase letters for the same project indicated significant differences in various traits between soils with the same growth season and different gravel conten（tP＜0.05），while different uppercase letters for the same project indicated significant differences in various traits between soils with the same gravel content and different growth seasons；the same as below

2.2 土壤石礫含量對3個生長季掌葉木幼苗光合生理的影響

由圖2 可見，在第1 個生長季，掌葉木幼苗Gs、Tr均在土壤石礫含量為40%時顯著高于對照組，分別比對照組增加54.4%、75.7%，Pn、Ci分別在土壤石礫含量為60%、20%時達到最大值，且都顯著高于對照組。在第二生長季時，掌葉木幼苗Pn隨土壤石礫含量的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，當石礫含量為60%時顯著高于對照組。幼苗Tr、Ci分別在土壤石礫含量為60%、20%時達到最大值，且顯著高于對照組。在第三生長季，當土壤石礫含量小于40%時，幼苗Pn、Ci均隨石礫含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，繼續(xù)增加石礫含量，幼苗Pn、Ci開始逐漸下降。此時，掌葉木幼苗Tr最適宜土壤石礫含量為20%，比對照組顯著增加18.6%。幼苗Gs隨石礫含量的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，且添加石礫含量組均顯著高于對照組。隨著生長季的延長，幼苗Pn顯著降低，各處理組Gs及60%處理組Ci在第二生長季顯著高于第一、第三生長季，40%處理組Tr在前兩個生長季無顯著差異，但顯著高于第三生長季。

圖2 土壤石礫含量對掌葉木幼苗光合特征的影響Fig.2 Effects of soil gravel content on photosynthetic characteristics of H. bodinieri seedlings

2.3 土壤石礫含量對3個生長季掌葉木幼苗抗性生理的影響

由圖3 可見，隨著土壤石礫含量的增加，3 個連續(xù)生長季內(nèi)，掌葉木幼苗葉片可溶性糖質(zhì)量分數(shù)始終隨著石礫含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，且對照組顯著低于其他組。此外，隨著土壤石礫含量的增加，在第一生長季，掌葉木幼苗SOD 活性、可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，但隨著生長季的延長，在第二、第三生長季，幼苗SOD 活性在土壤石礫含量分別為40%、60%時達到最大值，分別比對照組增加了15.2%、31.9%；幼苗可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)在土壤石礫含量分別為60%、80%時達到最大值，并都顯著高于對照組。3 個生長季內(nèi)，掌葉木幼苗MDA 質(zhì)量摩爾濃度始終在土壤石礫含量為80%時達到最大值，分別比對照組增加10.6%、19.1%和92.3%；幼苗POD 活性始終在土壤石礫含量為60%時達到最大值，分別比對照組增加30.2%、17.5%和5.9%。隨著生長季的延長，20%～80%處理組幼苗可溶性糖質(zhì)量分數(shù)在第一生長季顯著高于第二、第三生長季，20%處理組幼苗可溶性蛋白及MDA 質(zhì)量摩爾濃度在第二生長季顯著增高。0～40%處理組SOD 活性無顯著差異，而POD活性呈上升趨勢。

2.4 土壤石礫含量對3個生長季掌葉木幼苗影響的綜合評價

為綜合評價3 個連續(xù)生長季內(nèi)不同石礫含量土壤對掌葉木幼苗生長發(fā)育的影響，對17個生長、光合及生理指標進行主成分分析。如表1所示，對于各生長季的掌葉木幼苗，前4個主成分的累計貢獻率分別達到86.425%、81.964%、84.787%，基本能夠反應(yīng)3 個生長季內(nèi)掌葉木幼苗在不同石礫含量土壤中的生長狀況。

如表2 所示，掌葉木幼苗生長、光合和生理特性各項指標的綜合得分及排名結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)前兩個生長季的掌葉木幼苗均在土壤石礫含量40%時生長狀況最好，綜合得分分別為1.667 和1.705。第三生長季的掌葉木幼苗生長狀況最好的石礫含量為60%，綜合得分為1.282，對于連續(xù)3個生長季，掌葉木幼苗均在土壤石礫含量60%時生長狀況最好，綜合得分分別為0.570。由此可見，土壤中加入適量石礫能夠促進掌葉木幼苗生長發(fā)育，且不同生長季最適宜掌葉木生長的石礫含量不同。

3 討論與結(jié)論

恢復與重建目的物種適宜的生境是保護野生植物種群的重要方式［16］。在西南巖溶石山區(qū)，植物會通過增加根系生物量來適應(yīng)土壤資源匱乏的生境［17］。本研究中，在各生長季內(nèi)，隨著土壤石礫含量的增加，掌葉木幼苗各生長指標均有所提高，可能因為在土壤中適量添加石礫含量，增加了土壤孔隙度，改善了土壤的持水能力和養(yǎng)分條件，有利于掌葉木幼苗根系吸收和代謝效率，從而促進幼苗的生長發(fā)育。但當石礫含量達到80%時，土壤資源相對減少，植物根系與土壤的接觸面積減少，降低了植物對土壤養(yǎng)分的吸收利用，從而限制植物生長，幼苗各生長指標顯著低于對照組。前2個生長季，掌葉木幼苗株高、地徑最適土壤石礫含量均為40%，但第三生長季時，最適土壤石礫含量變?yōu)榱?0%，說明隨著生長季的延長和幼苗的生長發(fā)育，根系需要更大的土壤孔隙度來保證養(yǎng)分吸收效率和空間拓展能力。有研究表明，一定含量石礫會影響土壤的理化性質(zhì)，使土壤具備的更多孔洞保持了陽離子交換和土壤水分，進而影響植物生物量的積累［18］。在前兩個生長季內(nèi)，掌葉木幼苗葉面積和根冠比均在40%石礫含量下達到最大值，但在第三生長季時，葉面積和根冠比最適土壤石礫含量變?yōu)榱?0%和0，說明增加土壤石礫含量，導致掌葉木幼苗地上及地下干物質(zhì)分配格局發(fā)生改變，土壤孔隙度增加，根部對水分的吸收能力增強，而隨著年生長周期的延長，掌葉木幼苗對不同含石量土壤表現(xiàn)出極強的適應(yīng)性，掌葉木幼苗生長中心逐漸向地上部分轉(zhuǎn)移。這與高歌等［19］研究結(jié)果相似，即在逆境條件下，植物可通過調(diào)整自身物質(zhì)分配以優(yōu)化對有限資源的獲取。

光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，氣孔作為水分散失和CO2吸收的主要通道，直接影響到植物的光合作用和蒸騰作用［20］。王延雙等［21］研究表明，在水分脅迫條件下，紅花玉蘭（Magnolia wufengensis）幼苗葉片氣孔關(guān)閉，抑制了CO2同化作用，Pn、Tr下降。Pn體現(xiàn)了植物在逆境條件下對光合生理的響應(yīng)以及有機物積累等方面的能力［22］。在本研究中，前兩個生長季內(nèi)，掌葉木幼苗Pn、Gs、Ci分別在土壤石礫含量為60%、40%、20%時達到最大值，在第三生長季，三者最適宜土壤石礫含量變?yōu)榱?0%、60%、40%。掌葉木幼苗3個生長季內(nèi)Tr最適宜土壤石礫含量分別為40%、60%、20%。說明隨著年生長周期的延長，增加土壤石礫含量，土壤持水能力下降，掌葉木作為耐旱性較強的植物，土壤持水量的降低使幼苗吸水效率增加，Gs隨之增加，從而促進了CO2的利用效率，其光合速率和生物量的積累顯著增加，從而使幼苗株高、地徑及生物量顯著增加。但當土壤石礫含量過量時，土壤養(yǎng)分含量降低，葉片氣孔關(guān)閉，Tr及Pn也隨之降低。說明土壤中添加適量石礫能顯著促進掌葉木幼苗進行光合作用以及生物量的積累。

抗氧化酶POD和SOD二者間可通過協(xié)同作用清除植物體內(nèi)過量的活性氧，保護細胞膜正常代謝，防止膜脂過氧化，進而提高苗木的生長適應(yīng)能力［23］。何榜眼等［24］研究發(fā)現(xiàn)，低磷處理下，大花序桉（Eucalyptus cloeziana）幼苗通過增強抗氧化酶活性，以快速清除體內(nèi)多余的自由基，恢復植物體原本的動態(tài)平衡，減輕脅迫對其造成的傷害。當植物生長環(huán)境逐漸惡化，植物體內(nèi)細胞物質(zhì)平衡遭到破壞，活性氧在細胞體內(nèi)大量積累，從而對植物產(chǎn)生毒害作用［25］。本研究中，隨土壤石礫含量增加，在第1個生長季，掌葉木幼苗SOD、POD活性呈現(xiàn)上升趨勢。隨著生長季的延長，3 個生長季后，幼苗SOD、POD 活性在土壤石礫含量為60%時達到最大值。這說明土壤中添加少量石礫，不會對幼苗生長造成顯著抑制，隨著石礫含量的增加土壤肥力逐漸降低，掌葉木幼苗體內(nèi)保護酶系統(tǒng)被激活，葉片通過提高細胞內(nèi)的抗氧化酶活性來降低自由基含量，從而避免植物受到傷害。當土壤石礫含量達到80%時，幼苗保護酶系統(tǒng)的活力和平衡受到破壞，使活性氧累積，啟動并加劇膜脂過氧化而造成整體膜的損傷，嚴重影響了幼苗正常代謝。MDA 作為細胞膜系統(tǒng)內(nèi)脂質(zhì)代謝的產(chǎn)物，對核酸、蛋白質(zhì)等大分子營養(yǎng)物質(zhì)具有破壞作用，過度的脂質(zhì)氧化分解，將導致細胞膜系統(tǒng)選擇透過性降低或喪失，最終使細胞受到傷害甚至死亡［26］。本研究中，在各個生長季，掌葉木幼苗MDA質(zhì)量摩爾濃度隨土壤石礫含量的增加而增加。說明掌葉木幼苗葉片細胞的膜系統(tǒng)在高石礫含量條件下發(fā)生了顯著的膜脂過氧化現(xiàn)象。可溶性糖和可溶性蛋白作為植物組織內(nèi)重要的營養(yǎng)物質(zhì)，為植物生命活動提供物質(zhì)和能量來源，具有滲透調(diào)節(jié)和催化活性等作用，且在維持植物蛋白穩(wěn)定方面起到重要作用［27］。3個生長季內(nèi)，掌葉木幼苗可溶性糖質(zhì)量分數(shù)均在土壤石礫含量為80%時達到最大值。在第三生長季，當土壤石礫含量高于60%時，可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照組。說明隨著土壤石礫含量的增加，土壤肥力逐漸下降，掌葉木幼苗通過主動積累可溶性糖和可溶性蛋白，以調(diào)節(jié)滲透平衡，增加吸水和保水能力，以維持正常的水分代謝和生長發(fā)育。

綜上所述，土壤石礫含量對3個生長季掌葉木幼苗生長及生理皆有影響，在3 個連續(xù)生長季內(nèi)，幼苗生長及生理指標得分最高的土壤石礫含量分別為40%、40%、60%，對于連續(xù)3 個生長季，幼苗在土壤石礫含量60%時生長狀況最好。因此，在人工繁育掌葉木幼苗時，可在土壤中添加40%～60%的石礫，以促進掌葉木幼苗的生長發(fā)育。