苦草对盐度胁迫的生理生态响应及其应用

王在易

摘 要：拉尼娜-厄尔尼诺现象交替出现、超强台风等极端天气事件屡屡发生，导致我国华南沿海地区受到海水倒灌的严重侵袭，盐度胁迫已成为影响华南河口区沉水植物生长发育及繁殖的主要因素。该文以华南地区最常见的沉水植被“先锋物种”苦草（Vallisneria natans）为实验材料，研究其对不同盐度胁迫的光合生理响应，并通过模拟试验观察其表观生长状况变化，以期为河口区沉水植被重建与生态修复提供参考。

关键词：苦草；生态生理特性；盐度胁迫；生态修复

中图分类号 Q945 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）21-0021-04

Ecophysiology Responsesof Vallisneria natans to Salinity Stress And Its Application

Wang Zaiyi

（School of Life Sciences and Technology of Jinan University，Guangzhou 510632，China）

Abstract：The alternation of La Nina and El Nino phenomenon，frequent occurrence of extreme weather events such as super typhoons，often seriouslycause alt-water encroachmentinvadethe coastal waters in Southern China，and lead the stress of salinity to become the main factor that affects the estuarine submersed plants'growth，development and reproduction.In this dissertation，the pioneerplant Vallisneria natans in the reconstruction of submerged vegetation were used as experimental materials，to study ecophysiology response of it to differentsalinity stress，andobserve the change of its apparent growth through simulation tests.It might be expected to provides the reference to the submerged vegetation's restoration and ecological restoration in the estuary areas.

Key words：Vallisneria natans；Ecophysiological characteristics；Stress of salinity；Ecological restoration

近年來，超强台风、海啸等极端天气事件频发，造成我国华南沿海经常性地受到严重的海水倒灌，从而引发海岸侵蚀、河口湿地萎缩、沉水植物衰退及生物资源退化等，已经对相关地区的经济社会和生态环境构成了严峻的威胁与挑战[1]。一方面，海水倒灌使得受影响的沿海地区土壤腐蚀退化和淡水盐碱化等问题[2]进一步加剧，并引发了咸潮现象，给受侵扰地区的农业、养殖业带来了困扰，并将大量海洋垃圾卷向海岸、河口、湿地和养殖基塘，造成环境超载、污染严重、农业减产、水产品病害盛行等问题，严重影响了当地居民的生产生活。另一方面，海水倒灌加剧了河口生态环境的多变性，特别是其直接将等盐线推向内陆河流，影响范围向内陆达20km左右[3]，内陆河流盐分浓度骤升，导致原生沉水植物和浮游植物衰退，引发水生植物群落优势种群的波动。同时还改变了河口区上缘底质的理化条件，造成沉水植物光合作用率的下降，植物光合产物减少，直接影响到草食性动物的摄食、产卵以及洄游鱼类的洄游活动等。

海水倒灌对近海河口及其临近的河口区上缘最直接的影响就是盐度的上升，使得盐度日益成为关系到沉水植被的存活和生长、繁殖的重要因素，其盐度经常性波动甚至会造成沉水植被严重衰退[4]。

由于河口区盐度变化较大，某些沉水植物在进化过程中形成了一定的耐盐性。Doering等（2001）研究了海水入侵对Caloosahatchee河口美洲苦草生长和生存的影响，旱季盐度升高不利于美洲苦草的生长，当盐度超过耐盐极限时导致美洲苦草群落的衰退。据Den Hartog（1970）报道，一般沉水植物都能够在盐度为0～0.5g·L-1的水体中正常生长。

苦草（Vallisneria natans）作为全球广布性的水生植物物种，同时也是华南沿海重要的沉水植物，具有广泛的生态适应性。大量的研究表明，苦草广泛分布在河流、湖泊等淡水水体以及咸淡水交汇的河口中[5-6]，能平衡水体N、P比，对水质有较强的净化能力[7]，在修复与重建水域生态环境系统中也常作为先锋物种。因此，本研究选用苦草开展了近海河口沉水植被重建研究。

1 材料与方法

1.1 材料 苦草：俗名面条草、水韭菜等，为水鳖科（Hydrochartaceae）多年生沉水草本。本研究实验材料苦草（Vallisneria natans）采自广州市华南植物园的自然种群，分别于2015年7月、2016年7月开始进行野外采集及适应性栽培试验。

1.2 方法

1.2.1 沉水植物的适应性培养及不同盐度处理 将从野外采集的苦草置于25℃恒温条件下进行适应性培养30d。挑选生长健壮、大小均一的经适应性培养后的苦草，设置盐度梯度为：0.5ppt、1.5ppt、2.5ppt、3.5ppt的4个处理组，另外0ppt为对照组，每组各6缸，每缸4棵，控制其他培养条件适宜且一致。整个培养过程都在25℃恒温气候箱中进行，实验过程中分别于第0d、1d、3d、5d、7d（上午10：00）对苦草光合光合生理特性进行取样测定，并对其表观生长状况进行持续的观察并记录。

1.2.2 光合生理与生长指标测量 选取植株中上部叶位一致的叶片，在测定前先用锡纸包住待测定叶片，充分暗适应30min之后测定，使用CF Imager叶绿素荧光成像系统测定暗适应后的初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、PSⅡ反应中心潜在的激发能捕获效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数（NPQ）、光化学猝灭系数（qP）、作用光存在时PSⅡ实际的光化学量子效率（Yield），以及根据公式：ETR=PPFD×Yield×0.84×0.5计算ETR电子传递速率。分别采用硫代巴比妥酸法、氮蓝四唑（NBT）光化还原法、愈创木酚法、次溴酸盐氧化法，计算测定样品中的MDA含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活力，以及水体氨氮变化量。根据外伤症状估计方法[8]，测量苦草的生长状况。

1.2.3 数据分析 实验数据采用SPSS 13.0 One Way ANOVA对数据进行统计分析，求出平均值及标准差，对同一测定指标在不同处理间的差异进行方差分析，并用LSD法、SNK法作多重比较，检测各处理与对照组之间或同一处理不同时段间的差异显著性。使用Sigmaplot12.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同盐度条件下苦草叶绿素荧光的变化 图1显示：从第0天到第5天，盐度2.5ppt的Fv/Fm先降后升，第3天达到最低值0.75±0.01，且仅此时与对照组差异显著（P<0.05）；盐度3.5ppt的Fv/Fm下降明显，第3天后基本保持稳定，与对照组差异显著（P<0.05）。盐度2.5ppt和盐度3.5ppt的Yield和ETR均下降明显，与对照组差异极显著（P<0.01）。

2.2 不同盐度条件下苦草非光化学淬灭和光化学淬灭的变化 图2显示：从第0天到第7天，盐度为2.5ppt、3.5ppt的2组NPQ反复波动，盐度3.5ppt的NPQ于第1天时与对照组差异极显著（P<0.01），之后趋于正常，盐度2.5ppt的NPQ于第5天时与对照组显著（P<0.05）。同时，盐度0.5ppt和盐度1.5ppt的qP变化不大，均与对照组差异不显著（P>0.05），其他两组先下降后保持稳定，盐度3.5ppt与对照组差异极显著（P<0.01），第7天达到最低值0.42±0.01。

2.3 不同盐度条件下苦草叶片抗氧化酶（POD、SOD）活性的变化 图3显示：从第0天到第7天，各处理组POD活性上升趋势大小依次：盐度3.5ppt>盐度2.5ppt>盐度0.5ppt>盐度1.5ppt。其中，盐度3.5ppt和盐度2.5ppt的POD活性先升高，分别于第3d达到最大值135.23±13.81和200.86±12.61，之后下降但高于初始水平，从第1天到第7天均与对照组差异显著（P<0.05）。各处理组的SOD活性上升趋势大小依次：盐度3.5ppt>盐度2.5ppt>盐度1.5ppt>盐度0.5ppt。其中，盐度1.5ppt、盐度2.5ppt和盐度3.5ppt的SOD活性均先升高后又下降，第5天時均达到最高水平，分别为25.25±1.24、35.18±1.41、38.63±1.18，与对照组差异极显著（P<0.01）；第5天时，盐度3.5ppt和盐度2.5ppt的SOD活性显著高于盐度3.5ppt（P<0.05）。

2.4 不同盐度条件对苦草叶片丙二醛（MDA）含量的影响 图4显示：从第0天到第7天，各处理组上升趋势大小依次：盐度3.5ppt>盐度2.5ppt>盐度1.5ppt>盐度0.5ppt。其中，除盐度0.5ppt基本保持稳定外（P>0.05），其他3组的MDA含量先升高后下降，于第3天时均达到最高水平，从大到小依次为：28.83±0.68、26.28±0.83、20.35±0.66，与对照组差异显著（P<0.05）。

含量的影响（平均值±标准误，n=3）

2.5 不同盐度条件对苦草和川蔓藻氨氮吸收的影响 图5显示：盐度3.5ppt和盐度2.5ppt的NH4+含量从第3天均开始明显升高，盐度3.5ppt的NH4+含量与对照组差异极显著（P<0.01），盐度2.5ppt与对照组差异显著（P<0.05）；其他2组的NH4+含量均有所下降，但与对照组差异不显著（P>0.05）。同时，盐度3.5ppt和盐度2.5ppt的NO3-含量均从第0天开始明显升高，与对照组差异均极为显著（P<0.01）；其他2组的NO3-含量均先缓降后缓升，与对照组差异不显著（P>0.05）。

2.6 不同盐度条件对苦草表观生长状况的影响 由表1可知：苦草在盐度为0.5ppt、1.5ppt条件下均能正常生长，无明显伤害症状；在盐度为2.5ppt条件下，苦草在实验初期无明显伤害症状，后期表现出轻度伤害的症状；而盐度为3.5ppt条件下，苦草在实验初期表现出轻度伤害，后期达到了中度伤害。3 讨论与结论

3.1 苦草的光合特性对不同盐度的响应 （1）在逆境胁迫下，叶片气孔关闭、光合酶活性降低，因而植物的光合速率也会降低，显著地体现在各项光合特性参数（Yield、ETR等）的变化，特别是ETR的降低反映出苦草光合能力大小的减弱。本实验中，盐度高于2.5ppt时，Yield和ETR下降明显，盐度越高则下降越明显，说明苦草受到非常强的胁迫。正常条件下，Fv/Fm维持在0.80～0.85，一般都不会发生降低，但受到胁迫时，则会开始下降，且随着胁迫程度加深和胁迫时间延长，其下降程度越大[9]。实验测定发现，盐度为2.5ppt、3.5ppt处理1天后Fv/Fm显著下降，说明光合结构受到了一定的损伤，这种下降主要归因于气孔限制和非气孔限制。由于盐度胁迫主要改变了苦草细胞渗透压，影响到其气孔的开放，即气孔限制，同时也限制了对CO2吸收，因而当盐度高于2.5ppt时，苦草叶片PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）在低盐处理初期出现降低，但由于沉水植物本身具备一定耐盐性，因而后期又能发生部分恢复。NPQ反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分，是表示热耗散多少的指标[68]，是光合机构的一种自我保护机制，qP在一定程度上反映了PSⅡ反应中心的开放程度[10]。本实验中，较高的盐度（3.5ppt）条件下，苦草的非光化学淬灭（NPQ）耗散加快，而当盐度高于2.5ppt时，光化学淬灭系数（qP）降低，说明PSⅡ反应中心部分关闭，均显示出较强的盐度胁迫，但第5天后，不再下降且基本保持稳定，也说明了苦草具备一定的盐度耐受性。

3.2 苦草的生理特性对不同盐度的响应 沉水植物在受到盐度胁迫时，机体会产生的大量活性氧，活性氧对植物的功能分子产生破坏作用，在诱导作用下，抗氧化防御系统：超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性会被迅速增强，两者共同清除活性氧并抵御逆境胁迫。同时，植物细胞生物膜中的多价不饱和脂肪酸将受到活性氧自由基的攻击，产生大量的丙二醛（MDA），因此测定MDA含量能间接反映机体细胞受自由基攻击的严重程度。本实验发现，当盐度高于2.5ppt时，苦草POD、SOD活性显著增强，而盐度为3.5ppt时，SOD活性最高，盐度胁迫最为明显。此外，较高的盐度导致苦草MDA含量增加，其中盐度为3.5ppt时的处理，于第3天出现MDA含量最高，即28.83±0.68，可能与此盐度带来细胞外部渗透压过高有关，SOD和POD活性的显著增强仍满足不了对活性氧的消除作用。

3.3 不同盐度对苦草氨氮吸收以及表观生长状况的影响 盐度对沉水植物的氮磷吸收有一定影响[11]，可能与盐度变化引起水生植物渗透压变化有关。通过测定不同盐度条件对沉水植物氨氮吸收的影响，能间接地反映出盐度胁迫对沉水植物的物质合成及生长状况。本实验发现：较高的盐度（≧2.5ppt），造成苦草不仅不吸收NH4+、NO3-，反而向水体释放NH4+、NO3-，使得水体中氨氮含量高于初始水平，可能由于其根系、叶片开始发生部分腐败，有机氮溶解到水体中，显示出苦草所受盐度胁迫较大。较低的盐度（<2.5ppt），苦草的氮吸收情况正常，但对NO3-的吸收不显著。

通过对不同盐度下苦草的表观生长状况的观察和记录来看，当盐度为2.5ppt时，苦草开始表现出轻度伤害的症状，盐度为3.5ppt时则出现了中度伤害，说明苦草具备一定盐度耐受性。

总之，从生态生理特性及生长状况等方面，本实验研究了不同盐度胁迫下苦草的生态生理响应机制，结果表明：苦草对盐度的耐受幅较窄（0～2.5ppt），即盐度耐受阈值不高于2.5ppt。通过苦草盐度耐受阈值与当地河口区水文数据、海水倒灌相关报道的综合考虑，建议在利用苦草开展华南地区近海河口植被重建和生态修复时，应将苦草植于近海河口区上缘，远离潮上带的河口区域。然而，由于试验条件的限制和沉水植物对不同胁迫因子响应的复杂性，对于一些問题的研究仍有待进一步深入。

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（责编：张宏民）