上海滨海地区21种园林树种的耐盐性研究

时间：2024-05-24

张德顺,尹伊凡,2,杨雯文,有祥亮,刘鸣,姚驰远,陈莹莹

(1同济大学建筑与城市规划学院,高密度人居环境生态与节能教育部重点试验室,上海200092;2重庆交通大学建筑城规学院,重庆400074;3上海市园林科学规划研究院,上海200232;4德国德累斯顿工业大学,塔兰特01735;5西南交通大学建筑与设计学院,成都610031)

随着全球气候变暖导致海平面上升,滨海地区土壤盐渍化程度持续加剧[1-2]。据预测,2030年上海市相对海平面将上升10—16 cm[3],海水入侵影响着沿海地区土壤盐渍化的过程[4]。上海处于河流与海洋的交汇地带,径流与潮汐任一动力发生变化都将导致盐水入侵强度的改变。冬季枯水期,由江河搬运泥沙与海水顶托,海流、潮汐、波浪共同作用,使近海海域盐度可达20‰以上,滨海土壤盐渍化特征进一步凸显。

据报道,国内外滨海滩涂地区都一直致力于耐盐植物的研究[5]。在滨海耐盐植物的资源引种、选育方面,一些发达国家已经筛选出数百种耐盐性较好的植物并进行了细化分级排序,对维系当地的生态系统服务功能发挥了巨大作用[6]。例如,早在1964年,已有学者整理了1 500种滨海植物信息[7],Niknam等[5]探讨了澳大利亚桉树的耐盐性选择。近年来,国内耐盐植物种类筛选工作得到迅速发展,主要集中于黄河、长江与珠江三角洲[8-12],大多数关于耐盐性植物的生理试验主要关注于数种或十几种植物的评价[13-16],另有一些研究关注于大量园林植物的耐盐性筛选等[17]。

上海地处长江三角洲,滨海滩涂深受江海交互沉积作用的影响,极易遭受海水入侵危害[18-19],日益加重的土壤盐渍化对园林树种选择提出了严峻的挑战。其滨海盐渍土主要分布在崇明、浦东、南汇、奉贤、宝山、金山6区境内的沿海及河口沿江地带堤外潮间带,以及堤内新围垦地段[20]。为不同立地条件选择最优树种,适地适树为风景园林规划设计提供基础资料和参考依据是当前背景条件下的主要任务[21-22]。本研究通过测定上海21种常见园林树种在5个不同盐分胁迫浓度下的10项因子指标,对其耐盐机理与耐盐性强弱进行探讨,以期为上海滨海地区耐盐性园林树种的选择提供对策。

1 材料与方法

试验地点设置在上海市奉贤区邬桥镇上海市园林科学规划研究院邬桥试验基地内。基地地势平坦,平均海拔4.0—4.5 m。年均气温17.6℃,最热月平均温度28.1℃,最冷月平均温度-2.1℃。年均降雨日117 d,降雨量1 106.5 mm。

1.1 材料

选择21种上海地区常见园林树种(表1),地径规格2—3 cm的1—2年生树苗为试验材料,其中,常绿树种5种、落叶树种16种。其中包括乔木、灌木、针叶树、阔叶树以及不同观赏类型的树木,涵盖了目前风景园林中应用的主要基调树种和骨干树种。

表1 耐盐试验测定树种名录Table 1 List of tree species tested for salt-tolerance experiment

1.2 方法

使用人工盐溶液对试验园林树种开展耐盐性胁迫研究。2015年4月,将21种耐盐试验测定树种试验苗统一上盆,每种各3株,培养至当年7月中旬,将容器苗全部移入试验大棚中,人工控制土壤水分。根据海水盐分含量,配置人工盐溶液(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=283∶49∶1)[17],每7 d按照0(CK)、1‰、3‰、6‰、9‰的盐分梯度浇灌盆栽植物一次,以维持土壤盐分浓度,期间测定苗木各项指标参数,每次进行3次重复。试验自2015年8月1日开始,10月30日结束。

1.2.1 存活率(Survival ratio,SR)

植株的存活率是衡量植株抗盐能力的可靠指标[23]。植物叶片作为维管植物重要的营养器官之一,对生境条件的变化反应最为敏感,其外在形态的变化直观反映受胁迫伤害的程度。对不同盐分梯度的树种分别统计存活株数,计算存活率:

式中:Si为存活株数;S为调查总株数。

1.2.2 形态指数(Morphological index,MI)

对叶片受害情况进行观察记录,按盐害分级标准(表2)对试验苗进行形态评定,统计盐胁迫对植株的危害程度。

表2 植株受盐害后形态指数评分Table 2 Morphological index score of plants after salt stress

由盐害指数=[∑(盐害级别×受害株数)]∕(总株数×盐害最高级值)×100%得出,形态指数MI计算公式为:

式中:Ri为每株评分;Ai为各梯度受害株数;Rmax为最高分值;A为调查总株数。

1.2.3 叶绿素相对含量(CHL)

逆境胁迫迫使叶细胞超微结构发生变化,其中叶绿体是对盐分胁迫最敏感的细胞器。

采用便携式SPAD-502plus叶绿素仪进行测量,通过测量叶片在两种波长范围内的透光系数来确定叶片当前叶绿素的相对值。

1.2.4 电导率(Electrical conductivity,EC)

植物细胞膜对维持细胞的微环境和正常的代谢起着重要的作用,质膜透性在一定程度上反映膜的稳定性。当植物受到逆境胁迫后,细胞膜遭到破坏,细胞内发生膜脂过氧化或膜脂脱脂作用,细胞膜的完整性降低,选择透性丧失,导致细胞内的电解质外泄。

采用电导率法对细胞质膜的破坏程度进行测量。取同一叶位的功能叶片0.1 g,用去离子水冲洗,用吸水纸吸干叶片表面水分,置10 mL试管中并加入加6 mL去离子水,浸提30 min,震荡摇匀,用DDSJ-308A电导仪测定电导率C1,再将样品放入沸水浴中浸提10 min,冷却,测其电导率C2,C1∕C2的比值即电导率比率。

1.2.5 光合参数

光合作用为植物的生长发育提供所需的物质和能量,是逆境环境胁迫下受影响的主要生命过程之一。净光合速率的大小能直接反映植物的生长情况,是表征植物遭受盐分胁迫的一个敏感指标。叶片光合速率降低是由气孔限制和非气孔限制两个因素造成的。已有研究表明,在不同盐分处理阶段影响光合的主要因素不同,气孔因素在较短时间内对光合的影响较大,叶肉因素则在较长时间的盐分胁迫后成为影响植物光合的主导因素。

采用LI-6400XT便携式光合仪,于晴朗无风日上午9:00—11:00,设定控制叶温在30℃,CO2浓度为400μmol CO2·mol-1,叶室光强400μmol·m-2·s-1,对试验苗的第3—4叶序的功能叶测定其净光合速率(Photosynthetic rate,PHOTO,μmol CO2·m-2·s-1)、气孔导度(Conductance to H2O,COND,mol H2O·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,CI,μmol CO2·mol-1)和蒸腾速率(Transpiration rare,TRMMOL,mmol H2O·m-2·s-1)4项光合参数指标,每种测定3株,重复3次取平均值。

1.2.6 丙二醛含量(MDA)

丙二醛含量反映植物细胞膜脂过氧化程度,体现植物对逆境条件反应的强弱[24]。采用硫代巴比妥酸法进行测定,计算公式为:

式中:Vt为提取液总体积(mL);Vs为测定用提取液体积(mL);W为样品鲜重(g);A为吸光度值。

1.2.7 过氧化物歧化酶活性(SOD)

SOD与植物的呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有密切关系,是体内普遍存在的活性较高的适应性酶。通过SOD的测定,反映不同盐分胁迫浓度下植物体内代谢的变化及适应性。采用愈创木酚法测定SOD,公式为:

式中:Vt为提取液总体积(mL);Vs为测定用提取液体积(mL);W为样品鲜重(g);ΔA470为反应时间内吸光度的变化;t为反应时间(min)。

2 结果与分析

2.1 不同盐分胁迫下种间存活率与形态指数差异

由图1可知,随着盐分胁迫程度的增加,植株的存活率下降,盐害指数上升。金丝楸、东京樱花在1‰盐分胁迫下叶缘已有焦边现象,在3‰开始出现死亡,存活率急剧下降,说明这两树种对盐分较为敏感,耐盐能力较弱;光皮梾木在3‰时大部分叶色变淡,叶量减少,叶缘叶尖发干变黄,6‰时全部叶片枯焦,植株死亡;朴树、海棠、女贞、榉树、悬铃木、银杏部分在3‰时叶片失绿枯黄,并有少量黄斑;栾树、无患子、碧桃、紫薇、桂花、白蜡、香椿、木瓜在1‰盐分胁迫时,反应较不明显,在3‰—6‰叶缘出现较明显的变色现象;香泡、香樟、广玉兰、乌桕盐害症状较轻,在1‰—6‰,叶色变浅,但整体叶量变化不大,9‰时大部分叶片失绿,但不会严重整体观赏性。

图1 不同盐分浓度胁迫下种间存活率与形态指数变化Fig.1 Changes of interspecific survival rate and morphological index under different salinity stresses

植物对盐分胁迫的响应不仅体现在生长形态方面,同时也体现在植物生理水平上的应变机制。通过测定参试植物叶片的生理各项指标的变化,进一步研究植物在逆境胁迫的生理反应及适应性。

2.2 不同盐分胁迫下种间叶绿素差异

由图2可知,随着盐分胁迫浓度的增大,园林树种的叶绿素相对含量呈明显的下降趋势,但不同树种下降幅度不同。

图2 不同盐分浓度胁迫下种间叶绿素变化Fig.2 Interspecific chlorophyll relative contents under different salinity stresses

木瓜、白蜡、香椿、广玉兰、香樟的叶绿素相对含量在1‰盐分胁迫下有一定增加,随胁迫梯度增强而下降;栾树、朴树、木瓜、女贞、白蜡、香椿、香樟、广玉兰、光皮梾木、东京樱花、紫薇、桂花、银杏在1‰时与对照组差异不大,在3‰—9‰下降较小,具有一定的耐盐能力;绚丽海棠、香泡、乌桕、榉树、悬铃木、金丝楸对盐分胁迫敏感,生长受到抑制。

2.3 不同盐分胁迫下种间电导率差异

由图3可知,园林树种的电导率随着盐分胁迫浓度的增大而显著增加。

图3 不同盐分浓度胁迫下种间电导率变化Fig.3 Variation of interspecific conductivity under different salinity stresses

栾树、无患子、海棠、碧桃、乌桕、榉树、悬铃木、广玉兰、桂花、银杏在1‰—3‰盐分胁迫下变化不明显;朴树、香樟、东京樱花在1‰—6‰胁迫下与对照组差异不显著,香泡、白蜡、朴树在9‰时电导率上升明显;金丝楸、光皮梾木、女贞电导率上升缓慢;木瓜、紫薇上升幅度较小,在3‰—9‰与对照组差异显著。

2.4 不同盐分胁迫下种间光合参数差异

2.4.1 种间光合速率差异

由图4可知,随着盐分胁迫浓度的增大,树种的净光合速率呈明显下降的趋势。

图4 不同盐分浓度胁迫下种间净光合速率的变化Fig.4 Variation of interspecific net photosynthetic rate under different salinity stresses

朴树、乌桕、香椿、楸树随着盐分胁迫浓度的增加,响应差异极显著;栾树、碧桃、女贞、木瓜、榉树、广玉兰在1‰时不敏感,其中,榉树在1‰和3‰浓度时上升,6‰时下降至最小值,广玉兰在3‰和6‰浓度两者间差异不显著,下降率分别为31.7%和43.2%,其余树种在3‰—9‰浓度间差异均很明显。绚丽海棠在6‰光合作用已达到最大值。

2.4.2 种间气孔导度差异

气孔导度反映了气孔的张开程度,而气孔的开张程度直接影响到树种光合作用对CO2的需求量,从而影响光合速率的大小。由图5可知,桂花在1‰盐分胁迫下有一定增加,但随之显著下降;广玉兰在各浓度间差异均不显著;木瓜在6‰—9‰浓度时与对照组相比分别下降了57.67%和94.35%;无患子、朴树、海棠、香泡、悬铃木、香樟、紫薇在1‰—3‰时减缓下降;紫薇在6‰—9‰浓度时的下降异常明显;碧桃在各梯度下降趋势均较显著。

图5 不同盐分浓度胁迫下种间气孔导度的变化Fig.5 Variation of stomatal conductance under different salinity stress

2.4.3 种间胞间CO2差异

气孔的开度控制CO2进出植物叶片,胞间CO2浓度是衡量净光合速率下降原因的重要指标,胞间CO2浓度下降表明为气孔开合所限制,升高则为非气孔限制。

由图6可知,香泡、木瓜、榉树、悬铃木在1‰时与对照组差异微小,但在3‰—9‰时呈显著上升趋势,表明净光合速率下降非气孔限制导致。栾树、无患子、朴树、绚丽海棠、乌桕、白蜡、香椿、广玉兰等呈缓慢上升趋势。

图6 不同盐分浓度胁迫下种间胞间CO2的变化Fig.6 Interspecific CO2 variation under different salinity stresses

2.4.4 种间蒸腾速率差异

水是植物进行光合作用的主要原料之一,而蒸腾作用是控制树木水分状况的最主要的因素之一。蒸腾速率的大小直接影响着光合速率的大小,在一定程度上反映了植物调节水分损失的能力及适应盐分胁迫逆境环境的能力。蒸腾速率的下降是植物的一种自我保护反应,使根系吸收的水分减少,同时,也减少对有毒离子的吸收。

由图7可知,无患子、朴树、碧桃在各盐分胁迫浓度两两间差异均较明显,说明植株的蒸腾速率对盐分胁迫较敏感;香泡在6‰—9‰浓度时明显下降;榉树、桂花、银杏呈先上升后下降的趋势。紫薇在低浓度时剧烈下降后平缓,在高浓度时也呈同样的趋势。

图7 不同盐分浓度胁迫下种间蒸腾速率的变化Fig.7 Interspecific variation of transpiration rate under different salinity stresses

2.5 不同盐分胁迫下种间丙二醛差异

由图8可知,东京樱花、金丝楸在1%浓度达到峰值后崩溃,表明不耐盐碱;无患子、海棠、女贞、木瓜、悬铃木等在低浓度胁迫时与对照组相比差异不显著,但在6‰—9‰时崩溃,反映出其耐盐极限;碧桃在6‰浓度时达到峰值,但在9‰时略有下降,整体呈先上升后下降的趋势;香泡、广玉兰、香樟、银杏叶片丙二醛含量一直较为稳定,变化不大,具有一定耐盐性。

图8 不同盐分浓度胁迫下种间MDA的变化Fig.8 Variation of interspecific MDA under different salinity stresses

2.6 不同盐分胁迫下种间SOD差异

由图9可知,无患子、朴树、香泡、乌桕、女贞、光皮梾木、香樟、东京樱花、银杏等呈显著上升的趋势,在9‰时达峰值;碧桃、木瓜、榉树、白蜡、香椿、紫薇等随盐分胁迫浓度增加呈现上升后下降的趋势;栾树、绚丽海棠、广玉兰各盐分梯度下变化不大。

2.7 各因子之间的相关性分析

对各因子进行相关性分析发现(表3),SR、MI、CHL、PHOTO、COND、TRMMOL之间均为显著性正相关;MDA与SR、MI、PHOTO之间不相关,与其他因子具有显著性正相关关系;SOD与PHOTO不相关,但与其他各因子之间呈现显著性负相关关系。

表3 因子之间的相关性矩阵Table 3 Correlation matrix between factors

2.8 主成分分析

植物的耐盐机理是一个极为复杂的生理过程,单一性状或者指标的测定结果,难以准确反映植物抗盐性的强弱。为了准确、快捷得到试验结果,对所测得的生长生理指标进行主成分分析,在最少损失信息的条件下构建相互独立的综合指标,找出具有代表性的主成分因子,筛选出最能反映植物受胁迫程度和耐盐性强弱的指标,对园林树种耐盐性做出客观评价。

通过主成分分析(KMO=0.690,P＜0.01),最终得到2个特征值＞1的公因子作为主成分,其累积贡献率达70.00%。由图10可知,SR、MI、CHL、EC、PHOTO、COND、TRMMOL7项因子共同组成了第一主成分公因子,CI、MDA与SOD 3项因子组成了第二主成分公因子。

图10 主成分荷载与树种得分分布Fig.10 Principal component load diagram and tree species score distribution

根据主成分公因子得分,可将21种植物分为3个组群:第1组为木瓜、广玉兰、香泡、女贞、碧桃5种植物,SR、MI、CHL、EC、PHOTO、COND、TRMMOL较高,CI、MDA、SOD相对较低,是耐盐性较强的植物;第2组包括香樟、乌桕、银杏、栾树、绚丽海棠、紫薇、朴树、桂花、白蜡、无患子、悬铃木11种,CI、MDA、SOD较高,其他因子较低,对盐分胁迫表现出较强的生理应激反应,可以通过自身的生理调节来适应不利的盐分胁迫,具有一定的抗盐能力;第3组主要由榉树、香椿、光皮梾木、东京樱花、金丝楸5种树种组成,各项因子均处于较低水平,耐盐性较差。

根据主成分分析结果,可以把10项指标分为两类进行抗盐能力判断,重要指标包括2项形态指标和4项生理指标,即存活率、盐害形态指数、气孔导度、蒸腾速率、叶绿素相对含量和胞间CO2浓度。另外电导率、净光合速率、丙二醛含量和过氧化物歧化酶活性4项生理指标作为园林树种抗盐能力的参考指标(表4)。

表4 园林树种抗盐指标分析Table4 Analysis of salt resistance index for landscape tree species

3 结论与讨论

3.1 指标因子选择对树种抗盐性综合评价起主导作用

建立在抗盐生理指标上的种类选择能够有效提高抗盐物种的筛选效率[25]。现有对单一或多树种的交叉对比抗盐性研究,对建立抗盐性评价体系具有重要作用。

本研究通过盐分胁迫试验,从存活率、盐害形态指数、叶绿素相对含量、电导率、净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率、丙二醛含量与过氧化物酶活性10个因子综合测定了21种园林树种在5个不同盐分胁迫浓度下的生长生理响应,初步建立了园林树种抗盐性综合评价体系。其中,植物成活和生长是植物对盐胁迫反应的综合体现,是植物耐盐性的最可靠的评价指标,金丝楸、东京樱花对盐分胁迫非常敏感,可以评价为轻度耐盐或不耐盐,其次是光皮梾木,再次是榉树、白蜡、香椿、悬铃木、桂花等。叶绿体则是叶绿素的载体,叶绿素具有吸收传递转换光能的作用,但叶绿素含量大小并不直接反映植物抗盐性大小,在盐胁迫下,叶绿素合成与分解的反应机制有显著差异,通过对叶片气体交换参数的测定,可以判定植物光合作用的强弱。大多数树种的净光合速率降低、气孔关闭、蒸腾速率下降[26],但香泡、木瓜、榉树、悬铃木胞间CO2浓度呈现显著上升的趋势。电导率直接反映质膜受伤害的程度,其数值与质膜受害程度呈正比;在较低盐分胁迫下,叶片光合受到抑制;丙二醛作为脂质过氧化作用的产物,其含量的多少可以代表膜损伤程度的大小,是衡量植物在盐胁迫下受伤害程度的重要指标,但一些试验结果也表明,丙二醛含量变化并无明显规律性[27],这可能与盐胁迫时间或者树木抗盐机制不同有关。保护酶系统中的SOD和POD是防御活性氧及其他自由基对细胞系统伤害的极为重要的酶,叶片中SOD活性随盐度的升高而增强,从而保持细胞膜的完整性,反映较高的耐盐适应性,但SOD活性也会随条件的不同而出现上下波动的趋势,不同树种对过氧化物酶活性的敏感程度不一,无患子、朴树、香泡、女贞、悬铃木、金丝楸、光皮梾木、香樟、东京樱花、桂花、银杏均随盐分胁迫浓度的增大而增大,栾树、海棠、乌桕、广玉兰则不同。

3.2 不同树种应对盐分胁迫的生理策略不同

植物适应含盐土壤环境的重要策略是积累渗透物质以维持细胞渗透压,并维持各种生理功能[28]。香泡、广玉兰、碧桃、木瓜、女贞的综合得分最高;其次是栾树、银杏、紫薇、悬铃木、绚丽海棠、香樟、桂花、朴树、无患子、乌桕、白蜡,再次是光皮梾木、香椿、榉树、东京樱花和金丝楸。尽管如此,从得分散点分布图上可知,乌桕、朴树、无患子、白蜡居于中心位置,各项指标表现较为均衡,因而具有较强的耐盐性。以栾树、紫薇、银杏、悬铃木为核心的树种在应对盐分胁迫时表现出强烈的酶应激反应,以香泡、广玉兰、木瓜等为核心的树种则表现出强烈的光合调节机制,反映了不同的应对策略。而以金丝楸、东京樱花等树种既没有表现出酶应激反应,也无法进行光合机制调节,因而可被评价为不耐盐性植物。