“綠色屋頂”中常用的四種景天科植物的抗酸性研究

黃青青，高松，倪榮偉，周陳野，徐建偉，程園園，施夢嫻，蔡顏蔚，黃珊珊，朱欣

(臺州學院生命科學學院，浙江臺州318000)

酸雨是指pH小于5.6的雨水，也包括雪、霧、冰雹等其他形式的酸性降水形式［1］。目前，酸雨已對人類的生存環境造成較為嚴重的破壞，并且嚴重威脅人類的健康。同時，酸雨對植物的傷害也受到研究學者的廣泛關注。有研究表明，酸雨會顯著降低植物的株高，破壞植物葉片的上皮細胞，增加細胞膜的透性，還會使植物體內多種酶活性發生改變，對植物的生理、生化等多方面特征造成顯著的影響［2－6］。

城市區域是酸雨的高發區，而屋頂綠化植物是維持城市生態平衡、改善城市環境的重要物質基礎之一。在當前城市用地緊張、綠化用地不斷被減少、人口密集帶來巨大的負面生態效應的背景下，屋頂綠化的興起對生態城市的建設以及可持續發展具有非常重要的戰略意義。屋頂綠化能夠降低城市大氣二氧化碳濃度，降低粉塵，改善霧霾天氣，對維持生態的平衡具有極其重要的意義［2］。因此，研究模擬酸雨對“屋頂綠化”植物的生理生化的影響，將有助于了解其抗酸性，為“屋頂綠化”植物的應用和栽培提供理論依據。

景天科植物因具有植株矮小、對水肥的需求量不高、抗風的能力強、抵抗環境污染的能力強的特點，成為屋頂綠化的首選植物。目前，已知的景天科植物大約有35個屬，1 500多種。我國有10個屬，240多種，其中屋頂綠化最常用的有佛甲草、垂盆草、東南景天、凹葉景天等。這4種植物對環境的適應性強，耐貧瘠，耐旱，耐寒，抗風，防風，能凈化空氣，具有很高的生態價值，同時因其葉和花的顏色和形狀多樣，具有很高的觀賞價值。因此，這4種景天科植物成為屋頂綠化中的優質物種，被普遍地運用于屋頂綠化中［7］。

不同pH的模擬酸雨對植物的脅迫程度是存在差異的。目前，有關上述4種植物抗性的研究報道多見于耐熱性、抗旱性、抗風性等方面的研究，但對4種植物的抗酸性方面國內外還少有研究。筆者通過模擬酸雨對屋頂綠化常用的4種景天科植物生理特性影響的研究，探討其對酸雨的敏感性、耐受能力，以期為景天科植物在屋頂綠化推廣提供理論依據，為屋頂綠化建設中物種的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗地點設在臺州學院生命科學學院實驗室。試驗室處于臺州市的東部，E 121°24'，N 28°40'，為亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫約為17.6℃，最高氣溫約為41.7℃，最低氣溫約為0.9℃，四季鮮明，無霜期約為280 d，年降水量約為1 700 mm，年平均相對濕度約為65%。試驗所用植株幼苗由浙江省內采集。種植所用土壤為泥炭土和黃壤按1∶1配制。

1.2 試驗材料及方法 試驗物種為佛甲草、垂盆草、東南景天、凹葉景天。為確保試驗植株能滿足試驗多級pH梯度下多次取樣測定的需要，采用不同物種的一年生扦插苗作為試驗材料，培養至植株葉片數量充足。

從2013年5月開始，每種植物選取100株生長健壯的植株，將每種25株設為1組，共設4組，扦插于基質相同的種植盆中。試驗植株5～7月進行適應性生長培育管理，8月初進行模擬酸雨處理。扦插和模擬酸雨脅迫試驗均在實驗室內進行，以避免降雨干擾。

按照浙江省酸雨的離子組成以及模擬酸雨試驗中常用的配比方案［8－9］，用分析純H2SO4和 HNO3配制成體積比為8∶1的酸雨母液，再將母液用蒸餾水稀釋成 pH 分別為3.5、4.5、5.5的稀釋液作為模擬酸雨試液，以自來水(pH約6.5)作為對照。按照臺州市多年平均降水量1 700 mm，每日每盆植物用小型噴霧器噴淋約27.5ml酸雨(與本地總的降水量基本持平)，期間適當補水到2013年10月上旬，測定試驗結果。

1.3 測定項目及方法 室內生理生化實驗在臺州學院生命科學學院實驗室內進行。測定的指標包括不同植物葉片中的超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量，其中MDA含量采用寶交早生雙組分光光度法測定［10］;Pro含量采用寶交早生磺基水楊酸提取法測定［11］;SOD活性采用寶交早生氮藍四唑(NBT)法測定［12］;POD活性采用寶交早生愈創木酚法測定［10］;CAT活性采用寶交早生分光光度法測定［13］。

1.4 數據處理 使用Microsoft Excel2003、SPSS18.0進行試驗數據處理，并且作圖。試驗結果采用ANOVA進行Duncan多重差異分析(P＜0.05)。抗酸性評價應用模糊數學中隸屬函數法［13］，對所測定的葉片葉面積、光合速率等10項生理生化指標進行綜合評價。隸屬函數值計算公式為:

式中，Xij為第i種植株的第j個種性狀指標的測定值;Ximin、Ximax分別為所有試驗植株第i種第j個性狀指標測定的最小值和最大值;R(Xij)為第i種第j個性狀的抗酸性隸屬函數值。如果指標的測定值與物種抗性呈負相關，那么用反隸屬函數值。計算公式為:

利用公式R(Xi)=∑(Xij)/n來計算平均隸屬函數值，再根據平均值的大小，綜合評價4個物種的抵抗酸雨能力的強弱。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨對葉片MDA含量的影響 從圖1可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強，4種景天科植物的MDA含量呈現出不同程度的先上升后下降的趨勢。垂盆草的峰值出現在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的峰值出現在pH 5.5處理下，4種植物分別相對CK上升了43.77%、53.73%、51.07%、20.59%。

2.2 模擬酸雨對Pro含量的影響 從圖2可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強，垂盆草和東南景天的Pro含量呈現上升的趨勢，分別相對CK上升29.50%和35.91%，凹葉景天的Pro含量先下降后上升，佛甲草先上升后下降。

2.3 模擬酸雨對抗氧化酶活性的影響 從圖3可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強，4種景天科植物的SOD活性呈現出上升的趨勢，相對于 CK分別上升了1 311.21%、862.98%、74.25%、161.40%，差異在0.05水平顯著。從圖4可以看出，POD活性的變化與SOD活性的變化有所不同，4種植物的POD活性呈現出先上升后下降的趨勢，垂盆草的POD活性峰值出現在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的POD峰值出現在pH 3.5處理下，峰值相對于CK分別上升了57.15%、18.97%、41.75% 和 48.65%，差異在0.05水平顯著。從圖5可以看出，隨著模擬酸雨酸性的增強，垂盆草和凹葉景天的CAT活性呈現出下降的趨勢，相對于CK分別下降了26.86%和31.27%，前者差異不顯著，后者差異在0.05水平顯著，而東南景天的CAT活性呈現出先上升后下降的趨勢，峰值相對于CK上升了60.03%，差異在0.05水平顯著。在相同的處理條件下，佛甲草的CAT活性表現為持續上升，相比CK上升52.46%，差異在0.05水平顯著。

2.4 抗性綜合評價 為了更加有效地比較4種景天屬植物抗酸能力的強弱，研究采用模糊數學中的隸屬函數分析法。其特點是能夠對物種的多項指標進行綜合分析，進而對物種的抗性做出全面的評價。通過MDA和Pro含量的變化以及SOD、POD和CAT活性的變化等5個指標，對各指標的隸屬函數值進行累加，再計算其平均數，進行物種間比較用以評價其抗酸性。

4種景天科植物5個指標的隸屬函數值見于表1。其中，垂盆草的加權值最大，說明它是抗酸性較強的品種。4種植物根據平均隸屬函數加權值的大小排列為垂盆草、佛甲草、凹葉景天、東南景天，反映這些材料抗酸性強弱的順序為垂盆草＞佛甲草＞凹葉景天＞東南景天。

表1 不同pH模擬酸雨處理下4種景天科植物各指標的隸屬函數值

3 討論

酸雨環境可導致植物細胞膜脂過氧化活動加劇，產生大量的MDA，導致過氧化產物的含量增加，加劇膜脂過氧化作用，并且增大質膜的透性［14］。隨著脅迫程度的加強，MDA含量雖然有所下降，但相對于CK仍有升高，且差異在0.05水平顯著。佛甲草的MDA含量比其他3種植物穩定，表明它在MDA含量方面對酸性環境有較強的適應性。

在通常情況下，植物體內游離Pro含量會處于較低水平，但在逆境下，植物會不同程度的提高Pro含量。這在一定程度上反映植物的抗逆性［15］。由此可見，垂盆草和東南景天的Pro含量上升是適應酸雨脅迫的一種途徑。而凹葉景天在pH 3.5與CK條件下表現出較高的Pro水平，而在pH 4.5與pH 5.5處理下較低，表明凹葉景天在Pro方面更適宜在弱酸環境下生長。佛甲草的pH峰值在pH 4.5處理下出現，表明佛甲草在此處理下受到的脅迫最大。

植物細胞具備氧化還原系統，能夠維持生理條件下細胞的氧化還原平衡，而酶促氧化還原反應主要依賴于SOD、POD等抗逆性酶的作用。只有在SOD、POD等酶的作用下，才能夠有效地清除細胞中的活性氧，使細胞避免受到氧化傷害［16］。CAT、POD、SOD是生物體內重要的活性氧消除酶，在清除超氧化物自由基、減弱脂質過氧化作用和膜傷害方面起重要作用［17］。SOD是一種能夠消除生物體內超氧陰離子自由基的酶，在細胞受到脅迫的狀態下能夠有效地清除超氧陰離子，減輕細胞膜脂受損的程度［18］。研究表明，隨著模擬酸雨溶液酸度的增加，4種植物葉片SOD活性均上升，表明植物通過酶活性的增加來提高適應脅迫環境的能力。在pH 3.5時各植物的SOD活性達到峰值。SOD活性變化越大植物的抗酸性越強，反之抗酸性較弱，因此SOD活性增幅較大的佛甲草和東南景天抗酸性較強，而增幅較小的凹葉景天和垂盆草抗酸性較弱。

POD廣泛存在于植物體中，在植物的生長、發育以及對環境的響應等方面起重要的調節和保護作用［19］。研究表明，4種植物的POD活性呈現出先上升后下降的趨勢，垂盆草的POD活性峰值出現在pH 4.5處理下，東南景天、凹葉景天和佛甲草的POD峰值出現在pH 3.5處理下，峰值相對于CK 分別上升了 57.15%、18.97%、41.75% 和 48.65%，差異在0.05水平顯著。這表明4種景天科植物在受到酸雨脅迫時植株中的保護酶POD活性得到加強，并且激發植株自身的防御機制，在一定程度上抵制和清除由酸雨脅迫而引起的脂膜過氧化及其他傷害過程。

研究還表明，隨著模擬酸雨酸性的增強，垂盆草和凹葉景天的CAT活性呈現出下降的趨勢，相對于CK分別下降了26.86%和31.27%，前者差異不顯著，后者差異在0.05水平顯著，而東南景天的CAT活性呈現出先上升后下降的趨勢，峰值相對于CK上升60.03%，差異在0.05水平顯著。這表明隨著模擬酸雨酸性的增強，植物通過提高抗氧化酶的活性及時清除體內產生的活性氧，從而增強對逆境的適應能力。

從生理生化指標測定及隸屬函數的綜合評價來看，除垂盆草和佛甲草適宜在酸雨環境下生長，適宜運用于長期粗放管理的屋頂綠化，而凹葉景天和東南景天則不適宜運用于酸雨嚴重的城市的屋頂綠化。當凹葉景天和東南景天應用在粗放型管理的屋頂時，如果遇到長期pH低于4.5的酸雨，那么應及時進行遮蓋保護，以免災情加重，影響植物的抗酸性恢復、景觀效果。特別是酸雨重災區，在選擇屋頂綠化植物時，應選擇抗酸性強的物種，以便于進行長期粗放管理。

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