不同株高密花香薷光合色素含量和根際土壤酶活性的變化

阿的魯驥，王長庭，字洪標，趙 江

不同株高密花香薷光合色素含量和根際土壤酶活性的變化

阿的魯驥1，王長庭2*，字洪標1，趙 江2

(1．西南民族大學青藏高原研究院，四川成都610041; 2．西南民族大學生命科學技術學院，四川成都610041)

密花香薷(Elsholtzia densa Benth．)是川西北高寒草甸的常見植物，為了探討其對高寒生態環境的生理生態適應機制，分析四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣不同株高密花香薷葉面積、比葉質量、光合色素含量以及根際土壤酶活性的變化規律．結果表明:不同高度的密花香薷植株，其比葉質量和光合色素含量變化不顯著(P＞0．05)，葉面積隨著植株增高先增加后減小，當植株高度在40～45 cm之間的葉面積最大，此時葉綠素含量最高，且Chl a/b最大;不同株高密花香薷根際土壤的纖維素酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性變化規律不明顯，且與對照無明顯差異．硝酸還原酶和脲酶活性大于對照，隨著植株高度增加，根際硝酸還原酶和脲酶活性先增加后降低，脲酶活性與葉片Chl a的含量呈顯著正相關，株高大于46 cm的植株根際脲酶活性顯著大于對照(P＜0．05)．研究表明，密花香薷在生長過程中可能釋放根系分泌物改變了土壤微生物活動，提高根際氮素水平以促進植物的光合作用效率．

高寒草甸;密花香薷;株高;生理適應;根際土壤酶活性

密花香薷(Elsholtzia densa Benth．)是唇形科(Labiatae)香薷屬(Elsholtzia)草本植物，別名咳嗽草、野紫蘇、臭香茹、媳蟋巴［1］，主要分布于我國西北和華北地區、印度、錫金、阿富汗、巴基斯坦、塔加拉等地，其生境主要為海拔1 800～4 100 m的高寒草甸、山坡、林地等［2］．密花香薷是川西北地區高寒草甸中的一種雜草類植物，在圍欄禁牧后大量繁殖并快速生長，對禾本科植物的生長具有抑制作用［3］．光合作用是植物生長發育的基礎和生產力高低的決定性因素，同時也是易受環境影響的生理過程，高海拔地區植物獨特的光合色素組成也是其光合作用適應環境的重要特征［4］．植物與土壤之間的相互作用在決定植物的競爭力以及分布格局中起著重要作用［5］．根際是指受植物根系活動影響，物理、化學和生物學性質上不同于土體的那部分靠近植物根系的微域土區，是植物－土壤生態系統物質交換十分頻繁的一個界面，也是土壤微生物非常活躍的一個區域［6］．植物經光合作用固定的元素可通過根系分泌物的形式釋放到土壤中，為土壤微生物提供豐富的營養，而土壤微生物可借助趨化感應，游向富含根系分泌物的根際及根表面進行定殖與繁殖［6］．土壤酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物，其活性高低能反映出土壤微生物活性［7］．因此，探討高海拔地區植物在生長過程中光合特性的變化規律和根際土壤特性的變化規律，以及二者之間的相互關系，有助于了解高寒地區植物的生態對策．本研究以四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣高寒草甸中分布的密花香薷為對象，分析不同株高密花香薷葉面積、比葉質量、光合色素含量以及根際土壤酶活性的變化規律，探討密花香薷對高寒生態環境的生理生態適應機制，為川西北高寒草甸資源利用和牧場生態系統管理提供理論依據．

1 研究方法

1．1 野外取樣 研究區位于四川西北部紅原縣境內的西南民族大學青藏高原基地，其自然環境概況見文獻［8］．于2014年8月選取環境條件基本一致的樣地(樣地面積1 000 m×1 500 m)，在樣地中隨機選取不同高度的密花香薷，每個高度10株．測定每株植物的高度后，采集莖頂東、南、西、北4個方向的成熟健康的各5片葉片，裝入自封塑料袋做好標記．然后，挖出密花香薷植株，收集根際土壤，將同一高度植株的根際土壤混合均勻，裝入無菌自封塑料袋并作標記，以同一樣地中沒有植物生長的土壤作為對照(CK)．采集的葉片和土壤均置于放有冰袋的冰盒中帶回實驗室進行后續實驗．

1．2 比葉質量和光合色素的測定 將每個植株的葉片隨機分為2組，分別用于測定比葉質量和葉綠體色素含量．

1．2．1 比葉質量的測定 取出自封袋中的葉片，迅速用AM 300便攜式葉面積儀測定每片葉子的葉面積，每一植株測定10片，再置于烘箱中105℃殺青10 min，80℃烘干至恒質量，稱質量，計算比葉質量(單位為mg/cm2)［9］:

比葉質量 =葉片干質量和 /葉面積和，每一植株高度10次重復．

1．2．2 光合色素的測定 葉綠體色素含量的測定參照王學奎［10］的方法．將葉片洗凈，用濾紙吸干水分后，去中脈，剪成碎片，混勻．稱取0．2 g葉片，放入研缽中，加入少量石英砂和碳酸鈣粉，再加入體積分數80%丙酮2～3 mL研磨至勻漿，定容至10 mL，暗處靜止1 h后，過濾，取濾液用SpectraMax M2多功能酶標儀分別在波長663、646和470 nm測定吸光度．計算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、總葉綠素含量(Chl T)和類胡蘿卜素(Car)的含量［9］:

式中，ca、cb和cT分別為葉綠素a和 b的質量濃度及總葉綠素質量濃度;cCar為類胡蘿卜素的總質量濃度;再按下式求算植物組織中單位鮮質量色素的含量(mg/g):

每一植株高度重復10次．

1．2．3 根際土壤酶活性測定 土壤脲酶、硝酸還原酶、酸性磷酸酶、纖維素酶、蔗糖酶以及酸性磷酸酶活性的測定采用文獻［7］的方法;用SpectraMax M2多功能酶標儀測定各反應液的吸光度;10次重復．

1．3 數據分析 采用SPSS 18．0進行單因子方差分析(One－way ANOVA)．

2 結果與分析

2．1 不同株高密花香薷葉面積和比葉質量的變化

由表1可見，隨著植株高度的增加，密花香薷的葉面積先增加后減小，植株高度在40～45 cm之間的葉面積最大;比葉質量在不同高度的植株之間則無顯著變化．

表1 不同株高密花香薷葉面積和比葉質量(means±SE，n=10)Table 1 Leaf areas and specific leaf weights of Elsholtzia densa Benth．at different plant heights(means±SE，n=10)

2．2 不同株高密花香薷光合色素含量的變化 根據表2可知，不同株高密花香薷葉片中，葉綠素含量和類胡蘿卜素含量具有一定的差異，其中各類光合色素含量以株高40～45 cm時為最高，但是差異均未達到顯著程度(P＞0．05)．Chl a/b也表現為株高40～45 cm時最大，但在此高度下類胡蘿卜素與葉綠素的比值(Car/Chl)卻最小，Chl a/b、Car/Chl與葉綠體色素含量相似，不同高度植株之間也沒有顯著的差異．

2．3 不同株高密花香薷根際土壤酶活性的變化密花香薷根際土壤酶活性在不同株高下具有不同程度的變化(表3)．不同株高密花香薷根際土壤的纖維素酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性無明顯變化規律，且均與對照無顯著差異．硝酸還原酶活性和脲酶活性變化趨勢基本相似，整體來說，根際土壤中這兩種酶的活性均大于對照，但隨著植物高度增加，酶活性呈現先增加后降低的趨勢．不同高度植株之間根際土壤硝酸還原酶活性和株高小于46 cm植株之間根際土壤脲酶活性差異不顯著，而高度大于46 cm植株根際土壤脲酶活性與對照的差異達到顯著程度(P＜0．05)．

通過光合色素含量和土壤酶活性相關性分析發現，根際土壤脲酶活性與葉片中的Chl a含量呈 顯著正相關關系(P＜0．05)．

表2 不同株高密花香薷葉片的葉綠素含量和和類胡蘿卜素含量(means±SE，n=10)Table 2 Chlorophyll and carotinoid contents of Elsholtzia densa Benth．in Blade at different plant heights(means±SE，n=10)

表3 不同株高密花香薷根際土壤酶活性(means±SE，n=10)Table 3 The enzyme activities in rhizosphere soil of Elsholtzia densa Benth．at different plant heights(means±SE，n=10)

3 討論和結論

高寒植物已經對青藏高原強太陽輻射、低CO2分壓、低溫以及土壤水分脅迫等環境因素產生了相應的適應性變化［11］．在植物的光合生理方面也形成了一定的適應機制，高山植物獨特的光合色素組成是其光合作用適應高山環境的重要特征［4］．高山植物的Chl a/b平均值為5．5，最高達9．3［12］;本研究結果表明，不同株高密花香薷葉片Chl a/b在2．45～2．79之間，明顯低于高山植物的Chl a/b的平均值;王玉萍等［13］研究表明，高山植物珠芽蓼(Polygonum viviparum)的Chl a/b也低于高山植物的平均值;低光葉綠體的Chl a/b在2．4～2．8之間，高光葉綠體的 Chl a/b則在 2．9～3．6之間［14－15］，而在本研究中，不同株高密花香薷葉片Chl a/b在2．45～2．79之間，說明密花香薷的葉綠體屬于低光葉綠體;葉綠體的主要組成成分之一葉綠素與植物的光合速率呈正相關［16］．不同株高密花香薷葉片的各類光合色素含量表現出動態變化，其中株高在40～45 cm之間植株葉片中光合色素含量最高，表明這一高度下的密花香薷植株光合速率最大;比葉質量是衡量植物光合作用性能的一個參數［16］．本研究結果表明，密花香薷比葉質量與株高之間無明顯的相關性，這一結果與光合色素含量相似．不同高度的植株之間比葉質量也無顯著差異．由此可見，株高對密花香薷葉片的光合色素含量影響不大．

土壤酶是參與土壤新陳代謝的重要物質［17］，可作為土壤肥力的重要指標［18］．土壤酶主要來自土壤微生物細胞，也可來自于動植物殘體．土壤酶和土壤微生物共同推動了土壤物質轉化．其中，蔗糖酶活性高低反映了土壤熟化程度和肥力水平，纖維素酶活性與纖維素分解有關，硝酸還原酶活性大小反映了土壤氮素轉化作用的強度，脲酶、磷酸酶分別可表征土壤氮素和磷的狀況［17］．本研究結果表明，不同株高密花香薷根際土壤中，蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶的活性變化規律不明顯且與對照差異不顯著．硝酸還原酶活性和脲酶活性整體高于對照，隨著植株高度增加表現出先增加后降低的趨勢，其中脲酶活性與Chl a含量呈顯著的正相關關系，且當植株高度大于46 cm時，脲酶活性與對照具有顯著的差異．這一結果表明，不同株高的密花香薷根際土壤氮代謝水平不同．高等植物部分光合產物被轉移到植物地下部分并向土壤中分泌，為土壤微生物提供營養和能源，改變土壤微生物的動態變化，進而改變根際生態系統的物質循環和能量流動，反過來又作用于植物的生長發育過程［6］．推測密花香薷在生長過程中，可能通過根系向根際土壤釋放根系分泌物影響微生物活動，提高土壤脲酶活性和氮素水平．氮素水平的提高有利于提高光合色素含量和光化學效率，改善葉片的光合功能［19］，為其繁殖后代儲備物質和能量．

致謝 西南民族大學創新型科研項目(CX2016SZ073)對本文給予了資助，謹致謝意．

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Change in Photosynthetic Pigment Contents and Soil Enzyme Activities of Rhizosphere in Elsholtzia densa Benth．with Different Plant Height

ADE Luji1，WANG Changting2，ZI Hongbiao1，ZHAO Jiang2

(1．College of Tibetan Plateau Research，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，Sichuan; 2．College of Life Science and Technology，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，Sichuan)

Elsholtzia densa Benth．is a dominant plant in alpine meadow of northwest Sichuan．To explore eco-physiological mechanisms of E．densa in environmental adaptation to alpine meadow，the changes of leaf areas，specific leaf dry weight，photosynthesis pigment contents in leaves and soil enzyme activities of rhizosphere in this plant with a height from 16 cm to 74 cm were tested in Hongyuan county of Sichuan Province．The results showed that with the increase of plant height，specific leaf dry weight and photosynthetic pigment contents had no significant differences(P＞0．05)，and leaf areas increased at first and then decreased．The leaf areas，chlorophyll contents and Chl a/b reached the highest at 40～50 cm height．Compared to the control，there were no significant differences among the activities of cellulases，sucrase and acid phosphatase in rhizosphere soils of E．densa，which did not change significantly with plant height．Activities of nitrate reductase and urease were much more than control，and increased at first and then decreased with the increasing plant height．The urease activities showed obvious difference(P＜0．05)when plant height＞46 cm，and arease activities was positively correlated with Chl a contents(P＜0．05)．These results suggested that E．densa during growth may modify the activities of rhizospheric microorganism through root exudates，and improved the level of nitrogen and the efficiency of photosynthesis．

alpine meadow;Elsholtzia densa Benth;plant height;physiological adaptability;soil enzyme activities of rhizosphere

S812

A

1001－8395(2016)05－0755－05

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．05．024

(編輯 陶志寧)

2016－04－05

國家自然科學基金(31370542)、國家重點基礎研究發展計劃(2013CBA01807)和中央高校基本科研業務專項資金(2014NZYTD01)

*通信作者簡介:王長庭(1969—)，男，教授，主要從事恢復生態學、根系生態學和微生物生態學的研究，E－mail:wangct@swun．edu．cn