白灰毛豆對土壤pH的生態適應性研究

孫樂帆,廖婉瑩,趙懷寶,羊金殿,柳新強

(1.三亞市苗圃場,海南 三亞572022;2.海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院,海南 三亞 572022;3.三亞市林業科學研究院,海南 三亞572022)

白灰毛豆對土壤pH的生態適應性研究

孫樂帆1,廖婉瑩2,趙懷寶2,羊金殿3,柳新強2

(1.三亞市苗圃場,海南 三亞572022;2.海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院,海南 三亞 572022;3.三亞市林業科學研究院,海南 三亞572022)

外來種入侵機制之一就是其對環境的廣泛適應性.通過研究白灰毛豆種子在不同pH緩沖液的萌發以及一年生植株在不同pH土壤生長的生理指標變化,確定其生態幅,為擴展區域預測和生態風險評估提供依據.試驗以不同pH值(pH=6,7,8)的磷酸緩沖液和蒸餾水澆灌,研究白灰毛豆種子萌發情況.以其一年生植株為試材,以實驗室調配的pH分別為3.5(L),7.49(M1),7.9(M2)三種土壤做栽培基質,并以pH為5.25的紅壤作對照,測定移栽后植株生長中形態和葉綠素、Pro、MDA含量和POD活性變化,研究其對pH的生態適應性.結果表明:種子在不同基質中均都能萌發,萌發率分別為4.85%,3.64%,6.06%,約為對照的1/2-3/5.L較M1、M2對一年生植株生長表現出了更強的脅迫效應,但90天后,各處理植株均恢復了正常的生長,且L植株生長好于M1、M2.各處理植株Pro、MDA含量和POD活性均表現先升后降的趨勢,表明其對環境的逐步適應.在酸性至堿性土壤上種子萌發和生長特性以及表現出的生理上適應性,使其擴展適應范圍較大.

白灰毛豆;pH;生態適應性

0 引言

白灰毛豆(TepHrosiacandida)是豆科灰葉屬植物,原產印度和馬來半島,廣東、廣西、海南有引種,并逸生于草地曠野和山坡[1].它是一個外來物種,又是一種資源植物,可做綠肥,并且是良好的堤岸保土植物,植物栽培中的庇護植物[2-5].但作為一個外來物種,白灰毛豆花期長,授粉受精快,結實率高,在較低溫度下即可萌發,初步的實驗研究表明其具有較強的抑制黃瓜、生菜種子萌發的化感作用(待發表).觀察還發現,其出現極顯著地降低了群落的植物多樣性,這些特征使其有可能成為一個潛在的入侵物種[6-7].能夠成功入侵的物種一般對主要環境因子都具有較廣的適應幅度,對不同生境條件的適應性與入侵性密切相關[8-9].因此,外來物種的生態入侵風險分析必須要對該物種生態適應性進行研究.查閱文獻表明,目前國內外對白灰毛豆的研究較少,主要集中在關于同屬的非洲灰毛豆果實提取物的農藥利用和間作利用[10]及植被恢復應用[2],其對土壤的生態適應性研究尚未見報道.

本研究以白灰毛豆種子和一年生植株為試材,以實驗室調配的不同pH土壤做栽培基質,測定白灰毛豆種子的萌發和移栽后幼苗生長中形態指標和葉綠素、Pro、MDA含量和POD活性變化,研究其對pH的生態適應性,為確定其生態幅,也為擴展區域預測和生態風險評估提供依據[11].

1材料與方法

1.1實驗材料

白灰毛豆種子于2013年10月采集于G98高速公路邊坡,自然陰干,室溫保存,作為不同pH種子萌發試驗材料.

供試不同pH土壤取樣地點及理化性質見表1.

表1 土壤取樣地點及理化性質

野外自然狀態下,選取生長狀態基本一致的一年生白灰毛豆植株,移栽于內徑21cm、高20 cm的花盆中,每天澆水養護,待植株完全成活后,作為不同pH土壤處理材料.

1.2實驗方法

1.2.1試驗處理方法

(1)不同pH對種子萌發的影響.將種子潤洗,消毒后置于9個直徑為10 cm,鋪有 2層濾紙的培養皿中,每皿30 粒.澆灌三種不同pH值(pH=6,7,8)的磷酸緩沖液,以澆灌蒸餾水作對照.每個處理3次重復,觀察、記錄種子萌發情況.

(2)不同pH對一年生植株形態和生理指標的影響.將已移栽成活的一年生白灰毛豆植株,保留少量根部原土,修剪根系,移栽于不同pH值的土壤中(L,M1,M2),每盆一株,重復3次,撫育管理.處理后第30, 60, 75天測定各項指標,并測定實驗前后土壤pH值.

1.2.2指標及測定方法

應用PS-3C酸度計測定土壤pH值[12].用精度為1 mm的直尺測量株高、節長等.用精度為0.001 g的電子天平測定植株的生物量.

葉綠素含量測定采用95%乙醇比色法;丙二醛(MDA)含量采用0.6%TBA比色法;游離脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法;過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法[13].

1.3數據統計與分析

統計數據用平均值±標準差表示.應用Excel軟件進行數據處理和作圖.應用SPSS19.0進行方差分析,采用LSD法進行多重比較.

2 結果與分析

2.1種子萌發對pH的生態適應性

圖1 不同pH處理種子萌發歷程

種子萌發率的高低直接決定后代的數量.試驗表明,CK白灰毛豆種子萌發率為10.3%,而pH為6,7,8的緩沖液萌發率分別為4.85%, 3.64%, 6.06%,顯著低于CK.觀察發現,CK種子萌發后根系生長快,11天后平均根長達4.61 cm,而pH處理組種子根系伸長受到抑制,突破種皮后(約2 mm)就不再伸長.

由圖1可以看出,種子在第二天就開始萌發,蒸餾水組種子前3天大量萌發,而pH=6和pH=8的兩個處理在第3～5天大量萌發,pH=7的處理在第5～7天才大量萌發,這說明偏酸與偏堿環境較中性環境提前了種子萌發時間,但在偏堿性環境下萌發率更高.

2.2一年生植株對pH的生態適應性

2.2.1形態指標的變化

土壤pH值高低直接影響到營養元素的有效性和植物對礦質的吸收,其異常會影響植物的生長.觀察發現,移栽5天后,L植株葉片出現干枯、脫落,M1與M2植株葉片上出現了大量褐色或黃色斑點,并從葉緣向內擴展,長勢差.但移栽75天后,情況都出現了扭轉,各處理植株均長出了新葉,葉色也恢復正常.

從表2可以看出,CK株高、總生物量、根瘤菌數目均高于各處理.其中, CK株高比M1,L,M2分別高出0.93%, 4.10%, 13.2%,差異不顯著.總生物量比L,M2,M1分別高出75.18%, 88.12%, 152.8%.CK與L之間,L分別與M1、M2之間都達到了顯著水平,CK根瘤菌數目比L,M2,M1分別高出263.7%, 512.07%, 1294.5%;與各處理間都達到了顯著水平.L處理的主根長顯著高于CK和其他處理.L處理的根冠比也最大,分別比CK,M1,M2高出22.19%,23.9%,50.4%,方差分析表明,L根冠比顯著大于M1和M2,且CK處理的根冠比也顯著高于M2.綜上可知,CK處理下植株長勢最好,其次為L處理,再次為M2、M1,也表明其通過增加根系的長度和數量,能更好地適應酸性環境.

表2 不同處理下白灰毛豆一年生植株的形態指標

注：同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),同行不同大寫字母表示不同處理間差異極顯著(P<0.01).

2.2.2生理指標的變化

2.2.2.1對葉綠素含量的影響

觀察發現,不同pH處理植株葉色表現出明顯的不同,其中M1植株新生葉片呈黃綠色, M2植株葉片分布有黃色斑點.從圖2可以看出, 移栽30天后,各處理葉綠素a含量由大到小依次為:CK,M2,L,M1.隨著時間推移,M2和L葉綠素a含量上升,CK和M1則下降,移栽60天后,各處理葉綠素a含量為CK>M2>L>M1.移栽75天后,M2略高于CK和L,而M1呈現出繼續下降的趨勢且最低.

圖2 不同pH處理下一年生植株葉綠素a含量的變化

從圖3中看出,移栽30天后,與葉綠素a類似,葉綠素b含量也表現為CK>M2>M1>L.隨著時間推移,除L外其他處理的葉綠素b含量均下降,移栽60天、75天后,各處理葉綠素b含量為CK>M2>L>M1,和葉綠素a一致.

圖3 不同pH處理下一年生植株葉綠素b含量的變化

從圖4看出,移栽30天后,總葉綠素含量同葉綠素b含量類似,表現為CK>M2>M1>L,其中L與M1相差不大.隨著時間推移,M2與L上升,CK與M1下降,最終CK>M2>L>M1.

圖4 不同pH處理下一年生植株葉綠素總含量的變化

圖5 不同pH處理下一年生植株Pro含量的變化

2.2.2.2對Pro含量的影響

Pro具有調節體內滲透壓和維持細胞結構穩定的作用[15].植物通過提高其體內游離Pro含量來適應逆境.由圖5可知,移栽30天后,Pro含量從大到小依次為L>M1>M2>CK, L比 M1,M2,CK分別高出135.51%, 215.44%, 667.02%.隨后各處理均下降,移栽60天后,Pro含量表現為M1>M2>L>CK,且三處理間數值相差不大,堿性土壤大于酸性土壤.移栽75天后, M1>CK>M2, M1比CK,M2分別高出125.23%, 286.7%.移栽30天后,L處理較其他都高,說明植株對異常酸脅迫的反應早于異常堿脅迫;而移栽75天后,M處理大于L處理,說明其對異常酸性土壤的適應能力強于對堿性土壤,這表明其可能其更適于在酸性土壤生長.

2.2.2.3對MDA含量的影響

圖6 不同pH處理下一年生植株MDA含量的變化

MDA是植物在環境脅迫下膜脂過氧化而產生的一種具有細胞毒性的物質[15],用以了解植物在不良環境下的受損程度.由圖6可知,移栽30天后,MDA含量表現為M2>L> M1>CK.隨著時間推移,各處理及對照MDA含量均下降,下降幅度最大的是M2.移栽60天后,MDA含量表現為M1>L> M2>CK, 移栽75天后,表現為M1>CK>M2>L.可以看出,初始移栽30后,L和 M2都是較高的,但白灰毛豆表現出較好的適應性,MDA快速持續下降.

2.2.2.4對POD活性的影響

POD是植物體內清除活性氧的重要的保護酶,能夠消除細胞內的氧自由基,減輕其對植物造成的傷害[16].由圖7可以看出,移栽30天后,POD活性最大的是L,M1和M2兩者相差不大.移栽60天后,除CK變化不大外,各處理均下降,且M1>CK>L>M2.移栽75天后, L 、M1、CK和M2均繼續下降,且相差不大.

3討論與結論

注:△A470為單位時間吸光度的變化值圖7 不同pH處理下一年生植株POD活性的變化

種子萌發是成功入侵和定居的前提條件.種子萌發特性是物種長期適應環境的結果. 作為起源于熱帶的外來物種,白灰毛豆種子在酸性至堿性的環境中均能萌發,表明其萌發對pH的生態幅較寬,這就為其生長區擴展創造了條件.實驗還發現,其種子萌發周期較長,陳種子萌發率高于新種子,這或許是某種抑制物質的存在.同時,觀察發現大粒種子先萌發,表現出種子萌發的差異性,這更增加了其適應不同環境的能力,分批萌發,增強了其抵御不良環境的能力.試驗中,蒸餾水呈弱酸性,說明其種子在偏酸環境中萌發率更高,但根的伸長生長受到了抑制.

對一年生植株而言,移栽30天時,酸性環境較堿性環境表現出了更強的脅迫效應,L植株葉片完全脫落.但移栽90天后,各處理植株均恢復了正常的生長狀態,且表現為L植株生長好于M1和M2.這說明白灰毛豆植株對土壤pH具有極強的適應性,雖然適合生長在酸性土壤,但也能適應堿性環境.

作為一種豆科植物,根瘤的形成有助于植物固氮.實驗發現,酸性土壤根瘤數量顯著高于堿性土壤,其較強的適應能力或許與其根部根瘤的數量有直接關系,這有待進一步研究.

不同pH處理下的葉綠素含量變化不規律,而Pro, MDA, POD酶活性的變化則更能反映植株對不同pH土壤的適應性.不同處理中Pro、MDA、POD含量變化均表現出先上升后又下降的趨勢,表明其對環境的逐步適應,這與已有的相關研究結果是一致的[17].同時,處理間表現為堿性土壤大于酸性土壤,說明堿性土壤的脅迫強于酸性土壤,這或許和它起源地酸性土壤環境有關.

作為一種潛在的生態入侵植物,還需要密切關注其組成群落的演替,在加強其繁殖生態、化感作用和種群生態研究的同時,研究其對光照、溫度等生態適應性,為科學防治提供依據.

[1]中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志，第40卷[M].北京:科學出版社,1985:74-76.

[2]王倜,陶雙成,薛鑄,等.豬屎豆、白灰毛豆在海南中線高速邊坡生態恢復中的應用[J].交通運輸研究,2015,1(1):72-79.

[3]劉沖,李紹才,羅雙,等.護坡植物在植物卷材中的適應性研究[J].中國水土保持,2012(5):52-56.

[4]IKPE F N, OWOEYE L G, GICHURU M P.Nutrient recycling potential of Tephrosia candida in cropping systems of south-eastern Nigeria[J].Nutrient recycling in agroecosystems, 2003, 67( 2):129-136.

[5]PALMER J.Sloping Agricultural Lands Technologies (SALT):Nitrogen-fixing agroforestry for sustainable soil and water conservation [M].Philippines:MBRLC, 1997.

[6]宋曉梅,孫海龍,肖稀,等.13種護坡植物萌發特性研究[J].種子,2014,33(5):1-7.

[7]趙懷寶,張燕,袁文豪,等.外來物種白灰毛豆(Tephrosiacandida)繁殖生物學研究[J].瓊州學院學報,2015,22(5):81-85.

[8]劉婉華,徐嬌楊,黃萬麗,等.入侵植物銀膠菊對土壤pH值的生理適應性[J].廣西林業科學,2012,41(2):91-94.

[9]曾小紅,伍建榕,馬煥成.接種根瘤菌的臺灣相思對干旱脅迫的生化響應[J].浙江林業學報,2008,25(2):181-185.

[10]李有志,黃素青,徐漢虹.灰毛豆甲醇提取物的殺蟲活性[J].昆蟲知識,2007,44(5):680-685.

[11]唐琨,朱偉文,周文新,等.土壤pH對植物生長發育影響的研究進展[J].作物研究,2013,27(2):207-212.

[12]趙義濤,姜栢文,梁運江.土壤肥料學[M].北京:化學工業出版社,2009.

[13]蕭浪濤,王三根.植物生理學實驗技術[M].北京:中國農業出版社,2005.

[14]郭水良,方芳.不同環境條件下Veranica兩種外來雜草葉片游離Pro含量變化及其生物學意義[J].浙江師大學報(自然科學版),2000,23(2):190-192.

[15]郭水良,方芳.入侵植物加拿大一枝黃花對環境的生理適應性研究[J].植物生態學報,2003,27(1):47-52.

[16]王京元,閆俊崎,陳霞,等.土壤pH值對盆栽大豆幼苗的影響[J].江西農業學報,2012, 24(2):96-97+102.

[17]徐超,楊遠慶,孟文藝.不同pH值土壤對野扇花理化指標的影響[J].貴州科學,2012,30(1):15-17+32.

EcologicalAdaptabilityofTephrosiacandidatopH

SUN Le-fan1, LIAO Wan-ying2,ZHAO Huai-bao2,YANG Jing-dian3, LIU Xin-qiang2

(1.Sanya Nursery Field, Sanya Hainan 572022, China;2.School of Life Science and Ecology,Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China;3.The Institute of Sanya City Forestry Science, Sanya Hainan 572022, China)

One of the invasive mechanisms of alien species is its wide adaptability to the environment.To provide the basis for extending regional prediction and ecological risk assessment, the ecological amplitude ofTephrosiacandida’sseeds was determined by studying the their germination at different pH buffer, and the morphological and physiological indexes of annual plants grown in the soil of different pH.Experiment was conducted on the germination of the seeds watered with different pH (pH = 6,7,8) phosphate buffer and distilled water.With the annual plants ofTephrosiacandidaas test materials, using three kinds of soil cultivation matrix—pH 3.5 (L), 7.49 (M1), 7.9 (M2), and with red soil (pH 5.25) as control group, the change of shape, chlorophyll, Pro, MDA content and POD activity were measured after transplanting.The results showed that the seed germinated in different substrates, with the germination rate 4.85 %, 3.64 % and 6.06 %, respectively—about 1/2-3/5 of that of CK.Compared to those in alkali environment, annual plants in acid environment show stronger stress effect.However, 90 days later, all plants return to normal state, and the acid ones grow better than the alkali ones.Proline, MDA content and POD activity in annual plants under different treatments all show decline, which indicatesTephrosiacandida’sseeds are adapting to the environment gradually.The seed germination in acidic and alkaline soil, and its physiological adaptability and growth characteristics expand the adaptation scope oftephrosiacandida.

Tephrosiacandida; pH; ecological adaptability

格式：孫樂帆,廖婉瑩,趙懷寶,等.白灰毛豆對土壤pH的生態適應性研究[J].海南熱帶海洋學院學報, 2017,24(5):21-26.

2017-09-25

三亞市專項試制項目(2016KS02);三亞市院地合作項目(2016YD11);海南省大學生創新創業訓練項目( 2016111000025, 2016111000026)

孫樂帆(1971-),男,海南樂東人,三亞市苗圃場工程師, 研究方向為園林.

趙懷寶(1969-),男,河南永城人,海南熱帶海洋學院生命科學與生態學院教授,博士, 研究方向為生態學及園林.

Q948.1

A

2096-3122(2017) 05-0021-06

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.04

(編校何軍民)