底泥養分富集條件下11種水生植物的光合氮利用效率

曾小平,姚 睿,蔡錫安,饒興權,張奕奇,張瀟瀟

1 中國科學院華南植物園,廣州 510650 2 廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣州 510060

廣州市位于珠江三角洲中北部,境內河流眾多,流經市區的河涌多達230多條(段),河涌具有重要的防洪、排澇、灌溉、排污等功能,是城市水生態環境的重要組成部分。由于全球變化的日益加劇,隨著人口的增長及工業化進程的不斷推進,大氣、河流、土壤、水體受到不同程度的污染,廣州的河涌也不例外,李明光等[1]的調查分析結果表明,廣州河涌底泥受到不同程度的有機物、植物營養鹽、石油類和重金屬污染,尤其是位于老城區的河涌底泥,富營養化程度比較嚴重。盡管對河涌污染的治理取得不少成效,但在當前環境壓力下,要全面根治污染仍任重道遠。

在河涌的綜合治理過程中,為達到既美化又凈化環境的目的,引種去污能力強且具有觀賞價值水生植物是重要途徑之一。研究表明,水生植物對水體污染物具有凈化作用[2- 7],且對污染物的凈化能力存在差異[5,7]；在水生植物種質資源方面,據統計,全球濕地高等植物達6700多種,但用于處理污水、污泥且產生效益的不到100種[8],眾多植物種質資源的利用價值有待挖掘,為改善受損的人類生存環境,凈化河流、濕地等水體生態系統,加強對水生植物生態功能的試驗研究具有重要意義。

本文以廣州河涌底泥為依托,開展不同水生植物對底泥污染凈化效應的試驗,研究在此條件下不同水生植物的生理生態特性及其對底泥污染物的凈化效率。

植物光合作用氮利用效率(PNUE,即葉片光合作用速率與葉片氮含量的比率),反映植物光合作用過程中利用養分的能力,因此被用于獲得植物對資源分配的認識；是反映葉片功能性狀的重要指標,關系到植物葉片的經濟、生理和策略[9]。PNUE不受植物形態可塑性的限制,直接與資源有效性相關。盡管大量的研究結果顯示植物葉片光合速率和葉片氮含量之間存在顯著的正相關關系,但植物PNUE值并不是恒定的,在野外,一年生草本植物和常綠木本植物的PNUE差異顯著[10],幾十年來,對PNUE的研究涉及廣泛的范圍,從草本植物、木本植物等不同生活型[11- 21],從河岸過渡帶中水生植物、水陸兩棲植物到陸生植物[22],分別在自然環境以及在玻璃溫室,控制光照或水分等條件下進行研究。植物葉片比葉面積(SLA,葉片面積與葉干質量之比)與PNUE之間存在顯著的相關性[16,18-19],植物PNUE種間的差異與內在的SLA變化密不可分。

本文以生長在底泥養分富集條件下的11種水生植物(挺水)研究對象,通過測定植物葉片的光飽和光合速率、氮含量和SLA,比較分析不同植物的PNUE及其與SLA、葉片氮含量之間的關系,揭示植物對養分的分配利用效率,為評估水生植物對養分富集的適應性提供實驗依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設置

試驗地位于中科院華南植物園珍稀植物繁育中心(23°11′ N,113°21′ E),自2015年9月開始,在空曠的平地上,平整有序地放置種植箱(550 mm×365 mm×330 mm),在每個種植箱里填入采自高度富營養化的河涌沉積底泥(表1),約占箱體2/3,以相同的密度種植供試的水生植物幼苗(表2),每一種植類型共布置3個種植箱,定期向種植箱注水(水源來自華南植物園進行植物日常澆灌的天然蓄水庫),所有種植箱的植物保持一致的管護。完成試驗地的各項設置后,采集種植植物的底泥及植物樣品,測定其主要元素成分含量;于2016年10月開展與本文的相關各項測定工作。

表1 試驗前河涌底泥的養分含量(平均值±標準誤)

表2 供試的11種水生植物

*本土植物 Indigenous plant

1.2 測定方法

1.2.1 植物葉片光合光響應曲線的測定

用美國產LI- 6400XT(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)光合作用測定系統和配件LI- 6400-02B LED光源,將氣體交換室的CO2、溫度設定為與測定時的空氣相應值同步,分別將光合有效輻射(PAR,mol m-2s-1)設置在0、50、80、100、150、300、500、800、1000、1200、1500、2000等光照水平,為獲得更為可靠的數據,每次光合光響應進程的測定均采用手工操作。在晴朗天氣條件下,選取植物向陽面的成熟葉片,在每天的9:00—12:00間進行測定,每種植物測定3次重復。

對供試植物中葉片未能完全覆蓋葉室(2 cm×3 cm)的葉片,完成每次測定后摘下葉片,用LI- 3000C(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)面積儀測定夾在葉室中的葉面積(<6 cm2),將實際面積輸入LI- 6400XT光合作用測定系統,對相應的測定結果進行校正。

測定結果用Von Bertalanffy非線性模型擬合出每種植物的光合-光響應方程,根據方程求出光合作用的一系列參數[23],本文取其中的光飽和光合速率(Psat,mol m-2s-1)用于相關研究。

1.2.2 植物葉片氮含量(TN)的測定

各項觀測測定結束后,采集供試植物葉片的樣品,帶回實驗室進行處理與測定。新鮮樣品采回實驗室后立即置于105℃烘箱里干燥15—30 min,在70℃下烘干至恒重,用粉碎機將干樣品粉碎并過篩,分別放入密封的樣品袋中備用。測定前將所有樣品在70℃下烘4—6 h再取樣稱重。

樣品采用堿性過硫酸鉀消解,紫外分光光度法測定總氮含量(TN,mg/g)。

1.2.3 植物葉片比葉面積(SLA)的測定

在完成植物光合光響應曲線的測定工作后,采集植物葉片至實驗室,用電子天平快速稱取樣品的鮮質量(g),再用LI- 3000C面積儀測定葉面積(cm2),最后將樣品置于75℃烘箱中烘干至恒重并測定其干質量(g),根據公式SLA=樣品葉面積/樣品干質量,計算出供試植物葉片的SLA(m2/kg),每次測定重復3次。

1.2.4 植物葉片光合作用氮利用效率(PNUE)的計算

將TN的單位通過SLA及氮素的摩爾質量轉換為mol/m2,根據公式：植物光合作用氮利用效率(PNUE)=葉片光飽和光合速率(Psat)/葉片總氮含量(TN),計算出供試植物葉片的PNUE(mol mol-1s-1)。

1.3 數據處理

圖表數據以各重復測定的平均值(±標準誤)表示。用SPSS 18.0統計軟件對相關實驗數據進行單因素方差分析(One-Way ANOVA),采用最小顯著差法(LSD)對相關指標進行多重比較以及T-test比較。通過Sigmaplot 11.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 植物葉片光飽和光合速率(Psat)

植物碳含量約占干重的40%,源自植物光合作用對CO2的固化[24]。11種植物的平均Psat(mol m-2s-1)在3.76—21.53之間,最大值是最小值的5.7倍,差異顯著；其中,水罌粟的Psat明顯高于其他10種植物(P<0.05),其次為天使花和美人蕉,具有較高的Psat,分別達到16.73和14.98；Psat值較低的植物有春芋、蘆竹和鳶尾草3種,分別為6.99、5.91和3.76；處在中間的5種植物Psat值較為相近,差異不明顯(P>0.05)(圖1)。

圖1 11種水生植物葉片的Psat,SLA,TN和PNUE(平均值±標準誤)Fig.1 Psat, SLA, TN and PNUE in leaves of 11 aquatic plant species (mean±SE)相同字母表示在P=0.05水平差異不顯著,植物編碼見表2

2.2 植物葉片比葉面積(SLA)

11種植物葉片的平均SLA(m2/kg)值最高為大葉皇冠草(20.31),最低為鳶尾草(7.22),相差近3倍。圖中表明,物種間的差異性層次比較分明,蘆竹的SLA(14.76)接近11種植物的平均值,分別與6種高于平均值和4種低于平均值的植物均存在顯著的差異(P<0.05),在具有較高的SLA植物中,大葉皇冠草、美人蕉和天使花的SLA值相近(P>0.05),水罌粟、春芋和風車草的SLA也十分接近(P>0.05)緊隨其后。在SLA值較低的4種植物中,香蒲和菖蒲的較為接近,兩者的SLA均顯著高于藍花草和鳶尾草(P<0.05)(圖1)。

2.3 植物葉片氮含量(TN)

11種植物的總平均TN(mg/g)為12.78,種間One-Way ANOVA分析結果表明,總平均值以上的藍花草(21.12)、水罌粟(18.88)、菖蒲(17.05)和大葉皇冠草(16.19)等4種植物的TN差異不顯著(P>0.05),另外,低于總平均值的7種植物TN的大小變化梯度較為平緩,不存在顯著差異(P>0.05),這7種植物的TN分別與藍花草和水罌粟相比明顯偏低(P<0.05),其中,TN最高的藍花草是天使花(7.13)的2.96倍(圖1)。

2.4 植物葉片光合作用氮利用效率(PNUE)

2.5 PNUE,SLA,Psat,TN之間的關系

根據11種植物的測定結果,比較分析植物SLA、Psat、TN和PNUE之間的關系。結果表明,植物葉片生理性狀(Psat和PNUE)和結構性狀(SLA和TN)之間存在不同程度的相關關系。SLA是表征植物葉片形態結構變化的重要特征值,與PNUE和Psat(以葉片干質量表示,mol kg-1s-1)呈顯著的線性正相關關系(R2分別為0.486和0.575),若Psat以葉片面積為基礎,則SLA與Psat雖具一定的正相關關系,但不顯著(R2=0.249)；另一方面,SLA和以葉面積為基礎的Psat分別與以面積為基礎的TN(mmol/m2)呈顯著的負相關關系,以指數函數擬合的曲線效果更佳(R2分別為0.566和0.699)(圖2,圖3)。

圖2 11種水生植物葉片PNUE, Psat, TN與SLA的關系(平均值±標準誤)Fig.2 Relationships between PNUE,Psat and TN versus SLA in leaves for 11 aquatic plant species (mean±SE)

圖3 11種水生植物葉片TN與PNUE的關系(平均值±標準誤)Fig 3 Relationship between TN versus PNUE in leaves for 11 aquatic plant species (mean±SE)

2.6 本地種與外來種的PNUE、SLA、Psat和TN之間差異

11種供試水生植物中6種屬于本地植物,另外5種植物屬外來種類(表2),原產地分布于南美、南亞等國家和地區。本文將本地種和外來種歸為2類群,分析不同種源植物PNUE、SLA、Psat和TN之間是否存在差異。獨立樣本T-test結果表明(表3),兩種類群之間的PNUE、SLA、Psat和TN均存在一致的差異,本地植物類群低于外來植物類群,除PNUE達到差異顯著外(P<0.05),其他指標均的差異性均達到極顯著水平(P<0.01),外來植物類群的PNUE、SLA、Psat和TN分別比本地植物類群高51.51%、24.53%、47.00%和26.32%。

3 討論

根據相關的研究結果[25],本試驗所采集的河涌底泥,其養分已達到富營養化的水平(表1),經過1年的種植水生植物試驗,植物生長狀況良好,1年后供植物生長的底泥的氮、磷養分含量均呈不同程度的下降(數據未顯示),結合對植物生長及根系分布結構的調查,說明這些植物能適應這種底泥養分富集化的環境,并具有凈化功能。本文討論在此生長條件下11種水生植物的PNUE及其與SLA、TN和Psat之間的關系。

表3 本地種和外來種Psat、TN、SLA和PNUE的T檢驗結果(平均值±標準誤)

同列不同大、小寫字母表示在P=0.01和P=0.05水平差異顯著

關于植物PNUE與生態學特征的關系,有關研究結果表明在對環境脅迫耐性強的植物[11,26-27]、生長速率慢的植物[11,16,28]和最新的演替植物[29-30],其PNUE均偏低；根據植物的生長特征,生長較為緩慢的植物其葉片壽命較長,而葉片壽命與PNUE呈負相關關系[9]。結果表明,藍花草、菖蒲和鳶尾草的PNUE均低于其他植物,根據物候觀察,這3種植物的葉片壽命明顯長于其他植物,供試的其他多種植物,其葉片在冬季氣溫較低時多數葉片開始干枯,直至來年春天才重新長出新葉,進行新的生長周期。這些生長特性及其PNUE所展現的結果與前人的研究報道相一致(圖1)。

大量的研究結果一致表明,植物葉片PNUE和SLA呈正相關關系[16,18-19],與比葉重(Leaf mass per area, LMA=1/SLA)呈負相關關系[9]。研究結果為PNUE與SLA呈顯著的線性正相關(R2=0.486),進一步確認PNUE-SLA的關系,因此,通過了解植物SLA的大小,可間接地了解植物的N分配及其相關生理及結構特征變化。已有研究結果表明,雖然PNUE-SLA存在相關關系,但植物種間的PNUE則存在差異,且有的差異極其顯著。Quero等[17]通過研究4種橡樹幼苗的生理和結構對干旱和遮陰的響應,認為SLA是研究植物生理活動有效的預報因子(predictor),通過對植物SLA的觀測,可了解植物PNUE特征及其解植物對資源利用及環境的適應情況。Hikosaka[9]分析產生種間PNUE差異的生理因素,認為葉片PNUE較低的植物,可能是由于細胞壁的總量被調節,較多的生物量和氮素進入細胞壁,從而降低了葉肉細胞導度和氮素對光作用器官的分配,增強葉片的韌性。Poorter和Evans[16]的研究發現,在低光照條件下,低SLA和PNUE、低生長速率的植物由于光照限制,其高的單位面積氮含量不能完全用于光合作用；而在高光照下,植物PNUE的差異是由于高SLA、生長速率高的植物分配更多的氮素進入Rubisco酶,使植物具更高的催化活性。

當前,在城市周邊的人工濕地以及城市公園水體和河涌等所種植的水生、濕生植物,有一部分是通過引種、馴化、改良培育的外來種類,加強對外來植物的引種及其適應性研究具有重要意義。Baruch和Goldstein[31]以夏威夷群島森林植物為研究對象,為揭示外來物種的生理生態習性,分別從不同海拔、不同土壤基質等條件下選取了30種外來植物和34種本地植物,這些植物的生活型包括喬木、灌木和草本,具有廣泛的代表性,對這些物種進行多項葉片生理與結構特性的觀測與比較。結果表明,外來植物的最大光合速率(Amax)、TN、SLA和PNUE均高于本地植物(表4)。同在夏威夷群島,Durand和Goldstein[32]以4種杪欏科(Cyatheaceae)為研究對象(其中1種為外來植物、另3種為本地種),在不同海拔、不同光照條件(林下、林隙或林緣)下比較分析4種植物的光合作用、光抑制以及PNUE特性,結果表明,無論在何種條件,外來種Sphaeropteriscooperi(原產地為澳大利亞)的Psat、SLA、TN(%,干質量)和PNUE均高于同科Cibotium屬的3種本地杪欏植物(C.chamissoi,C.menziesii和C.glaucum)。針對有關外來種與本地種PNUE之間的差異的其他研究報道相對較少,上述研究均局限于同一島嶼區域。本文以水生環境、底泥養分富集化為背景,研究11種水生植物的PNUE特征,其中,水罌粟、藍花草、大葉皇冠草、天使花和美人蕉等5種植物為外來物種(原生地來自不同國家和地區)。本文的研究結果表明(表3),外來植物的Psat、SLA、TN和PNUE均顯著高于本地植物,與Baruch和Goldstein[31]、Durand和Goldstein[32]的研究結果完全一致,具有相同或相似的變化,總體上說明這些外來植物比本地植物具有更高的資源利用效率和生長速率。但從個體而言,仍存在一些不同之處,如在藍花草和天使花這2種外來植物中,藍花草葉片的SLA低于本土植物,其PNUE不如其他外來植物,相對較低；而天使花葉片卻具有最低的TN含量。這可能與植物固有的形態結構有關,如藍花草原產墨西哥,適應性強,葉片壽命相對較長,韌性好,屬于低SLA的植物,因此其PNUE相對較低,與其他外來種的生境存在差異,偏低光照環境可能更適合其生長；天使花的TN含量較低而Psat卻較高,這可能光合作用器官的氮素分配及Rubisco酶有關；從這些變化進一步說明SLA與PNUE才具有更穩定的正相關關系。

表4 夏威夷本土植物和外來植物葉片的最大光合用速率(Amax)、TN、SLA和PNUE均值

根據Baruch和Goldstein[31]

水生植物根據生長習性可分為挺水植物、浮葉植物和沉水植物等幾種類型。Cavalli等[22]研究了河岸水體-岸邊濕地-陸地3種棲息地的植物,發現生長于河水的沉水植物的光合速率和PNUE均低于水陸兩生植物和陸生植物,與陸生植物的差異顯著,而濕生與陸生區植物的光合速率及PNUE的差異不顯著。本研究所選用的11種植物屬挺水植物,與Cavalli等[22]所選的水陸中間過渡帶的植物相類似。與異地森林植物在自然條件下觀測結果[31]相比,從表3和表4可見,本試驗結果,無論的本地植物或外來引種植物,SLA極為相近,光合速率比森林植物高,而葉片氮含量低于森林植物,最終葉片PNUE高于森林植物,雖然研究地分屬熱帶與亞熱帶地區,有一定的氣候相似性,但除了物種間的差異外,實驗的土壤養分條件和測定環境(如光照、空氣溫濕度)的差異均能影響植物的光合作用能力、葉片氮含量及葉片結構,從而影響到植物的PNUE。由此可見,相比沉水植物,挺水植物受水體CO2低、光照強度弱等不利因素的影響較小,在生存環境中更具競爭優勢。

研究還發現,11種植物SLA與Psat呈正相關關系,與以質量為基礎單位的Psat(μmol kg-1s-1)呈顯著正相關(R2=0.575),與以面積為基礎的Psat(μmol m-2s-1)的相關性則不顯著(R2=0.249)；SLA與以質量基礎Psat的顯著相關性這一結果與Reich等[33]、Poorter 和Evans[16]的研究結果相一致,且Poorter和Evans[16]的研究結果也表明,SLA與分別與面積基礎和質量基礎的光合速率呈現出不同的變化趨勢。由于植物種間的相對生長率與以質量為基礎的光合速率具有更強的相關關系[34],因此,在比較分析種間SLA與光合速率的關系時采用質量基礎單位的光合速率更為合適。其他方面,11種植物SLA與TN(面積基礎,mmol/m2)、TN(mmol/m2)與PNUE均呈顯著的負相關,R2分別為0.565和0.699),與Rosati等[35]和Benomar等[18]的研究結果具有一致的相關性,表明植物葉片SLA在揭示植物葉片光合速率、葉片氮含量變化等方面充當重要角色(圖2，圖3)。

4 結論

綜上所述,11水生植物在底泥養分富集化條件下生長良好,種植1年后的測定結果表明：植物種間的SLA層次比較分明,最高的大葉皇冠草與最低的鳶尾草相差近3倍。植物種間的Psat(mol m-2s-1)在3.76—21.53之間,最大值比最小值高達5.7倍。種間的PNUE從42.53(鳶尾草)至655.8(天使花),美人蕉、水罌粟、風車草和香蒲的PNUE值均較高,這些植物的PNUE顯著高于較低PNUE的菖蒲、藍花草和鳶尾草。種間SLA分別與PNUE和Psat(mol kg-1s-1)呈顯著的正相關,SLA和Psat(mol m-2s-1)分別與TN(mmol/m2)呈顯著負相關。外來植物的PNUE、SLA、Psat和TN顯著高于本地植物,說明外來水生植物在養分富集化環境下能更有效地利用資源,具有潛在的高生長速率和種間競爭優勢。