間歇淹水和氨氮脅迫對3種園林植物形態與生理的影響特征

藍蘋予 榮航 姚作芳 楊鈣仁 劉蓮 何鐵光

關鍵詞：園林植物；氨氮脅迫；淹水脅迫；抗氧化酶

根據農業農村部統計數據，到2020年，我國觀賞園林苗木種植面積已達86.25萬hm2，是城市綠化的主要植物，隨著人工濕地、雨水花園、海綿城市的發展，園林植物用于水污染治理生態空間前景廣闊。植物生長環境中氮素的濃度與植物的形態和生理特征變化息息相關。ZHANG等[1]對氨氮脅迫下的植物進行研究，發現植物為了應對高氮和低光脅迫，通過大量合成游離氨基酸來降低胞內游離銨離子的毒害，同時植物傾向于降低組織的可溶性蛋白含量，促進超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的提高。YUAN等[2]對氨氮處理下10種植物的研究發現，植物會通過提高氮同化相關酶類的活性，促進游離氨基酸和可溶性蛋白等含氮化合物的積累，以應對氨氮脅迫。高奇英等[3]發現當水體中的氨氮濃度>4mg/L時，狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）、小茨藻（Najasminor）的可溶性蛋白生成受到抑制，MDA含量增加且均在短時間內死亡。顏昌宙等[4]發現當水體中的氨氮濃度≥16mg/L時，黑藻（Hydrillaverticillata）的可溶性蛋白增加，SOD、POD則呈現先上升后下降的趨勢，且在短時間內死亡。另外，不同的逆境條件下，植物外部形態結構的變化、生理生化指標的動態變化不同。VOESENEK等[5]研究發現，缺氧環境下，植物會通過激素的分泌和相互作用來快速調節莖的生長，通過增加植株的高度來適應缺氧狀態。DIXON等[6]研究發現缺氧脅迫下篦齒眼子菜（Stuckeniapectinata）莖節長度變為正常條件下的4倍左右，植物可能通過莖節內部生成大量通氣組織來應對缺氧脅迫。除了水生植物，也有研究指出[7]，園林植物在間歇式淹水模式下，莖基會形成肥大皮孔和不定根，通氣組織數量不斷增加，植株地上部分生長均受到明顯促進，抗氧化酶活性顯著升高，能夠長期適應低水位間歇淹水環境。但氨氮脅迫和淹水脅迫的共同作用對陸生園林植物的生理生態響應特征尚不明確。目前，大多數氨氮脅迫和淹水脅迫的研究都集中在水生植物的黑藻屬（Hydrilla）、狐尾藻屬（Myriophyllum）[4，8]，單一物種研究對于理解各種適應性調節很有價值，但從生態學的角度來看意義不大，園林植物對氨氮和間歇淹水的耐受范圍研究還處于空白狀態。

鑒于此，在前人的基礎上，本研究主要探討氨氮脅迫和淹水脅迫的共同作用對園林植物形態和生理的影響特征。紅背桂、夾竹桃、灰莉都是南亞熱帶常見的觀賞植物，常在公園、風景區、道路旁或河旁、湖旁周圍栽培，以這3種園林植物為研究對象，模擬間歇淹水綠地采用間歇淹水模式，即淹水3d，排空1d，設置6種氨氮濃度水溶液的間歇淹水栽培試驗，研究間歇淹水和氨氮脅迫的共同作用對植物各指標的變化規律，對合理地選育耐氨氮耐水淹的植物品種、發揮其景觀生態價值、治理城市富營養化水體具有重要意義。

1材料與方法

1.1材料

供試植物材料購自廣西造福園林綠化工程有限公司。2020年8月，選取無病蟲害、生長發育良好、生長較為一致的兩年生紅背桂、夾竹桃、灰莉扦插苗各200株轉至廣西大學林學院苗圃溫室備用（表1）。

1.2方法

1.2.1試驗設計間歇淹水模式的滿床與空床時長比為3∶1，滿床水深為25cm，空床水深為1cm，空床情況下注水至滿床用時為3～4min，排空用時為6min左右。間歇淹水下設置6組氨氮濃度（AN0～AN5），對應的氨氮濃度分別為0、0.5、7.5、14.5、21.5、28.5mg/L，所用的培養液為自配無氮霍格蘭10倍稀釋液（表2）。通過向培養液添加相應量硫酸銨來設置氨氮濃度。同時設置土培為對照處理（CK），所用土壤為壤土，通過人工補水使土壤含水量為田間持水量的75%左右，各處理3個重復。

1.2.2試驗過程本研究在廣西大學林學院苗圃的透明塑料大棚內進行，用于栽培植物的盆栽器口徑、底徑和高度分別為25.5、22.7、27.0cm的聚乙烯樹脂桶，在距桶底2cm處設置水龍頭用于排空。2020年8月1日，挑選供試的紅背桂、夾竹桃、灰莉各50株移栽到廣西大學林學院苗圃，移栽完畢后放置苗圃緩苗，期間進行正常養護管理。2020年9月1日，緩苗結束，再各選取21株長勢一致、生長旺盛、無病蟲害的植株進行正式試驗。試驗前為提高植物成活率，用稀釋500倍后的生根液（河南省指南針生物科技有限公司）浸泡植物5min，再將植物裸根定植于各盆栽器20cm左右，每盆栽植1株。間歇淹水處理的盆栽器填充23cm粒徑為2～3cm的礫石（堆積空隙率為37%），栽植54盆；對照處理的盆栽器填充23cm壤土，栽植9盆，共栽植63盆。

1.2.3測定項目與方法（1）生長指標測定。每15d在7：00—8：00測定株高，用卷尺測量（精度0.1cm）植株頂芽的葉尖到盆栽器中基質表面的垂直距離。株高增長量為各階段株高與初始株高的差值。

（2）形態觀察。每日7：00—8：00觀察試驗植株葉片形態變化、不定根形成以及肥大皮孔出現等現象，進行詳細記錄。

（3）生理指標測定。每30d在7：00—8：00采用完全隨機取樣選取在各植株中上部東西南北4個方向上選取成熟功能葉各1片，放置于冰盒中保存帶回實驗室進行生理指標測定。葉綠素含量采用丙酮浸取法測定；丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）光還原法；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創木酚法；抗壞血酸過氧化物酶（APX）參照沈文飚等[9]的方法；可溶性蛋白（SP）含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法；游離脯氨酸（Pro）含量測定采用酸性茚三酮顯色法。具體操作均參考李合生[10]的實驗方法。

1.3數據處理

采用SPSS22.0統計軟件對所有數據進行單因素方差分析，利用Duncans法進行差異顯著性檢驗（α=0.05），所有圖表用Excel2016軟件制作。

2結果與分析

2.1淹水及氨氮對植物株高和形態的影響

試驗期間，間歇淹水對3種植物的株高生長影響較小，3種植物的AN0組與CK組的株高生長均差異不大，受氨氮的影響AN1～AN5組株高生長存在顯著差異（表3）。試驗60d，紅背桂和灰莉AN1～AN5組的株高增長量均隨氨氮濃度增加而呈單峰型變化。其中紅背桂AN2組株高增長量最大，平均每天增長0.32cm，灰莉AN1組株高增長量最大，平均每天增長0.12cm。而夾竹桃株高增長量隨著氨氮濃度的增加而增加，在AN5組達到最大值，為CK組的1.26倍；平均每天增長0.69cm，AN1～AN5組的株高增長速率均大于CK組。3種植物的AN0～AN5組的莖基均形成肥大皮孔，根部也均出現了不定根。紅背桂的葉片從AN4組開始出現失綠現象，夾竹桃和灰莉AN0～AN5組葉片均正常。

2.2淹水及氨氮對植物葉綠素的影響

試驗期間，3種植物AN0組葉綠素含量均略大于CK組，AN1～AN5組受氨氮的影響葉綠素含量積累速率存在顯著差異（圖1）。60d時，紅背桂和灰莉AN1～AN5組葉綠素增長速率均隨著氨氮濃度的增加呈先升后降的趨勢。二者都在AN2組達到峰值，分別為CK組的1.17倍、1.28倍。但紅背桂從AN4組開始葉綠素增長速率開始減小，而灰莉則是從AN3組開始的。夾竹桃AN1～AN5組的葉綠素增長速率則隨著氨氮濃度的增加而上升，在AN5組達到最大值，增幅為109%，為CK的1.72倍，AN1～AN5組的增幅均大于CK。

2.3淹水及氨氮對植物MDA的影響

試驗期間，3種植物AN0組的MDA含量隨時間的增加呈先升后降的趨勢，最終均略小于CK組，AN1～AN5組受氨氮的影響MDA含量存在顯著差異（圖2）。30d時，3種植物AN1～AN5組的MDA含量隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達到最大值，其中灰莉的增幅最大為62%。60d時，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的MDA含量開始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為24%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的MDA含量依然上升，且均在AN5組達到最大值，分別為各自同期CK的1.74倍、2.27倍。

2.4淹水及氨氮對植物抗氧化物酶活性的影響

2.4.1淹水及氨氮對植物SOD活性的影響試驗期間，3種植物AN0組的SOD活性隨時間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響SOD活性存在顯著差異（表4）。30d時，3種植物AN1～AN5組的SOD活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為73%。第60天時，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的SOD活性開始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為28%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SOD活性依然上升，且均在AN5組達到最大值，分別為各自同期CK的2.38倍、1.66倍。

2.4.2淹水及氨氮對植物POD活性的影響試驗期間，3種植物AN0組的POD活性隨時間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大。AN1～AN5組受氨氮的影響POD活性存在顯著差異（表5）。30時，3種植物AN1～AN5組的POD活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為65%。60d時，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的POD活性開始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為29%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SOD活性依然上升，且均在AN5組達到最大值，分別為各自同期CK的2.78倍、1.90倍。

2.4.3淹水及氨氮對植物APX活性的影響試驗期間，3種植物AN0組的APX活性隨時間的增加先升高后下降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響APX活性存在顯著差異（表6）。30d時，3種植物AN1～AN5組的APX活性隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為109%。60d時，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的APX活性開始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為54%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的APX活性依然上升，且均在AN5組達到最大值，分別為各自同期CK的2.02倍、2.33倍。

2.5淹水及氨氮對植物滲透調節物質的影響

2.5.1淹水及氨氮對植物SP含量的影響試驗期間，3種植物AN0組SP含量隨時間的增加而上升且均大于CK組，但AN0組的SP含量積累速率均明顯小于AN1～AN5組，AN1～AN5組受氨氮的影響SP含量存在顯著差異（表7）。30d時，紅背桂和灰莉AN1～AN5組的SP含量均隨著氨氮濃度的增加而上升，均在AN5組達到最大值，增幅分別為56%、66%。60d時，紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的SP含量開始下降，其中灰莉AN5組的下降幅度最大為51%；而紅背桂AN1～AN3、灰莉AN1～AN2的SP含量依然上升，但上升速度明顯減緩，灰莉AN1組上升幅度最大，增幅為17%。夾竹桃在整個試驗期間AN1～AN5組的SP含量均隨氨氮濃度的增加均顯著上升，但30～60d上升幅度明顯減小。60d時其SP含量在AN5組達到最大值，為同期CK的1.51倍。

2.5.2淹水及氨氮對Pro含量的影響試驗期間，3種植物AN0組的Pro含量隨時間的增加先升后降隨后逐漸趨于CK組，最終與CK組差異不大，AN1～AN5組受氨氮的影響Pro含量存在顯著差異（表8）。30d時，3種植物AN1～AN5組的Pro含量隨氨氮濃度的增加均顯著上升，且均在AN5組達到最大值，其中夾竹桃的增幅最大為60%。60d時，紅背桂AN1～AN3組、夾竹桃AN1～AN5組、灰莉AN1～AN2組的Pro含量開始下降，其中夾竹桃AN5組的下降幅度最大為40%；而紅背桂AN4～AN5組、灰莉AN3～AN5組的APX活性依然上升，且均在AN5組達到最大值，分別為各自同期CK的1.78倍、2.19倍。

3討論

植物在淹水和氨氮等脅迫逆境中，植物形態及生理會受到一定影響[11]。本研究中，間歇淹水使3種植物形態發生改變，根系的肥大皮孔，不定根等通氣組織能有效緩解根系缺氧。同時植物體內非酶促系統也刺激葉綠素體內的抗壞血酸[12]、類胡蘿卜素[13]等將ROS清除，在一定程度上有助于維持ROS平衡，進而又促進葉綠素的積累。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，試驗初期，氨氮可能是作為一種營養素促進植物的生長[14]，3種植物株高生長量和葉綠素積累量增加。試驗后期，隨著氨氮濃度的增加，夾竹桃的形態無任何受害癥狀。葉綠素含量的積累和株高生長顯著大于對照，說明其對氨氮的耐受性較強，生態幅較廣。而紅背桂和灰莉在較高的氨氮濃度下則會出現株高增長減緩、葉片失綠、葉綠素含量積累速率減小等現象。這可能是由于高濃度氨氮導致植物體內活性氧增加，進而促進三線態葉綠素（3Chl）的形成[15]。3Chl容易與O2反應而生成1O2[16]，1O2又進一步對植物產生損害，形成惡性循環，因此導致植物生長及葉綠素積累速率減緩。可溶性蛋白和游離脯氨酸都是植物體內重要的滲透調節物質[17]。逆境下植物通過合成脯氨酸、可溶性糖類和可溶性蛋白等滲透調節物質來應對滲透脅迫[18]。本研究中，3種植物在間歇淹水的情況下都能在短時間內提升自身的可溶性蛋白、游離脯氨酸來應對間歇淹水脅迫，隨后逐漸恢復到正常狀態，這與潘兵青等[19]的結論一致。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，試驗初期，植物為了抵御環境的變化，3種植物的可溶性蛋白和游離脯氨酸均隨氨氮濃度的增加而增加。試驗后期，紅背桂和灰莉可溶性蛋白含量下降，游離脯氨酸含量依然上升，無法回到正常水平。說明逆境中植物體內游離脯氨酸含量升高可能是植物適應性的表現，也可能是植物細胞受損的表征[20]。較高濃度的氨氮導致植物產生的ROS沒有得到及時清除，蛋白經過一定程度的氧化損傷而導致大面積的交聯和聚合物生成后，不但不易被水解，而且還能抑制蛋白酶降解其他被氧化的蛋白[21]。逆境環境下，植物細胞內自由基代謝平衡被破壞，導致膜脂過氧化，使膜系統受到傷害[22]。丙二醛的高低可以反映植物的脂質過氧化水平，目前已被廣泛用作脅迫條件下生物膜受ROS氧化損傷的標志物[23]。植物體內抗氧化酶活性大小可以反映植物的抗性[24]。從本研究結果來看，間歇淹水短期內會導致3種植物ROS增加從而導致MDA含量上升。植物為了抵御ROS的毒害作用，會啟動自身的酶促系統來維持ROS代謝平衡[25]。從而導致SOD、POD、APX活性上升，緩解了間歇淹水對植物的傷害，使得3種園林植物能適應間歇淹水環境，這與劉蓮等[7]的結論一致。但在間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，夾竹桃即使在氨氮達28.5mg/L時，也依然可以維持自身抗氧化酶系統平衡。MDA含量也能逐漸降低，但無法降低到正常水平，通常MDA含量隨脅迫程度和處理時間的增加而增加[26]。而紅背桂和灰莉在氨氮達21.5mg/L后，植物體內ROS失衡，活性氧過量積累，SOD、POD、APX活性持續上升。但由于抗氧化酶清除ROS的速度趕不上ROS的增長速度，因此MDA含量也持續上升。所以在較高的氨氮濃度下，紅背桂和灰莉體內會產生過量ROS，ROS累積會直接損害植物細胞，導致MDA含量持續升高、植物體內抗氧化酶系統短期內無法達到平衡。

4結論

間歇淹水下，缺氧-復氧的模式能促進這3種園林植物莖基形成肥大皮孔，不定根等通氣組織加強植物的代謝速率和株高生長速率，但生理指標變化不明顯。間歇淹水和氨氮脅迫的互作下，紅背桂和灰莉受高濃度氨氮的影響導致生長減緩，葉片失綠，生理失調特征明顯；而夾竹桃形態無受害癥狀，各項生理指標也能恢復到正常水平。因此，在對這3種園林植物進行應用時，應考慮在熱帶亞熱帶地區的人工濕地、間歇淹水綠地等中高氨氮濃度的區域進行應用管理。同時植物的耐氨氮、耐水性還會受諸多因素的影響，如氣候因子、土壤因子等，因此在間歇淹水條件下園林植物的抗逆性及應用技術等還需進一步驗證與研究。