雙聚材料對干旱條件下多年生黑麥草幼苗生長的影響

關鍵詞：雙聚材料;干旱脅迫;黑麥草;土壤酶

在公路、鐵路等工程的建設過程中，會形成大量裸露的邊坡，此類邊坡的生態修復是當前恢復生態學研究熱點之一。據統計，在我國每建設1km 高速公路，就會形成約5～7萬m2 的裸露坡面[1]，而每年我國高速路建設形成的邊坡面積約2～3億m2[2]。工程邊坡存在植被退化嚴重、植物種類單一、邊坡覆土薄、易水土流失等問題，這些都為邊坡生態修復工作提出了挑戰[3]。其中，邊坡土壤的水分流失和養分不足是限制植物生長的主要因素[4]。現有工程為維持干旱區域邊坡土壤養分與水分對植物生長的供應，投入大量經濟與人力成本進行長期管護[5]。

除工程建設外，隨著全球氣候的變暖，干旱的發生頻率、持續時間和嚴重程度都在增加[6-7]，也顯著影響了植物的生長生理特性，而氣候變暖將進一步加劇工程邊坡的土壤干旱，不利于植被恢復。已有研究表明，干旱脅迫常導致植物體內活性氧的積累，從而對植物造成氧化脅迫[8]。為了減少自身傷害，植物會通過一系列形態、生理和生化方面的改變對脅迫做出響應[9-11]。干旱脅迫通常會顯著降低植物根、莖、葉的生物量以及總生物量，增加植物根冠比[12]，但也有一些研究表明，干旱處理會降低根冠比，甚至不會對根冠比產生顯著影響[13]。因此，干旱脅迫對植物生物量分配格局的影響存在一些不確定性。另一方面，干旱脅迫下，植物體內的超氧化物歧化酶（Superoxidedismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）和過氧化氫酶（Catalase，CAT）等抗氧化酶的活性以及·O2- 、H2O2、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）等氧化產物以及脯氨酸（Proline，Pro）等滲透調節物質的含量都會發生變化[14]，以抵御或降低干旱脅迫的傷害，保證植物正常的生長發育。大量研究表明，干旱脅迫加重過程中植物的SOD、POD 和CAT 活性均先升高后降低[15-19]。研究發現，干旱脅迫會誘導葉片脯氨酸的積累，降低其細胞滲透勢[20-22]。因此，植物的抗旱性與SOD、POD、CAT、MDA、Pro等生理指標密切相關。

此外，氮是植物必需的礦質元素，銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3—-N）是植物吸收利用的主要氮源形態[23]。有研究發現，干旱脅迫增加了植物根際土壤中銨態氮和硝態氮的含量等[24-25]，但也有研究指出干旱脅迫降低了核桃（Juglansregia）等植物根際土壤中無機氮的含量[26]。可見，干旱脅迫對植物根際土壤氮素影響的研究結果存在一定差異。同時，有研究表明，在植物處于水分虧缺狀態時，土壤無機氮含量明顯影響到植物的生長發育和生理代謝[23-25]。因此，提升邊坡土壤養分及水分固持能力，對于促進邊坡生態修復及實現植被自然恢復與演替具有重要意義。目前，添加土壤固化劑是加固邊坡土壤，保持土壤水/養分的主要手段[27-29]。新型有機高分子土壤加固材料從二十世紀晚期在美國、日本等發達國家開始蓬勃發展，近年來成為國內研究的熱點[30-32]。但是，目前關于固土材料在不同干旱條件下對植物的影響及機制研究較少，這極大的限制了此類固土材料的應用。

黑麥草（Lolium perenne L.）發芽快、出芽率高，生長快，常常被作為邊坡修復的先鋒草種，但其具有不適于干旱、缺水的環境條件下生長的缺點，作為干旱脅迫的參試草種較為適宜[33]。雙聚材料（DoublepolymersSJ）為成都理工大學自主研發的一種生態環保土壤固化劑[34]，無毒、耐酸堿、且易溶于水[35-36]，抗拉性能良好、可伸展度較大[37]，通常被用于土質邊坡現場加固。作為一種新型邊坡修復材料，SJ能否提高黑麥草抗旱性未見報道，其相關作用也尚不明確。因此，本研究將SJ和干旱脅迫相結合，研究植物在不同程度干旱脅迫下對SJ的生理生化響應，以期為干旱條件下的邊坡生態治理提供重要的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 試驗設計 本試驗為隨機區組盆栽試驗，地點為成都理工大學植物培養室（溫度24℃，濕度60%，光照800μmol·m-2·s-1。共設置土壤水分與SJ兩個影響因素，三個水分梯度：對照70%、中度干旱40%、重度干旱20%;兩個SJ處理：添加SJ（S）、純水對照（H）。參考前期研究[38]，SJ添加比例：土壤質量（g）∶SJ（mL）（5∶1）。本試驗采用稱重法控制土壤水分梯度，每天下午1點到2點之間一次澆水并記錄補水量，保持各組土壤含水量不變。試驗共設6個處理（表1），每個處理重復6盆（長×寬×高：45cm×20cm×15cm）。

1.1.2 植物材料 植物材料為百盛多年生黑麥草（LoliumperenneL.），黑麥草種子使用2%次氯酸鈉，加微量洗潔精輔助消毒25～30min，并漂洗去消毒劑;溫水浸種1～2h，30℃進行催芽，當種子發芽1～2cm時進行移栽。試驗土壤取自工程棄渣土，過5mm篩，pH 為8.09，硝態氮含量為1.53mg·kg-1，銨態氮含量為12.14mg·kg-1。每盆移栽黑麥草36株（株距×行距：4cm×4cm），2021年4月20日進行移栽，幼苗緩苗成活后進行干旱處理，20天后分別采集植物及土壤樣品進行分析測試。

1.1.3 測定方法 黑麥草存活率：每天記錄每組黑麥草死亡株數，計算黑麥草存活率（存活株數/總株數）。

生長指標：每盆選取3株黑麥草，每天用直尺測量黑麥草株高。黑麥草生物量的測定采用刈割法。

試驗20天后，將黑麥草植物全部連根挖出，按根、冠分類稱鮮重，隨后在烘箱中80℃烘至恒重，測定干重，并計算根冠比。

根系形態：每個處理隨機選取6株幼苗，挖取根部，洗凈后用EPSONScan掃描儀進行根系掃描與分析，計算其根長、表面積、直徑與體積。

葉片生理特征測定：光合色素含量采用乙醇法測定[39]，過氧化物酶（POD）活性采用索萊寶生化試劑盒過氧化物酶（POD）活性檢測試劑盒測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[40]，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定[39];丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定[40];H2O2和·O2- 合成速率采用紫外吸收法測定[39];游離脯氨酸（Pro）含量采用磺基水楊酸法測定[40]。

土壤理化特征測定：土壤pH 采用pH 儀進行測定;土壤含水量采 用烘干 法測定;NH4+-N 和NO3--N采用2mol·L-1KCL溶液浸提后用紫外吸收法測定[41];NAG 酶以4-甲基傘形酮酰-B-D-吡喃葡糖酸為底物采用微孔板熒光法測定[42];脲酶采用靛酚藍比色法測定[42]。

土壤水分減少量：每日晚上7點對每個盆栽進行稱重，記錄水分減少量，并進行水分補充，保證土壤含水量保持一致。

1.2 數據分析

采用雙因素方差分析（Two-wayANOVA）檢驗干旱、SJ及其交互作用對黑麥草幼苗生長、生理及土壤理化指標的影響，用Duncan檢驗對數據進行多重比較（結果用平均值±標準誤表示），采用Pearson相關分析檢驗黑麥草生理生化指標與土壤理化性質之間的相關性。利用SPSSStatistics26進行數據處理、分析，利用Origin2022軟件進行數據統計分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 SJ對干旱條件下黑麥草存活率、生長與生理特性的影響

2.1.1 SJ對干旱條件下黑麥草存活率及含水量的影響 干旱處理顯著降低了黑麥草的存活率和植株含水量（圖1）。在未施加SJ處理下，相較于對照（HC），中度和重度干旱使黑麥草的存活率分別降低了7.37%和20.00%，而添加SJ顯著提高了不同水分處理下黑麥草的存活率（Plt;0.05），在重度干旱下提高了8.33%（圖1a）。與HC相比，中度及重度干旱使植株含水量分別降低了4.15%和6.63%，而SJ顯著提高了三種水分條件下的植株含水量（Plt;0.05）（圖1b）。

2.1.2 SJ對干旱條件下黑麥草生長及形態的影響 未添加SJ處理下，隨土壤水分的降低，黑麥草鮮重無顯著變化，但鮮重根冠比隨干旱程度顯著增加（Plt;0.05，表2）。除重度干旱外，SJ顯著增加了黑麥草總鮮重（Plt;0.05），但對黑麥草總干重無顯著影響，SJ添加也顯著降低了三種水分條件下鮮重根冠比（表2）。其中，在對照處理下，SJ顯著促進黑麥草幼苗株高生長和植株鮮重積累，分別增加27.82%和34.57%（Plt;0.05，表2）;中度干旱下，SJ顯著增加了黑麥草植株總根長、根表面積、株高增長量、生物量鮮重（Plt;0.05）;在重度干旱下，SJ使植株干重根冠比增加了75.00%（Plt;0.05，表3）。

2.1.3 SJ對干旱條件下黑麥草葉片生理特性的影響 黑麥草葉綠素a，類胡蘿卜素含量均隨干旱程度的增加而顯著降低（Plt;0.05）（表4）。SJ顯著增加了對照、中度及重度干旱條件下黑麥草葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量（P lt;0.05），對照條件下，SJ使葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量分別提高了52.15%，64.59% 及55.38%。

干旱顯著提高了黑麥草葉片和根部的SOD、POD、CAT 活性（Plt;0.05），在重度干旱時達到最大值（圖2）。在相同水分條件下，SJ顯著降低了黑麥草葉片和根部三種抗氧化酶的活性（P lt;0.05）（中度干旱的葉除外），且同一植株中，葉片SOD、CAT活性顯著高于根部（Plt;0.05）。

無論施加SJ與否，不同程度干旱均顯著提高了黑麥草葉片脯氨酸（Pro）含量（Plt;0.05），重度干旱最大為499.25μg·g-1（HS），SJ則顯著降低了Pro含量（Plt;0.05，圖3a）。無論添加SJ與否，隨著干旱程度的增加，黑麥草H2O2 含量、MDA 含量和·O2- 合成速率均顯著升高（Plt;0.05），均在重度干旱時達到最大值。而SJ可以顯著降低黑麥草不同水分條件下黑麥草葉片活性氧及MDA的累積（Plt;0.05），在重度干旱處理下，SJ使·O2- 合成速率降低了28.76%，H2O2 及MDA含量分別下降26.81%與31.81%（圖3a，b，c）。

2.2 SJ對干旱條件下土壤理化特性的影響

施加SJ的土壤每日補水量顯著低于同等土壤水分條件下的對照組，在重度干旱時補水量降幅最大（53.15%），SJ增加了土壤保水性（Plt;0.05，圖4）。

黑麥草根際土壤含水量隨干旱程度增加而降低（圖5a），干旱及SJ對黑麥草根際土壤pH 值均無顯著影響，土壤的pH 值在7.71～8.36之間，偏堿性（圖5b）。未施加SJ處理下，中度和重度干旱使黑麥草根際土 壤 NO3--N 含 量 分 別 增 加 了 189.58% 和258.33%。而不同水分條件下，施加SJ處理對土壤NO3--N含量的影響不同（Plt;0.05，圖5c）。重度干旱顯著降低了土壤NH4+-N含量，但SJ對3種水分條件下的土壤 NH4+-N含量無顯著影響（圖5d）。在未施加SJ處理下，土壤NAG酶活性隨著干旱程度的加劇先升高后降低，而SJ顯著降低了中度和重度干旱下土壤NAG酶的活性（Plt;0.05，圖5e）。此外，SJ顯著增強了中度和重度干旱下的土壤Ure活性，尤其是重度干旱下增加了36.22%（Plt;0.05，圖5f）。

2.3 黑麥草生長及生理指標與土壤理化性質相關性分析

土壤含水量與黑麥草存活率、株高增長量、植株含水量、葉綠素a含量、類胡蘿卜素、葉綠素a/b（Plt;0.05）呈顯著正相關關系，而Pro，SOD，POD，CAT，H2O2，·O2- 合成速率、MDA、鮮重根冠比、干重根冠比、總根長、根表面積、總根體積等則與土壤含水量呈顯著負相關關系（P lt;0.05）（表5）。土壤 NO3--N 含量與黑麥草葉綠素b含量呈顯著負相關關系（Plt;0.05），而土壤NH4+-N與其存活率、株高增長量、植株含水量呈顯著正相關關系（P lt;0.05）。而Pro，SOD，POD，CAT，H2O2，·O2- 合成速率、MDA、鮮重根冠比、干重根冠比、總根長、根表面積總根體積則與 土 壤 NH4+-N 呈 顯 著 負 相 關 關 系 （P lt;0.05）。土壤NAG 酶活性與黑麥草葉綠素a含量，SOD，POD，CAT，·O2- 合成速率、MDA、鮮重根冠比呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與生物量鮮重、植株含水量呈顯著負相關關系（P lt;0.05）。土壤脲酶活性與干重根冠比呈顯著正相關關系（Plt;0.05），而與葉綠素a含量總葉綠素含量、葉綠素a/b呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。

3 討論

3.1 干旱與SJ對黑麥草生長及形態的影響

干旱脅迫可抑制黑麥草幼苗的生長，降低其存活率，其中，在重度干旱下，黑麥草存活率和株高增長最低，但根系長度最長，原因在于重度干旱脅迫下，黑麥草通過增加根系的生長來獲取更多的水分，而有限的土壤含水量限制了黑麥草生長，降低了黑麥草的存活率。植株的生長情況可以由生物量的變化反映，而根冠比的變化可反映出植株生長是否受到脅迫[43]。在本研究中，隨著土壤含水量的降低，黑麥草生物量鮮重和生物量干重均無顯著變化，而根冠比均隨著土壤含水量的降低顯著升高，表明黑麥草受干旱脅迫影響較大，這與朱自洋等[43]的研究結果一致。同時，通過對黑麥草生長及生理指標與土壤理化性質相關性分析也可以發現，土壤含水量會顯著降低黑麥草葉綠素含量、存活率、株高增長量及植株含水量等指標，而在土壤中施加SJ能夠在一定程度上提高黑麥草幼苗的鮮重生物量，增加黑麥草的存活率、含水量及總根長，降低黑麥草的鮮重根冠比，這表明SJ能夠通過提高植株水分含量以緩解干旱脅迫對植物生長的抑制作用。同時，也有研究表明，SJ的增加對植物根系生長有促進作用[37]，通過對植物根系的促進作用有效提高了植物的抗旱能力，緩解了干旱對植物生長的抑制作用，這與本研究的結果相似。

3.2 干旱與SJ對黑麥草生理特性的影響

植物抗氧化酶活性會隨脅迫程度增加而增加，或者呈先增加后降低的趨勢[44]。在本研究中，·O2- 生成速率、H2O2 含量以及SOD，POD，CAT三種酶的活性均隨土壤水分的降低而顯著升高，可能是由于干旱脅迫產生的·O2- 誘導SOD 活性增加，經SOD 歧化生成的H2O2 也必然增多，而負責清除H2O2 的CAT、POD活性均隨H2O2 含量增加而上升[45]，因此，黑麥草主要通過改變抗氧化酶活性來響應干旱造成的活性氧脅迫，這與時忠杰等[46]研究結果一致。同時，土壤含水量與黑麥草SOD，POD，CAT，Pro均呈顯著負相關關系，表明在土壤中水分較少，植物生長受到抑制時，可以通過刺激SOD，POD，CAT等抗氧化酶活性及脯氨酸含量的增加來緩解水分對植株的氧化脅迫作用[47]。而施加SJ顯著降低了干旱脅迫下黑麥草植株·O2- 生成速率、H2O2 含量以及SOD，POD，CAT 酶活性，說明添加SJ能有效降低黑麥草植株氧化脅迫。朱利君等[37]也發現施加SJ能有效減少干旱脅迫對植物的傷害，使植株具有更好的抗逆性。與對黑麥草生長的影響相似，SJ對黑麥草活性氧代謝的影響，可能也主要是由于SJ可以增加黑麥草植株含水量（圖1），緩解其生理干旱，減輕植株氧化脅迫。

Yamada等[48]發現干旱脅迫誘導牽牛花中積累大量的脯氨酸。本研究中干旱顯著提高了黑麥草植株脯氨酸的含量，說明干旱脅迫下黑麥草能夠通過增加滲透調節物質含量來維持細胞滲透勢平衡[49]，這與Cao等[50]的研究結果一致。施加SJ改善了黑麥草植株含水量，調節了植物細胞內環境，減輕了干旱對細胞膜的傷害，因此，施加SJ的黑麥草脯氨酸含量顯著低于同等干旱條件下未施加SJ的黑麥草。此外，本研究中黑麥草脯氨酸含量與土壤硝態氮含量呈顯著正相關，而與土壤銨態氮含量呈負相關，有研究指出植株脯氨酸含量在土壤銨硝比為25/75～100/0之間時隨銨硝比增大而降低，即脯氨酸含量與土壤銨態氮含量呈負相關，而與土壤硝態氮含量呈正相關[51-52]。因此，土壤無機氮的比例可能也是影響黑麥草植株脯氨酸含量的重要因素。

MDA 是判斷植物受脅迫程度的重要指標，MDA 含量越高，植物受到損傷程度越大[53]。本研究中，干旱脅迫顯著提高了黑麥草MDA 等有毒物質含量。前人研究也發現，在水分脅迫下綿毛水蘇（Stachyslanata）、鴨茅（Dactylisglomerata）、黑麥草等植株MDA 含量均較對照顯著升高[19，54-55]。施加SJ能顯著降低丙二醛等有毒物質在黑麥草體內的積累，說明SJ對干旱脅迫下細胞膜損傷有一定的緩解作用，從而減小干旱脅迫對黑麥草幼苗造成的傷害。

3.3 土壤理化特征與植物生長的耦合關系

干旱脅迫對不同植物的根際土壤氮的有效性影響不同。干旱脅迫增加了玉米根際土壤銨態氮、硝態氮的含量[24]，但降低了核桃根際土壤中有效氮含量[26]。本研究中，未施加SJ的土壤硝態氮含量隨著土壤水分的降低顯著增加（Plt;0.05），可能是由于干旱脅迫抑制了黑麥草對土壤中硝態氮的吸收，而施加SJ則緩解了干旱對黑麥草的不利影響，增加了對硝態氮的吸收，進而減少了土壤硝態氮含量。銨態氮含量在各個水分條件下均未發生明顯變化，可能與土壤中脲酶活性增強有關，在施加了SJ的土壤中黑麥草根際土壤中脲酶活性增加加速了尿素向銨態氮的轉化，補充了因植物吸收而減少的土壤銨態氮[57-58]。因此，SJ也會通過影響植物的養分吸收，進一步改變干旱對植物的生長及生理的影響。但是，本研究沒有測定SJ和干旱處理下土壤N 轉化關鍵微生物群落功能及黑麥草植株N 吸收等指標，因此，SJ對黑麥草生長的影響機制還需進一步研究。

4 結論

在干旱脅迫下，土壤含水量的降低會對黑麥草的生長和生理特性造成脅迫，在中度及重度干旱處理下黑麥草的存活率顯著降低。施加SJ能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對黑麥草生長的抑制作用，主要表現為提高黑麥草的含水量，改變了植株的活性氧代謝，降低了有毒物質積累，減輕干旱對黑麥草的生理脅迫，最終提高了黑麥草的鮮重和存活率。此外，添加SJ可以顯著增加土壤的保水性，改善土壤微環境。因此，在工程邊坡等植物易受土壤水分脅迫的環境中施加SJ有利于土壤水分的保持，可以緩解干旱脅迫對植物生理和生長的不利影響，提高植物的存活率，促進此類工程擾損區的生態恢復。