间歇淹水和氨氮胁迫对3种园林植物形态与生理的影响特征

蓝苹予 荣航 姚作芳 杨钙仁 刘莲 何铁光

关键词：园林植物；氨氮胁迫；淹水胁迫；抗氧化酶

根据农业农村部统计数据，到2020年，我国观赏园林苗木种植面积已达86.25万hm2，是城市绿化的主要植物，随着人工湿地、雨水花园、海绵城市的发展，园林植物用于水污染治理生态空间前景广阔。植物生长环境中氮素的浓度与植物的形态和生理特征变化息息相关。ZHANG等[1]对氨氮胁迫下的植物进行研究，发现植物为了应对高氮和低光胁迫，通过大量合成游离氨基酸来降低胞内游离铵离子的毒害，同时植物倾向于降低组织的可溶性蛋白含量，促进超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性的提高。YUAN等[2]对氨氮处理下10种植物的研究发现，植物会通过提高氮同化相关酶类的活性，促进游离氨基酸和可溶性蛋白等含氮化合物的积累，以应对氨氮胁迫。高奇英等[3]发现当水体中的氨氮浓度>4mg/L时，狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）、小茨藻（Najasminor）的可溶性蛋白生成受到抑制，MDA含量增加且均在短时间内死亡。颜昌宙等[4]发现当水体中的氨氮浓度≥16mg/L时，黑藻（Hydrillaverticillata）的可溶性蛋白增加，SOD、POD则呈现先上升后下降的趋势，且在短时间内死亡。另外，不同的逆境条件下，植物外部形态结构的变化、生理生化指标的动态变化不同。VOESENEK等[5]研究发现，缺氧环境下，植物会通过激素的分泌和相互作用来快速调节茎的生长，通过增加植株的高度来适应缺氧状态。DIXON等[6]研究发现缺氧胁迫下篦齿眼子菜（Stuckeniapectinata）茎节长度變为正常条件下的4倍左右，植物可能通过茎节内部生成大量通气组织来应对缺氧胁迫。除了水生植物，也有研究指出[7]，园林植物在间歇式淹水模式下，茎基会形成肥大皮孔和不定根，通气组织数量不断增加，植株地上部分生长均受到明显促进，抗氧化酶活性显著升高，能够长期适应低水位间歇淹水环境。但氨氮胁迫和淹水胁迫的共同作用对陆生园林植物的生理生态响应特征尚不明确。目前，大多数氨氮胁迫和淹水胁迫的研究都集中在水生植物的黑藻属（Hydrilla）、狐尾藻属（Myriophyllum）[4，8]，单一物种研究对于理解各种适应性调节很有价值，但从生态学的角度来看意义不大，园林植物对氨氮和间歇淹水的耐受范围研究还处于空白状态。

鉴于此，在前人的基础上，本研究主要探讨氨氮胁迫和淹水胁迫的共同作用对园林植物形态和生理的影响特征。红背桂、夹竹桃、灰莉都是南亚热带常见的观赏植物，常在公园、风景区、道路旁或河旁、湖旁周围栽培，以这3种园林植物为研究对象，模拟间歇淹水绿地采用间歇淹水模式，即淹水3d，排空1d，设置6种氨氮浓度水溶液的间歇淹水栽培试验，研究间歇淹水和氨氮胁迫的共同作用对植物各指标的变化规律，对合理地选育耐氨氮耐水淹的植物品种、发挥其景观生态价值、治理城市富营养化水体具有重要意义。

1材料与方法

1.1材料

供试植物材料购自广西造福园林绿化工程有限公司。2020年8月，选取无病虫害、生长发育良好、生长较为一致的两年生红背桂、夹竹桃、灰莉扦插苗各200株转至广西大学林学院苗圃温室备用（表1）。

1.2方法

1.2.1试验设计间歇淹水模式的满床与空床时长比为3∶1，满床水深为25cm，空床水深为1cm，空床情况下注水至满床用时为3～4min，排空用时为6min左右。间歇淹水下设置6组氨氮浓度（AN0～AN5），对应的氨氮浓度分别为0、0.5、7.5、14.5、21.5、28.5mg/L，所用的培养液为自配无氮霍格兰10倍稀释液（表2）。通过向培养液添加相应量硫酸铵来设置氨氮浓度。同时设置土培为对照处理（CK），所用土壤为壤土，通过人工补水使土壤含水量为田间持水量的75%左右，各处理3个重复。

1.2.2试验过程本研究在广西大学林学院苗圃的透明塑料大棚内进行，用于栽培植物的盆栽器口径、底径和高度分别为25.5、22.7、27.0cm的聚乙烯树脂桶，在距桶底2cm处设置水龙头用于排空。2020年8月1日，挑选供试的红背桂、夹竹桃、灰莉各50株移栽到广西大学林学院苗圃，移栽完毕后放置苗圃缓苗，期间进行正常养护管理。2020年9月1日，缓苗结束，再各选取21株长势一致、生长旺盛、无病虫害的植株进行正式试验。试验前为提高植物成活率，用稀释500倍后的生根液（河南省指南针生物科技有限公司）浸泡植物5min，再将植物裸根定植于各盆栽器20cm左右，每盆栽植1株。间歇淹水处理的盆栽器填充23cm粒径为2～3cm的砾石（堆积空隙率为37%），栽植54盆；对照处理的盆栽器填充23cm壤土，栽植9盆，共栽植63盆。

1.2.3测定项目与方法（1）生长指标测定。每15d在7：00—8：00测定株高，用卷尺测量（精度0.1cm）植株顶芽的叶尖到盆栽器中基质表面的垂直距离。株高增长量为各阶段株高与初始株高的差值。

（2）形态观察。每日7：00—8：00观察试验植株叶片形态变化、不定根形成以及肥大皮孔出现等现象，进行详细记录。

（3）生理指标测定。每30d在7：00—8：00采用完全随机取样选取在各植株中上部东西南北4个方向上选取成熟功能叶各1片，放置于冰盒中保存带回实验室进行生理指标测定。叶绿素含量采用丙酮浸取法测定；丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光还原法；过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法；抗坏血酸过氧化物酶（APX）参照沈文飚等[9]的方法；可溶性蛋白（SP）含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；游离脯氨酸（Pro）含量测定采用酸性茚三酮显色法。具体操作均参考李合生[10]的实验方法。

1.3数据处理

采用SPSS22.0统计软件对所有数据进行单因素方差分析，利用Duncans法进行差异显著性检验（α=0.05），所有图表用Excel2016软件制作。

2结果与分析

2.1淹水及氨氮对植物株高和形态的影响

试验期间，间歇淹水对3种植物的株高生长影响较小，3种植物的AN0组与CK组的株高生长均差异不大，受氨氮的影响AN1～AN5组株高生长存在显著差异（表3）。试验60d，红背桂和灰莉AN1～AN5组的株高增长量均随氨氮浓度增加而呈单峰型变化。其中红背桂AN2组株高增长量最大，平均每天增长0.32cm，灰莉AN1组株高增长量最大，平均每天增长0.12cm。而夹竹桃株高增长量随着氨氮浓度的增加而增加，在AN5组达到最大值，为CK组的1.26倍；平均每天增长0.69cm，AN1～AN5组的株高增长速率均大于CK组。3种植物的AN0～AN5组的茎基均形成肥大皮孔，根部也均出现了不定根。红背桂的叶片从AN4组开始出现失绿现象，夹竹桃和灰莉AN0～AN5组叶片均正常。

2.2淹水及氨氮对植物叶绿素的影响

试验期间，3种植物AN0组叶绿素含量均略大于CK组，AN1～AN5组受氨氮的影响叶绿素含量积累速率存在显著差异（图1）。60d时，红背桂和灰莉AN1～AN5组叶绿素增长速率均随着氨氮浓度的增加呈先升后降的趋势。二者都在AN2组达到峰值，分别为CK组的1.17倍、1.28倍。但红背桂从AN4组开始叶绿素增长速率开始减小，而灰莉则是从AN3组开始的。夹竹桃AN1～AN5组的叶绿素增长速率则随着氨氮浓度的增加而上升，在AN5组达到最大值，增幅为109%，为CK的1.72倍，AN1～AN5组的增幅均大于CK。

2.3淹水及氨氮对植物MDA的影响

试验期间，3种植物AN0组的MDA含量随时间的增加呈先升后降的趋势，最终均略小于CK组，AN1～AN5组受氨氮的影响MDA含量存在显著差异（图2）。30d时，3种植物AN1～AN5组的MDA含量随氨氮浓度的增加均显著上升，且均在AN5组达到最大值，其中灰莉的增幅最大为62%。60d时，红背桂AN1～AN3组、夹竹桃AN1～AN5组、灰莉AN1～AN2组的MDA含量开始下降，其中夹竹桃AN5组的下降幅度最大为24%；而红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的MDA含量依然上升，且均在AN5组达到最大值，分别为各自同期CK的1.74倍、2.27倍。

2.4淹水及氨氮对植物抗氧化物酶活性的影响

2.4.1淹水及氨氮对植物SOD活性的影响试验期间，3种植物AN0组的SOD活性随时间的增加先升高后下降随后逐渐趋于CK组，最终与CK组差异不大，AN1～AN5组受氨氮的影响SOD活性存在显著差异（表4）。30d时，3种植物AN1～AN5组的SOD活性随氨氮浓度的增加均显著上升，且均在AN5组达到最大值，其中夹竹桃的增幅最大为73%。第60天时，红背桂AN1～AN3组、夹竹桃AN1～AN5组、灰莉AN1～AN2组的SOD活性开始下降，其中夹竹桃AN5组的下降幅度最大为28%；而红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的SOD活性依然上升，且均在AN5组达到最大值，分别为各自同期CK的2.38倍、1.66倍。

2.4.2淹水及氨氮对植物POD活性的影响试验期间，3种植物AN0组的POD活性随时间的增加先升高后下降随后逐渐趋于CK组，最终与CK组差异不大。AN1～AN5组受氨氮的影响POD活性存在显著差异（表5）。30时，3种植物AN1～AN5组的POD活性随氨氮浓度的增加均显著上升，且均在AN5组达到最大值，其中夹竹桃的增幅最大为65%。60d时，红背桂AN1～AN3组、夹竹桃AN1～AN5组、灰莉AN1～AN2组的POD活性开始下降，其中夹竹桃AN5组的下降幅度最大为29%；而红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的SOD活性依然上升，且均在AN5组达到最大值，分别为各自同期CK的2.78倍、1.90倍。

2.4.3淹水及氨氮对植物APX活性的影响试验期间，3种植物AN0组的APX活性随时间的增加先升高后下降随后逐渐趋于CK组，最终与CK组差异不大，AN1～AN5组受氨氮的影响APX活性存在显著差异（表6）。30d时，3种植物AN1～AN5组的APX活性随氨氮浓度的增加均显著上升，且均在AN5组达到最大值，其中夹竹桃的增幅最大为109%。60d时，红背桂AN1～AN3组、夹竹桃AN1～AN5组、灰莉AN1～AN2组的APX活性开始下降，其中夹竹桃AN5组的下降幅度最大为54%；而红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的APX活性依然上升，且均在AN5组达到最大值，分别为各自同期CK的2.02倍、2.33倍。

2.5淹水及氨氮对植物渗透调节物质的影响

2.5.1淹水及氨氮对植物SP含量的影响试验期间，3种植物AN0组SP含量随时间的增加而上升且均大于CK组，但AN0组的SP含量积累速率均明显小于AN1～AN5组，AN1～AN5组受氨氮的影响SP含量存在显著差异（表7）。30d时，红背桂和灰莉AN1～AN5组的SP含量均随着氨氮浓度的增加而上升，均在AN5组达到最大值，增幅分别为56%、66%。60d时，红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的SP含量开始下降，其中灰莉AN5組的下降幅度最大为51%；而红背桂AN1～AN3、灰莉AN1～AN2的SP含量依然上升，但上升速度明显减缓，灰莉AN1组上升幅度最大，增幅为17%。夹竹桃在整个试验期间AN1～AN5组的SP含量均随氨氮浓度的增加均显著上升，但30～60d上升幅度明显减小。60d时其SP含量在AN5组达到最大值，为同期CK的1.51倍。

2.5.2淹水及氨氮对Pro含量的影响试验期间，3种植物AN0组的Pro含量随时间的增加先升后降随后逐渐趋于CK组，最终与CK组差异不大，AN1～AN5组受氨氮的影响Pro含量存在显著差异（表8）。30d时，3种植物AN1～AN5组的Pro含量随氨氮浓度的增加均显著上升，且均在AN5组达到最大值，其中夹竹桃的增幅最大为60%。60d时，红背桂AN1～AN3组、夹竹桃AN1～AN5组、灰莉AN1～AN2组的Pro含量开始下降，其中夹竹桃AN5组的下降幅度最大为40%；而红背桂AN4～AN5组、灰莉AN3～AN5组的APX活性依然上升，且均在AN5组达到最大值，分别为各自同期CK的1.78倍、2.19倍。

3讨论

植物在淹水和氨氮等胁迫逆境中，植物形态及生理会受到一定影响[11]。本研究中，间歇淹水使3种植物形态发生改变，根系的肥大皮孔，不定根等通气组织能有效缓解根系缺氧。同时植物体内非酶促系统也刺激叶绿素体内的抗坏血酸[12]、类胡萝卜素[13]等将ROS清除，在一定程度上有助于维持ROS平衡，进而又促进叶绿素的积累。但在间歇淹水和氨氮胁迫的互作下，试验初期，氨氮可能是作为一种营养素促进植物的生长[14]，3种植物株高生长量和叶绿素积累量增加。试验后期，随着氨氮浓度的增加，夹竹桃的形态无任何受害症状。叶绿素含量的积累和株高生长显著大于对照，说明其对氨氮的耐受性较强，生态幅较广。而红背桂和灰莉在较高的氨氮浓度下则会出现株高增长减缓、叶片失绿、叶绿素含量积累速率减小等现象。这可能是由于高浓度氨氮导致植物体内活性氧增加，进而促进三线态叶绿素（3Chl）的形成[15]。3Chl容易与O2反应而生成1O2[16]，1O2又进一步对植物产生损害，形成恶性循环，因此导致植物生长及叶绿素积累速率减缓。可溶性蛋白和游离脯氨酸都是植物体内重要的渗透调节物质[17]。逆境下植物通过合成脯氨酸、可溶性糖类和可溶性蛋白等渗透调节物质来应对渗透胁迫[18]。本研究中，3种植物在间歇淹水的情况下都能在短时间内提升自身的可溶性蛋白、游离脯氨酸来应对间歇淹水胁迫，随后逐渐恢复到正常状态，这与潘兵青等[19]的结论一致。但在间歇淹水和氨氮胁迫的互作下，试验初期，植物为了抵御环境的变化，3种植物的可溶性蛋白和游离脯氨酸均随氨氮浓度的增加而增加。试验后期，红背桂和灰莉可溶性蛋白含量下降，游离脯氨酸含量依然上升，无法回到正常水平。说明逆境中植物体内游离脯氨酸含量升高可能是植物适应性的表现，也可能是植物细胞受损的表征[20]。较高浓度的氨氮导致植物产生的ROS没有得到及时清除，蛋白经过一定程度的氧化损伤而导致大面积的交联和聚合物生成后，不但不易被水解，而且还能抑制蛋白酶降解其他被氧化的蛋白[21]。逆境环境下，植物细胞内自由基代谢平衡被破坏，导致膜脂过氧化，使膜系统受到伤害[22]。丙二醛的高低可以反映植物的脂质过氧化水平，目前已被广泛用作胁迫条件下生物膜受ROS氧化损伤的标志物[23]。植物体内抗氧化酶活性大小可以反映植物的抗性[24]。从本研究结果来看，间歇淹水短期内会导致3种植物ROS增加从而导致MDA含量上升。植物为了抵御ROS的毒害作用，会启动自身的酶促系统来维持ROS代谢平衡[25]。从而导致SOD、POD、APX活性上升，缓解了间歇淹水对植物的伤害，使得3种园林植物能适应间歇淹水环境，这与刘莲等[7]的结论一致。但在间歇淹水和氨氮胁迫的互作下，夹竹桃即使在氨氮达28.5mg/L时，也依然可以维持自身抗氧化酶系统平衡。MDA含量也能逐渐降低，但无法降低到正常水平，通常MDA含量随胁迫程度和处理时间的增加而增加[26]。而红背桂和灰莉在氨氮达21.5mg/L后，植物体内ROS失衡，活性氧过量积累，SOD、POD、APX活性持续上升。但由于抗氧化酶清除ROS的速度赶不上ROS的增长速度，因此MDA含量也持续上升。所以在较高的氨氮浓度下，红背桂和灰莉体内会产生过量ROS，ROS累积会直接损害植物细胞，导致MDA含量持续升高、植物体内抗氧化酶系统短期内无法达到平衡。

4结论

间歇淹水下，缺氧-复氧的模式能促进这3种园林植物茎基形成肥大皮孔，不定根等通氣组织加强植物的代谢速率和株高生长速率，但生理指标变化不明显。间歇淹水和氨氮胁迫的互作下，红背桂和灰莉受高浓度氨氮的影响导致生长减缓，叶片失绿，生理失调特征明显；而夹竹桃形态无受害症状，各项生理指标也能恢复到正常水平。因此，在对这3种园林植物进行应用时，应考虑在热带亚热带地区的人工湿地、间歇淹水绿地等中高氨氮浓度的区域进行应用管理。同时植物的耐氨氮、耐水性还会受诸多因素的影响，如气候因子、土壤因子等，因此在间歇淹水条件下园林植物的抗逆性及应用技术等还需进一步验证与研究。