沙埋对两种灌木生长影响及其生理响应差异

赵哈林，曲浩，周瑞莲，云建英，李瑾，王进

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州730000;2.鲁东大学生命学院，山东烟台264025)

在干旱、半干旱风沙区，植物遭受沙埋是一种经常现象［1］。由于沙埋能使植物光合面积下降，生产力降低，甚至导致植物死亡，因而成为沙地植物生长和分布的重要选择压力之一，对于沙地植物的分布、组成、种群大小和生产力高低都有着显著影响［2-3］。因此，近年来关于沙埋对于植物影响及其适应研究正日益受到广泛重视［1，4］。

关于沙埋对植物影响及其适应研究，已有不少报道。其中，大部分研究集中于沙埋对于植物种子萌发，出土和幼苗生长的影响［5-7］，还有少量有关沙埋对植物形态、生物量分配和无性繁殖影响的研究［8-9］，以及个别有关沙埋对植物解剖结构和幼苗气体交换等影响的报道［10］，而迄今关于不同类型灌木耐沙埋能力及其生理响应的比较研究还鲜有报道［1，4］。

差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)属于沙生半灌木，小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)属于非沙生灌木，二者广泛分布于我国北方东部各大沙地中，分别是流动、半流动沙地和固定、半固定沙地的优势种。由于二者对沙地环境具有较强的适应性，因而成为当地生物固沙的首选植物［8，11］。本文在科尔沁沙地以差巴嘎蒿和小叶锦鸡儿为对象，研究了沙埋对其生长的影响及其生理响应差异，分析比较了二者耐受沙埋的能力及其机制，以期为当地人工植被的恢复重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于内蒙古通辽市奈曼旗境内，地处科尔沁沙地腹地(42°55'～42°57'N，120°41'～120°45'E，海拔340～370 m)。该区属温带半干旱大陆性气候，年均降水量356.9 mm，年均蒸发量1900 mm，年均气温6.5℃，≥10℃年积温3190℃，无霜期151 d;年平均风速3.4 m/s，年平均扬沙天气20～30 d。地貌以高低起伏的沙丘地和平缓草甸或农田交错分布为特征，土壤多为风沙土或沙质草甸土。研究区天然植物群落以中旱生植物为主，主要植物种有沙米(Agriophyllum squarrosum)、狗尾草(Setaria viridis)、大果虫实(Corispermum macrocarpum)、猪毛菜(Salsola collina)、差巴嘎蒿、小叶锦鸡儿、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)等。

1.2 试验设计

试验地设置于中国科学院奈曼沙漠化研究站的水分平衡场内。其水分平衡场由数个大小为2 m×2 m×2 m无底水泥池构成，池内填有风沙土。试验设计为CK、A、B、C、D、E、F、G、H和I等10个处理，其沙埋深度分别为其株高的0%，25%，50%，75%，100%，125%，150%，175%，200%和225%。试验采用随机区组排列，4个重复。试验用种子采自于2009年秋季，2010年4月将种子条播于水泥池内，行距30 cm。为保证出苗，播种后每3～5 d用喷壶浇一次水，每次浇水量500 mL，以保持沙面经常湿润。出苗后，进行间苗，每个水泥池分别保留100株长势相似的幼苗。于5月中旬风沙活动强烈期对试验材料进行沙埋处理，沙子均来源于当地的流动沙丘，此时幼苗平均株高为(7.8±0.6)cm。沙埋后浇一次透水后不再浇水，靠自然降水补充其土壤水分。

1.3 测定内容与方法

于沙埋后的第12天用剪刀剪取部分植株地上叶片，一部分材料即刻带回实验室测定细胞膜透性和叶片相对含水量，另一部分材料迅速用纸包裹置于液氮罐内，用于脯氨酸、可溶性糖含量，超氧化物歧化酶(SOD，superoxide dismutase)、过氧化物酶(POD，peroxidase)、过氧化氢酶(CAT，catalase)活力的分析。测定方法［12］:SOD活性为氯化硝基四氮唑蓝光还原法，POD活性为愈创木酚法，CAT活性为碘量法，丙二醛(MDA，malondialdehyde)为硫代巴比妥酸法，游离脯氨酸含量为茚三酮比色法，可溶性糖含量为蒽酮比色法，膜透性为电导率法。于8月底植物生长末期对其存活率和株高进行测量，其中株高是原地面以上部分。由于小叶锦鸡儿D、E、F、G、H和I处理的幼苗全部死亡，所以除了存活率和株高外，两种灌木生理生态指标的比较仅限于A～C处理。

1.4 数据分析方法

应用SPSS 13软件进行数据的统计分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，用Pearson相关系数评价不同因子间的相互关系。

2 结果与分析

2.1 存活率和株高的变化

随着沙埋深度的增加，差巴嘎蒿幼苗的存活率变化可分为3个阶段(图1A)。其中，从A处理到C处理，为第1阶段，其存活率较CK显著降低(P＜0.05);D处理至H处理为第2阶段，其存活率较CK再次大幅度下降(P＜0.05);I处理为第3阶段，即植株全部死亡阶段。小叶锦鸡儿幼苗存活率在A处理较CK有所降低，而B处理和C处理又较CK有所升高，但3个处理与CK的差异均未达到显著水平(P＞0.05)，当沙埋达到株高100%时，其幼苗全部死亡。随着沙埋深度的增加，两种灌木株高均逐步下降(图1B)。其中，两种灌木A处理与CK的差异均不显著(P＞0.05)。从B处理开始，两种灌木的株高均较CK显著降低(P＜0.05)。

2.2 叶片含水量、丙二醛和膜透性的变化

随着沙埋深度增加，差巴嘎蒿的叶片相对含水量(RWC，relative water content)波动式下降。但从A处理到D处理，其RWC与CK的差异均未达到显著水平(P＞0.05)(图2A)。在A处理，小叶锦鸡儿的RWC与CK没有显著差异 (P＞0.05)，但B处理的RWC显著低于CK(P＜0.05)。

从A处理到D处理，差巴嘎蒿的MDA含量显著低于CK(P＜0.05)(图2B)，但A、B、C、D处理间差异不显著(P＞0.05)。随着沙埋深度增加，小叶锦鸡儿的MDA含量呈先降后升的变化趋势。其中，A处理的MDA显著低于CK，B和C处理的MDA显著高于CK(P＜0.05)。

随着沙埋深度的增加，差巴嘎蒿的膜透性呈先升后降再升的变化趋势(图2C)。其中，A和B处理的膜透性与CK差异未达到显著水平 (P＞0.05)，C处理的膜透性显著低于CK，D处理的膜透性显著高于CK(P＜0.05)。随着沙埋深度增加，小叶锦鸡儿的膜透性呈轻度下降，但3个沙埋处理的膜透性与CK差异均未达到显著水平 (P ＞0.05)。

图1 不同沙埋处理下植物存活率(A)和株高(B)的变化Fig.1 Changes on survival rate(A)and plant height(B)in different treatments

图2 RWC(A)、丙二醛(B)和膜透性(C)的变化Fig.2 Changes on RWC(A)，MDA(B)and membrane permeability(C)

图3 SOD(A)、CAT(B)、POD(C)活性的变化Fig.3 Changes on activities of SOD(A)，CAT(B)and POD(C)

2.3 保护酶活性的变化

从A处理到C处理，差巴嘎蒿的SOD活性显著下降(P＜0.05)，但在D处理又有一个较大幅度回升，使之与CK差异不显著(P＞0.05)(图3A)。在A和B处理，差巴嘎蒿CAT活性较CK略有降低，但差异不显著(P＞0.05)，在C和D处理CAT又大幅度回升，显著高于CK(P＜0.05)(图3B)。随着沙埋深度增加，差巴嘎蒿的POD活性呈现先增后降变化，但只有B处理显著高于CK，其他处理与CK差异未达到显著水平 (P＞0.05)(图3C)。

随着沙埋深度增加，小叶锦鸡儿的保护酶活性变化与差巴嘎蒿有很大差别。和CK相比，A处理SOD活性显著下降，POD活性显著增加 (P＜0.05)，CAT活性没有显著变化。和CK相比，B处理的SOD、POD和CAT三种酶活性均显著增加 (P＜0.05)，而C处理SOD和POD活性显著增加(P＜0.05)，CAT活性则显著下降 (P＜0.05)。

2.4 脯氨酸和可溶性糖含量的变化

随着沙埋深度增加，差巴嘎蒿的脯氨酸含量呈先增 (A和B处理)后降 (C处理)再升(D处理)变化，可溶性糖含量则表现为先降(A～C处理)后升 (D处理)变化(图4A，B)，但只有D处理的脯氨酸和B～C处理的可溶性糖含量与CK差异达到显著水平(P＜0.05)。随着沙埋深度增加，小叶锦鸡儿脯氨酸含量呈先降(A处理)后升(B处理)再降(C处理)变化，可溶性糖含量呈逐步下降趋势。其中，3个沙埋处理的脯氨酸含量和B、C处理的可溶性糖含量与CK差异达到了显著水平(P＜0.05)。

图4 不同处理下脯氨酸(A)和可溶性糖(B)含量的变化Fig.4 Changes on proline(A)and soluble sugar(B)contents in different treatments

3 讨论

3.1 两种灌木耐沙埋能力的差异及其成因分析

沙埋胁迫下，两种灌木表现出的耐沙埋能力有很大差异。其中，在25%至75%株高沙埋下，差巴嘎蒿幼苗存活率为波动式下降，小叶锦鸡儿幼苗存活率表现为波动式增加，但二者与非沙埋对照的差异均未达到显著水平。在100%株高沙埋下，小叶锦鸡儿幼苗全部死亡，而差巴嘎蒿幼苗成活率仅仅较对照显著下降，直至沙埋深度达到株高225%时才全部死亡。他人对无芒雀麦(Bromus inermis)［7］、羊柴(Hedysarum laeve)、柠条(Caragana korshinskii)［6］和砂生槐(Sophora moorcroftiana)［13］等非沙生植物的研究结果表明，当沙埋深度达到株高100%时，这些植物的幼苗都全部死亡，这和我们对小叶锦鸡儿的研究结果一致。这说明，差巴嘎蒿作为沙生半灌木其耐沙埋能力远大于非沙生灌木小叶锦鸡儿，也远大于无芒雀麦、羊柴、柠条、砂生槐等其他非沙生植物。差巴嘎蒿之所以具有较高的耐沙埋能力，是因为他作为沙生植物是沙地植被演替初级阶段的先锋物种，在长期自然选择和对环境适应过程中，已经形成了耐旱、耐贫瘠、耐风沙，喜适度沙埋的特点［11］，在受到完全沙埋后能够较快破土而出，从而降低了死亡率，因而能够天然分布于半流动沙地和流动沙丘的下部［14］。而小叶锦鸡儿属于非沙生植物，天然分布于固定、半固定沙地。由于固定、半固定沙地风沙活动较弱，遭受沙埋威胁的概率和程度远低于流动半流动沙地，因而尚未形成很强的耐沙埋能力，这可能也是其无法分布于流动、半流动沙地的主要原因之一［8，11］。

研究结果还表明，虽然沙埋深度达到株高50% ～75%时两种灌木存活率较对照差异不显著，但其幼苗的高生长均已显著下降，且两种灌木幼苗高度的下降幅度相近。这说明，部分沙埋虽然对两种植物存活率影响较小，却能严重抑制其高生长。其原因主要是幼苗较为低矮，部分沙埋使大部分植物叶片处于沙面以下无法进行光合作用，致使植物光合面积急剧减少，植物因无法通过光合作用合成生长所需物质和能量，因而生长缓慢［4-5，8］。

3.2 两种灌木对沙埋的生理响应比较

已有研究表明，当植物受到干旱、寒冷、高温等逆境胁迫时，由于细胞内氧自由基的产生与消除之间的平衡遭到破坏，使自由基大量积累，从而引发膜脂过氧化作用，造成MDA大量积累和细胞膜损伤，导致植物生长受到抑制，甚至死亡［15-16］。我们的研究表明，从25%沙埋到100%沙埋，差巴嘎蒿的RWC与对照差异不显著，其MDA含量显著低于对照，膜透性只有达到100%沙埋后才显著高于对照，而小叶锦鸡儿虽然25%沙埋的RWC与对照差异不显著，但50%和75%沙埋下其RWC已显著低于对照，并且MDA含量明显高于对照，只是其膜透性与对照差异不显著。这一方面表明，从25%沙埋到100%沙埋，差巴嘎蒿一直没有受到水分胁迫，而小叶锦鸡儿在50%沙埋情况下即已开始受到水分胁迫;另一方面表明，沙埋深度从25%到100%，差巴嘎蒿体内未出现MDA积累，只是100%沙埋情况下其细胞膜才开始有所受损;而小叶锦鸡儿虽然在50%和75%沙埋未显示膜透性增加，但MDA却大量积累，至100%沙埋情况下则幼苗全部死亡。这不仅说明，沙埋胁迫下，小叶锦鸡儿较早出现的水分胁迫和膜质发生过氧化，是其耐沙埋能力不如差巴嘎蒿的主要生理原因之一［17-18］，也说明沙埋胁迫下植物的受损程度既要考虑膜透性的变化，还应结合膜质过氧化程度和植物细胞膜忍受膜脂过氧化的能力［4，19-20］。

大量研究表明，逆境胁迫下，植物体内氧自由基的积累可激活抗氧化酶保护系统，使其抗氧化酶活性增强，起到清除活性氧，减轻其对机体伤害的作用［21-22］。同时，植物也会通过增加细胞溶质含量，降低细胞质渗透势来防止细胞质的渗漏，从而保持细胞的膨压和生长［4，15］。我们的研究表明，在25%和50%沙埋处理下，差巴嘎蒿只有POD一种酶活性增强，而在75%和100%沙埋处理下则是POD和SOD，或SOD和CAT两种酶活性增强。虽然，沙埋胁迫下其可溶性糖含量降低，但脯氨酸含量却略有增加，特别是100%沙埋处理下增加更为显著。而从25%沙埋到50%沙埋，虽然小叶锦鸡儿由一种酶活性增强变为3种酶活性同时增强，但75%沙埋处理下又转变为只有一种酶活性增强，特别是其脯氨酸和可溶性糖含量均随沙埋深度增加而显著下降。这一方面说明，随着沙埋胁迫增强，在清除氧自由基保护细胞膜免受损伤过程中，差巴嘎蒿逐步由一种酶发挥作用转变为两种酶的协调清除作用，而小叶锦鸡儿则从多种酶联合作用转变为一种酶作用，这种酶活性协调作用的转变可能是重度和严重沙埋情况下差巴嘎蒿耐沙埋能力强于小叶锦鸡儿的一种重要逆境生理机制［22-23］;另一方面说明，沙埋胁迫下，小叶锦鸡儿的脯氨酸和可溶性糖可能没有起到任何调节作用，而差巴嘎蒿虽然可溶性糖没有起到调节作用，但其脯氨酸还是起到一定渗透调节作用，特别是在严重沙埋情况下其作用明显，这对于提高差巴嘎蒿的耐沙埋能力显然具有重要意义［24-25］。

4 结论

研究结果表明:1)受沙埋影响，两种植物的高生长均会受到抑制，但差巴嘎蒿耐沙埋极限能力显著强于小叶锦鸡儿，前者在沙埋深度达到株高200%时仍有部分幼苗存活，而后者在受到100%沙埋时则幼苗全部死亡;2)当沙埋深度由25%株高增至75%株高时，差巴嘎蒿没有显示出水分胁迫，其MDA含量下降，膜透性没有明显变化，而小叶锦鸡儿在沙埋深度为株高50%即已显示出水分胁迫，虽然其膜透性没有发生明显改变，但MDA含量已显著增加;3)在75%和100%株高沙埋情况下，差巴嘎蒿的脯氨酸含量增加，两种酶活性增强，而小叶锦鸡儿脯氨酸和可溶性糖均无显著变化，且只有一种酶活性增强;4)部分沙埋情况下，两种灌木生长受到抑制的主要原因是大部分叶片被埋于沙面以下无法进行光合作用，致使植物光合面积急剧减少，植物因无法通过光合作用合成生长所需物质和能量，因而生长缓慢;5)差巴嘎蒿之所以具有较强的耐沙埋能力，一个重要原因是其叶片耐脱水能力强，沙埋后叶片RWC含量变化小，保护酶活性和渗透调节物质含量增加幅度较大，有效地减轻了细胞膜损伤。

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