模拟三峡库区消落带水淹对3类土壤中桑树和水桦生长的影响

袁贵琼，刘 芸，邬静淳，王 萌，欧 阳，高 岚，任 立

(1 西南大学 资源环境学院，重庆 400715；2 秀山县武陵山湿地植物工程技术研究开发中心，重庆 409902)

三峡水库自建成后，施行“冬蓄夏排”的反季节水位调度运行方案，夏季水位145 m，冬季可达175 m，形成落差近30 m、面积达400 km2的消落带。因此，三峡库区消落带具有水位落差大、水淹持续时间长、反季节淹没以及地域狭小的特点，造成了库区消落带植被大量死亡，从而使库区消落带面临一系列生态环境问题，主要表现在生物多样性减少、生态系统受损、库区局部崩塌、滑坡以及水土流失等方面[1-4]。消落带植被作为消落带生态功能的主体，在维持库区生态功能良好运行中发挥了重要作用。植被恢复是三峡库区消落带生态恢复和重建的主要内容，而适生植物筛选是消落带生态恢复与重建的关键[5-9]。

近年来，围绕三峡库区耐淹植物的筛选已开展了大量工作，也取得了显著成果。然而，目前的研究仍存在一些不足之处，比如研究大多集中在草本和灌木的研究和实践方面，认为野古草(ArundinellahirtaThunb.)、秋华柳(SalixvariesazaFranch.)以及狗牙根(Cynodondaetylon(Linn.)Pers.)等物种具有一定的耐水淹特性[10]，但对乔木树种耐水淹的研究相对较少。与此同时，学者们往往忽视了三峡库区消落带土壤类型对植被恢复的影响。基于此，本试验以2年生库区乡土树种桑树(MorusalbaL.)和引进树种水桦(Betulanigra)为研究对象，结合三峡库区水位运行规律和主要的土壤类型(紫色土、水稻土、黄壤)，通过盆栽模拟水淹试验，从生长特性和光合生理2个方面研究了库区消落带3种主要土壤上桑树和水桦对秋冬季水淹的响应，以期筛选三峡库区消落带适生植物，为三峡库区消落带植被的恢复与重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选择桑树与水桦2年生幼苗作为研究对象。供试土壤为广泛分布于三峡库区的紫色土、水稻土和黄壤，土壤均采自三峡库区重庆涪陵南沱镇消落带。2015-09-01，将培育好的大小相同、长势一致的幼苗移至高25 cm、口径20 cm的带土盆钵里，每盆1株，每个树种每种土壤40盆，共240盆，每盆装土5 kg。将所有试验盆置于西南大学大棚温室中进行统一管理，1个月后正式开展水分处理试验。

1.2 试验设计

本研究中每个树种每种土壤设置2个处理组：对照组正常供水，土壤相对湿度始终保持在60%～70%；水淹组将苗盆放入水池中，保持苗木根部土壤一直处于全部淹没状态，且水面超过土壤表面5 cm。90 d后，每组随机选择6盆幼苗采样并测定相应指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株生长指标 (1)存活率。水淹结束后，分别统计每个处理组植株幼苗的存活率。存活率=存活苗数/苗木总数×100%。

(2)植株生物量。水淹结束后，每个处理选取6株植株，将其从花盆中取出，清洗干净。先测定地上部分和根部鲜质量，再放入105 ℃烘箱中杀青15 min，后将温度调至80 ℃烘干至恒质量并称地上部和根部干质量[11]。根冠比=根部干质量/地上部干质量。

(3)根系生长指标。将根系完全展开，采用WinRHIZO(2013年版)根系分析系统扫描根系图形，并测定总根长、根总表面积、根平均直径和根体积。比根面积(cm2/g)指单位质量的根表面积，比根面积=根表面积/干质量。

(4)根系活力。选取植株新鲜的根尖部分，采用常规方法测定根系活力[12]。

(5)不定根数量。在连续水淹90 d后，记录3种土壤上桑树和水桦的不定根数量。

1.3.2 植株光合指标 (1)叶绿素含量。采用乙醇浸提法测定叶绿素含量[12]。每个处理随机选取6盆取样测定，采集植株从上至下第4片叶，每个样称取0.2 g，研磨并加入10 mL体积分数96%的乙醇，然后避光静置10～12 h，得到的浸提液用可见分光光度计分别在波长645和663 nm下比色，并计算叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和总叶绿素(Chls)含量。

(2)光合参数。选取植株顶部第4片健康功能叶，使用Li-6400便携式光合分析仪测定植株的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)，并计算气孔限制值(Ls,Ls=1-Ci/Ca,其中Ca为大气CO2浓度)，每处理随机测定6盆，取平均值。所有测定均选在晴天上午09:00-11:00进行，测定时CO2浓度同外界大气浓度，叶室内光强设定为1 200 μmol/(m2·s)，叶片温度25～30 ℃。

(3)叶绿素荧光参数。使用JUNIOR-PAM 2100 便携式脉冲调制荧光仪(德国，WALZ)，对植株顶部第4片健康功能叶的叶绿素荧光参数进行测定。光化学效率(Fv/Fm)、光化学猝灭(qP)、非光化学猝灭(qN)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、电子传递速率(ETR)等荧光参数最后均由仪器自动给出。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据统计并制图，使用统计分析软件SPSS 17.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 水淹对桑树和水桦生长的影响

2.1.1 存活率 存活率是衡量植物是否适应新环境的重要指标之一。由表1可知，3种土壤类型下对照组桑树与水桦的存活率均达到100%；水淹组中,桑树与水桦在紫色土和水稻土上的存活率也均达到100%，但在黄壤上的存活率分别为85%和80%，均小于对照组。

表1 水淹对桑树和水桦存活率的影响Table 1 Effect of flooding on survival rates of Morus alba and Betula nigra %

2.1.2 生物量 水淹明显抑制了桑树与水桦的生物量积累(表2)。水淹处理后，3种土壤上桑树与水桦各部分生物量积累均呈现下降趋势，与对照相比，水淹组紫色土和水稻土上桑树与水桦地上部生物量、根生物量及植株总生物量(均为干质量)均显著降低(P<0.05)；而在黄壤上，两树种的根部生物量、植株总生物量也显著降低，但地上生物量与对照之间不存在显著差异(P>0.05)。3种土壤上2个树种的根生物量降幅在18.84%～38.22%，而地上部生物量降幅在7.74%～23.90%，由此可见，水淹对桑树与水桦根部生物量的影响较大，其根冠比的显著降低也说明水淹对根系的影响程度高于地上部。

此外，桑树与水桦在3种土壤上的生长速度各不相同。紫色土、水稻土上2个树种地上部生物量、根生物量及总生物量均显著高于黄壤；而在同一土壤类型上，2个树种的各部分生物量之间并无显著差异。

表2 水淹对桑树和水桦生物量积累的影响Table 2 Effect of flooding on biomass of Morus alba and Betula nigra

注：不同小写字母表示对照与水淹组之间差异显著，不同大写字母表示树种之间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between control and water flooding group and different capital letters indicate significant difference between tree species (P<0.05).The same below.

2.1.3 根系生长 由表3可知，水淹对桑树和水桦的根系生长有显著影响，在3种土壤类型下，水淹组桑树与水桦总根长、根总表面积和根体积较对照均显著降低，而其根平均直径均显著升高。在正常供水情况下，3种土壤上桑树总根长、根总表面积、根平均直径及根体积一般大于水桦。

表3 水淹对桑树和水桦根系生长的影响Table 3 Effect of flooding on root growth of Morus alba and Betula nigra

2.1.4 根系活力 在3种土壤上，水淹明显降低了桑树和水桦的根系活力,详见表4。

表4 水淹对桑树和水桦根系活力的影响Table 4 Effect of flooding on root vitality of Morus alba and Betula nigra μg/(g·h)

由表4可知，与对照相比，水淹组中2个树种的根系活力均显著降低；在紫色土、水稻土、黄壤上,桑树根系活力的降幅分别为31.42%，35.68%和22.53%，均分别小于水桦的44.43%，45.94%和24.76%，由此可知，水淹对水桦根系活力的影响较大。对照组中，紫色土、水稻土上2个树种的根系活力均显著高于黄壤，且在同一土壤上，水桦的根系活力高于桑树，但差异不显著。

2.1.5 不定根数量 水淹90 d后，3种土壤上的桑树和水桦水下根部都长出了一定数量的不定根，由表5可以看出，水桦产生的不定根数量明显多于桑树。

表5 水淹对桑树和水桦不定根数量的影响Table 5 Effect of flooding on number of adventitious roots of Morus alba and Betula nigra

2.2 水淹对桑树和水桦光合生理的影响

2.2.1 叶绿素含量 水淹胁迫下，桑树和水桦的叶绿素均受到不同程度破坏(表6)。水淹90 d后，3种土壤上桑树和水桦叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均显著低于对照(P<0.05)，但其叶绿素含量仍能维持在较高水平，桑树和水桦的总叶绿素平均含量分别为对照组的83.94%及68.38%。在对照组和水淹组中，桑树叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均高于水桦。

3种土壤上桑树和水桦的叶绿素a/叶绿素b在水淹条件下均表现出升高趋势，比值都接近于3，其中黄壤上水桦叶绿素a/叶绿素b与对照之间的差异达到显著水平(P<0.05)，而其余组与对照之间并不存在显著性差异。

表6 水淹对桑树和水桦叶绿素含量的影响Table 6 Effect of flooding on chlorophyll contents in leaves of Morus alba and Betula nigra

2.2.2 光合参数 在紫色土上，水淹胁迫对桑树和水桦光合参数影响显著(表7)。桑树对照的Pn高于水桦，但差异不显著(P>0.05)；水淹组中，桑树和水桦的Pn均显著降低(P<0.05)，分别是对照组的59.87%和69.98%；水淹组中，桑树与水桦之间Pn无显著差异(P>0.05)。桑树与水桦的Gs和Tr变化趋势一致，即对照组中桑树的Gs和Tr均显著高于水桦(P<0.05)；水淹处理后，桑树和水桦的Gs和Tr均显著降低；在水淹组中，桑树Gs、Tr均大于水桦。水淹对桑树和水桦的Ci影响较小，与对照相比，水淹组中桑树和水桦的Ci略有降低，但差异未达到显著水平(P>0.05)。

在水稻土上，水淹组中桑树和水桦的Pn分别是对照组的62.46%及68.52%，且两者差异均达到显著水平(P<0.05)。在对照组中，桑树Pn显著高于水桦，而水淹组中桑树Pn虽高于水桦，但两者之间无显著差异(P>0.05)。水淹90 d后，水淹组中桑树和水桦的Gs均低于对照，但差异未达到显著水平(P>0.05)；对照组和水淹组中桑树的Gs均高于水桦，但差异均不显著(P>0.05)。水淹胁迫下，2种植物Tr和Ci变化趋势一致，即水淹组桑树和水桦Tr及Ci均低于对照，且差异显著(P<0.05)；对照组和水淹组中桑树Ci低于水桦，Tr高于水桦，但差异均不显著(P>0.05)。

在黄壤上，对照组中桑树的Pn高于水桦，但差异不显著(P>0.05)；水淹90 d处理后，桑树Pn降低,但与对照差异不显著，而水桦的Pn显著降低(P<0.05)，桑树与水桦之间Pn无显著差异(P>0.05)。桑树和水桦Gs及Tr的变化趋势基本相同，即对照组、水淹组中桑树的Gs和Tr均高于水桦，但差异不显著；水淹处理后，桑树及水桦的Gs和Tr均显著降低(P<0.05)。与对照相比，水淹组中桑树和水桦的Ci降低，但差异不显著(P>0.05)。

表7 水淹对桑树和水桦光合参数的影响Table 7 Effect of flooding on photosynthetic parameters of Morus alba and Betula nigra

2.2.3 叶绿素荧光参数 水淹对桑树和水桦叶绿素荧光参数的影响见表8。

表8 水淹对桑树和水桦叶绿素荧光参数的影响Table 8 Effect of flooding on chlorophyll fluorescence parameters of Morus alba and Betula nigra

由表8可以看出，在紫色土上，对照组中桑树的Fv/Fm与水桦无显著性差异(P>0.05)；水淹处理后，桑树和水桦的Fv/Fm较对照分别降低了16.46%及10.53%，差异均达到显著水平(P<0.05)；水淹组中桑树的Fv/Fm与水桦之间也不存在显著性差异(P>0.05)。水淹组桑树和水桦的ETR分别比对照降低了9.86%(P>0.05)及12.90%(P<0.05)，水淹组和对照中桑树与水桦的ETR差异均不显著(P>0.05)。水淹对2个树种的ΦPSⅡ均具有显著影响，水淹组桑树的ΦPSⅡ比对照显著降低了25.86%(P<0.05)，水桦的ΦPSⅡ比对照显著降低了24.59%(P<0.05)，而水淹组和对照组桑树与水桦的ΦPSⅡ差异均不显著(P>0.05)。水淹处理后，2个树种qP的变化趋势与其ΦPSⅡ的变化趋势基本一致，即水淹降低了桑树和水桦的qP，而qN变化趋势与之相反，呈现升高的趋势，且差异达到显著性水平，水淹组和对照组中2个树种的qP与qN差异均不显著(P>0.05)。

在水稻土上，与对照相比，水淹组桑树和水桦的Fv/Fm均显著降低，分别为对照组的89.19%和88.89%，对照组和水淹组中桑树的Fv/Fm与水桦之间均不存在显著性差异(P>0.05)。水淹组中桑树的ETR和ΦPSⅡ分别比对照显著降低了15.09%及23.73%(P<0.05)，而水桦分别比对照显著降低了17.93%及15.79%(P<0.05)，水淹组和对照组中的桑树与水桦的ETR及ΦPSⅡ差异均不显著(P>0.05)。水淹显著降低了桑树和水桦的qP，降幅分别为15.12%和12.01%，而2个树种的qN则显著升高，但水淹组和对照组桑树与水桦的qP及qN差异均不显著(P>0.05)。

黄壤上2个树种叶绿素荧光参数的变化规律与水稻土上的基本一致。水淹90 d后，2个树种的Fv/Fm出现不同程度的下降，水淹组桑树的Fv/Fm为对照的86.67%，两者之间差异显著(P<0.05)，而水桦的Fv/Fm为对照的92.67%，差异不显著(P>0.05)。水淹组桑树的ETR、ΦPSⅡ、qP分别比对照显著(P<0.05)降低了16.14%，22.58%和13.95%，水桦的ETR、ΦPSⅡ、qP分别比对照显著(P<0.05)降低了17.56%，25.42%和8.33%，水淹组和对照组中桑树与水桦的ETR、ΦPSⅡ、qP差异均不显著(P>0.05)。水淹处理后，桑树和水桦的qN较对照分别升高了23.33%及28.57%，差异均达到显著水平(P<0.05)。

3 讨 论

水淹胁迫下植株的存活率是评价植株耐水淹能力的重要指标。本研究中，在长达90 d的水淹条件下，桑树与水桦在紫色土和水稻土上的存活率均达到100%，说明2个树种对水淹都具有较强的耐受能力，而其在黄壤上的存活率分别为85%和80%，低于紫色土和水稻土，这可能与黄壤土壤养分含量较低有关。

水淹胁迫对植物的生物量积累具有一定的抑制作用，胁迫程度越高，抑制现象越明显。本研究发现，在水淹胁迫下，3种土壤上桑树和水桦的地上部及地下部生物量积累均受到显著抑制。此外，2个树种的根冠比也显著降低，说明与地上部相比，水淹胁迫对植物根部生长的影响更严重。

植物根系是植物吸收水分和养分的主要器官，其生长状况和根系活力的强弱是植株生长的重要生理指标。本研究中，桑树与水桦的总根长、根总表面积、根体积等形态指标在水淹胁迫下均有所下降，同时其根系活力也明显降低，说明水淹抑制了植物根系的生长发育；而与之相反，桑树与水桦的根平均直径呈增大趋势，这可能是由于水淹导致植株须根、根尖数减少，从而导致根平均直径增大。植物的地上部分和地下部分存在着相互依赖和相互制约的相关性。正是由于水淹抑制了植物根系的生长发育，导致根系对水分和养分的吸收能力降低，最终导致植物地上部分生物量积累降低。

水淹胁迫下，缺氧是对植物造成危害的主要原因，耐淹植物可通过“避缺氧”或“耐缺氧”两种方式来提高抗水淹能力[13-14]。其中，避缺氧性是一种主动积极的抗性方式，在形态适应方面主要表现为形成通气组织、不定根、粗大皮孔和叶柄偏上生长以及根的向氧性生长，以此增强氧的吸收和扩散[15-16]。本试验结果表明，桑树和水桦对水淹的主要适应方式分别是产生肥大皮孔、不定根，以从水面表层吸收氧气，从而缓解根系的缺氧状态，有利于保持根系的活力和功能。桑树和水桦地上部生物量的减少有利于植物的蒸腾和呼吸作用，而水淹胁迫下根部生物量的降低，可减少根系与水的接触面积，在一定程度上减轻水淹导致的缺氧对植株的伤害，这与吕茜等[17]的研究结果一致。因此，桑树与水桦对水淹的适应机制是一种避氧性抗性机制。

本研究对桑树与水桦耐水淹能力进行了比较，从生物量上看，水淹胁迫下桑树和水桦地上部分、地下部分以及总生物量均受到显著抑制；从根系生长上看，桑树的总根长、根总表面积、根体积等形态指标高于水桦，说明桑树根系较水桦更为发达；而从根系活力上看，水淹胁迫下桑树根系活力也较高，由此可知，桑树的耐水淹能力比水桦更强；同时，在长达90 d的水淹条件下，水桦存活率为80%～100%，且其茎基部能产生许多新生的不定根，表明水桦对水淹也有较强的耐受能力。

叶绿素是绿色植物进行光合作用的主要色素，其含量的变化可直接反映植物叶片光合作用的强弱[18]。水淹胁迫下，3种土壤上桑树和水桦的叶绿素含量显著低于对照，说明水淹加速了叶片光合色素的降解，引起光合色素含量降低，从而影响叶片的光合作用。水淹组两树种的光合色素含量虽然有显著下降，但其叶绿素含量却能维持在较高水平，仍具备较强的光合能力。桑树叶绿素含量降幅小于水桦，说明水淹胁迫对水桦叶绿素含量的影响较桑树更严重。叶绿素a/b值可反映叶绿体中类囊体的垛叠程度，比值越高说明类囊体的垛叠程度高，整个光合系统结构完整，具备进行光合的能力[19]。有研究表明，植物正常叶片叶绿素a/b值约为3∶1[20]。在本研究中，3种土壤上水淹组桑树和水桦叶片叶绿素a/b值较对照组整体有一定程度增大，更加接近3∶1，这表明桑树和水桦受到水淹胁迫后，通过调节自身叶片叶绿素a与b的比例，使其更加合理高效，可更好地维持其较高的光合能力[21-22]。这同时也说明，植物的光合作用不仅与其光合色素绝对含量的多少有关，也与光合色素含量的比例密切相关。

在水淹条件下，植物保持较高的Pn是植物耐受水淹的重要原因之一[23]。已有研究表明，耐水淹植物在水淹胁迫下仍能保持较高的Pn，如狗牙根在水淹48 d后，其Pn为对照的57%[24]；而一些不耐淹物种如烟草、水栎和栓皮栎等，在水淹50 d后，Pn下降到对照的0～25%[25-27]。本研究发现，在水淹90 d后，3种土壤上桑树的Pn下降到对照组的59.87%～79.83%，水桦的Pn下降到对照组的67.24%～69.98%，说明长期水淹条件下桑树和水桦仍能保持较高的Pn，均具有较强的水淹耐受性。

水淹影响植物Pn的主要因素为气孔限制和非气孔限制[28]。气孔限制是由于水淹导致植物叶片气孔关闭[29]，非气孔限制是由于植物叶绿体或核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶活性(RuBP)下降，或电子传递、光合磷酸化等过程受阻，从而导致Pn下降[30]。在本研究中，水淹条件下3种土壤上桑树和水桦的Gs、Tr较对照均有不同程度下降，说明水淹抑制了桑树和水桦的叶片气孔张开程度，从而限制了对CO2的吸收，最后导致了Pn、Tr的降低。水淹90 d后桑树和水桦的Gs、Tr均能保持在较高水平，这说明桑树和水桦具有一定的耐水淹能力。

胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)是判断植物光合速率下降是由气孔限制还是非气孔限制所引起的重要因素[31]，若植物Pn和Ci均下降，Ls增加，则气孔关闭是影响植物Pn下降的主要原因；若Pn和Ls下降，Ci增加，则非气孔限制是导致植物Pn下降的主要原因。在本研究中，3种土壤上桑树和水桦Ci较对照均有不同程度下降，Ls则均高于对照，由此说明水淹导致桑树和水桦Pn下降的主要原因是气孔限制。水淹处理结束后，水桦光合参数与桑树之间并无显著性差异，说明从光合特性上看，水桦与桑树一样具有一定的耐水淹能力。

叶绿素荧光被称为植物光合功能快速、无损检测的探针，通过对叶绿素荧光参数的检测，可以揭示植物在环境胁迫时的内在光能利用机制[32]。本研究中，水淹90 d后，3种土壤上水淹组桑树和水桦的Fv/Fm与对照相比虽有一定程度下降，但仍处于相对较高的水平，表明水淹胁迫会影响桑树和水桦叶片PSⅡ的活性，但对PSⅡ的有功能反应中心影响较小，这与贾中民等[33]对长期水淹条件下枫杨幼苗叶绿素荧光特性的研究结果一致。水淹条件下2个树种的ETR和ΦPSⅡ均有不同程度下降，可能是由于水淹抑制了桑树和水桦PSⅡ反应中心的开放程度，并降低了PSⅡ向PSⅠ的电子传递速率和PSⅡ原初光能的转换效率，从而影响了光合作用。

qP是对PSⅡ原初电子受体QA氧化态的一种量度，反映了PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额；qN表示PSⅡ天线色素吸收但不能用于电子传递而热耗散掉的光能部分，可反映PSⅡ反应中心非辐射能量耗散能力的大小[34]。与对照相比，3种土壤上处于水淹胁迫下的桑树和水桦qP均降低，但其qN均升高，说明水淹胁迫下桑树和水桦自身改变了PSⅡ的激发能分配方式，降低了对光能的吸收，并通过提高热耗散消耗过多激发能来适应水淹胁迫，以保护PSⅡ和维持较高的光合速率，这可能是桑树和水桦具有较强的耐水淹能力的原因之一。

此外，水淹处理后，3种土壤上桑树和水桦各叶绿素荧光参数变化趋势一致，且两者之间并不存在显著性差异(P>0.05)，这说明从叶绿素荧光参数上看，水桦与桑树一样也具有较强的耐水淹能力。

4 结 论

本研究结合三峡库区消落带水位变化规律和主要土壤类型，模拟研究水淹对3种土壤上桑树和水桦生长与光合的影响，具体得到以下结论：

水淹胁迫下，桑树和水桦均产生一定数量的不定根，从水面表层吸收氧气，从而缓解了根系的缺氧状态，有利于保持根系的活力和功能。同时，桑树和水桦地上部生物量的降低有利于植物的蒸腾和呼吸作用，且水淹胁迫下根部生物量的降低，可减少根系与水的接触面积，在一定程度上减轻水淹导致的缺氧对植株的伤害，因此，桑树与水桦对水淹的适应机制是一种避氧性抗性机制。此外，水淹虽然降低了桑树和水桦叶片的叶绿素含量，但水桦与桑树可调节自身叶绿素a与b的分配比例，使其更加合理高效，以维持较高的光合能力。

桑树和水桦在水淹胁迫下的生长与光合参数等指标虽有一定程度的下降，但仍能保持在较高水平，3种土壤上桑树的净光合速率下降到对照组的59.87%～79.83%，水桦的净光合速率下降到对照组的67.24%～69.98%，仍不低于一些自然生长的未受水淹的植物物种，因此可保持较高的光合能力；在水淹时间长达90 d的情况下，桑树和水桦在3种土壤上的存活率达到80%以上，说明桑树和水桦对水淹生境均具有很强的适应性。