杭紅濤， 王 瑞， 邢德科， 吳沿友， 張開艷， 饒 森， 趙麗華

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州貴陽 550001； 2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴州貴陽 550002；3.貴陽學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院，貴州貴陽 550003； 4.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013

我國喀斯特地貌分布范圍廣，以貴州省為中心的西南喀斯特地區(qū)的面積約占我國喀斯特地區(qū)總面積的27%[1]。由于各種地質(zhì)作用的制約和人類不合理活動的干擾，喀斯特地區(qū)的土壤往往表現(xiàn)出巖溶干旱、高鈣、低磷、高重碳酸鹽、貧瘠等特點[2]，嚴重影響植物的生長發(fā)育。為了改善喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟問題，采用生態(tài)修復(fù)法治理喀斯特脆弱的生態(tài)環(huán)境已成為研究的熱點[3-4]。其中，適生植物的種類選擇或適時適地種植在喀斯特地區(qū)生態(tài)修復(fù)中占據(jù)重要的地位。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，化石燃料被大肆使用，導(dǎo)致非可再生的化石能源大量消耗，尋求可再生的生物質(zhì)能源已成為全球廣泛研究的重點[5-8]。種植生長快、周期短、抗逆性強、成本低、生態(tài)適應(yīng)性高的一年生適生草本能源植物，對喀斯特地區(qū)的環(huán)境治理及生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱，生長在該地區(qū)的植被，其生長及發(fā)育受到限制，光合作用、蒸騰作用及水分利用效率等生理參數(shù)是衡量植被在喀斯特脆弱生境下生存和生長的重要指標(biāo)[9-11]。在干旱缺水、滲透脅迫等逆境條件下，植物細胞會發(fā)生膜脂過氧化，進而導(dǎo)致丙二醛含量增加[12]，光合作用能力下降。為了適應(yīng)不同的逆境，植物進化出不同的防御措施或機制，如通過增加體內(nèi)游離脯氨酸含量、提高抗氧化酶活性以及根部分泌有機酸等途徑來提高植物對逆境的抵抗力[13-15]，其中調(diào)節(jié)CO2水合反應(yīng)及離子交換的碳酸酐酶(carbonic anhydrase，簡稱CA)對喀斯特地區(qū)的植物生存具有重要的調(diào)控作用[16-18]。碳酸酐酶是一種含鋅金屬酶，能夠快速催化HCO3-與二氧化碳、水之間的可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)，進而為光合作用提供部分二氧化碳和水作為底物。如在巖溶干旱等逆境條件下，植物體內(nèi)的碳酸酐酶被激活表達，促使土壤中的HCO3-快速轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳，以應(yīng)對因干旱缺水引起植物葉片氣孔部分關(guān)閉而造成的水分和二氧化碳供應(yīng)不足[19-21]；在其他逆境條件下，碳酸酐酶也起到類似的調(diào)控作用[18，22-23]。因此，碳酸酐酶活性可作為一個判定植物適應(yīng)喀斯特生境能力的主要生化指標(biāo)。對喀斯特生境適應(yīng)能力高的植物可有效發(fā)揮其生態(tài)修復(fù)作用，兼顧選擇具有經(jīng)濟價值的植物種類，對治理當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)環(huán)境和提高地區(qū)經(jīng)濟具有重要作用。

近年來，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在植物生理生態(tài)學(xué)方面的研究取得了較好的發(fā)展[24-25]。通過對喀斯特地區(qū)不同石漠化條件下植物的碳同位素比值(δ13C)與環(huán)境因子進行相關(guān)分析得出，δ13C是研究植物對水分和無機碳利用效率的一個間接指標(biāo)[26-27]，有助于在干旱缺水、高重碳酸鹽、高鈣等脆弱環(huán)境下篩選出高水分利用效率和高無機碳利用能力的喀斯特適生植物。

諸葛菜(OrychophragmusviolaceusL.)是十字花科諸葛菜屬植物，適生能力較強[28]，分布范圍廣，其菜薹可以食用，種子產(chǎn)油量高達50%，是一種優(yōu)良的覆被觀賞型草本能源植物，受到眾多學(xué)者的廣泛研究[8，29]。芥菜型油菜(BrassicajunceaL.)是十字花科蕓薹屬植物，其種子平均含油量為36.62%，20世紀50年代以前，其種植面積超過三大類型油菜總面積的1/3，20世紀50年代以后，由于其產(chǎn)量較低而逐漸被甘藍型油菜取代，但對于我國西部高原和北方等干旱缺水嚴重的地區(qū)，仍是一種優(yōu)勢油料作物[14，30]。續(xù)隨子(EuphorbialathyrisL.)是大戟科大戟屬植物，抗逆性強，其種子含油量一般達45%左右，且油質(zhì)好，是目前生產(chǎn)生物柴油的原料之一[7，31]。因此，針對喀斯特地區(qū)脆弱生境和邊際土壤的廣泛分布，本試驗選擇諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子等3種草本能源植物作為研究對象，通過測定丙二醛和脯氨酸含量、碳酸酐酶活性、光合作用強度、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、穩(wěn)定碳同位素組成，并結(jié)合生物質(zhì)產(chǎn)量及產(chǎn)油特性等指標(biāo)，分析這3種草本能源植物生長在喀斯特邊際土地上時的光合產(chǎn)能和適應(yīng)性，以期為改善喀斯特脆弱環(huán)境、篩選合理的經(jīng)濟植物和適地種植提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗地點位于中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(26°22′ N，105°45′ E)，地處黔中喀斯特地質(zhì)地貌發(fā)育成熟、集中、典型的地帶，海拔約1 179 m，年均氣溫15.1 ℃，年均降水量1 396.9 mm。雨熱同季，濕度較大，屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。貴州省安順市普定縣的碳酸鹽巖裸露面積為863.7 km2，占全縣總面積的64.2%，石漠化較為嚴重[32]。其中，試驗區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裸露面積約占全省土地總面積的20%，植被類型主要為草本植物。

1.2 試驗材料

本試驗供試草本能源植物為諸葛菜、芥菜型油菜和續(xù)隨子，均為1年生植物，其中諸葛菜種子取自中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，芥菜型油菜種子來源于貴州省油菜研究所，續(xù)隨子種子由貴州省亞熱帶作物研究所提供。于2014年9月1日在中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站播種上述3種植物。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 土壤主要化學(xué)性質(zhì)和主要氣象數(shù)據(jù) 去除表層腐殖質(zhì)，采集植物根系周邊0～30 cm層的土壤樣品，風(fēng)干后研磨過200目篩，按四分法隨機選取樣品并依據(jù)文獻[33]測定樣品的全氮含量、全磷含量、全鉀含量、有機質(zhì)含量、銨態(tài)氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、交換性鈣含量、pH值以及HCO3-濃度，試驗重復(fù)3次。在整個試驗期內(nèi)，監(jiān)測試驗區(qū)的溫度和降水量2個主要氣象數(shù)據(jù)。

1.3.2 主要生化指標(biāo)測定 分別于播種68、115、170 d后測定3種植物葉片的丙二醛、脯氨酸含量[34]及碳酸酐酶活性[35]。

1.3.3 外源HCO3-利用能力及植株鈣、磷含量測定 分別于播種68、115、170 d后測定3種植物葉片的穩(wěn)定碳同位素組成。采用雙端元模型計算植物利用土壤HCO3-的能力，即利用雙端元模型δT=δA-fBδA+fBδB來計算fB[19]，其中δT為被考察植物葉片的δ13C，δA為基本上不利用HCO3-作無機碳源、碳酸酐酶活性極低的植物葉片的δ13C，δB為極少利用二氧化碳作碳源、以HCO3-為主要無機碳源微藻的δ13C，fB為植物利用外源HCO3-占無機碳源的比例份額。生長至200 d后，分別收獲3種植物各10株，用于測定植物的鈣、磷含量。

1.3.4 光合日變化及葉綠素?zé)晒鉁y定 分別于播種68、115、170 d后，用便攜式光合測量系統(tǒng)Li-6400(LI-COR，Lincoln，NE，USA)于08：00—17：00測定3種植物第4張完全展開葉的光和作用日變化。測定時控制氣體流速為 500 mmol/s，其余參數(shù)均為自然環(huán)境值。每隔1 h測定1次，每種植物測3株，每張葉片測3次，取其平均值。測定參數(shù)包括凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，并計算水分利用效率。根據(jù)文獻[10]測定初始熒光、最大熒光等熒光參數(shù)，并計算光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率及PSⅡ潛在活性。

1.3.5 生物質(zhì)產(chǎn)出及種子產(chǎn)油特性測定 3種植物生長至200 d后，每種植物采集100株，將所有植株分2部分(根莖葉、種子)，分別于80 ℃條件下真空干燥48 h，稱質(zhì)量得其生物量；3種植物種子含油率的測定參照GB/T 14488.1—2008《植物油料含油量測定》；油脂酸值依據(jù)ISO 660—1996測定；每種植物隨機取10株粉碎、混合，用氧彈式量熱計測定燃燒熱值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行方差分析；分別采用Origin 8.5、Excel 2007軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)土壤的主要化學(xué)性質(zhì)與氣象數(shù)據(jù)

由表1可以看出，試驗區(qū)土壤偏堿性，pH值為7.79，且HCO3-濃度較高，為129.93 mg/kg。參照全國第2次土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)對試驗區(qū)的土壤全量和速效養(yǎng)分等指標(biāo)進行分析比較，除土壤全磷含量處于極缺乏水平(<0.50 g/kg)和有效磷含量處于很缺乏水平(3.00～5.00 mg/kg)外，其余土壤全量和有效養(yǎng)分含量均處于豐富水平。試驗區(qū)土壤的交換性鈣含量為623.21 mg/kg，明顯高于我國非石灰?guī)r地區(qū)土壤交換性鈣含量[36]。

表1 土壤主要化學(xué)性質(zhì)

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站提供的氣象數(shù)據(jù)(圖1)可知，試驗期內(nèi)的平均氣溫為16.14 ℃，最低、最高氣溫分別為2.3、32.5 ℃；生長期內(nèi)總降水量為 196.5 mm。2月份降水11 d，總降水量為12.4 mm，出現(xiàn)連續(xù)12 d未降水的天氣；3月份降水16 d，降水量為73.5 mm，出現(xiàn)連續(xù)11 d未降水的天氣；4月份有19 d內(nèi)僅降水3 d，降水量為4.8 mm，出現(xiàn)2次連續(xù)7 d未降水的天氣。

綜上，該試驗區(qū)的土壤呈現(xiàn)高鈣、缺磷、高重碳酸鹽(HCO3-)、堿性的特點；整個試驗期內(nèi)降水量較少，呈現(xiàn)春旱現(xiàn)象。

2.2 3種植物葉片中丙二醛和脯氨酸含量

由圖2可知，不同植物在同一時間葉片中丙二醛含量從高到低依次為諸葛菜、續(xù)隨子、芥菜型油菜，且3種植物間差異顯著；3種植物葉片的丙二醛含量均隨生長時間的延長呈減少趨勢(圖2-a)。播種115 d后，諸葛菜、續(xù)隨子、芥菜型油菜葉片中丙二醛含量分別為68 d后的71.4%、66.6%、67.8%；至播種170 d后，3種植物葉片中丙二醛含量分別為68 d后的48.5%、48.1%、53.4%。

在整個試驗期內(nèi)，3種植物葉片的脯氨酸含量隨生長時間的延長呈先增加后減少的趨勢(圖2-b)。不同植物葉片中脯氨酸含量在播種68 d后，芥菜型油菜最高，諸葛菜次之，續(xù)隨子最低；在播種115、170 d后，葉片中脯氨酸含量從低到高依次為諸葛菜、續(xù)隨子、芥菜型油菜，且3種植物間差異顯著。3種植物在播種115 d后，芥菜型油菜、續(xù)隨子、諸葛菜葉片中脯氨酸含量分別為68 d后的154.9%、328.7%、212.9%；至播種170 d后，3種植物葉片中脯氨酸含量急劇減少，芥菜型油菜、續(xù)隨子、諸葛菜的葉片脯氨酸含量分別為 68 d 后的36.0%、86.7%、55.8%。

2.3 植株鈣、磷含量

由表2可以看出，3種植物間的鈣含量差異顯著(P<0.05)，其中諸葛菜植株中鈣含量最高，芥菜型油菜最低，續(xù)隨子居中，3種植物的鈣含量在0.83%～1.93%范圍內(nèi)，與已報道的喀斯特地區(qū)的植被鈣含量結(jié)果[36]相似，其中諸葛菜和續(xù)隨子中鈣含量均超過1.00%，說明2種植物均具有高鈣特征，而諸葛菜植株表現(xiàn)得最明顯。3種植物的磷含量相對較低，除芥菜型油菜植株外，諸葛菜和續(xù)隨子均達到了喀斯特地區(qū)植被的磷含量平均值[32]，續(xù)隨子植株中磷含量顯著高于其他2種植物(P<0.05)。

表2 3種植物植株中鈣和磷的含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下表同。

2.4 3種植物光合作用日變化

2.4.1 凈光合速率日變化特征 光合作用是植物正常生長的基礎(chǔ)，光合作用效率可用來描述植物光合作用強度，并可作為反映植物生產(chǎn)力和產(chǎn)出的根本因素[10]。由圖3可知，播種68 d后，3種植物的葉片凈光合速率日變化趨勢相似，且均出現(xiàn)峰值，其中續(xù)隨子在10：00達到峰值，為1.46 μmol/(m2·s)；諸葛菜在11：00達到峰值，為5.72 μmol/(m2·s)；芥菜型油菜在12：00達到峰值，為10.66 μmol/(m2·s)，之后呈迅速下降，且均在17：00達到最低值。播種115 d后與播種170 d后，芥菜型油菜的葉片凈光合速率日變化趨勢大體一致，峰值呈上升趨勢，且整體處于最高水平。播種68、115 d后，續(xù)隨子的葉片凈光合速率整體處于最低水平，而播種170 d后，整體高于諸葛菜，主要原因可能是續(xù)隨子屬喜暖植物，播種65～115 d后因低溫導(dǎo)致葉片的凈光合速率處于較低水平，在播種170 d后干熱環(huán)境下，續(xù)隨子比諸葛菜表現(xiàn)出更強的光合作用。

2.4.2 氣孔導(dǎo)度日變化特征 葉片上的氣孔在控制CO2吸收和水分損失的平衡中起著關(guān)鍵作用[20]。高溫、低溫、高光照度及土壤干旱等環(huán)境能引起植物葉片氣孔部分關(guān)閉或光呼吸加強，進而導(dǎo)致植物的“光合午休”或光能利用效率降低[37]。光合速率的降低不但與氣孔導(dǎo)度有關(guān)，還與葉肉細胞羧化能力等相關(guān)。由圖4可以看出，在播種68 d后，11：00時諸葛菜葉片的氣孔導(dǎo)度處于最高值，為0.11 mmol/(m2·s)；14：00時芥菜型油菜葉片的氣孔導(dǎo)度處于最高值，為 0.31 mmol/(m2·s)；10：00時續(xù)隨子葉片的氣孔導(dǎo)度處于最高值，為0.04 mmol/(m2·s)。之后，為適應(yīng)高光照度和高溫條件，芥菜型油菜的葉片氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)出急劇下降，然后逐漸上升至峰值再下降的趨勢；諸葛菜的氣孔導(dǎo)度驟降至最低值，之后表現(xiàn)為先逐漸上升再下降的變化趨勢。播種115 d后，芥菜型油菜的氣孔導(dǎo)度明顯高于同一時間下的諸葛菜和續(xù)隨子，其中續(xù)隨子的氣孔導(dǎo)度整體較低。播種170 d后，諸葛菜和續(xù)隨子的葉片氣孔導(dǎo)度在08：00時達到最高值，芥菜型油菜在10：00時達到最高值，之后呈下降趨勢，其中續(xù)隨子的葉片氣孔導(dǎo)度整體高于諸葛菜。播種115 d后，續(xù)隨子葉片氣孔導(dǎo)度整體低于諸葛菜，而播種170 d后卻整體高于諸葛菜，這可能與播種115 d后氣溫較低(11.5 ℃)，播種 170 d后氣溫較高(25.6 ℃)有一定的相關(guān)關(guān)系，與凈光合速率隨播種后時間延長的變化趨勢相似。

2.4.3 水分利用效率日變化特征 植物葉片的水分利用效率通常指植物在一段時間內(nèi)對有效水分的利用情況，其值可在一定程度上反映植物對水分的利用能力[38]。由圖5可知，播種68 d后，3種植物的水分利用效率沒有明顯差別，其中諸葛菜從08：00—09：00水分利用效率上升并達到最高值，然后逐漸下降；芥菜型油菜在10：00上升至最高值，然后逐漸下降；而續(xù)隨子的水分利用效率在12：00上升至最高點。播種115 d后，3種植物的水分利用效率均在10：00達到最高值，然后先迅速下降后緩慢下降。播種170 d后，3種植物的水分利用效率日變化與播種115 d后相似。

2.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可與光合特性、水分代謝等特性互補，用于揭示植物對環(huán)境生態(tài)的適應(yīng)機制[9-10]。由圖6可知，3種植物的初始熒光和最大熒光變化趨勢大致相似。在整個試驗周期中，諸葛菜的初始熒光和最大熒光呈下降趨勢，芥菜型油菜和續(xù)隨子的初始熒光和最大熒光整體呈上升趨勢，且同一時間3種植物間的初始熒光和最大熒光差異顯著(P<0.05)。研究表明，非逆境下植物葉片的PSⅡ最大光化學(xué)效率應(yīng)低于0.832±0.004，而逆境下大多植物的PSⅡ最大光化學(xué)效率會顯著降低[9]。諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子在170 d的生長期內(nèi)，其葉片的PSⅡ最大光化學(xué)效率最高值分別為0.780±0.014、0.823±0.006、0.799±0.004，均小于0.832±0.004，說明這3種植物均可對綜合喀斯特逆境(高鈣、低磷、高重碳酸鹽、高pH值、春旱等)產(chǎn)生一定反應(yīng)。播種68 d后，諸葛菜的PSⅡ最大光化學(xué)效率(圖6-c)和潛在活性(圖6-d)最高，芥菜型油菜次之，續(xù)隨子最低；播種115 d后，芥菜型油菜的PSⅡ最大光化學(xué)效率和潛在活性最高，諸葛菜次之，續(xù)隨子最低；播種170 d后，芥菜型油菜的PSⅡ最大光化學(xué)效率和潛在活性依然最高，此時續(xù)隨子次之，諸葛菜最低，與凈光合速率隨時間延長的變化趨勢較為一致。

2.6 碳酸酐酶活性與HCO3-利用能力

喀斯特適生植物可借助體內(nèi)碳酸酐酶的催化作用來交替利用土壤中的HCO3-和空氣中的CO2進行光合作用[19，22]。由圖7-a可知，同一時間不同植物葉片中碳酸酐酶活性從高到低依次為諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子，且3種植物間差異顯著(P<0.05)；播種68 d后，諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子葉片的碳酸酐酶活性分別為2 483、2 264、2 028 WAU/g，隨著時間的推移，3種植物葉片中碳酸酐酶活性呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢。至播種170 d后，諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子葉片中碳酸酐酶活性較播種68 d后分別增加563.5%、261.8%、53.5%。由圖7-b可知，3種植物的HCO3-利用份額隨著生長時間的延長均呈上升趨勢。播種170 d后，續(xù)隨子、諸葛菜、芥菜型油菜葉片的HCO3-利用份額達到最高值，分別為31.80%、29.24%、25.51%。整體來看，在68～170 d之間，3種植物的碳酸酐酶活性逐漸上升，相應(yīng)的HCO3-利用份額也逐漸增加；與氣孔導(dǎo)度隨時間延長的變化趨勢較為一致。

2.7 生物質(zhì)產(chǎn)量及種子產(chǎn)油特性分析

由表3可知，3種草本植物的生物質(zhì)產(chǎn)量(總生物產(chǎn)量)從高到低依次為芥菜型油菜、續(xù)隨子、諸葛菜；根莖葉產(chǎn)量與總生物產(chǎn)量的高低順序一致，但諸葛菜的種子產(chǎn)量最高，續(xù)隨子最低，諸葛菜和芥菜型油菜之間無顯著差異。

100株諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子的種子含油量分別為 2.41、3.15、1.04 g，而單位質(zhì)量的植株產(chǎn)油率分別為5.81%、4.42%、2.04%。酸值是用來表示植物干性油中游離脂肪酸含量的計量單位，是選擇油料用途的重要參考指標(biāo)，其值越低表示油脂轉(zhuǎn)化生物柴油的成本越低。由表3可知，諸葛菜的酸值最低，基本可直接用于生物柴油堿催化工藝。燃燒熱是植物對太陽輻射能量利用效率的重要指標(biāo)，其值可反映在光合作用過程中植物對太陽輻射能的利用能力，即燃燒熱高的植物，其凈光合速率就高，積累有機質(zhì)的能力也高，表現(xiàn)出較高的生物質(zhì)產(chǎn)出。從3種植物的燃燒熱來看，芥菜型油菜的燃燒熱最高，續(xù)隨子最低，諸葛菜和續(xù)隨子的燃燒熱無顯著差異；該結(jié)果與芥菜型油菜在3種植物中具有最高的凈光合速率相似，說明高凈光合速率的植物其燃燒熱也高。

3 討論

篩選喀斯特邊際土地適生的生物質(zhì)能源植物是治理修復(fù)喀斯特脆弱生態(tài)環(huán)境及促進地區(qū)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑，尤其在巖溶干旱、高鈣、缺磷、高重碳酸鹽等脆弱環(huán)境的喀斯特地區(qū)，因獨特的地貌和氣候條件，生長在該地區(qū)的植物，其生存和發(fā)展受到限制，其中干旱、高鈣、貧瘠等是限制植物生長的重要因素。因此，耐巖溶干旱、耐高鈣、耐貧瘠的植物更易在此類地區(qū)生存發(fā)展，而這些適應(yīng)性的特征不但表現(xiàn)在植物的生理生化方面，如脯氨酸含量、丙二醛含量、光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、碳酸酐酶活性等[14-16，18，21，28，35]，也表現(xiàn)在植物的生物質(zhì)產(chǎn)出方面，如生物量、產(chǎn)能等[5，32，36]。

表3 喀斯特逆境對3種植物生物質(zhì)產(chǎn)量及產(chǎn)油特性的影響

3.1 3種草本能源植物在喀斯特生境下的生長適應(yīng)能力比較

通過測定喀斯特生境下3種植物的相關(guān)生理生化指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，植物對喀斯特生境的適應(yīng)機制或策略是不同的，其適生能力不僅與植物體的生物學(xué)特性有關(guān)，也與環(huán)境脅迫的類型和強度有關(guān)。凈光合速率和光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率的高低與植物體生物量產(chǎn)出及抗逆性等密切相關(guān)；植物體內(nèi)的鈣、磷含量可反映植物在環(huán)境脅迫條件下的適應(yīng)能力以及元素的獲取能力。在逆境條件下，植物體會增加丙二醛的積累量，導(dǎo)致細胞膜受到損害[12]，抗逆性強的植物可通過增加體內(nèi)游離脯氨酸含量來緩解環(huán)境脅迫對植物細胞膜系統(tǒng)的危害，因此，體內(nèi)游離脯氨酸的含量高低可反映植物的抗逆性[13]；具有高碳酸酐酶活性的植物在喀斯特生境下，能夠交替利用土壤中的HCO3-和大氣中的CO2進行光合作用。本研究結(jié)果表明，不同植物在相同生長時期(播種68、115、170 d后)，芥菜型油菜積累最多的脯氨酸和最少的丙二醛，諸葛菜除了在播種68 d后脯氨酸的積累量顯著高于續(xù)隨子外，在115、170 d后積累最少的脯氨酸和最多的丙二醛。但綜合3個時間點的脯氨酸含量變化趨勢，并結(jié)合試驗期的氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在播種 68～115 d 后，續(xù)隨子葉片較諸葛菜和芥菜型油菜受低溫影響更嚴重，但在播種115～170 d后，諸葛菜葉片較芥菜型油菜和續(xù)隨子受春旱影響更嚴重。

植物的光合作用能夠反映植物生產(chǎn)力的潛力，從3種植物的光合作用日變化來看，芥菜型油菜相對于其他2種植物具有較高的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度，但其水分利用效率卻整體低于諸葛菜和續(xù)隨子。研究發(fā)現(xiàn)，諸葛菜在播種170 d后的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度整體高于續(xù)隨子，而170 d之前卻整體低于續(xù)隨子，結(jié)合葉綠素?zé)晒鈪?shù)數(shù)據(jù)，諸葛菜葉片凈光合速率的下調(diào)不僅受氣孔導(dǎo)度的影響，也與細胞內(nèi)的PSⅡ光化學(xué)效率下降有關(guān)，結(jié)合此時的諸葛菜葉片脯氨酸含量來看，其體內(nèi)的脯氨酸含量最低，說明此時諸葛菜受到喀斯特逆境脅迫的傷害最大，盡管此時諸葛菜葉片的碳酸酐酶活性驟增，且對土壤中HCO3-的利用能力增加，但因氣孔導(dǎo)度和光化學(xué)效率的降低，導(dǎo)致其凈光合速率較低。從植株的鈣含量來看，諸葛菜和續(xù)隨子比芥菜型油菜具有更強的高鈣適應(yīng)能力；從植株的磷含量來看，在同等低磷環(huán)境下，與芥菜型油菜相比，續(xù)隨子和諸葛菜具有較強的獲取磷的能力；從生物量產(chǎn)出來看，3種草本植物的總生物產(chǎn)量從高到低依次為芥菜型油菜、續(xù)隨子、諸葛菜。

3.2 3種草本能源植物種子的含油率及品質(zhì)比較

通過測定喀斯特生境下3種植物的含油率及品質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)100株諸葛菜、芥菜型油菜、續(xù)隨子的種子產(chǎn)量分別為 16.95、14.64、6.36 g，含油量分別為2.41、3.15、1.04 g，單位質(zhì)量的植株產(chǎn)油率分別為5.81%，、4.42%、2.04%。芥菜型油菜植株的燃燒熱最高，且顯著高于其他2種植物，諸葛菜次之，續(xù)隨子最低，但從酸值來看，諸葛菜最低，續(xù)隨子最高，芥菜型油菜居中。

4 結(jié)論

總體來看，在高鈣、嚴重缺磷、高重碳酸鹽的喀斯特生境條件下，加上春旱的發(fā)生，3種植物葉片細胞膜系統(tǒng)均受到不同程度的損傷，其中諸葛菜受損程度最大，續(xù)隨子次之，芥菜型油菜最小。相對于諸葛菜和芥菜型油菜，續(xù)隨子的PSⅡ受損程度在前期(播種68～115 d后)較為嚴重，但其對HCO3-利用能力最高，因此可改善自身的水分利用效率，緩解自身的氣孔導(dǎo)度，最終在播種170 d后整體表現(xiàn)出比諸葛菜高的氣孔導(dǎo)度和凈光合速率。芥菜型油菜在喀斯特生境下，可通過在體內(nèi)積累較多的脯氨酸來緩解細胞膜的受損程度，以保持較高的氣孔導(dǎo)度，維持較高的凈光合速率和PSⅡ活性，最終表現(xiàn)出最高的生物質(zhì)產(chǎn)出。諸葛菜體內(nèi)積累的丙二醛最多，細胞受損最為嚴重，但碳酸酐酶活性依然最高。雖然諸葛菜的葉片凈光合速率和植株燃燒熱低于芥菜型油菜，但單位質(zhì)量的植株產(chǎn)油率最高，且酸值最低。同一喀斯特生境下，3種草本能源植物的適生能力從高到低依次為芥菜型油菜、續(xù)隨子、諸葛菜；但從3種植物的種子產(chǎn)油率和催化生物柴油的成本及品質(zhì)來看，諸葛菜單位質(zhì)量植株產(chǎn)油率最高，且品質(zhì)最高，續(xù)隨子最低，芥菜型油菜居中。因此，應(yīng)根據(jù)其對喀斯特的適應(yīng)特點和產(chǎn)油品質(zhì)，合理利用植物種類，這對保護喀斯特地區(qū)生態(tài)脆弱環(huán)境和發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。