張德順，陳陸琪瑤，羅靜茹，劉 鳴，姚馳遠

（1.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092；2.四川省國土空間規(guī)劃院，四川成都 610036；3.德累斯頓工業(yè)大學，塔蘭特01735）

氣候變暖背景下，我國極端天氣事件的發(fā)生變得更加頻繁［1］。20 世紀90 年代后，夏季降水出現(xiàn)大幅增加趨勢，強降水頻率上升導(dǎo)致長江中下游流域和東南沿海地區(qū)的洪澇和城市內(nèi)澇事件也隨之加重［2-4］。

上海作為東部沿海城市，地處長江入?？冢貏莸屯?，夏季臺風暴雨一直是城市面臨的主要氣象災(zāi)害之一［5-7］，海平面的上升和地質(zhì)沉降等不利因素的影響使城市內(nèi)澇災(zāi)害愈演愈烈［8］。城市內(nèi)澇發(fā)生頻率的增大和水澇時間的延長不僅給社會經(jīng)濟帶來嚴重損失，還對城市園林樹木的健康生長造成潛在威脅。因此，對上海園林樹木進行抗?jié)承匝芯渴直匾⒕哂袑嶋H意義。合理選擇樹種不僅可以降低園林樹木的死亡率，穩(wěn)定城市景觀風貌，還能緩解由內(nèi)澇災(zāi)害引起的城市生態(tài)安全問題，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［9］。

為了解常見園林樹種的抗?jié)衬芰Γ瑖鴥?nèi)外已有學者通過人工模擬淹水環(huán)境，分析了脅迫過程中植株生物量、光合作用、氣體交換、酶活性、激素含量等形態(tài)生理生態(tài)指標的變化，得出樹種耐淹性能、淹水脅迫的影響以及抵御淹水脅迫的有效途徑，相關(guān)研究涉及包括香樟（Cinnamomum camphora）、落羽杉（Taxodium distichum）、烏桕（Triadica sebifera）、欒樹（Koelreuteria paniculata）和喜樹（Camptotheca acuminata）等在內(nèi)的數(shù)十種園林綠化樹種［10-21］。然而，關(guān)于園林樹種抗?jié)承缘难芯看蠖嚓P(guān)注少數(shù)物種的部分生理過程，不能全面提供與樹木生長息息相關(guān)的各項因子的實證性數(shù)據(jù)分析，更缺少關(guān)于園林樹種適應(yīng)性選擇的機制探討，無法對城市綠地規(guī)劃做出正確的樹種選擇。

以上海市25種常見園林樹種為研究對象，以適應(yīng)未來氣候變化的抗?jié)承院Y選為目標，通過淹水脅迫實驗對各樹種做出客觀可信的抗?jié)承栽u價，為抗?jié)承詧@林樹種的篩選及綠地生態(tài)系統(tǒng)韌性提升提供參考依據(jù)。

1 實驗地點

實驗地點位于上海市奉賢區(qū)的上海市園林科學規(guī)劃研究院鄔橋?qū)嶒灮貎?nèi)?；氐貏萜教?，平均海拔4.0～4.5 m。年均氣溫17.6 ℃，最熱月平均氣溫28.1 ℃，最冷月平均氣溫-2.1 ℃。年均降雨日117 d，年均降雨量1 106.5 mm。

2 實驗對象

選擇25種上海市常用園林樹種作為研究對象，其中常綠樹種6種，落葉樹種19種，如表1所示。

3 實驗方法

2015 年3 月起在同一環(huán)境條件下培育盆栽1 年生實生苗，至9月進行淹水模擬實驗，分為淹水組和對照組進行。淹水組隨機選取每種3株帶盆一起放入大塑料桶中，然后進行淹水脅迫，淹水高度至離土面15 cm 處止。分別于7、14、21、28、35 d 測定實驗苗的受害程度以及葉綠素、電導(dǎo)率、比葉質(zhì)量、凈光合速率、丙二醛含量、脯氨酸含量等7 項指標，每次測定均使用當日采集的鮮葉或直接進行活體測定，重復(fù)3 次。對照組則正常培育，數(shù)據(jù)測定方法同淹水組。

在淹水脅迫下，植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、高生長和生物量積累變化明顯，光合作用、酶促防御系統(tǒng)、呼吸代謝等生理反應(yīng)也有相應(yīng)的變化［10］。采用變異系數(shù)衡量受淹水脅迫后各變量的波動變化，變異系數(shù)越高，表明植物對淹水逆境的不適反應(yīng)越敏感、越劇烈，反之，則表明植物能快速適應(yīng)。變異系數(shù)計算式如下所示：

式中：αcv為變異系數(shù)；σsd為標準差；為均值。

3.1 受害程度

葉片受害程度根據(jù)7級評價標準對不同時間節(jié)點的苗木做出評價（見表2）。植物對澇害脅迫的響應(yīng)是動態(tài)變化的，Ⅳ和Ⅴ是處在臨界狀態(tài)中的2 個等級，后者受淹程度更嚴重。

受澇害指數(shù)Z計算式如下所示：

式中：Z為受澇害指數(shù)（WI）；Ri為受淹級數(shù)；Ai為各等級受淹株數(shù)；A為調(diào)查總株數(shù)。

3.2 葉綠素（chlorophyll，CHL）測定

使用SPAD-502PLUS 葉綠素熒光測定儀進行現(xiàn)場測定，每次均選擇第5、6個葉位的葉片，避開葉脈，多次測定后取平均值。

3.3 電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）測定

采集相同葉位的新鮮葉片用純水洗凈后吸干水分，再用直徑0.6 cm的打孔器打出無葉脈的葉圓片10 片，放入容量10 mL 的潔凈試管中，加入6 mL 純水，浸沒樣本25 min，充分搖勻后使用DDS-IIA 直讀電導(dǎo)儀測定溶液電導(dǎo)率S1。封口后進行沸水浴15 min，冷卻靜置至室溫，充分搖勻后測煮沸電導(dǎo)率S2。計算相對電導(dǎo)率，即S2/S1的值。

表1 抗?jié)承詼y定樹種名錄Tab.1 List of tree species tested for waterlogging resistance

表2 受淹級數(shù)的評價標準說明Tab.2 Description of evaluation criteria for flooded series

3.4 比葉質(zhì)量（specific leaf mass，SLM）測定

采集同一葉位的新鮮葉片2～3 片，通過描形計算葉面積a（cm2），再使用電子天平測定葉片質(zhì)量w（g），則比葉質(zhì)量為w/a的值（g·cm-2）即為單位面積的葉片質(zhì)量。

3.5 凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）測定

使用Licor-6400型光合作用儀進行凈光合速率的測定。于晴朗無風日在09∶00～12∶00 進行測定，氣溫為27～35 ℃，CO2體積分數(shù)設(shè)定為400 μL·L-1，光通量密度設(shè)定為800 μmol·m-2·s-1，選取第5、6個葉序的功能葉，測定凈光合速率。

3.6 丙二醛（malondialdehyde，MDA）測定

用純水洗凈葉片并吸干水分，稱取剪碎的試材1 g，加入2 mL 質(zhì)量分數(shù)為10%的三氯乙酸溶液（TCA）和少量石英砂，研磨至勻漿，再加8 mL TCA進一步研磨，勻漿在轉(zhuǎn)速4 000 r·min-1、溫度4 ℃的離心機中離心10 min，上清液為樣品提取液。在2 mL 上清液（對照組中加2 mL 蒸餾水）中加入2 mL質(zhì)量分數(shù)為0.6%的硫代巴比妥酸溶液（TBA），混勻物于沸水浴上反應(yīng)15 min，冷卻后再次離心。取上清液測定532、600、450 nm 波長下的消光度D，丙二醛的含量MMDA（mmol·g-1）可由下式得出：

式中：VT為提取液總體積，mL；VS為測定用提取液體積，mL；w為樣品鮮重，g。

3.7 脯氨酸（proline，Pro）測定

首先制作脯氨酸標準曲線，然后測定樣品。采集同一葉位的葉片用純水洗凈并吸干水分，稱取0.5 g葉片并剪碎，置于容量為10 mL的試管中，將5 mL質(zhì)量分數(shù)為3%的磺基水楊酸溶液加入試管中，沸水浴10 min，冷卻后過濾于干凈的試管中，得到提取液。吸取2 mL 提取液于帶塞試管中，加入2 mL冰醋酸和2 mL 質(zhì)量分數(shù)為2.5%的酸性茚三酮試劑，進行30 min 沸水浴后得到紅色溶液。冷卻后加入4 mL 甲苯并充分振蕩，靜置片刻，取上清液至容量為10 mL的離心管中，在4 ℃轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1的離心機中離心5 min。吸取離心后的上清液置于比色杯中，以甲苯溶液為空白對照，測定520 mm 波長處的吸光度值，再在標準曲線中查得脯氨酸含量。葉片中脯氨酸含量MPRO（μg·g-1）計算式如下所示：

式中：P為脯氨酸質(zhì)量，μg。

4 結(jié)果與分析

4.1 各變量的種間差異性分析

4.1.1 形態(tài)差異性分析

淹水脅迫下，植物形態(tài)會發(fā)生適應(yīng)性變化，樹木受到淹水脅迫后引起的形態(tài)變化主要表現(xiàn)為：頂芽壞死或新葉形成受阻；葉片變黃，出現(xiàn)漬斑，葉緣枯焦直至葉片失水；葉片由莖基部開始逐漸變黃、壞死并脫落；植株生長緩慢甚至停滯；莖基部皮孔增大，生成有利于吸收氧氣的不定根［11］。

按形態(tài)變化的變異系數(shù)可以較清晰地反映各樹種對淹水脅迫的響應(yīng)程度（見圖1）。在整個淹水過程中，落羽杉、香泡和垂柳3種樹種在形態(tài)上幾乎未發(fā)生變化，表現(xiàn)出較強的抗?jié)承浴Ｂ溆鹕疾粩嗝劝l(fā)新葉，葉片數(shù)量變多，垂柳在淹水21 d后開始出現(xiàn)大量不定根。

香樟、木瓜、紫薇、白蠟、絢麗海棠、光皮徠木、英國懸鈴木和桂花在淹水14 d后，不再形成新葉，部分頂芽壞死，淹水30 d后葉片變色，其中白蠟在淹水7 d后莖基部就開始出現(xiàn)皮孔，光皮徠木和香樟前期生長良好，后期部分葉片出現(xiàn)紅色斑點。南方紅豆杉、榆樹、廣玉蘭和香椿在淹水21 d天后出現(xiàn)大規(guī)模葉片變色萎蔫并脫落的現(xiàn)象，深淹水平下的植株變化更為明顯。銀杏、烏桕、樸樹、金絲楸、女貞和碧桃在淹水7 d后開始出現(xiàn)適應(yīng)性變化，后期出現(xiàn)整個植株葉片全部變黃、枯焦或脫落的情況，28 d后出現(xiàn)部分植株死亡現(xiàn)象，35 d后受澇植株大量死亡。復(fù)羽葉欒樹、無患子、金枝槐和‘金色普林斯頓’挪威槭等在淹水7 d時葉片就出現(xiàn)受澇害癥狀，葉片變色，出現(xiàn)漬斑，淹水21 d后葉片開始大量脫落并出現(xiàn)部分植株死亡。

圖1 淹水脅迫下樹種間形態(tài)變化的變異系數(shù)Fig.1 Variation coefficient of morphology among trees under flooding stress

4.1.2 葉綠素差異性分析

植物在淹水脅迫下，由于根系缺氧限制了有氧呼吸和葉片光合作用，與光合作用相關(guān)的酶活性受到影響，加之根系活力降低阻礙礦物質(zhì)吸收，造成葉片營養(yǎng)不良，導(dǎo)致葉綠素合成能力下降，葉片變色，葉綠素含量減少，因此葉綠素含量可以在一定程度上反映植物的抗?jié)衬芰Α?/p>

由圖2 可知，木瓜、絢麗海棠、香泡和白蠟在整個淹水過程中葉綠素含量無明顯變化；桂花、香樟、南方紅豆杉、金枝槐、垂柳、落羽杉、碧桃、紫薇、英國懸鈴木、光皮梾木和女貞的葉片葉綠素含量呈緩慢下降趨勢，其中碧桃在14 d 后就開始出現(xiàn)葉片變黃掉落癥狀；金絲楸、‘金色普林斯頓’挪威槭、烏桕、榆樹和廣玉蘭在淹水前2 周葉綠素含量呈下降趨勢，而后葉綠素含量或上升或持平，最終達到穩(wěn)定，28 d后葉子開始脫水枯焦；樸樹、復(fù)羽葉欒樹、銀杏、無患子和香椿的葉片葉綠素含量急劇下降，葉片逐漸變黃、枯焦直至脫落。

4.1.3 電導(dǎo)率差異性分析

植物在淹水脅迫下導(dǎo)致植物細胞膜脂過氧化，改變細胞質(zhì)膜透性，通常表現(xiàn)為選擇透性喪失，電解質(zhì)和某些小分子有機物的大量滲漏。受澇傷害越大，植物細胞質(zhì)膜透性越大，細胞外滲物越多，電導(dǎo)率越高，因此可以通過電導(dǎo)率來評價植物細胞膜的傷害程度。

圖2 淹水脅迫下樹種間葉綠素變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficient of chlorophyll among trees under flooding stress

白蠟、光皮梾木、樸樹和英國懸鈴木的電導(dǎo)率隨淹水時間呈現(xiàn)較少的波動，具有較高的適應(yīng)性。金絲楸、榆樹、木瓜、南方紅豆杉和落羽杉等10種樹種的電導(dǎo)率在整個淹水過程中有一定波動，表現(xiàn)出較強的抗?jié)承?。垂柳、絢麗海棠、復(fù)羽葉欒樹、碧桃和‘金色普林斯頓’挪威槭等10種樹種波動較大；銀杏的波動最大，表現(xiàn)出低抗?jié)承浴Ｑ退{迫下的樹種間電導(dǎo)率變異系數(shù)如圖3所示。

圖3 淹水脅迫下樹種間電導(dǎo)率變異系數(shù)Fig.3 Variationcoefficientofelectrical conductivity among trees under flooding stress

4.1.4 比葉質(zhì)量差異性分析

植物受到淹水脅迫后，由于光合作用受阻，生長速率減慢，生物量累積減少，同時由于根系缺氧影響水分吸收導(dǎo)致葉片含水量減少，因此一些樹種的葉片單位面積質(zhì)量減少，葉片變薄變輕。

大部分樹種的比葉質(zhì)量均較高，表明淹水脅迫下，植物均處于消耗狀態(tài)。落羽杉、垂柳和白蠟表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性。香椿、銀杏、無患子、南方紅豆杉、榆樹等受澇害較為嚴重。淹水脅迫下的樹種間比葉質(zhì)量變異系數(shù)如圖4所示。

圖4 淹水脅迫下樹種間比葉質(zhì)量變異系數(shù)Fig.4 Variation coefficient of specific leaf mass among trees under flooding stress

4.1.5 凈光合速率差異性分析

植物受到淹水脅迫后，高生長受到明顯的抑制，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度顯著下降，胞間CO2體積分數(shù)則隨著脅迫時間的持續(xù)逐漸升高［12］。嚴重淹水使植物因無法有效光合而處于長期饑餓狀態(tài)，最終造成植株死亡。

淹水35 d 時，受影響較小的有英國懸鈴木、香泡、榆樹、樸樹、光皮徠木、絢麗海棠和木瓜，其次是香椿、紫薇、香樟、無患子和‘金色普林斯頓’挪威槭等14種樹種，受影響較大的有銀杏、金絲楸、碧桃和復(fù)羽葉欒樹。淹水脅迫下的樹種間凈光合速率變異系數(shù)如圖5所示。

4.1.6 丙二醛含量差異性分析

植物在逆境下遭受傷害時，通常會發(fā)生過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，丙二醛含量可以從抗氧化的角度反映植物遭受逆境傷害的程度。

如圖6 所示，丙二醛含量與對照組相比無明顯差異的有紫薇、光皮徠木、絢麗海棠、無患子和垂柳等，表明這些樹具有一定的抗?jié)承裕槐┖棵黠@高于對照組的有榆樹、‘金色普林斯頓’挪威槭、金枝槐和桂花等。

4.1.7 脯氨酸含量差異性分析

圖5 淹水脅迫下樹種間凈光合速率變異系數(shù)Fig.5 Variation coefficient of net photosynthetic rate among trees under flooding stress

圖6 淹水脅迫下樹種間丙二醛含量變異系數(shù)Fig.6 Variation coefficient of malondialdehyde content among trees under flooding stress

在淹水脅迫下，植物的根系活力下降導(dǎo)致植株缺水。脯氨酸是植物體內(nèi)的一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境條件下植物體內(nèi)的脯氨酸含量會增加。因此，植物體內(nèi)的脯氨酸含量在一定程度上可以反映植株體內(nèi)的水分情況，是植物缺水情況的生理指標之一。

圖7為淹水脅迫下的樹種間脯氨酸含量變異系數(shù)。由圖7可知，脯氨酸含量最高是銀杏，其次是絢麗海棠、女貞和廣玉蘭，含量變化相對較小的是復(fù)羽葉欒樹、榆樹和香樟。

4.2 各變量之間相關(guān)性分析

變量之間相關(guān)性如表3所示。由表3可知，受澇害指數(shù)與葉綠素、比葉質(zhì)量、凈光合速率之間成顯著負相關(guān)關(guān)系，與脯氨酸含量成顯著正相關(guān)；凈光合速率與葉綠素、比葉質(zhì)量顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量顯著負相關(guān)；丙二醛含量與其他變量均不相關(guān)。因此，通過葉綠素、比葉質(zhì)量、凈光合速率和脯氨酸含量4個變量可以有效推斷植物受澇害情況。

圖7 淹水脅迫下樹種間脯氨酸含量變異系數(shù)Fig.7 Variation coefficient of proline content among trees under flooding stress

4.3 主成分分析

對各變量進行主成分分析（αKMO=0.735，p＜0.01），最終選擇3個特征值λ＞1的公因子作為主成分，累積貢獻率達到81.19%，基本概括了6 個抗?jié)承誀畹闹饕嚓P(guān)信息。主成分總方差解釋如表4所示。

旋轉(zhuǎn)后的主成分矩陣如表5所示。由表5可知：第一主成分關(guān)聯(lián)度較高的因子有受澇害指數(shù)、葉綠素、比葉質(zhì)量與凈光合速率，都直接與光合代謝作用有關(guān)，因此將公因子命名為樹木光合因子；第二主成分中的電導(dǎo)率和脯氨酸含量與植物細胞質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)相關(guān)，可命名為樹木滲透調(diào)節(jié)因子；第三個公因子與丙二醛含量關(guān)聯(lián)度很高，丙二醛含量代表著植物細胞膜質(zhì)的過氧化程度，可將第三個公因子命名為樹木抗氧化因子。

表3 各變量相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of variables

表4 主成分總方差解釋Tab.4 Total variance of principal components

表5 主成分分析旋轉(zhuǎn)后的負荷矩陣Tab.5 Load matrix of principal component analysis after rotation

根據(jù)樹種因子綜合得分（見表6）可將25種樹種抗?jié)承詣澐譃? 級：強抗?jié)承停á窦墸? 種，較抗?jié)承停á蚣墸? 種，一般抗?jié)承停á蠹墸? 種，不抗?jié)承停á艏墸?種。該結(jié)論與部分樹種的抗?jié)承匝芯课墨I結(jié)論基本一致。例如，香樟具有較強的抗?jié)承裕?3］，落羽杉在抗?jié)承苑矫娓哂跒蹊辏?4］，但烏桕則要強于復(fù)羽葉欒樹［15］，絢麗海棠具有一定的耐淹水能力［16］等。這說明本實驗得出的樹種抗?jié)承耘判蛳鄬煽俊?/p>

表6 各樹種抗?jié)承跃C合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of waterlogging resistance of various trees

5 結(jié)論

對各變量與因子綜合得分進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，比葉質(zhì)量和受澇害指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，凈光合速率、葉綠素與脯氨酸含量次之，電導(dǎo)率和丙二醛含量不相關(guān)。因此，在對樹木抗?jié)承赃M行預(yù)判時，可以優(yōu)先考慮與光合作用直接相關(guān)的葉綠素、比葉質(zhì)量與凈光合速率。

根據(jù)受澇害指數(shù)、葉綠素、電導(dǎo)率、比葉質(zhì)量、凈光合速率、丙二醛含量、脯氨酸含量等與植物澇害相關(guān)的指標，對25種上海常用園林樹種進行抗?jié)承耘判?，依?jù)抗?jié)承源笮》譃閺娍節(jié)承?、較抗?jié)承汀⒁话憧節(jié)承秃筒豢節(jié)承? 個等級，其中落羽杉和垂柳抗?jié)承宰顝姟?/p>

作者貢獻聲明:

張德順：研究計劃制定，論文撰寫。

陳陸琪瑤：論文完善，插圖繪制。

羅靜茹：研究實施，初稿編寫。

劉 鳴：研究輔助實施。

姚馳遠：論文優(yōu)化、修改和提升。