周瑋, 王藝, 蘇春花

(貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽 550025)

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)生長快,耐干旱瘠薄,在恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)中起到先鋒作用,是貴州省優(yōu)良的鄉(xiāng)土造林樹種,在貴州省森林蓄積中馬尾松占了30%以上[1]。由于大面積的馬尾松純林種植,樹種單一,結(jié)構(gòu)簡單,物種多樣性低。研究表明物種多樣性降低會(huì)導(dǎo)致植物群落退化,土壤出現(xiàn)退化特征[2]。長期的純林經(jīng)營致使地力衰退,林分產(chǎn)量及質(zhì)量下降,病蟲害頻發(fā)[3],為了維護(hù)生物多樣性及可持續(xù)經(jīng)營,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,人們開始營造混交林或者對現(xiàn)有馬尾松純林進(jìn)行林分改造。目前,有關(guān)馬尾松混交林的研究主要集中在馬尾松與不同樹種混交后的生長效應(yīng)[4-6],也有關(guān)馬尾松混交林的物種組成的變化[7]、持水性能及抵御病蟲害能力[8-9]等方面的研究,結(jié)果表明馬尾松混交林較純林具有更佳的物種組成及抵御病蟲害的能力,增強(qiáng)林地的持水性,促進(jìn)馬尾松生長。

近年來,相關(guān)學(xué)者從馬尾松混交后的生產(chǎn)力特征、生長、發(fā)育特性、林下植物多樣性及水土保持特性等各個(gè)方面進(jìn)行了研究,取得了一定的研究成果,如林潤東等[10]研究了馬尾松混交林的超產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素,結(jié)果表明混交林可以提高馬尾松生物量的超產(chǎn)效應(yīng),促進(jìn)馬尾松的生長發(fā)育,優(yōu)化馬尾松林的林分結(jié)構(gòu);陳歆宇等[11]分析了不同馬尾松混交林及其生產(chǎn)力功能的耦合關(guān)系,證明混交比例不合適及密度過大是影響馬尾松生長的重要因素;羅創(chuàng)福等[12]及黃欣宇等[13]分析了馬尾松混交林的生長及其林下植物,并對光環(huán)境的影響進(jìn)行了研究,均證明混交林的生長及林下植被多樣性均高于純林;張博文等[14]對比分析了馬尾松純林及混交林的林下植物多樣性,也得出相同結(jié)論;李鵬等[15]對馬尾松混交林的水土保持特征及土壤性質(zhì)進(jìn)行了分析,表明馬尾松混交林促進(jìn)馬尾松林的水土保持功能,提高土壤性質(zhì);文娟等[16]對混交林揮發(fā)性物質(zhì)成分進(jìn)行了分析,表明純林揮發(fā)性有機(jī)物種類較混交林少;劉美玲[17]詳細(xì)研究了馬尾松-杉木混交后的生長及競爭關(guān)系。生理指標(biāo)是植物生長變化的內(nèi)在機(jī)制,是植物發(fā)育過程中形態(tài)、營養(yǎng)、生長及繁殖能力受外界影響而表現(xiàn)出的生命狀態(tài),能表征植物對逆境的抵抗能力及脅迫反應(yīng)[18],較生長指標(biāo)更能準(zhǔn)確判斷植物的發(fā)育特性及狀況,但關(guān)于馬尾松與樹種混交后的生理特性及生理效應(yīng)的研究至今未見報(bào)道。因此現(xiàn)選擇貴州省主要的6種樹種(楓香、香樟、杉木、榿木、木荷和刺槐)與馬尾松按照1∶1比例在室內(nèi)模擬混交種植,研究馬尾松與不同樹種混交后的葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性蛋白及脯氨酸)、氮、磷轉(zhuǎn)化酶活性(硝酸還原酶、酸性磷酸酶)以及丙二醛的含量,探討混交后對馬尾松生理特性的影響,揭示不同樹種與馬尾松混交的生理機(jī)制,為馬尾松混交林營造中的樹種選擇提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)模擬試驗(yàn),選擇刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、榿木(AlnuscremastogyneBurk.)、楓香(LiquidambarformosanaHance)、香樟[Cinnamomumcamphora(Linn) Presl]、木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)及杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]與馬尾松苗木混合種植,以馬尾松單獨(dú)種植為對照,分別記為CH-M、QM-M、FX-M、XZ-M、MH-M、SM-M及M(CK),共7個(gè)處理。各樹種均采用1年生實(shí)生苗,各樹種與馬尾松苗按照1∶1行狀混交種植于75 cm×50 cm×45 cm的種植盆中,每個(gè)盆中種 2 排,共計(jì)8株。于2021年2月進(jìn)行盆栽試驗(yàn),每種處理6盆。盆中所有土壤先混勻,再進(jìn)行過篩、消毒處理。苗木移栽成活后,適時(shí)澆水、除草,定期進(jìn)行苗期管理,按時(shí)監(jiān)測苗木的生長。為避免產(chǎn)生邊緣效應(yīng),定期交換盆栽位置及方向。

1.2 樣品采集

待苗木移栽成活6個(gè)月后,于2021年10月底取出苗木進(jìn)行分析。每種處理選取3盆,每盆選4株馬尾松苗的上、中、下部針葉混合,約50 g,共3個(gè)重復(fù),供馬尾松苗生理指標(biāo)分析用。

1.3 分析方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

葉綠素測定:用95%乙醇液在避光條件下提取葉綠素,用紫外分光光度計(jì)測定其吸光值,參考劉秀麗等[19]方法進(jìn)行葉綠素a、葉綠素b的含量計(jì)算。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性測定:采用氮藍(lán)四唑法,以每克鮮樣品酶活力單位表示。

過氧化物酶(peroxidase,POD)活性測定:采用愈創(chuàng)木酚顯色法,以每分鐘內(nèi)470 nm處吸光度變化0.01為1個(gè)酶活性單位(U)。

可溶性蛋白含量測定:采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法。

脯氨酸含量測定:采用酸性茚三酮比色法。

丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量測定:采用硫代巴比妥酸法。

硝酸還原酶(nitrite reductase,NR)測定:采用磺胺比色法[20]。

酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)活性測定:采用劉淵等[21]酸性磷酸酶活性的方法測定,以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的針葉水解p-NPP 生成的對硝基苯酚的量來表示,即μg/(g·min)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并進(jìn)行圖表制作,應(yīng)用SPSS 19.0的ANOVA進(jìn)行方差分析、LSD法進(jìn)行多重比較,應(yīng)用Fuzzy綜合評價(jià)法進(jìn)行綜合評價(jià)值分析,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合決策原理, 采用加權(quán)平均和最大原則,公式[22]為

(1)

式(1)中:X(ij)為i處理j指標(biāo)的隸屬值均值;Xij為i處理j指標(biāo)的測定值;maxXij為該指標(biāo)的最大值;minXij為該指標(biāo)的最小值;n為個(gè)案數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對馬尾松苗葉綠素含量的影響

從表1中可以看出,不同處理對馬尾松葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量影響顯著(P<0.05)。與對照M(CK)相比,CH-M處理葉綠素a及總?cè)~綠素含量降低0.04 mg/g,葉綠素b含量與對照相同。其余處理下葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量均高于對照,MH-M、QM-M處理葉綠素a及總?cè)~綠素含量顯著高于M(CK)(P<0.05), 總?cè)~綠素量分別較M(CK)高81.10%及57.46%。MH-M處理葉綠素b含量顯著高于對照(P<0.05)。SM-M處理總?cè)~綠素量增加量最小,較M(CK)總?cè)~綠素含量高0.06 mg/g。QM-M處理葉綠素a/b最高,為3.60,比對照高0.33,其余處理比值低于對照,XZ-M處理馬尾松針葉葉綠素a/b最小,為2.54。

表1 不同處理下馬尾松針葉葉綠素含量

2.2 不同處理對馬尾松抗氧化酶活性的影響

圖1是不同處理下馬尾松針葉過氧化物酶(POD)及超氧化物歧化酶(SOD)的活性。分析表明,不同處理下馬尾松針葉抗氧化酶活性存在顯著差異(P<0.05),與M(CK)相比,不同樹種與馬尾松混交后都顯著提高了馬尾松針葉的抗氧化酶活性?？梢钥闯?種樹種與馬尾松苗混交后,馬尾松針葉POD活性都比對照組M(CK)的高,其中FX-M處理POD的活性最高,為18.27 U/(g·min),較M(CK)高13.84 U/(g·min),其次是QM-M[14.91 U/(g·min)]、CH-M[14.21 U/(g·min)]處理,活性最低的是XZ-M處理,POD活性為8.82 U/(g·min)。不同處理下POD活性均顯著高于對照處理M(CK)。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

不同處理下馬尾松針葉SOD活性存在顯著性差異(P=0.038<0.05),XZ-M、MH-M、FX-M與M(CK)間SOD活性存在顯著性差異(P<0.05),CH-M、SM-M、QM-M與M(CK)間SOD活性差異不顯著(P>0.05)。其中QM-M處理下SOD活性最低,僅為47.56 U/(g·h),其次是CH-M處理SOD活性較低。SOD活性最高的是FX-M處理,為85.47 U/(g·h),MH-M處理SOD活性也較高。

2.3 不同處理對馬尾松針葉滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖2(a)可知,不同處理下馬尾松針葉可溶性蛋白含量差異顯著(P<0.05)。各處理可溶性蛋白的含量均高于對照M(CK),其中CH-M處理可溶性蛋白含量最高,為5.03 mg/g,其次是XZ-M處理;QM-M的可溶性蛋白含量最低(2.771 mg/g),較對照高 0.58 mg/g。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

由圖2(b)可知,不同處理下馬尾松針葉游離脯氨酸含量差異顯著(P<0.05),其中FX-M處理下脯氨酸含量顯著高于其他處理,其余各處理間差異不顯著(P>0.05)。FX-M、XZ-M處理脯氨酸含量高于對照M(CK),FX-M處理脯氨酸含量最高,為191.38 μg/g,較對照高113.36 μg/g,其次是XZ-M處理。CH-M、SM-M、QM-M及MH-M處理脯氨酸含量低于對照,SM-M及MH-M處理脯氨酸含量最低,僅為46.83 μg/g及45.08 μg/g。

2.4 不同處理對馬尾松針葉內(nèi)轉(zhuǎn)化酶活性的影響

由圖3(a)可知,不同處理下馬尾松針葉硝酸還原酶活性差異顯著(P<0.05)。CH-M處理硝酸還原酶活性顯著高于其余各處理。可以看出,CH-M的硝酸還原酶活性最高,為7.75 μg/(g·min),高于對照5.53 μg/(g·min),SM-M及MH-M處理硝酸還原酶活性也較對照高,分別高于對照1.20 μg/(g·min)及0.71 μg/(g·min);XZ-M、FX-M及QM-M處理硝酸還原酶活性低于對照,其中FX-M處理下硝酸還原酶活性最低,僅為1.57 μg/(g·min),低于對照0.66 μg/(g·min)。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

由圖3(b)可知,根據(jù)多重比較結(jié)果可知,MH-M與QM-M、FX-M處理酸性磷酸酶活性存在顯著性差異(P<0.05),MH-M與SM-M、CH-M、XZ-M及M(CK)的酸性磷酸酶活性間差異不顯著(P>0.05)。MH-M處理馬尾松苗酸性磷酸酶活性最高,為26.27 μg/(g·h),較對照M(CK)高1.19 μg/(g·h),其余處理馬尾松針葉酸性磷酸酶活性均低于對照,其中FX-M處理馬尾松苗的酸性磷酸酶活性最低,僅為17.69 μg/(g·h),較對照低7.00 μg/(g·h)。

2.5 不同處理馬尾松針葉對MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物之一。由圖4可知,不同處理下馬尾松針葉中丙二醛(MDA)含量存在顯著差異(P<0.05)。XZ-M、QM-M處理MDA含量顯著高于其余處理(P<0.05)。XZ-M處理的MDA含量最高,為0.35 μmol/g,其次是QM-M處理,顯著高于對照,說明與對照相比,XZ-M及QM-M處理對馬尾松針葉的膜系統(tǒng)造成一定的傷害。FX-M、SM-M、CH-M處理馬尾松針葉含量略高于對照,MH-M處理MDA含量最低,含量為0.045 μmol/g,且低于對照0.039 μmol/g。

不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.6 不同處理下馬尾松幼苗生理綜合評價(jià)

利用模糊隸屬函數(shù)綜合評價(jià)馬尾松苗的生理效應(yīng)(表2)。不同處理下馬尾松苗的生理指標(biāo)的綜合評價(jià)值排序?yàn)镸H-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。馬尾松與其他樹種混交后的綜合值高于對照,針闊混交的綜合評價(jià)值高于針葉與針葉混交(SM-M)?？梢姀纳硖匦陨峡?與馬尾松混交效果最好的是MH-M、FX-M以及QM-M。

表2 不同處理下馬尾松的各項(xiàng)生理指標(biāo)的隸屬度及其綜合評價(jià)

3 討論

葉綠素含量是反映光合器官生理狀況的重要指標(biāo),其含量在一定程度上反映了生長狀況和光合作用能力,葉綠素含量的高低影響著植物的光合速率。研究結(jié)果表明,除CH-M處理中葉綠素a及總?cè)~綠素含量低于對照,其余處理葉綠素a、葉綠素b含量高于對照,特別是MH-M、QM-M處理顯著高于對照。說明馬尾松與除刺槐外的其余5種鄉(xiāng)土樹種混交能促進(jìn)馬尾松苗光合作用能力的提高,提升馬尾松的光合速率。

植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對維持細(xì)胞滲透平衡起重要作用。脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加會(huì)改變細(xì)胞內(nèi)外滲透勢,從而顯著提高植物的抗逆性[25]?？扇苄缘鞍缀吭礁?細(xì)胞的保水能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng),脯氨酸在消除活性氧、提高抗氧化能力、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)等方面也具有重要作用。不同處理下馬尾松針葉可溶性蛋白含量高于對照,說明馬尾松與6種樹種混交后能提高馬尾松苗的保水能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。MH-M、SM-M處理脯氨酸含量低于對照,其余處理脯氨酸含量高于對照,FX-M處理脯氨酸含量顯著高于對照。說明楓香與馬尾松混交顯著提升馬尾松苗的抗逆性能,木荷、杉木與馬尾松混交能提升馬尾松的抗干旱能力,但馬尾松苗消除活性氧略低。

硝酸還原酶(NR)及酸性磷酸酶(ACP)是植物體內(nèi)氮、磷轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)酶,硝酸還原酶(NR)將植物種氮素催化轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮,影響氮素的利用率,植物葉片、根系的代謝酶活性與植物體內(nèi)氮素的積累量有明顯相關(guān)性[26-27]。酸性磷酸酶(ACP)能分解和轉(zhuǎn)化植物體內(nèi)的有機(jī)磷,酶促有機(jī)磷化合物釋放出植物生長所需要的無機(jī)磷,提高磷素的有效性[28],反映植物對磷素脅迫的適應(yīng)能力。ACP 活性的增強(qiáng)是植物對缺磷適應(yīng)能力的反映[29-31]。XZ-M、FX-M及QM-M處理下NR活性低于對照,說明香樟、楓香及榿木與馬尾松混交對馬尾松體內(nèi)氮素的利用率有抑制作用,CH-M、SM-M及MH-M處理下NR活性高于對照,CH-M處理顯著高于對照及其他處理,說明馬尾松與刺槐混交后能顯著提高馬尾松體內(nèi)氮素的利用率。僅MH-M處理下馬尾松ACP活性含量高于對照,其余處理低于對照,說明馬尾松與木荷混交后馬尾松體內(nèi)磷素轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng),且對外界氮、磷元素缺乏有一定的適應(yīng)性。

丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物之一,其含量的高低在一定程度上反映了膜脂的過氧化水平和膜結(jié)構(gòu)的受害程度,其含量反映植物質(zhì)膜受傷害的程度[32],植物細(xì)胞膜有強(qiáng)烈的過氧化作用,膜脂過氧化終產(chǎn)物 MDA 含量相應(yīng)增加。FX-M及QM-M處理MDA含量顯著高于對照及其他處理,MH-M處理中MDA含量最低,說明馬尾松與楓香及榿木混交后馬尾松針葉膜脂的過氧化水平高,馬尾松膜受傷害的程度較高,與木荷混交,馬尾松膜受傷害程度最低。

4 結(jié)論

不同樹種與馬尾松混交對馬尾松苗的生理特性產(chǎn)生的影響不同,不同處理下馬尾松苗的綜合生理效應(yīng)排序?yàn)镸H-M>FX-M>QM-M>XZ-M>CH-M>SM-M>M(CK)。馬尾松與其他樹種混交后的生理特性綜合評價(jià)值高于對照,針闊混交的綜合評價(jià)值高于針葉與針葉混交(SM-M)。與馬尾松混交從短期的生理特性上看綜合效果最好的是MH-M處理,其次是FX-M以及QM-M處理。