白灰毛豆对土壤pH的生态适应性研究

孙乐帆,廖婉莹,赵怀宝,羊金殿,柳新强

(1.三亚市苗圃场,海南 三亚572022;2.海南热带海洋学院 生命科学与生态学院,海南 三亚 572022;3.三亚市林业科学研究院,海南 三亚572022)

白灰毛豆对土壤pH的生态适应性研究

孙乐帆1,廖婉莹2,赵怀宝2,羊金殿3,柳新强2

(1.三亚市苗圃场,海南 三亚572022;2.海南热带海洋学院 生命科学与生态学院,海南 三亚 572022;3.三亚市林业科学研究院,海南 三亚572022)

外来种入侵机制之一就是其对环境的广泛适应性.通过研究白灰毛豆种子在不同pH缓冲液的萌发以及一年生植株在不同pH土壤生长的生理指标变化,确定其生态幅,为扩展区域预测和生态风险评估提供依据.试验以不同pH值(pH=6,7,8)的磷酸缓冲液和蒸馏水浇灌,研究白灰毛豆种子萌发情况.以其一年生植株为试材,以实验室调配的pH分别为3.5(L),7.49(M1),7.9(M2)三种土壤做栽培基质,并以pH为5.25的红壤作对照,测定移栽后植株生长中形态和叶绿素、Pro、MDA含量和POD活性变化,研究其对pH的生态适应性.结果表明:种子在不同基质中均都能萌发,萌发率分别为4.85%,3.64%,6.06%,约为对照的1/2-3/5.L较M1、M2对一年生植株生长表现出了更强的胁迫效应,但90天后,各处理植株均恢复了正常的生长,且L植株生长好于M1、M2.各处理植株Pro、MDA含量和POD活性均表现先升后降的趋势,表明其对环境的逐步适应.在酸性至碱性土壤上种子萌发和生长特性以及表现出的生理上适应性,使其扩展适应范围较大.

白灰毛豆;pH;生态适应性

0 引言

白灰毛豆(TepHrosiacandida)是豆科灰叶属植物,原产印度和马来半岛,广东、广西、海南有引种,并逸生于草地旷野和山坡[1].它是一个外来物种,又是一种资源植物,可做绿肥,并且是良好的堤岸保土植物,植物栽培中的庇护植物[2-5].但作为一个外来物种,白灰毛豆花期长,授粉受精快,结实率高,在较低温度下即可萌发,初步的实验研究表明其具有较强的抑制黄瓜、生菜种子萌发的化感作用(待发表).观察还发现,其出现极显著地降低了群落的植物多样性,这些特征使其有可能成为一个潜在的入侵物种[6-7].能够成功入侵的物种一般对主要环境因子都具有较广的适应幅度,对不同生境条件的适应性与入侵性密切相关[8-9].因此,外来物种的生态入侵风险分析必须要对该物种生态适应性进行研究.查阅文献表明,目前国内外对白灰毛豆的研究较少,主要集中在关于同属的非洲灰毛豆果实提取物的农药利用和间作利用[10]及植被恢复应用[2],其对土壤的生态适应性研究尚未见报道.

本研究以白灰毛豆种子和一年生植株为试材,以实验室调配的不同pH土壤做栽培基质,测定白灰毛豆种子的萌发和移栽后幼苗生长中形态指标和叶绿素、Pro、MDA含量和POD活性变化,研究其对pH的生态适应性,为确定其生态幅,也为扩展区域预测和生态风险评估提供依据[11].

1材料与方法

1.1实验材料

白灰毛豆种子于2013年10月采集于G98高速公路边坡,自然阴干,室温保存,作为不同pH种子萌发试验材料.

供试不同pH土壤取样地点及理化性质见表1.

表1 土壤取样地点及理化性质

野外自然状态下,选取生长状态基本一致的一年生白灰毛豆植株,移栽于内径21cm、高20 cm的花盆中,每天浇水养护,待植株完全成活后,作为不同pH土壤处理材料.

1.2实验方法

1.2.1试验处理方法

(1)不同pH对种子萌发的影响.将种子润洗,消毒后置于9个直径为10 cm,铺有 2层滤纸的培养皿中,每皿30 粒.浇灌三种不同pH值(pH=6,7,8)的磷酸缓冲液,以浇灌蒸馏水作对照.每个处理3次重复,观察、记录种子萌发情况.

(2)不同pH对一年生植株形态和生理指标的影响.将已移栽成活的一年生白灰毛豆植株,保留少量根部原土,修剪根系,移栽于不同pH值的土壤中(L,M1,M2),每盆一株,重复3次,抚育管理.处理后第30, 60, 75天测定各项指标,并测定实验前后土壤pH值.

1.2.2指标及测定方法

应用PS-3C酸度计测定土壤pH值[12].用精度为1 mm的直尺测量株高、节长等.用精度为0.001 g的电子天平测定植株的生物量.

叶绿素含量测定采用95%乙醇比色法;丙二醛(MDA)含量采用0.6%TBA比色法;游离脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[13].

1.3数据统计与分析

统计数据用平均值±标准差表示.应用Excel软件进行数据处理和作图.应用SPSS19.0进行方差分析,采用LSD法进行多重比较.

2 结果与分析

2.1种子萌发对pH的生态适应性

图1 不同pH处理种子萌发历程

种子萌发率的高低直接决定后代的数量.试验表明,CK白灰毛豆种子萌发率为10.3%,而pH为6,7,8的缓冲液萌发率分别为4.85%, 3.64%, 6.06%,显著低于CK.观察发现,CK种子萌发后根系生长快,11天后平均根长达4.61 cm,而pH处理组种子根系伸长受到抑制,突破种皮后(约2 mm)就不再伸长.

由图1可以看出,种子在第二天就开始萌发,蒸馏水组种子前3天大量萌发,而pH=6和pH=8的两个处理在第3～5天大量萌发,pH=7的处理在第5～7天才大量萌发,这说明偏酸与偏碱环境较中性环境提前了种子萌发时间,但在偏碱性环境下萌发率更高.

2.2一年生植株对pH的生态适应性

2.2.1形态指标的变化

土壤pH值高低直接影响到营养元素的有效性和植物对矿质的吸收,其异常会影响植物的生长.观察发现,移栽5天后,L植株叶片出现干枯、脱落,M1与M2植株叶片上出现了大量褐色或黄色斑点,并从叶缘向内扩展,长势差.但移栽75天后,情况都出现了扭转,各处理植株均长出了新叶,叶色也恢复正常.

从表2可以看出,CK株高、总生物量、根瘤菌数目均高于各处理.其中, CK株高比M1,L,M2分别高出0.93%, 4.10%, 13.2%,差异不显著.总生物量比L,M2,M1分别高出75.18%, 88.12%, 152.8%.CK与L之间,L分别与M1、M2之间都达到了显著水平,CK根瘤菌数目比L,M2,M1分别高出263.7%, 512.07%, 1294.5%;与各处理间都达到了显著水平.L处理的主根长显著高于CK和其他处理.L处理的根冠比也最大,分别比CK,M1,M2高出22.19%,23.9%,50.4%,方差分析表明,L根冠比显著大于M1和M2,且CK处理的根冠比也显著高于M2.综上可知,CK处理下植株长势最好,其次为L处理,再次为M2、M1,也表明其通过增加根系的长度和数量,能更好地适应酸性环境.

表2 不同处理下白灰毛豆一年生植株的形态指标

注：同行不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05),同行不同大写字母表示不同处理间差异极显著(P<0.01).

2.2.2生理指标的变化

2.2.2.1对叶绿素含量的影响

观察发现,不同pH处理植株叶色表现出明显的不同,其中M1植株新生叶片呈黄绿色, M2植株叶片分布有黄色斑点.从图2可以看出, 移栽30天后,各处理叶绿素a含量由大到小依次为:CK,M2,L,M1.随着时间推移,M2和L叶绿素a含量上升,CK和M1则下降,移栽60天后,各处理叶绿素a含量为CK>M2>L>M1.移栽75天后,M2略高于CK和L,而M1呈现出继续下降的趋势且最低.

图2 不同pH处理下一年生植株叶绿素a含量的变化

从图3中看出,移栽30天后,与叶绿素a类似,叶绿素b含量也表现为CK>M2>M1>L.随着时间推移,除L外其他处理的叶绿素b含量均下降,移栽60天、75天后,各处理叶绿素b含量为CK>M2>L>M1,和叶绿素a一致.

图3 不同pH处理下一年生植株叶绿素b含量的变化

从图4看出,移栽30天后,总叶绿素含量同叶绿素b含量类似,表现为CK>M2>M1>L,其中L与M1相差不大.随着时间推移,M2与L上升,CK与M1下降,最终CK>M2>L>M1.

图4 不同pH处理下一年生植株叶绿素总含量的变化

图5 不同pH处理下一年生植株Pro含量的变化

2.2.2.2对Pro含量的影响

Pro具有调节体内渗透压和维持细胞结构稳定的作用[15].植物通过提高其体内游离Pro含量来适应逆境.由图5可知,移栽30天后,Pro含量从大到小依次为L>M1>M2>CK, L比 M1,M2,CK分别高出135.51%, 215.44%, 667.02%.随后各处理均下降,移栽60天后,Pro含量表现为M1>M2>L>CK,且三处理间数值相差不大,碱性土壤大于酸性土壤.移栽75天后, M1>CK>M2, M1比CK,M2分别高出125.23%, 286.7%.移栽30天后,L处理较其他都高,说明植株对异常酸胁迫的反应早于异常碱胁迫;而移栽75天后,M处理大于L处理,说明其对异常酸性土壤的适应能力强于对碱性土壤,这表明其可能其更适于在酸性土壤生长.

2.2.2.3对MDA含量的影响

图6 不同pH处理下一年生植株MDA含量的变化

MDA是植物在环境胁迫下膜脂过氧化而产生的一种具有细胞毒性的物质[15],用以了解植物在不良环境下的受损程度.由图6可知,移栽30天后,MDA含量表现为M2>L> M1>CK.随着时间推移,各处理及对照MDA含量均下降,下降幅度最大的是M2.移栽60天后,MDA含量表现为M1>L> M2>CK, 移栽75天后,表现为M1>CK>M2>L.可以看出,初始移栽30后,L和 M2都是较高的,但白灰毛豆表现出较好的适应性,MDA快速持续下降.

2.2.2.4对POD活性的影响

POD是植物体内清除活性氧的重要的保护酶,能够消除细胞内的氧自由基,减轻其对植物造成的伤害[16].由图7可以看出,移栽30天后,POD活性最大的是L,M1和M2两者相差不大.移栽60天后,除CK变化不大外,各处理均下降,且M1>CK>L>M2.移栽75天后, L 、M1、CK和M2均继续下降,且相差不大.

3讨论与结论

注:△A470为单位时间吸光度的变化值图7 不同pH处理下一年生植株POD活性的变化

种子萌发是成功入侵和定居的前提条件.种子萌发特性是物种长期适应环境的结果. 作为起源于热带的外来物种,白灰毛豆种子在酸性至碱性的环境中均能萌发,表明其萌发对pH的生态幅较宽,这就为其生长区扩展创造了条件.实验还发现,其种子萌发周期较长,陈种子萌发率高于新种子,这或许是某种抑制物质的存在.同时,观察发现大粒种子先萌发,表现出种子萌发的差异性,这更增加了其适应不同环境的能力,分批萌发,增强了其抵御不良环境的能力.试验中,蒸馏水呈弱酸性,说明其种子在偏酸环境中萌发率更高,但根的伸长生长受到了抑制.

对一年生植株而言,移栽30天时,酸性环境较碱性环境表现出了更强的胁迫效应,L植株叶片完全脱落.但移栽90天后,各处理植株均恢复了正常的生长状态,且表现为L植株生长好于M1和M2.这说明白灰毛豆植株对土壤pH具有极强的适应性,虽然适合生长在酸性土壤,但也能适应碱性环境.

作为一种豆科植物,根瘤的形成有助于植物固氮.实验发现,酸性土壤根瘤数量显著高于碱性土壤,其较强的适应能力或许与其根部根瘤的数量有直接关系,这有待进一步研究.

不同pH处理下的叶绿素含量变化不规律,而Pro, MDA, POD酶活性的变化则更能反映植株对不同pH土壤的适应性.不同处理中Pro、MDA、POD含量变化均表现出先上升后又下降的趋势,表明其对环境的逐步适应,这与已有的相关研究结果是一致的[17].同时,处理间表现为碱性土壤大于酸性土壤,说明碱性土壤的胁迫强于酸性土壤,这或许和它起源地酸性土壤环境有关.

作为一种潜在的生态入侵植物,还需要密切关注其组成群落的演替,在加强其繁殖生态、化感作用和种群生态研究的同时,研究其对光照、温度等生态适应性,为科学防治提供依据.

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EcologicalAdaptabilityofTephrosiacandidatopH

SUN Le-fan1, LIAO Wan-ying2,ZHAO Huai-bao2,YANG Jing-dian3, LIU Xin-qiang2

(1.Sanya Nursery Field, Sanya Hainan 572022, China;2.School of Life Science and Ecology,Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China;3.The Institute of Sanya City Forestry Science, Sanya Hainan 572022, China)

One of the invasive mechanisms of alien species is its wide adaptability to the environment.To provide the basis for extending regional prediction and ecological risk assessment, the ecological amplitude ofTephrosiacandida’sseeds was determined by studying the their germination at different pH buffer, and the morphological and physiological indexes of annual plants grown in the soil of different pH.Experiment was conducted on the germination of the seeds watered with different pH (pH = 6,7,8) phosphate buffer and distilled water.With the annual plants ofTephrosiacandidaas test materials, using three kinds of soil cultivation matrix—pH 3.5 (L), 7.49 (M1), 7.9 (M2), and with red soil (pH 5.25) as control group, the change of shape, chlorophyll, Pro, MDA content and POD activity were measured after transplanting.The results showed that the seed germinated in different substrates, with the germination rate 4.85 %, 3.64 % and 6.06 %, respectively—about 1/2-3/5 of that of CK.Compared to those in alkali environment, annual plants in acid environment show stronger stress effect.However, 90 days later, all plants return to normal state, and the acid ones grow better than the alkali ones.Proline, MDA content and POD activity in annual plants under different treatments all show decline, which indicatesTephrosiacandida’sseeds are adapting to the environment gradually.The seed germination in acidic and alkaline soil, and its physiological adaptability and growth characteristics expand the adaptation scope oftephrosiacandida.

Tephrosiacandida; pH; ecological adaptability

格式：孙乐帆,廖婉莹,赵怀宝,等.白灰毛豆对土壤pH的生态适应性研究[J].海南热带海洋学院学报, 2017,24(5):21-26.

2017-09-25

三亚市专项试制项目(2016KS02);三亚市院地合作项目(2016YD11);海南省大学生创新创业训练项目( 2016111000025, 2016111000026)

孙乐帆(1971-),男,海南乐东人,三亚市苗圃场工程师, 研究方向为园林.

赵怀宝(1969-),男,河南永城人,海南热带海洋学院生命科学与生态学院教授,博士, 研究方向为生态学及园林.

Q948.1

A

2096-3122(2017) 05-0021-06

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.04

(编校何军民)