山地水库消落带建群种植物五节芒干旱复水生理效应研究

吴国泉，陈海生，任如红

（1.舟山市农林科学研究院，浙江舟山 316000；2.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231）

水库消落带是水库运行期间水文调度引起的库区水位变化，在库区流域周边形成的一段特殊生态环境区域[1-2]。浙江省黄岩长潭水库是一座以供水、防洪、灌溉为主的大型水库，主要提供台州市椒江区、黄岩区、路桥区及玉环市、温岭市的200 多万城乡居民的生活用水[3]。随着水库水位的涨落，长潭水库消落带深度位于36～29 m 之间，库区会形成面积达0.7 km2的消落带区。消落带区域是生态环境敏感脆弱的地带。长潭水库10 月至翌年4 月水位会比较高，常常会淹没消落带中生长的植物。4 月后，水库进入汛期，而同时这也是用水高峰期，所以这时一般会降低运行水位，腾空库容，因此在4 月至10 月水库水位会相应降低，而这时期消落带中的植物常处于干旱胁迫环境中。

积极防止消落带自然植被的退化，恢复和重建受损的消落带生态系统，是当前水环境研究的热点。消落带重建的关键是在水库集雨区筛选抗逆性能强、降污效果好的乡土植物，即要能适应消落带特殊生态环境，既能抗长时间的干旱，又能抗长时间的涝渍，还能较强地降解污染物，具有较好的水环境效应的，且已是长期适应当地环境的乡土植物。长潭水库消落带内广泛分布着一种耐淹的乡土植物五节芒Miscanthus floridulus，它是禾本科Gramineae 芒属Miscanthus 多年生草本植物，能够涵养水源、截流雨水、防止水土流失，具有较大的水土保持价值[4-6]，是公认的水土保持物种[4-5]。五节芒为高大的多年生C4 植物，株高约2～4 m。根系发达，一般情况下入土深度可在1 m 以上，根茎长而发达，长于地表下10 cm 左右，可构成地下根系根茎立体网络系统，并可形成地上草丛，分蘖数可达100 以上；为多年生植物，通常可生长18～20 a[6]。五节芒生长、繁殖、竞争和生态适应能力均强，成为我国南方溪流、滩涂和水库消落带等草本群落的优势成分[7]。

目前国内一些研究涉及到五节芒对重金属污染的降解能力，以及该植物的耐涝性方面，如任立民等[7]对广西刁江流域和安徽有色金属矿区一些植物的调查研究表明，五节芒对锰、镍、砷和锌均具有较强的吸收能力；孙健等[8]对湖南郴州铅锌矿区土壤和植物重金属污染进行了调查，发现五节芒对铅和锌具有较强的吸收与转运能力。陈海生等[9]曾进行过盆栽实验，以生长于浙南山地水库周围农田沟渠里的乡土植物五节芒为材料，测定在涝渍条件下其叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率以及净光合作用速率，结果表明生长于沟渠湿地上的五节芒具有较强的涝渍逆境适应性。但关于水库消落带环境中干旱复水条件下五节芒生理生态特征研究还未见报道。本文选择广泛分布于浙江省长潭水库库区消落带中的建群种植物五节芒为研究对象，研究盆栽五节芒在经受长时间的干旱胁迫及复水后，其叶片MDA 含量以及SOD、POD 活性的变化情况，探索消落带植物五节芒的逆境适应性和生长恢复能力，以期为浙江省山地水库消落带植被生态重建提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

长潭水库(28°30′-28°40′N，121°00′-121°04′E)位于浙江台州市黄岩区西23 km 处，库区面积为441.3 km2，湖面宽广，东西宽1 200 m，南北长约4 200 m，周围山高在350～780 m 之间。长潭水库始建于1958 年，于1964 年竣工，是一座以供水、防洪、灌溉为主的大型综合性水利工程。水库坝高43 m，最高水位42 m，总库容为6.9×109m3，常水位36 m，相应库容4.57×109m3，灌溉面积7×104hm2。1995 年10 月，黄椒温引水工程(一期)建成，成为台州市黄岩区、椒江区、路桥区、温岭市居民饮用水的主要源泉[3]。

该地属亚热带海洋性季风气候。多年平均气温在10 ℃以上的积温为5 336 ℃，持续日照天数247.9 d，年平均日照时数为1 955 h。一般年降雨量在1 800 mm 以上，多年平均降水日数为167 d。多年平均陆面蒸发量为671 mm。多年平均风速为2.7 m·s-1，干旱指数为0.53。

1.2 试验设计

2019 年5 月10 日选取长潭水库库区上垟乡政府旁边的消落带(XM)上自然生长、长势一致、且当年萌发的五节芒M.floridulus 新苗，带土幼苗采样后带回温室，移植到18 cm×14 cm×15 cm 的塑料盆钵栽培，每个盆钵装5 kg 土，每盆移栽2 株五节芒。盆钵底部钻孔。土壤基质统一采用水库岸边的黄泥土。土壤先风干，再过2 mm 筛，然后装入塑料盆钵中。确保盆栽植株生长均匀一致。在当地自然条件下生长60 d，进行持续干旱和复水处理。

试验采取单因素随机区组设计，共设三个处理：(1)正常浇灌为对照(CK)，每周2 次浇水至土壤饱和。(2)持续自然干旱处理60 d。(3)干旱及复水处理。在干旱处理30 d 后，再开始复水。每个处理4 次重复，每处理2 枝五节芒幼苗。

1.3 植物生理指标测定

上清提取液制取：取各处理植株的顶端倒数第三片叶0.2 g，放于冰浴中研磨至匀浆，分次倒入20 mL预冷的0.05 mmol·L-1pH 7.8 的磷酸缓冲液，4 ℃以下7 000 r·min-1离心10 min。上清提取液用于叶片的蛋白质含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、多酚氧化酶(PPO)活性和丙二醛(MDA)含量的测定。

MDA 的测定采用张志良[10]的方法，取酶液2 mL，加入0.67%的TBA(硫代巴比妥酸)2 mL，混合后在100 ℃水浴上煮沸30 min，冷却后再离心1 次。分别测定上清液在450、532 和600 nm 处的吸光度值。

用氮蓝四唑法(NBT)[10]测定叶片的SOD 活性：

取3 个系列透明度好、质地相同的试管，1 个系列用于测定，2 个系列用于对照，其反应体系含0.013 mol·L-1甲硫氨酸(Met)、7.5×10-6mol·L-1氮蓝四唑(NBT)、1×10-7mol·L-1EDTA-2Na、2×10-6mol·L-1核黄素各0.3 mL、0.05 mol·L-1的pH 7.8 磷酸缓冲液1.5 mL、待测酶液0.05 mL(对照管则用缓冲液来代替酶液)、蒸馏水0.25 mL，一共3 mL，混匀后，将对照试管放在暗处，各测定试管同时放于4 000 lx 日光灯下反应30 min。到反应停止时，以未照光的对照作为空白，分别在560 nm 下测定各管的吸光度。将抑制光还原NBT 50%设为一个酶活性单位。

用愈创木酚法[10]测定叶片的POD：其反应体系为含2.9 mL 0.05 mol·L-1磷酸缓冲液，1.0 mL 2%H2O2，1.0 mL 0.05 mol·L-1愈创木酚和0.1 mL 酶液。将加热煮5 min 的酶液作对照，加进酶液后，于34 ℃水浴保温3 min，再迅速稀释1 倍，在470 nm 下比色，1 min 记录1 次，以每分钟内A470 变化0.01 为一个酶活性单位。

所有指标选取测定2 株，均重复3 次以上。

2 结果与分析

2.1 干旱复水对五节芒叶片MDA 含量的影响

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的产物，通常是作为膜脂过氧化指标。其含量的变化可反映逆境条件下膜系统受伤害的程度[11]。

从表1 可以看出，没有进行干旱处理的对照五节芒叶片MDA 含量在整个实验期间没有发生明显的变化，而持续干旱处理的五节芒叶片MDA 含量在整个实验期间一直增加，如在干旱处理第30 天时，五节芒叶片MDA 含量为19.2 μmol·g-1，比未处理时的11.36 μmol·g-1增加了69.01%，到干旱处理第60 天时，五节芒叶片MDA 含量为23.5 μmol·g-1，比未处理时的11.36 μmol·g-1增加了106.87%，而在第30 天开始复水后，五节芒叶片MDA 含量就一直开始下降，到第60 天时为16.32 μmol·g-1，比第30 天时的19.26 μmol·g-1下降了15.26%，但仍高于未处理时的11.36 μmol·g-1。

表1 不同水分处理时五节芒叶片MDA 含量动态变化(μmol·g-1)Tab.1 Dynamic changes of MDA content in leaves of M.sibiricus under different water treatments (μmol·g-1)

2.2 干旱复水对五节芒叶片SOD 活性的影响

超氧物歧化酶(SOD)是植物保护酶，在植物抵抗外界不良环境中起着清除自由基的作用[12]。由表2 可见，在整个试验过程中，对照的五节芒叶片的SOD 活性变化不大，而持续干旱处理的五节芒叶片的SOD活性在处理前期呈上升趋势，说明干旱胁迫启动了消落带生境中的五节芒植株的自身防御机制，升高的SOD 活性可以抵抗逆境条件下植物体内产生的并且处于上升的活性氧。而随着干旱胁迫时间的延长，五节芒叶片的SOD 活性下降，到干旱第60 天时，五节芒叶片的SOD 活性已低于处理前的水平。说明随着干旱胁迫程度的加剧，五节芒叶片保护酶活性降低，抗氧化系统受到一定程度的破坏。

表2 不同水分处理时五节芒叶片SOD 活性动态变化(g·FW-1·min-1)Tab.2 Dynamic changes of SOD activity in leaves of M.sibiricus under different water treatments(g·FW-1·min-1)

但在复水处理后，五节芒叶片的SOD 活性呈缓慢上升趋势，到第60 天时，五节芒叶片的SOD 活性为1 239 g·FW-1·min-1，恢复到接近最大活性水平。这说明消落带生境中的五节芒经过较长时间的干旱后，仍具有较强的逆境恢复能力。

2.3 干旱复水对五节芒叶片POD 活性的影响

过氧化物酶(POD)也是植物在逆境下酶促防御系统的重要酶，它可以与超氧物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)互相配合作用，清除植物体内过多的自由基，使植物体内自由基含量保持在正常水平以下，从而使植物在逆境下产生一定的抗逆功能[13]。从表3 可见，在整个实验过程中，对照的五节芒叶片POD 活性变化不是很大，而持续干旱的五节芒叶片POD 活性在处理前呈上升趋势，而随着干旱时间的延长，五节芒叶片POD 活性呈下降趋势，到干旱第60 天时，POD 活性已低于处理前的水平。但在复水处理后，五节芒叶片POD 活性在下降后又呈上升趋势，到第60 天时接近于处理过程中的最高水平。

表3 不同水分处理时五节芒叶片POD 活性动态变化(g·FW-1·min-1)Tab.3 dynamic changes of POD activity of M.sibiricus leaves under different water treatments (g·FW-1·min-1)

3 结论与讨论

(1)干旱胁迫条件下植物体内会造成活性氧积累，产生的自由基会伤害植物细胞。植物体内有一套由保护酶和抗氧化物质组成的活性氧清除系统。SOD 是重要的保护酶，是抵御活性氧伤害的第一道防线。POD 能清除SOD 歧化产物H2O2，干旱胁迫促使了五节芒植株中活性氧的产生，使得SOD、POD 活性上升。随着干旱胁迫天数的增加，胁迫程度超过了植株体内的防御能力，结果SOD 和POD 活性下降。本研究结果表明了消落带生境中五节芒在干旱胁迫条件下，干旱初期活性氧的增多会诱导SOD、POD 响应并迅速增多。在继续干旱条件下，五节芒叶片SOD、POD 活性都呈下降趋势。而在复水后，五节芒叶片SOD、POD活性都呈上升趋势，甚至接近于处理过程中的最高水平。

(2)本研究结果表明了五节芒叶片POD 活性与SOD 活性相比，在整个处理过程中变化幅度较大，这说明POD 活性对干旱逆境变化比较敏感，而SOD 活性在干旱逆境恢复中的应答时间较长。

(3)本研究说明了水库消落带生境下的五节芒具有较强的干旱胁迫逆境适应性。生长于水库消落带中的植物五节芒长期处于水库水位交替涨落的水旱变化的环境中，当受到干旱胁迫损伤时，在恢复水分供应后，具有较强的生理恢复能力。因此，在浙南山地水库消落带生态重建中，五节芒应作为消落带植物群落构建的先锋植物。