淹水胁迫对2个薄壳山核桃品种苗期生长及叶绿素荧光特性的影响

苗婷婷， 曹志华， 刘俊龙， 孙 慧， 吴中能

(安徽省林业科学研究院，安徽合肥 230088)

薄壳山核桃()又称长山核桃，是胡桃科山核桃属植物，原产自美国和墨西哥北部，是优良的干果、用材、绿化兼用树种，具有广泛的用途和很高的经济、社会和生态效益。近年来，薄壳山核桃作为重要的经济林木，发展迅猛。安徽省是国内最早引种薄壳山核桃的省份之一，自2013年起开始规模化发展，截至目前全省薄壳山核桃种植总面积约4万hm。安徽省江淮地区湖泊滩地、湿地资源丰富，绿化潜力巨大，若筛选出耐淹水性强的薄壳山核桃品种并推广应用，不仅能扩大其适种范围还能丰富滩地生物与景观多样性。

国内外学者对薄壳山核桃开展了引种繁殖、栽培管理、光合特性等基础研究，目前在薄壳山核桃抗旱性研究上已取得了一些进展，而关于耐淹水方面的研究报道不多。孙凡等通过人工模拟干旱、水淹、盐胁迫条件，分析了薄壳山核桃抗性生理和光合作用特征适应机制，结果显示间接性淹水处理下的薄壳山核桃生长良好，表明薄壳山核桃具有耐淹水的特性。范龙惠通过对美国东部黑核桃、四川乡土核桃、泡核桃、美国(薄壳)山核桃不同淹水处理下形态特性、光合作用等指标的测定，对其耐涝性进行综合评价，认为薄壳山核桃的耐涝性最强。已有报道大多关注淹水胁迫对薄壳山核桃光合特性的影响，而对叶绿素荧光特性变化的研究较少。本研究根据长江中下游季节性淹水的特点，在夏季高温期(7—9月)人工模拟淹水胁迫环境，研究薄壳山核桃在水胁迫逆境下的生理响应机制，并综合评价其耐淹水能力，以期为长江中下游季节性淹水地区薄壳山核桃耐淹水品种的筛选和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在安徽省林业科学研究院合肥园林花卉繁育中心苗圃(117°18′33″E，31°52′45″N)内，属于亚热带湿润性季风气候，年均气温为 15.5 ℃，年均降水量近1 000 mm，无霜期达227 d。

1.2 研究材料及试验设计

本试验选取的黄薄1号(皖S-SC-CI-004-2013)、黄薄2号(皖R-SF-CI-005-2013)是由黄山市林业科学研究所于2013年审(认)定的薄壳山核桃良种。选取生长健壮一致的二年生黄薄1号、黄薄2号实生苗，于2018年春天移栽至塑料盆中，正常水肥管理。试验开始后，将植株带盆一起放入长10 m、宽0.6 m、高1 m的人工水池中进行淹水处理。处理设3个水平：(1)对照(CK)，保持正常水分管理；(2)低水淹 (T) ，浅度积水，水面高于土面5 cm左右；(3)高水淹(T) ，深度积水，水面高于土面 20 cm左右。试验苗木按不同处理水平随机分成3组，每个品种每组各3株。2018年7月中旬开始将盆放入人工水池进行淹水试验，时间持续 60 d 左右，期间定时观察水位变化，及时补换水保持淹水深度，直至当年9月试验结束。

1.3 测定内容及方法

在淹水胁迫试验开始前，用卷尺与游标卡尺测量各植株的地径与苗高，每个处理重复3 次。定期观察、记录植株的外部形态特征，包括叶色、叶形、茎基部是否有皮孔及不定根出现等方面的变化。生理生化指标在试验初期间隔5 d 采样1次，试验中期间隔10 d采样1次，共4次，试验后期间隔 15 d 采样1次，选取每株苗木中上部生长良好的3张成熟叶片混合后进行指标测定，重复3次。其中，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；叶绿素含量采用丙酮浸提法测定。叶绿素荧光参数采用德国WALZ超便携式调制叶绿素荧光仪MINI-PAM-Ⅱ测定，测定前先进行30 min暗适应。主要参数包括：暗适应初始荧光()、光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(/)、光合电子传递速率(ETR)、非光化学猝灭系数(NPQ)和光化学淬灭系数()等。

1.4 数据处理及分析

参考孙慧等的方法，按照公式将测量数据转换得出各指标的耐淹水系数(耐淹水系数=处理测定值/对照测定值×100%)。采用隶属函数值法对2个薄壳山核桃品种的耐淹水性进行评价。分别计算每个薄壳山核桃品种在2种水胁迫处理下各指标耐淹水系数的隶属函数平均值。如测试指标与耐淹水性呈正相关，则其计算公式为：

(1)

如测试指标与耐淹水性呈负相关，则计算公式为：

(2)

式中：()是品种某个指标的隶属函数值；代表品种某个指标测定的均值；是试验材料中某个指标的最大值；是试验材料中某个指标的最小值。将每个品种各指标的隶属函数值累加起来，求其平均值，均值越大则表明其耐淹水性越强。

运用Excel对试验数据进行处理，运用DPS软件对试验数据进行相关性分析及差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对薄壳山核桃形态的影响

试验期间，2个薄壳山核桃品种的所有植株均未出现死亡现象，至试验结束(60 d)存活率均为 100%。外部形态特征观察发现，在淹水25 d左右薄壳山核桃叶片出现变色渍斑，到淹水60 d时个别叶片渍斑扩大形成小孔；茎基部在淹水15 d左右出现皮孔膨大现象，直到淹水结束也没有产生不定根，这与刘春风等观测的情况一致。皮孔增生是植物适应淹水的一种生理表现，比较大的表面积和疏松结构有利于溶于水中的氧分子及其他物质分子的交换。薄壳山核桃苗木在60 d淹水试验结束后依然存活，说明其有一定的耐淹水能力。

2.2 淹水胁迫对薄壳山核桃苗高及地径的影响

分别在淹水试验开始前后对地径、苗高进行测量，结果见表1。各品种薄壳山核桃地径、苗高的生长都随淹水胁迫程度的增加而减缓，特别是地径，在高水淹处理60 d后，地径均出现了不同程度的负增长。低水淹和高水淹处理下地径、苗高的增长率均低于对照，同处理条件下黄薄2号地径、苗高的增长率均高于黄薄1号。

表1 不同淹水处理对薄壳山核桃地径、苗高的影响

2.3 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片叶绿素含量的影响

由图1可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号2种淹水处理叶绿素含量整体呈下降趋势：低水淹处理25 d达到最低水平，高水淹处理45 d达到最低水平。黄薄2号2种淹水处理下叶绿素含量整体呈下降趋势：低水淹处理15 d达到最低水平，高水淹处理45 d达到最低水平。黄薄1号、黄薄2号2种淹水处理叶绿素含量都低于对照。经方差分析，黄薄1号高水淹处理叶绿素含量与对照有极显著差异，而黄薄2号2种淹水处理叶绿素含量与对照无显著差异。

2.4 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片丙二醛(MDA)含量的影响

由图2可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号在对照和高水淹处理下的MDA含量均呈先上升后下降的趋势，在35 d时达到最高水平；在低水淹处理下，黄薄1号的MDA含量整体呈上升趋势。黄薄2号在对照和高水淹处理下的MDA含量整体均呈上升趋势；低水淹处理下，黄薄2号的MDA含量呈波动上升趋势，25 d时急剧上升，35 d时小幅回落后又继续上升，在60 d时达到最高水平。黄薄1号、黄薄2号在2种胁迫处理下的MDA含量整体都高于对照。经方差分析，2个品种各处理间均无显著差异。

2.5 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片可溶性糖含量的影响

由图3可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号各处理下可溶性糖含量均在15 d下降到最低水平，低水淹处理在15 d后整体呈上升趋势；高水淹处理在15 d后呈先上升后下降趋势，在35 d达到最高水平。黄薄2号各处理的可溶性糖含量也在15 d略有下降，然后整体呈上升趋势。黄薄1号、黄薄2号在2种胁迫处理下的可溶性糖含量都整体高于对照。经方差分析，2个品种高水淹处理下的可溶性糖含量与对照有显著差异。

2.6 淹水胁迫对薄壳山核桃叶绿素荧光参数的影响

植物的光合作用是所有物质代谢的基础。叶绿素荧光特性在叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有反映“内在性”的特点。对叶绿素荧光特性进行研究可以更好地了解植物生长状况和受胁迫时生理生态的变化。

2.6.1 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片的影响是反映PSⅡ反应中心的电子传递情况的良好指标。由图4可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号低水淹处理下的高低起伏，总体呈下降趋势，高水淹处理则呈先上升后下降趋势；黄薄2号2种淹水处理下的都呈先升高后下降的趋势。2个品种各淹水处理下变化幅度不同，但平均值都高于对照；经方差分析，均与对照无显著差异。有研究认为，PSⅡ天线色素的非光化学能量耗散易造成降低，而光合机构被破坏或可逆失活又使其增加，增加越多，PSⅡ反应中心受损越严重。说明淹水胁迫对2个品种的PSⅡ反应中心造成了不同程度的伤害。

2.6.2 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片/的影响/反映植物叶片PSⅡ原初光能转换效率，正常状态下植物的/值在0.75～0.85之间，比较稳定，逆境条件下该参数会发生变化。/值越大，PSⅡ最大光化学量子产量越大，植物对环境适应性越好，植物生长状态越好；反之则越小。由图5可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号低水淹处理下的/总体呈上升趋势，而高水淹处理下的/呈先下降后上升的趋势；黄薄2号低水淹处理下的/呈先下降后上升的趋势，高淹水处理下的/总体呈上升趋势。2个品种各淹水胁迫处理下/都低于对照，且低水淹处理高于高水淹处理。经方差分析，2个品种高水淹处理下的/都与对照和低水淹处理有极显著差异。说明淹水胁迫使薄壳山核桃的光合作用原初反应过程受到部分破坏，而且随着胁迫程度的增加，光合功能受到的破坏程度也相应增加。

2.6.3 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片ETR的影响 ETR是植物光合作用PSⅡ的表观光合电子传递效率，与植物净光合速率呈显著正相关。由图6可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号低水淹处理ETR呈先上升后下降的趋势，高水淹处理则呈起伏式缓慢上升趋势，幅度都不大；黄薄2号低水淹和高水淹处理下的ETR高低起伏，总体呈下降趋势。2个品种各淹水胁迫处理下ETR都低于对照，且低水淹处理下ETR高于高水淹处理。这与/参数表现一致。经方差分析，黄薄1号高水淹处理下的ETR与对照有极显著差异，黄薄2号2种淹水胁迫处理下的ETR都与对照有极显著差异。

2.6.4 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片的影响是反映PSⅡ反应中心的开放程度和光合活性变化的指标，其数值越大，说明传递活性越高。由图7可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号、黄薄2号在低水淹和高水淹处理下的均总体呈下降趋势。黄薄1号在高水淹处理下的高于对照，经方差分析，高水淹与对照及低水淹处理有极显著差异。黄薄2号2种胁迫处理下的都低于对照，且无显著差异。

2.6.5 淹水胁迫对薄壳山核桃叶片NPQ的影响 NPQ反映PSⅡ天线色素吸收的不能用于光合电子传递而以热耗散的形式释放的光能，是植物自我保护的一种途径。由图8可知，随着淹水时间的延长，黄薄1号低水淹处理下的NPQ呈先下降后上升的趋势，而高水淹处理下的NPQ则呈大幅度上升趋势；黄薄2号低水淹处理下的NPQ与黄薄1号低水淹处理变化一致，高水淹处理下的NPQ总体呈缓慢上升趋势。2个品种各淹水胁迫处理下的NPQ整体都高于对照，且低水淹处理整体低于高水淹处理。这与/、ETR参数表现正好相反。经方差分析，黄薄1号高水淹处理下的NPQ与对照有显著差异，黄薄2号2种淹水胁迫处理下的NPQ都与对照有极显著差异。

2.7 2个薄壳山核桃品种耐淹水性综合评价

研究表明植物在逆境条件下的生理变化过程很复杂，无法采用单一的生理生化指标评价其对逆境的适应能力。本研究对不同薄壳山核桃品种的生长、生理指标进行相关性分析(表2)，通过计算各指标耐淹水系数可知，各指标的变化幅度存在差异(表3)。各项指标之间存在一定的相关性，有的指标间达显著相关水平，有的达极显著相关水平。如地径增长率与苗高增长率、/、ETR、NPQ呈极显著相关，与可溶性糖含量、丙二醛含量、呈显著相关等。而且各单项指标对不同薄壳山核桃品种耐淹水能力发挥的作用也各不相同，为此采用隶属函数法进行综合性评价(表4)。由表4可知，2个薄壳山核桃品种不同淹水处理下的耐淹水性排序为：黄薄2号(T)>黄薄1号(T)>黄薄2号(T)>黄薄1号(T)。黄薄2号平均隶属函数值(0.514 5)高于黄薄1号(0.494 7)，因此黄薄2号耐淹水性高于黄薄1号。

表2 各生长生理指标相关系数矩阵

3 结论与讨论

淹水胁迫会使土壤缺氧而产生大量有毒有害物质，植物呼吸受抑制并引起能量供应紊乱，导致植物根系大量死亡，生物量持续减少。淹水胁迫对植物的形态、营养代谢、激素平衡、光合作用等多个方面产生显著影响。

表3 不同薄壳山核桃品种及处理各指标耐淹水系数

表4 不同薄壳山核桃品种及处理各指标的隶属函数值

形态结构能直接反映植物受逆境胁迫的损伤程度，淹水胁迫下植物会产生叶片黄化、干枯，根系褐变或腐烂，皮孔膨大，形成不定根等现象。皮孔膨大和不定根的产生可以帮助植物从水体中获取氧气与营养元素，释放乙炔、乙醇等有害物质，减轻其毒害从而适应长期的淹水胁迫环境。本试验中，薄壳山核桃叶片出现变色渍斑现象(25 d左右)和皮孔膨大的现象(15 d左右)，直到淹水结束(60 d)也没有产生不定根，但试验植株成活率为100%，说明薄壳山核桃具有一定的耐淹水能力。

生长量和叶片叶绿素含量可以间接反映植物受逆境胁迫的损伤程度。本试验中，各品种薄壳山核桃的地径、苗高生长都随淹水胁迫程度的增加而降低，特别是地径，在高水淹处理60 d后，地径均出现了不同程度的负增长。2种淹水处理下的地径、苗高增长率均低于对照，黄薄2号地径、苗高的增长率均高于黄薄1号。

2种淹水处理下，黄薄1号、黄薄2号的叶片叶绿素含量总体都随着淹水胁迫时间的增加而降低，且整体低于对照。这与梓树、北美枫香、丁香等对淹水胁迫的响应一致。淹水胁迫可能导致薄壳山核桃呼吸作用减弱，细胞内积累了较多的氧自由基，破坏了叶绿体膜结构，加快了叶绿素的降解。叶绿素是植物进行光合作用的关键因子，叶绿素含量降低会造成光合作用强度下降，进而影响植株的正常生长发育。在高淹水处理下黄薄1号的叶绿素含量与对照有极显著差异，而在2种淹水处理下黄薄2号叶绿素含量与对照无显著差异，说明黄薄1号在高淹水处理下叶绿素受损程度较大。

淹水条件下细胞内自由基过度积累，导致自由基平衡被破坏，引发和加剧膜脂的过氧化作用，产生丙二醛(MDA)这一代谢产物。通常利用它作为脂质过氧指标，表示细胞膜脂过氧化程度和膜系统损害程度。有研究表明，淹水胁迫会导致植物叶片MDA含量升高，本试验结果与已有报道结果基本一致。黄薄1号、黄薄2号各处理随着淹水时间的延长，其MDA含量变化虽有起伏但整体均呈上升趋势，2种胁迫处理下的MDA含量整体都高于对照，但与对照均无显著差异。2个品种的MDA含量变化起伏和上升幅度略有不同，一方面说明其对淹水胁迫的敏感性不同，另一方面也表明其受到淹水胁迫的伤害有差异。

可溶性糖是一种重要的渗透调节物质，揭示了逆境胁迫对植物代谢过程的影响。本试验中，随着淹水时间的延长，黄薄1号、黄薄2号各处理下可溶性糖含量均在15 d下降到最低水平，然后整体呈上升趋势或趋于稳定，且都高于对照。2个品种高水淹处理下可溶性糖含量与对照有显著差异。一般而言，植物在应对环境的变化时会自主积累一部分可溶性糖，作为能量基础和调节代谢的重要物质，可以在一定程度上减轻水分胁迫带来的危害。试验初期可溶性糖含量降低可能是植物体在面对逆境胁迫下的“自救”反应，分解体内现有可溶性糖以提高自身渗透压，促进各项生化反应正常进行，后期可溶性糖含量升高可能是随着胁迫时间的延长，植物体自主进行渗透调节以适应外部环境的表现。

叶绿素荧光效应是植物对环境变化的生理响应，它与光合作用中各个反应过程紧密相关，能灵敏迅速地反映出逆境胁迫对植物光合作用产生的影响。有研究表明，淹水后植株叶片初始荧光()呈上升趋势，最大光化学效率(/)、光化学淬灭系数()以及光合电子传递速率(ETR)将显著降低，非光化学淬灭系数(NPQ)将显著增加。本试验中，2个薄壳山核桃品种各淹水处理下的平均值均高于对照，但无显著差异；/与ETR参数表现一致，均整体低于对照，2个品种高水淹处理的/、ETR均与对照有极显著差异；除黄薄1号高水淹处理的高于对照外，其他处理的都低于对照，其中黄薄1号高淹水处理与对照有极显著差异，黄薄2号各淹水处理与对照差异不显著；NPQ整体高于对照，黄薄1号高淹水处理与对照差异显著，黄薄2号2个淹水处理均与对照有极显著差异。试验结果与已有研究有相似规律，各叶绿素荧光参数差异程度因薄壳山核桃品种及淹水程度不同而有所区别。淹水胁迫后，升高说明PSⅡ原初光能转化效率及其潜在活力降低，/、ETR参数降低说明光合电子传递与光合原初反应受到抑制，PSⅡ受损，光合作用受到影响。的降低和NPQ升高则说明保护机制启动，通过增加热耗散来减少淹水对PSⅡ系统的影响。

研究证明，植物耐淹水性受多种因素综合影响，同一指标在不同材料上的表现有差别，应该集中多个指标运用科学方法来进行综合评价。本研究采用10个生长和生理生化指标通过隶属函数法对2个薄壳山核桃品种的耐淹水能力进行综合评价，结果表明，黄薄2号耐淹水性高于黄薄1号。本研究结果可为薄壳山核桃耐淹水性品种筛选提供参考。由于试验是人工控制试验，不能全面展现其在自然环境条件下对淹水胁迫的响应，所以还需进行田间试验进一步加以验证。