土壤石砾含量对掌叶木幼苗生长及生理影响的年际变化

马朝阳 刘天凤 李晓雪 霍灿灿 付玲玲 李在留*

（1.广西大学林学院，南宁 530004； 2.国家林草局中南速生材繁育重点实验室点实验室，南宁 530004； 3.广西森林生态与保育重点实验室，南宁 530004）

石砾广泛存在于土壤中，通过与细土相互作用使土壤孔隙度、容重、含水量等发生改变，从而影响土壤pH、温度、养分等理化性质［1］。与无石土相比，石砾增加了土壤的孔隙度，保持了较高的阳离子交换，改变了土壤的保水性和持水时间，降低了土壤对于根系的机械阻力，有利于根系的生长分布［2］。但若土壤中石砾含量过多，甚至出现大范围岩石裸露现象时，便会导致土壤石漠化以及植物难以生长［3］。中国南方喀斯特山区便是典型的石砾地，包括广西、贵州、云南等地，该地区土壤发育缓慢、土层浅薄、水土流失严重，在人为活动干扰下极易退化导致石漠化［4-5］。因此，加强喀斯特山区特色植物栽培与恢复研究具有重要意义。

掌叶木（Handeliodendron bodinieri）又名鸭脚板、平舟木，隶属于无患子科（Sapindaceae）掌叶木属（Handeliodendron），自然分布于广西、贵州以及云南交界处的喀斯特山区［6-7］。其树形高大，叶形奇特，花果艳丽，是集药用、材用、油用、绿化观赏为一体的中国特有单属种孑遗植物［8-9］。掌叶木雌树中具有单性花和败育雄蕊，种仁含油量高达52.6%，易受虫害和动物采食，易发霉，自然状态下种子萌发率低，加之生境被破坏，更新幼苗幼树少，已成为西南喀斯特地区特有濒危树种［10-11］。掌叶木自然生长较慢，种群年龄结构呈衰退型［12］。但能够从岩石表面和缝隙中获取生长所需的水分和养分，对不良环境具有较强的适应性，是西南岩溶石山区多功能潜力树种，也是喀斯特地区植被恢复的首选树种之一。因此，人工繁育掌叶木幼苗并探索其适宜土壤条件具有重要意义。

课题组前期初步研究了不同石砾含量对掌叶木幼苗生长、生理特性及根系的影响［13-14］，结果表明，适当增加土壤石砾含量，能够有效促进掌叶木幼苗及其根系的生长，但随着处理时间的延长，促进作用是否能持续尚不清楚。因此，本研究通过对比3个连续生长季内，不同石砾含量土壤对掌叶木幼苗生长、光合和抗性生理的影响，探究掌叶木幼苗对不同石砾含量土壤的适应性，筛选出适宜掌叶木幼苗生长的土壤石砾含量，为其人工繁育及其在喀斯特石漠化地区的合理种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于广西大学林学院苗圃（22°12′N，107°19′E）进行。以1 年生掌叶木实生苗为试验材料开展盆栽试验，苗高为（25±5） cm。土壤为喀斯特石山地区土壤（过筛去除枯枝落叶等杂质，pH约7.16，全氮质量分数2.54 g·kg-1，全磷质量分数0.20 g·kg-1），石砾为采集土壤地区石灰岩（工厂统一加工成约0.5 cm3的颗粒）。

1.2 试验设计

2018 年3 月，采用单因素完全随机试验设计，按体积比配置成石砾含量为0（ck），20%，40%，60%和80%的土壤，装入育苗盆内，种植容器使用进口塑料容器（上口径15.0 cm，下口径10.6 cm，高度13.0 cm，容积为1 688.45 cm³）。将长势一致的掌叶木幼苗栽植到育苗盆，每盆1 株，每个处理设置3 次重复，每个重复15 株。试验期间，每隔1 d用自动喷灌系统喷水5 min，及时除草除虫。

1.3 试验方法

1.3.1 生长指标测定

分别于2018、2019、2020年的3月和9月，每组随机选择10 株幼苗，使用直尺测量掌叶木幼苗株高，游标卡尺测量地径，并计算各处理株高和地径增长率。采用手持激光叶面积仪（YMJ-B，中国），测量掌叶木幼苗叶面积。每组随机选择3株幼苗，采用烘干法测定掌叶木幼苗根、茎、叶及总生物量。

株高增长率=（当年9 月株高-当年3 月株高）/当年3月株高×100% （1）

地径增长率=（当年9 月地径-当年3 月地径）/当年3月地径×100% （2）

1.3.2 光合生理指标测定

分别于2018、2019、2020 年9 月晴朗天气的上午，每组随机选择3 株幼苗，使用光合仪（LI-6400，美国）测定掌叶木幼苗净光合速率（Pn）、胞间CO2摩尔分数（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）等指标。

1.3.3 抗性生理指标测定

分别于2018、2019、2020 年9 月，采用NBT 比色法、愈创木酚法、硫代巴比妥酸法、蒽酮比色法和考马斯亮蓝染色法，分别测定掌叶木幼苗叶片超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性，丙二醛（MDA）质量摩尔浓度、可溶性糖和可溶性蛋白质量分数［15］。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 24.0 软件对数据进行方差分析，采用主成分分析法（PCA）对掌叶木幼苗生长、光合及生理各项指标进行综合分析与排名。

2 结果与分析

2.1 土壤石砾含量对3个生长季掌叶木幼苗生长指标的影响

由图1 可见，随着石砾含量的增加，第1 个生长季内，掌叶木幼苗地径增长率及叶生物量呈现先升后降的趋势，且在土壤石砾含量为40%时显著（P＜0.05）高于对照组。而各处理组株高增长率、叶面积以及根、茎、总生物量与对照组差异不显著。在第2 个生长季，随着生长季的延长，掌叶木幼苗根、总生物量及株高增长率在土壤石砾含量为40%时显著高于对照组。在第3 个生长季，当土壤石砾含量为60%时，幼苗株高增长率、地径增长率、叶面积显著高于对照组，分别比对照组增加了43.8%、12.4%、5.95 cm2。此时，幼苗根、总生物量最适宜土壤石砾含量依旧为40%，而对照组幼苗根冠比达到最大值。此外，在3个连续生长季内，掌叶木幼苗茎生物量分别在土壤石砾含量为20%、20%、60%时达到最大值，分别比对照组增加了0.02、0.11、0.60 g。在第二、第三生长季，各处理组幼苗株高增长率显著增高，而地径增长率显著降低。随着生长季的延长，各处理组根、茎、叶及总生物量显著增高，0、40%及60%处理组叶面积在第三生长季显著增加。

图1 土壤石砾含量对掌叶木幼苗生长指标的影响同一项目不同小写字母表示相同生长季、不同石砾含量土壤间各性状差异显著（P＜0.05）；同一项目不同大写字母表示相同石砾含量土壤、不同生长季间各性状差异显著；下同Fig.1 Effects of soil gravel content on growth index of Handeliodendron bodinieri seedlings Different lowercase letters for the same project indicated significant differences in various traits between soils with the same growth season and different gravel conten（tP＜0.05），while different uppercase letters for the same project indicated significant differences in various traits between soils with the same gravel content and different growth seasons；the same as below

2.2 土壤石砾含量对3个生长季掌叶木幼苗光合生理的影响

由图2 可见，在第1 个生长季，掌叶木幼苗Gs、Tr均在土壤石砾含量为40%时显著高于对照组，分别比对照组增加54.4%、75.7%，Pn、Ci分别在土壤石砾含量为60%、20%时达到最大值，且都显著高于对照组。在第二生长季时，掌叶木幼苗Pn随土壤石砾含量的增加呈现出先升后降的趋势，当石砾含量为60%时显著高于对照组。幼苗Tr、Ci分别在土壤石砾含量为60%、20%时达到最大值，且显著高于对照组。在第三生长季，当土壤石砾含量小于40%时，幼苗Pn、Ci均随石砾含量的增加呈现上升趋势，继续增加石砾含量，幼苗Pn、Ci开始逐渐下降。此时，掌叶木幼苗Tr最适宜土壤石砾含量为20%，比对照组显著增加18.6%。幼苗Gs随石砾含量的增加呈现先升后降的趋势，且添加石砾含量组均显著高于对照组。随着生长季的延长，幼苗Pn显著降低，各处理组Gs及60%处理组Ci在第二生长季显著高于第一、第三生长季，40%处理组Tr在前两个生长季无显著差异，但显著高于第三生长季。

图2 土壤石砾含量对掌叶木幼苗光合特征的影响Fig.2 Effects of soil gravel content on photosynthetic characteristics of H. bodinieri seedlings

2.3 土壤石砾含量对3个生长季掌叶木幼苗抗性生理的影响

由图3 可见，随着土壤石砾含量的增加，3 个连续生长季内，掌叶木幼苗叶片可溶性糖质量分数始终随着石砾含量的增加呈现上升趋势，且对照组显著低于其他组。此外，随着土壤石砾含量的增加，在第一生长季，掌叶木幼苗SOD 活性、可溶性蛋白质量分数均呈现上升趋势，但随着生长季的延长，在第二、第三生长季，幼苗SOD 活性在土壤石砾含量分别为40%、60%时达到最大值，分别比对照组增加了15.2%、31.9%；幼苗可溶性蛋白质量分数在土壤石砾含量分别为60%、80%时达到最大值，并都显著高于对照组。3 个生长季内，掌叶木幼苗MDA 质量摩尔浓度始终在土壤石砾含量为80%时达到最大值，分别比对照组增加10.6%、19.1%和92.3%；幼苗POD 活性始终在土壤石砾含量为60%时达到最大值，分别比对照组增加30.2%、17.5%和5.9%。随着生长季的延长，20%～80%处理组幼苗可溶性糖质量分数在第一生长季显著高于第二、第三生长季，20%处理组幼苗可溶性蛋白及MDA 质量摩尔浓度在第二生长季显著增高。0～40%处理组SOD 活性无显著差异，而POD活性呈上升趋势。

2.4 土壤石砾含量对3个生长季掌叶木幼苗影响的综合评价

为综合评价3 个连续生长季内不同石砾含量土壤对掌叶木幼苗生长发育的影响，对17个生长、光合及生理指标进行主成分分析。如表1所示，对于各生长季的掌叶木幼苗，前4个主成分的累计贡献率分别达到86.425%、81.964%、84.787%，基本能够反应3 个生长季内掌叶木幼苗在不同石砾含量土壤中的生长状况。

如表2 所示，掌叶木幼苗生长、光合和生理特性各项指标的综合得分及排名结果表明，发现前两个生长季的掌叶木幼苗均在土壤石砾含量40%时生长状况最好，综合得分分别为1.667 和1.705。第三生长季的掌叶木幼苗生长状况最好的石砾含量为60%，综合得分为1.282，对于连续3个生长季，掌叶木幼苗均在土壤石砾含量60%时生长状况最好，综合得分分别为0.570。由此可见，土壤中加入适量石砾能够促进掌叶木幼苗生长发育，且不同生长季最适宜掌叶木生长的石砾含量不同。

3 讨论与结论

恢复与重建目的物种适宜的生境是保护野生植物种群的重要方式［16］。在西南岩溶石山区，植物会通过增加根系生物量来适应土壤资源匮乏的生境［17］。本研究中，在各生长季内，随着土壤石砾含量的增加，掌叶木幼苗各生长指标均有所提高，可能因为在土壤中适量添加石砾含量，增加了土壤孔隙度，改善了土壤的持水能力和养分条件，有利于掌叶木幼苗根系吸收和代谢效率，从而促进幼苗的生长发育。但当石砾含量达到80%时，土壤资源相对减少，植物根系与土壤的接触面积减少，降低了植物对土壤养分的吸收利用，从而限制植物生长，幼苗各生长指标显著低于对照组。前2个生长季，掌叶木幼苗株高、地径最适土壤石砾含量均为40%，但第三生长季时，最适土壤石砾含量变为了60%，说明随着生长季的延长和幼苗的生长发育，根系需要更大的土壤孔隙度来保证养分吸收效率和空间拓展能力。有研究表明，一定含量石砾会影响土壤的理化性质，使土壤具备的更多孔洞保持了阳离子交换和土壤水分，进而影响植物生物量的积累［18］。在前两个生长季内，掌叶木幼苗叶面积和根冠比均在40%石砾含量下达到最大值，但在第三生长季时，叶面积和根冠比最适土壤石砾含量变为了60%和0，说明增加土壤石砾含量，导致掌叶木幼苗地上及地下干物质分配格局发生改变，土壤孔隙度增加，根部对水分的吸收能力增强，而随着年生长周期的延长，掌叶木幼苗对不同含石量土壤表现出极强的适应性，掌叶木幼苗生长中心逐渐向地上部分转移。这与高歌等［19］研究结果相似，即在逆境条件下，植物可通过调整自身物质分配以优化对有限资源的获取。

光合作用是植物生长的基础，气孔作为水分散失和CO2吸收的主要通道，直接影响到植物的光合作用和蒸腾作用［20］。王延双等［21］研究表明，在水分胁迫条件下，红花玉兰（Magnolia wufengensis）幼苗叶片气孔关闭，抑制了CO2同化作用，Pn、Tr下降。Pn体现了植物在逆境条件下对光合生理的响应以及有机物积累等方面的能力［22］。在本研究中，前两个生长季内，掌叶木幼苗Pn、Gs、Ci分别在土壤石砾含量为60%、40%、20%时达到最大值，在第三生长季，三者最适宜土壤石砾含量变为了40%、60%、40%。掌叶木幼苗3个生长季内Tr最适宜土壤石砾含量分别为40%、60%、20%。说明随着年生长周期的延长，增加土壤石砾含量，土壤持水能力下降，掌叶木作为耐旱性较强的植物，土壤持水量的降低使幼苗吸水效率增加，Gs随之增加，从而促进了CO2的利用效率，其光合速率和生物量的积累显著增加，从而使幼苗株高、地径及生物量显著增加。但当土壤石砾含量过量时，土壤养分含量降低，叶片气孔关闭，Tr及Pn也随之降低。说明土壤中添加适量石砾能显著促进掌叶木幼苗进行光合作用以及生物量的积累。

抗氧化酶POD和SOD二者间可通过协同作用清除植物体内过量的活性氧，保护细胞膜正常代谢，防止膜脂过氧化，进而提高苗木的生长适应能力［23］。何榜眼等［24］研究发现，低磷处理下，大花序桉（Eucalyptus cloeziana）幼苗通过增强抗氧化酶活性，以快速清除体内多余的自由基，恢复植物体原本的动态平衡，减轻胁迫对其造成的伤害。当植物生长环境逐渐恶化，植物体内细胞物质平衡遭到破坏，活性氧在细胞体内大量积累，从而对植物产生毒害作用［25］。本研究中，随土壤石砾含量增加，在第1个生长季，掌叶木幼苗SOD、POD活性呈现上升趋势。随着生长季的延长，3 个生长季后，幼苗SOD、POD 活性在土壤石砾含量为60%时达到最大值。这说明土壤中添加少量石砾，不会对幼苗生长造成显著抑制，随着石砾含量的增加土壤肥力逐渐降低，掌叶木幼苗体内保护酶系统被激活，叶片通过提高细胞内的抗氧化酶活性来降低自由基含量，从而避免植物受到伤害。当土壤石砾含量达到80%时，幼苗保护酶系统的活力和平衡受到破坏，使活性氧累积，启动并加剧膜脂过氧化而造成整体膜的损伤，严重影响了幼苗正常代谢。MDA 作为细胞膜系统内脂质代谢的产物，对核酸、蛋白质等大分子营养物质具有破坏作用，过度的脂质氧化分解，将导致细胞膜系统选择透过性降低或丧失，最终使细胞受到伤害甚至死亡［26］。本研究中，在各个生长季，掌叶木幼苗MDA质量摩尔浓度随土壤石砾含量的增加而增加。说明掌叶木幼苗叶片细胞的膜系统在高石砾含量条件下发生了显著的膜脂过氧化现象。可溶性糖和可溶性蛋白作为植物组织内重要的营养物质，为植物生命活动提供物质和能量来源，具有渗透调节和催化活性等作用，且在维持植物蛋白稳定方面起到重要作用［27］。3个生长季内，掌叶木幼苗可溶性糖质量分数均在土壤石砾含量为80%时达到最大值。在第三生长季，当土壤石砾含量高于60%时，可溶性蛋白质量分数显著高于对照组。说明随着土壤石砾含量的增加，土壤肥力逐渐下降，掌叶木幼苗通过主动积累可溶性糖和可溶性蛋白，以调节渗透平衡，增加吸水和保水能力，以维持正常的水分代谢和生长发育。

综上所述，土壤石砾含量对3个生长季掌叶木幼苗生长及生理皆有影响，在3 个连续生长季内，幼苗生长及生理指标得分最高的土壤石砾含量分别为40%、40%、60%，对于连续3 个生长季，幼苗在土壤石砾含量60%时生长状况最好。因此，在人工繁育掌叶木幼苗时，可在土壤中添加40%～60%的石砾，以促进掌叶木幼苗的生长发育。