保水剂具有吸液性、透水性、耐寒性、膨胀性和缓释性等特点^[1], 已在水土保持林建设中得到广泛应用^[2-3]。干旱胁迫下, 保水剂通过改善土壤水分状况和吸附、释放养分, 提高植物根系范围含水量, 维持植物体内水分平衡, 影响植物生理生化特性。目前国内关于保水剂对植物生长及生理生化特性的研究较多, 国外在这方面研究偏少。HVTTERMANN et al^[4]研究表明, 施用保水剂能够增加地中海松(Pinus halepensis Mill)幼苗的土壤含水量, 扩大植物根系的吸收面积, 提高根系的吸收能力。马海林等^[5]研究表明, 保水剂能够增加了侧柏[Platycladus orientalis (Linnaeus) Franco]容器幼苗成活率、净光合速率和相对含水量, 降低了叶片的相对电导率。杨永辉等^[6]研究表明, 施用保水剂降低了小麦(Triticum aestivum Linnaeus)根系质膜透性和可溶性糖含量, 提高了根系活力和根系生物量。余红英等^[7]研究表明, 适当浓度的保水剂处理可提高超甜玉米(Zea mays Linnaeus)幼苗的株高, 增加叶片叶绿素、可溶性蛋白含量和超氧化歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)和脯氨酸的含量。

夏季是丛生竹种出笋旺盛时期, 东南沿海地区夏季易发生高温干旱, 且沿海沙地土壤保水保肥能力低, 容易造成出笋率低和幼竹死亡, 因此, 水分是沿海沙地竹子生长的重要限制性因子之一。有研究^[8]表明沿海沙地造林使用保水剂可以提高造林成活率, 改善生长生理指标, 但有关保水剂对沿海沙地引种竹子生理生化特性的影响研究未见报道。文中以沿海沙地引种成功的勃氏甜龙竹[Dendrocalamus brandisii (Munro) Kurz]、花吊丝竹[Dendrocalamus minor var.amoenus (Q.H.Dai et C.F.Huang) Hsueh et D.Z.Li]、绿竹(Bambusa oldhamii Munro)、大头典竹[Bambusa beecheyana var.pubescens (P.F.Li) W.C.Lin]等4个丛生竹种为研究对象, 从叶绿素、抗氧化系统和渗透调节物质等方面探讨了施用保水剂后竹种之间抗性生理的差异, 并筛选出不同竹种施用保水剂最佳用量水平, 旨在为保水剂在沿海防护竹林的广泛应用和为沿海沙地选择优势竹种提供理论依据。

试验地位于福建省长乐大鹤国有防护林场, 北纬25°57′59″、东经119°40′43″, 属南亚热带海洋性季风气候, 6—9月份为夏季, 高温干旱, 11月到翌年3月为冬春旱季。年平均降雨量1 200 mm, 年平均风速4.2 m · s^-1, 年平均气温19.2 ℃, 最高气温35.6 ℃, 最低气温0 ℃。全年盛行东北风, 可达280~300 d。土壤为滨海沙土, 地势低平, 肥力低, 保水性差, 土壤类型主要以沙质土为主, 土壤深度0~40 cm, 有机质含量2.025~2.369 g · kg^-1, 水解氮含量7.12~7.88 mg · kg^-1, 有效磷含量2.96~3.24 mg · kg^-1, 速效钾含量6.93~8.35 mg · kg^-1。天然植被稀少, 林分结构简单, 林下常见零星植物有木豆[Cajanus cajan (Linnaeus) Huth Helios]、鼠刺(Itea chinensis Hooker & Arnott)、牡荆(Vitex negundo Linnaeus)等。

试验竹林为2010年4月在沿海沙地木麻黄(Casuarina equisetifolia Linnaeus)纯林下套种竹林, 株行距为3 m×3 m, 林分结构稳定, 生长良好。每个竹种面积1.1 hm²。造成林时选择生长健壮、无病虫害的1~2年生母竹, 竹秆劈成马耳型向上切口收集雨水。种植穴为80 cm×80 cm×50 cm, 每穴放黄心土50 kg, 复合肥0.5 kg。试验期间, 试验地土壤含水率在0~20 cm土层为5.00%~10.10%, 在20~40 cm土层为8.13%~12.34%。

保水剂采用河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所研制的营养型抗旱保水剂, 主要成分为聚丙烯酰胺类物质、腐殖酸有机物质和稀土等。选择勃氏甜龙竹(BST)、花吊丝竹(HDS)、绿竹(LZ)和大头典竹(DTD)4个丛生竹种, 以2年生竹株为研究对象。沿海防护竹林基本情况见表 1。

保水剂设置4个处理, 即CK (0 kg · hm²)、A1 (30 kg · hm²)、A2 (60 kg · hm²)、A3 (90 kg · hm²), 每个样丛为1组处理, 重复3次。随机区组设计, 每小区面积为100 m², 3次重复。保水剂按1 : 2重量比与细沙混匀进行环形沟施, 沟深50 cm左右, 再覆盖沙土。在试验期间竹林不进行任何灌溉。于2014年4月初施用保水剂, 2014年7月进行各项指标测定。

采样时间为8:00—9:00, 以从植株顶芽开始的第3~8片完全展开叶为供试材料, 用冰袋保鲜, 带回福建农林大学竹类研究所进行处理。用蒸馏水擦净表面污物, 将叶片剪碎、混合均匀后, 用液氮冷冻后置于-80℃冰箱中保存, 进行不同生理指标测定, 每个指标重复3次。

采用直接浸提法^[9], 按照丙酮:无水乙醇:蒸馏水=4.5 : 4.5 : 1比例提取叶绿素, 以混合溶液为空白对照, 用分光光度计测定在波长663、645 nm处光密度值, 并计算叶绿素总含量, 每个处理重复3次。使用酶标仪(Thermo Multiskan MK3), 采用酶标仪法测定丙二醛(MDA)、可溶性蛋白、可溶性糖含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)活性, 采用电导法测定电解质渗透率, 每个处理重复3次。

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据统计分析和作图。用LSD多重比较检验同一竹种不同保水剂处理下的显著性。

勃氏甜龙竹、大头典竹和绿竹叶片内叶绿素含量随保水剂用量增加先升高后降低, 花吊丝竹则呈现持续上升趋势(表 2)。其中勃氏甜龙竹在A1处理时叶绿素含量最高, 比CK提高了19.61%;花吊丝竹在A3处理时最高, 比CK显著提高了38.25%;绿竹和大头典竹在A2处理时叶绿素含量最高, 分别比CK提高了61.19%和26.49%。

勃氏甜龙竹和大头典竹叶片内可溶性糖含量随保水剂用量增加先升高后降低, 绿竹和花吊丝竹则呈现上升趋势; 勃氏甜龙竹、大头典竹和绿竹叶片内可溶性蛋白含量随保水剂用量增加先升高后降低, 花吊丝竹可溶性蛋白含量呈持续上升趋势(表 2)。其中勃氏甜龙竹在A1处理时可溶性糖和可溶性蛋白含量最高, 比CK提高了56.57%和45.31%;花吊丝竹在A3处理时可溶性糖和可溶性蛋白含量最高, 分别比CK提高了393.01%和64.60%;绿竹分别在A3和A2处理时可溶性糖和可溶性蛋白含量最高, 分别比CK提高了70.41%和71.74%;大头典竹在A2处理时可溶性糖和可溶性蛋白含量最高, 分别比CK显著提高了71.74%和71.11%。

勃氏甜龙竹、大头典竹和绿竹电解质渗透率随保水剂用量增加先降低后升高, 花吊丝竹则呈持续下降趋势; 勃氏甜龙竹MDA含量随保水剂用量增加先降低后升高, 其它3个竹种均呈持续下降趋势(表 2)。其中勃氏甜龙竹在A1处理时电解质渗透率和MDA含量最低, 比CK降低了71.43%和17.28%;花吊丝竹在A3处理时电解质渗透率和MDA含量最低, 比CK降低了51.72%和51.02%;绿竹和大头典竹均在A2处理时电解质渗透率最低, 分别比CK降低了75.00%和60.71%;均在A3处理时MDA含量最低, 分别比CK降低了52.02%和30.28%。

勃氏甜龙竹、大头典竹和绿竹叶片内SOD和POD活性随保水剂用量增加先升高后降低, 花吊丝竹则呈现持续上升趋势(表 2)。其中勃氏甜龙竹分别在A2和A1处理时SOD和POD活性最高, 比CK提高了59.08%和106.03%;花吊丝竹在A3处理时SOD和POD活性最高, 分别比CK提高了366.65%和204.47%;绿竹和大头典竹均在A2处理时SOD和POD活性最高, 分别比CK提高了142.85%和134.88%、196.47%和157.22%。

根据抗性生理指标的相关系数矩阵(表 3), 勃氏甜龙竹叶绿素含量与可溶性糖、可溶性蛋白含量和POD活性呈显著正相关, 与MDA含量呈显著负相关; 可溶性糖与可溶性蛋白含量和POD活性呈显著正相关; 可溶性蛋白含量与SOD和POD活性呈极显著正相关, 与MDA含量呈极显著负相关; MDA含量与SOD和POD活性呈显著负相关; SOD和POD活性呈显著正相关; 其它抗性生理指标之间呈不显著的正负相关关系。花吊丝竹、绿竹和大头典竹叶绿素含量与可溶性糖、可溶性蛋白含量和SOD活性呈显著正相关, 与MDA含量呈显著负相关; 可溶性糖与可溶性蛋白含量、SOD和POD活性呈显著正相关, 与电解质渗透率和MDA含量呈显著负相关; 可溶性蛋白含量与SOD活性呈极显著正相关, 与电解质渗透率呈显著负相关; 电解质渗透率与MDA含量呈极显著正相关, 与SOD和POD活性呈显著负相关; SOD和POD活性呈极显著正相关。花吊丝竹和绿竹叶绿素含量与POD活性呈极显著正相关, 与电解质渗透率呈极显著负相关; 可溶性蛋白含量与POD活性呈极显著正相关; MDA含量与SOD活性呈显著负相关。花吊丝竹MDA含量与POD活性呈显著负相关。其它抗性生理指标之间呈不显著的正负相关关系。分析表明, 4个竹种在不同保水剂处理下各抗性指标之间存在一定的相关性, 并且相关矩阵绝大部分相关系数绝对值大于0.600, 根据因子分析适用性研究^[10], 说明原始数据之间相关关系较强, 适合进行因子分析, 因此应用主成分分析法对保水剂处理下4个丛生竹种抗性生理指标进行综合评价。

根据统计学原理, 当各主成分累积贡献率>85.000%时, 即可反映系统的变异信息, 同时特征值在某种意义上可以反映各主成分影响度大小^[11]。由表 4可知, 4个竹种前两个主成分累积贡献率均大于90.000%, 其中勃氏甜龙竹、花吊丝竹、绿竹和大头典竹前2个主成分的累积贡献率分别达到91.343%、95.743%、95.743%和90.825%, 基本可以解释数据的全部变异情况, 因此前2个主成分可以作为分析4个竹种在不同保水剂用量处理下综合评价指标。4个竹种第1主成分中叶绿素含量、电解质渗透率、MDA含量、SOD活性和POD活性特征向量系数均在0.700~1.000之间, 可以解释大部分的变异。

根据4个竹种各项抗性生理指标综合评分表明(表 5), 施用保水剂处理得分值均高于不施用保水剂处理, 不同竹种最佳保水剂施用量不同。勃氏甜龙竹、花吊丝竹、绿竹和大头典竹的综合得分顺序分别为A1>A2>A3>CK、A3>A2>A1>CK、A2>A3>A1>CK和A2>A3>A1>CK。

叶绿素是植物进行光合作用的主要场所, 叶绿素的高低决定了植物的光合效率和产量。在干旱胁迫下, 高含量的叶绿素能保证光合作用的顺利进行, 提高植物抗旱性^[12]。文中研究表明, 随保水剂用量增加, 勃氏甜龙竹、大头典竹和绿竹叶绿素含量呈先升高后降低的趋势, 保水剂处理始终高于对照处理, 这与以往研究结果^{[7, 13-14]}一致, 花吊丝竹叶绿素含量则呈持续增加趋势。保水剂的增加能够使叶片含水量增加, 使得在干旱条件下叶片叶绿素含量增加。

在干旱条件下, 会引起植物体内氧化胁迫, 通过活性氧对膜系统损伤, 引发或加剧膜质过氧化, 最终造成植物伤害^[15-16]。电解质渗透率是反映细胞质膜透性变化的重要指标, 其值越大, 表明细胞膜伤害越严重, 植物抗性愈弱^[17]。黄慧青等^[18]对雀稗(Paspalum thunbergii Kunth ex Steudel)抗旱性的研究表明保水剂的施用可以有效降低电解质渗透率。MDA是膜脂过氧化的最终分解产物。以往研究表明^[19-20], 保水剂能够改善土壤的通透性, 添加适宜的保水剂可以降低膜脂过氧化对植物的伤害。与CK相比, 施加保水剂处理后, 4个竹种电解质渗透率降低, 勃氏甜龙竹在A1处理时电解质渗透率最低, 花吊丝竹A3处理时最低, 大头典竹和绿竹均在A2处理时最低, 表明此时4个竹种细胞膜受损程度和细胞内物质外渗程度最小, 膜损伤最小。其中勃氏甜龙竹同样也在A1处理时MDA含量低, 其余竹种A3处理时的效果最明显, 表明在相同土壤干旱条件下勃氏甜龙竹膜脂过氧化程度弱。

SOD、POD是清除活性氧的保护酶系, 能够协同作用清除O₂^-、H₂O₂ 等活性氧, 防止膜脂过氧化^[18]。而植物的抗性及其对环境的适应也与其保护酶含量密切相关^[21]。有研究表明^[22-23]在干旱条件下, 植物体内SOD和POD活性与植物抗氧化胁迫的能力呈正相关。文中本研究表明, 与CK相比, 施加保水剂处理可以提高各竹种的SOD和POD活性, 增强各竹种清除氧自由基的能力, 提高竹子的抗旱性。其中, 勃氏甜龙竹的SOD和POD活性始终保持较高的水平, 花吊丝竹SOD和POD活性较低, 但是随着保水剂量的增加, 与CK相比其升高幅度最大。

渗透调节是植物适应水分胁迫的一种重要机制, 可溶性糖、可溶性蛋白等作为渗透调节物质, 可以提高渗透压, 增强保水力, 提高植物抗旱性^[24]。植物在干旱条件下可以主动积累这两种可溶性有机物来降低渗透势, 进行渗透调节。文中研究表明, 与CK相比, 不同保水剂处理对各竹种可溶性蛋白和可溶性糖的含量差异普遍达到显著水平, 说明保水剂的施用, 增加了各竹种体内可溶性物质的积累, 从而调节细胞质渗透势以适应沙地干旱环境。其中勃氏甜龙竹在A1处理时效果最佳, 表现出较强的渗透调节能力和适应能力。王东清等^[25]对红麻(Apocynum venetum Linnaeus)和大麻状罗布麻(Apocynum cannabinum Linnaeus)渗透调节物质的研究表明, 两种罗布麻均能够通过积累可溶性糖和可溶性蛋白质来抵御干旱环境, 这与文中研究结果一致。

从生理生化指标的主成分得分可知, 勃氏甜龙竹、花吊丝竹、绿竹和大头典竹最优保水剂用量分别为30、90、60和60 kg · hm^-2。在相同条件下, 施用保水剂可以显著提高竹种抗旱性能, 其中勃氏甜龙竹仅需利用较低的保水剂用量就能达到明显效果, 花吊丝竹需要较高的保水剂用量, 其他竹种则需中等用量。