所选材料为锦绣苋, 苋科莲子草属多年生草本, 喜温暖湿润, 宜阳光充足, 夏季生长迅速, 入秋后叶色变艳丽圆润; 玉吊钟, 景天科伽蓝菜属多年生草本, 喜温暖凉爽, 不耐高温烈日, 形态如花, 株型美观; 藓状景天, 景天科景天属多年生草本, 茎带木质, 丛生, 叶互生, 线形至线状披针形, 花黄色; 洋竹草, 鸭跖草科洋竹草属植物, 与铺地锦竹同属但不同种, 喜温暖、湿润的环境, 叶背紫红色, 夏季在室外叶肉质化, 株型紧凑。

4种供试植物均为多年生草本。试验从2015年8月5日开始, 地点在东莞市铁汉生态环境股份有限公司实验楼屋顶简易防雨棚内。从苗圃选择生长稳定, 长势相对一致、健壮无病虫害的植物苗, 定植于直径22 cm, 高12 cm的塑料盆中, 盆栽基质为珍珠岩︰陶粒︰有机肥=1︰1︰1(质量比), 盆底铺两层细密纱布以防止浇水时基质外渗。采用连续干旱的方法进行胁迫, 植物充分浇水后不再浇水, 在胁迫0(CK)、4、8、12、16、20 d后测定植株的各项生理指标, 每处理每项指标重复试验测定3次。

1.3.1 植物外部形态评价 植物在胁迫期间内, 其外部形态会发生萎蔫、黄化、脱落甚至死亡等现象, 根据植物生长表现进行综合分级评定, 共分为5个等级^[7]:5分为生长正常, 叶片颜色鲜亮; 4分为生长一般, 叶色基本正常, 稍微暗淡; 3分为生长缓慢, 叶片反卷, 轻度萎蔫; 2分为停止生长, 叶片开始黄化、干枯、脱落; 1分为植株失水严重, 地上部分倒伏死亡。

胁迫解除, 复水后, 根据植物生长表现进行综合分级评定, 共分为5个等级:5分为长势良好, 可恢复85%以上; 4分为长势正常, 可恢复65%~85%; 3分为长势一般, 可恢复45%~65%; 2分为长势缓慢, 可恢复25%~45%; 1分为长势微弱, 恢复25%以下。复水后第2天后即观测, 然后每7 d观测记录1次, 连续4次。

1.3.2 主要测定指标及方法 植株永久萎蔫率、叶片失水率、叶片相对含水量采用称重法测定^[8]。持续干旱条件下, 参试植株叶片出现萎蔫下垂且翌日清晨不能恢复正常时, 取盆中土壤测定土壤含水量, 即为植物的永久萎蔫率^[9]。 叶绿素荧光参数的测定用 Li-6400便携式光合测定系统进行活体测定^[10], 选取部位、叶龄一致的叶片进行测定, 暗适应20 min以后, 测定的主要荧光参数有:F_v/F_m(PSⅡ 原初光能转化效率); 植物光适应以后, 测定光化学光的光强为1 000 μ mol· (m²· s)^-1时的主要荧光参数有F_v’ /F_m’ (光下实际光能转化效率)、ETR(表观光合电子传递速率)、Φ PSⅡ (线性电子传递的量子效率)、NPQ(非光化学淬灭系数)。

1.3.3 植物抗旱能力综合评价 采用模糊数学中的隶属函数法进行综合评判^[11], 如果与耐旱性呈正相关, 则X(U)=(X-X_min)/(X_max-X_min); 如果指标与耐旱性呈负相关, 则X(U)=1-(X-X_min)/(X_max-X_min)。其中, X为各指标的平均值, X_max、X_min分别为对应指标的最大值与最小值。

所得数据采用Excel进行整理和作图, 用SPSS 20.0进行显著性分析(LSD法)。

干旱胁迫期间, 试验地地表平均温度在33 ℃以上, 最高可达54.5 ℃, 平均空气湿度除胁迫前8 d在70%左右, 其它时间都在20%左右, 干燥闷热(图1), 这与华南地区实际的屋顶气候环境基本类似。

图1

Fig.1

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	图1 试验地地表温度和空气湿度变化Fig.1 The changes of roof surface temperature and air humidity during the test

锦绣苋在干旱4 d时叶片即开始反卷, 之后植株倒伏, 地上部分死亡, 而其它供试植物在干旱8 d时仍无明显变化(表1)。干旱16 d后, 玉吊钟、藓状景天和洋竹草由生长一般至生长缓慢的转变, 叶色也慢慢暗淡, 叶片开始出现轻微反卷, 叶缘萎蔫。干旱20 d后, 藓状景天和洋竹草则停止生长, 老叶锈色、干枯脱落, 而玉吊钟只是叶缘干枯。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 干旱胁迫下4种植物外部形态的表现 Table 1 Morphological changes of four plants under drought stress 植物名称 Plant name 胁迫时间 Days of drought stress 0 d 4 d 8 d 12 d 16 d 20 d 锦绣苋Alternanthera bettzickiana 5 3 1 * * * 玉吊钟Kalanchoe fedtschenkoi ‘ Rosy Dawn’ 5 5 5 4 3 3 藓状景天Sedum polytrichoides 5 5 5 4 3 2 洋竹草Callisia sp. 5 5 5 4 3 2 Note: * , the parts of above ground are dead, the same in Table 4. 5, normal growth with bright color leaves; 4, general growth and leaves color are basically normal, slightly dim; 3, plant grow slowly, leaves reflexed and slight wilting; 2, plant stop growing, the leaves began to yellow, withered, fall off; 1, plant lose water seriously and lodging to death. 注:* 代表地上部分全部死亡。表4同。5分代表生长正常, 叶片颜色鲜亮; 4分代表生长一般, 叶色基本正常, 稍微暗淡; 3分代表生长缓慢, 叶片反卷, 轻度萎蔫; 2分代表停止生长, 叶片开始黄化、干枯、脱落; 1分代表植株失水严重, 部分倒伏死亡。

表1 干旱胁迫下4种植物外部形态的表现 Table 1 Morphological changes of four plants under drought stress

锦绣苋在干旱8 d后解除胁迫, 复水后第2天, 锦绣苋即能立即恢复50%, 叶片吸水舒展饱满, 植株挺立, 第7天后即能100%恢复, 但在中午烈日高温下叶片会暂时萎蔫卷曲, 至翌日清晨复原, 说明锦绣苋恢复能力极强(表2)。玉吊钟、藓状景天和洋竹草在干旱20 d后解除胁迫, 洋竹草在复水第14天后, 能100%恢复, 玉吊钟在复水28 d后能恢复100%, 而藓状景天恢复比较缓慢, 在复水14 d后开始恢复30%左右, 至复水28 d后, 能恢复80%左右。由此可见, 4种植物在干旱胁迫解除后, 恢复能力大小为锦绣苋> 洋竹草> 玉吊钟> 藓状景天。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 复水后4种植物外部形态的变化 Table 2 Morphological changes of four plants after rewatering 植物名称 Plant name 复水时间 Days of rehydration 2 d 7 d 14 d 21 d 28 d 锦绣苋Alternanthera bettzickiana 3 5 5 5 5 玉吊钟Kalanchoe fedtschenkoi ‘ Rosy Dawn’ 1 2 3 4 5 藓状景天Sedum polytrichoides 1 1 2 3 4 洋竹草Callisia sp. 1 4 5 5 5 Note: 5, growing well, restore more than 85%; 4, growing normally, restore 65%~85%; 3, growing in general, restore 45%~65%; 2, growing slowly, restore 25%~45%; 1, growing weakened, restore 25% or less. 注:5分为长势良好, 可恢复85%以上; 4分为长势正常, 可恢复65%~85%; 3分为长势一般, 可恢复45%~65%; 2分为长势缓慢, 可恢复25%~45%; 1分为长势减弱, 恢复25%以下。

表2 复水后4种植物外部形态的变化 Table 2 Morphological changes of four plants after rewatering

从断水天数来看, 洋竹草和藓状景天在其断水16 d后出现萎蔫, 说明其根系有较强的从土壤中吸收水分的能力; 其次是玉吊钟, 在断水14 d后出现萎蔫, 锦绣苋在断水4 d后即出现永久萎蔫, 达到30.16%, 为洋竹草的2倍, 说明其不耐旱(表3)。从永久萎蔫率来看, 洋竹草的永久萎蔫率最小, 其次是玉吊钟和藓状景天, 锦绣苋的永久萎蔫率最大, 与其余3种植物差异显著(P< 0.05)。从叶片失水率来看, 非肉质叶的锦绣苋的叶片失水率最大, 为22.265%, 显著高于其余3种植物的叶片失水率(P< 0.05); 其次是藓状景天、玉吊钟和洋竹草, 其中玉吊钟和洋竹草差异不显著(P> 0.05), 说明肉质叶具有较强的保水能力, 抗旱能力强。这与实际观测结果一致。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 4种植物的永久萎蔫率和叶片失水率 Table 3 The permanent wilting rate and foliage water-losing rate of four plants 植物名称 Plant name 断水天数 Days without water/d 永久萎蔫率 Permanent wilting rate/% 叶片失水率 Foliage water-losing rate/% 锦绣苋Alternanthera bettzickiana 4 30.155± 1.497a 22.265± 3.503a 玉吊钟Kalanchoe fedtschenkoi ‘ Rosy Dawn’ 16 16.110± 1.653b 9.675± 2.081c 藓状景天Sedum polytrichoides 14 16.423± 1.282b 12.785± 0.914b 洋竹草Callisia sp. 16 15.651± 0.207b 7.289± 1.467c Note: The data in the table express as mean± standard deviation; Different lower case letters within the same column show significant difference among different plants at 0.05 level. 注:表中数值表示平均值± 标准差; 同列不同小写字母表示植物不同处理之间差异显著(P< 0.05)。

表3 4种植物的永久萎蔫率和叶片失水率 Table 3 The permanent wilting rate and foliage water-losing rate of four plants

锦绣苋的叶片相对含水量在干旱4、8 d时就显著低于对照(P< 0.05), 较对照组分别下降了7.86%和25.79%, 干旱12 d后地上部分就已经枯萎导致无法测定数据(图2)。玉吊钟在干旱12 d内, 叶片相对含水量均保持在94%左右, 与对照组无显著差异(P> 0.05), 在干旱20 d时降幅为5.79%, 而藓状景天和洋竹草的叶片相对含水量降幅仅分别为4.1%和7.27%, 但三者均较对照组显著降低(P< 0.05)。可见, 在持续干旱的条件下, 玉吊钟、藓状景天和洋竹草均能保持相对较高的叶片相对含水量, 表现出较强的抗旱能力, 其中以玉吊钟的叶片相对含水量降幅最小, 表现出最为稳定。

图2

Fig.2

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	图2 干旱胁迫下4种植物叶片相对含水量的变化Fig.2 Change of leaf relative water content of four plants under drought stress 注:不同小写字母表示同一植物不同胁迫时间间差异显著(P< 0.05)。 Note: Different lower case letters for the same plant species show significant difference among different stress days at 0.05 Level.

4种植物的 F_v/F_m和F_v’ /F_m’ 值在整体上表现为, 随着干旱胁迫时间延长而逐步降低, 其中变化幅度最大的为锦绣苋, 在干旱8 d后, F_v/F_m和F_v’ /F_m’ 值与对照组相比分别降低了16.4%和52.8%; 变化幅度最小的为洋竹草, 在干旱20 d后, F_v/F_m和F_v’ /F_m’ 值与对照组相比分别降低了10.7%和31.3%, 玉吊钟和藓状景天处于二者之间(表4)。4种植物的Φ PSⅡ 值和ETR值均随着干旱胁迫时间的延长而呈现逐步降低的趋势, Φ PSⅡ 值变化率快慢顺序是锦绣苋> 玉吊钟> 藓状景天> 洋竹草, 且锦绣苋与洋竹草分别从第4天和第8天开始出现显著性差异(P< 0.05)。ETR值变化率快慢顺序是锦绣苋> 洋竹草> 玉吊钟> 藓状景天。可见, 在持续干旱胁迫下, 锦绣苋的光合能力最弱, 藓状景天的光合能力强于玉吊钟的。4种植物的NPQ值随着干旱胁迫时间的延长呈上升趋势, 其中玉吊钟、藓状景天和洋竹草在干旱20 d后, NPQ值分别为对照组的3.98、3.81和2.47倍。可见, 洋竹草在持续干旱胁迫下, 以热能的形式耗散的能量相对来说较少, 大部分都用于光合作用。相反, 锦绣苋的光能利用率最低。

2.6.1 变化率分析 多个指标进行综合评价时, 把多个不同方面且量纲不同的绝对指标, 转化为无量纲的相对评价值, 以消除不同计算单位对综合评价的影响, 故采用各指标变化率(处理/对照)来进行隶属函数分析^[12]。本研究中处理值指试验最终值, 4种植物各项指标的变化率如表5所示。锦绣苋变化率最大的指标为相对含水量、F_v/F_m、F_v’ /F_m’ 、Φ PSⅡ 和ETR, 变化率最小的为NPQ指标; 藓状景天相对含水量指标变化率最小, 而NPQ指标变化率最大; 洋竹草变化率最小的指标为F_v/F_m、F_v’ /F_m’ 、Φ PSⅡ 。不同植物材料在不同的指标上表现出不同的变化, 故需要更进一步的隶属函数法来对植物的综合抗旱性进行分析。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 干旱胁迫下4种植物各指标的变化率 Table 5 The change rate of four kinds of plants under drought stress 指标 Parameter 锦绣苋 Alternanthera bettzickiana 藓状景天 Sedum polytrichoides 玉吊钟 Kalanchoe fedtschenkoi ‘ Rosy Dawn’ 洋竹草 Callisia sp. 叶片相对含水量 Leaf relative water content -0.211 -0.002 -0.028 -0.033 Fv/Fm -0.093 -0.058 -0.054 -0.036 Fv’ /Fm’ -0.367 -0.263 -0.280 -0.250 Φ PSⅡ -0.630 -0.177 -0.197 -0.160 ETR -0.533 -0.179 -0.185 -0.438 NPQ 0.369 2.175 1.748 1.070

表5 干旱胁迫下4种植物各指标的变化率 Table 5 The change rate of four kinds of plants under drought stress

2.6.2 隶属函数值分析 以植物的各项生理指标的变化率来评价植物的抗旱能力, 4种植物的6个指标的隶属函数值列于表6, 洋竹草的加权值最大, 说明它是抗旱性最强的品种。4种植物按照平均隶属函数值加权值的大小排列顺序为洋竹草> 玉吊钟> 藓状景天> 锦绣苋, 反映了这4种材料的抗旱性强弱顺序是洋竹草> 玉吊钟> 藓状景天> 锦绣苋。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 4种植物抗旱性综合评定指数与排序 Table 6 Comprehensive appraisal index of drought stress tolerance of four plants 指标 Parameter 锦绣苋 Alternanthera bettzickiana 藓状景天 Sedum polytrichoides 玉吊钟 Kalanchoe fedtschenkoi ‘ Rosy Dawn’ 洋竹草 Callisia sp. 叶片相对含水量a Leaf relative water content 0.000 0 1.000 0 0.875 6 0.851 7 Fv/ 0.000 0 0.614 0 0.684 2 1.000 0 Fv’ /Fm’ a 0.000 0 0.888 9 0.743 6 1.000 0 Φ PSⅡ a 0.000 0 0.863 8 0.921 3 1.000 0 ETRa 0.000 0 1.000 0 0.983 1 0.268 4 NPQb 1.000 0 0.000 0 0.230 0 0.620 0 隶属函数总值Total value 1.000 0 4.366 8 4.437 7 4.740 0 平均值Average 0.142 9 0.727 8 0.776 8 0.815 0 耐旱能力排序 Drought resistance rank 4 3 2 1 Note:The lower case letter a and b in the Table 6 indicate the index has positive correlation and negative correlation with drought stress, respectively. 注:表中“ a” 表示该指标与耐旱呈正相关, “ b” 表示该指标与耐旱呈负相关。

表6 4种植物抗旱性综合评定指数与排序 Table 6 Comprehensive appraisal index of drought stress tolerance of four plants

植物永久萎蔫率反映植物根系从土壤中吸水的能力, 可以作为植物抗旱能力强弱的指标之一^[4]。本研究中, 表观上不耐旱的锦绣苋, 植株永久萎蔫率较高, 在短短的4 d内即开始出现永久萎蔫且不可恢复现象, 其余3种表观上耐旱的植物, 植株永久萎蔫率低, 能忍受15 d左右较低的土壤含水量。

植物叶片失水率越低, 维持较高叶片含水量的能力越强, 细胞膜受的伤害就越小, 抗旱性也就越强^[13]。本研究中, 锦绣苋失水率最高, 叶片相对含水量最低且随着胁迫时间延长而大幅度降低, 表现出最弱的抗旱性; 洋竹草地锦竹叶片失水率最小, 反之叶片持水率就越大, 叶片相对含水量始终保持在较高的数值, 抗旱性最强; 藓状景天和玉吊钟处于两者之间。

植物的光合作用的强弱, 反映着植物的生长状况和抗逆性^[14]。而叶绿素荧光动力学是建立在植物光合作用的基础上, 利用叶绿素a荧光作为天然探针, 用以测定叶片光合作用中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等, 能快速灵敏、无损伤地反映PSⅡ 的状况, 已经逐渐成为了研究植物光合生理和逆境胁迫的理想探针^{[15, 16]}。有研究证明, 当植物遭遇干旱胁迫时, 体内叶绿体光合机构就会被破坏, 引起叶绿素荧光参数发生一系列的变化^[17], 且其变化与植物品种抗旱性密切相关, 抗旱性越弱, 则荧光参数变化越大, 受干旱胁迫的影响越大^[18]。

F_v/F_m为PSⅡ 原初光能转化效率, 许多研究表明, F_v/F_m值的大小与植物光合作用强弱呈正相关关系^[19]。当植物处于正常条件下时, 该参数变化较小, 一般为0.75~0.85, 不受物种和生长条件影响, 但在逆境或受伤害时会明显降低^[20]。本研究中, 4种植物的F_v/F_m值明显下降, 说明连续的干旱胁迫使叶片原初光能转化效率降低, 植物光合作用受到严重的抑制, 且比较分析得知, 下降幅度最大的为锦绣苋, 受到干旱胁迫影响最大, 表现出最弱的抗旱性; 其次是藓状景天和玉吊钟; 最后为洋竹草, 抗旱性最强。

F_v’ /F_m’ 代表开放的PSⅡ 反应中心在光下的激发能的捕获效率; NPQ为非光化学淬灭, 是PSⅡ 反应中心不能用于光合作用的电子, 而以热形式耗散掉的那部分光能。F_v’ /F_m’ 值降低、NPQ升高, 说明这时PSⅡ 激发能捕获效率降低, 光能更多地被叶片以热耗散的形式消耗掉, 反之用于光合的光能就越少, 光合作用就越弱^[21]。许大全^[22]认为, F_v’ /F_m’ 与非光化学猝灭NPQ成比例变化。本研究中, 随着干旱胁迫时间的延长, 4种植物F_v’ /F_m’ 值呈现持续下降的趋势, 而NPQ值, 除了锦绣苋持续上升, 其余3种植物是呈现波动的变化, 与许大全^[22]观点有出入, 这可能是由于短期内的干旱有利于提升藓状景天、玉吊钟和洋竹草3种植物光能利用率, 且3种植物在自身内部机理不断地进行调整来抵抗外部环境的胁迫。

Φ PSⅡ 为线性电子传递的量子效率, 它是被用于光化学途径激发能与进入PSⅡ 总激发能的比例, 在干旱胁迫下Φ PSⅡ 值降低, 降低幅度越大, 则抗旱性越弱^[23]。ETR为相对电子传递速率, 也是反映植物光合作用强弱的一个重要因素, ETR值越大, 植物光合作用越快^{[24, 25]}。本研究说明, 锦绣苋的Φ PSⅡ 、ETR值随着干旱胁迫时间的延长, 均呈大幅度下降趋势, 表现出最弱的抗旱性; 干旱20 d后, Φ PSⅡ 值由大到小的顺序是洋竹草> 藓状景天> 玉吊钟> 锦绣苋, 与实际观测以及綦伟等^[23]的观点一致; 而ETR值大小排序却有所不同, 说明Φ PSⅡ 值比ETR值更能体现植物的抗旱性。

环境逆境胁迫对植物的影响表现在植物外部形态、叶片相对含水量、酶的活性、光合生理等众多的指标上, 单凭其中某一种抗旱性指标往往不能全面反映植物的抗旱性, 综合性评定既能消除单个指标带来的片面性, 又将各种不同物种之间的差异性进行对比, 所以视为是有效的评定方法^[26]。采用模糊数学中的隶属函数值法, 先求各指标的耐旱性隶属函数值之和, 再求平均值, 平均数越大则耐旱性越强。本研究中, 通过分析干旱胁迫下4种植物各项生理指标的变化, 并用隶属函数法综合评定其抗旱性, 结合胁迫时与胁迫解除复水后的表观形态变化, 结果与4种植物形态观测、叶片持水率指标、叶绿素荧光参数指标等总体变化趋势相符。

综上所述, 锦绣苋抗旱性稍弱, 若控制好水分条件, 可以作为色叶品种。少量混种应用于轻型屋顶, 提高生物多样性, 但不适合大面积推广。而洋竹草、藓状景天和玉吊钟抗旱性强, 均适合于大面积推广应用于轻型屋顶绿化, 且洋竹草为色叶植物, 景观效果良好, 抗旱性排名第一, 说明其在南方的轻型屋顶绿化方向具有一定的市场潜力。同时, 值得注意的是, 在轻型屋顶绿化植物筛选工作中, 鸭跖草科植物并不亚于熟知的景天类植物, 值得进行更加深入的试验、开发和应用。