重庆石灰岩地区先锋树种复羽叶栾树幼苗喜钙耐旱特征及适应机理研究 - 图文

第一章 文献综述

重庆石灰岩地区先锋树种复羽叶栾树幼苗喜钙耐旱特征及适应机理研究

第一章 文献综述

岩溶主要指水对可溶性岩石如碳酸盐岩（石灰岩、白云岩等）、硫酸盐岩（石膏、硬石膏等）和卤化物岩（岩盐）等的溶蚀作用，及其所形成的地表及底下的各种景观与现象[1]。

在岩溶发育过程中所发生的各种作用，都是以可溶性岩被水溶解的作用为基础的，所以岩溶作用最本质的现象就是“岩石的溶解”，即是以地下水为主，地表水为辅；以化学过程（溶解于沉淀）为主，机械过程（流水侵蚀和沉积，重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性掩饰的破坏和改造作用。因此岩石的可溶性、透水性，水的溶蚀性、流动性是岩溶作用发生的基本条件[1]。 1.1 岩溶生态系统的定义

生态学上把“生态系统定义为“在无机和有机之间，有生产者（植物）、消费者（动物）和分解者（微生物）构成的系统”。美国地质学会编的“Glossary of Geology”则把生态学定义为“研究生物与其环境之间关系的科学，包括对生物群落、生命形式、自然循环、生物之间相互关系、生物地理、种群变化的研究”，而将“生态系统”定义为“生态学的单元，包括环境与生命要素，以及在该单元之间并对该单元有制约作用的诸因子”[2, 3]。

岩溶生态系统有无机环境（富钙镁、偏碱性可溶岩、土壤贫瘠和双层的特殊水文系统）和有机方面（喜钙、旱生、石灰岩溶植被和地下生物群落）两部分组成，据此把“岩溶生态系统”定义为“受岩溶（地质）环境制约的生态系统”。其生命部分和无机环境相互作用[4-6]。其内涵既包括岩溶环境如何影响生命，也包括生命如何影响岩溶环境。 1.2 岩溶生态系统的生境特点 1.2.1 成土速率极慢

岩溶地区土壤为碳酸盐岩风化而成。碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的沉积岩，酸不溶物低于50%。我国大部分碳酸盐岩中酸不溶物含量较低，例如西南地区多数碳酸盐岩酸不溶物含量一般不超过10%，甚至更低，并且主要是纯灰岩和纯白云岩。这些岩类主要由可溶性矿物组成，具有较高的腐蚀速率，但仅含有少量的酸不溶性物质，这些不溶物质经风化、溶蚀二残留下来，构成了岩溶地区土壤的主要成分。由于土壤来源物质少，再加上以石灰岩和白云岩为主的碳酸盐岩岩性坚硬，抗物理风化能力强，风化破碎十分缓慢。造成碳酸盐岩的成土速率极慢[7-12]。袁道先[13]研究表明贵州灰岩风化，每形成1cm厚的土层需要4000余年。柴宗新[9]的研究，形成1cm厚土层需1000~3200年。

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1.2.2 土壤对表层岩溶水调蓄能力差

土壤水文调蓄能力通常以土壤调蓄系数来表征，所谓土壤调蓄系数即一场降雨过程中最大土层水分增量与同时段降雨渗透补给量的比值，研究表明良好生态环境下的土壤调蓄系数大，对表层岩溶水调蓄能力强[14]。在西南岩溶区，岩溶石山分布广泛，虽地处亚热带，水热条件较好，降雨时空分布不均。由于土层浅薄、地表地下岩溶发育，并且广泛发育着地表和地下的双重空间结构地下洞隙纵横交织，地下河发达，形成作为岩溶标志的地下溶洞。地表水漏失严重，水土流失严重，地表面附近浅部岩石破碎，导致水土资源空间配置严重失调，形成“地表水贵如油，地下水滚滚流”的特殊水土资源格局，以致土壤贫瘠，水土流失严重，地表水资源匮乏[15-20]。19世纪中叶以来，随着森林的破坏，石漠化加剧，环境调蓄表层水的功能减弱，水土流失速度加快，目前岩溶水循环及水资源状况发生了显著的变化，泉水衰减，水质恶化，大多数表层岩溶水只有在大暴雨期间才形成超渗产流，然后以表层岩溶泉水的形式流出地表。旱季，表层岩溶泉水普遍断流，使西南岩溶山区大量居民丧失了原有的饮用水供水条件，造成严重的干旱缺水问题[21]。

1.2.3 土壤的富钙性

由于石灰岩地区土壤由可溶性岩石如碳酸盐岩等风化形成。其土壤具有偏碱性和富钙性[6]。研究表明，从石灰岩地区泉水的水化学检测看，白云岩表层泉水的pH偏高。Ca2+浓度偏低，但与砂页岩中的裂隙水（全年平均pH6.66，Ca2+浓度19.1mg2 L-1）相比，石灰岩表层泉水（平均pH值7.13、Ca2+浓度64.78 mg2L-1）的pH值高出0.47，Ca2+浓度高出45.77 mg2L-1。白云岩表层泉水（平均pH7.55，Ca2+浓度62.35 mg2L-1）的pH高出0.89，Ca2+浓度高出43.35 mg2L-1[22]。对桂林岩溶试验场石灰土的分析表明，石灰土中的钙主要以交换态形式为主，钙在石灰土中有很高的活度[23]。 1.2.4 石灰岩地区植物特点

石灰岩特殊的生境特点对植物种类、成分有强烈的选择性：喜钙性、耐旱性及石生性的植物种群；这类植物通常具有发达而强壮的根系；植物体的钙含量较高，“树包石”现象普遍存在[24]；限于严酷的环境条件，树木的生长具有速率慢、绝对生长量小，但生长稳定，波动较小，以及种间、个体间生长过程差异较大的特点[25]。

1.3植物抗旱性研究进展

目前，水资源短缺是公认的全球性环境问题之一。据统计，地球上有三分之一以上的土地面积属于干旱和半干旱的地区，在我国，干旱、半干旱土地面积占

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全国总面积的47%，占耕地总面积的51%[26]。干旱严重影响植物的生长，使作物严重减产、生态环境日益恶化，同时也加剧了全球性的粮食危机。在我国北方草原和沙漠地区、南方的干热河谷和岩溶地区，自然条件恶劣，生态环境脆弱，干旱化、沙漠化、石漠化加剧，已成为最大的环境问题。

干旱胁迫是指由于干旱缺水所产生的植物内部正常生理功能的干扰，通常又称之为水分胁迫。植物的抗旱性，即植物在干旱环境中生长、繁殖或生存的能力，以及在水分胁迫解除后迅速恢复的能力。通常将植物对水分胁迫的反应分为两种情况：一种是适应，另一种是适应性反应。适应是一种可遗传的饰变，其结果是增加植物在逆境环境中的存活和繁殖几率。而适应性反应是植物遭受胁迫后短期内、经诱导或刺激产生的特征，这种适应性特征通常不会被植物保留下来[27]。 1.3.1 植物旱害的主要原因

自然条件和植物本身的生理条件是引起植物旱害的主要原因。这种旱害包括大气干旱、土壤干旱和由植物本身所引起的生理干旱。由于岩溶地区通常降雨较多，但土壤调蓄能力较弱，保水能力差，造成大量表层岩溶水表层岩溶水流失。另外，在这些地区，夏季温度较高、土壤及植物水分蒸发较快。因此该区域植物旱害是由土壤干旱引起的，且具有明显的季节性特点。 1.3.2 植物对干旱的适应对策

水分胁迫下，植物为减缓由于缺水造成的压力，其生理代谢迅速作出调整以保证植物细胞的正常生理代谢功能。长期的进化过程中，演化出逃避干旱（短生植物）、髙水势延迟脱水耐旱（御旱植物）及低水势忍耐脱水耐旱（耐旱植物）及复原抗性等复杂的适应机制[28]。逃避干旱是指植物在赶在严重干旱胁迫之前完成其生活史。高水势延迟脱水耐旱是指在受干旱胁迫时，植物仍可通过自身的某些特征进行有效的水分吸收利用和减少水分散失，使植物保持高水势的能力。低水势忍耐脱水耐旱是指植物在受旱时，能在较低的细胞水势下维持其一定程度的生长发育和忍耐脱水的能力。复原抗性是指植物在经过一段时间干旱后的复原能力[29, 30]

。通常在遭遇干旱胁迫时，植物最直观的的表现为叶面积明显减小，叶表面角质化、蜡质化程度增大，叶片气孔关闭，以减少水分的丧失，有些树种会出现落叶现象（叶面积减小的极端形式）等形态变化的适应策略。 1.3.3 干旱胁迫对植物个体生长发育的影响

植物对干旱胁迫的反应首先体现在其生长受到抑制。水分的亏缺直接影响到细胞的分裂、延伸及分化，其影响结果直接体现在植株大小及产量的降低。并且植物所受伤害程度与干旱胁迫出现时植物所处的发育阶段有直接关系。尤其是植物种子萌发及幼苗生长阶段比较脆弱，对逆境的抵抗力较成年阶段较弱，徐明慧[31]

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等对玉米抗旱性的研究发现。干旱胁迫下，玉米种子的发芽势、发芽率明显降低。

幼苗阶段，干旱胁迫会影响细胞的分裂，从而明显抑制幼苗叶片的扩张。许育彬[32]等对甘薯的研究发现，干旱胁迫下，甘薯的叶片数减少，叶面积明显下降。史燕山[33]等对金叶过路黄、佛甲草、百里香等的研究发现，水分胁迫时，植物的生长量分别减少2~7cm。幼苗根系的生长情况是衡量植物抗旱能力的重要指标之一。一些研究认为，根系大、深、密是抗旱植物的基本特征。Vijayalakshmi[34]等研究根系类型对水稻产量的影响时发现，耐旱品种有更好的根系穿透力和分布密度。景蕊莲[35]对小麦的研究认为：根的数目较少，根的总干重中等，且根系较长的品种抗旱能力强。柴丽娜[36]对冬小麦的研究认为：持续干旱条件下，根冠比比值越大，抗旱性越强。

1.3.4 干旱胁迫下植物的生理生化变化 1.3.4.1 光合作用

光合作用是植物赖以生存的生理基础。研究表明，干旱胁迫导致植物叶面积减小，导致植物光合速率降低，对植物光合系统产生不可逆的伤害。水分首先是光合作用的原料，但此部分水仅占植物吸收水分的极小部分。水分的主要作用是影响气孔的关闭及细胞中的代谢。所以在水分亏缺环境下，不仅仅会是植物光合速率下降，而且还会抑制光反应中原初光能转换、电子传递、光和磷酸化及暗反应过程[37]。干旱胁迫下植物的光合速率明显下降，其原因主要为以下两个方面：一是气孔因素，即由于叶片气孔关闭而阻碍CO2进入叶内；二是非气孔因素，即由于得不到的CO2叶片继续照光造成光合器官的光破坏作用[38, 39]。许多研究已证明，在严重干旱下，与光合作用有关的许多重要过程的活性或成分的含量降低，执行光合作用重要功能的各种色素蛋白复合体含量，以及吸收、传递和转化光能的叶绿素含量均减少，在光合碳同化过程起着极重要作用的 RuBP 梭化酶的含量及其活性都明显降低，叶肉细胞内的叶绿体排列出现紊乱，膜系统受到破坏等等，光合器官中发生如此强烈变化，必然导致光合速率下降。

研究显示，干旱胁迫开始时会引起气孔阻力的增加，如若胁迫程度进一步加重，必然会导致气孔关闭，阻断外界CO2进入叶绿体，使植物的光合作用受到明显抑制。长期处于干旱环境中的植物，在光合速率光合作用的调节运转机制、光和途径等方面发生了适应性的改变，以更好地适应水分亏缺环境。Wu等人对侧柏的研究表明，种源不同二年生侧柏幼苗的净光合速率、光呼吸和CO2补偿点都存在显著差异。

1.3.4.2 活性氧调节

植物受到干旱胁迫时，细胞代谢紊乱，活性氧和自由自的产生与清除之间的平衡被破坏，活性氧、自由基的积累加速，是植物受到伤害甚至死亡。植物在进化过程中，出现众多代谢途径来抵御逆境带来的伤害，其中活性氧代谢系统正越来越受到人们的重视。在干旱胁迫下，植物体内会产生活性氧，同样会有活性氧自

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由基清除系统对干旱胁迫作出反应。其中酶促活性氧自由基清除系统的主要酶类有超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）、还原型抗坏血酸过氧化物酶（ASP）等。SOD是最先发生反应的酶，处于保护系统的核心地位。时连辉等（2005）研究发现，在是以水分条件下SOD变化幅度较小，随胁迫程度的加剧，SOD活性呈现先升后降的趋势，在胁迫末期，SOD活性下降。闫成仁[41]等研究发现POD的作用于植物所受胁迫的时间长短有关，初期，POD可清除H2O2，减小H2O2对植物的伤害，末期，POD会参与活性氧的生成，使叶绿素降解，引起脂膜过氧化。CAT定位于线粒体、过氧化物体与乙醛酸循环体中，专一清除H2O2。常与SOD协同作用。可见单一的抗氧化酶或抗氧化物不足以抵抗干旱胁迫带来的伤害，只有整个活性氧调节系统协同起来共同抵抗氧化伤害。

1.3.4.3 渗透调节

渗透调节是植物忍耐和抵御干旱的一种重要生理机制，可作为选择作物耐旱品种的一种重要生理指标。植物通过渗透调节可在水分胁迫条件下维持一定的膨压从而维持气孔开放 细胞生长和光合作用等生理过程的正常进行，渗透调节可以在水分亏缺时维持气孔的开放。渗透调节一般发生在程度较低或中度干旱胁迫的情况下，当干旱胁迫很严重时，渗透调节能力可能减弱或消失。

渗透调节的主要物质有无机离子(如 K+、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+等)和有机溶质(如可溶性糖、脯氨酸和甜菜碱等)。其中脯氨酸是分布最广的渗透剂，具有较强的水合能力，也是较稳定的氨基酸，作为一种贮氨形式可防止游离氨积累对植物造成伤害，并作为能源和呼吸底物，参与叶绿素的合成，对植物起到保护作用。 1.4 钙与植物抗旱性的研究进展 1.4.1 Ca在植物中的分布

钙主要以果胶酸钙、钙调素蛋白和肌醇六磷酸钙镁等形态存在于植物细胞中；而柠檬酸钙、草酸钙等大量的有机酸钙则主要存在于植物液泡中[42, 43]。细胞质中的钙主要与蛋白质等大分子结合，一般游离Ca2+浓度很低，仅为100-200nM，以避免与细胞之内无机磷酸盐形成沉淀，影响细胞正常生理活动。除此外，细胞间隙、线粒体、微粒体、内质网等细胞器也是细胞内Ca2+的主要储存部位[42-44]。其中，液泡是植物细胞内最大的Ca库，是细胞质基质Ca水平升高的重要来源之一[45]。 细胞外的Ca主要作为细胞壁的组成成分或分布在细胞间隙，作为植物细胞外最主要的Ca库，其Ca2+浓度约为细胞质基质的100-1000倍。 1.4.2 Ca在植物中的功能

钙是植物必需的营养元素之一，不仅参与植物细胞的结构建成，在生物有机体的生命活动中起着重要的作用，它参与有机体的生长、发育、衰老和病理等过程。研究表明，Ca2+能够连接细胞膜上磷酸盐和磷脂及蛋白质羧基，以提高细胞膜的疏水性，使膜结构稳定性增强，同时对其他例子进出原生质膜和选择性吸收有

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调节作用[46]。Ca在维护植物细胞壁稳定方面有重要作用[47]。足量的Ca可以与细胞壁和胞间层果胶质形成交联结构，以维持细胞形态和生理过程能够正常。同时，Ca作为细胞的第二信使，在将细胞表面的刺激信号传递给细胞内部的过程中，几乎起着全能性的离子信使的作用[48, 49]。Ca是保卫细胞调节气孔开关的信号分子[50]。 1.4.3 Ca对植物抗旱性影响

Ca在植物体内独特的结构和生理功能，使其在植物抗逆性方面发挥重要作用。研究表明，钙与维持细胞脂膜完整性、降低逆境下细胞膜透性、增加逆境下脯氨酸含量等多种抗逆境的生理过程有关。植物体中，Ca作为偶联胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使。在水分胁迫条件下植物细胞首先通过Ca的内流产生钙信号，在完成信号传递后，Ca2+再经H+/Ca2+酶等反转运把细胞质的Ca2+重新运回钙库。Ca对植物抗旱性的影响主要表现在以下几个方面。 1.4.3.1 对植物生长状况的影响

Ca主要通过改善植物生长状况、刺激微生物活性、提高养分的吸收及利用效率等途径，促进植物根和也的发育。郭礼坤[51]等研究表明，在干旱条件下，Ca能促进植物根芽伸长，起到加快出苗速度、提高发芽率、最终达到提高成苗率的作用。山仑[52]等对小麦萌发的研究也说明，经外源钙浸种能提高小麦在干旱条件下的萌发率，而在水分较充足的条件下，Ca又会对萌发及种苗生长产生一定的抑制。 1.4.3.2 对植物生理的影响

植物对干旱的适应性在一定程度上与耐盐性类似，例如脱落酸、脯氨酸等渗透物质积累等。气孔的关闭是植物对干旱的最早反应，在脱落酸作用下植物体产生H2O2，激活Ca2+通道，使质外体中的Ca2+进入细胞质，从而使K+、Cl-等外排，气孔关闭。即使是气孔关闭过程对脱落酸等不敏感的植物种类，高量Ca2+也能使其气孔关闭[53-55]。另一方面，钙能使植物保护酶活性和抗氧化物质的含量保持在较高水平，同时抑制干旱胁迫下植物丙二醛积累，提高植物在干旱胁迫下对活性氧的清除能力，抑制膜脂过氧化作用。[56-58]。

研究表明，干旱胁迫下，缺钙植物的含水量迅速降低，说明钙有益于维持植物的水分状况[59, 60]。其原因概括为：1钙能提高干旱胁迫下气孔阻力，降低蒸腾速率[47]

；2 钙能提高植物叶片的保水能力[61]。此外，施钙适当提高植物体含钙量，能改善干旱胁迫下植物的光合作用，提高叶片CO2羧化效率，推迟光合作用由气孔限制向非气孔限制的转变[47]。从而使植物光合反应系统对干旱胁迫具有较高的抗性。

1.4.3.3 Ca对植物的毒害作用

钙元素虽然在植物体内具有重要的生物学作用，但他在生物体细胞质内的含量是极低的（约为10-10mol/L），而起只有保持在极低状态，才能发挥正常生理功能。Ca2+浓度过高时，会使植物细胞的伸长受到抑制。同时Ca2+影响叶绿体内2,6-二氯酚靛酚（DCIP）的光还原的重要因子，但Ca2+浓度过高，会引起同磷酸反应产

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生沉淀，干扰能量代谢。若细胞内游离钙浓度超过10-4mol/L，就会引起植物的死亡[54]。

1.5 研究背景及意义 1.5.1 研究背景

重庆市中梁山海石公园（29°39′10″—29°50′53″N，106°18′14″—106°56′53″E）属于亚热带季风气候区，雨量充沛，热量丰富，常年平均气温16.8℃，年均降水量为1088mm。属中度石漠化区。进行生态修复建设前，岩石裸露，植被稀少。自1989年进行生态修复以来，引进多种植物进行绿化荒山建设，例如常绿阔叶树：天竺桂、女贞、香樟、大叶樟等；落叶阔叶树：复羽叶栾树、香椿、构树、刺桐、杨树等；针叶树种：柏木、马尾松、雪松、杉木；灌木：火棘、南天竹；草本层：芒、白茅等。多年实践证明，并非所有移栽的树种都能适应石灰岩地区。事实证明，常绿树种中天竺桂、香樟适宜在该区域生长；而女贞则表现较差，主要体现在生长缓慢、叶片稀疏、叶面积小等。落叶树种中刺桐表现最差，成活率较低；杨树属北方树种，引种入石灰岩地区后，虽能成活，但生长状况不佳；香椿和复羽叶栾树则表现了较强的适应性。尤其是复羽叶栾树，其大树生长状况良好，特别是在石灰岩地区季节性干旱发生时表现出较强的适应性，其种子落入土壤后能较好的萌发，幼苗生长正常。

近年来，关于石灰岩地区植物的适应性研究越来越受到人们的关注。研究较多的树种多为常绿树种、针叶树种。例如，刘锦春[63]对十大功劳的研究，金静[64]对木豆的研究，何跃军[65]对构树的研究，刘锦春[66]对柏木的研究等。但对于落叶树种适应石灰岩地区高钙、季节性干旱的研究较少。 1.5.2 研究意义

通过对复羽叶栾树种子萌发及幼苗在钙离子作用下抗旱性的表现特征，总结钙离子在石灰岩地区植被的抗逆性中的作用。为今后的研究及石灰岩地区生态修复等实践工作提供基础理论。 1.5.3 研究物种

复羽叶栾树（Koelreuteria paniculata），又名灯笼树，系无患子科落叶乔木，可生长于石灰石风化产生的钙基土壤中。其树形高大，枝叶茂密，抗污染、抗病菌能力强，是理想的景观绿化树种，是工业污染区的指示树种[67]，也是石灰岩地区荒山绿化的优良先锋树种。国家AAA级风景区重庆中梁山海石公园石漠化区于1989年引种复羽叶栾树，因其具有高抗旱性和高成活率，对石漠化地区典型的季节性水分亏缺环境有很好的适应能力，在石漠化的植被恢复重建中有极高的推广价值。但是，复羽叶栾树现有资源少，产籽量有限，种子出苗率在20%左右[68]，

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限制了复羽叶栾树的发展。 1.6 拟解决的科学问题

1) 高钙及干旱环境条件对复羽叶栾树种子萌发和幼苗生长、生理生化特征指标的

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2) 高钙及干旱环境条件对复羽叶栾树幼苗解剖形态特征的影响 3) 外源钙离子是如何提高复羽叶栾树幼苗的抗旱性的

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第一章 文献综述

1.7 技术路线 复羽叶栾树 种子 栾树幼苗（1a） PEG模拟干旱 移栽入盆 CaCI2适应生长半年 模拟高钙环境 石灰岩地区

培养皿滤纸法进行萌发实验 土壤中游离 钙含量测定 外源钙处理 统计分析 田间最大持 水量的测定 干旱处理 外外外外外 源源源源源 钙钙钙钙钙2012年8月生理指 对对对对对标测定及数据分析 干干干干干 旱旱旱旱旱 条条条条条 件件件件件 下下下下对对对对下对发发活幼生光活渗根 发芽芽力苗长合性透芽系势指指生的作氧调 率水的数数长影用调节分

的影的的的响 影节物影疏响 响 影影影物质响 导响 响 响 质 的组的影织影响 的响 影外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响 响 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗抗旱性的影响 外源钙对重庆石灰岩地区复羽叶栾树幼苗抗旱性的影响 9

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第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响 2.1 前言

种子是植物生活史中的重要阶段，也是进行植物抗旱性研究的重要时期。相对植物成年阶段,植物种子在萌发、幼苗生长阶段比较脆弱，抵抗力不强，加上常常暴露于恶劣的地表或近地表区域，周围环境的温度和湿度表现出较大的波动性，更容易受到较多的环境胁迫，死亡率相对较高。种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等均是反映种子发芽能力的重要指标。在某些情况下，发芽率与种子活力是一致的，这也是在生产上通常将种子的发芽率作为鉴定种子质量的重要指标之一的原因；但更多的情况是,常规的发芽试验得到的发芽率既不能与田间出苗率相符，也不能标志种子质量的实际水平[69]。而发芽指数反映了种子发芽的速率和整齐程度，种子活力是种子在较广的范围内能否迅速生长以及生长的整齐度.种子发芽指数和活力指数越高，种子发芽速度越快，整齐度越好，在较广的范围内就越能迅速生长[69]。

本研究以复羽叶栾树种子为对象，研究了石灰岩地区土壤中交换性钙离子对干旱条件下复羽叶栾树的种子萌发和幼苗生长的影响。 2.2 研究地区与研究方法 2.2.1研究区概况

试验用复羽叶栾树种子采自地处中度石漠化区的重庆市中梁山海石公园（29°39′10″—29°50′53″N,106°18′14″—106°56′53″ E）[70-72]。该地区属于亚热带季风气候区，雨量充沛，热量丰富，常年平均气温16.8℃，年降水量为1088mm。目前, 山上主要存在2种植被分布情况:1 为通过群落次生演替形成的灌丛;2 为自然演替和人工恢复所形成的呈垂直分布的草本、灌木和乔木。部分地区土层较薄，土质贫瘠，为亟待进行生态恢复的喀斯特地区。 2.2.2试验方法

2.2.2.1 试验设计

2012年2月25日, 选取成熟充分、颗粒饱满，活力正常的复羽叶栾树种子，自然条件下风干，带回室内，低温（5 ℃）保存至2012年3月1日。

试验采用双因素析因设计，共设25个处理，每个处理3个重复，每个重复25粒种子。设外源钙离子(CaCl2)浓度梯度为：0（CK）、15、20、25、30 mmol2L-1，标记为：A0、A1、A2、A3、A4；利用聚乙二醇（PEG6000）配成不同水势的高渗溶液模拟干旱，设置5个PEG6000浓度梯度：0%（CK）、5%、15%、25%、30%，标记为：B0、B1、B2、B3、B4，其中，5%和15%条件下的水势相当于轻度干旱，25%相当于中度干旱，30%为重度干旱[69]。处理方案如表2-1所示。

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第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

表2-1试验处理方案

Tab.2-1 Treatments of the experiment.

CaCl2

PEG CK（A0）

A1 A2 A3 A4 CK（B0）

CK A1B0 A2B0 A3B0 A4B0 B1

A0B1 A1B1 A2B1 A3B1 A4B1 B2 A0B2 A1B2 A2B2 A3B2 A4B2 B3 A0B3 A1B3 A2B3 A3B3 A4B3 B4

A0B4

A1B4

A2B4

A3B4

A4B4

2.2.2.2 种子萌发试验

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采用培养皿滤纸法[73]进行种子萌发试验。选取大小均一、籽粒饱满的复羽叶栾树种子1875粒，洗净后于水中浸泡48 h，使种子吸胀；用0.4%高锰酸钾消毒6~10 min，流水冲洗3次，再用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干种子表面水分，每25粒置于d=100 mm铺设2层滤纸的培养皿中。分别向培养皿中加入预先配制好的不同浓度的PEG6000和CaCL2溶液，以蒸馏水为对照。恒温培养箱中在25 ℃昼/15 ℃夜和周期性光照（12 h昼/12 h夜，光强100 μmol2m-22s-1）条件下萌发。萌发过程中，每周期后用对应浓度的溶液冲洗种子2~3次，以确保培养皿中的溶液浓度维持恒定。3~4个周期更换一次滤纸，防止种子霉变。 2.2.2.3 种子萌发参数的统计和测定

种子于2012年3月1日置床。从置床第2天开始统计种子萌发情况，试验持续15 d，直至连续3 d无种子萌发结束。

将胚根突破种皮视为萌发，分别统计并计算出种子萌发的特征参数。

幼苗鲜质量：将同一天萌发的幼苗做好标记，待试验结束时，用滤纸小心擦干其表面水分，用万分之一天平精确称量。

种子发芽率（Gr）=15 d内发芽种子数/供测种子数3100%。

发芽势（Gp）=前5 d正常萌发的种子数/种子总数3100% 发芽指数（Gi）=MDG2PV 式中：MDG为平均每天种子萌发数,即萌发试验结束时种子萌发数/萌发试验经历的天数; PV为种子最大萌发速率,即试验期间任意一天中达到的最大萌发数 /达到最大值所需的天数) [74] Czabator FJ1962）。

种子活力指数（Vi）=幼苗生长势（幼苗鲜质量）3Gi。 2.2.3 数据处理

所有数据均采用SPSS16.0软件处理，采用双因素方差分析和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05；利用Origin 8软件作图。

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第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

2.3 结果与分析

2.3.1 不同处理的复羽叶栾树种子萌发状况

表2-2 各处理组种子的萌发及幼苗鲜重状况 Tab. 2-2 Seed germination and in each group

组别 group

发芽率 Germination rate

发芽势 发芽指数 GerminatioGerminatio

n n index potential 0.133±0.0

2 0.0667±0.

01 0.053±0.0

2 0.067±0.0

1 0 0.107±0.03 0.120±0.0

2 0.080±0.0

1 0.080±0.0

1 0 0.120±0.0

2 0.067±0.0

1 0.080±0.0

1 0 0 0.107±0.0

活力指数 Vigor index

幼苗鲜质量

FW

CK（A0B0） 0.253±0.0

2

A0B1 0.173±0.0

1

A0B2 0.133±0.0

2 0.067±0.0

A0B3 1 A0B4 0

0.240±0.0

A1B0 4 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A2B0 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A3B0

0.253±0.0

5 0.147±0.0

1 0.147±0.0

1 0 0.280±0.0

2 0.227±0.0

2 0.173±0.0

1 0.036±0.0

1 0 0.200±0.0

0.341±0.00.089±0.00.260±0.0

1 2 05

0.075±0.00.016±0.00.373±0.0

1 02 2

0.08±0.01 0.009±0.00.387±0.0

02 03

0.043±0.00.004±0.00.329±0.0

1 01 06 0 0 0 0.229±0.00.087±0.00.373±0.07 0.319±0.0

1 0.069±0.0

1 0.067±0.0

1 0 0.230±0.0

6 0.117±0.0

2 0.082±0.0

1 0 0 0.144±0.0

3 0.121±0.0

7 0.014±0.0

02 0.010±0.0

005 0 0.089±0.0

2 0.034±0.0

05 0.023±0.0

03 0 0 0.047±0.0

2 0.339±0.0

5 0.199±0.0

03 0.150±0.0

008 0 0.387±0.0

03 0.291±0.0

01 0.27820.00

7 0.136±0.0

7 0 0.329±0.0

13

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A3B1 A3B2 A3B3 A3B4 A4B0 A4B1 A4B2 A4B3 A4B4

2 0.253±0.0

1 0 0 0 0.080±0.0

2 0.040±0.0

02

0 0 0

3 0.120±0.0

4 0 0 0 0.080±0.0

2 0.053±0.0

03

0 0 0

4 0.221±0.0

6 0 0 0 0.067±0.0

33 0.016±0.0

02

0 0 0

1 0.057±0.0

1 0 0 0 0.012±0.0

05 0.002±0.0

001

0 0 0

06 0.261±0.0

09 0 0 0 0.179±0.0

02 0.1022±0.

05

0 0 0

由表2-2可以看出，干旱胁迫使复羽叶栾树种子的萌发特征参数出现明显减小趋势；当对各PEG处理组施加外源钙后，中低浓度的钙离子能显著补偿种子萌发过程中因干旱所造成的损失。

2.3.2外源钙离子和干旱胁迫对复羽叶栾树种子萌发特征的影响

双因素方差分析结果表明（表2-3）：不同浓度外源钙离子、不同程度干旱胁迫，以及两者的交互作用对复羽叶栾树种子的发芽率、发芽势及发芽指数都有影响，而两因素的交互作用对种子活力指数的影响无统计学意义。

表3 双因素分析结果

Tab. 2-3 Tests of between-subjects effects

来源 Source CaCl2

因变量 Dependent Variable 发芽率 发芽势 发芽指数 活力指数 发芽率 发芽势 发芽指数 活力指数 发芽率 发芽势 发芽指数

F Sig

30.108 5.150 5.141 3.978 86.439 27.050 19.569 13.722 5.751 2.013 2.291

0.000 0.001 0.002 0.007 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.031 0.013

14

PEG

CaCl23PEG

第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

0.054

活力指数

1.824

2.3.3 不同浓度外源钙离子对复羽叶栾树种子萌发和幼苗生长的影响

由图2-1（数据见表2-2）可以看出,随着外源钙离子浓度的增加，复羽叶栾树种子的发芽率整体呈现先增加后下降的趋势。与对照(CK)相比，15 mmol2L-1 CaCl2处理下的种子发芽率无明显差异；20 mmol2L-1CaCl2处理，种子发芽率增加了10%；当外源钙浓度增加到25和30 mmol2L-1时，发芽率分别降低了21%和68%。而外源钙离子浓度的增加不会对复羽叶栾树种子的发芽势产生影响。

随着外源钙离子浓度的增加,种子的发芽指数和活力指数均呈现下降趋势。其中,外源钙离子浓度为25和30 mmol2L-1时，其发芽指数分别下降了57.6%和80.4%，活力指数分别降低了47.3%和86.7%。

这说明适宜浓度的钙可促进种子的萌发，而高浓度的钙抑制了种子的萌发。 不同浓度外源钙离子对幼苗的鲜质量有一定的影响。随钙离子浓度的增加，幼苗鲜质量呈现先增加后降低的趋势。15和20 mmol2L-1CaCl2处理下幼苗的鲜质量分别比CK增加了43.6%、49.1%；25 mmol2L-1CaCl2处理增加28%；而在30 mmol2L-1CaCl2处理下，幼苗鲜质量只有CK的68.7%。可见中低浓度外源钙离子对幼苗的生长有一定的促进作用。

15

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0.30baa0.160.140.120.10aaaa0.25c0.20发芽势Gp发芽率Gr0.150.080.06a0.100.040.05d0.020.000.00A0B0A1B0A2B0A3B0A4B0A0B0A1B0A2B0A3B0A4B0处理 treatment0.400.350.300.250.08发芽指数Gi处理 treatment

aaa0.12aaa0.10活力指数Vi0.200.150.100.05b0.06b0.040.02c0.00A0B0A1B0A2B0A3B0A4B00.00cA0B0A1B0A2B0A3B0A4B0处理 treatment处理 treatment

0.450.400.350.30bbca0.25鲜重Fw/g0.200.150.100.050.00dA0B0A1B0A2B0A3B0A4B0

图2-1 不同浓度氯化钙溶液对复羽叶栾树种子发芽参数及幼苗鲜质量的影响

Fig.2-1 Effect of different CaCL2 concentrations on the Gr、Gp、Gi、Vi

and seedling FW of Koelreuteria paniculata (mean±SE)

处理 treatment 16

第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

不同小写字母表示各处理组差异显著（p<0.05）,下同。Values followed by different small letters indicated significant difference at 0. 05 level

in figure.The same below.

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0.300.16a0.25a0.140.120.20b发芽势Gp0.10发芽率Gr0.15c0.080.06bbb0.10d0.050.040.020.000.00A0B0A0B1A0B2A0B3A0B4A0B0A0B1A0B2A0B3A0B4处理 treatment处理 treatment

0.400.350.300.12a0.10a0.080.25发芽指数Gi0.200.150.100.050.00活力指数Vi0.060.04bbc0.02bbcA0B0A0B1A0B2A0B3A0B4A0B0A0B1A0B2A0B3A0B40.00处理 treatment处理 treatment

0.30a0.25b0.20鲜质量Fw/g0.15c0.10c0.050.00A0B0A0B1A0B2A0B3A0B4处理 treatment

图2-2 PEG浓度变化对复羽叶栾树种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及

幼苗鲜质量的影响

Fig.2-2 Effect of different PEG concentrations on the Gr、Gp、Gi、Vi and

seedling FW of Koelreuteria paniculata (mean±SE).

18

第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

19

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2.3.4 PEG浓度变化对复羽叶栾树种子萌发和幼苗生长的影响

由图2-2（数据见表2-2）可以看出，复羽叶栾树种子发芽率随着干旱胁迫的加剧（PEG浓度的增大）而降低，且各组间表现出显著性差异。与对照(CK)相比，在5%、15%、25%PEG处理下，发芽率分别降低31.6%、47.4%、73.5%，而在30%PEG处理下种子无萌发。种子发芽势随PEG浓度的增大而降低，5%、15%、25%PEG处理下，种子萌发的高峰期晚于对照，与对照相比，分别降低了54.5%、63.7%、54.5%，各处理组间无差异。

随着PEG浓度的增大，种子的发芽指数、活力指数都出现明显的较低。在5%、15%、25%PEG处理下，发芽指数分别降低了80%、78.7%、88.6%；活力指数分别降低81.3%、88.7%、95.2%。

幼苗的鲜质量随着PEG浓度的增大呈递减趋势。5%、15%、25%PEG处理下鲜重明显小于对照，较CK组分别减小16.5%、52%、62.2%。且15%PEG处理组与20%PEG处理组间没有显著性差异。 2.3.5 交互作用对复羽叶栾树种子萌发及幼苗生长的影响

双因素分析结果表明两因素的交互作用对复羽叶栾树种子的发芽率、发芽势、发芽指数及幼苗鲜重的影响具有统计学意义（P<0.05）(表2-3)。

由表2-6知，交互作用对种子在干旱环境下的发芽率有一定补偿作用。当PEG浓度为5%时，A0B1组种子发芽率明显降低，仅为17.3%，通过15 mmol2L-1、20 mmol2L-1、25 mmol2L-1CaCL2的处理后，发芽率恢复到CK水平。但当CaCL2浓度为30 mmol2L-1时，种子发芽率较A0B1组降低了76.9%。PEG浓度为15%时，15和20 mmol2L-1CaCL2组发芽率较A0B2组均增加了50.9，但均未能恢复到对照水平，25和30 mmol2L-1CaCL2组萌发困难。PEG浓度上升到25%时，15和20 mmol2L-1CaCL2组发芽率较A0B3呈明显先上升后下降趋势，25和30 mmol2L-1CaCL2组萌发困难。而在30%PEG处理下，CaCL2浓度的增加不能是种子萌发。

由表2-6可知，交互作用对种子发芽势的影响，在同一浓度PEG处理时，CaCL2

浓度的增大减缓了干旱胁迫对种子发芽势的影响，A1B1、A3B1组及A1B2、A3B2组种子发芽势都显著高于A0B1和A0B2组；当PEG达到及超过25%时，CaCl2浓度达到25mmol/L之后，种子无萌发。

从种子发芽指数考虑，在同一浓度PEG处理下，适宜浓度的CaCl2溶液使种子发芽指数明显增加，显著高于单一PEG处理时的发芽指数，甚至达到CK水平。但过高的钙离子浓度会降低种子的发芽指数。

从总体上看：特定干旱条件下，经15 mmol2L-1、20 mmol2L-1、25 mmol2L-1CaCL2

处理，可减缓种子萌发过程中因干旱所造成的损失，但钙离子浓度过高（≥30 mmol2L-1）可能不会表现出这种补偿作用，甚至使种子的萌发参数表现更差。

种子萌发后，在一定的干旱环境下，中低浓度CaCl2溶液显著性的增加了幼苗

20

第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

的鲜质量，使幼苗鲜质量明显大于单一干旱处理时的鲜质量，甚至达到或超过CK水平。说明在特定的干旱环境下，一定浓度的外源钙离子能增大幼苗生物量的积累，增强对干旱环境的适应；而钙离子浓度过高时，则会产生相反的效应。

表2-6 两因素交互作用对复羽叶栾树种子发芽参数及幼苗鲜质量的影响 Tab. 2-6 Effect of interaction of double factors on the Germination parameters and seedling FW of Koelreuteria paniculata (mean±SE)

发芽率 发芽势 Germination Germination

rate potential a

0.173±0.01b

0.253±0.05a

0.227±0.02a

0.253±0.01a

0.040±0.002c

0.133±0.02b

0.147±0.01c

0.173±0.01d 0 0

0.067±0.01b

0.147±0.01c

0.036±0.01d 0 0 0

发芽指数 Germination index

鲜质量/g FW/g

A0B0（CK） 0.253±0.02A0B1 A1B1 A2B1 A3B1 A4B1 A0B2 A1B2 A2B2 A3B2 A4B2 A0B3 A1B3 A2B3 A3B3 A4B3 A0B4

0.133±0.02a 0.341±0.01a 0.270±0.005a 0.0667±0.010.075±0.01b 0.217±0.016b b

0.120±0.02a 0.319±0.01a 0.339±0.05c 0.067±0.01b 0.117±0.02c 0.291±0.001a 0.120±0.04a 0.221±0.06d 0.261±0.009a 0.053±0.003

0.016±0.002

0.10220.05d 0.125±0.003e

c e

0.053±0.02b 0.08±0.01b

0.080±0.01d 0.069±0.01b 0.199±0.003b 0.080±0.01d 0.082±0.01b 0.27820.007a 0 0 0 0 0 0

0.067±0.01b 0.043±0.01c 0.098±0.002d 0.080±0.01d 0.067±0.01b 0.150±0.0008e 0 0 0 0

0 0 0 0

0.136±0.07e 0 0 0

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A1B4 A2B4 A3B4 A4B4 2.4 讨论

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

分子量6000及以上的PEG是模拟土壤干旱的理想水势调剂物质[75]，其最大的特点是本身不能穿越细胞壁进入细胞质，因而不会引起质壁分离，使植物组织和细胞处于类似于干旱的水分胁迫之中[76]。本文以不同PEG6000浓度来分别模拟复羽叶栾树种子所处的不同水分环境。研究发现：随着PEG浓度的增大，种子的萌发率降低、萌发高峰期推迟、发芽指数和活力指数降低，这与施积炎和丁贵杰[77]、李振基和宋爱琴[78]对马尾松（Pinus massoniana Lamb）、木荷（Schima superba Gardn et Champ）等对干旱胁迫的响应研究结果基本一致。幼苗鲜质量也随着PEG浓度的增加而减小。当PEG浓度过高时（≧25%），种子发芽较少或基本不萌发。

在植物必需元素中，钙离子具有极其特殊的作用，它不仅作为细胞的结构物质，而且作为第二信使，调节植物对环境变化的响应过程。利用CaCl2溶液设置不同的外源钙离子浓度梯度处理复羽叶栾树种子。结果发现：中低浓度的外源钙并未对种子的萌发参数产生明显的影响，这与韦小丽[79]对马尾松种子萌发的研究结果相矛盾，这可能与实验中所用浸种方式有关，中低浓度的外源钙处理却明显的增加了幼苗的鲜质量；而高浓度的外源钙明显降低了种子的发芽率、发芽指数及活力指数，与徐萌[80]研究认为：高浓度钙离子能抑制春小麦种子吸水和萌发，抑制了胚芽和芽鞘的伸长基本一致，同时，如表4中：钙离子浓度变化与种子发芽率之间可能存在一定的线性关系，但由于实验中所设CaCl2溶液梯度的不均匀，两者的相关性并未得到很好地体现，这一点有待后续进行深入研究。另一方面，中低浓度的钙离子增大了幼苗鲜质量，增大了成苗率，而高浓度的外源钙则其相反的效果。

在环境胁迫下，钙和钙调素参与胁迫信号的感受、传递、响应与表达，提高植物的抗逆性[81]。许多研究表明，钙离子参与种子的萌发[82]，调控与萌发有关的重要生理过程和酶活性[83]。向各干旱处理组中施加一定浓度的外源钙时发现，同一干旱胁迫水平下：中低浓度的CaCl2能显著增加种子的发芽率、发芽势、发芽指数及幼苗的鲜质量，表明在种子萌发过程中由于干旱胁迫造成的损失，通过施加一定浓度的外源钙可以得到补偿。这与袁清昌[84]的研究结果相似：说明细胞外钙离子除具有稳定和保护细胞质膜结构和功能的作用外，还对植物种子萌发过程中代谢产生影响。因此，适宜浓度的外源钙能缓解干旱胁迫对种子萌发过程所造成的伤害。

干旱胁迫下种子发芽、幼苗生长特性对幼苗生存具有十分重要的意义[85-87]。研究表明一般野生的旱生、超旱生植物种子大多具有独特地萌发特性，以适应干旱

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第二章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树种子萌发的影响

缺水的环境[85, 87-89]。而针对岩溶地区土壤中钙的高富集性，可能在植物的逆境生理所起的作用并未进行深入的研究。

岩溶地区土壤中的游离钙离子含量通常随着石漠化强度的增加表现出递增趋势[1]，加之土壤中微生物群落数量减少、有效N、P含量降低、土壤粘性增加等环境因素，表现出重度石漠化地区对植物的选择性强于中度石漠化和轻度石漠化区域；因此如何在生态修复进行中综合不同的岩溶生态环境因素，筛选出适应不同石漠化程度的优选植物，避免因植物选择不当而造成人力物力的损失，优化岩溶地区生态修复过程中的植被配置方案等将是我们今后工作与研究的主要方向。

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第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响

第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响 3.1 引言

植物对干旱胁迫的生态反应具有整体性[90]。在胁迫发生时，植物各器官的生长发育都会受到一定程度的限制，抑制的是植物细胞的增大、分裂、伸长，使细胞的增殖受到影响，造成植物地上生物量的急剧减少，以防止水分从叶部分的过多消耗[91]。植株生长速度减缓，而根系生长速度快于正常供水时，这种适应性变化，保证了植物在干旱条件下吸收更多的土壤水分。研究表明，在正常供水时，植物地上部分与地下部分生长比例基本相似[92]，干旱胁迫时，植物生物量分配的改变有助于其适应环境的变化。通过植物地下部分与地上部分生物量比率大小来反映植物对环境因子的需求和竞争能力的大小[93]。

复羽叶栾树在石灰岩地区季节性干旱过程中表现出非常明显的“减叶反应”，即在干旱胁迫发生时，其叶片纷纷凋落，极大的减小了叶面积，使其地上部分生物量减小明显。利用这种策略，提高了植物的保水能力。本章重点研究复羽叶栾树幼苗在干旱胁迫发生时的生物量分配问题，以及外源钙在生物量分配中所起的作用。

3.2 材料与方法 3.2.1实验地点及材料

2011年10月至2012年9月在重庆市西南大学生命科学学院生态学实验基地进行。一年生复羽叶栾树幼苗120株，平均高约35cm；取自重庆市中梁山海石公园[19]（E106°18′14″~106°56′53″），为重度石漠化地区[70]。供试土壤为中梁山海石公园山地黄壤，其基本理化性状为：PH7.3，有机质含量12.804g/kg，碱解氮含量67.9mgkg，速效磷5mg/kg，测得田间持水量为33.6%。 3.2.2方法与实验设计

2012年2月将苗木移入雨棚下（四周通风）。实验分为两组：无钙对照组和钙处理组。无钙对照组按不同干旱条件分为对照组CK（田间持水量的田间持水量的75-80%）、轻度干旱LS（田间持水量的50-55%）、中度干旱MS（田间持水量的35-40%）、重度干旱组SS（田间持水量的25-30%）；钙处理组对应无钙组分别为G+CK、G+LS、G+MS、G+SS组。每组15个重复（如图3-1）。土壤含水量采用称重控水法进行控制，即在对苗木停止供水的第二天起，每天16:00时用管状取样器取苗木盆中的土壤测定含水量的变化情况，以确定停止浇水后个处理达到实验设计要求的土壤含水量。取样时尽量靠近盆的中央区，每盆取样三个，测定含水量并求其平均值，当土壤含水量达到预定值时，用天平称重量（Wtc），之后每天16:00称盆重、苗木及土壤总重量（Wtt），由于蒸腾、蒸发作用，使土壤含水量降低，因

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此每天需对供试苗木盆中补水，补充水分（Wtm）=Wtc-Wtt。

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第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响

图3-1 试验区组设计

Fig3-1 The experimental group design.

2012年3月开始进行外源钙处理。处理方法：对钙处理组进行外源钙处理。利用钙溶液浇灌——每天用35mmol/LCaCl2浇灌，持续时间110天（试验期间在花盆底部放置托盘，将渗出溶液回倒入土壤中，以防止水分和盐分的丧失）。2012年7月进行干旱处理。 3.2.3 测定指标

分别于开始干旱处理当天、第二周、第四周、第六周测定各处理组幼苗株高、基茎并作详细记录。 3.2.4 数据处理

所有数据均采用SPSS16.0进行数据处理分析，进行ANOVA方差分析并进行Duncan多重比较；利用Origin 8.0进行处理作图。 3.3 结果与分析

3.3.1 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗株高、地茎的影响

如图3-2A，胁迫初期，幼苗株高并不会随胁迫强度的加剧而发生变化。胁迫中期LS、MS、SS组间无差异，但幼苗均高度显著低于对照。胁迫末期，随干旱强度的加剧，复羽叶栾树幼苗株高呈递减趋势，且各处理组间均表现出显著差异，与对照相比，分别减小6.84%、8.38%、9.56%（数据见附表1）。

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外源钙处理后，胁迫初期，G-CK组幼苗株高显著高于对照，其余各干旱组均维持在对照水平。胁迫中期，G-CK组幼苗株高显著高于对照；G-LS、G-MS组与对照无差异；但G-SS组与SS组相比，高度虽然有一定程度的增加，但仍显著低于对照。胁迫末期，除重度干旱组外，其余干旱强度处理组经钙处理后植株高度均能达到对照水平（图3-2B）（数据见附表1）。

CK LS MS SS CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS60a50aaaaabbbbcdB60baaaaaaaabcacaaaccbacadd50植株高度plant height（cm）30植株高度plant height（cm）4040302020101002weeks4weeks6weeks02weeks4weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks）处理时间 treatment time（weeks）

图3-2外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗苗高的影响（平均值±标准误） Fig.3-2 Effects of water stress on plant height of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS)

如图3-3A，胁迫初期、胁迫中期复羽叶栾树幼苗地径均呈现先减小后增大的趋势。胁迫初期，各干旱处理组与对照相比，幼苗地径分别减小1.43%、5.31%、2.86%。胁迫中期分别为7.76%、12.38%、11.28%。在胁迫末期，幼苗地径随胁迫强度的加剧而减小，且各处理间差异显著，与对照相比分别减小26.07%、32.59%、35.85%（数据见附表1）。 外源钙处理组：胁迫初期G-LS与对照无差异，G-MS较MS组幼苗地径有所增大，但仍显著低于对照；G-SS与SS组相比，幼苗地径进一步降低，且与SS、对照组均有显著性差异。胁迫中期，G-LS、G-MS、与LS、MS相比，虽有一定的增加，但都不能达到对照水平；G-SS与SS相比有所减低，但为能表现出差异，G-SS显著低于对照。胁迫末期，G-LS与LS无差异；G-MS与MS、G-SS与SS相比均显著增加，但都不能达到对照水平（图3-3B数据见附表1）。

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第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响

CK G-CK LS MS G-MS SS G-SS CK LS MS SS G-LS7Aa76Baa6a植株地径plant diameter（mm）aaaaaabcdcbdbbcbcccdbbcdedbcd植株地径plant diameter（mm）5aaccbcbcb543210432102weeks4weeks6weeks2weeks4weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks）

处理时间 treatment time（weeks）

图3-3外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地径的影响（平均值±标准误） Fig.3-3 Effects of water stress on plant diameter of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS) 3.3.2 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生物量的影响

3.3.2.1外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗总生物量的影响

如图3-4A，胁迫初期，轻度干旱与中度干旱处理复羽叶栾树幼苗总生物量与对照相比无显著性差异，重度干旱时总生物量明显低于对照，与对照相比减少了13.41%；胁迫中期与胁迫末期，随干旱胁迫程度的加剧，幼苗总生物量呈现递减趋势，且各处理间有显著性差异。胁迫中期，较对照分别减少了15.89%、39.96%、57.10%；胁迫末期，分别减少23.34%、43.39%、61.65%。可见胁迫程度越强、时间越长，复羽叶栾树幼苗总生物量减少的就越多（数据见附表2）。

经外源钙处理后，胁迫初期重度干旱组（G-SS）总生物量与对照间无差异，胁迫中期钙处理轻度干旱组与对照无差异。其余胁迫中期、末期，各干旱强度钙处理，仍表现出随胁迫强度的加剧而减小的趋势，但各组减少量较无钙处理时明显减小（图3-4B）：其中，胁迫中期，经钙处理的各干旱组较对照比，总生物量的减少量分别为1.07%、17.08%、34.64%；末期分别为22.90%、42.09%、58.87%。说明钙处理可以减小复羽叶栾树幼苗生物量因干旱造成的损失，且表现出：干旱胁迫时间约短，钙处理所起到的缓解作用越明显（数据见附表2）。

A1816 CK LS MS SSB1816 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSaaababaaaaaaabaaababaa总生物量 total biomass（g）总生物量 total biomass（g）1412bc1412bbec10864202weeks4weeks10864202weeks4weekscddcdefd6weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks）处理时间 treatment time（weeks）

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图3-4 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗总生物量的影响（平均值±标准误） Fig.3-4 Effects of water stress on total biomass of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS)

3.3.2.2外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地上生物量的影响

在干旱胁迫初期，轻度干旱、中度干旱处理时地上部分生物量与对照无差异，重度干旱时，地上生物量显著减小，与对照相比减少了28.17%。胁迫中期与胁迫末期，随胁迫的加剧，地上生物量呈呈现减小趋势，各干旱组均与对照表现出显著性差异，中度干旱与重度干旱间无差异。与对照相比，胁迫中期各干旱组地上生物量分别减少25.51%、69.65%、73.06%；胁迫末期则分别减少37.31%、72.86%、73.50%（图3-5A）。说明植物地上生物量整体上随干旱胁迫的加剧而减小，且呈现出胁迫时间越久、强度越大生物量减少越多的特点（数据见附表2）。

外源钙处理组，胁迫初期G-SS地上生物量与对照物差异。胁迫中期， G-LS、G-MS、G-SS地上生物量较SS时的减小幅度明显减小，但均没有恢复到对照水平。末期， G-MS较同时期MS时减小幅度有所下降，而在G-LS和G-SS与无钙组没有差异（图3-5B）（数据见附表2）。

A14 CK LS MS SSB1412108 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSaaaaa地上生物量 shoots biomass（g）aaaaaaaaaaac地上生物量 shoots biomass（g）1210bbbbbbbeedddccc8664204cccc202weeks4weeks6weeks2weeks4weeks6weeks 图3-5 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地上生物量的影响（平均值±标准误） Fig.3-5 Effects of water stress on shoots biomass of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS)

处理时间 treatment time（weeks）处理时间 treatment time（weeks） 30

第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响

CK LS MS SS CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSA6地下生物量 roots biomass（g）ccbbbaad地下生物量 roots biomass（g）87Bdc56543210cbbaaaaaaaaababaaadbbbd4aaaa32102weeks4weeks6weeks2weeks4weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks）处理时间 treatment time（weeks）

图3-6 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地下生物量的影响（平均值±标准误） Fig.3-6 Effects of water stress on roots biomass of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS) 3.3.2.3外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地下生物量的影响

图3-6A所示，胁迫初期，轻度干旱、中度干旱地下生物量与对照相比没有差异，重度干旱时显著高于对照，与对照相比地下生物量增加了37.44%。而在胁迫中期、胁迫末期地下生物量均呈现先增加后降低的趋势，地下生物量最大值均出现在中度干旱处理。胁迫中期重度干旱时则维持在对照水平，末期重度干旱时显著低于对照（数据见附表2）。 经外源钙处理组，植物地下生物量在胁迫初期、胁迫中期的增长量均小于无钙处理时。但地下生物量任然显著高于对照，或维持在对照水平。胁迫中期期，G-LS与LS没有明显差异，但显著高于对照；G-MS则显著高于MS，但两者均显著高于对照；G-SS与SS、对照组均无差异。胁迫末期，G-LS与LS没有差异，但都与对照存在差异；G-MS显著低于MS，但与对照存在显著性差异，G-MS地下生物量高于对照；G-SS与SS无差异（图3-6B）（数据见附表2）。

3.3.2.4外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地下生物量/地上生物量的影响

胁迫初期，地下生物量/地上生物量（R:S）在LS、MS处理时与对照无差异，且两者间亦无差异，SS处理时显著高于对照，与对照相比增加了98.70%。胁迫中期和胁迫末期随干旱程度的加剧，R:S均呈现先增加后降低的趋势，两时期LS、MS、SS组均高于对照，且与对照存在显著性差异，各干旱处理组间也有显著性差异（图3-7A）（数据见附表2）。

如图3-7B，外源钙处理：胁迫初期，G-LS、G-MS与LS、MS间无差异，且均与对照物差异，G-SS显著低于SS组，但仍显著高于对照，G-SS组较对照比，R:S增加了16.03%，较SS组的增加幅度有了很大的减小。胁迫中期，G-LS与LS相比，R:S下降的对照水平，G-MS、G-SS与MS、SS比，虽有一定程度的下降，但仍显著高于对照，且G-MS、G-SS间存在显著性差异。胁迫末期G-LS与LS无差异，两者

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均显著高于对照；G-MS与MS相比，有大幅度地降低，但仍显著性高于对照；G-SS与SS间无差异，两者均显著高于对照（数据见附表2）。

CK LS MS SS CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS1.81.61.41.8ABccc1.61.4c地下生物量/地上生物量R:S ratio biomass地下生物量/地上生物量R:S ratio biomass1.21.00.80.60.40.20.01.21.0ddddddd0.80.60.4baaaabbabaaaaaacaaebeabbaab0.20.02weeks4weeks6weeks2weeks4weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks）处理时间 treatment time（weeks）

图3-7 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗地下生物量/地上生物量的影响 Fig.3-7 Effects of water stress on R:S of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 3.4 讨论

3.4.1 干旱胁迫对植物生长的影响

植物的生长状态是对环境水分胁迫的最直接的反应。梁银丽[94]等对冬小麦在不同水分条件下生长特征的研究发现，水分胁迫胁迫使小麦生长速度、叶片伸展速度降低，叶面积减小。王伟[95]等认为，干旱胁迫发生会使叶水势下降，叶面积减小，植物新梢生长受到抑制。一般认为，旱长根水长冠，干旱胁迫使根冠比增大。例如，曲桂敏[96]等研究认为，干旱使果树地上部与地下部的生长同时减弱，但根冠比却增大。本试验结果表明，复羽叶栾树株高和地径都随胁迫强的加剧而呈降低趋势，说明干旱胁迫抑制了幼苗地上部分的生长，且表现出干旱胁迫强度越大、时间越强株高和地径下降幅度越大。

干旱胁迫会引起植物干重的降低[97, 98]，干重的降低意味着根茎生长的降低。本实验结果与此相符，复羽叶栾树幼苗的总生物量整体随干旱胁迫强度的加强而降低，但在胁迫初期轻度干旱和中度干旱下其总生物量没有受到影响。胁迫中期和胁迫末期则表现出干旱强度越大，总生物量减小的幅度就越大。对复羽叶栾树幼苗而言，由于其在应对干旱胁迫时强烈的“减叶反应”，因此干旱胁迫对其地上生物量影响较大，表现为胁迫初期的影响较小，仅在重度干旱下地上生物量才会显著降低；而胁迫中期而末期则随胁迫强度的加剧递减。此外，干旱胁迫下，会加速根系对缺水环境的适应，植物进化出更大的根系，以便植株能够占有更大的地下空间，从而可以为植株提供更多的水分及营养物质[99]。大的根系也就意味着植株将大量的资源分配至根系中[100]。本实验说明，在胁迫初期轻度、中度干旱下，

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第三章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗生长的影响

幼苗地下生物量没有受到影响，但重度干旱则显著的增加了幼苗地下生物量。胁迫中期、胁迫末期幼苗地下生物量随胁迫程度的加剧呈先上升后下降趋势，轻度、中度干旱下地下生物量均显著高于对照，重度干旱则低于对照或维持在对照水平。

研究表明，地下生物量/地上生物量比值越大越有利于植物抗旱[101]。柴丽娜[36]

认为，持续干旱条件下，根冠比比值越大，小麦抗旱性越强。吴子恺[102]认为苗期有较高的根冠比的品种抗旱性较强。本实验说明，复羽叶栾树根冠比在胁迫初期轻度、中度干旱是没有受到影响，但在重度干旱下，显著增大。而在胁迫中期和末期，根冠比随干旱胁迫强度的加强表现出现增加后下降的趋势，但各干旱组根冠比均显著高于对照。地下生物量的积累明显高于地上生物量，说明干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗地上部分的影响大于地下部分。

从干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗生物量及生物量的分配来看，胁迫中期和末期重度干旱可能是幼苗所能承受的最大阈值。 3.4.2外源钙对干旱胁迫下植物生长的影响

近年来，针对钙在植物抗旱性中的作用的研究越来越多。干旱会引起植物发生非正常反应，这种反应往往通过职务的外部形态呈现出来，通常表现为叶片萎蔫、枯黄、植株矮小等，严重时会引起整株植株的死亡。Abdel[103]的研究表明施钙能补偿这种负效应，并起到增加植物鲜重和干物质量的作用。不少研究表明[47, 104, 105]

，钙离子预处理作物种子或幼苗可增强其抗旱性，减轻干旱胁迫对小麦等作物的生理伤害。黄建国等研究说明，干旱胁迫下，钙离子处理玉米种子后，对其幼苗的抗旱性有一定的增强作用。

本实验中，对照单一干旱干旱处理下复羽叶栾树幼苗生长、生物量及生物量分配的情况发现，在胁迫初期和中期，经钙处理可明显减小幼苗地上生物量的损失幅度，使幼苗地上生物量显著高于相同胁迫的无钙组，甚至达到对照水平，但在胁迫末期这种作用并没有得到体现。同时，胁迫初期，经钙处理的G-SS组地下生物量与对照无差异；胁迫中期，各经钙处理的干旱组较单一干旱胁迫下的幼苗地下生物量有所增加；胁迫末期，经钙处理的轻度干旱组、重度干旱组地下生物量有所增加，但与单一干旱作用时无差异，钙处理重度干旱组较单一干旱胁迫下降低。从地下生物量/地上生物量比值看，经钙处理后，比值有所较低，胁迫初期甚至可以恢复到对照水平。但在胁迫末期重度干旱时钙处理并没有引起两者比值的变化。可见，外源钙处理可以在一定程度上减小由于干旱胁迫对植物造成的损失，同时还能在一定程度上增大地下生物量，整体表现为对地上生物量的补偿作用要大于对地下生物量的影响。

[86]

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第四章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗相对含水量及光和作用的影响

第四章 外源钙对干旱条件下复羽叶栾树幼苗相对含水量及光合作用的影响 4.1 引言

水分是石灰岩地区植被恢复与重建的最大限制因子[106, 107]。水分胁迫会导致植物光合作用下降。岩溶地区土壤保水能力差：由于土层浅薄，并且广泛发育着地表和地下的双重空间结构地下洞隙纵横交织，地表水漏失严重。形成“地表水贵如油，地下水滚滚流”的特殊景观，季节性干旱频发[108, 109]。

长期以来，人们主要注重喀斯特植被在形态结构方面对岩溶干旱环境的适应，特别是针对岩溶地区生态恢复的最大限制性因子——水的研究越来越多，并取得了一定的成果。例如：金静[64]从石灰岩地区适生树种木豆的形态适应特征为研究对象，发现随土壤含水量的增加，分配到木豆根和枝的生物量随之增大。刘锦春[63, 110]

等通过对十大功劳（Mahonia fortunei）在石灰岩地区的光合响应进行研究，表明十大功劳的光合响应特性能够较好地适应石灰岩地区的强光环境，采用低光合低蒸腾高水分利用效率的对策来适应石灰岩地区的干旱环境。而忽视了岩溶地质本身与植被生长之间的关系，植物矿质元素的含量多少与植物形态适应、解剖构造、生理生化机制方面的适应性以及岩溶适生植物与 Ca2+、Mg2+等矿质元素的相关性缺乏足够的了解和认识，有必要对其进行深入研究。特别是对于土壤高钙离子与干旱所形成的双重胁迫对石灰岩地区植物生长的影响所进行的研究不多。

本章着重研究钙离子在干旱胁迫时对复羽叶栾树幼苗水分及光合特征的影响。 4.2材料与方法

4.2.1实验地点及材料 见3.2

4.2.2 方法与实验设计

见3.2 4.2.3测定指标.

叶片相对含水量（RWC）的测定采用饱和含水[111]。净光合速率度（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）等利用Li-6400便携式光合分析系统进行测定。 4.2.4 数据处理

所有数据均采用SPSS16.0进行数据处理分析，进行ANOVA方差分析并进行Duncan多重比较；利用Origin 8.0进行处理作图。

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4.3 结果与分析

4.3.1 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗叶片相对含水量的影响

复羽叶栾树幼苗的相对含水量变化如图4-1。随着水分胁迫的加剧，个处理组相对含水量均下降，且表现出显著性的差异，CK与G-CK在水分胁迫的各个时期均未表现出差异性。但无钙组与钙处理组下降比例有所不同。无钙组：胁迫初期下降幅度分别为对照（CK）的11.8%、21.2%、28.4%；而胁迫中期下降幅度分别为6.8%、10.6%、16.4%；胁迫末期为5.9%、10.3%、14.5%(图4-1A)。对于钙处理组：胁迫初期下降幅度分别为对照（G-CK）的7.9%、18.1%、25.3%；而胁迫中期下降幅度分别为3.8%、8.1%、13.5%；胁迫末期为3.2%、8.1%、12.9%（图4-1B）。可以看出，胁迫越严重，复羽叶栾树幼苗的相对含水量下降的幅度越大。而在外源钙的作用下，同一胁迫水平下幼苗相对含水量下降的幅度、速度均减小并且与无钙组同水平的处理条件均表现出显著性的差异，但并不能使相对含水量恢复到对照水平（数据见附表3）。

1.0Aab CK LS MS SSabcdcdabB1.0 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSaabbccdd0.8aaba0.8cbdcc0.6相对含水量RWCd相对含水量RWCaabacb0.6dc0.40.40.20.20.02weeks4weeks6weeks0.02weeks4weeks6weeks 处理时间treatment time（weeks）处理时间treatment time（week）

图4-1 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗相对含水量的影响（平均值±标准误） Fig.4-1 Effects of water stress on RWC of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 4.3.2外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗光合作用的影响

4.3.2.1 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗净光合速率（Pn）的影响

复羽叶栾树幼苗的净光合速率的变化情况如图4-2所示。两组中幼苗的净光合速率均随着干旱胁迫的加剧而降低。胁迫初期，无论是无钙组，或者是钙处理组各干旱胁迫间均表现出显著性差异：其中无钙组轻度干旱、重度干旱和重度干旱处理后其光合速率分别下降为CK的19.2%、41.2%、55.8%；而对于钙处理组而言，分别下降为G-CK的10.4%、36.5%、53.4%。胁迫中期：无钙组、钙处理组在轻度干旱和中度干旱下，其净光合速率未表现出差异；无钙组随着干旱胁迫的加

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第四章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗相对含水量及光和作用的影响

剧，Pn分别下降为CK的36.7%、38.1%、47.3%，而钙处理组分别下降36.2%、37.5%、45.4%。胁迫末期：各处理组间差异显著；无钙组分别下降33.9%、44.7I.5%，钙处理组为35.3%、45.9%、49.8%。从总体上看，干旱胁迫越严重下降幅度越大。而在外源钙的作用下Pn的下降幅度减小（数据见附表4）。

4.3.2.2外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗蒸腾速率（E）的影响

干旱胁迫对幼苗的蒸腾速率E有显著的影响（图4-3）。无论是无钙组，还是钙处理组其蒸腾速率都随干旱胁迫的加剧而降低。胁迫初期：无钙组轻度、中度、重度胁迫时E分别降低6.5%、38.1%、61.8%，轻度干旱时与对照CK无显著性差异；钙处理组中度、重度胁迫时分别降低34.7%、91.6%，轻度胁迫时E表现为增加，且与对照（G-CK）无显著性差异。胁迫中期：无钙组在不同干旱程度胁迫下分别降低30.6%、32.8%、35.0%；钙处理组分别降低39.2%、27.6%、49.8%。胁迫末期：无钙组分别降低43.5%、64.2%、66%；钙处理组为44.7%、60.2%、61.9%。总体上看，干旱胁迫程度越严重，幼苗所表现的蒸腾速率就越低，外源钙处理，在轻度干旱和重度干旱胁迫时，E的下降幅度增大，而在中度干旱胁迫下降幅度较无钙组有所减小（数据见附表4）。

A12 CK LS MS SSB12 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSaabaaaabcdbbbbccaaaa108净光合速率Pn umol.m-2.s-18cbd4bbccd净光合速率Pn umol.m-2.s-1c6bbccddd4202weeks4weeks6weeks02weeks4weeks6weeks处理时间 treatment time（weeks） 处理时间 treatment time（weeks）

图4-2 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗净光合速率的影响（平均值±标准误） Fig.4-2 Effects of water stress on Pn of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS)

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3.0Aa CK LS MS SS CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS2.53.0Baaa2.52.0aaabbbbbdbccdaaab蒸腾速率E(mmol.m-2.s-1)2.01.5c1.0bbcb蒸腾速率E(mmol.m-2.s-1)1.5cbbccddd0.5cd1.00.50.02weeks4weeks6weeks0.02weeks4weeks6weeks

图4-3 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗蒸腾速率的影响（平均值±标准误） Fig.4-3 Effects of water stress on E of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS)

4.3.2.3外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗水分利用效率的影响

如图4-4、4-5，胁迫初期，无论是无钙组还是钙处理组，幼苗水分利用效率均呈现先下降后上升的趋势，并且在中度、重度干旱胁迫时WUE达到甚至超过对照水平，且干旱胁迫组间存在显著性差异。胁迫中期，无钙处理组各干旱胁迫水分利用效率均低于对照（CK），但与对照无差异；钙处理组轻度干旱情况下幼苗水分利用效率与对照（G-CK）无差异，但其水分利用效率高于对照，中度干旱显著低于对照，而在重度干旱胁迫时，幼苗水分利用效率明显高于对照。胁迫末期，无钙组轻度、中度、重度干旱胁迫时，幼苗水分利用效率分别增加了34.3％、54.2%、57.3%。钙处理组分别为6.9%、23.8%、34.2%。并且相同干旱胁迫处理下钙处理组所表现出来的WUE高于无钙组（数据见附表4）。

CK LS MS SS处理时间 treatment time （weeks）处理时间treatment time （weeks)765cabaaaaaabcc水分利用效率WUE umol.mol-1 432102weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

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第四章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗相对含水量及光和作用的影响

图4-4干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗水分利用效率的影响（平均值±标准误） Fig.4-4 Effects of water stress on WUE of Koelreuteria paniculata (M±MS)

CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS8e765ccaabbacbaabaaaaabccddd水分利用效率WUE umol.mol-1432102weeks4weeks6weeks

图4-,5 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗水分利用效率的影响（平均值±标准

误）

Fig.4-5 Effects of water stress on WUE of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 4.4 讨论

4.4.1 干旱环境下植物相对含水量及光合作用的影响

相对含水量反映植物组织水分含量多少，随环境水分减少而减少。相对含水量和饱和水分亏比单纯的含水量更能较为敏感的反应植物水分的变化情况，在一定程度上反映了植物水分亏缺的程度[112]。在干旱胁迫条件下，土壤中的可利用水分减少，导致根系吸水困难，相对含水量降低[113]。孔艳菊[114]黄栌幼苗的研究表明：随着干旱胁迫的加剧，黄栌幼苗相对含水量有不同程度的下降，但在整个过程中都维持在较高水平，下降幅度不大。本实验中：复羽叶栾树幼苗在不同干旱条件下，所表现出的相对含水量的变化与上述研究不尽相同。随着干旱胁迫的加剧，复羽叶栾树幼苗相对含水量随干旱程度的加剧逐渐降低，并且表现出下降的幅度也随干旱程度的加剧而明显减小，下降幅度最大的是胁迫初期，其次分别为中期和末期。在干旱末期，即使是对照组所表现出的相对含水量也与初期、中期存在较大的差异，这可能与干旱胁迫末期较高的环境因素（如温度）有关。

许多研究发现，植物的光合速率会随土壤水势的降低显著下降。在高温干旱条件下，板栗叶片表面温度升高、气孔阻力加大，光合速率显著降低[115]。刘锦春[66]

在对柏木幼苗的研究中发现：随着干旱条件的加剧，柏木幼苗的光合速率、蒸腾速率、气孔导度均呈下降趋势，并表为干旱程度越严重，下降幅度越大；而幼

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处理时间 wtreatment time（weeks）西南大学硕士毕业论文

苗的水分利用效率在重度胁迫之前随胁迫程度的加剧而增加。本研究结论与上述研究相符：复羽叶栾树幼苗在干旱条件下，以低光合、低蒸腾、高水分利用效率的对策来适应干旱环境。

研究表明，遭遇干旱胁迫时，植物最早进化出的抗旱策略是通过气孔的关闭来减少水分的丧失，这一策略也是植物在应对干旱胁迫时最为迅速的反应[116]。相反，气孔的关闭会限制光合作用中对碳的获取，从而使植物净光合速率降低[117, 118]。在许多研究中，干旱植物的气孔导度和净光合速率表现出很强的相关性，均表明气孔行为和光和活性存在协同性[119]。

在本研究中，复羽叶栾树幼苗在干旱胁迫下净光合速率、蒸腾速率均下降，气孔导度也随土壤干旱的加剧而成整体下降趋势。在胁迫初期Pn、E及Gs均随干旱的加剧而显著降低；中期虽然Pn、E仍表现出：干旱越严重，值越低，但气孔导度并未明显变化，而是维持在一个相对胁迫初期时较高的水平上；胁迫末期，在Pn、E均下降的情况下，轻度干旱组与中度干旱组间气孔导度未表现出显著性差异。并且胁迫中期、末期气孔导度下降的幅度均小于胁迫初期。因此本研究中Pn的降低不能简单的归结为气孔导度调节的结果。

4.4.2 外源钙对干旱环境下复羽叶栾树幼苗相对含水量及光合作用的补偿效应 在植物必需元素中，Ca2+具有极其特殊的作用，它不仅作为细胞的结构物质，而且作为第二信使，与钙调素结合调节细胞内多种具有重要功能的酶活性和细胞功能。调节植物对环境变化的响应过程，在环境胁迫下，钙和钙调素参与胁迫信号的感受、 传递、响应与表达，提高植物的抗逆性[81]。干旱胁迫下，植物对Ca2+的吸收显著降低，由此造成植物体内Ca2+的缺乏，引起一系列的不良反应，外源钙能够缓解干旱胁迫的伤害，在提高植物抗旱性方面发挥重要作用。

干旱对光合作用和呼吸作用和呼吸作用均有不利影响，首先是抑制植物的光合作用，使植物净光合速率降低。杨根平等[47]研究表明钙处理可以增强气孔对水分胁迫的敏感性，提高防御系统对干旱危害的抵抗力，维持系统的稳定性，提高受旱大豆叶片光合作用效率。

本研究中，经外源钙处理的复羽叶栾树幼苗，其叶片相对含水量、净光合速率、均高于相同水分处理条件下的无钙组，并且随着干旱胁迫强度的加强，钙处理组的RWC、Pn降低的速度与幅度均明显小于无钙处理组。从实验的整体趋势可得出：外源钙处理对干旱条件下复羽叶栾树幼苗的光合及水分特性表现出一定的补偿效应。

如前所述，气孔运动是植物调节光合作用最直接的方式，而对干旱胁迫下的植物进行钙处理，引起植物光合作用和特性发生变化。此种条件下，钙离子对植物叶片气孔运动的影响究竟是如何实现的，或者说经Ca处理的植物其气孔运动的方式是否发生了变化，从而直接增大了气孔阻力，减小了蒸腾作用，保障了光和活性等问题，都有待进一步的研究。

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2+

[120, 121]

第五章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响

第五章 外源钙对干旱条件下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响 5.1 引 言

干旱是植物逆境中最为普遍的形式。长期以来，植物进化出的适应干旱环境的方式也多种多样。其中植物的渗透调节物质及酶保护系统尤为重要。渗透调节功能是某些植物在长期进化过程中所演化出的适应干旱的机制和策略，是其能够忍耐长期干旱胁迫的重要物质基础，通过渗透调节可使植物在干旱条件下维持一定的膨压，从而维持细胞生长、气孔开放和光合作用等一系列生理功能的正常进行[122]。在遭遇干旱胁迫时，植物体内活性氧的产生和清除之间的平衡会遭到一定程度的破坏[123, 124]，活性氧过量产生、积累，是植物直接或间接地遭受氧化胁迫而引发细胞膜脂过氧化，进一步分解产生丙二醛（MDA），导致植物体内发生一系列的生理生化变化，严重时会引起植物细胞代谢紊乱，最终导致植物细胞受损和死亡[125]。活性氧的产生会激发植物体内的酶促防御系统SOD、POD、CAT等用以清除活性氧，以保护植物免受毒害[126]。因此，研究植物在干旱胁迫下渗透调节功能、活性氧的伤害机理以及寻找植物抗旱性的有效方法一直为广大研究者所关注。许多研究表明，渗透调节物质的含量、抗氧化系统的表达量与植物对逆境胁迫的抗性呈正相关[127-130]。

目前对石灰岩地区土壤的的高钙环境对植物抗旱性的影响所进行的研究较少，缺少揭示干旱胁迫时钙离子对植物渗透调节及抗氧化系统的表达量影响的研究。

鉴于此，本研究基于活性氧毒害的超氧化学说，从渗透调节物质、活性氧清除系统着手，研究旱胁迫下高钙离子对干复羽叶栾树幼苗抗旱性的影响。力求解释钙离子在植物适应水分胁迫过程中的作用。 5.2 材料与方法 5.2.1 实验材料

复羽叶栾树（Koelreuteria paniculata）幼苗 5.2.2 试验方法

见3.2 5.2.3 测定方法

可溶性蛋白质含量的测定：采用Bradford[131]方法，以牛血清蛋白为标准蛋白。丙二醛含量的测定：硫代巴比妥酸（TBA）氧化法。SOD活性测定：采用氮蓝四唑（NBT）法，以单位时间内抑制光化还原50%的氮蓝四唑为一个酶活性单位U。POD活性测定：采用愈创木酚法，以每分钟内OD470变化0.01的酶量为1个酶活性单位

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U。CAT活性测定：采用过氧化氢氧化法，以每分钟内OD240变化0.01的酶量为1个酶活性单位U。

Pro含量测定：采用茚三酮法[132]。 5.2.4 数据处理

所有数据均采用SPSS16.0软件处理，采用单因素方差分析（One-Way AVOVA）和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05；利用Origin 8.5软件作图。 5.3 结果与分析

5.3.1 干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗可溶性蛋白含量的影响

在干旱胁迫初期、中期及末期，可溶性蛋白含量均随胁迫程度的加剧表现出先上升后下降趋势，在中度干旱时含量达到最大值；虽然在重度干旱厚可溶性蛋白含量有所下降，但依然表现为高于或与对照组无差异（图5-1）。经外源钙处理后，胁迫初期与后期应干旱胁迫所增加的含量下降到对照水平，其中胁迫初期时，重度干旱组经钙离子处理后，可溶性蛋白含量明显低于对照。胁迫中期：轻度胁迫、中度胁迫组经外源钙处理后，可溶性蛋白含量有所降低，但均未恢复到高照水平，重度干旱组经处理后，显著低于对照（图5-2）（数据见附表5）。

14131211 CK LS MS SSccbbaaaaabca可溶性蛋白含量soluble protein（mg/Fwg）1098765432102weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-1干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗可溶性蛋白含量的影响

Fig.5-1 Effects of water stress on Soluble protein of Koelreuteria paniculata (M±MS)

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第五章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响

CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSc12c10可溶性蛋白含量soluble protein（mg/Fwg）b8bcbaaaaadaaaaaaaa6aaaa4202weeks4weeks6weeks

图5-2 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗可溶性蛋白含量的影响 Fig.5-2 Effects of water stress on Soluble protein of Koelreuteria paniculata with exogenous Ca2+ (M±MS) 5.3.2干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗丙二醛含量的影响

如右图5-3所示，在干旱胁迫初期、中期及末期，随胁迫程度的加剧，MDA含量呈现上升趋势。其中：在胁迫初期，各干旱组MDA含量均显著高于对照组，且各干旱组间存在显著差异，与对照相比分别增加：33.33%、68.33%、96.67%；胁迫中期、胁迫末期干旱处理组MDA含量显著高于对照，轻度干旱与中度干旱间无差异，重度干旱时达到最大值。胁迫中期各干旱组分别增加：91.67%、95.24%、184.52%； 胁迫末期分别增加：72.92%、68.75%、308.33%。

经外源钙处理后，胁迫初期，各干旱组MDA含量均下降到对照水平；胁迫中期、末期，各干旱组MDA含量虽未下降的对照水平。但与无钙组相比，G-LS、G-MS、G-SS组MDA含量增加幅度明显降低，胁迫初期，与LS、MS、SS组相比，分别降低22.50%、39.60%、47.46%；胁迫中期，分别降低了32.92%、27.07%、43.10%；胁迫末期，分别降低了22.89%、6.17%、36.73%（图5-4）（数据见附表5）。

处理时间treatment time（weeks）43

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CK LS MS SS14131211109dcbaabbccMDA含量MDA（mg/Fwg）876543210bab2weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-3 干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗MDA含量的影响

Fig.5-3 Effects of water stress on MDA of Koelreuteria paniculata (M±MS)

14 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS12dcdcbbbcaaaacbbbbd10MDA含量MDA（mg/Fwg）8baaaaa64202weeks4weeks6weeks处理时间treatment time(weeks)

图5-4 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗MDA含量的影响

Fig.5-4 Effects of water stress on MDA of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 5.3.3 干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗超氧化物歧化酶活性的影响

随干旱胁迫城的加剧，各时期SOD活性整体呈现上升趋势，除胁迫初期和胁迫末期轻度干旱组外，其余干旱胁迫组SOD活性均与对照存在显著差异。胁迫初期， LS、SS组与对照相比分别增加15.49%、59.79%；胁迫中期， LS、MS、SS组分别

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第五章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响

增加6.40%、17.56%、28.14%；胁迫末期，LS、SS组分别增加15.31%、55.56%。可见干旱胁迫程度越大，SOD活性增加的幅度越大（图5-5）（数据见附表5）。 如图5-6，外源钙处理后，胁迫初期G-LS、G-MS组恢复到对照水平，G-SS组SOD活性虽有显著下降，但仍显著高于对照组，较SS组下降了29.08%。中期G-LS组恢复到对照水平，G-MS、G-SS组与MS、SS组相比分别降低了3.17%、14.61%。胁迫末期，G-LS、G-MS、均恢复到对照水平，G-SS组与SS组比，降低了18.15%（数据见附表5）。

CK LS MS SS160140cdc120baaabcaabSOD活性SOD(U/Fwg.min)1008060402002weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-5 干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗SOD活性的影响

Fig.5-5 Effects of water stress on SOD of Koelreuteria paniculata (M±MS)

CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS160140ccd120dbbaaaaabaaaaabcbaaaSOD活性SOD（U/Fwg.min）b1008060402002weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-6 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗SOD活性的影响

Fig.5-6 Effects of water stress on MDA of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS)

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5.3.4 干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗过氧化物酶活性的影响

整体上，各干旱胁迫时期，随胁迫程度的加剧，LS、MS、SS组POD活性呈现显著升高趋势。胁迫初期，各干旱组与对照相比分别增加112.28%、207.02%、285.09%；胁迫中期分别增加92.19%、141.41%、321.88%；末期分别增加88.55%、168.70%、335.11%（图5-7）。经外源钙处理后，各时期G-LS、G-MS、G-SS组POD活性与LS、MS、SS组相比均呈现大幅度下降，且回到对照水平（图5-8）（数据见附表5）。

CK LS MS SS35d30dd25POD活性POD(U/Fwg)20151050cbbccbaaa2weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-7 干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗POD活性的影响

Fig.5-7 Effects of water stress on POD of Koelreuteria paniculata (M±MS)

CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS35d30dd25POD活性POD（U/Fwg）20151050ccbaaaaabaaaaabacaaaa2weeks4weeks6weeks处理时间treatment time(weeks)

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第五章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响

图5-8 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗POD活性的影响

Fig.5-8 Effects of water stress on POD of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 5.3.5 干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗过氧化氢酶活性的影响

如图5-9所示，整体上，各干旱胁迫时期，随胁迫程度的加剧，LS、MS、SS组CAT活性对照相比呈现显著升高趋势。胁迫初期，增加幅度呈现上升趋势，分别增加56.76%、121.62%、202.70%；在胁迫中期、末期，增加幅度表现为先上升后下降，中期分别增加103.33%、166.67%、360.00%；末期为112.00%、156.00%、284.00%（数据见附表5）。

经外源钙处理，各干旱时期，G-LS、G-MS组较LS、MS组相比，显著下降，并恢复到对照水平；而G-SS组CAT活性虽未降低到对照水平，但与SS组相比，CAT活性增大的幅度明显降低，其中，在胁迫初期，G-SS组下降了39.29%，中期下降了39.13%，末期为45.83%（数据见附表5）。

CK LS MS SS765dddccbbacCAT活性CAT(U/Fwg.min)43210baa2weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-9干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗CAT活性的影响

Fig.5-9 Effects of water stress on CAT of Koelreuteria paniculata (M±MS)

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8765 CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SSdddccbbaaaaaabaaaaccbaabCAT活性CAT(U/Fwg.min)432102weeks4weeks6weeks处理时间treatment time（weeks）

图5-10外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗CAT活性的影响

Fig.5-10 Effects of water stress on CAT of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 5.3.6 干旱胁迫及外源钙对复羽叶栾树幼苗脯氨酸含量的影响

各干旱胁迫时期，随胁迫程度的加剧，LS、MS、SS组pro含量对照相比呈现显著升高趋势（图5-11）。胁迫初期分别增加177.30%、1190.80%、2272.40%，胁迫中期分别为189.53%、1248.84%、2285.47%，末期为258.04%、1367.13%、2825.87%。表现为干旱时间越久、程度越严重，pro含量的增加量越高。经外源钙处理后，各时期各干旱组pro含量均恢复的对照水平（图5-12）（数据见附表5）。

CK5.04.5 LS MS SSddd4.03.53.02.52.01.51.00.50.0脯氨酸含量pro(mg/Fwg)cccaba2weeksba4weeksb6weeks处理时间treatment time（weeks）

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第五章 外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗渗透调节物质及保护酶活性的影响

图5-11干旱胁迫对复羽叶栾树幼苗pro含量的影响

Fig.5-11 Effects of water stress on pro of Koelreuteria paniculata (M±MS)

CK G-CK LS G-LS MS G-MS SS G-SS5.04.5ddd4.03.5脯氨酸含量pro(mg/Fwg)3.02.52.01.51.00.50.0cccbaaa2weeksbaaaaaaaaa4weeksba6weeksaa处理时间treatment time（weeks）

图5-12外源钙对干旱胁迫下复羽叶栾树幼苗pro含量的影响

Fig.5-12 Effects of water stress on pro of Koelreuteria paniculata with

exogenous Ca2+ (M±MS) 5.4 讨论

可溶性蛋白是参与植物体内的各种代谢酶类，植物遭遇逆境时，会产生一定的变化，其含量的高低是了解植物抗逆性的重要指标之一[133-135]。同时，可溶性蛋白与植物细胞的渗透调节有关，高含量的可溶性蛋白可使植物细胞维持在较低的渗透势，以抵抗由于干旱胁迫带来的伤害[136, 137]。张强[138]等对香椿、王海珍[139]等对辽东栎、贺鸿雁[140]等对花生的研究表明可溶性蛋白含量随干旱胁迫加剧而增加。也有研究表明，干旱条件会抑制植物体蛋白质的合成，并且同时会诱导蛋白质的降解，使植物体总蛋白含量降低[141]。史玉炜[133]等研究发现严重的水分胁迫会使植物RNA的转录与翻译过程受到抑制，影响到蛋白质的合成量，从而导致总蛋白量减少。本研究单一干旱处理组结果表明，随胁迫时间的延长，复羽叶栾树幼苗可溶性蛋白含量总体上表现为先上升后下降的变化趋势，这与刘锦春[66]对柏木、刘红云[142]等对杜仲的研究结果一致。说明在胁迫程度较轻的情况下，植物体内的不溶性蛋白转化为可溶性蛋白，以提高自身渗透调节能力，而严重干旱时，胁迫程度超出植物所能忍受的阈值，植物体代谢受阻，蛋白质合成量减少，此时为植物体内蛋白质降解过程。而在钙处理组，LS、MS组因干旱胁迫造成的可溶性蛋白含量增加现象得到很大缓解，各处理时期G-LS、G-MS组可溶性蛋白含量均下降的对照水平。这与关军锋[143]等的研究结果一致，说明钙离子可以提高植物的抗旱能力，抑制干旱胁迫下活性氧物质的生成 ,保护细胞质膜的结构。

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植物氧化代谢过程中不停地产生活性氧，在一般情况下，植物体内活性氧的产生于清除维持一个动态平衡，这也是活性氧不会对植物生长生存产生影响的主要原因[144]。大量研究表明，干旱胁迫会使植物体内这种平衡被打破，引起的膜脂过氧化是造成植物细胞膜受损的主要因素[145]。研究中，常常利用丙二醛（MDA）作为膜脂过氧化指标，其含量能在一定程度上反映膜脂过氧化作用水平和膜结构受损程度，以及植物的自我修复能力[125, 146, 147]。本研究中，单一干旱胁迫结果表明，随各时期干旱胁迫程度的加剧，MDA含量逐渐增加，说明在胁迫加剧的过程中，膜脂过氧化作用加剧，MDA积累量增加。胁迫初期轻度干旱、中度干旱胁迫时MDA的增加量较小；而在中期和末期轻度干旱组与中度干旱组间没有差异；只有在各时期重度斜坡时，才表现为MDA含量急剧增加。说明复羽叶栾树幼苗对干旱胁迫有一个适应的过程。在外源钙处理的研究中发现，只有胁迫初期个干旱组MDA含量恢复到对照水平；中期、末期中各组MDA含量虽然有所下降，但并没有恢复到对照水平。这可能由于胁迫程度过大，超出了福越野栾树所能忍受的阈值，使其自我修复能力受到影响；或是由于实验处理周期过短，中度干旱组植物尚处于自我修复的过程中。说明钙离子可以提高干旱胁迫下，植物的自我修复能力。

逆境条件下，活性氧的积累会对植物产生伤害，植物在长期进化过程中形成了酶促和非酶促两类保护系统用以清除活性氧。大量研究表明SOD、POD、CAT的活性与植物抗逆性有关系，在适度的逆境诱导下SOD、POD、CAT活性增加以提高植物适应逆境的能力[148]。本研究中，在干旱处理下，复羽叶栾树幼苗SOD、POD、CAT几种保护酶活性均呈现持续增加趋势。说明在水分胁迫时，复羽叶栾树幼苗能通过提高保护酶活性，清除活性氧，减小膜脂过氧化作用。这与白建芬等对玉米，陈平[149]等对侧柏、苦楝的研究结果一致。外源钙处理后，除重度干旱组外，其余各组SOD、POD、CAT活性均下降的对照水平。

渗透调节是植物在干旱胁迫下，通过降低渗透势和维持一定的膨压，抵御逆境胁迫的一种重要方式[150]。不同植物对逆境的反应不同，因此细胞内积累的渗透调节物质也不同。李德全[122]认为渗透调节分为2种生理过程，一种是以可溶性糖、氨基酸等有机溶质作为渗透调节物质，主要调节细胞质的同时对酶蛋白和生物膜起保护作用；一种是以K+和其他无机离子为渗透调剂物质，主要调节液泡浓度以维持膨压等生理过程。

本研究着重与干旱胁迫下氨基酸含量的变化，以游离脯氨酸含量作为指标。正常情况下，植物体内的游离脯氨酸含量维持在一个相对较低的水平

（200-700Lg2g-1），仅占其总量的百分之几。但当植物处于逆境时，游离脯氨酸含量将明显增加[38, 39, 151, 152]。本研究结果表明，复羽叶栾树幼苗叶游离脯氨酸含量随干旱条件的变化，脯氨酸都显著性积累且积累幅度随胁迫加剧而增大。外源钙处理组，各干旱时期、各干旱胁迫程度中，脯氨酸含量均维持在对照水平。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/27iw.html