彭友贵，邹慧儒，王本洋
(华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510640)
红树植物自然分布于热带亚热带的潮间海岸带，其生境中的土壤基质和周期性浸淹的海水均含有较高的盐分，红树植物对盐度具有一定的适应性[1]，红树植物各器官可吸收大量盐分(Na+和Cl-)，但过量盐分的积累将破坏植物体内离子动态平衡，抑制植物生长[2]。离子平衡在红树植物耐盐生理生态中有着重要作用[3]，植物组织的离子调节是盐生植物适应盐胁迫环境的关键[4]。植物有多种离子平衡的策略来适应盐胁迫环境，提高耐盐性，如根部的拒盐，限制根部对离子的吸收和转运；
叶片的泌盐，通过叶片盐腺将盐分排出；
对生长介质中的离子进行选择性吸收；
离子区域化，将离子区隔在液泡中，减少对细胞的伤害[5]。Na+、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+等是植物组织中以离子形式存在的营养元素[6]，在正常生境条件下这些无机离子在植物细胞中处于均衡状态[7]。在盐胁迫环境下能否维持其离子平衡，特别是K+/Na+的平衡，对盐胁迫下植物的生命活动起到重要作用[8]；
同时，K+、Ca2+和Mg2+的吸收变化将影响植物正常的生理代谢[9]。在盐胁迫下，不同红树植物的离子吸收和离子积累特征可能存在较大差异，其维持离子平衡的机理不尽相同。如秋茄(Kandeliaobovate)和红海榄(Rhizophorastylosa)同为红树科拒盐植物，生境相同，但在元素积累及季节变化模式上存在较大差别[10]。桐花树(Aegicerascorniculatum)和黄槿(Hibiscustiliaceus)在K+和Na+的选择性吸收方面，桐花树优先将K+吸收在根部，黄槿侧重于控制Na+的吸收，促进K+从根部运输到茎，从而在盐度波动生境中维持离子的动态平衡[11]。研究红树植物离子平衡与耐盐性，对红树植物的选育和红树林生态恢复的树种选择具有重要指导意义。
海桑属(Sonneratia)红树植物是红树林的重要组成，主要分布于印度洋和太平洋西部南北回归线之间的热带大陆沿岸及岛屿上，在我国有3种2杂交种1外来种[12]。5乡土种自然分布于海南，主要为海桑(S.caseolaris)。外来种无瓣海桑(S.apetala)于1985年从孟加拉国引入，在华南沿海具有良好的适应性，曾被大量推广种植[13]。关于海桑属红树植物离子吸收的研究较少。昝启杰等[14]研究了深圳福田红树林无瓣海桑+海桑人工林群落的Ca、Mg和Na元素的吸收、分布、累积和循环。李诗川等[12]研究比较了海南东寨港6种海桑属植物根际土壤和叶片中的Mg2+、K+、Ca2+、Na+和Cl-等离子含量。现有研究成果主要反映了特定生境盐度与植物个别器官离子含量的关系，但关于盐度变化对海桑属红树植物离子吸收的影响以及离子在根、茎和叶等器官的分布变化规律的研究鲜见报道。本研究选择海桑属乡土红树植物中分布较多的海桑和外来种无瓣海桑为研究对象，通过对不同盐度条件下Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-等离子在2种植物根、茎和叶的含量变化规律进行研究，探讨盐胁迫下海桑和无瓣海桑对离子吸收的选择性以及离子间的相互影响，分析2种红树植物维持离子平衡的机理差异。
1.1 试验苗木的不同盐度处理
将人工培育的10月龄苗木海桑和无瓣海桑分别种植于容积160 L的方形PVC箱中，每箱盛淡水河床沙质土50 kg，种植苗木9株，各种植24箱，放置于防雨的种植大棚。在每个种植箱的侧面紧靠底部设置放水开关，并在出水口的内侧沿壁用直径6 cm带小孔的半圆形PVC管隔出渗水通道，以便处理后的水排出。苗木于2月中旬种植，用淡水(自来水)灌溉至月底，以排出土壤中的盐分和恢复苗木生长。每天早上8:00加入淡水，傍晚20:00排出。3月开始不同盐度处理试验，根据红树植物一般可忍耐的盐度范围[15]，设置0、5、10、15、20、30、40和50等8种盐度处理，每一处理3个重复。每箱灌溉用自来水和KNO3、KH2PO4配制成TN 160 mg/L、TP 40 mg/L的试验用水6 L，用NaCl调节至目标盐度。每天加水、放水时间同上。处理1个月后更换相同N、P浓度和相应盐度的水，期间用淡水补充因蒸发而损失的水分，以维持盐度不变。6月底试验结束。
1.2 植物样品处理、测定与数据分析
试验4个月后，对不同盐度处理苗木，抽取生长中等的植株，分别根、茎、叶取样，测试分析各器官的Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-等离子含量。在105℃杀青后于80℃烘干至恒重，分别粉碎研磨，称取定量研磨后样品用HNO3-HClO4消解，用于测量Na+、K+、Ca2+和Mg2+等离子含量；
称取定量研磨后样品加入少量超纯水，在超声振荡器中超声处理2 h，然后加热至沸腾，煮沸2 h，稀释定容，用于测量Cl-含量。Na+、K+、Ca2+和Mg2+等离子含量测定用电感耦合等离子发射光谱法，Cl-含量测定使用离子色谱法。
测定数据用Excel表进行统计分析，离子含量、盐度间的相关性分析采用Pearson相关性分析法。
2.1 盐度对植物吸收Na+、Cl-的影响
在不同盐度条件下灌溉处理4个月后，海桑和无瓣海桑各器官的Na+和Cl-含量变化见图1和图2。随着盐度升高，两植物叶、茎和根的Na+、Cl-含量迅速增加，其中根部含量增加速度最快，海桑叶和茎中含量在盐度超过20小幅下降。与盐度0处理含量比较，在盐度50处理海桑叶、茎和根的Na+含量分别增加了48.4%、94.2%和873.4%，Cl-含量分别增加了49.2%、135.9%和1 292.4%；
无瓣海桑叶、茎和根的Na+含量分别增加了91.4%、143.6%和1 045.6%，Cl-含量分别增加了102.1%、315.3%和917.2%。高盐胁迫时，Na+和Cl-在根部的大量积累可减缓向茎、叶的运输，减轻对茎、叶的危害。两红树植物各器官Na+和Cl-的加权平均含量见表1。随着盐度升高，全株Na+、Cl-平均含量呈快速增加趋势，盐度50与0处理比较，海桑和无瓣海桑Na+含量分别增加了210.2%和204.1%，Cl-含量分别增加了248.2%和246.1%；
盐度超过20，海桑的Na+、Cl-含量增加缓慢，主要是由茎和叶中的含量下降所致，说明盐度超过20对海桑地上部分的离子运输产生抑制作用。
图1 不同盐度处理植物各器官Na+含量变化(H为海桑，W为无瓣海桑，下同)Fig.1 Na+ concentration in plant organs under different salinities (H for S. Caseolaris, W for S. Apetala, the same below)
图2 不同盐度处理植物各器官Cl-含量变化(H为海桑，W为无瓣海桑，下同)Fig.2 Cl- concentration in plant organs under different salinities (H for S. Caseolaris, W for S. Apetala, the same below)
表1 不同盐度处理植物全株Na+和Cl-含量Table 1 Na+ and Cl- concentration of the whole plant under different salinities 单位：mg/g
在低盐度0、5、10处理，叶、茎和根的Na+含量在两红树植物间的差异小，其中盐度0处理的含量差值分别为2.79、0.19和1.32 mg/g，随着盐度升高差值增大，在盐度50处理分别达到9.02、5.42和21.99 mg/g；
在盐度30、40和50处理各器官的Na+含量均为无瓣海桑高于海桑。不同盐度处理的Cl-含量在两植物间的差异小，在盐度40和50处理无瓣海桑各器官Cl-含量略高于海桑。
2.2 盐度对植物吸收K+的影响
在不同盐度条件下灌溉处理4个月后，海桑和无瓣海桑各器官K+含量变化见图3。在各盐度处理两红树植物叶和茎的K+含量高于根中含量1倍以上，随着盐度的升高，叶、茎和根的K+含量均呈先升后降趋势。在盐度15处理海桑各器官K+含量达到最高值，其中叶和茎的K+含量分别比盐度0处理的K+含量增加了22.5%和81.3%，根中K+含量增加较缓，增幅只有4.2%。在盐度50处理，叶、茎和根的K+含量分别比盐度15处理下降了25.9%、29.9%和47.5%；
与盐度0处理的含量比较，叶和根的K+含量分别减少了9.2%和45.25%，而茎中K+含量增加了27.2%。无瓣海桑叶、茎和根的K+含量在盐度20处理最高，比盐度0处理的含量分别增加了7.7%、6.9%和29.4%；
在盐度50处理，叶、茎和根的K+含量比盐度0处理的含量分别下降了11.9%、12.4%和11.9%。在各盐度处理，两红树植物相同器官的K+含量差异小。
图3 不同盐度处理植物各器官K+含量变化Fig.3 K+ concentration in plant organs under different salinities
两红树植物各器官K+的加权平均含量见表2。随着盐度升高，海桑和无瓣海桑全株K+平均含量呈先增后降趋势。海桑K+平均含量最高值出现在盐度15处理，比盐度0处理增加了61.6%；
盐度50处理的K+平均含量比最高值下降了31.4%，略高于盐度0和5处理。无瓣海桑全株K+平均含量变化较平缓，最高值出现在盐度20处理，比盐度0处理只增加了8.3%；
盐度50处理的K+平均含量比最高值下降了20.3%，比盐度0处理的含量下降了13.6%。K+含量的上述变化表明，在NaCl盐度20以下促进海桑和无瓣海桑各器官K+的吸收，高盐度(30～50)生境Na+的大量吸收对K+吸收有抑制作用。
表2 不同盐度处理植物全株K+含量Table 2 K+ concentration of the whole plant under different salinities 单位：mg/g
2.3 盐度对植物吸收Ca2+和Mg2+的影响
在不同盐度条件下灌溉处理4个月后，海桑和无瓣海桑各器官Ca2+和Mg2+含量变化见图4和图5。随着盐度升高，两植物各器官Ca2+含量呈先升后降趋势，在盐度15或20达到峰值。海桑叶、茎和根的Ca2+含量峰值比盐度0处理的含量分别增加了61.5%、32.5%和34.9%；
盐度50处理与0处理的Ca2+含量比较，叶中含量增加了18.6%，茎和根中含量分别下降了5.6%和14.0%。无瓣海桑叶、茎和根的Ca2+含量最高值比盐度0处理的含量值分别增加了61.2%、35.0%和15.6%；
盐度50处理的Ca2+含量与盐度0处理的含量比较，叶中含量增加了11.3%，茎和根中含量分别下降了10.3%和44.6%。高盐胁迫(盐度30～50)严重抑制了海桑和无瓣海桑根部Ca2+的吸收和积累。两红树植物相同器官的Ca2+含量差异，在各盐度处理均为茎中含量是海桑略高于无瓣海桑，叶和根部含量是无瓣海桑高于海桑，其中根部Ca2+含量随着盐度升高差值缩小。在各盐度处理，全株Ca2+含量为无瓣海桑略高于海桑(见表3)。随着盐度升高，两红树植物全株Ca2+平均含量呈先增后降趋势，盐度20处理的含量最高，比盐度0处理的含量分别增加了33.1%和33.6%；
盐度50处理比盐度0处理的含量分别下降了7.7%和14.4%，说明高盐胁迫(盐度30～50)对Ca2+的吸收和积累有一定抑制作用。
图4 不同盐度处理植物各器官Ca2+含量变化Fig.4 Ca2+ concentration in plant organs under different salinities
图5 不同盐度处理植物各器官Mg2+含量变化Fig.5 Mg2+ concentration in plant organs under different salinities
表3 不同盐度处理植物全株Ca2+和Mg2+含量Table 3 Ca2+ and Mg2+ concentration of the whole plant under different salinities 单位：mg/g
在不同盐度条件下，海桑和无瓣海桑各器官的Mg2+含量变化较平缓。随着盐度升高，叶的Mg2+含量呈下降趋势，茎和根的Mg2+含量总体呈上升趋势；
各器官Mg2+含量为海桑高于无瓣海桑。全株Mg2+平均含量在盐度0～20处理无明显变化(见表3)，在盐度30～50处理略有增加，生境盐度变化对海桑和无瓣海桑的Mg2+吸收影响小。
2.4 盐度、离子含量相关性分析
对不同盐度处理植物各器官以及全株Na+、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+等离子含量、盐度进行相关性分析，明确盐度对各离子吸收的影响以及离子间相互影响的相关显著性，结果见表4。
表4 盐度、离子含量相关性分析Table 4 Correlation analysis on salinity and ion concentrations in plants
从表4可知，海桑部分器官、无瓣海桑全部器官的Na+、Cl-、Mg2+含量以及全株平均含量与生境NaCl盐度变化具有极显著或显著相关关系；
海桑根K+含量、无瓣海桑叶K+含量、根Ca2+含量与盐度呈极显著或显著负相关。上述相关关系表明，盐度变化对海桑Na+、Cl-、K+、Mg2+吸收或在各器官间的分配、对无瓣海桑Na+、Cl-、K+、Ca2+、Mg2+吸收或在各器官间的分配有着不同程度的影响。
随着盐度的变化，海桑的离子含量除K+与Mg2+之间不存在相关关系外，其他离子间在全部或部分器官、全株存在一定的相关关系。无瓣海桑的Na+、Cl-和Mg2+相互间具有极显著或显著正相关关系；
K+与Ca2+在海桑和无瓣海桑部分器官以及全株表现出极显著或显著正相关关系；
Ca2+和Mg2+含量在海桑全株和无瓣海桑根中呈显著负相关关系，说明在植物吸收和分配过程中上述离子间可能相互影响。
随着盐度升高，海桑和无瓣海桑吸收的Na+和Cl-含量快速增加。盐胁迫下，由于环境渗透势的降低，为了保证吸取水分，植物会吸收大量的Na+和Cl-，来维持渗透差[16-17]。土壤溶液中的Na+和Cl-浓度越高，根压越大，运输到地上部分的离子就越多。由于植物细胞内总的正负电荷数需维持相对平衡[18]，当植物大量吸收Na+时伴随着Cl-的大量吸收，两者具有电荷中和作用。当外界Na+大量涌入细胞，植物细胞可通过把Na+区域化到液泡中以保持较低的胞质Na+浓度，增强植物耐盐性，维持正常生长[19]。根中一些成熟细胞有着发育良好的液泡，可以储存大量的盐离子以减少其往地上部运输[20]。在本研究中，海桑和无瓣海桑根部Na+、Cl-含量分别比茎和叶中含量增加速度快，可能与根部细胞液泡的大量储存有关。在向敏等[21]的研究中，NaCl盐度达到400 mmol/L时，秋茄的Na+、Cl-含量和木榄(Bruguieragymnorhiza)的Na+含量略有下降，可能由于试验苗木为幼苗，在高盐胁迫下细胞受到伤害，调节离子平衡能力减弱。本研究中盐度超过20，海桑根部Na+、Cl-含量迅速增加，而茎和叶中含量则下降，说明盐度超过20细胞调节离子平衡能力降低，植物根部吸收的Na+、Cl-转运到茎和叶的量减少。
关于盐胁迫下红树植物K+含量的变化，有不同的研究结论：一是K+与Na+的吸收有竞争性，Na+的大量吸收会造成K+的吸收减少[22-23]；
二是Na+的吸收不会导致K+的吸收减少，反而促进K+的吸收，以维持细胞内Na+/K+比不变[24]，或通过吸收K+来限制高盐胁迫下Na+对植物的伤害[21]；
三是盐度(NaCl)对K+吸收没有影响。如Parida等[25]用高浓度的NaCl基质培养小花木榄(Bruguieraparviflora)，其叶片中的K+浓度没有明显变化；
Watad等[26]认为，在盐分适宜的细胞中NaCl对K+吸收没有抑制作用，因为这些细胞的质膜有较高的K+/Na+选择性。本研究结果显示，在不同的盐度范围植物K+含量的变化是不同的，在低盐度(海桑盐度5～15，无瓣海桑盐度5～20)植株中的K+含量是随着生境盐度和植物Na+含量的升高而增加；
盐度超过15或20，植株中的K+含量下降。K+是唯一的植物所必需的以相对高浓度存在的阳离子[7]，是植物进行渗透调节、激活许多参与呼吸作用和光合作用酶活性等一系列重要生理活动的必需元素[6]，K+对植物抵抗盐胁迫具有重要的作用[27]，植物是否能有效维持K+/Na+平衡是判断植物耐盐能力[28]和离子平衡能力[29-30]的重要依据。在盐度15和20以下，随着盐度的升高，海桑和无瓣海桑吸收的Na+含量增加，吸收的K+也增多，K+主要分布在茎和叶，在此盐度范围海桑和无瓣海桑能较好维持K+/Na+平衡，正常生长，因此在低盐度条件下，植物对Na+的吸收会促进K+吸收。在盐度超过15和20，随着盐度的升高，海桑和无瓣海桑各器官的K+含量分别呈下降趋势，说明高盐度生境抑制植物的K+吸收，K+/Na+平衡被破坏，耐盐能力下降。一般认为，高浓度Na+能够导致植物组织中的K+含量降低，对植物造成伤害[29]。桐花树在低盐生境中也促进K+吸收，优先将K+吸收在根部[11]。根内皮层细胞膜控制离子吸收的选择性[4]，植物K+/Na+吸收的选择性，可能是由于内皮层凯氏带发育差异，引起离子通过中柱向地上部分运输的差异所导致[31]。此外，盐胁迫下红树植物K+含量变化不一致，可能与不同树种、不同生长阶段或者其他某些因素如盐胁迫时间长短等有关，如李银鹏等[32]和向敏等[21]的研究均通过采集木榄胚轴培育幼苗，分别进行NaCl盐胁迫试验60 d和28 d，K+含量变化的研究结论不同，确切原因有待进一步研究。
随着盐度的升高，海桑和无瓣海桑各器官的Ca2+含量与K+含量有相似的变化规律，在盐度15～20达到峰值。植物中Ca2+被用来合成新的细胞壁、参与有丝分裂中纺锤体形成，也是植物膜功能正常所必需，并作为第二信使参与植物对环境和激素信号的多种反应[6]。Ca2+作为植物生理活动必需的营养元素，在低盐条件下促进Ca2+吸收，满足植物生理活动需要。在高Na+浓度下，质外体的Na+吸收转运蛋白竞争结合位点，此外Na+取代细胞壁上Ca2+的结合位点，引起胞外Ca2+浓度下降[33]，红树植物的Ca2+含量减少[25,32,34]。本研究中海桑和无瓣海桑根部的Ca2+含量下降速度最快，在盐度50的含量分别比最高值下降了36.26%和52.05%，可能是因为盐胁迫通过根系对Na+的聚积，降低了根细胞质膜上的转运蛋白与Ca2+通道对Ca2+的吸收能力[35]，同时增强了Ca2+向茎叶的转运[36]。
与Na+、K+、Ca2+含量比较，Mg2+在植物组织中的含量最少，随着盐度的变化，其含量变动小，海桑和无瓣海桑在各盐度处理的全株Mg2+含量的最大值与最小值比较，分别只相差19.5%和10.1%，说明生境盐度的变化对植株积累Mg2+的影响小。从各器官的含量变化来看，随着盐度的升高，根和茎中的含量略有增加，叶中的含量呈小幅下降趋势，说明在盐分条件下叶积累的大量Na+对植物吸收的Mg2+转运到叶有一定影响。对部分红树植物的研究也显示出类似的变化规律，经过高浓度的NaCl基质培养后，小花木榄叶中的Mg2+含量降低[37]；
木榄幼苗茎和根中的Mg2+含量有小幅上升，叶中的Mg2+含量没有明显变化[32]。玉蕊则为盐胁迫使叶中Mg2+的吸收增加，在根部的吸收下降[36]。对于不同的红树植物，盐度变化对Mg2+在植物各器官的吸收和分配变化存在差异。
海桑和无瓣海桑为同属红树植物，不同盐度条件下其离子吸收和在各器官分配的变化规律基本一致，只是离子含量、变化幅度、变化的盐度范围存在差异，说明两红树植物维持离子平衡的机理相同。在NaCl高盐胁迫下，植物体中Na+和Cl-的吸收大量增加，两者具有电荷中和作用；
Na+积累达到一定程度，将抑制K+和Ca2+的吸收，难以建立新的离子平衡，植物生长受到影响。从两种红树植物在不同盐度处理对离子吸收的变化来看，海桑抗盐胁迫的能力稍弱于无瓣海桑，两者可在盐度15～20以下生境种植。
(1)随着生境盐度升高，海桑和无瓣海桑对Na+和Cl-的吸收大量增加。盐度超过20，海桑根部Na+和Cl-含量快速增加，茎和叶中含量下降，细胞调节离子平衡能力降低，植物根部吸收的Na+、Cl-转运到茎和叶的量减少。
(2)盐度影响海桑和无瓣海桑对K+、Ca2+和Mg2+的吸收。随着生境盐度升高，两红树植物各器官及全株K+、Ca2+含量呈先升后降趋势，在盐度15～20达到最大值；
Mg2+含量变化平缓，在盐度30～50略有增加。两红树植物的K+含量差异小，无瓣海桑全株Ca2+含量高于海桑，Mg2+含量低于海桑。
(3)盐胁迫时部分离子在植物吸收过程中相互影响，其中海桑各器官的Na+和Cl-含量、无瓣海桑各器官的Na+、Cl-和Mg2+含量相互间极显著相关，K+和Mg2+含量在两红树植物各器官均不具相关关系。
(4)随着生境盐度变化，海桑和无瓣海桑的离子吸收及其在各器官分配的变化规律基本一致，盐胁迫下两红树植物维持离子平衡的机理相同；
无瓣海桑抗盐胁迫的能力略强于海桑。