5種屋頂綠化常綠植物的耐熱性研究

楊 壹，劉建軍*，孫繼斌

(1.西北農林科技大學 風景園林藝術學院，陜西 楊陵 712100：2.寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021)

近年來，城市化和工業化進程不斷提高，大量的城市綠色空間被建筑物或構筑物所占據，城市有效綠地面積逐漸減少，而屋頂綠化被看作是地面綠化的有益補充，對緩解熱島效應、凈化空氣、減少粉塵、減少能量消耗成本、延長屋頂壽命等具有積極作用[1]，是在高度城市化條件下解決城市生態環境問題的重要手段[2]。

植物種類的選擇應用是屋頂綠化建設的關鍵，篩選出淺根系、生長緩慢且抗性強的常綠木本植物能夠豐富城市綠化空間，發揮巨大的生態效益和經濟價值[3]。目前，國內屋頂綠化植物的選擇應用普遍存在以淺根系灌木、草坪為主，小喬木和藤本植物所占比重少，群落結構層次簡單、空間利用率低，植物應用重復率高、品種單一[4]，配置不合理、季相色彩不豐富、景觀效果差異較大[5]等問題。由于屋頂環境特殊，暴露面積大、光照強、晝夜溫差大，對屋頂植物的耐熱性提出了更高要求。因此，本研究選取5種植株矮小、水平根系發達、易管護的常綠灌木進行耐熱性試驗，通過測定高溫半致死溫度和生理生化指標，采用隸屬函數值法綜合評價分析其耐熱能力，旨在為西安市乃至整個西北地區城市屋頂綠化的常綠植物選擇應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選擇5種常綠灌木：金葉女貞(Ligustrum×vicaryi)、金邊黃楊(Buxusmegistophylla)、南天竹(Nandinadomestica)、海桐(Pittosporumtobira)、紅葉石楠(Photinia×fraseriDress)，均為2年生扦插苗。

1.2 試驗方法

1.2.1 半致死溫度的測定 選取生長健壯、具有相似葉齡的成熟功能葉片，洗凈擦干，分別稱取0.3 g(0.5 cm2大小)放進盛有25 mL超純水的試管中，分別在 35℃(CK)、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃和65℃的水浴中放置20 min，取出靜置冷卻2 h。測得電導率值T1，然后將試管放置100℃水浴30 min，殺死植物組織，取出冷卻后測電導率值T2，重復3次，取平均值。計算公式如下:

細胞傷害率/%=(T1-TCK)/(T2-TCK)×100%

(1)

將處理溫度(t)與細胞傷害率(y1)用Logistic方程：Y=k/(1+ae-bt)來擬合，令k=100(消去了本底干擾)，k代表細胞傷害率的飽和容量；a、b為方程參數。求出曲線拐點時的溫度，即為高溫半致死溫度(LT50)[6]。

1.2.2 生理生化指標的測定 選取長勢良好的植株，每種4盆放入人工氣候培養箱，設定為30/25℃(晝/夜)，相對濕度70%，光照強度40%，光周期13 h，2 d后開始耐熱性試驗，熱脅迫溫度為42.5/32.5℃，相對濕度40%(根據所觀測的西北農林科技大學文科樓樓頂與地面夏季溫度情況所設定)，其他條件不變保持10 d，每隔2 d進行取樣測定細胞質膜透性(EC)、葉綠素含量(chl)、脯氨酸(Pro)含量3項生理生化指標[7](適應生長后第1天為對照)，每2 d澆水100 mL，設3次重復[8]。

1.2.3 植物耐熱性的綜合評定 采用模糊數學隸屬函數法進行參試植物的耐熱性綜合評定[9]。具體計算方法如下：如果指標與耐熱性呈正相關，R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)；如果指標與耐熱性呈負相關，R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中R(Xij)i為植物j指標的隸屬函數值；Xij為i植物j指標的測定值；Xmax和Xmin分別為指標的最大值和最小值[10]。計算5種植物的隸屬函數值，取平均值進行排序，均值越大則耐熱性越強，最終得出結果。

2 結果與分析

2.1 處理溫度對細胞傷害率的影響及其半致死溫度

2.1.1 細胞傷害率與處理溫度的關系 由圖1可見，隨著溫度的增加，5種常綠植物的細胞傷害率均呈不同程度的遞增趨勢，首先緩慢上升，在一定高溫后急劇上升。40℃～45℃期間5種植物的細胞傷害率差別較小，當溫度升至50℃時，南天竹的細胞傷害率急劇上升且最大，為46.62%，金葉女貞的細胞傷害率最小，為2.68%，紅葉石楠的細胞傷害率則持續呈上升趨勢。金葉女貞在55℃～60℃期間細胞傷害率迅速上升后緩慢上升，當溫度升至60℃，金邊黃楊和海桐的細胞傷害率才迅速上升外，其他植物的細胞傷害率雖有所增加，但增速相對放緩，65℃時，金邊黃楊的細胞傷害率最小，為64.36%。整體來看，各植物的細胞傷害率隨處理溫度的變化基本上呈“S”型變化，符合Logistic方程，可以計算半致死溫度[11]。

圖1 處理溫度與細胞傷害率的關系Fig.1 Relationship between rate of injured cells and temperature of treatment

2.1.2 轉化細胞傷害率與處理溫度的關系 將Logistic方程進行線性化處理，ln{(k-y)/y}=lna-bt，令y1=ln{(k-y)/y}，變成轉化細胞傷害率與處理溫度的直線方程[12]，通過非線性回歸的方法求得a、b值及相關系數r[13](圖2)。通過方差分析，不同溫度處理下5種常綠植物的細胞傷害率達到極顯著水平(F=48.424，P<0.01)，細胞傷害率與處理溫度之間存在顯著的直線關系。

圖2 轉化細胞傷害率與處理溫度的關系Fig.2 Relationship between transformed cell injury rate and processing temperature

2.1.3 半致死溫度的確定 對方程二階求導，當d2y/dt2=0時的t值，簡化可得：t=ln(a)/b，即高溫半致死溫度(LT50)值(表1)，可以看出系數r較高，方程的擬合度較高。5種常綠灌木的LT50范圍為58℃～63℃，其中金邊黃楊的半致死高溫最高，為62.62℃，表明其耐熱性最強，海桐、金葉女貞、紅葉石楠的半致死高溫分別為62.43℃、61.10℃、58.20℃，南天竹的半致死溫度在5種常綠灌木中最低，為58.09℃。從耐熱性角度看，5種常綠灌木能夠適應一定的高溫環境，可在屋頂綠化中應用。

表1 方程參數及半致死溫度Table 1 Parameters of equation and semi-lethal temperature

2.2 高溫脅迫對細胞膜透性的影響

由圖3可見，植物葉片的EC值隨著高溫脅迫時間的持續而增加，不同植物之間的增加幅度不同。金葉女貞的EC值變化最大，8 d時增加了對照的386.77%，細胞受傷程度較重。南天竹、海桐、紅葉石楠葉片的EC值分別為對照的127.86%、124.37%、112.85%，質膜穩定性相對較高。金邊黃楊的EC值在高溫6～8 d時下降，說明它抵御高溫環境的調節能力較強。

圖3 高溫脅迫下植物相對電導率的變化Fig.3 Changes of relative conductivity of plants under heat stress

對不同植物在不同時間脅迫下的細胞膜透性進行方差分析，植物主效應(F=345.78)，時間主效應(F=61.03)及植物與時間交互效應(F=40.71)，均達到極顯著水平(P<0.01)，用LSD法對主作用和交互作用多重比較得出，5種植物的EC值變化差異極顯著，時間主因素的EC值變化呈上升趨勢，金葉女貞與其他4種植物之間達到了1%的極顯著差異水平。

2.3 高溫脅迫對葉綠素含量的影響

由圖4可見，金葉女貞、金邊黃楊葉片葉綠素含量的變化趨勢相似，隨高溫時間的持續先升后降再小幅上升，說明在輕度高溫脅迫時它們所受影響較小，甚至在某種程度上促進了光合作用。南天竹、海桐、紅葉石楠葉片葉綠素含量變化趨勢相似，隨高溫時間的持續先降后升，可能是因為高溫脅迫導致葉片蒸騰失水，葉綠素相對含量增加[14]。同時，熱處理也會使酶失活或鈍化從而抑制葉綠素分解。南天竹在整個脅迫期間，葉綠素含量變化較小，基本不受高溫影響，表現了較強的耐熱性。

圖4 高溫脅迫下葉綠素含量的變化Fig.4 Changes of chlorophyll content of plants under heat stress

對不同植物在不同時間脅迫下的葉綠素含量進行方差分析，植物主效應(F=883.90)、時間主效應(F=25.67)及植物與時間交互效應(F=9.07)均達到極顯著水平(P<0.01)，用LSD法對主作用和交互作用多重比較得出，5種植物的葉綠素含量變化差異極顯著，時間主因素葉綠素含量變化呈先降后升態勢，差異不顯著。

2.4 高溫脅迫對脯氨酸含量的影響

由圖5可見，除海桐的Pro值不斷增加外，其他4種植物的Pro值呈先升再降然后上升的趨勢，表明植物對高溫環境的抵御是動態調整過程，Pro值下降植物受到影響，又通過積累Pro值來維持自身體內平衡。金葉女貞在高溫脅迫4 d內，Pro值上升比較平緩，脅迫8 d時含量為對照的7.59倍，表明受高溫脅迫的影響相對較小。金邊黃楊、海桐、紅葉石楠的Pro值高增長出現在脅迫第8天，分別為對照的8.32、7.66、7.84倍，生理過程開始響應，高溫對其產生影響[15]，說明它們在高溫下具有高滲透調節機制，且耐熱能力相對較強。南天竹的Pro值為對照的1.89倍，耐熱能力最弱。

圖5 高溫脅迫下脯氨酸含量的變化Fig.5 Changes of proline content of plants under heat stress

對不同植物在不同時間脅迫下的脯氨酸含量進行方差分析，植物主效應(F=883.90)、時間主效應(F=25.67)及植物與時間交互效應(F=9.07)均達到極顯著水平(P<0.01)，用LSD法對主作用和交互作用多重比較得出，金葉女貞和其他4種植物的Pro值變化差異極顯著，時間主因素Pro值的變化先升再降后再升，南天竹、海桐和紅葉石楠差異不顯著。

2.5 耐熱性綜合評價

不同植物的耐熱機制有所差異，運用隸屬函數值法能夠對植物的多個指標進行比較客觀的綜合評價。由表2可見，5種常綠灌木的耐熱性從強到弱排序依次是：海桐>金邊黃楊>紅葉石楠>金葉女貞>南天竹。其中，金邊黃楊、海桐、紅葉石楠的耐熱隸屬值>0.5，屬于耐熱能力較強植物，海桐的耐熱能力最強；金葉女貞、南天竹的耐熱隸屬值均<0.3，屬于耐熱能力相對較差植物。

表2 耐熱能力綜合評價結果Table 2 Comprehensive appraisal of high temperatures on roof greening plants

3 結論與討論

3.1 結論

耐熱性是衡量屋頂綠化植物能否正常生長發育的重要指標之一，本試驗通過電導率法測定了5種屋頂綠化常綠灌木的耐熱能力，梯度溫度處理下離體葉片的細胞傷害率呈“S”型曲線變化，經顯著性驗證符合Logistic方程，擬合后確定高溫半致死溫度(LT50)由高到低依次是：金邊黃楊(62.62℃)、海桐(62.43℃)、金葉女貞(61.10℃)、紅葉石楠(58.20℃)、南天竹(58.09℃)，5種常綠灌木的高溫半致死溫度均>50℃，具備較強的耐熱能力。同時，測定其在高溫脅迫下細胞質膜透性、葉綠素含量和脯氨酸含量的變化，通過隸屬函數法綜合分析得出5種常綠灌木的耐熱能力排序為：海桐>金邊黃楊>紅葉石楠>金葉女貞>南天竹。根據高溫半致死溫度和生理生化指標的測定結果顯示，這5種常綠灌木具有較好的耐熱性，可以作為豐富美化西北地區屋頂綠化的植物資源加以應用。

3.2 討論

3.2.1 電導率法與耐熱性 將電導率結合Logistic方程確定半致死溫度能夠準確地反映植物所耐受的極限溫度和差異，能夠減小個別測定值的不穩定對最終結果的影響，消除原生質體在高溫作用下的時間干擾[16],在植物耐熱性研究中已被大量應用和證實，劉婉迪等[17]用電導法，通過Logistic方程擬合確定9個杜鵑品種的耐熱性強弱，宋世杰等[18]利用電導法，結合Logistic方程確定半致死溫度來判斷韭蓮等5種屋頂綠化植物的耐熱性，本試驗的方法與結論均與上述結果有一定的相近之處，但由于試驗是在植物離體條件下測定的，不一定能準確地反映植物整體的耐熱性，但仍能在一定程度上體現植物間耐熱性的差異。初步得到5種常綠灌木在耐熱方面優勢明顯，是西北地區屋頂綠化植物種類更新的潛在資源。

3.2.2 植物的生理指標與耐熱性 為增強結果的有效性和說服力，在高溫脅迫下測定了3項生理生化指標展開進一步研究[19]。高溫脅迫下，細胞原生質膜的結構和功能首先受到傷害，引起膜透性增大，胞內電解質外滲，致使細胞組織浸出液的電導率增大。本試驗結果與上述結論一致，金葉女貞的EC值增幅最快且最大，說明其葉片受高溫脅迫后細胞膜系統的損害最大，其他植物的EC值變化較小甚至下降，這是植物在逆境傷害的自我保護過程，通過調整胞質的外滲使電導值變緩或下降。光合作用是植物對高溫最敏感的生理代謝過程[20]，而葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，在一定程度上能反映植物的生長能力，溫度過高會導致葉綠素合成減緩并加速分解，含量大幅下降，故常用來鑒定植物的耐熱性[16]。相關研究表明熱脅迫下耐熱性強的植物品種葉綠素分解較少[21-22]，本研究表明，在高溫脅迫下5種常綠灌木的葉綠素含量變化較小，表現出較強的耐熱性。植物在高溫脅迫下會積累高水平的滲透調節物質脯氨酸，它能夠穩定原生質膠體并維持組織內的代謝，有利于細胞組織持水和防止脫水，從而緩解高溫脅迫的傷害[23]。本試驗結果與上述理論一致，為了適應高溫逆境脅迫，除南天竹的Pro值在脅迫6 d時明顯積累外，其余4種常綠灌木的Pro值在脅迫8 d時大量積累，高峰期出現遲且變化值大，說明耐熱能力相對較強。根據方差分析證明，通過以上3項生理生化指標來確定不同植物抵御高溫的能力是可行的。

植物的耐熱性是受多因素影響的復雜性狀，不同植物的耐熱機制也不盡相同，用單一指標難以全面準確地反映植物耐熱性的強弱，故采用隸屬函數法進行綜合分析來消除單個指標帶來的局限性。

3.2.3 屋頂綠化植物的選擇應用 盡管我國屋頂綠化事業處于快速發展階段，但從總體來看，各地發展極不均衡，可持續性不強。在選用屋頂綠化植物時要充分考慮到屋頂環境對植物生長的影響及建筑荷載力等多重因素，盡量選取一些喜光、耐寒、耐熱、耐干旱的植物。通過對屋頂與地面的風速觀測，發現屋頂的風力比地面大，要選用抗風性強、水平根系相對發達、株型矮小、枝條分布較稀疏的植物為佳，而金葉女貞、金邊黃楊、南天竹、海桐、紅葉石楠5種常綠灌木滿足上述條件的同時，改善生態環境的作用也非常明顯，在西北地區是秋冬季節的主要綠色來源。結合在屋頂綠化中表現良好的草本地被植物加以配置，喬灌草結合，將會成為增加城市屋頂綠化面積的主導力量，為改善人居環境質量、提高城市綠化率、美化城市空中景觀發揮巨大效益。