8 The Response of Ornamental Plants to Saline Irrigation Water



Yüklə 299.56 Kb.
PDF просмотр
səhifə1/3
tarix08.08.2017
ölçüsü299.56 Kb.
  1   2   3



The Response of Ornamental  

Plants to Saline Irrigation Water 

Carla Cassaniti

1

, Daniela Romano



1

 and Timothy J. Flowers

2

 

1



Department of Agriculture and Food Science, University of Catania,  

2

School of Plant Biology, Stirling Highway, Crawley, Western Australia,  

1

Italy  

2

Australia 

1. Introduction 

Salinity affects about one third of irrigated land, causing a significant reduction in crop 

productivity (Flowers & Yeo, 1995; Ravindran et al., 2007). For this reason researchers have 

paid considerable attention to this important environmental problem over the last decades. 

Few studies, however, have dealt specifically with ornamental plants used in landscapes, 

despite the fact that salt stress causes serious damage in these species (Cassaniti et al., 2009a; 

Marosz, 2004). Salinity is of rising importance in landscaping because of the increase of 

green areas in the urban environment where the scarcity of water has led to the reuse of 

wastewaters for irrigation (McCammon et al., 2009; Navarro et al., 2008). Salinity is also a 

reality in coastal gardens and landscapes, where plants are damaged by aerosols originating 

from the sea (Ferrante et al., 2011) and in countries where large amounts of de-icing salts are 

applied to roadways during the winter months (Townsend & Kwolek, 1987).  

Although water is used for purposes other than irrigation, “a landscape may serve as a 

visual indicator of water use to the general public due to its visual exposure” (Thayer, 1976). 

While in the past only good quality water (in some States of the USA, homeowners used 

approximately 60% of potable water to irrigate landscapes; Utah Division of Water 

Resources, 2003) was used for landscaping and/or floriculture (Tab. 1), nowadays the 

ecological sensitivity widely diffused in landscape management and planning (Botequilla 

Leitão & Ahern, 2002) determines the need to explore alternative water sources for 

irrigation. Landscape water conservation consequently requires making choices of plant 

species able to tolerate salt stress in order to allow the use of low quality water.  

Alternative water sources might be recycled water, treated municipal effluent and brackish 

groundwater, all of which generally have higher levels of salts compared with potable 

waters (Niu et al., 2007b). Treated effluent may also contain nutrients essential for plant 

growth; if water quality is good (not too saline), treated effluent can improve plant growth 

and reduce fertilizer requirements (Gori et al., 2000; Quist et al., 1999); application of 

industrial and municipal wastewater to land can be an environmentally safe water 

management strategy (Rodriguez, 2005; Ruiz et al., 2006). The potential physical, chemical 

or biological problems that are associated with effluent water applied to edible  

crops (Kirkam, 1986) are of lesser concern for landscape plant production (Gori et al., 2000).   

www.intechopen.com


 

Irrigation – Water Management, Pollution and Alternative Strategies 

 

132 


Characteristics Desired 

Level 

Soluble salts (EC) 

less than 0.5 dS m

-1

 



pH 

5.0 to 7.0  

Alkalinity (expressed as calcium carbonate) 

between 40 and 100 ppm (0.80 and 2.00 

me/L

-1



Nitrate (NO

3



less than 5 ppm 

Ammonium (NH

4



less than 5 ppm 



Phosphorous (P) 

less than 5 ppm 

Potassium (K) 

less than 10 ppm 

Calcium (Ca) 

less than 120 ppm 

Sulfates (SO

4



less than 240 ppm 

Magnesium (Mg) 

less than 24 ppm 

Manganese (Mn) 

less than 2 ppm 

Iron (Fe) 

less than 5 ppm 

Boron (B) 

less than 0.8 ppm 

Copper (Cu) 

less than 0.2 ppm 

Zinc (Zn) 

less than 5 ppm 

Aluminum (Al) 

less than 5 ppm 

Molybdenum (Mo) 

less than 0.02 ppm 

Sodium (Na) 

less than 50 ppm 

SAR* 


less than 4 ppm 

Chloride (Cl) 

less than 140 ppm 

Fluoride (F) 

less than 1 ppm 

*SAR (Sodium Absorption Ratio) relates sodium to calcium and magnesium levels. 

Table 1. Desiderable characteristics of high-quality irrigation water (Source: Dole & Wilkins, 

1999). 


However, any negative effects of salts on plant growth have to be taken into consideration 

mainly for their influences on aesthetic value which is an important component of 

ornamental plants. Salt tolerance does, however, vary considerably among the different 

genotypes of ornamentals used in landscaping. Ornamental plants can be considered all the 

species and/or varieties that provide aesthetic pleasure, improve the environment and the 

quality of our lives (Savé, 2009). This definition is, however, rather imprecise because these 

plants are used around the world and consequently the concept of ‘ornamental’ is 

ambiguous because it includes very important cultural differences (Savé, 2009). Ornamental 

plants are also used to restore disturbed landscapes, control erosion and reduce energy and 

water consumption, to improve the aesthetic quality of urban and rural landscapes, 

recreational areas, interiorscapes and commercial sites. So the number of plant species is 

very large due to the great geographical range over which they are used and their different 

functions. In relation to this high number of species that can potentially be utilized in the 

www.intechopen.com



 

The Response of Ornamental Plants to Saline Irrigation Water 

 

133 


landscape, the possibility of finding genotypes able to cope with salt stress is high. Unlike in 

agriculture, performance of an amenity landscape is not measured with a quantifiable yield 

but how well it meets expectations of the user or the individual paying for installation and 

maintenance, who may or not be one and the same person. Expectations include aesthetic 

appearance and/or utility, such as shading, ground cover and recreation (Kjelgren et al., 

2000). Sometimes in marginal conditions plant survival is often the only aim of cultivation. 

Furthermore, for landscape plants, maximum growth is not always essential and indeed 

excessive shoot vigor is often undesirable. To keep a compact growth habit, ornamentals 

often have to be pruned or treated with growth regulators (Cameron R.W.F. et al., 2004) so 

using an alternative water source may be prove advantageous where a more compact form 

arises as result of salt stress and where  slower growth is desiderable for easier landscape 

management (Niu et al., 2007b). Hence, the use of reclaimed water could conserve potable 

water and irrigation budgets (Fox et al., 2005). However, to expand the use of such waters 

while minimizing salt damage, the salt tolerance of ornamentals needs to be determined 

(Niu & Rodriguez, 2006b).  

Apart from plant characteristics, soil composition and drainage characteristics also need to 

be taken into consideration as they can influence the severity of plant damage by saline 

irrigation water. For example, clay soils and soils with a high percentage of organic matter 

exhibit faster and greater build up in concentration of sodium than sandy soils (Dirr, 1976). 

High concentrations of sodium can displace calcium and magnesium ions, whereas 

bicarbonate ions can destroy soil structure. This is especially important when irrigation 

water with high soluble salts is applied on a long-term basis (Fox et al., 2005).  

With this in mind the present chapter analyses this large environmental issue as it relates to 

the response of ornamental plants (herbaceous annuals and perennials, shrubs and woody 

trees) to salt. We look at the range of tolerance, the possible management practices that 

could be used to realize a sustainable landscape in which saline water is used and the means 

available to reduce the effect of salt stress: we also consider the choice of plant species and 

tailoring plant management to the saline conditions. 



2. The response of ornamental plants to salt stress  

Salt effects on plants are the combined result of the complex interaction among different 

morphological, physiological and biochemical processes (Fig. 1).  

One of the first responses of plants to salinity is a decreased rate of leaf growth (Blum, 1986) 

primarily due to the osmotic effect of salt around the roots, which leads to a reduction in 

water supply to leaf cells. High external salt concentrations can also inhibit root growth 

(Wild, 1988), with a reduction in length and mass of roots (Shannon & Grieve, 1999) and of 

function. Reduction in cell elongation and division in leaves reduces their final size, 

resulting in a decrease in leaf area (Alarcón et al., 1993; Matsuda & Riazi, 1981; Munns & 

Tester, 2008). Leaf area reduction could be caused by a decrease in turgor in the leaves, as a 

consequence of changes in cell wall properties or a reduction in photosynthetic rate (Franco 

et al., 1997). Such consequences are seen in ornamental plants: Cassaniti et al. (2009b) 

showed that the decrease in shoot dry weight and leaf area were the first visible effects of 

salinity both in sensitive and tolerant species such as Cotoneaster lacteus and Eugenia 



myrtifolia

, respectively (Fig. 2). Another common response to high salt level is leaf 

thickening, which occurred in ornamental plants such as Coleus blumei and Salvia splendens 

(Ibrahim et al., 1991). 

www.intechopen.com


 

Irrigation – Water Management, Pollution and Alternative Strategies 

 

134 


 

Fig. 1. Morphological, physiological, and biochemical effects of salt stress on plants 

(modified from Singh & Chatrath, 2001). 

 

 



Fig. 2. Shoot dry weight (g) and leaf area (cm

2

) per plant for Cotoneaster lacteus (upper 



panels) and Eugenia myrtifolia (lower panels) at three salinities - 1.8, 4.8

 

and 7.8 dS m



-1

 - at the 

beginning (t

1

) and 8 (t



2

), 16 (t


3

) and 24 (t

4

) weeks after the beginning of the salt treatment 



(Source: Cassaniti et al., 2009b). 

www.intechopen.com



 

The Response of Ornamental Plants to Saline Irrigation Water 

 

135 


Depending upon the composition of the saline solution, ion toxicities or nutritional 

deficiencies may also reduce growth because of competition between cations or anions 

(Shannon & Grieve, 1999). When toxic ions such as Na

+

 and Cl



-

 are present in the 

rhizosphere, they can disrupt the uptake of nutrients by interfering with transporters in the 

root plasma membrane, such as those for K

+

 and NO


3-

 (Tester & Davenport, 2003). The 

influence of salt stress on plant growth alone is, however, not sufficient to evaluate the salt 

tolerance of ornamentals: tip and marginal leaf burn as consequence of ion toxicity have to 

be considered (Francois, 1982) due to their influence on decorative value (Fig. 3).  

Chloride toxicity manifests as slight bronzing and leaf-tip yellowing followed by tip death 

and general necrosis, whereas Na

+

 toxicity starts as a marginal yellowing followed by a 



progressive necrosis (Ferguson & Grattan, 2005; Marschner, 1995). Thus the overall 

appearance as well as survival should be the ultimate criteria governing the choice of 

landscape species (Townsend, 1980). Many methodologies based on visual quality ratings 

have been developed by different authors to evaluate the appearance of ornamental plants 

in response to salt stress (Tab. 2).  

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



Fig. 3. Necrotic areas due to the effect of salt stress on some ornamental species: a) 

Cotoneaster lacteus

; b) Grevillea juniperina var. sulphurea; c) Pyracantha ‘Harlequin’; d) 



Teucrium

 fruticans (Source: Cassaniti, 2008).  

www.intechopen.com


 

Irrigation – Water Management, Pollution and Alternative Strategies 

 

136 


Source Rating/Marks 

Considered 

attributes 

Cassaniti, 2008 

1= no leaf necrotic area; 2= leaf necrotic area 

between 0 and 33%; 3= leaf necrotic area between 

33 and 66%; 4= necrotic area between 66 and 100%

Incidence of leaf necrosis: 

percentage of necrotic areas, 

leaf bronzing 

Fox et al., 2005 

1= dead plant; 2= severe damage such as stunting, 

dead stems; 3= moderate damage such as visible 

salt residue on the foliage, < 50% defoliation, leaf 

deformity, necrosis; 4= slight damage, such 

chlorosis, tip and/or marginal leaf burn, spotting; 

5=no damage, highest aesthetic quality 

Stunting, discoloration, 

defoliation 

Jordan et al., 

2001 

Each parameter was evaluated on a 1-9 scale, 



where a value of 1 equated to a rating of 10% and 

a value of 9 equated to a rating of 90% damage 

Absence of crown dieback

overall canopy discoloration, 

presence of dead leaves, 

presence of deformed leaves, 

discoloured leaves and tip 

and marginal damage 

Niu & Rodriguez, 

2006a, 2006b 

0= dead; 1= severely stunted growth with over 

50% foliage salt damage (leaf necrosis, browning); 

2= stunted growth with moderate (25-50%) foliage 

salt damage; 3= average quality with slight (<25%) 

foliage salt damage; 4= good quality with 

acceptable growth reduction and little foliage 

damage; 5= excellent with vigorous growth with 

no foliage damage 

Leaf necrosis, browning  

Niu et al., 2007a, 

2007b  

1= over 50% foliage damage or plant dead;  



2= moderate foliage damage (25-50%); 3= slight 

foliage damage <25%); 4= good quality with 

acceptable growth reduction and little foliage 

damage; 5= excellent with no foliage damage 

Salt damage: burning and 

discoloration 

Quist et al., 1999 

Ranking scale of 1 to 10 with a score of 10 

indicating plants with the highest quality 

Necrosis, chlorosis, leaf color

leaf turgor, tip die back, 

misformed leaves, leaf size, 

leaf loss and disease.  

Valdez-Aguilar  

et al., 2011 

1= poor quality, leaf bronzing higher than 75% or 

dead plants; 5= best quality 

Leaf bronzing, leaf scorching, 

overall appearance 

Zollinger et al., 2007 

Salt damage: 1= more than 50% of leaf area 

damaged ; 2= 25% to 50% of the leaf area damaged; 

3= 5% to 24% of the leaf area damaged; 4= less than 

5% of the leaf area damaged with burn or 

discoloration primarily restricted to leaf damage. 

Wilt: 1= more than 65% of the plant was wilted;  

2= 35% to 65% of the plant was wilted; 3= 5% to 

34% of the plant was wilted; 4= less than 5% of the 

plant was wilted 

Salt damage: burning/ 

discoloration, wilting  

Table 2. Some visual quality rating scales for evaluating salt damage on the foliage.  

The tolerance to saline water can also be evaluated by growth analysis indices: for example, 

plant response to water deficit and saline treatment was investigated by Rodríguez et al. 

(2005) using Asteriscus maritimus, a native species of coastal areas. Salinity caused a 

www.intechopen.com



 

The Response of Ornamental Plants to Saline Irrigation Water 

 

137 


reduction of RGR (Relative Growth Rate) and NAR (Net Assimilation Rate) at 70 mM and 

140 mM NaCl (about 7 and 14 dS m

-1

, respectively) while LAR (Leaf Area Ratio) was not 



affected. However, the LWR (Leaf Weight Ratio) increased in plants treated at 140 mM 

NaCl, due to the greater reduction of stem than leaf dry weight. LWR is an important 

parameter for ornamental plants, in which the aesthetic value is strictly correlated to the 

appearance of the leaves. RGR reduction clearly suggests a direct effect of the stress on 

stomatal closure and/or photosynthetic apparatus, indicating that photosynthesis could be 

the growth-limiting factor (Cramer et al., 1990; Sánchez-Blanco et al., 2002). 

Herbaceous, annuals and perennials, show different responses to salinity than woody 

plants, although similar mechanisms can be involved. Because a typical landscape is a blend 

of species (annuals, grasses, climbing plants, shrubs, trees and palms; Graf, 1992) it is 

important to determine the salt tolerance of all commonly used plants in any specific 

landscape to minimize potential salt damage before converting to treated effluents or any 

other non-potable water source (Niu & Rodriguez, 2006a). Evaluating salt tolerance is made 

more complex by intra-specific variation: any given species can vary in its tolerance to 

salinity, depending on genotype.  



2.1 Herbaceous plants 

Herbaceous perennials are popular for landscaping because of their low maintenance and 

as their planting increases diversity in the landscape (Cameron A. et al., 2000; Johnson & 

Whitwell, 1997). Herbaceous plants do, however, show a very variable response to salt 

stress, from the tolerant halophytes to the sensitive glycophytes and their sensitivity to 

salty irrigation water can influence plant selection, irrigation method and frequency of 

watering.  

The irrigation of landscapes with treated effluent has become a common practice in states 

like Florida and California (Cuthbert & Hajnosz, 1999; Parnell, 1988) where the municipal 

water consumption typically increases by 40-60% for landscape irrigation during summer 

months (Kjelgren et al., 2000) and could be important for Mediterranean countries. 

Studies on herbaceous perennials in semiarid parts of United States (Niu & Rodriguez, 

2006a, 2006b) have involved herbaceous perennials and have emphasized the importance 

of visual quality for expressing relative salt tolerance and acceptability of species for 

landscape use (Fox et al., 2005; Niu & Rodriguez, 2006a, 2006b). Research programs 

conducted in Israel have revealed ornamental species suitable for saline environments or 

to be irrigated with salt waters (Forti, 1986). Perennial turf grasses have been selected at 

Arizona University to cope with a salt concentration more than 15 g L

-1

: Distichlis spicata,  



commonly known as desert saltgrass, is able to survive at concentration up to 400 mM of 

NaCl (Pessarakli et al., 2001).  

Niu & Rodriguez (2006b) observed the response to salt stress on eight herbaceous perennials 

(Penstemon eatonii, P. pseudospectabilis, P. strictus, Ceratostigma plumbaginoides, Delosperma 



cooperi, Lavandula angustifolia, Teucrium chamaedrys, Gazania rigens

); three salt treatments plus 

control were tested (3.2, 6.4, 12 and 0.8 dS m

-1

). The relative water content significantly 



declined as salinity increased in C.  plumbaginoides and in G. rigens at the highest salt level; 

D. cooperi

 showed the highest water potential due to increased succulence of the leaves, a 

common mechanism of salt tolerance (Kozlowski, 1997). The higher Na

+

 concentration in 



roots than shoots indicated in this plant Na

+

 exclusion from aerial parts and a capability to 



www.intechopen.com

 

Irrigation – Water Management, Pollution and Alternative Strategies 

 

138 


tolerate Cl

-

 in leaf tissues. Plants of L. angustifolia and most of the species of Penstemon 



showed symptoms of necrosis and eventually died with an EC more than 3.2 dS m

-1

. Among 



the Penstemon species, the earliest leaf injury appeared on P. strictus, perhaps related to its 

rosette growth habit allowing some leaves to have been in direct contact with saline water 

during irrigation. G. rigens did not show any injury symptom even at the highest salt level

although growth was stunted growth, probably due to the high Na

+

 accumulation in the 



shoots. T. chamaedrys exhibited necrosis in some leaves at medium and high salt level, while 

C. plumbaginoides

 manifested slight leaf browning at 3.2 dS m

-1

, severe symptoms at 6.4 dS 



m

-1 


and death of many plants at 12 dS m

-1

.  



As we have noted, visual quality is an important factor in the choice of herbaceous 

perennials for saline landscapes (Tab. 2). Because plants respond differently to salinity, 

visual quality may or may not be related to biomass production and photosynthetic 

response (Zollinger et al., 2007). Following this argument, Niu & Rodriguez (2006b) argued 

that  Gazania rigens and Delosperma cooperi can be used in a landscape irrigated with saline 

waters as, in spite of their decrease in growth rate, they did not show any injury symptoms. 

The other species they tested could be considered salt sensitive, since most of them died at 

the highest salt treatments. L. angustifolia began to show leaf injury about 4 weeks after the 

start of saline irrigation, and died in the subsequent weeks at 6.4 and 12 dS m

-1

. However, 



the importance of the nature of the salts present is illustrated by the results of Zollinger et al. 

(2005), who  reported that L. angustifolia survived at 8.3  dS m

-1 

when NaCl and CaCl



(2:1 


molar ratio) were used for saline solution.  

Earlier research indicated that the climatic conditions can also influence the extent of foliar 

damage (Jordan et al., 2001; Quist et al., 1999; Wu et al., 1999). Subsequently various trials 

have been reported comparing data obtained by conducting experiments in different 

seasons and in years when the climatic conditions varied considerably. For example, a trial 

was conducted for testing the salinity tolerance of five herbaceous perennials commonly 

used in the landscape, Achillea millefolium,  Agastache cana,  Echinacea purpurea,  Gaillardia 

aristata

 and Salvia coccinea (Niu & Rodriguez, 2006a). In this case, the tolerance to salt stress 

was evaluated, in summer and fall, with many parameters - dry weight, plant height, 

osmotic potential and visual score – being used to estimate the damage to their ornamental 

value (Tab. 2). Plants were treated with three salinity levels: 0.8, 2 and 4 dS m

-1

. In the 



summer experiment, all species showed a lower osmotic potential at 2 dS m

-1 


and 4 dS m

-1 


compared the control. Neverthless, despite the reduction in dry weight that occurred in salt 

treatments,  A. millefolium,  G. aristata and S. coccinea showed a visual score acceptable for 

landscape performance. When the experiment was conducted in the fall, the lowering of the 

osmotic potential in these species was much less than occurred during the summer. As 

confirmed by other authors (Niu et al., 2007a; Zollinger et al., 2005), results highlighted how 

environmental conditions could influence the response to salt stress: the higher temperature 

and irradiance typical of summer meant that plants became more stressed than in the fall

when all the species, except A. cana, maintained an acceptable visual quality. Species like S. 



coccinea

,  A. millefolium and G. aristata were considered highly salt tolerant, because they 

could be irrigated with a saline solution up to 4 dS m

-1

 under both summer and fall 



conditions, with little or no growth reduction.  

In experiments again conducted during different seasons (spring, summer or fall) at 

different salinities (0.3, 1.9, 5.0 and 8.1 dS m

-1

) were tested on eight species (Zollinger et al., 



www.intechopen.com

 

The Response of Ornamental Plants to Saline Irrigation Water 

 

139 


2007). Species were selected for being native of inter-mountain Western United States 

(Penstemon palmeri,  Mirabilis multiflora,  Geranium viscosissimum,  Eriogonum jamesii) or 

available in the nursery industry (Echinacea purpurea,  Lavandula angustifolia,  Leucanthemum 

×superbum

 ‘Alaska’ and Penstemon ×mexicali ‘Red Rocks’). Light intensities and greenhouse 

temperatures varied among the seasons and had an impact on the response of certain 

species to salinity. Results suggested that irrigation with saline water would lower the 

visual quality of G. viscosissumE. purpurea and P. palmeri, more during the warmer, summer 

months than at cooler times of the year.  

Based on visual score, Fox et al. (2005) evaluated the response to treated effluent as an 

irrigation source (from 0.75 dS m

-1

 to 2.5 dS m



-1

) of seven annuals and seven perennials in a 

two-year experiment when conditions differed considerably. Damage symptoms were more 

severe in 2001 than 2000, which was characterized by having the hotter and drier summer, 

confirming the important influence of temperature on plant performance under saline 

conditions.  

Another important aspect of salinity in the landscape is the foliar absorption of ions, 

whether from irrigation water or aerosols produced by wind blowing over seawater. Plant 

species typical of the coastal areas have adapted to survive direct contact of the salt on the 

leaves, although the exposure to sea aerosol and salt water infiltration of the ground water 

may well reduce plant growth and affect their reproduction (Cheplick & Demetri, 1999; 

Hesp, 1991). The presence of surfactant can, however, enhance the foliar absorption of sea 

salt through stomatal and cuticular penetration (Greene & Bukovac, 1974; Schönherr & 

Bauer, 1992). Sánchez-Blanco et al. (2003) conducted a trial to evaluate the response to sea 

aerosol of two wild native species from littoral areas, Argyranthemum coronopifolium and 

Limonium pectinatum

. Plants were treated with one of three solutions: one containing an 

anionic surfactant, one simulating the composition of sea aerosol and a third with sea 

aerosol and anionic surfactant; the control involved spraying with deionized water alone. 

The most sensitive to sea aerosol was A. coronopifolium, in which salt sprays reduced its 

growth and dry mass, while any effect on L. pectinatum was not evident. Although it is a 

native plant of coastal areas, A. coronopifolium is not a salt-tolerant species (Morales et al., 

1998). On the other hand, the halophyte L. pectinatum was more tolerant, directly excreting 

salts from its leaves (Alarcón et al., 1999). Foliar damage is directly linked to foliar 

absorption, with increased leaf ion penetration with increasing temperature (Darlington & 

Cirulis, 1963). 

  1   2   3


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2016
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə