紫花苜蓿葉性狀對干旱的階段性響應(yīng)

張　曦, 王振南, 陸姣云, 楊　梅, 楊惠敏

蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730020

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紫花苜蓿葉性狀對干旱的階段性響應(yīng)

張曦, 王振南, 陸姣云, 楊梅, 楊惠敏*

蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730020

摘要:通過盆栽控水試驗(yàn)，研究了不同生育時(shí)期隴東苜蓿(Medicago sativa L. cv. Longdong)葉性狀對不同程度干旱的響應(yīng)。結(jié)果表明：(1)隨干旱加重，葉干物質(zhì)含量(LDMC)、葉氮含量(LN)、比葉重(LMA)、葉厚(LT)上升，葉面積(LA)減小，葉磷含量(LP)無明顯變化，葉綠素含量(Chl)和葉長寬比(L/W)波動(dòng)較大。(2)隨生育時(shí)期的延長，LT、LDMC、L/W和LA變化不明顯，LN下降，LP呈倒“V”型趨勢，LMA和Chl波動(dòng)較大。(3)L/W與LN、LT顯著負(fù)相關(guān)；LDMC與LT、LMA顯著正相關(guān)；LMA與LT、LN顯著正相關(guān)，與L/W、LP顯著負(fù)相關(guān)；LN與LT顯著正相關(guān)；LA與LP顯著正相關(guān)，與LDMC、LMA、LN顯著負(fù)相關(guān)；Chl與其他葉性狀均不相關(guān)。盡管干旱下隴東苜蓿不同生育時(shí)期葉性狀響應(yīng)并未表現(xiàn)出一致的變化，葉性狀的差異性變化還是部分反映了隴東苜蓿適應(yīng)干旱而采取的綜合策略。從不同生育時(shí)期的差異性反應(yīng)角度出發(fā)，探討干旱下的葉性狀響應(yīng)是闡明優(yōu)良牧草紫花苜蓿水分適應(yīng)性的新的嘗試。

關(guān)鍵詞：紫花苜蓿；葉性狀；土壤水分供應(yīng)；生育時(shí)期

葉片是植物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的主要器官，在陸地植物生態(tài)系統(tǒng)功能中起至關(guān)重要的作用[1]。葉性狀是植物的重要特性之一[2]，是葉片響應(yīng)環(huán)境變化所形成的內(nèi)在生理及外在形態(tài)方面的適應(yīng)對策，不僅與植株生物量和植物對資源的獲得、利用及利用效率密切相關(guān)，還能客觀地反映植物為了獲得最大的碳收獲所采取的生存策略[3- 6]。近年來，應(yīng)用葉性狀研究植物對環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理是生理生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究中新的突破點(diǎn)。研究表明，干旱環(huán)境下植物葉組織密度較高，葉面積較小，表皮較厚[7- 9]。也有研究表明，隨干旱加重，葉干物質(zhì)含量增加，比葉面積減小，葉氮含量維持較高[10- 13]。然而，對不同程度干旱下葉性狀響應(yīng)的研究缺乏系統(tǒng)性，對不同生育時(shí)期葉性狀響應(yīng)的研究尚未涉及。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是我國種植面積最大的牧草種之一，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[14]。盡管紫花苜蓿水分適應(yīng)性較強(qiáng)，但同時(shí)也是耗水量較大的植物，因此，紫花苜蓿的擴(kuò)大種植受到了土壤水分供應(yīng)的極大限制，其生產(chǎn)力的提升也受到了影響[15- 16]。在全球變化背景下，局部地區(qū)降水格局將發(fā)生變化，干旱可能加劇，必然會(huì)對苜蓿產(chǎn)量和飼草品質(zhì)產(chǎn)生更大的影響。因此，深入開展紫花苜?？购禉C(jī)制的研究，具有極重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前針對紫花苜蓿抗旱性的研究主要集中在形態(tài)結(jié)構(gòu)[17]、滲透調(diào)節(jié)[18- 20]、抗氧化酶[19，21]和激素調(diào)控[22]等方面，從葉性狀角度出發(fā)探討其在干旱下的生長及適應(yīng)性的研究尚未見報(bào)道。因此，以甘肅地區(qū)廣泛種植的隴東苜蓿為研究對象，研究了不同生育時(shí)期葉性狀對不同程度干旱的響應(yīng)，從葉性狀角度揭示其抗旱機(jī)理，為干旱、半干旱地區(qū)紫花苜蓿栽培和管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院智能溫室進(jìn)行。供試苜蓿品種為隴東苜蓿(MedicagosativaL. cv. Longdong)。試驗(yàn)期間溫室環(huán)境設(shè)定為白天25℃(7：00—21：00)，晚上19℃(21：00—7：00)，相對濕度30%—50%，自然光照。試驗(yàn)選用35 cm×30 cm(口徑×桶高)的塑料桶，每桶裝粉碎混勻的大田表層土12 kg，土壤屬黃綿土，質(zhì)地輕壤，全碳含量13.4 g/kg，全氮含量0.80 g/kg，有效磷含量29 mg/kg，速效鉀含量0.38 g/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年4月10日播種，每桶中播種飽滿種子20粒，苗期選生長均一的保留8株。在試驗(yàn)期間手工除雜草，并統(tǒng)一防治病蟲害。待長出第1片復(fù)葉后，開始控水。試驗(yàn)設(shè)置水分梯度為：土壤水分含量為田間飽和持水量(FWC，28.63%)的80%(對照，CK)、65%FWC、50%FWC和35%FWC。每天17:00通過稱重法控制土壤水分含量。每周將塑料桶隨機(jī)調(diào)整位置，避免光照、溫度等的長期不均衡。

1.3取樣及測定指標(biāo)和方法

在紫花苜?，F(xiàn)蕾10%、現(xiàn)蕾50%、開花10%和開花30%時(shí)取樣，每次取樣4次重復(fù)。

葉片干物質(zhì)含量(LDMC)測定：每個(gè)處理采集葉位和葉齡基本一致，葉片完全伸展、沒有病蟲害的20個(gè)葉片，用剪刀剪下，置于2片濕潤的濾紙之間，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，然后將葉片放入水中，在5℃的黑暗環(huán)境中儲(chǔ)藏12 h[23]。取出后迅速用吸水紙粘去葉片表面的水分，在萬分之一的電子天平上稱重(飽和鮮重)。將葉片放入60℃烘箱內(nèi)烘干48 h至恒重，取出稱重(干重)。LDMC = 葉片干重(g)/葉片飽和鮮重(g)

葉面積(LA)和比葉重(LMA)：葉片帶回實(shí)驗(yàn)室后，用WinFOLIA葉面積測定儀測定LA(cm2)。然后將葉片放入60℃烘箱內(nèi)烘干48 h至恒重，取出稱重(干重)。LMA(g/m2) = 葉片干重(g)/葉面積(m2)

葉長寬比(L/W)和葉厚(LT)：用電子數(shù)顯(精度為0.02 mm)游標(biāo)卡尺測定同一葉位、相同葉齡、健康的葉片的長、寬和LT(mm)。LT測定選擇葉片中部最寬處。L/W = 葉長(mm)/葉寬(mm)。

單位質(zhì)量的葉氮(LN)和磷含量(LP)：采用凱氏定氮法測定LN(mg/g)，采用高氯酸、硫酸消化，鉬銻抗比色法測定LP(mg/g)。

葉綠素含量(Chl)：采用丙酮乙醇提取法測定Chl(mg/g)。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)差表示測定結(jié)果。采用單因素方差分析和LSD比較不同處理間的數(shù)據(jù)差異，對其相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同程度干旱下葉厚、葉長寬比和葉面積動(dòng)態(tài)

同一生育時(shí)期內(nèi)，葉厚度(LT)隨干旱的加重而增加(表1)。特別是土壤水分含量由50%FWC下降到35%FWC時(shí)，LT增幅最大。在35%FWC下，LT均高于其他水分處理，且差異顯著(P<0.05)；LT在50%FWC和65%FWC下與對照無顯著差異。同一水分處理下，LT隨生育時(shí)期的延長無顯著變化。

表1　不同程度干旱下紫花苜蓿葉厚、葉長寬比和葉面積

同行中不同大寫字母表示同一水分處理下不同生育時(shí)期的差異顯著(P<0.05)，同列中不同小寫字母表示同一生育時(shí)期不同水分處理間的差異顯著(P<0.05);LT代表葉厚，L/W代表葉長寬比，LA代表葉面積

隨干旱的加重，葉長寬比(L/W)不同生育時(shí)期的變化趨勢不同。在現(xiàn)蕾和開花10%時(shí)，L/W呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢。L/W在65%FWC和35%FWC均顯著低于對照(P<0.05)，在50%FWC下與對照差異不顯著。在開花30%時(shí)，L/W隨干旱的加重呈“V”型變化趨勢，在對照下顯著高于其他水分處理(P<0.05)。同一水分處理下，L/W隨生育時(shí)期的延長變化并不明顯。

隨干旱的加重，同一生育時(shí)期內(nèi)葉面積(LA)呈現(xiàn)出減小的趨勢，在35%FWC下顯著低于其他水分處理(P<0.05)。四個(gè)生育時(shí)期下，LA在35%FWC下分別比對照降低了53.2%、48.4%、45.9%和44.9%?，F(xiàn)蕾10%時(shí)，不同水分處理下的LA彼此差異顯著(P<0.05)。在現(xiàn)蕾50%時(shí)，LA在50%FWC和65%FWC下差異不顯著，但均顯著低于對照。在開花10%和開花30%時(shí)，LA在35%FWC和50%FWC下，顯著低于對照，在65%FWC下與對照差異不顯著。同一水分處理下，隨生育時(shí)期的延長，LA總體上變化不明顯，呈倒“V”趨勢，在開花30%時(shí)最低。

2.2不同程度干旱下葉干物質(zhì)含量和比葉重

現(xiàn)蕾10%和現(xiàn)蕾50%時(shí)，隨干旱的加重，葉干物質(zhì)含量(LDMC)逐步升高(圖1)。在開花10%和開花30%時(shí)，LDMC隨干旱的加重變化幅度不大，在水分虧缺最嚴(yán)重時(shí)卻異常升高。同一生育時(shí)期內(nèi)，35%FWC下的LDMC均顯著高于其他水分處理(P<0.05)。隨著生育時(shí)期的延長，LDMC均表現(xiàn)為逐步升高的趨勢，變化幅度不大，均在開花30%時(shí)達(dá)到最大。

隨干旱的加重，比葉重(LMA)在不同生育時(shí)期的變化趨勢不盡一致，在現(xiàn)蕾10%和開花30%時(shí)，LMA呈先增大后減小再增大的趨勢。在現(xiàn)蕾50%和開花10%時(shí)，LMA隨干旱的加重逐漸增加，在土壤水分含量由50%FWC下降到35%FWC時(shí)，LMA的增幅最大，并且均顯著高于其他水分處理(P<0.05)。不同水分處理下，隨生育時(shí)期的延長，LMA的變化趨勢沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

圖1　不同程度干旱下紫花苜蓿葉干物質(zhì)含量和比葉重Fig.1　Leaf dry matter content (LDMC) and leaf mass per unit area (LMA) of alfalfa under drought大寫字母表示同一水分處理下不同生育時(shí)期的差異顯著(P<0.05)，同列中不同小寫字母表示同一生育時(shí)期不同水分處理間的差異顯著；誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)差

2.3不同程度干旱下紫花苜蓿單位質(zhì)量葉氮、葉磷和葉綠素含量動(dòng)態(tài)

在現(xiàn)蕾10%和現(xiàn)蕾50%時(shí)，隨干旱的加重，單位質(zhì)量的葉氮含量(LN)逐漸升高(表2)。在開花10%和開花30%時(shí)，隨著土壤含水量的減少，LN先升高后降低再升高。在開花10%時(shí)，LN在4個(gè)水分處理下差異不顯著；在開花30%，LN在35%FWC、50%FWC和65%FWC下均無顯著差異，而35%FWC和65%FWC下的LN顯著高于對照(P<0.05)。同一水分處理下，LN隨生育時(shí)期的延長逐漸降低。

在現(xiàn)蕾10%和開花30%時(shí)，單位質(zhì)量的葉磷含量(LP)隨土壤水分含量的變化差異不顯著。在現(xiàn)蕾50%時(shí)，隨干旱的加重，LP先升高后降低再升高，在65%FWC下高于其他水分處理，且與對照和50%FWC差異顯著(P<0.05)。在開花10%時(shí)，隨干旱的加重，LP先升后降，在65%FWC下顯著高于35%FWC和50%FWC(P<0.05)，與對照差異不顯著。隨生育時(shí)期的延長，不同水分處理下的LP的變化趨勢不一致。在35%FWC和50%FWC下，LP先升高后降低再升高，在65%FWC和80%FWC，LP呈倒“V”型變化趨勢。

葉綠素含量(Chl)在現(xiàn)蕾期和開花期10%時(shí)，四個(gè)水分處理下最大值均出現(xiàn)在35%FWC下，分別為3.43、4.08和3.70 mg/g，并表現(xiàn)為先降低再升高的趨勢。在開花期30%時(shí)，Chl隨水分含量的增大先降低然后逐漸升高，對照時(shí)達(dá)到最大，含量為3.95 mg/g，且顯著高于35%FWC和50%FWC下(P<0.05)，和65%FWC差異不顯著。同一水分處理下，Chl隨生育時(shí)期的延長變化趨勢不同。在35%FWC下，先升高再降低，最大值出現(xiàn)在現(xiàn)蕾50%時(shí)。在50%FWC下，先降低后升高再降低。在水分65%FWC和80%FWC下，Chl含量先升高后降低再升高，最大值出現(xiàn)在開花30%時(shí)。

表2　不同程度干旱下紫花苜蓿單位質(zhì)量葉氮、葉磷和葉綠素含量

LN: 單位質(zhì)量葉氮含量; LP: 單位質(zhì)量葉磷含量; Chl: 葉綠素含量

2.4不同葉性狀間的相關(guān)性分析

在4個(gè)不同土壤水分供應(yīng)水平下，4個(gè)生育時(shí)期隴東苜蓿的L/W與LT顯著負(fù)相關(guān)。LDMC與LT、LMA顯著正相關(guān)，與LA顯著負(fù)相關(guān)。LMA與LT、LN顯著正相關(guān)，與LA、L/W顯著負(fù)相關(guān)。LN與L/W、LA顯著負(fù)相關(guān)，與LT顯著正相關(guān)。LP與LA顯著正相關(guān)，與LMA顯著負(fù)相關(guān)。Chl與其他葉性狀均無相關(guān)性(表3)。

表3水分梯度和不同生育時(shí)期下隴東苜蓿葉性狀的相關(guān)性(n=80)

Table 3　Correlations among leaf traits under different soil water availabilities and growth stages

*P<0.05，**P<0.01; LT：葉厚 leaf thickness；L/W：葉長寬比 leaf length/width；LA：葉面積 leaf area；LDMC：葉干物質(zhì)含量 leaf dry matter content；LMA：比葉重 leaf mass per unit area；LN：單位質(zhì)量葉氮含量 leaf nitrogen concentration per unit mass；LP：單位質(zhì)量葉磷含量 leaf phosphorus concentration per unit mass；Chl：葉綠素含量 chlorophyll content

3討論

3.1隴東苜蓿葉性狀隨土壤水分供應(yīng)的變化特征

葉片是植物對干旱反應(yīng)最為敏感的器官之一，功能葉可作為植株感受干旱脅迫的檢測部位。因此，葉性狀在一定程度上能很好地反映植株感受干旱脅迫所形成的生存策略。研究表明，葉片越厚，儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，抗旱能力越好[7- 9，24]。本研究中，隴東苜蓿葉厚隨干旱程度的加重表現(xiàn)出增大的趨勢，在土壤水分虧缺最嚴(yán)重時(shí)增幅最大，可見干旱越嚴(yán)重，對葉厚的影響才越顯著。隨干旱加重，葉面積減小并且各處理間差異顯著，說明只要有水分虧缺的發(fā)生，就會(huì)對葉面積產(chǎn)影響，由此可見葉面積對干旱脅迫的響應(yīng)較葉厚敏感。

葉干物質(zhì)含量和比葉重(比葉面積)是植物比較生態(tài)學(xué)研究中的首選指標(biāo)，前者可以很好的指示植物對養(yǎng)分元素的保有能力，后者則反應(yīng)了資源的綜合利用情況。本研究中，比葉重和葉干物質(zhì)含量隨干旱程度的加重均上升，在土壤水分含量為35%FWC達(dá)到最大。研究表明，葉干物質(zhì)含量高比葉重大(比葉面積小)的植物表現(xiàn)出很強(qiáng)的資源獲取和逆境適應(yīng)能力[25- 26]，這一結(jié)論在試驗(yàn)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證，表明隴東苜蓿通過葉干物質(zhì)含量及比葉重的變化以提高對干旱生境的適應(yīng)能力，且二者對干旱脅迫正響應(yīng)。此外，葉干物質(zhì)含量的變化趨勢較比葉重平緩，說明葉干物質(zhì)含量在響應(yīng)土壤水分變化時(shí)較比葉重“保守”。

Wright等[27]研究發(fā)現(xiàn)生長在干旱生境的植物通常具有較高的葉氮含量。本研究中，隴東苜蓿的葉氮含量隨土壤水分含量的增大而減小，在土壤水分虧缺最嚴(yán)重時(shí)葉氮含量最大。此外，隴東苜蓿葉氮含量大于30 mg/g，遠(yuǎn)高于全國陸生植物的葉氮含量[28]。豆科牧草根瘤菌具有很強(qiáng)的生物固氮能力，而且草本植物與木本植物和灌木相比，單位質(zhì)量的葉氮濃度往往更高[29]。

劉建福等[30]研究認(rèn)為，土壤水分脅迫對植物葉片礦質(zhì)元素含量的影響因元素種類和生育時(shí)期而變化，但P含量的變化不一致。本研究中，隨干旱的加重，隴東苜蓿葉磷含量波動(dòng)強(qiáng)烈，沒有一致的趨勢，但終維持在較高水平?？梢娫谕寥浪置{迫下，隴東苜?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)自身的營養(yǎng)元素，來提高抗旱性，維持正常的生長和代謝。

植物葉片葉綠素含量直接關(guān)系著光合同化過程[31]，是衡量作物耐旱性的重要生理指標(biāo)之一。韓瑞宏等[32]研究認(rèn)為，紫花苜蓿在輕度干旱脅迫下葉綠素含量降低的幅度較小，中度和重度干旱脅迫下葉綠素含量下降的幅度增大。但也有研究得出不同結(jié)論，如陳坤榮[33]指出，加勒比松(Pinuscaribaea)在PEG誘導(dǎo)水分脅迫下葉綠素含量提高了10%—25%，耐旱荒漠植物檸條(Caraganamicrophylla)和紫穗槐(Amorphafruticosa)在適度干旱條件下葉綠素含量可提高20%—60%。而在本研究中，在土壤水分含量由80%FWC下降到50%FWC時(shí)，葉綠素含量總體呈下降趨勢，而在35%FWC時(shí)葉綠素含量異常升高。這可能是隴東苜蓿對干旱脅迫的一種適應(yīng)方式，在土壤水分含量為35%FWC時(shí)，隴東苜蓿的葉面積最小，光合能力受限。因此，隴東苜蓿可通過提高葉綠素含量而在有限的葉面積下最大限度地進(jìn)行光合作用。

3.2葉性狀的階段性變化特征

本研究中，隴東苜蓿葉長寬比、葉厚和葉面積在4個(gè)生育時(shí)期變化不明顯。由于取樣時(shí)隴東苜蓿處于生殖生長時(shí)期，光合作用的產(chǎn)物逐漸轉(zhuǎn)入生殖器官中，以保證花蕾的生長發(fā)育和正常開花結(jié)實(shí)[34]，葉片的生長趨于停滯，因此，上述葉性狀的變化不顯著。

植物葉片的營養(yǎng)元素水平不僅是長期進(jìn)化的結(jié)果，同時(shí)也與自身的生長節(jié)律有關(guān)。本研究中，葉氮含量隨生育時(shí)期的延長呈現(xiàn)下降的趨勢，與前人研究結(jié)果一致[35- 36]。紫花苜蓿進(jìn)入生殖生長后，隨生育時(shí)期的延長，葉片功能逐漸衰弱，葉片中的氮因外移致使含量逐漸降低。葉磷含量隨生育時(shí)期的延長表現(xiàn)出先增加再降低然后增加的趨勢，與前人所得結(jié)論不一致[35- 37]，這可能與不同生育時(shí)期隴東苜蓿對土壤水分處理的響應(yīng)差異有關(guān)。葉綠素含量的變化可以指示植物對水分脅迫的敏感性，沈艷等[38]研究認(rèn)為，紫花苜蓿葉綠素含量在現(xiàn)蕾期到盛花期對水分虧缺極為敏感。然而，在本研究中，隴東苜蓿葉綠素含量隨著個(gè)體成熟并沒有表現(xiàn)出一致的變化趨勢，可見葉綠素含量作為葉性狀指標(biāo)，并不能很好地反映隴東苜蓿對生境變化的適應(yīng)策略。但是，從不同生育時(shí)期的差異性反應(yīng)角度出發(fā)，探討干旱下的葉性狀響應(yīng)是闡明優(yōu)良牧草紫花苜蓿水分適應(yīng)性的新的嘗試。

3.3葉性狀間的相關(guān)性

幾乎在所有的植物種群和群落中，葉性狀都表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在本研究中，即便處在不同水分供應(yīng)條件和生育時(shí)期，隴東苜蓿葉干物質(zhì)含量與比葉重顯著正相關(guān)，與前人的研究結(jié)論一致[8- 9，12，25，39]，可見葉干物質(zhì)含量和比葉重間的相關(guān)關(guān)系普遍存在于陸地植物生態(tài)系統(tǒng)中，共同體現(xiàn)了植物快速生長與體內(nèi)養(yǎng)分維持間的平衡。在土壤水分含量為80%FWC時(shí)，處于現(xiàn)蕾50%到開花10%，葉干物質(zhì)含量和比葉重值綜合最低，葉面積均值最大，可見此時(shí)隴東苜蓿處于最佳生長狀態(tài)，具有較高的生產(chǎn)力。葉厚可能與資源獲取、水分保存和同化作用相關(guān)[8]。本研究中葉厚與比葉重顯著正相關(guān)，與葉面積顯著負(fù)相關(guān)，說明干旱環(huán)境下隴東苜蓿葉中的合成產(chǎn)物主要用于增加葉肉細(xì)胞密度或構(gòu)建保衛(wèi)建筑，增大葉片內(nèi)部水分向葉片表面擴(kuò)散的距離或阻力，形成了厚而小的葉片，從而影響了比葉重的大小[25，40]。此外，葉厚與葉干物質(zhì)含量顯著正相關(guān)，與董莉莉[39]在中國南北樣帶栲屬(Castanopsis)植物的研究結(jié)果一致，但與宋彥濤等[41]在松嫩草地、劉金環(huán)等[8]在科爾沁沙地東南部地區(qū)研究結(jié)果相反，說明葉性狀的相關(guān)性在不同的研究尺度下、不同的物種間以及不同生境中可能存在一定差異。

通常葉氮含量和葉綠素含量正相關(guān)[41- 43]，然而本研究顯示，隴東苜蓿葉氮含量與葉綠素含量無顯著相關(guān)性，而與比葉重顯著正相關(guān)。比葉重升高，單位葉質(zhì)量的光捕獲面積和光合有效氮下降，光合能力受限[40]。而植物葉片中的氮大部分存在于葉綠體中，葉氮的多寡直接影響到光合酶(如Rubisco)的含量和活性，進(jìn)而影響到葉片光合能力的高低[44]，并且葉氮含量的增加降低了水分利用效率，二者的正相關(guān)性說明隴東苜蓿在響應(yīng)水分脅迫時(shí)氮利用效率和水分利用效率達(dá)到了最佳的平衡[45]。

植物氮和磷含量間一般呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[6,29,41,43]，然而，在本研究中，隴東苜蓿葉氮含量和葉磷含量間卻沒有相關(guān)性。營養(yǎng)元素進(jìn)入葉片的量可能受到土壤水分的調(diào)控[46]，土壤水分通過影響土壤溶液中離子濃度、通過影響蒸騰流進(jìn)而調(diào)節(jié)根系吸收能力及離子在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)而影響了元素在植物體內(nèi)的分布，使氮、磷代謝解偶聯(lián)。

4結(jié)論

(1)隨干旱的加重，隴東苜蓿葉干物質(zhì)含量、葉氮含量、比葉重、葉厚都上升，而葉面積減小，說明隴東苜蓿葉性狀會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整以助其適應(yīng)外界環(huán)境變化。葉長寬比、葉磷含量和葉綠素含量變化不明顯，說明這三者并不是解釋隴東苜蓿葉片響應(yīng)外界水分變化的最優(yōu)性狀。

(2)隨著隴東苜蓿的成熟，葉厚、葉長寬比和葉面積變化不明顯。葉氮含量逐漸降低，葉磷含量先增加后降低，葉綠素含量總體上先升高后降低然后再升高，葉干物質(zhì)含量先升高后趨于恒定，比葉重?zé)o一定的變化趨勢。不同生育時(shí)期葉性狀的差異性變化可能代表某一特定時(shí)間段內(nèi)隴東苜蓿的葉片行為，易受測定時(shí)間的影響。因此，今后還需精確的測定整個(gè)生育期內(nèi)葉性狀的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而準(zhǔn)確的解釋隴東苜蓿葉性狀在不同生育時(shí)期的變化特征。

(3)在水分梯度和不同生育時(shí)期下，隴東苜蓿葉性狀存在明顯相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Wright I J, Reich P B, Cornelissen H C, Falster D S, Groom P K, Hikosaka K, Lee W, Lusk C H, Niinemets ü, Oleksyn J, Osada N, Poorter H, Warton D I, Westoby M. Modulation of leaf economic traits and trait relationships by climate. Global Ecology and Biogeography, 2005, 14(5): 411- 421.

[2]Cornelissen J H C, Lavorel S, Gamier E, Díaz S, Buchmann N, Gurvich D E, Reich P B, ter Steege H, Morgan H D, van der Heijden M G A, Pausas J G, Poorter H. A handbook of protocols for standardised and easy measurement of plant functional traits worldwide. Australian Journal of Botany, 2003, 51(4): 335- 380.

[3]Vendramini F, Díaz S, Gurvich D E, Wilson P J, Thompson K, Hodgson J G. Leaf traits as indicators of resource-use strategy in floras with succulent species. New Phytologist, 2002, 154(1): 147- 157.

[4]Reich P B, Wight I J, Canvender-Bares J, Craine J M, Oleksyn J, Westoby M, Walter M B. The evolution of plant functional variation: traits, spectra, and strategies. International Journal of Plant Sciences, 2003, 164(Suppl. 3): S143- S164.

[5]孟婷婷, 倪健, 王國宏. 植物功能性狀與環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)功能. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 31(1): 150- 165

[6]毛偉, 李玉霖, 張銅會(huì), 趙學(xué)勇, 黃迎新, 宋琳琳. 不同尺度生態(tài)學(xué)中植物葉性狀研究概述. 中國沙漠, 2012, 32(1): 33- 41.

[7]Witkowski E T F, Lamont B B. Leaf specific mass confounds leaf density and thickness. Oecologia, 1991, 88(4): 486- 493.

[8]劉金環(huán), 曾德慧, Lee D K. 科爾沁沙地東南部地區(qū)主要植物葉片性狀及其相互關(guān)系. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(8): 921- 925.

[9]李善家, 蘇培璽, 張海娜, 周紫鵑, 解婷婷. 荒漠植物葉片水分和功能性狀特征及其相互關(guān)系. 植物生理學(xué)報(bào), 2013, 49(2): 153- 160.

[10]Craine J M, Lee W G. Covariation in leaf and root traits for native and non-native grasses along an altitudinal gradient in New Zealand. Oecologia, 2003, 134(4): 471- 478.

[11]Wright I J, Reich P B, Westoby M, Ackerly D D, Baruch Z, Bongers F, Canvender-Bares J, Chapin T, Cornelissen J H C, Diemer M, Flexas J, Garnier E, Groom P K, Gulias J, Hikosaka K, Lamont B B, Lee T, Lee W, Lusk C, Midgley J J, Navas M L, Niinemets ü, Oleksyn J, Osada N, Poorter H, Poot P, Prior L, Pyankov V I, Roumet C, Thomas S C, Tjoelker M G, Veneklaas E J, Villar R. The worldwide leaf economics spectrum. Nature, 2004, 428(6985): 821- 827.

[12]趙紅洋, 李玉霖, 王新源, 毛偉, 趙學(xué)勇, 張銅會(huì). 科爾沁沙地52種植物葉片性狀變異特征研究. 中國沙漠, 2010, 30(6): 1292- 1298.

[13]胡夢瑤, 張林, 羅天祥, 沈維. 西藏紫花針茅葉功能性狀沿降水梯度的變化. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 36(2): 136- 143.

[14]楊青川. 苜蓿種植區(qū)劃及品種指南. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2012: 4- 7.

[15]張謀草, 趙滿來, 王寧珍, 楊民, 黃斌, 郭海英, 王位泰. 隴東紫花苜蓿地上生物量及水分利用率分析. 草業(yè)科學(xué), 2006, 23(1): 55- 58.

[16]單長卷, 韓蕊蓮, 梁宗鎖. 干旱脅迫下黃土高原4種鄉(xiāng)土禾草抗氧化特性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(4): 1174- 1184.

[17]寇建村, 楊文權(quán), 賈志寬, 狄升蒙, 韓清芳. 不同紫花苜蓿品種葉片旱生結(jié)構(gòu)的比較. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 36(8): 67- 72.

[18]趙金梅, 周禾, 王秀艷. 水分脅迫下苜蓿品種抗旱生理生化指標(biāo)變化及其相互關(guān)系. 草地學(xué)報(bào), 2005, 13(3): 184- 189.

[19]He S B, Liu G L, Yang H M. Water use efficiency by alfalfa: mechanisms involving anti-oxidation and osmotic adjustment under drought. Russian Journal of Plant Physiology, 2012, 59(3): 348- 355.

[20]An Y, Zhou P, Liang J F. Effects of exogenous application of abscisic acid on membrane stability, osmotic adjustment, photosynthesis and hormonal status of two lucerne (MedicagosativaL.) genotypes under high temperature stress and drought stress. Crop and Pasture Science, 2014, 65(3): 274- 286.

[21]劉建新, 王鑫, 王鳳琴. 水分脅迫對苜蓿幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累和保護(hù)酶活性的影響. 草業(yè)科學(xué), 2005, 22(3): 18- 21.

[22]韓瑞宏, 張亞光, 田華, 盧欣石. 干旱脅迫下紫花苜蓿葉片幾種內(nèi)源激素的變化. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2008, 23(3): 81- 84.

[23]Garnier E, Shipley B, Roumet C, Laurent G. A standardized protocol for the determination of specific leaf area and leaf dry matter content. Functional Ecology, 2001, 15(5): 688- 695

[24]孟慶杰, 王光全, 董紹鋒, 張麗, 龔正道. 桃葉片組織解剖結(jié)構(gòu)特征與其抗旱性關(guān)系的研究. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2004, 22(3): 123- 126.

[25]Wilson P J, Thompson K, Hodgson J G. Specific leaf area and leaf dry matter content as alternative predictors of plant strategies. New Phytologist, 1999, 143(1): 155- 162.

[26]Phillips J G, Riha S J. Canopy development and solar conversion efficiency inAcaciaauriculiformisunder drought stress. Tree Physiology, 1993, 12(2): 137- 149.

[27]Wright I J, Reich P B, Westoby M. Strategy shifts in leaf physiology, structure and nutrient content between species of high-and low-rainfall and high-and low-nutrient habitats. Functional Ecology, 2001, 15(4): 423- 434.

[28]Han W X, Fang J Y, Guo D L, Zhang Y. Leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry across 753 terrestrial plant species in China. New Phytologist, 2005, 168(2): 377- 385.

[29]Wright I J, Reich P B, Johannes H C, Cornelissen C, Falster D S, Garnier E, Hikosaka K, Lamont B B, Lee W, Oleksyn J, Osada N, Poorter H, Villar R, Warton D I, Westoby M. Assessing the generality of global leaf trait relationships. New Phytologist, 2005, 166(2): 485- 496.

[30]劉建福, 倪書邦, 賀熙勇, 湯青林. 水分脅迫對澳洲堅(jiān)果葉片礦質(zhì)元素含量的影響. 熱帶農(nóng)業(yè)科技, 2004, 27(1): 1- 3.

[31]趙天宏, 沈秀瑛, 楊德光, 馬秀芳. 水分脅迫及復(fù)水對玉米葉片葉綠素含量和光合作用的影響. 雜糧作物, 2003, 23(1): 33- 35.

[32]韓瑞宏, 盧欣石, 高桂娟, 楊秀娟. 紫花苜蓿 (Medicagosativa) 對干旱脅迫的光合生理響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(12): 5229- 5237.

[33]陳坤榮, 王永義. 加勒比松耐旱性生理特征研究. 西南林學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 17(4): 9- 15.

[34]Lin Y M, Sternberg L, da Silveira L. Nitrogen and phosphorus dynamics and nutrient resorption ofRhizophoramangleleaves in south Florida, USA. Bulletin of Marine Science, 2007, 80(1): 159- 169.

[35]牛得草, 董曉玉, 傅華. 長芒草不同季節(jié)碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征. 草業(yè)科學(xué), 2011, 28(6): 915- 920.

[36]郭志強(qiáng), 閆德民. 采礦跡地優(yōu)勢菊科植物葉片及細(xì)根氮、磷含量的季節(jié)變化. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 47(4): 409- 413.

[37]孫書存, 陳靈芝. 東靈山地區(qū)遼東櫟葉養(yǎng)分的季節(jié)動(dòng)態(tài)與回收效率. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 25(1): 76- 82.

[38]沈艷, 謝應(yīng)忠. 干旱對紫花苜蓿葉綠素含量與水分飽和虧缺的影響. 寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 25(2): 25- 28.

[39]董莉莉. 中國南北樣帶栲屬植物葉功能性狀及其與環(huán)境因子的關(guān)系. 北京: 中國林業(yè)科學(xué)研究院, 2008: 3- 20.

[40]Wright I J, Westoby M. Leaves at low versus high rainfall: coordination of structure, lifespan and physiology. New Phytologist, 2002, 155(3): 403- 416.

[41]宋彥濤, 周道瑋, 王平, 李強(qiáng). 松嫩草地66種草本植物葉片性狀特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(1): 79- 88.

[43]張慧文, 馬劍英, 孫偉, 陳發(fā)虎. 不同海拔天山云杉葉功能性狀及其與土壤因子的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(21): 5747- 5758.

[44]Evans J R. Photosynthesis and nitrogen relationships in leaves of C3 plants. Oecologia, 1989, 78(1): 9- 19.

[45]李永華, 羅天祥, 盧琦, 田曉婭, 吳波, 楊恒華. 青海省沙珠玉治沙站17種主要植物葉性因子的比較.生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(5): 994- 999.

[46]李合生. 現(xiàn)代植物生理學(xué)(第二版). 北京: 高等教育出版社, 2006: 88- 95.

Responses of leaf traits to drought at different growth stages of alfalfa

ZHANG Xi, WANG Zhennan, LU Jiaoyun, YANG Mei, YANG Huimin*

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

Abstract：Alfalfa (Medicago sativa L.) is a high quality forage that is widely planted in arid and semi-arid regions of the world. Although it has high drought resistance capability, it still requires much water for growth and development. Soil water supply as one of the main factors limiting the expansion of alfalfa cultivation could severely affect its productivity. The changes in precipitation in some regions as a result of global climate change, such as exacerbation of drought, can result in the reduction of alfalfa yield and quality. Therefore, it is important to study the drought resistance mechanisms in alfalfa. Leaf is one of the most important organs linking a plant with the surrounding environment and is one of the most sensitive parts in the plant responding to changes in environmental factors. Leaf traits evolved as a result of balance (trade-off) between growth and survival (resistance and tolerance) in adverse environment, i.e., water deficient environment. However, a systematical investigation on the responses of leaf traits to drought is still lacking, and the changes in leaf traits have rarely been investigated at different plant growth stages. In addition, most of the previous studies were primarily on trees and less on herbaceous species, such as alfalfa, which differ heavily in morphological traits from trees. Therefore, in this study, a pot experiment was performed to investigate the responses of leaf traits of M. sativa ‘Longdong’ to drought at different growth stages. The aim of the study was to test the hypothesis that leaf traits in alfalfa change in different growth stages in response to water deficit. The results are as follows: (1) With the increase in soil drought, leaf dry matter content (LDMC), leaf nitrogen concentration per unit mass (LN), leaf mass per unit area (LMA), and leaf thickness (LT) increased, leaf area and leaf mass per unit area were sensitive to soil water deficit, whereas leaf area (LA) decreased, leaf phosphorus concentration per unit mass (LP) remained unchanged, and leaf length/width ratio (L/W) and leaf chlorophyll content (Chl) varied wildly without showing clear trends. (2) As the plants progressed through growth stages, LT, LDMC, L/W, and LA did not exhibit appreciable changes, whereas LN decreased, LP increased and then decreased, and LMA and Chl showed large fluctuations. (3) Pearson correlation analysis showed that L/W was negatively correlated with LN and LT, LDMC had positive correlation with LT and LMA. LMA was positively correlated with LT and LN and negatively correlated with L/W and LP. LN had a positive correlation with LT, and LA was positively correlated with LP and negatively correlated with LDMC, LMA, and LN. There was no significant correlation between Chl and other traits. Although there was no definite trend in changes in leaf traits to drought at different growth stages, the variation of leaf traits at different stages reflects a fundamental strategy of alfalfa′s response to drought. To the best of our knowledge, this is the first study to elucidate the adaptation of alfalfa to drought through investigating changes in leaf traits at different growth stages.

Key Words:alfalfa; leaf trait; soil moisture supply; growth stage

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31172248); 人力資源和社會(huì)保障部2012年度留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助經(jīng)費(fèi)和甘肅省科技重大專項(xiàng)(1203FKDA035)

收稿日期:2014- 06- 26; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 26

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: huimyang@lzu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201406261324

張曦, 王振南, 陸姣云, 楊梅, 楊惠敏.紫花苜蓿葉性狀對干旱的階段性響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(9):2669- 2676.

Zhang X, Wang Z N, Lu J Y, Yang M, Yang H M.Responses of leaf traits to drought at different growth stages of alfalfa.Acta Ecologica Sinica,2016,36(9):2669- 2676.