不同水分處理對荒漠刺蓬和冰草生長的影響

蔣菊芳，王鶴齡，魏育國，丁文魁，楊永龍，任麗雯，程 倩，楊 華

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2．甘肅省武威市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗站，甘肅 武威 733000)

?

不同水分處理對荒漠刺蓬和冰草生長的影響

蔣菊芳1，2，王鶴齡1，魏育國2，丁文魁2，楊永龍2，任麗雯2，程 倩2，楊 華2

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2．甘肅省武威市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗站，甘肅 武威 733000)

為認識區(qū)域荒漠生態(tài)系統(tǒng)干旱致災過程和干旱對冰草、刺蓬生長的影響，設計持續(xù)干旱脅迫、補充灌水和自然生長3種處理，比較2種荒漠草本植物在不同土壤水分下外部形態(tài)和干物質(zhì)產(chǎn)量的變化。結(jié)果表明： 持續(xù)干旱脅迫導致荒漠刺蓬和冰草營養(yǎng)生長期延長，生殖生長期縮短，全生育期縮短。受干旱脅迫影響，荒漠刺蓬和冰草的生長高度、干物質(zhì)和覆蓋度減小，且隨生育進程影響逐漸增大。受持續(xù)干旱脅迫影響，在土壤體積含水量只有0.4～0.6 mm，返青64～73 d是刺蓬生長高度的拐點；在土壤體積含水量低至0.3～0.4 mm，返青130～135 d是冰草生長高度的拐點。返青106～121 d，土壤體積含水量下降至1.0～1.1 mm，是持續(xù)干旱脅迫對刺蓬干物質(zhì)積累影響關鍵期；而返青181～197 d，土壤體積含水量低至1.5 mm左右是冰草干物質(zhì)積累影響關鍵期。

刺蓬(Cornulacaalaschanica)；冰草(Agropyroncristatum)；干旱脅迫；生長

引 言

干旱是人類從古至今都要面對的主要自然災害之一，即使是科技日新月異的今天，干旱缺水的問題依然困擾著人類社會的發(fā)展。并且干旱、高溫和暴雨等極端天氣發(fā)生頻率越來越高，強度越來越強，特別是干旱、半干旱地區(qū)經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)與生態(tài)等領域缺水表現(xiàn)為加重態(tài)勢[1-4]。有很多學者從不同視角闡述了對干旱機理的認識，也從植物的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理代謝等方面研究了植物對干旱的適應[5-8]。目前，國內(nèi)外建立的一些干旱指標，大多數(shù)是描述植物對大氣干旱、土壤缺水及其相互作用的響應，沒有反映植物的耐旱能力，難以準確反映植物缺水程度[9-12]。只有結(jié)合植物的外部形態(tài)、生理生化特征和環(huán)境因素，研究植物在持續(xù)干旱脅迫下的閾值，才能確定具有實際意義的干旱指標[13-16]。植物對土壤水分脅迫有復雜的調(diào)控反饋機制，土壤水分虧缺并不總是降低產(chǎn)量，適度的水分虧缺對有些作物而言并不會引起減產(chǎn)[17-19]。河西走廊荒漠區(qū)在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍下，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，荒漠抗旱植物是生態(tài)治理和防沙治沙的關鍵因子[20-22]?；哪参锎膛詈捅萦捎陂L期在干旱環(huán)境下生存，形成了一系列抵御干旱逆境的生理生態(tài)機制，研究其對干旱環(huán)境的生理生態(tài)學適應機制，對當前植物抗逆育種、生態(tài)環(huán)境恢復和植物抗旱性能評價等都具有重要意義。

1 試驗設計與觀測方法

1.1 試驗區(qū)概況與試驗設計

試驗區(qū)地處騰格里沙漠邊緣和河西走廊綠洲的過渡地帶，試驗點位于河西走廊東部荒漠區(qū)的武威荒漠生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站(37°53′N，102°53′E)，海拔1 534.8 m，為典型的內(nèi)陸荒漠干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量約161.9 mm，且主要集中在5—9月。試驗區(qū)土壤pH值平均為8.43，有機質(zhì)含量4.57%，HCO3-含量0.29%，Cl-含量0.06%，SO42-含量1.29%，Ca2+含量0.45%，Mg2+含量0.06%，K+Na+含量0.14%，10～50 cm土壤容重為1.27～1.67 g·cm-3，田間持水量為7.6%～10.7%，凋萎濕度為0.6%～1.0%，地下水位約25～34 m。

試驗品種為刺蓬(Cornulacaalaschanica)和冰草(Agropyroncristatum)，每種植物試驗設定3種處理：自然干旱(CK)——自然生長，無水分增加或減少，通過自然耗水形成持續(xù)干旱；遮雨處理(T1，代表持續(xù)干旱脅迫)——前期自然生長，展葉后遮雨，實現(xiàn)水分比過去同期降水量減少，然后通過自然耗水形成持續(xù)干旱；灌水處理(T2)——前期自然生長，返青后每個月補充水分。各處理試驗面積為15 m2(3 m×5 m)，即每種處理設3個重復，各重復面積為5 m2(1 m×5 m)。試驗于2014年11月—2015年12月進行，6月10日補充灌水量為54.30 mm，7月13日補充灌水量122.25 mm，8月4日補充灌水量294.08 mm，9月4日補充灌水量229.50 mm。

1.2 試驗方法

在3種水分處理下，按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[23]分別觀測刺蓬和冰草的物候期、高度、覆蓋度和生物產(chǎn)量等。用土鉆法觀測植株周圍0～30 cm的土壤水分。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水分處理對刺蓬和冰草物候期的影響

從表1可見不同水分處理對荒漠刺蓬物候期的影響顯著。從返青期開始試驗處理，與自然生長相比，遮雨處理下花序形成始期至開花普遍期推后4～13 d，而黃枯始期至種子成熟期提前12～15 d；灌水處理下花序形成普遍期和開花始期卻分別提前7 d、8 d，種子成熟期推后5 d。營養(yǎng)生長期(返青至開花始期)間隔日數(shù)：遮雨處理(65 d)>自然生長(61 d)>灌水處理(53 d)，而生殖生長期(花序形成普遍期至黃枯始期)間隔日數(shù)：遮雨處理(20 d)<自然生長處理(39 d)<灌水處理(46 d)，3種處理間差異顯著(F=95.43>F0.05=2.66)。不同水分處理下，刺蓬物候期與各層土壤體積含水量呈正相關，即土壤含水量少、土壤干旱，刺蓬物候期提前。各層土壤體積含水量與遮雨處理的刺蓬物候期相關系數(shù)：20 cm(0.7577)>10 cm(0.6535)>30 cm(0.6366)，相關性顯著；與自然生長的刺蓬物候期相關系數(shù)：10 cm(0.9662)>30 cm(0.8928)>20 cm(0.6702)，相關性極顯著；與灌水處理的刺蓬物候期相關系數(shù)：30 cm(0.5635)>20 cm(0.4647)>10 cm(0.4362)，相關性不顯著。

冰草展葉后進行水分處理，與自然生長相比，遮雨處理黃枯生長期提前23～83 d，而灌水處理對應的物候期推后2～8 d，且生殖生長期間隔日數(shù)：遮雨處理(90 d)<自然生長(173 d)<灌水處理(177 d)，方差分析結(jié)果顯示3種處理差異顯著(F=31.63>F0.05=3.11)。土壤體積含水量與遮雨處理冰草物候期呈極顯著正相關，相關系數(shù)為10 cm(0.9996)>20 cm(0.9957)>30 cm(0.8841)；土壤體積含水量與灌水處理冰草物候期呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為10 cm(0.9683)>20 cm(0.7850)>30 cm(0.5603)；而自然生長的冰草物候期只與10 cm土壤體積含水量呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.7302。

2.2 不同水分處理對刺蓬和冰草生長高度的影響

刺蓬生長高度在遮雨處理下先迅速增大后快速減??；灌水處理下先呈“指數(shù)式”增大，黃枯始期開始減??；自然生長下呈漸進式增大；3種處理下差異顯著(p<0.05)。遮雨處理下：刺蓬生長高度與土壤體積含水量呈極顯著正相關，相關系數(shù)達0.6628～0.8404；刺蓬返青12 d后生長高度較自然生長開始減小，10～30 cm平均土壤體積含水量為2.4 mm；返青64 d是拐點，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至0.5～0.6 mm，刺蓬生長高度明顯下降；返青73 d減小幅度明顯增大20.2%～50.6%，10～30 cm平均土壤體積含水量只有0.4 mm；返青106 d減小幅度最大，已處于生理死亡狀態(tài)。而灌水處理由于人工灌水，土壤含水量與生長高度呈不顯著正相關，且生長高度較自然生長增大3.9%～35.4%，返青80～106 d增幅明顯。刺蓬生長速度在遮雨處理下從返青73 d穩(wěn)定減小，灌水處理下從返青106 d開始減小，自然生長從返青80 d減小(圖1)。

冰草生長高度在遮雨處理下返青88 d后呈線性遞減趨勢，灌水處理下先增大再保持平穩(wěn)后階梯式減小，自然生長下呈緩慢減小趨勢。遮雨處理生長高度與土壤體積含水量呈顯著正相關，相關系數(shù)達0.4519～0.5520；與自然生長相比，遮雨處理冰草生長高度減小8.1%～44.2%；返青88～99d，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至1.1～2.2 mm，冰草生長高度開始下降；返青130～135 d，10～30 cm平均土壤體積含水量只有0.3～0.4 mm，冰草生長高度直線下降。而灌水處理與土壤含水量呈不顯著正相關，灌水處理下冰草生長高度較自然生長增大2.0%～40.0%，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至3.4 mm時，生長高度出現(xiàn)低谷；土壤含水量下降至2.1 mm時，自然生長的冰草高度明顯減小。冰草生長速度，遮雨處理下從返青88 d穩(wěn)定減小，灌溉處理下從返青128 d開始減小，自然生長下從返青114 d減小。方差分析結(jié)果表明，3種處理差異極顯著(p<0.01)。

表1 不同水分處理下刺蓬和冰草物候期的變化

圖1 不同水分處理下刺蓬和冰草生長高度的變化

2.3 不同水分處理對刺蓬和冰草干物質(zhì)的影響

如圖2所示，3種處理下刺蓬生長前期干物質(zhì)差異不明顯，而刺蓬干物質(zhì)積累與土壤體積含水量呈正相關，相關系數(shù)遮雨處理(0.8000)>自然生長(0.7057)>灌水處理(0.3376)。返青106 d時，遮雨處理冰草干物質(zhì)較自然生長偏小47%，到返青121 d時偏小幅度達77%，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至1.0～1.1 mm。而灌水處理在返青74 d和106 d時干物質(zhì)較自然生長偏大4.0倍和2.1倍。自然生長的刺蓬在10～30 cm平均土壤體積含水量下降至1.0 mm時，干物質(zhì)出現(xiàn)低谷(圖2刺蓬自然)。刺蓬返青74 d后3種處理間差異就顯現(xiàn)，灌水處理刺蓬干物質(zhì)明顯偏高，返青106 d差異性達到顯著(p<0.05)。

3種處理下冰草生長前期的干物質(zhì)差異也很小，冰草干物質(zhì)與土壤體積含水量呈不顯著正相關，返青119 d時遮雨處理干物質(zhì)較自然生長略偏小1%，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至1.7 mm；返青150 d時偏小4%，返青181 d時偏小20%，返青197 d時偏小57%，10～30 cm平均土壤體積含水量下降至1.5 mm。而灌水處理冰草在返青88～197 d就明顯大于自然生長17%～36%。方差分析結(jié)果表明，3種處理間差異顯著。冰草返青181 d后差異明顯，返青197 d灌水處理與其余2種處理差異顯著(p<0.05)。

3種不同處理下，荒漠刺蓬和冰草生長后期干物質(zhì)總體變化趨勢為遮雨處理<自然生長<灌水處理。刺蓬平均覆蓋度也呈現(xiàn)遮雨處理(18%)<自然生長(20%)<灌水處理(34%)；冰草平均覆蓋度呈現(xiàn)遮雨處理(28%)<自然生長(31%)<灌水處理(43%)。

圖2 不同水分處理下刺蓬和冰草干物質(zhì)的變化

3 結(jié) 論

(1)持續(xù)干旱脅迫導致荒漠刺蓬和冰草營養(yǎng)生長期延長，生殖生長期縮短，全生育期縮短。

(2)從生長高度看，持續(xù)干旱脅迫下，冰草更耐旱，返青64～73 d，土壤體積含水量只有0.4～0.6 mm，是刺蓬生長高度的拐點；返青130～135 d是冰草生長高度的拐點，土壤體積含水量低至0.3～0.4 mm。

(3)從干物質(zhì)積累看，持續(xù)干旱脅迫下，刺蓬更耐旱，返青106～121 d，土壤體積含水量下降至1.0～1.1 mm，對刺蓬干物質(zhì)影響最明顯；而冰草干物質(zhì)積累在返青181～197 d，土壤體積含水量低至1.5 mm左右時影響最顯著。

[1] 秦大河,王馥棠,趙宗慈,等. 氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)的影響[M]. 北京:氣象出版社,2003.1-323.

[2] 張強,王潤元,鄧振鏞,等. 中國西北干旱氣候變化對農(nóng)業(yè)與生態(tài)影響及對策[M]. 北京:氣象出版社,2012.100-297.

[3] 王潤元,肖國舉,王鵬祥,等. 中國西北地區(qū)農(nóng)作物對氣候變化的響應[M]. 北京:氣象出版社,2008.97-274.

[4] 鄧振鏞,王強,張強,等. 中國北方氣候暖干化對糧食作物的影響及應對措施[J]. 生態(tài)學報,2010,30(22):6278-6288.

[5] 尹晗,李耀輝. 我國西南干旱研究最新進展綜述[J]. 干旱氣象,2013,31(1):183-193.

[6] Soltani A, Khooie F R, Ghassemi-Golezani K, et al. Thresholds for chickpea leaf expansion and transpiration response to soil water deficit[J]. Field Crops Research, 2000,68:205-210.

[7] 楊俊,馬健,王婷婷,等. 5種荒漠植物抗旱性及其與抗旱指標相關性的定量評價[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(6):143-146.

[8] 李耕,高輝遠,趙斌,等. 灌漿期干旱脅迫對玉米葉片光系統(tǒng)活性的影響[J]. 作物學報,2009,35(10):1916-1922.

[9] 張家團,屈艷萍. 近30年來中國干旱災害演變規(guī)律及抗旱減災對策探討[J]. 中國防汛抗旱,2008(5):47-52.

[10] 嚴菊芳,張嵩午,劉黨校,等. 干旱脅迫下不同溫型小麥農(nóng)田微氣象特征研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版),2006,34(10):49-54.

[11] 寧慧芳,林婧婧,陳佩璇. 甘肅省氣候暖干化與農(nóng)業(yè)干旱災害的聯(lián)系[J]. 干旱氣象,2010,28(2):198-201.

[12] 蔣霞,倪健. 西北干旱區(qū)10種荒漠植物地理分布與大氣候的關系及其可能潛在分布區(qū)的估測[J]. 植物生態(tài)學報,2005,29(1):98-107.

[13] 任麗雯,馬興祥. 石羊河流域水分脅迫對玉米生長發(fā)育指標和產(chǎn)量的影響[J]. 干旱氣象,2014,32(5):760-764.

[14] 陳家宙,王石,張麗麗,等. 玉米對持續(xù)干旱的反應及紅壤干旱閾值[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學,2007,40(3):532-539.

[15] 趙麗英,鄧西平,山侖. 持續(xù)干旱及復水對玉米幼苗生理生化指標的影響研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2004,12(3):59-61.

[16] 李博,王剛衛(wèi),田曉莉,等. 不同干旱方式和干旱程度對玉米苗期根系生長的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26(5):148-152.

[17] 常兆豐,段小峰,韓福貴,等. 民勤荒漠區(qū)主要植物群落的穩(wěn)定性及生態(tài)效應[J]. 西北植物學報,2014,34(12):2526-2568.

[18] 閆建成,梁存柱,付曉玥,等. 草原與荒漠一年生植物性狀對降水變化的響應[J]. 草業(yè)學報,2013,22(1):68-76.

[19] 彭永玲,趙小強,任旭偉,等. 干旱脅迫對不同株型玉米大喇叭口期生長的影響[J]. 中國沙漠,2013,33(4):1064-1070.

[20] 王榮榮,夏江寶,楊吉華,等. 貝殼砂生境干旱脅迫下杠柳葉片光合光響應模型比較[J]. 植物生態(tài)學報,2013,37(2):111-121.

[21] 李清明,劉彬彬,鄒志榮. CO2濃度倍增對干旱脅迫下黃瓜幼苗光合特性的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學,2011,44(5):963-971.

[22] 郭瑞霞,管曉丹,張艷婷. 我國荒漠化主要研究進展[J]. 干旱氣象,2015,33(3):505-514.

[23] 中國氣象局. 農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范(上卷)[M]. 北京:氣象出版社,1993.7-153.

Effects of Different Water Treatments on Growth of Desert

CornulacaAlaschanicaandAgropyronCristatumJIANG Jufang1,2, WANG Heling2, WEI Yuguo2, DING Wenkui2,YANG Yonglong2, REN Liwen2, CHENG Qian2, YANG Hua2

(1.KeyLaboratoryofAridclimateChangeandDisasterReductionofCMA,KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince,InstituteofAridMeteorological,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China；2.AgricultureStationofWuweiMeteorologicalBureauofGansuProvince,Wuwei733000,China)

For understanding regional desert ecosystem process of drought causing disaster and the influence of drought on growth ofAgropyroncristatumandCornulacaalaschanica, three treatments including continuous drought stress, supplement irrigation and natural growth were designed firstly. Then the changes of two desert herbaceous plants’ morphology and dry matter yield were compared under different soil moisture conditions. The results show that the continuous drought stress made the vegetative growth stage ofCornulacaalaschanicaandAgropyroncristatumextend, the reproductive stage and the whole growth period shorten. As affected by drought stress, the growth height, dry matter and cover ofCornulacaalaschanicaandAgropyroncristatumdecreased, and the effects of drought stress gradually increased. As affected by the continuous drought stress, when volumetric soil water content was only 0.4-0.6 mm, the period of 64 to 73 days after turning green was the inflection point of growth height ofCornulacaalaschanica, and when volumetric soil water content went down to 0.3-0.4 mm, the period of 130 to 135 days after turning green was growth height inflection point ofAgropyroncristatum. The period of 106 to 121 days after turning green was the critical stage of drought stress influence on dry matter accumulation ofCornulacaalaschanicawhen volumetric soil water content decreased to 1.0-1.1 mm. While the period of 181 to 197 days after turning green was key stage of dry matter accumulation of drought stress effect onAgropyroncristatumwhen volumetric soil water content was about 1.5 mm.

Cornulacaalaschanica;Agropyroncristatum; drought stress; growth

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0847

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(重大專項)“干旱氣象科學研究—我國北方干旱致災過程及機理”(GYHY201506001-2)、國家自然科學基金 “半干旱區(qū)作物干旱致災過程特征及其若干閾值研究”(41275118)、干旱氣象科學研究基金“荒漠植物對干旱環(huán)境的適應機理及干旱閾值研究”(IAM201507)和甘肅省氣象局科研面上項目“甜高粱在河西的氣候適應性研究”(GSMAMs2016-13)共同資助

蔣菊芳(1979- )，女，甘肅武威人，高級工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)與生態(tài)氣象業(yè)務和科研工作. E-mail：wwqxjjf@163.com

1006-7639(2016)-05-0847-05 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0847

S16

A

2016-04-18；改回日期：2016-08-08

蔣菊芳，王鶴齡，魏育國，等.不同水分處理對荒漠刺蓬和冰草生長的影響[J].干旱氣象，2016，34(5)：847-851, [JIANG Jufang, WANG Heling, WEI Yuguo, et al. Effects of Different Water Treatments on Growth of DesertCornulacaAlaschanicaandAgropyronCristatum[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):847-851],