干旱脅迫對甘肅地區(qū)5種經(jīng)濟林苗木水分利用效率的影響

種培芳，單立山，蘇世平，李 毅

(甘肅農業(yè)大學林學院， 甘肅 蘭州 730070)

甘肅位于我國西北部，地域遼闊，自然氣候差異大。地形和生態(tài)環(huán)境的復雜性造就了甘肅豐富的林果樹種，蘋果、枸杞、大結杏、核桃、花椒、棗等林果品質優(yōu)良，馳名中外。但甘肅大部分也都為旱區(qū)，具有水資源短缺、降雨量少、蒸發(fā)量大的特點，尤其緯度的高低變化使得甘肅省各地水分差異性較大[1]。在這種大尺度水分變化條件下，同一物種如何在不同地域適應生存是物種進化的關鍵所在，而水分則是影響干旱地區(qū)經(jīng)濟林發(fā)展的主要因素。因此，選擇和發(fā)展水分利用效率高的樹種，對保護甘肅地區(qū)水土生態(tài)環(huán)境安全以及調整旱區(qū)農業(yè)結構、增加農民收入具有非常重要的意義。

水分是限制植物生長、發(fā)育和繁殖最重要的因素之一[2]，隨著水資源危機和干旱化危害的不斷加劇,我國已面臨著重大的農林生產(chǎn)問題[3]。水分利用效率(water use efficiency，WUE) 是植物生理活動過程中消耗水形成有機物質的基本效率，能夠反映植物碳同化與水分耗散之間的關系，作為植物水分利用狀況和抗旱性特征的一個客觀評價指標，可為不同生境適宜樹種的選擇提供科學支持[4]。有研究表明，干旱脅迫下水分利用效率高的植物其生產(chǎn)力也會相對較高[5]。因此，在水分匱乏條件下，選擇高水分利用效率的植物種具有重要意義。目前，有些學者采用光合速率與蒸騰速率之比即瞬時水分利用效率(instant water use efficiency， WUEI)來表征，但這個值僅代表某特定時間內植物部分葉片的行為，適于研究引起水分利用效率快速變化的生理生態(tài)過程，并不能說明植物本身的水分利用特點[6-7]。所以，更多的研究者利用現(xiàn)代生態(tài)學研究的一種新方法即穩(wěn)定碳同位素比率(δ13C)來代表植物長期生活過程的平均水分利用效率[8-9]?，F(xiàn)在，這一方法的可靠性與穩(wěn)定性已在許多研究結果中得以證實，例如，張怡等對干旱脅迫下四倍體刺槐幼苗水分利用效率及穩(wěn)定碳同位素比率的研究發(fā)現(xiàn)δ13C可以作為篩選高WUE刺槐品種的指標[10]；余新曉等利用δ13C值研究北京山區(qū)典型樹種水分利用效率時發(fā)現(xiàn)葉片δ13C值和水分利用效率同向變化[11]。

甘肅作為國家“一帶一路”建設戰(zhàn)略的重要地區(qū)之一在培育優(yōu)勢林果業(yè)方面具有重要的地位，特別是在水資源短缺的條件下發(fā)展何種經(jīng)濟林樹種是值得思考的一個問題。本研究以甘肅地區(qū)主要的5種經(jīng)濟林苗木為試材，探討了這5種苗木在不同水分條件下的水分利用效率特征及其與穩(wěn)定性碳同位素間的關系，以期為甘肅地區(qū)適宜經(jīng)濟林樹種的選擇及甘肅地區(qū)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省武威市林業(yè)高新技術示范園區(qū)的良種繁育基地，地處甘肅省河西走廊東北部。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候，土壤為堿性沙土。具體自然概況見表1。

表1 試驗地自然概況

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗于2015年4月—2015年10月進行, 試材選用本示范園提供的生長狀況相近的核桃(Juglansregia)、棗(Ziziphusjujuba)、枸杞(Lyciumchinense)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和花椒(Zanthoxylumbungeanum)2年生實生苗。

2.2 試驗設計

以上述5個樹種為試材，每個樹種選擇生長健康、大小基本一致的苗木，在2015年4月上旬移植到高35 cm，盆口直徑為37 cm的花盆中，盆土為90%苗圃土配10%蛭石，每盆1株。每個樹種各48盆，充分澆水，確保苗木生長良好。所有實驗材料均放在微生境一致的條件下以排除其它因素對水分利用效率的影響。待緩苗為2個月時(約6月初)進行干旱處理，設定4個水分處理，分別為對照(土壤相對含水量為75%～90%)、輕度干旱(土壤相對含水量為60%～70%)、中度干旱(土壤相對含水量為40%～55%)和重度干旱(土壤相對含水量為25%～35%)，每個處理12盆；于每天下午六點用鋁盒取回土樣后置于105℃烘箱中烘干至恒重計算含水量并根據(jù)缺水量補充水分使各處理均達到相應的干旱程度。采用遮雨棚防止自然降雨對干旱處理的影響。于8月下旬開始取樣，每次隨機取3株苗木。

2.3 指標測定

2.3.1 長期水分利用效率(WUEL) 生物量測定分別在6月初和8月底于控水試驗開始前和結束后進行，取生長一致的5個樹種苗木各3株，洗凈后放入烘箱殺青并烘至恒重。用萬分之一的電子感應天平稱干物質量，用減重法測得控水期間生物量的累計值(單位:g)。水分處理期間的生物量增加值與總澆水量(扣除參照花盆盆土的蒸發(fā)量，即以植株的耗水量為基數(shù))的比值即為控水處理期間的長期水分利用效率WUEL[8]，單位為mg·mL-1。

2.3.2 瞬時水分利用效率(WUEI) 于控水處理后期(8月上旬)，選晴好天氣3天，用手提式光合測定系統(tǒng)(Lcpro+Ultra Compact Photosynthesis System，UK)在當?shù)貢r間9∶00—11∶00分別對標記的3株生長勢一致和位置相近的葉片進行凈光合速率(Pn，CO2μmol·m-2·s-1)測定，同時獲得蒸騰速率(Tr，H2O mmol·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs，H2O mol·m-2·s-1)。每次測定3個重復。瞬時水分利用效率根據(jù)WUE=Pn/Tr[12]計算。

2.3.3 穩(wěn)定性碳同位素比率(δ13C) 將用于測定生物量的每個樹種每個處理的3株葉片80℃烘干至恒重，研磨過100目篩，稱6～7 mg裝入安踣玻璃管，在鉑金絲的催化下與氧化銅在550℃～600℃下放出的氧氣燃燒，然后把燃燒生產(chǎn)的氣體經(jīng)真空純化系統(tǒng)純化得到純凈的CO2，用MAT-252質譜儀(Finningan MAT Delta S., Bremen,Germany)測定穩(wěn)定性碳同位素比率，以PDB(Pee Dee Belemnite)為標準，根據(jù)下面的公式進行計算：

δ13C={[(13C/12C)sample-

(13C/12C)PDB]/(13C/12C)PDB}×1000

其中，δ13C為樣品穩(wěn)定碳同位素比率(‰)，因其絕對值非常小，故以‰表示。δ13C皆為負值，表明樣品中13C小于PDB標準中13C。

2.4 統(tǒng)計分析

試驗中原始數(shù)據(jù)的整理采用Microsoft Excel 2003軟件完成；用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，用LSD多重比較進行顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 干旱脅迫對5個樹種光合速率、蒸騰速率及氣孔導度的影響

5個樹種的光合速率(Pn)隨干旱脅迫程度的增加而呈逐漸下降趨勢(表2)，除棗在輕度脅迫下的Pn與CK間無差異外，其它4個樹種在3種干旱脅迫處理下(輕度、中度和重度)的Pn均與CK間差異顯著(P<0.05)。各樹種均在重度干旱脅迫下達到最低值，分別比對照下降了64.73%(花椒)，62.04%(核桃)，81.01%(棗)，49.97%(枸杞)和48.48%(沙棘)。

表2 不同干旱處理下5個樹種的光合速率

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=9)，不同小寫字母表示處理間和樹種間在0.05水平差異顯著，下同。

Note: Data in table is the average±SD (n=9), different upper cases represent the significant difference between treatments and between species and clones at 0.05 level, respectively; the same as following.

與光合速率相比，干旱脅迫下5個樹種的蒸騰速率(Tr)變化較為復雜(表3)。其中花椒、核桃、枸杞和沙棘均逐漸下降，棗則先升高后下降。5個樹種的Tr均在重度干旱脅迫下達到最低，分別比對照降低了84.32%(花椒)，67.87%(核桃)，58.74%(棗)，49.71%(枸杞)、52.21%(沙棘)，與CK間差異顯著(P<0.05)。

5個經(jīng)濟林樹種在不同水分條件下的氣孔導度(Gs)除了枸杞的呈先下降后升高再下降外，其它4個樹種的Gs均隨著水分脅迫的增加而逐漸下降(表4)。在重度脅迫時5個樹種的Gs均達最低值，分別比CK下降了87.8%(花椒)、73.82%(核桃)、83.54%(棗)、10.28%(枸杞)、83.72%(沙棘)。除枸杞外其它4個樹種的各水分處理間差異顯著(P<0.05)，而枸杞僅中度脅迫與其它處理間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同干旱處理下5個樹種的蒸騰速率

表4 不同干旱處理下5個樹種的氣孔導度

3.2 干旱脅迫對5個樹種瞬時水分利用效率的影響

5個經(jīng)濟林樹種的瞬時水分利用效率(WUEI)在不同干旱脅迫下的變化不同(表5)?；ń窞樯怠?，在重度干旱脅迫時達到最大值，比CK增加了126.43%。核桃為先升后降，在中度脅迫時達到最大值，比CK增加了23.21%。棗的WUEI在輕度干旱脅迫時開始下降，隨著脅迫程度的增加，其值又開始增加，在重度脅迫時達到最大值，比CK增加了43.68%。枸杞的WUEI則隨著干旱脅迫程度的增加而先降低后升高的變化，在重度干旱脅迫時比CK增加了4.44%。沙棘的WUEI呈降—升—降的趨勢，在中度干旱脅迫時達到最大值，比CK增加了16.18%。核桃各處理間差異不顯著，沙棘僅輕度脅迫與其它處理間差異顯著(P<0.05)，其它3個樹種則是重度脅迫與對CK間差異顯著(P<0.05)。

表5 不同干旱處理下5個樹種的瞬時水分利用效率

3.3 干旱脅迫對5個樹種生物量的影響

隨干旱脅迫程度的加劇，花椒、核桃和棗3個樹種的生物量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(表6)，而枸杞和沙棘的生物量則在輕度脅迫時較CK有所上升，之后又呈下降趨勢。5個樹種均在重度干旱脅迫下達到最低值，分別比CK下降了73.73%(花椒)、54.52%(核桃)、70.49%(棗)、12.91%(枸杞)、11.81%(沙棘)，且花椒、核桃和棗在重度干旱脅迫時與CK間差異顯著(P<0.05)，而枸杞和沙棘則差異不顯著。

3.4 干旱脅迫對5個樹種長期水分利用效率的影響

花椒和棗的WUEL隨干旱脅迫加劇表現(xiàn)為先升高后降低，核桃是先降低后升高，枸杞和沙棘則是逐漸上升(表7)。各樹種在達到了最大值時分別比CK增加了11.31%(花椒)、12.56%(核桃)、21.15%(棗)、43.06%(枸杞)、41.26%(沙棘)，且與CK間差異顯著(P<0.05)。

3.5 干旱脅迫對5個樹種穩(wěn)定碳同位素的影響

5個樹種的δ13C整體呈隨干旱脅迫程度的加劇而增加的趨勢(表8)，均在重度干旱脅迫時達到最大值。與CK相比，花椒增加了8.14‰，核桃增加了11.59‰，棗增加了7.40‰，枸杞增加了10.29‰，沙棘增加了8.83‰。此外，5個樹種間的δ13C也存在差異，尤其是枸杞葉片的δ13C值在對照和重度干旱脅迫均大于其它4個樹種，且可以看出干旱脅迫所引起的δ13C差異要比樹種間的差異大，可以說水分是引起δ13C的差異的主要因素。

3.6 δ13C與WUEL的關系

5個樹種δ13C與WUEL的關系均呈顯著正相關性(圖1)，相關系數(shù)分別可達到0.504(花椒)、0.666(核桃)、0.746(棗)、0.839(枸杞)和0.899(沙棘)。而不同水分處理下兩者的相關性分別為0.592(CK)、0.597(輕度脅迫)、0.901(中度脅迫)、0.938(重度脅迫)。這表明隨著水分脅迫程度的增加，δ13C與WUEL的相關關系也越來越緊密。

4 討 論

干旱脅迫會導致植物發(fā)生一系列生理生態(tài)反應，從而適應干旱環(huán)境。這種反應包括生物量的調配和水分利用效率的提高等[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，重度干旱脅迫下5個樹種的WUEI均比CK高。這與陳超等[14]研究指出，在干旱條件下植物的水分利用效率會得到提高，水分利用方式會更加有效的報道一致，只是干旱脅迫的程度不同而已。WUE與植物生理因子如葉水勢、氣孔、光合速率、蒸騰速率等有關[15]，其中氣孔由于對CO2和水汽擴散的影響不同步，進而影響植物WUE。在本研究中，干旱脅迫導致5個樹種氣孔導度下降，而水分利用升高，這與Farquhar[16]和龔吉蕊等[17]的研究結果相似。分析5個樹種出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，氣孔導度下降，引起光合速率和蒸騰速率的下降，但蒸騰速率下降比光合速率下降快，最終使得水分利用效率升高。

表6 不同干旱處理下5個樹種的生物量

表7 不同干旱處理下5個樹種的長期水分利用效率

表8 不同干旱處理下5個樹種的穩(wěn)定碳同位素比率比較

圖1 5個經(jīng)濟林樹種穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)和WUEL的相關性分析

Fig.1 Analysis of the relationship between δ13C andWUELin five economic forest species

長期水分利用效率能代表一個植物個體的水分狀況[18]。本研究結果表明，5種經(jīng)濟林樹種在正常供水條件下和重度干旱脅迫WUEL值大小的排序不同，說明5個樹種除了在遺傳因素上的WUEL差異外，水分條件的改變也會使其WUEL不同。植物降低生長可以提高WUE，適應干旱環(huán)境[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導致5個樹種的生物量下降，水分利用效率提高，與前人研究結果相似。但縱觀5個樹種在重度脅迫下WUEL的增幅和生物量的降幅(表6和表7)可以看出，枸杞和沙棘的WUEL的增幅顯著大于其它3個樹種，但生物量的降幅卻小于它們。說明干旱脅迫不但提高了沙棘和枸杞的水分利用效率，也使得它們能利用這些水分來減緩干旱脅迫引起的生物量下降，從而提高對其自身干旱的適應性，這可能是它們響應干旱的一種生理機制。

C3植物13C的自然豐度提供了一個有效測定植物長期碳水平衡的措施[20]。近年來，國內外許多學者對不同樹種及其不同基因型的δ13C和WUE的關系進行了研究[21-24]，結果表明，水分因子的改變造成植物的WUE差異都能在δ13C值上反映出來，δ13C和WUEL有很強的相關性。尤其是在干旱脅迫下，高δ13C可作為植物高WUE無性系選擇的可靠指標[25-26]。但也有學者認為，在正常水分條件下，δ13C與WUEL呈負相關，而在干旱條件下，δ13C則與WUEL沒有相關性[27]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，5個樹種之間的δ13C和WUEL之間的相關性各不相同。就樹種而言，沙棘δ13C與WUEL間的相關性最大，其它依次為枸杞>核桃>棗>花椒。就不同水分處理間比較，則隨水分的減少，δ13C與WUEL間的相關性越來越顯著，即重度脅迫>中度脅迫>輕度脅迫>CK。這說明，干旱脅迫下高δ13C是評定這5個樹種高WUE的可靠指標。此結論與張怡等在刺槐上的研究結果相似[10]，而與趙鳳君等在黑楊上的研究結果不同[26]。可能是因為干旱處理的方法不同，也可能是物種間水分利用效率機制不同。

Brooks等[28]認為，落葉喬木δ13C大于落葉灌木的δ13C。本研究的5個樹種中，核桃、花椒和棗是屬于落葉喬木或小喬木，但它們的δ13C小于灌木枸杞和沙棘δ13C。這和以往的研究的結果不同，可能是分析方法或植物的生態(tài)適應性不同，或者是因為所選擇的核桃、花椒和棗較小的苗木，所以其本身的δ13C較小的緣故。當然，δ13C還和其它很多因素有關，究其和水分利用效率的關系，也會和其它因素如物種、水分條件、氣候環(huán)境等有關，需要進行進一步的研究。

綜上所述，干旱脅迫下枸杞和沙棘因其高水分利用效率和高δ13C值而比其它幾個樹種擁有更高的抗旱性。所以在甘肅省水分條件較差的地區(qū)可以選擇這2個經(jīng)濟林樹種，以發(fā)揮其水分利用高的特點來適應當?shù)厣?，而在水分較好的地區(qū)則可以發(fā)展其它3個樹種。

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