干旱脅迫下楊樹無性系苗期光合與氣孔形態(tài)變異研究

喬濱杰 王德秋 高海燕 李召珉 葛麗麗 丁文雅 趙曦陽

(1.黑龍江省林業(yè)和草原局種苗總站，哈爾濱 150040； 2.臨江林業(yè)局大西林場，臨江 134600； 3.吉林省臨江林業(yè)局，臨江 134600； 4.東北林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

植物生長狀況與環(huán)境因子密切相關(guān)，其中水分因素對(duì)植物影響較大[1]。在干旱、半干旱的惡劣條件下，水分的脅迫嚴(yán)重影響東北地區(qū)林木的生長[2]，最終影響東北的木材生產(chǎn)及沙漠化防治。目前，針對(duì)楊樹抗旱的研究與選育已經(jīng)取得一定成果，高建社等[3]研究了5個(gè)楊樹無性系冬季休眠期苗桿水分蒸騰速率、水分飽和虧缺、含水率，以及春季起苗后自然曝曬條件下苗木失水狀況對(duì)造林后展葉時(shí)間的影響，并利用模糊數(shù)學(xué)隸屬度公式對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選出84K楊為抗旱性最強(qiáng)的無性系。邱興等[4]以6個(gè)楊樹無性系為研究對(duì)象，通過人工盆栽控水試驗(yàn)，研究不同程度干旱脅迫對(duì)楊樹無性系生長及生理性狀的影響，通過隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選出07-69×青1為抗旱性最強(qiáng)的楊樹無性系。

光合作用是林木利用光能產(chǎn)生有機(jī)物和生長發(fā)育的重要基礎(chǔ)[5]。葉片性狀對(duì)環(huán)境變化最為敏感，在一定程度上葉片的變化反映了植物對(duì)資源攝取和利用的狀態(tài)[6]。植物在受干旱脅迫影響后，其葉片含水量會(huì)發(fā)生顯著變化，并對(duì)植物光合作用產(chǎn)生進(jìn)一步影響[7]。干旱脅迫導(dǎo)致植物葉片光合速率降低、氣孔阻力增大和二氧化碳交換速率下降，抑制了葉片的擴(kuò)展及干物質(zhì)的積累[8]。有研究表明水分脅迫下具有較高光合速率，且光合速率降低緩慢的植物具有較高的抗旱性[9]。因此對(duì)干旱脅迫下植物光合作用和葉片特征變化開展研究對(duì)植物抗旱性的鑒定具有重要意義。

楊樹(Populusspp.)是我國人工林業(yè)產(chǎn)業(yè)化栽培的主要樹種之一[10]，在改善生態(tài)環(huán)境和解決木材短缺等方面具有重要地位[11]。但在干旱、半干旱地區(qū)，由于受到水分限制其生長受到抑制，嚴(yán)重影響了楊樹在該地區(qū)的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益[12]。目前已有部分關(guān)于楊樹抗旱性的研究，主要集中在品種選育、生理生化研究和生長性狀研究等方面，聯(lián)合楊樹幼苗的光合性狀與氣孔性狀對(duì)無性系進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇的研究較少，本研究對(duì)干旱脅迫下4個(gè)楊樹無性系的葉片特征和光合作用進(jìn)行測定，研究不同脅迫條件下楊樹無性系的光合和葉片變化，選出抗旱性優(yōu)良的無性系，為我國干旱、半干旱地區(qū)楊樹抗旱無性系的評(píng)價(jià)選擇提供材料和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

該試驗(yàn)于2018年4月在東北林業(yè)大學(xué)溫室(126°61′E、45°78′N，海拔127 m)內(nèi)開展，以白城小黑楊(Populussimonii×P.nigra‘Baicheng-1’)、白城小青黑楊(Populuspseudosimonii×P.nigra‘Baicheng-1’)、白林3號(hào)楊(Populussimonii×P.nigra‘Bailin-3’)及白城5號(hào)楊(Populus×Xiaozhanica‘Baicheng-5’)為材料進(jìn)行扦插擴(kuò)繁，每個(gè)無性系擴(kuò)繁100株，放于高25.5 cm，口內(nèi)徑22.6 cm的花盆中。試驗(yàn)土壤配比：細(xì)沙∶黑土∶草炭土為2∶1∶1，每盆扦插1株，待成活后在溫室內(nèi)通過控水調(diào)節(jié)完成干旱脅迫試驗(yàn)。

采用室內(nèi)環(huán)刀法[13]測定土壤田間持水量為28.90%。預(yù)實(shí)驗(yàn)于2018年6月下旬，每個(gè)無性系選擇3盆長勢一致的苗木作為預(yù)實(shí)驗(yàn)材料。開始開展預(yù)實(shí)驗(yàn)前后，對(duì)選出的各無性系苗木進(jìn)行充分澆水，對(duì)澆水后的苗木進(jìn)行命名、稱重并詳細(xì)記錄。隨后于每日上午8:30和下午5:00對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行稱重，記錄每日土壤水分流失量，并觀察苗木植株形態(tài)變化，當(dāng)苗木葉片開始出現(xiàn)萎蔫時(shí)，增加稱重次數(shù)至每日4次，對(duì)其重量變化進(jìn)行詳細(xì)記錄并計(jì)算其土壤田間持水量，當(dāng)葉片表現(xiàn)出大片枯死及脫落現(xiàn)象時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出土壤田間持水量與澆水量之間的關(guān)系，以及如何通過澆水將土壤田間持水量保持在各干旱脅迫水平，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)置1組對(duì)照和4種干旱脅迫水平，分別為土壤田間持水量的100%(對(duì)照)、80%、60%、40%和20%。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，選取長勢一致的各無性系苗木，每個(gè)無性系每種處理的選取10株苗木，共計(jì)200株。苗木選取完畢后通過稱重法控制各處理土壤田間持水量至試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平，于2018年7月中旬，正式開展試驗(yàn)，試驗(yàn)開展后每日進(jìn)行1次稱重，通過重量變化計(jì)算需補(bǔ)充水分使土壤水分維持在相應(yīng)水平上。于每兩天按照土壤田間持水量進(jìn)行澆水一次。處理30 d后，各處理植株選取第5～7輪葉片進(jìn)行光合作用參數(shù)和葉片氣孔形態(tài)指標(biāo)的測定。

1.2 各性狀測定方法

利用Lico-6400光合測定系統(tǒng)進(jìn)行光合作用參數(shù)的測定，測量時(shí)間為上午9:00～11:00，測定光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度設(shè)定為380 μmol·mol-1，測定葉片凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、胞間CO2(Intercellular CO2dioxide concentration，Ci)和蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)，并計(jì)算水分利用效率(Water use efficiency)：

WUE=Pn/Tr

(1)

氣孔限制值(Limiting value of stomata)：

Ls=1-Ci/Ca

(2)

式中：Ca為設(shè)定的CO2濃度，Ci為胞間CO2濃度。

氣孔形態(tài)特征參數(shù)的測定采用指甲油印跡法。將葉片表面擦拭干凈，選擇葉片下表皮靠近葉脈部位均勻涂上無色指甲油，晾干，然后用透明膠帶粘下指甲油薄膜層，剪成1 cm×1 cm方塊，置于載玻片上展平，蓋好蓋玻片，用光學(xué)顯微鏡分別在100和400倍下觀察并照相。在100倍鏡視野下統(tǒng)計(jì)氣孔數(shù)目，氣孔密度=氣孔數(shù)目/視野面積(Stomatal density，SD)；在400倍鏡視野下隨機(jī)抽取完整清晰的氣孔，測量氣孔長度(Stomatal length，SL)、氣孔器長度(Stomatal apparatus length，SAL)、氣孔寬度(Stomatal width，SW)，氣孔器寬度(Stomatal apparatus width，SAW)、氣孔面積(Stomatal area，SA)和氣孔周長(Stomatal perimeter，SP)。每個(gè)葉片觀測3個(gè)視野，共計(jì)測定30個(gè)視野。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

測定數(shù)據(jù)利用Excel 2016進(jìn)行整理和作圖，利用SPSS22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，同時(shí)利用隸屬函數(shù)評(píng)估法對(duì)4個(gè)無性系的光合特性和氣孔形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)。

方差分析線性模型為：

Xijk=μ+Ci+Bj+CBij+eijk

(3)

式中：μ為總體平均值，Ci為無性系效應(yīng)，Bj為處理效應(yīng)，CBij為無性系和處理的交互效應(yīng)值，eijk為環(huán)境誤差。

表型變異系數(shù)[14]：

(4)

采用布雷津多性狀綜合評(píng)定法對(duì)無性系進(jìn)行綜合評(píng)定，具體公式為[12]：

(5)

式中：Qi為綜合評(píng)價(jià)值，Xij為某一性狀的平均值，Xjmax為某一性狀的最優(yōu)值，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

表型相關(guān)分析采用公式[15]：

(6)

隸屬函數(shù)法采用公式[16]：

當(dāng)某一指標(biāo)與林木抗旱性呈正相關(guān)采用公式：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(7)

當(dāng)指標(biāo)與林木抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則采用反隸屬函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，公式為：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(8)

式中：U(Xi)為隸屬函數(shù)值，Xi為干旱脅迫下指標(biāo)測定值與正常水分下性狀測定值的比值，Xmax、Xmin為所有參試品種某一指標(biāo)相應(yīng)比值的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

不同處理下各性狀方差分析結(jié)果見表1，除氣孔器長在處理間差異不顯著外，其余各性狀在無性系間、處理間和無性系與處理交互作用間均達(dá)到極顯著差異水平。

2.2 不同干旱脅迫處理下楊樹光合響應(yīng)變化

由圖1～2可知，隨著土壤水分的逐漸減少，楊樹光合作用受到明顯的抑制，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，其中白城小青黑楊在不同脅迫梯度上均優(yōu)于其他無性系；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為60%時(shí)，白城小青黑楊、白林3號(hào)楊、白城5號(hào)楊和白城小黑楊的凈光合速率分別為對(duì)照的88.29%、83.07%、74.66%和71.56%，與此同時(shí)，白城小青黑楊和白林3號(hào)楊氣孔導(dǎo)度明顯高于白城小黑楊和白城5號(hào)楊；當(dāng)土壤田間持水量為40%時(shí)，白城小黑楊與白城5號(hào)楊凈光合速率下降幅度加大，下降值分別為對(duì)照的63.40%和65.46%。當(dāng)土壤田間持水量為20%時(shí)，各無性系光合值趨近于0，且各無性系氣孔導(dǎo)度值相比于對(duì)照分別下降了79.63%(白城小黑楊)、80.33%(白林3號(hào)楊)、82.57%(白城5號(hào)楊)和80.69%(白城小青黑楊)。由圖3～4可以看出，隨著土壤相對(duì)含水量的逐漸降低，各無性系氣孔限制值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與之相反的，胞間二氧化碳濃度均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢；當(dāng)土壤相對(duì)含水量高于60%時(shí)，胞間二氧化碳濃度呈下降趨勢，當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于60%時(shí)，胞間二氧化碳濃度呈上升趨勢。

表1 干旱脅迫處理下各性狀方差分析

圖1 干旱脅迫下葉片凈光合速率變化Fig.1 Pn under different drought stress

圖2 干旱脅迫下葉片氣孔導(dǎo)度變化Fig.2 Gs under different drought stress

圖3 不同干旱脅迫下葉片氣孔限制值變化Fig.3 Ci/Ca under different drought stress

圖4 不同干旱脅迫下葉片胞間二氧化碳濃度變化Fig.4 Ci under different drought stress

2.3 不同干旱脅迫處理下楊樹葉片水分利用率和蒸騰速率變化規(guī)律

由圖5可知，白城小青黑楊和白林3號(hào)楊對(duì)照處理的水分利用率較白城5號(hào)楊和白城小黑楊的高。隨著干旱脅迫的加劇，除白城小黑楊在土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)出現(xiàn)輕微下降外，各無性系水分利用率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；當(dāng)土壤田間持水量為60%時(shí)，各無性系水分利用率相比于對(duì)照分別上升了4.36%(白城小黑楊)、18.24%(白林3號(hào)楊)、12.52%(白城5號(hào)楊)和21.27%(白城小青黑楊)；當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于60%時(shí)，各無性系水分利用率出現(xiàn)明顯下降趨勢，其中白城5號(hào)楊下降最為明顯；當(dāng)土壤田間持水量為20%時(shí)各無性系水分利用率相比于對(duì)照分別下降了44.52%(白城小黑楊)、24.08%(白林3號(hào)楊)、46.65%(白城5號(hào)楊)和26.54%(白城小青黑楊)。由圖6可知，各無性系蒸騰速率隨著干旱脅迫的加劇均呈現(xiàn)下降趨勢；隨著干旱脅迫程度的增大，各無性系均出現(xiàn)急劇下降，當(dāng)土壤田間持水量下降為20%時(shí)，各無性系蒸騰速率分別為對(duì)照的15.25%、17.76%、15.30%和18.22%。

圖5 不同干旱脅迫下葉片水分利用率變化Fig.5 Wue ueder different drought stress

圖6 不同干旱脅迫下葉片蒸騰速率變化Fig.6 Tr under different drought stress

圖7 不同干旱脅迫下葉片氣孔長變化Fig.7 SL under different drought stress

圖8 不同干旱脅迫下葉片氣孔寬變化Fig.8 SW under different drought stress

圖9 不同干旱脅迫下葉片氣孔周長變化Fig.9 SP under different drought stress

2.4 不同干旱脅迫處理下楊樹葉片氣孔形態(tài)變化規(guī)律

由圖7可知，各無性系氣孔長、氣孔寬、氣孔周長、氣孔器長和氣孔器寬均隨著土壤相對(duì)含水量的降低呈現(xiàn)出不同程度的降低，但不同無性系間差異較大。由圖7可知，當(dāng)土壤相對(duì)含水量為60%時(shí)，各無性系均出現(xiàn)顯著低于對(duì)照，分別降低為對(duì)照的62.30%(白城小黑楊)、69.86%(白林3號(hào)楊)、73.14%(白城5號(hào)楊)和73.25%(白城小青黑楊)；隨著土壤相對(duì)含水量的持續(xù)降低，白城5號(hào)楊和白城小黑楊的降低速度明顯低于其他無性系。葉片氣孔寬變化規(guī)律與葉片氣孔長變化規(guī)律相似(圖8)，在土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，白城小黑楊下降幅度最大為對(duì)照的15.38%；當(dāng)土壤田間持水量為60%時(shí)，白城小黑楊和白城5號(hào)楊下降最為明顯，相比于對(duì)照分別降低了35.47%和31.60%；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為20%時(shí)，各無性系降至最低值，白城小黑楊、白林3號(hào)楊、白城5號(hào)楊和白城小青黑楊相比于對(duì)照分別降低46.88%，56.11%，42.86%和63.29%。各無性系不同處理下氣孔周長變化如圖9所示，各無性系均隨土壤相對(duì)含水量的降低而減小，其中白林3號(hào)楊在土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，下降最為顯著；四個(gè)楊樹無性系在60%時(shí)均出現(xiàn)明顯下降，降低至對(duì)照的63.89%(白城小黑楊)～75.06%(白城小青黑楊)；當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于60%時(shí)，白城小黑楊和白城5號(hào)楊下降趨勢減緩。

由圖10可知，各無性系氣孔器長、寬隨著土壤相對(duì)含水量的降低，均表現(xiàn)為下降趨勢。從氣孔器長的變化趨勢來看，除白城5號(hào)楊在80%處理下表現(xiàn)出明顯降低，其余無性系在80%處理下與對(duì)照相差不明顯；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為20%時(shí)各無性系均表現(xiàn)出最低值，分別為對(duì)照的74.19%(白城小黑楊)、75.93%(白林3號(hào)楊)、79.11%(白城5號(hào)楊)和73.99%(白城小青黑楊)。各無性系氣孔器寬變化規(guī)律如圖11所示，不同無性系變化趨勢不同，其中白城小黑楊與白城5號(hào)楊變化幅度較其余2個(gè)無性系小；除白城小青黑楊60%處理與80%處理變化較小外，其余處理間變化較大；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為20%時(shí)各無性系相比于對(duì)照分別降低11.84%(白城小黑楊)、32.22%(白林3號(hào)楊)、7.27%(白城5號(hào)楊)和27.64%(白城小青黑楊)。

圖10 不同干旱脅迫下葉片氣孔器長變化Fig.10 SAL under different drought stress

圖11 不同干旱脅迫下葉片氣孔器寬變化Fig.11 SAW under different drought stress

2.5 不同干旱脅迫處理下楊樹葉片氣孔密度與氣孔面積的變化規(guī)律

由圖12可以看出，4個(gè)楊樹品種隨著土壤相對(duì)含水量的降低，各無性系不同處理的葉片氣孔密度呈現(xiàn)逐步下降，處理組和對(duì)照組的葉片氣孔密度相比具有明顯降低；隨著土壤相對(duì)含水量的降低，各無性系呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。當(dāng)土壤田間持水量為20%時(shí)，各無性系氣孔密度降低至最小值，相比于不同無性系受脅迫影響氣孔密度下降幅度不同，當(dāng)土壤田間持水量為20%時(shí)，各無性系氣孔密度降低至最小值，分別為對(duì)照組的73.32%(白城小黑楊)、77.68%(白林3號(hào)楊)、81.57%(白城5號(hào)楊)和77.60%(白城小青黑楊)。楊樹葉片氣孔面積隨土壤相對(duì)含水量的變化如圖13所示。隨著土壤相對(duì)含水量的降低，各無性系均表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢，不同土壤相對(duì)含水量下各無性系氣孔面積最低值分別較各自對(duì)照組降低25.65%(白城小黑楊)、45.27%(白林3號(hào)楊)、35.58%(白城5號(hào)楊)和38.37%(白城小青黑楊)。

圖12 不同干旱脅迫下葉片氣孔密度變化Fig.12 SD under different drought stress

圖13 不同干旱脅迫下葉片氣孔面積變化Fig.13 SA under different drought stress

2.6 不同干旱脅迫處理下各指標(biāo)相關(guān)性分析

各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)見表2，從氣孔形態(tài)指標(biāo)來看，除氣孔器寬、氣孔面積和氣孔密度呈顯著相關(guān)(0.524，0.473)，氣孔密度與氣孔面積相關(guān)性無顯著差異(0.084)，其余指標(biāo)間均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(0.640～0.998)。對(duì)光合指標(biāo)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率和氣孔導(dǎo)度間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.562～0.973)，氣孔限制值與胞間二氧化碳濃度和氣孔導(dǎo)度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.991，-0.564)。對(duì)氣孔形態(tài)指標(biāo)與光和指標(biāo)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，除氣孔限制值外均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系(0.311～0.948)，其中大部分指標(biāo)間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.7 4個(gè)楊樹無性系抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

利用隸屬函數(shù)法對(duì)4個(gè)楊樹無性系的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由表3可知，當(dāng)土壤相對(duì)含水量為80%時(shí)，白林3號(hào)楊、白城小青黑楊、白城小黑楊和白城5號(hào)楊的平均隸屬函數(shù)值分別為0.51，0.66，0.55和0.46；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為60%時(shí)，白林3號(hào)楊、白城小青黑楊、白城小黑楊和白城5號(hào)楊的平均隸屬函數(shù)值分別為0.57、0.72，0.36和0.53；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為40%時(shí)，白林3號(hào)楊、白城小青黑楊、白城小黑楊和白城5號(hào)楊的平均隸屬函數(shù)值分別為0.51，0.67，0.41和0.46；當(dāng)土壤相對(duì)含水量為20%時(shí)，白林3號(hào)楊、白城小青黑楊、白城小黑楊和白城5號(hào)楊的平均隸屬函數(shù)值分別為0.44，0.51，0.47和0.50。綜合分析表明，不同土壤相對(duì)含水量下白城小青黑抗旱性較高，白林3號(hào)楊次之。

表3 4個(gè)楊樹無性系抗旱性的隸屬函數(shù)分析

3 討論

干旱是限制植物生長的重要非生物脅迫因素之一[17]。在干旱條件下生長時(shí)，植物的呼吸作用、光合作用和氣孔作用等會(huì)受到一定程度的阻礙，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育和生理生化及其代謝[18]。本研究中4個(gè)楊樹無性系不同干旱條件下各指標(biāo)方差分析結(jié)果顯示，除氣孔器長在處理間差異不顯著外，其余各性狀在無性系間、處理間和無性系與處理交互作用間均達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01)。說明不同無性系間存在遺傳差異，而且在不同干旱環(huán)境中其響應(yīng)方式不同。依據(jù)不同的差異響應(yīng)可對(duì)各參試楊樹品種進(jìn)行選擇，以獲得抗旱性優(yōu)良的楊樹材料。

光合作用是植物最基本的生命活動(dòng)，其強(qiáng)弱是影響植物生長的主要因素[19]，干旱脅迫下植物的凈光合速率變化是植物對(duì)干旱脅迫適應(yīng)能力的直接體現(xiàn)[20]，葉片氣孔導(dǎo)度的變化在一定程度上對(duì)植物的抗旱能力具有重要作用[21]。利用光合指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)植物的耐旱能力進(jìn)行鑒定，篩選出的材料具有較高的利用價(jià)值。本研究中，光合速率的降低表明干旱脅迫對(duì)植物光合系統(tǒng)造成一定程度的影響。部分研究表明干旱條件下植物光合速率降低，主要有兩方面原因?qū)е?，一是氣孔因素起主?dǎo)作用，二是葉肉細(xì)胞中RUBP羧化酶活性降低導(dǎo)致[22～23]。氣孔是植物與外界進(jìn)行氣體交換的門戶，外界二氧化碳通過氣孔進(jìn)入植物的葉肉細(xì)胞，葉肉及表皮細(xì)胞的水分通過氣孔蒸發(fā)到環(huán)境中[24]。植物蒸騰作用中氣孔蒸騰占據(jù)重要地位，而氣孔密度及大小與其蒸騰作用密切相關(guān)[25]。不同干旱脅迫處理下，除氣孔器長差異不顯著外，其余氣孔形態(tài)指標(biāo)均達(dá)極顯著差異水平。各氣孔指標(biāo)均隨土壤相對(duì)含水量的降低，呈現(xiàn)減小趨勢。這與Tardieu和Tuberosa[26]對(duì)脅迫處理下氣孔孔徑和數(shù)量減少的結(jié)果相同。本研究中氣孔形態(tài)指標(biāo)間相關(guān)性達(dá)極顯著水平與王鋒堂等[27]對(duì)干旱脅迫下熱帶櫻花的研究結(jié)果相同，表明植物通過改變氣孔形態(tài)和密度來適應(yīng)干旱的脅迫。另一方面，根據(jù)Farquhar等[28]觀點(diǎn)，判斷植物光合作用降低的原因是氣孔或非氣孔限制影響的因素是胞間二氧化碳濃度的變化趨勢。本研究中導(dǎo)致光合速率變化的因素與付士磊等[29]研究結(jié)果相似，當(dāng)土壤相對(duì)含水量大于40%時(shí)，4個(gè)楊樹無性系胞間二氧化碳濃度隨著水分的減少而持續(xù)降低，胞間二氧化碳濃度變化趨勢與氣孔導(dǎo)度和氣孔限制值變化趨勢一致，表明此時(shí)葉片光合速率下降是由葉片氣孔部分關(guān)閉導(dǎo)致的；當(dāng)土壤相對(duì)含水量低于40%時(shí)，出現(xiàn)上升趨勢，說明此時(shí)葉片光合速率受非氣孔限制因素影響。與此同時(shí)，土壤相對(duì)含水量的變化還會(huì)對(duì)植物的水分利用率產(chǎn)生重要影響。植物的水分利用率是植物利用水分的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[30]，是林木在干旱地區(qū)造林成活的主要因素之一。本研究中，苗木水分利用率隨土壤相對(duì)含水量的逐漸降低大體呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，鐘培芳[31]和陳超[32]等研究水分利用率變化趨勢與其一致。植物水分利用率受蒸騰速率氣孔等影響，本研究中，隨著土壤相對(duì)含水量的降低，為維持基本代謝活動(dòng)，4個(gè)楊樹無性系蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均隨干旱脅迫程度的加重而呈現(xiàn)下降趨勢，而水分利用率卻呈現(xiàn)出不同變化，出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因可能是，氣孔導(dǎo)度下降導(dǎo)致光合速率和蒸騰速率產(chǎn)生變化，葉片蒸騰速率下降速度較光合速率下降快所導(dǎo)致。部分研究表明高水分利用率是植物對(duì)水分虧缺的一種響應(yīng)[33]，也是植物應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境的一種表現(xiàn)[34]，本研究中，當(dāng)土壤相對(duì)含水量降至40%時(shí)，與對(duì)照相比白城小青黑楊和白林3號(hào)楊還具有較高的水分利用率，因此在水分匱乏環(huán)境下選用白城小青黑楊和白林3號(hào)楊水分利用率較高無性系具有重要意義。

植物在干旱脅迫下，會(huì)通過產(chǎn)生一系列變化來適應(yīng)環(huán)境，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析表明，大部分指標(biāo)間具有顯著相關(guān)性，因此采用隸屬函數(shù)法對(duì)不同處理下各無性系指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合分析表明，白城小青黑楊在各個(gè)干旱處理水平中均表現(xiàn)出相對(duì)較好的抗旱能力，可為東北干旱和半干旱地區(qū)的推廣造林提供材料。綜上所述，在東北地區(qū)水分條件較差的地區(qū)可以選擇白城小青黑楊這個(gè)樹種，以發(fā)揮其水分利用率高和綜合抗旱能力強(qiáng)的特點(diǎn)來適應(yīng)當(dāng)?shù)厣?，而在水分較好的地區(qū)則可以發(fā)展白城小青黑楊、白城小黑楊和白林3號(hào)楊來獲得最大效益。