基于生長(zhǎng)和形態(tài)指標(biāo)的15 種固氮園林植物的抗旱性評(píng)價(jià)

張德順,陳瑩瑩,張百川,尹伊凡,姚馳遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092)

風(fēng)景園林系統(tǒng)的干旱程度受氣候變化、局地生態(tài)環(huán)境人工化和城市下墊面性質(zhì)改變綜合作用的影響,科學(xué)選擇抗旱園林樹(shù)種是維系生態(tài)安全和綠地健康的重要措施。 建立干旱生境下的園林樹(shù)種選擇方法,可以豐富園林抗旱樹(shù)種的多樣性,提升困難立地生境和抗旱樹(shù)種的匹配度,增強(qiáng)樹(shù)種選擇的科學(xué)性、精準(zhǔn)性和生態(tài)適應(yīng)性,提高未來(lái)建成系統(tǒng)的生態(tài)彈性[1-2]。

經(jīng)典形態(tài)學(xué)中植物形態(tài)研究包括葉片形態(tài)學(xué)(leaf morphology)、枝莖形態(tài)學(xué)(stem morphology)、根系形態(tài)學(xué)(root morphology)三方面。 植物(含不同種源和栽培品種)的特異性性狀(specific characteristics)和參數(shù)指標(biāo)可用來(lái)表征植物的抗旱性,如葉片有絨毛、有刺、羽狀葉或裂葉、革質(zhì)葉等[3-5]。 植物生長(zhǎng)的立地環(huán)境會(huì)受到大氣候、中氣候和小氣候的交互影響,更會(huì)受到土壤干旱、內(nèi)澇、鹽堿、貧瘠、重金屬的脅迫[6-7]。 本研究用株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)和形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo),評(píng)價(jià)常見(jiàn)15 種固氮園林植物的抗旱性,以探求植物對(duì)日益退化生境的響應(yīng)策略。

1 材料與方法

1.1 研究基地的氣候特征

研究基地位于山東省淄博市桓臺(tái)縣苗圃內(nèi)(36°54′49″N,118°04′36″E),面積約為 500 m2,地勢(shì)平坦,平均海拔18. 0—18.5 m。 基地屬溫帶季風(fēng)氣候,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),日照充足,年平均氣溫12.5—14.5 ℃,月平均氣溫最低為-3.7 ℃(1 月份),最高為26.5 ℃(7 月份);多年平均降水量586.4 mm,多集中于夏季,7、8 兩月降水量占全年降水量的51.1%,其他時(shí)期降水少,多出現(xiàn)季節(jié)性干旱;年平均蒸發(fā)量1 270 mm,蒸發(fā)旺盛,且年內(nèi)變化較大,1 月份蒸發(fā)量最小,6 月份最大,歷年平均相對(duì)濕度66%。

1.2 研究對(duì)象

以15 種常見(jiàn)固氮園林樹(shù)種為研究對(duì)象(表1),包括落葉喬木10 種,落葉灌木4 種,落葉木質(zhì)藤本1 種。

表1 15 種受試固氮園林樹(shù)種Table 1 Fifteen tested nitrogen-fixing landscape tree species

1.3 研究方法

選取3 年生苗木,于2018 年11 月在苗圃內(nèi)進(jìn)行露天栽培,土壤為壤土,pH 7.2—7.5,每種植物培育10 株,進(jìn)行為期7 個(gè)月的緩苗正常生長(zhǎng)后,每樹(shù)種分別選取生長(zhǎng)情況基本一致的植株4 株,在田間環(huán)境下,采用人工給水后自然耗水的方式模擬土壤干旱脅迫。 具體操作方法為:2019 年6 月15 日充分澆水使土壤水分達(dá)到飽和;各樹(shù)種選取2 株(共30 株)不再澆水使其自然干旱,作為試驗(yàn)組;另外2 株(共30 株)每天澆水,保證充足的水分供給,作為對(duì)照組。 試驗(yàn)期間,生長(zhǎng)環(huán)境的氣候因子、土壤理化因子、苗木規(guī)格樹(shù)齡保持一致,通過(guò)搭建塑料雨棚方式防止降水進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域?qū)ν寥雷匀缓乃a(chǎn)生干擾。 分別于6 月15 日和30 日測(cè)定其生長(zhǎng)和形態(tài)指標(biāo)。 6 月30 日,土壤相對(duì)含水量為30.8%。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)

水分虧缺會(huì)影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育以及生物量的積累,因此也會(huì)對(duì)其株高變化產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。 不同樹(shù)種的絕對(duì)高度與抗旱性并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,但是抗旱性不同的樹(shù)種在面臨相同的干旱脅迫時(shí)其株高增長(zhǎng)的速率會(huì)出現(xiàn)差異。 為了消除不同樹(shù)種間個(gè)體株高生長(zhǎng)量的差異,每組選擇3 株,每株各測(cè)量3 次,取平均值,之后代入公式進(jìn)行計(jì)算:

1.4.2 形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)植物的生長(zhǎng)狀況、莖和葉片的形態(tài)表現(xiàn)(萎蔫程度及枯萎量),設(shè)置5 個(gè)等級(jí)對(duì)植株進(jìn)行評(píng)價(jià),具體見(jiàn)表2。

表2 形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)分類Table 2 Classification of morphological evaluation grade

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 軟件進(jìn)行圖形繪制,利用SPSS 軟件進(jìn)行K-means 聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)的影響

干旱脅迫指數(shù)表征植物在干旱脅迫條件下,某一指標(biāo)偏離最適條件的程度。 它可以作為植物受損程度的指標(biāo),數(shù)值0—1,值越高說(shuō)明偏離最適合狀態(tài)越遠(yuǎn),受脅迫程度越嚴(yán)重,植株抗旱能力越弱;反之,說(shuō)明抗旱能力越強(qiáng)[8]。

由表3 可知,各樹(shù)種株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)出現(xiàn)了較為明顯的差異,其抗旱能力由大到小依次為:紫藤＞合歡＞金葉槐＞香花槐＞紫穗槐＞國(guó)槐＞湖北紫荊＞胡枝子＞山皂莢＞皂莢＞刺槐＞火炬樹(shù)＞多花木藍(lán)＞紫荊＞江南榿木。

表3 15 種樹(shù)種株高生長(zhǎng)量及株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)Table 3 Plant height growth and plant height growth stress index of 15 tested tree species

2.2 干旱脅迫對(duì)植株形態(tài)的影響

從表4 可以看出,對(duì)照組樹(shù)種均生長(zhǎng)旺盛或生長(zhǎng)良好,說(shuō)明在土壤水分供應(yīng)充足的前提下,外界環(huán)境變化并未對(duì)植株的生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生顯著影響。 試驗(yàn)組中,國(guó)槐、金葉槐、刺槐等樹(shù)種產(chǎn)生了葉片萎蔫皺縮現(xiàn)象,有少量葉片變黃枯萎;紫荊、山皂莢等樹(shù)種葉片皺縮嚴(yán)重,出現(xiàn)大量萎蔫現(xiàn)象,葉片變黃枯萎?dāng)?shù)量顯著增多,生長(zhǎng)受到抑制;江南榿木葉片普遍萎蔫下垂,大面積枯萎,部分枝干出現(xiàn)萎蔫皺縮現(xiàn)象,生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制。

表4 15 種受試樹(shù)種形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)Table 4 Morphological evaluation grades of 15 tested tree species

為進(jìn)一步定量分析不同樹(shù)種抗旱性的差異,對(duì)各樹(shù)種的形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行賦值(A =5,B =4,C =3,D=2,E=1),取試驗(yàn)組∕對(duì)照組的比值。 如圖1 所示,15 種樹(shù)種形態(tài)評(píng)價(jià)比值高低依次為胡枝子＞紫穗槐＞火炬樹(shù)＞香花槐＞紫藤＞刺槐＞國(guó)槐＞合歡＞湖北紫荊＞金葉槐＞多花木藍(lán)＞皂莢＞山皂莢＞紫荊＞江南榿木。

2.3 株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)和干旱脅迫形態(tài)等級(jí)綜合分析

基于株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)和形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)固氮園林樹(shù)種進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià),可以將15 種固氮園林樹(shù)種分為四類(圖2)。 第一類群抗旱性最強(qiáng),包括合歡、紫藤、紫穗槐、香花槐和金葉槐5 種樹(shù)種;第二類群具有較強(qiáng)生長(zhǎng)形態(tài),包括國(guó)槐、刺槐、皂角、火炬樹(shù)、胡枝子和湖北紫荊6 種樹(shù)種;第三類群有良好抗旱性,包括山皂角、多花木藍(lán)和紫荊3 種樹(shù)種;第四類抗旱性較弱,只有江南榿木1 種樹(shù)種。

3 結(jié)論

本研究主要從干旱脅迫下固氮園林樹(shù)種形態(tài)及生長(zhǎng)指標(biāo)的變化出發(fā),評(píng)價(jià)不同樹(shù)種的抗旱性。 結(jié)果顯示,15 種固氮園林樹(shù)種可分為四類:合歡、紫藤、紫穗槐、香花槐和金葉槐抗旱性最強(qiáng);國(guó)槐、刺槐、皂角、火炬樹(shù)、胡枝子和湖北紫荊抗旱性較強(qiáng);山皂角、多花木藍(lán)和紫荊抗旱性稍弱;江南榿木抗旱性最弱。

依據(jù)株高生長(zhǎng)脅迫指數(shù)和形態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)快速判定候選樹(shù)種的抗旱特征簡(jiǎn)單易行,再結(jié)合生態(tài)習(xí)性調(diào)查分析和生物學(xué)特性指標(biāo)的定量化測(cè)定,可以建立更加科學(xué)和具有針對(duì)性的指標(biāo)體系,為園林綠地健康和風(fēng)景生態(tài)安全提供科學(xué)決策依據(jù),提升風(fēng)景園林規(guī)劃體系的生態(tài)韌性和可持續(xù)性。