南思睿,羅永忠,于思敏,仝慧鑫,何鈺
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
近年來(lái),全球變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重,極端天氣頻發(fā),干旱問(wèn)題已成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題之一[1-2]。干旱脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和地理分布范圍有重要的影響[3]。植物從土壤中吸收水分的能力反映了其抗旱性的強(qiáng)弱[4],植物葉水勢(shì)可直接反映植物水分生理狀態(tài),在土壤—植物—大氣循環(huán)系統(tǒng)水分移動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一般情況下,土壤越干旱,植物葉水勢(shì)越低,吸水能力越強(qiáng),相反,水勢(shì)越高,吸水能力越弱[5]。馮樹(shù)林等[6]通過(guò)對(duì)紫穗槐(Amorpha fruticosa)幼苗的研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱程度的加劇,其葉水勢(shì)具有明顯下降的趨勢(shì)。生物量分配是描述植株生育期各階段根、莖、葉、花、果所分配同化產(chǎn)物量的一個(gè)消長(zhǎng)過(guò)程,它是植物生活史理論的中心[7],根據(jù)最優(yōu)分配假說(shuō),為響應(yīng)不同環(huán)境條件的變異,植物地上和地下生物量的積累及分配會(huì)受到水分的影響[8]。在水分虧缺的情況下,植物生物量積累的功能會(huì)下降,景茂等[9]通過(guò)對(duì)銀杏(Ginkgo biloba)生長(zhǎng)及生物量分配的研究發(fā)現(xiàn),銀杏4家系相對(duì)高生長(zhǎng)、相對(duì)地徑生長(zhǎng)、生物量增量等均隨土壤水分含量的降低而減少。有研究表明在植物不同的生長(zhǎng)時(shí)期,不同的水分脅迫會(huì)改變植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用,對(duì)植物地上生物量與地下生物量的分 配 產(chǎn) 生 重 要 影 響[10],王 密 俠 等[11]研 究 表 明,玉 米(Zea mays)在苗期的耐旱性較強(qiáng),適度虧水能夠促進(jìn)根系發(fā)育,增大根冠比,水分與營(yíng)養(yǎng)的供給和分配均向根系傾斜。
紫花苜蓿(Medicago sativa)為豆科苜蓿屬多年生草本植物,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,適口性好,適應(yīng)性強(qiáng),經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[12],被譽(yù)為“牧草之王”,是我國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)的主栽牧草[13]。新疆大葉苜蓿(Medicago sativacv.Xinjiangdaye)是新疆和田農(nóng)牧民選擇和培育形成,引入甘肅地區(qū)大面積栽培的品種。其在干旱環(huán)境條件下可以生長(zhǎng),但水分虧缺會(huì)限制其產(chǎn)量。前人對(duì)紫花苜蓿的研究主要集中在種子萌發(fā)、形態(tài)分類、以及光合生理特征等方面[14-18],但關(guān)于在水分虧缺情況下,新疆大葉苜蓿在不同生育階段葉水勢(shì)和生物量的分配過(guò)程,目前研究報(bào)道還較少。本研究通過(guò)盆栽控水試驗(yàn)法,綜合分析比較新疆大葉苜蓿在不同水分處理下的葉水勢(shì)、苗高、根徑、根長(zhǎng)以及根、莖、葉生物量變化規(guī)律以及相關(guān)性,以探討新疆大葉苜蓿對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)理,并為干旱、半干旱地區(qū)苜蓿節(jié)水栽培、深入研究植物抗旱機(jī)制提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)于2019年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)徑流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行,海拔高度為1 534 m,經(jīng)緯度為E 103.9°,N 36.09°。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,冬季寒冷,夏季炎熱干燥,終年干旱少雨。年平均氣溫10.8 ℃,年日照時(shí)數(shù)為2 446 h,年平均降水量327 mm,無(wú)霜期為180 d。
試驗(yàn)材料為新疆大葉苜蓿種子,播種在圓柱形聚乙烯桶(高20 cm、直徑17 cm),每桶裝7.5 kg耕作表層風(fēng)干土,土壤類型為黃綿土,偏堿性,土壤質(zhì)地適中,田間持水量為22%(重量含水量)。在裝土前,土壤增施氮肥的比例為1∶5 (1 g尿素+5 g(NH4)2HPO4),混合均勻,并統(tǒng)一進(jìn)行病蟲(chóng)害的定期防治,每桶播種50粒,出苗后定苗至20株。
試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)土壤水分梯度[12]:T1(充分供水)、T2(輕度脅迫)和T3(重度脅迫),每個(gè)處理4個(gè)重復(fù),每個(gè)生育時(shí)期共12桶。整個(gè)試驗(yàn)階段共計(jì)48桶。采用稱重法控制土壤含水量,試驗(yàn)期間每隔1 d用感量電子秤于下午18∶00稱重補(bǔ)水,平衡桶重,全部降水用塑料防雨棚遮蓋。試驗(yàn)期間不同處理?xiàng)l件下的土壤含水量見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)期間不同處理?xiàng)l件下的土壤含水量Table 1 Soil water content under different treatment conditions during the test
選用不同水分脅迫下生長(zhǎng)狀況良好的植株于苗期(4月3日)、分枝期(4月30日)、現(xiàn)蕾期(5月29日)和開(kāi)花期(6月16日)測(cè)定如下指標(biāo):
(1) 葉水勢(shì):采用露點(diǎn)水勢(shì)儀在各生育期當(dāng)天早上11:00隨機(jī)選取4株生長(zhǎng)適中的植株測(cè)定葉水勢(shì)。
(2) 形態(tài)指標(biāo):在新疆大葉苜蓿的各生育時(shí)期隨機(jī)選取生長(zhǎng)適中的植株各4株,分別用卷尺測(cè)量苗高、用游標(biāo)卡尺測(cè)量根徑。
(3) 生物量:采用毀盆法將其植株連同根系挖取帶回實(shí)驗(yàn)室,沖洗,拭干后,用卷尺測(cè)量根長(zhǎng),并分離根、莖、葉,分別稱其鮮重,于105 ℃烘箱中殺青15 min,然后放入80 ℃烘箱中6~8 h烘干至恒重后,稱其干重,計(jì)算根、莖和葉的生物量。
采用IBM SPSS Statistics 20程序進(jìn)行單因素方差分析(Duncan)和Pearson相關(guān)性分析,Excel 2010繪制圖表。
在不同生育時(shí)期,新疆大葉苜蓿的葉水勢(shì)隨著土壤水分脅迫的加劇而依次降低,且葉水勢(shì)均呈現(xiàn)出T1>T2>T3的規(guī)律(圖1)。T3水分處理顯著降低了幼苗的葉水勢(shì),T3與T1、T2之間均存在顯著性差異(P<0.05),在分枝期和開(kāi)花期T2與T1差異顯著(P<0.05)。在各生育時(shí)期,葉水勢(shì)T3較T1分別下降了50.2%、50.8%、51.8%和45.7%,T2較T1分別下降了14.7%、29.5%、15.7%、27.1%,隨著土壤水分脅迫加劇,葉水勢(shì)降幅增大。在整個(gè)生育期內(nèi),不同水分處理下葉水勢(shì)的最高值均出現(xiàn)在苗期,最低值均出現(xiàn)在開(kāi)花期。
圖1 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的葉水勢(shì)Fig.1 Leaf water potential of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different water stress
隨著水分脅迫的加劇,新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長(zhǎng)在不同的生育時(shí)期均呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律(圖2)。
圖2 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的植株形態(tài)Fig.2 Plant morphology of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different waterstress
T2水分處理苗高在不同生育時(shí)期均達(dá)到最高值,且各處理之間均存在顯著差異(P<0.05)。在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期新疆大葉苜蓿的苗高T2相較于T1增幅分別為32.7%、24.1%、17.7%和11.7%;T3相較于T1降幅分別為28.1%、26.4%、23.2%和26.1%。
根徑在苗期各處理間差異不顯著,在分枝期、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期T2與其他兩個(gè)處理均形成顯著差異(P<0.05),但T1與T3之間無(wú)顯著性差異。表明適度的水分脅迫對(duì)根徑的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,而過(guò)多或者過(guò)少水分都對(duì)新疆大葉苜蓿根徑的生長(zhǎng)不利。在不同時(shí)期T2與T1相比較,其增幅分別為7.5%、37.5%、24.9%和26.8%,分枝期根徑的增長(zhǎng)幅度最大,而苗期增長(zhǎng)幅度最小。
在現(xiàn)蕾期,T2與T1處理根長(zhǎng)差異顯著(P<0.05)。而在苗期、分枝期和開(kāi)花期之間根長(zhǎng)均無(wú)顯著差異(P>0.05)。T3與T1相比,在各生育時(shí)期均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。在不同水分處理下,新疆大葉苜蓿開(kāi)花期的根長(zhǎng)相較于苗期分別增加了19.9%、17.3%、和30.0%,T3水分處理根長(zhǎng)的增長(zhǎng)幅度最大。說(shuō)明在重度水分脅迫下植株通過(guò)延長(zhǎng)主根來(lái)獲取更多的水分和養(yǎng)分滿足其生長(zhǎng)發(fā)育。
在不同的土壤水分脅迫下,新疆大葉苜蓿的根干重苗期和分枝期呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律,在現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期表現(xiàn)為T2>T3>T1的規(guī)律(圖3)。在苗期、分枝期和開(kāi)花期,T2處理與T1處理之間具有顯著性差異(P<0.05),在現(xiàn)蕾期各處理間差異均不顯著。T2處理的根干重在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期較T1處理相比分別上升了35.7%、13.5%、15.6%和26.8%,而T3處理與T1處理相比較,在苗期和分枝期根干重下降了11.1%和15.6%,在現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期增加了5.0%和10.9%。
莖干重在不同土壤水分脅迫下呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律(圖3)。在苗期和分枝期T1與T2之間具有顯著性差異(P<0.05)。而在現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期無(wú)顯著性差異。就整個(gè)生育期而言,T3與T1相比均無(wú)顯著性差異,說(shuō)明重度水分脅迫對(duì)莖生物量的影響較小。T1與T2相比,在分枝期時(shí),莖干重增幅達(dá)到最大,為26.9%,在開(kāi)花期時(shí)增幅降為9.0%。
葉片干重在苗期呈現(xiàn)出T2>T3>T1的規(guī)律,在分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期均呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律(圖3)。在開(kāi)花期時(shí),其葉片干重在T2處理下與其他處理之間具有顯著性差異(P<0.05),在苗期、分枝期和現(xiàn)蕾期時(shí)葉片干重均未形成顯著性差異,說(shuō)明水分脅迫對(duì)葉片干重的影響較小。T2的葉片干重在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期較T1相比分別上升31.3%、26.3%、14.3%和13.6%。在苗期,T3的葉片干重較T1相比上升了8.3%,而在分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期較T1相比分別下降了14.3%、22.2%、22.1%。
圖3 不同水分脅迫下的新疆大葉苜蓿生物量Fig.3 The component biomass of M,sativacv.Xingjiangdaye under different water stress
在T1(充分供水)時(shí),新疆大葉苜蓿的葉水勢(shì)與莖干重之間呈顯著負(fù)相關(guān),苗高與根徑、根干重呈極顯著正相關(guān),根徑與、根干重和葉干重之間呈顯著正相關(guān)(表2);在T2水分處理下,苗高與根徑、根長(zhǎng)和莖干重呈極顯著正相關(guān),與根干重和葉干重呈顯著正相關(guān)。在T3水分處理下,葉水勢(shì)與苗高、根徑、根長(zhǎng)、根干重和莖干重之間均極顯著相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明在重度水分脅迫時(shí)葉水勢(shì)對(duì)新疆大葉苜蓿的苗高、根長(zhǎng)、根干重、莖干重和葉干重產(chǎn)生不利影響。苗高在T2和T3的水分處理下與根徑、根長(zhǎng)和根干重之間具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),說(shuō)明苗高與其植株形態(tài)和生物量之間具有密切的聯(lián)系。根徑在T2和T3的水分處理下,與根長(zhǎng)和莖干重之間具顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),表明根徑的生長(zhǎng)增加,其根長(zhǎng)也會(huì)增長(zhǎng),莖干重也會(huì)增加。
表2 不同水分脅迫下葉水勢(shì)與植株形態(tài)及生物量分配的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation number of leaf water potential and plant morphology and biomass allocation under different water stress
在水資源匱乏的情況下,植物通過(guò)自我調(diào)節(jié)發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)或改變物質(zhì)代謝以適應(yīng)環(huán)境帶來(lái)的影響[19]。葉水勢(shì)代表植物水分運(yùn)動(dòng)的能量水平,是反映植株組織水分狀況的重要指標(biāo),土壤水分含量、氣溫和葉片的蒸騰速率等均會(huì)影響植物葉水勢(shì)的變化[20]。葉水勢(shì)的降低利于植物從土壤中吸收水分,可維持植物在水分逆境中生長(zhǎng)[21],隨著土壤水分脅迫的加劇,葉水勢(shì)會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)隨著干旱程度的加重,新疆大葉苜蓿的葉水勢(shì)逐漸降低。在充分供水情況下,土壤含水量達(dá)到相對(duì)田間持水量的85%,植株能夠充分吸水,葉水勢(shì)高。在重度水分脅迫時(shí),其葉水勢(shì)在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期分別降低了5.85、6.25、6.58和6.28MPa,表明新疆大葉苜蓿通過(guò)大幅降低自身葉水勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)土壤有限水分的吸收潛力,以增強(qiáng)對(duì)干旱脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力和抵抗能力[6]。有研究表明,葉水勢(shì)的降低與植物氣孔開(kāi)閉有著密切聯(lián)系,隨著植物葉片水分散失和水勢(shì)下降,氣孔阻力增加,氣孔開(kāi)度相應(yīng)減小,對(duì)植物的蒸騰作用產(chǎn)生影響[22]。由于苗期植株低矮,需水量較少,而分枝期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期是新疆大葉苜蓿的快速生長(zhǎng)時(shí)期,需水量大幅增加,植株生理代謝旺盛,植株對(duì)土壤水分虧缺極為敏感,通過(guò)降低葉水勢(shì)來(lái)增加吸水潛力,這與馮樹(shù)林[6],王青寧[23]等對(duì)紫穗槐、固沙植物葉水勢(shì)的研究結(jié)果相似。
適宜的土壤水分是植物健康生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),過(guò)多或過(guò)少的土壤水分都會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)[24]。當(dāng)土壤水分虧缺時(shí),導(dǎo)致植物形態(tài)上發(fā)生改變[25]。本研究表明,隨著水分脅迫程度的加劇,新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長(zhǎng)在不同的生育期均表現(xiàn)為 T2>T1>T3的規(guī)律,這與徐飛等[27]對(duì)刺槐(Robinia pseudoacacia)幼苗的研究結(jié)果相似。表明不同的水分處理對(duì)新疆大葉苜蓿的形態(tài)指標(biāo)有一定的影響。在充分供水情況下,新疆大葉苜蓿的生長(zhǎng)均低于輕度水分脅迫,主要是由于過(guò)多的土壤水分會(huì)造成土壤通氣性差,植株根系正常的呼吸作用受阻,進(jìn)而影響其苗高、根徑和根長(zhǎng)的增加。在土壤水分虧缺加重時(shí),植株正常的新陳代謝過(guò)程減慢,光合有機(jī)質(zhì)積累減少,從而導(dǎo)致植株的苗高增長(zhǎng)緩慢,根的生長(zhǎng)處于抑制狀態(tài),這可能是嚴(yán)重的水分脅迫使得新疆大葉苜蓿的根系吸收水分能力急劇下降,導(dǎo)致植物組織萎蔫造成的。輕度水分脅迫下苗高、根徑和根長(zhǎng)都表現(xiàn)出較大的增長(zhǎng),說(shuō)明適當(dāng)?shù)乃置{迫可以促進(jìn)植株根系的發(fā)育,使得根系從土壤中獲得更多的養(yǎng)分和水分,并保證了新疆大葉苜蓿的正常生長(zhǎng)。
生物量分配指植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所同化的資源用于營(yíng)養(yǎng)器官的比例[28]。植物生物量的分配受多種因素的影響,比如:環(huán)境條件、自身生長(zhǎng)發(fā)育以及遺傳特性等[29]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著生育時(shí)期的變化,水分脅迫顯著影響新疆大葉苜蓿根、莖、葉生物量的分配。其根干重在生長(zhǎng)早期階段如苗期和分枝期呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律,而在生長(zhǎng)后期階段如現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期時(shí)根干重為T2>T3>T1規(guī)律,由于苗期和分枝期植株處于生長(zhǎng)初期,需水量較少,輕度水分脅迫可能誘導(dǎo)其提前經(jīng)受干旱鍛煉,激發(fā)其潛在的抗旱能力,來(lái)保證植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),其根系逐漸適應(yīng)干旱環(huán)境,在現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期適當(dāng)增加根長(zhǎng)來(lái)吸收土壤水分。充分供水時(shí)土壤含水量過(guò)高,導(dǎo)致植物根系長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)氧呼吸狀態(tài),并積累了有毒物質(zhì),不利于植物生長(zhǎng)。重度水分脅迫促使植物根系發(fā)育并向深層土壤下扎吸收利用深層土壤水分,將較多的生物量分配給根來(lái)吸收更多的營(yíng)養(yǎng)和水分來(lái)促進(jìn)根系的生長(zhǎng),使其重度水分脅迫下的根干重大于充分供水時(shí)的根干重。這與柳佳[19]、王淼[30]等對(duì)新疆大葉苜蓿、蒙古櫟(Quercus mongolica)的研究結(jié)果一致。莖干重在整個(gè)生育期內(nèi)均呈現(xiàn)出T2>T1>T3的規(guī)律,表明在輕度水分脅迫下水分優(yōu)先滿足植株莖生物量的分配,使同化物質(zhì)積累促進(jìn)植株莖的生物量的分配。且重度水分脅迫與充分供水相比均無(wú)顯著性差異,可能是在重度水分脅迫下植株盡可能保障莖的同化物質(zhì)生產(chǎn)效率,將同化物質(zhì)輸送給根系,以此來(lái)提高根系水分和養(yǎng)分吸收能力,用來(lái)保障其植株的生長(zhǎng)。葉干重在整個(gè)生育期內(nèi)均未形成顯著性差異,表明水分脅迫對(duì)葉干重影響不大。說(shuō)明隨著土壤水分脅迫的加劇,植株分配到地下的生物量明顯增加,而對(duì)地上生物量的分配影響不大,這與段旭等[31]對(duì)云南松(Pinus yunnanensis)幼苗生長(zhǎng)及生物量的研究結(jié)果一致。
植物葉水勢(shì)可反映植物從土壤中吸收水分以維持正常生理活動(dòng)的能力,可用于確定植物的受旱程度和抗旱能力[32]。本研究表明,在T1水分處理時(shí),葉水勢(shì)與莖干重具有相關(guān)性,說(shuō)明葉水勢(shì)越高,新疆大葉苜蓿莖內(nèi)的含水量越高。在T3水分處理時(shí),葉水勢(shì)與苗高、根徑、根長(zhǎng)、根干重和莖干重之間均具相關(guān)關(guān)系,表明隨著土壤水分含量降低,新疆大葉苜蓿葉水勢(shì)對(duì)干旱脅迫較為敏感,可通過(guò)大幅降低自身的苗高、根徑、根長(zhǎng)、根干重和莖干重葉來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)土壤有限水分的吸收潛力,以增強(qiáng)新疆葉苜蓿對(duì)干旱脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力和抵抗能力。
(1)土壤水分脅迫會(huì)降低新疆大葉苜蓿葉水勢(shì),在各生育時(shí)期均呈現(xiàn)T1>T2>T3的規(guī)律,且葉水勢(shì)與苗高、根徑、根長(zhǎng)、根干重和莖干重在T3水分處理時(shí)均具有極顯著相關(guān)性(P<0.01)。說(shuō)明新疆大葉苜蓿通過(guò)降低自身葉水勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)土壤有限水分的吸收潛力,以增強(qiáng)對(duì)干旱脅迫環(huán)境的抵抗能力。
(2)T2處理可促進(jìn)新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長(zhǎng)的生長(zhǎng),且根干重、莖干重和葉干重最高。說(shuō)明輕度水分脅迫有利于新疆大葉苜蓿形態(tài)指標(biāo)的生長(zhǎng)和生物量的分配。苗高在T2和T3處理下與根徑、根長(zhǎng)之間均具有顯著相關(guān)性(P<0.05),表明苗高與根徑和根長(zhǎng)之間存在一定的協(xié)同性。