旱區(qū)6種灌木抗旱性評價及鑒定指標的篩選

趙宏亮，程 昊，謝沁宓，侯 暉，倪細爐,3*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 銀川 750021)

西北干旱荒漠區(qū)位于我國生態(tài)安全格局“兩屏三帶”的北方防沙帶，是國家“一帶一路”建設(shè)的重點區(qū)域[1]，同時也是全球氣候變化下的敏感區(qū)域[2]，年降水稀少，蒸發(fā)量大，常伴有大風(fēng)沙塵天氣，土壤沙化嚴重，植被退化，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，進行植被生態(tài)恢復(fù)工作刻不容緩。基于西北地區(qū)特殊的氣候和土壤條件，在植被恢復(fù)過程中，要根據(jù)樹種的生物學(xué)和林學(xué)特性選擇適宜的樹種[3]。嚴酷的自然生境是限制該地區(qū)植被恢復(fù)的主要因素，水分尤為重要[4]，灌木因具有抗旱能力強、防風(fēng)固沙效應(yīng)顯著，樹體矮小，是西北地區(qū)植被恢復(fù)和綠化的首選樹種[5]。目前，對于干旱區(qū)植物抗旱性已經(jīng)有了大量的研究，但受植物生長特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特性的影響，研究主要集中在形態(tài)解剖、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、光合生理及分子遺傳學(xué)等方面[6-9]，植物抗旱性的評價在作物[10-12]和喬木[13-15]方面已經(jīng)做了大量的研究，但對于西北地區(qū)綠化灌木的研究相對較少。因此，本研究以6種2年生的扦插灌木為試驗材料，通過在人工控水條件下測定對照和處理的生長、生理和生化指標，并采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法、聚類分析等綜合評價法篩選出抗旱性較強的灌木樹種，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法篩選出與灌木抗旱性高度關(guān)聯(lián)的生長、形態(tài)和生理指標，以期為干旱地區(qū)生態(tài)植被恢復(fù)及綠化灌木樹種的選擇和篩選抗旱性指標提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究材料為蔥皮忍冬(Loniceraferdinandii)、韃靼忍冬(Loniceratatarica)、臺爾曼忍冬(Loniceratellmanniana)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、水栒子(Cotoneastermultiflorus)和水蠟(Ligustrumobtusifolium)6種生長健壯，無病蟲害，長勢一致的2年生扦插苗，分別種植于內(nèi)徑為30 cm的陶瓷花盆中。

1.2 試驗方法

試驗于2019年在寧夏大學(xué)日光溫室進行，將6種特色灌木2年生扦插苗分別種植于花盆中，每盆含2.8 kg營養(yǎng)土(黃土∶草炭∶珍珠巖=2∶1∶0.5，再加入總體積6%的經(jīng)發(fā)酵后的羊糞)，每個品種選擇20株生長一致的植株，每盆1株。移栽完澆透水，測定的田間持水量為11.8%，之后每2 d澆1次水，進行正常的管理。通過澆水量的多少進行干旱脅迫處理，共設(shè)4個干旱處理梯度，即正常(T1)：土壤含水量為田間持水量的60%～70%；輕度干旱脅迫(T2)：土壤含水量為田間持水量的50%～60%；中度脅迫(T3)：土壤含水量為田間持水量的40%～50%；重度干旱脅迫(T4)：土壤含水量為田間持水量的30%～40%，以正常(T1)作為對照。每個梯度重復(fù)5次，每天8:00應(yīng)用稱重法測定土壤流失的水分[16]，并加水至設(shè)計上限，補充其水分消耗。待干旱脅迫30 d后，進行相關(guān)參數(shù)的測定。

1.3 測定指標和方法

評價方法中選取了生長指標、光合生理指標及常規(guī)生理指標等三大類，對6種特色灌木進行抗旱性綜合分析。這三大類指標分別是：生長指標(株高、地徑、單葉葉面積、冠幅)、光合生理指標(光合速率、蒸騰速率)、代謝生理指標(MDA、POD、SOD)。光合速率可以反映積累干物質(zhì)能力的大小；蒸騰速率可以反映植物水分代謝強弱；由于MDA是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可反映植物遭受逆境傷害的程度；POD酶活性高低，可以反映某一時期植物體的抗性；SOD能確定植物在特定環(huán)境下的適應(yīng)能力。

1.3.1 生長指標的測定 用卷尺測定株高和冠幅，用游標卡尺進行地徑的測量。用數(shù)字圖像處理法測定距植株頂端第3、第4和第5這3片葉面積的平均值，記作單葉面積。

1.3.2 光合生理指標的測定 光合指數(shù)：采用GFS-3000光合儀(Heinz Walz GmbH公司，德國)測定，于晴天10:00測定第4片葉的光合指數(shù)。

1.3.3 生理生化指標的測定 取0.5 g新鮮的樣葉去除葉脈后置于預(yù)冷的研缽中，加2 mL預(yù)冷0.05 mol·L-1磷酸緩沖液(含10 g·L-1PVP，pH 7.0)及少量石英砂，研磨至勻漿；3 mL上述磷酸緩沖液沖洗研缽，合并提取液于4 ℃、10 000 r·min-1下離心20 min；沉淀用上述方法重復(fù)提取1次，合并上清液定容至5 mL；樣液于4 ℃條件下保存，用于測定MDA、POD和SOD活性。丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸[17]；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法[18]；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍四唑光還原法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

應(yīng)用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的處理和灰色關(guān)聯(lián)度分析[20]，灰色關(guān)聯(lián)度是衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法；用SPSS 22.0進行方差分析、主成分分析和Origin 2019聚類分析，聚類分析可以衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，并進行歸類。

根據(jù)公式計算抗旱系數(shù)(DC)

DC=處理/對照

(1)

隸屬函數(shù)值的計算

R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

如果某一指標(本研究中葉面積、地徑、株高和冠幅)與抗旱能力呈負相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)

R′(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：R′(Xi)為i品種(系)j指標抗旱性隸屬函數(shù)值，Xij為i品種j指標測定值；Xmax表示第j個綜合指標的最大值；Xmin表示第j個綜合指標的最小值。

各綜合指標的權(quán)重

(4)

式中：Wj表示第j個綜合指標的在所有綜合指標中的權(quán)重；Pj為不同灌木品種第j個綜合指標的貢獻率。

不同品種的綜合抗旱性評價。

(5)

式中：D為不同灌木在干旱條件下由綜合指標評價所得的抗旱綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌木品種的抗旱性分析和相關(guān)性分析

由表1可以看出，6種灌木經(jīng)過干旱處理后的抗旱系數(shù)(DC)表現(xiàn)不一致。蒸騰速率和SOD的抗旱系數(shù)大于1，表明干旱處理下，蒸騰速率和SOD酶活性與對照相比總體上呈現(xiàn)升高的趨勢；葉面積、地徑、株高和冠幅與對照相比是下降的趨勢；而光合速率、丙二醛和POD與對照相比較，不同的灌木表現(xiàn)得有差異，光合速率中水蠟與對照比是升高的狀態(tài)，而韃靼忍冬、臺爾曼忍冬、金花忍冬和蔥皮忍冬與對照比是降低的狀態(tài)，水栒子則保持不變；韃靼忍冬、臺爾曼忍冬、水栒子和金花忍冬的丙二醛含量與對照比是增加的，水蠟和蔥皮忍冬與對照比是降低的；韃靼忍冬、水蠟和金花忍冬的POD含量與對照比增加，臺爾曼忍冬和水栒子含量與對照比則降低了。由此可知，不同的灌木在相同的指標所表現(xiàn)得不盡相同。因此，通過單項指標對灌木的抗旱性的分析存在著一定的局限性。

表1 6種灌木各指標的抗旱系數(shù)(DC)Table 1 Drought-tolerance coefficients of each identification indict of six shrubs

由表2可知，不同單項指標間相關(guān)性顯著。如X1與X4之間相關(guān)性顯著(P<0.05),即X1和X4所攜帶的共同信息量為67.3%，并與其他指標間也存在顯著相關(guān)性，表明各單項指標間存在著信息重疊現(xiàn)象，需要利用主成分分析的方法達到降維的目的，避免各指標間的相關(guān)性而造成信息的重疊。

表2 6種灌木品種各指標間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation matrix of each identification indicts of six shrubs varieties

2.2 不同灌木品種的主成分分析

通過對不同抗旱評價數(shù)據(jù)標準化處理后，利用主成分分析(表3，表4)可以將干旱脅迫下的9個鑒定指標根據(jù)特征值大于1、累計貢獻率大于85%的原則劃分為4個主成分。由表3可知，前4個主成分的貢獻率分別是39.51%、21.48%、17.17%和15.33%，累計貢獻率達93.50%。其中主成分1(CI1)在蒸騰速率(X3)、POD(X5)、冠幅(X9)上有較大的載荷量；主成分2(CI2)在光合速率(X2)和株高(X8)上有較大的載荷量；主成分3(CI3)在葉面積(X1)和MDA(X4)上有較大的載荷量；主成分4(CI4)在SOD(X6)和地徑(X7)上有較大的載荷量。利用主成分分析將原先的9類指標轉(zhuǎn)換為4類新的指標，這4類新指標可以表達原9個指標的93.5%的信息，又可以根據(jù)貢獻率的大小判斷各綜合指標的重要性。

表3 6種抗旱灌木各類指標的主成分分析Table 3 Principal component analysis of various indexes of six drought shrubs

表4 各綜合指標的特征向量及貢獻率Table 4 Feature vector and contribution rate of each comprehensive index

2.3 不同灌木品種抗旱性的模糊隸屬函數(shù)和聚類分析

利用隸屬函數(shù)法，根據(jù)因子的得分值，由公式(2)和公式(3)可以計算各品種的綜合指標的隸屬函數(shù)值，再根據(jù)貢獻率可根據(jù)公式(4)求得其權(quán)重。由表5可知，4個綜合指標的權(quán)重值分別是0.423、0.230、0.184和0.164。再由公式(5)計算6種灌木的綜合抗旱D值，并進行排序?？梢钥闯?，D值最大的是金花忍冬，為0.721，表明其抗旱性最強；D值最小的是蔥皮忍冬，為0.041，表明其抗旱性最弱。排名由大到小依次是:金花忍冬(0.721)、韃靼忍冬(0.602)、水栒子(0.437)、水蠟(0.404)、臺爾曼忍冬(0.306)、蔥皮忍冬(0.041)。

表5 6種灌木綜合指標值、權(quán)重、隸屬函數(shù)值、D值及綜合評價值Table 5 Comprehensive index value,weight,membership function value,D value and comprehensive valuation of six shrubs

采用歐式距離及加權(quán)算術(shù)平均法，對6種灌木的D值和X1(葉面積在關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果中與灌木抗旱性關(guān)聯(lián)度最高)進行抗旱性聚類分析(圖1)。根據(jù)抗旱性強、抗旱性中等和抗旱性弱，在標尺0.20處可以劃分為3類：第Ⅰ類為韃靼忍冬和金花忍冬，其抗旱性最強；第Ⅱ類為水蠟和水栒子和臺爾曼忍冬，其抗旱性居中；第Ⅲ類為蔥皮忍冬，抗旱性最弱。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)分析的關(guān)鍵是參考數(shù)列的確定。本研究中引入抗旱系數(shù)(DC)。以D值作為參考數(shù)列，以DC值作為比較數(shù)列。表6反映了各抗旱指標之間的強弱關(guān)系，通過對比排序發(fā)現(xiàn)，在所有指標中葉面積與灌木的抗旱性最密切，其關(guān)聯(lián)度為0.657，其次是MDA、光合速率、冠幅、蒸騰速率、POD、SOD和地徑，關(guān)聯(lián)度分為0.648、0.635、0.634、0.631、0.616、0.610、0.601；與灌木的抗旱性相關(guān)性最弱的是株高，關(guān)聯(lián)度為0.570。關(guān)聯(lián)結(jié)果顯示，與灌木的抗旱性最密切的幾個指標分別是葉面積、MDA、光合速率、冠幅和蒸騰速率。

表6 各指標的抗旱系數(shù)與D值的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序Table 6 Correlation degree and correlation order of drought-tolerance coefficients of each identification indicts with D value

3 結(jié)論與討論

相關(guān)性分析、主成分分析和隸屬函數(shù)值綜合評價后聚類分析得到6種灌木的抗旱性由強到弱依次是金花忍冬、韃靼忍冬、水栒子、水蠟、臺爾曼忍冬和蔥皮忍冬；聚類結(jié)果為3類，第Ⅰ類為韃靼忍冬和金花忍冬，第Ⅱ類為水蠟、水栒子和臺爾曼忍冬，第Ⅲ類為蔥皮忍冬，可見在這6種灌木中干旱區(qū)最適宜種植金花忍冬和韃靼忍冬，而蔥皮忍冬是不適宜種植的，這為旱區(qū)綠化選擇這6種抗旱性灌木提供了一定的科學(xué)依據(jù)。結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析獲得與灌木抗旱性密切相關(guān)的指標有葉面積、丙二醛含量(MDA)、光合速率、冠幅和蒸騰速率，這些指標均可作為灌木抗旱性評價鑒定指標，對灌木抗旱性評價具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)還可以通過分析抗旱基因，應(yīng)用分子領(lǐng)域相關(guān)知識對植物的抗旱性進行評價。

在干旱脅迫下，不同植物的POD和SOD酶活性不同，有降低亦有升高，酶活性升高使得植物加快體內(nèi)自由基的清除，減輕膜脂過氧化[21]；酶活性降低植物體內(nèi)膜脂過氧化程度加重，導(dǎo)致了細胞代謝功能紊亂[14]。地徑、株高和冠幅的DC值明顯降低，說明干旱脅迫使植物的生長受到了抑制，這與李德等[22]關(guān)于赤桉的研究結(jié)果一致，即干旱脅迫會影響植株的生長發(fā)育。王斌等[13]只應(yīng)用隸屬函數(shù)法對干旱脅迫下4種園林樹木的抗旱性進行了綜合分析，但由于所采用的方法較為單一，其結(jié)果的可靠性較低，而本研究采用了多種綜合評價方法，結(jié)果更加全面可靠。武燕奇等[14]對10種板栗砧木的抗旱性進行評價并對各指標反映抗旱性的強弱進行了排序，但沒有對抗旱性鑒定指標進行篩選。本研究中葉面積與植株抗旱性關(guān)聯(lián)度最大，這與趙瑾等[23]對南蛇藤、苦皮藤等植物的研究結(jié)果一致，在以后灌木的抗旱性評價中應(yīng)該重視葉面積與抗旱性的關(guān)系，抗旱性植物的葉片一般都比較小，有的變態(tài)成刺或革質(zhì)，是植物抗旱性最直接的體現(xiàn)。劉濱等[24]對寧夏10種觀賞灌木葉片進行解剖和抗旱性進行綜合評價，結(jié)果表明韃靼忍冬的抗旱性最強，蔥皮忍冬次之，金花忍冬、臺爾曼忍冬抗旱性其次之，而本研究中金花忍冬抗旱性最強，韃靼忍冬次之，蔥皮忍冬的抗旱性最弱，與其結(jié)果存在一定的差異，可能原因是該學(xué)者采用的是5～7 a的實生苗，由于樹齡不同，栽植方式不同，其抗旱性也不盡相同，還有該學(xué)者只是對葉片進行了相關(guān)的評價，而本研究從植株的生長指標、光合生理指標和代謝生理指標3個方面進行評價，評價的體系相對更加全面，但具體原因還需后續(xù)試驗繼續(xù)驗證。

植物的抗旱性由復(fù)雜的數(shù)量性狀受多基因的控制[25]，不同植物種類，同一植物的不同品種以及同一品種的不同時期抗旱性也不盡相同[26]，并且與環(huán)境因子密切相關(guān)，因此用單一指標進行植物抗旱性的研究具有局限性[27-28]。前人研究認為，植物的形態(tài)和生長指標適宜作為抗旱鑒定的首選指標[29-31]，與本研究的結(jié)果較為一致，但株高作為生長指標，在本研究中得出的結(jié)果是不適宜作為灌木鑒定指標，有待進一步試驗研究。俞永瑋[32]等對5種引進的意大利楊進行抗旱性評價指標的篩選，認為地徑、葉片相對電導(dǎo)率、葉片相對含水量等7個指標可作為無性系幼苗抗旱性的鑒定指標，這與本研究中的結(jié)果存在一定差異，原因可能是一方面指標的選取不同，另一方面楊樹是喬木而本研究是灌木，具體的還應(yīng)該繼續(xù)深入分析。