馬尾松苗期抗旱性鑒定方法分析

尹明善，蒙素訊，桂云蘭 (.環(huán)江毛南族自治縣華山林場，廣西環(huán)江 54700；.環(huán)江毛南族自治縣華山林業(yè)投資有限責任公司，廣西環(huán)江 54700；.梧州市中森林業(yè)勘察設計有限公司，廣西環(huán)江 54700)

水分是影響森林結構和物種分布的主導環(huán)境因子之一。在植物生長季節(jié)，嚴重水分虧損會抑制耐旱性差的植物生長發(fā)育，甚至造成嚴重不可逆的傷害導致衰亡，而耐旱能力強的物種在物種間的競爭中處于有利地位，從而得以大量繁殖。植物抗旱性研究一直是熱點領域，國內(nèi)外學者對植物抗旱性鑒定方法、評價體系及抗旱機制進行了大量研究，特別是植物應對干旱脅迫的響應機制。目前，植物抗旱性鑒定方法主要有田間鑒定法、干旱棚或人工模擬氣候箱法、盆栽干旱法、大氣干旱法、高滲溶液法等，以田間鑒定法、干旱棚和盆栽干旱法在作物抗旱選育中應用較普遍，在水稻、小麥、玉米、棉花等作物抗旱品種選育中應用較廣。木本植物的抗旱性研究更傾向于干旱脅迫下苗木形態(tài)特征變換和生理生化響應觀察，以及少數(shù)樹種、種源、家系間抗性差異分析，缺乏適用馬尾松(Lamb)抗旱性鑒定方法的探討?？购灯贩N的選育有利于根據(jù)不同環(huán)境特征提供相應的造林材料，因地制宜地發(fā)展林業(yè)產(chǎn)業(yè)。筆者通過對比不同抗旱性鑒定方法評價馬尾松苗期抗旱性，篩選適用于松樹苗期抗旱性鑒定的條件，為馬尾松抗旱材料的批量篩選提供參考。

1 材料與方法

采用3個不同種源的半年生馬尾松輕基質苗PM1、PM2、PM3作為試驗材料。無紡布杯規(guī)格為高8.0 cm，直徑3.5 cm，基質材料椰糠、黃心土、泥炭土按6∶3∶1配比。

干旱池基質選擇。采用配對法設計，以過孔徑 2.0 cm篩的新黃心土為土培干旱池基質，過孔徑2.8 mm篩的河沙為沙培干旱池基質，基質厚0.2 m。選取生長一致的PM2苗木分別在土培基質和沙培基質內(nèi)，按10.0 cm×10.0 cm的株行距定植40株，外圍設置2行保護行，重復3次。待苗木正常生長14 d后開始干旱脅迫試驗，脅迫前統(tǒng)一澆透水，采用L99-TWS-1土壤溫濕度記錄儀，每24 h記錄干旱池基質濕度和苗木基質濕度1次，每次隨機測量9個位點，同時觀察記錄植株萎蔫情況。根據(jù)試驗結果選擇最佳基質建立土壤濕度與含水量函數(shù)。土壤濕度用L99-TWS-1土壤溫濕度記錄儀測量，平行3次，同時測量位點土樣土壤含水量。土壤含水量、飽和含水量參照張甘霖等的方法檢測，用曲線估計對土壤濕度與含水量進行曲線擬合。

土壤干旱脅迫試驗。

(1)極端干旱脅迫。采用隨機區(qū)組試驗設計，分別選取生長一致的PM1、PM2和PM3健康苗木，以30株為小區(qū)，按10.0 cm×10.0 cm株行距定植在干旱池內(nèi)，外圍設置2行保護行，重復4次。干旱池基質采用黃心土，厚度20 cm，待苗木正常生長14 d后統(tǒng)一澆水3 d，然后停水開始干旱脅迫，隔天記錄1次植株萎蔫情況。萎蔫度的評價與計算參照徐超等的方法，當50%以上苗木達到永久萎蔫時進行復水，待苗木生長恢復穩(wěn)定后統(tǒng)計成活率，評價苗木抗旱性。

(2)反復干旱脅迫。采用隨機區(qū)組試驗設計，設置輕度[土壤濕度為(32±3)%]、中度[土壤濕度為(24±3)%]、重度[土壤濕度為(16±3)%]和對照[土壤濕度為(40±3)%]共4個干旱脅迫處理，每處理選取生長一致的PM1、PM2和PM3健康苗木各30株，隨機區(qū)組排列，重復3次，外圍設置2行保護行。每天17：00觀測一次土壤濕度，當土壤濕度達到處理下限時復水澆透。試驗前測量苗高，當重度脅迫處理完成3個周期時停止試驗，測量苗高和死亡率。

(3)梯度持續(xù)干旱脅迫。試驗設計與“反復干旱脅迫”相同。當干旱池濕度達到各脅迫下限水平時，適當澆水，維持土壤濕度在干旱脅迫處理值上下限之間。試驗前測量苗高，當重度脅迫達到30 d時停止試驗，測量苗高和死亡率。

離體針葉失水率測定。每個家系選取生長一致的苗木10株，分別剪取苗木相同部位的針葉混合均勻，并立即稱取5 g針葉測定鮮重(fresh weight，F(xiàn)W)，重復3次，取平均值。將稱重后的針葉置于墊有干燥濾紙的培養(yǎng)皿中，放置在溫度為22 ℃、空氣濕度為75%的環(huán)境下自然失水24 h，稱得離體針葉失水重()。然后置于烘箱中，80 ℃烘至恒重，稱量針葉干重(dry weight，DW)。失水率(water losing rate，WLR)按以下公式計算：

(3)

采用Excel 2010、SPSS 22、Origin Pro 9.1 進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及圖表繪制。家系苗高生長量計算公式：苗高生長量=干旱脅迫結束后的苗高-干旱脅迫前的苗高?？购迪禂?shù)計算公式：抗旱系數(shù)=脅迫處理苗高生長量/對照處理苗高生長量。

2 結果與分析

干旱池基質水分均一性。從圖1可見，充分澆透水后，土培和沙培干旱池基質最大濕度分別為43.6%、33.8% 。干旱池基質濕度均隨干旱脅迫時間延長快速下降，第27天時，土培和沙培干旱池基質濕度均為最低，分別為6.0%、2.9%，隨后趨于平衡。脅迫期間，土培干旱池基質濕度均明顯高于沙培干旱池，濕度極差為37.6%，高出沙培(30.9%)6.7百分點。在持續(xù)干旱脅迫15 d前(土培和沙培干旱池基質濕度分別大于26.2%、13.8%)，土培干旱池基質濕度變異系數(shù)小于沙培，但檢驗結果為差異不顯著(Sig.=0.086)；干旱脅迫15 d后，土培干旱池基質濕度變異系數(shù)大于河沙，檢驗結果為差異顯著(Sig.=0.026)；2種基質在整個干旱過程中濕度變異系數(shù)間差異顯著(=0.151，Sig.=0.026)，說明在整個干旱脅迫過程中2種基質不同位點濕度均一性差別不大。

圖1 干旱池基質濕度(a)及其變異系數(shù)(b)變化趨勢Fig.1 Change trend of humidity(a) and its coefficient of variation(b) in dry pool

干旱池內(nèi)苗木輕基質濕度均一性。干旱池內(nèi)苗木營養(yǎng)杯輕基質水分環(huán)境構成根系水分吸收小環(huán)境，而苗木根系周邊水分環(huán)境差異往往是導致土壤干旱脅迫試驗失敗的主要因素之一。由表1可知，當干旱脅迫達到21 d時，土培干旱池黃心土基質和試驗苗營養(yǎng)杯輕基質濕度分別為10.6%、9.6%，相差1.0百分點，變異系數(shù)相差0.51；沙培干旱池河沙和試驗苗營養(yǎng)杯輕基質濕度分別為4.5%、20.6%，兩者濕度、濕度標準差和變異系數(shù)的相差很大。當干旱脅迫達到30 d時，土培干旱池試驗苗營養(yǎng)杯基質濕度為4.4%，較干旱池黃心土基質的濕度低2.2百分點，變異系數(shù)小0.04；沙培干旱池試驗苗營養(yǎng)杯基質濕度為8.7%，變異系數(shù)為0.339，分別是河沙基質濕度和變異系數(shù)的3.0倍、2.7倍，是土培干旱池試驗苗營養(yǎng)杯基質濕度的2.0倍、變異系數(shù)的3.8倍?？梢姡渣S心土作為干旱池基質，可以確保干旱池基質與苗木營養(yǎng)杯輕基質之間水分流動性，有效調節(jié)試驗苗木間根系水分環(huán)境的一致性，而以河沙作為干旱池基質則難以達到該效果。

試驗苗萎蔫度。馬尾松苗木受到干旱脅迫后，會出現(xiàn)針葉失水萎蔫、植株脫水黃化、莖表皮微皺縮、植株頂端稍萎蔫下垂等不同程度的干旱傷害表型。土培干旱池內(nèi)苗木在持續(xù)干旱18 d后開始出現(xiàn)萎蔫，而沙培干旱池內(nèi)苗木在24 d出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象(圖2)。萎蔫現(xiàn)象出現(xiàn)后，土培干旱池內(nèi)苗木萎蔫度呈快速上升趨勢，而沙培干旱池苗木萎蔫度則呈先緩慢上升再急速上升趨勢，達到相同萎蔫度所需時間更長。該結果與干旱池基質和苗木營養(yǎng)杯基質濕度變化結論一致。可見，萎蔫度指標受苗木根系周圍水分環(huán)境差異干擾較大，若采用萎蔫度作為抗旱評價指標，以黃心土作為干旱池基質有利于提高試驗結果的可靠性。

表1 干旱池基質與營養(yǎng)杯輕基質濕度Table 1 Humidity of dry pool substrate and nutrition cup light substrate

圖2 不同干旱池基質苗木萎蔫度變化規(guī)律Fig.2 Variation of wilting degree of seedling in different dry pools

黃心土濕度與含水量曲線擬合。檢測結果顯示，試驗用黃心土飽和含水量為38.0%。采用SPSS 22回歸分析中曲線估計對黃心土濕度變化和含水量變化進行 11種曲線模型擬合，以三次曲線方程模型的相關指數(shù)最大，擬合曲線最佳。擬合方程如下：

=a+b+b+b

其中，為土壤含水量，為土壤濕度，擬合度=0988，回歸方程顯著性檢驗值=696526，顯著性概率=0000<001，常數(shù)a=-6.375 925 616 344 82，參數(shù)b=1.894 351 901 411 99，b=-0.049 142 041 860 945 30，b=0.000 582 140 672 316 06。

極端干旱脅迫。PM1、PM2、PM3苗木在經(jīng)過極端干旱脅迫復水后的枯死率分別為30.36%、12.50%、67.86%。單因素方程分析顯示，3種苗木枯死率差異顯著(=4.453，Sig.=0.045)。根據(jù)苗木枯死率評價，其抗旱性從大到小依次為PM2、PM1、PM3。

反復干旱脅迫。干旱脅迫程度不同，不同種源馬尾松苗高生長量表現(xiàn)有所差異。由圖3可知，隨著土壤干旱脅迫的加重，PM1和PM3苗高生長量呈先增大后減小趨勢，而PM2則先減小后增大趨勢。在輕度和中度干旱脅迫下，PM1和PM3苗生長量均大于對照，而PM2苗高生長量低于對照，說明適度干旱有利于PM1和PM3苗高生長，充足的水分更有利于PM2苗高生長。在重度干旱脅迫下，各種源苗高生長量均小于對照，說明干旱脅迫程度超過某個臨界值后，馬尾松苗高生長均會受到抑制。抗旱系數(shù)是育種工作者評定品種表現(xiàn)較為通用的指標，抗旱系數(shù)越大，抗旱性越強。在輕、中度脅迫下，PM1、PM2的抗旱系數(shù)均小于PM3，在重度干旱脅迫條件下則相反。這表明在反復干旱脅迫下，不同脅迫條件獲得的抗旱性評價結果不一致。在重度干旱脅迫下，3種苗木抗旱系數(shù)差異極顯著(=35.435，Sig.=0.001)，Duncan多重比較結果表明，除了PM1與PM2生長量差異不顯著外，其余均差異顯著。在重度干旱脅迫下，馬尾松種源苗木的抗旱性強弱表現(xiàn)為PM2>PM1>PM3。

圖3 反復干旱脅迫下馬尾松苗高生長量(a)和抗旱系數(shù)(b)Fig.3 Seedling height growth (a) and drought resistance coefficient (b) of Pinus massoniana under repeatedly drought stress

梯度持續(xù)干旱脅迫。從圖4可見，在不同程度的持續(xù)土壤干旱脅迫下，各種源馬尾松苗高生長量均隨著干旱脅迫程度的加重而下降，苗高生長量均低于對照，這說明持續(xù)控水不利于馬尾松苗高的生長。通過對比反復干旱脅迫試驗結果發(fā)現(xiàn)，在輕度、中度干旱脅迫下，復水方式不同，苗木抗旱性表現(xiàn)也有差異。在輕度、中度、重度干旱脅迫下，抗旱系數(shù)最大的種源苗木分別為PM1、PM3、PM2，即不同干旱脅迫梯度下各種源苗木耐旱性表現(xiàn)各不相同。在重度干旱脅迫下，各種源苗木耐旱性表現(xiàn)與極端干旱脅迫、反復干旱脅迫中的重度脅迫試驗結果一致，且3種苗木抗旱系數(shù)差異顯著(=5.456，Sig.=0.045)，Duncan多重比較結果表明，除了PM1與PM2生長量差異不顯著外，其余均差異顯著。此外，在干旱脅迫截止期，PM3出現(xiàn)了11.90%的枯死率，而其他參試品種并未出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，說明PM3的抗旱性表現(xiàn)最差。在重度干旱脅迫下，3種苗木的抗旱性強弱表現(xiàn)為PM2>PM1>PM3。

圖4 持續(xù)干旱脅迫下馬尾松苗高生長量(a)和抗旱系數(shù)(b)Fig.4 Seedling height growth (a) and drought resistance coefficient (b) of Pinus massoniana under continuous drought stress

通過檢測各種源馬尾松苗木離體針葉失水率發(fā)現(xiàn)，PM1、PM2、PM3離體針葉24 h的失水率分別為3.97%、3.47%、5.28%，單因素方差分析顯示，差異極顯著(=33.440，Sig.=0.001)，Duncan多重比較結果表明，除了PM1與PM2離體針葉失水率差異不顯著(Sig.=0.073)外，其余均差異極顯著。該試驗結果表明，PM2離體針葉保水能力最強，其次為PM1和PM3，各種源馬尾松苗木離體針葉保水能力(即抗旱性)表現(xiàn)為PM2>PM1>PM3。

3 討論與結論

干旱池或盆栽試驗基質主要有土培、沙培和高滲溶液水培等材料。在作物抗旱品種選育中，以土培和沙培應用最為廣泛。為了保存試驗材料，該試驗重點探索了采用營養(yǎng)杯苗作為試材的可靠性。試驗結果表明，以黃心土作為干旱池基質，較河沙具有更高的飽和含水量，能有效調節(jié)試驗苗營養(yǎng)杯基質濕度，確保試驗苗木根系周圍水分環(huán)境的均一性，提高試驗結果的可靠性。

在作物抗旱品種選育中，反復干旱脅迫法應用較為普遍。2010年，姚艷榮等在玉米抗旱品種選育上進行了改進，提出采用一次干旱復水存活率鑒定玉米苗期抗旱性，可以更加實用和高效。離體葉片失水率則是國外最先應用于作物抗旱性鑒定的指標之一，該檢測技術要求不高、設備簡單，能夠快速檢測并反映植物葉組織保持水分的能力。通過比較不同試驗評價結果發(fā)現(xiàn)，在反復干旱脅迫試驗中，輕度和中度脅迫處理下，不同種源苗木抗旱性表現(xiàn)一致(輕度和中度脅迫下強抗旱性均為PM3，中抗旱性均為PM1，弱抗旱性均為PM2)，而在重度脅迫處理下則出現(xiàn)差異(強、中、弱抗旱性表現(xiàn)較好的分別為PM2、PM1、PM3)；在梯度持續(xù)干旱脅迫試驗中，不同種源苗木抗旱性表現(xiàn)因脅迫處理而異；在所有試驗中，極端干旱脅迫、離體針葉失水率苗木抗旱性表現(xiàn)與反復干旱脅迫試驗、梯度持續(xù)干旱脅迫試驗重度脅迫處理下的苗木抗旱性表現(xiàn)一致，即強、中、弱抗旱性表現(xiàn)較好的均為PM2、PM1、PM3?？梢姡谕寥栏珊得{迫試驗中，以重度脅迫處理下的評價結果為可靠。

在土壤干旱脅迫過程中，馬尾松苗木開始出現(xiàn)萎蔫時，干旱池基質與苗木輕基質濕度分別為16.5% 和15.9%，苗木開始萎蔫的基質濕度臨界值在15.9% 左右(擬合公式計算得土壤含水量為13.7%，相對含水量為36.0%)，該相對含水量介于黑龍江省旱田土壤干旱指數(shù)分級標準中的嚴重干旱等級和永久凋萎點前期。可見，以黃心土作為干旱池基質開展馬尾松苗期抗旱性評價，脅迫處理以土壤濕度可參照(16±3)%[土壤含水量為(14±2)%，土壤相對含水量為(36±6)%]。