多年生黑麥草、雀麥根系形態(tài)和生長對土壤干旱的適應(yīng)性*

張詠梅,胡海英,白小明,Matthew Cory,García-Favre Javier,Ordó?ez Iván P,5

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室 蘭州 730070;2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 蘭州 730070;4.梅西大學(xué)農(nóng)業(yè)與環(huán)境學(xué)院 北帕 4442 新西蘭;5.坎佩奈克農(nóng)藝研究所 蓬塔 6212707 智利)

根系是連接植物地上部分莖葉與土壤進行物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要橋梁與通道[1-2]。根系從土壤中汲取水分和養(yǎng)分,供給莖葉進行光合作用,莖葉光合作用產(chǎn)生的能量和光合產(chǎn)物又有部分運輸至根系,滿足根系生長的需要。根系作為植物汲取水分和養(yǎng)分的主要器官,也是對土壤水分變化最敏感的器官,不僅決定著植物對土壤資源的利用方式和利用效率,也反映了植物對環(huán)境的適應(yīng)策略和生存策略[3]。研究表明,根系在適應(yīng)干旱脅迫方面發(fā)揮重要的作用[4]。生長在砂壤土的小麥(Triticum aestivum)在干旱條件下,根系表面可以形成根鞘,有助于小麥從干燥的土壤中獲取水分和養(yǎng)分[5]。對9 種禾本科草本植物進行耐旱能力評價,偃麥草(Elymus repens)‘京草1 號’和柳枝稷(Panicum virgatum)在干旱脅迫下,細(xì)根根長和根表面積呈增加趨勢,表現(xiàn)出增大了根系與土壤的接觸面積以獲取水分的適應(yīng)性策略[6]。在干旱條件(年降雨量150 mm)下,內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原建群種羊草(Leymus chinensis)種群采用地上個體小型化,地下主根變細(xì),分叉,向土壤深層擴展的生長策略[7]。耐旱性強的水稻(Oryza sativa)品種在30～50 cm 土層中具有更高的根系長度、根數(shù)量和根重,有助于植物吸取更深層的土壤水分而避免干旱脅迫[8]。更有研究表明,西北半干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)中禾本科(Poaceae)幼苗根系在30～60 cm土層中的總根長和總根表面積遠(yuǎn)高于豆科(Fabaceae)植物,分別是豆科植物的6 倍和7 倍,相應(yīng)地,禾本科植物表現(xiàn)出比豆科植物更強的抗旱性[9]。不同植物應(yīng)對土壤水分和土壤質(zhì)地表現(xiàn)出具有差異的抗逆性和適應(yīng)性。根系的生長具有很強的可塑性[10],尤其在逆境脅迫下,根系的形態(tài)建成和根系構(gòu)型顯著影響植物對水分的獲取[11]。

草坪草、飼草和牧草等草本植物由于對環(huán)境具有較強適應(yīng)性,占據(jù)了兩倍于世界糧食作物的土地面積[12]。禾本科牧草為全球近百萬草食家畜的生產(chǎn)和無數(shù)野生動物的生存提供了保證。干旱脅迫嚴(yán)重地限制了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)(牧草)和次級生產(chǎn)(動物)[13]。在全球氣候變暖、干旱區(qū)愈加干旱的嚴(yán)峻形勢下(IPCC 2013)[14],研究耐旱型牧草的生存策略和適應(yīng)性機制,對推進牧草育種、優(yōu)化草地管理措施和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

多年生黑麥草(Lolium perenne)是世界溫帶地區(qū)最重要的禾本科牧草之一,原產(chǎn)于南歐、中東、北非及中亞。1677年英國首先栽培,后隨人類活動而遍布世界各地。雀麥(Bromus valdivianus)是一種耐旱的速生型多年生禾草,原產(chǎn)于南美洲南部溫帶濕潤氣候區(qū)[15-16]。研究發(fā)現(xiàn),多年生黑麥草和雀麥在20%～25%植物有效水(plant available water,PAW)的極端干旱條件下表現(xiàn)出較強的抗性,具有相近的產(chǎn)草量和草品質(zhì)[15-18]。這兩種牧草以不同的生長策略適應(yīng)干旱環(huán)境,例如不同的分蘗能力、葉片伸展速率和根系深度[18-19]等。但是,對這兩種優(yōu)質(zhì)禾草根系的干旱適應(yīng)性方面的研究較少。因此,本研究選擇這兩種禾本科牧草為研究對象,分析其在干旱條件下根系生長狀態(tài)和根系形態(tài)變化特征,探尋其在干旱脅迫下根系的適應(yīng)性,為推進禾本科牧草育種,更好地開發(fā)利用分布廣泛的禾本科牧草資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料的種植

供試材料多年生黑麥草和雀麥由新西蘭梅西大學(xué)López Ignacio F教授提供。

采用溫室土壤水分控制盆栽試驗,于2018年9月開始至2019年3月在新西蘭梅西大學(xué)(40.37°S、175.61°W)農(nóng)業(yè)與環(huán)境學(xué)院和植物生長中心(Plant Growth Unit,PGU)實施。

種植基質(zhì)由30%的馬納瓦圖砂壤土和70%的細(xì)砂組成(體積比)。每60 kg 基質(zhì)中加入長效肥60 g、速效肥30 g、白云石45 g,混合均勻后裝盆?；|(zhì)的化學(xué)性質(zhì)如下:pH 6.3(土∶水=1∶2),有效磷35 mg·L—1,可交換鉀3.4 me·kg—1,可交換鈣24.0 me·kg—1,可交換鎂6.0 me·kg—1,可交換鈉＜0.5 me·kg—1,陽離子交換容量30.0 me·kg—1,硫酸鹽83 mg·kg—1。

2018年9月23日開始育苗。將種植基質(zhì)裝入上口徑24 cm、下口徑17 cm、深24 cm 的種植盆中。盆內(nèi)左右兩邊各插入1 根內(nèi)徑4 mm 的滴灌管,管口接dripper,以引導(dǎo)水分滲入深層基質(zhì),dripper 入土約6～8 cm 深。每盆等距離扎24 個小孔(圖1),每孔播2 粒種子。待種子出苗以后,每孔留1 棵健壯幼苗。正常水分供給至幼苗生長到12 周,此后開始土壤水分限制。為避免邊緣效應(yīng),僅中部的10 株苗為供試材料。

圖1 育苗缽種子穴分布圖Fig.1 The seeds distribution in pots

1.2 土壤水分控制處理

分別取額外的多年生黑麥草和雀麥各3 盆,用TDR 土壤水分測定儀(Mini Trase with Soil-moisture TDR Technology,USA)確定基質(zhì)的最大田間持水量(field capacity,FC)和植物永久萎蔫點(plant wilting point,PWP)分別為體積含水量的16%和2%。本研究土壤水分限制水平為20%～25%(FC-PWP)(對照)和80%～85%(FC-PWP)(極干旱)兩個水平,分別標(biāo)記為80%～85% PAW(plant available water,植物有效水;對照)和20%～25% PAW(極干旱)。

多年生黑麥草和雀麥的2 個土壤水分處理(80%～85% PAW 和20%～25% PAW)采用隨機完全區(qū)組設(shè)計[20]。每種牧草的每個水分處理各2 盆,5 個重復(fù)區(qū)組,即每種牧草的每個水分處理各有10 盆,共計40 盆。牧草生長至2018年12月23日,即3 個月(90日齡),開始進行為期25 d 的干旱脅迫處理。

使用TDR 土壤水分儀每天測定并嚴(yán)格控制基質(zhì)含水量。每種牧草和干旱脅迫水平分別設(shè)置5 個額外種植盆,放置在試驗盆旁邊,與試驗盆相同時間、相同條件下進行播種和管理。每天測定這些種植盆的基質(zhì)含水量,根據(jù)López 等[15]和Descalzi 等[21]的研究從多年生黑麥草和雀麥額外種植盆中收集土壤水分信息,以避免TDR 感應(yīng)桿對試驗盆土壤和根系產(chǎn)生影響和干擾。

通過這種方法,依據(jù)額外種植盆的含水量計算每個處理的日失水量進行補水。每日灌水量計算公式如下:

式中:I為灌水量(mL);IC 為水分處理所設(shè)定的基質(zhì)含水量(%);WC 為實際基質(zhì)含水量(%);SW 為每盆基質(zhì)干重(kg);WD 為水的密度,此處取值1000(水的密度1 g·mL—1=1 kg·1000 mL—1)。

1.3 根系觀察與測量

土壤水分限制處理第26 天(2019年1月17日)進行采樣和測量。倒置種植盆取出所有植株,輕輕抖落基質(zhì),分離植株,清水沖洗根系。每個種植盆僅取位于中部的10 株作為供試材料。從每盆的供試材料中隨機選取2 株,每株剪取1～2 個根在Leica MZ12 體視顯微鏡(德國)下觀察根段和根尖外觀形態(tài),5 次重復(fù)。

另從每盆的供試材料中再隨機選取2 株,剪取全株根系進行分析,10 次重復(fù)。根系分析采用Epson Perfection V700 Photo Scanner 掃描儀,進行8-bit灰度掃描(分辨率為400 dpi),用WinRHI-ZO(Pro.2013e)根系分析系統(tǒng)對掃描得到的根系灰度圖像進行分析。得到總根長、平均直徑、總表面積、總體積、根尖數(shù)和交叉數(shù)等根系相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。

在剩余的供試材料中再隨機選取2 株,由根頸處分離地上部莖葉和地下部根系,分別置于烘箱,70 ℃烘至恒重,電子天平稱量干物質(zhì)重,10 次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對獲取的數(shù)據(jù)采用Minitab18 Statistical Software(美國)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。首先對單株的地上部分干重、根系干重及根系掃描所獲得的根長、平均根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)和交叉數(shù)多變量進行了正態(tài)分布的Ryan-Joiner 檢驗(與Shapiro-Wilk 類似)[22]。其中地上部分干重、根系干重和平均根直徑符合正態(tài)分布;對非正態(tài)分布的根長、交叉數(shù)和根尖數(shù)進行了常用對數(shù)轉(zhuǎn)化,根表面積、根平均直徑和根體積進行了平方根轉(zhuǎn)化,使所有變量均符合正態(tài)分布。然后結(jié)合兩種牧草和2 個土壤水分處理進行了方差齊性檢驗。最后在滿足正態(tài)分布和方差齊性一致的情況下,對變量進行Tukey 法檢驗的多變量方差分析[23]。

對地上部分干重、根系干重、根冠比、根長、平均根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)和交叉數(shù)9 個變量進行相關(guān)性分析和主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)。在PCA 分析中,根據(jù)相關(guān)矩陣的特征分析,提取第1 主成分(PC1)和第2 主成分(PC2),并對所有數(shù)據(jù)變量的PC1 和PC2 得分進行GLM ANOVA 分析,以獲取多年生黑麥草和雀麥兩種牧草響應(yīng)水分脅迫的信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 極干旱下兩種牧草的根系外觀特點

多年生黑麥草和雀麥在不同土壤水分條件由根頸至根尖形態(tài)均有差異(圖2)。80%～85% PAW 處理下,須根生長至一定長度就開始大量生成側(cè)根(圖2 A1,C1)。根尖由根冠(圖2 A4、B4、C4、D4 根端白色區(qū)頂部)、分生區(qū)(圖2 A4、B4、C4、D4 根端白色區(qū))、伸長區(qū)(圖2 A3、B3、C3、D3)和根毛區(qū)(圖2 A2、B2、C2、D2)組成。多年生黑麥草和雀麥的根尖差異較大。雀麥根毛密而長;黑麥草根毛稀疏,根毛區(qū)不如雀麥發(fā)達(dá)(圖2 A2 vs C2)。雀麥分生區(qū)細(xì)胞幼嫩、致密,呈白色,逐漸過渡到伸長區(qū),伸長區(qū)較長(圖2 A4);黑麥草分生區(qū)細(xì)胞排列呈圓錐形,與伸長區(qū)細(xì)胞的圓柱形排列分界明顯,伸長區(qū)粗而短(圖2 C4)。

20%～25% PAW 極干旱水分脅迫下,雀麥根系纖長、粗細(xì)均勻,根毛區(qū)依然發(fā)達(dá),根毛長而密,吸水能力較強,外觀形態(tài)未見明顯受害;多年生黑麥草根系粗細(xì)不均勻,部分根段出現(xiàn)畸形(圖2 D1-D4 星號處)。

圖2 80%～85%植物有效水(PAW)和20%～25% PAW土壤水分條件下多年生黑麥草和雀麥根段與根尖圖Fig.2 Root segments and root tips of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)under soil water conditions of 80%—85% plant available water(PAW)and 20%—25% PAW

2.2 極干旱下兩種牧草的根系生物量積累

雀麥和多年生黑麥草地上部分莖葉和地下部分根系的生物量積累和分配沒有顯著的種間差異(表1),20%～25% PAW 處理與80%～85% PAW 處理間也無顯著的組間差異,牧草種與水分處理的交互作用對干物質(zhì)積累無顯著影響。由于不同器官的干物質(zhì)積累無顯著差異,造成根冠比也無顯著的種間和組間差異。

表1 80%～85%植物有效水(PAW)和20%～25% PAW 土壤水分條件對多年生黑麥草和雀麥地上部分和地下部分干物質(zhì)積累、根冠比的影響Table 1 Shoot dry weight,root dry weight and root to shoot ratio of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)grown under soil water conditions of 80%—85% plant available water(PAW)and 20%—25% PAW

2.3 極干旱下兩種牧草的根系形態(tài)學(xué)特點

將20%～25% PAW 土壤水分條件下生長的雀麥和多年生黑麥草的須根系由根頸處剪下,對根系進行圖像掃描。雀麥和多年生黑麥草須根系由根結(jié)發(fā)育生長的根和根上由根原基發(fā)育形成的側(cè)根組成。雀麥側(cè)根較短,上半部分的側(cè)根分枝呈鯡魚型,下半部分呈二分枝-鯡魚型,且下半部分側(cè)根分枝粗而短(圖3 左圖箭頭處),局部分枝密度高。多年生黑麥草根系較長,側(cè)根分枝呈二分枝-鯡魚型,側(cè)根細(xì)而長(圖3 右圖)。

圖3 20%～25%植物有效水(PAW)土壤水分條件下雀麥和多年生黑麥草根系掃描圖Fig.3 Root scanning images of pasture brome(Bromus valdivianus)and perennial ryegrass(Lolium perenne)under soil water condition of 20%—25% plant available water(PAW)

根系掃描顯示,雀麥和多年生黑麥草單株根系的總長度、總根表面積、根平均直徑、根尖數(shù)和分叉數(shù)存在極顯著差異(P≤0.01),而根系總體積無顯著差異(表2)。多年生黑麥草根系發(fā)達(dá),根量極顯著多于雀麥,其根總長度、根面積、根尖數(shù)和分叉數(shù)分別是雀麥根系的1.76 倍、1.46 倍、2.21 倍和2.05 倍。多年生黑麥草根細(xì)而多;雀麥與黑麥草相比,根少而粗。雀麥和多年生黑麥草根平均直徑分別為0.315 mm 和0.259 mm。

表2 多年生黑麥草和雀麥在80%～85%植物有效水(PAW)和20%～25% PAW 土壤水分條件下根系總長度、總根表面積、根平均直徑、根體積、根尖數(shù)和分叉數(shù)Table 2 Root length,surface area,average diameter,volume,tips and forks of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)grown under soil water conditions of 80%—85% plant available water(PAW)and 20%—25%PAW

水分脅迫明顯影響了雀麥和多年生黑麥草根系的生長,總根長顯著減小(P≤0.05);20%～25% PAW極干旱水分脅迫顯著促進了根系變粗(P≤0.01),平均直徑從0.273 mm 增粗到0.302 mm。牧草種和水分脅迫的交互作用對根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)和分叉數(shù)等方面均無顯著影響,只對根系平均直徑影響顯著(P≤0.01),主要是由于干旱促進了雀麥根系的徑向生長。

對多年生黑麥草和雀麥的根系組成進行分級分類,依根系平均直徑(mm)分為[0.00,0.50)、[0.50,1.00)、[1.00,1.50)、[1.50,2.00)、＞2.00 共5 類,分別對總根長、根表面積、根體積和總根尖數(shù)進行分類分析(圖4)。兩種牧草的須根系主要由＜1 mm 的細(xì)根組成,分別占總根長的98.00%～99.56%、總根表面積的90.71%～97.45%、總根體積的72.99%～91.40%、總根尖數(shù)的99.81%～99.97%;≥1.00 mm 以上的根數(shù)量極少。其中,以[0.00,0.50)的毛細(xì)根為主,組成了總根長的85.86%～91.00%、總根表面積的62.54%～73.43%、總根體積的33.32%～43.32%和總根尖數(shù)的98.63%～99.29%。

圖4 80%～85%植物有效水(PAW)和20%～25% PAW 土壤水分條件下多年生黑麥草(Lp)和雀麥(Bv)不同直徑(RD,mm)根系的總根長、根表面積、根體積和總根尖數(shù)Fig.4 Total root length,root surface area,root volume and total root tip number of different diameters(RD,mm)roots of perennial ryegrass(Lolium perenne,Lp)and pasture brome(Bromus valdivianus,Bv)under soil water conditions of 80%—85% plant available water(PAW)and 20%—25% PAW

2.4 多年生黑麥草和雀麥生物量、根系形態(tài)變量的相關(guān)性研究

對80%～85% PAW 正常灌水和20%～25% PAW極干旱脅迫下,多年生黑麥草和雀麥的地上部分和地下部分生物量干重、根冠比及須根系的長度、表面積、平均直徑、體積、根尖和根分叉數(shù)量,共9個變量進行了相關(guān)性分析(表3)。極度干旱脅迫下兩種牧草地上部分對陽光、地下部分對水分的獲取均受到限制,干物質(zhì)的積累和分配也受到一定的制約。本研究地上部分莖葉干重與地下部分根干重存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P≤0.01)。根系生物量與根系生長呈顯著正相關(guān):根干重與根長、根表面積、根體積、根分叉和根尖數(shù)量具有極顯著正相關(guān)(P≤0.01或P≤0.001)。根長、根表面積、根分叉、根尖數(shù)量等反映根系數(shù)量的變量之間相互極顯著正相關(guān)(P≤0.001),反映根系大小的根平均直徑與反映根系數(shù)量的根長、根表面積、根分叉、根尖數(shù)量變量之間極顯著負(fù)相關(guān)(P≤0.01 或P≤0.001)。

表3 多年生黑麥草和雀麥生物量、根系形態(tài)變量間的相關(guān)性Table 3 Correlation between variables of root biomass and root morphologh of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)

2.5 多年生黑麥草和雀麥生物量、根系形態(tài)學(xué)變量的主成分分析

對9 個變量進行主成分分析(principal component analysis,PCA),根據(jù)相關(guān)矩陣的特征值,提取主成分1(PC1)和主成分2(PC2),兩者累積方差貢獻率為0.784(表4)。說明這兩個主成分可以解釋9 個變量78.4%的變異,其中,PC1 占63.3%,PC2 占15.1%(表4)。

表4 多年生黑麥草和雀麥生物量和根系形態(tài)9 個變量主成分分析相關(guān)矩陣的特征分析Table 4 Eigenvalues of the correlation matrix of 9 variables of biomass and root morphology in principal component analysis of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)

根據(jù)9 個變量的特征向量的報告結(jié)果(表5),提取的前兩個主成分可以記為:

表5 多年生黑麥草和雀麥生物量和根系形態(tài)的9 個變量主成分分析的特征向量估計結(jié)果Table 5 Eigenvector estimation results of 9 variables of biomass and root morphology in principal component analysis of perennial ryegrass(Lolium perenne)and pasture brome(Bromus valdivianus)

PC1 與根干重、根長、根表面積、根體積、根分叉、根尖數(shù)正相關(guān),且因子荷載為0.315～0.411,處于中等水平,反映牧草地下部分根系的數(shù)量;PC2 與莖葉干重高度正相關(guān),因子荷載0.783,反映牧草地上部分莖葉生長狀況,與根直徑也正相關(guān),因子荷載較低,為0.389,中等相關(guān)水平。

將9 個變量的兩個主成分得分繪制散點圖(圖5),并分別對所有觀測變量的PC1 和PC2 估計值進行方差分析(表6)。第1 主成分PC1 反映黑麥草和雀麥兩牧草之間具有極顯著差異(表6,P≤0.01)。在散點圖上,雀麥分布于PC1 坐標(biāo)軸的左側(cè)(圖5A),與根平均直徑正相關(guān)(圖5B);多年生黑麥草位于PC1 右側(cè)(圖5A),與根長、表面積、根尖數(shù)、根冠比等體現(xiàn)根系數(shù)量的變量正相關(guān)(圖5B)。結(jié)合方差分析說明這9 個變量的63.3%的變異主要來源于牧草種間差異(表6),多年生黑麥草的根量極顯著多于雀麥根量(表6,PC1 與species 的P值≤0.01)。此外,兩牧草20%～25% PAW 在PC1 坐標(biāo)軸方向上分別位于80%～85% PAW 的左邊(圖5A),說明水分脅迫限制了根的生長,但未達(dá)顯著水平(表6)。

圖5 多年生黑麥草(Lp)和雀麥(Bv)生物量干重和根系形態(tài)9 個變量的第1 主成分和第2 主成分得分散點圖Fig.5 Scatter plots of the first and second principal components of 9 variables of biomass and root morphology of perennial ryegrass(Lolium perenne,Lp)and pasture brome(Bromus valdivianus,Bv)

表6 一般線性模型:第一主成分、第二主成分與牧草種、土壤水分含量的方差分析Table 6 General linear models:ANOVA of PC1,PC2 and forage species,soil water content

PC2 反映地上部分莖葉干重在牧草種間和水分脅迫間雖有差異,但未至顯著性差異(表6),只能解釋9 個變量間15.1%的差異。

3 討論

3.1 牧草生物量積累對干旱脅迫的適應(yīng)性改變

生物量積累和分配情況可反映植物在不同環(huán)境下的生存策略和適應(yīng)機制,當(dāng)土壤水分和養(yǎng)分條件發(fā)生變化時,地上部分莖葉和地下部分根系的生物量分配也將隨之發(fā)生改變[11,24]。本研究中雀麥和多年生黑麥草(90日齡)的地上部分干重和根系干重沒有顯著的種間差異,充分灌水和極干旱脅迫兩種土壤水分模式之間也無顯著差異,根冠比也無顯著的種間和組間差異。這一結(jié)果與前人研究結(jié)果不盡相同。大多數(shù)研究表現(xiàn)出干旱脅迫促進了生物量向根系積累,滿足根系向深層土壤的生長,造成根冠比增大[24-25]。25日齡的野生型二粒小麥漸滲雜交系(IL20)給予9 d 的干旱脅迫后,生物量積累表現(xiàn)出莖葉干重略有下降(—8%),根干重略有增大(+11%),從而引起根冠比顯著增加21%[24];大麥(Hordeum vulgare)幼苗隨土壤含水量由85% FC 減少至35% FC,根冠比和根分支數(shù)均呈上升趨勢[25];干旱脅迫影響了大麥生殖生長期生物量的積累,使大麥從揚花期到蠟熟期根冠比不斷升高,最終導(dǎo)致小穗和千粒重分別減少20.16%和7.75%,側(cè)根數(shù)顯著增大[26]。Smucker和Aiken[27]指出,在水分脅迫下,光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給根系,使根冠比增大;反之,則根冠比減小。

根冠比通常能夠反映由非生物因素和生物因素引起的地上生物量和地下生物量之間的投資差異。本研究結(jié)果兩種牧草受土壤水分脅迫而根冠比無顯著變化,不同于前人的研究結(jié)果。說明植物生物量的積累與分配不僅與土壤水分條件有關(guān),而且可能與植物種植密度、種植方式、生育時期等有關(guān)。

最優(yōu)分配理論(optimal partitioning theory,OPT)是基于植物地上部分和地下部分在生物量分配上存在著權(quán)衡的假設(shè)基礎(chǔ)之上。該理論認(rèn)為植物分配生物量是為了獲得最受限制的資源[28-29]。如果植物的生長更強烈地受地下因素(如土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)等)的影響,植物將分配相對更多的生物量給根系;當(dāng)植物的生長更強烈地受地上因素(溫度、光照、濕度、CO2濃度等)的影響,植物則分配相對更多的生物量給莖葉[30]。不同于前人大多選擇植物幼苗為研究對象,本文是針對牧場生產(chǎn)實踐中,牧草主要是以生長3 個月以上、可刈割的成株為利用對象;且牧場或草場中的牧草由于分蘗或混播而存在較強的種內(nèi)競爭或種間競爭的實際情況而展開的研究。所選多年生黑麥草在野外生長環(huán)境下是淺根型草本,雀麥?zhǔn)巧罡湍敛輀18]。本研究在同一種植盆中,種植了24 株同種牧草,生長90日齡的成株進行為期25 d 的水分脅迫處理,存在較強的種內(nèi)競爭。無論是地下根系對水分、養(yǎng)分的競爭,還是地上莖葉對陽光的爭奪都十分強烈,說明在當(dāng)前的生長狀況下兩種牧草對地下水分的需求和對地上陽光的需求同樣重要、同樣迫切,進而嚴(yán)重影響了生物量的積累和光合產(chǎn)物的分配。此外,兩種牧草生物量積累的結(jié)果進一步說明植物器官在復(fù)雜環(huán)境中具有產(chǎn)生一系列不同的相對適合的表型的潛能;植物根系作為感受土壤水分和養(yǎng)分變化最敏感的器官,其生長具有較強的表型可塑性[10,31-32],根系的生長機制隨環(huán)境條件(生物環(huán)境和自然環(huán)境)的改變而能夠及時地做出適應(yīng)性改變。

3.2 干旱脅迫下牧草根系形態(tài)的改變

不同植物、同種植物不同生育時期、不同基因型以及在不同的栽培條件下,植物根系的生長、發(fā)育和形態(tài)對干旱脅迫的響應(yīng)并不一致,表現(xiàn)出極大的可塑性和變異性。本研究,20%～25% PAW 極干旱水分脅迫明顯抑制了雀麥和多年生黑麥草須根的生長,總根長顯著減小,根系總表面積、體積和根尖數(shù)雖有減少,但未至顯著水平。這與前人對小麥、白羊草(Bothriochloa ischaemum)等草本植物根系的研究結(jié)果基本一致[31,33]。干旱脅迫抑制了小麥幼苗根數(shù)和根系表面積,且不同耐旱型小麥品種對干旱脅迫的適應(yīng)性存在差異[34];隨干旱脅迫程度持續(xù)加重,白羊草根系總根長和根表面積顯著下降[31]。

但是,不同植物遭受水分脅迫時也有不同的表現(xiàn)。干旱脅迫促進了小麥總根長顯著增加,根系直徑明顯降低[34]。干旱抑制了白羊草根系生長,但對白羊草根系平均直徑影響不顯著[31]。干旱脅迫促使大麥擁有了更多的側(cè)根[26]。本研究20%～25% PAW 極干旱水分脅迫雖然明顯降低了雀麥和多年生黑麥草的總根長,但對根系直徑的影響不同。干旱脅迫促進了雀麥根徑的加粗,對黑麥草根徑無顯著影響(表2,圖5)。從根系掃描圖觀察發(fā)現(xiàn)雀麥較粗的根系是根端分枝生長的側(cè)根(圖3)。結(jié)合主成分分析結(jié)果,雀麥20%～25% PAW 與根直徑正相關(guān)(圖5)。因而推測,雀麥根端側(cè)根的生長是其適應(yīng)干旱條件做出的積極響應(yīng)。

植物總根長體現(xiàn)了根系的生長和伸長能力;根系的分叉數(shù)越多,根系在土壤中的分布范圍越廣;根尖反映根系的生理代謝能力;根表面積是根系吸收水分和養(yǎng)分的重要指標(biāo)[35]。本研究中根系掃描結(jié)果顯示,多年生黑麥草單株根系的總長度、總根表面積、根尖數(shù)和分叉數(shù)極顯著多于雀麥(表2,P≤0.01)。多年生黑麥草的根系發(fā)達(dá),數(shù)量極顯著多于雀麥,根系生長范圍可能也廣于雀麥根系,因而汲取水分的活力和機會也高于雀麥。

根毛是由表皮細(xì)胞從根表面延伸到土壤中的管狀細(xì)胞。根毛將根系固定在生長基質(zhì)上,與土壤微生物區(qū)系相互作用,吸收土壤中的無機養(yǎng)分和水[36]。雀麥根毛密而長,且受干旱影響較小(圖2 A2、B2),雀麥根尖的根毛區(qū)發(fā)達(dá),根毛的增殖大大增加了根系的總表面積,相應(yīng)增加了根系與土壤接觸面積,保證了雀麥根系對水分的有效汲取。

4 結(jié)論

對多年生黑麥草和雀麥進行干旱脅迫處理,由于試驗中牧草植株存在著強烈的種內(nèi)競爭和水分脅迫的雙重壓力,多年生黑麥草和雀麥光合產(chǎn)物的積累和分配在地下和地上器官之間無明顯種間差異;而兩種牧草根系的生長和根形態(tài)差異較大。多年生黑麥草根量顯著多于雀麥,體現(xiàn)在根長、根面積、根尖數(shù)和分叉數(shù)顯著高于雀麥。多年生黑麥草獲取土壤水分主要以根數(shù)量(量)取勝,采取廣泛吸水的適應(yīng)策略。雀麥根尖的根毛區(qū)發(fā)達(dá),根毛長而密,且受干旱影響較小;此外,干旱促進了雀麥根系的徑向生長。雀麥汲取水分以根毛發(fā)達(dá),側(cè)根分枝密度高(質(zhì))為主,采用確保有效吸水的適應(yīng)策略。