陳 振，元慕田，曹琪琪，劉 濤，肖輝杰?

(1.北京市水影響評價中心，100161，北京；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

苜蓿和沙棘是我國西北干旱荒漠地區(qū)的常見植物且有一定種植規(guī)模，它們對土壤環(huán)境有較強的適應性，不僅能起到區(qū)域防風固沙、保持水土的作用，同時具有較高的經濟價值[1-2]。由于干旱荒漠區(qū)水資源匱乏，有效降雨補充不足，加之植物在苗期的根系尚不發(fā)達，難以利用較深層次的地下水，故其耐旱程度較弱，是干旱區(qū)植被恢復過程中對水分最敏感的階段。因此，土壤水分成為影響這2種植物苗期生理生態(tài)特性及生長發(fā)育過程的關鍵生態(tài)因子[3]，而目前對其苗期耐旱程度及干旱條件下對水分脅迫的適應性還有待進一步研究。

植物氣孔導度(Gs)與葉水勢(ψL)能有效反映植物生理狀況和植物對水分條件的敏感程度[4]，其對水分脅迫的響應規(guī)律是衡量植物抗旱性強弱的重要指標[5]。羅永忠等[3]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫條件下紫花苜蓿的ψL和Gs日平均值均隨脅迫程度加劇而降低。趙金梅等[6]發(fā)現(xiàn)隨脅迫程度的加劇，分枝期不同品種的紫花苜蓿光合速率下降的主要因素由氣孔因素轉化為非氣孔因素。郭衛(wèi)華等[7]通過水分脅迫試驗，發(fā)現(xiàn)黃土高原北部多年生沙棘、錦雞兒移栽后，氣溫(T)、光合有效輻射(PAR)、氣孔阻力(G)是葉片蒸騰速率的共同限制因子，而相對濕度(RH)對錦雞兒的影響比沙棘更顯著。然而，以往研究多側重于這兩種植物成熟期Gs或ψL在水分脅迫條件下與單一環(huán)境因子間的響應關系，但對于苗期水分脅迫條件下Gs與ψL的日變化特征及其對葉片相對濕度(RHL)、葉片溫度(TL)、PAR的響應規(guī)律尚不明確。

基于此，本研究以苗期苜蓿與沙棘為研究對象，通過設置不同程度水分脅迫試驗，研究兩種植物Gs與ψL的日變化特征；分析2種植物Gs與ψL隨RHL、TL、PAR變化特征，深入探究苜蓿與沙棘苗期對干旱脅迫環(huán)境的響應規(guī)律，為荒漠地區(qū)植被恢復建設提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗于2015年4—9月在北京林業(yè)大學苗圃內進行，苗圃位于北京市海淀區(qū)，屬半濕潤大陸季風氣候，年平均溫度為12.1℃，年平均降水量503 mm，無霜期21 d左右，年平均日照時間2 778.9 h，年總輻射量為5 283 MJ/m2，年平均降水量628.9 mm。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

以2年生紫花苜蓿與沙棘苗為供試材料，采用盆栽種植方式，花盆直徑20 cm、高17 cm，每盆裝入等量取自苗圃空地的砂質土壤。于2015年4月至9月選取長勢、株高相近，健康無病蟲害的苜蓿(平均株高60 cm，分枝數(shù)6～8個)與沙棘幼苗(平均株高40 cm，平均地徑1.6 cm)進行水分脅迫試驗。

2.2 試驗方法

2.2.1 水分脅迫處理 2015年4月開始對試驗材料進行水分脅迫處理。試驗根據土壤含水量占田間持水量的比例(表1)設置充分供水(CK)、輕度水分脅迫(LD)、中度水分脅迫(MD)、重度水分脅迫(HD)4個脅迫梯度，分別選取12株長勢、株高相似的苜蓿、沙棘苗，每個處理重復3次。試驗前將所有供試植株澆足水分，用塑料膜覆蓋土壤表層，防止水分蒸發(fā)，每次用量杯取水，添加水量用公式(1)計算。試驗期間每日18:00測定土壤體積含水量并進行補水，同時設置透明塑料防雨棚，在陰雨天將盆栽移入棚內防止自然降雨干擾試驗。

(1)

式中：V加為加水量,mL;W設為設計土壤體積含水量,%;W當為當前土壤體積含水量，%；V為土壤體積,cm3。

表1 水分脅迫處理表Tab.1 Table on water stress treatments

Notes: CK, control with sufficient water supply. LD: light water stress. MD: moderate water stress. HD; severe water stress. The same below.

2.2.2 試驗觀測 試驗于2015年4月22日至5月6日，8月10日至25日，選擇晴朗無云少風天氣，分別對苜蓿與沙棘的土壤體積含水量(SWC，%)、ψL、Gs進行測量。各指標從06:00—18:00每隔2 h測量一次，SWC采用土壤水分測量儀HH2(英國)手持讀數(shù)表進行觀測，測量每個盆栽隨機3個位置的SWC，取平均值；ψL(ψ，MPa)采用PSYPRO型露點水勢儀(美國，Wescor公司)及C52樣品室進行測量；Gs(GS，mmol/(m2·s))、葉室溫度(TL，℃)、葉室相對濕度(RHL，%)用SC-1穩(wěn)態(tài)氣孔計(美國，Decagon公司)測定；PAR由放置于苗圃中的氣象站測定；試驗測定葉片均選取苜蓿與沙棘苗中上部健康完好的3片功能葉進行測定，即每個處理共測定9個葉片。

2.3 數(shù)據處理

采用SPSS 19.0進行方差分析，LSD法進行差異顯著性檢驗；用R語言分析兩種植物不同脅迫處理下ψL、Gs與RHL、TL、PAR的數(shù)量關系及顯著性，用Excel 2013作圖。

3 結果與分析

3.1 不同水分脅迫條件下紫花苜蓿與沙棘氣孔導度日變化規(guī)律

如圖1所示，苜蓿在CK與LD下Gs值于12:00和10:00達到最大值(P<0.05)，分別為234.94、136.87 mmol/(m2·s)；MD與LD日變化特征趨于一致，MD條件下最大值為141.17 mmol/(m2·s)；HD變化較平緩，其最大值為113.23 mmol/(m2·s)。4種供水條件下Gs平均值大小分別為CK(162.12 mmol/(m2·s))>LD(103.46 mmol/(m2·s))MD(101.98 mmol/(m2·s))>HD(76.82 mmol/(m2·s)),且Gs平均值除LD與MD之間差異不顯著之外(P>0.05)，其他處理間均存在極顯著差異(P<0.01)。沙棘不同供水條件下的Gs值變化規(guī)律基本一致，6:00—8:00，氣孔導度處于上升趨勢，于8:00達到最大值(P<0.05)，之后呈現(xiàn)先降后升的趨勢，并于16:00達到第2個極大值(P<0.05)。4種供水條件下Gs平均值大小分別為CK(265.03 mmol/(m2·s))>LD(235.10 mmol/(m2·s))>MD(193.94 mmol/(m2·s))>HD(169.12 mmol/(m2·s)),且Gs平均值各處理間均存在極顯著差異(P<0.01)。沙棘與苜蓿Gs值不同處理間數(shù)值差異最小均在18:00，此時沙棘Gs平均值仍然比苜蓿大59.6%。兩種植物的日變化幅度不同，沙棘全天的變化幅度(344.98～457.80 mmol/(m2·s))大于苜蓿(73.01～188.21 mmol/(m2·s))。沙棘上午(6:00—12:00)變化幅度是下午(12:00—18:00)的3.02倍，而苜蓿下午變化幅度是上午的2.64倍。

圖1 苜蓿與沙棘氣孔導度日變化Fig.1 Diurnal variation of stomatal conductance ofMedicago sativaandHippophae rhamnoides

圖2 不同水分脅迫下苜蓿與沙棘葉片水勢日變化Fig.2 Diurnal variation of leaf water potential ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesunder water stress

3.2 不同水分脅迫條件下紫花苜蓿與沙棘苗期葉水勢日變化規(guī)律

如圖2所示，苜蓿在CK條件下，ψL日變化表現(xiàn)為先降后升的趨勢，于14:00達到最低值-2.76 MPa (P<0.05)，脅迫處理(LD、MD、HD)下ψL呈近“W”型的日變化趨勢。兩種植物ψL最大值均出現(xiàn)在06:00。沙棘不同脅迫處理下ψL變化趨勢一致，呈先降后升的單峰曲線，最小值均出現(xiàn)在14:00。4種供水條件下苜蓿ψL平均值大小分別為CK(-2.32 MPa)>LD(-2.45 MPa)>MD(-2.60 MPa)>HD(-3.02 MPa),且除CK與LD之間ψL平均值不存在顯著差異(P>0.05)外，其余各處理間均存在極顯著差異(P<0.01); 4種供水條件下沙棘ψL平均值大小分別為CK(-1.97 MPa)>LD(-2.10 MPa)>MD(-2.39 MPa)>HD(-2.68 MPa),且除CK與LD、LD與MD之間ψL平均值不存在顯著差異(P>0.05)外，其余各處理間均存在極顯著差異(P<0.01)。苜蓿ψL各處理間數(shù)值差異最小出現(xiàn)在早上08:00 (P<0.05)，極差為0.16 MPa；沙棘出現(xiàn)在早上06:00 (P<0.05)，極差為0.32 MPa。苜蓿ψL值各處理間數(shù)值差異最大出現(xiàn)在16:00，極差為1.17 MPa，沙棘則出現(xiàn)在14:00，極差為1.11 MPa。沙棘與苜蓿上午ψL變化幅度均較下午大，沙棘ψL上下午變化幅度分別為1.21 MPa與0.58 MPa，而苜蓿則為0.94 MPa與0.38 MPa；苜蓿ψL全天的變化幅度是沙棘的78%，沙棘全天變化幅度隨脅迫程度加劇而變大。植物ψL在一天中清晨最高，至中午隨氣溫升高，蒸騰速率增大，隨后ψL開始下降，ψL的最低點大致在下午15:00至16:00時，隨后光照強度的減弱及蒸騰速率的減小，使得植物葉片水分損失減小，因而ψL開始回升[8]。

3.3 Gs、ψL與RHL、TL、PAR的相關性

以RHL、TL、PAR為自變量，Gs為因變量進行相關分析(表4)。各供水條件下苜蓿Gs與RHL間均存在顯著正相關關系；苜蓿Gs在MD與HD條件下，與TL呈顯著線性負相關關系，在LD和CK時與TL相關性不顯著；CK時，苜蓿Gs與PAR存顯著正相關關系，其余各水分脅迫處理下均與PAR相關性不顯著。各供水條件下沙棘Gs與RHL呈顯著正相關關系，與TL在HD與MD條件下相關性不顯著。在本研究測量范圍內，沙棘Gs與PAR呈顯著負二次相關關系，即Gs值隨PAR呈先增后減趨勢，Gs的最大值分別為 CK：432.02，LD：384.32，MD：335.94，HD：307.73 mmol/(m2· s)，相應的PAR的值分別為 CK：789.61，LD：784.99，MD：766.09，HD：758.68 μmol/(m2·s)，Gs最大值及相應的PAR值均表現(xiàn)出隨脅迫程度的加劇而減小。相同水分脅迫下，沙棘Gs隨RHL、TL、PAR的變化率大于苜蓿，沙棘各處理Gs隨RHL的變化率比苜蓿平均大203%，隨TL變化的變化率比苜蓿平均87%，這表明沙棘Gs對RHL、TL、PAR的響應較苜蓿敏感。

表2 苜蓿與沙棘Gs與RHL、TL、PAR的相關性分析Tab.2 Correlation analysis ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesbetweenGs, RHL,TL, and PAR

注：*表示在P=0.05水平相關性顯著；** 表示0.01水平相關性顯著；ns表示0.05水平相關性不顯著；Gs=氣孔導度；RHL=葉片相對濕度；TL=葉片溫度；PAR=光合有效輻射。下同。 Notes： * indicates the correlation is significant atP<0.05; ** indicates the correlation is significant atP<0.01; ns indicates the correlation is not significant atP<0.05.Gs, stomatal conductance; RHL, leaf relative humidity;TL, leaf temperature; PAR, photosynthetic active radiation. The same below.

以環(huán)境因子(RHL、TL、PAR)為自變量，ψL為因變量進行相關性分析(表5)。各供水條件下苜蓿ψL與PAR呈顯著負相關關系，除CK外均與RHL呈顯著正相關關系，與TL無顯著相關性。各供水條件下沙棘ψL與RHL、TL分別存在顯著正、負相關關系；除CK外均與PAR呈顯著負相關關系。相同水分脅迫條件下，沙棘ψL隨RHL、PAR變化的變化率大于苜蓿，沙棘各處理ψL隨RHL的變化率比苜蓿平均大267.8倍，而沙棘ψL隨PAR的變化率比苜蓿大平均1.74倍，這表明沙棘ψL隨RHL、TL、PAR的響應程度較苜蓿敏感。

表3 苜蓿與沙棘ψL與RHL、TL、PAR的相關性分析Tab.3 Correlation analysis ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesbetween leaf water potential and RHL,TL, and PAR

4 結論與討論

4.1 不同水分脅迫處理下苜蓿與沙棘苗期Gs、ψL日變化特征

本研究中，各供水條件下沙棘Gs均存在2個極大值，而苜蓿Gs在CK與LD條件下呈先升后降的趨勢，最大值出現(xiàn)在正午12點，在MD與HD條件下均存在兩個極大值。沙棘日變化曲線與多數(shù)植物在晴朗天氣下的氣孔運動規(guī)律相似：即早晨開放，中午略關閉，日落前基本關閉[9]。雙峰效應主要因正午輻射強，葉溫和飽和差較高，氣孔暫時關閉[10]，導致在上午8點到12點區(qū)間內出現(xiàn)“休整”現(xiàn)象。于貴瑞[11]在大田試驗中，通過研究玉米和水稻的Gs變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)土壤水分充足時Gs日變化為單峰曲線，當存在水分脅迫時為雙峰曲線，與之研究結果類似，苜蓿Gs在不同水分處理條件下日變化規(guī)律不一致，這可能與當土壤水分條件充足時，Gs僅受氣象條件影響，而存在水分脅迫時，土壤水分也成為Gs的限制因子有關。與郭冰寒等[5]研究結果一致，沙棘與苜蓿Gs與ψL日變化平均值均隨脅迫的加劇而降低，這是因為水分脅迫使土壤毛管傳導速度逐漸減小，植物根系吸水速率下降，引起葉片含水量減小，ψL降低，減小氣孔開度，使Gs變小[9]。本結果2種植物Gs的日變化幅度差異較大，沙棘上午變化幅度大于下午，而苜蓿則相反。這種非對稱性響應現(xiàn)象[12]是因午后大氣蒸發(fā)變大，水分傳導能力降低，致使植物午后ψL低于上午，植物為避免過分失水而進行自我調節(jié)，造成氣孔在開閉過程中對環(huán)境變量呈現(xiàn)不同響應而引起的滯后現(xiàn)象[13]。

4.2 Gs、ψL與RHL、TL、PAR相關性

與郭冰寒[5]、羅永忠[3]等通過盆栽試驗對沙棘和苜蓿的研究結果一致，本研究中不同水分脅迫下沙棘和苜蓿Gs與RHL，沙棘ψL與RHL，苜蓿ψL與RHL均存在顯著相關性。RHL影響氣孔及表皮蒸騰，進而改變植物葉片內的水分狀況，控制ψL，促使保衛(wèi)細胞的膨壓發(fā)生改變，從而影響氣孔的開閉[14]。佟長福等[8]通過盆栽試驗研究表明紫花苜蓿蒸騰速率與氣溫呈開口向下的負二次拋物線關系，與之研究結果存在一定差異，本研究中，沙棘、苜蓿Gs在HD和MD處理下與TL呈顯著正相關關系，在LD和CK條件下與TL不存在顯著相關關系；這表明水分脅迫程度加大后TL會限制氣孔開度，進而降低植株蒸騰速率，避免過度失水[3]，這種蒸騰特征也是植株的一種自我保護機制[3,15]。與郭冰寒[5]等研究結果一致，本研究中不同水分處理下沙棘ψL與TL均存在顯著負相關關系；而苜蓿ψL與TL卻不存在顯著相關關系，表明不同水分處理下沙棘ψL隨著TL的增大而減小，而對苜蓿ψL影響不顯著，這可能與苜蓿和沙棘具有不同的生理特性有關。左應梅等[16]在研究木薯土壤水分、RH和光環(huán)境對Gs影響時發(fā)現(xiàn)，當土壤水分含量低時，土壤含水量是Gs的主導因子；當土壤水分良好時，PAR是主導因子。與之研究結果類似，本研究中，沙棘Gs與PAR呈顯著的二次相關關系，Gs隨PAR的增大呈現(xiàn)先升后將降的趨勢，苜蓿Gs僅在充分供水時與PAR存在顯著正相關關系，表明苜蓿與沙棘2種植物Gs對PAR存在不同的響應規(guī)律。

2種植物在各水分脅迫條件下，沙棘ψL高于苜蓿。在Gs、ψL隨RHL、TL、PAR的變化關系中，表明沙棘對此三因子的響應程度比苜蓿敏感，但沙棘ψL平均值比苜蓿大，即體內的水分虧缺程度比苜蓿輕。一般而言不同植物間氣孔特性的差異由不同光合途徑引起[17]，但本試驗2種植物都屬于C3植物，光合途徑基本相似，因此2種植物Gs數(shù)值上的差異可能來自于2種植物不同類型的差異，沙棘為木本、苜蓿為草本，具體原因尚待進一步研究。