詹 瑾 種培芳 謝惠敏 賈向陽 沈永濤

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院，甘肅 隴南 746000)

近半個(gè)世紀(jì)以來，由人類活動(dòng)引起的溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候變暖已受到人們的廣泛關(guān)注。 迄今為止，全球平均地面溫度已上升0.74℃，這不僅改變了全球的大氣循環(huán)和水循環(huán)，而且導(dǎo)致全球和區(qū)域性的降雨格局發(fā)生了變化，如降雨總量、降雨時(shí)間分布發(fā)生變化，降雨時(shí)間間隔延長、單次降水量增加為特征的降雨事件發(fā)生次數(shù)增加等，且這種趨勢會(huì)越來越普遍[1]。 為適應(yīng)氣候條件的變化，植物需通過改變自身形態(tài)與生理響應(yīng)機(jī)制適應(yīng)環(huán)境。 因此，降雨變化與植物的關(guān)系已成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，目前許多學(xué)者已從模擬降雨對群落結(jié)構(gòu)[2]、光合特性及生物量[3-4]、生理生長[5]等方面開展了研究。

核桃(Juglans regia)又稱胡桃、羌桃，為胡桃科胡桃屬植物的統(tǒng)稱。 近年來，科研工作者分別從核桃的栽植管理[6]、抗寒性[7]、花芽分化機(jī)制[8]及不同核桃品種光合特性的差異[9-10]等方面進(jìn)行了研究，而對核桃在不同水分條件下生理調(diào)控機(jī)制方面的研究尚少[11-12]。 研究表明，水分調(diào)控可引起核桃生理指標(biāo)的變化，干旱會(huì)造成過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化 氫 酶 ( catalase， CAT )活性增加，丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量積累[13]，隨著干旱程度加劇，相對含水量(relative water content，RWC)逐漸降低，可溶性糖(soluble sugar，SS)含量逐漸升高，可溶性蛋白(soluble protein，SP)、MDA 和脯氨酸(proline，Pro)含量輕微下降后逐步上升[14]。 為探明核桃對水分條件變化產(chǎn)生的生理機(jī)制響應(yīng)，本研究通過人工控制降雨量，對3 種核桃苗木進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，對其生理指標(biāo)進(jìn)行測定，以期為核桃樹種的選擇及響應(yīng)水分變化的生理機(jī)制研究提供有力的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院成縣試驗(yàn)基地，試驗(yàn)采用廣泛種植的3 個(gè)核桃品種:香玲、清香和遼核1 號。 材料為該試驗(yàn)基地已培育好的3 年生核桃嫁接苗木。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 模擬降雨 根據(jù)選取核桃苗木種源成縣生長季(4-8 月份)每月平均降雨(1987-2016 年近30 年這幾個(gè)月的月平均降雨量為基準(zhǔn))設(shè)置降雨量。 成縣氣象局資料顯示，1987-2016 年的年平均降雨主要集中在4-8 月，該時(shí)期總降雨量為403.00 mm，占年降雨量的66.37%，月均降雨量為80.60 mm；該地區(qū)1987-2016 年生長旺盛期(4-8 月)內(nèi)最豐年的降雨量為617.50 mm，比平均水平高出約50%，最欠年的降雨量為192.80 mm，比平均水平低約50%。 因而設(shè)定試驗(yàn)期間降雨量增減50%的處理，并在中間設(shè)置增減25%2 個(gè)梯度，降雨控制試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)梯度:降雨量減少50%(-50%，土壤含水量12.02%)、減少25%(-25%，土壤含水量17.73%)、CK(土壤含水量20.02%)、增加25%(＋25%，土壤含水量23.02%)和增加50%(＋50%，土壤含水量26.00%)。 CK 是以成縣近30 年核桃生長旺盛期(4-8 月)每月的降雨量為基準(zhǔn)，換算為各處理每月的總灌水量，分10 次灌水，每隔3 d 澆1次水，控水試驗(yàn)結(jié)束后采用烘干法測定控水梯度相對應(yīng)的土壤含水量。

1.2.2 育苗 2017 年3 月初，挑選生長勢基本一致，苗高30～35 cm，無病蟲害的3 年生核桃苗木香玲、清香和遼核1 號各25 株，每個(gè)樹種設(shè)有5 個(gè)灌水量梯度，每個(gè)梯度設(shè)5 個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。 選擇某一陰天，將其分別移栽至上內(nèi)徑58 cm、高40 cm、下內(nèi)徑45 cm的圓形花盆中，每盆裝入該試驗(yàn)基地?zé)o雜質(zhì)土壤25 kg，在自然狀態(tài)下緩苗30 d。

2017 年4 月13 日-8 月27 日進(jìn)行控水。 持續(xù)3個(gè)晴天后，依據(jù)灌水量于2017 年4 月13 日20:00 采用量筒對苗木進(jìn)行人工灌水，雨天及時(shí)遮蓋防雨布。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 生理指標(biāo)的測定 控水試驗(yàn)結(jié)束后，采集核桃樹葉片用于生理指標(biāo)測定。 RWC 和水分飽和虧缺(water saturation deficit，WSD)的測定采用烘干稱量法。 SS 含量的測定采用蒽酮比色法，SP 含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法，Pro 含量的測定采用磺基水楊酸提取法，CAT 活性的測定采用紫外吸收法，POD活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的測定采用氮藍(lán)四唑法，葉綠素含量的測定采用丙酮-乙醇法， MDA 含量的測定采用硫代巴比妥酸比色法[15]。

1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度法 設(shè)參考數(shù)列為X0，比較數(shù)列為Xi(i＝1，2，…，n)， 則參考數(shù)列X0＝{X0(1)，X0(2)，…，X0(n)}。 利用下列公式對各指標(biāo)進(jìn)行處理:

用X′i(k)＝Xi(k)-XiSi對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，其中Xi(k)是原始數(shù)據(jù)，Xi和Si是指同一指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

式中，ri(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)；ri為灰色關(guān)聯(lián)度Δi(k)＝｜X0(k)-Xi(k)｜為數(shù)列X0與數(shù)列Xi在第k點(diǎn)的絕對值；minminΔri(k)為二級最小差，maxmaxΔi(k)為二級最大差；ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為0 ～1，本試驗(yàn)取值0.5[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA 方差分析和多重比較，Origin 8.0 進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降雨對核桃苗木葉片RWC 和WSD 的影響

由圖1 可知，香玲、清香和遼核1 號葉片RWC 大體表現(xiàn)為隨著降雨量的增加而增加；葉片WSD 隨著灌水量的增加而遞減，且差異顯著(除香玲的降雨量＋50% 處理外)(P＜0.05)。 說明在不同水分條件下，3種核桃苗木可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)水分吸收和消耗、增加WSD 來維持細(xì)胞體內(nèi)水分的相對平衡，從而保障正常的生理功能[17]。 而香玲在降雨量＋50%時(shí)，可能是由于體內(nèi)細(xì)胞損傷嚴(yán)重，不能通過調(diào)節(jié)葉片RWC 及WSD 來維持生長，導(dǎo)致其葉片RWC 及WSD 相比降雨量＋25%處理發(fā)生變化。

2.2 模擬降雨對核桃苗木葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

圖1 模擬降雨對3 種核桃苗木葉片RWC 及WSD 的影響Fig.1 Effect of simulated rainfall on leaf relative water content and water saturation deficit of three walnut seedlings

由圖2 可知，SS、SP 和Pro 在清香和遼核1 號中的含量均隨著降雨量的增加而遞減，在不同水分條件下差異顯著(P＜0.05)，在降雨量＋50%和＋25%之間不顯著，遼核1 號中的含量均高于清香。 灌水量＋50%時(shí)，3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在香玲中的含量上升，說明水分條件較濕潤時(shí)可促進(jìn)香玲中3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成，以維持正常生長；除降雨量＋50%外，3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在核桃苗木中含量均表現(xiàn)為遼核1 號＞清香＞香玲，說明遼核1 號對水分變化較敏感，可以快速積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而適應(yīng)環(huán)境進(jìn)行生長。

2.3 模擬降雨對核桃苗木葉片保護(hù)酶活性的影響

由圖3 可知，香玲、清香和遼核1 號葉片SOD、POD 和CAT 活性大體是隨著降雨量的增加而遞減，并且在不同水分條件的酶活趨勢為遼核1 號＞清香＞香玲。 降雨量-50%時(shí)，香玲中SOD 和POD 的活性比降雨量-25%時(shí)有所降低，說明此時(shí)香玲機(jī)體受到了一定的損傷，超出了自身的代謝能力，使這2 種酶活性降低，即SOD 和POD 活性存在一定閾值[18]；降雨量-50%時(shí)，香玲葉片CAT 活性驟然降低，說明此時(shí)抗氧化酶系統(tǒng)中CAT 功能減弱，主要以SOD 和POD 為主。

2.4 模擬降雨對核桃苗木葉綠素含量的影響

由圖4 可知，香玲、清香和遼核1 號葉片葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素的大體隨著灌水降雨量的增加而增加，且在不同水分條件下均表現(xiàn)為遼核1 號＞清香＞香玲的趨勢。 降雨量＋50%時(shí)，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素在香玲中的含量較降雨量＋25%時(shí)降低了14.17%、8.35%和12.93%。

2.5 模擬降雨對核桃苗木葉片MDA 含量的影響

由圖5 可知，香玲、清香和遼核1 號的MDA 含量大體是隨著降雨量的增加而遞減，并且在不同水分條件下均表現(xiàn)為香玲＞清香＞遼核1 號的趨勢。 降雨量＋50%時(shí)，MDA 含量在香玲中的含量較降雨量＋25%時(shí)了8.44%。

2.6 模擬降雨對核桃苗木生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表1 可知，3 種核桃苗木的RWC、總?cè)~綠素含量、葉綠素a 含量和葉綠素b 含量與MDA 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)WSD、SS、Pro 與MDA 呈極顯著正相關(guān)(rWSD3＝0.913，rSS3＝0.945，rPro3＝0.910，P＜0.01)，Pro 與SS 呈極顯著正相關(guān)(rPro3＝0.957，P＜0.01)，總?cè)~綠素、葉綠素a 和葉綠素b 與SS呈極顯著負(fù)相關(guān)(r總?cè)~綠素3＝-0.958，r葉綠素a3＝-0.957，，總?cè)~綠素、葉綠素a 和葉綠素b 與Pro 呈極顯著負(fù)相關(guān)(r總?cè)~綠素3＝-0.977，r葉綠素a3，CAT 與各個(gè)指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

2.7 灰色關(guān)聯(lián)度分析

由表2 可知，各項(xiàng)生理指標(biāo)與核桃苗木對水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)順序?yàn)?SOD＞MDA＞葉綠素b＞總?cè)~綠素＞SP＞葉綠素a＞POD＞RWC＞W(wǎng)SD＞Pro＞SS＞CAT。 其中SOD 的關(guān)聯(lián)度大于0.70；MDA 和葉綠素b 的關(guān)聯(lián)度在0.65 以上，且極為接近；總?cè)~綠素、SP、葉綠素a、POD、RWC 和WSD 的關(guān)聯(lián)度在0.60 以上，較為接近；Pro、SS 和CAT 的關(guān)聯(lián)度在0.50 以上，且CAT 的關(guān)聯(lián)度最小，為0.525 9，遠(yuǎn)低于其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。 說明SOD 對核桃苗木的水分適應(yīng)能力影響最大，MDA 和葉綠素b 的影響次之，總?cè)~綠素、SP、葉綠素a、POD、RWC 和WSD 的影響介于中間，而CAT 可能在核桃苗木對水分適應(yīng)能力中不占據(jù)重要地位。

圖2 模擬降雨對3 種核桃苗木SS、SP 和Pro 含量的影響Fig.2 Effect of simulated rainfall on soluble sugar， soluble protein and proline content of three walnut seedlings

3 討論

圖3 模擬降雨對3 種核桃苗木SOD、POD 和CAT 活性的影響Fig.3 Effect of simulated rainfall on SOD， POD and CAT activity of three walnut seedlings

降雨和地下水是野外自然生長植物獲取水分的兩個(gè)主要來源，而地下水也是通過降雨積蓄獲得，因此土壤水分在自然情況下主要通過降雨補(bǔ)充。 降雨不僅影響植物的生長，而且影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[19-20]。 降雨量的變化直接決定著一個(gè)地區(qū)的土壤水分狀況，而土壤水分的變化直接影響著植物水分代謝的各環(huán)節(jié)，進(jìn)而影響其生理與生態(tài)過程[21]。 本研究結(jié)果表明，核桃苗木的RWC、WSD 和葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量在不同降雨條件下均存在顯著差異(P＜0.05)；3 種核桃苗木的葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量與RWC 呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與WSD 呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；且香玲、清香和遼核1 號RWC均隨著灌水量的增加而增加，WSD 均隨著降雨量的增加而遞減，葉綠素含量大體趨勢是隨著降雨量的增加而增加。 這與陜北風(fēng)沙區(qū)4 種鄉(xiāng)土樹種及核桃苗木香玲受到水分脅迫時(shí)RWC 和WSD 的變化趨勢一致[22-23]，與狹葉紅景天在不同水分條件下葉綠素含量變化一致[24]。 這是因?yàn)楫?dāng)植物體內(nèi)水分供應(yīng)不足時(shí)，水分代謝受到抑制，WSD 明顯升高，RWC 明顯降低，導(dǎo)致單位鮮重葉片中葉綠素含量升高[25]；當(dāng)降雨量＋50% 時(shí)，香玲葉片RWC 及WSD 相比降雨量＋25%并未發(fā)生變化，說明此時(shí)體內(nèi)細(xì)胞損傷嚴(yán)重，已不能通過調(diào)節(jié)葉片RWC 及WSD 來維持生長。 有研究表明，較高的葉片RWC 還可以維持植物高效率的光合作用，保持葉綠體的完整結(jié)構(gòu)[26]。 本研究中，香玲在降雨量

＋50% 時(shí)，葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量遞減，說明此時(shí)較高的水分條件并不利于香玲進(jìn)行高效率的光合作用。

表1 模擬降雨下不同品種[香玲(X)，清香(Q)，遼河1 號(L)]苗木生理指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis for physiological indexes of different seedlings[xiangling(X)，qingxiang(Q)， liaohe 1(L)]under simulated rainfall

圖4 模擬降雨對3 種苗木葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量的影響Fig.4 Effect of simulated rainfall on chlorophyll a，chlorophyll b and total chlorophyll content of three seedlings

表2 模擬降雨下核桃苗木各生理指標(biāo)與對水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)度及排序Table 2 Correlolation and ranking of physiological indexes of walnut seedlings with water adaptability under simulated rainfall

圖5 模擬降雨對3 種苗木葉片MDA 含量的影響Fig.5 Effect of simulated rainfall on MDA content of three seedlings

滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱及高溫脅迫的一種重要生理調(diào)節(jié)機(jī)制，通過調(diào)節(jié)自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量并維持一定膨壓來響應(yīng)這種逆境脅迫，從而保護(hù)植物免受傷害[27-28]。 SS、SP 和Pro 作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物受到脅迫時(shí)會(huì)通過增加或降低其含量來調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透壓[29]。 研究表明，水分脅迫下不同植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)揮著不同程度的作用，在山杏、沙棘和油松中，Pro 比SS 發(fā)揮更大滲透作用[30]，在巨能草中，SS 為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[31]。 本研究表明，核桃苗木的SS、SP 和Pro 在不同降雨條件下均存在顯著差異(P＜0.05)；其含量大體隨降雨量的增加而遞減，與王振元[32]研究結(jié)果變化趨勢一致；不同水分條件下3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在核桃苗木中含量均表現(xiàn)為遼核1 號＞清香＞香玲的趨勢，說明遼核1 號對水分變化較敏感，可以快速積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而適應(yīng)環(huán)境生長；3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與苗木水分適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)度中SP 為0.63，而SS 和Pro 相近且較低，說明對于核桃而言，SP可能是其體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，SS 和Pro 次之。該研究結(jié)果與前人研究核桃苗木根中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的結(jié)論不一致[32]，可能是由于不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在同一植物的不同器官中的作用效益不同[29]。

正常環(huán)境條件下，植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)通常使活性氧維持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[33]，而SOD、POD 和CAT 則是植物防止膜脂過氧化的酶促防御系統(tǒng)中的重要成分。 本研究表明，核桃苗木的SOD、POD 和CAT 活性在不同降雨條件下均存在顯著差異(P＜0.05)，且香玲、清香和遼核1 號SOD、POD 和CAT 活性大體隨著降雨量的增加而遞減，這與姬江莉等[5]在紅砂上研究結(jié)果一致，也與張靜等[34]在齒助赤蘚上的研究結(jié)果一致；降雨量-50%時(shí)，香玲中SOD 和POD活性比降雨量-25%有所降低，說明此時(shí)香玲機(jī)體受到了一定的損傷，超出了自身的代謝能力，致使這2 種酶活性降低；SOD 在苗木對水分適應(yīng)能力中的關(guān)聯(lián)度最高，而POD 和CAT 較低，說明對于核桃而言，在受到水分脅迫時(shí)其抗氧化酶系統(tǒng)是以SOD 為主體，POD 和CAT 協(xié)同工作。 MDA 是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量能反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受損害的程度[35]。 有研究表明，植株體MDA 含量會(huì)隨著降雨量的減少而遞增[6]，本研究中3 種苗木的MDA 含量大體隨著降雨量的增加而逐步遞減，其與苗木適應(yīng)降雨變化能力的關(guān)聯(lián)度為0.664 6。 這可能是因?yàn)殡S著降雨量降低，核桃苗木受到干旱脅迫，膜脂過氧化程度增強(qiáng)，MDA 含量增加，此時(shí)抗氧化酶活性也增強(qiáng)，以抵御MDA 含量增加造成的膜脂過氧化，其中以SOD 為主(SOD 與苗木適應(yīng)降雨變化能力的關(guān)聯(lián)度為0.745 2)； 降雨量＋50%時(shí)，MDA 含量在香玲中的含量比降雨量＋25%時(shí)有所上升，說明過澇導(dǎo)致細(xì)胞膜受害嚴(yán)重，無法通過調(diào)節(jié)MDA 含量適應(yīng)水分條件，進(jìn)行正常生長。

本研究結(jié)果顯示有的品種在不同水分條件下一些生理指標(biāo)差異不顯著，這可能是由于本試驗(yàn)僅為一年試驗(yàn)，無法全面體現(xiàn)年際間的氣候及核桃生長變異，盡管降雨處理梯度較大，但部分指標(biāo)的差異可能不足以達(dá)到顯著差異水平，在應(yīng)用這一結(jié)論時(shí)應(yīng)充分考慮這種影響，也需要在未來繼續(xù)深入研究。

4 結(jié)論

本研究通過模擬降雨變化，對香玲、清香和遼核1號3 種核桃苗木進(jìn)行盆栽控水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3 種苗木的生理反映機(jī)制受水分條件的調(diào)控，其RWC、葉綠素a含量、葉綠素b 含量和總?cè)~綠素含量大體隨著降雨量的增加而逐步遞增，WSD、SS 含量、SP 含量、Pro 含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和MDA 含量隨著降雨量的增加而逐步遞減，并且存在種間差異。 結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法分析排名結(jié)果為SOD＞MDA＞葉綠素b＞SP ＞葉綠素a＞POD＞RWC＞W(wǎng)SD＞Pro＞SS＞CAT，說明核桃苗木對水分適應(yīng)性是幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果，但每種機(jī)理所占程度不同。 結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，在未來核桃栽植中應(yīng)注意，香玲不適于較干旱以及較濕潤地區(qū)，遼核1 號對水分適應(yīng)性較強(qiáng)，清香次之。