烏日娜，張興東，王 妍，張繼權(quán)

（1. 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2. 東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130024）

2011 年Smith 將極端氣候事件(extreme climate event)定義為統(tǒng)計(jì)的氣候極端期超出了事件正常變化的范圍，即跨越了極端響應(yīng)閾值，并且這種損害是長期的，影響生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能[1]。作為極端氣候事件之一的干旱是指由于長期無雨或少雨導(dǎo)致土壤水分減少，從而造成作物水分失衡發(fā)生減產(chǎn)的一種氣象災(zāi)害[2]。而在干旱過程中植物自身對干旱的適應(yīng)和抵抗被稱為抗旱性[3]。在近些年來，隨著極端氣候事件頻發(fā)，干旱出現(xiàn)的頻率呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響十分嚴(yán)重，干旱影響植物的個體生長發(fā)育、種群動態(tài)、群落結(jié)構(gòu)、功能和過程以及生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能[4]。松嫩草地作為我國草原帶自然條件最好的草原區(qū)之一，其生態(tài)環(huán)境和植被生長狀態(tài)備受矚目。因此，對松嫩草地優(yōu)勢草種在不同生育期內(nèi)遭受不同干旱程度脅迫時對牧草形態(tài)特性的影響和抗旱性進(jìn)行定量評價，探究北方草原應(yīng)對不同程度干旱脅迫時采取不同應(yīng)急方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于植物脅迫方面的研究主要分為兩大類：一是對某一區(qū)域的多種優(yōu)勢牧草，通過干旱脅迫分析干旱脅迫對牧草生理生態(tài)特性的影響和評價它們的抗旱性[5-6]；二是通過溶液[7-10]或菌群[11-13]的干預(yù)改變某一種牧草的狀態(tài)，之后通過抗旱性指標(biāo)分析溶液和菌群對牧草生理生長狀態(tài)和抗旱性的影響。研究方法多采取隸屬函數(shù)法[14-15]、灰色關(guān)聯(lián)度法等。國內(nèi)研究大多集中在典型干旱區(qū)或生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞的地區(qū)，而關(guān)于松嫩草地等農(nóng)牧交錯帶遭受干旱脅迫時草地生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)的研究卻較少，研究者對東北地區(qū)的主要糧食作物玉米(Zea mays)和大豆(Glycine max)進(jìn)行了生理生長指標(biāo)分析和抗旱性評價[16-17]。對東北地區(qū)的主要綠化樹種和抗旱性樹種也進(jìn)行了干旱脅迫和抗旱性評價[18-19]。本研究選擇大陸性半干旱半濕潤氣候區(qū)的松嫩草地為研究區(qū)，以松嫩草地3 種優(yōu)勢草種作為研究對象，利用野外干旱脅迫試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和隸屬函數(shù)法等手段，分析不同等級干旱脅迫處理對不同生育期內(nèi)3 種優(yōu)勢草種形態(tài)特性的影響，并對牧草自身的抗旱性進(jìn)行評價，研究結(jié)果可為應(yīng)對極端干旱事件以及抗災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)選取

選擇吉林省長嶺縣種馬場東北師范大學(xué)松嫩草地生態(tài)研究站為野外試驗(yàn)基地(圖1)。以牧草的區(qū)域性分布為基礎(chǔ)選取羊草(Leymus chinensis)、全葉馬蘭(Kalimeris integrifolia)和堿蒿(Artemisia anethifolia)3 種優(yōu)勢群落為試驗(yàn)對象，在各自牧草廣泛分布區(qū)設(shè)置試驗(yàn)區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置及高程圖Figure 1 Location and elevation map of the study area

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)不同牧草在自然界中分布的地域差異性在野外試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)3 個試驗(yàn)區(qū)，分別為羊草試驗(yàn)區(qū)、堿蒿試驗(yàn)區(qū)、全葉馬蘭試驗(yàn)區(qū)，并進(jìn)行野外水分控制試驗(yàn)。每個試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)6 個3 m × 3 m 的樣地，各樣地上均覆蓋有避雨頂棚，頂棚最高點(diǎn)1.6 m以上，頂棚使用厚度約為200 μm 的塑料，頂棚設(shè)置采用未完全閉合設(shè)置，開口朝向常年風(fēng)向。為避免頂棚覆蓋削弱太陽輻射影響植物正常生長發(fā)育，采取人為控制頂棚，在干旱脅迫過程中無自然降水時，頂棚處于開放狀態(tài)，發(fā)生自然降水時，人為將頂棚放下覆蓋試驗(yàn)樣地，以保證在整個試驗(yàn)過程中牧草正常接收光照。

每種牧草試驗(yàn)每年重復(fù)5 次，3 種牧草兩年總計(jì)30 次。除大田對照其余的5 個3 m × 3 m 的樣地內(nèi)部設(shè)4 個1 m × 1 m 的試驗(yàn)小區(qū)，4 個試驗(yàn)小區(qū)分別對應(yīng)4 個干旱等級，依據(jù)試驗(yàn)區(qū)3 種牧草分布，每個1 m × 1 m 的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)有植株50～100 株。

為防止邊際效應(yīng)，小區(qū)之間用隔斷層隔離開，取樣地點(diǎn)離小區(qū)邊緣大于0.5 m，為方便在不同小區(qū)間采樣行走、設(shè)備運(yùn)輸安裝，小區(qū)間的過道間距為0.5 m。

1.2.1 干旱等級設(shè)定

本試驗(yàn)以土壤相對濕度表征干旱，干旱等級根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)定為4 個等級，各干旱等級對應(yīng)的土壤相對濕度的設(shè)定參照《北方牧區(qū)草原干旱等級 GB/T 29366-2012》[20]來執(zhí)行(表1)。

1.2.2 干旱歷時設(shè)定

依據(jù)祝廷成[21]的方法，將牧草整個生育期劃分為4 個階段(返青期、抽穗期、開花期和成熟期)。按照不同生育期劃分和表1 干旱等級劃分，進(jìn)行牧草不同生育期的不同等級干旱脅迫。

表1 土壤相對濕度設(shè)定Table 1 Seasonal changes in soil relative humidity

在牧草不同生育期進(jìn)行不同等級干旱脅迫時，其他生育期保持水分充足。脅迫開始后停止?jié)菜?。脅迫停止后，進(jìn)行復(fù)水，保證未進(jìn)行干旱脅迫時的其他生育期水分充足。

同時有一組試驗(yàn)樣地，在牧草整個生育期，實(shí)施不同等級干旱脅迫。還有一組試驗(yàn)樣地，進(jìn)行大田對照試驗(yàn)，接受自然陽光和自然降水。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)的測定

測定方法：在各試驗(yàn)小區(qū)中選擇具有代表性的10 株牧草進(jìn)行測定。在牧草生育期內(nèi)每隔15 d 連續(xù)測量指標(biāo)3 d，1 d 測量2 次，分別為10:00 和14:00，最后取平均值。

株高：將卷尺垂直于地面，選取樣地各試驗(yàn)小區(qū)中對角線上的10 株進(jìn)行自然株高測量。

葉長：用卷尺測量葉片尖到葉片底之間的長度，即為葉長。

土壤濕度：用PASW-I 便攜式土壤水分測量儀測量土壤濕度。

葉綠素含量：選擇每株成熟的葉子為測量葉片，用SPAD-502 葉綠素計(jì)測定葉綠素含量。

牧草產(chǎn)量：3 種牧草在枯黃期結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行收割，留茬高度視當(dāng)?shù)鼐唧w情況而定，留茬高度基本距離地面5～7 cm。各生育期的牧草產(chǎn)量：從該生育期結(jié)束一直到枯黃期進(jìn)行收割為止實(shí)施正常水分（不再進(jìn)行干旱脅迫），由此便得到返青期、抽穗期、開花期相應(yīng)的牧草產(chǎn)量。將收割好的鮮草放入塑料袋中，4 ℃以下進(jìn)行保存，將從野外采集的草本樣品裝入密封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，稱濕重后在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，烘干箱的溫度設(shè)置為105 ℃，烘干24 h至恒重為止，烘干完成后稱干重得到牧草干重。

1.4 抗旱性評價方法

1.4.1 單項(xiàng)抗旱系數(shù)

式中：DC為單項(xiàng)抗旱系數(shù)；i為指標(biāo)性狀；Xi為干旱處理下各指標(biāo)；CKi為水分充足下各指標(biāo)[22]。

1.4.2 隸屬函數(shù)值

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法綜合評價3 種牧草抗旱能力[6]，其隸屬函數(shù)值X(u)計(jì)算方程如下：

式中：X為牧草某一指標(biāo)的測定值；Xmax和Xmin分別為3 種牧草該測定指標(biāo)的最大值和最小值。若該指標(biāo)與牧草抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系，則采用(2)式計(jì)算隸屬值；若該指標(biāo)與牧草抗旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，則用(3)式計(jì)算。將各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值累加后再平均，得到的平均值越大，則表示牧草的抗旱性越強(qiáng)，反之，則表示牧草的抗旱性越弱。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖；用SPSS 26 軟件對3 種優(yōu)勢牧草的株高、葉長、葉綠素含量和產(chǎn)量進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性分析，在5%水平上比較各處理間差異的顯著性；用ArcGIS 10.2 進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)地圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期不同等級干旱脅迫對3 種優(yōu)勢草種形態(tài)特性及產(chǎn)量的影響分析

同一個生育期，隨著干旱脅迫程度的增加，3 種優(yōu)勢草種的株高和葉長總體上呈降低趨勢(表2)。隨著生育期延長，當(dāng)持續(xù)受到干旱脅迫時株高整體增高、葉長整體增長或不變(其中堿蒿葉長減小)，說明隨著牧草生長，牧草生育后期受干旱脅迫影響較小，牧草生長前期(返青期)對牧草形態(tài)特性的影響較大。就整個生育期而言，干旱脅迫下，羊草的株高顯著下降(P< 0.05)，堿蒿株高顯著增加(P< 0.05)，全葉馬蘭株高變化不大。羊草和全葉馬蘭的葉長變化不大，但堿蒿的葉長顯著降低(P< 0.05)。

表2 干旱脅迫對3 種牧草株高和葉長的影響Table 2 Effect of drought stress on plant height and leaf length of three different forages

葉綠素含量是反映逆境環(huán)境下葉片生理形狀的重要指標(biāo)。在同一生育期內(nèi)，隨著干旱脅迫程度的增加，3 種優(yōu)勢牧草葉綠素含量總體呈現(xiàn)減少趨勢(表3)。牧草受到同一程度干旱脅迫時，自返青期至成熟期，3 種牧草葉綠素含量大致呈現(xiàn)增加趨勢。此外，在輕度干旱脅迫下，3 種牧草的葉綠素含量變化不明顯，這說明3 種牧草葉綠素含量對重度干旱脅迫的響應(yīng)更強(qiáng)烈。無論是在不同生育期同一水平干旱脅迫處理，還是同一生育期不同水平干旱脅迫處理，與羊草和全葉馬蘭相比，堿蒿葉綠素含量受干旱脅迫的影響更明顯。

在同等干旱脅迫處理?xiàng)l件下，隨著生育期后移，全葉馬蘭和堿蒿產(chǎn)量呈減少趨勢，羊草產(chǎn)量呈增加趨勢。這說明，牧草在返青期受到干旱脅迫會直接影響產(chǎn)量而且影響程度最大。最后，干旱對牧草產(chǎn)量的影響以生育期前期較為敏感，因返青期進(jìn)行干旱脅迫處理后，地上生物量明顯下降，導(dǎo)致營養(yǎng)生長和生殖生長受到抑制，從而使得產(chǎn)量降低。在同一個生育期內(nèi)，隨著干旱脅迫等級的增加，干旱對牧草的影響加大，牧草產(chǎn)量呈減少趨勢(表3)。

表3 干旱脅迫對3 種牧草葉綠素含量和產(chǎn)量的影響Table 3 Effect of drought stress on chlorophyll content and yield of the three forages under study

2.2 抗旱性評價

單項(xiàng)抗旱系數(shù)評價結(jié)果(表4)顯示，不管是株高還是葉綠素含量，隨著干旱程度的增加，3 種牧草抗旱系數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢。因特旱處理對研究抗旱性具有代表性，所以考慮特旱程度下牧草各生育期抗旱系數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在特旱條件下，羊草在返青期時的株高抗旱系數(shù)最高(0.96)，全葉馬蘭在開花期最高(0.93)，堿蒿在抽穗期最高(0.92)；葉綠素指標(biāo)，羊草在抽穗期抗旱系數(shù)最高(0.95)，全葉馬蘭和堿蒿在返青期和開花期最高(0.98)。

表4 3 種牧草單項(xiàng)抗旱系數(shù)Table 4 Single drought resistance coefficients of the three forages under study

隸屬函數(shù)值結(jié)果(表5)顯示，羊草和全葉馬蘭在返青期的株高隸屬函數(shù)平均值最高；在開花期羊草和全葉馬蘭葉綠素含量指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值最高；在同一個生育期內(nèi)，隨著干旱脅迫程度的增加，羊草的隸屬函數(shù)值大致呈增加趨勢，尤其是在特旱脅迫程度下，其隸屬函數(shù)值依然較高，只有在成熟期，其各項(xiàng)指標(biāo)均低于整體水平。從3 種牧草株高指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值看，羊草和全葉馬蘭的隸屬函數(shù)值在返青期較高，堿蒿在開花期較高；從3 種牧草葉綠素指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值看，羊草和全葉馬蘭均在開花期隸屬函數(shù)值最高，堿蒿在返青期和抽穗期最高；將兩種指標(biāo)隸屬函數(shù)值取平均值，得出羊草和全葉馬蘭在開花期隸屬函數(shù)值最高，返青期次之，堿蒿在開花期最高，抽穗期次之。

表5 3 種牧草隸屬函數(shù)值Table 5 Subordinate function values of the three forages under study

3 討論

本研究結(jié)果表明，牧草受到干旱脅迫時，株高、葉長和產(chǎn)量都會受到抑制，這與宋吉軒等[10]的研究結(jié)果相吻合；隨干旱程度增加，葉綠素含量減少，由于干旱脅迫會影響葉綠素的合成，加速現(xiàn)有葉綠素分解，使葉綠素含量減少，這與在甘薯(Dioscorea esculenta)[23]、玉米[24]和生菜(Lactuca sativa)[25]中的研究結(jié)果一致。植物的抗旱性是植物對干旱的適應(yīng)能力，不同植物對干旱脅迫具有不同的抗旱能力，在干旱的耐受范圍內(nèi)，植物對干旱脅迫會產(chǎn)生應(yīng)激機(jī)制，使傷害降到最低[26]。干旱條件下，植物能夠調(diào)控與抗旱有關(guān)的基因表達(dá)，因此形態(tài)、生理生化等方面會發(fā)生變化[27]。

本研究采取野外試驗(yàn)方法，相比盆栽試驗(yàn)[28-29]，野外試驗(yàn)具有一定的科學(xué)性。盆栽試驗(yàn)忽略了自然生長的植物具有地域性以及種群之間的競爭關(guān)系，而在自然環(huán)境大背景下的野外試驗(yàn)很好地解決了這個問題。此外，野外控制試驗(yàn)通過人為控制干旱脅迫程度和干旱時間，探究了極端干旱事件在較短時間尺度上的實(shí)現(xiàn)，對預(yù)測極端干旱事件對草地

生態(tài)系統(tǒng)的影響具有一定的應(yīng)用價值[4]。并采用單項(xiàng)抗旱系數(shù)和隸屬函數(shù)法對3 種牧草的抗旱性進(jìn)行綜合評價，可以消除個別指標(biāo)帶來的片面性。

植物的抗旱性受到多種因素相互作用，可以通過不同途徑抵抗和適應(yīng)干旱[30-31]。目前關(guān)于干旱脅迫以及抗旱性的研究主要集中于不同牧草抗旱性[5-6]或同一牧草不同品種的抗旱性比較[14]。而對于各生育期抗旱性的研究較少，本研究考慮到3 種牧草所屬科屬不同，生長環(huán)境、生長習(xí)性也有一定的差異，因此并未在3 種牧草間做抗旱性評價，而是探究3 種牧草在各自生育期內(nèi)的抗旱性。羊草在開花期和返青期抗旱性較強(qiáng)，這可能是由于開花期在牧草生育中期，牧草各項(xiàng)生理水平均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，光合作用強(qiáng)，葉綠素含量積累較多，隸屬函數(shù)值較高，因此其抗旱性也較強(qiáng)；返青期處于羊草生育初期，其自身抵御外界環(huán)境的能力較強(qiáng)，因此抗旱性也較強(qiáng)。全葉馬蘭在抽穗期和成熟期抗旱性較低。抽穗期是決定作物結(jié)實(shí)粒數(shù)的關(guān)鍵時期，是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期。因此，在抽穗期采取一定的干旱應(yīng)對措施，可以保證產(chǎn)量。堿蒿在返青期隸屬函數(shù)值最低，抗旱性較弱，返青期是牧草重要的生育期，會直接影響最終產(chǎn)草量。所以，應(yīng)注意返青期干旱的防范，以保證牧草產(chǎn)量。此外，本研究只考慮了單一干旱脅迫，選取的抗旱性指標(biāo)有限，未考慮牧草自身的調(diào)節(jié)和恢復(fù)，在今后的研究中應(yīng)盡可能選取更多的指標(biāo)并充分考慮多種環(huán)境脅迫的綜合作用，使評定結(jié)果與實(shí)際情況更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

松嫩草地3 種優(yōu)勢牧草形態(tài)和生理指標(biāo)對干旱脅迫程度的響應(yīng)研究表明：

1)干旱脅迫對3 種優(yōu)勢牧草株高、葉長和葉綠素含量等形態(tài)特性造成了一定的影響。隨著生育期推移，受到同等級干旱脅迫時，這種影響亦隨之減少；在同一生育期，隨著干旱程度加劇，這種影響具有增加趨勢。在不同生育期，同等級干旱對3 種優(yōu)勢牧草株高、葉長和葉綠素含量的影響程度表現(xiàn)為全生育期 > 返青期 > 抽穗期 > 開花期 > 成熟期；在同一生育期，干旱對3 種優(yōu)勢牧草株高、葉長和葉綠素含量的影響程度表現(xiàn)為輕旱 > 中旱 > 重旱 >特旱。

2)干旱脅迫對牧草產(chǎn)量的影響具有一定的規(guī)律性。在同一個生育期，干旱程度越高，干旱脅迫對產(chǎn)量的影響越嚴(yán)重，特旱處理時3 種優(yōu)勢牧草產(chǎn)量最低；隨著生育期推移，受到同等級干旱脅迫時，干旱對產(chǎn)量的影響隨之減少，返青期受到干旱的影響最嚴(yán)重。這說明，牧草在返青期受到干旱脅迫會直接影響最終產(chǎn)量形成。

3)羊草在不同生育期內(nèi)的抗旱性表現(xiàn)為開花期 > 返青期 > 全生育期 > 抽穗期 > 成熟期。全葉馬蘭抗旱性表現(xiàn)為開花期 > 全生育期 > 返青期 > 成熟期 > 抽穗期。堿蒿抗旱性表現(xiàn)為開花期 > 抽穗期 > 全生育期 > 成熟期 > 返青期。綜上，3 種牧草在開花期抗旱性較強(qiáng)，羊草、全葉馬蘭在抽穗期的抗旱性較弱，堿蒿在返青期的抗旱性較弱。