南思睿，羅永忠，于思敏，仝慧鑫，何鈺

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

近年來，全球變暖問題日益嚴(yán)重，極端天氣頻發(fā)，干旱問題已成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題之一［1-2］。干旱脅迫對植物的生長發(fā)育和地理分布范圍有重要的影響［3］。植物從土壤中吸收水分的能力反映了其抗旱性的強(qiáng)弱［4］，植物葉水勢可直接反映植物水分生理狀態(tài)，在土壤—植物—大氣循環(huán)系統(tǒng)水分移動(dòng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一般情況下，土壤越干旱，植物葉水勢越低，吸水能力越強(qiáng)，相反，水勢越高，吸水能力越弱［5］。馮樹林等［6］通過對紫穗槐（Amorpha fruticosa）幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度的加劇，其葉水勢具有明顯下降的趨勢。生物量分配是描述植株生育期各階段根、莖、葉、花、果所分配同化產(chǎn)物量的一個(gè)消長過程，它是植物生活史理論的中心［7］，根據(jù)最優(yōu)分配假說，為響應(yīng)不同環(huán)境條件的變異，植物地上和地下生物量的積累及分配會(huì)受到水分的影響［8］。在水分虧缺的情況下，植物生物量積累的功能會(huì)下降，景茂等［9］通過對銀杏（Ginkgo biloba）生長及生物量分配的研究發(fā)現(xiàn)，銀杏4家系相對高生長、相對地徑生長、生物量增量等均隨土壤水分含量的降低而減少。有研究表明在植物不同的生長時(shí)期，不同的水分脅迫會(huì)改變植物營養(yǎng)物質(zhì)利用，對植物地上生物量與地下生物量的分 配 產(chǎn) 生 重 要 影 響［10］，王 密 俠 等［11］研 究 表 明，玉 米（Zea mays）在苗期的耐旱性較強(qiáng)，適度虧水能夠促進(jìn)根系發(fā)育，增大根冠比，水分與營養(yǎng)的供給和分配均向根系傾斜。

紫花苜蓿（Medicago sativa）為豆科苜蓿屬多年生草本植物，營養(yǎng)價(jià)值高，適口性好，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高［12］，被譽(yù)為“牧草之王”，是我國西北干旱、半干旱地區(qū)的主栽牧草［13］。新疆大葉苜蓿（Medicago sativacv.Xinjiangdaye）是新疆和田農(nóng)牧民選擇和培育形成，引入甘肅地區(qū)大面積栽培的品種。其在干旱環(huán)境條件下可以生長，但水分虧缺會(huì)限制其產(chǎn)量。前人對紫花苜蓿的研究主要集中在種子萌發(fā)、形態(tài)分類、以及光合生理特征等方面［14-18］，但關(guān)于在水分虧缺情況下，新疆大葉苜蓿在不同生育階段葉水勢和生物量的分配過程，目前研究報(bào)道還較少。本研究通過盆栽控水試驗(yàn)法，綜合分析比較新疆大葉苜蓿在不同水分處理下的葉水勢、苗高、根徑、根長以及根、莖、葉生物量變化規(guī)律以及相關(guān)性，以探討新疆大葉苜蓿對干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)理，并為干旱、半干旱地區(qū)苜蓿節(jié)水栽培、深入研究植物抗旱機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2019年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)徑流場內(nèi)進(jìn)行，海拔高度為1 534 m，經(jīng)緯度為E 103.9°，N 36.09°。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱干燥，終年干旱少雨。年平均氣溫10.8 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 446 h，年平均降水量327 mm，無霜期為180 d。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為新疆大葉苜蓿種子，播種在圓柱形聚乙烯桶（高20 cm、直徑17 cm），每桶裝7.5 kg耕作表層風(fēng)干土，土壤類型為黃綿土，偏堿性，土壤質(zhì)地適中，田間持水量為22%（重量含水量）。在裝土前，土壤增施氮肥的比例為1∶5 （1 g尿素+5 g（NH4）2HPO4），混合均勻，并統(tǒng)一進(jìn)行病蟲害的定期防治，每桶播種50粒，出苗后定苗至20株。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)土壤水分梯度［12］：T1（充分供水）、T2（輕度脅迫）和T3（重度脅迫），每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，每個(gè)生育時(shí)期共12桶。整個(gè)試驗(yàn)階段共計(jì)48桶。采用稱重法控制土壤含水量，試驗(yàn)期間每隔1 d用感量電子秤于下午18∶00稱重補(bǔ)水，平衡桶重，全部降水用塑料防雨棚遮蓋。試驗(yàn)期間不同處理?xiàng)l件下的土壤含水量見表1。

表1 試驗(yàn)期間不同處理?xiàng)l件下的土壤含水量Table 1 Soil water content under different treatment conditions during the test

1.4 測定指標(biāo)和方法

選用不同水分脅迫下生長狀況良好的植株于苗期（4月3日）、分枝期（4月30日）、現(xiàn)蕾期（5月29日）和開花期（6月16日）測定如下指標(biāo)：

（1） 葉水勢：采用露點(diǎn)水勢儀在各生育期當(dāng)天早上11：00隨機(jī)選取4株生長適中的植株測定葉水勢。

（2） 形態(tài)指標(biāo)：在新疆大葉苜蓿的各生育時(shí)期隨機(jī)選取生長適中的植株各4株，分別用卷尺測量苗高、用游標(biāo)卡尺測量根徑。

（3） 生物量：采用毀盆法將其植株連同根系挖取帶回實(shí)驗(yàn)室，沖洗，拭干后，用卷尺測量根長，并分離根、莖、葉，分別稱其鮮重，于105 ℃烘箱中殺青15 min，然后放入80 ℃烘箱中6～8 h烘干至恒重后，稱其干重，計(jì)算根、莖和葉的生物量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 20程序進(jìn)行單因素方差分析（Duncan）和Pearson相關(guān)性分析，Excel 2010繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿葉水勢的影響

在不同生育時(shí)期，新疆大葉苜蓿的葉水勢隨著土壤水分脅迫的加劇而依次降低，且葉水勢均呈現(xiàn)出T1＞T2＞T3的規(guī)律（圖1）。T3水分處理顯著降低了幼苗的葉水勢，T3與T1、T2之間均存在顯著性差異（P＜0.05），在分枝期和開花期T2與T1差異顯著（P＜0.05）。在各生育時(shí)期，葉水勢T3較T1分別下降了50.2%、50.8%、51.8%和45.7%，T2較T1分別下降了14.7%、29.5%、15.7%、27.1%，隨著土壤水分脅迫加劇，葉水勢降幅增大。在整個(gè)生育期內(nèi)，不同水分處理下葉水勢的最高值均出現(xiàn)在苗期，最低值均出現(xiàn)在開花期。

圖1 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的葉水勢Fig.1 Leaf water potential of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different water stress

2.2 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿植株形態(tài)的影響

隨著水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長在不同的生育時(shí)期均呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律（圖2）。

圖2 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的植株形態(tài)Fig.2 Plant morphology of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different waterstress

T2水分處理苗高在不同生育時(shí)期均達(dá)到最高值，且各處理之間均存在顯著差異（P＜0.05）。在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期新疆大葉苜蓿的苗高T2相較于T1增幅分別為32.7%、24.1%、17.7%和11.7%；T3相較于T1降幅分別為28.1%、26.4%、23.2%和26.1%。

根徑在苗期各處理間差異不顯著，在分枝期、現(xiàn)蕾期、開花期T2與其他兩個(gè)處理均形成顯著差異（P＜0.05），但T1與T3之間無顯著性差異。表明適度的水分脅迫對根徑的生長有促進(jìn)作用，而過多或者過少水分都對新疆大葉苜蓿根徑的生長不利。在不同時(shí)期T2與T1相比較，其增幅分別為7.5%、37.5%、24.9%和26.8%，分枝期根徑的增長幅度最大，而苗期增長幅度最小。

在現(xiàn)蕾期，T2與T1處理根長差異顯著（P＜0.05）。而在苗期、分枝期和開花期之間根長均無顯著差異（P＞0.05）。T3與T1相比，在各生育時(shí)期均無顯著性差異（P＞0.05）。在不同水分處理下，新疆大葉苜蓿開花期的根長相較于苗期分別增加了19.9%、17.3%、和30.0%，T3水分處理根長的增長幅度最大。說明在重度水分脅迫下植株通過延長主根來獲取更多的水分和養(yǎng)分滿足其生長發(fā)育。

2.3 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿生物量分配的影響

在不同的土壤水分脅迫下，新疆大葉苜蓿的根干重苗期和分枝期呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律，在現(xiàn)蕾期和開花期表現(xiàn)為T2＞T3＞T1的規(guī)律（圖3）。在苗期、分枝期和開花期，T2處理與T1處理之間具有顯著性差異（P＜0.05），在現(xiàn)蕾期各處理間差異均不顯著。T2處理的根干重在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期較T1處理相比分別上升了35.7%、13.5%、15.6%和26.8%，而T3處理與T1處理相比較，在苗期和分枝期根干重下降了11.1%和15.6%，在現(xiàn)蕾期和開花期增加了5.0%和10.9%。

莖干重在不同土壤水分脅迫下呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律（圖3）。在苗期和分枝期T1與T2之間具有顯著性差異（P＜0.05）。而在現(xiàn)蕾期和開花期無顯著性差異。就整個(gè)生育期而言，T3與T1相比均無顯著性差異，說明重度水分脅迫對莖生物量的影響較小。T1與T2相比，在分枝期時(shí)，莖干重增幅達(dá)到最大，為26.9%，在開花期時(shí)增幅降為9.0%。

葉片干重在苗期呈現(xiàn)出T2＞T3＞T1的規(guī)律，在分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期均呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律（圖3）。在開花期時(shí)，其葉片干重在T2處理下與其他處理之間具有顯著性差異（P＜0.05），在苗期、分枝期和現(xiàn)蕾期時(shí)葉片干重均未形成顯著性差異，說明水分脅迫對葉片干重的影響較小。T2的葉片干重在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期較T1相比分別上升31.3%、26.3%、14.3%和13.6%。在苗期，T3的葉片干重較T1相比上升了8.3%，而在分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期較T1相比分別下降了14.3%、22.2%、22.1%。

圖3 不同水分脅迫下的新疆大葉苜蓿生物量Fig.3 The component biomass of M，sativacv.Xingjiangdaye under different water stress

2.4 不同水分脅迫下葉水勢與植株形態(tài)及生物量分配的相關(guān)分析

在T1（充分供水）時(shí)，新疆大葉苜蓿的葉水勢與莖干重之間呈顯著負(fù)相關(guān)，苗高與根徑、根干重呈極顯著正相關(guān)，根徑與、根干重和葉干重之間呈顯著正相關(guān)（表2）；在T2水分處理下，苗高與根徑、根長和莖干重呈極顯著正相關(guān)，與根干重和葉干重呈顯著正相關(guān)。在T3水分處理下，葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重之間均極顯著相關(guān)（P＜0.01），說明在重度水分脅迫時(shí)葉水勢對新疆大葉苜蓿的苗高、根長、根干重、莖干重和葉干重產(chǎn)生不利影響。苗高在T2和T3的水分處理下與根徑、根長和根干重之間具有顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），說明苗高與其植株形態(tài)和生物量之間具有密切的聯(lián)系。根徑在T2和T3的水分處理下，與根長和莖干重之間具顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），表明根徑的生長增加，其根長也會(huì)增長，莖干重也會(huì)增加。

表2 不同水分脅迫下葉水勢與植株形態(tài)及生物量分配的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation number of leaf water potential and plant morphology and biomass allocation under different water stress

3 討論

3.1 水分脅迫對新疆大葉苜蓿葉水勢的影響

在水資源匱乏的情況下，植物通過自我調(diào)節(jié)發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)或改變物質(zhì)代謝以適應(yīng)環(huán)境帶來的影響［19］。葉水勢代表植物水分運(yùn)動(dòng)的能量水平，是反映植株組織水分狀況的重要指標(biāo)，土壤水分含量、氣溫和葉片的蒸騰速率等均會(huì)影響植物葉水勢的變化［20］。葉水勢的降低利于植物從土壤中吸收水分，可維持植物在水分逆境中生長［21］，隨著土壤水分脅迫的加劇，葉水勢會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)隨著干旱程度的加重，新疆大葉苜蓿的葉水勢逐漸降低。在充分供水情況下，土壤含水量達(dá)到相對田間持水量的85%，植株能夠充分吸水，葉水勢高。在重度水分脅迫時(shí)，其葉水勢在苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期分別降低了5.85、6.25、6.58和6.28MPa，表明新疆大葉苜蓿通過大幅降低自身葉水勢來調(diào)節(jié)對土壤有限水分的吸收潛力，以增強(qiáng)對干旱脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力和抵抗能力［6］。有研究表明，葉水勢的降低與植物氣孔開閉有著密切聯(lián)系，隨著植物葉片水分散失和水勢下降，氣孔阻力增加，氣孔開度相應(yīng)減小，對植物的蒸騰作用產(chǎn)生影響［22］。由于苗期植株低矮，需水量較少，而分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期是新疆大葉苜蓿的快速生長時(shí)期，需水量大幅增加，植株生理代謝旺盛，植株對土壤水分虧缺極為敏感，通過降低葉水勢來增加吸水潛力，這與馮樹林［6］，王青寧［23］等對紫穗槐、固沙植物葉水勢的研究結(jié)果相似。

3.2 水分脅迫對新疆大葉苜蓿形態(tài)的影響

適宜的土壤水分是植物健康生長發(fā)育的基礎(chǔ)，過多或過少的土壤水分都會(huì)抑制植物的生長［24］。當(dāng)土壤水分虧缺時(shí)，導(dǎo)致植物形態(tài)上發(fā)生改變［25］。本研究表明，隨著水分脅迫程度的加劇，新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長在不同的生育期均表現(xiàn)為 T2＞T1＞T3的規(guī)律，這與徐飛等［27］對刺槐（Robinia pseudoacacia）幼苗的研究結(jié)果相似。表明不同的水分處理對新疆大葉苜蓿的形態(tài)指標(biāo)有一定的影響。在充分供水情況下，新疆大葉苜蓿的生長均低于輕度水分脅迫，主要是由于過多的土壤水分會(huì)造成土壤通氣性差，植株根系正常的呼吸作用受阻，進(jìn)而影響其苗高、根徑和根長的增加。在土壤水分虧缺加重時(shí)，植株正常的新陳代謝過程減慢，光合有機(jī)質(zhì)積累減少，從而導(dǎo)致植株的苗高增長緩慢，根的生長處于抑制狀態(tài)，這可能是嚴(yán)重的水分脅迫使得新疆大葉苜蓿的根系吸收水分能力急劇下降，導(dǎo)致植物組織萎蔫造成的。輕度水分脅迫下苗高、根徑和根長都表現(xiàn)出較大的增長，說明適當(dāng)?shù)乃置{迫可以促進(jìn)植株根系的發(fā)育，使得根系從土壤中獲得更多的養(yǎng)分和水分，并保證了新疆大葉苜蓿的正常生長。

3.3 水分脅迫對新疆大葉苜蓿生物量分配的影響

生物量分配指植物生長發(fā)育過程中所同化的資源用于營養(yǎng)器官的比例［28］。植物生物量的分配受多種因素的影響，比如：環(huán)境條件、自身生長發(fā)育以及遺傳特性等［29］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育時(shí)期的變化，水分脅迫顯著影響新疆大葉苜蓿根、莖、葉生物量的分配。其根干重在生長早期階段如苗期和分枝期呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律，而在生長后期階段如現(xiàn)蕾期和開花期時(shí)根干重為T2＞T3＞T1規(guī)律，由于苗期和分枝期植株處于生長初期，需水量較少，輕度水分脅迫可能誘導(dǎo)其提前經(jīng)受干旱鍛煉，激發(fā)其潛在的抗旱能力，來保證植株的營養(yǎng)生長，隨著脅迫時(shí)間的延長，其根系逐漸適應(yīng)干旱環(huán)境，在現(xiàn)蕾期和開花期適當(dāng)增加根長來吸收土壤水分。充分供水時(shí)土壤含水量過高，導(dǎo)致植物根系長時(shí)間處于無氧呼吸狀態(tài)，并積累了有毒物質(zhì)，不利于植物生長。重度水分脅迫促使植物根系發(fā)育并向深層土壤下扎吸收利用深層土壤水分，將較多的生物量分配給根來吸收更多的營養(yǎng)和水分來促進(jìn)根系的生長，使其重度水分脅迫下的根干重大于充分供水時(shí)的根干重。這與柳佳［19］、王淼［30］等對新疆大葉苜蓿、蒙古櫟（Quercus mongolica）的研究結(jié)果一致。莖干重在整個(gè)生育期內(nèi)均呈現(xiàn)出T2＞T1＞T3的規(guī)律，表明在輕度水分脅迫下水分優(yōu)先滿足植株莖生物量的分配，使同化物質(zhì)積累促進(jìn)植株莖的生物量的分配。且重度水分脅迫與充分供水相比均無顯著性差異，可能是在重度水分脅迫下植株盡可能保障莖的同化物質(zhì)生產(chǎn)效率，將同化物質(zhì)輸送給根系，以此來提高根系水分和養(yǎng)分吸收能力，用來保障其植株的生長。葉干重在整個(gè)生育期內(nèi)均未形成顯著性差異，表明水分脅迫對葉干重影響不大。說明隨著土壤水分脅迫的加劇，植株分配到地下的生物量明顯增加，而對地上生物量的分配影響不大，這與段旭等［31］對云南松（Pinus yunnanensis）幼苗生長及生物量的研究結(jié)果一致。

3.4 葉水勢對植株形態(tài)及生物量分配的影響

植物葉水勢可反映植物從土壤中吸收水分以維持正常生理活動(dòng)的能力，可用于確定植物的受旱程度和抗旱能力［32］。本研究表明，在T1水分處理時(shí)，葉水勢與莖干重具有相關(guān)性，說明葉水勢越高，新疆大葉苜蓿莖內(nèi)的含水量越高。在T3水分處理時(shí)，葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重之間均具相關(guān)關(guān)系，表明隨著土壤水分含量降低，新疆大葉苜蓿葉水勢對干旱脅迫較為敏感，可通過大幅降低自身的苗高、根徑、根長、根干重和莖干重葉來調(diào)節(jié)對土壤有限水分的吸收潛力，以增強(qiáng)新疆葉苜蓿對干旱脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力和抵抗能力。

4 結(jié)論

（1）土壤水分脅迫會(huì)降低新疆大葉苜蓿葉水勢，在各生育時(shí)期均呈現(xiàn)T1＞T2＞T3的規(guī)律，且葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重在T3水分處理時(shí)均具有極顯著相關(guān)性（P＜0.01）。說明新疆大葉苜蓿通過降低自身葉水勢來調(diào)節(jié)對土壤有限水分的吸收潛力，以增強(qiáng)對干旱脅迫環(huán)境的抵抗能力。

（2）T2處理可促進(jìn)新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長的生長，且根干重、莖干重和葉干重最高。說明輕度水分脅迫有利于新疆大葉苜蓿形態(tài)指標(biāo)的生長和生物量的分配。苗高在T2和T3處理下與根徑、根長之間均具有顯著相關(guān)性（P＜0.05），表明苗高與根徑和根長之間存在一定的協(xié)同性。