田小霞， 衛(wèi)曉鋒， 魏 浩， 許明爽， 毛培春

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀生態(tài)研究所，北京 100097；2.中色紫金地質(zhì)勘查（北京）有限責(zé)任公司，北京 100012；3.河北地質(zhì)大學(xué)河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北石家莊 050031）

干旱是制約植物生長的非生物脅迫中最主要的因素［1-2］。干旱不僅給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，而且會導(dǎo)致生物多樣性減少、土壤水土流失和荒漠化等，對生態(tài)環(huán)境造成影響。因此，干旱被認(rèn)為是世界性環(huán)境問題［3］。在干旱條件下植物會從植株生長形態(tài)、生物量、細(xì)胞膜穩(wěn)定性及抗氧化酶系統(tǒng)等多方面對干旱脅迫作出響應(yīng)［4］。國內(nèi)外學(xué)者對干旱及在干旱后復(fù)水條件下植物的生長和生理響應(yīng)開展了大量研究［5］，研究者對草地早熟禾（Poa pratensis）［6］、藜麥（Chenopodium quinoa）［7］、高粱（Sorghum bicolor）［8］、玉米（Zea mays）［9］、苜蓿（Medicago sativa）［10］等進(jìn)行干旱后復(fù)水試驗發(fā)現(xiàn)，植物在干旱復(fù)水后恢復(fù)生長能力強的其抗旱性越強。因此，應(yīng)結(jié)合復(fù)水后植株的生長和生理響應(yīng)變化對植物的抗旱性進(jìn)行綜合評價。篩選抗旱性強的牧草不僅可以減輕干旱對植物生長的危害，又可以發(fā)展畜牧業(yè)提高經(jīng)濟效益，且在抗旱牧草利用和品種選育上具有重要意義。

植物在干旱少雨的沙化半沙化地區(qū)具有復(fù)雜的生存機制和避逆策略，以適應(yīng)逆境環(huán)境［11］。因此，研究和篩選牧草的抗旱性，培養(yǎng)抗旱高產(chǎn)的牧草品種不僅可以通過畜牧業(yè)生產(chǎn)提高經(jīng)濟效益，而且是緩解沙化危害的一個有效途徑。長穗偃麥草（Elytrigia elongata）、無芒雀麥（Bromus inermis）、披堿草（Elymus dahuricus）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、沙打旺（Astragalus adsurgens）和紫花苜蓿（Medicago sativa）均具有較強的生存能力及抗逆性，是退耕還林及水土保持的重要牧草。目前，關(guān)于這6 種牧草之間的抗旱性研究報道較少，本研究通過對6 種牧草苗期進(jìn)行正常灌溉和持續(xù)干旱處理，測定其生長和生理生化指標(biāo)，應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法對各項指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，以期為篩選適宜于干旱地人工種植的牧草和品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料長穗偃麥草、無芒雀麥、披堿草、扁穗冰草、沙打旺和紫花苜蓿種子均是生產(chǎn)上常用的商品種子。

1.2 材料培養(yǎng)與處理

試驗在北京農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀生態(tài)研究所溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室平均氣溫27.6 ℃（白天）/18.5 ℃（夜晚），相對濕度54.6%（白天）/82.7%（夜晚）。采用盆栽法，培養(yǎng)土取自圍場縣御道口沙化土并過篩，烘干后按照每盆3 kg稱取干土裝入花盆，花盆尺寸上口徑17 cm、底部直徑12 cm、高度14 cm。土壤理化性質(zhì)全氮、全磷、全鉀含量分別為0.1±0.03 g·kg-1、0.1±0.01 g·kg-1、18.4±1.00 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為9.8±0.26 mg·kg-1、2.5±0.06 mg·kg-1、36.3±4.63 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為22.2±2.4 g·kg-1。

播種育苗，每盆播種100 粒種子，正常澆水管理。出苗10 d 后每盆定株30 株健壯幼苗，葉片4～5片真葉時開始干旱脅迫處理，設(shè)置正常灌水和自然干旱脅迫2個處理。處理前正常灌水和干旱處理的試驗材料全部澆水至土壤田間持水量的80%～100%（土壤體積含水量25%～30%）。試驗期間對照組的幼苗保持田間持水量的80%～100%；干旱處理組幼苗停止?jié)菜?。干旱處?4 d后，將干旱處理組復(fù)水至土壤田間持水量的80%～100%；開始第2 次干旱處理3 d 后隨機選取相同部位葉片測定各生理指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

使用便攜式土壤水分計SM200 測定土壤體積含水量。每種材料隨機選取植株6 株，用直尺測量開始干旱處理時的株高（PH0）和試驗結(jié)束時株高（PH），生長速率（GR）=（PH-PH0）/脅迫天數(shù)×100；植株地上干重（SDW）和地下干重（RDW）測定使用稱重法；并計算根冠比，根冠比（RSR）=地下干重/地上干重；葉片相對含水量（RWC）采用飽和稱重法［12］，葉片相對含水量（RWC）=（葉片鮮樣質(zhì)量-葉片干樣質(zhì)量）/（葉片飽和鮮樣質(zhì)量-葉片干樣質(zhì)量）×100；葉綠素（Chl）總含量測定采用直接浸提法（丙酮:酒精=1:1）［12］；其他生理指標(biāo)抗氧化酶活性，可溶性蛋白（SP）、脯氨酸（Pro）及丙二醛（MDA）含量均采用分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 單項指標(biāo)抗旱系數(shù)

1.4.2 不同種質(zhì)材料綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值

式中：μ（Xj）表示第j個指標(biāo)隸屬函數(shù)值；Xj表示第j個指標(biāo)值；Xmin表示第j個指標(biāo)最小值；Xmax表示第j個指標(biāo)最大值。

1.4.3 各綜合指標(biāo)的權(quán)重

式中：Wj表示第j個指標(biāo)在所有指標(biāo)中的權(quán)重；Vj表示第j個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

1.4.4 抗旱綜合評價值

式中：D值為抗旱性綜合評價值。

運用Excel 2013 計算平均值和抗旱系數(shù)，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對6種供試材料各性狀指標(biāo)的影響

與對照相比，干旱脅迫下6 種供試材料的PH、GR、SDW、RWC、Chl 數(shù)值均低于對照；無芒雀麥和扁穗冰草RDW、SOD、POD 數(shù)值低于對照，而其他4種供試材料除沙打旺和紫花苜蓿的RDW和POD活性外，RDW、SOD、POD 指標(biāo)值均高于對照；長穗偃麥草、披堿草和沙打旺的Pro、SP 含量均高于對照，而其他3 種材料的Pro、SP 含量低于對照；6 種供試材料的MDA均高于對照（表1）。

表1 干旱脅迫對供試材料各性狀的影響Tab.1 Effects on the traits of test materials under drought stress

2.2 6種供試材料各單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)和相關(guān)性分析

在干旱脅迫下，6 種供試材料的13 項生長和生理指標(biāo)抗旱系數(shù)表現(xiàn)出不同的生長變化和生理響應(yīng)（表2），6 種供試材料的PH、GR、SDW、RWC、Chl等5項指標(biāo)的抗旱系數(shù)均小于1，表明干旱脅迫下的數(shù)值低于對照；而長穗偃麥草、披堿草和沙打旺3種材料的RDW、RSR、SOD、CAT、Pro、SP的抗旱系數(shù)均大于1，6 種牧草的MDA 抗旱系數(shù)均大于1。試驗材料在干旱脅迫下不同單項指標(biāo)有的高于對照，有的低于對照，用單一的指標(biāo)值進(jìn)行抗旱性評價具有片面性，因此以各單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行抗旱性綜合評價更具有比較性和客觀性。

表2 干旱脅迫下6種供試材料生長和生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)（ω值）Tab.2 Drought resistance coefficient(ω value)of growth and physiological indices of six materials tested under drought stress

由表3可知，PH與RDW、Pro、CAT 和SP呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與RWC、POD、SOD 呈顯著正相關(guān)關(guān)系；MDA 與其他12項指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這12項指標(biāo)之間呈正相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果表明，干旱脅迫下，6 種供試材料各生長和生理指標(biāo)之間存在相互拮抗又相互協(xié)同的關(guān)系。

表3 干旱脅迫下6種供試材料生長和生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.3 Correlative coefficient matrix of growth and physiological indices of six materials tested under drought stress

2.3 6種供試材料單項指標(biāo)的主成分分析

由表1 和表2 可知，干旱脅迫下供試材料的MDA 含量、Pro 含量、SP 含量及抗氧化酶活性均增加，表現(xiàn)出一定的抗旱性。為更客觀地評價各供試材料的抗旱性，本研究選取13項指標(biāo)中呈正相關(guān)的12項指標(biāo)抗旱系數(shù)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果顯示，前4 個因子的貢獻(xiàn)率達(dá)98.398%，集中了12 項指標(biāo)的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息（表4）。第一主成分的特征值為9.092，貢獻(xiàn)率為75.768%；第二主成分的貢獻(xiàn)率為10.649%。因此，通過主成分分析可以將原來的12項指標(biāo)轉(zhuǎn)換為4 個相互獨立的綜合指標(biāo)，分別用CI1、CI2、CI3、CI4表示（表5）。

表4 干旱脅迫下各指標(biāo)的主成分分析Tab.4 Principal component analysis on indices under drought stress

表5 供試材料的綜合指標(biāo)值CIx、隸屬函數(shù)值μ(x)、綜合評價D值及抗旱類型Tab.5 Comprehensive indices CIx,subordinative function valueμ(x),comprehensive valuation D value,and drought resistance of materials tested

2.4 各種質(zhì)材料抗旱性的綜合評價

通過12 項生長和生理指標(biāo)抗旱系數(shù)和各綜合指標(biāo)的特征向量求出供試材料的4 個綜合指標(biāo)值，通過公式（2）和公式（3）求出綜合指標(biāo)值的隸屬函數(shù)值和權(quán)重Wj，4 個綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.770、0.108、0.084和0.038（表5）。通過公式（4）計算出抗旱性綜合評價值D值，根據(jù)D值大小對供試材料抗旱性進(jìn)行排序，順序為：長穗偃麥草＞披堿草＞沙打旺＞無芒雀麥＞紫花苜蓿＞扁穗冰草，其中，長穗偃麥草的D值最大，為0.813，表明其抗旱性最強。

綜合評價值D值與各單項指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)分析見表6，由表6可知，PH、RDW、Pro、SP與綜合評價值D值呈極顯著正相關(guān)；RWC、POD 和CAT 與D值呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.857、0.870和0.889；其他指標(biāo)與D值呈正相關(guān)關(guān)系。

表6 綜合評價值D值與各單項指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)分析Tab.6 Correlation analysis of comprehensive valuation D value and drought-resistance coefficient of each index

3 討論

干旱脅迫下，植物會通過調(diào)整植株形態(tài)、生長和生理響應(yīng)等方面來應(yīng)對植物體內(nèi)水分流失及組織受損［13-14］，是多個生長和生理指標(biāo)同時發(fā)生變化的過程。苗期是牧草生長的關(guān)鍵時期，也是對水分變化最敏感的時期，對其苗期進(jìn)行抗旱性評價是最合適的植物生長階段。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下供試材料的葉片含水量低于對照，與田小霞等［15］對黃花草木樨的抗旱性綜合評價的結(jié)果一致。干旱脅迫下供試材料葉片相對含水量降低可能一方面是由于干旱脅迫下植株根系吸收水分減少，地上部分水分散失率大于根系吸收水平的速率，進(jìn)而降低了葉片的相對含水量，研究者認(rèn)為抗旱性強的材料相對含水量降幅更?。?6］。

本研究中干旱脅迫下葉片葉綠素含量低于對照，原因可能是由于干旱脅迫下葉綠素的合成減弱，也可能是逆境脅迫下原有的葉綠素遭到了破壞，進(jìn)而降低了葉綠素的含量［17-18］；而本試驗中發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，供試材料的MDA 含量均高于對照，也證明了逆境脅迫下植物體內(nèi)膜脂過氧化現(xiàn)象。本研究還發(fā)現(xiàn)，長穗偃麥草、披堿草和沙打旺3種材料的生長指標(biāo)地下生物量、根冠比、脯氨酸含量和抗氧化酶活性等均高于對照?？赡苁且驗楦珊得{迫下植物根系為了更有效的增加吸水面積而增加了根的表面積來維持其正常的吸水功能［17-18］；干旱脅迫下植物為提高保護(hù)能力引發(fā)活性氧（ROS）的過度產(chǎn)生，進(jìn)而提高了抗氧化劑和次生代謝物來增加對ROS 的清除能力，增強植物對干旱脅迫的耐受性［19-20］，這也是干旱脅迫下植株抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量高于對照的原因；脯氨酸含量高于對照可能是植物通過產(chǎn)生更多的滲透物質(zhì)來保護(hù)蛋白分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，最終提高抗旱性［20-22］。

植物感知到水分缺失的信號時，會啟動應(yīng)對策略及通過改變生長形態(tài)和生理響應(yīng)來提高自身的抗旱性［23］，因此，運用具有較強代表性的生長和生理指標(biāo)，利用多元統(tǒng)計方法綜合評價植物抗旱性則更具有全面性［24-25］。李京蓉等［26］和張小嬌等［27］應(yīng)用隸屬函數(shù)法對青海省6 種牧草和垂穗披堿草（Elymus nutans）進(jìn)行了抗旱性綜合評價；楊偉等［28］研究了干旱脅迫下2種不同抗旱性老芒麥（Elymus sibiricus）幼苗的抗氧化酶系統(tǒng)，得出抗旱能力強的老芒麥，其抗氧化酶活性顯著高于抗旱能力弱的材料。李怡等［29］應(yīng)用綜合評價法對羊草（Elymus chinensis）的13個指標(biāo)進(jìn)行了抗旱性綜合評價，得出干旱脅迫下脯氨酸和丙二醛含量較高的羊草的其抗旱性越強。

本研究以6份供試材料測定指標(biāo)的抗旱系數(shù)為基礎(chǔ)，運用主成分分析法將12個單項指標(biāo)轉(zhuǎn)換成可以反映大部分試驗材料抗旱信息的4 個綜合指標(biāo)，并運用隸屬函數(shù)法計算了綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，根據(jù)主成分分析中的權(quán)重賦予了各綜合指標(biāo)不同的權(quán)重，得出了供試材料的抗旱性綜合評價值D值。根據(jù)D值得出6 種牧草的抗旱性結(jié)果為：長穗偃麥草＞披堿草＞沙打旺＞無芒雀麥＞紫花苜蓿＞扁穗冰草。綜合評價值D值是一個閉區(qū)間[0,1]上的純數(shù)［21-22］，使得各供試材料更有可比性；綜合評價值D值既考慮了各單項指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，又考慮了各單項指標(biāo)的重要性，使得綜合評價結(jié)果更客觀，更準(zhǔn)確。

本研究通過人工模擬干旱逆境條件，在試驗材料幼苗期干旱處理14 d 后，復(fù)水再次干旱處理3 d后，對試驗材料進(jìn)行抗旱性綜合評價。試驗干旱處理時間短，干旱后復(fù)水后有補償效應(yīng)，因此供試試驗材料的抗旱性綜合評價結(jié)果與田間生長的逆境條件差別較大，取得的試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果還需要在大田試驗中驗證。

4 結(jié)論

通過主成分分析法將12 項生長和生理指標(biāo)轉(zhuǎn)換為4 項綜合指標(biāo)，并得出株高、可溶性蛋白含量、地上干重和脯氨酸含量在抗旱性綜合評價中的權(quán)重較大。應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法對6種牧草抗旱性進(jìn)行了綜合評價，得出6種牧草的抗旱性為：長穗偃麥草＞披堿草＞沙打旺＞無芒雀麥＞紫花苜蓿＞扁穗冰草。因此，長穗偃麥草、披堿草、沙打旺和無芒雀麥可作為干旱半干旱地區(qū)耐旱品種的候選材料。綜合評價值D值與株高、地下干重、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量均呈顯著正相關(guān)，可作為相似材料苗期抗旱性評價的輔助指標(biāo)。