徐夢琦， 高艷菊， 張志浩， 黃彩變， 曾凡江

（1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆荒漠植物根系生態(tài)與植被修復重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，新疆 策勒 848300；4.中國科學院大學，北京 100049）

干旱是限制植物生長發(fā)育和影響生態(tài)系統(tǒng)功能的重要環(huán)境脅迫之一，不僅影響植物各器官的生物量累積和分配，也能調節(jié)其形態(tài)、生理等性狀，繼而影響到種群結構和生態(tài)系統(tǒng)功能［1-3］。荒漠植物在長期進化過程中對干旱脅迫已表現(xiàn)出具有較強的可塑性和生態(tài)適應性。葉片和根系是快速感知干旱脅迫的敏感器官，其功能性狀變化被認為是反映植物生存與環(huán)境變化間的紐帶［4-5］。植物生長發(fā)育依賴于葉片光合的同化作用和根系吸收作用，因此葉片和根系也是揭示植物對干旱適應策略的關鍵器官［6］。因此，探討水分脅迫對極端干旱區(qū)荒漠植物葉片和根系性狀的影響和協(xié)同變化規(guī)律，對闡明荒漠植物應對水分脅迫的適應策略有重要意義［7-8］。

干旱脅迫會導致荒漠植物葉面積減小，葉片氣孔關閉、光合速率降低來減少水分散失［9］，同時增大葉厚度與根長，積累脯氨酸、可溶性糖、丙二醛等功能性狀來增強其抗旱性［4,8-10］。而干旱會造成植物體內活性氧的累積，影響其生理代謝功能［11］。干旱條件下植物地上與地下的生理生態(tài)過程不是獨立存在的，而是密切關聯(lián)的。在內蒙古草原對植物性狀間關系的研究發(fā)現(xiàn)，地上與地下器官能夠協(xié)同變化以適應外界環(huán)境改變［12］。但是葉片和根系的功能性狀以及二者之間的耦合關系也與不同程度的環(huán)境脅迫程度及生長時期有關［13］。目前，極端干旱區(qū)植物水分適應策略的研究主要集中在葉片［14-16］，而對荒漠植物根系性狀及其與葉片的協(xié)同變化方面的關注較少。

駱駝刺是多年生豆科草本植物，也是典型的荒漠深根植物，廣泛分布于塔克拉瑪干沙漠南緣（簡稱“塔南”）［17］，在該區(qū)域的風沙治理和生態(tài)修復中發(fā)揮著重要作用［18］。眾多學者已圍繞多年生駱駝刺的形態(tài)結構、生理特征、根系分布、抗旱抗鹽堿能力等方面開展了系統(tǒng)研究［19-20］，但是對于駱駝刺幼苗在干旱脅迫下地上和地下器官功能性狀及其關聯(lián)性研究還相對較少。本研究通過人工控制的盆栽試驗來模擬干旱脅迫，設置充分灌溉、輕度脅迫、重度脅迫3 個水分處理，在不同生長時期測定駱駝刺幼苗葉片和根系的干物質含量、形態(tài)特征、滲透調節(jié)物質和過氧化產物含量，分析不同水分條件下葉片和根系功能性狀的變化與生理響應，以期探討駱駝刺幼苗的水分適應策略，旨在為策勒綠洲-沙漠過渡帶的植被恢復與重建提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在中國科學院策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（80°03′E～82°10′E,35°17′N～39°30′N）進行。研究區(qū)地處塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲-沙漠過渡帶，屬典型的大陸性干旱氣候，平均海拔1360 m，多年平均降雨量僅35.1 mm，平均蒸發(fā)量高達2600 mm［17］。該地區(qū)風沙較大，年均8級以上大風天數(shù)達40 d，沙塵暴天氣年均30 d［21］。土壤以風沙土為主，持水力差。綠洲內植物主要依賴于夏季洪水和地下水得以生存。由于風沙活動頻繁，夏季高溫，該區(qū)域環(huán)境條件惡劣，植被稀疏，覆蓋度僅有15%。該區(qū)域的優(yōu)勢植物以多年生草本植物駱駝刺(Alhagi sparsifolia)為主，并伴生有花花柴(Karelinia caspica)，還有少量的多枝檉柳(Tamarix ramosissima)和胡楊(Populus euphratica)等。

1.2 試驗設計

2021 年4 月18 日進行盆栽種植。試驗選用聚乙烯螺紋管（直徑30 cm，高度60 cm）作為盆栽容器，底部封閉。所用土壤取自策勒綠洲外圍荒漠區(qū)0～30 cm 土層的混合土壤。土壤pH 為8.47，有機質含量為3.31 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.22 g·kg-1、0.62 g·kg-1和16.27 g·kg-1。每桶裝土50 kg，充分澆水后播種。播前種子用溫水浸泡12 h，每盆播種6 粒種子，播種深度為3 cm。在幼苗生長穩(wěn)定前進行統(tǒng)一管理，保持土壤濕潤。待幼苗長至3～4 片葉時按照長勢一致的原則進行剔苗，每桶留苗1株。

前期研究發(fā)現(xiàn)，駱駝刺幼苗存活的土壤含水量閾值為6%［22-23］，研究區(qū)域土壤最大田間持水量為18%。據(jù)此共設定3 個水分梯度：（1）充分灌溉(CK)：土壤含水量為最大田間持水量的70%～75%；（2）輕度干旱脅迫(W1)：土壤含水量為最大田間持水量的50%～55%；（3）重度干旱脅迫(W2)：土壤含水量為最大田間持水量的30%～35%。于2021 年6 月18日開始按照3個水分梯度進行水分處理，每個處理6個重復。整個生長季內每間隔3 d 采用TDR300 土壤水分測定儀(soil moisture equipment，Santa Barbara，CA，USA)測量各處理的土壤含水量，計算水分損耗并進行補灌，補灌后使各處理盆栽土壤含水量分別達到各自設定值范圍，補水時間固定為北京時間19:00。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 分別于2021年7月18日（處理30 d，生長前期）和9月18日（處理90 d，生長后期）進行樣品采集，每次各處理采集3 個重復。每個重復隨機采集10片完整成熟葉片帶回實驗室稱重后，用于葉片形態(tài)指標測定；另采集5 g 新鮮成熟葉片于-20 ℃冷凍保存，用于測定葉片生理指標，將地上部分剩余樣品的葉、莖和刺分離，稱重后于75 ℃烘干稱重。根系用0.15 mm 篩網沖洗取出，用掃描儀進行根系掃描后，截取5 g新鮮根系于-20 ℃冷凍保存用于測定根系生理性狀，剩余根系烘干稱重。

1.3.2 形態(tài)指標及生物量測定 采集的10 片葉用精度為0.01 g 的天平稱重獲得葉鮮重。葉片疊加，用精度為0.01 mm 的電子游標卡尺測量葉前端、中端、尾端3個點的葉厚度(LT)，取平均值，測量時避開主脈位置。用掃描儀對葉片進行掃描，利用Image J軟件分析圖像獲得葉面積(LA)，將掃描后的葉片放入75 ℃烘箱烘至恒重獲得葉干重。根據(jù)公式得到：比葉面積(SLA)=葉面積/葉干重、葉組織密度(LTD)=葉干重/(葉面積×葉厚度)、葉干物質含量(LDMC)=葉干重/葉鮮重。

根系采用掃描儀進行掃描后，用WinRHIZO Pro根系分析系統(tǒng)對圖像進行分析獲得根長(RL)、根表面積(RSA)、根體積(RV)。分離5 g新鮮根系后，剩余根系烘干至恒重，用電子天平(精度為0.01 g)稱得干重。根據(jù)公式得到：比根長(SRL)=根長/根干重、根組織密度(RTD)=根干重/根體積、根冠比(R/S)=地下生物量/地上生物量。

1.3.3 生理指標測定 駱駝刺葉片和根系的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛的測定參照李合生［24］的方法：脯氨酸(Pro)含量測定采用酸性茚三酮比色法，可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用SPSS 16.0 進行。用單因素方差分析(one-way ANOVA)分別對不同水分處理下駱駝刺葉片和根系的生物量、形態(tài)性狀和生理參數(shù)進行分析（95%置信區(qū)間），多重比較采用Duncan檢驗法；利用Perason 相關系數(shù)分析各性狀間的相關性；利用Origin 2018 和GraphPad Prism 8.0.1 繪圖。數(shù)值均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對駱駝刺幼苗生物量的影響

干旱脅迫對駱駝刺幼苗的生物量累積有顯著影響（P＜0.05），各部分生物量在2個時期均呈現(xiàn)出：CK＞W1＞W2的變化趨勢，且CK處理顯著高于其他處理（表1）。在生長前期，駱駝刺的地上與地下生物量在W1下較CK 減少了48.90%、27.46%；在W2下較CK 減少了74.08%、45.91%；地上生物量＞地下生物量。而生長后期，盡管各部分生物量也隨水分減少顯著降低，但地下生物量＞地上生物量。根冠比在前期和后期均隨水分減少顯著增加（P＜0.05）。表明干旱脅迫雖抑制駱駝刺幼苗整體的生長，但其地下生長能力在干旱脅迫下有所增強。

表1 干旱脅迫下駱駝刺的生物量累積Tab.1 Biomass allocation of A.sparsifolia under drought stress

2.2 干旱脅迫對駱駝刺幼苗葉和根形態(tài)性狀的影響

干旱脅迫對駱駝刺幼苗的葉面積、葉組織密度、葉片干物質含量的影響因生長時期而異（P＜0.05，圖1）。在生長前期，與CK處理相比，葉面積在W1和W2處理下顯著減?。≒＜0.05），而比葉面積、葉組織密度和葉干物質含量則受干旱脅迫影響不明顯。在生長后期，葉面積在W2處理下顯著下降（P＜0.05），葉組織密度和葉干物質含量隨干旱脅迫程度的增強而增加，在W2處理下顯著高于其他處理，比葉面積在各處理間無明顯差異。

圖1 干旱脅迫下駱駝刺葉片形態(tài)性狀的變化特征Fig.1 Changes of leaves morphological traits of A.sparsifolia under drought stress

不同水分處理下駱駝刺幼苗根系形態(tài)特征也發(fā)生了顯著變化（P＜0.05，圖2），且在不同時段呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在生長前期，根長和表面積在W1和W2處理下顯著下降（P＜0.05）；比根長的變化趨勢為：W2＞CK＞W1，僅W2與W1處理間存在顯著差異（P＜0.05）；根組織密度的變化趨勢與比根長相反，表現(xiàn)為：W1＞CK＞W2，W1處理顯著高于CK 和W2處理（P＜0.05）。在生長后期，駱駝刺幼苗根長在W1處理下值最小，且顯著低于CK處理（P＜0.05）。干旱脅迫使駱駝刺根表面積顯著減?。≒＜0.05），比根長在W1處理下無明顯變化，W2處理下顯著增加（P＜0.05），根組織密度則不受水分變化的影響。

圖2 干旱脅迫下駱駝刺幼苗根系形態(tài)性狀的變化特征Fig.2 Changes of roots morphological traits of A.sparsifolia seedlings under drought stress

2.3 干旱脅迫下駱駝刺幼苗葉和根的滲透調節(jié)物質及丙二醛(MDA)的變化

干旱脅迫顯著增加了駱駝刺幼苗葉片的脯氨酸和丙二醛含量（P＜0.05，圖3）。在生長前期，W2處理下駱駝刺幼苗葉片的脯氨酸含量顯著大于CK與W1處理（P＜0.05），比CK 與W1分別高出341.72%與228.57%；丙二醛也在W2處理下顯著高于CK 處理（P＜0.05），較CK增加了30.77%；不同處理下可溶性糖含量無顯著變化。在生長后期，駱駝刺幼苗葉片的可溶性糖在W1和W2處理下顯著降低（P＜0.05），與CK 處理相比分別減少了30.63%和23.20%；脯氨酸在W2條件下顯著增加（P＜0.05），比CK和W1處理分別高出135.29%和100.67%。分別對比各指標在不同時期間的變化發(fā)現(xiàn)，W1處理下駱駝刺葉片的丙二醛含量在生長后期有所降低；W2處理下脯氨酸和丙二醛含量均在生長后期有所降低。

圖3 干旱脅迫下駱駝刺葉片生理性狀的變化Fig.3 Changes of leaf physiological traits of A.sparsifolia under drought stress

干旱脅迫后駱駝刺幼苗根系滲透調節(jié)物質和丙二醛含量在不同生長時期變化也不同（圖4）。在生長前期，根系可溶性糖和脯氨酸含量的變化規(guī)律與駱駝刺葉片相同，不同處理間的可溶性糖含量無顯著差異；脯氨酸隨脅迫程度加劇而顯著增加，但CK 與W1處理差異不明顯。丙二醛在W1處理下值最小，且顯著低于CK處理。在生長后期，不同處理間駱駝刺幼苗根系脯氨酸含量無顯著差異；丙二醛含量隨干旱脅迫增強而逐漸增大，在W2處理下顯著高于CK 與W1處理?？扇苄蕴呛康淖兓厔轂镃K＞W2＞W1，各處理間差異顯著（P＜0.05）。

圖4 干旱脅迫下駱駝刺根系生理性狀的變化Fig.4 Changes of root physiological traits of A.sparsifolia under drought stress

2.4 駱駝刺幼苗葉和根性狀間的關聯(lián)關系

駱駝刺幼苗葉片和根系形態(tài)性狀間Pearson 相關性分析表明，根系性狀間及葉與根系性狀間存在較強的耦合關系，而葉片性狀間耦合關系相對較弱（圖5）。葉-葉性狀間耦合關系主要表現(xiàn)為：葉組織密度與葉脯氨酸含量呈顯著正相關（P＜0.05），與葉干物質含量呈極顯著正相關（P＜0.05）；比葉面積與葉MDA含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與干物質含量呈顯著負相關（P＜0.05），與葉可溶性糖含量呈極顯著負相關（P＜0.01）；葉面積與葉脯氨酸呈極顯著負相關（P＜0.01）。根形態(tài)與生理性狀間耦合關系較強，滲透調節(jié)物質與根長、比根長、根表面積間均呈現(xiàn)出顯著相關性。而根形態(tài)間耦合關系主要集中在根長、比根長和根表面積之間，根組織密度與各性狀不相關。根生理性狀與葉形態(tài)、葉MDA含量間存在較強的權衡關系，而根生理與葉可溶性糖含量間存在顯著協(xié)同關系。葉片與根系在滲透調節(jié)物質、過氧化產物MDA、比葉面積-比根長4對性狀間存在性狀平行關系，其余性狀在葉和根之間無平行性。

圖5 駱駝刺性狀間相關關系Fig.5 The correlation between the characters of A.sparsifolia

3 討論

3.1 干旱脅迫對駱駝刺幼苗生長的影響

生物量的累積能夠直接反映植物營養(yǎng)物質的分配關系和生理生態(tài)過程，是衡量植物生產力的重要指標之一［25］，同時也是植物適應脅迫環(huán)境（如干旱）的重要策略之一［26］。生物量的分配表征植物生長發(fā)育中將同化的資源分配到各器官的過程，是植物生存權衡的結果［27］。大量研究發(fā)現(xiàn)，較低的土壤含水量會顯著抑制植物干物質的形成，但可通過增加地下生物量的分配比例來增強自身的抗旱性［28-29］。與前人研究結果一致，在本研究中，駱駝刺幼苗各部位生物量均隨干旱程度的增加而顯著減少。這可能是因為干旱通過削弱地上的光合作用，從而導致整體干物質累積受限［30-31］。駱駝刺幼苗的地下生物量在生長后期時顯著大于地上生物量，根冠比也在各時期均隨水分脅迫增強而顯著增加。因此，根冠比的增大提升了其對水分和養(yǎng)分獲取的能力，同時地上生物量的減少也有效防止過多的水分散失，這種生物量分配策略與大多植物的抗旱策略一致［29,32］。

葉片和根系是植物資源獲取的主要器官，具有較強的可塑性，其功能性狀直接反映了植物光合固碳、資源獲取的能力，與植物的適應策略密切相關［14,33］。干旱脅迫下，植物往往會通過控制葉片氣孔的閉合，保持體內水分的平衡［34］，并將更多的光合產物用于干物質的積累，維持細胞的正常運轉［7］。本研究表明，駱駝刺幼苗在干旱脅迫下主要通過減小葉面積降低蒸騰失水，并在生長后期提高了葉組織密度和葉干物質含量，這可能加強了葉片的韌性和緊實程度，自身的防御力提高。該結果與其他植物適應干旱脅迫的策略一致［3,7,34］。在本研究中，盡管隨干旱脅迫增強比葉面積變化并不顯著，但生長后期時，比葉面積在一定程度上有所降低，這表明駱駝刺在生長后期地上資源獲取能力有所減弱。

根系作為與土壤直接接觸的資源器官，對土壤水分與養(yǎng)分的變化十分敏感?；哪参锿ǔ碛旋嫶蟾?，便于在水分虧缺的條件下向下生長獲取水分和養(yǎng)分［2,23］。本研究發(fā)現(xiàn)，駱駝刺的根長、表面積、組織密度在干旱條件下均顯著減小，而比根長顯著增加。這表明較低的土壤水分顯著限制駱駝刺根系生物量的累積，但可通過比根長和根組織密度提高加強了駱駝刺根系的資源獲取能力，減緩干旱脅迫［35］，駱駝刺在前期研究中也有類似發(fā)現(xiàn)［21］。

3.2 駱駝刺幼苗葉和根對干旱脅迫的滲透調節(jié)能力

植物能夠通過改變自身滲透調節(jié)物質的變化、自由基的產生、細胞質膜功能的變化等多種生理過程形成對干旱的適應性［8,36］。滲透調節(jié)是植物細胞通過滲透調節(jié)物質的累積降低滲透勢，維持細胞膨壓，保持吸水能力的一種適應干旱的方式［30,37］。脯氨酸作為游離態(tài)的滲透調節(jié)物質能夠有效防止植物細胞失水，平衡滲透壓，可溶性糖與脯氨酸作用相似［38］。土壤水分較低時，植物體內脯氨酸和可溶性糖會大量積累以增強抗旱性［39-40］。本研究中，駱駝刺幼苗葉片和根系的脯氨酸在生長前期時均在重度干旱脅迫時最大，生長后期葉片脯氨酸依舊在重度干旱脅迫下顯著高于對照和輕度脅迫，而根系脯氨酸含量在后期趨于平穩(wěn)，這表明駱駝刺具有較強的抗氧化和防脫水能力［41］，能通過累積脯氨酸提高根系吸水能力，以此增強滲透調節(jié)力，在葉片水勢降低的同時維持細胞膨壓。此外，駱駝刺幼苗葉片和根系的可溶性糖在前期并無變化，在后期均明顯增加，但干旱脅迫后均低于對照。張美云等［42］研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度的脅迫條件下，脯氨酸的累積會早于可溶性糖的累積，二者間存在相互補償關系，這與筆者的研究結果一致。生長后期造成駱駝刺體內可溶性糖變化的原因可能是干旱環(huán)境使駱駝刺葉片減小了蒸騰耗水［43］，且生長后期駱駝刺根冠比增大，主要以脯氨酸作為滲透調節(jié)物質增強抗逆性。

MDA是植物細胞過氧化產物，能夠直接反映出細胞損傷程度和植物抗旱性［44］，隨著脅迫時間的延長，MDA含量也會在一定程度上增加［11］。本研究發(fā)現(xiàn)，生長前期駱駝刺幼苗葉片MDA隨脅迫程度增加而逐漸提高，根系MDA 則呈下降趨勢；后期葉片MDA 無顯著變化，根系則顯著增加。該結果反映出，在生長前期，干旱條件導致了駱駝刺葉片細胞出現(xiàn)損傷，而根系細胞過氧化水平相對穩(wěn)定。隨著土壤水分脅迫的持續(xù)，駱駝刺地上部分逐漸產生適應性；而脅迫引起的過氧化水平升高使根系細胞受到一定的損傷，這說明駱駝刺幼苗在面對不利環(huán)境時，在不同生長階段的適應能力不同。

3.3 水分脅迫下駱駝刺幼苗的適應策略

植物地上與地下的生長、生理代謝過程密切相關，功能性狀不是彼此獨立，而是相互關聯(lián)發(fā)揮作用［4］。植物能結合功能性狀共同調節(jié)適應環(huán)境變化，并以此生成最佳的性狀組合［11］。劉金環(huán)等［45］和Wilson 等［46］認為，比葉面積與葉干物質含量是植物對資源利用和適應的最佳組合，葉干物質含量的增加和比葉面積的減小使葉片水分散失減弱。而Wright 等［10］發(fā)現(xiàn)，植物能調控比葉面積和葉組織密度的權衡以適應環(huán)境變化。在本研究中，駱駝刺存在比葉面積與葉干物質含量、葉組織密度間的權衡，表明駱駝刺能有效維持葉片水分散失、干物質積累和防御力間的平衡。同時，駱駝刺葉片和根系分別在其形態(tài)與滲透物質間、MDA 間存在耦合關系，這說明葉片和根系感應到脅迫后能調控其生長和生理代謝間的平衡以維持抗旱能力。駱駝刺的葉片和根系在滲透調節(jié)物質、過氧化產物以及比葉面積-比根長間存在平行關系，表明駱駝刺體內的生理代謝和資源獲取過程具有較明顯的整體性。與此同時，隨著駱駝刺地下滲透調節(jié)能力和抗旱性的增強，地上葉片獲取光資源和進行光合作用的能力相對減弱，反映了駱駝刺在葉形態(tài)與根生理相關的核心性狀間存在權衡，這與趙廣帥等［47］對羌塘高原降水梯度下植物地上與地下性狀關系的研究結果一致。這也突出了地上與地下間的生長是密不可分的。根系作為首要感應土壤水分變化的器官，當駱駝刺根系感受到干旱脅迫時主動調控根系細胞內滲透物質的產生，并影響根系生長和資源獲取情況，從其形態(tài)上適應脅迫［48-49］；地上部也通過調控葉片減少水分散失和消耗，而影響葉片滲透物質含量的變化，駱駝刺體內碳同化產物在各器官間分配比例也發(fā)生變化，同時干旱引起駱駝刺體內MDA的累積破壞生物膜，也能夠間接影響駱駝刺各器官生長發(fā)育。

干旱脅迫下駱駝刺葉片與根系性狀的變化不一致，這也表明地上與地下所面對壓力和環(huán)境不同，而駱駝刺葉和根性狀間具有更強的權衡關系。綜合各性狀的變化趨勢，雖然受干旱的影響駱駝刺整體生長發(fā)育受限，但其投入在根系的資源高于葉片，通過調控根系生長增強水分和養(yǎng)分的獲取以及防御力，并儲存干物質和養(yǎng)分維持地上生長，地上部分也通過適當減弱水分損失，為地下生長提供有利條件，這種適應策略與駱駝刺在極端干旱環(huán)境下的自我保護和適應性密切相關。

4 結論

本文研究了干旱脅迫對駱駝刺葉和根系形態(tài)、生理以及生物量累積的影響，得出以下結論：

（1）駱駝刺通過減小葉面積，提高葉組織密度和干物質含量來增強葉片緊實度，減弱葉片水分散失。

（2）干旱條件刺激駱駝刺葉片和根系的MDA累積，生物膜受損。

（3）干旱脅迫下駱駝刺的比根長以及根脯氨酸含量增加，提高了根系資源獲取和滲透調節(jié)能力。

（4）生長后期駱駝刺幼苗根冠比顯著增大，重度干旱條件下尤為顯著。長期干旱脅迫使駱駝刺將更多干物質集中用于投資根系的資源獲取和抗逆性防御構建，在干旱脅迫下整體表現(xiàn)出緩慢投資、保守生長的適應策略。