張喜年 張長(zhǎng)耀 李紫帥 辛福梅

(林芝市林業(yè)和草原局,林芝,860000) (西藏農(nóng)牧學(xué)院)

干旱是影響植物生存、生長(zhǎng)及分布的重要環(huán)境因子之一,全球有三分之一以上土地位于干旱半干旱地區(qū),其他地區(qū)在生長(zhǎng)季節(jié)也會(huì)發(fā)生不同程度干旱。植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)包含形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化反應(yīng)等極其復(fù)雜的變化,并形成了遭受遺傳性制約的適應(yīng)機(jī)制[1-4]。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞而出現(xiàn)活性氧的積累,并由此引發(fā)氧化脅迫[5-6]。在此過(guò)程中,植物進(jìn)化出有效的抗氧化系統(tǒng)以清除活性氧,如抗氧化保護(hù)酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等[7]。干旱脅迫下,植物通過(guò)主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)降低體內(nèi)的滲透勢(shì),使其在逆境下仍可獲得維持正常生長(zhǎng)所需的水分,從而提高抗逆適應(yīng)性[8]。不同植物的不同保護(hù)酶及丙二醛(MDA)應(yīng)對(duì)干旱脅迫及隨之而來(lái)的氧化脅迫的響應(yīng)可能存在一定差異,不同程度脅迫時(shí)植物體內(nèi)起主導(dǎo)作用的保護(hù)酶也可能不同。葉片作為植物光合作用的主要器官,其形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化是植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的基礎(chǔ)[9]。在干旱脅迫環(huán)境中生長(zhǎng)的植物,葉片往往會(huì)形成一系列抗旱耐旱的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn),比如葉片小而厚、柵欄組織發(fā)達(dá)、主脈維管束直徑大,角質(zhì)層增厚、關(guān)閉氣孔等,以形態(tài)變化來(lái)應(yīng)對(duì)水分虧缺,提高水分利用效率以適應(yīng)逆境[10-11]。

有關(guān)干旱脅迫對(duì)植物生理生態(tài)影響及抗逆適應(yīng)機(jī)理的研究已廣泛開(kāi)展,研究大多是基于盆栽模擬水分脅迫,通過(guò)特定水分梯度或多水分梯度實(shí)現(xiàn)脅迫[12-13],研究特定水分梯度的干旱脅迫對(duì)植物生理的影響能更準(zhǔn)確的反應(yīng)植物對(duì)干旱的響應(yīng)特征,特別是能較為準(zhǔn)確地定位不同水分梯度時(shí)葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征。青藏高原大部分地區(qū)處于干旱半干旱區(qū),長(zhǎng)期在此生存的植物為適應(yīng)干旱,已形成一系列的形態(tài)和生理適應(yīng)機(jī)制[14]。以往對(duì)西藏代表性灌木耐旱的研究多是基于少數(shù)樹(shù)種或不在典型的干旱半干旱河谷完成[13,15]。鑒于此,本文以西藏干旱半干旱河谷區(qū)的5種典型灌木為研究對(duì)象,研究苗木的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)、細(xì)胞膜傷害程度、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、葉片氣孔以及解剖特征在不同梯度干旱脅迫下的響應(yīng)特征及適應(yīng)機(jī)理,同時(shí)對(duì)各苗木的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期深入了解不同梯度干旱脅迫下該區(qū)典型造林灌木的生理生態(tài)抗旱機(jī)理,為該區(qū)退化生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)重建提供樹(shù)種參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在西藏自治區(qū)林業(yè)廳林木科學(xué)研究院內(nèi)完成,該研究院地處拉薩市堆龍德慶縣柳梧鄉(xiāng)桑達(dá)村,為典型的拉薩半干旱河谷地帶。全年多晴朗天氣,冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,氣候溫暖、干燥,年均氣溫7.4 ℃,干濕季明顯,冬季干燥少雨,降水主要集中在濕季,僅6、7、8月降水量就占到全年降水總量的88.3%,多夜雨,夜雨率達(dá)80%左右,是西藏雨季夜雨最多的地區(qū)之一,降水量200～500 mm,干燥度1.5～10.0,干濕指數(shù)3～7,10 ℃以上積溫2 177 ℃,無(wú)霜期133 d,全年日照時(shí)間3 000 h以上;該地區(qū)植被類(lèi)型主要為亞高山灌叢和草甸植被以及河谷人工林群落[16]。

2 材料與方法

選取3年生、長(zhǎng)勢(shì)良好、形態(tài)特征相近的5種該地區(qū)典型鄉(xiāng)土灌木樹(shù)種為研究對(duì)象。所用土壤為拉薩河谷灌叢草原土,土壤田間持水量為19.41%,密度為1.23 g/cm3。栽植用花盆盆口直徑為30 cm,高25 cm,每盆裝入灌叢草原土14 kg,每個(gè)花盆栽植苗木1株。試驗(yàn)于2014年6月在西藏自治區(qū)林業(yè)廳林木科學(xué)研究院內(nèi)進(jìn)行,苗木栽植后經(jīng)2個(gè)月緩苗期后,于8月10日開(kāi)始干旱脅迫,試驗(yàn)共設(shè)4組處理,第1組充分供水(CK),土壤含水量為田間持水量的90%～95%;第2組輕度干旱(LS),田間持水量的70%～75%;第3組中度干旱(MS),田間持水量的50%～55%;第4組重度干旱(HS),田間持水量的30%～35%。每組設(shè)5株重復(fù)。試驗(yàn)時(shí)用保鮮膜覆蓋花盆上表面以防止土壤水分蒸發(fā),同時(shí)密封花盆底部以防止水分滲漏和花盆內(nèi)土壤漏失。每天通過(guò)注射器在保鮮膜上扎孔注水以保證花盆內(nèi)土壤含水量在設(shè)定范圍內(nèi)。

2.1 測(cè)定內(nèi)容及方法

生理生化指標(biāo):干旱脅迫10 d后,選取各灌木幼苗枝條中上部健康完整葉片,裝入自封袋后保存于裝有冰塊的保溫箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室備用。葉片分別剪碎混勻后,取出適量樣品進(jìn)行相關(guān)生理生化指標(biāo)的測(cè)定,每種樹(shù)種各指標(biāo)重復(fù)3次。

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)以丙酮提取后用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮法測(cè)定;可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定;丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定;POD活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定;SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定[17-18]。

葉片氣孔和解剖特征:控水處理2周后,利用氣孔印跡法觀察葉片氣孔密度。在典型晴天的10:00—11:30和15:30—17:30時(shí)間段內(nèi),選擇發(fā)育程度相近、大小形態(tài)相似葉片進(jìn)行試驗(yàn)。在葉片背面均勻涂抹無(wú)色指甲油,待干燥后壓上雙面膠帶,之后將載玻片壓在雙面膠帶上,撕下雙面膠,蓋上蓋玻片,用OLYMPUS顯微鏡在不同視野下觀察記錄各樹(shù)種葉片氣孔密度。

葉片顯微結(jié)構(gòu)觀察采用石蠟切片法?？厮幚?周后采集各處理葉片。葉片取樣后用FAA固定液固定,之后經(jīng)脫水→透明→浸蠟→包埋→修塊→切片→粘片→脫蠟→染色→透明→封片等一系列步驟后,用Phmians 2008 Cs Ver2.2顯微鏡在不同視野下觀察并測(cè)量葉片厚度(LT)、柵欄組織厚度(PT)、海綿組織厚度(ST)等指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件完成全部數(shù)據(jù)處理,用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行ANOVA分析,檢驗(yàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 各樹(shù)種幼苗生理特性對(duì)干旱脅迫的影響

①葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。表1可知,不同水分條件下各灌木葉片的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在顯著差異(P<0.05)。細(xì)葉小紅柳和江孜沙棘變化趨勢(shì)相同,均在充分供水和輕度干旱條件下葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高,重度干旱下葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著小于其他處理(P<0.05)。香柏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在充分供水時(shí)最小,僅為重度干旱下的36%。砂生槐在充分供水、輕度干旱、中度干旱下葉片內(nèi)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間差異不顯著,重度干旱與其他處理間差異顯著(P<0.05)。醉魚(yú)草在中度干旱時(shí)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.95 mg/g,顯著高于其他處理(P<0.05)。

表1 不同水分梯度下各樹(shù)種幼苗葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

充分供水條件下,江孜沙棘葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,砂生槐和醉魚(yú)草質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降,與江孜沙棘差異顯著(P<0.05),細(xì)葉小紅柳和香柏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為江孜沙棘的50%和25%。輕度干旱時(shí)江孜沙棘和醉魚(yú)草葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,砂生槐葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,細(xì)葉小紅柳和香柏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。中度干旱時(shí)醉魚(yú)草葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,顯著大于其他樹(shù)種(P<0.05),砂生槐和江孜沙棘葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著,香柏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為醉魚(yú)草的50%,細(xì)葉小紅柳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小,僅為醉魚(yú)草的30%。重度干旱時(shí),醉魚(yú)草葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.69 mg/g,顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),砂生槐略有下降,細(xì)葉小紅柳葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小,僅為醉魚(yú)草的15%。

②可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。不同土壤水分條件下各樹(shù)種苗木葉片的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。細(xì)葉小紅柳在充分供水時(shí),可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,重度干旱時(shí)達(dá)到最大值,約為充分供水時(shí)的1.5倍,輕度和中度干旱下,可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)居中且二者之間無(wú)顯著差異。江孜沙棘和砂生槐在充分供水、輕度干旱和中度干旱時(shí)葉片內(nèi)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間無(wú)顯著差異,在重度干旱時(shí)砂生槐下降20%,而江孜沙棘降幅達(dá)55%。醉魚(yú)草葉片可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在充分供水、輕度干旱和中度干旱條件下無(wú)顯著差異,重度干旱下增加,約為其他條件下的1.4倍。充分供水條件下,細(xì)葉小紅柳、砂生槐、醉魚(yú)草葉片可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間無(wú)顯著差異,江孜沙棘略高于其他3個(gè)樹(shù)種。輕度干旱和中度干旱時(shí),細(xì)葉小紅柳和江孜沙棘之間均無(wú)顯著差異,輕度干旱時(shí)砂生槐與醉魚(yú)草之間也無(wú)顯著差異,但中度干旱時(shí)砂生槐可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為醉魚(yú)草的88%。重度干旱下,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草葉片內(nèi)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)間無(wú)顯著差異,但卻顯著高于砂生槐和江孜沙棘,分別為1.8和2.8倍。

③可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各樹(shù)種及不同水分條件下均存在差異。細(xì)葉小紅柳在重度干旱時(shí)可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值42.53 μg·g-1,顯著高于其他處理(P<0.05)。江孜沙棘在充分供水、輕度干旱和中度干旱下可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間差異不顯著,重度干旱下顯著高于其他處理約30%。砂生槐在輕度干旱和中度干旱下差異不顯著,但與充分供水及重度干旱間差異顯著(P<0.05)。香柏可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在輕度干旱時(shí)最小,為25.07 μg/g,充分供水、中度干旱和重度干旱較輕度干旱分別增加33.90%,30.31%和38.53%。醉魚(yú)草在充分供水、輕度干旱、中度干旱下可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間無(wú)顯著差異,但在重度干旱下可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加25%,與其他水分條件差異顯著(P<0.05)。

充分供水、輕度干旱和中度干旱下細(xì)葉小紅柳和江孜沙棘葉片的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),輕度干旱下香柏和砂生槐葉片的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大,但與醉魚(yú)草差異顯著(P<0.05),充分供水和中度干旱時(shí)香柏、砂生槐和醉魚(yú)草葉片的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間均存在顯著差異(P<0.05),由大到小表現(xiàn)為香柏、砂生槐、醉魚(yú)草。重度干旱下砂生槐和醉魚(yú)草葉片的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間差異不顯著,但他們與其他3個(gè)樹(shù)種之間均存在顯著差異(P<0.05),其他3個(gè)樹(shù)種可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為江孜沙棘、細(xì)葉小紅柳、香柏。

④丙二醛質(zhì)量摩爾濃度的變化。表2可知,充分供水條件下,細(xì)葉小紅柳葉片的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度最小,為13.38 mmol/g,輕度干旱時(shí)較充分供水顯著提高50%,中度干旱和重度干旱下為充分供水時(shí)的近2倍。江孜沙棘在4個(gè)水分條件下丙二醛質(zhì)量摩爾濃度間均差異顯著(P<0.05),其中輕度干旱下最小,重度干旱下最大。輕度干旱下香柏葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度最低,與輕度干旱相比,對(duì)照、中度干旱、重度干旱下香柏葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度分別增加了52.18%,40.15%和52.27%。充分供水和輕度干旱下砂生槐丙二醛質(zhì)量摩爾濃度間差異不顯著,隨干旱加劇,丙二醛質(zhì)量摩爾濃度增加,中度干旱和重度干旱下丙二醛質(zhì)量摩爾濃度約增加30%。醉魚(yú)草在各水分梯度下丙二醛質(zhì)量摩爾濃度變化趨勢(shì)與細(xì)葉小紅柳相同,中度干旱和重度干旱下約為充分供水時(shí)的2.4倍。

表2 不同水分梯度下各樹(shù)種幼苗丙二醛摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)、過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性的變化

4個(gè)水分條件下,砂生槐葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度均顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05)。水分充足時(shí),江孜沙棘和香柏丙二醛質(zhì)量摩爾濃度約為砂生槐的60%,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草丙二醛質(zhì)量摩爾濃度更低,僅為砂生槐的1/2。輕度干旱下細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草丙二醛質(zhì)量摩爾濃度約為砂生槐的70%,但江孜沙棘和香柏葉片的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度顯著低于其他樹(shù)種(P<0.05),僅為砂生槐的35%。中度干旱和重度干旱下各樹(shù)種丙二醛質(zhì)量摩爾濃度間均差異顯著(P<0.05),中度干旱和重度干旱下均為香柏葉片的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度最小。

⑤POD、SOD活性的變化。各樹(shù)種葉片POD活性在不同水分條件下差異顯著。細(xì)葉小紅柳和江孜沙棘在4個(gè)水分梯度下活性的變化趨勢(shì)相似,各水分條件下均存在顯著差異(P<0.05),其中重度干旱下活性最大,其次為充分供水,輕度干旱下活性最小。香柏幼苗葉片的POD活性在輕度干旱時(shí)達(dá)到峰值4 565.90 mg·g-1·min-1,與輕度干旱相比較,充分供水、中度干旱和重度干旱脅迫時(shí)香柏幼苗葉片POD活性分別降低了48.45%,29.55%和24.51%。砂生槐在中度干旱和重度干旱下POD活性顯著高于充分供水和輕度干旱(P<0.05)。醉魚(yú)草在中度干旱和重度干旱下POD活性同樣顯著高于另外兩個(gè)水分條件(P<0.05),輕度干旱下活性最小。

同一水分條件下砂生槐葉片POD活性均顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05)。充分供水時(shí)砂生槐P(pán)OD活性是細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草的5.6倍,是江孜沙棘的4.5倍,是香柏的3.6倍。輕度干旱下細(xì)葉小紅柳的活性最小,僅為砂生槐的6%,江孜沙棘和醉魚(yú)草約為砂生槐的13%,香柏葉片的POD活性相對(duì)較高,約為砂生槐的52%。中度干旱下砂生槐P(pán)OD活性分別是香柏、醉魚(yú)草、江孜沙棘和細(xì)葉小紅柳的3.1、5.3、6.0、10.5倍。重度干旱時(shí),細(xì)葉小紅柳和香柏葉片的POD活性間差異不顯著,但其與其他3個(gè)樹(shù)種之間均差異顯著(P<0.05),細(xì)葉小紅柳、香柏、江孜沙棘和醉魚(yú)草活性約為砂生槐的30%、32%、25%和20%。

水分充足時(shí),江孜沙棘SOD活性較高,其次為細(xì)葉小紅柳,二者間差異顯著(P<0.05),且與其他3個(gè)樹(shù)種間存在差異,砂生槐和醉魚(yú)草葉片的SOD活性差異不顯著,香柏的SOD活性顯著小于其他水分條件(P<0.05)。輕度干旱下砂生槐活性顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),江孜沙棘活性次之,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草活性差異不顯著,香柏含量最小。中度干旱時(shí)香柏和醉魚(yú)草葉片的SOD活性間差異不顯著,與其他3個(gè)樹(shù)種SOD活性之間均差異顯著(P<0.05),細(xì)葉小紅柳最大,江孜沙棘最小。重度干旱下細(xì)葉小紅柳SOD活性顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),砂生槐活性最小,僅為細(xì)葉小紅柳的70%,江孜沙棘和香柏葉片的SOD活性間無(wú)顯著差異。

3.2 干旱脅迫對(duì)各樹(shù)種幼苗葉片結(jié)構(gòu)的影響

①氣孔密度。從表3可知,細(xì)葉小紅柳氣孔密度在輕度干旱下最大。江孜沙棘氣孔密度在充分供水、輕度干旱和中度干旱時(shí)較大,重度干旱時(shí)顯著小于其余3個(gè)水分條件(P<0.05)。香柏氣孔密度在輕度干旱時(shí)最大,其次為充分供水,中度干旱和重度干旱下差異不顯著。砂生槐氣孔密度在輕度干旱和中度干旱時(shí)顯著大于充分供水和重度干旱條件(P<0.05),充分供水和重度干旱下差異不顯著。醉魚(yú)草氣孔密度在充分供水和輕度干旱時(shí)較大,且二者差異不顯著,中度干旱和重度干旱下差異不顯著。

表3 不同水分梯度下各樹(shù)種幼苗葉片氣孔密度的變化

充分供水時(shí),細(xì)葉小紅柳的氣孔密度最大,其次為江孜沙棘和醉魚(yú)草,二者差異不顯著,砂生槐和香柏的較小。輕度干旱時(shí)細(xì)葉小紅柳的仍最大,其次為砂生槐、香柏和江孜沙棘,三者無(wú)顯著差異,醉魚(yú)草小于以上3個(gè)樹(shù)種。中度干旱下5個(gè)樹(shù)種中細(xì)葉小紅柳、砂生槐和江孜沙棘的較大,三者差異不顯著,香柏最小。重度干旱下,5個(gè)灌木樹(shù)種氣孔密度間差異不顯著。

②解剖結(jié)構(gòu)。不同水分梯度下各樹(shù)種葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化如表4所示。隨干旱加劇,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草葉片厚度和海綿組織厚度均逐漸減小,江孜沙棘在中度干旱時(shí)葉片厚度最大,重度干旱下最小,砂生槐在輕度干旱下葉片厚度最大,后隨干旱加劇厚度減小。砂生槐柵欄組織厚度在各水分條件下均顯著大于其他樹(shù)種,且其在各水分梯度下差異不顯著。隨干旱脅迫加劇,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草葉片柵欄組織厚度遞減,重度干旱下其顯著小于其他水分條件(P<0.05),江孜沙棘在中度干旱時(shí)柵欄組織厚度顯著高于其他水分條件(P<0.05)。隨著干旱加劇,各樹(shù)種海綿組織厚度逐漸減小,在重度干旱時(shí)達(dá)到最小值。香柏葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、組織緊密度在4個(gè)水分條件下均無(wú)顯著差異,組織疏松度隨干旱脅迫加劇逐漸降低,但中度干旱和重度干旱下差異不顯著。組織緊密度砂生槐遠(yuǎn)大于其余樹(shù)種,醉魚(yú)草和江孜沙棘次之,二者差異不顯著,香柏最小,但與細(xì)葉小紅柳差異不顯著;組織疏松度香柏最大,其次為砂生槐,其余3個(gè)數(shù)種差異不顯著。

表4 不同水分梯度下各樹(shù)種幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化

3.3 各樹(shù)種抗旱性綜合評(píng)價(jià)

干旱脅迫對(duì)灌木葉片生理及解剖影響的主成分分析結(jié)果(表5)表明,主成分1、2、3、4、5分別能夠解釋的方差分別占總方差的31.80%、19.97%、15.68%、11.39%、7.19%,其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到86.03%,也就是說(shuō),其可解釋原始14個(gè)變量的86.03%。第1主成分與柵欄組織厚度及組織緊密度呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,而與海綿組織厚度及組織疏松度呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)。第2主成分與丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、POD活性、葉片厚度、海綿組織厚度呈較強(qiáng)正相關(guān),而與可溶性糖、SOD呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)。第3主成分與可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉片厚度、柵欄組織厚度呈較強(qiáng)正相關(guān)。第4主成分與葉片氣孔密度正相關(guān)關(guān)系較強(qiáng),其次為SOD活性和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。第5主成分與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣孔密度呈較強(qiáng)正相關(guān),而與可溶性蛋白質(zhì)的負(fù)相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)。

表5 干旱脅迫對(duì)各樹(shù)種葉片生理及解剖影響的主成分分析結(jié)果

將各樹(shù)種生理及解剖特征值與主成分的特征向量的乘積累加,并用貢獻(xiàn)率與累加之和相乘進(jìn)行加權(quán),將同一樹(shù)種的各個(gè)生理及解剖指標(biāo)加權(quán)值求和,計(jì)算得出各樹(shù)種在不同水分條件下的綜合得分(見(jiàn)表6),得分越高,說(shuō)明該樹(shù)種的抗旱性越強(qiáng)[19]。砂生槐在不同水分條件下綜合得分的平均值顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),達(dá)到0.997,江孜沙棘的綜合得為0.462,明顯低于砂生槐綜合得分。而醉魚(yú)草、細(xì)葉小紅柳和香柏的綜合得分均為負(fù)值,分別為-0.095、-0.29、-1.07,由此可知5個(gè)灌木樹(shù)種的抗旱性從大到小的排序?yàn)?砂生槐、江孜沙棘、醉魚(yú)草、細(xì)葉小紅柳、香柏。

表6 5種灌木樹(shù)種抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 討論與結(jié)論

隨土壤含水量的減少,本研究所選擇的5個(gè)樹(shù)種葉片的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)除香柏以外均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì),說(shuō)明輕度干旱脅迫下植物能維持正常的光合作用,但重度干旱時(shí),葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,是因?yàn)楦珊禃?huì)使植物原生質(zhì)遭到破壞,葉綠素合成受到抑制,分解速度加快,所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。研究結(jié)果與其他苗木研究結(jié)果一致[13,20]。干旱脅迫下植物會(huì)通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以增強(qiáng)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力。隨干旱脅迫加劇,細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草葉片的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,在重度干旱下可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升,可能是葉片為應(yīng)對(duì)干旱,加速分解累積的糖分以提高呼吸速率所致[21]。其余樹(shù)種隨干旱加劇葉片可溶性糖呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),說(shuō)明干旱脅迫過(guò)于嚴(yán)重時(shí),可溶性糖的滲透調(diào)節(jié)能力已喪失。葉片蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化隨干旱加劇呈現(xiàn)持續(xù)增加?？梢?jiàn),不同樹(shù)種在不同程度干旱脅迫下其可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化存在差異,質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低與各樹(shù)種的滲透調(diào)節(jié)能力有關(guān),也反映了葉片滲透調(diào)節(jié)作用的有限性[22]。MDA是膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物,其質(zhì)量摩爾濃度的多少可以反映脂質(zhì)過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱和植物膜受傷害的程度[23-24]。本研究中,隨干旱脅迫加劇,各樹(shù)種均在重度干旱時(shí)MDA質(zhì)量摩爾濃度達(dá)到最大,表明嚴(yán)重的干旱脅迫均造成幼苗葉片膜脂過(guò)氧化作用加強(qiáng),細(xì)胞膜受到破壞。江孜沙棘和香柏在輕度干旱下MDA質(zhì)量摩爾濃度有所下降,說(shuō)明此水分條件比較適合各自生長(zhǎng)。植物在正常代謝過(guò)程中,其活性氧的積累和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),而當(dāng)植物處于逆境時(shí),則會(huì)增加SOD和POD等保護(hù)酶活性以清除活性氧,保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng),使植物免受逆境傷害[25]。隨干旱脅迫的變化,各樹(shù)種SOD和POD活性變化不同,說(shuō)明不同樹(shù)種其抵抗干旱的防御系統(tǒng)不盡相同,單一的抗氧化酶不足以抵制植物所遭受的氧化脅迫[26],本研究中砂生槐葉片在各水分條件下均具有極高的POD酶活性,隨干旱脅迫加劇,并未表現(xiàn)出明顯的誘導(dǎo)反應(yīng),且其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于其余各樹(shù)種,說(shuō)明砂生槐能夠較為穩(wěn)定的保持其清除能力,受干旱脅迫的影響相對(duì)較小,這可能是其具有較強(qiáng)抗旱性和較高水分利用效率的原因。

葉片是植物感受干旱脅迫最敏感的器官,葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化是植物在遭受逆境脅迫后產(chǎn)生的適應(yīng)性反應(yīng),但在干旱環(huán)境下不同植物葉片的解剖結(jié)構(gòu)變化也是千差萬(wàn)別的。細(xì)葉小紅柳的氣孔密度在充分供水、輕度干旱及中度干旱下相對(duì)較大,隨干旱脅迫加劇,細(xì)葉小紅柳、香柏、砂生槐氣孔密度呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),而江孜沙棘和醉魚(yú)草呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),重度干旱下,除香柏以外,其余灌木樹(shù)種葉片氣孔密度均有不同程度的下降?？梢?jiàn)植物葉片氣孔密度不僅與植物種類(lèi)有關(guān),而且與干旱脅迫程度有關(guān)[27],一定程度的干旱脅迫會(huì)使4個(gè)喬木樹(shù)種葉片氣孔密度增加,但干旱脅迫程度加劇,特別是達(dá)到重度干旱時(shí),氣孔密度會(huì)減小。這與一些研究者發(fā)現(xiàn)的過(guò)度干旱是葉片氣孔密度下降一致[28],本研究中,細(xì)葉小紅柳和香柏在中度干旱下葉片氣孔密度有明顯下降,而江孜沙棘、砂生槐、醉魚(yú)草在重度干旱下氣孔密度下降幅度明顯,而相關(guān)研究表明,植物受到嚴(yán)重干旱脅迫時(shí),葉片嚴(yán)重受損,抑制了氣孔發(fā)生,氣孔數(shù)目顯著減少,最終表現(xiàn)為氣孔密度急劇下降[29],由此可見(jiàn),干旱脅迫的嚴(yán)重程度對(duì)不同的植物而言是不同的,這在一定程度上也反映了植物的抗旱性。干旱狀況下,植物葉片結(jié)構(gòu)主要向降低蒸騰、增強(qiáng)保水和提高光合作用等方面發(fā)展[30]。葉片厚度隨干旱脅迫加劇逐漸變薄的是細(xì)葉小紅柳和醉魚(yú)草。此結(jié)果與王順才等[31]對(duì)蘋(píng)果屬植物葉片厚度的結(jié)果一致。也有結(jié)果表明干旱脅迫下蘋(píng)果成齡葉厚度變薄,而幼葉厚度增加[32]。江孜沙棘和砂生槐葉片厚度隨干旱加劇表現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì),但在重度干旱下葉片厚度顯著減小(P<0.05)。這是否是由于葉齡所致還有待于進(jìn)一步研究。隨干旱脅迫程度增加,葉片的柵欄組織厚度和海綿組織厚度表現(xiàn)各異,砂生槐和醉魚(yú)草的柵欄組織厚度呈現(xiàn)先減小后增加的變化,而江孜沙棘和香柏則表現(xiàn)為先增加后減少。隨干旱加劇,江孜沙棘和砂生槐海綿組織厚度先增加后減小,其余樹(shù)種海綿組織厚度逐漸減小。隨干旱加劇,組織疏松度各樹(shù)種表現(xiàn)出減小趨勢(shì)。由此可見(jiàn),植物葉片對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)因樹(shù)種差異較大,不同的植物在遭遇干旱脅迫時(shí)由于其耐旱性的差異而表現(xiàn)出不同的解剖特征。

各樹(shù)種在不同水分條件下的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化物酶活性、葉片厚度以及葉片解剖結(jié)構(gòu)等表現(xiàn)各異,綜合各樹(shù)種生理及解剖特征值的主成分分析結(jié)果,砂生槐在不同水分條件下綜合得分的平均值顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),達(dá)到0.997,江孜沙棘的綜合得為0.462,明顯低于砂生槐綜合得分。而醉魚(yú)草、細(xì)葉小紅柳和香柏的綜合得分均為負(fù)值,由此可知5個(gè)灌木樹(shù)種中砂生槐的抗旱性最強(qiáng),江孜沙棘也具有較為明顯的抗旱性,醉魚(yú)草、細(xì)葉小紅柳、香柏的綜合得分為負(fù)值,說(shuō)明其抗旱性相對(duì)較弱。其中,砂生槐在各水分條件下的水分利用效率和POD酶活性顯著高于其他樹(shù)種(P<0.05),說(shuō)明大幅度提高POD酶活性是其應(yīng)對(duì)干旱的重要表現(xiàn)。