摘要：為研究極端干旱對牧草生長的影響，選擇多年生黑麥草（Lolium perenne，Lp）和雀麥（Bromus valdivianus，Bv）給予80%～85%植物有效水（Plant available water，PAW）和20%～25% PAW 2種水分處理，分析兩種牧草生長及體內水分狀況對干旱脅迫的響應。研究表明：80%～85% PAW充足水分下，兩種牧草生物量積累、水勢（Water potential，WP）、相對含水量（Relative water content，RWC）和凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）無明顯種間差異。Bv葉片寬而重，蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、CO2總導度（Total conductance to CO2，CndCO2）和氣孔導度（Conductance to H2O，Gs）顯著高于Lp。而Lp分蘗多、葉多汁，瞬時水分利用效率是Bv的1.63倍。20%～25% PAW對兩種牧草生長影響不完全一致，葉飽和重、干重和葉面積有相反變化趨勢，但與充足水分相比差異不顯著；Pn，Tr，CndCO2，Gs和RWC則極顯著降低，WP極顯著降低了1.60 MPa，致使枯葉占比和葉溫差顯著升高?？傊?，雀麥和多年生黑麥草生長相近，水分利用模式不同；遭受極端干旱，不同種的兩種牧草耐旱機制具有一定的共性，通過增強葉片持水力、降低水分循環(huán)、減少蒸騰失水以提高牧草抗旱性。

關鍵詞：干旱脅迫；光合作用；蒸騰作用；生物量積累；瞬時水分利用效率；水勢

中圖分類號：S543""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）12-3807-12

收稿日期：2024-01-30；修回日期：2024-05-10

基金項目：甘肅省科技計劃項目（20 JR10RA564）；甘肅省林草局草原生態(tài)修復治理科技支撐項目（GSLC-2020-3）資助

作者簡介：

張詠梅（1974-），女，漢族，甘肅武威人，博士，副研究員，主要從事草業(yè)科學與植物生理學研究，E-mail：zhangyongm@gsau.edu.cn；*通信作者Author for correspondence，E-mail：baixm@gsau.edu.cn

The Effects of Extreme Drought Stress on Growth and Water Content

in Pasture Brome and Perennial Ryegrass

ZHANG Yong-mei1， HU Hai-ying2， BAI Xiao-ming3*， MATTHEW Cory4，

GARCA-FAVRE Javier4， ORDEZ Iván P.4，5

（1. State Key Laboratory of Aridland Crop Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China; 2. College

of Forestry and Grassland， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750021， China; 3. Pratacultural College， Gansu Agricultural University，

Lanzhou， Gansu Province 730070， China;4. School of Agriculture and Environment， Massey University， Palmerston North 4442， New Zealand;

5. Instituto de Investigaciones Agropecuarias， INIA， Kampenaike， Punta Arenas 6212707， Chile）

Abstract：In order to study the effects of extreme drought on growth of forage grasses，perennial ryegrass （Lolium perenne，Lp） and pasture brome （Bromus valdivianus，Bv） were used as materials in pot experiment. 80%-85% plant available water （PAW） （well watered） and 20%-25% PAW （extreme drought） were applied to analyze adaptive changes of growth and responses to water status in forage grasses to drought stress. The results indicated that：1） Under 80%-85% PAW，there were no dramatic differences between Bv and Lp in biomass accumulation，water potential （WP），relative water content （RWC） and net photosynthesis rate （Pn）. However，Bv had larger and heavier blade than Lp and its transpiration rate （Tr），total conductance to CO2 （CndCO2）and conductance to H2O（Gs）were markedly higher than those in Lp. While Lp had slender，juicy blades and more tillers，instantaneous water use efficiency （iWUE） of Lp was 1.63 times of Bv. 2） Under 20%-25% PAW extreme drought，the growth of two forage grasses were not completely consistent，leaf turgid weight，dry weight and blade area showed opposite trend，but were not significant difference compared to that of the well watered condition. Pn，Tr，CndCO2，Gs and RWC in Bv and Lp observably decreased，especially WP reduced by 1.60 MPa，which resulted in dead blade ratio and blade temperature difference increasing. In conclusion，Bv and Lp had similar growth characteristic in biomass accumulation and different water use models. When suffering extreme drought，two forage grasses from different species，their drought tolerance mechanism having some commonalities，improved their drought resistance by enhancing blade water retention，reducing water recycle and cutting down transpiration water loss.

Key words：Drought stress;Photosynthesis;Transpiration;Biomass accumulation;Instantaneous water use efficiency （iWUE）;Water potential

植物的生長和發(fā)育常常受到環(huán)境脅迫的影響而降低生產力。所有環(huán)境脅迫中，干旱脅迫被認為對植物生產力的破壞性最強［1］，是制約全球農業(yè)發(fā)展的關鍵因素。與大多數(shù)其他自然災害不同，干旱可以在任何氣候區(qū)域發(fā)生，作用的空間范圍較大［2］。受全球氣溫升高和氣候變化的影響，降水事件在時間和空間分布上的不均衡性越發(fā)突出［3］，不僅干旱、半干旱地區(qū)受干旱脅迫影響的頻率和強度加?。?-6］，甚至一些年降水量充沛的地區(qū)（如新西蘭、中國華南、西南等地區(qū)）也常常受到季節(jié)性干旱的影響［7-9］。加之植物需水期與降水期不吻合，植物經常處于不同程度的水分脅迫狀態(tài)，這種水分脅迫可以從大氣濕度過低引起的空氣水分不足過渡到土壤干旱，進而對植物的生長發(fā)育和產量形成產生嚴重影響［10］。Kasim提出，到2050年干旱將導致全球50%以上的耕地植物出現(xiàn)生長危機［11］。

土壤含水量過低會影響植株體內的水分平衡，導致植物體內水分虧缺，使得植物的正常生理代謝活動受到干擾，降低作物的產量和品質［12-13］。不同強度的土壤水分脅迫使多年生熱帶牧草的大部分品種分蘗、根體積、葉面積、株高和干物質產量產生不同幅度的降低［14］。21種不同基因型天然草本牧草Trichloris crinita在長期干旱脅迫下，相對總干物質、相對葉面積和氣孔導度（Conductance to H2O，Gs）均出現(xiàn)不同程度的下降，且表現(xiàn)出耐受性強的品種通常比其他品種的產量更高［15］。28個基因型不同的7種冷季型牧草也表現(xiàn)出相近的研究結果，干旱脅迫降低了所有牧草品種的產草量，干旱后恢復率和存活率；其中，高羊茅（Festuca arundinacea）擁有更高的產草量、存活率、恢復率，以及更高的耐旱性；而羊茅（Festuca ovina）的產草量和恢復性較低；表現(xiàn)出干旱脅迫下牧草耐旱性與產草量、干旱后恢復率高度相關［16］。干旱降低了禾本科糧食作物水稻（Oryza sativa L.）葉片的相對含水量（Relative water content，RWC）、水勢（Water potential，WP）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）和氣孔對葉溫的調節(jié)［17-18］。對大麥（Hordeum vulgare L.）的研究發(fā)現(xiàn)，干旱降低了灌漿期大麥第5葉和小穗（芒、內稃、外稃）不同器官的相對含水量、滲透勢、光合效率和氣孔導度，增強了小穗的滲透調節(jié)能力［19］。隨土壤水分脅迫的加劇，多年生黑麥草（Lolium perenne L.）葉片變窄，氣孔導度顯著降低［13］。大量研究發(fā)現(xiàn)，盡管植物對干旱脅迫的響應趨勢相同，但不同植物表現(xiàn)出響應程度不一致，甚至同一植物的不同器官或不同生長階段對干旱的響應也不完全一致。

多年生黑麥草是高產、優(yōu)質、適口性好［20］、生長快速的淺根型多年生牧草［21-22］。雀麥（Bromus valdivianus Phil.）是一種耐旱的速生型深根系多年生禾草［23］。據報道，生長在智利無灌溉的肥沃火山灰土壤中的雀麥具有與多年生黑麥草相似的年積累草產量和營養(yǎng)價值［24］。多年生黑麥草和雀麥由于高產潛力大、飼料品質好，而成為草地建成的理想草種［25］。研究發(fā)現(xiàn)，多年生黑麥草和雀麥在20%～25%土壤有效水（Plant available water，PAW）的極端干旱條件下表現(xiàn)出較強的抗性，具有相近的產草量和草品質［22-23，26］?；觳シN植時，其地上部分生長量低于單播的生物量（Plt;0.001）；且在20%～25% PAW極干旱的混播模式中，減少刈割頻率，有利于雀麥根系生物量增加［27］。隨土壤水分脅迫的加劇，這2種牧草從植株和分蘗的生長、葉片大小和伸長積累、根莖葉不同器官的生物量積累等，均表現(xiàn)出不同的生長策略和競爭策略，以允許它們在環(huán)境脅迫和競爭中存活［23］。Descalzi等對多年生黑麥草和雀麥在極干旱脅迫下，結合土壤結構擾動處理下的形態(tài)學特點研究，發(fā)現(xiàn)無論土壤結構人為擾動與否，極干旱脅迫均顯著降低了2牧草葉片伸長和分蘗的WP；但干旱對植株和分蘗的干物質積累有影響，2種牧草對此的反應不完全一致［25］。

本研究選擇對草場建植與修復應用價值相近的多年生黑麥草和雀麥為研究對象，在20%～25% PAW極端干旱土壤條件下，對牧草的水分狀況以及影響牧草水分循環(huán)運動的光合作用和蒸騰作用對外界環(huán)境條件的響應進行研究。旨在進一步探尋牧草耐旱的根、莖、葉形態(tài)結構特征，生理代謝活動，生化適應性及分子生物學機理奠定理論基礎；為豐富草本牧草耐旱性與抗旱性理論提供實驗證據；為充分利用豐富的草本資源提供科學依據。

1" 材料與方法

1.1" 試驗設計與實施

采用盆栽實驗，在新西蘭梅西大學植物生長中心（南緯40.37°、西經175.61°）的溫室實施。從2018年9月開始至2019年3月結束，為期半年。

種植盆（上口徑24 cm×下口徑17 cm×高20 cm）填裝由馬納瓦圖砂壤土和細砂組成（30∶70體積比）的基質3.8 kg。基質澆透水至飽和持水量（Field capacity，F(xiàn)C），每盆24穴（如圖1），每穴播2粒種子［雀麥（B. valdivianus ‘ Bareno’）或多年生黑麥草（L. perenne ‘Trojan’）］。幼苗建成期進行間苗，每穴留1株幼苗。常規(guī)灌水牧草生長3個月（90日齡），開始2種土壤水分處理。

采用TDR土壤水分測定儀（Mini Trase with soil-moisture TDR Technology，美國）提前測得基質的FC和兩牧草的永久萎蔫點（Plant wilting point，PWP）分別為16%和2%，進而計算得到PAW（PAW=FC-PWP）含量為14%。本研究土壤水分限制設置兩個水平：80%～85% PAW（對照）和20%～25% PAW（極干旱）。

2種牧草、2個土壤水分處理水平，每種牧草的每個水分處理各2盆、5個重復區(qū)組，共計40盆，采用完全隨機區(qū)組排列。進行為期25天的干旱脅迫處理。

在每個區(qū)組設置5個伴生種植盆，保持與試驗盆相同條件。每天用TDR測定伴生盆含水量，嚴格控制基質含水量水平。根據Descalzi等［25］的研究從多年生黑麥草和雀麥伴生種植盆中收集基質水分信息，以避免TDR感應桿對試驗盆土壤和根系產生影響和擾動。

依據伴生種植盆的含水量計算每個處理的日失水量進行補水。每日補水量計算公式如下：

I=A-B100×W/ρ

式中：I為補水量（mL），A為水分限制處理設定的基質含水量（%），B為實際的基質含水量（%），W為每盆基質干重，即3.8 kg，ρ為水密度，此處取值1000［因水的密度ρ=1 kg·（1000 mL）-1］。

1.2" 變量的測定

土壤水分限制處理2種牧草25天后，在第26天進行光合測量和采樣。為避免邊緣效應，僅選取中部的10株作為供試材料。所有變量的測量均設5次重復。

2019年1月17日，天氣晴朗，風和日麗。檢查并校準Li-6400便攜式光合儀（美國），上午9：00—10：00，并排同時拼接第2片完全展開葉多年生黑麥草葉片3片（或雀麥葉片2片）夾于樣品室，進行光合參數(shù)的測定。儀器自動記錄凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）（μmol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr）（mmol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Intercellular CO2 concentration，Ci）（μmol·m-2·s-1）、大氣CO2濃度（Ambient CO2 concentration，Ca）、CO2總導度（Total conductance to CO2，CndCO2）（μmol ·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs）（mol·m-2·s-1）、葉表面相對濕度（Surface humidity，Hsfc）（%）、葉溫差（Leaf temperature- ambient temperature，Tl-Ta）（℃）等生理參數(shù)。計算得到葉片瞬時水分利用效率（Instantaneous water use efficiency，iWUE）和氣孔限制值（Limiting value of stomata，Ls）。葉片瞬時水分利用效率為凈光合速率與蒸騰速率的商。氣孔限制值計算方法參考Farquhar等［28］的方法。

上午10：00-11∶00，摘取同盆不同植株的第2片完全展開葉，利用Scholander Pressure Chamber （加拿大） 測量葉片水勢（WP=-P）。另摘取同盆不同植株的第2片完全展開葉2～3片，電子天平（精度0.0000）精確稱量葉片鮮重（Fresh weight，F(xiàn)W）（g），葉面積儀測量葉面積（Blade area，BA）（cm2）；然后在冷庫中低溫飽和吸水24小時后，稱量葉片飽和重（Turgid weight，TW）（g）；最后在烘箱中80℃烘至恒重，稱量葉片干重（Dry weight，DW）（g）。并計算得到葉片RWC、多汁率（%）和單位葉面積干物質積累密度（mg·cm-2）。

選擇未摘取第2葉的完整單株，清點分蘗數(shù)（Tiller numbered，tn）（個）。倒置種植盆，取出整株，沖洗干凈根系并拭干，在根頸處分離地上莖葉和地下根系，分別在烘箱中80℃烘至恒重，得到莖葉干重（g）和根干重（g），并計算根冠比。選擇未摘取第2葉的完整分蘗，分離同一分蘗上所有葉片上的綠色鮮葉和黃色枯葉，分別烘至恒重，得到綠葉干重（g）和枯葉干重（g），并計算枯葉占比（%）。

1.3" 數(shù)據統(tǒng)計分析

對所有數(shù)據變量采用Minitab18 statistical software（美國）進行統(tǒng)計分析。首先，對所有變量一一進行Anderson-Darling正態(tài)性檢驗（n=20）。大多數(shù)變量均符合正態(tài)分布。對非正態(tài)分布的“tn”進行了常用對數(shù)轉化；“枯葉干重”進行了平方根轉化；“Tr”“Gs”“CndCO2”“Ci”進行了倒數(shù)轉換，使這6個變量也符合正態(tài)分布。然后，結合2種牧草和2個土壤水分處理進行了方差齊性檢驗。最后，對方差齊性的多變量進行LSD-t檢驗；對方差不齊的多變量進行Games-Howell檢驗［29］。

對于通過數(shù)據轉換也難以達到正態(tài)分布的變量“WP”“RWC”和“葉溫差”進行非參數(shù)檢驗，使用多獨立樣本的Kruskal-Wallis檢驗，進行差異顯著性檢驗。

對所有變量進行主成分分析（Principal component analysis，PCA）。根據PCA相關矩陣特征分析，提取5個主成分。并對24個變量的PC1和PC2得分進行了GLM ANOVA分析，獲取2種牧草對水分脅迫的響應信息。

2" 結果與分析

2.1" 牧草單株的分蘗和生物量積累特點及對極端干旱脅迫的適應性變化

同一種植盆中種植24株多年生黑麥草或24株雀麥，盆內存在著強烈的種內競爭。多年生黑麥草和雀麥的生物量積累（表1）在莖葉和根系之間無顯著種間差異，根冠比無顯著差異；分蘗上的綠葉和枯葉間也無顯著的種間差異；只有分蘗數(shù)具有極其顯著差異（Plt;0.001）。多年生黑麥草葉片細長，分蘗上新葉抽出，老葉枯黃，始終只有3片葉，分蘗眾多；雀麥葉片寬而長，有6片葉，分蘗數(shù)較少。多年生黑麥草單株平均擁有13個分蘗；雀麥只有4個左右，具有極顯著的種間差異。

兩牧草給予80%～85% PAW充足灌水和20%～25% PAW極端干旱，分蘗數(shù)、莖干重、根干重和根冠比4個變量在處理間無明顯的組間差異；綠葉和枯葉干重雖然也無顯著的組間差異，但是綠葉和枯葉干重的增加或減少的變化趨勢不同。由于同時存在著對養(yǎng)分、水分和陽光的種內競爭和20%～25% PAW極干旱脅迫，牧草葉片在生長的過程中，葉尖逐漸出現(xiàn)干枯的現(xiàn)象，并隨著生長時期的延長，葉尖干枯葉段由最初的1～2 mm延長至3～5 cm，甚至更長。干旱脅迫下，綠葉漸漸減少，枯葉漸漸增多，枯葉占比達到顯著水平（表1，Plt;0.05）。雀麥和多年生黑麥草枯葉占比在20%～25% PAW極干旱脅迫下，分別由充分灌水的32.45%和25.20%上升至40.96%和37.80%，分別顯著上升了26.22%和50.00%。

牧草種和水分模式互作下，分蘗數(shù)、莖葉干重、根干重、根冠比、綠葉干重、枯葉干重和枯葉占比7個變量均無顯著差異（表1）。

2.2" 牧草葉片生長特性對極端干旱脅迫的適應性變化

雀麥和多年生黑麥草分蘗上第2片完全展開葉的水勢、鮮重、干重、飽和葉重、葉面積、相對含水量和多汁率具有極顯著種間差異（Plt;0.01）。充分灌水條件下，雀麥葉片大而寬，第2葉的鮮重、干重、飽和葉重均重于多年生黑麥草；葉面積為9.82～11.07 cm2，極顯著大于多年生黑麥草葉片的4.80～5.59 cm2（Plt;0.001）。結合葉面積進行分析計算，雀麥多汁率和干物質密度均極顯著低于多年生黑麥草，多年生黑麥草多汁率是雀麥的1.48倍（Plt;0.001），干物質密度是雀麥的1.24倍（Plt;0.01），反映了多年生黑麥草優(yōu)秀的飼草品質（表2）。

極干旱脅迫使2牧草葉片水分顯著減少（Plt;0.05），雀麥和多年生黑麥草的多汁率與80%～85% PAW處理相比分別減少了18.78%和11.50%。

2.3" 牧草葉片水分含量對極端干旱脅迫的主動響應

本研究對“相對含水量”和“水勢”采用多獨立樣本的非參數(shù)檢驗（Kruskal-Wallis檢驗）進行差異顯著性檢驗（表3）。多年生黑麥草和雀麥葉片相對含水量和水勢均無顯著種間差異，水勢在-1.81 MPa左右，相對含水量在90.38%左右。20%～25% PAW極干旱脅迫對牧草組織的水分狀況具有極其顯著的影響。葉片水勢極顯著降低，由-1.25 MPa降低到-2.85 MPa，下降了1.60 MPa；相對含水量亦極顯著降低，由96.88%降低到79.65%，下降了17.78%（表3）。

水勢和相對含水量的箱線圖可以更直觀地反映雀麥和多年生黑麥草的組間差異和種間差異（圖2）。80%～85% PAW充分灌水組的水勢（圖2A）和相對含水量（圖2B）都位于圖的上部（綠色箱），而20%～25% PAW干旱脅迫處理組則處于圖的中部或下部（紅色箱），遠遠低于充分灌水組。20%～25% PAW使雀麥和多年生黑麥草的水勢由-1.20 MPa和-1.25 MPa降低到-2.79 MPa和-2.70 MPa，分別降低了1.59 MPa和1.45 MPa；相對含水量由97.43%和95.55%降低至69.02%和83.25%，分別減少了29.20%和13.90%。

2.4" 牧草葉片水分運動對極端干旱脅迫的響應

水分運動受牧草光合作用和蒸騰作用的影響。雀麥和多年生黑麥草光合作用具有較大差異（表4）。2牧草凈光合速率無明顯區(qū)別，雀麥和多年生黑麥草凈光合速率分別為8.28和7.50 μmol·m-2·s-1；但是，雀麥的蒸騰速率、胞內CO2濃度、CO2總導度和氣孔導度均顯著高于多年生黑麥草（Plt;0.05）；而多年生黑麥草的葉片瞬時水分利用效率則極顯著高于雀麥（Plt;0.01），80%～85% PAW充分灌水條件下，多年生黑麥草的瞬時水分利用效率是雀麥的1.63倍。

20%～25% PAW極干旱脅迫顯著影響了2牧草的光合作用和蒸騰作用（表4）。干旱脅迫使雀麥和多年生黑麥草的凈光合速率、蒸騰速率、CO2導度、氣孔導度和葉表相對濕度5個變量均極顯著降低（Plt;0.01），限制了光合作用和蒸騰作用的功能。雀麥和多年生黑麥草的光合速率分別下降了34.66%和28.93%，極顯著抑制了光合產物的合成；蒸騰速率分別下降了46.13%和39.73%，蒸騰作用變慢。干旱脅迫使葉片瞬時水分利用效率和氣孔限制呈增加趨勢，胞內CO2濃度呈減小趨勢，但三者均未達到顯著水平。干旱脅迫下雀麥的瞬時水分利用效率和氣孔限制分別增加了30.21%和29.96%，增幅較大；多年生黑麥草增加了4.18%和4.63%，增幅較小。另外，雀麥和多年生黑麥草的胞內CO2濃度分別降低了9.59%和2.50%。

兩牧草與土壤水分含量的互作效應未對光合作用參數(shù)產生顯著影響（表4）。

葉片與大氣溫差非參數(shù)檢驗的Kruskal-Wallis檢驗表明（表5），兩牧草葉溫差具有較大差異（Plt;0.05），雀麥的葉溫差明顯低于多年生黑麥草；干旱脅迫顯著增大了牧草的葉溫差（Plt;0.05）。

2.5" 多年生黑麥草和雀麥在極端干旱處理下24個變量的變化

在極端干旱脅迫下，多年生黑麥草和雀麥相對于充分灌水條件2者的生長特性和生理代謝活動表現(xiàn)不一致（圖3）。具體體現(xiàn)在，分蘗數(shù)、干重和鮮重及葉面積的變化趨勢存在種間差異，干旱脅迫使這些與生物量積累相關的變量在雀麥中相對增加，在多年生黑麥草中相對減少。多汁率、相對含水量、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等反映水分狀況和生理代謝活動的變量受極端干旱的影響在2牧草中均有所下降。最為重要的是葉片水勢發(fā)生了極大的改變，雀麥和多年生黑麥草的水勢干旱條件下是充分灌水的2.16～2.33倍，是牧草耐受干旱的主要原因。另外，由于氣孔導度和蒸騰作用受限，致使葉溫差加大，尤其是雀麥升高了3倍。

2.6 "多年生黑麥草和雀麥24個變量的主成分分析

對表1-表5的24個變量進行主成分分析（PCA），根據相關矩陣的特征分析（表6），提取特征值gt;1的主成分1（PC1）、主成分2（PC2）、主成分3（PC3）、主成分4（PC4）和主成分5（PC5）。這5個主成分累積方差貢獻率為0.89（表6），說明這5個主成分可以解釋24個變量89%的變異，其中，PC1占38%，PC2占25%（表6），前兩個主成分累積方差貢獻達62%。

根據24個變量的特征向量的報告結果，分析并提取前五個主成分的特征向量—因子載荷（表7）。第1主成分PC1與光合相關變量有關，因子載荷在|-0.22|～0.32之間，呈中等相關水平。其中，PC1與蒸騰速率、氣孔導度、CO2導度、胞內CO2濃度和葉表相對濕度呈正相關關系，與葉片瞬時水分利用效率、葉溫差、氣孔限制和干物質密度呈負相關關系。第2主成分PC2主要與牧草生物量和水分特性相關；因子載荷在0.22～|—0.36|之間，為中等相關水平。PC2與分蘗數(shù)、多汁率、相對含水量正相關，與飽和鮮重、干重、葉面積負相關。第3主成分PC3與根系生長相關，與根干重、根冠比正相關，與凈光合速率負相關。第4主成分PC4與莖葉生長相關。PC4與莖葉干重、綠葉干重正相關，與枯葉占比負相關。第5主成分PC5與鮮重、水勢正相關，因子載荷分別為0.38和0.42；與枯葉干重呈負相關。

將多年生黑麥草和雀麥24個變量的前2個主成分得分繪制散點圖和變量載荷圖（圖4），并分別對所有觀測變量的PC1和PC2估計值進行方差分析（表8）。PC1反映多年生黑麥草和雀麥兩牧草之間具有極顯著的種間差異（表8，Plt;0.001），80%～85% PAW和20%～25% PAW處理也存在著極顯著的組間差異（表8，Plt;0.01）。

在散點圖（圖4）上，圓形（綠色和紅色）標識的雀麥的大多數(shù)點在PC1軸線的右側，三角形（綠色和紅色）標識的多年生黑麥草在PC1軸線的左側。結合變量載荷圖（圖4藍色線段）和表7，說明PC1相關變量（蒸騰速率、氣孔導度、CO2導度、胞內CO2濃度、葉表相對濕度）與雀麥正相關，雀麥葉片的氣孔導度大，蒸騰作用強烈；而葉片瞬時水分利用效率、葉溫差與多年生黑麥草正相關，說明多年生黑麥草葉片的水分利用效率和葉表溫差均高于雀麥。此外，在散點圖上（圖4），紅色（圓形和三角形）標識的20%～25% PAW干旱脅迫的點大多數(shù)在PC1軸線的左側，而綠色（圓形和三角形）標識的80%～85% PAW充分灌水的點相對處于PC1軸的右側，結合80%～85% PAW和20%25% PAW處理也存在著極顯著的組間差異（表8，Plt;0.01）的統(tǒng)計結果，發(fā)現(xiàn)瞬時水分利用效率、葉溫差與干旱脅迫正相關，說明在干旱脅迫下，瞬時水分利用效率提高；干旱引起氣孔導度降低，蒸騰速率極顯著下降，造成葉溫差顯著增加。

PC2反映24個變量同時存在極顯著的種間差異（表8，Plt;0.001）和極顯著的組間差異（表8，Plt;0.001）。在散點圖上，三角形（綠色和紅色）標識的多年生黑麥草大多數(shù)點在PC2軸線上的位置相對高于圓形（綠色和紅色）標識的雀麥的位置。結合變量載荷圖（圖2）和表7發(fā)現(xiàn)：雀麥與葉面積、干重、飽和葉重正相關；多年生黑麥草與分蘗數(shù)、多汁率、相對含水量正相關。另外，綠色（圓形）標識的80%～85% PAW雀麥的點在PC2軸線上高于紅色（圓形）標識的20%～25% PAW（圖2），綜合考慮數(shù)據統(tǒng)計結果（表2-3）和變量載荷圖（圖4），PC2所代表的飽和葉重、干重和葉面積主要與遭受干旱脅迫的雀麥（紅色Bv 20%～25%PAW）方向一致，而與充分灌水的雀麥（圓形Bv 80%～85%PAW）方向相反。

3" 討論

3.1" 牧草生長和生物量分配對極端干旱脅迫的適應性改變

本研究發(fā)現(xiàn)，雀麥在干旱脅迫下，其葉片的飽和葉重、干重和葉面積呈增大的趨勢，但未及顯著水平（圖2、表2和表3）。葉片的飽和葉重增大，保持水分的潛力增強，葉片變大，干物質積累增加。與多年生黑麥草在飽和葉重、干重和葉面積減輕以及葉片變小的干旱適應性反應趨勢不同，雀麥葉片的生長性能表現(xiàn)出不同的反應趨勢（表2）。通常在長期水分虧缺的環(huán)境下，植物為了維持較高的凈光合速率，葉片在形態(tài)學和解剖結構上會發(fā)生暫時或永久性的變化［15］。其中，第1個特點就是縮小葉面積以減少蒸騰量［30-31］，或改變葉片方向以減小受光面積［32-33］。多年生黑麥草在極端干旱脅迫下葉片生長的適應性變化與前人對羊草［Leymus chinensis （Trin.） Tzvel.］［29］、狗牙根（Cynodon dactylon L.）［31］和玉米（Zea mays L.）［32］葉片的變化較為一致，通過減小葉面積可以有效減少葉片蒸騰造成的水分損失。

在充分灌水或極端干旱條件下，雀麥和多年生黑麥草的生物量積累及生物量在根、莖葉的分配無顯著種間差異和水分處理的組間差異。說明本研究2牧草的生長狀況對地上部光照的需求與地下部對水分和養(yǎng)分的需求同樣重要［34］，不同于土壤水分減少時植物將更多的資源分配到地下，使根系生物量占比相對提高，即根冠比增大的研究［35-36］。

3.2" 光合作用、蒸騰作用和水分利用效率對極端干旱脅迫的適應性改變

植物蒸騰作用是一個復雜的生理過程，分為皮孔蒸騰和葉片蒸騰。葉片蒸騰又分為角質層蒸騰和氣孔蒸騰。其中，氣孔蒸騰是植物蒸騰作用最主要的方式，植物水分損失的90%以上是通過氣孔流失的［37-38］。研究發(fā)現(xiàn)，氣孔蒸騰作用不僅受植物本身的調節(jié)和控制，而且還受外界環(huán)境條件的影響［32，39］。

氣孔行為最佳化理論（Optimization theory of stomatal behavior）［40-41］認為，隨著環(huán)境因子的變化，氣孔能自動調節(jié)到一個最佳的開閉水平，使得植物盡可能多地獲取碳而最少地損失水［42］。雖然尚不明確這種現(xiàn)象的生理機制，但是氣孔開度會隨環(huán)境因子的變化而改變是肯定的。氣孔開度的變化使植物光合作用的參數(shù)發(fā)生相應的改變，如凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率。不同生育期的冬小麥遭受干旱脅迫，其氣孔導度和凈光合速率隨脅迫程度的加重而降低，且下降幅度逐漸加?。?3］。同樣地，本研究多年生黑麥草和雀麥在20%～25% PAW的極端干旱條件下凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和CO2總導度均極顯著降低（Plt;0.01），減小了水分在土壤、牧草和大氣的循環(huán)運動，減少了牧草的蒸騰失水量。

光合作用、蒸騰作用直接影響植物的水分利用效率。任何影響植物光合作用與蒸騰作用的因素都會不同程度地影響植物的水分利用效率。據報道，羊茅屬（Festuca）、多年生黑麥草屬（Lolium）和羊茅多年生黑麥草屬（Festulolium）牧草、白三葉（Trifolium repens L.）、高羊茅［Schedonorus phoenix （Scop.） Holub］、狼尾草（Pennisetum clandestinum Hochst. ex. Chiov. Whittet）等多種牧草的蒸騰速率和凈光合速率存在較大差異，水分利用效率差異的變化也較大；在遭受不同程度土壤水分限制，有的牧草水分利用效率極顯著升高，如多年生黑麥草‘Melluck’品種、羊茅多年生黑麥草屬F. brauniii ‘Felopa’品種等［44］，有的牧草水分利用效率大幅下降［45］。Smeal等研究表明，在土壤水分獲取低的情況下，不同牧草的水分利用效率差異高達20倍［46］。不同牧草對干旱脅迫的響應特征所表現(xiàn)出的差異性說明牧草具有不同的水分利用模式和適應策略。本研究結果表明，在80%～85% PAW充分灌水的土壤條件下，雀麥蒸騰速率極顯著高于相同條件下生長的多年生黑麥草（Plt;0.01）；同時，氣孔開張度大，CO2總導度和氣孔導度也顯著高于多年生黑麥草，而瞬時水分利用效率極顯著低于多年生黑麥草（Plt;0.01），說明雀麥在80%～85% PAW充分供水條件下蒸騰強烈、耗水量高，采用的是粗放用水型的水分利用策略。一般認為在較濕潤環(huán)境里，較低的水分利用效率和揮霍的水分利用模式能使植物獲得較高的生產力［47］。多年生黑麥草相較于雀麥而言，瞬時水分利用效率較高是雀麥的1.63倍（表4），意味著在一定的水熱條件下積累干物質所消耗的水量更少；多年生黑麥草采用了比雀麥更為保守的節(jié)約型水分利用策略。

此外，20%～25% PAW極干旱脅迫極顯著抑制了雀麥和多年生黑麥草的光合作用和蒸騰作用，雀麥的瞬時水分利用效率和氣孔限制分別提高了30.21%和29.96%，而多年生黑麥草只分別提高了4.18%和4.63%，說明雀麥更多地受到氣孔限制的影響，進而影響了凈光合速率和蒸騰速率，瞬時水分利用效率大幅度提升；多年生黑麥草因始終采取保守的節(jié)約型水分利用模式，所以干旱脅迫對瞬時水分利用效率的增效不明顯。雀麥和多年生黑麥草在極端干旱條件下瞬時水分利用效率的變化不同于Mastalerczuk等對F. braunii，F(xiàn). arundinacea和L. perenne 6個栽培品種牧草的研究，其研究表明在春、夏干旱條件下由于植物蒸騰作用增加，瞬時水分利用效率較低［48］。

3.3" 水勢對極端干旱脅迫的適應性改變

植物葉片水勢與土壤水分狀況之間聯(lián)系緊密。在植物水勢下降時植物通過滲透調節(jié)作用保持一定的膨壓，從而保持體內水分平衡。20%～25% PAW極干旱脅迫對雀麥和多年生黑麥草的水分狀況具有極其顯著的影響。葉片水勢極顯著降低，由充分灌水的—1.25 MPa降低到—2.85 MPa，下降了1.6 MPa。雀麥和多年生黑麥草的葉片水勢與其他作物相比，在嚴重干旱脅迫下下降幅度更大。黎麥（Chenopodium quinoa Willd.）葉片水勢隨干旱脅迫的加劇而降低；在表面滴灌方式下，葉水勢由充分灌水的-1.54 MPa降低至雨養(yǎng)地的-2.05 MPa，下降了0.51 MPa［49］。小麥在傳統(tǒng)灌溉和補充灌溉策略下使用噴淋線源系統(tǒng)，與充分灌水相比，在雨養(yǎng)條件下，葉片水勢降低至-21.65～-25.40 bar（1 bar=0.1 MPa），下降了0.38 MPa［50］。耐旱的高粱（Sorghum bicolor L.）在無灌水1個月，水勢亦極顯著下降（P=0.000）［51］，但其下降幅度依然不及本研究多年生黑麥草和雀麥。植物葉片或莖的水勢是植物水分狀態(tài)的綜合度量，它與Gs［52］、水力導度［53］、糖轉運［54］和全株蒸騰［55］等關鍵功能相互作用［56］。在極干旱條件下，雀麥和多年生黑麥草擁有更低的水勢可能與確保植物某些功能的正常運轉相關。

4" 結論

在充分灌水條件下，2種牧草生長和持水力相近。但是，雀麥氣孔導度和蒸騰速率高，蒸騰作用強烈，水分利用效率相對較低，這表明雀麥可能采用粗放型水分利用策略。而多年生黑麥草則相反，采取相對保守的節(jié)約型用水策略。

當遭受極端干旱脅迫，與生物量積累相關的變量在雀麥中相對增加，在多年生黑麥草相對減少，但未及顯著水平。在干旱脅迫下兩種牧草葉片水分含量顯著降低，這抑制了光合作用等生理代謝活性。但是，兩者均能通過降低水勢以增強葉片持水力。同時，它們會減小凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，以降低牧草水分循環(huán)，減少蒸騰失水，從而提高牧草抗旱性。

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（責任編輯" 閔芝智）