謝　飛，閆倩倩，郭　星，劉錦乾

（1.甘肅省白龍江林業(yè)管理局 林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅白龍江森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，甘肅 甘南 747000）

白龍江干旱河谷位于青藏高原東緣與秦嶺西段交匯處，是長江水系北部的生態(tài)脆弱帶和敏感區(qū)，也是長江、黃河上游至關(guān)重要的水源涵養(yǎng)、水土保持區(qū)，我國西部重要的大尺度生態(tài)過渡帶和生物多樣性關(guān)鍵地區(qū)之一[1-3]。但由于地質(zhì)變遷、氣候變化、焚風(fēng)效應(yīng)以及人為因素等[3]，造成白龍江干旱河谷植被生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，水土流失加劇，具有向荒漠化發(fā)展的趨勢(shì)。

植物抗旱性強(qiáng)弱是多個(gè)因子相互作用的結(jié)果，單一的抗旱指標(biāo)難以充分反映出植物對(duì)干旱立地條件適應(yīng)的綜合能力，只有采用多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，才能較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物的抗旱水平[4-5]。因此需要對(duì)各種抗旱性指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，避免由單個(gè)指標(biāo)對(duì)抗旱性評(píng)價(jià)所造成的誤選，以提高對(duì)抗旱性植物選擇的可靠性。前人大多用一定的數(shù)學(xué)方法獲得既定的綜合值來作為衡量抗旱性高低的最終標(biāo)準(zhǔn)。目前，主要采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法、抗旱性指數(shù)以及模糊數(shù)學(xué)中的聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析法等相關(guān)方法對(duì)植物抗旱性進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)[6-10]。周招娣等[11]在控水模擬自然干旱的條件下利用主成分及隸屬函數(shù)分析法對(duì)油茶嫁接苗的抗旱性進(jìn)行了研究，取得了較好效果。王志泰等[12]利用隸屬函數(shù)法，對(duì)胡枝子的抗旱性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。種培芳等[13]利用隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)4個(gè)地理種群的紅砂抗旱性做出了綜合評(píng)價(jià)，用灰色關(guān)聯(lián)度分析了與紅砂抗旱性有關(guān)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度。目前的研究中，已有很多通過研究植物的生理特征評(píng)價(jià)抗旱性的報(bào)道[11-14]，但針對(duì)白龍江干旱河谷區(qū)抗旱性的研究較少。本研究以白龍江干旱河谷抗旱性較強(qiáng)的5個(gè)灌木樹種進(jìn)行水分脅迫試驗(yàn)，通過抗旱性評(píng)價(jià)和不同水分條件下抗旱性的表現(xiàn)差異研究，旨在為白龍江干旱河谷脆弱生態(tài)區(qū)植被重建與恢復(fù)過程中植物的選擇提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

選擇生長較為一致的2年生狼牙刺、河朔蕘花、華西小石積、酸棗、荊條幼苗為試驗(yàn)材料，苗木均為2015年9月份播種于白龍江林業(yè)管理局兩水林場，2016年4月移栽于花盆中，每盆一株?；ㄅ枰?guī)格為直徑30 cm×高25 cm，每盆裝土3.2 kg，所用土壤來源于苗木所在苗圃地，土壤最大田間持水量為25.3%，盆栽完成后對(duì)苗木進(jìn)行常規(guī)管理。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年7月試驗(yàn)開始，每個(gè)樹種選擇生長良好、長勢(shì)一致的幼苗。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置了4 個(gè)土壤水分處理水平，用W1、W2、W3、W4表示，其土壤相對(duì)含水量分別設(shè)為：80%～85%、50%～55%、30%～35%、10%～15%，各處理重復(fù)3次。采用秤重法監(jiān)控土壤含水量，每天18:00用感量為千分之一的電子天平稱盆重，補(bǔ)充當(dāng)天揮發(fā)的水分，使其保持設(shè)定內(nèi)含水量，試驗(yàn)期間搭建遮雨棚，控水7 d后采集樣本莖中的部葉片放入冰箱中保鮮，進(jìn)行包括滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性、葉綠素等指標(biāo)的測(cè)定，測(cè)定時(shí)每個(gè)樣本重復(fù)3次[15-16]。

1.3　指標(biāo)測(cè)定

可溶性糖（Soluble sugar，SS）含量采用采用蒽酮比色法測(cè)定，脯氨酸（Proline，Pro）含量采用茚三酮比色法測(cè)定，可溶性蛋白（Soluble protein，SP）含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定，超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定，過氧化物酶（Peroxide enzyme，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性采用紫外吸收法測(cè)定，葉綠素（Chlorophyll，Chl）含量采用乙醇法測(cè)定。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用單因素方差分析以及Duncan多重比較法對(duì)各個(gè)指標(biāo)的差異性進(jìn)行分析；利用隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性的綜合評(píng)價(jià)。

隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式[11,17-18]如下：

式（1）中：u(Xij)為i物種j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為i物種j指標(biāo)的測(cè)定值，Ximax和Ximin分別為指標(biāo)的最大值和最小值。

根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)與抗旱性的關(guān)系，運(yùn)用隸屬函數(shù)計(jì)算出不同樹種各項(xiàng)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值，平均隸屬函數(shù)值越大，表示該樹種綜合各項(xiàng)指標(biāo)的抗旱性越強(qiáng)[19]。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同水分脅迫對(duì)幼苗生理生化指標(biāo)的影響

2.1.1不同水分脅迫對(duì)幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性蛋白、可溶性糖及游離脯氨酸是植物體內(nèi)3種較為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有提供能量、提高細(xì)胞質(zhì)濃度、提高信號(hào)物質(zhì)傳導(dǎo)的作用[20]。由表1可看出，5個(gè)樹種的SS含量隨著水分脅迫程度的加深呈增大趨勢(shì)，華西小石積和酸棗的SS含量除在W1和W3條件下與河朔蕘花差異不顯著（P＞0.05），其它情況均與其它樹種差異顯著（P＜0.05）。脯氨酸在植物抗旱效應(yīng)中的表現(xiàn)早已被證實(shí)，在干旱脅迫發(fā)生時(shí)植物體內(nèi)其含量會(huì)增多，對(duì)滲透調(diào)節(jié)有著非常重要的作用[21]。除荊條外，4個(gè)樹種的Pro含量隨著水分脅迫程度的加深呈先增大后降低的趨勢(shì)，但到達(dá)峰值的土壤水分不同，4個(gè)水分條件下河朔蕘花的Pro均顯著高于其它樹種（P＜0.05），可見河朔蕘花的Pro與其它4個(gè)樹種相比在抗旱性上優(yōu)勢(shì)較為明顯。荊條的Pro含量隨著水分脅迫程度的加深呈降低趨勢(shì)，說明荊條在此指標(biāo)上表現(xiàn)出較差的抗旱性。華西小石積的SP含量隨著水分脅迫程度的加深呈增高趨勢(shì)，而另外4個(gè)樹種呈先增高后降低趨勢(shì)，說明其它4個(gè)樹種相對(duì)于華西小石積的SP含量對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)更為敏感。除了在輕度脅迫條件下狼牙刺差異不顯著外（P＞0.05），其它情況均顯著高于其它樹種，表明狼牙刺在SP上表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性（P＜0.05）。

表 1　水分脅迫下幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)?Table 1　Osmotic adjustment substance of young seedlings under drought stress　　　(μg·g-1)

2.1.2不同水分脅迫對(duì)幼苗抗氧化酶活性的影響

抗氧化物質(zhì)能夠有效清除活性氧，減少由于干旱引起的氧化脅迫對(duì)植物造成的不良影響，從而提高植物的抗旱性[22]。由表2可看出，隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)，SOD活性總體上呈先上升后下降趨勢(shì)，而每個(gè)水分條件下抗旱性優(yōu)勢(shì)樹種不盡相同，說明5個(gè)樹種在SOD活性上存在差異，但總體上差異水平不大。隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)，POD活性總體呈上升趨勢(shì)，狼牙刺的POD活性在4個(gè)水分條件下均顯著高于其它樹種（P＜0.05），且其含量較其它樹種高出很多，表明在POD活性上狼牙刺所表現(xiàn)出的抗旱性明顯優(yōu)于其它樹種。隨著水分脅迫程度的加深華西小石積的CAT活性呈增大趨勢(shì)，其它4個(gè)樹種則呈先增大后降低的趨勢(shì)，表明華西小石積在CAT活性上較其它4個(gè)樹種對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)更為延緩，更加能適應(yīng)干旱環(huán)境，而其它樹種則隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)CAT受到抑制。

2.1.3不同水分脅迫對(duì)幼苗葉綠素的影響

表 2　水分脅迫下幼苗抗氧化酶活性Table 2　Anti-oxidative enzymes activity of young seedlings under drought stress　　　(μ·g-1)

葉綠素作為植物光合作用的重要色素，與植物生長量、生物量等密切相關(guān)，其含量越高，相同光照環(huán)境下單位時(shí)間內(nèi)通過光合作用轉(zhuǎn)換化的光能就越多，從而轉(zhuǎn)換積累的有機(jī)物也越多，對(duì)干旱脅迫的抵御能力也就越強(qiáng)[23-24]。由表3可看出，5個(gè)樹種的Chla含量均隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，荊條在中度脅迫時(shí)達(dá)到峰值，其它4個(gè)樹種在輕度脅迫時(shí)達(dá)到峰值，其中狼牙刺的Chla含量在各水分條件下均顯著高于其它樹種（P＜0.05），說明狼牙刺的Chla含量所表現(xiàn)出的抗旱均明顯高于其它樹種。Chlb含量上狼牙刺和荊條隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，而河朔蕘花、華西小石積、酸棗則隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)呈先降低后有所回升的趨勢(shì)，這與劉雅倩[25]對(duì)棗瘋病植原體對(duì)棗樹葉綠素的研究中病葉的Chlb含量變化趨勢(shì)一致，這可能是由于在水分較為虧缺的條件下這3種植物為了維持自身正常的生理代謝所產(chǎn)生的修復(fù)補(bǔ)償響應(yīng)所致。而Chl(a+b)含量均隨著干旱脅迫的程度加強(qiáng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，狼牙刺的Chl(a+b)含量在4個(gè)水分條件下均顯著高于其它樹種（P＜0.05），表明其該指標(biāo)的抗旱性能高于其它樹種。Chl(a/b)值的大小說明了植物的喜光程度，從而間接說明了植物抗旱性的大小，5個(gè)樹種中，在對(duì)照和輕度脅迫下酸棗的Chl(a/b)值顯著高于其它樹種（P＜0.05），在中度脅迫和重點(diǎn)脅迫下Chl(a/b)值顯著高于其它樹種（P＜0.05）。

表 3　水分脅迫下幼苗的葉綠素含量Table 3　Chlorophyll of young seedlings under drought stress　　 (μg·g-1)

2.2　抗旱性綜合評(píng)價(jià)

由表4可以看出，4個(gè)水分條件下 5個(gè)樹種的10項(xiàng)生理指標(biāo)所具有的抗旱性存在差異，如果用單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)各樹種的抗旱性結(jié)果均不盡相同，因此需對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。以可溶性糖含量、過氧化氫酶活性、葉綠素等10個(gè)抗旱指標(biāo)為依據(jù)，計(jì)算4個(gè)水分條件下各指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（見表4）。由表4可看出，在W1水分條件下綜合各指標(biāo)的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋救A西小石積＞酸棗＞河朔蕘花＞荊條；W2水分條件下綜合各指標(biāo)的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋救A西小石積＞酸棗＞河朔蕘花＞荊條；W3水分條件下綜合各指標(biāo)的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋厩G條＞華西小石積＞酸棗=河朔蕘花；W4水分條件下綜合各指標(biāo)的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋厩G條＞華西小石積＞河朔蕘花＞酸棗。

將4個(gè)水分條件下的各指標(biāo)隸屬函數(shù)值取平均值后得出表5，可看出綜合4個(gè)水分條件下5種植物的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋救A西小石積＞河朔蕘花＞酸棗＞荊條。

3　結(jié)論與討論

植物受到干旱脅迫時(shí)，會(huì)因脅迫程度的差異呈現(xiàn)出階段性特性，其過程可能會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)、傷害、修復(fù)補(bǔ)償甚至再傷害等階段性反應(yīng)。而不同的樹種，由于其生理結(jié)構(gòu)及所具有的抗旱性的差異，最終通過各項(xiàng)抗旱指標(biāo)體現(xiàn)出來[26-27]。通過對(duì)5個(gè)樹種在4個(gè)水分條件下的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性、葉綠素方差分析表明，各項(xiàng)指標(biāo)在不同的水分條件下，不同的樹種除個(gè)別情況外均呈顯著差異（P＜0.05），說明了進(jìn)行抗旱性樹種選擇的意義和價(jià)值。由4個(gè)水分梯度下5個(gè)樹種的10個(gè)抗旱指標(biāo)的差異性分析可以看出，不同的指標(biāo)上其抗旱性評(píng)價(jià)所篩選出的優(yōu)良樹種各不相同，而且各指標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜，不同指標(biāo)的重要性也不相同，其中河朔蕘花的Pro含量和狼牙刺的POD活性在4個(gè)水分條件下均明顯高于其它樹種，但用任何一個(gè)指標(biāo)來判定5個(gè)灌木的抗旱性都過于片面，缺乏可靠性，所以需對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表 4　水分脅迫下5種植物隸屬函數(shù)值及抗旱性評(píng)價(jià)Table 4　Comprehensively-assessed results of membership function and drought resistance of five plant species under drought stress

表 5　5種植物抗旱性綜合評(píng)價(jià)Table 5　Comprehensive evaluation of drought resistance of five tree species

植物抗旱性強(qiáng)弱是由多個(gè)因子相互作用的結(jié)果，是一個(gè)較為復(fù)雜的體系[28-29]。如果用單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)樹種的抗旱性，由于所用指標(biāo)的不同則會(huì)得出多種結(jié)果，難以充分反映出植物對(duì)干旱立地條件適應(yīng)的綜合能力，只有采用多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，才能較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物的抗旱能力，避免由單個(gè)指標(biāo)對(duì)抗旱性評(píng)價(jià)所造成的誤選，以提高對(duì)抗旱性樹種選擇的可靠性[30-32]。本研究采用隸屬函數(shù)法綜合10個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)5個(gè)灌木樹種抗旱性，隸屬函數(shù)分析結(jié)果表明，在80%～85%、50%～55%水分條件下抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋救A西小石積＞酸棗＞河朔蕘花＞荊條；30%～35%水分條件下抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋厩G條＞華西小石積＞酸棗＝河朔蕘花；10%～15%水分條件下抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋厩G條＞華西小石積＞河朔蕘花＞酸棗。綜合4個(gè)水分條件，5個(gè)樹種的抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椋豪茄来蹋救A西小石積＞河朔蕘花＞酸棗＞荊條。

本試驗(yàn)的研究結(jié)果，對(duì)于白龍江干旱河谷區(qū)的植被重建和恢復(fù)過程中樹種的選擇提供了理論依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中針對(duì)立地條件有效地選擇適宜樹種有一定的指導(dǎo)意義，但目前對(duì)苗期抗旱性的研究多為喬木，且已進(jìn)入實(shí)用性階段，對(duì)灌木苗期抗旱性的研究報(bào)道甚少，灌木苗期的抗旱性能不能完全代表以后抗旱能力的變化情況，還需后期對(duì)灌木的不同階段進(jìn)一步測(cè)定，以驗(yàn)證不同階段的各項(xiàng)指標(biāo)與抗旱性的相關(guān)性，選擇出白龍江干旱河谷生態(tài)修復(fù)的最佳樹種。