武紅柱,韓麗君,武玉斌，賈 軍

(1.山西省林業(yè)種苗管理總站,山西 太原 030012；2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012；3.山西省太行山國(guó)有林管理局，山西 和順 032700)

水資源短缺是一個(gè)全球性生態(tài)問題，特別是在干旱半干旱地區(qū)，嚴(yán)重制約著作物生產(chǎn)與植被恢復(fù)。山西省位于黃土高原，屬于典型的半干旱地區(qū)。近年來(lái)，山西干旱化日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)靥貏e是困難立地的植被恢復(fù)，如何解決這一問題已成為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

鄉(xiāng)土植物是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生存競(jìng)爭(zhēng)和自然選擇，在經(jīng)受當(dāng)?shù)貥O端氣候變化和各種病害、蟲害侵襲等自然逆境后仍能健康生長(zhǎng)的植物，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，選擇適宜的鄉(xiāng)土植物對(duì)山西省困難立地進(jìn)行植被恢復(fù)是一條行之有效的途徑，不僅可以節(jié)約大量的財(cái)力和物力，還能使當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

麗豆為豆科麗豆屬，是典型的山西省鄉(xiāng)土植物，分布于太原、交城、離石等地。由于麗豆野外種群數(shù)量少，呈現(xiàn)極度瀕危之勢(shì)，已被建議列為山西省二級(jí)瀕危保護(hù)植物。豆麗不僅具有獨(dú)特的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有較強(qiáng)的水土保持功能。目前，對(duì)麗豆的生物學(xué)特征、遺傳、形態(tài)、種群生態(tài)等方面的研究已經(jīng)開展。但有關(guān)麗豆抗旱性的研究未見相關(guān)報(bào)道。因此，筆者通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究麗豆在干旱脅迫下的外部形態(tài)及生理變化，并以另外2種具有較強(qiáng)抗旱能力的山西省鄉(xiāng)土灌木野皂莢(Gleditsiamicrophylla)和連翹(Forsythiasuspensa)為參照，利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)它們的抗旱性，揭示麗豆抗旱生理機(jī)制，為麗豆的保護(hù)和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)地點(diǎn)為太原市山西省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)，地理坐標(biāo)37°26′N，111°29′E.試驗(yàn)灌木均來(lái)自于山西省，各灌木特征見表1.

表1 試驗(yàn)灌木

選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的苗木，于2015年5月初植入高約25 cm，上口徑35 cm，下口徑22 cm的塑料花盆中。栽培基質(zhì)為沙壤土(園土∶細(xì)沙=2∶1)，重量為5 kg.栽植苗木后正常澆水，生長(zhǎng)3個(gè)月后，于7月29日進(jìn)行水分脅迫處理。每種灌木選取30盆長(zhǎng)勢(shì)一致的植株置于可移動(dòng)防雨棚下，1次性澆透水，均澆至盆底托盤中有水滲出，以保證每盆土壤含水量一致。試驗(yàn)期間不再澆水，使其自然持續(xù)干旱。如遇雨天，將防雨塑料膜拉開遮雨，以避免雨水澆灌中斷自然干旱脅迫。7月30日開始，分別在第0天、7天、14天、21天、28天采集當(dāng)年生新梢部第4片～6片成熟葉片，觀察記錄各樹種的葉片形態(tài)，共采樣5次。采樣完成后將樣品放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

葉片含水量采用重量差法進(jìn)行測(cè)定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，脯氨酸采取磺基水楊酸浸提法測(cè)定，超氧化物岐化酶活性采取氮藍(lán)四唑(NBT)比色法測(cè)定，過(guò)氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，葉綠素含量采用浸提法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用因素方差分析法(one-way ANOVA)對(duì)不同灌木之間的生理指標(biāo)差異進(jìn)行分析。3種灌木抗旱性采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)，具體計(jì)算方法如下：

與抗旱性正相關(guān)指標(biāo)：

X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

與抗旱性負(fù)相關(guān)指標(biāo)：

1-X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中：X(μ)——i種植物指標(biāo)隸屬函數(shù)值；

Xij——i種植物j指標(biāo)值；

Xmin——j指標(biāo)中最小值；

Xmax——j指標(biāo)中最大值。

計(jì)算3種灌木各指標(biāo)下每個(gè)脅迫階段測(cè)定值的隸屬函數(shù)值，并求出平均值。分別將3種灌木各個(gè)生理指標(biāo)求得的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，并求得平均值，平均值即為該灌木抗旱性的綜合評(píng)估值。

2 結(jié)果

2.1 葉片形態(tài)和含水量變化

在干旱脅迫下，3種灌木葉片表現(xiàn)出不同癥狀，見表2.

表2 葉片形態(tài)變化

在干旱脅迫7 d時(shí)，所有灌木沒有出現(xiàn)任何癥狀，均能正常生長(zhǎng)。在14 d時(shí)，只有連翹出現(xiàn)癥狀。在21 d時(shí)，只有野皂莢沒有癥狀。而28 d后，所有灌木均出現(xiàn)癥狀?？梢?，從外部形態(tài)來(lái)看，干旱脅迫對(duì)植物的影響，野皂莢較輕，其次是麗豆，連翹最嚴(yán)重。

干旱脅迫對(duì)葉片相對(duì)含水量的影響，見第3頁(yè)圖1.

隨著持續(xù)干旱脅迫，3種灌木葉片相對(duì)含水量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降幅度不同。試驗(yàn)結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹相對(duì)含水量分別下降了19%，31%，33%.可見，麗豆葉片含水量下降最小，說(shuō)明其保水能力較高，抗旱能力較強(qiáng)。

2.2 葉綠素含量

干旱脅迫對(duì)植物葉片葉綠素含量的影響，見第3頁(yè)圖2.

圖1 葉片相對(duì)含水量的變化

圖2 干旱脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，葉綠素含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但上升持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短不同。野皂莢和連翹的葉綠素含量在第7天已上升到最大值，而麗豆在第21天才達(dá)到最大值。說(shuō)明麗豆在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后才受到干旱脅迫的影響。試驗(yàn)結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹中葉綠素含量分別下降了25%，10%，80%，說(shuō)明麗豆、野皂莢在干旱脅迫下葉綠素的降解程度較輕，抗旱性較強(qiáng)。

2.3 丙二醛和脯氨酸含量

干旱脅迫對(duì)3種灌木丙二醛含量的影響，見圖3.

由圖3可以看出，3種灌木的丙二醛(MDA)含量均隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，均在28 d時(shí)達(dá)到最高值。方差分析表明，麗豆與野皂莢的MDA含量種間差異性不顯著(P>0.05)，但兩者均顯著低于連翹(P<0.01)。從MDA增幅來(lái)看，連翹增幅最大(增加2.1倍)，麗豆(0.50倍)和野皂莢增幅(0.37倍)較小。表明在干旱脅迫下，麗豆、野皂莢的膜系統(tǒng)比較穩(wěn)定，受損較輕。

干旱脅迫對(duì)3種灌木脯氨酸含量的影響，見圖4.

由圖4可以看出，3種灌木的脯氨酸(Pro)含量在試驗(yàn)期間也一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在28 d時(shí)達(dá)到最大值。然而，不同灌木增幅不同，麗豆、連翹增幅最大(增加2.2倍)，野皂莢增幅最小(1.6倍)。表明在干旱脅迫下，野皂莢滲透調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，抗旱性更強(qiáng)。

圖3 干旱脅迫對(duì)丙二醛含量的影響

圖4 干旱脅迫對(duì)脯氨酸含量的影響

2.4 抗氧化酶活性

3種灌木在干旱脅迫下葉片抗氧化酶活性的變化，見圖5和圖6.

圖5 干旱脅迫對(duì)葉片超氧化物歧化酶的影響

圖6 干旱脅迫對(duì)葉片過(guò)氧化物酶的影響

總體上，2種抗氧化酶在3種灌木中均呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，但不同的樹種變化不一樣。對(duì)于超氧化物歧化酶(SOD)，野皂莢在7 d時(shí)達(dá)到最大值，而麗豆與連翹在14 d時(shí)達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹的SOD活性分別增加了1.9倍、1.7倍、0.5倍。對(duì)于過(guò)氧化物酶(POD)，麗豆和連翹都在14 d時(shí)達(dá)到最大值，野皂莢在21 d時(shí)達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)束后，麗豆、野皂莢、連翹的POD活性分別增加了1倍、1.8倍、0.6倍?？梢姡瑥目寡趸附嵌葋?lái)看，野皂莢抗旱能力更強(qiáng)。

2.5 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

選取相對(duì)含水量、MDA，Pro，SOD，POD和葉綠素等6項(xiàng)生理指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對(duì)麗豆、野皂莢、連翹3種灌木的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表3.

結(jié)果表明，3種灌木中，抗旱性最強(qiáng)的是野皂莢，

表3 抗旱性綜合評(píng)估

其次是麗豆，最低的是連翹?？梢?，麗豆抗旱性較強(qiáng)，可以作為優(yōu)良鄉(xiāng)土抗旱樹種用于山西省的植被恢復(fù)。

3 結(jié)論與討論

在干旱條件下，植物代謝平衡失調(diào)，生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致植物體外部形態(tài)和內(nèi)部生理都發(fā)生顯著變化。在本研究中，隨著干旱的持續(xù)，3種灌木的葉片都表現(xiàn)出不同的癥狀。這些癥狀是植物對(duì)干旱的一種應(yīng)對(duì)策略。蒸騰作用會(huì)導(dǎo)致植物體水分喪失，而蒸騰作用又與葉面積相關(guān)。葉片面積大，水分喪失快。本研究中，在干旱脅迫下，植物葉片發(fā)生卷曲甚至干癟，減少了葉面積，有效地減少水分的蒸騰。從表1可以看出，連翹在干旱脅迫的第14 d就開始出現(xiàn)癥狀，而麗豆和野皂莢分別在21 d和28 d才出現(xiàn)癥狀，這表明麗豆具有較強(qiáng)的抗旱能力。

在干旱脅迫下，植物體的相對(duì)含水量明顯降低。在本研究中，麗豆、野皂莢、連翹相對(duì)含水量在干旱脅迫下均有不同程度的下降，但麗豆下降最小，說(shuō)明其具有較高的保水能力，也進(jìn)一步證明其具有較強(qiáng)的抗旱能力。

葉綠素是植物葉綠體內(nèi)參與光合作用的重要色素，是光合色素的主要成分。相關(guān)研究表明，干旱脅迫下，植物組織細(xì)胞葉綠素的合成通常會(huì)受到抑制，已經(jīng)合成的葉綠素會(huì)被加速分解，導(dǎo)致葉綠素含量下降，從而影響植物的光合作用。在本研究中，3種灌木在干旱脅迫下，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，葉綠素含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)。這表明在較輕干旱脅迫下，3種灌木葉綠素的合成不受影響，均能正常合成葉綠素，因而表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)。而在干旱脅迫后期，3種灌木的葉綠素都開始下降，說(shuō)明葉綠素的合成開始受到抑制，但麗豆和野皂莢葉綠素合成受抑制的時(shí)間較連翹晚。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，麗豆的葉綠素含量降幅最低，說(shuō)其在干旱脅迫時(shí)葉綠素的降解程度較輕。由此可見，麗豆具有較強(qiáng)的抗旱能力。

通常，在干旱脅迫下，植物葉片細(xì)胞膜透性和MDA含量增加，同時(shí)植物體會(huì)通過(guò)積累一些可溶性糖、脯氨酸等可溶性物質(zhì)來(lái)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。本研究證明了這一點(diǎn)，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3種灌木的MDA和脯氨酸含量逐漸增加，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到最高。MDA是植物組織細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物之一。這些膜脂過(guò)氧化物具有毒性，會(huì)導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化水平提高，膜脂成分改變和膜的透性增加。而脯氨酸可以通過(guò)滲透調(diào)節(jié)維持細(xì)胞膨壓，減少逆境對(duì)植物造成的傷害。因此，MDA和脯氨酸的含量都與植物抗旱性密切相關(guān)?？购敌詮?qiáng)的品種MDA和脯氨酸含量的增幅相對(duì)較小。在本研究中，麗豆的MDA增幅最小，但它的脯氨酸增幅最大。從MDA和脯氨酸很難判定麗豆的抗旱性。然而，相關(guān)研究表明，盡管MDA和可溶性蛋白都可以反映干旱脅迫對(duì)植物所造成的膜脂過(guò)氧化損傷程度,但MDA含量仍被作為膜脂過(guò)氧化最重要的指標(biāo)之一,表示細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度和植物對(duì)逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱。基于這一點(diǎn)，麗豆的抗旱能力在3種灌木中最高。

植物的抗旱性是受多種因素影響，單從一個(gè)抗旱指標(biāo)難以客觀、準(zhǔn)確地反映植物的抗旱性，只有采用多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，才能比較客觀地反映植物的抗旱性。從上述分析可以看出，不同的指標(biāo)得出的抗旱性結(jié)論不同。隸屬函數(shù)法是一種綜合評(píng)價(jià)方法，它提供了一條在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上對(duì)特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的途徑，已被運(yùn)用于多種植物的抗旱性研究中。在本研究中，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示麗豆的抗旱性低于野皂莢，高于連翹。野皂莢和連翹是已被公認(rèn)的具有較強(qiáng)抗旱能力的灌木，而麗豆的抗旱能力在兩者之間，表明麗豆也具有較強(qiáng)的抗旱能力。而且麗豆與野皂莢、連翹均為山西省鄉(xiāng)土灌木，因此，麗豆可以作為山西省植被恢復(fù)的優(yōu)先灌木種。