張夢飛，李 爽,2，李運盛，馬海霞，劉悅秋

（1北京農(nóng)學院園林學院，北京 102206；2北京市大興區(qū)園林綠化局，北京 102600)

0 引言

中國是干旱半干旱面積較大的國家，其中干旱地區(qū)占30.8%，半干旱地區(qū)占21.7%[1-2],集中在北方地區(qū)。隨著經(jīng)濟和城市的快速發(fā)展，北方城市水資源和生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益突出[3]，篩選和栽種耐旱型觀賞植物以及研究植物干旱脅迫后的適應機制，對建設(shè)節(jié)水型園林具有重要意義。俞永瑋等[4]利用隸屬函數(shù)綜合分析和聚類分析5種引進意大利黑楊無性系幼苗抗旱性。李祿軍等[5]利用灰色關(guān)聯(lián)分析3種綠化樹種抗旱性，并篩選出抗旱性指標。蔣進等[6]運用極點分析法和主成分分析檉柳屬植物抗旱性發(fā)現(xiàn)兩種方法的抗旱性排序基本一致。覃奎等[7]、譚雪紅等[8]采用主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法分別評價了3個種源池杉幼苗抗旱性和5種高速公路邊坡綠化植物的抗旱性。本研究選取觀賞性強的9種常見綠化樹種作為試驗材料，通過模擬干旱脅迫的生長環(huán)境，研究各樹種的生長、生理等相關(guān)指標，分析其變化規(guī)律與植物抗旱性之間的關(guān)系。采用主成分分析法結(jié)合隸屬函數(shù)法對9種植物的抗旱性指標進行綜合評定，篩選出抗旱性強的優(yōu)良觀賞樹種，為今后在城市綠化中的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選擇生長一致的2年生連翹(Forsythia suspensa)、女 貞 (Ligustrum lucidum)、冬 青 衛(wèi) 矛(Euonymus japonicus Thunb)、紅 花 玉 蘭 (Magnolia wufengensis)、 玉 蘭 (Magnolia denudata)、 杜 仲(Eucommia ulmoides)、楸 樹 (Catalpa bungei)、欒 樹(Koelreuteria paniculata)、木槿(Hibiscus syriacus)實生苗為實驗材料，購自天津薊縣君霞苗圃。

1.2 試驗設(shè)計

2019年4月將試驗苗木進行盆栽，栽培基質(zhì)為純草炭：園田土：沙土：有機肥=2：2：1：1的混合基質(zhì)。每盆裝入栽培基質(zhì)6 kg，放置在北京農(nóng)學院園林實驗站透明遮雨棚內(nèi)，通風良好，正常生長。7月進行干旱脅迫處理，每種苗木設(shè)置對照組80%、輕度脅迫組60%、中度脅迫組40%和重度脅迫組20%這4個水分梯度，每個水分梯度處理設(shè)置6次重復，每重復定苗3株，試驗期間，采用稱重法進行控水處理，每天稱重澆水1次?？厮?5天后，測定各項生長、生理指標。

1.3 指標測定

采用測量、稱重法測定苗木生長指標，使用Li-6400光合測定儀測定凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)，葉綠素(Chl)含量測定采用乙醇浸提法。葉片相對含水量(RWC)采用烘干稱重法測定；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸染色法；相對電導率(EL)測定參照Fariss等方法；脯氨酸(Pro)含量測定采用酸性茚三酮法；可溶性糖(SS)含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白(SP)含量測定采用考馬斯亮藍染色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[9-10]。

1.4 抗旱性綜合評價

采用抗旱綜合指數(shù)法，對9種苗木的抗旱性進行綜合評價并且排序，采用主成分分析法轉(zhuǎn)化待評價指標，采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法計算隸屬函數(shù)值。

1.4.1 抗旱系數(shù) 見式(1)～(2)。

式中，單項抗旱系數(shù)(droughtresistance coefficient,DC)和綜合抗旱系數(shù)(comprehensive drought resistance coefficient,CDC)，Xi為重度脅迫組，即土壤相對含水量為20%時的指標測定值，CKi指土壤相對含水量為80%時的指標測定值[11]。

1.4.2 主成分分析及綜合評價 對抗旱系數(shù)進行主成分分析，得到主因子系數(shù)并計算DC值的特征值所對應的特征向量ai及主因子得分PC值[12]。

其中：a1i，a2i，......，api(i=1，......m)為 DC 值的特征值所對應的特征向量，A為主因子系數(shù)，λ為特征值；ZDC1，ZDC2；......ZDCP是初始變量的標準化值。1.4.3隸屬函數(shù)值 式中Ui表示隸屬函數(shù)值，PCmin為所有樹種第i個主因子得分最小值，PCmax為所有樹種第i個主因子得分最大值[13]。

1.4.4 主因子權(quán)重 見式(6)。

式中Pi為樹種第i個主因子的貢獻率[14]。

1.4.5 綜合抗旱評價值 見式(7)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對幼苗生長及生物量的影響

生長受到抑制是植物對干旱脅迫的一種普遍的適應機制[15]。干旱脅迫下9種苗木生長趨勢有所不同（表1），杜仲、連翹兩種苗木在輕度干旱(60%)脅迫下，各生長指標均顯著高于其他處理。其他7種苗木隨土壤水分含量的不斷降低，株高、地徑的增長量和總生物量呈顯著降低趨勢。重度干旱脅迫下，楸樹和欒樹株高生長率變化幅度最大，分別降低了27.3.7%和24.7%；地徑生長率下降幅度最大的是欒樹為30.3%；生物量（表2）下降幅度最大的是木槿為51.5%，其次是楸樹為43.9%，女貞生物量降低的幅度最小為21.1%，然后是杜仲降低了24.8%。

表1 干旱脅迫對幼苗生長量的影響

有研究表明當土壤水分虧缺的時侯，植物在地上部分生物量降低的情況下，盡量去提高根的比重，以此來適應水分脅迫，同時還可以吸收更多的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，提高其對水的競爭能力[16-17]。干旱脅迫下，9種苗木根冠比表現(xiàn)不一（表2），隨脅迫加劇，玉蘭、紅花玉蘭根冠比逐漸增大；楸樹、欒樹則逐漸減??；連翹、冬青衛(wèi)矛、木槿是先上升后下降；女貞和杜仲則是先下降后上升。在重度干旱脅迫下，楸樹、木槿根冠比顯著下降，玉蘭根冠比顯著上升。這反映出9種苗木對干旱的適應機制和適應能力的差距。

表2 干旱脅迫對幼苗根冠比和生物量的影響

2.2 干旱脅迫對幼苗光合指標的影響

光合作用是植物生長和生存的基礎(chǔ)，大量的研究結(jié)果表明，處在干旱脅迫環(huán)境條件下的植物，與水分充足時相比，凈光合速率會明顯降低[18]。9種苗木的凈光合速率隨著干旱脅迫程度的加劇而顯著降低（表3），在重度脅迫時凈光合速率均下降了60%以上。葉綠素含量和比例會隨水分供應情況的改變而發(fā)生適應性變化。缺水讓葉綠素的生成受到阻礙，加快了分解速度，葉片顏色變淺[19]。隨著土壤含水量的降低，木槿、楸樹、女貞、冬青衛(wèi)矛、欒樹的葉綠素含量不斷降低，而玉蘭、杜仲、紅花玉蘭、連翹的葉綠素含量先升高后降低。在重度干旱脅迫下，楸樹葉綠素下降幅度最大，下降了70.1%，其次是欒樹，降低了67.5%。

表3 干旱脅迫對光合系統(tǒng)的影響

蒸騰速率反映了植物在單位時間單位面積，葉片蒸騰作用消耗水分的多少[20]。通常情況下，在同等程度的逆境條件下，抗旱性較強的苗木的光合速率與蒸騰速率變化幅度較小[21]。隨著干旱程度的加?。ū?），9種樹木幼苗的蒸騰速率隨著土壤相對含水量的降低而顯著降低，其中楸樹下降幅度最大下降了63.3%。

表4 干旱脅迫對蒸騰速率和水分利用效率影響

植物水分利用效率是判斷植物生長發(fā)育適應程度的綜合生理生態(tài)指標，說明了樹種消耗水分與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的聯(lián)系。熊偉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度增加，樹種的水分利用效率會逐漸上升。本試驗中9種幼苗的水分利用效率的變化趨勢各不相同，重度干旱脅迫下，杜仲、楸樹、欒樹和紅花玉蘭的水分利用效率顯著降低，而玉蘭的水分利用效率顯著升高。

2.3 干旱脅迫對幼苗生化指標的影響

植物在受到干旱脅迫時，葉片含水量會隨著干旱脅迫時間延長呈現(xiàn)降低的趨勢，并且樹種耐旱能力越強葉片含水量減少量越小，一般將葉片含水量的變化幅度作為說明樹種抗旱性的鑒定指標之一[23-24]。在重度干旱脅迫下，葉片相對含水量變化最明顯的是楸樹，葉片相對含水量下降了63.1%，其次是欒樹，葉片相對含水量下降了56.6%（圖1）。

圖1 干旱脅迫對葉片相對含水量的影響

在干旱脅迫的條件下，植物細胞會發(fā)生膜脂過氧化反應，產(chǎn)生并且積累丙二醛，破壞細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)與功能，引起細胞膜功能的紊亂[25]。圖2可見木槿、楸樹、欒樹、紅花玉蘭、女貞、冬青衛(wèi)矛的丙二醛含量隨著脅迫程度的加劇而顯著上升，而杜仲、玉蘭和連翹的丙二醛含量隨著脅迫程度的加劇而先降低后升高。在重度干旱脅迫下，楸樹丙二醛增加了3.14倍，增幅最大。

圖2 干旱脅迫對丙二醛含量的影響

相對電導率是衡量植物抗性的一個重要指標，在逆境條件下，植物細胞受到傷害，細胞內(nèi)的電解質(zhì)大量外滲，導致電導率增大[26]。在重度干旱脅迫下，各苗木的相對電導率均顯著增加（圖3），依然是楸樹和紅花玉蘭的變化幅度最大，是對照組的2.96和2.99倍。說明9種苗木中，楸樹和紅花玉蘭抗旱能力較弱。

圖3 干旱脅迫對相對電導率影響

在干旱脅迫下，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等的含量普遍會升高，以維持細胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定[27]，進而保障植物正常生理過程的運行[28]。在重度干旱脅迫下，各苗木的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均顯著增加（圖4～6）。其中冬青衛(wèi)矛、杜仲的脯氨酸含量增長最多，分別上升了6.72倍和6.43倍，楸樹增長最少，上升了0.33倍；冬青衛(wèi)矛的可溶性糖增長最多，上升了3.13倍，欒樹增長最少，上升了0.28倍；可溶性蛋白增長最多仍然是冬青衛(wèi)矛，上升了3.48倍，連翹增長最少，上升了0.54倍。

圖4 干旱脅迫對脯氨酸含量的影響

圖5 干旱脅迫對可溶性糖含量的影響

圖6 干旱脅迫對可溶性蛋白含量的影響

當植物在遇到逆境脅迫時，需要調(diào)動整個抗氧化防御系統(tǒng)，來抵抗外界逆境脅迫產(chǎn)生的氧化危害。植物體內(nèi)的活性氧清除酶促保護系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等[29]。圖7～8可見隨著脅迫程度的加劇，欒樹、楸樹的SOD和POD活性先顯著上升后顯著下降，在40%水分條件下達到峰值，表明這2種苗木抗旱能力較弱，在重度干旱脅迫下，質(zhì)膜透性增加，SOD、POD活性降低。其它苗木的SOD、POD均在重度干旱脅迫下達到峰值，其中冬青衛(wèi)矛的SOD活性增長最多，增長了2.21倍；紅花玉蘭的POD增長最多，上升了3.51倍。

圖7 干旱脅迫對SOD活性的影響

圖8 干旱脅迫對POD活性的影響

2.4 綜合抗旱系數(shù)評價

9種綠化樹種各項指標的抗旱系數(shù)和綜合抗旱系數(shù)見表5，DC值的變異系數(shù)為6.3%～70%，CDC值的變異系數(shù)為20.9%，各指標的變異系數(shù)差異較大，說明9種綠化樹種生理生化指標對干旱脅迫的敏感性不同。利用CDC值對9種綠化樹種進行抗旱性排序，結(jié)果為冬青衛(wèi)矛＞杜仲＞女貞＞紅花玉蘭＞木槿＞楸樹＞欒樹＞玉蘭＞連翹。

表5 9種綠化樹種生理生化指標的抗旱系數(shù)和綜合抗旱系數(shù) %

2.5 9種綠化樹種抗旱性綜合評價

將9種綠化樹種15個生長生理指標的抗旱系數(shù)進行主成分分析，進而得到因子載荷矩陣和主因子得分。由表6可知，一共提取了5個主成分，累計貢獻率84.604%。其中主因子1中RWC、Chl具有較高載荷量，在主因子2中SP、SOD、POD有較高載荷量，主因子3中地徑生長量(DG)有較高載荷量，主因子4中生物量(B)和WUE有較高載荷量，主因子5中Pn有較高載荷量。結(jié)合9種綠化樹種各生長生理指標的抗旱系數(shù)和主因子系數(shù)，獲得主因子得分PC值，其中玉蘭在PC1、PC2中數(shù)值最大，杜仲在PC3、PC4中數(shù)值最大，連翹在PC5中數(shù)值最大。利用模糊隸屬函數(shù)法計算得出各主因子隸屬函數(shù)值(U)，并根據(jù)權(quán)重計算綜合評價值D。D值越大，其抗旱性越強。本試驗9種綠化樹種D值介于0.36～0.81之間（表7）。對9種綠化樹種進行抗旱性排序冬青衛(wèi)矛＞杜仲＞女貞＞木槿＞紅花玉蘭＞玉蘭＞欒樹＞連翹＞楸樹。

表6 生長生理指標各主因子系數(shù)及貢獻率

表7 5個主因子得分值、權(quán)重、隸屬函數(shù)及綜合評價值

2.6 聚類分析及抗旱級別劃分

將9種綠化樹種的15個指標抗旱系數(shù)進行R型聚類分析，由圖9可知15個抗旱指標分為A、B兩大類，A類為生理和生長指標，B類為各項生化指標，B組總體水平高于A組。其中滲透調(diào)節(jié)因子Pro單獨成為一類(B-1)；質(zhì)膜系統(tǒng)因子SP、POD、SS、SOD、MDA、EL聚成一類(B-2)；凈光合速率、蒸騰速率聚成一類(A-1)；葉片相對含水量、生物量、葉綠素含量、水分利用效率、苗高生長量、地徑生長量聚成一類(A-2)。通過Q型聚類將9種綠化樹種分為兩大類I和II，I類包括冬青衛(wèi)矛和杜仲，這2種樹各項指標均較高，特別是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro極高，將其劃分為抗旱型樹種；II組分為2個亞類，II-a包括紅花玉蘭、女貞、木槿，它們抗氧化酶活性、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量較高，將其劃分為弱抗旱型樹種；II-b包括玉蘭、連翹、欒樹、楸樹，這4個樹種生長、生理指標都較低，將其劃分為敏感型樹種。

圖9 9種綠化樹種抗旱性聚類分析

3 討論與結(jié)論

苗期是植物對水分脅迫最為敏感的階段，此時若遭受干旱，會對后續(xù)的生長發(fā)育造成不良影響。當干旱脅迫時，植物會通過不同的方式抵御干旱，如植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量升高，改變細胞滲透勢[30]、抗氧化系統(tǒng)[31]、生長速率降低[32]和改變自身結(jié)構(gòu)等[33]。抗旱性強的植物，各生理機制也積極應對干旱脅迫，抵抗力變強，適應性也相對較強，在相同的立地條件下更容易生存[34]。本試驗的9種苗木隨著土壤水分含量的不斷降低，生理指標變化特點各不相同。在重度干旱條件下，相對電導率、丙二醛含量、游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均顯著升高，而葉片相對含水量、葉綠素含量、蒸騰速率、光合速率則顯著下降，SOD活性和POD活性隨著干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)上升或者先上升后下降的變化趨勢，差異顯著(P＜0.05)。這與弓澤濤等[24]、孔維鵬等[29]、李詩琴等[35]的研究結(jié)果相類似。

有研究認為隨著干旱程度增加，樹種的水分利用效率會逐漸上升[22]。本試驗的9種苗木，除冬青衛(wèi)矛和玉蘭隨干旱程度加劇水分利用效率逐漸上升，而其他樹種水分利用效率隨干旱程度加劇呈下降趨勢，表明這些樹種在適應干旱時是以抑制光合作用、降低生物量為代價的。

對抗旱性進行評價的指標包括形態(tài)指標、生長指標、生理生化指標等[35]。本試驗選取苗高、地徑、生物量、凈光合速率、水分利用效率、丙二醛含量等15個生長、生理指標進行測定，分析9種苗木的抗旱能力，發(fā)現(xiàn)不同樹種同一指標的抗旱系數(shù)變化程度不同，說明各樹種間抗旱性差異明顯。同時，不同生理指標的抗旱系數(shù)存在明顯差異，說明各指標對干旱脅迫反應的敏感程度不同。在干旱環(huán)境條件下，植物的抗旱性受多種因素的綜合影響，單一指標只能在一定程度上評價植物抗旱水平。

綜合評價植物抗旱性的方法有極點分析法[6]、主成分分析法[7-8]、模糊隸屬函數(shù)法[8]、聚類分析法[36]、抗旱性指數(shù)法[37]、灰色關(guān)聯(lián)度分析法[7]等。目前應用最廣的為主成分分析和隸屬函數(shù)值綜合評價法，這種利用多方法關(guān)聯(lián)分析的綜合評價，可消除不同指標單位間的差異，提高可比度且信息涵蓋量高，結(jié)果準確可靠，具有較高的科學性[38]。本試驗采用綜合抗旱系數(shù)評價、主成分分析結(jié)合隸屬函數(shù)值綜合評價法、以及聚類分析3種方法對9種綠化樹種幼苗的抗旱性進行綜合評價，以彌補單項指標對植物抗旱性評定造成的片面性。將綜合抗旱系數(shù)CDC值與5個主成分的隸屬函數(shù)值加權(quán)計算得到的綜合評價值D進行線性回歸分析，其R2=0.707，回歸方程D=-0.051+0.369CDC，P＜0.001，極顯著相關(guān)，說明利用這兩種方法均可評價抗旱性。聚類分析結(jié)果與兩種評價結(jié)果基本一致，9個樹種分為2個類群，其中一個類群包含抗旱樹種冬青衛(wèi)矛和杜仲，另一個類群包含弱抗旱樹種女貞、木槿、紅花玉蘭，以及干旱敏感樹種玉蘭、欒樹、連翹和楸樹。