白龙江干旱河谷5种灌木抗旱性评价及分析

谢　飞，闫倩倩，郭　星，刘锦乾

（1.甘肃省白龙江林业管理局 林业科学研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃白龙江森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 甘南 747000）

白龙江干旱河谷位于青藏高原东缘与秦岭西段交汇处，是长江水系北部的生态脆弱带和敏感区，也是长江、黄河上游至关重要的水源涵养、水土保持区，我国西部重要的大尺度生态过渡带和生物多样性关键地区之一[1-3]。但由于地质变迁、气候变化、焚风效应以及人为因素等[3]，造成白龙江干旱河谷植被生态系统严重退化，水土流失加剧，具有向荒漠化发展的趋势。

植物抗旱性强弱是多个因子相互作用的结果，单一的抗旱指标难以充分反映出植物对干旱立地条件适应的综合能力，只有采用多项指标的综合评价，才能较为准确地评价植物的抗旱水平[4-5]。因此需要对各种抗旱性指标的综合评价，避免由单个指标对抗旱性评价所造成的误选，以提高对抗旱性植物选择的可靠性。前人大多用一定的数学方法获得既定的综合值来作为衡量抗旱性高低的最终标准。目前，主要采用主成分分析法、隶属函数法、抗旱性指数以及模糊数学中的聚类分析和灰色关联度分析法等相关方法对植物抗旱性进行综合分析评价[6-10]。周招娣等[11]在控水模拟自然干旱的条件下利用主成分及隶属函数分析法对油茶嫁接苗的抗旱性进行了研究，取得了较好效果。王志泰等[12]利用隶属函数法，对胡枝子的抗旱性进行了分析评价。种培芳等[13]利用隶属函数法和灰色关联度分析对4个地理种群的红砂抗旱性做出了综合评价，用灰色关联度分析了与红砂抗旱性有关指标的关联程度。目前的研究中，已有很多通过研究植物的生理特征评价抗旱性的报道[11-14]，但针对白龙江干旱河谷区抗旱性的研究较少。本研究以白龙江干旱河谷抗旱性较强的5个灌木树种进行水分胁迫试验，通过抗旱性评价和不同水分条件下抗旱性的表现差异研究，旨在为白龙江干旱河谷脆弱生态区植被重建与恢复过程中植物的选择提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

选择生长较为一致的2年生狼牙刺、河朔荛花、华西小石积、酸枣、荆条幼苗为试验材料，苗木均为2015年9月份播种于白龙江林业管理局两水林场，2016年4月移栽于花盆中，每盆一株。花盆规格为直径30 cm×高25 cm，每盆装土3.2 kg，所用土壤来源于苗木所在苗圃地，土壤最大田间持水量为25.3%，盆栽完成后对苗木进行常规管理。

1.2　试验设计

2016年7月试验开始，每个树种选择生长良好、长势一致的幼苗。试验采用随机区组设计，设置了4 个土壤水分处理水平，用W1、W2、W3、W4表示，其土壤相对含水量分别设为：80%～85%、50%～55%、30%～35%、10%～15%，各处理重复3次。采用秤重法监控土壤含水量，每天18:00用感量为千分之一的电子天平称盆重，补充当天挥发的水分，使其保持设定内含水量，试验期间搭建遮雨棚，控水7 d后采集样本茎中的部叶片放入冰箱中保鲜，进行包括渗透调节物质、抗氧化酶活性、叶绿素等指标的测定，测定时每个样本重复3次[15-16]。

1.3　指标测定

可溶性糖（Soluble sugar，SS）含量采用采用蒽酮比色法测定，脯氨酸（Proline，Pro）含量采用茚三酮比色法测定，可溶性蛋白（Soluble protein，SP）含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑法测定，过氧化物酶（Peroxide enzyme，POD）活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性采用紫外吸收法测定，叶绿素（Chlorophyll，Chl）含量采用乙醇法测定。

1.4　数据分析

采用Excel 2007和SPSS19.0软件进行统计分析。用单因素方差分析以及Duncan多重比较法对各个指标的差异性进行分析；利用隶属函数法进行抗旱性的综合评价。

隶属函数值的计算公式[11,17-18]如下：

式（1）中：u(Xij)为i物种j指标的隶属函数值，Xij为i物种j指标的测定值，Ximax和Ximin分别为指标的最大值和最小值。

根据多项指标与抗旱性的关系，运用隶属函数计算出不同树种各项指标的平均隶属函数值，平均隶属函数值越大，表示该树种综合各项指标的抗旱性越强[19]。

2　结果与分析

2.1　不同水分胁迫对幼苗生理生化指标的影响

2.1.1不同水分胁迫对幼苗渗透调节物质的影响

可溶性蛋白、可溶性糖及游离脯氨酸是植物体内3种较为重要的渗透调节物质，具有提供能量、提高细胞质浓度、提高信号物质传导的作用[20]。由表1可看出，5个树种的SS含量随着水分胁迫程度的加深呈增大趋势，华西小石积和酸枣的SS含量除在W1和W3条件下与河朔荛花差异不显著（P＞0.05），其它情况均与其它树种差异显著（P＜0.05）。脯氨酸在植物抗旱效应中的表现早已被证实，在干旱胁迫发生时植物体内其含量会增多，对渗透调节有着非常重要的作用[21]。除荆条外，4个树种的Pro含量随着水分胁迫程度的加深呈先增大后降低的趋势，但到达峰值的土壤水分不同，4个水分条件下河朔荛花的Pro均显著高于其它树种（P＜0.05），可见河朔荛花的Pro与其它4个树种相比在抗旱性上优势较为明显。荆条的Pro含量随着水分胁迫程度的加深呈降低趋势，说明荆条在此指标上表现出较差的抗旱性。华西小石积的SP含量随着水分胁迫程度的加深呈增高趋势，而另外4个树种呈先增高后降低趋势，说明其它4个树种相对于华西小石积的SP含量对干旱胁迫的响应更为敏感。除了在轻度胁迫条件下狼牙刺差异不显著外（P＞0.05），其它情况均显著高于其它树种，表明狼牙刺在SP上表现出较强的抗旱性（P＜0.05）。

表 1　水分胁迫下幼苗渗透调节物质†Table 1　Osmotic adjustment substance of young seedlings under drought stress　　　(μg·g-1)

2.1.2不同水分胁迫对幼苗抗氧化酶活性的影响

抗氧化物质能够有效清除活性氧，减少由于干旱引起的氧化胁迫对植物造成的不良影响，从而提高植物的抗旱性[22]。由表2可看出，随着干旱胁迫的程度加强，SOD活性总体上呈先上升后下降趋势，而每个水分条件下抗旱性优势树种不尽相同，说明5个树种在SOD活性上存在差异，但总体上差异水平不大。随着干旱胁迫的程度加强，POD活性总体呈上升趋势，狼牙刺的POD活性在4个水分条件下均显著高于其它树种（P＜0.05），且其含量较其它树种高出很多，表明在POD活性上狼牙刺所表现出的抗旱性明显优于其它树种。随着水分胁迫程度的加深华西小石积的CAT活性呈增大趋势，其它4个树种则呈先增大后降低的趋势，表明华西小石积在CAT活性上较其它4个树种对干旱胁迫的响应更为延缓，更加能适应干旱环境，而其它树种则随着干旱胁迫的程度加强CAT受到抑制。

2.1.3不同水分胁迫对幼苗叶绿素的影响

表 2　水分胁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)

叶绿素作为植物光合作用的重要色素，与植物生长量、生物量等密切相关，其含量越高，相同光照环境下单位时间内通过光合作用转换化的光能就越多，从而转换积累的有机物也越多，对干旱胁迫的抵御能力也就越强[23-24]。由表3可看出，5个树种的Chla含量均随着干旱胁迫的程度加强呈先增加后降低的趋势，荆条在中度胁迫时达到峰值，其它4个树种在轻度胁迫时达到峰值，其中狼牙刺的Chla含量在各水分条件下均显著高于其它树种（P＜0.05），说明狼牙刺的Chla含量所表现出的抗旱均明显高于其它树种。Chlb含量上狼牙刺和荆条随着干旱胁迫的程度加强呈先增加后降低的趋势，而河朔荛花、华西小石积、酸枣则随着干旱胁迫的程度加强呈先降低后有所回升的趋势，这与刘雅倩[25]对枣疯病植原体对枣树叶绿素的研究中病叶的Chlb含量变化趋势一致，这可能是由于在水分较为亏缺的条件下这3种植物为了维持自身正常的生理代谢所产生的修复补偿响应所致。而Chl(a+b)含量均随着干旱胁迫的程度加强呈先增加后降低的趋势，狼牙刺的Chl(a+b)含量在4个水分条件下均显著高于其它树种（P＜0.05），表明其该指标的抗旱性能高于其它树种。Chl(a/b)值的大小说明了植物的喜光程度，从而间接说明了植物抗旱性的大小，5个树种中，在对照和轻度胁迫下酸枣的Chl(a/b)值显著高于其它树种（P＜0.05），在中度胁迫和重点胁迫下Chl(a/b)值显著高于其它树种（P＜0.05）。

表 3　水分胁迫下幼苗的叶绿素含量Table 3　Chlorophyll of young seedlings under drought stress　　 (μg·g-1)

2.2　抗旱性综合评价

由表4可以看出，4个水分条件下 5个树种的10项生理指标所具有的抗旱性存在差异，如果用单一指标来评价各树种的抗旱性结果均不尽相同，因此需对其抗旱性进行综合评价。以可溶性糖含量、过氧化氢酶活性、叶绿素等10个抗旱指标为依据，计算4个水分条件下各指标的平均隶属函数值，并进行综合评价（见表4）。由表4可看出，在W1水分条件下综合各指标的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞华西小石积＞酸枣＞河朔荛花＞荆条；W2水分条件下综合各指标的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞华西小石积＞酸枣＞河朔荛花＞荆条；W3水分条件下综合各指标的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞荆条＞华西小石积＞酸枣=河朔荛花；W4水分条件下综合各指标的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞荆条＞华西小石积＞河朔荛花＞酸枣。

将4个水分条件下的各指标隶属函数值取平均值后得出表5，可看出综合4个水分条件下5种植物的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞华西小石积＞河朔荛花＞酸枣＞荆条。

3　结论与讨论

植物受到干旱胁迫时，会因胁迫程度的差异呈现出阶段性特性，其过程可能会产生适应、伤害、修复补偿甚至再伤害等阶段性反应。而不同的树种，由于其生理结构及所具有的抗旱性的差异，最终通过各项抗旱指标体现出来[26-27]。通过对5个树种在4个水分条件下的渗透调节物质、抗氧化酶活性、叶绿素方差分析表明，各项指标在不同的水分条件下，不同的树种除个别情况外均呈显著差异（P＜0.05），说明了进行抗旱性树种选择的意义和价值。由4个水分梯度下5个树种的10个抗旱指标的差异性分析可以看出，不同的指标上其抗旱性评价所筛选出的优良树种各不相同，而且各指标之间关系复杂，不同指标的重要性也不相同，其中河朔荛花的Pro含量和狼牙刺的POD活性在4个水分条件下均明显高于其它树种，但用任何一个指标来判定5个灌木的抗旱性都过于片面，缺乏可靠性，所以需对其进行综合评价。

表 4　水分胁迫下5种植物隶属函数值及抗旱性评价Table 4　Comprehensively-assessed results of membership function and drought resistance of five plant species under drought stress

表 5　5种植物抗旱性综合评价Table 5　Comprehensive evaluation of drought resistance of five tree species

植物抗旱性强弱是由多个因子相互作用的结果，是一个较为复杂的体系[28-29]。如果用单一指标来评价树种的抗旱性，由于所用指标的不同则会得出多种结果，难以充分反映出植物对干旱立地条件适应的综合能力，只有采用多项指标的综合评价，才能较为准确地评价植物的抗旱能力，避免由单个指标对抗旱性评价所造成的误选，以提高对抗旱性树种选择的可靠性[30-32]。本研究采用隶属函数法综合10个指标评价5个灌木树种抗旱性，隶属函数分析结果表明，在80%～85%、50%～55%水分条件下抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞华西小石积＞酸枣＞河朔荛花＞荆条；30%～35%水分条件下抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞荆条＞华西小石积＞酸枣＝河朔荛花；10%～15%水分条件下抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞荆条＞华西小石积＞河朔荛花＞酸枣。综合4个水分条件，5个树种的抗旱性强弱排序为：狼牙刺＞华西小石积＞河朔荛花＞酸枣＞荆条。

本试验的研究结果，对于白龙江干旱河谷区的植被重建和恢复过程中树种的选择提供了理论依据。在实际生产中针对立地条件有效地选择适宜树种有一定的指导意义，但目前对苗期抗旱性的研究多为乔木，且已进入实用性阶段，对灌木苗期抗旱性的研究报道甚少，灌木苗期的抗旱性能不能完全代表以后抗旱能力的变化情况，还需后期对灌木的不同阶段进一步测定，以验证不同阶段的各项指标与抗旱性的相关性，选择出白龙江干旱河谷生态修复的最佳树种。