混播或单播箭筈豌豆、绿麦草对水分胁迫的形态特征响应

王富强，向 洁，王立威，余成群，沈振西，邵小明,3

（1. 中国农业大学资源与环境学院 / 生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3. 西藏高原草业工程技术研究中心，拉萨 西藏 850000）

植物在水分胁迫下，会对其自身生长特性及形态特征进行调整以适应生存环境的变化[1]，其可以通过关闭气孔、减小叶面积和降低叶片水分散失等方式来提升水分利用效率、改变根冠比以及调整叶片形态结构以应对干旱胁迫[2-5]。土壤水分是主导植物根系分布的因子，比其他环境因子更加敏感，同时又能够影响根系的形态特征。已有研究报道，根系的生长发育、水肥吸收、空间分布模式等均受土壤干旱的影响[6-7]。植物不仅能通过调整根系生长、结构和分布等措施来维持其体内水分的平衡，且还会通过减少分蘖与分枝、株高和叶片数等来减少水分蒸发[8-9]。

栽培牧草已成为解决西藏草畜矛盾的关键措施之一[10]，且在生产力和牧草质量等方面通常比同样气候环境下的自然草地高[11]，由于豆科与禾本科牧草在形态学和生物学上的差异，导致其利用资源的能力不同[12]。豆科牧草与禾本科牧草混播在提高牧草产量、改善牧草营养品质、提高土地利用率[13-14]及生物固氮作用[15-16]、提升土壤肥力等方面存在明显的优势[16-19]，因此豆禾混播栽培草地往往成为栽培草地建植的首选类型之一。

虽然豆禾混播草地具有较多优势，但仍然存在对于资源(光照、水分、养分等)的竞争，当出现资源不足时这种竞争可能会更加激烈[14,20-21]。西藏作为气候变化的敏感区，也是典型的生态脆弱区[22]，大部分地区年降水量均在400 mm以下，但年蒸发量却往往在2 000 mm以上，且降水量的90%以上都集中在6-9月[23]。近年来，水资源短缺已成为西藏地区限制牧草生长的关键因子，所造成的损失在所有非生物胁迫中排在首位[24]。有关豆禾混播草地的生产力[25-26]、稳定性[27]、土壤养分[28-29]等方面的研究均有较多报道，但关于豆禾牧草混播对水分胁迫形态特征响应的报道较少，而且研究西藏豆禾牧草混播对水分胁迫的响应有助于明确混播种植方式与单播相比是否对在应对干旱方面有优势，对降水量少、灌溉系统不完善的西藏河谷区牧草生产与管理具有现实意义。为此选择西藏河谷区常见的箭筈豌豆(Vicia sativa)与绿麦草(Secale cereale)为研究对象，人工模拟不同水分胁迫对其单播及混播生长的影响，分析水分胁迫对豆科与禾本科牧草生长的影响差异，对比豆禾混播和单播在应对水分胁迫时的优势，以期明确单播及豆禾混播对水分胁迫的响应规律，根据水分条件的不同来提供合理的种植建议。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点在中国科学院地理科学与资源研究所达孜农业生态试验站 (91°17′ E，29°40′ N，海拔3 688 m)。该试验站位于西藏典型的河谷农业区，属高原季风温带半干旱气候类型。年平均气温为7.5 ℃，无霜期136 d。平均降水量497.7 mm，主要集中在6-9月，约占全年的90%；年蒸发量2 192.4 mm(1994-2014年的平均值)，远远超过降水量。太阳年总辐射达7 700 MJ·m-2[30-31]。试验地的土壤为砂壤土，土层较薄且不均匀，大约20 cm以下可见大块石砾。试验前土壤本底值为土壤全氮含量为0.50 g·kg-1，全磷含量为 0.65 g·kg-1，速效磷含量为 22.07 mg·kg-1，速效钾含量为26.56 mg·kg-1，pH为6.97。

1.2 研究方法

试验材料为箭筈豌豆和绿麦草，箭筈豌豆种子购买自西藏百绿种子公司，箭筈豌豆(品种为西牧333)，属于一年生春箭筈豌豆晚熟品种[32]。绿麦草是由冬牧70黑麦草在西藏地区经过选育出的后代，目前品种正在申报中。

采用盆栽控制双因素试验设计(混播和水分胁迫)人工模拟水分胁迫，取大田土壤过0.425 mm筛，土壤田间持水量为34.12%。采用底部封堵的PVC管(直径315 mm，高80 cm)，每盆装大田土30 kg，并施入复合肥4.68 g(相当于600 kg·hm-2)作为底肥。

混播处理：根据之前开展的大田混播试验(箭筈豌豆播种比例分别为30%、40%、50%、60%、70%，绿麦草分别为70%、60%、50%、40%、30%)结果，本研究设置2个单播和3个混播比例，分别为单播箭筈豌豆(J)、单播绿麦草(L)、箭筈豌豆25%+绿麦草75%(JL1)、箭筈豌豆50%+绿麦草50%(JL2)、箭筈豌豆75%+绿麦草25%(JL3)。

水分胁迫处理：共分为5个阶段，设0、4、8、16、20 d(至不浇水处理组死亡时试验结束)进行水分胁迫处理，并对两种牧草的地上与地下部分分别取样。

于2017年7月7日播种，以绿麦草的物候期为标准，从拔节期开始进行水分胁迫，分别设置对照组(CK)和处理组，对照组按正常浇水来保证植株正常生长，处理组进行不浇水处理(上方透明阳光板架子阻挡自然降雨)。3次重复，每处理10盆(5个阶段取样每次取2盆)，共计150个盆栽，播种比例和播量如表1所列。

1.3 观察、取样和指标测定

株高：随机选取5株植株测量处理组和对照组的绝对株高，取其平均值。

根长：测定箭筈豌豆与绿麦草的主根长度(mm)。

叶长叶宽：测定箭筈豌豆与绿麦草的中间叶片(功能叶)的长度(mm)和最宽处(mm)。

土壤含水量：烘干法，取土样20～30 g，在烘箱内60 ℃烘至恒重，3次重复，其计算公式为:式中：土壤干重为土样在烘箱加热后失去的水的干土重量(g)，土壤湿重为烘干前鲜土样的重量(g)。

1.4 数据处理

各指标抗旱系数(DRC)=干旱胁迫下性状值/对照性状值[33]。

应用Fuzzy数学中隶属函数法进行抗旱性综合评价[34-36]，计算公式如下：

若所测指标与牧草的抗旱性呈正相关关系，则：

若所测指标与牧草的抗旱性呈负相关关系，则：

式中：U(Xijk)为第i个混播比例第j个水分胁迫阶段第k项指标的隶属度，Xmax、Xmin为所有参试品种第k项指标的最大值和最小值。将各项指标的隶属度进行累加，求出平均值，进行综合比较。平均值越大，说明抗旱性越强；反之，抗旱性越弱。

形态指标：采用Excel 2010处理数据和绘图，使用SPSS 24.0进行差异显著性检，单因素方差分析用Duncan法，双因素方差分析用LSD法，采用Origin 9.0作图。

表1 豆禾牧草混播配比和播量Table 1 Proportion and sowing amount of legume and grass for different treatments

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对牧草生长发育的影响

2.1.1 水分胁迫各时期土壤含水量的变化

在水分胁迫各时期分别测定所有盆栽处理的土壤含水量，结果(图1) 表明，所有处理的土壤含水量均随着干旱胁迫时间的延长而降低。从胁迫 8 d开始到 20 d 时结束，J 处理的土壤含水量最高且均显著高于其他处理(P＜ 0.05)。所有处理的土壤含水量均由正常浇水的16.06%～18.82%下降到胁迫20 d时的2.50%～4.28%。

2.1.2 水分胁迫对牧草株高的影响

单播与混播处理中，箭筈豌豆与绿麦草单播株高均呈上升趋势(表2)，但到水分胁迫后期(16-20 d)，生长速率逐渐减缓。对于箭筈豌豆，在水分胁迫8 d时，JL3的株高显著高于其他混播和单播处理(P＜ 0.05)，但在水分胁迫16 d和20 d时，J处理的株高均显著高于其他处理(P＜ 0.05)，胁迫20 d时J处理的株高达到试验处理阶段内的最大值(48.07 cm)。对于绿麦草，在水分胁迫8 d时，JL2处理的株高显著高于其他处理(P＜ 0.05)；而在20 d时，单播绿麦草的株高最大，与JL1和JL2无显著差异(P＞ 0.05)。水分胁迫后箭筈豌豆与绿麦草株高均一直增加，JL1与JL3处理的株高胁迫16 d后仍显著增加(P＜ 0.05)，而绿麦草在胁迫8 d (JL2和JL3)及16 d(L和JL1) 后株高不再显著上升(P＞ 0.05)，表明箭筈豌豆较绿麦草收水分胁迫的负面影响更小。

图1 不同水分胁迫处理下土壤含水量的变化Figure 1 Dynamics of soil moisture rate

2.1.3 水分胁迫对牧草叶长叶宽的影响

与正常浇水(CK)相比，箭筈豌豆叶长整体呈下降趋势(图2)，在水分胁迫8 d时所有处理中箭筈豌豆叶长均有所降低，单播处理J的叶长最大(2.03 cm)，与混播处理JL3无显著差异(P＞ 0.05)，但显著高于JL1和JL2处理(P＜ 0.05)；胁迫16 d和20 d时，单播处理J的叶长均最大，分别为2.43和2.40 cm，且显著高于其他3个混播处理(P＜ 0.05)。

表2 水分胁迫下箭筈豌豆与绿麦草株高的动态变化Table 2 Dynamics of height of Vicia sativa and Secale cereale under water stress cm

图2 水分胁迫下箭筈豌豆的叶长Figure 2 Leaf length of Vicia sativa under water stress

除单播处理L外，所有混播处理叶长整体均呈上升趋势(图3)，与正常浇水 (CK) 相比，上升幅度为25.93%～34.28%。其中，至20 d胁迫结束时，混播处理JL2中绿麦草的叶长最大，为38.00 cm；单播处理L的叶长最小，为24.63 cm，显著低于JL1、JL2、JL3 混播处理 (P＜ 0.05)。

图3 水分胁迫下绿麦草的叶长Figure 3 Leaf length of Secale cereale under water stress

所有处理中箭筈豌豆的叶宽整体均呈下降趋势，下降幅度为3.94%～29.17%(图4)，结合叶长下降的趋势，说明水分胁迫会使箭筈豌豆叶长叶宽减小进而导致叶面积的降低。其中，在胁迫8 d时，JL1的叶宽最大，为1.10 cm，但各个处理间无显著差异(P＞ 0.05)；但胁迫16 d和20 d时，JL1的叶宽反而最小，且显著低于其他处理(P＜ 0.05)。

所有处理中绿麦草的叶宽整体也均呈下降趋势，下降幅度22.97%～35.90%(图5)。其中，至20 d胁迫结束时，JL2处理的叶宽最大，为0.96 cm；JL1与L处理的叶宽最小，为0.83 cm，但单播处理L与3个混播处理间并无显著差异(P＞ 0.05)。

图4 水分胁迫下箭筈豌豆的叶宽Figure 4 Leaf width of Vicia sativa under water stress

图5 水分胁迫下绿麦草的叶宽Figure 5 Leaf width of Secale cereale under water stress

图6 水分胁迫下箭筈豌豆根长的变化动态Figure 6 Dynamics of root length of Vicia sativa under water stress

2.1.4 水分胁迫对豆禾混播牧草植株根系的影响

随着土壤水分胁迫的加剧，所有混播处理中箭筈豌豆根长的生长均呈上升趋势(图6)，至20 d水分胁迫结束时根长均达到试验处理阶段内的最大值，其中单播处理J的根长最长(37.83 cm)，而混播处理JL1中箭筈豌豆的根长最短(32.53 cm)。在水分胁迫8 d时，3个混播处理与单播均无显著性差异(P＞0.05)；在水分胁迫16 d和20 d，J、JL2和JL3处理的根长均显著高于JL1处理(P＜ 0.05)。

随着干旱胁迫的时间延长，所有处理中绿麦草的根长的生长均呈0-8 d上升、8-16 d降低、16-20 d迅速上升的趋势(图7)，可能是由于其通过增长根长向盆中有含水的土壤方向延伸以便吸收水分来抗旱。在干旱胁迫初期(0-8 d)生长速率较快，到中期(8-16 d)生长减慢，而到后期(16-20 d)增长速度加快，根长达到试验处理阶段内的最大值。其中JL1处理中绿麦草的根长最长，为60.5 cm，显著高于其他混播处理(P＜ 0.05)；JL3处理的根长最短，为46.83 cm，与L(48.17 cm)无显著差异(P＞0.05)。正常浇水 (CK)时，5个处理间均无显著差异(P＞ 0.05)；从干旱胁迫8 d到20 d结束，JL1处理中绿麦草的根长均显著高于其他处理(P＜ 0.05)。

图7 水分胁迫下绿麦草根长的变化动态Figure 7 Dynamics of root length of Secale cereale under water stress

2.1.5 水分胁迫下各形态指标的抗旱系数值变化

株高、叶长和叶宽的抗旱系数值均小于1，而根长的抗旱系数均大于1(表3)，说明在土壤水分胁迫时，会抑制植物地上部的生长，促进地下部根系的伸长生长。

对于株高，所有处理中箭筈豌豆与绿麦草的抗旱系数值均随着水分胁迫时间的延长而减小，说明干旱强度的加剧会减弱其抗旱性，从而影响植株生长。值得注意的是，单播箭筈豌豆的抗旱系数值随着水分胁迫的加强反而升高。

对于叶长，大部分处理的箭筈豌豆与绿麦草的抗旱系数值呈先升高后降低的趋势，说明在水分胁迫至16 d时，牧草生长较旺盛，其抗性也最强。其中，在水分胁迫16 d时，JL1和JL2箭筈豌豆叶长的抗旱系数值最大，但与单播对照均无显著差异(P＞ 0.05)。与叶长的规律相反，大部分处理中箭筈豌豆与绿麦草叶宽的抗旱系数值先降低后升高，但均低于水分胁迫8 d时的值。

除了箭筈豌豆单播外，其混播以及绿麦草单播和混播，在水分胁迫20 d时，箭筈豌豆与绿麦草根长的抗旱系数值都高于水分胁迫8 d时的。其中单播绿麦草根长的抗旱系数值最大(1.76)，与混播处理JL1中的绿麦草无显著差异(P＞ 0.05)，但显著高于其他处理中箭筈豌豆与绿麦草根长的抗旱系数值(P＜ 0.05)。说明干旱胁迫可以显著增加牧草的根长，且混播对其有一定的促进作用。

2.2 箭筈豌豆与绿麦草混播牧草的抗旱性综合评价

植物通过多种途径来抵御或忍耐干旱胁迫的影响，因此，单一的抗旱性鉴定指标难以反映出植物对干旱的适应能力。本研究以水分胁迫20 d的株高、叶长、叶宽、根长各指标的抗旱系数值为基准，采用隶属函数法对豆禾混播处理中豆科牧草与禾本科牧草的抗旱性进行综合评价，综合评价D值越大，说明其抗旱性越强。结果(表4) 表明，单播箭筈豌豆的综合评价D值最大，根据综合评价D值大小对各处理箭筈豌豆抗旱性由强到弱的顺序排列为J(单播箭筈豌豆) ＞ JL3(箭筈豌豆75%+绿麦草25%) ＞ JL2(箭筈豌豆 50%+绿麦草 50%) ＞ JL1(箭筈豌豆25%+绿麦草75%)；对于绿麦草来说，抗旱性由强到弱的顺序排列为L(单播绿麦草) ＞ JL2(箭筈豌豆 50%+绿麦草 50%) ＞ JL1(箭筈豌豆 25%+绿麦草75%) ＞ JL3(箭筈豌豆75%+绿麦草25%)。说明与单播相比，本研究设计的3个混播比例对于牧草的抗旱性无显著影响，箭筈豌豆与绿麦草单播可能更适宜在水分亏缺的环境生长。

3 讨论

关于豆科牧草抗旱的生理生态方面已经开展了大量研究，并取得了一定的进展[37-38]。植物体内细胞由于水分胁迫会在结构、生理生化等方面发生一系列适应性的改变，最终会体现在植株形态的变化上，因此可以用来鉴定植物的抗旱性。在干旱胁迫一定时间后，干物质与株高的抗旱系数越大，抗旱性就越强[39]。张荟荟等[40]对不同豆科牧草的抗旱性研究时发现，干旱胁迫会导致豆科牧草的地上部生物量严重减少，地上干物质抗旱指数普遍偏低，高度的增长也会在一定程度上受到抑制。毛培春等[41]对无芒雀麦(Bromus inermis)苗期抗旱性研究表明，干旱胁迫会导致植株的生长速度减慢，绿叶数降低，进而引起地上生物量的下降。本研究中，所有干旱胁迫处理牧草的株高均低于正常水分处理下的株高，其抗旱系数都小于1，与谢楠等[42]研究结果一致，但是随着干旱胁迫时间的延长，其抗旱系数值随之降低，说明随着干旱强度的加剧，植物的抗旱性也随之减弱。

植株的叶长和叶宽也可以作为初步判断其抗旱性强弱的指标，翟春梅等[43]通过叶长、叶宽等5个形态指标对紫花苜蓿抗旱性进行了综合评价，指出叶片越窄、越长，越有利于植株抗旱，本研究中，箭筈豌豆的叶长与叶宽整体均呈降低趋势，而绿麦草的叶宽减小、叶长却在增加。此外，在大部分干旱胁迫阶段，叶长、叶宽和播种比例与水分处理的交互作用并无显著相关性，说明豆科与禾本科牧草抵御干旱胁迫的机制不一致，豆科牧草可能通过同时减小叶长与叶宽来减少叶片表面积，降低其蒸腾作用，而禾本科牧草通过减小叶宽、增加叶长来减小叶面积，从而提高植株的抗旱性。

赵国靖[7]对白羊草(Bothriochloa ischaemum)和达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)混播在不同水分处理下的根系形态研究发现，根长、根表面积均高于正常水分处理，与本研究结果一致，适当的水分胁迫可以促进根系的伸长生长，混播与水分处理的交互作用对其影响显著。然而，虽JL1处理中绿麦草的根长最长，显著高于单播绿麦草与混播处理，但是与两者单播相比，混播处理中两者根长的抗旱系数反而较低，可能因为豆科牧草与禾本科牧草混播对于地下资源的种间竞争作用，导致根长生长受到一定的抑制，从而使得抗旱能力减弱。

研究发现，使用单一指标与多个指标综合评价结果并不一致[44-45]，这表明，如果只使用单一指标评价植物的抗旱性是有局限性的，因此需要采用多项指标综合评价抗旱性提高结果的准确性与可靠性。本研究采用Fuzzy数学中隶属函数法，综合株高、根长和叶长、叶宽4个指标分别对豆科牧草与禾本科牧草的抗旱性进行综合评价，结果表明，在所有处理中单播箭筈豌豆的抗旱性最强。其中对于箭筈豌豆来说，抗旱性由强到弱的顺序依次为单播箭筈豌豆 ＞ 箭筈豌豆75%+绿麦草25% ＞箭筈豌豆25%+绿麦草75% ＞ 箭筈豌豆50%+绿麦草50%；对于绿麦草来说，抗旱性依次为单播绿麦草 ＞ 箭筈豌豆 50%+绿麦草 50% ＞ 箭筈豌豆 25%+绿麦草75% ＞ 箭筈豌豆75%+绿麦草25%。

西藏地域辽阔，平均海拔4 000 m以上，年均气温4.8 ℃，降水表现出明显的地域性，从东南到西北依次递减[46]，因此在不同区域无论是单播还是混播其抗旱性都可能会不同，降水低的地区植物可能会更耐旱一些。本研究中箭筈豌豆与绿麦草的播种量是根据当地种植经验来确定的，混播比例则是根据大田混播试验的结果只初步选择了1∶3、1∶1和3∶1，当具体的播种量与播种比例发生改变时，箭筈豌豆与绿麦草的抗旱性结果可能会发生改变。本研究结果初步为西藏河谷区豆禾牧草混播时的抗旱性提供了基础数据，后续仍需要考虑不同播量、不同混播比例甚至不同海拔高度的因素下研究其响应规律。

4 结论

水分胁迫会影响牧草的生长发育，会抑制箭筈豌豆的叶长叶宽及绿麦草的叶宽，而对绿麦草的叶长影响不大。同时水分胁迫会促进根系的伸长生长，从而提高牧草在干旱条件下对土壤中水分与养分的吸收；通过隶属函数法对箭筈豌豆与绿麦草的抗旱性进行综合评价得出，在本研究设计的2个单播及3个混播配比中，单播箭筈豌豆的抗旱性最强，3个豆禾牧草混播配比较单播并没有明显的抗旱优势。