3 种优势牧草在不同生育期对干旱胁迫的响应

乌日娜，张兴东，王 妍，张继权

（1. 辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029；2. 东北师范大学环境学院，吉林 长春 130024）

2011 年Smith 将极端气候事件(extreme climate event)定义为统计的气候极端期超出了事件正常变化的范围，即跨越了极端响应阈值，并且这种损害是长期的，影响生态系统整体结构和功能[1]。作为极端气候事件之一的干旱是指由于长期无雨或少雨导致土壤水分减少，从而造成作物水分失衡发生减产的一种气象灾害[2]。而在干旱过程中植物自身对干旱的适应和抵抗被称为抗旱性[3]。在近些年来，随着极端气候事件频发，干旱出现的频率呈现显著增加的趋势，对草原生态系统的影响十分严重，干旱影响植物的个体生长发育、种群动态、群落结构、功能和过程以及生物多样性与生态系统功能[4]。松嫩草地作为我国草原带自然条件最好的草原区之一，其生态环境和植被生长状态备受瞩目。因此，对松嫩草地优势草种在不同生育期内遭受不同干旱程度胁迫时对牧草形态特性的影响和抗旱性进行定量评价，探究北方草原应对不同程度干旱胁迫时采取不同应急方案具有重要的现实意义。

目前，国内外关于植物胁迫方面的研究主要分为两大类：一是对某一区域的多种优势牧草，通过干旱胁迫分析干旱胁迫对牧草生理生态特性的影响和评价它们的抗旱性[5-6]；二是通过溶液[7-10]或菌群[11-13]的干预改变某一种牧草的状态，之后通过抗旱性指标分析溶液和菌群对牧草生理生长状态和抗旱性的影响。研究方法多采取隶属函数法[14-15]、灰色关联度法等。国内研究大多集中在典型干旱区或生态环境遭到严重破坏的地区，而关于松嫩草地等农牧交错带遭受干旱胁迫时草地生态系统如何响应的研究却较少，研究者对东北地区的主要粮食作物玉米(Zea mays)和大豆(Glycine max)进行了生理生长指标分析和抗旱性评价[16-17]。对东北地区的主要绿化树种和抗旱性树种也进行了干旱胁迫和抗旱性评价[18-19]。本研究选择大陆性半干旱半湿润气候区的松嫩草地为研究区，以松嫩草地3 种优势草种作为研究对象，利用野外干旱胁迫试验、室内试验和隶属函数法等手段，分析不同等级干旱胁迫处理对不同生育期内3 种优势草种形态特性的影响，并对牧草自身的抗旱性进行评价，研究结果可为应对极端干旱事件以及抗灾减灾提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区选取

选择吉林省长岭县种马场东北师范大学松嫩草地生态研究站为野外试验基地(图1)。以牧草的区域性分布为基础选取羊草(Leymus chinensis)、全叶马兰(Kalimeris integrifolia)和碱蒿(Artemisia anethifolia)3 种优势群落为试验对象，在各自牧草广泛分布区设置试验区。

图1 研究区位置及高程图Figure 1 Location and elevation map of the study area

1.2 试验方法

依据不同牧草在自然界中分布的地域差异性在野外试验基地设计3 个试验区，分别为羊草试验区、碱蒿试验区、全叶马兰试验区，并进行野外水分控制试验。每个试验区内设计6 个3 m × 3 m 的样地，各样地上均覆盖有避雨顶棚，顶棚最高点1.6 m以上，顶棚使用厚度约为200 μm 的塑料，顶棚设置采用未完全闭合设置，开口朝向常年风向。为避免顶棚覆盖削弱太阳辐射影响植物正常生长发育，采取人为控制顶棚，在干旱胁迫过程中无自然降水时，顶棚处于开放状态，发生自然降水时，人为将顶棚放下覆盖试验样地，以保证在整个试验过程中牧草正常接收光照。

每种牧草试验每年重复5 次，3 种牧草两年总计30 次。除大田对照其余的5 个3 m × 3 m 的样地内部设4 个1 m × 1 m 的试验小区，4 个试验小区分别对应4 个干旱等级，依据试验区3 种牧草分布，每个1 m × 1 m 的试验小区内有植株50～100 株。

为防止边际效应，小区之间用隔断层隔离开，取样地点离小区边缘大于0.5 m，为方便在不同小区间采样行走、设备运输安装，小区间的过道间距为0.5 m。

1.2.1 干旱等级设定

本试验以土壤相对湿度表征干旱，干旱等级根据国家标准定为4 个等级，各干旱等级对应的土壤相对湿度的设定参照《北方牧区草原干旱等级 GB/T 29366-2012》[20]来执行(表1)。

1.2.2 干旱历时设定

依据祝廷成[21]的方法，将牧草整个生育期划分为4 个阶段(返青期、抽穗期、开花期和成熟期)。按照不同生育期划分和表1 干旱等级划分，进行牧草不同生育期的不同等级干旱胁迫。

表1 土壤相对湿度设定Table 1 Seasonal changes in soil relative humidity

在牧草不同生育期进行不同等级干旱胁迫时，其他生育期保持水分充足。胁迫开始后停止浇水。胁迫停止后，进行复水，保证未进行干旱胁迫时的其他生育期水分充足。

同时有一组试验样地，在牧草整个生育期，实施不同等级干旱胁迫。还有一组试验样地，进行大田对照试验，接受自然阳光和自然降水。

1.3 试验指标的测定

测定方法：在各试验小区中选择具有代表性的10 株牧草进行测定。在牧草生育期内每隔15 d 连续测量指标3 d，1 d 测量2 次，分别为10:00 和14:00，最后取平均值。

株高：将卷尺垂直于地面，选取样地各试验小区中对角线上的10 株进行自然株高测量。

叶长：用卷尺测量叶片尖到叶片底之间的长度，即为叶长。

土壤湿度：用PASW-I 便携式土壤水分测量仪测量土壤湿度。

叶绿素含量：选择每株成熟的叶子为测量叶片，用SPAD-502 叶绿素计测定叶绿素含量。

牧草产量：3 种牧草在枯黄期结束后统一进行收割，留茬高度视当地具体情况而定，留茬高度基本距离地面5～7 cm。各生育期的牧草产量：从该生育期结束一直到枯黄期进行收割为止实施正常水分（不再进行干旱胁迫），由此便得到返青期、抽穗期、开花期相应的牧草产量。将收割好的鲜草放入塑料袋中，4 ℃以下进行保存，将从野外采集的草本样品装入密封袋内带回实验室，称湿重后在烘箱内进行烘干，烘干箱的温度设置为105 ℃，烘干24 h至恒重为止，烘干完成后称干重得到牧草干重。

1.4 抗旱性评价方法

1.4.1 单项抗旱系数

式中：DC为单项抗旱系数；i为指标性状；Xi为干旱处理下各指标；CKi为水分充足下各指标[22]。

1.4.2 隶属函数值

应用模糊数学中的隶属函数法综合评价3 种牧草抗旱能力[6]，其隶属函数值X(u)计算方程如下：

式中：X为牧草某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别为3 种牧草该测定指标的最大值和最小值。若该指标与牧草抗旱性呈正相关关系，则采用(2)式计算隶属值；若该指标与牧草抗旱性呈负相关关系，则用(3)式计算。将各指标的隶属函数值累加后再平均，得到的平均值越大，则表示牧草的抗旱性越强，反之，则表示牧草的抗旱性越弱。

1.5 数据分析与处理

用Excel 2010 软件进行数据整理和制图；用SPSS 26 软件对3 种优势牧草的株高、叶长、叶绿素含量和产量进行单因素方差分析，采用Duncan 法进行差异显著性分析，在5%水平上比较各处理间差异的显著性；用ArcGIS 10.2 进行试验区地图制作。

2 结果与分析

2.1 不同生育期不同等级干旱胁迫对3 种优势草种形态特性及产量的影响分析

同一个生育期，随着干旱胁迫程度的增加，3 种优势草种的株高和叶长总体上呈降低趋势(表2)。随着生育期延长，当持续受到干旱胁迫时株高整体增高、叶长整体增长或不变(其中碱蒿叶长减小)，说明随着牧草生长，牧草生育后期受干旱胁迫影响较小，牧草生长前期(返青期)对牧草形态特性的影响较大。就整个生育期而言，干旱胁迫下，羊草的株高显著下降(P< 0.05)，碱蒿株高显著增加(P< 0.05)，全叶马兰株高变化不大。羊草和全叶马兰的叶长变化不大，但碱蒿的叶长显著降低(P< 0.05)。

表2 干旱胁迫对3 种牧草株高和叶长的影响Table 2 Effect of drought stress on plant height and leaf length of three different forages

叶绿素含量是反映逆境环境下叶片生理形状的重要指标。在同一生育期内，随着干旱胁迫程度的增加，3 种优势牧草叶绿素含量总体呈现减少趋势(表3)。牧草受到同一程度干旱胁迫时，自返青期至成熟期，3 种牧草叶绿素含量大致呈现增加趋势。此外，在轻度干旱胁迫下，3 种牧草的叶绿素含量变化不明显，这说明3 种牧草叶绿素含量对重度干旱胁迫的响应更强烈。无论是在不同生育期同一水平干旱胁迫处理，还是同一生育期不同水平干旱胁迫处理，与羊草和全叶马兰相比，碱蒿叶绿素含量受干旱胁迫的影响更明显。

在同等干旱胁迫处理条件下，随着生育期后移，全叶马兰和碱蒿产量呈减少趋势，羊草产量呈增加趋势。这说明，牧草在返青期受到干旱胁迫会直接影响产量而且影响程度最大。最后，干旱对牧草产量的影响以生育期前期较为敏感，因返青期进行干旱胁迫处理后，地上生物量明显下降，导致营养生长和生殖生长受到抑制，从而使得产量降低。在同一个生育期内，随着干旱胁迫等级的增加，干旱对牧草的影响加大，牧草产量呈减少趋势(表3)。

表3 干旱胁迫对3 种牧草叶绿素含量和产量的影响Table 3 Effect of drought stress on chlorophyll content and yield of the three forages under study

2.2 抗旱性评价

单项抗旱系数评价结果(表4)显示，不管是株高还是叶绿素含量，随着干旱程度的增加，3 种牧草抗旱系数均呈现减少趋势。因特旱处理对研究抗旱性具有代表性，所以考虑特旱程度下牧草各生育期抗旱系数。结果发现，在特旱条件下，羊草在返青期时的株高抗旱系数最高(0.96)，全叶马兰在开花期最高(0.93)，碱蒿在抽穗期最高(0.92)；叶绿素指标，羊草在抽穗期抗旱系数最高(0.95)，全叶马兰和碱蒿在返青期和开花期最高(0.98)。

表4 3 种牧草单项抗旱系数Table 4 Single drought resistance coefficients of the three forages under study

隶属函数值结果(表5)显示，羊草和全叶马兰在返青期的株高隶属函数平均值最高；在开花期羊草和全叶马兰叶绿素含量指标隶属函数平均值最高；在同一个生育期内，随着干旱胁迫程度的增加，羊草的隶属函数值大致呈增加趋势，尤其是在特旱胁迫程度下，其隶属函数值依然较高，只有在成熟期，其各项指标均低于整体水平。从3 种牧草株高指标隶属函数平均值看，羊草和全叶马兰的隶属函数值在返青期较高，碱蒿在开花期较高；从3 种牧草叶绿素指标隶属函数平均值看，羊草和全叶马兰均在开花期隶属函数值最高，碱蒿在返青期和抽穗期最高；将两种指标隶属函数值取平均值，得出羊草和全叶马兰在开花期隶属函数值最高，返青期次之，碱蒿在开花期最高，抽穗期次之。

表5 3 种牧草隶属函数值Table 5 Subordinate function values of the three forages under study

3 讨论

本研究结果表明，牧草受到干旱胁迫时，株高、叶长和产量都会受到抑制，这与宋吉轩等[10]的研究结果相吻合；随干旱程度增加，叶绿素含量减少，由于干旱胁迫会影响叶绿素的合成，加速现有叶绿素分解，使叶绿素含量减少，这与在甘薯(Dioscorea esculenta)[23]、玉米[24]和生菜(Lactuca sativa)[25]中的研究结果一致。植物的抗旱性是植物对干旱的适应能力，不同植物对干旱胁迫具有不同的抗旱能力，在干旱的耐受范围内，植物对干旱胁迫会产生应激机制，使伤害降到最低[26]。干旱条件下，植物能够调控与抗旱有关的基因表达，因此形态、生理生化等方面会发生变化[27]。

本研究采取野外试验方法，相比盆栽试验[28-29]，野外试验具有一定的科学性。盆栽试验忽略了自然生长的植物具有地域性以及种群之间的竞争关系，而在自然环境大背景下的野外试验很好地解决了这个问题。此外，野外控制试验通过人为控制干旱胁迫程度和干旱时间，探究了极端干旱事件在较短时间尺度上的实现，对预测极端干旱事件对草地

生态系统的影响具有一定的应用价值[4]。并采用单项抗旱系数和隶属函数法对3 种牧草的抗旱性进行综合评价，可以消除个别指标带来的片面性。

植物的抗旱性受到多种因素相互作用，可以通过不同途径抵抗和适应干旱[30-31]。目前关于干旱胁迫以及抗旱性的研究主要集中于不同牧草抗旱性[5-6]或同一牧草不同品种的抗旱性比较[14]。而对于各生育期抗旱性的研究较少，本研究考虑到3 种牧草所属科属不同，生长环境、生长习性也有一定的差异，因此并未在3 种牧草间做抗旱性评价，而是探究3 种牧草在各自生育期内的抗旱性。羊草在开花期和返青期抗旱性较强，这可能是由于开花期在牧草生育中期，牧草各项生理水平均达到稳定状态，光合作用强，叶绿素含量积累较多，隶属函数值较高，因此其抗旱性也较强；返青期处于羊草生育初期，其自身抵御外界环境的能力较强，因此抗旱性也较强。全叶马兰在抽穗期和成熟期抗旱性较低。抽穗期是决定作物结实粒数的关键时期，是产量形成的关键时期。因此，在抽穗期采取一定的干旱应对措施，可以保证产量。碱蒿在返青期隶属函数值最低，抗旱性较弱，返青期是牧草重要的生育期，会直接影响最终产草量。所以，应注意返青期干旱的防范，以保证牧草产量。此外，本研究只考虑了单一干旱胁迫，选取的抗旱性指标有限，未考虑牧草自身的调节和恢复，在今后的研究中应尽可能选取更多的指标并充分考虑多种环境胁迫的综合作用，使评定结果与实际情况更加准确。

4 结论

松嫩草地3 种优势牧草形态和生理指标对干旱胁迫程度的响应研究表明：

1)干旱胁迫对3 种优势牧草株高、叶长和叶绿素含量等形态特性造成了一定的影响。随着生育期推移，受到同等级干旱胁迫时，这种影响亦随之减少；在同一生育期，随着干旱程度加剧，这种影响具有增加趋势。在不同生育期，同等级干旱对3 种优势牧草株高、叶长和叶绿素含量的影响程度表现为全生育期 > 返青期 > 抽穗期 > 开花期 > 成熟期；在同一生育期，干旱对3 种优势牧草株高、叶长和叶绿素含量的影响程度表现为轻旱 > 中旱 > 重旱 >特旱。

2)干旱胁迫对牧草产量的影响具有一定的规律性。在同一个生育期，干旱程度越高，干旱胁迫对产量的影响越严重，特旱处理时3 种优势牧草产量最低；随着生育期推移，受到同等级干旱胁迫时，干旱对产量的影响随之减少，返青期受到干旱的影响最严重。这说明，牧草在返青期受到干旱胁迫会直接影响最终产量形成。

3)羊草在不同生育期内的抗旱性表现为开花期 > 返青期 > 全生育期 > 抽穗期 > 成熟期。全叶马兰抗旱性表现为开花期 > 全生育期 > 返青期 > 成熟期 > 抽穗期。碱蒿抗旱性表现为开花期 > 抽穗期 > 全生育期 > 成熟期 > 返青期。综上，3 种牧草在开花期抗旱性较强，羊草、全叶马兰在抽穗期的抗旱性较弱，碱蒿在返青期的抗旱性较弱。