6种牧草苗期耐旱性综合评价

田小霞， 卫晓锋， 魏 浩， 许明爽， 毛培春

（1.北京市农林科学院草业花卉与景观生态研究所，北京 100097；2.中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司，北京 100012；3.河北地质大学河北省高校生态环境地质应用技术研发中心，河北石家庄 050031）

干旱是制约植物生长的非生物胁迫中最主要的因素［1-2］。干旱不仅给农业生产造成严重损失，而且会导致生物多样性减少、土壤水土流失和荒漠化等，对生态环境造成影响。因此，干旱被认为是世界性环境问题［3］。在干旱条件下植物会从植株生长形态、生物量、细胞膜稳定性及抗氧化酶系统等多方面对干旱胁迫作出响应［4］。国内外学者对干旱及在干旱后复水条件下植物的生长和生理响应开展了大量研究［5］，研究者对草地早熟禾（Poa pratensis）［6］、藜麦（Chenopodium quinoa）［7］、高粱（Sorghum bicolor）［8］、玉米（Zea mays）［9］、苜蓿（Medicago sativa）［10］等进行干旱后复水试验发现，植物在干旱复水后恢复生长能力强的其抗旱性越强。因此，应结合复水后植株的生长和生理响应变化对植物的抗旱性进行综合评价。筛选抗旱性强的牧草不仅可以减轻干旱对植物生长的危害，又可以发展畜牧业提高经济效益，且在抗旱牧草利用和品种选育上具有重要意义。

植物在干旱少雨的沙化半沙化地区具有复杂的生存机制和避逆策略，以适应逆境环境［11］。因此，研究和筛选牧草的抗旱性，培养抗旱高产的牧草品种不仅可以通过畜牧业生产提高经济效益，而且是缓解沙化危害的一个有效途径。长穗偃麦草（Elytrigia elongata）、无芒雀麦（Bromus inermis）、披碱草（Elymus dahuricus）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、沙打旺（Astragalus adsurgens）和紫花苜蓿（Medicago sativa）均具有较强的生存能力及抗逆性，是退耕还林及水土保持的重要牧草。目前，关于这6 种牧草之间的抗旱性研究报道较少，本研究通过对6 种牧草苗期进行正常灌溉和持续干旱处理，测定其生长和生理生化指标，应用多元统计分析方法对各项指标进行综合评价，以期为筛选适宜于干旱地人工种植的牧草和品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料长穗偃麦草、无芒雀麦、披碱草、扁穗冰草、沙打旺和紫花苜蓿种子均是生产上常用的商品种子。

1.2 材料培养与处理

试验在北京农林科学院草业花卉与景观生态研究所温室内进行。温室平均气温27.6 ℃（白天）/18.5 ℃（夜晚），相对湿度54.6%（白天）/82.7%（夜晚）。采用盆栽法，培养土取自围场县御道口沙化土并过筛，烘干后按照每盆3 kg称取干土装入花盆，花盆尺寸上口径17 cm、底部直径12 cm、高度14 cm。土壤理化性质全氮、全磷、全钾含量分别为0.1±0.03 g·kg-1、0.1±0.01 g·kg-1、18.4±1.00 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为9.8±0.26 mg·kg-1、2.5±0.06 mg·kg-1、36.3±4.63 mg·kg-1，有机质含量为22.2±2.4 g·kg-1。

播种育苗，每盆播种100 粒种子，正常浇水管理。出苗10 d 后每盆定株30 株健壮幼苗，叶片4～5片真叶时开始干旱胁迫处理，设置正常灌水和自然干旱胁迫2个处理。处理前正常灌水和干旱处理的试验材料全部浇水至土壤田间持水量的80%～100%（土壤体积含水量25%～30%）。试验期间对照组的幼苗保持田间持水量的80%～100%；干旱处理组幼苗停止浇水。干旱处理14 d后，将干旱处理组复水至土壤田间持水量的80%～100%；开始第2 次干旱处理3 d 后随机选取相同部位叶片测定各生理指标。

1.3 测定指标与方法

使用便携式土壤水分计SM200 测定土壤体积含水量。每种材料随机选取植株6 株，用直尺测量开始干旱处理时的株高（PH0）和试验结束时株高（PH），生长速率（GR）=（PH-PH0）/胁迫天数×100；植株地上干重（SDW）和地下干重（RDW）测定使用称重法；并计算根冠比，根冠比（RSR）=地下干重/地上干重；叶片相对含水量（RWC）采用饱和称重法［12］，叶片相对含水量（RWC）=（叶片鲜样质量-叶片干样质量）/（叶片饱和鲜样质量-叶片干样质量）×100；叶绿素（Chl）总含量测定采用直接浸提法（丙酮:酒精=1:1）［12］；其他生理指标抗氧化酶活性，可溶性蛋白（SP）、脯氨酸（Pro）及丙二醛（MDA）含量均采用分光光度法测定。

1.4 数据处理与分析

1.4.1 单项指标抗旱系数

1.4.2 不同种质材料综合指标隶属函数值

式中：μ（Xj）表示第j个指标隶属函数值；Xj表示第j个指标值；Xmin表示第j个指标最小值；Xmax表示第j个指标最大值。

1.4.3 各综合指标的权重

式中：Wj表示第j个指标在所有指标中的权重；Vj表示第j个综合指标的贡献率。

1.4.4 抗旱综合评价值

式中：D值为抗旱性综合评价值。

运用Excel 2013 计算平均值和抗旱系数，SPSS 19.0进行方差分析、相关分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对6种供试材料各性状指标的影响

与对照相比，干旱胁迫下6 种供试材料的PH、GR、SDW、RWC、Chl 数值均低于对照；无芒雀麦和扁穗冰草RDW、SOD、POD 数值低于对照，而其他4种供试材料除沙打旺和紫花苜蓿的RDW和POD活性外，RDW、SOD、POD 指标值均高于对照；长穗偃麦草、披碱草和沙打旺的Pro、SP 含量均高于对照，而其他3 种材料的Pro、SP 含量低于对照；6 种供试材料的MDA均高于对照（表1）。

表1 干旱胁迫对供试材料各性状的影响Tab.1 Effects on the traits of test materials under drought stress

2.2 6种供试材料各单项指标的抗旱系数和相关性分析

在干旱胁迫下，6 种供试材料的13 项生长和生理指标抗旱系数表现出不同的生长变化和生理响应（表2），6 种供试材料的PH、GR、SDW、RWC、Chl等5项指标的抗旱系数均小于1，表明干旱胁迫下的数值低于对照；而长穗偃麦草、披碱草和沙打旺3种材料的RDW、RSR、SOD、CAT、Pro、SP的抗旱系数均大于1，6 种牧草的MDA 抗旱系数均大于1。试验材料在干旱胁迫下不同单项指标有的高于对照，有的低于对照，用单一的指标值进行抗旱性评价具有片面性，因此以各单项指标的抗旱系数为基础进行抗旱性综合评价更具有比较性和客观性。

表2 干旱胁迫下6种供试材料生长和生理指标的抗旱系数（ω值）Tab.2 Drought resistance coefficient(ω value)of growth and physiological indices of six materials tested under drought stress

由表3可知，PH与RDW、Pro、CAT 和SP呈极显著正相关关系，与RWC、POD、SOD 呈显著正相关关系；MDA 与其他12项指标呈负相关关系，但这12项指标之间呈正相关关系。以上结果表明，干旱胁迫下，6 种供试材料各生长和生理指标之间存在相互拮抗又相互协同的关系。

表3 干旱胁迫下6种供试材料生长和生理指标的相关系数矩阵Tab.3 Correlative coefficient matrix of growth and physiological indices of six materials tested under drought stress

2.3 6种供试材料单项指标的主成分分析

由表1 和表2 可知，干旱胁迫下供试材料的MDA 含量、Pro 含量、SP 含量及抗氧化酶活性均增加，表现出一定的抗旱性。为更客观地评价各供试材料的抗旱性，本研究选取13项指标中呈正相关的12项指标抗旱系数进行主成分分析。结果显示，前4 个因子的贡献率达98.398%，集中了12 项指标的绝大部分数据信息（表4）。第一主成分的特征值为9.092，贡献率为75.768%；第二主成分的贡献率为10.649%。因此，通过主成分分析可以将原来的12项指标转换为4 个相互独立的综合指标，分别用CI1、CI2、CI3、CI4表示（表5）。

表4 干旱胁迫下各指标的主成分分析Tab.4 Principal component analysis on indices under drought stress

表5 供试材料的综合指标值CIx、隶属函数值µ(x)、综合评价D值及抗旱类型Tab.5 Comprehensive indices CIx,subordinative function valueµ(x),comprehensive valuation D value,and drought resistance of materials tested

2.4 各种质材料抗旱性的综合评价

通过12 项生长和生理指标抗旱系数和各综合指标的特征向量求出供试材料的4 个综合指标值，通过公式（2）和公式（3）求出综合指标值的隶属函数值和权重Wj，4 个综合指标的权重分别为0.770、0.108、0.084和0.038（表5）。通过公式（4）计算出抗旱性综合评价值D值，根据D值大小对供试材料抗旱性进行排序，顺序为：长穗偃麦草＞披碱草＞沙打旺＞无芒雀麦＞紫花苜蓿＞扁穗冰草，其中，长穗偃麦草的D值最大，为0.813，表明其抗旱性最强。

综合评价值D值与各单项指标抗旱系数的相关分析见表6，由表6可知，PH、RDW、Pro、SP与综合评价值D值呈极显著正相关；RWC、POD 和CAT 与D值呈显著正相关性，相关系数分别为0.857、0.870和0.889；其他指标与D值呈正相关关系。

表6 综合评价值D值与各单项指标抗旱系数的相关分析Tab.6 Correlation analysis of comprehensive valuation D value and drought-resistance coefficient of each index

3 讨论

干旱胁迫下，植物会通过调整植株形态、生长和生理响应等方面来应对植物体内水分流失及组织受损［13-14］，是多个生长和生理指标同时发生变化的过程。苗期是牧草生长的关键时期，也是对水分变化最敏感的时期，对其苗期进行抗旱性评价是最合适的植物生长阶段。本研究结果表明，干旱胁迫下供试材料的叶片含水量低于对照，与田小霞等［15］对黄花草木樨的抗旱性综合评价的结果一致。干旱胁迫下供试材料叶片相对含水量降低可能一方面是由于干旱胁迫下植株根系吸收水分减少，地上部分水分散失率大于根系吸收水平的速率，进而降低了叶片的相对含水量，研究者认为抗旱性强的材料相对含水量降幅更小［16］。

本研究中干旱胁迫下叶片叶绿素含量低于对照，原因可能是由于干旱胁迫下叶绿素的合成减弱，也可能是逆境胁迫下原有的叶绿素遭到了破坏，进而降低了叶绿素的含量［17-18］；而本试验中发现干旱胁迫下，供试材料的MDA 含量均高于对照，也证明了逆境胁迫下植物体内膜脂过氧化现象。本研究还发现，长穗偃麦草、披碱草和沙打旺3种材料的生长指标地下生物量、根冠比、脯氨酸含量和抗氧化酶活性等均高于对照。可能是因为干旱胁迫下植物根系为了更有效的增加吸水面积而增加了根的表面积来维持其正常的吸水功能［17-18］；干旱胁迫下植物为提高保护能力引发活性氧（ROS）的过度产生，进而提高了抗氧化剂和次生代谢物来增加对ROS 的清除能力，增强植物对干旱胁迫的耐受性［19-20］，这也是干旱胁迫下植株抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量高于对照的原因；脯氨酸含量高于对照可能是植物通过产生更多的渗透物质来保护蛋白分子结构和稳定膜结构，最终提高抗旱性［20-22］。

植物感知到水分缺失的信号时，会启动应对策略及通过改变生长形态和生理响应来提高自身的抗旱性［23］，因此，运用具有较强代表性的生长和生理指标，利用多元统计方法综合评价植物抗旱性则更具有全面性［24-25］。李京蓉等［26］和张小娇等［27］应用隶属函数法对青海省6 种牧草和垂穗披碱草（Elymus nutans）进行了抗旱性综合评价；杨伟等［28］研究了干旱胁迫下2种不同抗旱性老芒麦（Elymus sibiricus）幼苗的抗氧化酶系统，得出抗旱能力强的老芒麦，其抗氧化酶活性显著高于抗旱能力弱的材料。李怡等［29］应用综合评价法对羊草（Elymus chinensis）的13个指标进行了抗旱性综合评价，得出干旱胁迫下脯氨酸和丙二醛含量较高的羊草的其抗旱性越强。

本研究以6份供试材料测定指标的抗旱系数为基础，运用主成分分析法将12个单项指标转换成可以反映大部分试验材料抗旱信息的4 个综合指标，并运用隶属函数法计算了综合指标的隶属函数值，根据主成分分析中的权重赋予了各综合指标不同的权重，得出了供试材料的抗旱性综合评价值D值。根据D值得出6 种牧草的抗旱性结果为：长穗偃麦草＞披碱草＞沙打旺＞无芒雀麦＞紫花苜蓿＞扁穗冰草。综合评价值D值是一个闭区间[0,1]上的纯数［21-22］，使得各供试材料更有可比性；综合评价值D值既考虑了各单项指标的相关关系，又考虑了各单项指标的重要性，使得综合评价结果更客观，更准确。

本研究通过人工模拟干旱逆境条件，在试验材料幼苗期干旱处理14 d 后，复水再次干旱处理3 d后，对试验材料进行抗旱性综合评价。试验干旱处理时间短，干旱后复水后有补偿效应，因此供试试验材料的抗旱性综合评价结果与田间生长的逆境条件差别较大，取得的试验数据及结果还需要在大田试验中验证。

4 结论

通过主成分分析法将12 项生长和生理指标转换为4 项综合指标，并得出株高、可溶性蛋白含量、地上干重和脯氨酸含量在抗旱性综合评价中的权重较大。应用多元统计分析方法对6种牧草抗旱性进行了综合评价，得出6种牧草的抗旱性为：长穗偃麦草＞披碱草＞沙打旺＞无芒雀麦＞紫花苜蓿＞扁穗冰草。因此，长穗偃麦草、披碱草、沙打旺和无芒雀麦可作为干旱半干旱地区耐旱品种的候选材料。综合评价值D值与株高、地下干重、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量均呈显著正相关，可作为相似材料苗期抗旱性评价的辅助指标。