5 种豆科牧草抗旱性研究与评价

2023-10-21王占军季波纪童蒋齐

草业学报 2023年10期

王占军，季波，纪童，蒋齐

（宁夏农林科学院林业与草地生态研究所，宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，宁夏银川 750002）

干旱生境是限制草地生产力与畜牧业发展的主要因素之一［1］。豆科牧草作为优质的牧草资源，在营养结构与生态改良方面有着巨大优势，是退化草原补播改良或人工草地建植不可或缺的草种选择。因此，进行优良耐旱豆科牧草品种的遴选以及耐旱性识别和评估，对于引进优质牧草、促进草地畜牧业发展与改良生态环境十分重要。

豆科牧草的根系较为发达，能够深入土层，吸收更多的水分和养分，增加其抗旱能力，在土壤含水量极低的条件下，植物会从蒸腾系统、生长调节系统、抗氧化酶系统、根系系统、激素系统等多个系统做出调节以抵御干旱胁迫［2］，如调节气孔、激活根系生长、积累有机质、增加抗氧化酶、分泌激素等多种方式。其中抗氧化酶系统在干旱胁迫研究中最为突出，车轩等［3］研究发现红豆草（Onobrychis viciaefolia）抗氧化酶系统的相互协调能力要优于变异小冠花（Coronilla varia），其可减少自由基对细胞的损害，保护细胞膜的完整性，维持细胞内环境稳定，进而表现出较强的抗旱性；苏日古嘎等［4］研究发现白花草木樨（Melilotus albus）通过叶片中积累可溶性糖与增加抗氧化酶活性来适应干旱胁迫；洪开祥等［5］对5 种一年生豆科牧草苗期的抗旱性进行研究，发现毛苕子（Vieia villosa）抗旱性最强。

此外在干旱胁迫下，牧草不仅在抗氧化酶系统做出反应，其外部性状也被作为评判植物是否抗旱的直观表现，缺失水分植物会出现生长速度减慢、叶片卷曲变黄、凋谢死亡等形态特征的变化，不同品种的牧草其环境适应力也不尽相同［6］。因此利用牧草农艺性状得出准确的牧草抗旱土壤含水量阈值，对于准确评判植物抗旱性意义重大。

宁夏地处我国西北内陆，属于典型的温带大陆性气候，区内干燥少雨，蒸发量大，年平均降水量在250 mm 左右，且分布极不均匀，多集中分布于7、8、9 月［7］，引进抗旱性强的豆科牧草对该地区畜牧业发展以及退化草地恢复具有十分重要的意义。因此本研究以5 种多年生豆科牧草草木樨状黄芪（Astragalus melilotoides）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、小冠花、鹰嘴紫云英（Astragalus cicer）为研究对象，通过测定土壤水分和牧草农艺性状（绿叶数与株高），利用均方根偏差法［8］计算绿叶数和株高离散度与土壤水分离散度，及两者间的权衡关系，以土壤水分为自变量，权衡值为因变量，利用分位数模型［8］界定维持植物正常生命活动的土壤水分阈值，同时结合干旱胁迫下牧草生理指标，达到科学评价牧草抗旱性的目的，从而为干旱区优质抗旱牧草的建植及草地生态修复提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取5 种优质的多年生豆科牧草：草木樨状黄芪、牛枝子、达乌里胡枝子、小冠花、鹰嘴紫云英进行抗旱性研究（表1）。

表1 供试牧草信息Table 1 Information of tested forage

1.2 试验设计

于2019 年4 月在宁夏农林科学院林业与草地生态研究所试验基地（E 106°30′，N 37°04′），采用盆栽法，装入统一的大田土壤（土壤理化性质见表2），将豆科牧草种子种于花盆中，于实验室温室内进行培育，6 月5 日苗期稳定后间苗，保证花盆中苗数相同，并搬至有遮雨条件的室外进行干旱胁迫试验。设置干旱胁迫组与对照组，其中每种牧草干旱胁迫组设置7 个重复，对照组3 个重复，5 种牧草共计50 组花盆。于7 月10 日-29 日进行胁迫试验，胁迫前进行浇水处理，保证土壤水分充足，处理组进行断水处理，对照组每日正常浇水，测定各处理组生理指标、土壤含水量以及植物农艺性状（绿叶数、株高）。

表2 供试土壤基本情况Table 2 Soil base conditions for testing

1.3 指标测定与方法

1.3.1 生理指标测定为防止阳光直射，取样时间定为上午9：00。选取牧草中上部长势一致的新鲜健康叶片、放入冰盒，带回实验室进行测定。取样方法如表3。

表3 指标测定方法Table 3 Measurement of indicators

1.3.2 相对值的计算抗旱胁迫指数（drought resistance index，DRI）=

1.3.3 抗旱性评价

式中：μxk：第k个指标的正反隶属函数值；xk、xmin、xmax、分别表示第k个指标的指标值、指标最小值、指标最大值、指标平均值；xik：i材料的第k 个指标值；vk：标准差系数；wk：权重；D：综合评价值。

1.3.4 土壤含水量测定与计算试验开始前将所有试验处理所用花盆进行标记称重，记作M2，在试验期间每日称量花盆重量记作M1，在胁迫试验结束后，称量每个带土花盆重后，将每个花盆土混合均匀，随机选择6 个土样，置于铝盒内带回实验室烘干，得出干土重（M3，kg）。利用试验中每日的花盆重量（M1，kg），计算每日每个花盆的土壤质量含水量（S1，%）。

田间土壤含水量采用土壤多参数传感器（Hydra Probe，可测定土壤水分、温度和盐分）测定。5-8 月定期进行土壤体积含水量的监测。

1.3.5 绿叶数和株高测定间苗后将牧草进行定株标记，每日测定株苗上的绿叶数，并用卷尺测定牧草株高。

1.3.6 土壤含水量阈值确定绿叶数-株高的土壤含水率相对收益。

式中：Wi、Gi、Wmin、Wmax、Gmin、Gmax分别是土壤水分、农艺性状、土壤水分在所有样本中的最小值和最大值、农艺性状在所有样本中的最小值和最大值。

图1 为均方根偏差法收益示意图，图中指标收益大小为坐标点到1∶1 线的距离，来表征二者之间的权衡关系：在0 权衡线上代表当前土壤含水量恰好能够维持当前牧草正常生长发育，当处于权衡线下半部分时，当前土壤含水率能够维持当前牧草正常生长发育；相反，当处于权衡线上半部分时则说明当前土壤含水率不能够维持当前牧草正常生长发育。

图1 均方根偏差法Fig.1 Root mean square deviation method

1.3.7 分位数回归分位数回归［8］被广泛应用于探究因变量的整体分布或了解某一分位点因变量的分布状况。为避免牧草死亡或抗旱系统严重破坏数据集影响，分位点的确定需要保证数据权衡值≥0，各牧草分位点基本情况见表4。

表4 各牧草分位点Table 4 Forage quantile

1.4 数据处理

利用Excle 进行基础统计计算以及作图，采用R 语言agricolae 与quantreg 函数包进行方差分析与分位数回归分析。

2 结果与分析

2.1 绿叶数和株高变化特征

2.1.1 绿叶数由图2 可知，牧草草木樨状黄芪（A）、达乌里胡枝子（C）绿叶数均表现为试验前期（7 月10 日-7月13 日）与对照组差异不显著（P＞0.05），牧草牛枝子（B）与小冠花（D）绿叶数，在试验前期（7 月13 日）就已显著低于对照组，仅牧草鹰嘴紫云英（E）在试验后期（7 月24 日-7 月29 日）绿叶数显著低于对照组（P＜0.05）。

图2 豆科牧草绿叶数Fig.2 Green leaves number of legume forages

2.1.2 株高由图3 可知，牧草草木樨状黄芪（A）除7 月21 日外，对照组与处理组均无显著性差异（P＞0.05），牧草牛枝子（B）胁迫后期（7 月29 日）对照组显著高于处理组，仅牧草鹰嘴紫云英（E）株高在全胁迫时期均表现为对照组与处理组无显著差异（P＞0.05），牧草达乌里胡枝子（C）、小冠花（D）在胁迫中期与后期表现为对照组株高显著高于处理组（P＜0.05），且牧草达乌里胡枝子（C）、小冠花（D）在胁迫前期出现处理组株高高于对照组的现象。

图3 豆科牧草株高Fig.3 Plant height for legume forages

2.2 土壤含水量响应阈值

2.2.1 土壤含水量阈值豆科牧草达乌里胡枝子（C）、小冠花（D）绿叶数分位数回归模型未通过显著性检验（P＞0.05）。草木樨状黄芪（A）、牛枝子（B）、鹰嘴紫云英（E）分位数回归方程通过了显著性检验（P＜0.05），3 种牧草回归线与X 轴的交点分别为17%、10%、5%（土壤水分阈值），当低于土壤水分阈值时说明当前水分不足以维持植物正常生长（图4）。鹰嘴紫云英（E）土壤含水量阈值符合土壤干旱程度分级标准［14］（重度干旱土壤5%左右），证明鹰嘴紫云英（E）能够在该地区重度干旱土壤中维持自身生长，可作为优质引选牧草。

图4 绿叶数-分位数模型Fig.4 Green leaf number-single digit model

由图5 可知，豆科牧草达乌里胡枝子（C）、小冠花（D）株高分位数回归模型未通过显著性检验（P＞0.05），草木樨状黄芪（A）、牛枝子（B）、鹰嘴紫云英（E）分位数回归方程通过了显著性检验（P＜0.05），3 种牧草回归线与X轴的交点分别为16%、14%、10%（土壤水分阈值），鹰嘴紫云英（E）土壤含水量阈值，符合土壤干旱程度分级标准［14］（中度干旱土壤8%左右），证明牧草鹰嘴紫云英（E）能够在该地区中度干旱土壤中维持自身生长，可作为优质引选牧草。

图5 株高-分位数模型Fig.5 Plant height-single digit model

2.2.2 模型检验由图6 可知，牧草草木樨状黄芪（A）与牛枝子（B）绿叶数分位数模型拟合系数为0.2792、0.2852，精度较低，株高分位数模型拟合系数为0.6214、0.8465，精度较高；牧草鹰嘴紫云英（E）株高与绿叶数分位数模型拟合系数均较高，分别为0.9954、0.7706，说明鹰嘴紫云英（E）（绿叶数、株高）的土壤含水量响应阈值具有科学意义。

图6 模型检验Fig.6 Model checking

2.3 生理指标对干旱胁迫的响应

由图7 可知，除牧草牛枝子（B）外，4 份供试牧草的过氧化物酶活性在胁迫前期均与对照组差异不显著（P＞0.05），干旱胁迫后期5 种牧草过氧化物酶活性均显著高于其余处理组与对照组（P＜0.05）。

图7 干旱胁迫指数Fig.7 Drought stress index

牛枝子（B）超氧化物歧化酶活性随胁迫时间延长呈上升趋势，胁迫中期与后期显著高于对照组与初期（P＜0.05），其余4 种牧草超氧化物歧化酶活性均呈先上升后下降趋势。

5 份供试牧草中牛枝子（B）、达乌里胡枝子（C）、鹰嘴紫云英（E）过氧化氢酶活性整体呈上升的趋势，胁迫后期过氧化氢酶活性显著高于对照组（P＜0.05）。小冠花（D）胁迫后期出现过氧化氢酶活性下降的趋势，显著低于对照组（P＜0.05）。

5 份供试牧草中叶绿素含量整体呈先上升后下降的趋势，牧草胁迫初期叶绿素含量均显著高于对照组与其余处理组（P＜0.05）。

丙二醛含量与可溶性糖含量随胁迫时间延长逐渐升高，除小冠花（D）丙二醛含量胁迫前中后期差异不显著（P＞0.05）外，剩余4 种牧草丙二醛含量均在胁迫后期显著高于其余处理组与对照组（P＜0.05）。可溶性糖含量除小冠花（D）外，其余4 种牧草胁迫后期均显著高于对照组（P＜0.05）。

牧草草木樨状黄芪（A）、牛枝子（B）、达乌里胡枝子（C）与小冠花（D）胁迫后期脯氨酸含量显著高于对照组与其余处理组（P＜0.05），鹰嘴紫云英（E）对照组显著高于其余处理组（P＜0.05）。

2.4 抗旱性评价

选取参试5 份牧草的过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、丙二醛、可溶性糖、脯氨酸、叶绿素共计7 项生理指标进行模糊数学隶属函数值评价，并以综合评价D 值的高低评价5 种豆科牧草抗旱性。由表5 可知，牧草牛枝子（B）生理指标综合评价排名最高，D 值为0.74。

表5 综合评价D 值Table 5 Comprehensive evaluation D value

3 讨论

3.1 绿叶数和株高对干旱胁迫的响应

植物在面对水分胁迫时，会做出一系列的应激反应，如生理生化调节，细胞结构改变等，而最直观的表现在植物外部形态上，如生长速度减缓，叶片颜色变化，老化等［14］，株高和绿叶数是被广泛用于评价牧草抗旱性的直观指标。本研究中豆科牧草在胁迫后期均出现了绿叶数与株高显著低于对照组的趋势，表明干旱胁迫程度越高，牧草的农艺性状受到的负面影响就越大。尹飞［15］对玉米（Zea mays）进行干旱胁迫，发现随着胁迫时间的延长，玉米出现叶片萎缩，株高下降的特征；常雪刚［16］研究表明，干旱胁迫导致7 种鹅观草属（Roegneria）18 份野生种质材料株高、叶绿素含量以及叶片含水量等出现下降，本研究结果与其一致。

试验中不同牧草对干旱胁迫的表现不同，牧草C 于胁迫中期（7 月21 日）就已出现死亡，而牧草E 则在全胁迫阶段株高并无显著变化，表明不同牧草品种对于干旱胁迫的耐受能力不同。

试验中还发现牧草E 在 7 月10 日出现表观性状增长的情况，原因可能为在牧草生长过程中，其根系会储备大量的水分，当遇到干旱胁迫时，牧草会利用储备的水分进行生长，此外牧草在受到干旱胁迫时会调整其生理代谢，使其更加高效地利用已储存的水分，使其正常生长。陆姣云等［17］发现轻度水分胁迫有利于紫花苜蓿（Medicago sativa）产量和品质的提高；罗冬等［18］研究表明，轻微干旱对4 种牧草狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）、黄花草木樨（Melilotus suavelens）、内蒙准格尔苜蓿（M.sativacv.Neimeng Zhungeer）和沙打旺（Astragalus adsurgens）种子萌发和幼苗生长均有促进作用。

3.2 土壤水分阈值确定

牧草农艺性状与土壤水分梯度存在极强的相关关系，但这种相关关系需要建立在牧草自身抗旱系统未被破坏的条件下［19］，因此需要引入权衡值与分位数模型，消除因植物死亡或抗旱系统严重破坏的数据集影响，得到更加准确的土壤含水量阈值。本研究发现，牧草E 株高与绿叶数土壤含水量阈值均较低（株高：10%，绿叶数：5%）且检验组模型拟合系数也较高（株高：0.9954，绿叶数：0.7706），根据土壤干旱分级标准［14］，土壤含水率5%以下时即为重旱地区，8%左右为中旱地区，本研究表明，牧草E 能够适应典型中重度干旱地区，可以作为优质引进牧草品种，同时也表明，利用权衡值与分位数模型可以有效消除极端数据影响，以此界定土壤水分阈值，可以为牧草引种以及建植牧草提供科学方法和理论依据。

3.3 生理指标综合评价

植物在遭受干旱胁迫时，会采取一系列生理机制来抵御干旱胁迫的影响，以确保其生长和生存［20-21］。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）是一种广泛存在于生物体内的重要抗氧化酶，其作用是将超氧阴离子（O2-）转化为氧气（O2）和过氧化氢（H2O2），从而减轻生物体内的氧化应激和氧化损伤［22-23］，过氧化氢酶（catalase，CAT）和过氧化物酶（peroxidase，POD）是两种重要的抗氧化酶，它们都参与了生物体内清除过氧化氢（H2O2）的过程，起到保护细胞的作用。通过测定豆科牧草3 种抗氧化酶活性，进行抗旱性评价，结果发现牧草植物A 存在胁迫后期过氧化物酶活性上升，超氧化物歧化酶活性下降的现象，原因可能为植物受到外界胁迫时，POD 和SOD的活性通常会同时上升，以应对氧化应激的影响，但当胁迫的程度加剧时，可能会出现POD 活性上升，而SOD 活性下降的现象，此外POD 和SOD 的活性也受到基因表达的调控，有些基因可以促进POD 的表达，同时抑制SOD的表达，从而导致POD 活性上升，而SOD 活性下降的现象。Fu 等［24］发现草地早熟禾（Poa pratensis）在长期的干旱胁迫下，3 种氧化酶活性均出现下降现象。DaCosta 等［25］也发现长期的干旱胁迫导致翦股颖属草坪草超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性下降，本研究结果与其一致。牧草D 过氧化氢酶与超氧化物歧化酶活性存在整体下降的趋势，可能因为牧草D 随着胁迫时间延长，重度干旱胁迫积累了较多的超氧自由基与有害物质，体内氧化胁迫防御系统遭到了破坏，植物细胞抗氧化能力逐渐减弱，酶活性降低，对干旱的适应能力明显下降［26-27］。

利用隶属函数法对5 种豆科牧草进行生理指标抗旱性评价发现牧草抗旱性由大到小分别为牛枝子＞达乌里胡枝子＞小冠花＞鹰嘴紫云英＞草木樨状黄芪，7 项指标的隶属函数值排序均不相同，这进一步说明了牧草苗期生长是受多因素影响的结果，因此，实现多变量和多目标的控制，模糊整体可以消除系统中单个指标的片面性，使得研究成果更加科学可靠。

结合各牧草土壤含水量阈值排序（鹰嘴紫云英＞牛枝子）与牧草生理指标抗旱评价（牛枝子＞达乌里胡枝子＞小冠花＞鹰嘴紫云英＞草木樨状黄芪）得出，鹰嘴紫云英与牛枝子不仅在重旱地区能够维持自身农艺性状，且牛枝子抗旱生理机制也十分突出，因此试验筛选出牛枝子作为引选牧草。