荒漠綠洲過渡帶一年生草本植物對干旱脅迫的響應

席璐璐,緱倩倩,*,王國華,2,宋 冰

1 山西師范大學,地理科學學院,臨汾 041004 2 中國科學院西北資源與環境研究院 中國生態系統研究網絡臨澤內陸河流域研究站,蘭州 730000

一年生草本植物是干旱半干旱荒漠生態系統植物區系的恒有層片[1],廣泛分布于荒漠區土質、沙質、礫質、石質、鹽堿土等生境,對于荒漠生態系統生物多樣性的維持和生態系統功能穩定發揮著不可替代的作用[2]。目前,國內外關于荒漠地區一年生草本植物的研究已有大量報道。國外主要對一年生草本植物的生態意義和生存對策、物種豐富度和多樣性、生長、繁殖和生產力以及季節動態等方面開展了研究[3- 6]。例如,Madon和Medail[3]對地中海一年生草本植物研究發現一年生植物具有高度的耐脅迫能力；Brown[4]在科威特荒漠發現,在三個生長季節一年生草本植物的生物量受初雨的發生時間,生長期的降雨量及時間分布影響；Krieger等[5]發現一年生草本植物生命周期短,繁殖率高,對于干旱有很強的適應能力；Robinson[6]發現在阿曼干旱林地荒漠,多年生植物可以通過葉片截留并重新分配降雨對一年生草本植物的生長和豐度的空間格局產生影響。我國學者主要研究了荒漠地區一年生植物層片組織格局、生態適應模式[1]、物種多樣性[7]、分布特征[8- 9]、豐富度的季節變化及不同生活型植物生物量特征[10]、葉片對凝結水響應[11],更多關注干旱與半干旱地區荒漠群落一年生層片對于荒漠生態系統穩定和防止土地荒漠化的重要作用[1,7- 18]。同時學者們還對荒漠地區一年生草本植物種子萌發[12- 14]和土壤種子庫[15- 16]、一年生植物的生理生態特征,例如光合速率[17]、蒸騰速率和氣孔導度[18]進行研究,闡釋了一年生植物在生理特性上對環境的生態適應性,而目前探討一年生植物對干旱脅迫的適應機制的研究還相對有限。

在干旱荒漠地區,降水稀少、不連續、不可預測,且小降水事件發生頻率高、降水間隔期長[19],一年生草本植物作為機會主義者,高度順應氣候波動,對干旱脅迫和水分供應高度敏感,并能夠在高溫干旱時期通過調節生理、生長和繁殖策略,快速完成生活史,雖植株生長矮小,但結實較多[7,18]。生長在干旱半干旱荒漠生態系統的一年生草本植物,在長期進化中形成了復雜多樣的干旱脅迫適應對策,因此,一年生草本植物對干旱脅迫的響應機制研究一直是干旱荒漠生態系統研究的重點內容。例如,宋士偉等[20]通過對野大麥(Hordeumbrevisubulatum)幼苗進行生理指標測定,研究表明,野大麥在遭受干旱脅迫的情況下,野大麥葉片脯氨酸含量呈連續上升趨勢,可溶性糖呈先上升后下降趨勢；郭郁頻[21]也通過設置不同干旱脅迫條件,研究表明,隨著干旱脅迫的加劇,早熟禾(Poa)幼苗葉片葉綠素含量呈下降趨勢,脯氨酸含量、丙二醛含量總體呈上升趨勢；李秋艷等[22]通過人工控制降水量處理水平模擬幼苗生長對生長季節內降水量變化的響應,研究表明,5種荒漠植物能夠調節對地上地下生物量的分配來適應環境變化；徐貴青等[23]對3種荒漠植物根系研究表明,根系在一定程度上具有向土壤濕潤區域發展的向水特性。目前,更多學者關注植物對增溫和控制降水量導致的干旱脅迫的響應,而天然環境下過長的降水間隔是影響植物的生理和生長的直接因素,但目前相關研究鮮有報道,導致我們還無法系統全面了解一年生草本植物對氣候干旱的響應。

河西走廊地處我國西北干旱內陸地區,是重要的農業生產基地,但由于深居內陸、干旱少雨、風沙活動頻繁,綠洲沙漠化嚴重,該區也是中國西北主要的沙漠化防治區[24]。該區通過在荒漠綠洲過渡帶建立人工固沙植被,保持綠洲生態環境穩定。經過近50年人工固沙植被的建立,人工林內灌木和多年生草本植物入侵稀少,而大量一年生草本植物入侵并定居,并成為人工固沙植被群落中草本層片的優勢植物層片,對防治近地表風沙活動和保持沙面穩定發揮著至關重要的作用[25]。該地區一年生植物主要由一年生禾本科、一年生藜科、十字花科組成,其中一年生禾本科虎尾草(Chlorisvirgata)和狗尾草(Setariaviridis)與一年生藜科霧冰藜(Bassiadasyphylla)是主要的優勢種。由于降水匱乏,蒸發強烈,年際降水量波動大,年內降水分布極度不均勻,干旱脅迫成為該地區一年生草本植物最關鍵的影響因素。本文以河西走廊荒漠綠洲過渡帶典型一年生草本植物(霧冰藜、虎尾草和狗尾草)為研究對象,通過模擬不同降水間隔期對其進行脅迫處理,研究3種一年生草本植物在不同干旱脅迫下生理、生長和繁殖的響應規律,探討植物生理指標之間的關系,以期揭示干旱半干旱地區一年生草本植物的抗旱機制,進而為荒漠生態系統的科學管理提供理論支撐。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅河西走廊中部臨澤縣北部荒漠綠洲過渡帶(39°22′—39°23′N,100°07′—100°08′E),是臨澤綠洲和巴丹吉林沙漠的交匯處[26],該地海拔約1386m,氣候類型屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候,年平均氣溫為7.6℃,多年平均降水量為118.4mm,降水稀少,且分布不均勻,集中在5—8月,年平均蒸發量為2400mm,干旱指數達到20[27]。地帶性土壤均為灰棕漠土、沙壤土及沙土。地貌景觀類型有流動、半流動、固定、半固定沙丘以及丘間低地。為了防止風沙侵襲及恢復綠洲邊緣生態環境,在當地種植梭梭(Haloxylonammodendron)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom),紅柳(Tamarixramosissima)等人工固沙植被,在人工林內霧冰藜、虎尾草和狗尾草等一年生草本植物不斷侵入,成為人工固沙植被草本層的優勢植物種,并在防止近地表風蝕發揮著不可忽略的作用。

1.2 試驗設計

試驗用種子于2018年9月采自河西走廊中國科學院臨澤內陸河流域研究站附近的半固定沙丘上,同一物種的種子在20—30個植株個體上收集,自然風干并充分混合(圖1)。實驗室盆栽試驗時間為2019年6月1日—9月15日。花盆內直徑為30cm,深20cm。每盆裝中沙(粒徑0.5—0.25mm)3kg,將紗布鋪在花盆底部,阻止沙子漏出,同時可保持通氣。選取子粒飽滿、大小基本一致且無病蟲的3種一年生草本植物種子,每種單獨播種于花盆內,每種植物播種20盆,共60盆,每盆播種50粒,行距3cm,播深2cm(圖2),為了防止系統誤差,60個花盆隨機擺放,并在每盆上用標簽紙進行標號。用燒杯等量澆水至花盆底部滲出水,控制實驗室溫度為15/25℃,以保證種子順利出苗。自播種后每天記錄出苗數,在停止出苗3天后,每盆留10株長勢良好、生長情況相近的植物進行正常澆水種植。

圖1 三種一年生草本植物采集種子照片Fig.1 Seed photos of three annual herbaceous plants

圖2 盆栽種植(行距、株距)示意圖 Fig.2 The schematic diagram of pot planting (row spacing, plant spacing)

根據臨澤站40年降水資料統計,該區多年平均降水量為118.4mm,因此按照多年平均降水量設定試驗期間正常水分條件(對照)；此外,資料還顯示,<10d的降水間隔期占比率最大,為年無降水期的67.56%,10—20d間隔期占13.23%,且頻率基本穩定,但>20d的間隔期頻率明顯下降且變異較大,因而本試驗設定5d間隔期(輕度干旱)、10d間隔期(中度干旱)、15d間隔期(重度干旱)來模擬自然降水頻率[28]。為減少水分蒸發,盡量保證土壤接受的實際降水量與設定的模擬降水量一致,模擬降水均在同一天的19:00—20:00內完成,并將試驗設定的降水量均勻地灑在花盆中。3種植物正常生長至生長期與繁殖期轉換期時開始進行干旱脅迫模擬試驗并停止澆水,每隔5d采樣一次,干旱處理到15d為止,為了測定植物在重度干旱脅迫下的恢復能力,對干旱脅迫15d的植物進行自然復水(DS)并于復水第二天取樣。取樣時先用水將盆土充分浸泡,將土壤連同植株輕輕倒出,然后用流水慢慢沖洗,洗凈根系上所有附泥,樣品迅速帶回實驗室,放入4℃以下低溫冰箱保存,測定各項指標。

1.3 測定指標與方法

生理參數：采用TTC法測定根系活力[29]；采用80%丙酮法測定葉綠素含量[29]；用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量[29]；采用酸性茚三酮法測量脯氨酸含量[29]；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[30]；用考馬斯亮藍G- 250染色法測定可溶性蛋白質含量[30]。

形態參數：莖長、根長用直接測量法,用精確到0.01cm的直尺測量。莖長是測量根部以上至穗以下的部分；根長是測量植物的主根根長。

繁殖參數：收集全部種子,于實驗室晾干至恒重,測定百粒重；并測出單株結種數。以上指標均重復3次,取平均值。

表1 研究區40年降水量、降水事件、降水間隔期頻率分布

1.4 數據分析

采用SPSS 21.0進行單因素方差分析和Duncan′s多重比較分析同一植物不同脅迫水平各個參數的差異顯著性(P<0.05),用相關性分析方法分析植物各生理之間的相關性。利用Origin 2018作圖軟件完成圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 3種一年生草本植物對干旱脅迫的生理響應

在不同干旱脅迫下葉片滲透調節物質(脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白)差異顯著(P<0.05),脯氨酸、可溶性糖含量基本趨勢為隨著干旱脅迫天數的增加而增加,可溶性蛋白含量隨干旱脅迫天數增加呈先增大后減小：干旱脅迫5d時,葉片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量均上升,脯氨酸含量上升幅度最大(190.81%、184.62%、51.80%)；干旱脅迫10d時,與對照相比可溶性蛋白含量增幅(652.80%、1045.85%、1333.48%)較大,并達到峰值；干旱脅迫15d時,葉片可溶性蛋白含量有所下降,可溶性糖增幅(584.49%、197.12%、635.47%)較大(圖3)。

圖3 霧冰藜、虎尾草和狗尾草滲透調節物質對干旱脅迫的響應Fig.3 Response of osmoregulation substances in Bassia dasyphylla,Chloris virgata and Setaria viridis to drought stress不同黑色字母代表霧冰藜不同干旱脅迫處理差異顯著(P<0.05),相同黑色字母代表霧冰藜不同干旱脅迫處理差異不顯著(P>0.05);不同紅色字母代表虎尾草不同干旱脅迫處理差異顯著(P<0.05),相同紅色字母代表虎尾草不同干旱脅迫處理差異不顯著(P>0.05);不同藍色字母代表狗尾草不同干旱脅迫處理差異顯著(P<0.05),相同藍色字母代表狗尾草不同干旱脅迫處理差異不顯著(P>0.05);CK:對照; DS:重度干旱脅迫后復水

不同干旱脅迫下葉片丙二醛含量差異顯著(P<0.05),隨著干旱脅迫天數增加呈上升趨勢：干旱脅迫15d時,葉片丙二醛含量增大到最高值(7.41μ mol/g、14.16μ mol/g、10.34μ mol/g)(圖4)。

圖4 霧冰藜、虎尾草和狗尾草丙二醛含量對干旱脅迫的響應 Fig.4 Response of Malondialdehyde (MDA) contents in Bassia dasyphylla,Chloris virgata and Setaria viridis to drought stress

在不同干旱脅迫下葉片葉綠素含量差異顯著 (P<0.05),隨著干旱脅迫天數的增加,呈下降趨勢：在對照組,葉綠素含量分別為0.83mg/g、0.48mg/g和0.58mg/g；干旱脅迫15d時,葉片葉綠素含量降至最低值,與對照相比分別下降了46.21%、39.69%和33.34%(圖5)。

圖5 霧冰藜、虎尾草和狗尾草葉綠素含量對干旱脅迫的響應 Fig.5 Response of chlorophyll contents in Bassia dasyphylla,Chloris virgata and Setaria viridis to drought stress

在不同干旱脅迫下根系活力差異顯著(P<0.05),呈先上升后下降趨勢：在干旱脅迫5d時,各植物根系活力有所上升并達到最大值,分別升高31.77%、17.89%和20.91%；隨后逐漸降低,干旱脅迫15d時,根系活力下降至最低值(圖6)。

圖6 霧冰藜、虎尾草和狗尾草根系活力對干旱脅迫的響應 Fig.6 Response of root activity in Bassia dasyphylla,Chloris virgataand Setaria viridis to drought stress

15d干旱脅迫復水后,葉片脯氨酸含量、可溶性糖含量和丙二醛含量均有所下降,葉綠素含量和根系活力均有所上升。

2.2 3種一年生草本植物對干旱脅迫的形態響應

隨著干旱脅迫天數增加,3種植物根長伸長；虎尾草和狗尾草的莖長呈現出下降趨勢,霧冰藜莖長呈上升趨勢；霧冰藜根長與莖長度的比呈現下降趨勢,虎尾草和狗尾草根長與莖長度的比呈現上升趨勢。干旱脅迫15d時,虎尾草、狗尾草莖長分別減少了25.25%和26.59%,霧冰藜莖長上升了44.61%,3種植物根長較對照處理下伸長了18.86%、26.38%和21.74%(圖7)。

圖7 霧冰藜、虎尾草和狗尾草生長對干旱脅迫的響應Fig.7 Response of the growing in Bassia dasyphylla,Chloris virgataand Setaria viridis to drought stress

2.3 3種一年生草本植物對干旱脅迫的繁殖響應

在不同干旱脅迫下,結種數和百粒重均差異顯著(P<0.05)：隨著干旱脅迫天數的增加,結種數和百粒重總體呈下降趨勢。干旱脅迫15d時,結種數均降為最小值,與對照相比,分別降低了67.82%、45.82%和46.97%,百粒重降幅為52.53%、61.52%和55.49%(圖8)。

圖8 霧冰藜、虎尾草和狗尾草繁殖體對干旱脅迫的響應Fig.8 Response of propagules in Bassia dasyphylla,Chloris virgata and Setaria viridis to drought stress

3 討論

3.1 3種一年生草本植物對干旱脅迫的生理響應

本研究發現,當3種一年生草本植物受到干旱脅迫時,葉片內會產生大量的滲透調節物質(脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖),輕度干旱脯氨酸含量增加190.81%、184.62%、51.80%,中度干旱可溶性蛋白含量增加652.80%、1045.85%、1333.48%；而重度干旱復水后,干旱脅迫被解除,3種一年生草本植物的脯氨酸和可溶性糖含量向正常水平恢復,這說明這3種一年生草本植物在葉片滲透調節方面對復水表現出明顯的響應,對于重度干旱脅迫的損傷仍具有較高的修復能力。很多研究表明,植物受到干旱脅迫時,葉片的細胞通過吸收無機離子(例如,Na+、Ca2+)[31]或產生有機質溶質[32- 34]維持滲透勢,保持細胞繼續吸水,維持葉片細胞組織具有一定的持水力或免于脫水,從而對干旱脅迫起到了緩沖保護的作用。3種一年生草本受到干旱脅迫時,在植物葉片內會主動積累脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖來提高提高滲透調節能力,維持細胞內外滲透平衡,保證細胞的保水能力,增強其抗旱性,尤其是脯氨酸,是一年生草本植物對干旱脅迫反應最為敏感的一種滲透調節物質[35]。在本研究區,年降水量只有大約100mm,<10d降水間隔期占比率(68%),降水發生時間和持續時間多變,荒漠一年生草本植物在荒漠區長期處于干旱脅迫狀態,增加葉片的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量,維持穩定滲透勢,是荒漠一年生草本應對荒漠環境中干旱的關鍵生理適應策略。

同時,本研究發現3種一年生草本植物葉片內丙二醛含量也會隨著干旱程度增加而增加(169.13%、804.65%、330.69%)；3種一年生草本植物葉片內葉綠素含量也會隨著干旱程度增加而減少(下降46.21%、39.69%和33.34%)。一般認為,當干旱對植物的脅迫程度較輕時,植物體內丙二醛在較低水平,一旦超過植物的耐受極限,導致脂質過氧化產物丙二醛的大量產生[36]。丙二醛含量上升會加速葉綠素的分解,從而抑制植物光合作用和個體生長[37]。在本研究中,輕度干旱脅迫下,丙二醛與滲透調節物質、葉綠素含量關系不顯著,而隨著干旱脅迫程度增加,丙二醛與滲透調節物質、葉綠素含量之間呈顯著負相關關系(表2),這是由于輕度干旱時一年生草本植物葉片滲透調節物質上升,葉片丙二醛含量維持在較低水平,葉綠素含量增加；而中度和重度干旱脅迫時,丙二醛含量逐漸增加,丙二醛具有細胞毒性,與膜結構上的蛋白質結合,使蛋白質含量下降[21],導致一年生草本植物的滲透調節作用不顯著,同時葉綠素分解加速,從而使植物生長受到抑制。

表2 干旱脅迫下3種一年生草本植物生理指標間的相關性分析

本研究還發現,在輕度干旱條件下,3種一年生草本植物根系活力為最大值,而隨著干旱程度增加,根系活力逐漸降低。根系活力影響水分吸收,活力越強,越有益于水分吸收[38]。一年生草本植物在輕度干旱脅迫時,除了進行滲透調節以及光合作用調節,還會通過增加根系活力,保證根系從土壤中吸收更多水分,以緩解干旱對生長的抑制,從而表現出適應干旱環境的能力。

3.2 3種一年生草本植物對干旱脅迫的形態響應

本研究發現,當降水的時間間隔增大,干旱程度加劇時,3種一年生草本植物還可以通過個體形態調節進行適應,尤其在重度干旱脅迫時,莖長下降明顯,植物增加地下根系投入,通過延伸主根系長度,增加根長來適應嚴重干旱。在荒漠生態系統,許多旱生植物對資源限制都可以做出類似的個體形態反應,根系會向較深土層延伸,在深層土壤吸收土壤水分[22- 23,39]。而對于淺根系的一年生草本植物,根系對降水和淺層土壤水分變化極為敏感,最先感知干旱脅迫,因而,在干旱脅迫時,根系最先反應,這是一種典型的“開源”策略[40]。

3.3 3種一年生草本植物對干旱脅迫的繁殖響應

本研究還發現,輕度干旱和中度干旱時,一年生植物最大限度地提高繁殖輸出,百粒重及結種數均維持在較高水平,而重度干旱脅迫時,一年生草本植物株的地上部生長受到抑制作用,直接導致了百粒重和結種數量下降,結種數分別下降67.82%、45.82%和46.97%,百粒重分別下降52.53%、61.52%和55.49%。有研究表明,植物受到嚴重干旱脅迫時,繁殖分配低即可保證其存活,如果提高繁殖分配,則會危及一年生草本植物的生存。資源利用學說認為,生境中的可利用資源是影響植物種群繁殖分配比例的重要因素,當資源不足時,植物會將更多的資源分配給營養結構以提高資源的獲取能力[41]。有研究表明,荒漠植物權衡種子數量和質量資源分配,是荒漠植物適應干旱環境的一種機制[42]。許多研究都預測干旱荒漠地區未來的極端干旱和極端降雨事件將更頻繁[43-44],使降水間隔期更大,干旱荒漠地區植物可能經受更為嚴重干旱脅迫。在全球氣候變化的背景下,一年生草本植物作為機會主義者,比多年生草本植物可能更具有優勢,一年生草本植物在應對干旱時具有更靈活的生長和繁殖適應策略,在荒漠生態系統中作用將更加明顯。

4 結論

本研究發現輕度和中度干旱脅迫時一年生草本植物主要通過生理調整：增加葉片脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量維持葉片滲透壓,提高保水能力,并增加葉綠素含量,使丙二醛含量維持在較低水平,從而使植物維持正常體內生長環境；同時,輕度干旱時根系活力增強,有效促進根系水分吸收與生長。由于生理調整作用,輕度和中度干旱時百粒重及結種數均維持在較高水平。而在重度干旱脅迫下,葉片丙二醛含量迅速增加達到最高值,加速葉綠素分解使可溶性蛋白含量下降,滲透調節作用達到了極限,從而抑制植物有效生長,植物開始啟動個體形態響應(增加根系投入,減少地上莖干投入),根系延伸反應出一年生草本植物適應干旱逆境的一種“開源”策略。同時,重度干旱脅迫時,一年生草本植物植物地上部生長受到抑制,從而導致結種數和百粒重下降。