野生垂穗披堿草成苗期間的耐旱性研究

王傳旗，劉文輝，張永超，周青平，2*

（1.青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室，青海大學畜牧獸醫科學院，青海 西寧810016；2.西南民族大學，四川 成都610041）

全球氣溫升高加劇了干旱脅迫，干旱是一個長期存在的全球性生態環境問題。相對于其他非生物逆境，干旱具有出現次數多、持續時間長、影響范圍大等特點，對農業生產的影響很大，即使輕微的干旱也會降低糧食產量。我國是一個水資源十分匱乏的國家，干旱和半干旱地區面積占國土面積的47%，占總耕地面積的51%，且在地理上主要分布于西北地區［1］。然而，即使在我國的濕潤及半濕潤地區，也會時常遭受難以預測的短暫旱災。干旱已對我國經濟和社會造成了嚴重的損失。

“三江源”地區位于青海省南部，地處“世界屋脊”青藏高原的腹地，平均海拔3500～4800 m，素有我國乃至亞洲“水塔”之美譽，不僅是我國長江、黃河流域生態環境安全和社會經濟可持續發展的生態屏障，其生態環境狀態及變化同時具有全球指標意義［2－3］。“三江源”地區屬高原大陸性氣候，自然環境嚴酷，具有低溫、缺氧、輻射強烈、干旱、風沙等氣候特征，是我國面積最大的自然保護區，也是全世界所關注的生態脆弱地區之一。長期以來，“三江源”地區受自然因素和人類活動影響，該地區生態環境問題依然十分嚴峻，其中大面積的草（場）地退化就是其眾多生態環境問題的主要表現之一［4－6］。此外，由于春旱頻繁，牧草的播種成苗也是“三江源”地區在人工草地建植、草地補播改良和草原生態修復中存在的一個重要問題。

鑒于此，本研究選取了適宜于“三江源”地區高寒草地生態恢復的野生垂穗披堿草（Elymus nutans）為試驗材料，研究了其成苗期間的耐旱性及需水特性，研究結果將有助于揭示垂穗披堿草干旱適應機理，同時對“三江源”地區植被恢復和利用垂穗披堿草有效防治土地沙化、水土流失等災害具有重要的科學價值和現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及區域概況

野生垂穗披堿草采集于青海省海南藏族自治州貴南縣茫拉鄉（35°12′N，100°45′E，海拔3216 m），高寒草原路邊。該地區屬高原大陸性氣候，年均氣溫為2.3℃，年均日照時數為2907.8 h，年均降水量為403.8 mm，年均蒸發量為1378.5 mm，干旱、沙塵暴等自然災害頻繁。采集來的野生種子在青海省海北州西海鎮多年生牧草種質資源圃（36°54′35″N，101°49′43″E，海拔3156 m），進行馴化選育，編號I-1-3-5。試驗材料為野生馴化品系。試驗前在室溫（溫度16～23℃，相對濕度53%）條件下進行了預試驗，測得垂穗披堿草種長（1.77±0.03）㎝，種寬（0.13±0.01）㎝，千粒重（5.61±0.05）g，種子含水量8.6%，平均發芽率97%。

1.2 試驗地點和時間

本項研究試驗在青海大學畜牧獸醫科學院－青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室進行并順利完成。試驗于2020年6月16日開展，6月27日開始干旱脅迫及復水試驗，試驗共歷時28 d。

1.3 試驗設計

配制水勢為0、－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa的高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱環境［7］。試驗采用紙上發芽法，在每個鋪有雙層濾紙的培養皿中排25粒種子并加7 mL不同環境水勢的PEG-6000溶液。每處理4次重復。將培養皿置于RTOP智能光照培養箱（RTOP-310B，浙江）中，發芽條件25℃/20℃（晝溫/夜溫），光周期14 h，光照度1250 lx。試驗以根長與種子等長視為發芽，以芽長2 cm視為出苗。每天統計發芽數和出苗率并及時清理發霉腐爛的種子。此外，試驗期間每隔2 d更換一次濾紙，并加入7 mL對應PEG-6000溶液，以避免種子吸收和水分蒸發而造成環境水勢改變。垂穗披堿草種子培養7 d后，將未萌發的種子用超純水（0 MPa）沖洗干凈并分別轉移至加有超純水的培養皿中，繼續觀察10 d結束試驗。試驗結束時，檢測未萌發種子的生活力，具體操作：用刀片將種子切開，在顯微鏡下觀察，如果胚為固體、白色，視為有生活力種子；如果胚為液體、褐色則為無生活力種子［8］。檢查結果為97%以上未萌發的種子是有活力的。

1.4 測定指標與方法

發芽率=第7天種子發芽數/試驗供試種子數×100%。出苗率=第7天出苗數/試驗供試種子數×100%。發芽指數為第t天的發芽數，Dt為相對應天數［9］。活力指數均根長+平均芽長［10］。

根長和芽長的測量：從各處理的培養皿中隨機取出15株幼苗，進行根長和芽長的測量，取平均值［11］。

植株根和芽的干鮮重測量：干旱脅迫和復水后，在各溶液濃度處理下隨機取出10株幼苗剪下根和芽，稱重，得其鮮重；然后在105℃烘箱內殺青30 min，再在80℃下烘至恒重，得其干重［12］。測量過程中，各處理下的幼苗不夠10株的全部都測。干物質積累率=植株干重/植株鮮重。

種子發芽出苗需水閾值：根據公式Pi=alogt+b［13］，求出各處理下50%的種子群體發芽出苗的時間t，繼而依據公式1/t=aψw+b［14］，得出50%種子群體在發芽出苗過程中忍耐的最大水勢（需水閾值）。式中：Pi為種子發芽出苗百分率的概率單位轉換值；t為從發芽試驗開始到該概率出現的時間；ψw為水勢；－a/b為50%的種子群體發芽出苗所能忍耐的最大水勢（臨界水勢）。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2020和SPSS 19.0統計分析軟件對所測數據進行統計分析。采用Tukey’s HSD檢驗，對垂穗披堿草處理間的差異性進行單因素方差分析和Duncan多重比較分析。所有數據在分析前要滿足正態分布和方差齊性。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對種子發芽進程的影響

隨著環境水勢的降低，垂穗披堿草種子發芽速率逐漸降低（圖1）。－0.15和－0.30 MPa的水分虧缺對種子發芽速率影響較小，且種子的最終發芽率均大于90%；－0.75和－1.00 MPa的水分虧缺對種子發芽速率影響較大，但復水后種子最終發芽率仍達到50%以上。

水分虧缺和復水后的各處理下，種子均在第2天開始發芽（圖1）。對照組、－0.15 MPa和－0.30 MPa處理下，種子發芽高峰期均在第4天；－0.50 MPa處理下，種子發芽高峰期在第5天；－0.75和－1.00 MPa處理下，種子發芽高峰期在第6天。高濃度的PEG-6000處理（－0.50、－0.75和－1.0 MPa）延遲了垂穗披堿草種子群體發芽的高峰期。復水后，－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體發芽高峰均在第9天；－0.50 MPa處理下，種子群體發芽高峰在第10天；－0.75和－1.0 MPa處理下，種子群體發芽高峰均在第11天。說明復水后，隨著環境水勢的降低，垂穗披堿草種子群體發芽高峰期同樣存在滯后現象。

圖1 干旱脅迫及復水對種子發芽進程的影響Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on seed germination process

2.2 干旱脅迫及復水對植物幼苗形成進程的影響

與發芽進程相似，隨著環境水勢的降低，幼苗形成速率減緩（圖2）。復水后，除對照組外，各處理下的幼苗形成率均有不同程度的增加。其中，－0.30和－0.50 MPa處理下，垂穗披堿草出苗率增幅較高。－0.75和－1.00 MPa處理下，垂穗披堿草出苗率雖有所增加，但與其他滲透處理相比，其出苗率明顯較低。

圖2 水分虧缺及復水對種子出苗進程的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on seed emergence process

對照組、－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第5天；－0.50、－0.75和－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第6天。－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第6和7天。高濃度的PEG-6000處理（－0.50、－0.75和－1.00 MPa）延遲了垂穗披堿草種子群體出苗的高峰期。復水后，－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第10天；－0.50 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第11天；－0.75和－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期均在第12天。說明復水后，隨著環境水勢的降低，垂穗披堿草種子群體出苗高峰期同樣存在滯后現象。

2.3 干旱脅迫及復水對種子發芽出苗的影響

垂穗披堿草種子發芽率、出苗率、發芽指數和活力指數均隨環境水勢的降低而下降（表1）。－0.15 MPa的水分虧缺對種子發芽出苗基本沒有影響；－0.50 MPa處理下，種子仍可大量發芽出苗，但其發芽指數和活力指數較對照組下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，與對照組相比，種子發芽率、出苗率、發芽指數均下降顯著（P＜0.05）。

表1 干旱脅迫對種子發芽和出苗的影響Table 1 Effects of drought stress on seed germination and emergence

復水后，與對照組相比，各滲透處理下的種子發芽率、出苗率、發芽指數和活力指數均顯著升高（P＜0.05）。其中，－0.50 MPa處理下，種子發芽率、出苗率、發芽指數和活力指數最高，其次為－0.75 MPa處理組，而－0.15 MPa處理組各指標值相對最低。此外，復水后，－1.00 MPa處理下，種子最終發芽率和出苗率分別達到對照組的56%和47%（表2）。

表2 旱后復水對種子發芽和出苗的影響Table 2 Effects of rewatering after drought stress on seed germination and emergence

2.4 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草幼苗生長量的影響

垂穗披堿草芽長隨著環境水勢的降低而下降，其根長隨著環境水勢的降低則呈先升后降的趨勢（表3）。－0.15 MPa處理下，垂穗披堿草根長較對照組略長；其他處理組的根長均隨著環境水勢的降低而下降，但與對照組相比，其下降幅度均不顯著。－0.75 MPa處理下，與對照組相比，垂穗披堿草芽長下降顯著（P＜0.05）。隨著環境水勢的降低，垂穗披堿草根的干鮮重呈先升后降的趨勢，其芽的干鮮重和干物質積累率呈下降的趨勢（表4）。－0.50 MPa處理下，與對照組相比，幼苗芽的干重下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，幼苗芽的鮮重和根的干重較對照組下降顯著（P＜0.05）；－1.00 MPa處理下，幼苗根的鮮重較對照組下降顯著（P＜0.05）。

表3 干旱脅迫對垂穗披堿草幼苗根長和芽長的影響Table 3 Effects of drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表4 干旱脅迫對垂穗披堿草幼苗干鮮重的影響Table 4 Effects of drought stress on fresh and dry weight of E.nutans seedlings

復水后，垂穗披堿草根和芽的伸長及其干鮮重和干物質積累率均得到了較大提升（表5和表6）。－0.15 MPa處理下，與其他各處理相比，垂穗披堿草幼苗根長、芽長最大，但差異不顯著；－0.30 MPa及以上的水分虧缺處理下，幼苗根長、芽長均有略微的下降。復水后，隨著環境水勢的降低，幼苗根芽比呈先升后降的趨勢，其中－0.50 MPa處理下，幼苗根芽比相對較大。復水后，各處理下的幼苗干物質積累率基本一致且與復水前對照組的幼苗干物質積累率相當。

表5 旱后復水對垂穗披堿草幼苗根長和芽長的影響Table 5 Effects of rewatering after drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表6 旱后復水對垂穗披堿草幼苗干鮮重的影響Table 6 Effects of rewatering after drought stress on dry and fresh weight of E.nutans seedlings

2.5 干旱脅迫及復水下種子發芽出苗需水閾值研究

為了闡明不同PEG-6000脅迫處理下的野生垂穗披堿草50%種子群體發芽和出苗階段的水勢臨界值，本項研究對不同干旱脅迫處理下的垂穗披堿草種子發芽和出苗階段的概率與相應的時間對數進行擬合，然后利用最小二乘法進行曲線擬合，最后根據公式1/t=aψw+b，得出50%種子群體在其發芽出苗過程中忍耐的最大水勢值（表7～10）。

表7 50%種子群體吸水時間與發芽率的關系Table 7 Relationship between water absorption time and germination percentage of 50% seeds population

表8 50%種子群體發芽時間與水勢的關系Table 8 Relationship between germination time and water potential of 50% seeds population

0 MPa處理下，垂穗披堿草50%種子群體達到發芽階段所需要的時間為76.95 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa處理下，50%種子群體達到發芽階段所需要的時間分別比對照組增加了21.26%、49.15%、77.32%、114.11%和206.85%。進一步分析可知，垂穗披堿草50%種子群體達到發芽階段所能忍耐的最大水勢為－0.85 MPa。

表9 50%種子群體吸水時間與出苗率的關系Table 9 Relationship between water absorption time and emergence percentage of 50% seeds population

表10 50%種子群體出苗時間與水勢的關系Table 10 Relationship between emergence time and water potential of 50% seeds population

0 MPa處理下，垂穗披堿草50%種子群體達到出苗階段所需要的時間為78.96 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75、－1.00 MPa處理下，50%種子群體達到出苗階段所需要的時間分別比對照組增加了31.51%、48.24%、82.86%、164.26%和250.92%。進一步分析可知，垂穗披堿草50%種子群體達到出苗階段所能忍耐的最大水勢為－0.61 MPa。

以上表明，PEG-6000干旱脅迫對垂穗披堿草發芽和出苗的影響表現在延遲種子群體發芽和出苗時間。此外，從垂穗披堿草發芽和出苗階段的臨界水勢相比，其出苗比發芽階段對環境水勢的要求更高。

3 討論

3.1 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草發芽出苗的影響

水分是干旱及半干旱地區最為關鍵和敏感的生態因子，也是影響我國西北地區作物和牧草播種成苗的主要因素。本項研究采用PEG-6000溶液模擬不同程度的干旱環境，研究了垂穗披堿草成苗期間的耐旱性及需水特性。本研究中，垂穗披堿草種子發芽進程和幼苗形成進程隨著環境水勢的降低而表現為種子群體發芽出苗速率降低和種子群體發芽出苗高峰期推遲。這與許翩翩等［15］對3種常見邊坡植物對模擬干旱環境抗旱性能的研究結果相一致。復水后，種子發芽率和出苗率均得到不同程度提高，其中－0.15、－0.30和－0.50 MPa處理下，種子的最終發芽率和出苗率均大于80%；即使－0.75 MPa處理，種子最終發芽率和出苗率仍可達到50%以上。表明干旱脅迫通過限制種子水分吸收以降低或減緩種子內部酶的活性和物質代謝過程，最終抑制種子發芽出苗速率。

眾多研究表明，隨PEG-6000溶液環境水勢的降低，種子發芽率、出苗率、發芽指數和活力指數均呈下降的趨勢［16－19］。本試驗也證實了這一點。－0.30 MPa處理下，與對照組相比，種子發芽指數和活力指數下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，種子發芽率、出苗率較對照組下降顯著（P＜0.05）。然而，本試驗中，－0.15 MPa的水分虧缺對種子發芽出苗影響較小；復水后，－0.50 MPa的水分虧缺對種子發芽率和出苗率影響較小，均可達到80%以上水平。這說明垂穗披堿草在成苗期間具有較強的耐旱性，而旱后復水對垂穗披堿草播種保苗具有重要作用。

3.2 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草生長量的影響

根芽長、根芽比、根芽干鮮重及干物質積累率均為反映垂穗披堿草耐旱性的重要生長量指標。本研究中，－0.15 MPa處理下，幼苗的根較對照組略長，根的干鮮重和幼苗干物質積累率均比對照組高。說明輕度干旱脅迫更有利于垂穗披堿草幼苗的生長，同時證明水分虧缺并不一定導致植物產量下降。－0.75 MPa處理下，垂穗披堿草幼苗生長量均受到嚴重抑制。有研究表明，植物發芽成苗特性與其自然分布生境密切相關，這是植物與自然環境趨同進化的結果［20－21］。本研究中，水分虧缺對垂穗披堿草幼苗根的伸長影響較小，但對芽的伸長影響較大。－0.15 MPa以下的水分虧缺處理，垂穗披堿草幼苗根芽比越來越大，且在－1.00 MPa處理下，較對照組差異顯著（P＜0.05）；而其干物質積累率越來越小，且在－0.75 MPa處理下，較對照組下降顯著（P＜0.05）。表明重度以上的干旱脅迫下，垂穗披堿草以犧牲芽為代價將有限資源優先用于根部伸長。這可能是干旱脅迫對幼苗生長造成傷害，垂穗披堿草為了生存而采取的被動適應策略，同時這也是野生垂穗披堿草對其分布生境長期適應的結果。

山侖［22］的研究指出，在不超過作物缺水的適應范圍時，復水后往往可在生長和產量上產生補償效應，最終在節約大量用水的同時，其產量不受影響或影響較小。本研究中，除對照組外，復水后與復水前相比，各處理下的幼苗根芽長均有不同程度的增加，且幼苗干物質積累率與復水前的對照組相當，說明即使是極度干旱脅迫的－1.00 MPa處理也沒有超出垂穗披堿草幼苗對干旱脅迫的適應范圍。

3.3 干旱脅迫及復水下垂穗披堿草發芽和出苗需水閾值

有研究報道，干旱脅迫下的種子發芽和出苗均有一定的閾值要求，低于其閾值便不能達到相應的階段［23－24］。本研究中，隨著水分虧缺的加重，垂穗披堿草種子達到發芽和出苗階段的時間呈上升的趨勢。這再次證明水分虧缺抑制了垂穗披堿草種子發芽出苗的速率。

研究顯示，垂穗披堿草種子發芽的需水閾值為－0.85 MPa，出苗的需水閾值為－0.61 MPa，表明垂穗披堿草種子發芽和出苗對水分虧缺的耐性不同，其種子出苗過程對水勢的要求比發芽嚴格。同時，這也表明垂穗披堿草種子發芽期比出苗期更加耐旱。這與李文嬈等［25］和朱教君等［26］研究報道相一致。

4 結論

垂穗披堿草在種子發芽和幼苗形成進程中，水分虧缺降低和推遲了種子群體發芽出苗速率和群體發芽出苗的高峰期，且隨著水分虧缺的加重而越發明顯。復水后，隨著水分虧缺的加重，種子群體發芽出苗高峰期同樣存在滯后情況。不同濃度PEG-6000溶液造成的水分虧缺抑制了種子的發芽率、出苗率、發芽指數和活力指數，但－0.15 MPa的水分虧缺對種子發芽率和出苗率影響較小；復水后，－0.50 MPa的水分虧缺對種子發芽率和出苗率影響較小。－0.15 MPa處理更有利于垂穗披堿草幼苗的生長。－0.75 MPa處理下，垂穗披堿草幼苗生長均受到嚴重抑制。－1.00 MPa處理沒有超出垂穗披堿草幼苗對干旱的適應范圍。垂穗披堿草50%種子群體發芽的需水閾值為－0.85 MPa，50%種子群體出苗的需水閾值為－0.61 MPa，垂穗披堿草種子發芽階段比出苗階段更加耐旱。

鑒于野生垂穗披堿草成苗期間具有較強的耐旱性，本研究建議該野生草可作為“三江源”地區植被恢復的重要參考草種。本研究從生態生理角度，僅研究了野生垂穗披堿草成苗期間的耐旱性及其需水特性，不足以全面揭示垂穗披堿草在“三江源”地區半干旱條件下的適應性。因此，今后應繼續進行該野生草在苗期、拔節期、孕穗期及花期等階段的耐旱性及需水特性研究，以期實現“三江源”地區牧草資源的可持續利用和生態環境的可持續保護。