3 種優勢牧草在不同生育期對干旱脅迫的響應

烏日娜，張興東，王 妍，張繼權

（1. 遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029；2. 東北師范大學環境學院，吉林 長春 130024）

2011 年Smith 將極端氣候事件(extreme climate event)定義為統計的氣候極端期超出了事件正常變化的范圍，即跨越了極端響應閾值，并且這種損害是長期的，影響生態系統整體結構和功能[1]。作為極端氣候事件之一的干旱是指由于長期無雨或少雨導致土壤水分減少，從而造成作物水分失衡發生減產的一種氣象災害[2]。而在干旱過程中植物自身對干旱的適應和抵抗被稱為抗旱性[3]。在近些年來，隨著極端氣候事件頻發，干旱出現的頻率呈現顯著增加的趨勢，對草原生態系統的影響十分嚴重，干旱影響植物的個體生長發育、種群動態、群落結構、功能和過程以及生物多樣性與生態系統功能[4]。松嫩草地作為我國草原帶自然條件最好的草原區之一，其生態環境和植被生長狀態備受矚目。因此，對松嫩草地優勢草種在不同生育期內遭受不同干旱程度脅迫時對牧草形態特性的影響和抗旱性進行定量評價，探究北方草原應對不同程度干旱脅迫時采取不同應急方案具有重要的現實意義。

目前，國內外關于植物脅迫方面的研究主要分為兩大類：一是對某一區域的多種優勢牧草，通過干旱脅迫分析干旱脅迫對牧草生理生態特性的影響和評價它們的抗旱性[5-6]；二是通過溶液[7-10]或菌群[11-13]的干預改變某一種牧草的狀態，之后通過抗旱性指標分析溶液和菌群對牧草生理生長狀態和抗旱性的影響。研究方法多采取隸屬函數法[14-15]、灰色關聯度法等。國內研究大多集中在典型干旱區或生態環境遭到嚴重破壞的地區，而關于松嫩草地等農牧交錯帶遭受干旱脅迫時草地生態系統如何響應的研究卻較少，研究者對東北地區的主要糧食作物玉米(Zea mays)和大豆(Glycine max)進行了生理生長指標分析和抗旱性評價[16-17]。對東北地區的主要綠化樹種和抗旱性樹種也進行了干旱脅迫和抗旱性評價[18-19]。本研究選擇大陸性半干旱半濕潤氣候區的松嫩草地為研究區，以松嫩草地3 種優勢草種作為研究對象，利用野外干旱脅迫試驗、室內試驗和隸屬函數法等手段，分析不同等級干旱脅迫處理對不同生育期內3 種優勢草種形態特性的影響，并對牧草自身的抗旱性進行評價，研究結果可為應對極端干旱事件以及抗災減災提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區選取

選擇吉林省長嶺縣種馬場東北師范大學松嫩草地生態研究站為野外試驗基地(圖1)。以牧草的區域性分布為基礎選取羊草(Leymus chinensis)、全葉馬蘭(Kalimeris integrifolia)和堿蒿(Artemisia anethifolia)3 種優勢群落為試驗對象，在各自牧草廣泛分布區設置試驗區。

圖1 研究區位置及高程圖Figure 1 Location and elevation map of the study area

1.2 試驗方法

依據不同牧草在自然界中分布的地域差異性在野外試驗基地設計3 個試驗區，分別為羊草試驗區、堿蒿試驗區、全葉馬蘭試驗區，并進行野外水分控制試驗。每個試驗區內設計6 個3 m × 3 m 的樣地，各樣地上均覆蓋有避雨頂棚，頂棚最高點1.6 m以上，頂棚使用厚度約為200 μm 的塑料，頂棚設置采用未完全閉合設置，開口朝向常年風向。為避免頂棚覆蓋削弱太陽輻射影響植物正常生長發育，采取人為控制頂棚，在干旱脅迫過程中無自然降水時，頂棚處于開放狀態，發生自然降水時，人為將頂棚放下覆蓋試驗樣地，以保證在整個試驗過程中牧草正常接收光照。

每種牧草試驗每年重復5 次，3 種牧草兩年總計30 次。除大田對照其余的5 個3 m × 3 m 的樣地內部設4 個1 m × 1 m 的試驗小區，4 個試驗小區分別對應4 個干旱等級，依據試驗區3 種牧草分布，每個1 m × 1 m 的試驗小區內有植株50～100 株。

為防止邊際效應，小區之間用隔斷層隔離開，取樣地點離小區邊緣大于0.5 m，為方便在不同小區間采樣行走、設備運輸安裝，小區間的過道間距為0.5 m。

1.2.1 干旱等級設定

本試驗以土壤相對濕度表征干旱，干旱等級根據國家標準定為4 個等級，各干旱等級對應的土壤相對濕度的設定參照《北方牧區草原干旱等級 GB/T 29366-2012》[20]來執行(表1)。

1.2.2 干旱歷時設定

依據祝廷成[21]的方法，將牧草整個生育期劃分為4 個階段(返青期、抽穗期、開花期和成熟期)。按照不同生育期劃分和表1 干旱等級劃分，進行牧草不同生育期的不同等級干旱脅迫。

表1 土壤相對濕度設定Table 1 Seasonal changes in soil relative humidity

在牧草不同生育期進行不同等級干旱脅迫時，其他生育期保持水分充足。脅迫開始后停止澆水。脅迫停止后，進行復水，保證未進行干旱脅迫時的其他生育期水分充足。

同時有一組試驗樣地，在牧草整個生育期，實施不同等級干旱脅迫。還有一組試驗樣地，進行大田對照試驗，接受自然陽光和自然降水。

1.3 試驗指標的測定

測定方法：在各試驗小區中選擇具有代表性的10 株牧草進行測定。在牧草生育期內每隔15 d 連續測量指標3 d，1 d 測量2 次，分別為10:00 和14:00，最后取平均值。

株高：將卷尺垂直于地面，選取樣地各試驗小區中對角線上的10 株進行自然株高測量。

葉長：用卷尺測量葉片尖到葉片底之間的長度，即為葉長。

土壤濕度：用PASW-I 便攜式土壤水分測量儀測量土壤濕度。

葉綠素含量：選擇每株成熟的葉子為測量葉片，用SPAD-502 葉綠素計測定葉綠素含量。

牧草產量：3 種牧草在枯黃期結束后統一進行收割，留茬高度視當地具體情況而定，留茬高度基本距離地面5～7 cm。各生育期的牧草產量：從該生育期結束一直到枯黃期進行收割為止實施正常水分（不再進行干旱脅迫），由此便得到返青期、抽穗期、開花期相應的牧草產量。將收割好的鮮草放入塑料袋中，4 ℃以下進行保存，將從野外采集的草本樣品裝入密封袋內帶回實驗室，稱濕重后在烘箱內進行烘干，烘干箱的溫度設置為105 ℃，烘干24 h至恒重為止，烘干完成后稱干重得到牧草干重。

1.4 抗旱性評價方法

1.4.1 單項抗旱系數

式中：DC為單項抗旱系數；i為指標性狀；Xi為干旱處理下各指標；CKi為水分充足下各指標[22]。

1.4.2 隸屬函數值

應用模糊數學中的隸屬函數法綜合評價3 種牧草抗旱能力[6]，其隸屬函數值X(u)計算方程如下：

式中：X為牧草某一指標的測定值；Xmax和Xmin分別為3 種牧草該測定指標的最大值和最小值。若該指標與牧草抗旱性呈正相關關系，則采用(2)式計算隸屬值；若該指標與牧草抗旱性呈負相關關系，則用(3)式計算。將各指標的隸屬函數值累加后再平均，得到的平均值越大，則表示牧草的抗旱性越強，反之，則表示牧草的抗旱性越弱。

1.5 數據分析與處理

用Excel 2010 軟件進行數據整理和制圖；用SPSS 26 軟件對3 種優勢牧草的株高、葉長、葉綠素含量和產量進行單因素方差分析，采用Duncan 法進行差異顯著性分析，在5%水平上比較各處理間差異的顯著性；用ArcGIS 10.2 進行試驗區地圖制作。

2 結果與分析

2.1 不同生育期不同等級干旱脅迫對3 種優勢草種形態特性及產量的影響分析

同一個生育期，隨著干旱脅迫程度的增加，3 種優勢草種的株高和葉長總體上呈降低趨勢(表2)。隨著生育期延長，當持續受到干旱脅迫時株高整體增高、葉長整體增長或不變(其中堿蒿葉長減小)，說明隨著牧草生長，牧草生育后期受干旱脅迫影響較小，牧草生長前期(返青期)對牧草形態特性的影響較大。就整個生育期而言，干旱脅迫下，羊草的株高顯著下降(P< 0.05)，堿蒿株高顯著增加(P< 0.05)，全葉馬蘭株高變化不大。羊草和全葉馬蘭的葉長變化不大，但堿蒿的葉長顯著降低(P< 0.05)。

表2 干旱脅迫對3 種牧草株高和葉長的影響Table 2 Effect of drought stress on plant height and leaf length of three different forages

葉綠素含量是反映逆境環境下葉片生理形狀的重要指標。在同一生育期內，隨著干旱脅迫程度的增加，3 種優勢牧草葉綠素含量總體呈現減少趨勢(表3)。牧草受到同一程度干旱脅迫時，自返青期至成熟期，3 種牧草葉綠素含量大致呈現增加趨勢。此外，在輕度干旱脅迫下，3 種牧草的葉綠素含量變化不明顯，這說明3 種牧草葉綠素含量對重度干旱脅迫的響應更強烈。無論是在不同生育期同一水平干旱脅迫處理，還是同一生育期不同水平干旱脅迫處理，與羊草和全葉馬蘭相比，堿蒿葉綠素含量受干旱脅迫的影響更明顯。

在同等干旱脅迫處理條件下，隨著生育期后移，全葉馬蘭和堿蒿產量呈減少趨勢，羊草產量呈增加趨勢。這說明，牧草在返青期受到干旱脅迫會直接影響產量而且影響程度最大。最后，干旱對牧草產量的影響以生育期前期較為敏感，因返青期進行干旱脅迫處理后，地上生物量明顯下降，導致營養生長和生殖生長受到抑制，從而使得產量降低。在同一個生育期內，隨著干旱脅迫等級的增加，干旱對牧草的影響加大，牧草產量呈減少趨勢(表3)。

表3 干旱脅迫對3 種牧草葉綠素含量和產量的影響Table 3 Effect of drought stress on chlorophyll content and yield of the three forages under study

2.2 抗旱性評價

單項抗旱系數評價結果(表4)顯示，不管是株高還是葉綠素含量，隨著干旱程度的增加，3 種牧草抗旱系數均呈現減少趨勢。因特旱處理對研究抗旱性具有代表性，所以考慮特旱程度下牧草各生育期抗旱系數。結果發現，在特旱條件下，羊草在返青期時的株高抗旱系數最高(0.96)，全葉馬蘭在開花期最高(0.93)，堿蒿在抽穗期最高(0.92)；葉綠素指標，羊草在抽穗期抗旱系數最高(0.95)，全葉馬蘭和堿蒿在返青期和開花期最高(0.98)。

表4 3 種牧草單項抗旱系數Table 4 Single drought resistance coefficients of the three forages under study

隸屬函數值結果(表5)顯示，羊草和全葉馬蘭在返青期的株高隸屬函數平均值最高；在開花期羊草和全葉馬蘭葉綠素含量指標隸屬函數平均值最高；在同一個生育期內，隨著干旱脅迫程度的增加，羊草的隸屬函數值大致呈增加趨勢，尤其是在特旱脅迫程度下，其隸屬函數值依然較高，只有在成熟期，其各項指標均低于整體水平。從3 種牧草株高指標隸屬函數平均值看，羊草和全葉馬蘭的隸屬函數值在返青期較高，堿蒿在開花期較高；從3 種牧草葉綠素指標隸屬函數平均值看，羊草和全葉馬蘭均在開花期隸屬函數值最高，堿蒿在返青期和抽穗期最高；將兩種指標隸屬函數值取平均值，得出羊草和全葉馬蘭在開花期隸屬函數值最高，返青期次之，堿蒿在開花期最高，抽穗期次之。

表5 3 種牧草隸屬函數值Table 5 Subordinate function values of the three forages under study

3 討論

本研究結果表明，牧草受到干旱脅迫時，株高、葉長和產量都會受到抑制，這與宋吉軒等[10]的研究結果相吻合；隨干旱程度增加，葉綠素含量減少，由于干旱脅迫會影響葉綠素的合成，加速現有葉綠素分解，使葉綠素含量減少，這與在甘薯(Dioscorea esculenta)[23]、玉米[24]和生菜(Lactuca sativa)[25]中的研究結果一致。植物的抗旱性是植物對干旱的適應能力，不同植物對干旱脅迫具有不同的抗旱能力，在干旱的耐受范圍內，植物對干旱脅迫會產生應激機制，使傷害降到最低[26]。干旱條件下，植物能夠調控與抗旱有關的基因表達，因此形態、生理生化等方面會發生變化[27]。

本研究采取野外試驗方法，相比盆栽試驗[28-29]，野外試驗具有一定的科學性。盆栽試驗忽略了自然生長的植物具有地域性以及種群之間的競爭關系，而在自然環境大背景下的野外試驗很好地解決了這個問題。此外，野外控制試驗通過人為控制干旱脅迫程度和干旱時間，探究了極端干旱事件在較短時間尺度上的實現，對預測極端干旱事件對草地

生態系統的影響具有一定的應用價值[4]。并采用單項抗旱系數和隸屬函數法對3 種牧草的抗旱性進行綜合評價，可以消除個別指標帶來的片面性。

植物的抗旱性受到多種因素相互作用，可以通過不同途徑抵抗和適應干旱[30-31]。目前關于干旱脅迫以及抗旱性的研究主要集中于不同牧草抗旱性[5-6]或同一牧草不同品種的抗旱性比較[14]。而對于各生育期抗旱性的研究較少，本研究考慮到3 種牧草所屬科屬不同，生長環境、生長習性也有一定的差異，因此并未在3 種牧草間做抗旱性評價，而是探究3 種牧草在各自生育期內的抗旱性。羊草在開花期和返青期抗旱性較強，這可能是由于開花期在牧草生育中期，牧草各項生理水平均達到穩定狀態，光合作用強，葉綠素含量積累較多，隸屬函數值較高，因此其抗旱性也較強；返青期處于羊草生育初期，其自身抵御外界環境的能力較強，因此抗旱性也較強。全葉馬蘭在抽穗期和成熟期抗旱性較低。抽穗期是決定作物結實粒數的關鍵時期，是產量形成的關鍵時期。因此，在抽穗期采取一定的干旱應對措施，可以保證產量。堿蒿在返青期隸屬函數值最低，抗旱性較弱，返青期是牧草重要的生育期，會直接影響最終產草量。所以，應注意返青期干旱的防范，以保證牧草產量。此外，本研究只考慮了單一干旱脅迫，選取的抗旱性指標有限，未考慮牧草自身的調節和恢復，在今后的研究中應盡可能選取更多的指標并充分考慮多種環境脅迫的綜合作用，使評定結果與實際情況更加準確。

4 結論

松嫩草地3 種優勢牧草形態和生理指標對干旱脅迫程度的響應研究表明：

1)干旱脅迫對3 種優勢牧草株高、葉長和葉綠素含量等形態特性造成了一定的影響。隨著生育期推移，受到同等級干旱脅迫時，這種影響亦隨之減少；在同一生育期，隨著干旱程度加劇，這種影響具有增加趨勢。在不同生育期，同等級干旱對3 種優勢牧草株高、葉長和葉綠素含量的影響程度表現為全生育期 > 返青期 > 抽穗期 > 開花期 > 成熟期；在同一生育期，干旱對3 種優勢牧草株高、葉長和葉綠素含量的影響程度表現為輕旱 > 中旱 > 重旱 >特旱。

2)干旱脅迫對牧草產量的影響具有一定的規律性。在同一個生育期，干旱程度越高，干旱脅迫對產量的影響越嚴重，特旱處理時3 種優勢牧草產量最低；隨著生育期推移，受到同等級干旱脅迫時，干旱對產量的影響隨之減少，返青期受到干旱的影響最嚴重。這說明，牧草在返青期受到干旱脅迫會直接影響最終產量形成。

3)羊草在不同生育期內的抗旱性表現為開花期 > 返青期 > 全生育期 > 抽穗期 > 成熟期。全葉馬蘭抗旱性表現為開花期 > 全生育期 > 返青期 > 成熟期 > 抽穗期。堿蒿抗旱性表現為開花期 > 抽穗期 > 全生育期 > 成熟期 > 返青期。綜上，3 種牧草在開花期抗旱性較強，羊草、全葉馬蘭在抽穗期的抗旱性較弱，堿蒿在返青期的抗旱性較弱。