唐 洋， 溫仲明,,， 王 楊， 劉 靜

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學 草業(yè)與草原學院，陜西 楊凌 712100； 3.中國科學院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心， 陜西 楊凌 712100)

自然環(huán)境中的植物在生長過程中，由于其生存環(huán)境的改變，通常會面臨干旱、鹽堿、高溫等逆境脅迫。其中干旱作為影響植被生態(tài)效益、作物生產(chǎn)能力的重要因素，已經(jīng)成為生態(tài)學領(lǐng)域的熱點話題之一[1-5]。干旱脅迫通常會對植物的生理、形態(tài)和生物量分配等方面產(chǎn)生一系列的影響，如植株矮小、枝條稀疏、葉片凋萎、葉面積減小、葉厚度增大，植株干物質(zhì)積累降低，根冠比增大等[2,6-7]。根據(jù)最優(yōu)分配理論和生長平衡假說[8]，為更有效地獲取環(huán)境中的稀缺資源，植物會將資源分配到最需要的器官中。當植物處于水分充足的環(huán)境中，會將更多的光合產(chǎn)物分配至地上部分以增加光合能力；相反，植物在遭受干旱時，為更有效地獲取資源，其分配至根系的光合產(chǎn)物會增加以提升資源獲取能力，相應地減少用于植物生長的光合產(chǎn)物分配[9]。植物這種對環(huán)境的適應策略以及資源獲取能力的變化，通常通過植物功能性狀、生長及生物量分配得到反映[10-11]。

刺槐(Robiniapseudoacacia)是豆科刺槐屬的溫帶落葉喬木，原產(chǎn)于美國，因其具有生長速度快、適應能力強、成活率高等優(yōu)點而被廣泛種植在黃土高原地區(qū)，為改善生態(tài)環(huán)境、防治水土流失發(fā)揮了重要作用[12]。近年來，一系列的研究發(fā)現(xiàn)由于刺槐的高耗水特性與黃土高原特殊的水分異質(zhì)性分布的矛盾，導致部分人工刺槐林出現(xiàn)林分退化的現(xiàn)象[13-14]，因此部分學者對刺槐生長與林下土壤水分的響應關(guān)系進行了探索[15-16]。但因大田條件變化的多樣性和復雜性，結(jié)論難以一致或具有一般性。為此，本研究擬通過控制實驗，定量分析刺槐幼苗在不同水分梯度下的功能性狀、形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異特征及生物量分配規(guī)律，以探討刺槐對干旱脅迫的適應機制，為植被恢復過程中更好地發(fā)揮刺槐的生態(tài)效益提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的安塞水土保持綜合試驗站(36°15′30″N，109°19′23″E)中進行。安塞縣屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，黃綿土和沙黃土是研究區(qū)內(nèi)主要土壤類型；在氣候上處于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區(qū)，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，無霜期157 d/a，其中6—9月雨季降水占全年降水量的72.9%；常見喬灌木主要是刺槐、小葉楊(Populussimonii)、沙棘(Seabuckthorn)和檸條(Caraganaintermedia)，其中刺槐在研究區(qū)內(nèi)被廣泛種植，是主要的人工次生林[17]。

1.2 材料和設(shè)計

實驗用苗為安塞本地1年生刺槐實生苗，土壤為過篩黃綿土，采自安塞水土保持綜合試驗站，田間持水量為20.75%；試驗期間栽培土壤保持自然肥力，不施肥。于2017年4月下旬將幼苗植入花盆(32 cm×29 cm×26 cm)中，每盆栽植3～4株幼苗，每盆盛土量為15 kg，共120盆，保證土壤水分充足使其健康成活。待幼苗正常生長2個月后，每盆選取長勢基本一致的幼苗保留2株進行控水實驗。設(shè)置4個水分梯度，分別為田間持水量的75%～90%(水分充足，對照CK)，60%～75%(輕度干旱，T1)，45%～60%(中度干旱，T2)，30%～45%(重度干旱，T3)，每個處理30盆。置于防雨棚內(nèi)，晴天露天生長，雨天用可移動防雨棚防雨。使用稱重法控制土壤水含量，實驗過程中每3天稱重1次，計算出需要澆水水量，當?shù)陀谠O(shè)計中的處理下限時向盆中準確均勻加入相應水量，補水到試驗設(shè)計的水分范圍上限。從處理開始，每15天進行1次指標測定，持續(xù)至10月中旬結(jié)束。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長形態(tài)指標 苗高的測定是用鋼尺量取盆中土壤表面到植株頂部的距離(精確到0.1 cm)；地徑則是用游標卡尺選取植株距離土壤表面1 cm處進行測量(精確到0.01 cm)；冠幅取東西冠幅和南北冠幅的平均值(精確到0.1 cm)。

1.3.2 生物量測定 采用收獲法測定植株的生物量(每個處理測定3株)。將取出的幼苗洗凈，擦拭多余的水分后，用電子游標卡尺(精度為 0.01 mm)量取10根細根(<2mm)的直徑和長度，用量筒測定根體積。將測定完成的植株在105 ℃下殺青 20 min，80 ℃下烘干48～72 h后，使用萬分之一天平稱量得到地下部分干重(上一步驟中的細根需額外測量，用于測定根性狀)和地上部分干重。將稱量后的根與葉分組收集以測定根、葉性狀。根冠比=地下部分干重/地上部分干重(無量綱)

1.3.3 根、葉性狀測定 每次每組隨機選取10株，摘取生長均勻的刺槐幼苗功能葉片30片，利用游標卡尺測量葉片厚度，使用掃描儀結(jié)合Adobe Photoshop CS5軟件測定葉片面積。將完成測量的葉片樣品在105 ℃下殺青20 min，80 ℃ 下烘干48～72 h后，使用萬分之一天平稱量得到葉干質(zhì)量。

植物葉片、根系中有機碳含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；氮含量采用H2SO4—H2O2消煮法，再用全自動凱氏定氮儀進行測定；磷含量采用H2SO4—H2O2消煮法，釩鉬黃比色法測定[18]。

比葉面積(specific leaf area， SLA)(cm2/g)=葉面積/葉干質(zhì)量(葉片烘干后質(zhì)量)

葉組織密度(leaf tissue density， LTD)(g/cm3)=葉干質(zhì)量(葉片烘干后質(zhì)量)/葉體積

比根長(specific root length， SRL)(m/g)=根長/根干質(zhì)量(細根烘干后質(zhì)量)

根組織密度(root tissue density， RTD)(g/cm3)=根干質(zhì)量(細根烘干后質(zhì)量)/根體積

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD法多重比較(α=0.05)，分析不同水分脅迫強度和脅迫時長對刺槐功能性狀、生長及生物量分配特征的影響，數(shù)據(jù)的預處理、統(tǒng)計學分析和圖表制作使用Excel軟件。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 研究結(jié)果

2.1 生長形態(tài)對水分脅迫的響應

由圖1可以看出，整個試驗期間，刺槐的株高、地徑、冠幅均呈累計增加趨勢。隨水分脅迫時間增加和水分脅迫程度增大，水分脅迫對刺槐生長形態(tài)的影響也不斷增大。單因素方差分析結(jié)果表明：中度水分脅迫和重度水分脅迫的株高均顯著低于輕度水分脅迫處理和對照組(p<0.05)，中度水分脅迫和重度水分脅迫之間無顯著差異。株高在不同生長月的4個水分處理均具有顯著性差異(p<0.05)，其中輕度和中度水分脅迫下10月最大，7月最?。粚φ战M和重度水分脅迫下9月最大，7月最小。在不同處理下的株高在各生長月均差異顯著(p<0.05)，其中7月和9月對照組最大，中度水分脅迫最??；8月對照組最大，重度水分脅迫最小；10月輕度水分脅迫最大，重度水分脅迫最小。

整個試驗期內(nèi)，刺槐的地徑均表現(xiàn)為：對照組>輕度水分脅迫>中度水分脅迫>重度水分脅迫。地徑在不同生長月的4個水分處理均具有顯著性差異(p<0.05)，均表現(xiàn)為10月最大，7月最小。在不同處理下的地徑在各生長月均有顯著性差異(p<0.05)，其中7月、8月和9月對照組最大，重度水分脅迫最??；10月輕度水分脅迫最大，重度水分脅迫最小。

圖1 刺槐在不同水分梯度下的生長形態(tài)變化

注：不同小寫字母表示刺槐性狀在同一生長月的不同水分梯度下差異性顯著(p<0.05); 不同大寫字母表示同一水分梯度下不同生長月之間差異性顯著(p<0.05)。下同。

與地徑對水分脅迫的反應略有不同，輕度水分脅迫對冠幅生長的促進作用較為明顯。冠幅在不同生長月在4個水分處理下均有顯著差異(p<0.05)，其中對照組和重度水分脅迫下9月最大，7月最?。惠p度和中度水分脅迫下10月最大，7月最小。在不同處理下的冠幅在各生長月均有顯著性差異(p<0.05)，其中7月對照組最大，重度水分脅迫最??；8月、9月和10月輕度水分脅迫最大，重度水分脅迫最小。以上結(jié)果表明，中度和重度水分脅迫對刺槐的生長具有明顯的抑制作用，但輕度水分脅迫對幼苗的生長抑制作用不顯著，甚至在一定程度上具有促進作用。

2.2 葉功能性狀對水分脅迫的響應

植物的功能性狀在一定程度上能夠反映出植物對環(huán)境的適應策略。從圖2可以看出，隨時間變化(7月至10月)，比葉面積呈先增大后減小再增大的N形走勢；葉厚度呈減小趨勢；葉組織密度、葉有機碳含量、葉氮含量和葉磷含量表現(xiàn)為先增大后減小。在不同處理下比葉面積在8月和9月差異顯著(p<0.05)，其中8月輕度水分脅迫最大、中度水分脅迫最小，9月輕度水分脅迫最大、重度水分脅迫最??；在7月和10月無顯著差異。葉厚度在8月、9月和10月差異顯著(p<0.05)，均表現(xiàn)為中度水分脅迫最大，輕度水分脅迫最小；在7月無顯著差異。葉組織密度在7月和8月差異顯著(p<0.05)，其中7月重度水分脅迫最大、對照組最小，8月對照組最大、輕度水分脅迫最?。辉?月和10月無顯著差異。葉有機碳含量在10月具有顯著性差異(p<0.05)，其中輕度水分脅迫最大，中度水分脅迫最??；在7月、8月、9月無顯著差異。在不同水分處理下，葉氮含量在7月和9月有顯著差異(p<0.05)，其中7月對照組最小、中度水分脅迫最大，9月中度水分脅迫最小、對照組最大；在8月和10月沒無顯著差異。不同水分處理下的葉磷含量在各生長月均無顯著差異。

圖2 刺槐葉性狀在不同水分梯度下的動態(tài)變化

2.3 根功能性狀對水分脅迫的響應

從圖3可以看出，隨干旱脅迫時間延長，比根長呈減小趨勢；根組織密度呈增大趨勢；根碳含量先減小后增大；根氮含量和根磷含量先增大后減小。比根長在7月和10月差異顯著(p<0.05)，其中7月重度水分脅迫最大、對照組最小，10月對照組最大、輕度水分脅迫最?。辉?月和9月無顯著差異。根組織密度在7月和10月差異顯著(p<0.05)，其中7月重度水分脅迫最大、對照組最小，10月輕度水分脅迫最大、對照組最??；在8月和9月無顯著差異。根有機碳含量在7月具有顯著差異(p<0.05)，其中重度水分脅迫最大，對照組最??；在8月、9月和10月差異不顯著。根氮和根磷含量在7月差異顯著(p<0.05)，均表現(xiàn)為重度水分脅迫最大，對照組最??；在8月、9月和10月無顯著差異。

2.4 生物量積累及分配對水分脅迫的響應

土壤水分脅迫不僅會影響植物的形態(tài)構(gòu)建和功能性狀，還會抑制植物的光合產(chǎn)物積累，降低植株的生物量，使生物量分配趨向于地下部分。由圖4可以看出，隨干旱脅迫時間增加，刺槐的總生物量、地上生物量、地下生物量、根冠比均呈累計增大的趨勢；隨水分脅迫程度加深，總生物量、地上生物量、地下生物量呈減小趨勢，而根冠比則呈增大趨勢。在水分脅迫初期(7月)，生物量和根冠比受供水影響不大，在各水分處理間均無顯著差異?？偵锪吭诓煌L月在輕度水分脅迫下差異顯著(p<0.05)，其中10月最大，7月最?。辉趯φ战M和中度、重度水分脅迫下無顯著差異。在不同處理下的總生物量在8月、9月和10月差異顯著(p<0.05)，其中8月和10月輕度水分下脅迫最大，重度水分脅迫最小，9月對照組最大，中度水分脅迫最??；在7月無顯著差異。

地上生物量在不同生長月在輕度水分脅迫下差異顯著(p<0.05)，其中9月最大，7月最??；在對照組和中度、重度水分脅迫下無顯著差異。在不同處理下的地上生物量在8月、9月和10月差異顯著(p<0.05)，其中8月和10月輕度水分脅迫最大，重度水分脅迫最小，9月對照組最大、中度水分脅迫最??；在7月差異不顯著。

地下生物量在不同生長月在輕度、中度和重度水分脅迫下差異顯著(p<0.05)，其中輕度和中度水分脅迫下10月最大，7月最小，重度水分脅迫下9月最大，7月最?。辉趯φ战M無顯著差異。在不同處理下的地下生物量在9月和10月有顯著性差異(p<0.05)，其中9月對照組最大、中度水分脅迫最小，10月輕度水分脅迫最大、重度水分脅迫最??；在7月和8月無顯著性差異。

圖3 刺槐根性狀在不同水分梯度下的動態(tài)變化

根冠比在不同生長月在4個水分處理下都具有顯著性差異(p<0.05)，其中對照組和輕度水分脅迫下10月最大，8月最??；中度和重度水分脅迫下10月最大，7月最小。

在不同處理下的根冠比在8月、9月和10月差異顯著(p<0.05)，其中8月和9月中度水分脅迫最大，對照組最小，10月重度水分脅迫最大，對照組最小；在7月差異不顯著。

圖4 刺槐在不同水分梯度下的生物量變化

3 討論與結(jié)論

土壤水分脅迫能使樹木的光合作用受到制約[5]，從而抑制植株的生長。土壤水分短缺時，根系最先感知，并向地上部分發(fā)出信號使葉片氣孔關(guān)閉[19]。隨水分脅迫程度的加深和脅迫時間的延長，植株單葉面積減小，處于中下部的非功能性葉片逐漸衰老、脫落，在有效減少水分散失、適應水分脅迫的同時，也減小了幼苗的冠幅、降低了其光合作用能力[20]。本實驗中，重度水分脅迫下刺槐的冠幅顯著低于對照組也驗證了這一規(guī)律。中度水分脅迫和重度水分脅迫的株高和地徑均顯著低于輕度水分脅迫處理和對照組，輕度水分脅迫和對照組之間，中度水分脅迫和重度水分脅迫之間無顯著差異，這說明本實驗中的中度水分脅迫下的水分供應，已經(jīng)小于刺槐幼苗正常生長所需水分的最低閾值[6]。隨水分脅迫時間延長，輕度水分脅迫下幼苗生長狀態(tài)逐漸優(yōu)于對照組，這可能是因為輕度水分脅迫刺激了幼苗根系的生長，從而使幼苗可以吸收比對照組相對多的水分和養(yǎng)分供地上部分的生長發(fā)育，提高其光合作用效率，形成良性生長循環(huán)。

植物的功能性狀能夠客觀地反映植物對環(huán)境的適應性和資源利用策略[21]。其中，比葉面積能夠反映植物獲取資源的能力，與植物的生長速率密切相關(guān)[22]；葉片厚度和葉組織密度與植物體細胞體積、水分儲備變化密切相關(guān)[23]，反映植物對干旱環(huán)境的適應性。與輕度水分脅迫和對照組相比，中度和重度水分脅迫有更小的比葉面積和更大的葉厚度和葉組織密度。有研究認為，這是干旱環(huán)境下植株對自身的一種保護機制[24]。幼苗在快速生長的同時，需要消耗大量的氮和磷來滿足核酸合成蛋白質(zhì)的需要[25]。因此，隨干旱時間延長，各水分梯度下的葉磷和葉氮含量均呈下降趨勢[4]。根磷含量在干旱脅迫下明顯大于對照組[4]，這可能是由于水分虧缺導致植株木質(zhì)部形成栓塞[26]，隨蒸騰作用運輸至地上部分的磷減少，而滯留于根系中的磷含量增加。重度干旱脅迫下，根氮含量在水分脅迫前期高于對照組，之后低于對照組。這與豆科植物的固氮特性有關(guān)，前期水分脅迫促進根系發(fā)育以保證植株的正常生長，而長時間的干旱影響了土壤中氮元素的轉(zhuǎn)化，導致土壤氮含量降低[3]，從而限制了根系氮元素的吸收。比根長表征根系收益和花費的關(guān)系[22]，決定了根系吸收水分和養(yǎng)分的潛在能力，反映投入到細根的生物量中用于吸收養(yǎng)分的效率，其值越大，表明投入相同的成本有較高的養(yǎng)分利用效率[27]；根組織密度能夠反映根系組織的抗拉力和防御力[28]，通常根組織密度越大，根系的防御力越大。在本研究中，水分脅迫下的根組織密度大于對照組，比根長則小于對照組。說明在相對干旱的環(huán)境中，刺槐為保證其存活，增加了對防御組織的投資，導致其水分養(yǎng)分的利用效率降低，生長受到抑制。

生物量分配是植物適應環(huán)境變化的重要手段之一[29]，在不同水分脅迫條件下生物量的積累和分配規(guī)律也會出現(xiàn)變化[2]。水分脅迫的程度和脅迫歷時時長均對刺槐的干旱耐受反應具有影響，導致刺槐幼苗產(chǎn)生了不同的適應策略[30]。水分脅迫初期，供水量對刺槐的生物量積累及分配影響不顯著。分析其原因，黃土高原在7月頻繁降雨，月中多為陰雨天氣，且降雨增大了空氣濕度，減小了水分脅迫對光合產(chǎn)物積累的影響。在8月，輕度和中度水分脅迫下的地下生物量大于對照組。因為短期水分脅迫下，根系作為樹木重要的營養(yǎng)器官，要盡可能吸收較多的水分和營養(yǎng)物質(zhì)[31]，以滿足本身及地上部分的需要，其生長在一定程度上受到促進；而長期水分虧缺限制植株地上部分的生長會降低其光合產(chǎn)物產(chǎn)量，從而導致植株的根系生長受到限制。與徐飛[30]等對刺槐幼苗的研究結(jié)果相似，輕度水分脅迫下，幼苗生物量積累不僅未有明顯降低甚至高于對照組。這可能是因為輕度水分脅迫可以促進植株根系的發(fā)育，而負責捕獲光資源、合成光合產(chǎn)物的地上部分并未受到抑制，保證了植株的正常生長。相對于對照組，水分脅迫下的幼苗地上部分生物量減小幅度明顯大于地下部分生物量減小幅度；幼苗的根冠比隨土壤水分虧缺的加劇而增大，在中度和重度水分脅迫下顯著大于對照組。這說明在水分充足的環(huán)境中，刺槐幼苗將相對多的資源分配到地上部分，提高其對光的捕獲能力，以滿足植株本身快速生長的需要；在土壤水分虧缺加重時，刺槐為保持體內(nèi)物質(zhì)生產(chǎn)和水分的平衡，通過降低株高、減小地徑、縮小冠幅來減少地上生物量的分配，將光合產(chǎn)物更多地向地下部分轉(zhuǎn)移。這與劉國軍[32]等對梭梭幼苗的研究結(jié)果相一致。結(jié)合刺槐在陜北等缺水地區(qū)根系的生長特性來看，這可能是導致刺槐形成“小老樹”的重要原因之一。

從以上實驗結(jié)果可以看出，重度干旱會嚴重抑制刺槐幼苗的生長，促使植株將相對多的資源投入到防御組織；輕度干旱不僅對幼苗影響較小，甚至在一定程度上對其生長具有促進作用[7]，說明刺槐在輕度水分脅迫下能取得最大生長收益。在不同水分脅迫梯度下，刺槐幼苗的功能性狀、生長形態(tài)、生物量積累和分配均表現(xiàn)出明顯的變異規(guī)律，這反映了刺槐能夠及時地通過對其自身各方面的調(diào)節(jié)，對干旱環(huán)境形成適宜的適應策略。本文中的實驗對象僅為1年生幼苗，所得出的結(jié)論不具有普適應，關(guān)于成樹對水分的脅迫是否具有相同的響應規(guī)律還需要進一步的實驗加以驗證。