土壤含水量对苜蓿和沙棘气孔导度与叶水势的影响

陈 振，元慕田，曹琪琪，刘 涛，肖辉杰†

(1.北京市水影响评价中心，100161，北京；2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

苜蓿和沙棘是我国西北干旱荒漠地区的常见植物且有一定种植规模，它们对土壤环境有较强的适应性，不仅能起到区域防风固沙、保持水土的作用，同时具有较高的经济价值[1-2]。由于干旱荒漠区水资源匮乏，有效降雨补充不足，加之植物在苗期的根系尚不发达，难以利用较深层次的地下水，故其耐旱程度较弱，是干旱区植被恢复过程中对水分最敏感的阶段。因此，土壤水分成为影响这2种植物苗期生理生态特性及生长发育过程的关键生态因子[3]，而目前对其苗期耐旱程度及干旱条件下对水分胁迫的适应性还有待进一步研究。

植物气孔导度(Gs)与叶水势(ψL)能有效反映植物生理状况和植物对水分条件的敏感程度[4]，其对水分胁迫的响应规律是衡量植物抗旱性强弱的重要指标[5]。罗永忠等[3]发现干旱胁迫条件下紫花苜蓿的ψL和Gs日平均值均随胁迫程度加剧而降低。赵金梅等[6]发现随胁迫程度的加剧，分枝期不同品种的紫花苜蓿光合速率下降的主要因素由气孔因素转化为非气孔因素。郭卫华等[7]通过水分胁迫试验，发现黄土高原北部多年生沙棘、锦鸡儿移栽后，气温(T)、光合有效辐射(PAR)、气孔阻力(G)是叶片蒸腾速率的共同限制因子，而相对湿度(RH)对锦鸡儿的影响比沙棘更显著。然而，以往研究多侧重于这两种植物成熟期Gs或ψL在水分胁迫条件下与单一环境因子间的响应关系，但对于苗期水分胁迫条件下Gs与ψL的日变化特征及其对叶片相对湿度(RHL)、叶片温度(TL)、PAR的响应规律尚不明确。

基于此，本研究以苗期苜蓿与沙棘为研究对象，通过设置不同程度水分胁迫试验，研究两种植物Gs与ψL的日变化特征；分析2种植物Gs与ψL随RHL、TL、PAR变化特征，深入探究苜蓿与沙棘苗期对干旱胁迫环境的响应规律，为荒漠地区植被恢复建设提供技术支撑。

1 研究区概况

试验于2015年4—9月在北京林业大学苗圃内进行，苗圃位于北京市海淀区，属半湿润大陆季风气候，年平均温度为12.1℃，年平均降水量503 mm，无霜期21 d左右，年平均日照时间2 778.9 h，年总辐射量为5 283 MJ/m2，年平均降水量628.9 mm。

2 材料与方法

2.1 试验材料

以2年生紫花苜蓿与沙棘苗为供试材料，采用盆栽种植方式，花盆直径20 cm、高17 cm，每盆装入等量取自苗圃空地的砂质土壤。于2015年4月至9月选取长势、株高相近，健康无病虫害的苜蓿(平均株高60 cm，分枝数6～8个)与沙棘幼苗(平均株高40 cm，平均地径1.6 cm)进行水分胁迫试验。

2.2 试验方法

2.2.1 水分胁迫处理 2015年4月开始对试验材料进行水分胁迫处理。试验根据土壤含水量占田间持水量的比例(表1)设置充分供水(CK)、轻度水分胁迫(LD)、中度水分胁迫(MD)、重度水分胁迫(HD)4个胁迫梯度，分别选取12株长势、株高相似的苜蓿、沙棘苗，每个处理重复3次。试验前将所有供试植株浇足水分，用塑料膜覆盖土壤表层，防止水分蒸发，每次用量杯取水，添加水量用公式(1)计算。试验期间每日18:00测定土壤体积含水量并进行补水，同时设置透明塑料防雨棚，在阴雨天将盆栽移入棚内防止自然降雨干扰试验。

(1)

式中：V加为加水量,mL;W设为设计土壤体积含水量,%;W当为当前土壤体积含水量，%；V为土壤体积,cm3。

表1 水分胁迫处理表Tab.1 Table on water stress treatments

Notes: CK, control with sufficient water supply. LD: light water stress. MD: moderate water stress. HD; severe water stress. The same below.

2.2.2 试验观测 试验于2015年4月22日至5月6日，8月10日至25日，选择晴朗无云少风天气，分别对苜蓿与沙棘的土壤体积含水量(SWC，%)、ψL、Gs进行测量。各指标从06:00—18:00每隔2 h测量一次，SWC采用土壤水分测量仪HH2(英国)手持读数表进行观测，测量每个盆栽随机3个位置的SWC，取平均值；ψL(ψ，MPa)采用PSYPRO型露点水势仪(美国，Wescor公司)及C52样品室进行测量；Gs(GS，mmol/(m2·s))、叶室温度(TL，℃)、叶室相对湿度(RHL，%)用SC-1稳态气孔计(美国，Decagon公司)测定；PAR由放置于苗圃中的气象站测定；试验测定叶片均选取苜蓿与沙棘苗中上部健康完好的3片功能叶进行测定，即每个处理共测定9个叶片。

2.3 数据处理

采用SPSS 19.0进行方差分析，LSD法进行差异显著性检验；用R语言分析两种植物不同胁迫处理下ψL、Gs与RHL、TL、PAR的数量关系及显著性，用Excel 2013作图。

3 结果与分析

3.1 不同水分胁迫条件下紫花苜蓿与沙棘气孔导度日变化规律

如图1所示，苜蓿在CK与LD下Gs值于12:00和10:00达到最大值(P<0.05)，分别为234.94、136.87 mmol/(m2·s)；MD与LD日变化特征趋于一致，MD条件下最大值为141.17 mmol/(m2·s)；HD变化较平缓，其最大值为113.23 mmol/(m2·s)。4种供水条件下Gs平均值大小分别为CK(162.12 mmol/(m2·s))>LD(103.46 mmol/(m2·s))MD(101.98 mmol/(m2·s))>HD(76.82 mmol/(m2·s)),且Gs平均值除LD与MD之间差异不显著之外(P>0.05)，其他处理间均存在极显著差异(P<0.01)。沙棘不同供水条件下的Gs值变化规律基本一致，6:00—8:00，气孔导度处于上升趋势，于8:00达到最大值(P<0.05)，之后呈现先降后升的趋势，并于16:00达到第2个极大值(P<0.05)。4种供水条件下Gs平均值大小分别为CK(265.03 mmol/(m2·s))>LD(235.10 mmol/(m2·s))>MD(193.94 mmol/(m2·s))>HD(169.12 mmol/(m2·s)),且Gs平均值各处理间均存在极显著差异(P<0.01)。沙棘与苜蓿Gs值不同处理间数值差异最小均在18:00，此时沙棘Gs平均值仍然比苜蓿大59.6%。两种植物的日变化幅度不同，沙棘全天的变化幅度(344.98～457.80 mmol/(m2·s))大于苜蓿(73.01～188.21 mmol/(m2·s))。沙棘上午(6:00—12:00)变化幅度是下午(12:00—18:00)的3.02倍，而苜蓿下午变化幅度是上午的2.64倍。

图1 苜蓿与沙棘气孔导度日变化Fig.1 Diurnal variation of stomatal conductance ofMedicago sativaandHippophae rhamnoides

图2 不同水分胁迫下苜蓿与沙棘叶片水势日变化Fig.2 Diurnal variation of leaf water potential ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesunder water stress

3.2 不同水分胁迫条件下紫花苜蓿与沙棘苗期叶水势日变化规律

如图2所示，苜蓿在CK条件下，ψL日变化表现为先降后升的趋势，于14:00达到最低值-2.76 MPa (P<0.05)，胁迫处理(LD、MD、HD)下ψL呈近“W”型的日变化趋势。两种植物ψL最大值均出现在06:00。沙棘不同胁迫处理下ψL变化趋势一致，呈先降后升的单峰曲线，最小值均出现在14:00。4种供水条件下苜蓿ψL平均值大小分别为CK(-2.32 MPa)>LD(-2.45 MPa)>MD(-2.60 MPa)>HD(-3.02 MPa),且除CK与LD之间ψL平均值不存在显著差异(P>0.05)外，其余各处理间均存在极显著差异(P<0.01); 4种供水条件下沙棘ψL平均值大小分别为CK(-1.97 MPa)>LD(-2.10 MPa)>MD(-2.39 MPa)>HD(-2.68 MPa),且除CK与LD、LD与MD之间ψL平均值不存在显著差异(P>0.05)外，其余各处理间均存在极显著差异(P<0.01)。苜蓿ψL各处理间数值差异最小出现在早上08:00 (P<0.05)，极差为0.16 MPa；沙棘出现在早上06:00 (P<0.05)，极差为0.32 MPa。苜蓿ψL值各处理间数值差异最大出现在16:00，极差为1.17 MPa，沙棘则出现在14:00，极差为1.11 MPa。沙棘与苜蓿上午ψL变化幅度均较下午大，沙棘ψL上下午变化幅度分别为1.21 MPa与0.58 MPa，而苜蓿则为0.94 MPa与0.38 MPa；苜蓿ψL全天的变化幅度是沙棘的78%，沙棘全天变化幅度随胁迫程度加剧而变大。植物ψL在一天中清晨最高，至中午随气温升高，蒸腾速率增大，随后ψL开始下降，ψL的最低点大致在下午15:00至16:00时，随后光照强度的减弱及蒸腾速率的减小，使得植物叶片水分损失减小，因而ψL开始回升[8]。

3.3 Gs、ψL与RHL、TL、PAR的相关性

以RHL、TL、PAR为自变量，Gs为因变量进行相关分析(表4)。各供水条件下苜蓿Gs与RHL间均存在显著正相关关系；苜蓿Gs在MD与HD条件下，与TL呈显著线性负相关关系，在LD和CK时与TL相关性不显著；CK时，苜蓿Gs与PAR存显著正相关关系，其余各水分胁迫处理下均与PAR相关性不显著。各供水条件下沙棘Gs与RHL呈显著正相关关系，与TL在HD与MD条件下相关性不显著。在本研究测量范围内，沙棘Gs与PAR呈显著负二次相关关系，即Gs值随PAR呈先增后减趋势，Gs的最大值分别为 CK：432.02，LD：384.32，MD：335.94，HD：307.73 mmol/(m2· s)，相应的PAR的值分别为 CK：789.61，LD：784.99，MD：766.09，HD：758.68 μmol/(m2·s)，Gs最大值及相应的PAR值均表现出随胁迫程度的加剧而减小。相同水分胁迫下，沙棘Gs随RHL、TL、PAR的变化率大于苜蓿，沙棘各处理Gs随RHL的变化率比苜蓿平均大203%，随TL变化的变化率比苜蓿平均87%，这表明沙棘Gs对RHL、TL、PAR的响应较苜蓿敏感。

表2 苜蓿与沙棘Gs与RHL、TL、PAR的相关性分析Tab.2 Correlation analysis ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesbetweenGs, RHL,TL, and PAR

注：*表示在P=0.05水平相关性显著；** 表示0.01水平相关性显著；ns表示0.05水平相关性不显著；Gs=气孔导度；RHL=叶片相对湿度；TL=叶片温度；PAR=光合有效辐射。下同。 Notes： * indicates the correlation is significant atP<0.05; ** indicates the correlation is significant atP<0.01; ns indicates the correlation is not significant atP<0.05.Gs, stomatal conductance; RHL, leaf relative humidity;TL, leaf temperature; PAR, photosynthetic active radiation. The same below.

以环境因子(RHL、TL、PAR)为自变量，ψL为因变量进行相关性分析(表5)。各供水条件下苜蓿ψL与PAR呈显著负相关关系，除CK外均与RHL呈显著正相关关系，与TL无显著相关性。各供水条件下沙棘ψL与RHL、TL分别存在显著正、负相关关系；除CK外均与PAR呈显著负相关关系。相同水分胁迫条件下，沙棘ψL随RHL、PAR变化的变化率大于苜蓿，沙棘各处理ψL随RHL的变化率比苜蓿平均大267.8倍，而沙棘ψL随PAR的变化率比苜蓿大平均1.74倍，这表明沙棘ψL随RHL、TL、PAR的响应程度较苜蓿敏感。

表3 苜蓿与沙棘ψL与RHL、TL、PAR的相关性分析Tab.3 Correlation analysis ofMedicago sativaandHippophae rhamnoidesbetween leaf water potential and RHL,TL, and PAR

4 结论与讨论

4.1 不同水分胁迫处理下苜蓿与沙棘苗期Gs、ψL日变化特征

本研究中，各供水条件下沙棘Gs均存在2个极大值，而苜蓿Gs在CK与LD条件下呈先升后降的趋势，最大值出现在正午12点，在MD与HD条件下均存在两个极大值。沙棘日变化曲线与多数植物在晴朗天气下的气孔运动规律相似：即早晨开放，中午略关闭，日落前基本关闭[9]。双峰效应主要因正午辐射强，叶温和饱和差较高，气孔暂时关闭[10]，导致在上午8点到12点区间内出现“休整”现象。于贵瑞[11]在大田试验中，通过研究玉米和水稻的Gs变化规律时发现土壤水分充足时Gs日变化为单峰曲线，当存在水分胁迫时为双峰曲线，与之研究结果类似，苜蓿Gs在不同水分处理条件下日变化规律不一致，这可能与当土壤水分条件充足时，Gs仅受气象条件影响，而存在水分胁迫时，土壤水分也成为Gs的限制因子有关。与郭冰寒等[5]研究结果一致，沙棘与苜蓿Gs与ψL日变化平均值均随胁迫的加剧而降低，这是因为水分胁迫使土壤毛管传导速度逐渐减小，植物根系吸水速率下降，引起叶片含水量减小，ψL降低，减小气孔开度，使Gs变小[9]。本结果2种植物Gs的日变化幅度差异较大，沙棘上午变化幅度大于下午，而苜蓿则相反。这种非对称性响应现象[12]是因午后大气蒸发变大，水分传导能力降低，致使植物午后ψL低于上午，植物为避免过分失水而进行自我调节，造成气孔在开闭过程中对环境变量呈现不同响应而引起的滞后现象[13]。

4.2 Gs、ψL与RHL、TL、PAR相关性

与郭冰寒[5]、罗永忠[3]等通过盆栽试验对沙棘和苜蓿的研究结果一致，本研究中不同水分胁迫下沙棘和苜蓿Gs与RHL，沙棘ψL与RHL，苜蓿ψL与RHL均存在显著相关性。RHL影响气孔及表皮蒸腾，进而改变植物叶片内的水分状况，控制ψL，促使保卫细胞的膨压发生改变，从而影响气孔的开闭[14]。佟长福等[8]通过盆栽试验研究表明紫花苜蓿蒸腾速率与气温呈开口向下的负二次抛物线关系，与之研究结果存在一定差异，本研究中，沙棘、苜蓿Gs在HD和MD处理下与TL呈显著正相关关系，在LD和CK条件下与TL不存在显著相关关系；这表明水分胁迫程度加大后TL会限制气孔开度，进而降低植株蒸腾速率，避免过度失水[3]，这种蒸腾特征也是植株的一种自我保护机制[3,15]。与郭冰寒[5]等研究结果一致，本研究中不同水分处理下沙棘ψL与TL均存在显著负相关关系；而苜蓿ψL与TL却不存在显著相关关系，表明不同水分处理下沙棘ψL随着TL的增大而减小，而对苜蓿ψL影响不显著，这可能与苜蓿和沙棘具有不同的生理特性有关。左应梅等[16]在研究木薯土壤水分、RH和光环境对Gs影响时发现，当土壤水分含量低时，土壤含水量是Gs的主导因子；当土壤水分良好时，PAR是主导因子。与之研究结果类似，本研究中，沙棘Gs与PAR呈显著的二次相关关系，Gs随PAR的增大呈现先升后将降的趋势，苜蓿Gs仅在充分供水时与PAR存在显著正相关关系，表明苜蓿与沙棘2种植物Gs对PAR存在不同的响应规律。

2种植物在各水分胁迫条件下，沙棘ψL高于苜蓿。在Gs、ψL随RHL、TL、PAR的变化关系中，表明沙棘对此三因子的响应程度比苜蓿敏感，但沙棘ψL平均值比苜蓿大，即体内的水分亏缺程度比苜蓿轻。一般而言不同植物间气孔特性的差异由不同光合途径引起[17]，但本试验2种植物都属于C3植物，光合途径基本相似，因此2种植物Gs数值上的差异可能来自于2种植物不同类型的差异，沙棘为木本、苜蓿为草本，具体原因尚待进一步研究。