水分脅迫對王草生長的影響

溫翠平，李威，漆智平，唐樹梅＊

（1.海南大學農學院，海南 儋州571737；2.中國熱帶農業科學院品種資源研究所，海南 儋州571737）

王草（Pennisetumpurpureum×P.glaucum）又名皇竹草，是一種多年生禾草類植物，由象草和非洲狼尾草雜交育成，原產于哥倫比亞［1］，因其優質高產，被譽為“草中之王”，故得名王草［2］。王草最早是為改善生態環境從哥倫比亞引入我國海南省的。王草生長期短，產量極高，分蘗多，再生能力強。當年栽培的王草幼苗在中等水肥條件下，每年的生長期長達9個月以上［3］，可產鮮草2.25×105kg／hm2，蔸分蘗達到50～80株，第2年產鮮草在（3.00～3.75）×105kg／hm2。王草營養豐富，每公頃王草的蛋白質含量相當于8～10hm2玉米的蛋白質總含量。王草葉軟汁多，適口性好，是牛、羊、兔、魚等的優質飼草，是各種草食性牲畜和魚類的最佳飼料［4］。

近幾年的研究發現它具有很好的應用前景，近些年來已被我國海南、四川、湖南、江蘇、廣東、廣西、江西等省份引種并廣泛應用。但由于我國土地和水資源匱乏，肥沃的土地資源一般用于生產糧食等經濟作物，牧草則大部分種植在干旱貧瘠的地區，而王草喜高溫多濕，其根系發達，生長速度快，生長量極大，非常嗜肥喜水，干旱脅迫是干旱及半干旱地區限制王草生長的主要環境因子之一。因此，研究在不同的土壤水分條件下，王草的生長狀況及其水分生理反應，挑選適宜王草生長的土壤含水量，對于水資源匱乏地區王草的優產高產將有重要的意義。近年來對其他草種在水分脅迫下的水分生理反應已有較多報道，如萬里強等［5］以不同濃度PEG－6000溶液模擬干旱脅迫，以4個多年生黑麥草（Loliumperenne）品種植物為材料，比較分析不同脅迫處理下葉片相對含水量、超氧化物歧化酶（SOD）、游離脯氨酸、丙二醛（MDA）含量和質膜透性等生理生化指標的變化規律，探討了各種生理變化與抗旱性的關系；郭穎等［6］通過模擬不同的土壤干旱條件，對4個鄉土禾草進行干旱脅迫處理，研究對比在夏季黃土高原4個常見草種的耗水特性、環境中水分的利用規律、水分利用效率及其相關生理形態變化，探討這些因素在高溫干旱脅迫時發生變化的規律。而目前關于王草的研究主要停留在施氮量方面，對王草的水分脅迫方面研究較少，為此，本研究就王草整個生理期，在不同的土壤含水量條件下對王草生長量、品質進行了對比，研究了葉片水分狀況及游離脯氨酸等生理性狀對水分脅迫的響應，并結合王草產量的變化，尋找適宜王草生長發育的土壤含水量，以期為王草的水分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為熱研4號王草，供試土壤為花崗巖磚紅壤，質地為砂質壤土，理化性狀見表1。

表1 土壤理化性狀Table 1 Soil physical and chemical characteristics

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽的方法，塑料盆高29cm，盆口直徑31cm，盆底直徑25cm。取花崗巖發育磚紅壤0～20cm表土，過篩混勻裝盆，每盆裝風干土20kg。試驗設10個處理，處理1、5%～15% （W1）；處理2、15%～25%（W2）；處理3、25%～35% （W3）；處理4、35%～45% （W4）；處理5、45%～55% （W5）；處理6、55%～65%（W6）；處理7、65%～75% （W7）；處理8、75%～85% （W8）；處理9、85%～95% （W9）；處理10、土壤田間持水量100%（W10）。每個處理重復3次。

挑選2棵長勢均勻、長相一致的王草幼苗移栽入盆中，幼苗生育初期按正常的水肥管理。在王草苗達到6葉1心時進行控水。控水期間根據天氣情況每天下午4：30，用水分測定儀進行含水量的監測，當水分降到處理設定下限時澆水補足。其他管理條件一致。

試驗于2010年8－12月在海南大學儋州校區農學院基地防雨棚內進行。

1.3 測定項目及方法

成熟期收割整盆王草的地上部分，用自來水快速洗凈，再用蒸餾水迅速沖洗3次，用吸水紙吸干表面水分，立即稱鮮重。干重采用常壓直接烘干法［7］；土壤田間持水量測定采用威爾科克斯法［8］；葉片相對含水量（RWC）測定采用飽和含水量法［9］；葉片水分飽和虧缺（WSD）測定采用烘干恒重法［10］；游離脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸提取，茚三酮比色法［11］；粗纖維的測定采用酸堿消煮法：先用H2SO4處理，再用NaOH處理，過濾后將濾渣烘干稱重，即可；粗蛋白采用半微量凱氏定氮法［12］測定全氮含量后，按全氮量的6.25倍進行換算。

1.4 數據處理

試驗數據的圖、表采用Microsoft Excel制得；數據顯著性分析采用SAS 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量對王草生長的影響

隨著土壤含水量的增加，鮮重總體呈逐漸上升的趨勢，在W7（65%～75%）時產量達到最大（圖1）。當土壤含水量＜15%時，王草的鮮重W1最低，顯著的低于其他處理；當土壤含水量＜65%時，王草的鮮重隨土壤相對含水量的增加而提高；在 W7（65%～75%）時產量為最高，可達384.12g／盆，折合為43 213.5kg／hm2，說明 W7為最適宜王草生長的土壤含水量；當土壤含水量＞75%時，產量隨土壤含水量的增加而減少，此時由于含水量過多，已經導致產量明顯的下降。

隨著土壤含水量的增加，干重總體呈逐漸上升的趨勢，在 W7（65%～75%）時產量達到最大，可達59.28g／盆（圖2），折合為6 669kg／hm2。王草的干重在土壤含水量為55%～95%（W5～W9）時處理間差異不顯著，說明該土壤含水量范圍對王草的生長無明顯的抑制。

土壤含水量還影響了王草的品質，當土壤含水量＜15%時，粗蛋白含量最高，達到11.74%（圖3），顯著的高于其他處理；當土壤含水量在15%～45%及淹水時，粗蛋白含量在8.35%～8.79%，方差分析處理間差異不顯著；土壤含水量在45%～95%時，粗蛋白含量最低，為7.59%～7.79%，該范圍內的各處理差異不顯著，但顯著低于其他處理。

當土壤含水量過低或過高時（＜15%及淹水狀況），粗纖維含量最低（圖4），顯著的低于其他處理；當土壤含水量為15%～25%，55%～75%時，粗纖維含量較低，在28.34%～29.38%內，顯著低于除W1、W10外的其他處理；而剩余其他處理粗纖維含量在31.45%～34.70%。

圖1 不同水分處理對王草鮮重的影響Fig.1 The effect of different treatments on the fresh weight of kinggrass

圖2 不同水分處理對王草干重的影響Fig.2 The effect of different water treatments on the dry weight of kinggrass

圖3 不同水分處理對王草粗蛋白的影響Fig.3 The effect of different water treatments on the crude protein of kinggrass

圖4 不同水分處理對王草粗纖維的影響Fig.4 The effect of different water treatments on the coarse fibre of kinggrass

2.2 水分脅迫對王草葉片相對含水量、水分飽和虧的影響

本試驗在王草生長葉片數達到3片時，每隔15d采植株葉片進行相對含水量（RWC）的測定，以揭示在不同含水量的條件下，王草對水分脅迫的忍耐能力。在同一處理時間，隨著土壤含水量的上升葉片相對含水量總體呈上升的趨勢，且最大值均出現在W7（表2）。隨著脅迫時間的延長，不同處理RWC大致呈下降的趨勢，最低值均出現在第45天，但不同的水分處理其下降的幅度和速度不同。

在處理的第15天時，土壤含水量在W3～W10（25%～100%）時，葉片相對含水量為92.44%～94.60%，方差分析處理間差異不顯著。當土壤含水量過低，＜25%時，葉片相對含水量 W1、W2大幅度降低到67.50%，80.54%，顯著的低于其他處理。隨著脅迫時間的延長，不同處理RWC大致呈下降的趨勢，且受脅迫越嚴重，下降幅度越大。在第45天時，土壤含水量在25%～45%的W4、W3分別由第15天時的94.38%，92.44%降到了第45天時的92.45%，90.84%，而土壤含水量＜25%時，W2、W1出現了大幅度的下降，分別由80.54%，67.50%下降到了72.84%，60.84%，顯著的低于其他處理，而土壤含水量＞45%的處理下降幅度不大。說明土壤水分過多過低都會降低王草葉片水分含量，都不利于王草的生長，而干旱脅迫RWC降低程度更大。在采樣的第60天，各個不同水分處理的葉片相對含水量傾向于W7處理，原因可能是在此次采樣的近半個月內，天氣均為陰雨連綿，空氣中的濕度達到100%，葉片蒸發小，吸收空氣中水分多，致使王草受干旱脅迫的程度大大降低，逐漸恢復至正常的葉片含水量。

表2 不同水分處理對王草葉片相對含水量的影響Table 2 The effect of different water treatments on the relative leaves water content of kinggrass %

葉片水分飽和虧缺（WSD）是反映植物體在水分脅迫條件下葉片持水狀況的生理指標之一［13］。一般地水分飽和虧能說明作物水分虧缺的嚴重程度，其值越大說明愈缺水［14］。不同的水分處理對王草葉片飽和虧的影響剛好和相對含水量的變化趨勢相反（表3），在同一處理時間，隨著土壤含水量的增加WSD總體呈下降趨勢，最低值均出現在W7（65%～75%），隨受脅迫時間的延長，不同處理WSD大致呈上升的趨勢，且受脅迫越嚴重，上升幅度越大。在第45天時，W3的WSD從第15天的7.56%上升到9.16%，顯著的高于其他（除W1、W2）處理，說明在中度干旱脅迫下，王草體內已出現缺水現象；而 W1、W2的 WSD分別從第15天32.50%，19.46%上升到39.16%，27.17%，顯著的高于其他處理，說明土壤含水量＜25%時王草處于嚴重干旱脅迫狀態，缺水狀況嚴重，王草停止生長；其他處理（W4～W10）隨生長時間的延長，WSD上升幅度不大。

表3 不同水分處理對王草飽和虧的影響Table 3 The effect of different water treatments on the water sufficiency deficiency of kinggrass %

2.3 水分脅迫對王草體內游離脯氨酸的影響

本試驗在開始水分處理后，王草約生長3片葉時，每隔15d采樣1次，測定王草體內的游離脯氨酸的變化。結果表明（表4），在第15天時，土壤含水量在 W3～W9（25%～95%），游離脯氨酸含量為20.52～32.43μg／g，方差分析處理間差異不顯著（除W3顯著高于W7外）。當土壤含水量＜25%時，王草的游離脯氨酸含量 W2、W1分別提高到59.65和161.27μg／g，是W7的3～5倍。隨著受脅迫時間的延長，不同處理積累的脯氨酸總體呈上升趨勢，且受脅迫越嚴重，上升的幅度越大。在第30天，土壤含水量在 W4～W10（35%～100%），游離脯氨酸含量為13.02～18.08μg／g；而當土壤含水量＜35%時游離脯氨酸含量大幅度的增加，顯著的高于其他處理，W3、W2、W1處理王草積累的脯氨酸提高到63.36，223.28和1 085.00μg／g。在第45天時，土壤含水量在 W4～W7（35%～75%），脯氨酸含量增加的不明顯，為19.43～31.37μg／g。土壤含水量過低或過高的處理，游離脯氨酸含量均顯著的增加，土壤含水量＜35%時，W3、W2、W1處理王草積累的脯氨酸提高到52.35，1 122.30和2 712.44μg／g，當土壤含水量＞75%時，王草體內積累的脯氨酸含量均顯著高于W7。至第60天時，各個處理體內的脯氨酸又比先前的有所下降，原因也可能是受到采樣時近半個月陰雨天氣的影響，王草葉片吸收的水分已足夠王草植株的生長，致使王草受干旱脅迫的程度大大降低。

表4 不同水分處理對王草體內游離脯氨酸的影響Table 4 The effect of different water treatments on the free proline of kinggrass μg／g

3 討論

3.1 土壤含水量與王草產量和營養的關系

當土壤田間持水量在55%～95%時，王草干重產量各處理間方差分析不顯著，說明王草是一種適水性較廣的植物，田間持水量為65%～75%時王草的產量達到最高，干重產量達59.28g／盆，折合為6 669kg／hm2。當水分含量低于25%或淹水時，王草產量均顯著的降低，說明此時受到嚴重的水分脅迫，王草已不能正常生長。粗蛋白和粗纖維含量的高低是評判王草品質好壞的關鍵指標之一。王曉英等［15］在水氮耦合對強筋冬小麥（Triticum aestivum）籽粒蛋白質品質的影響中得出，灌水量在0～180mm內，各灌水處理的粗蛋白含量均低于不灌水處理，而隨灌水次數的增加并沒有造成粗蛋白含量的進一步下降；汪玉磊等［16］在水肥耦合對冬小麥產量及品質的影響研究中也得出，蛋白質含量有隨供水的增加而降低的趨勢，重度缺水處理的粗蛋白含量明顯高于另外2個供水處理；由本試驗可知，在土壤含水量＜45%的水分脅迫條件下，王草的粗蛋白含量較高，隨含水量的增加粗蛋白含量反而降低，這與前人研究結果相符。產量的提高導致了蛋白質相對含量的降低，這是由于隨產量的增加蛋白質含量相對被稀釋所致。粗纖維的含量在相對較低的情況下，牧草品質較好，適口性好。本試驗研究得出，土壤含水量在過高或過低及55%～75%時，粗纖維含量較低，王草的適口性較好，而綜合產量情況，土壤含水量在55%～75%時更有利于產量和品質的提高。

3.2 王草的水分生理反應

相對含水量（RWC）反映了植物葉片的保水能力。水分脅迫下，植物葉片含水量下降以維持植物體生理生化的正常運轉［17］。在干旱脅迫下水分飽和虧缺（WSD）的大小，可部分反映植物抗旱性的強弱。本試驗研究表明，隨土壤含水量的增加，RWC總體呈上升趨勢，在W7時為最大，隨脅迫程度的加深和脅迫時間的延長，RWC下降越快，幅度越大。WSD則出現相反的趨勢，這與黃鶴麗等［18］的研究結果相符。說明王草葉片保水能力隨干旱程度的增加而下降，水分過高過低都不利于王草的生長，W7（65%～75%）處理是最適宜王草生長的土壤含水量。在第4次采樣時，由于受外界陰雨天氣的影響，RWC逐漸恢復至正常的葉片相對含水量，杜建雄等［19］、梁國玲等［20］研究得出，牧草在先受干旱脅迫再復水后，葉片的相對含水量有向對照恢復的趨勢，上述現象與此一致。

滲透調節是植物適應干旱脅迫的一種重要生理機制。植物通過代謝活動增加細胞內的溶質濃度，降低滲透勢，維持膨壓，從而使體內各種與膨壓有關的生理過程正常進行［21］。目前研究較多且與作物抗旱性密切相關的滲透調節物質有3種：脯氨酸（Pro）、甜菜堿、可溶性糖。其中脯氨酸常以游離狀態廣泛存在于植物體內，當植物受到環境脅迫時，植物體內的游離脯氨酸積累增加［22］，尤其干旱脅迫下脯氨酸的積累最多。盡管對于許多植物來說，脯氨酸積累在逆境中的生理機制還未完全清楚，但普遍認為在干旱脅迫下脯氨酸的升高有利于植物對干旱脅迫的抵抗。郭巧生等［23］在不同水分處理對夏枯草（Prunellavulgaris）花期生長和生理特性的影響中得出，隨干旱脅迫的加深和干旱時間的延長，夏枯草葉片脯氨酸量呈上升趨勢，是夏枯草在逆境條件下的保護性反應；康利平［24］所研究的干旱脅迫對豇豆（Vigna）生理生化的影響中也得出了類似的結論。本研究得出，王草受干旱脅迫越嚴重，受脅迫時間越長，游離脯氨酸在王草體內積累得越多，顯著高于其他未受脅迫的處理。說明水分脅迫下，脯氨酸的積累能力與王草對脅迫的反應密切相關。王草葉片可以通過調節脯氨酸量提供細胞的滲透調節能力，維持植株正常生長所需的膨壓，為王草植株在水分脅迫條件下的一種保護性反映。王草在土壤含水量占田間持水量的5%～25%極度干旱的情況下，雖然生長受到了很大的限制，卻依然生長了2個月之久沒有完全萎蔫旱死，有可能是體內積累的脯氨酸在起著滲透調節作用。由其可見，王草是一種極度耐旱的植物。同時，經過長達2個月淹水處理的W10產量及品質顯著降低，而其水分生理反應卻并沒有與適宜王草生長的水分處理有顯著差異，淹水處理限制王草生長的生理機制仍需進一步研究。

4 結論

4.1 土壤田間持水量在55%～95%時，王草干重產量各處理間方差分析不顯著。田間持水量為65%～75%時王草的產量達到最高，干重達59.28g／盆，折合為6 669kg／hm2。當水分含量低于45%或淹水時，王草產量均顯著的降低。

4.2 土壤含水量＜15%時，王草粗蛋白含量最高達到11.74%；在55%～95%時，粗蛋白含量最低在7.59%～7.79%。在土壤含水量＜25%或淹水狀況及55%～75%時，粗纖維含量相對較低，綜合產量情況，土壤含水量為55%～75%時更有利于產量和品質的提高。

4.3 隨土壤含水量的升高，葉片相對含水量（RWC）總體呈上升趨勢，在W7（65%～75%）時為最大，田間持水量高于或低于該處理均使RWC下降，當土壤含水量＜25%時，RWC下降幅度最大，植株表現出明顯的水分脅迫。

4.4 隨土壤含水量的升高，游離脯氨酸總體呈下降的趨勢，在W7（65%～75%）時積累最少，王草受干旱脅迫越嚴重，受脅迫時間越長，游離脯氨酸在王草體內積累得越多，當土壤含水量＜25%時，游離脯氨酸在王草體內積累最多，顯著高于其他處理。

4.5 適宜王草生長的土壤含水量為田間持水量的55%～95%，最佳土壤含水量為65%～75%，而使王草生長受限的為5%～45%及淹水狀況。

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