三種常見邊坡植物對模擬干旱環境抗旱性能的研究

許翩翩，王建柱(三峽大學生物與制藥學院，湖北 宜昌 443002)

干旱是影響植物和農作物生長和發育的重要逆境因子[1]，是導致植物體內缺水而引起的形態、生理生化特征，及一系列酶發生變化的重要因素[2]。而植物在干旱條件下生理生化指標的變化是植物學家和生態學家研究的熱點和重點。缺水和土地貧瘠是邊坡生態修復的限制問題，尤其是西南干熱河谷地區。因此科學篩選抗旱植物是水電邊坡生態修復成功的關鍵和前提。植物的抗旱性是其在干旱環境下生長和繁殖的必要條件，是多種因素綜合作用的結果[3]。雖然目前有眾多的研究成果，但是對植物抗旱生理生化特征的系統研究有所欠缺[4]，對干熱河谷地區邊坡生態修復植物，僅停留在單一植物的抗旱性研究，同時對相同環境下不同植物抗旱性差異研究較少。

隨著社會發展的需要，清潔能源的選擇已成為環境保護的一條捷徑，目前西部地區正在建設白鶴灘、烏東德等一系列水電工程[5]；地處亞熱帶季風氣候區，具云南高原氣候及四川盆地氣候特點，兼具干旱河谷的生態特征[6]。水電工程擾動區生態環境十分惡劣，對后期土壤物理結構、土壤肥力、地下水路徑、地表覆蓋破壞非常嚴重，導致植被的生態恢復難度加大[7]。而維持邊坡植物多樣性是保護水環境安全的重要措施，是防止水土流失的必要手段[8]。但針對干熱河谷環境，水電邊坡植被恢復的專門性研究工作尚未取得實質性進展[9]。因此，研究生態修復邊坡植被的生態適應性，篩選出既抗旱又耐貧瘠、適于多變條件下裸露邊坡環境生長的最佳植物尤為重要。本研究從水電工程擾動區的角度出發，通過模擬水電邊坡不同水分特征，從種子萌發率、萌發指數特性、植物凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(WUE:Pn/Tr)、丙二醛、脯氨酸和可溶性糖參數，探究香根草(Vetiveriazizanioides)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和高羊茅(Festucaelata)在干旱脅迫下的各項生化指標，揭示其耐旱機理和抗旱能力，以期為水電工程邊坡的先鋒植物篩選、植被恢復建設提供技術和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗地點和時間

實驗地點為湖北省宜昌市三峽大學生態學試驗中心(111°18′64″ E，30°43′44″ N)，種子萌發實驗和植物幼苗抗旱脅迫實驗于2016年3月2日開展，其中種子萌發實驗歷時一個月，植物幼苗抗旱脅迫實驗歷時3個月。

1.2 實驗材料和方法

種子萌發實驗：實驗所需種子均采購于成都苗木基地，分別挑選大小均勻、無損傷、顆粒飽滿的香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子各750粒，用0.1%的高錳酸鉀溶液消毒處理30 min，反復用蒸餾水洗凈后浸種3 h；放入3層濾紙的培養皿中，每皿放入種子50粒，將培養皿分成5組，各組培養液濃度梯度分別設置為0%、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG)溶液，每組設置3個重復，即每種植物5個梯度15組培養皿，3種植物共計45組培養皿。同時在4組培養皿中每天定時定量加入等量的PEG溶液模擬干旱脅迫，0%組中加入等量的蒸餾水；放置在光周期為14 h/10 h(晝/夜)，溫度25 ℃、濕度60%的人工光照培養箱中進行種子萌發實驗，觀察記錄種子的萌發數量和萌發天數。

植物幼苗的培育：選用大小均勻、無損傷、顆粒飽滿的香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子各400粒，栽培環境選用等量工程邊坡常見的灰褐土，粉碎混勻后裝入盆口直徑18 cm，高15 cm的塑料盆中，每盆播種10粒，每種植物播種40盆，3種植物共計120盆，播種前在土壤上表面鋪一層塑料薄膜，待發芽后在種芽處撕開小口使種芽正常生長，以此減少土壤蒸發失水；放入植物實驗大棚內，定期澆水，予以正常的管理。培育一周后每盆保留生長健壯高度相近的2株植株幼苗(苗長10～20 cm)進行后續實驗。

模擬干旱實驗：分別將香根草、紫花苜蓿和高羊茅幼苗隨機分為4組，每10盆作為一組，CK組為對照組(正常水分)，土壤含水量為田間相對持水量的75%～80%，其余T1、T2、T3三組為65%～70%(輕度干旱脅迫)、50%～55%(中度干旱脅迫)、35%～40%(重度干旱脅迫)，同時設置一盆裝土無苗塑料盆作為對照。實驗采取稱重法控制盆中土壤含水量，每天定時對盆栽進行稱重、補水直至形成干旱脅迫水分梯度。保持設置的水分梯度15 d后，選取待測植株從頂至下第3片或第4片健康成熟葉片，測定前，先用飽和光對植物進行30 min的光誘導，測定時將葉室溫度設為25 ℃，飽和光強控制在1000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度控制在400 μmol·mol-1，采用Li-6400便攜式光合分析儀分別測定相應幼苗葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)參數值；并計算植物水分利用效率(WUE:Pn/Tr)；每一植物的不同處理水平隨機選取3盆植株重復測定3次。

生理生化特性的測定：前期的植株培養及實驗處理與光合參數測定的方法相同，生化指標的測定每一植物的不同處理水平隨機選取3盆植株。選取丙二醛、脯氨酸和可溶性糖3組生理生化指標進行測定。采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定各處理的丙二醛含量，采用茚三酮法測定各處理的脯氨酸含量，采用蒽酮法測定各處理的可溶性糖含量[10]。

1.3 數據處理與統計分析

萌發指標計算：從種子置于培養皿起開始觀察，種子萌發情況，連續3 d萌發數均不足總實驗種子數的1%時，認為種子萌發結束。同時計算各組種子的發芽率和發芽指數，公式如下：

萌發率=(n/N)×100%

萌發指數=∑(Gt/Dt)

式中，n為萌發種子總的個體數，N為初始選用總的種子數，Gt為第t天萌發的種子數，Dt為相應的萌發天數。為消除各物種間基礎性狀的差異，對參與分析的性狀指標均采用其相對值，即干旱脅迫下的指標值除以對照組指標值的百分數[11]。

隸屬函數值的計算：分別計算出3種種子在干旱脅迫下10項指標(萌發率、萌發指數、凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、水分利用效率、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量)的隸屬函數值。計算公式：X=(X0-X2)/(X3-X2)。式中：X0表示某一干旱指標的測定值，X2和X3分別表示在此干旱指標下的最小值和最大值。對其進行綜合評價，如果為負相關，則用反隸屬函數進行轉換，計算公式為：X=1-(X0-X2)/(X3-X2)，最后把每種植物各項指標的隸屬函數值累加平均，根據平均值大小確定其抗旱性強弱。

最后以干旱脅迫梯度為自變量，以種子的相對萌發率和相對萌發指數、光合及生化指標等為因變量進行單因素方差分析，設定顯著性水平α=0.05；分析各指標對于干旱脅迫的響應機制，對不同物種的各項指標進行隸屬函數分析比較其抗旱性能。所有實驗數據均采用Excel 2003、SPSS 17.0進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 三種植物10個指標的測定結果

種子萌發率實驗結果表明(表1)，一定濃度的聚乙二醇(PEG)脅迫處理，可抑制種子萌發，通過PEG處理的香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子，具有一定的延緩萌發現象，且隨著PEG脅迫強度的增加各種子的萌發率顯著降低。在不同PEG濃度脅迫條件下，各種子相對萌發率不同。3個物種在不同PEG濃度處理下種子萌發率均有顯著降低(P<0.05)，各物種相對萌發率香根草>高羊茅>紫花苜蓿。

種子萌發指數結果表明(表2)，隨PEG濃度的增加，各種子萌發指數逐漸下降。3個物種在5%、10%、15%和20% PEG處理下相對萌發指數較對照組均有所下降；隨著干旱脅迫強度的增加，種子吸脹速度逐漸下降，種子萌發速率逐漸降低。

表1 不同PEG濃度下香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子相對萌發率的變化Table 1 Changes of V. zizanioides, M. sativa and F. elata seed relative germination rate under different PEG concentrations

表2 不同PEG濃度下香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子相對萌發指數的變化Table 2 Changes in the relative germination index of V. zizanioides, M. sativa and F. elata seeds under different PEG concentrations

注：*P<0.05；**P<0.01。同列不同字母表示差異顯著，下同。

Note: *P<0.05；**P<0.01. Different lowercase letters within the same column mean significant difference. The same below.

3種植物葉片凈光合速率的變化研究表明(圖1)，在不同干旱脅迫條件下，隨著干旱脅迫程度的增加，3個物種的凈光合速率逐漸下降。干旱脅迫越嚴重，3個物種葉片凈光合速率降低的幅度越大，且不同水分供應條件對葉片凈光合速率的影響不同。隨著干旱脅迫程度的加重，3種植物的Pn均呈顯著下降的趨勢，與對照組相比其Pn依次下降了86.68%、81.89%、86.65%。不同土壤水分條件對3種植物的光合能力均有明顯抑制作用，隨著干旱脅迫的加劇，光合作用顯著減弱；輕度干旱脅迫對高羊茅光合能力無明顯抑制作用，中、重度土壤干旱均明顯抑制其Pn；在不同土壤水分處理時，紫花苜蓿的Pn最終降低幅度最小。

3種植物葉片蒸騰速率的變化研究顯示(圖1)， 隨著土壤干旱脅迫的加劇，3個物種的葉片蒸騰速率(Tr)均出現不同程度的下降趨勢。對比3種植物在同一水平的蒸騰速率，正常土壤水分水平蒸騰速率紫花苜蓿>高羊茅>香根草。香根草在各個水分處理水平間差異顯著，紫花苜蓿的蒸騰速率在輕、中度干旱脅迫時差異不顯著，高羊茅在輕度干旱處理較對照組差異不顯著(P>0.05)。高羊茅蒸騰速率下降幅度較其他兩種植物稍小，且在輕度干旱時其蒸騰速率變化不顯著，表明紫花苜蓿對于輕中度干旱具有一定適應性，高羊茅對于重度干旱環境更具有優勢。

3種植物葉片胞間CO2濃度(Ci)的研究顯示(圖1)，對比3種植物在同一水平處理下，葉片胞間CO2濃度在CK組，高羊茅>紫花苜蓿>香根草，在T3組紫花苜蓿>高羊茅>香根草。3種植物的胞間CO2濃度變化隨著干旱梯度的變化出現不同的差異，整體上輕度干旱較對照相比均出現下降趨勢，中度和重度干旱下香根草和高羊茅繼續下降，且香根草在中度和重度干旱時差異不顯著(P>0.05)；表明其受到氣孔限制較強，紫花苜蓿的Ci濃度在中度和重度干旱時出現增加趨勢，且在重度干旱時的Ci值高出對照組3.89%，且中度和重度干旱時無顯著差異，表明紫花苜蓿在輕度干旱處理時，光合作用可能受到了氣孔的限制，而中度和重度干旱時受非氣孔限制。

圖1 不同干旱脅迫下3種植物葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度的變化Fig.1 Changes of net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), intercellular CO2 concentration (Ci) and stomatal conductance (Gs) in leaves of the three plants under different drought stress不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。 Different lowercase letters mean significant difference (P<0.05). The same below.

3種植物葉片氣孔導度的變化研究表明(圖1)，隨著土壤含水量的減少，3種植物的氣孔導度呈逐漸下降趨勢，土壤重度失水條件下，分別較對照組下降了60.00%，72.24%和77.46%；3種植物中香根草的氣孔導度下降幅度最小。對比3種植物在同一水平的葉片氣孔導度，在CK組高羊茅>紫花苜蓿>香根草，在T3組紫花苜蓿>香根草>高羊茅。香根草、紫花苜蓿和高羊茅在不同干旱脅迫條件下，葉片的氣孔導度均顯著降低(P<0.05)，隨著干旱程度的加重氣孔導度下降越顯著；香根草和高羊茅在不同梯度干旱脅迫條件下葉片的氣孔導度差異顯著(P<0.05)；紫花苜蓿的氣孔導度在輕度和中度干旱時較對照組顯著降低但二者間差異不顯著(P>0.05)。干旱條件的加劇均使不同植物的氣孔活動程度明顯降低，但3種植物間對此作出的反應不同，香根草降低的幅度最小。

3種植物水分利用效率的變化表明(圖2)，隨著干旱脅迫的加劇，香根草、紫花苜蓿和高羊茅的葉片水分利用效率有不同程度的降低。對比3種植物在同一水平的水分利用效率，在CK組高羊茅>香根草>紫花苜蓿，在T3組紫花苜蓿>香根草>高羊茅。香根草、紫花苜蓿和高羊茅在各干旱處理水平下，水分利用效率均顯著降低(P<0.05)。高羊茅在輕度干旱時其葉片水分利用效率較對照組無顯著變化，紫花苜蓿在輕度和中度干旱時，水分利用效率的差異不顯著(P>0.05)。正常供水情況下香根草、紫花苜蓿和高羊茅葉片水分利用效率相近，在同等干旱條件下紫花苜蓿的水分利用效率均優于其他兩種植物，且隨著干旱的加重，紫花苜蓿的水分利用效率降低幅度，均低于其他兩種植物，出現這一變化的原因與紫花苜蓿受到的非氣孔限制有關。

3種植物葉片丙二醛(MDA)含量變化研究表明(圖2)，植物在逆境脅迫條件下其細胞會產生相應的膜脂過氧化反應，最終產物即丙二醛。丙二醛含量在一定程度上反映出植物細胞膜系統受傷害的程度。植物丙二醛含量增幅越小，其抗旱性就越強，反之其抗旱性就越弱。隨著土壤干旱脅迫程度的加大，香根草、紫花苜蓿和高羊茅的MDA含量均逐漸上升。香根草、紫花苜蓿和高羊茅的MDA含量隨干旱脅迫的加重均出現較快增長，重度干旱脅迫下MDA含量分別是對照組的2.85，2.51和2.04倍。3種植物在干旱脅迫處理時其葉片MDA均上升且差異顯著(P<0.05)。當土壤干旱脅迫加劇時，香根草細胞質膜過氧化反應程度加大，細胞膜受損程度不斷加深。3種植物受干旱脅迫時，葉片MDA變化幅度香根草>紫花苜蓿>高羊茅。

圖2 不同干旱脅迫下3種植物葉片水分利用效率、丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量的變化Fig.2 Water use efficiency, MDA, proline and soluble sugar content in the leaves of the three plants under different drought stress

3種植物葉片脯氨酸(Pro)含量變化研究表明(圖2)，隨著土壤水分含量的降低，香根草、紫花苜蓿和高羊茅葉片脯氨酸含量呈上升趨勢，各植物不同組分之間變化有一定的差異。3種植物葉片脯氨酸含量在各脅迫處理中均高于對照組，在輕度干旱脅迫時Pro含量分別是對照組的1.41，1.67和1.27倍，在中度干旱脅迫時Pro含量分別是對照組的3.22，3.02和2.85倍，在重度干旱脅迫時Pro含量分別是對照組的3.58，5.19和4.23倍。在各脅迫處理下，紫花苜蓿對脯氨酸的積累顯著高于其他兩種植物。香根草、紫花苜蓿和高羊茅葉片脯氨酸含量隨干旱脅迫的加劇顯著上升(P<0.05)，但各植株內部隨梯度變化具有一定差異。香根草植物體內脯氨酸的積累量隨著干旱脅迫程度的逐漸加重而持續顯著增加，但在中度和重度干旱脅迫時增加不顯著。紫花苜蓿葉片內Pro含量在不同干旱梯度下顯著上升，植物以此來調節體內滲透平衡，對干旱環境作出明顯反應，高羊茅在輕度干旱時葉片脯氨酸含量較對照組無顯著差異，但隨著干旱加劇Pro含量增加顯著。在輕度和中度干旱時香根草、紫花苜蓿和高羊茅的脯氨酸含量均會顯著增加，以保障植物的滲透平衡從而使植物能獲得正常供水，而當干旱條件進一步加劇達到重度干旱時，香根草葉片內脯氨酸積累減緩使得植物無法獲得正常供水。

3種植物葉片可溶性糖含量變化研究顯示(圖2)，3種植物可溶性糖含量隨干旱脅迫程度加劇呈增加趨勢，但增加趨勢不同。3種植物葉片可溶性糖含量在各脅迫處理下，均高于對照組，僅高羊茅在輕度干旱時其含量較對照組有小幅下降，在中度干旱脅迫時可溶性糖含量分別是對照組的2.26，3.39和1.99倍，在重度干旱脅迫時可溶性糖含量分別是對照組的3.05，5.22和3.10倍。對比發現紫花苜蓿對可溶性糖含量的增加幅度要顯著高于其他兩種植物。香根草、紫花苜蓿和高羊茅葉片在不同土壤水分處理下，可溶性糖含量均呈顯著上升趨勢(P<0.05)。在輕度干旱處理下，香根草葉片可溶性糖含量與對照組差異不顯著(P>0.05)，而中度和重度干旱時可溶性糖含量急劇增加，與對照組差異顯著(P<0.05)； 紫花苜蓿葉片可溶性糖含量隨干旱梯度的增加出現顯著性的變化(P<0.05)；高羊茅輕度干旱處理下葉片可溶性糖含量與對照組相比無差異且出現下降趨勢，這可能是輕度干旱未能誘發可溶性糖作出應激反應所致。通過不同程度上可溶性糖的積累，香根草、紫花苜蓿和高羊茅都可實現體內滲透調節的平衡；但高羊茅調節能力更強，對嚴重干旱環境具有更強抗性。

2.2 隸屬函數表征法對3種植物抗旱性分析

通過隸屬函數法，對3種植物各項抗旱指標進行了綜合評價表明(表3)，3種植物抗旱性強弱。香根草、紫花苜蓿和高羊茅分別為0.470、0.497和0.491，3種植物均對干旱脅迫具有一定適應性，整體來看紫花苜蓿的抗旱性更強，高羊茅次之，其次為香根草。

3 討論

3.1 三種植物種子萌發情況分析

表3 香根草、紫花苜蓿和高羊茅抗旱能力綜合評價Table 3 Comprehensive evaluation of V. zizanioides, M. sativa and F. elata drought resistance

種子吸水不足是使其活力下降，種子相應發芽勢和萌發指數下降重要因素。隨著干旱程度增加，種子活力逐漸減弱。因此種子萌發率和萌發指數可直接反映植物生物量的多少。然而用相對萌發率評價植物種子萌發期的抗旱性，又可避免不同基因型種子在正常條件(對照)下萌發率差異對試驗結果的影響，能客觀鑒定干旱脅迫條件下待測種子的萌發水平，評價種子萌發期的抗旱性[12]。朱慧等[13]在研究五爪金龍(Ipomoeacairica)種子的萌發中發現，水分的缺失使得種子的吸水不足，隨著干旱脅迫的延遲，不僅萌發率受到抑制，萌發指數也受到影響；隨著干旱程度的加劇，現象愈加顯著。

聚乙二醇(PEG)是一種具有很強親水性的惰性高分子聚合物，在種子萌發早期階段它能有效減緩水分進出種子的速率。有研究表明，一定濃度的PEG脅迫能刺激植物種子活性的提高，當超過植物種子對干旱脅迫的忍受限度時，種子就不能萌發。本研究表明隨著PEG濃度的增加，3種植物的萌發率均出現顯著下降趨勢。比較3種草本可以看出低濃度的PEG脅迫對香根草的種子萌發具有引發作用，從而使得5%處理水平的萌發率明顯高于對照組，這與劉杰等[14]、焦樹英等[15]、榮秀連等[16]、于軍等[17]的研究發現相符。

3.2 凈光合速率、蒸騰速率與植物抗旱性的關系

光合作用是一切代謝活動的基礎，凈光合速率(Pn)直接反映了單位葉面積單位時間能量和物質的積累量，它是衡量植物生物生產量水平的最直接指標。在干旱脅迫下，氣孔限制和非氣孔限制是引起植物葉片光合效率降低主要原因[18]。植物受到干旱脅迫時，為了減少蒸騰，會限制葉片伸展、觸發氣孔關閉，同時也會減少CO2攝取量、增加葉肉細胞相對阻力，進一步抑制Pn；當受到干旱脅迫時，植物葉片光合色素的合成、光合作用過程中相關酶活性也會受到一定抑制，從而導致Pn下降。使碳同化速率降低，導致光能過剩和光合作用光抑制，甚至造成不同程度的光氧化與光破壞，最終演變成非氣孔因子起主導作用[19]。王琰等[20]發現當油松(Pinustabulaeformis)受到干旱脅迫時，Pn、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、水分利用效率(WUE)均受到抑制。與本研究中隨著干旱脅迫程度的加重3種植物的凈光合速率均顯著降低相符。

蒸騰速率既是水分通過葉片氣孔向外界失水的過程同時又是植物被動吸水的動力，是一種復雜的生理代謝活動。它可以調節植物的水分平衡，調節自身水分損耗的能力，體現在不同環境中植物的實際耗水能力，是植物固有的生理特性。研究發現3種植物的葉片蒸騰速率隨著干旱程度的加劇均出現不同程度的下降。香根草在各個干旱處理水平下，呈顯著下降，紫花苜蓿在輕、中度干旱脅迫時下降不顯著，高羊茅在輕度干旱處理下與對照組相比無明顯變化。本研究中高羊茅變化趨勢與宋玉偉等[21]、陳家宙等[22]研究相符。

3.3 胞間CO2濃度、氣孔導度及水分利用率與植物抗旱性的關系

3種植物的胞間CO2濃度(Ci)隨著干旱脅迫的增加差異明顯，3種植物中輕度干旱導致較對照相比均表現為下降趨勢，均表現為氣孔限制。通過多年的進化，植物體在干旱條件下為了維持生存，葉片的氣孔也發揮著舉足輕重的作用。氣孔導度下降是植物對干旱脅迫的最早反應[23]。香根草和紫花苜蓿在重度干旱時，Ci值反而出現顯著增加，表明這兩種植物在輕度干旱處理下，光合作用會受氣孔一定的限制，而中度和重度干旱時受非氣孔限制。Farquhar 等[24]認為：如果氣孔因素限制占主導，那么植物凈光合速率的下降會伴隨著胞間二氧化碳濃度的下降。如果非氣孔因素限制占主導，那么植物凈光合速率的下降就會伴隨著胞間二氧化碳濃度出現上升現象。

氣孔導度是反映氣孔開度的一個重要指標[25]。在水分脅迫下導致光合速率和蒸騰速率下降的主要原因是氣孔關閉。干旱脅迫主要是通過氣孔和非氣孔因素抑制植物的光合作用[26]，氣孔導度的下降，導致胞間二氧化碳濃度的降低，而非氣孔因素，導致胞間二氧化碳濃度的升高。因此在干旱脅迫下氣孔導度的降低是導致凈光合速率降低的主要原因[27]。香根草、紫花苜蓿和高羊茅葉片的氣孔導度均隨著干旱程度的加重氣孔導度下降顯著。香根草和高羊茅在不同干旱脅迫處理下差異明顯，紫花苜蓿的氣孔導度在輕度和中度干旱時較對照組顯著降低，但二者間無顯著差異。與左應梅等[28]研究表明木薯(Cassava)的氣孔導度受到土壤水分的影響相符。

3.4 水分利用率及丙二醛含量與植物抗旱性的關系

水分的充足與否是影響植物水分利用效率最重要的環境因子[29]。水分過多，往往會導致植物水分利用效率下降。而在一定程度的干旱脅迫下，植物的水分利用效率會提高[30]。研究表明隨著生境沿濕地、灘地、固定沙丘至流動沙丘，由濕到干的不同水分供應等級，植物的水分利用效率(WUE)呈現升高的趨勢。同時，干旱脅迫下擁有較高WUE的植物具有更高生產力和生存能力[31]。葉片蒸騰作用是植物耗水的主要形式，水分利用效率是評價植物耐旱能力的重要指標之一，反映了作物生產過程中單位水分的能量轉化效率，受蒸騰速率和光合速率共同影響[32]。干旱引起氣孔導度下降，CO2反應受阻，導致葉片光合能力降低，作物通過提高葉片水分利用效率來適應這種逆境[33]，水分脅迫對作物光合作用的嚴重影響，最終導致作物生物量下降[34]。隨著干旱脅迫的加劇，3種植物葉片水分利用效率不同程度的降低。紫花苜蓿的水分利用效率下降幅度最低，較其他兩種植物利用效率要高。

丙二醛(MDA)含量的變化是脂膜損傷程度的重要標志之一。在干旱脅迫下，植物細胞內活性氧代謝的平衡被破壞，導致產生大量的活性氧。活性氧的毒害之一是加劇膜脂過氧化作用，造成細胞系統的損傷。而在膜脂過氧化作用中，抗旱性強的植物MDA含量增加相對較慢，其含量越高表明植物抗旱能力越差。也有研究指出[35]，當外界環境對植物的脅迫程度較輕時，植物體內的保護酶協同作用保持脂質過氧化程度處于較低水平，一旦超過了其耐受的極限，酶活性會受到極大抑制，導致脂質過氧化產物MDA的大量產生。3種植物在干旱脅迫處理時其葉片MDA均上升且差異顯著。當干旱脅迫加劇時，香根草細胞質膜過氧化反應程度加大，細胞膜受損程度不斷加深，3種植物中高羊茅的MDA變化幅度最小。Jinmin 等[36]對表土和全土壤干旱下的高羊茅進行研究，發現全土壤干旱下，植株的相對含水量和葉綠素含量以及地上生物量均明顯下降，丙二醛(MDA)含量明顯上升，這表明在干旱嚴重情況下，特別是全土壤干旱，一些抗氧化性的酶活性受到了抑制，加速了膜脂過氧化而使MDA的含量升高。

3.5 脯氨酸及可溶性糖含量與植物抗旱性的關系

脯氨酸在植物細胞中主要起滲透調節作用。葉片脯氨酸含量增加，可提高細胞的溶質含量，增強其滲透調節能力。在干旱脅迫下，植物可在細胞中通過主動積累溶質來降低滲透勢，這種溶質可分為兩類，一類是從環境吸收進入細胞的無機鹽，如K+、Na+、Mg2+、Ca2+等；另一類是細胞中合成的小分子有機物質，如可溶性糖、游離脯氨酸等[37]。現普遍發現植物在逆境條件下就會積累過量的脯氨酸，認為脯氨酸能起緩沖保護作用，或者作為保護細胞質酶類和膜，使處于逆境條件下的植物體不易受到傷害。因而可以用脯氨酸含量增加的比例作為評價指標。趙法等[38]發現豬毛菜(Salsolaarbucula)、Guo等[39]發現小麥(Triticumaestivum)以及Ramana等[40]發現大豆(Glycinemax)受到干早脅迫時，體內Pro作為最重要的滲透調節物質含量均會迅速上升，避免了膜系統進一步受到損害。因而3種植物的脯氨酸含量隨干旱脅迫的增強均表現出顯著上升趨勢，紫花苜蓿葉片的脯氨酸含量增加的比例最大，因此在細胞適應性代謝調節的能力上表現為最強。與孫彥等[41]研究草地早熟禾(Poaannua)與多年生黑麥草(Loliumperenne)的干旱脅迫研究中發現，游離脯氨酸含量的高低能反映出植物抗早性的強弱相符。

可溶性糖是參與調節滲透脅迫的小分子物質，滲透調節是植物適應干旱脅迫的主要生理機制。在植物對干旱脅迫的適應性調節中，是增加滲透性溶質的重要組成成分[42]。干旱脅迫下植物體能夠通過自身代謝調控積累一些有機小分子物質調節滲透脅迫。可溶性糖含量的高低能夠在一定程度上反映植物對逆境脅迫的耐受性。表明干旱脅迫時，植物通過生理代謝使得細胞質可溶性糖大量積累，使滲透勢降低，細胞液濃度上升，防止細胞過度脫水，增強植物抗旱性。研究結果顯示紫花苜蓿的脯氨酸和可溶性糖增量最顯著，其次是高羊茅。這與李波等[43]、宋淑明[44]對紫花苜蓿的研究結果一致。所以干旱脅迫條件下，植物葉內可溶性糖含量的多少，是判斷其自身抗逆適應性強弱的重要指標。

3.6 抗旱指標評價的選擇

研究發現植物在干旱脅迫下，其耐旱的生理反應與其適應性可以通過多個指標進行評定，如運用數學的方法對與植物抗旱性相關的各個指標進行綜合評價分析。從而避免單一指標都有一定的片面性。如張建國等[45]在研究我國北方主要植物耐旱性機理時，應用此種方法綜合分析比較，從而得出可靠的判斷。靳軍英等[46]則應用此種方對牛鞭草(Hemarthriaaltissima)、高丹草和拉巴豆的耐旱性進行了準確的排序。

4 結論

1)干旱脅迫導致香根草、紫花苜蓿和高羊茅種子萌發數量減少、種子萌發活力下降，且隨著干旱脅迫的加劇，受到影響程度逐漸加大。低濃度PEG脅迫對香根草種子的萌發具有引發作用，隨PEG濃度的增加紫花苜蓿和高羊茅種子的相對萌發率逐漸降低。

2)干旱脅迫導致香根草、紫花苜蓿和高羊茅凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度和水分利用效率不同程度的下降。香根草的凈光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度下降最為顯著，高羊茅的氣孔導度和水分利用效率下降最為顯著。

3)隨著干旱脅迫的增加香根草、紫花苜蓿和高羊茅的丙二醛、脯氨酸和可溶性糖均顯著增加。香根草葉片丙二醛含量增加最為顯著，高羊茅增幅最小；紫花苜蓿葉片脯氨酸和可溶性糖含量增加最為顯著，對干旱脅迫表現出更強的響應，香根草葉片脯氨酸和可溶性糖含量增幅較其他兩種植物低，對干旱脅迫響應能力較差。

4)綜合分析3種植物種子的萌發率、萌發指數、光合及生理生化等多個單項指標，運用隸屬函數平均值法來鑒定3種邊坡植物的抗旱性。紫花苜蓿的抗旱性最強，高羊茅次之，香根草較差。

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