王富強(qiáng),向 潔,王立威,余成群,沈振西,邵小明,3
(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 / 生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;3. 西藏高原草業(yè)工程技術(shù)研究中心,拉薩 西藏 850000)
植物在水分脅迫下,會對其自身生長特性及形態(tài)特征進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)生存環(huán)境的變化[1],其可以通過關(guān)閉氣孔、減小葉面積和降低葉片水分散失等方式來提升水分利用效率、改變根冠比以及調(diào)整葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)以應(yīng)對干旱脅迫[2-5]。土壤水分是主導(dǎo)植物根系分布的因子,比其他環(huán)境因子更加敏感,同時(shí)又能夠影響根系的形態(tài)特征。已有研究報(bào)道,根系的生長發(fā)育、水肥吸收、空間分布模式等均受土壤干旱的影響[6-7]。植物不僅能通過調(diào)整根系生長、結(jié)構(gòu)和分布等措施來維持其體內(nèi)水分的平衡,且還會通過減少分蘗與分枝、株高和葉片數(shù)等來減少水分蒸發(fā)[8-9]。
栽培牧草已成為解決西藏草畜矛盾的關(guān)鍵措施之一[10],且在生產(chǎn)力和牧草質(zhì)量等方面通常比同樣氣候環(huán)境下的自然草地高[11],由于豆科與禾本科牧草在形態(tài)學(xué)和生物學(xué)上的差異,導(dǎo)致其利用資源的能力不同[12]。豆科牧草與禾本科牧草混播在提高牧草產(chǎn)量、改善牧草營養(yǎng)品質(zhì)、提高土地利用率[13-14]及生物固氮作用[15-16]、提升土壤肥力等方面存在明顯的優(yōu)勢[16-19],因此豆禾混播栽培草地往往成為栽培草地建植的首選類型之一。
雖然豆禾混播草地具有較多優(yōu)勢,但仍然存在對于資源(光照、水分、養(yǎng)分等)的競爭,當(dāng)出現(xiàn)資源不足時(shí)這種競爭可能會更加激烈[14,20-21]。西藏作為氣候變化的敏感區(qū),也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[22],大部分地區(qū)年降水量均在400 mm以下,但年蒸發(fā)量卻往往在2 000 mm以上,且降水量的90%以上都集中在6-9月[23]。近年來,水資源短缺已成為西藏地區(qū)限制牧草生長的關(guān)鍵因子,所造成的損失在所有非生物脅迫中排在首位[24]。有關(guān)豆禾混播草地的生產(chǎn)力[25-26]、穩(wěn)定性[27]、土壤養(yǎng)分[28-29]等方面的研究均有較多報(bào)道,但關(guān)于豆禾牧草混播對水分脅迫形態(tài)特征響應(yīng)的報(bào)道較少,而且研究西藏豆禾牧草混播對水分脅迫的響應(yīng)有助于明確混播種植方式與單播相比是否對在應(yīng)對干旱方面有優(yōu)勢,對降水量少、灌溉系統(tǒng)不完善的西藏河谷區(qū)牧草生產(chǎn)與管理具有現(xiàn)實(shí)意義。為此選擇西藏河谷區(qū)常見的箭筈豌豆(Vicia sativa)與綠麥草(Secale cereale)為研究對象,人工模擬不同水分脅迫對其單播及混播生長的影響,分析水分脅迫對豆科與禾本科牧草生長的影響差異,對比豆禾混播和單播在應(yīng)對水分脅迫時(shí)的優(yōu)勢,以期明確單播及豆禾混播對水分脅迫的響應(yīng)規(guī)律,根據(jù)水分條件的不同來提供合理的種植建議。
試驗(yàn)地點(diǎn)在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所達(dá)孜農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站 (91°17′ E,29°40′ N,海拔3 688 m)。該試驗(yàn)站位于西藏典型的河谷農(nóng)業(yè)區(qū),屬高原季風(fēng)溫帶半干旱氣候類型。年平均氣溫為7.5 ℃,無霜期136 d。平均降水量497.7 mm,主要集中在6-9月,約占全年的90%;年蒸發(fā)量2 192.4 mm(1994-2014年的平均值),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降水量。太陽年總輻射達(dá)7 700 MJ·m-2[30-31]。試驗(yàn)地的土壤為砂壤土,土層較薄且不均勻,大約20 cm以下可見大塊石礫。試驗(yàn)前土壤本底值為土壤全氮含量為0.50 g·kg-1,全磷含量為 0.65 g·kg-1,速效磷含量為 22.07 mg·kg-1,速效鉀含量為26.56 mg·kg-1,pH為6.97。
試驗(yàn)材料為箭筈豌豆和綠麥草,箭筈豌豆種子購買自西藏百綠種子公司,箭筈豌豆(品種為西牧333),屬于一年生春箭筈豌豆晚熟品種[32]。綠麥草是由冬牧70黑麥草在西藏地區(qū)經(jīng)過選育出的后代,目前品種正在申報(bào)中。
采用盆栽控制雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)(混播和水分脅迫)人工模擬水分脅迫,取大田土壤過0.425 mm篩,土壤田間持水量為34.12%。采用底部封堵的PVC管(直徑315 mm,高80 cm),每盆裝大田土30 kg,并施入復(fù)合肥4.68 g(相當(dāng)于600 kg·hm-2)作為底肥。
混播處理:根據(jù)之前開展的大田混播試驗(yàn)(箭筈豌豆播種比例分別為30%、40%、50%、60%、70%,綠麥草分別為70%、60%、50%、40%、30%)結(jié)果,本研究設(shè)置2個(gè)單播和3個(gè)混播比例,分別為單播箭筈豌豆(J)、單播綠麥草(L)、箭筈豌豆25%+綠麥草75%(JL1)、箭筈豌豆50%+綠麥草50%(JL2)、箭筈豌豆75%+綠麥草25%(JL3)。
水分脅迫處理:共分為5個(gè)階段,設(shè)0、4、8、16、20 d(至不澆水處理組死亡時(shí)試驗(yàn)結(jié)束)進(jìn)行水分脅迫處理,并對兩種牧草的地上與地下部分分別取樣。
于2017年7月7日播種,以綠麥草的物候期為標(biāo)準(zhǔn),從拔節(jié)期開始進(jìn)行水分脅迫,分別設(shè)置對照組(CK)和處理組,對照組按正常澆水來保證植株正常生長,處理組進(jìn)行不澆水處理(上方透明陽光板架子阻擋自然降雨)。3次重復(fù),每處理10盆(5個(gè)階段取樣每次取2盆),共計(jì)150個(gè)盆栽,播種比例和播量如表1所列。
株高:隨機(jī)選取5株植株測量處理組和對照組的絕對株高,取其平均值。
根長:測定箭筈豌豆與綠麥草的主根長度(mm)。
葉長葉寬:測定箭筈豌豆與綠麥草的中間葉片(功能葉)的長度(mm)和最寬處(mm)。

土壤含水量:烘干法,取土樣20~30 g,在烘箱內(nèi)60 ℃烘至恒重,3次重復(fù),其計(jì)算公式為:式中:土壤干重為土樣在烘箱加熱后失去的水的干土重量(g),土壤濕重為烘干前鮮土樣的重量(g)。
各指標(biāo)抗旱系數(shù)(DRC)=干旱脅迫下性狀值/對照性狀值[33]。
應(yīng)用Fuzzy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性綜合評價(jià)[34-36],計(jì)算公式如下:
若所測指標(biāo)與牧草的抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系,則:

若所測指標(biāo)與牧草的抗旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,則:

式中:U(Xijk)為第i個(gè)混播比例第j個(gè)水分脅迫階段第k項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度,Xmax、Xmin為所有參試品種第k項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。將各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行累加,求出平均值,進(jìn)行綜合比較。平均值越大,說明抗旱性越強(qiáng);反之,抗旱性越弱。
形態(tài)指標(biāo):采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)和繪圖,使用SPSS 24.0進(jìn)行差異顯著性檢,單因素方差分析用Duncan法,雙因素方差分析用LSD法,采用Origin 9.0作圖。

表1 豆禾牧草混播配比和播量Table 1 Proportion and sowing amount of legume and grass for different treatments
2.1.1 水分脅迫各時(shí)期土壤含水量的變化
在水分脅迫各時(shí)期分別測定所有盆栽處理的土壤含水量,結(jié)果(圖1) 表明,所有處理的土壤含水量均隨著干旱脅迫時(shí)間的延長而降低。從脅迫 8 d開始到 20 d 時(shí)結(jié)束,J 處理的土壤含水量最高且均顯著高于其他處理(P< 0.05)。所有處理的土壤含水量均由正常澆水的16.06%~18.82%下降到脅迫20 d時(shí)的2.50%~4.28%。
2.1.2 水分脅迫對牧草株高的影響
單播與混播處理中,箭筈豌豆與綠麥草單播株高均呈上升趨勢(表2),但到水分脅迫后期(16-20 d),生長速率逐漸減緩。對于箭筈豌豆,在水分脅迫8 d時(shí),JL3的株高顯著高于其他混播和單播處理(P< 0.05),但在水分脅迫16 d和20 d時(shí),J處理的株高均顯著高于其他處理(P< 0.05),脅迫20 d時(shí)J處理的株高達(dá)到試驗(yàn)處理階段內(nèi)的最大值(48.07 cm)。對于綠麥草,在水分脅迫8 d時(shí),JL2處理的株高顯著高于其他處理(P< 0.05);而在20 d時(shí),單播綠麥草的株高最大,與JL1和JL2無顯著差異(P> 0.05)。水分脅迫后箭筈豌豆與綠麥草株高均一直增加,JL1與JL3處理的株高脅迫16 d后仍顯著增加(P< 0.05),而綠麥草在脅迫8 d (JL2和JL3)及16 d(L和JL1) 后株高不再顯著上升(P> 0.05),表明箭筈豌豆較綠麥草收水分脅迫的負(fù)面影響更小。

圖1 不同水分脅迫處理下土壤含水量的變化Figure 1 Dynamics of soil moisture rate
2.1.3 水分脅迫對牧草葉長葉寬的影響
與正常澆水(CK)相比,箭筈豌豆葉長整體呈下降趨勢(圖2),在水分脅迫8 d時(shí)所有處理中箭筈豌豆葉長均有所降低,單播處理J的葉長最大(2.03 cm),與混播處理JL3無顯著差異(P> 0.05),但顯著高于JL1和JL2處理(P< 0.05);脅迫16 d和20 d時(shí),單播處理J的葉長均最大,分別為2.43和2.40 cm,且顯著高于其他3個(gè)混播處理(P< 0.05)。

表2 水分脅迫下箭筈豌豆與綠麥草株高的動態(tài)變化Table 2 Dynamics of height of Vicia sativa and Secale cereale under water stress cm

圖2 水分脅迫下箭筈豌豆的葉長Figure 2 Leaf length of Vicia sativa under water stress
除單播處理L外,所有混播處理葉長整體均呈上升趨勢(圖3),與正常澆水 (CK) 相比,上升幅度為25.93%~34.28%。其中,至20 d脅迫結(jié)束時(shí),混播處理JL2中綠麥草的葉長最大,為38.00 cm;單播處理L的葉長最小,為24.63 cm,顯著低于JL1、JL2、JL3 混播處理 (P< 0.05)。

圖3 水分脅迫下綠麥草的葉長Figure 3 Leaf length of Secale cereale under water stress
所有處理中箭筈豌豆的葉寬整體均呈下降趨勢,下降幅度為3.94%~29.17%(圖4),結(jié)合葉長下降的趨勢,說明水分脅迫會使箭筈豌豆葉長葉寬減小進(jìn)而導(dǎo)致葉面積的降低。其中,在脅迫8 d時(shí),JL1的葉寬最大,為1.10 cm,但各個(gè)處理間無顯著差異(P> 0.05);但脅迫16 d和20 d時(shí),JL1的葉寬反而最小,且顯著低于其他處理(P< 0.05)。
所有處理中綠麥草的葉寬整體也均呈下降趨勢,下降幅度22.97%~35.90%(圖5)。其中,至20 d脅迫結(jié)束時(shí),JL2處理的葉寬最大,為0.96 cm;JL1與L處理的葉寬最小,為0.83 cm,但單播處理L與3個(gè)混播處理間并無顯著差異(P> 0.05)。

圖4 水分脅迫下箭筈豌豆的葉寬Figure 4 Leaf width of Vicia sativa under water stress

圖5 水分脅迫下綠麥草的葉寬Figure 5 Leaf width of Secale cereale under water stress

圖6 水分脅迫下箭筈豌豆根長的變化動態(tài)Figure 6 Dynamics of root length of Vicia sativa under water stress
2.1.4 水分脅迫對豆禾混播牧草植株根系的影響
隨著土壤水分脅迫的加劇,所有混播處理中箭筈豌豆根長的生長均呈上升趨勢(圖6),至20 d水分脅迫結(jié)束時(shí)根長均達(dá)到試驗(yàn)處理階段內(nèi)的最大值,其中單播處理J的根長最長(37.83 cm),而混播處理JL1中箭筈豌豆的根長最短(32.53 cm)。在水分脅迫8 d時(shí),3個(gè)混播處理與單播均無顯著性差異(P>0.05);在水分脅迫16 d和20 d,J、JL2和JL3處理的根長均顯著高于JL1處理(P< 0.05)。
隨著干旱脅迫的時(shí)間延長,所有處理中綠麥草的根長的生長均呈0-8 d上升、8-16 d降低、16-20 d迅速上升的趨勢(圖7),可能是由于其通過增長根長向盆中有含水的土壤方向延伸以便吸收水分來抗旱。在干旱脅迫初期(0-8 d)生長速率較快,到中期(8-16 d)生長減慢,而到后期(16-20 d)增長速度加快,根長達(dá)到試驗(yàn)處理階段內(nèi)的最大值。其中JL1處理中綠麥草的根長最長,為60.5 cm,顯著高于其他混播處理(P< 0.05);JL3處理的根長最短,為46.83 cm,與L(48.17 cm)無顯著差異(P>0.05)。正常澆水 (CK)時(shí),5個(gè)處理間均無顯著差異(P> 0.05);從干旱脅迫8 d到20 d結(jié)束,JL1處理中綠麥草的根長均顯著高于其他處理(P< 0.05)。

圖7 水分脅迫下綠麥草根長的變化動態(tài)Figure 7 Dynamics of root length of Secale cereale under water stress
2.1.5 水分脅迫下各形態(tài)指標(biāo)的抗旱系數(shù)值變化
株高、葉長和葉寬的抗旱系數(shù)值均小于1,而根長的抗旱系數(shù)均大于1(表3),說明在土壤水分脅迫時(shí),會抑制植物地上部的生長,促進(jìn)地下部根系的伸長生長。
對于株高,所有處理中箭筈豌豆與綠麥草的抗旱系數(shù)值均隨著水分脅迫時(shí)間的延長而減小,說明干旱強(qiáng)度的加劇會減弱其抗旱性,從而影響植株生長。值得注意的是,單播箭筈豌豆的抗旱系數(shù)值隨著水分脅迫的加強(qiáng)反而升高。
對于葉長,大部分處理的箭筈豌豆與綠麥草的抗旱系數(shù)值呈先升高后降低的趨勢,說明在水分脅迫至16 d時(shí),牧草生長較旺盛,其抗性也最強(qiáng)。其中,在水分脅迫16 d時(shí),JL1和JL2箭筈豌豆葉長的抗旱系數(shù)值最大,但與單播對照均無顯著差異(P> 0.05)。與葉長的規(guī)律相反,大部分處理中箭筈豌豆與綠麥草葉寬的抗旱系數(shù)值先降低后升高,但均低于水分脅迫8 d時(shí)的值。
除了箭筈豌豆單播外,其混播以及綠麥草單播和混播,在水分脅迫20 d時(shí),箭筈豌豆與綠麥草根長的抗旱系數(shù)值都高于水分脅迫8 d時(shí)的。其中單播綠麥草根長的抗旱系數(shù)值最大(1.76),與混播處理JL1中的綠麥草無顯著差異(P> 0.05),但顯著高于其他處理中箭筈豌豆與綠麥草根長的抗旱系數(shù)值(P< 0.05)。說明干旱脅迫可以顯著增加牧草的根長,且混播對其有一定的促進(jìn)作用。
植物通過多種途徑來抵御或忍耐干旱脅迫的影響,因此,單一的抗旱性鑒定指標(biāo)難以反映出植物對干旱的適應(yīng)能力。本研究以水分脅迫20 d的株高、葉長、葉寬、根長各指標(biāo)的抗旱系數(shù)值為基準(zhǔn),采用隸屬函數(shù)法對豆禾混播處理中豆科牧草與禾本科牧草的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià),綜合評價(jià)D值越大,說明其抗旱性越強(qiáng)。結(jié)果(表4) 表明,單播箭筈豌豆的綜合評價(jià)D值最大,根據(jù)綜合評價(jià)D值大小對各處理箭筈豌豆抗旱性由強(qiáng)到弱的順序排列為J(單播箭筈豌豆) > JL3(箭筈豌豆75%+綠麥草25%) > JL2(箭筈豌豆 50%+綠麥草 50%) > JL1(箭筈豌豆25%+綠麥草75%);對于綠麥草來說,抗旱性由強(qiáng)到弱的順序排列為L(單播綠麥草) > JL2(箭筈豌豆 50%+綠麥草 50%) > JL1(箭筈豌豆 25%+綠麥草75%) > JL3(箭筈豌豆75%+綠麥草25%)。說明與單播相比,本研究設(shè)計(jì)的3個(gè)混播比例對于牧草的抗旱性無顯著影響,箭筈豌豆與綠麥草單播可能更適宜在水分虧缺的環(huán)境生長。
關(guān)于豆科牧草抗旱的生理生態(tài)方面已經(jīng)開展了大量研究,并取得了一定的進(jìn)展[37-38]。植物體內(nèi)細(xì)胞由于水分脅迫會在結(jié)構(gòu)、生理生化等方面發(fā)生一系列適應(yīng)性的改變,最終會體現(xiàn)在植株形態(tài)的變化上,因此可以用來鑒定植物的抗旱性。在干旱脅迫一定時(shí)間后,干物質(zhì)與株高的抗旱系數(shù)越大,抗旱性就越強(qiáng)[39]。張薈薈等[40]對不同豆科牧草的抗旱性研究時(shí)發(fā)現(xiàn),干旱脅迫會導(dǎo)致豆科牧草的地上部生物量嚴(yán)重減少,地上干物質(zhì)抗旱指數(shù)普遍偏低,高度的增長也會在一定程度上受到抑制。毛培春等[41]對無芒雀麥(Bromus inermis)苗期抗旱性研究表明,干旱脅迫會導(dǎo)致植株的生長速度減慢,綠葉數(shù)降低,進(jìn)而引起地上生物量的下降。本研究中,所有干旱脅迫處理牧草的株高均低于正常水分處理下的株高,其抗旱系數(shù)都小于1,與謝楠等[42]研究結(jié)果一致,但是隨著干旱脅迫時(shí)間的延長,其抗旱系數(shù)值隨之降低,說明隨著干旱強(qiáng)度的加劇,植物的抗旱性也隨之減弱。
植株的葉長和葉寬也可以作為初步判斷其抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo),翟春梅等[43]通過葉長、葉寬等5個(gè)形態(tài)指標(biāo)對紫花苜蓿抗旱性進(jìn)行了綜合評價(jià),指出葉片越窄、越長,越有利于植株抗旱,本研究中,箭筈豌豆的葉長與葉寬整體均呈降低趨勢,而綠麥草的葉寬減小、葉長卻在增加。此外,在大部分干旱脅迫階段,葉長、葉寬和播種比例與水分處理的交互作用并無顯著相關(guān)性,說明豆科與禾本科牧草抵御干旱脅迫的機(jī)制不一致,豆科牧草可能通過同時(shí)減小葉長與葉寬來減少葉片表面積,降低其蒸騰作用,而禾本科牧草通過減小葉寬、增加葉長來減小葉面積,從而提高植株的抗旱性。
趙國靖[7]對白羊草(Bothriochloa ischaemum)和達(dá)烏里胡枝子(Lespedeza davurica)混播在不同水分處理下的根系形態(tài)研究發(fā)現(xiàn),根長、根表面積均高于正常水分處理,與本研究結(jié)果一致,適當(dāng)?shù)乃置{迫可以促進(jìn)根系的伸長生長,混播與水分處理的交互作用對其影響顯著。然而,雖JL1處理中綠麥草的根長最長,顯著高于單播綠麥草與混播處理,但是與兩者單播相比,混播處理中兩者根長的抗旱系數(shù)反而較低,可能因?yàn)槎箍颇敛菖c禾本科牧草混播對于地下資源的種間競爭作用,導(dǎo)致根長生長受到一定的抑制,從而使得抗旱能力減弱。
研究發(fā)現(xiàn),使用單一指標(biāo)與多個(gè)指標(biāo)綜合評價(jià)結(jié)果并不一致[44-45],這表明,如果只使用單一指標(biāo)評價(jià)植物的抗旱性是有局限性的,因此需要采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)抗旱性提高結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。本研究采用Fuzzy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法,綜合株高、根長和葉長、葉寬4個(gè)指標(biāo)分別對豆科牧草與禾本科牧草的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià),結(jié)果表明,在所有處理中單播箭筈豌豆的抗旱性最強(qiáng)。其中對于箭筈豌豆來說,抗旱性由強(qiáng)到弱的順序依次為單播箭筈豌豆 > 箭筈豌豆75%+綠麥草25% >箭筈豌豆25%+綠麥草75% > 箭筈豌豆50%+綠麥草50%;對于綠麥草來說,抗旱性依次為單播綠麥草 > 箭筈豌豆 50%+綠麥草 50% > 箭筈豌豆 25%+綠麥草75% > 箭筈豌豆75%+綠麥草25%。
西藏地域遼闊,平均海拔4 000 m以上,年均氣溫4.8 ℃,降水表現(xiàn)出明顯的地域性,從東南到西北依次遞減[46],因此在不同區(qū)域無論是單播還是混播其抗旱性都可能會不同,降水低的地區(qū)植物可能會更耐旱一些。本研究中箭筈豌豆與綠麥草的播種量是根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn)來確定的,混播比例則是根據(jù)大田混播試驗(yàn)的結(jié)果只初步選擇了1∶3、1∶1和3∶1,當(dāng)具體的播種量與播種比例發(fā)生改變時(shí),箭筈豌豆與綠麥草的抗旱性結(jié)果可能會發(fā)生改變。本研究結(jié)果初步為西藏河谷區(qū)豆禾牧草混播時(shí)的抗旱性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),后續(xù)仍需要考慮不同播量、不同混播比例甚至不同海拔高度的因素下研究其響應(yīng)規(guī)律。
水分脅迫會影響牧草的生長發(fā)育,會抑制箭筈豌豆的葉長葉寬及綠麥草的葉寬,而對綠麥草的葉長影響不大。同時(shí)水分脅迫會促進(jìn)根系的伸長生長,從而提高牧草在干旱條件下對土壤中水分與養(yǎng)分的吸收;通過隸屬函數(shù)法對箭筈豌豆與綠麥草的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)得出,在本研究設(shè)計(jì)的2個(gè)單播及3個(gè)混播配比中,單播箭筈豌豆的抗旱性最強(qiáng),3個(gè)豆禾牧草混播配比較單播并沒有明顯的抗旱優(yōu)勢。