野生垂穗披堿草成苗期間的耐旱性研究

王傳旗，劉文輝，張永超，周青平，2*

（1.青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點實驗室，青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海 西寧810016；2.西南民族大學，四川 成都610041）

全球氣溫升高加劇了干旱脅迫，干旱是一個長期存在的全球性生態(tài)環(huán)境問題。相對于其他非生物逆境，干旱具有出現(xiàn)次數(shù)多、持續(xù)時間長、影響范圍大等特點，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大，即使輕微的干旱也會降低糧食產(chǎn)量。我國是一個水資源十分匱乏的國家，干旱和半干旱地區(qū)面積占國土面積的47%，占總耕地面積的51%，且在地理上主要分布于西北地區(qū)［1］。然而，即使在我國的濕潤及半濕潤地區(qū)，也會時常遭受難以預測的短暫旱災。干旱已對我國經(jīng)濟和社會造成了嚴重的損失。

“三江源”地區(qū)位于青海省南部，地處“世界屋脊”青藏高原的腹地，平均海拔3500～4800 m，素有我國乃至亞洲“水塔”之美譽，不僅是我國長江、黃河流域生態(tài)環(huán)境安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障，其生態(tài)環(huán)境狀態(tài)及變化同時具有全球指標意義［2－3］。“三江源”地區(qū)屬高原大陸性氣候，自然環(huán)境嚴酷，具有低溫、缺氧、輻射強烈、干旱、風沙等氣候特征，是我國面積最大的自然保護區(qū)，也是全世界所關(guān)注的生態(tài)脆弱地區(qū)之一。長期以來，“三江源”地區(qū)受自然因素和人類活動影響，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題依然十分嚴峻，其中大面積的草（場）地退化就是其眾多生態(tài)環(huán)境問題的主要表現(xiàn)之一［4－6］。此外，由于春旱頻繁，牧草的播種成苗也是“三江源”地區(qū)在人工草地建植、草地補播改良和草原生態(tài)修復中存在的一個重要問題。

鑒于此，本研究選取了適宜于“三江源”地區(qū)高寒草地生態(tài)恢復的野生垂穗披堿草（Elymus nutans）為試驗材料，研究了其成苗期間的耐旱性及需水特性，研究結(jié)果將有助于揭示垂穗披堿草干旱適應機理，同時對“三江源”地區(qū)植被恢復和利用垂穗披堿草有效防治土地沙化、水土流失等災害具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及區(qū)域概況

野生垂穗披堿草采集于青海省海南藏族自治州貴南縣茫拉鄉(xiāng)（35°12′N，100°45′E，海拔3216 m），高寒草原路邊。該地區(qū)屬高原大陸性氣候，年均氣溫為2.3℃，年均日照時數(shù)為2907.8 h，年均降水量為403.8 mm，年均蒸發(fā)量為1378.5 mm，干旱、沙塵暴等自然災害頻繁。采集來的野生種子在青海省海北州西海鎮(zhèn)多年生牧草種質(zhì)資源圃（36°54′35″N，101°49′43″E，海拔3156 m），進行馴化選育，編號I-1-3-5。試驗材料為野生馴化品系。試驗前在室溫（溫度16～23℃，相對濕度53%）條件下進行了預試驗，測得垂穗披堿草種長（1.77±0.03）㎝，種寬（0.13±0.01）㎝，千粒重（5.61±0.05）g，種子含水量8.6%，平均發(fā)芽率97%。

1.2 試驗地點和時間

本項研究試驗在青海大學畜牧獸醫(yī)科學院－青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點實驗室進行并順利完成。試驗于2020年6月16日開展，6月27日開始干旱脅迫及復水試驗，試驗共歷時28 d。

1.3 試驗設(shè)計

配制水勢為0、－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa的高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱環(huán)境［7］。試驗采用紙上發(fā)芽法，在每個鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中排25粒種子并加7 mL不同環(huán)境水勢的PEG-6000溶液。每處理4次重復。將培養(yǎng)皿置于RTOP智能光照培養(yǎng)箱（RTOP-310B，浙江）中，發(fā)芽條件25℃/20℃（晝溫/夜溫），光周期14 h，光照度1250 lx。試驗以根長與種子等長視為發(fā)芽，以芽長2 cm視為出苗。每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)和出苗率并及時清理發(fā)霉腐爛的種子。此外，試驗期間每隔2 d更換一次濾紙，并加入7 mL對應PEG-6000溶液，以避免種子吸收和水分蒸發(fā)而造成環(huán)境水勢改變。垂穗披堿草種子培養(yǎng)7 d后，將未萌發(fā)的種子用超純水（0 MPa）沖洗干凈并分別轉(zhuǎn)移至加有超純水的培養(yǎng)皿中，繼續(xù)觀察10 d結(jié)束試驗。試驗結(jié)束時，檢測未萌發(fā)種子的生活力，具體操作：用刀片將種子切開，在顯微鏡下觀察，如果胚為固體、白色，視為有生活力種子；如果胚為液體、褐色則為無生活力種子［8］。檢查結(jié)果為97%以上未萌發(fā)的種子是有活力的。

1.4 測定指標與方法

發(fā)芽率=第7天種子發(fā)芽數(shù)/試驗供試種子數(shù)×100%。出苗率=第7天出苗數(shù)/試驗供試種子數(shù)×100%。發(fā)芽指數(shù)為第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相對應天數(shù)［9］。活力指數(shù)均根長+平均芽長［10］。

根長和芽長的測量：從各處理的培養(yǎng)皿中隨機取出15株幼苗，進行根長和芽長的測量，取平均值［11］。

植株根和芽的干鮮重測量：干旱脅迫和復水后，在各溶液濃度處理下隨機取出10株幼苗剪下根和芽，稱重，得其鮮重；然后在105℃烘箱內(nèi)殺青30 min，再在80℃下烘至恒重，得其干重［12］。測量過程中，各處理下的幼苗不夠10株的全部都測。干物質(zhì)積累率=植株干重/植株鮮重。

種子發(fā)芽出苗需水閾值：根據(jù)公式Pi=alogt+b［13］，求出各處理下50%的種子群體發(fā)芽出苗的時間t，繼而依據(jù)公式1/t=aψw+b［14］，得出50%種子群體在發(fā)芽出苗過程中忍耐的最大水勢（需水閾值）。式中：Pi為種子發(fā)芽出苗百分率的概率單位轉(zhuǎn)換值；t為從發(fā)芽試驗開始到該概率出現(xiàn)的時間；ψw為水勢；－a/b為50%的種子群體發(fā)芽出苗所能忍耐的最大水勢（臨界水勢）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2020和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用Tukey’s HSD檢驗，對垂穗披堿草處理間的差異性進行單因素方差分析和Duncan多重比較分析。所有數(shù)據(jù)在分析前要滿足正態(tài)分布和方差齊性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對種子發(fā)芽進程的影響

隨著環(huán)境水勢的降低，垂穗披堿草種子發(fā)芽速率逐漸降低（圖1）。－0.15和－0.30 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽速率影響較小，且種子的最終發(fā)芽率均大于90%；－0.75和－1.00 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽速率影響較大，但復水后種子最終發(fā)芽率仍達到50%以上。

水分虧缺和復水后的各處理下，種子均在第2天開始發(fā)芽（圖1）。對照組、－0.15 MPa和－0.30 MPa處理下，種子發(fā)芽高峰期均在第4天；－0.50 MPa處理下，種子發(fā)芽高峰期在第5天；－0.75和－1.00 MPa處理下，種子發(fā)芽高峰期在第6天。高濃度的PEG-6000處理（－0.50、－0.75和－1.0 MPa）延遲了垂穗披堿草種子群體發(fā)芽的高峰期。復水后，－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體發(fā)芽高峰均在第9天；－0.50 MPa處理下，種子群體發(fā)芽高峰在第10天；－0.75和－1.0 MPa處理下，種子群體發(fā)芽高峰均在第11天。說明復水后，隨著環(huán)境水勢的降低，垂穗披堿草種子群體發(fā)芽高峰期同樣存在滯后現(xiàn)象。

圖1 干旱脅迫及復水對種子發(fā)芽進程的影響Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on seed germination process

2.2 干旱脅迫及復水對植物幼苗形成進程的影響

與發(fā)芽進程相似，隨著環(huán)境水勢的降低，幼苗形成速率減緩（圖2）。復水后，除對照組外，各處理下的幼苗形成率均有不同程度的增加。其中，－0.30和－0.50 MPa處理下，垂穗披堿草出苗率增幅較高。－0.75和－1.00 MPa處理下，垂穗披堿草出苗率雖有所增加，但與其他滲透處理相比，其出苗率明顯較低。

圖2 水分虧缺及復水對種子出苗進程的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on seed emergence process

對照組、－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第5天；－0.50、－0.75和－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第6天。－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第6和7天。高濃度的PEG-6000處理（－0.50、－0.75和－1.00 MPa）延遲了垂穗披堿草種子群體出苗的高峰期。復水后，－0.15和－0.30 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第10天；－0.50 MPa處理下，種子群體出苗高峰期在第11天；－0.75和－1.00 MPa處理下，種子群體出苗高峰期均在第12天。說明復水后，隨著環(huán)境水勢的降低，垂穗披堿草種子群體出苗高峰期同樣存在滯后現(xiàn)象。

2.3 干旱脅迫及復水對種子發(fā)芽出苗的影響

垂穗披堿草種子發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨環(huán)境水勢的降低而下降（表1）。－0.15 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽出苗基本沒有影響；－0.50 MPa處理下，種子仍可大量發(fā)芽出苗，但其發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)較對照組下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，與對照組相比，種子發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)均下降顯著（P＜0.05）。

表1 干旱脅迫對種子發(fā)芽和出苗的影響Table 1 Effects of drought stress on seed germination and emergence

復水后，與對照組相比，各滲透處理下的種子發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著升高（P＜0.05）。其中，－0.50 MPa處理下，種子發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)最高，其次為－0.75 MPa處理組，而－0.15 MPa處理組各指標值相對最低。此外，復水后，－1.00 MPa處理下，種子最終發(fā)芽率和出苗率分別達到對照組的56%和47%（表2）。

表2 旱后復水對種子發(fā)芽和出苗的影響Table 2 Effects of rewatering after drought stress on seed germination and emergence

2.4 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草幼苗生長量的影響

垂穗披堿草芽長隨著環(huán)境水勢的降低而下降，其根長隨著環(huán)境水勢的降低則呈先升后降的趨勢（表3）。－0.15 MPa處理下，垂穗披堿草根長較對照組略長；其他處理組的根長均隨著環(huán)境水勢的降低而下降，但與對照組相比，其下降幅度均不顯著。－0.75 MPa處理下，與對照組相比，垂穗披堿草芽長下降顯著（P＜0.05）。隨著環(huán)境水勢的降低，垂穗披堿草根的干鮮重呈先升后降的趨勢，其芽的干鮮重和干物質(zhì)積累率呈下降的趨勢（表4）。－0.50 MPa處理下，與對照組相比，幼苗芽的干重下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，幼苗芽的鮮重和根的干重較對照組下降顯著（P＜0.05）；－1.00 MPa處理下，幼苗根的鮮重較對照組下降顯著（P＜0.05）。

表3 干旱脅迫對垂穗披堿草幼苗根長和芽長的影響Table 3 Effects of drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表4 干旱脅迫對垂穗披堿草幼苗干鮮重的影響Table 4 Effects of drought stress on fresh and dry weight of E.nutans seedlings

復水后，垂穗披堿草根和芽的伸長及其干鮮重和干物質(zhì)積累率均得到了較大提升（表5和表6）。－0.15 MPa處理下，與其他各處理相比，垂穗披堿草幼苗根長、芽長最大，但差異不顯著；－0.30 MPa及以上的水分虧缺處理下，幼苗根長、芽長均有略微的下降。復水后，隨著環(huán)境水勢的降低，幼苗根芽比呈先升后降的趨勢，其中－0.50 MPa處理下，幼苗根芽比相對較大。復水后，各處理下的幼苗干物質(zhì)積累率基本一致且與復水前對照組的幼苗干物質(zhì)積累率相當。

表5 旱后復水對垂穗披堿草幼苗根長和芽長的影響Table 5 Effects of rewatering after drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表6 旱后復水對垂穗披堿草幼苗干鮮重的影響Table 6 Effects of rewatering after drought stress on dry and fresh weight of E.nutans seedlings

2.5 干旱脅迫及復水下種子發(fā)芽出苗需水閾值研究

為了闡明不同PEG-6000脅迫處理下的野生垂穗披堿草50%種子群體發(fā)芽和出苗階段的水勢臨界值，本項研究對不同干旱脅迫處理下的垂穗披堿草種子發(fā)芽和出苗階段的概率與相應的時間對數(shù)進行擬合，然后利用最小二乘法進行曲線擬合，最后根據(jù)公式1/t=aψw+b，得出50%種子群體在其發(fā)芽出苗過程中忍耐的最大水勢值（表7～10）。

表7 50%種子群體吸水時間與發(fā)芽率的關(guān)系Table 7 Relationship between water absorption time and germination percentage of 50% seeds population

表8 50%種子群體發(fā)芽時間與水勢的關(guān)系Table 8 Relationship between germination time and water potential of 50% seeds population

0 MPa處理下，垂穗披堿草50%種子群體達到發(fā)芽階段所需要的時間為76.95 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa處理下，50%種子群體達到發(fā)芽階段所需要的時間分別比對照組增加了21.26%、49.15%、77.32%、114.11%和206.85%。進一步分析可知，垂穗披堿草50%種子群體達到發(fā)芽階段所能忍耐的最大水勢為－0.85 MPa。

表9 50%種子群體吸水時間與出苗率的關(guān)系Table 9 Relationship between water absorption time and emergence percentage of 50% seeds population

表10 50%種子群體出苗時間與水勢的關(guān)系Table 10 Relationship between emergence time and water potential of 50% seeds population

0 MPa處理下，垂穗披堿草50%種子群體達到出苗階段所需要的時間為78.96 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75、－1.00 MPa處理下，50%種子群體達到出苗階段所需要的時間分別比對照組增加了31.51%、48.24%、82.86%、164.26%和250.92%。進一步分析可知，垂穗披堿草50%種子群體達到出苗階段所能忍耐的最大水勢為－0.61 MPa。

以上表明，PEG-6000干旱脅迫對垂穗披堿草發(fā)芽和出苗的影響表現(xiàn)在延遲種子群體發(fā)芽和出苗時間。此外，從垂穗披堿草發(fā)芽和出苗階段的臨界水勢相比，其出苗比發(fā)芽階段對環(huán)境水勢的要求更高。

3 討論

3.1 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草發(fā)芽出苗的影響

水分是干旱及半干旱地區(qū)最為關(guān)鍵和敏感的生態(tài)因子，也是影響我國西北地區(qū)作物和牧草播種成苗的主要因素。本項研究采用PEG-6000溶液模擬不同程度的干旱環(huán)境，研究了垂穗披堿草成苗期間的耐旱性及需水特性。本研究中，垂穗披堿草種子發(fā)芽進程和幼苗形成進程隨著環(huán)境水勢的降低而表現(xiàn)為種子群體發(fā)芽出苗速率降低和種子群體發(fā)芽出苗高峰期推遲。這與許翩翩等［15］對3種常見邊坡植物對模擬干旱環(huán)境抗旱性能的研究結(jié)果相一致。復水后，種子發(fā)芽率和出苗率均得到不同程度提高，其中－0.15、－0.30和－0.50 MPa處理下，種子的最終發(fā)芽率和出苗率均大于80%；即使－0.75 MPa處理，種子最終發(fā)芽率和出苗率仍可達到50%以上。表明干旱脅迫通過限制種子水分吸收以降低或減緩種子內(nèi)部酶的活性和物質(zhì)代謝過程，最終抑制種子發(fā)芽出苗速率。

眾多研究表明，隨PEG-6000溶液環(huán)境水勢的降低，種子發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降的趨勢［16－19］。本試驗也證實了這一點。－0.30 MPa處理下，與對照組相比，種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)下降顯著（P＜0.05）；－0.75 MPa處理下，種子發(fā)芽率、出苗率較對照組下降顯著（P＜0.05）。然而，本試驗中，－0.15 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽出苗影響較小；復水后，－0.50 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽率和出苗率影響較小，均可達到80%以上水平。這說明垂穗披堿草在成苗期間具有較強的耐旱性，而旱后復水對垂穗披堿草播種保苗具有重要作用。

3.2 干旱脅迫及復水對垂穗披堿草生長量的影響

根芽長、根芽比、根芽干鮮重及干物質(zhì)積累率均為反映垂穗披堿草耐旱性的重要生長量指標。本研究中，－0.15 MPa處理下，幼苗的根較對照組略長，根的干鮮重和幼苗干物質(zhì)積累率均比對照組高。說明輕度干旱脅迫更有利于垂穗披堿草幼苗的生長，同時證明水分虧缺并不一定導致植物產(chǎn)量下降。－0.75 MPa處理下，垂穗披堿草幼苗生長量均受到嚴重抑制。有研究表明，植物發(fā)芽成苗特性與其自然分布生境密切相關(guān)，這是植物與自然環(huán)境趨同進化的結(jié)果［20－21］。本研究中，水分虧缺對垂穗披堿草幼苗根的伸長影響較小，但對芽的伸長影響較大。－0.15 MPa以下的水分虧缺處理，垂穗披堿草幼苗根芽比越來越大，且在－1.00 MPa處理下，較對照組差異顯著（P＜0.05）；而其干物質(zhì)積累率越來越小，且在－0.75 MPa處理下，較對照組下降顯著（P＜0.05）。表明重度以上的干旱脅迫下，垂穗披堿草以犧牲芽為代價將有限資源優(yōu)先用于根部伸長。這可能是干旱脅迫對幼苗生長造成傷害，垂穗披堿草為了生存而采取的被動適應策略，同時這也是野生垂穗披堿草對其分布生境長期適應的結(jié)果。

山侖［22］的研究指出，在不超過作物缺水的適應范圍時，復水后往往可在生長和產(chǎn)量上產(chǎn)生補償效應，最終在節(jié)約大量用水的同時，其產(chǎn)量不受影響或影響較小。本研究中，除對照組外，復水后與復水前相比，各處理下的幼苗根芽長均有不同程度的增加，且幼苗干物質(zhì)積累率與復水前的對照組相當，說明即使是極度干旱脅迫的－1.00 MPa處理也沒有超出垂穗披堿草幼苗對干旱脅迫的適應范圍。

3.3 干旱脅迫及復水下垂穗披堿草發(fā)芽和出苗需水閾值

有研究報道，干旱脅迫下的種子發(fā)芽和出苗均有一定的閾值要求，低于其閾值便不能達到相應的階段［23－24］。本研究中，隨著水分虧缺的加重，垂穗披堿草種子達到發(fā)芽和出苗階段的時間呈上升的趨勢。這再次證明水分虧缺抑制了垂穗披堿草種子發(fā)芽出苗的速率。

研究顯示，垂穗披堿草種子發(fā)芽的需水閾值為－0.85 MPa，出苗的需水閾值為－0.61 MPa，表明垂穗披堿草種子發(fā)芽和出苗對水分虧缺的耐性不同，其種子出苗過程對水勢的要求比發(fā)芽嚴格。同時，這也表明垂穗披堿草種子發(fā)芽期比出苗期更加耐旱。這與李文嬈等［25］和朱教君等［26］研究報道相一致。

4 結(jié)論

垂穗披堿草在種子發(fā)芽和幼苗形成進程中，水分虧缺降低和推遲了種子群體發(fā)芽出苗速率和群體發(fā)芽出苗的高峰期，且隨著水分虧缺的加重而越發(fā)明顯。復水后，隨著水分虧缺的加重，種子群體發(fā)芽出苗高峰期同樣存在滯后情況。不同濃度PEG-6000溶液造成的水分虧缺抑制了種子的發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，但－0.15 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽率和出苗率影響較小；復水后，－0.50 MPa的水分虧缺對種子發(fā)芽率和出苗率影響較小。－0.15 MPa處理更有利于垂穗披堿草幼苗的生長。－0.75 MPa處理下，垂穗披堿草幼苗生長均受到嚴重抑制。－1.00 MPa處理沒有超出垂穗披堿草幼苗對干旱的適應范圍。垂穗披堿草50%種子群體發(fā)芽的需水閾值為－0.85 MPa，50%種子群體出苗的需水閾值為－0.61 MPa，垂穗披堿草種子發(fā)芽階段比出苗階段更加耐旱。

鑒于野生垂穗披堿草成苗期間具有較強的耐旱性，本研究建議該野生草可作為“三江源”地區(qū)植被恢復的重要參考草種。本研究從生態(tài)生理角度，僅研究了野生垂穗披堿草成苗期間的耐旱性及其需水特性，不足以全面揭示垂穗披堿草在“三江源”地區(qū)半干旱條件下的適應性。因此，今后應繼續(xù)進行該野生草在苗期、拔節(jié)期、孕穗期及花期等階段的耐旱性及需水特性研究，以期實現(xiàn)“三江源”地區(qū)牧草資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)保護。