基于生長和形態指標的15 種固氮園林植物的抗旱性評價

張德順,陳瑩瑩,張百川,尹伊凡,姚馳遠

(同濟大學建筑與城市規劃學院,上海 200092)

風景園林系統的干旱程度受氣候變化、局地生態環境人工化和城市下墊面性質改變綜合作用的影響,科學選擇抗旱園林樹種是維系生態安全和綠地健康的重要措施。 建立干旱生境下的園林樹種選擇方法,可以豐富園林抗旱樹種的多樣性,提升困難立地生境和抗旱樹種的匹配度,增強樹種選擇的科學性、精準性和生態適應性,提高未來建成系統的生態彈性[1-2]。

經典形態學中植物形態研究包括葉片形態學(leaf morphology)、枝莖形態學(stem morphology)、根系形態學(root morphology)三方面。 植物(含不同種源和栽培品種)的特異性性狀(specific characteristics)和參數指標可用來表征植物的抗旱性,如葉片有絨毛、有刺、羽狀葉或裂葉、革質葉等[3-5]。 植物生長的立地環境會受到大氣候、中氣候和小氣候的交互影響,更會受到土壤干旱、內澇、鹽堿、貧瘠、重金屬的脅迫[6-7]。 本研究用株高生長脅迫指數和形態評價等級兩項指標,評價常見15 種固氮園林植物的抗旱性,以探求植物對日益退化生境的響應策略。

1 材料與方法

1.1 研究基地的氣候特征

研究基地位于山東省淄博市桓臺縣苗圃內(36°54′49″N,118°04′36″E),面積約為 500 m2,地勢平坦,平均海拔18. 0—18.5 m。 基地屬溫帶季風氣候,主導風向為西南風,日照充足,年平均氣溫12.5—14.5 ℃,月平均氣溫最低為-3.7 ℃(1 月份),最高為26.5 ℃(7 月份);多年平均降水量586.4 mm,多集中于夏季,7、8 兩月降水量占全年降水量的51.1%,其他時期降水少,多出現季節性干旱;年平均蒸發量1 270 mm,蒸發旺盛,且年內變化較大,1 月份蒸發量最小,6 月份最大,歷年平均相對濕度66%。

1.2 研究對象

以15 種常見固氮園林樹種為研究對象(表1),包括落葉喬木10 種,落葉灌木4 種,落葉木質藤本1 種。

表1 15 種受試固氮園林樹種Table 1 Fifteen tested nitrogen-fixing landscape tree species

1.3 研究方法

選取3 年生苗木,于2018 年11 月在苗圃內進行露天栽培,土壤為壤土,pH 7.2—7.5,每種植物培育10 株,進行為期7 個月的緩苗正常生長后,每樹種分別選取生長情況基本一致的植株4 株,在田間環境下,采用人工給水后自然耗水的方式模擬土壤干旱脅迫。 具體操作方法為:2019 年6 月15 日充分澆水使土壤水分達到飽和;各樹種選取2 株(共30 株)不再澆水使其自然干旱,作為試驗組;另外2 株(共30 株)每天澆水,保證充足的水分供給,作為對照組。 試驗期間,生長環境的氣候因子、土壤理化因子、苗木規格樹齡保持一致,通過搭建塑料雨棚方式防止降水進入試驗區域對土壤自然耗水產生干擾。 分別于6 月15 日和30 日測定其生長和形態指標。 6 月30 日,土壤相對含水量為30.8%。

1.4 指標測定

1.4.1 株高生長脅迫指數

水分虧缺會影響植物正常的生長發育以及生物量的積累,因此也會對其株高變化產生顯著的負面影響。 不同樹種的絕對高度與抗旱性并無顯著相關關系,但是抗旱性不同的樹種在面臨相同的干旱脅迫時其株高增長的速率會出現差異。 為了消除不同樹種間個體株高生長量的差異,每組選擇3 株,每株各測量3 次,取平均值,之后代入公式進行計算:

1.4.2 形態評價等級

根據植物的生長狀況、莖和葉片的形態表現(萎蔫程度及枯萎量),設置5 個等級對植株進行評價,具體見表2。

表2 形態評價等級分類Table 2 Classification of morphological evaluation grade

1.5 數據處理

利用Excel 2010 軟件進行圖形繪制,利用SPSS 軟件進行K-means 聚類分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對株高生長脅迫指數的影響

干旱脅迫指數表征植物在干旱脅迫條件下,某一指標偏離最適條件的程度。 它可以作為植物受損程度的指標,數值0—1,值越高說明偏離最適合狀態越遠,受脅迫程度越嚴重,植株抗旱能力越弱;反之,說明抗旱能力越強[8]。

由表3 可知,各樹種株高生長脅迫指數出現了較為明顯的差異,其抗旱能力由大到小依次為:紫藤＞合歡＞金葉槐＞香花槐＞紫穗槐＞國槐＞湖北紫荊＞胡枝子＞山皂莢＞皂莢＞刺槐＞火炬樹＞多花木藍＞紫荊＞江南榿木。

表3 15 種樹種株高生長量及株高生長脅迫指數Table 3 Plant height growth and plant height growth stress index of 15 tested tree species

2.2 干旱脅迫對植株形態的影響

從表4 可以看出,對照組樹種均生長旺盛或生長良好,說明在土壤水分供應充足的前提下,外界環境變化并未對植株的生長狀況產生顯著影響。 試驗組中,國槐、金葉槐、刺槐等樹種產生了葉片萎蔫皺縮現象,有少量葉片變黃枯萎;紫荊、山皂莢等樹種葉片皺縮嚴重,出現大量萎蔫現象,葉片變黃枯萎數量顯著增多,生長受到抑制;江南榿木葉片普遍萎蔫下垂,大面積枯萎,部分枝干出現萎蔫皺縮現象,生長受到嚴重抑制。

表4 15 種受試樹種形態評價等級Table 4 Morphological evaluation grades of 15 tested tree species

為進一步定量分析不同樹種抗旱性的差異,對各樹種的形態評價等級進行賦值(A =5,B =4,C =3,D=2,E=1),取試驗組∕對照組的比值。 如圖1 所示,15 種樹種形態評價比值高低依次為胡枝子＞紫穗槐＞火炬樹＞香花槐＞紫藤＞刺槐＞國槐＞合歡＞湖北紫荊＞金葉槐＞多花木藍＞皂莢＞山皂莢＞紫荊＞江南榿木。

2.3 株高生長脅迫指數和干旱脅迫形態等級綜合分析

基于株高生長脅迫指數和形態評價等級對固氮園林樹種進行抗旱性綜合評價,可以將15 種固氮園林樹種分為四類(圖2)。 第一類群抗旱性最強,包括合歡、紫藤、紫穗槐、香花槐和金葉槐5 種樹種;第二類群具有較強生長形態,包括國槐、刺槐、皂角、火炬樹、胡枝子和湖北紫荊6 種樹種;第三類群有良好抗旱性,包括山皂角、多花木藍和紫荊3 種樹種;第四類抗旱性較弱,只有江南榿木1 種樹種。

3 結論

本研究主要從干旱脅迫下固氮園林樹種形態及生長指標的變化出發,評價不同樹種的抗旱性。 結果顯示,15 種固氮園林樹種可分為四類:合歡、紫藤、紫穗槐、香花槐和金葉槐抗旱性最強;國槐、刺槐、皂角、火炬樹、胡枝子和湖北紫荊抗旱性較強;山皂角、多花木藍和紫荊抗旱性稍弱;江南榿木抗旱性最弱。

依據株高生長脅迫指數和形態評價等級快速判定候選樹種的抗旱特征簡單易行,再結合生態習性調查分析和生物學特性指標的定量化測定,可以建立更加科學和具有針對性的指標體系,為園林綠地健康和風景生態安全提供科學決策依據,提升風景園林規劃體系的生態韌性和可持續性。