水分脅迫對紫花苜蓿葉片水勢及生物量分配的影響

南思睿，羅永忠，于思敏，仝慧鑫，何鈺

（甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070）

近年來，全球變暖問題日益嚴重，極端天氣頻發，干旱問題已成為生態學領域的熱點話題之一［1-2］。干旱脅迫對植物的生長發育和地理分布范圍有重要的影響［3］。植物從土壤中吸收水分的能力反映了其抗旱性的強弱［4］，植物葉水勢可直接反映植物水分生理狀態，在土壤—植物—大氣循環系統水分移動過程中發揮著關鍵作用。一般情況下，土壤越干旱，植物葉水勢越低，吸水能力越強，相反，水勢越高，吸水能力越弱［5］。馮樹林等［6］通過對紫穗槐（Amorpha fruticosa）幼苗的研究發現，隨著干旱程度的加劇，其葉水勢具有明顯下降的趨勢。生物量分配是描述植株生育期各階段根、莖、葉、花、果所分配同化產物量的一個消長過程，它是植物生活史理論的中心［7］，根據最優分配假說，為響應不同環境條件的變異，植物地上和地下生物量的積累及分配會受到水分的影響［8］。在水分虧缺的情況下，植物生物量積累的功能會下降，景茂等［9］通過對銀杏（Ginkgo biloba）生長及生物量分配的研究發現，銀杏4家系相對高生長、相對地徑生長、生物量增量等均隨土壤水分含量的降低而減少。有研究表明在植物不同的生長時期，不同的水分脅迫會改變植物營養物質利用，對植物地上生物量與地下生物量的分 配 產 生 重 要 影 響［10］，王 密 俠 等［11］研 究 表 明，玉 米（Zea mays）在苗期的耐旱性較強，適度虧水能夠促進根系發育，增大根冠比，水分與營養的供給和分配均向根系傾斜。

紫花苜蓿（Medicago sativa）為豆科苜蓿屬多年生草本植物，營養價值高，適口性好，適應性強，經濟價值高［12］，被譽為“牧草之王”，是我國西北干旱、半干旱地區的主栽牧草［13］。新疆大葉苜蓿（Medicago sativacv.Xinjiangdaye）是新疆和田農牧民選擇和培育形成，引入甘肅地區大面積栽培的品種。其在干旱環境條件下可以生長，但水分虧缺會限制其產量。前人對紫花苜蓿的研究主要集中在種子萌發、形態分類、以及光合生理特征等方面［14-18］，但關于在水分虧缺情況下，新疆大葉苜蓿在不同生育階段葉水勢和生物量的分配過程，目前研究報道還較少。本研究通過盆栽控水試驗法，綜合分析比較新疆大葉苜蓿在不同水分處理下的葉水勢、苗高、根徑、根長以及根、莖、葉生物量變化規律以及相關性，以探討新疆大葉苜蓿對干旱脅迫的適應機理，并為干旱、半干旱地區苜蓿節水栽培、深入研究植物抗旱機制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年在甘肅農業大學徑流場內進行，海拔高度為1 534 m，經緯度為E 103.9°，N 36.09°。該地區屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱干燥，終年干旱少雨。年平均氣溫10.8 ℃，年日照時數為2 446 h，年平均降水量327 mm，無霜期為180 d。

1.2 試驗材料

試驗材料為新疆大葉苜蓿種子，播種在圓柱形聚乙烯桶（高20 cm、直徑17 cm），每桶裝7.5 kg耕作表層風干土，土壤類型為黃綿土，偏堿性，土壤質地適中，田間持水量為22%（重量含水量）。在裝土前，土壤增施氮肥的比例為1∶5 （1 g尿素+5 g（NH4）2HPO4），混合均勻，并統一進行病蟲害的定期防治，每桶播種50粒，出苗后定苗至20株。

1.3 試驗設計

試驗共設3個土壤水分梯度［12］：T1（充分供水）、T2（輕度脅迫）和T3（重度脅迫），每個處理4個重復，每個生育時期共12桶。整個試驗階段共計48桶。采用稱重法控制土壤含水量，試驗期間每隔1 d用感量電子秤于下午18∶00稱重補水，平衡桶重，全部降水用塑料防雨棚遮蓋。試驗期間不同處理條件下的土壤含水量見表1。

表1 試驗期間不同處理條件下的土壤含水量Table 1 Soil water content under different treatment conditions during the test

1.4 測定指標和方法

選用不同水分脅迫下生長狀況良好的植株于苗期（4月3日）、分枝期（4月30日）、現蕾期（5月29日）和開花期（6月16日）測定如下指標：

（1） 葉水勢：采用露點水勢儀在各生育期當天早上11：00隨機選取4株生長適中的植株測定葉水勢。

（2） 形態指標：在新疆大葉苜蓿的各生育時期隨機選取生長適中的植株各4株，分別用卷尺測量苗高、用游標卡尺測量根徑。

（3） 生物量：采用毀盆法將其植株連同根系挖取帶回實驗室，沖洗，拭干后，用卷尺測量根長，并分離根、莖、葉，分別稱其鮮重，于105 ℃烘箱中殺青15 min，然后放入80 ℃烘箱中6～8 h烘干至恒重后，稱其干重，計算根、莖和葉的生物量。

1.5 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 20程序進行單因素方差分析（Duncan）和Pearson相關性分析，Excel 2010繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿葉水勢的影響

在不同生育時期，新疆大葉苜蓿的葉水勢隨著土壤水分脅迫的加劇而依次降低，且葉水勢均呈現出T1＞T2＞T3的規律（圖1）。T3水分處理顯著降低了幼苗的葉水勢，T3與T1、T2之間均存在顯著性差異（P＜0.05），在分枝期和開花期T2與T1差異顯著（P＜0.05）。在各生育時期，葉水勢T3較T1分別下降了50.2%、50.8%、51.8%和45.7%，T2較T1分別下降了14.7%、29.5%、15.7%、27.1%，隨著土壤水分脅迫加劇，葉水勢降幅增大。在整個生育期內，不同水分處理下葉水勢的最高值均出現在苗期，最低值均出現在開花期。

圖1 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的葉水勢Fig.1 Leaf water potential of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different water stress

2.2 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿植株形態的影響

隨著水分脅迫的加劇，新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長在不同的生育時期均呈現出T2＞T1＞T3的規律（圖2）。

圖2 不同水分脅迫下新疆大葉苜蓿的植株形態Fig.2 Plant morphology of M.sativa cv.Xingjiangdaye under different waterstress

T2水分處理苗高在不同生育時期均達到最高值，且各處理之間均存在顯著差異（P＜0.05）。在苗期、分枝期、現蕾期和開花期新疆大葉苜蓿的苗高T2相較于T1增幅分別為32.7%、24.1%、17.7%和11.7%；T3相較于T1降幅分別為28.1%、26.4%、23.2%和26.1%。

根徑在苗期各處理間差異不顯著，在分枝期、現蕾期、開花期T2與其他兩個處理均形成顯著差異（P＜0.05），但T1與T3之間無顯著性差異。表明適度的水分脅迫對根徑的生長有促進作用，而過多或者過少水分都對新疆大葉苜蓿根徑的生長不利。在不同時期T2與T1相比較，其增幅分別為7.5%、37.5%、24.9%和26.8%，分枝期根徑的增長幅度最大，而苗期增長幅度最小。

在現蕾期，T2與T1處理根長差異顯著（P＜0.05）。而在苗期、分枝期和開花期之間根長均無顯著差異（P＞0.05）。T3與T1相比，在各生育時期均無顯著性差異（P＞0.05）。在不同水分處理下，新疆大葉苜蓿開花期的根長相較于苗期分別增加了19.9%、17.3%、和30.0%，T3水分處理根長的增長幅度最大。說明在重度水分脅迫下植株通過延長主根來獲取更多的水分和養分滿足其生長發育。

2.3 不同水分脅迫對新疆大葉苜蓿生物量分配的影響

在不同的土壤水分脅迫下，新疆大葉苜蓿的根干重苗期和分枝期呈現出T2＞T1＞T3的規律，在現蕾期和開花期表現為T2＞T3＞T1的規律（圖3）。在苗期、分枝期和開花期，T2處理與T1處理之間具有顯著性差異（P＜0.05），在現蕾期各處理間差異均不顯著。T2處理的根干重在苗期、分枝期、現蕾期和開花期較T1處理相比分別上升了35.7%、13.5%、15.6%和26.8%，而T3處理與T1處理相比較，在苗期和分枝期根干重下降了11.1%和15.6%，在現蕾期和開花期增加了5.0%和10.9%。

莖干重在不同土壤水分脅迫下呈現出T2＞T1＞T3的規律（圖3）。在苗期和分枝期T1與T2之間具有顯著性差異（P＜0.05）。而在現蕾期和開花期無顯著性差異。就整個生育期而言，T3與T1相比均無顯著性差異，說明重度水分脅迫對莖生物量的影響較小。T1與T2相比，在分枝期時，莖干重增幅達到最大，為26.9%，在開花期時增幅降為9.0%。

葉片干重在苗期呈現出T2＞T3＞T1的規律，在分枝期、現蕾期和開花期均呈現出T2＞T1＞T3的規律（圖3）。在開花期時，其葉片干重在T2處理下與其他處理之間具有顯著性差異（P＜0.05），在苗期、分枝期和現蕾期時葉片干重均未形成顯著性差異，說明水分脅迫對葉片干重的影響較小。T2的葉片干重在苗期、分枝期、現蕾期和開花期較T1相比分別上升31.3%、26.3%、14.3%和13.6%。在苗期，T3的葉片干重較T1相比上升了8.3%，而在分枝期、現蕾期和開花期較T1相比分別下降了14.3%、22.2%、22.1%。

圖3 不同水分脅迫下的新疆大葉苜蓿生物量Fig.3 The component biomass of M，sativacv.Xingjiangdaye under different water stress

2.4 不同水分脅迫下葉水勢與植株形態及生物量分配的相關分析

在T1（充分供水）時，新疆大葉苜蓿的葉水勢與莖干重之間呈顯著負相關，苗高與根徑、根干重呈極顯著正相關，根徑與、根干重和葉干重之間呈顯著正相關（表2）；在T2水分處理下，苗高與根徑、根長和莖干重呈極顯著正相關，與根干重和葉干重呈顯著正相關。在T3水分處理下，葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重之間均極顯著相關（P＜0.01），說明在重度水分脅迫時葉水勢對新疆大葉苜蓿的苗高、根長、根干重、莖干重和葉干重產生不利影響。苗高在T2和T3的水分處理下與根徑、根長和根干重之間具有顯著相關關系（P＜0.05），說明苗高與其植株形態和生物量之間具有密切的聯系。根徑在T2和T3的水分處理下，與根長和莖干重之間具顯著相關關系（P＜0.05），表明根徑的生長增加，其根長也會增長，莖干重也會增加。

表2 不同水分脅迫下葉水勢與植株形態及生物量分配的相關系數Table 2 Correlation number of leaf water potential and plant morphology and biomass allocation under different water stress

3 討論

3.1 水分脅迫對新疆大葉苜蓿葉水勢的影響

在水資源匱乏的情況下，植物通過自我調節發生一系列生理生化反應或改變物質代謝以適應環境帶來的影響［19］。葉水勢代表植物水分運動的能量水平，是反映植株組織水分狀況的重要指標，土壤水分含量、氣溫和葉片的蒸騰速率等均會影響植物葉水勢的變化［20］。葉水勢的降低利于植物從土壤中吸收水分，可維持植物在水分逆境中生長［21］，隨著土壤水分脅迫的加劇，葉水勢會呈現下降的趨勢。本研究發現隨著干旱程度的加重，新疆大葉苜蓿的葉水勢逐漸降低。在充分供水情況下，土壤含水量達到相對田間持水量的85%，植株能夠充分吸水，葉水勢高。在重度水分脅迫時，其葉水勢在苗期、分枝期、現蕾期和開花期分別降低了5.85、6.25、6.58和6.28MPa，表明新疆大葉苜蓿通過大幅降低自身葉水勢來調節對土壤有限水分的吸收潛力，以增強對干旱脅迫環境的適應能力和抵抗能力［6］。有研究表明，葉水勢的降低與植物氣孔開閉有著密切聯系，隨著植物葉片水分散失和水勢下降，氣孔阻力增加，氣孔開度相應減小，對植物的蒸騰作用產生影響［22］。由于苗期植株低矮，需水量較少，而分枝期、現蕾期和開花期是新疆大葉苜蓿的快速生長時期，需水量大幅增加，植株生理代謝旺盛，植株對土壤水分虧缺極為敏感，通過降低葉水勢來增加吸水潛力，這與馮樹林［6］，王青寧［23］等對紫穗槐、固沙植物葉水勢的研究結果相似。

3.2 水分脅迫對新疆大葉苜蓿形態的影響

適宜的土壤水分是植物健康生長發育的基礎，過多或過少的土壤水分都會抑制植物的生長［24］。當土壤水分虧缺時，導致植物形態上發生改變［25］。本研究表明，隨著水分脅迫程度的加劇，新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長在不同的生育期均表現為 T2＞T1＞T3的規律，這與徐飛等［27］對刺槐（Robinia pseudoacacia）幼苗的研究結果相似。表明不同的水分處理對新疆大葉苜蓿的形態指標有一定的影響。在充分供水情況下，新疆大葉苜蓿的生長均低于輕度水分脅迫，主要是由于過多的土壤水分會造成土壤通氣性差，植株根系正常的呼吸作用受阻，進而影響其苗高、根徑和根長的增加。在土壤水分虧缺加重時，植株正常的新陳代謝過程減慢，光合有機質積累減少，從而導致植株的苗高增長緩慢，根的生長處于抑制狀態，這可能是嚴重的水分脅迫使得新疆大葉苜蓿的根系吸收水分能力急劇下降，導致植物組織萎蔫造成的。輕度水分脅迫下苗高、根徑和根長都表現出較大的增長，說明適當的水分脅迫可以促進植株根系的發育，使得根系從土壤中獲得更多的養分和水分，并保證了新疆大葉苜蓿的正常生長。

3.3 水分脅迫對新疆大葉苜蓿生物量分配的影響

生物量分配指植物生長發育過程中所同化的資源用于營養器官的比例［28］。植物生物量的分配受多種因素的影響，比如：環境條件、自身生長發育以及遺傳特性等［29］。本研究發現，隨著生育時期的變化，水分脅迫顯著影響新疆大葉苜蓿根、莖、葉生物量的分配。其根干重在生長早期階段如苗期和分枝期呈現出T2＞T1＞T3的規律，而在生長后期階段如現蕾期和開花期時根干重為T2＞T3＞T1規律，由于苗期和分枝期植株處于生長初期，需水量較少，輕度水分脅迫可能誘導其提前經受干旱鍛煉，激發其潛在的抗旱能力，來保證植株的營養生長，隨著脅迫時間的延長，其根系逐漸適應干旱環境，在現蕾期和開花期適當增加根長來吸收土壤水分。充分供水時土壤含水量過高，導致植物根系長時間處于無氧呼吸狀態，并積累了有毒物質，不利于植物生長。重度水分脅迫促使植物根系發育并向深層土壤下扎吸收利用深層土壤水分，將較多的生物量分配給根來吸收更多的營養和水分來促進根系的生長，使其重度水分脅迫下的根干重大于充分供水時的根干重。這與柳佳［19］、王淼［30］等對新疆大葉苜蓿、蒙古櫟（Quercus mongolica）的研究結果一致。莖干重在整個生育期內均呈現出T2＞T1＞T3的規律，表明在輕度水分脅迫下水分優先滿足植株莖生物量的分配，使同化物質積累促進植株莖的生物量的分配。且重度水分脅迫與充分供水相比均無顯著性差異，可能是在重度水分脅迫下植株盡可能保障莖的同化物質生產效率，將同化物質輸送給根系，以此來提高根系水分和養分吸收能力，用來保障其植株的生長。葉干重在整個生育期內均未形成顯著性差異，表明水分脅迫對葉干重影響不大。說明隨著土壤水分脅迫的加劇，植株分配到地下的生物量明顯增加，而對地上生物量的分配影響不大，這與段旭等［31］對云南松（Pinus yunnanensis）幼苗生長及生物量的研究結果一致。

3.4 葉水勢對植株形態及生物量分配的影響

植物葉水勢可反映植物從土壤中吸收水分以維持正常生理活動的能力，可用于確定植物的受旱程度和抗旱能力［32］。本研究表明，在T1水分處理時，葉水勢與莖干重具有相關性，說明葉水勢越高，新疆大葉苜蓿莖內的含水量越高。在T3水分處理時，葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重之間均具相關關系，表明隨著土壤水分含量降低，新疆大葉苜蓿葉水勢對干旱脅迫較為敏感，可通過大幅降低自身的苗高、根徑、根長、根干重和莖干重葉來調節對土壤有限水分的吸收潛力，以增強新疆葉苜蓿對干旱脅迫環境的適應能力和抵抗能力。

4 結論

（1）土壤水分脅迫會降低新疆大葉苜蓿葉水勢，在各生育時期均呈現T1＞T2＞T3的規律，且葉水勢與苗高、根徑、根長、根干重和莖干重在T3水分處理時均具有極顯著相關性（P＜0.01）。說明新疆大葉苜蓿通過降低自身葉水勢來調節對土壤有限水分的吸收潛力，以增強對干旱脅迫環境的抵抗能力。

（2）T2處理可促進新疆大葉苜蓿的苗高、根徑和根長的生長，且根干重、莖干重和葉干重最高。說明輕度水分脅迫有利于新疆大葉苜蓿形態指標的生長和生物量的分配。苗高在T2和T3處理下與根徑、根長之間均具有顯著相關性（P＜0.05），表明苗高與根徑和根長之間存在一定的協同性。