全 文 :收稿日期:2013-05-15;修回日期:2013-09-22
基金项目:国家自然科学基金课题(30972422,31270752);国家
科技支撑项目(2011BACO7B02)和国家“973”课题(2009CB421303)
资助
作者简介:赵哈林(1954- ),男,安徽马鞍山人,研究员,主要研
究方向为荒漠生态学,E-mail:resdiv@lzb.ac.cn.
文章编号:1673-5021(2014)02-0006-06
沙埋对差巴嘎蒿幼苗存活、生长及光合特性的影响
赵哈林1,曲 浩1,周瑞莲2,云建英1,李 瑾1,王 进2
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃 兰州 730000;2.鲁东大学生命学院,山东 烟台 264025)
摘要:为了解沙埋对差巴嘎蒿幼苗的生理生态影响,2010~2011年在科尔沁沙地研究了不同沙埋深度下差巴嘎
蒿幼苗高度、存活率、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率的变化,结果表明:3/4株高的沙埋对差巴嘎蒿
幼苗存活没有显著影响,1/4株高的沙埋对其株高没有抑制作用。随着沙埋深度的进一步增加,其存活率明显下降,
株高受到显著抑制,但即使沙埋深度达到株高的200%仍然有2.04%幼苗存活,说明其幼苗具有较强的耐沙埋能力。
随着沙埋深度的增加和沙埋时间的延长,其光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈下降趋势,200%沙埋处理和非沙埋
对照相比,沙埋第5d其光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别下降了17.0%、15.3%和37.4%,第15d分别下降了
69.3%、24.1%和2.6%。随着沙埋深度增加,差巴嘎蒿幼苗的水分利用效率在第5d和第15d呈上升趋势,第10d
呈下降趋势。沙埋胁迫所导致的差巴嘎蒿幼苗光合速率和蒸腾速率的降低是其存活率下降和株高生长受到抑制的
重要原因。
关键词:差巴嘎蒿;沙埋胁迫;存活;株高;光合速率;蒸腾速率
中图分类号:Q948.3 文献标识码:A
沙埋是干旱半干旱地区植物经常面临的一种环
境胁迫[1],常常严重影响植物种子萌发、出土、幼苗
生长和生物产量。由于不同沙区风沙活动强度不
同,植物耐沙埋的能力又有很大差别,因而沙埋往往
成为沙地植物丰富度、群落物种组成、生物产量和时
空分布的重要选择力[2~3]。近年来,随着国家对干
旱半干旱地区退化植被保护和重建的重视,沙埋对
植物的影响及其适应也日益受到普遍关注。关于沙
埋对于植物的影响,已有很多报道。目前研究焦点
主要集中于沙埋对植物种子萌发和出土、幼苗存活
和生长、植物形态与繁殖、生物量和养分分配等方
面[3~7]。另外,也有少量有关沙埋对植物解剖结构
和幼苗气体交换等影响的研究报道[8~9]。但迄今为
止,有关沙埋对植物存活、株高、光合蒸腾特征及其
相互关系的研究还鲜有报道,而其研究对于揭示沙
漠植物适应风沙环境的机制具有重要意义。
差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)是菊科蒿属
的一种多年生半灌木沙生植物,广泛分布于内蒙古
东部的各主要沙地中。由于具有较强的耐风蚀沙埋
特性,成为一些流动半流动沙地植物群落的建群种,
也是当地人工固沙植被建设的优选物种[1,10]。为了
了解沙埋对差巴嘎蒿生理生态特性的影响及其适应
机制,2001~2011年在科尔沁沙地通过沙埋试验研
究了不同沙埋深度下差巴嘎蒿幼苗存活、株高和光
合蒸腾速率的变化,以期为当地差巴嘎蒿人工植被
建设提供科学依据。
1 研究方法
1.1 研究区自然概况
研究区位于内蒙古通辽市奈曼旗境内,地处科
尔沁沙地腹地(42°55′~42°57′N、120°41′~120°45′E,
海拔340~370m)。该区属温带半干旱大陆性气候,
年均降水量356.9mm,年均蒸发量1900mm,年均气温
6.5℃,≥10℃年积温3190℃,无霜期151d。年平均风
速3.4m/s,年平均扬沙天气20~30d。地貌以高低起
伏的沙丘地和平缓草甸或农田交错分布为特征,土
壤多为风沙土或沙质草甸土。天然植物群落以中旱
生植物为主,主要植物种有沙米(Agriophylum squar-
rosum)、狗尾草(Setaria viridis)、大果虫实(Corisper-
mum marocarpum)、猪毛菜(Salsola colina)、差巴嘎蒿、
小叶锦鸡儿(Caragana microphyla)、达乌里胡枝子
(Lespedeza davurica)等。
1.2 试验设计
试验地设置于中国科学院奈曼沙漠化研究站的
水分平衡场内。其水分平衡场由数个面积为2m×
2m,深度2m 无底水泥池构成,池内填有风沙土。
—6—
第36卷 第2期
Vol.36 No.2
中 国 草 地 学 报
Chinese Journal of Grassland
2014年3月
Mar.2014
差巴嘎蒿种子采自于2009年秋季,2010年4月将
种子条播于水泥池内。为保证出苗,播种后每3~
5d用喷壶浇一次水,每次浇水量500ml,以保持沙
面经常湿润。出苗后进行间苗,每个水泥池分别保
留适量长势相似的幼苗。于5月中旬风沙活动强烈
期对试验材料进行沙埋处理,沙子均来源于当地的
流动沙丘,此时幼苗平均株高为6.0±0.2cm。沙
埋试验设计为CK、A、B、C、D、E、F、G、H、I共10个
处理,沙埋深度分别为株高的 0%、25%、50%、
75%、100%、125%、150%、175%、200%和225%。
沙埋时,先在池内插入带有刻度的木桩,然后根据木
桩刻度小心将沙子埋至设计深度。试验采用随机区
组排列,每个处理4个重复(4个池子)。沙埋后浇
一次透水后不再浇水,靠自然降水补充其土壤水分。
1.3 测定内容与方法
试验期间,每天对沙埋处理后的植物叶片进行
观察,记录萎蔫及死亡情况。对于埋深超过株高的
处理,小心扒开覆沙进行观察,观察完毕后再小心将
沙子覆上。分别在沙埋后的第5d、10d、15d晴朗无
风的日子,用便携式光合分析系统在上午9∶00~
11∶00连续测定植物的叶片净光合速率(Pn)、气孔
导度(gs)、蒸腾速率(Ts)。测定时,每种处理选取
植物上部叶片(选取沙上叶片,全埋及以上处理拨开
覆沙)进行活体测定,测定不同植株上的3~5片叶
子,每片叶子读取仪器稳定后的5个数据,计算平均
值。另外,在8月底植物生长末期,对其存活率和株
高等指标进行测定。
1.4 数据分析方法
应用SPSS 13.1软件进行数据的统计分析,采
用单因素方差分析和最小显著差异法(LSD)比较
不同数据组间的差异,用Pearson相关系数评价
不同因子间的相互关系,显 著 性 水 平 设 定 为
α=0.05。
2 结果与分析
2.1 存活率和株高的变化
图1是不同沙埋处理下差巴嘎蒿存活率和株高
的变化。从图1-A 可以看出,随着沙埋深度的增
加,差巴嘎蒿存活率呈波动式下降。其中,从A处理
到C处理其存活率下降48.9%~64.0%,但与对照的
差异未达到显著水平。随着埋深的进一步增加,其存
活率显著下降(P<0.05),在E处理至H处理,其存活
率仅为2.0%~6.4%,为对照的3.1%~9.7%,在I处
理时其植株全部死亡。从图1-B可以看出,随着沙
埋深度的增加,差巴嘎蒿株高逐步下降,除了 A处
理外,其他处理与非沙埋对照的差异均达到显著水
平(P<0.05)。
2.2 光合速率的变化
随着沙埋深度的增加,不同测定日期的差巴嘎
蒿光合速率均趋于下降(图2)。其中,沙埋第5d其
光合速率下降较为平缓,从 A处理到E处理均与
CK差异不显著,只有F~H处理的光合速率与CK
差异达到显著水平(P<0.05)。沙埋第10d和第
15d的差巴嘎蒿光合速率呈显著下降趋势,除第15d
A处理与CK的差异不显著外,其他处理与CK的
差异均达到显著水平(P<0.05)。不同时间相比,
第5d的平均光合速率最高,其次是第15d,第10d
的光合速率最低。
图1 不同程度沙埋下差巴嘎蒿幼苗存活率和株高变化
Fig.1 Changes in survival rate and plant height of A.halondendronseedlings at different burial treatments
—7—
赵哈林 曲 浩 周瑞莲 云建英 李 瑾 王 进 沙埋对差巴嘎蒿幼苗存活、生长及光合特性的影响
图2 不同程度沙埋处理下差巴嘎蒿幼苗光合速率的变化
Fig.2 Changes in photosynthetic rate of A.halondendron
seedlings at different burial treatments
2.3 气孔导度的变化
随着沙埋深度的增加,3次测定的差巴嘎蒿叶
片气孔导度均呈显著下降趋势(图3)。其中,沙埋
第5d,A处理的气孔导度较CK没有显著差异,B和
C处理出现较大幅度下降,而从C处理到 H处理其
气孔导度出现波动,未再继续下降。沙埋第10d和
第15d的气孔导度变化趋势较为相近,均是A处理
与CK差异不显著,从B处理大幅度下降。其中,沙
埋第10d从C处理到 H处理基本保持平稳,各处理
间差异不显著。沙埋第15d,从B处理到E处理一
直显著下降(P<0.05),而从F处理到 H 处理又有
所回升。总体看,沙埋第5d差巴嘎蒿的平均气孔导
度最高,第10d和第15d的差异不显著。
图3 不同沙埋程度下差巴嘎蒿幼苗气孔导度变化
Fig.3 Changes of stomatal conductance(Gs)of
A.halondendronseedlings at different burial treatments
2.4 蒸腾速率的变化
图4是不同沙埋处理下差巴嘎蒿幼苗叶片蒸腾
速率的比较。可以看出,随着沙埋深度的增加和沙
埋时间的延长,差巴嘎蒿叶片的蒸腾速率均趋于下
降。其中,沙埋第5d其蒸腾速率先是略有下降,在
C处理出现一个大的回升后继续大幅度下降。沙埋
第10d和第15d后,A处理和B处理蒸腾速率和CK
相比均没有显著差异,而从C处理至F处理,其蒸
腾速率明显下降(P<0.05),而在G处理和 H处理
又出现较大回升,使之与CK差异变得不显著。
图4 不同沙埋处理下的蒸腾速率变化
Fig.4 Changes of the transpiration rate at
different burial treatments
2.5 水分利用效率的变化
随着沙埋深度的增加,不同测定时间差巴嘎蒿
的水分利用效率变化差别很大(图5)。其中,沙埋
第5d,从A处理到D处理其水分利用效率CK差异
不显著,从D处理到 H处理其水分利用效率明显高
于CK。沙埋第10d,从A处理到C处理水分利用效
率下降较为平缓,从D处理到 H处理其水分利用效
率下降加剧。沙埋第15d,从 A处理至F处理的水
分利用效率较CK显著增加(P<0.05),而 G处理
和 H处理又较CK大幅度降低。
图5 不同沙埋处理下的水分利用效率变化
Fig.5 Changes of the water use efficiency(WUE)
at different burial treatments
—8—
中国草地学报 2014年 第36卷 第2期
2.6 各因子间的相关分析
相关分析结果表明,沙埋胁迫下差巴嘎蒿幼苗
的存活率和株高与其光合速率、蒸腾速率、气孔导度
和水分利用效率均呈正相关关系(表1)。其中,各
次测定中株高与光合速率和气孔导度的相关性均达
到了显著水平,第5d和第10d的存活率和株高与蒸
腾速率的相关性也达到了显著水平(P<0.05)。在
各次测定中,光合速率变化与气孔导度、蒸腾速率变
化均呈正相关关系,其中第10d的相关性均达到显
著水平。第5d的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均
与水分利用效率呈负相关关系,而第10d和第15d
均呈正相关关系,但只有第5d的蒸腾速率、第10d
的光合速率和蒸腾速率与水分利用效率的相关性达
到显著水平(P<0.05)。
表1 沙埋处理下差巴嘎蒿幼苗各因子之间的相关系数
Table 1 Correlation coefficients among al factors at different burial treatments
项目
第5d
Pn Gs Tr WUE
第10d
Pn Gs Tr WUE
第15d
Pn Gs Tr WUE
存活率 0.594 0.631 0.818** 0.538 0.845** 0.639 0.772* 0.721* 0.795* 0.628 0.358 0.026
株 高 0.779* 0.780* 0.734* 0.436 0.935** 0.833**0.924** 0.878** 0.965** 0.707* 0.436 0.316
Pn 1 1 1
Gs 0.544 1 0.770* 1 0.757* 1
Tr 0.579 0.636 10.968** 0.828**10.445 0.567 1
WUE -0.112 -0.408-0.847** 1 0.888** 0.523 0.842** 1 0.438 0.013 0.300 1
注:*表示在0.05水平上显著相关,**表示在0.01水平上显著相关。
Note:*means significant correlation at 0.05lenel,** means sinificant correlation at 0.01level.
3 讨论
大量研究表明,环境变化对于植物光合蒸腾特
征具有显著影响[11~12]。干旱高温可以导致植物光
合速率下降,气孔导度降低,蒸腾速率增强[12~13];大
气CO2 增加可以导致植物光合速率和水分利用效
率增加,蒸腾速率下降[14];而随着盐胁迫程度的增
大,植物光合速率和蒸腾速率均有所下降,水分利
用效率则有所升高[11,15]。本研究表明,当沙埋深度
≤1/2株高时差巴嘎蒿幼苗的光合速率、气孔导度
和蒸腾速率均与非沙埋对照无显著差异,而当沙埋
深度达到株高3/4以上后其光合速率、气孔导度和
蒸腾速率显著降低,并随沙埋时间延长下降幅度增
大。这和黄立华等[15]有关盐分胁迫对羊草光合蒸
腾特性影响的研究结果一致。这说明,轻度沙埋对
差巴嘎蒿幼苗光合速率和蒸腾速率并无显著影响,
随着沙埋胁迫的进一步增强和延长其光合作用和蒸
腾速率则会受到抑制。从水分利用效率看,沙埋第
5d和第15d其呈增加趋势,第10d呈下降趋势。由
于植物光合作用和蒸腾作用的动力均来自太阳能,
而且CO2吸收和水分散失的途径大致相同,方向相
反,因此光合作用形成干物质不得不以消耗水分作
为代价[15~16]。当植物受到环境胁迫时,气孔因防止
水分散失而关闭的同时,也阻碍了植物同化所需
CO2的供给,也就是说蒸腾的降低是以降低植物
CO2同化力和水分利用效率为代价的[12,17]。本结果
表明,沙埋胁迫下差巴嘎蒿幼苗光合速率变化与蒸
腾速率和气孔导度变化,以及蒸腾速率与气孔导度
之间均呈正相关关系,而水分利用效率在沙埋第5d
与光合速率、气孔导度、蒸腾速率呈负相关,第10d
和第15d呈正相关。这说明,沙埋胁迫初期虽然导
致差巴嘎蒿光合速率、气孔导度和蒸腾速率下降,但
却有利于提高水分利用效率,而随着沙埋时间延长,
其光合速率下降幅度大于蒸腾速率,因而水分利用
效率下降。
在风沙活动强烈地区,特别是流动半流动沙地
中,沙埋是植物所面临的经常性事件之一[1,10]。而
幼苗期是植物生活史中对外界影响最敏感时期,也
是最容易受到沙埋危害的时期[2,4]。但沙埋危害随
植物种类和沙埋程度不同而有很大差异,如当沙埋
深度达到植株高度100%时,无芒雀麦(Bromus in-
ermis)和砂生槐(Sophora moocroftiana)幼苗全部
死亡[3,18],而羊柴(Hedysarum laeve)幼苗只有在沙
埋深度为133%时才全部死亡[19]。本研究结果表
明,1/4沙埋对差巴嘎蒿幼苗株高的生长没有明显
抑制作用,3/4沙埋对其存活率也没有显著影响。
虽然随着沙埋深度的进一步增加其株高和存活率均
显著下降,但埋深达到200%株高时仍然有部分幼
苗存活。这一方面说明,轻度沙埋对于差巴嘎蒿幼
苗存活和高生长没有显著影响,但严重沙埋可以明
—9—
赵哈林 曲 浩 周瑞莲 云建英 李 瑾 王 进 沙埋对差巴嘎蒿幼苗存活、生长及光合特性的影响
显抑制其存活和株高的生长;另一方面说明,差巴嘎
蒿作为沙生植物,其幼苗耐沙埋能力要远大于无芒
雀麦、砂生槐和羊柴等非沙生植物。已有研究表明,
受到完全沙埋的植物,常常因无力破土而出,造成幼
苗死亡,即使能够破土而出,由于光合面积减少,生
长也会受到抑制[2,4,7]。而本研究结果表明,沙埋后
植物存活率和株高的下降均与其光合速率、蒸腾速
率、气孔导度和水分利用效率的降低呈正相关,而且
大部分相关系数达到显著水平,说明沙埋胁迫对植
物幼苗光合蒸腾特征的影响也是其存活和生长受到
抑制的主要原因之一。
4 结论
沙埋1/4以下对差巴嘎蒿幼苗的存活率和株高
均没有显著抑制作用,随着沙埋深度的进一步增加
其存活率和株高生长开始受到抑制,但即使在
200%株高沙埋情况下仍有2.0%的幼苗存活;随着
沙埋深度增加,其光合速率、气孔导度和蒸腾速率均
趋于下降,但其水分利用效率在沙埋第5d和第15d
趋于增高,第10d趋于下降;沙埋胁迫所导致的差巴
嘎蒿幼苗光合速率和蒸腾速率降低是其存活率下降
和株高生长受到抑制的重要原因之一。
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(1.Cold and Arid Regions Environment and Engineering Institute,CAS,Lanzhou730000,China;
2.Faculty of Life Sciences,Ludong University,Yantai 264025,China)
Abstract:Artemisia halodendronis a perennial psammophyte of Artemisia,Asteraceae,with a widely
distribution in the main sand lands of eastern Inner Mongolia.In order to understand the ecological and
physiological effects of sand burial on A.halodendron,changes of survival rate,plant height,photosyn-
thetic rate,stomatal conductance,transpiration rate and water use efficiency of A.halodendronseedlings
in different sand burial depths were studied during 2010~2011in Horqin Sand Land of Inner Mongolia.
The results showed that although burial depth 75%of seedling height had no significant effects on seedling
survival,and burial depth 25%of the height had no significant inhibition on seedling growth,the survival
rate and height growth were decreased significantly if the burial depth increased further.But some seed-
lings survived even if the burial depth was up to 200%of seedling height,which suggested that A.halo-
dendronseedlings had strong ability to withstand sand burial.With increased sand burial depth and ex-
tended sand burial times,photosynthetic rate,stomatal conductance and transpiration rate of A.haloden-
dronseedlings were downtrend,which decreased by 17.0%,15.3%and 37.4%in the fifth day of sand
burial,and by 69.3%,24.1%and 2.6%in the fifteenth day,respectively,compared with the CK.But
water use efficiency of A.halodendronseedlings trend to increase in the fifth day and the fifteenth day,
and trend to decrease in the fifteenth day.Decreased photosynthetic rate and transpiration rate was a key
reason to result in decrease of the survival rate and height growth inhibition of A.halodendronseedlings in
sand burial stress.
Key words:A.halodendron;Sand burial stress;Survival;Plant height;Photosynthetic rate;Transpi-
ration rate
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赵哈林 曲 浩 周瑞莲 云建英 李 瑾 王 进 沙埋对差巴嘎蒿幼苗存活、生长及光合特性的影响