野生垂穗披碱草成苗期间的耐旱性研究

王传旗，刘文辉，张永超，周青平，2*

（1.青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁810016；2.西南民族大学，四川 成都610041）

全球气温升高加剧了干旱胁迫，干旱是一个长期存在的全球性生态环境问题。相对于其他非生物逆境，干旱具有出现次数多、持续时间长、影响范围大等特点，对农业生产的影响很大，即使轻微的干旱也会降低粮食产量。我国是一个水资源十分匮乏的国家，干旱和半干旱地区面积占国土面积的47%，占总耕地面积的51%，且在地理上主要分布于西北地区［1］。然而，即使在我国的湿润及半湿润地区，也会时常遭受难以预测的短暂旱灾。干旱已对我国经济和社会造成了严重的损失。

“三江源”地区位于青海省南部，地处“世界屋脊”青藏高原的腹地，平均海拔3500～4800 m，素有我国乃至亚洲“水塔”之美誉，不仅是我国长江、黄河流域生态环境安全和社会经济可持续发展的生态屏障，其生态环境状态及变化同时具有全球指标意义［2－3］。“三江源”地区属高原大陆性气候，自然环境严酷，具有低温、缺氧、辐射强烈、干旱、风沙等气候特征，是我国面积最大的自然保护区，也是全世界所关注的生态脆弱地区之一。长期以来，“三江源”地区受自然因素和人类活动影响，该地区生态环境问题依然十分严峻，其中大面积的草（场）地退化就是其众多生态环境问题的主要表现之一［4－6］。此外，由于春旱频繁，牧草的播种成苗也是“三江源”地区在人工草地建植、草地补播改良和草原生态修复中存在的一个重要问题。

鉴于此，本研究选取了适宜于“三江源”地区高寒草地生态恢复的野生垂穗披碱草（Elymus nutans）为试验材料，研究了其成苗期间的耐旱性及需水特性，研究结果将有助于揭示垂穗披碱草干旱适应机理，同时对“三江源”地区植被恢复和利用垂穗披碱草有效防治土地沙化、水土流失等灾害具有重要的科学价值和现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料及区域概况

野生垂穗披碱草采集于青海省海南藏族自治州贵南县茫拉乡（35°12′N，100°45′E，海拔3216 m），高寒草原路边。该地区属高原大陆性气候，年均气温为2.3℃，年均日照时数为2907.8 h，年均降水量为403.8 mm，年均蒸发量为1378.5 mm，干旱、沙尘暴等自然灾害频繁。采集来的野生种子在青海省海北州西海镇多年生牧草种质资源圃（36°54′35″N，101°49′43″E，海拔3156 m），进行驯化选育，编号I-1-3-5。试验材料为野生驯化品系。试验前在室温（温度16～23℃，相对湿度53%）条件下进行了预试验，测得垂穗披碱草种长（1.77±0.03）㎝，种宽（0.13±0.01）㎝，千粒重（5.61±0.05）g，种子含水量8.6%，平均发芽率97%。

1.2 试验地点和时间

本项研究试验在青海大学畜牧兽医科学院－青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室进行并顺利完成。试验于2020年6月16日开展，6月27日开始干旱胁迫及复水试验，试验共历时28 d。

1.3 试验设计

配制水势为0、－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa的高分子渗透剂聚乙二醇（PEG-6000）溶液模拟干旱环境［7］。试验采用纸上发芽法，在每个铺有双层滤纸的培养皿中排25粒种子并加7 mL不同环境水势的PEG-6000溶液。每处理4次重复。将培养皿置于RTOP智能光照培养箱（RTOP-310B，浙江）中，发芽条件25℃/20℃（昼温/夜温），光周期14 h，光照度1250 lx。试验以根长与种子等长视为发芽，以芽长2 cm视为出苗。每天统计发芽数和出苗率并及时清理发霉腐烂的种子。此外，试验期间每隔2 d更换一次滤纸，并加入7 mL对应PEG-6000溶液，以避免种子吸收和水分蒸发而造成环境水势改变。垂穗披碱草种子培养7 d后，将未萌发的种子用超纯水（0 MPa）冲洗干净并分别转移至加有超纯水的培养皿中，继续观察10 d结束试验。试验结束时，检测未萌发种子的生活力，具体操作：用刀片将种子切开，在显微镜下观察，如果胚为固体、白色，视为有生活力种子；如果胚为液体、褐色则为无生活力种子［8］。检查结果为97%以上未萌发的种子是有活力的。

1.4 测定指标与方法

发芽率=第7天种子发芽数/试验供试种子数×100%。出苗率=第7天出苗数/试验供试种子数×100%。发芽指数为第t天的发芽数，Dt为相对应天数［9］。活力指数均根长+平均芽长［10］。

根长和芽长的测量：从各处理的培养皿中随机取出15株幼苗，进行根长和芽长的测量，取平均值［11］。

植株根和芽的干鲜重测量：干旱胁迫和复水后，在各溶液浓度处理下随机取出10株幼苗剪下根和芽，称重，得其鲜重；然后在105℃烘箱内杀青30 min，再在80℃下烘至恒重，得其干重［12］。测量过程中，各处理下的幼苗不够10株的全部都测。干物质积累率=植株干重/植株鲜重。

种子发芽出苗需水阈值：根据公式Pi=alogt+b［13］，求出各处理下50%的种子群体发芽出苗的时间t，继而依据公式1/t=aψw+b［14］，得出50%种子群体在发芽出苗过程中忍耐的最大水势（需水阈值）。式中：Pi为种子发芽出苗百分率的概率单位转换值；t为从发芽试验开始到该概率出现的时间；ψw为水势；－a/b为50%的种子群体发芽出苗所能忍耐的最大水势（临界水势）。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2020和SPSS 19.0统计分析软件对所测数据进行统计分析。采用Tukey’s HSD检验，对垂穗披碱草处理间的差异性进行单因素方差分析和Duncan多重比较分析。所有数据在分析前要满足正态分布和方差齐性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫及复水对种子发芽进程的影响

随着环境水势的降低，垂穗披碱草种子发芽速率逐渐降低（图1）。－0.15和－0.30 MPa的水分亏缺对种子发芽速率影响较小，且种子的最终发芽率均大于90%；－0.75和－1.00 MPa的水分亏缺对种子发芽速率影响较大，但复水后种子最终发芽率仍达到50%以上。

水分亏缺和复水后的各处理下，种子均在第2天开始发芽（图1）。对照组、－0.15 MPa和－0.30 MPa处理下，种子发芽高峰期均在第4天；－0.50 MPa处理下，种子发芽高峰期在第5天；－0.75和－1.00 MPa处理下，种子发芽高峰期在第6天。高浓度的PEG-6000处理（－0.50、－0.75和－1.0 MPa）延迟了垂穗披碱草种子群体发芽的高峰期。复水后，－0.15和－0.30 MPa处理下，种子群体发芽高峰均在第9天；－0.50 MPa处理下，种子群体发芽高峰在第10天；－0.75和－1.0 MPa处理下，种子群体发芽高峰均在第11天。说明复水后，随着环境水势的降低，垂穗披碱草种子群体发芽高峰期同样存在滞后现象。

图1 干旱胁迫及复水对种子发芽进程的影响Fig.1 Effects of drought stress and rewatering on seed germination process

2.2 干旱胁迫及复水对植物幼苗形成进程的影响

与发芽进程相似，随着环境水势的降低，幼苗形成速率减缓（图2）。复水后，除对照组外，各处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处理下，垂穗披碱草出苗率增幅较高。－0.75和－1.00 MPa处理下，垂穗披碱草出苗率虽有所增加，但与其他渗透处理相比，其出苗率明显较低。

图2 水分亏缺及复水对种子出苗进程的影响Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on seed emergence process

对照组、－0.15和－0.30 MPa处理下，种子群体出苗高峰期在第5天；－0.50、－0.75和－1.00 MPa处理下，种子群体出苗高峰期在第6天。－1.00 MPa处理下，种子群体出苗高峰期在第6和7天。高浓度的PEG-6000处理（－0.50、－0.75和－1.00 MPa）延迟了垂穗披碱草种子群体出苗的高峰期。复水后，－0.15和－0.30 MPa处理下，种子群体出苗高峰期在第10天；－0.50 MPa处理下，种子群体出苗高峰期在第11天；－0.75和－1.00 MPa处理下，种子群体出苗高峰期均在第12天。说明复水后，随着环境水势的降低，垂穗披碱草种子群体出苗高峰期同样存在滞后现象。

2.3 干旱胁迫及复水对种子发芽出苗的影响

垂穗披碱草种子发芽率、出苗率、发芽指数和活力指数均随环境水势的降低而下降（表1）。－0.15 MPa的水分亏缺对种子发芽出苗基本没有影响；－0.50 MPa处理下，种子仍可大量发芽出苗，但其发芽指数和活力指数较对照组下降显著（P＜0.05）；－0.75 MPa处理下，与对照组相比，种子发芽率、出苗率、发芽指数均下降显著（P＜0.05）。

表1 干旱胁迫对种子发芽和出苗的影响Table 1 Effects of drought stress on seed germination and emergence

复水后，与对照组相比，各渗透处理下的种子发芽率、出苗率、发芽指数和活力指数均显著升高（P＜0.05）。其中，－0.50 MPa处理下，种子发芽率、出苗率、发芽指数和活力指数最高，其次为－0.75 MPa处理组，而－0.15 MPa处理组各指标值相对最低。此外，复水后，－1.00 MPa处理下，种子最终发芽率和出苗率分别达到对照组的56%和47%（表2）。

表2 旱后复水对种子发芽和出苗的影响Table 2 Effects of rewatering after drought stress on seed germination and emergence

2.4 干旱胁迫及复水对垂穗披碱草幼苗生长量的影响

垂穗披碱草芽长随着环境水势的降低而下降，其根长随着环境水势的降低则呈先升后降的趋势（表3）。－0.15 MPa处理下，垂穗披碱草根长较对照组略长；其他处理组的根长均随着环境水势的降低而下降，但与对照组相比，其下降幅度均不显著。－0.75 MPa处理下，与对照组相比，垂穗披碱草芽长下降显著（P＜0.05）。随着环境水势的降低，垂穗披碱草根的干鲜重呈先升后降的趋势，其芽的干鲜重和干物质积累率呈下降的趋势（表4）。－0.50 MPa处理下，与对照组相比，幼苗芽的干重下降显著（P＜0.05）；－0.75 MPa处理下，幼苗芽的鲜重和根的干重较对照组下降显著（P＜0.05）；－1.00 MPa处理下，幼苗根的鲜重较对照组下降显著（P＜0.05）。

表3 干旱胁迫对垂穗披碱草幼苗根长和芽长的影响Table 3 Effects of drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表4 干旱胁迫对垂穗披碱草幼苗干鲜重的影响Table 4 Effects of drought stress on fresh and dry weight of E.nutans seedlings

复水后，垂穗披碱草根和芽的伸长及其干鲜重和干物质积累率均得到了较大提升（表5和表6）。－0.15 MPa处理下，与其他各处理相比，垂穗披碱草幼苗根长、芽长最大，但差异不显著；－0.30 MPa及以上的水分亏缺处理下，幼苗根长、芽长均有略微的下降。复水后，随着环境水势的降低，幼苗根芽比呈先升后降的趋势，其中－0.50 MPa处理下，幼苗根芽比相对较大。复水后，各处理下的幼苗干物质积累率基本一致且与复水前对照组的幼苗干物质积累率相当。

表5 旱后复水对垂穗披碱草幼苗根长和芽长的影响Table 5 Effects of rewatering after drought stress on root length and bud length of E.nutans seedlings

表6 旱后复水对垂穗披碱草幼苗干鲜重的影响Table 6 Effects of rewatering after drought stress on dry and fresh weight of E.nutans seedlings

2.5 干旱胁迫及复水下种子发芽出苗需水阈值研究

为了阐明不同PEG-6000胁迫处理下的野生垂穗披碱草50%种子群体发芽和出苗阶段的水势临界值，本项研究对不同干旱胁迫处理下的垂穗披碱草种子发芽和出苗阶段的概率与相应的时间对数进行拟合，然后利用最小二乘法进行曲线拟合，最后根据公式1/t=aψw+b，得出50%种子群体在其发芽出苗过程中忍耐的最大水势值（表7～10）。

表7 50%种子群体吸水时间与发芽率的关系Table 7 Relationship between water absorption time and germination percentage of 50% seeds population

表8 50%种子群体发芽时间与水势的关系Table 8 Relationship between germination time and water potential of 50% seeds population

0 MPa处理下，垂穗披碱草50%种子群体达到发芽阶段所需要的时间为76.95 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75和－1.00 MPa处理下，50%种子群体达到发芽阶段所需要的时间分别比对照组增加了21.26%、49.15%、77.32%、114.11%和206.85%。进一步分析可知，垂穗披碱草50%种子群体达到发芽阶段所能忍耐的最大水势为－0.85 MPa。

表9 50%种子群体吸水时间与出苗率的关系Table 9 Relationship between water absorption time and emergence percentage of 50% seeds population

表10 50%种子群体出苗时间与水势的关系Table 10 Relationship between emergence time and water potential of 50% seeds population

0 MPa处理下，垂穗披碱草50%种子群体达到出苗阶段所需要的时间为78.96 h。－0.15、－0.30、－0.50、－0.75、－1.00 MPa处理下，50%种子群体达到出苗阶段所需要的时间分别比对照组增加了31.51%、48.24%、82.86%、164.26%和250.92%。进一步分析可知，垂穗披碱草50%种子群体达到出苗阶段所能忍耐的最大水势为－0.61 MPa。

以上表明，PEG-6000干旱胁迫对垂穗披碱草发芽和出苗的影响表现在延迟种子群体发芽和出苗时间。此外，从垂穗披碱草发芽和出苗阶段的临界水势相比，其出苗比发芽阶段对环境水势的要求更高。

3 讨论

3.1 干旱胁迫及复水对垂穗披碱草发芽出苗的影响

水分是干旱及半干旱地区最为关键和敏感的生态因子，也是影响我国西北地区作物和牧草播种成苗的主要因素。本项研究采用PEG-6000溶液模拟不同程度的干旱环境，研究了垂穗披碱草成苗期间的耐旱性及需水特性。本研究中，垂穗披碱草种子发芽进程和幼苗形成进程随着环境水势的降低而表现为种子群体发芽出苗速率降低和种子群体发芽出苗高峰期推迟。这与许翩翩等［15］对3种常见边坡植物对模拟干旱环境抗旱性能的研究结果相一致。复水后，种子发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处理下，种子的最终发芽率和出苗率均大于80%；即使－0.75 MPa处理，种子最终发芽率和出苗率仍可达到50%以上。表明干旱胁迫通过限制种子水分吸收以降低或减缓种子内部酶的活性和物质代谢过程，最终抑制种子发芽出苗速率。

众多研究表明，随PEG-6000溶液环境水势的降低，种子发芽率、出苗率、发芽指数和活力指数均呈下降的趋势［16－19］。本试验也证实了这一点。－0.30 MPa处理下，与对照组相比，种子发芽指数和活力指数下降显著（P＜0.05）；－0.75 MPa处理下，种子发芽率、出苗率较对照组下降显著（P＜0.05）。然而，本试验中，－0.15 MPa的水分亏缺对种子发芽出苗影响较小；复水后，－0.50 MPa的水分亏缺对种子发芽率和出苗率影响较小，均可达到80%以上水平。这说明垂穗披碱草在成苗期间具有较强的耐旱性，而旱后复水对垂穗披碱草播种保苗具有重要作用。

3.2 干旱胁迫及复水对垂穗披碱草生长量的影响

根芽长、根芽比、根芽干鲜重及干物质积累率均为反映垂穗披碱草耐旱性的重要生长量指标。本研究中，－0.15 MPa处理下，幼苗的根较对照组略长，根的干鲜重和幼苗干物质积累率均比对照组高。说明轻度干旱胁迫更有利于垂穗披碱草幼苗的生长，同时证明水分亏缺并不一定导致植物产量下降。－0.75 MPa处理下，垂穗披碱草幼苗生长量均受到严重抑制。有研究表明，植物发芽成苗特性与其自然分布生境密切相关，这是植物与自然环境趋同进化的结果［20－21］。本研究中，水分亏缺对垂穗披碱草幼苗根的伸长影响较小，但对芽的伸长影响较大。－0.15 MPa以下的水分亏缺处理，垂穗披碱草幼苗根芽比越来越大，且在－1.00 MPa处理下，较对照组差异显著（P＜0.05）；而其干物质积累率越来越小，且在－0.75 MPa处理下，较对照组下降显著（P＜0.05）。表明重度以上的干旱胁迫下，垂穗披碱草以牺牲芽为代价将有限资源优先用于根部伸长。这可能是干旱胁迫对幼苗生长造成伤害，垂穗披碱草为了生存而采取的被动适应策略，同时这也是野生垂穗披碱草对其分布生境长期适应的结果。

山仑［22］的研究指出，在不超过作物缺水的适应范围时，复水后往往可在生长和产量上产生补偿效应，最终在节约大量用水的同时，其产量不受影响或影响较小。本研究中，除对照组外，复水后与复水前相比，各处理下的幼苗根芽长均有不同程度的增加，且幼苗干物质积累率与复水前的对照组相当，说明即使是极度干旱胁迫的－1.00 MPa处理也没有超出垂穗披碱草幼苗对干旱胁迫的适应范围。

3.3 干旱胁迫及复水下垂穗披碱草发芽和出苗需水阈值

有研究报道，干旱胁迫下的种子发芽和出苗均有一定的阈值要求，低于其阈值便不能达到相应的阶段［23－24］。本研究中，随着水分亏缺的加重，垂穗披碱草种子达到发芽和出苗阶段的时间呈上升的趋势。这再次证明水分亏缺抑制了垂穗披碱草种子发芽出苗的速率。

研究显示，垂穗披碱草种子发芽的需水阈值为－0.85 MPa，出苗的需水阈值为－0.61 MPa，表明垂穗披碱草种子发芽和出苗对水分亏缺的耐性不同，其种子出苗过程对水势的要求比发芽严格。同时，这也表明垂穗披碱草种子发芽期比出苗期更加耐旱。这与李文娆等［25］和朱教君等［26］研究报道相一致。

4 结论

垂穗披碱草在种子发芽和幼苗形成进程中，水分亏缺降低和推迟了种子群体发芽出苗速率和群体发芽出苗的高峰期，且随着水分亏缺的加重而越发明显。复水后，随着水分亏缺的加重，种子群体发芽出苗高峰期同样存在滞后情况。不同浓度PEG-6000溶液造成的水分亏缺抑制了种子的发芽率、出苗率、发芽指数和活力指数，但－0.15 MPa的水分亏缺对种子发芽率和出苗率影响较小；复水后，－0.50 MPa的水分亏缺对种子发芽率和出苗率影响较小。－0.15 MPa处理更有利于垂穗披碱草幼苗的生长。－0.75 MPa处理下，垂穗披碱草幼苗生长均受到严重抑制。－1.00 MPa处理没有超出垂穗披碱草幼苗对干旱的适应范围。垂穗披碱草50%种子群体发芽的需水阈值为－0.85 MPa，50%种子群体出苗的需水阈值为－0.61 MPa，垂穗披碱草种子发芽阶段比出苗阶段更加耐旱。

鉴于野生垂穗披碱草成苗期间具有较强的耐旱性，本研究建议该野生草可作为“三江源”地区植被恢复的重要参考草种。本研究从生态生理角度，仅研究了野生垂穗披碱草成苗期间的耐旱性及其需水特性，不足以全面揭示垂穗披碱草在“三江源”地区半干旱条件下的适应性。因此，今后应继续进行该野生草在苗期、拔节期、孕穗期及花期等阶段的耐旱性及需水特性研究，以期实现“三江源”地区牧草资源的可持续利用和生态环境的可持续保护。