基于生长和形态指标的15 种固氮园林植物的抗旱性评价

张德顺,陈莹莹,张百川,尹伊凡,姚驰远

(同济大学建筑与城市规划学院,上海 200092)

风景园林系统的干旱程度受气候变化、局地生态环境人工化和城市下垫面性质改变综合作用的影响,科学选择抗旱园林树种是维系生态安全和绿地健康的重要措施。 建立干旱生境下的园林树种选择方法,可以丰富园林抗旱树种的多样性,提升困难立地生境和抗旱树种的匹配度,增强树种选择的科学性、精准性和生态适应性,提高未来建成系统的生态弹性[1-2]。

经典形态学中植物形态研究包括叶片形态学(leaf morphology)、枝茎形态学(stem morphology)、根系形态学(root morphology)三方面。 植物(含不同种源和栽培品种)的特异性性状(specific characteristics)和参数指标可用来表征植物的抗旱性,如叶片有绒毛、有刺、羽状叶或裂叶、革质叶等[3-5]。 植物生长的立地环境会受到大气候、中气候和小气候的交互影响,更会受到土壤干旱、内涝、盐碱、贫瘠、重金属的胁迫[6-7]。 本研究用株高生长胁迫指数和形态评价等级两项指标,评价常见15 种固氮园林植物的抗旱性,以探求植物对日益退化生境的响应策略。

1 材料与方法

1.1 研究基地的气候特征

研究基地位于山东省淄博市桓台县苗圃内(36°54′49″N,118°04′36″E),面积约为 500 m2,地势平坦,平均海拔18. 0—18.5 m。 基地属温带季风气候,主导风向为西南风,日照充足,年平均气温12.5—14.5 ℃,月平均气温最低为-3.7 ℃(1 月份),最高为26.5 ℃(7 月份);多年平均降水量586.4 mm,多集中于夏季,7、8 两月降水量占全年降水量的51.1%,其他时期降水少,多出现季节性干旱;年平均蒸发量1 270 mm,蒸发旺盛,且年内变化较大,1 月份蒸发量最小,6 月份最大,历年平均相对湿度66%。

1.2 研究对象

以15 种常见固氮园林树种为研究对象(表1),包括落叶乔木10 种,落叶灌木4 种,落叶木质藤本1 种。

表1 15 种受试固氮园林树种Table 1 Fifteen tested nitrogen-fixing landscape tree species

1.3 研究方法

选取3 年生苗木,于2018 年11 月在苗圃内进行露天栽培,土壤为壤土,pH 7.2—7.5,每种植物培育10 株,进行为期7 个月的缓苗正常生长后,每树种分别选取生长情况基本一致的植株4 株,在田间环境下,采用人工给水后自然耗水的方式模拟土壤干旱胁迫。 具体操作方法为:2019 年6 月15 日充分浇水使土壤水分达到饱和;各树种选取2 株(共30 株)不再浇水使其自然干旱,作为试验组;另外2 株(共30 株)每天浇水,保证充足的水分供给,作为对照组。 试验期间,生长环境的气候因子、土壤理化因子、苗木规格树龄保持一致,通过搭建塑料雨棚方式防止降水进入试验区域对土壤自然耗水产生干扰。 分别于6 月15 日和30 日测定其生长和形态指标。 6 月30 日,土壤相对含水量为30.8%。

1.4 指标测定

1.4.1 株高生长胁迫指数

水分亏缺会影响植物正常的生长发育以及生物量的积累,因此也会对其株高变化产生显著的负面影响。 不同树种的绝对高度与抗旱性并无显著相关关系,但是抗旱性不同的树种在面临相同的干旱胁迫时其株高增长的速率会出现差异。 为了消除不同树种间个体株高生长量的差异,每组选择3 株,每株各测量3 次,取平均值,之后代入公式进行计算:

1.4.2 形态评价等级

根据植物的生长状况、茎和叶片的形态表现(萎蔫程度及枯萎量),设置5 个等级对植株进行评价,具体见表2。

表2 形态评价等级分类Table 2 Classification of morphological evaluation grade

1.5 数据处理

利用Excel 2010 软件进行图形绘制,利用SPSS 软件进行K-means 聚类分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对株高生长胁迫指数的影响

干旱胁迫指数表征植物在干旱胁迫条件下,某一指标偏离最适条件的程度。 它可以作为植物受损程度的指标,数值0—1,值越高说明偏离最适合状态越远,受胁迫程度越严重,植株抗旱能力越弱;反之,说明抗旱能力越强[8]。

由表3 可知,各树种株高生长胁迫指数出现了较为明显的差异,其抗旱能力由大到小依次为:紫藤＞合欢＞金叶槐＞香花槐＞紫穗槐＞国槐＞湖北紫荆＞胡枝子＞山皂荚＞皂荚＞刺槐＞火炬树＞多花木蓝＞紫荆＞江南桤木。

表3 15 种树种株高生长量及株高生长胁迫指数Table 3 Plant height growth and plant height growth stress index of 15 tested tree species

2.2 干旱胁迫对植株形态的影响

从表4 可以看出,对照组树种均生长旺盛或生长良好,说明在土壤水分供应充足的前提下,外界环境变化并未对植株的生长状况产生显著影响。 试验组中,国槐、金叶槐、刺槐等树种产生了叶片萎蔫皱缩现象,有少量叶片变黄枯萎;紫荆、山皂荚等树种叶片皱缩严重,出现大量萎蔫现象,叶片变黄枯萎数量显著增多,生长受到抑制;江南桤木叶片普遍萎蔫下垂,大面积枯萎,部分枝干出现萎蔫皱缩现象,生长受到严重抑制。

表4 15 种受试树种形态评价等级Table 4 Morphological evaluation grades of 15 tested tree species

为进一步定量分析不同树种抗旱性的差异,对各树种的形态评价等级进行赋值(A =5,B =4,C =3,D=2,E=1),取试验组∕对照组的比值。 如图1 所示,15 种树种形态评价比值高低依次为胡枝子＞紫穗槐＞火炬树＞香花槐＞紫藤＞刺槐＞国槐＞合欢＞湖北紫荆＞金叶槐＞多花木蓝＞皂荚＞山皂荚＞紫荆＞江南桤木。

2.3 株高生长胁迫指数和干旱胁迫形态等级综合分析

基于株高生长胁迫指数和形态评价等级对固氮园林树种进行抗旱性综合评价,可以将15 种固氮园林树种分为四类(图2)。 第一类群抗旱性最强,包括合欢、紫藤、紫穗槐、香花槐和金叶槐5 种树种;第二类群具有较强生长形态,包括国槐、刺槐、皂角、火炬树、胡枝子和湖北紫荆6 种树种;第三类群有良好抗旱性,包括山皂角、多花木蓝和紫荆3 种树种;第四类抗旱性较弱,只有江南桤木1 种树种。

3 结论

本研究主要从干旱胁迫下固氮园林树种形态及生长指标的变化出发,评价不同树种的抗旱性。 结果显示,15 种固氮园林树种可分为四类:合欢、紫藤、紫穗槐、香花槐和金叶槐抗旱性最强;国槐、刺槐、皂角、火炬树、胡枝子和湖北紫荆抗旱性较强;山皂角、多花木蓝和紫荆抗旱性稍弱;江南桤木抗旱性最弱。

依据株高生长胁迫指数和形态评价等级快速判定候选树种的抗旱特征简单易行,再结合生态习性调查分析和生物学特性指标的定量化测定,可以建立更加科学和具有针对性的指标体系,为园林绿地健康和风景生态安全提供科学决策依据,提升风景园林规划体系的生态韧性和可持续性。