9种绿化树种幼苗抗旱性评价

张梦飞，李 爽,2，李运盛，马海霞，刘悦秋

（1北京农学院园林学院，北京 102206；2北京市大兴区园林绿化局，北京 102600)

0 引言

中国是干旱半干旱面积较大的国家，其中干旱地区占30.8%，半干旱地区占21.7%[1-2],集中在北方地区。随着经济和城市的快速发展，北方城市水资源和生态环境之间的矛盾日益突出[3]，筛选和栽种耐旱型观赏植物以及研究植物干旱胁迫后的适应机制，对建设节水型园林具有重要意义。俞永玮等[4]利用隶属函数综合分析和聚类分析5种引进意大利黑杨无性系幼苗抗旱性。李禄军等[5]利用灰色关联分析3种绿化树种抗旱性，并筛选出抗旱性指标。蒋进等[6]运用极点分析法和主成分分析柽柳属植物抗旱性发现两种方法的抗旱性排序基本一致。覃奎等[7]、谭雪红等[8]采用主成分分析法和隶属函数分析法分别评价了3个种源池杉幼苗抗旱性和5种高速公路边坡绿化植物的抗旱性。本研究选取观赏性强的9种常见绿化树种作为试验材料，通过模拟干旱胁迫的生长环境，研究各树种的生长、生理等相关指标，分析其变化规律与植物抗旱性之间的关系。采用主成分分析法结合隶属函数法对9种植物的抗旱性指标进行综合评定，筛选出抗旱性强的优良观赏树种，为今后在城市绿化中的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选择生长一致的2年生连翘(Forsythia suspensa)、女 贞 (Ligustrum lucidum)、冬 青 卫 矛(Euonymus japonicus Thunb)、红 花 玉 兰 (Magnolia wufengensis)、 玉 兰 (Magnolia denudata)、 杜 仲(Eucommia ulmoides)、楸 树 (Catalpa bungei)、栾 树(Koelreuteria paniculata)、木槿(Hibiscus syriacus)实生苗为实验材料，购自天津蓟县君霞苗圃。

1.2 试验设计

2019年4月将试验苗木进行盆栽，栽培基质为纯草炭：园田土：沙土：有机肥=2：2：1：1的混合基质。每盆装入栽培基质6 kg，放置在北京农学院园林实验站透明遮雨棚内，通风良好，正常生长。7月进行干旱胁迫处理，每种苗木设置对照组80%、轻度胁迫组60%、中度胁迫组40%和重度胁迫组20%这4个水分梯度，每个水分梯度处理设置6次重复，每重复定苗3株，试验期间，采用称重法进行控水处理，每天称重浇水1次。控水45天后，测定各项生长、生理指标。

1.3 指标测定

采用测量、称重法测定苗木生长指标，使用Li-6400光合测定仪测定净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)，叶绿素(Chl)含量测定采用乙醇浸提法。叶片相对含水量(RWC)采用烘干称重法测定；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸染色法；相对电导率(EL)测定参照Fariss等方法；脯氨酸(Pro)含量测定采用酸性茚三酮法；可溶性糖(SS)含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白(SP)含量测定采用考马斯亮蓝染色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑法；过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法[9-10]。

1.4 抗旱性综合评价

采用抗旱综合指数法，对9种苗木的抗旱性进行综合评价并且排序，采用主成分分析法转化待评价指标，采用模糊数学隶属函数法计算隶属函数值。

1.4.1 抗旱系数 见式(1)～(2)。

式中，单项抗旱系数(droughtresistance coefficient,DC)和综合抗旱系数(comprehensive drought resistance coefficient,CDC)，Xi为重度胁迫组，即土壤相对含水量为20%时的指标测定值，CKi指土壤相对含水量为80%时的指标测定值[11]。

1.4.2 主成分分析及综合评价 对抗旱系数进行主成分分析，得到主因子系数并计算DC值的特征值所对应的特征向量ai及主因子得分PC值[12]。

其中：a1i，a2i，......，api(i=1，......m)为 DC 值的特征值所对应的特征向量，A为主因子系数，λ为特征值；ZDC1，ZDC2；......ZDCP是初始变量的标准化值。1.4.3隶属函数值 式中Ui表示隶属函数值，PCmin为所有树种第i个主因子得分最小值，PCmax为所有树种第i个主因子得分最大值[13]。

1.4.4 主因子权重 见式(6)。

式中Pi为树种第i个主因子的贡献率[14]。

1.4.5 综合抗旱评价值 见式(7)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对幼苗生长及生物量的影响

生长受到抑制是植物对干旱胁迫的一种普遍的适应机制[15]。干旱胁迫下9种苗木生长趋势有所不同（表1），杜仲、连翘两种苗木在轻度干旱(60%)胁迫下，各生长指标均显著高于其他处理。其他7种苗木随土壤水分含量的不断降低，株高、地径的增长量和总生物量呈显著降低趋势。重度干旱胁迫下，楸树和栾树株高生长率变化幅度最大，分别降低了27.3.7%和24.7%；地径生长率下降幅度最大的是栾树为30.3%；生物量（表2）下降幅度最大的是木槿为51.5%，其次是楸树为43.9%，女贞生物量降低的幅度最小为21.1%，然后是杜仲降低了24.8%。

表1 干旱胁迫对幼苗生长量的影响

有研究表明当土壤水分亏缺的时侯，植物在地上部分生物量降低的情况下，尽量去提高根的比重，以此来适应水分胁迫，同时还可以吸收更多的水分和营养物质，提高其对水的竞争能力[16-17]。干旱胁迫下，9种苗木根冠比表现不一（表2），随胁迫加剧，玉兰、红花玉兰根冠比逐渐增大；楸树、栾树则逐渐减小；连翘、冬青卫矛、木槿是先上升后下降；女贞和杜仲则是先下降后上升。在重度干旱胁迫下，楸树、木槿根冠比显著下降，玉兰根冠比显著上升。这反映出9种苗木对干旱的适应机制和适应能力的差距。

表2 干旱胁迫对幼苗根冠比和生物量的影响

2.2 干旱胁迫对幼苗光合指标的影响

光合作用是植物生长和生存的基础，大量的研究结果表明，处在干旱胁迫环境条件下的植物，与水分充足时相比，净光合速率会明显降低[18]。9种苗木的净光合速率随着干旱胁迫程度的加剧而显著降低（表3），在重度胁迫时净光合速率均下降了60%以上。叶绿素含量和比例会随水分供应情况的改变而发生适应性变化。缺水让叶绿素的生成受到阻碍，加快了分解速度，叶片颜色变浅[19]。随着土壤含水量的降低，木槿、楸树、女贞、冬青卫矛、栾树的叶绿素含量不断降低，而玉兰、杜仲、红花玉兰、连翘的叶绿素含量先升高后降低。在重度干旱胁迫下，楸树叶绿素下降幅度最大，下降了70.1%，其次是栾树，降低了67.5%。

表3 干旱胁迫对光合系统的影响

蒸腾速率反映了植物在单位时间单位面积，叶片蒸腾作用消耗水分的多少[20]。通常情况下，在同等程度的逆境条件下，抗旱性较强的苗木的光合速率与蒸腾速率变化幅度较小[21]。随着干旱程度的加剧（表4），9种树木幼苗的蒸腾速率随着土壤相对含水量的降低而显著降低，其中楸树下降幅度最大下降了63.3%。

表4 干旱胁迫对蒸腾速率和水分利用效率影响

植物水分利用效率是判断植物生长发育适应程度的综合生理生态指标，说明了树种消耗水分与其干物质生产之间的联系。熊伟等[22]研究发现，随着干旱程度增加，树种的水分利用效率会逐渐上升。本试验中9种幼苗的水分利用效率的变化趋势各不相同，重度干旱胁迫下，杜仲、楸树、栾树和红花玉兰的水分利用效率显著降低，而玉兰的水分利用效率显著升高。

2.3 干旱胁迫对幼苗生化指标的影响

植物在受到干旱胁迫时，叶片含水量会随着干旱胁迫时间延长呈现降低的趋势，并且树种耐旱能力越强叶片含水量减少量越小，一般将叶片含水量的变化幅度作为说明树种抗旱性的鉴定指标之一[23-24]。在重度干旱胁迫下，叶片相对含水量变化最明显的是楸树，叶片相对含水量下降了63.1%，其次是栾树，叶片相对含水量下降了56.6%（图1）。

图1 干旱胁迫对叶片相对含水量的影响

在干旱胁迫的条件下，植物细胞会发生膜脂过氧化反应，产生并且积累丙二醛，破坏细胞内的结构与功能，引起细胞膜功能的紊乱[25]。图2可见木槿、楸树、栾树、红花玉兰、女贞、冬青卫矛的丙二醛含量随着胁迫程度的加剧而显著上升，而杜仲、玉兰和连翘的丙二醛含量随着胁迫程度的加剧而先降低后升高。在重度干旱胁迫下，楸树丙二醛增加了3.14倍，增幅最大。

图2 干旱胁迫对丙二醛含量的影响

相对电导率是衡量植物抗性的一个重要指标，在逆境条件下，植物细胞受到伤害，细胞内的电解质大量外渗，导致电导率增大[26]。在重度干旱胁迫下，各苗木的相对电导率均显著增加（图3），依然是楸树和红花玉兰的变化幅度最大，是对照组的2.96和2.99倍。说明9种苗木中，楸树和红花玉兰抗旱能力较弱。

图3 干旱胁迫对相对电导率影响

在干旱胁迫下，植物体内的渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等的含量普遍会升高，以维持细胞膜系统的稳定[27]，进而保障植物正常生理过程的运行[28]。在重度干旱胁迫下，各苗木的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均显著增加（图4～6）。其中冬青卫矛、杜仲的脯氨酸含量增长最多，分别上升了6.72倍和6.43倍，楸树增长最少，上升了0.33倍；冬青卫矛的可溶性糖增长最多，上升了3.13倍，栾树增长最少，上升了0.28倍；可溶性蛋白增长最多仍然是冬青卫矛，上升了3.48倍，连翘增长最少，上升了0.54倍。

图4 干旱胁迫对脯氨酸含量的影响

图5 干旱胁迫对可溶性糖含量的影响

图6 干旱胁迫对可溶性蛋白含量的影响

当植物在遇到逆境胁迫时，需要调动整个抗氧化防御系统，来抵抗外界逆境胁迫产生的氧化危害。植物体内的活性氧清除酶促保护系统包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等[29]。图7～8可见随着胁迫程度的加剧，栾树、楸树的SOD和POD活性先显著上升后显著下降，在40%水分条件下达到峰值，表明这2种苗木抗旱能力较弱，在重度干旱胁迫下，质膜透性增加，SOD、POD活性降低。其它苗木的SOD、POD均在重度干旱胁迫下达到峰值，其中冬青卫矛的SOD活性增长最多，增长了2.21倍；红花玉兰的POD增长最多，上升了3.51倍。

图7 干旱胁迫对SOD活性的影响

图8 干旱胁迫对POD活性的影响

2.4 综合抗旱系数评价

9种绿化树种各项指标的抗旱系数和综合抗旱系数见表5，DC值的变异系数为6.3%～70%，CDC值的变异系数为20.9%，各指标的变异系数差异较大，说明9种绿化树种生理生化指标对干旱胁迫的敏感性不同。利用CDC值对9种绿化树种进行抗旱性排序，结果为冬青卫矛＞杜仲＞女贞＞红花玉兰＞木槿＞楸树＞栾树＞玉兰＞连翘。

表5 9种绿化树种生理生化指标的抗旱系数和综合抗旱系数 %

2.5 9种绿化树种抗旱性综合评价

将9种绿化树种15个生长生理指标的抗旱系数进行主成分分析，进而得到因子载荷矩阵和主因子得分。由表6可知，一共提取了5个主成分，累计贡献率84.604%。其中主因子1中RWC、Chl具有较高载荷量，在主因子2中SP、SOD、POD有较高载荷量，主因子3中地径生长量(DG)有较高载荷量，主因子4中生物量(B)和WUE有较高载荷量，主因子5中Pn有较高载荷量。结合9种绿化树种各生长生理指标的抗旱系数和主因子系数，获得主因子得分PC值，其中玉兰在PC1、PC2中数值最大，杜仲在PC3、PC4中数值最大，连翘在PC5中数值最大。利用模糊隶属函数法计算得出各主因子隶属函数值(U)，并根据权重计算综合评价值D。D值越大，其抗旱性越强。本试验9种绿化树种D值介于0.36～0.81之间（表7）。对9种绿化树种进行抗旱性排序冬青卫矛＞杜仲＞女贞＞木槿＞红花玉兰＞玉兰＞栾树＞连翘＞楸树。

表6 生长生理指标各主因子系数及贡献率

表7 5个主因子得分值、权重、隶属函数及综合评价值

2.6 聚类分析及抗旱级别划分

将9种绿化树种的15个指标抗旱系数进行R型聚类分析，由图9可知15个抗旱指标分为A、B两大类，A类为生理和生长指标，B类为各项生化指标，B组总体水平高于A组。其中渗透调节因子Pro单独成为一类(B-1)；质膜系统因子SP、POD、SS、SOD、MDA、EL聚成一类(B-2)；净光合速率、蒸腾速率聚成一类(A-1)；叶片相对含水量、生物量、叶绿素含量、水分利用效率、苗高生长量、地径生长量聚成一类(A-2)。通过Q型聚类将9种绿化树种分为两大类I和II，I类包括冬青卫矛和杜仲，这2种树各项指标均较高，特别是渗透调节物质Pro极高，将其划分为抗旱型树种；II组分为2个亚类，II-a包括红花玉兰、女贞、木槿，它们抗氧化酶活性、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量较高，将其划分为弱抗旱型树种；II-b包括玉兰、连翘、栾树、楸树，这4个树种生长、生理指标都较低，将其划分为敏感型树种。

图9 9种绿化树种抗旱性聚类分析

3 讨论与结论

苗期是植物对水分胁迫最为敏感的阶段，此时若遭受干旱，会对后续的生长发育造成不良影响。当干旱胁迫时，植物会通过不同的方式抵御干旱，如植物体内渗透调节物质的含量升高，改变细胞渗透势[30]、抗氧化系统[31]、生长速率降低[32]和改变自身结构等[33]。抗旱性强的植物，各生理机制也积极应对干旱胁迫，抵抗力变强，适应性也相对较强，在相同的立地条件下更容易生存[34]。本试验的9种苗木随着土壤水分含量的不断降低，生理指标变化特点各不相同。在重度干旱条件下，相对电导率、丙二醛含量、游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均显著升高，而叶片相对含水量、叶绿素含量、蒸腾速率、光合速率则显著下降，SOD活性和POD活性随着干旱胁迫程度的增加呈现上升或者先上升后下降的变化趋势，差异显著(P＜0.05)。这与弓泽涛等[24]、孔维鹏等[29]、李诗琴等[35]的研究结果相类似。

有研究认为随着干旱程度增加，树种的水分利用效率会逐渐上升[22]。本试验的9种苗木，除冬青卫矛和玉兰随干旱程度加剧水分利用效率逐渐上升，而其他树种水分利用效率随干旱程度加剧呈下降趋势，表明这些树种在适应干旱时是以抑制光合作用、降低生物量为代价的。

对抗旱性进行评价的指标包括形态指标、生长指标、生理生化指标等[35]。本试验选取苗高、地径、生物量、净光合速率、水分利用效率、丙二醛含量等15个生长、生理指标进行测定，分析9种苗木的抗旱能力，发现不同树种同一指标的抗旱系数变化程度不同，说明各树种间抗旱性差异明显。同时，不同生理指标的抗旱系数存在明显差异，说明各指标对干旱胁迫反应的敏感程度不同。在干旱环境条件下，植物的抗旱性受多种因素的综合影响，单一指标只能在一定程度上评价植物抗旱水平。

综合评价植物抗旱性的方法有极点分析法[6]、主成分分析法[7-8]、模糊隶属函数法[8]、聚类分析法[36]、抗旱性指数法[37]、灰色关联度分析法[7]等。目前应用最广的为主成分分析和隶属函数值综合评价法，这种利用多方法关联分析的综合评价，可消除不同指标单位间的差异，提高可比度且信息涵盖量高，结果准确可靠，具有较高的科学性[38]。本试验采用综合抗旱系数评价、主成分分析结合隶属函数值综合评价法、以及聚类分析3种方法对9种绿化树种幼苗的抗旱性进行综合评价，以弥补单项指标对植物抗旱性评定造成的片面性。将综合抗旱系数CDC值与5个主成分的隶属函数值加权计算得到的综合评价值D进行线性回归分析，其R2=0.707，回归方程D=-0.051+0.369CDC，P＜0.001，极显著相关，说明利用这两种方法均可评价抗旱性。聚类分析结果与两种评价结果基本一致，9个树种分为2个类群，其中一个类群包含抗旱树种冬青卫矛和杜仲，另一个类群包含弱抗旱树种女贞、木槿、红花玉兰，以及干旱敏感树种玉兰、栾树、连翘和楸树。