荒漠刺蓬和冰草生长研究范文

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《干旱气象杂志》2016年第5期

摘要:

为认识区域荒漠生态系统干旱致灾过程和干旱对冰草、刺蓬生长的影响，设计持续干旱胁迫、补充灌水和自然生长3种处理，比较2种荒漠草本植物在不同土壤水分下外部形态和干物质产量的变化。结果表明:持续干旱胁迫导致荒漠刺蓬和冰草营养生长期延长，生殖生长期缩短，全生育期缩短。受干旱胁迫影响，荒漠刺蓬和冰草的生长高度、干物质和覆盖度减小，且随生育进程影响逐渐增大。受持续干旱胁迫影响，在土壤体积含水量只有0．4～0．6mm，返青64～73d是刺蓬生长高度的拐点;在土壤体积含水量低至0．3～0．4mm，返青130～135d是冰草生长高度的拐点。返青106～121d，土壤体积含水量下降至1．0～1．1mm，是持续干旱胁迫对刺蓬干物质积累影响关键期;而返青181～197d，土壤体积含水量低至1．5mm左右是冰草干物质积累影响关键期。

关键词:

刺蓬;冰草;干旱胁迫;生长

引言

干旱是人类从古至今都要面对的主要自然灾害之一，即使是科技日新月异的今天，干旱缺水的问题依然困扰着人类社会的发展。并且干旱、高温和暴雨等极端天气发生频率越来越高，强度越来越强，特别是干旱、半干旱地区经济、农业与生态等领域缺水表现为加重态势［1－4］。有很多学者从不同视角阐述了对干旱机理的认识，也从植物的外部形态、内部结构和生理代谢等方面研究了植物对干旱的适应［5－8］。目前，国内外建立的一些干旱指标，大多数是描述植物对大气干旱、土壤缺水及其相互作用的响应，没有反映植物的耐旱能力，难以准确反映植物缺水程度［9－12］。只有结合植物的外部形态、生理生化特征和环境因素，研究植物在持续干旱胁迫下的阈值，才能确定具有实际意义的干旱指标［13－16］。植物对土壤水分胁迫有复杂的调控反馈机制，土壤水分亏缺并不总是降低产量，适度的水分亏缺对有些作物而言并不会引起减产［17－19］。河西走廊荒漠区在腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围下，生态环境非常脆弱，荒漠抗旱植物是生态治理和防沙治沙的关键因子［20－22］。荒漠植物刺蓬和冰草由于长期在干旱环境下生存，形成了一系列抵御干旱逆境的生理生态机制，研究其对干旱环境的生理生态学适应机制，对当前植物抗逆育种、生态环境恢复和植物抗旱性能评价等都具有重要意义。

1试验设计与观测方法

1．1试验区概况与试验设计

试验区地处腾格里沙漠边缘和河西走廊绿洲的过渡地带，试验点位于河西走廊东部荒漠区的武威荒漠生态与农业气象试验站(37°53'N，102°53'E)，海拔1534．8m，为典型的内陆荒漠干旱气候区，年平均气温7．9℃，年平均降水量约161．9mm，且主要集中在5—9月。试验区土壤pH值平均为8．43，有机质含量4．57%，HCO3－含量0．29%，Cl－含量0．06%，SO42－含量1．29%，Ca2+含量0．45%，Mg2+含量0．06%，K+Na+含量0．14%，10～50cm土壤容重为1．27～1．67g•cm－3，田间持水量为7．6%～10．7%，凋萎湿度为0．6%～1．0%，地下水位约25～34m。试验品种为刺蓬(Cornulacaalaschanica)和冰草(Agropyroncristatum)，每种植物试验设定3种处理:自然干旱(CK)———自然生长，无水分增加或减少，通过自然耗水形成持续干旱;遮雨处理(T1，代表持续干旱胁迫)———前期自然生长，展叶后遮雨，实现水分比过去同期降水量减少，然后通过自然耗水形成持续干旱;灌水处理(T2)———前期自然生长，返青后每个月补充水分。各处理试验面积为15m2(3m×5m)，即每种处理设3个重复，各重复面积为5m2(1m×5m)。试验于2014年11月—2015年12月进行，6月10日补充灌水量为54．30mm，7月13日补充灌水量122．25mm，8月4日补充灌水量294．08mm，9月4日补充灌水量229．50mm。

1．2试验方法

在3种水分处理下，按照《农业气象观测规范》［23］分别观测刺蓬和冰草的物候期、高度、覆盖度和生物产量等。用土钻法观测植株周围0～30cm的土壤水分。

2结果分析

2．1不同水分处理对刺蓬和冰草物候期的影响

从表1可见不同水分处理对荒漠刺蓬物候期的影响显著。从返青期开始试验处理，与自然生长相比，遮雨处理下花序形成始期至开花普遍期推后4～13d，而黄枯始期至种子成熟期提前12～15d;灌水处理下花序形成普遍期和开花始期却分别提前7d、8d，种子成熟期推后5d。营养生长期(返青至开花始期)间隔日数:遮雨处理(65d)＞自然生长(61d)＞灌水处理(53d)，而生殖生长期(花序形成普遍期至黄枯始期)间隔日数:遮雨处理(20d)＜自然生长处理(39d)＜灌水处理(46d)，3种处理间差异显著(F=95．43＞F0．05=2．66)。不同水分处理下，刺蓬物候期与各层土壤体积含水量呈正相关，即土壤含水量少、土壤干旱，刺蓬物候期提前。各层土壤体积含水量与遮雨处理的刺蓬物候期相关系数:20cm(0．7577)＞10cm(0．6535)＞30cm(0．6366)，相关性显著;与自然生长的刺蓬物候期相关系数:10cm(0．9662)＞30cm(0．8928)＞20cm(0．6702)，相关性极显著;与灌水处理的刺蓬物候期相关系数:30cm(0．5635)＞20cm(0．4647)＞10cm(0．4362)，相关性不显著。冰草展叶后进行水分处理，与自然生长相比，遮雨处理黄枯生长期提前23～83d，而灌水处理对应的物候期推后2～8d，且生殖生长期间隔日数:遮雨处理(90d)＜自然生长(173d)＜灌水处理(177d)，方差分析结果显示3种处理差异显著(F=31．63＞F0．05=3．11)。土壤体积含水量与遮雨处理冰草物候期呈极显著正相关，相关系数为10cm(0．9996)＞20cm(0．9957)＞30cm(0．8841);土壤体积含水量与灌水处理冰草物候期呈显著正相关，相关系数分别为10cm(0．9683)＞20cm(0．7850)＞30cm(0．5603);而自然生长的冰草物候期只与10cm土壤体积含水量呈显著正相关，相关系数为0．7302。

2．2不同水分处理对刺蓬和冰草生长高度的影响

刺蓬生长高度在遮雨处理下先迅速增大后快速减小;灌水处理下先呈“指数式”增大，黄枯始期开始减小;自然生长下呈渐进式增大;3种处理下差异显著(p＜0．05)。遮雨处理下:刺蓬生长高度与土壤体积含水量呈极显著正相关，相关系数达0．6628～0．8404;刺蓬返青12d后生长高度较自然生长开始减小，10～30cm平均土壤体积含水量为2．4mm;返青64d是拐点，10～30cm平均土壤体积含水量下降至0．5～0．6mm，刺蓬生长高度明显下降;返青73d减小幅度明显增大20．2%～50．6%，10～30cm平均土壤体积含水量只有0．4mm;返青106d减小幅度最大，已处于生理死亡状态。而灌水处理由于人工灌水，土壤含水量与生长高度呈不显著正相关，且生长高度较自然生长增大3．9%～35．4%，返青80～106d增幅明显。刺蓬生长速度在遮雨处理下从返青73d稳定减小，灌水处理下从返青106d开始减小，自然生长从返青80d减小(图1)。冰草生长高度在遮雨处理下返青88d后呈线性递减趋势，灌水处理下先增大再保持平稳后阶梯式减小，自然生长下呈缓慢减小趋势。遮雨处理生长高度与土壤体积含水量呈显著正相关，相关系数达0．4519～0．5520;与自然生长相比，遮雨处理冰草生长高度减小8．1%～44．2%;返青88～99d，10～30cm平均土壤体积含水量下降至1．1～2．2mm，冰草生长高度开始下降;返青130～135d，10～30cm平均土壤体积含水量只有0．3～0．4mm，冰草生长高度直线下降。而灌水处理与土壤含水量呈不显著正相关，灌水处理下冰草生长高度较自然生长增大2．0%～40．0%，10～30cm平均土壤体积含水量下降至3．4mm时，生长高度出现低谷;土壤含水量下降至2．1mm时，自然生长的冰草高度明显减小。冰草生长速度，遮雨处理下从返青88d稳定减小，灌溉处理下从返青128d开始减小，自然生长下从返青114d减小。方差分析结果表明，3种处理差异极显著(p＜0．01)。

2．3不同水分处理对刺蓬和冰草干物质的影响

如图2所示，3种处理下刺蓬生长前期干物质差异不明显，而刺蓬干物质积累与土壤体积含水量呈正相关，相关系数遮雨处理(0．8000)＞自然生长(0．7057)＞灌水处理(0．3376)。返青106d时，遮雨处理冰草干物质较自然生长偏小47%，到返青121d时偏小幅度达77%，10～30cm平均土壤体积含水量下降至1．0～1．1mm。而灌水处理在返青74d和106d时干物质较自然生长偏大4．0倍和2．1倍。自然生长的刺蓬在10～30cm平均土壤体积含水量下降至1．0mm时，干物质出现低谷(图2刺蓬自然)。刺蓬返青74d后3种处理间差异就显现，灌水处理刺蓬干物质明显偏高，返青106d差异性达到显著(p＜0．05)。3种处理下冰草生长前期的干物质差异也很小，冰草干物质与土壤体积含水量呈不显著正相关，返青119d时遮雨处理干物质较自然生长略偏小1%，10～30cm平均土壤体积含水量下降至1．7mm;返青150d时偏小4%，返青181d时偏小20%，返青197d时偏小57%，10～30cm平均土壤体积含水量下降至1．5mm。而灌水处理冰草在返青88～197d就明显大于自然生长17%～36%。方差分析结果表明，3种处理间差异显著。冰草返青181d后差异明显，返青197d灌水处理与其余2种处理差异显著(p＜0．05)。3种不同处理下，荒漠刺蓬和冰草生长后期干物质总体变化趋势为遮雨处理＜自然生长＜灌水处理。刺蓬平均覆盖度也呈现遮雨处理(18%)＜自然生长(20%)＜灌水处理(34%);冰草平均覆盖度呈现遮雨处理(28%)＜自然生长(31%)＜灌水处理(43%)。

3结论

(1)持续干旱胁迫导致荒漠刺蓬和冰草营养生长期延长，生殖生长期缩短，全生育期缩短。

(2)从生长高度看，持续干旱胁迫下，冰草更耐旱，返青64～73d，土壤体积含水量只有0．4～0．6mm，是刺蓬生长高度的拐点;返青130～135d是冰草生长高度的拐点，土壤体积含水量低至0．3～0．4mm。

(3)从干物质积累看，持续干旱胁迫下，刺蓬更耐旱，返青106～121d，土壤体积含水量下降至1．0～1．1mm，对刺蓬干物质影响最明显;而冰草干物质积累在返青181～197d，土壤体积含水量低至1．5mm左右时影响最显著。

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作者:蒋菊芳 王鹤龄 魏育国 丁文魁 杨永龙 任丽雯 程倩 杨华 单位:中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室 甘肃省武威市气象局农业气象试验站