荒漠刺蓬和冰草生長研究范文

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《干旱氣象雜志》2016年第5期

摘要:

為認識區域荒漠生態系統干旱致災過程和干旱對冰草、刺蓬生長的影響，設計持續干旱脅迫、補充灌水和自然生長3種處理，比較2種荒漠草本植物在不同土壤水分下外部形態和干物質產量的變化。結果表明:持續干旱脅迫導致荒漠刺蓬和冰草營養生長期延長，生殖生長期縮短，全生育期縮短。受干旱脅迫影響，荒漠刺蓬和冰草的生長高度、干物質和覆蓋度減小，且隨生育進程影響逐漸增大。受持續干旱脅迫影響，在土壤體積含水量只有0．4～0．6mm，返青64～73d是刺蓬生長高度的拐點;在土壤體積含水量低至0．3～0．4mm，返青130～135d是冰草生長高度的拐點。返青106～121d，土壤體積含水量下降至1．0～1．1mm，是持續干旱脅迫對刺蓬干物質積累影響關鍵期;而返青181～197d，土壤體積含水量低至1．5mm左右是冰草干物質積累影響關鍵期。

關鍵詞:

刺蓬;冰草;干旱脅迫;生長

引言

干旱是人類從古至今都要面對的主要自然災害之一，即使是科技日新月異的今天，干旱缺水的問題依然困擾著人類社會的發展。并且干旱、高溫和暴雨等極端天氣發生頻率越來越高，強度越來越強，特別是干旱、半干旱地區經濟、農業與生態等領域缺水表現為加重態勢［1－4］。有很多學者從不同視角闡述了對干旱機理的認識，也從植物的外部形態、內部結構和生理代謝等方面研究了植物對干旱的適應［5－8］。目前，國內外建立的一些干旱指標，大多數是描述植物對大氣干旱、土壤缺水及其相互作用的響應，沒有反映植物的耐旱能力，難以準確反映植物缺水程度［9－12］。只有結合植物的外部形態、生理生化特征和環境因素，研究植物在持續干旱脅迫下的閾值，才能確定具有實際意義的干旱指標［13－16］。植物對土壤水分脅迫有復雜的調控反饋機制，土壤水分虧缺并不總是降低產量，適度的水分虧缺對有些作物而言并不會引起減產［17－19］。河西走廊荒漠區在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍下，生態環境非常脆弱，荒漠抗旱植物是生態治理和防沙治沙的關鍵因子［20－22］。荒漠植物刺蓬和冰草由于長期在干旱環境下生存，形成了一系列抵御干旱逆境的生理生態機制，研究其對干旱環境的生理生態學適應機制，對當前植物抗逆育種、生態環境恢復和植物抗旱性能評價等都具有重要意義。

1試驗設計與觀測方法

1．1試驗區概況與試驗設計

試驗區地處騰格里沙漠邊緣和河西走廊綠洲的過渡地帶，試驗點位于河西走廊東部荒漠區的武威荒漠生態與農業氣象試驗站(37°53'N，102°53'E)，海拔1534．8m，為典型的內陸荒漠干旱氣候區，年平均氣溫7．9℃，年平均降水量約161．9mm，且主要集中在5—9月。試驗區土壤pH值平均為8．43，有機質含量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土壤容重為1．27～1．67g•cm－3，田間持水量為7．6%～10．7%，凋萎濕度為0．6%～1．0%，地下水位約25～34m。試驗品種為刺蓬(Cornulacaalaschanica)和冰草(Agropyroncristatum)，每種植物試驗設定3種處理:自然干旱(CK)———自然生長，無水分增加或減少，通過自然耗水形成持續干旱;遮雨處理(T1，代表持續干旱脅迫)———前期自然生長，展葉后遮雨，實現水分比過去同期降水量減少，然后通過自然耗水形成持續干旱;灌水處理(T2)———前期自然生長，返青后每個月補充水分。各處理試驗面積為15m2(3m×5m)，即每種處理設3個重復，各重復面積為5m2(1m×5m)。試驗于2014年11月—2015年12月進行，6月10日補充灌水量為54．30mm，7月13日補充灌水量122．25mm，8月4日補充灌水量294．08mm，9月4日補充灌水量229．50mm。

1．2試驗方法

在3種水分處理下，按照《農業氣象觀測規范》［23］分別觀測刺蓬和冰草的物候期、高度、覆蓋度和生物產量等。用土鉆法觀測植株周圍0～30cm的土壤水分。

2結果分析

2．1不同水分處理對刺蓬和冰草物候期的影響

從表1可見不同水分處理對荒漠刺蓬物候期的影響顯著。從返青期開始試驗處理，與自然生長相比，遮雨處理下花序形成始期至開花普遍期推后4～13d，而黃枯始期至種子成熟期提前12～15d;灌水處理下花序形成普遍期和開花始期卻分別提前7d、8d，種子成熟期推后5d。營養生長期(返青至開花始期)間隔日數:遮雨處理(65d)＞自然生長(61d)＞灌水處理(53d)，而生殖生長期(花序形成普遍期至黃枯始期)間隔日數:遮雨處理(20d)＜自然生長處理(39d)＜灌水處理(46d)，3種處理間差異顯著(F=95．43＞F0．05=2．66)。不同水分處理下，刺蓬物候期與各層土壤體積含水量呈正相關，即土壤含水量少、土壤干旱，刺蓬物候期提前。各層土壤體積含水量與遮雨處理的刺蓬物候期相關系數:20cm(0．7577)＞10cm(0．6535)＞30cm(0．6366)，相關性顯著;與自然生長的刺蓬物候期相關系數:10cm(0．9662)＞30cm(0．8928)＞20cm(0．6702)，相關性極顯著;與灌水處理的刺蓬物候期相關系數:30cm(0．5635)＞20cm(0．4647)＞10cm(0．4362)，相關性不顯著。冰草展葉后進行水分處理，與自然生長相比，遮雨處理黃枯生長期提前23～83d，而灌水處理對應的物候期推后2～8d，且生殖生長期間隔日數:遮雨處理(90d)＜自然生長(173d)＜灌水處理(177d)，方差分析結果顯示3種處理差異顯著(F=31．63＞F0．05=3．11)。土壤體積含水量與遮雨處理冰草物候期呈極顯著正相關，相關系數為10cm(0．9996)＞20cm(0．9957)＞30cm(0．8841);土壤體積含水量與灌水處理冰草物候期呈顯著正相關，相關系數分別為10cm(0．9683)＞20cm(0．7850)＞30cm(0．5603);而自然生長的冰草物候期只與10cm土壤體積含水量呈顯著正相關，相關系數為0．7302。

2．2不同水分處理對刺蓬和冰草生長高度的影響

刺蓬生長高度在遮雨處理下先迅速增大后快速減小;灌水處理下先呈“指數式”增大，黃枯始期開始減小;自然生長下呈漸進式增大;3種處理下差異顯著(p＜0．05)。遮雨處理下:刺蓬生長高度與土壤體積含水量呈極顯著正相關，相關系數達0．6628～0．8404;刺蓬返青12d后生長高度較自然生長開始減小，10～30cm平均土壤體積含水量為2．4mm;返青64d是拐點，10～30cm平均土壤體積含水量下降至0．5～0．6mm，刺蓬生長高度明顯下降;返青73d減小幅度明顯增大20．2%～50．6%，10～30cm平均土壤體積含水量只有0．4mm;返青106d減小幅度最大，已處于生理死亡狀態。而灌水處理由于人工灌水，土壤含水量與生長高度呈不顯著正相關，且生長高度較自然生長增大3．9%～35．4%，返青80～106d增幅明顯。刺蓬生長速度在遮雨處理下從返青73d穩定減小，灌水處理下從返青106d開始減小，自然生長從返青80d減小(圖1)。冰草生長高度在遮雨處理下返青88d后呈線性遞減趨勢，灌水處理下先增大再保持平穩后階梯式減小，自然生長下呈緩慢減小趨勢。遮雨處理生長高度與土壤體積含水量呈顯著正相關，相關系數達0．4519～0．5520;與自然生長相比，遮雨處理冰草生長高度減小8．1%～44．2%;返青88～99d，10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．1～2．2mm，冰草生長高度開始下降;返青130～135d，10～30cm平均土壤體積含水量只有0．3～0．4mm，冰草生長高度直線下降。而灌水處理與土壤含水量呈不顯著正相關，灌水處理下冰草生長高度較自然生長增大2．0%～40．0%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至3．4mm時，生長高度出現低谷;土壤含水量下降至2．1mm時，自然生長的冰草高度明顯減小。冰草生長速度，遮雨處理下從返青88d穩定減小，灌溉處理下從返青128d開始減小，自然生長下從返青114d減小。方差分析結果表明，3種處理差異極顯著(p＜0．01)。

2．3不同水分處理對刺蓬和冰草干物質的影響

如圖2所示，3種處理下刺蓬生長前期干物質差異不明顯，而刺蓬干物質積累與土壤體積含水量呈正相關，相關系數遮雨處理(0．8000)＞自然生長(0．7057)＞灌水處理(0．3376)。返青106d時，遮雨處理冰草干物質較自然生長偏小47%，到返青121d時偏小幅度達77%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．0～1．1mm。而灌水處理在返青74d和106d時干物質較自然生長偏大4．0倍和2．1倍。自然生長的刺蓬在10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．0mm時，干物質出現低谷(圖2刺蓬自然)。刺蓬返青74d后3種處理間差異就顯現，灌水處理刺蓬干物質明顯偏高，返青106d差異性達到顯著(p＜0．05)。3種處理下冰草生長前期的干物質差異也很小，冰草干物質與土壤體積含水量呈不顯著正相關，返青119d時遮雨處理干物質較自然生長略偏小1%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．7mm;返青150d時偏小4%，返青181d時偏小20%，返青197d時偏小57%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．5mm。而灌水處理冰草在返青88～197d就明顯大于自然生長17%～36%。方差分析結果表明，3種處理間差異顯著。冰草返青181d后差異明顯，返青197d灌水處理與其余2種處理差異顯著(p＜0．05)。3種不同處理下，荒漠刺蓬和冰草生長后期干物質總體變化趨勢為遮雨處理＜自然生長＜灌水處理。刺蓬平均覆蓋度也呈現遮雨處理(18%)＜自然生長(20%)＜灌水處理(34%);冰草平均覆蓋度呈現遮雨處理(28%)＜自然生長(31%)＜灌水處理(43%)。

3結論

(1)持續干旱脅迫導致荒漠刺蓬和冰草營養生長期延長，生殖生長期縮短，全生育期縮短。

(2)從生長高度看，持續干旱脅迫下，冰草更耐旱，返青64～73d，土壤體積含水量只有0．4～0．6mm，是刺蓬生長高度的拐點;返青130～135d是冰草生長高度的拐點，土壤體積含水量低至0．3～0．4mm。

(3)從干物質積累看，持續干旱脅迫下，刺蓬更耐旱，返青106～121d，土壤體積含水量下降至1．0～1．1mm，對刺蓬干物質影響最明顯;而冰草干物質積累在返青181～197d，土壤體積含水量低至1．5mm左右時影響最顯著。

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作者:蔣菊芳 王鶴齡 魏育國 丁文魁 楊永龍 任麗雯 程倩 楊華 單位:中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室 中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室 甘肅省武威市氣象局農業氣象試驗站