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《干旱氣象雜志》2016年第5期

摘要:

為認(rèn)識(shí)區(qū)域荒漠生態(tài)系統(tǒng)干旱致災(zāi)過(guò)程和干旱對(duì)冰草、刺蓬生長(zhǎng)的影響，設(shè)計(jì)持續(xù)干旱脅迫、補(bǔ)充灌水和自然生長(zhǎng)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(tài)和干物質(zhì)產(chǎn)量的變化。結(jié)果表明:持續(xù)干旱脅迫導(dǎo)致荒漠刺蓬和冰草營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，生殖生長(zhǎng)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(zhǎng)高度、干物質(zhì)和覆蓋度減小，且隨生育進(jìn)程影響逐漸增大。受持續(xù)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(zhǎng)高度的拐點(diǎn);在土壤體積含水量低至0．3～0．4mm，返青130～135d是冰草生長(zhǎng)高度的拐點(diǎn)。返青106～121d，土壤體積含水量下降至1．0～1．1mm，是持續(xù)干旱脅迫對(duì)刺蓬干物質(zhì)積累影響關(guān)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(zhì)積累影響關(guān)鍵期。

關(guān)鍵詞:

刺蓬;冰草;干旱脅迫;生長(zhǎng)

引言

干旱是人類從古至今都要面對(duì)的主要自然災(zāi)害之一，即使是科技日新月異的今天，干旱缺水的問(wèn)題依然困擾著人類社會(huì)的發(fā)展。并且干旱、高溫和暴雨等極端天氣發(fā)生頻率越來(lái)越高，強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，特別是干旱、半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)與生態(tài)等領(lǐng)域缺水表現(xiàn)為加重態(tài)勢(shì)［1－4］。有很多學(xué)者從不同視角闡述了對(duì)干旱機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也從植物的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理代謝等方面研究了植物對(duì)干旱的適應(yīng)［5－8］。目前，國(guó)內(nèi)外建立的一些干旱指標(biāo)，大多數(shù)是描述植物對(duì)大氣干旱、土壤缺水及其相互作用的響應(yīng)，沒(méi)有反映植物的耐旱能力，難以準(zhǔn)確反映植物缺水程度［9－12］。只有結(jié)合植物的外部形態(tài)、生理生化特征和環(huán)境因素，研究植物在持續(xù)干旱脅迫下的閾值，才能確定具有實(shí)際意義的干旱指標(biāo)［13－16］。植物對(duì)土壤水分脅迫有復(fù)雜的調(diào)控反饋機(jī)制，土壤水分虧缺并不總是降低產(chǎn)量，適度的水分虧缺對(duì)有些作物而言并不會(huì)引起減產(chǎn)［17－19］。河西走廊荒漠區(qū)在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍下，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，荒漠抗旱植物是生態(tài)治理和防沙治沙的關(guān)鍵因子［20－22］。荒漠植物刺蓬和冰草由于長(zhǎng)期在干旱環(huán)境下生存，形成了一系列抵御干旱逆境的生理生態(tài)機(jī)制，研究其對(duì)干旱環(huán)境的生理生態(tài)學(xué)適應(yīng)機(jī)制，對(duì)當(dāng)前植物抗逆育種、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和植物抗旱性能評(píng)價(jià)等都具有重要意義。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)方法

1．1試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)地處騰格里沙漠邊緣和河西走廊綠洲的過(guò)渡地帶，試驗(yàn)點(diǎn)位于河西走廊東部荒漠區(qū)的武威荒漠生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(37°53'N，102°53'E)，海拔1534．8m，為典型的內(nèi)陸荒漠干旱氣候區(qū)，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(yàn)區(qū)土壤pH值平均為8．43，有機(jī)質(zhì)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(yàn)品種為刺蓬(Cornulacaalaschanica)和冰草(Agropyroncristatum)，每種植物試驗(yàn)設(shè)定3種處理:自然干旱(CK)———自然生長(zhǎng)，無(wú)水分增加或減少，通過(guò)自然耗水形成持續(xù)干旱;遮雨處理(T1，代表持續(xù)干旱脅迫)———前期自然生長(zhǎng)，展葉后遮雨，實(shí)現(xiàn)水分比過(guò)去同期降水量減少，然后通過(guò)自然耗水形成持續(xù)干旱;灌水處理(T2)———前期自然生長(zhǎng)，返青后每個(gè)月補(bǔ)充水分。各處理試驗(yàn)面積為15m2(3m×5m)，即每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，各重復(fù)面積為5m2(1m×5m)。試驗(yàn)于2014年11月—2015年12月進(jìn)行，6月10日補(bǔ)充灌水量為54．30mm，7月13日補(bǔ)充灌水量122．25mm，8月4日補(bǔ)充灌水量294．08mm，9月4日補(bǔ)充灌水量229．50mm。

1．2試驗(yàn)方法

在3種水分處理下，按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》［23］分別觀測(cè)刺蓬和冰草的物候期、高度、覆蓋度和生物產(chǎn)量等。用土鉆法觀測(cè)植株周圍0～30cm的土壤水分。

2結(jié)果分析

2．1不同水分處理對(duì)刺蓬和冰草物候期的影響

從表1可見(jiàn)不同水分處理對(duì)荒漠刺蓬物候期的影響顯著。從返青期開(kāi)始試驗(yàn)處理，與自然生長(zhǎng)相比，遮雨處理下花序形成始期至開(kāi)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(kāi)花始期卻分別提前7d、8d，種子成熟期推后5d。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(返青至開(kāi)花始期)間隔日數(shù):遮雨處理(65d)＞自然生長(zhǎng)(61d)＞灌水處理(53d)，而生殖生長(zhǎng)期(花序形成普遍期至黃枯始期)間隔日數(shù):遮雨處理(20d)＜自然生長(zhǎng)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(guān)，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(guān)系數(shù):20cm(0．7577)＞10cm(0．6535)＞30cm(0．6366)，相關(guān)性顯著;與自然生長(zhǎng)的刺蓬物候期相關(guān)系數(shù):10cm(0．9662)＞30cm(0．8928)＞20cm(0．6702)，相關(guān)性極顯著;與灌水處理的刺蓬物候期相關(guān)系數(shù):30cm(0．5635)＞20cm(0．4647)＞10cm(0．4362)，相關(guān)性不顯著。冰草展葉后進(jìn)行水分處理，與自然生長(zhǎng)相比，遮雨處理黃枯生長(zhǎng)期提前23～83d，而灌水處理對(duì)應(yīng)的物候期推后2～8d，且生殖生長(zhǎng)期間隔日數(shù):遮雨處理(90d)＜自然生長(zhǎng)(173d)＜灌水處理(177d)，方差分析結(jié)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(guān)，相關(guān)系數(shù)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(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為10cm(0．9683)＞20cm(0．7850)＞30cm(0．5603);而自然生長(zhǎng)的冰草物候期只與10cm土壤體積含水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．7302。

2．2不同水分處理對(duì)刺蓬和冰草生長(zhǎng)高度的影響

刺蓬生長(zhǎng)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(shù)式”增大，黃枯始期開(kāi)始減小;自然生長(zhǎng)下呈漸進(jìn)式增大;3種處理下差異顯著(p＜0．05)。遮雨處理下:刺蓬生長(zhǎng)高度與土壤體積含水量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．6628～0．8404;刺蓬返青12d后生長(zhǎng)高度較自然生長(zhǎng)開(kāi)始減小，10～30cm平均土壤體積含水量為2．4mm;返青64d是拐點(diǎn)，10～30cm平均土壤體積含水量下降至0．5～0．6mm，刺蓬生長(zhǎng)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(tài)。而灌水處理由于人工灌水，土壤含水量與生長(zhǎng)高度呈不顯著正相關(guān)，且生長(zhǎng)高度較自然生長(zhǎng)增大3．9%～35．4%，返青80～106d增幅明顯。刺蓬生長(zhǎng)速度在遮雨處理下從返青73d穩(wěn)定減小，灌水處理下從返青106d開(kāi)始減小，自然生長(zhǎng)從返青80d減小(圖1)。冰草生長(zhǎng)高度在遮雨處理下返青88d后呈線性遞減趨勢(shì)，灌水處理下先增大再保持平穩(wěn)后階梯式減小，自然生長(zhǎng)下呈緩慢減小趨勢(shì)。遮雨處理生長(zhǎng)高度與土壤體積含水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．4519～0．5520;與自然生長(zhǎng)相比，遮雨處理冰草生長(zhǎng)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(zhǎng)高度開(kāi)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(zhǎng)高度直線下降。而灌水處理與土壤含水量呈不顯著正相關(guān)，灌水處理下冰草生長(zhǎng)高度較自然生長(zhǎng)增大2．0%～40．0%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至3．4mm時(shí)，生長(zhǎng)高度出現(xiàn)低谷;土壤含水量下降至2．1mm時(shí)，自然生長(zhǎng)的冰草高度明顯減小。冰草生長(zhǎng)速度，遮雨處理下從返青88d穩(wěn)定減小，灌溉處理下從返青128d開(kāi)始減小，自然生長(zhǎng)下從返青114d減小。方差分析結(jié)果表明，3種處理差異極顯著(p＜0．01)。

2．3不同水分處理對(duì)刺蓬和冰草干物質(zhì)的影響

如圖2所示，3種處理下刺蓬生長(zhǎng)前期干物質(zhì)差異不明顯，而刺蓬干物質(zhì)積累與土壤體積含水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)遮雨處理(0．8000)＞自然生長(zhǎng)(0．7057)＞灌水處理(0．3376)。返青106d時(shí)，遮雨處理冰草干物質(zhì)較自然生長(zhǎng)偏小47%，到返青121d時(shí)偏小幅度達(dá)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(shí)干物質(zhì)較自然生長(zhǎng)偏大4．0倍和2．1倍。自然生長(zhǎng)的刺蓬在10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．0mm時(shí)，干物質(zhì)出現(xiàn)低谷(圖2刺蓬自然)。刺蓬返青74d后3種處理間差異就顯現(xiàn)，灌水處理刺蓬干物質(zhì)明顯偏高，返青106d差異性達(dá)到顯著(p＜0．05)。3種處理下冰草生長(zhǎng)前期的干物質(zhì)差異也很小，冰草干物質(zhì)與土壤體積含水量呈不顯著正相關(guān)，返青119d時(shí)遮雨處理干物質(zhì)較自然生長(zhǎng)略偏小1%，10～30cm平均土壤體積含水量下降至1．7mm;返青150d時(shí)偏小4%，返青181d時(shí)偏小20%，返青197d時(shí)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(zhǎng)17%～36%。方差分析結(jié)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(zhǎng)后期干物質(zhì)總體變化趨勢(shì)為遮雨處理＜自然生長(zhǎng)＜灌水處理。刺蓬平均覆蓋度也呈現(xiàn)遮雨處理(18%)＜自然生長(zhǎng)(20%)＜灌水處理(34%);冰草平均覆蓋度呈現(xiàn)遮雨處理(28%)＜自然生長(zhǎng)(31%)＜灌水處理(43%)。

3結(jié)論

(1)持續(xù)干旱脅迫導(dǎo)致荒漠刺蓬和冰草營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，生殖生長(zhǎng)期縮短，全生育期縮短。

(2)從生長(zhǎng)高度看，持續(xù)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(zhǎng)高度的拐點(diǎn);返青130～135d是冰草生長(zhǎng)高度的拐點(diǎn)，土壤體積含水量低至0．3～0．4mm。

(3)從干物質(zhì)積累看，持續(xù)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(duì)刺蓬干物質(zhì)影響最明顯;而冰草干物質(zhì)積累在返青181～197d，土壤體積含水量低至1．5mm左右時(shí)影響最顯著。

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作者:蔣菊芳 王鶴齡 魏育國(guó) 丁文魁 楊永龍 任麗雯 程倩 楊華 單位:中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅省武威市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站