不同品系花椒幼苗抗旱性研究

陈红林, 林 强，张 群,郑 涛,苏柯星，王 辉，刘淑明

(1.西北农林科技大学理学院, 陕西 杨凌 712100；2.青海省林业专用物资储备中心，青海 西宁 810000;3.富平县林业发展中心，陕西 富平 711700)

干旱是植物生长过程中经常发生的气象灾害。植物抗旱性研究一直是植物生理生态学研究的热点。大量研究表明，植物抵御干旱的机制复杂多样，不同种类具有不同的抗旱能力，而不同品系的抗旱能力和方式也不尽相同。在水资源短缺和季节性干旱的丘陵山地，选择抗旱性强的植物进行人工造林，无疑是提高造林效率，改善区域生态环境最为经济、有效的方法。因此，研究干旱条件下植物生理生态特征及其调控机制，对实现干旱半干旱地区植物高效用水具有重要意义。

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是芸香科( Rutaceae) 花椒属落叶小乔木，是中国干旱半干旱地区的木本油料及香料树种。花椒自然分布于中国的东北、华北、华中、西南、西北地区，分布面积达1 200 km2[1]。由于其分布范围广泛，长期的栽培和自然选择的结果，品系及个体间性状变异较大[2]。目前，有关花椒的研究主要集中于栽培[3]、育种[4]和化学成分[5-6]等方面。有关干旱对花椒幼苗不同品种生理特性[7-8]及根系形态[9]的影响已有报道，但对于不同品系及其抗旱性的研究还很少。充分利用花椒资源丰富和地理变异的遗传优势，选育适于特殊生境的抗逆品系或者品种，对促进品种改良，实现丘陵山地造林工程的良种化具有重要意义。本研究通过盆栽实验，分析持续干旱胁迫下不同品系花椒幼苗几种主要生理指标的变化，探讨不同品系对干旱胁迫的适应机理及差异性，为花椒耐旱品种筛选与应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 材料及处理 试验材料为6个品系花椒1 a生实生苗，种子来源于陕西凤县、陕西韩城、青海循化、河北涉县、甘肃秦安，采种树树龄约10 a生。采种地的地理及气候特征见表1。

表1 采种地地理及气候特征

2015年10月下旬，选取生长良好且规格相对一致的幼苗移栽到容器(桶高30 cm，口径25 cm)中，每桶栽1株。试验用土按园土∶腐殖质∶河沙=4∶1∶1的比例混合而成。每桶装土12 kg，田间持水量22.28%(采用环刀法测定)，为确保生长状况一致，幼苗进行了基部截干处理。2016年春季，当花椒萌芽后，留取生长健壮的萌芽1个。4月下旬开始进行土壤梯度控水，共设4个水分梯度处理，土壤相对含水量分别为75%～80%(对照，适宜水分，CK)、55%～60%(轻度胁迫，MIS)、40%～45%(中度胁迫，MOS)和30%～35%(重度胁迫,SES)，每个处理重复5次。同时，每个处理中用不栽植苗木的桶测定蒸发量(E1)，E1为相邻2次测定值之差。2016年从5月1日开始，隔日18∶00用电子天平对各处理称质量，并补充散失的水量(E2)，记录桶质量及灌水量，计算单株蒸腾耗水量(L):L=E2-E1。9月底测定结束。干旱试验在西北农林科技大学试验苗圃智能温室内进行。

1.2 测定方法

1.2.1 耗水量 隔日18∶00对各处理进行称重，计算并补充散失的水量。

1.2.2 生长量 控水前和生长结束时，分别测定地径和苗高。地径采用游标卡尺(精度0.02 mm)测定，高度采用钢卷尺测定。

1.2.3 生物量

(1)地上部分。2016年10月初，剪去花椒地上部分，将茎和叶分开，并立即称重,得鲜重；在105℃下杀青30 min,再在80℃下烘至恒重,得花椒地上各部分干重。

(2)地下部分。将根系冲洗干净后,用吸水纸吸干根系表面的水分,称得单株鲜重；在80℃下烘至恒重,得地下部分单株干重。

1.2.4 水分利用效率 以单株地上部分干质量与其同期蒸腾耗水量之比来表示。

1.2.5 生理指标测定 从2016年5月下旬开始，在5个盆栽幼苗的树冠中部，从3个不同方向分别采样，混合后用密封袋保存带回实验室，对叶片相对含水率和细胞膜透性快速测定，剩余材料保存于-70℃冰箱中，用于其他生理指标的测定。每月采样并测定1次，每次测定重复3次，8月下旬结束。

(1)叶片相对含水率(RWC)。采用烘干法测定，并用以下公式计算：

RWC(%)=(鲜重-干重)/(饱和重-干重)×100%

(2)保护酶活性[10]。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑光还原法测定；过氧化物酶(POD)采用愈创木酚显色法测定；

(3)丙二醛(MDA)。采用硫代巴比妥酸法测定[11]；

(4)渗透调节物质含量[11]。游离脯氨酸含量采用茚三酮法测定；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝染色法测定；细胞膜透性采用电导仪法测定。

1.2.6 数据处理 采用模糊数学隶属函数法进行抗旱性综合评价[12]。每个品系各指标综合评判采用模糊数学隶属函数计算公式进行定量转换后，再将各指标隶属函数值取平均，进行比较。隶属函数公式为:R(Xj) = (Xj-Xmin) /(Xmax-Xmin)，如果指标与抗旱性呈负相关，则:R(Xj) = 1 - (Xj-Xmin) /(Xmax-Xmin)。式中，Xj为干旱胁迫下指标测定值，Xmin和Xmax为胁迫下所有参试材料某一指标的最小值和最大值。将抗旱隶属函数值进行累加，并求其平均值。

对试验数据用SPSS进行方差分析，差异显著性运用Duncan’s检验法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同品系花椒蒸腾耗水的影响

研究结果表明，干旱胁迫时花椒蒸腾耗水量降低(图1)。在不同水分处理条件下，耗水量差异较大。水分适宜时花椒生长旺盛，叶面积大，蒸腾强烈，耗水量多；相反，干旱胁迫时生长受抑，其叶面积减小，蒸腾耗水量降低。可以看出，6—7月份是花椒生长旺盛的时期，不同水分条件下的耗水量均较高。不同品系的花椒在相同水分处理条件下，蒸腾耗水量表现出凤县花椒>循化花椒>涉县花椒>秦安花椒>韩城花椒。

2.2 干旱胁迫对不同品系花椒生物量的影响

随着干旱胁迫程度的增加，不同品系根系干重呈下降趋势(表2)。其中，降幅最大的是凤县花椒，在轻度、中度和重度胁迫时，根系干重分别较对照降低了14.3%、41.3%和60.2%。降幅最小的是韩城花椒，分别较对照降低了8.1%、21.2%和47.7%。随着胁迫程度的增加，不同品系的根系生物量分别占总生物量的比例呈增大趋势。循化花椒、凤县花椒、涉县花椒、秦安花椒、韩城花椒在中度胁迫时，根系生物量分别占总生物量的38.8%、38.6%、43.2%、45.1%和46.5%；在重度胁迫时，分别占总生物量的42.6%、40.3%、42.9%、44.6%、46.6%。干旱胁迫后，不同品系花椒地上部分生长受抑，干重降低，且随着胁迫程度增加而降幅增大。在中度胁迫时，循化花椒、凤县花椒、秦安花椒、涉县花椒、韩城花椒叶干重分别较对照降低了42.9%、42.8%、40.1%、38.5%、30.5%；在重度胁迫时，降低了61.1%、58.4%、52.7%、48.8%、45.6%。表明花椒不同品系适应干旱的能力存在差异，涉县花椒、韩城花椒适应性较强，干旱胁迫对其地上部分生长的影响较小，而循化和凤县花椒生长显著降低，干旱对其生长的抑制作用较为显著。

图1 不同处理条件下花椒日蒸腾耗水量Fig.1 Daily water consumption of Z. bungeanum under different drought stress treatments

表2 不同品系花椒生物量

研究结果表明，干旱胁迫条件下花椒的根冠比增大(表2)，且重度水分胁迫时根冠比显著高于适宜水分(P<0.05)，表明干旱胁迫影响了花椒营养物质的分配，干旱促进营养物质向根的分配，减少了向冠部的运输，导致根冠比增大。同时，秦安、韩城花椒具有较大的根冠比，表明其根系发达，具有耐旱性特征。

2.3 干旱胁迫对不同品系花椒水分利用的影响

干旱胁迫条件下，花椒水分利用效率(WUE)提高(表3)，重度胁迫时WUE最大，循化、凤县、涉县、秦安、韩城品系分别较对照提高了24.8%、32.7%、44.8%、26.2%和36.4%(P<0.05)，表明花椒通过降低对水分的消耗而适应干旱条件。同时，韩城、秦安、涉县品系在不同水分条件下，其水分利用率均较高，显著高于循化和凤县品系(P<0.05)；凤县花椒对干旱条件较为敏感，随胁迫程度的增加，生长量显著减小，水分利用率降低。

表3 不同品系花椒水分利用效率/(g·g-1)

2.4 干旱胁迫对不同品系花椒地上部分生长的影响

干旱胁迫条件下，不同品系的苗高生长和地径生长均表现出适宜水分>轻度胁迫>中度胁迫>重度胁迫，同时，各品系的生长状况存在差异，重度水分胁迫时，循化、凤县、秦安、涉县、韩城品系的苗高生长量分别较对照减小了61.6%、67.5%、56.2%、55.8%、47.2%(P<0.05)，地径生长量分别较对照减小了38.7%、44.2%、34.5%、32.4%、32.7%(P<0.05)(表4)。

2.5 干旱胁迫对不同品系花椒生理特性的影响

花椒叶片相对含水率与土壤含水量有关，随干旱程度的增加，叶片相对含水率显著减小(表5)。相同水分条件下，韩城花椒的相对含水率较高，重度胁迫时，其相对含水率较循化、凤县、涉县、秦安花椒分别高16.2%、29.7%、11.3%、4.1%。表明持续干旱条件下，韩城花椒叶片的保水能力较强。

研究结果表明，随土壤含水量降低，花椒叶片的脯氨酸含量增大(表5)。重度胁迫时，脯氨酸含量显著高于对照(P<0.05)，且不同品系之间差异显著(P<0.05)。MDA是脂膜过氧化的产物之一，其含量高低能够反映细胞受到胁迫的严重程度[13]。干旱条件下，花椒MDA含量呈上升趋势，其中凤县花椒MDA含量增幅最大，重度和中度胁迫时，分别较对照高248.8%和177.6%，表明随胁迫程度的增加，对其细胞膜伤害较大，而秦安花椒和韩城花椒的MDA含量增幅较小。重度胁迫时，不同品系之间差异显著(P<0.05)。干旱胁迫条件下，花椒可溶性蛋白含量增大，且秦安花椒和韩城花椒的可溶性蛋白含量较高，重度胁迫时，二者与循化、凤县、涉县花椒差异显著(P<0.05)。花椒细胞膜透性随干旱胁迫程度增加而增大，除韩城花椒和秦安花椒外，其他品系在轻度胁迫、中度和重度胁迫时差异显著(P<0.05)。凤县花椒在重度胁迫时，细胞膜透性最大，分别较循化、秦安、涉县、韩城花椒高4.5%、10.0%、18.1%、32.0%。

SOD和POD活性与植物细胞的抗氧化能力呈正相关[14-15]。表5表明，花椒SOD活性在中度胁迫时最高，随胁迫程度的增加活性下降，涉县、秦安、韩城花椒在中度胁迫和重度胁迫时，SOD活性差异不显著，而凤县、循化花椒差异显著(P<0.05)。其中，涉县花椒的SOD活性较高，在中度胁迫时，分别较循化、凤县、秦安、韩城花椒高18.5%、17.7%、14.9%、2.1%。花椒POD活性在适宜水分时最高，随土壤含水量的减少POD活性降低。在不同水分胁迫条件下，韩城花椒的POD活性均最大，如在重度胁迫时，分别较循化、凤县、秦安、涉县花椒高36.2%、40.2%、5.7%、14.2%。

表4 不同水分条件下花椒苗高和地径生长量

表5 不同水分条件下花椒叶片的生理指标

2.6 大红袍花椒抗旱性综合评价

植物的抗旱性是生理、生化及形态特征的综合表现[16-17]。从以上的分析可以看出，单一指标并不能准确地反映花椒的抗旱性。以苗高、地径、相对含水率、脯氨酸含量、MDA含量、可溶性蛋白含量、细胞膜透性、POD活性、SOD活性、水分利用效率为 指标，采用隶属函数法对花椒的抗旱性进行综合评价。由表6可知，根据隶属函数的平均值，不同品系的抗旱性排序为韩城花椒>涉县花椒>秦安花椒>循化花椒>凤县花椒。

3 结论与讨论

研究结果表明，干旱胁迫时花椒蒸腾耗水量降低，且不同品系之间差异显著(P<0.05)。在中度水分胁迫条件下，循化、凤县、秦安、涉县、韩城花椒5—9月份的蒸腾耗水量分别为1 148.97、1 001.78、923.08、792.92、951.06 g。随着干旱胁迫程度的增加，花椒生物量减小，根冠比增大，根系干重占总生物量的比重呈增大趋势，而叶片干重占生物量的比重呈下降趋势。根据生长及生理指标进行抗旱性综合比较，不同品系的抗旱性表现依次为韩城花椒>涉县花椒>秦安花椒>循化花椒>凤县花椒。

表6 不同品系花椒隶属函数及抗旱性排序

花椒属于喜光树种，耐旱、耐瘠薄。6-7月份光照和热量充足，是花椒的速生期。当水分条件适宜时，其代谢旺盛，蒸腾加强，耗水量大，生长快。在干旱胁迫条件下，花椒苗高和地径生长量降低，根冠比增大，表明干旱条件下根系生长较冠部受到的影响较小[18]，花椒将有限的光合产物较多地分配到地下部分，增大根系对水分吸收的范围，这是花椒降低地上部分水分消耗和避免水分亏缺的适应策略，尤其是涉县、秦安、韩城花椒具有较大的根冠比，表现较为突出。随干旱程度的增强，根系生长受到的影响程度逐渐增加，生物量减小。事实上，在干旱、半干旱地区，花椒虽然有分布，但树体较小，产量低，主要是水分条件限制了其地上部分的生长，因此，应选择有利的地形和土壤，合理布局。

植物的抗旱性是受形态、解剖及生理生化特性控制的复合性状[19]。干旱发生时，植物通过多种途径抵御或忍耐干旱,单一的指标难以反映出植物对干旱适应的综合能力[20-22]。因此，只有采用多项指标的综合才能比较准确地评价植物的耐旱水平。本文选择的评价指标主要从植物对干旱的适应性和抗旱生产力两方面考虑。适应性指标包括根冠比、叶片相对含水率、细胞膜透性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、MDA含量、POD、SOD活性，抗旱性生产力指标包括苗高、地径、生物量、水分利用效率。这些指标基本上包括了树木对干旱的适应性和抗旱生产力的主要方面[23]，用它们评判无性系的抗旱能力是比较客观和科学的。韩城花椒和涉县花椒在干旱条件下，相对含水率较高，MDA含量及细胞膜透性增幅较小，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD和POD活性显著增大，表明这两个品系的花椒叶片的保水能力较强，对可溶性蛋白及脯氨酸的积累较多，增强了细胞的渗透调节性能，在干旱胁迫时，具有较强的消除活性氧对细胞伤害的能力，稳定膜系统。同时，从根冠比可以看出，涉县、韩城花椒具有较大的根冠比，表明其通过增大根系以增加对水分的吸收，从而抵御干旱。循化花椒和凤县花椒由于其分布区气候较为湿润，在水分条件适宜及轻度水分胁迫时，蒸腾量大，地上部分生长较快，但对干旱条件较为敏感，随胁迫程度的增加，生长量显著减小，水分利用率降低，抗旱性相对较弱。

在实际推广工作中，应根据立地条件和各地的气候特征进行引种和栽植。如果在干旱较轻的地区，则可选择轻度和中度水分胁迫下生长较好且品质优良的品系，如凤县花椒含油率高、麻味浓、香味浓郁，虽然在重度水分条件下生长受抑，抗旱生产力低，但在轻度胁迫条件下(土壤相对含水率55%～60%)生长良好，具有较高的经济价值。如应用于比较干旱的地区，则应选择在严重胁迫时抗旱生产力高的品系，如韩城花椒和涉县花椒，在发挥生态效益的同时，亦具有一定的经济价值。

本研究是针对花椒幼苗阶段抗旱性进行的研究，由于植物在不同生长发育时期其抗旱性存在一些差异性。因此，可进一步对花椒不同生长发育阶段的抗旱性进行长期观测和深入研究，以期获得更为全面、系统的抗旱性评价。