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荒漠刺蓬和冰草生长研究范文

时间:2022-11-30 10:25:23

荒漠刺蓬和冰草生长研究

《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

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