林业科学  2015, Vol. 51 Issue (7): 148-156   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150717
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文章信息

高润梅, 石晓东, 王林, 韩娜
Gao Runmei, Shi Xiaodong, Wang Lin, Han Na
当年生华北落叶松幼苗的耐旱性
Drought Resistance of One-Year-Old Seedlings of Larix principis-rupprechtii
林业科学, 2015, 51(7): 148-156
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(7): 148-156.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150717

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收稿日期：2014-11-20
修回日期：2015-06-11

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高润梅
石晓东
王林
韩娜

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高润梅, 石晓东, 王林, 韩娜. 2015. 当年生华北落叶松幼苗的耐旱性[J]. 林业科学, 51(7): 148-156.
Gao Runmei, Shi Xiaodong, Wang Lin, Han Na. 2015. Drought Resistance of One-Year-Old Seedlings of Larix principis-rupprechtii. Scientia Silvae Sinicae, 51(7): 148-156.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150717
当年生华北落叶松幼苗的耐旱性
高润梅, 石晓东, 王林, 韩娜    
山西农业大学林学院 太谷 030801
收稿日期：2014-11-20；修回日期：2015-06-11
基金项目：国家自然科学基金项目(31400536)；山西省自然科学基金项目(2012011033-6)；山西农业大学作物学博士后流动站基金项目(125376)；山西农业大学2010年引进人才科研启动项目(2010008)。
摘要：【目的】 研究土壤干旱对华北落叶松幼苗生长与生理的影响，揭示该种的苗期耐旱性与生长策略，预测干旱气候对幼苗更新的影响，为评估未来气候变化下该种的种群动态与制定合理的经营措施提供理论支撑，同时也为干旱地区的人工林营造特别是苗木管护提供依据。【方法】 以当年生华北落叶松幼苗为试验材料，在盆栽条件下，采用称重控水法，将土壤相对含水量分别控制在最大田间持水量的70% ~80% (对照)、50% ~60% (轻度干旱)、35% ~50% (中度干旱)和20% ~35% (重度干旱)，研究不同干旱处理对华北落叶松幼苗生长、叶绿素含量、抗氧化系统和渗透调节的影响，分析幼苗耐旱性，确定该种的干旱胁迫阈值。【结果】 轻度干旱对华北落叶松幼苗针叶和幼茎的伸长生长影响较小，中度和重度干旱显著抑制针叶和茎的伸长生长，3种干旱处理均明显促进侧根的发生与伸长，干旱时幼苗的针叶长与主根长紧密相关； 针叶的叶绿素总量和叶绿素a含量对轻度干旱无明显反应，随干旱加强而持续下降，重度干旱时叶绿素b含量下降，但3种干旱强度下的叶绿素a、叶绿素b含量之比无明显变化； 随干旱加强，华北落叶松幼苗的SOD酶和POD酶活性持续增强，丙二醛和脯氨酸含量持续增加，可溶性蛋白质含量下降，茎的可溶性糖含量持续增加，针叶和根的可溶性糖含量先增后减；干旱条件下幼苗的抗氧化系统和脯氨酸含量在3种营养器官之间紧密相关。【结论】 华北落叶松当年生幼苗的生长和生理作用几乎不受轻度干旱的影响或仅受较小影响，但受中度和重度干旱的影响显著。干旱条件下，华北落叶松幼苗采取减少地上部分生长、优先满足根系的生长策略，并启动抗氧化系统和积累脯氨酸来减轻干旱造成的伤害，具一定的耐旱性； 针叶的生理变化先于形态变化，未出现针叶变黄脱落的现象； 中度和重度干旱限制了针叶的碳摄取与根部的碳储藏，势必影响到幼苗的存活，推测华北落叶松当年生幼苗的干旱胁迫阈值应小于最大田间持水量的35%。山西省5月份的月均降雨量相当于本试验的中度干旱处理，接近于重度干旱处理，华北落叶松幼苗的生长显著受春旱影响，且未来区域气候的干旱化趋势下(降水量减少30%)，这种影响作用将更加严重。
关键词： 华北落叶松    幼苗    干旱    耐旱性    
Drought Resistance of One-Year-Old Seedlings of Larix principis-rupprechtii
Gao Runmei, Shi Xiaodong, Wang Lin, Han Na    
Forestry College of Shanxi Agricultural University, Taigu 030801
Abstract: [Objective] Larix principis-rupprechtii, a deciduous conifer tree species, is an important forest component and timber resource in subalpine of North China. This species is mainly distributed in subalpine regions of Shanxi province where droughts have occurred frequently in recent decades. In this study, drought effects on seedling growth and physiological responses of L. principis-rupprechtii were carried out to analyze its drought resistance and growth strategy at early stage. This study intends to provide a basis for afforestation, especially for seedling management and protection of this species. It can also efficiently predict regeneration of the species under the drying climate. [Method] A potted experiment with one-year-old seedlings of L. principis-rupprechtii was carried out with four water regimes by controlling soil water content using weighing method. Light drought (LD) was treated as 50%-60%, moderate drought (MD) as 35%-50%, severe drought (SD) as 20%-35%, and control (CK) as 70%-80% of field water carrying capacity, respectively. For each treatment, length of needles, stems and primary roots of the seedlings were measured, and lateral roots of each seedling were counted and measured to analyze drought effects on elongation growth of vegetative organs. Physiological indexes, including needle chlorophyll contents, antioxidants, i.e. SOD, POD activities and malondialdehyde (MDA) contents, and osmotic substances, i.e. proline, soluble sugar and protein were also measured to analyze seedling physiological changes. Then drought resistance of the one-year-old seedling was analyzed and drought stress threshold was estimated on the basis of above indexes. [Result] Elongations of needles and stems of L. principis-rupprechtii seedlings were significantly restrained by both the moderate and severe drought stress, but not significantly by light drought. The formation and elongation of lateral roots were promoted by all drought stresses. There was close correlation between primary root length and needle length under soil drought. Contents of total chlorophyll and chl a were not changed by light drought, but constantly decreased with increasing drought intensity. The Chl b content was decreased by severe drought while chl a/chl b was not significantly affected by drought. With increased drought level, activities of SOD and POD were both significantly promoted and contents of MDA and proline were remarkably increased, but soluble protein contents significantly decreased. Soluble sugar content of stems was continually rising by increased drought, while the sugar contents of needles and roots were increased by light drought but decreased by moderate and severe drought. The antioxidant system and proline contents of three organs (root, stem and needle) were closely related.[Conclusion] Light drought had no or only slight effects on the elongation growth and physiological indexes of seedlings, while moderate and severe drought had significant negative effects. One-year-old seedlings of L. principis-rupprechtii were of some drought resistance, fulfilled by the adaptive strategy that reduced the aboveground growth and gave priority to the root growth. The utility of antioxidant system and proline accumulation were also efficient responses to alleviate the seedling impacts by drought. Morphological change of needles was less distinct and less than physiological changes. No needles turned yellow or shed during the trail of 120 days. Carbon uptake of needles and carbon storage of roots were both affected by moderate and severe drought, which would lead to carbon starve and even to death of seedlings. It is estimated that the drought stress threshold of the relative water content of soil is less than 35% of field water carrying capacity. Mean monthly rainfall of May in Shanxi is roughly equal to the moderate and severe drought in this trail, thus seedling growth of L. principis-rupprechtii is substantially affected by the spring drought. The effect would be strengthened by the drying climate in future, saying the rainfall reducing by 30% of the present amount.
Key words: Larix principis-rupprechtii    seedling    drought    drought resistance    

20世纪80年代以来,气候变化对森林植被分布的影响受到极大关注(冷文芳等,2007; Mitchell et al.,2012; Am and a et al.,2014)。气候模型预测认为,我国北部寒温性针叶树种的适宜分布区到2100年将从我国完全消失(程肖侠等,2008)。林木幼苗更新对种群的增殖、扩散和延续具有重要作用(董丽佳等,2012),而夏季干旱条件下,多数树种难以实现更新(Olga et al.,2009)。据研究,新疆落叶松(Larix sibirica)林内幼苗缺失,与夏季土壤高温缺水密切相关(Dulamsuren et al.,2010; 2013)。幼苗根系浅,在与大径级个体的竞争中处于劣势,对水热条件的变化最敏感(Dalgleish et al.,2010; 董丽佳等,2012; 崔豫川等,2014)。因此,加强干旱对幼苗生长的影响研究对于理解气候变化对植物种群动态的影响具有重要的理论意义(吴敏等,2014)。

华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)为我国华北亚高山地区的优势树种,对分布区的水源涵养、生态平衡和景观维持等发挥着重要作用； 同时也是分布区的主要造林树种,具有较高的经济价值(杨秀清等,2009;石晓东等,2014)。山西省是华北落叶松的集中分布区,对该种的更新研究目前主要集中于部分非生物因子(如光照、凋落物、土壤氮素等)对幼苗生长和分布格局的影响等方面(郭晋平等,2009; 杨秀清等,2009; 石晓东等,2014)。山西省近几十年来降水量持续减少,干旱频发(俄有浩等,2011),高润梅等(2015)研究发现,华北落叶松林下幼苗不能正常成活和生长,逐年加剧的区域干旱气候是否影响其幼苗生长,目前尚无这方面的研究报道。本文拟通过水分控制的盆栽试验,开展干旱对华北落叶松当年生幼苗生长与生理特性的影响研究,明晰该种早期生长对干旱的反应与适应性特征,为评估未来气候变化下该种的种群动态与制定合理的经营措施提供理论支撑,同时也为干旱地区的人工林营造特别是苗木管护提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

2011年10月,在山西省关帝山60年生华北落叶松的天然次生林中采种,室温下晾干,保存于0～4 ℃冰箱。2014年3月20日,精选大小均匀的饱满种子,于山西农业大学林学院苗圃温室内育苗。蒸馏水浸种3天,2%的高锰酸钾溶液消毒15 min,蒸馏水多次冲洗后,均匀放入直径20 cm、深13 cm的塑料花盆内。每盆20粒,覆土厚度约1 cm,保证盆内土壤水分充足,温度25 ℃。试验所用土壤为采种地林下土壤(山地棕壤)、苗圃土(轻壤土)与河沙按照5∶4∶1(体积比)的混合物(郭晋平等,2009),每盆装土约1 kg。盆栽土壤的基本理化性质为：土壤密度0.97 g·cm-3,最大田间持水量25.76%,有机质含量4.56%,全氮、有效磷、速效钾的含量分别为0.102,0.017和0.127 g·kg-1。15天左右种子发芽后,每盆选留生长健壮的2株幼苗,常规管理。待幼苗生长约1个月后,选择苗高相近且长势一致的幼苗进行干旱处理。

1.2 干旱处理

山西省20世纪60,70,80,90年代和21世纪前10年生长季(5—9月)的月均降雨量和月平均气温如图 1所示(数据源于中国气象数据网)。50年来,生长季的月均降雨量持续减少,降幅为9.6%～17.6%；1960—1989年生长季的月平均气温变化不明显,90年代开始明显升高,增加0.5～1.0 ℃。降雨量减少和气温升高将共同导致干旱的发生。基于上述气象资料和其他树种的研究资料(刘锦春等,2011; 吴敏等,2014),本研究于5月10日开始对幼苗进行干旱处理。将土壤相对含水量分别控制在最大田间持水量的70%～80%(对照,CK)、50%～60%(轻度干旱,LD)、35%～50%(中度干旱,MD)和20%～35%(重度干旱,SD)。每个处理各50盆,每盆置托盘,收集因浇水等流失的土壤。试验期间盆栽苗在阴雨天置于温室内(避免其他水分进入),其余时间均露天放置,取自然温度与光照。称重法控制土壤含水量,每天早晚8时各称重1次,晚8时适量补充水分,使土壤相对含水量维持在预定的处理水平。

图 1 1960—2009年山西省生长季的月均降雨量和月平均气温 Fig. 1 Mean monthly rainfall and temperature of growing season in Shanxi from 1960 to 2009
1.3 幼苗生长与生理指标测定

1)幼苗生长指标测定     2014年9月8日(胁迫120天)停止干旱处理,进行幼苗生长测定。 每个处理挑选10株长势相近的幼苗,统计每株幼苗产生的侧根数,并测量不同处理下各幼苗的针叶、幼茎、主根与侧根的长度,精确至0.01 cm。

2)幼苗生理指标测定    收获法取样,不同处理的每个测定指标均重复3次,每重复随机选取5～7株幼苗,连同土壤从花盆内取出,小心去除根系表面土壤,装入封口袋,置于冰壶中带回实验室。2～4 ℃冰水(去离子水)小心洗净根系,吸掉多余水分,分离针叶、茎与根系后,丙酮浸提法测定针叶叶绿素含量,其余生理指标区分营养器官进行测定： 氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,愈创木酚显色法测定过氧化物酶(peroxidase,POD)活性,硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,茚三酮比色法测定脯氨酸含量,蒽酮比色法测定可溶性糖含量,考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白质含量。具体操作参照李合生(2000)的方法。

3)干旱胁迫阈值确定    逆境条件下,植物生长明显受到抑制的临界浓度即为阈值(刘会超等,2004)。本文以对华北落叶松幼苗生长和生理造成显著影响的土壤相对含水量极小值作为其干旱胁迫阈值。

1.4 数据分析

采用SPSS17.0软件对不同处理下华北落叶松幼苗的生长与生理指标进行数据分析,以单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比较法分析不同处理间各参数的差异显著性,用Pearson相关系数分析营养器官之间的相关性。

2 结果与分析 2.1 干旱对幼苗生长的影响

干旱影响华北落叶松幼苗营养器官的伸长生长,但影响作用存在差异(图 2)： 轻度干旱对针叶和幼茎的伸长生长影响较小； 在中度与重度干旱下,针叶与幼茎的长度均极显著短于对照(P<0.01,图 2A、图 2B),即此时茎和叶的伸长生长受到抑制。干旱条件下的主根长与对照差异不显著(P>0.05),但中度与重度干旱下的根茎比显著大于对照(P<0.05,图 2C)。干旱促进侧根的发生与伸长生长,对照的侧根数量为0.67,侧根长为1.06 cm； 轻度、中度和重度干旱下的侧根数量分别为1.68,1.06和1.17,均显著多于对照(P<0.05)； 轻度、中度和重度干旱下的侧根长分别为2.58,2.02和2.21 cm,均显著长于对照(P<0.05,图 2D)。

图 2 干旱对幼苗营养器官伸长生长的影响 Fig. 2 Drought effects on elongation growth of vegetative organs for seedlings

对华北落叶松幼苗各营养器官的伸长生长进行相关性分析,结果见表 1。干旱条件下针叶与幼茎长的相关性弱于对照,但针叶与主根长的相关性强于对照,这表明干旱条件下更多的光合产物用于根系生长。对照下主根的伸长生长与茎密切相关(P<0.05),但干旱时二者的相关性不紧密(P>0.05)； 侧根的伸长生长与茎不相关(P>0.05),但与总根长的相关性随胁迫加强,这表明干旱促进根系的伸长生长。

表 1 幼苗营养器官伸长生长的Pearson相关分析① Tab.1 Pearson correlation analysis for elongation growth of vegetative organs for seedlings
2.2 干旱对幼苗针叶叶绿素含量的影响

由表 2可知,轻度干旱时,华北落叶松幼苗的叶绿素总量为6.80 mg·g-1,接近于对照的含量6.87 mg·g-1(P>0.05),中度和重度干旱时分别为5.64和4.76 mg·g-1,极显著低于对照(P<0.001),且随干旱加强叶绿素总量下降。轻度干旱时的叶绿素a含量为4.36 mg·g-1,接近于对照的含量4.44 mg·g-1,中度和重度干旱时分别较对照下降25.22%和29.73%(P<0.01)。轻度和中度干旱下的叶绿素b含量均与对照无显著差异(P>0.05),重度干旱时显著低于对照(P<0.01),下降33.33%。3种干旱强度下的叶绿素a/叶绿素b均与对照无显著差异(P>0.05),即基本维持不变。

表 2 不同处理下幼苗针叶的叶绿素含量 Tab.2 Chlorophyll contents in needles of seedlings by different treatments
2.3 干旱对幼苗抗氧化系统的影响

干旱显著影响华北落叶松幼苗体内的保护酶活性(P<0.05)(图 3)。就SOD酶而言,相同干旱强度下,根部的SOD酶活性最高,茎部次之,针叶最低。不同干旱强度对各营养器官SOD酶活性的影响规律一致(图 3A)： 轻度干旱下的SOD酶活性与对照相近(P>0.05),中度和重度干旱下极显著高于对照(P<0.01)。中度和重度干旱下,针叶SOD酶活性均较对照增加约50%,茎分别增加54.44%和57.12%,根分别增加53.97%和62.01%。

图 3 干旱对幼苗营养器官保护酶活性的影响 Fig. 3 Drought effects on defense enzymes activities of vegetative organs for seedlings

与SOD不同,相同干旱程度下,幼苗茎的POD酶活性最高,根次之,针叶最低(图 3B)。干旱条件下,华北落叶松针叶的POD酶活性均极显著高于对照(P<0.001)： 轻度和中度干旱下,酶活性持续增强,重度干旱时略有下降,但活性仍显著高于对照和轻度干旱处理(P<0.05)。轻度干旱下茎的POD酶活性接近对照(P>0.05),中度与重度干旱下的POD酶活性极显著高于对照(P<0.01),分别增加49.16%和53.82%。根对POD酶反应最不敏感,轻度与中度干旱下根的POD酶活性均接近对照(P>0.05),重度干旱下的POD酶活性显著高于对照(P<0.05),增加52.80%。

由表 3可知,轻度干旱时华北落叶松幼苗针叶的MDA含量接近对照(P>0.05),但中度和重度干旱下,针叶的MDA含量均极显著高于对照(P<0.001),分别增加58.33%和71.81%。干旱处理下茎的MDA含量高于对照,但3种干旱强度间的差异不明显(P>0.05)。干旱条件下幼苗根的MDA含量极显著高于对照(P<0.001),且随干旱加剧,MDA含量逐渐上升,轻度、中度和重度干旱下分别增加42.12%,45.11%和67.47%。

表 3 不同处理下幼苗营养器官的丙二醛含量 Tab.3 MDA contents of vegetative organs for seedlings by different treatments
2.4 干旱对幼苗渗透调节的影响

干旱条件下华北落叶松幼苗体内的脯氨酸含量显著高于对照(P<0.001)。如图 4A所示,随干旱增强,针叶与根内的脯氨酸含量持续增加(P<0.001),针叶内脯氨酸对干旱的响应最为显著： 轻度、中度与重度干旱的脯氨酸含量分别是对照的2.49,4.18和5.46倍； 轻度与中度干旱时,幼苗茎内的脯氨酸含量持续增加,但重度干旱时略有下降。

图 4 干旱对幼苗营养器官脯氨酸和可溶性糖含量的影响 Fig. 4 Drought effects on contents of proline and soluble sugar in vegetative organs for seedlings

如图 4B所示,干旱对幼苗针叶、茎、根的可溶性糖含量的影响作用存在差异： 轻度干旱处理下,针叶的可溶性糖含量显著高于对照(P<0.001),随干旱加强,可溶性糖含量下降； 根与之相似,轻度干旱时可溶性糖含量略有升高(P>0.05),中度和重度干旱时显著降低(P<0.001)。与针叶和根不同,随干旱加强,茎的可溶性糖含量呈持续增加的态势(P<0.001)。

由表 4可知,轻度和中度干旱条件下,华北落叶松幼苗针叶的可溶性蛋白质含量分别为7.19和6.53 mg·g-1,均接近对照含量7.30 mg·g-1(P>0.05),重度干旱时下降至3.21 mg·g-1(P<0.001)； 茎的可溶性蛋白质含量呈现先上升后下降的趋势,但差异不明显(P>0.05)。干旱条件下根的可溶性蛋白质含量显著低于对照(P<0.001),轻度、中度和重度干旱下分别下降20.20%,28.50%和29.49%,但3种干旱强度间的差异不明显(P>0.05)。

表 4 不同处理下幼苗营养器官的可溶性蛋白质含量 Tab.4 Soluble protein contents of vegetative organs for seedlings by different treatments
2.5 营养器官生理指标相关性

以表 5所示6项生理指标进行营养器官间的相关分析。营养器官之间的SOD酶活性极显著相关(P<0.01),针叶与茎、茎与根的POD酶活性相关紧密(P<0.05),针叶与茎、针叶与根之间的MDA的相关性显著(P<0.05),说明干旱条件下幼苗器官之间抗氧化系统的协调统一。渗透调节在营养器官之间的相关性弱于抗氧化系统： 针叶与茎、针叶与根之间的脯氨酸含量显著相关(P<0.05),针叶与根之间的可溶性糖含量显著相关(P<0.05),营养器官之间的可溶性蛋白质不相关(P>0.05),这可能是由于不同渗透调节物质对干旱胁迫反应的敏感性差异造成。

表 5 幼苗营养器官间生理指标的Pearson相关分析 Tab.5 Pearson correlation analysis for physiological indexes among vegetative organs for seedlings
3 结论与讨论 3.1 干旱对华北落叶松幼苗生长与生理的影响

植物早期生长阶段对水分有较高要求,所以常用植物的早期生长来评价植物的耐旱性(Dalgleish et al.,2010; 董丽佳等,2012)。干旱时,植物会出现生长迟缓、植株低矮、生物量下降等现象(黄华等2011; 崔豫川等,2014)。本研究中,轻度干旱对华北落叶松幼苗针叶和茎的伸长没有明显影响,中度和重度干旱显著抑制幼苗针叶和茎的伸长； 但干旱促进幼苗功能根的发生与伸长,幼苗的根茎比、侧根的数量与长度均显著增加,即干旱发生时华北落叶松幼苗采取减少地上部分生长、优先满足根系生长的生长策略。女贞(Ligustrum lucidum)、海棠(Malus spp.)和杜鹃(Rhododendron spp.)等阔叶树种(黄华等,2008; 邓丽娟等,2011; 黄承玲等,2011)在逆境条件下叶片形态变化明显,会出现叶片边缘发生卷曲皱缩、叶色变黄、萎蔫至脱落等现象(黄华等,2008; 王宇超等,2010； 黄承玲等,2011)。与之相比,针叶树种叶部变化对干旱反应不明显,沙地柏(Sabina vulgaris)实生苗的植冠对水分梯度无明显响应(何维明,2001)； 夏季干旱未引起新疆落叶松(Larix sibirica)针叶脱落(Chenlemuge et al.,2013)。本文试验过程中未出现华北落叶松幼苗针叶变黄或脱落的现象。究其原因为：针叶树种长期适应干旱生境,通过根系吸收的矿质营养很大比例用于构建防卫结构,如分配较多的氮于非溶性蛋白纤维中,以增强细胞壁韧性防止失水过多； 植物体内同时积累渗透调节物质以降低植物的水势,形成厚度较大而面积较小的针叶(郑淑霞等,2007)。此外,孟鹏等(2010)对干旱胁迫下4年生樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)幼苗生长特征的研究结果表明,针叶类植物干旱胁迫时的生理指标先于形态发生变化。

干旱环境下植物的一些生理反应也可以很好地反映植物的抗旱性,其中抗氧化系统对活性氧的清除能力是关键指标之一(王宇超等,2010; 崔豫川等,2014)。SOD和POD是植物体内重要的抗氧化酶,水分胁迫时酶活性与抗氧化能力呈正相关。本研究结果也证实了这一观点,即干旱发生时,华北落叶松通过增强保护酶活性而减轻了干旱对幼苗的伤害。丙二醛(MDA)是衡量植物逆境伤害的常用指标,其产生与保护酶相关(黄承玲等,2011; 崔豫川等,2014)。本试验中,干旱处理幼苗的体内MDA含量增加,其轻度和中度干旱下增幅较小,说明此时幼苗具较强的抗氧化保护酶系统,能够及时清除活性氧,幼苗受干旱伤害较小； 随干旱加强生成的活性氧超过防御系统的清除能力,没有清除的活性氧引起的伤害逐渐积累,导致膜脂过氧化加剧,MDA含量快速增加。华北落叶松幼苗器官之间抗氧化系统的紧密相关性也印证了干旱条件下幼苗积极启动抗氧化系统以减轻干旱造成的伤害。

渗透调节也是植物适应干旱环境的重要生理机制,通过积累细胞内溶物以维持多种生理过程正常进行。渗透调节物质对干旱的敏感性因植物种类而异(安玉艳等,2011; 潘昕等,2014; 崔豫川等,2014)。脯氨酸是华北落叶松幼苗重要和有效的渗透调节物质,幼苗体内的脯氨酸含量随干旱加剧而显著增加,针叶与茎、针叶与根之间的显著相关性也说明干旱发生时幼苗可以迅速积累脯氨酸,发挥渗透调节作用。可溶性糖含量增加可以使植物保持较高膨压,以此减弱干旱胁迫的不利影响(潘昕等,2014),干旱条件下华北落叶松幼苗各营养器官的可溶性糖含量变化不一致： 针叶在中度和重度干旱条件下可溶性糖含量下降,这可能是由于干旱过程中气孔关闭导致碳摄取受阻,植物碳摄取的减少可能会影响到植物的存活； 茎的可溶性糖含量随着干旱加剧而持续上升,这可能与水分长距离运输中的渗透调节功能维持有关； 根作为植物非结构碳水化合物的重要储藏器官,可溶性糖含量下降可能会影响新根的发生,这一点可以从中度和重度干旱下侧根数量和侧根长均小于轻度干旱得到佐证。干旱胁迫时,植物会诱导产生抗逆蛋白质以维持细胞较低的渗透势(安玉艳等,2011),本研究中随干旱加剧,华北落叶松幼苗的可溶性蛋白质含量减小,这可能由于幼苗体内的合成代谢受干旱影响受阻,或发生蛋白质降解(刘锦春等,2011)。

综上所述,华北落叶松幼苗的生长和生理作用几乎不受轻度干旱的影响或仅受较小影响,而受中度和重度干旱的影响作用显著。鉴于此,推测华北落叶松当年生幼苗受到的干旱胁迫阈值应小于最大田间持水量的35%。

3.2 区域干旱气候对华北落叶松幼苗更新的影响

冷文芳等(2007)关于东北地区落叶松属潜在分布对气候变化的敏感性分析表明,气温和降水是落叶松属分布的主要控制因子,随气候的“暖干化”(温度增加5 ℃,降水减少30%),华北落叶松将向东北方扩展约800 km。分布区的迁移与气候变化条件下林木能否正常更新密切相关。夏季干旱条件下,新疆落叶松在山地森林下缺失幼苗,在泛滥平原却有更新(Dulamsuren et al.,2010),说明水分缺乏是影响幼苗成活的主要原因(Brendan et al.,2012; Am and a et al.,2014)。

水分是幼苗生长的直接驱动力,轻度水分胁迫(田间持水量的55%～65%,下同)对杨树幼苗的地径与苗高生长影响较小,中度(45%～55%)和重度胁迫(35%～45%)对幼苗生长起显著的抑制作用(井大炜等,2013)。就水分处理水平而言,华北落叶松幼苗的耐旱性高于欧类Ⅰ-107杨(Populus×euramericana cv. ‘Neva’)(井大炜等,2013)。山西省春旱现象严重,1960—2013年5月的月均降雨量仅有31.32 mm,夏季降雨量增加,6月的月均降雨量为54.85 mm。5月的月均降雨量相当于本试验设计的中度干旱处理水平(月均加水量28.71～41.02 mm),接近于重度干旱处理水平(月均加水量16.41～28.71 mm)； 6月的月均降雨量接近于本试验的对照(月均加水量57.43～65.63 mm)和轻度干旱处理(月均加水量41.01～49.22 mm)。2012年对研究地区5个华北落叶松的林下更新调查表明,当年生幼苗6月萌发,至9月底全部死亡(高润梅等,2015)。5,6月的月均温接近于20 ℃,因此基本可以排除温度的影响作用,即干燥的林地环境可能是影响幼苗成活和生长的重要因素。若未来区域气候干旱化继续加强,以降水量减少30%(冷文芳等,2007; 董丽佳等,2012),研究地区6月的月均降水量将下降至38.39 mm,相当于本试验设计的中度干旱处理水平,幼苗生长必将遭受更严重的胁迫,导致生理代谢出现紊乱,最终引起幼苗死亡。

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