苜蓿和沙棘是我国西北干旱荒漠地区的常见植物且有一定种植规模，它们对土壤环境有较强的适应性，不仅能起到区域防风固沙、保持水土的作用，同时具有较高的经济价值^[1-2]。由于干旱荒漠区水资源匮乏，有效降雨补充不足，加之植物在苗期的根系尚不发达，难以利用较深层次的地下水，故其耐旱程度较弱，是干旱区植被恢复过程中对水分最敏感的阶段。因此，土壤水分成为影响这2种植物苗期生理生态特性及生长发育过程的关键生态因子^[3]，而目前对其苗期耐旱程度及干旱条件下对水分胁迫的适应性还有待进一步研究。

植物气孔导度(G_s)与叶水势(ψ_L)能有效反映植物生理状况和植物对水分条件的敏感程度^[4]，其对水分胁迫的响应规律是衡量植物抗旱性强弱的重要指标^[5]。罗永忠等^[3]发现干旱胁迫条件下紫花苜蓿的ψ_L和G_s日平均值均随胁迫程度加剧而降低。赵金梅等^[6]发现随胁迫程度的加剧，分枝期不同品种的紫花苜蓿光合速率下降的主要因素由气孔因素转化为非气孔因素。郭卫华等^[7]通过水分胁迫试验，发现黄土高原北部多年生沙棘、锦鸡儿移栽后，气温(T)、光合有效辐射(PAR)、气孔阻力(G)是叶片蒸腾速率的共同限制因子，而相对湿度(RH)对锦鸡儿的影响比沙棘更显著。然而，以往研究多侧重于这两种植物成熟期G_s或ψ_L在水分胁迫条件下与单一环境因子间的响应关系，但对于苗期水分胁迫条件下G_s与ψ_L的日变化特征及其对叶片相对湿度(RH_L)、叶片温度(T_L)、PAR的响应规律尚不明确。

基于此，本研究以苗期苜蓿与沙棘为研究对象，通过设置不同程度水分胁迫试验，研究两种植物G_s与ψ_L的日变化特征；分析2种植物G_s与ψ_L随RH_L、T_L、PAR变化特征，深入探究苜蓿与沙棘苗期对干旱胁迫环境的响应规律，为荒漠地区植被恢复建设提供技术支撑。

试验于2015年4—9月在北京林业大学苗圃内进行，苗圃位于北京市海淀区，属半湿润大陆季风气候，年平均温度为12.1℃，年平均降水量503 mm，无霜期21 d左右，年平均日照时间2 778.9 h，年总辐射量为5 283 MJ/m²，年平均降水量628.9 mm。

以2年生紫花苜蓿与沙棘苗为供试材料，采用盆栽种植方式，花盆直径20 cm、高17 cm，每盆装入等量取自苗圃空地的砂质土壤。于2015年4月至9月选取长势、株高相近，健康无病虫害的苜蓿(平均株高60 cm，分枝数6~8个)与沙棘幼苗(平均株高40 cm，平均地径1.6 cm)进行水分胁迫试验。

2015年4月开始对试验材料进行水分胁迫处理。试验根据土壤含水量占田间持水量的比例(表 1)设置充分供水(CK)、轻度水分胁迫(LD)、中度水分胁迫(MD)、重度水分胁迫(HD)4个胁迫梯度，分别选取12株长势、株高相似的苜蓿、沙棘苗，每个处理重复3次。试验前将所有供试植株浇足水分，用塑料膜覆盖土壤表层，防止水分蒸发，每次用量杯取水，添加水量用公式(1)计算。试验期间每日18:00测定土壤体积含水量并进行补水，同时设置透明塑料防雨棚，在阴雨天将盆栽移入棚内防止自然降雨干扰试验。

表 1(Tab. 1)

表 1 水分胁迫处理表 Tab. 1 Table on water stress treatments 处理编号 Treatment 胁迫程度 Stress level 土壤相对含水量/% Relative water content 土壤体积含水量范围/% Range of volumetric water content CK 充分供水Sufficient water supply 75~80 23.02~24.85 LD 轻度水分胁迫Light water stress 55~60 17.22~18.29 MD 中度水分胁迫Moderate water stress 35~40 12.18~13.63 HD 重度水分胁迫Severe water stress 25~30 8.85~10.58 Notes: CK, control with sufficient water supply. LD: light water stress. MD: moderate water stress. HD; severe water stress. The same below.

表 1 水分胁迫处理表 Tab. 1 Table on water stress treatments

式中：V_加为加水量, mL; W_设为设计土壤体积含水量, %; W_当为当前土壤体积含水量，%；V为土壤体积, cm³。

试验于2015年4月22日至5月6日，8月10日至25日，选择晴朗无云少风天气，分别对苜蓿与沙棘的土壤体积含水量(SWC，%)、ψ_L、G_s进行测量。各指标从06:00—18:00每隔2 h测量一次，SWC采用土壤水分测量仪HH2(英国)手持读数表进行观测，测量每个盆栽随机3个位置的SWC，取平均值；ψ_L(ψ，MPa)采用PSYPRO型露点水势仪(美国，Wescor公司)及C₅₂样品室进行测量；G_s(GS，mmol/(m²·s))、叶室温度(T_L，℃)、叶室相对湿度(RH_L，%)用SC-1稳态气孔计(美国，Decagon公司)测定；PAR由放置于苗圃中的气象站测定；试验测定叶片均选取苜蓿与沙棘苗中上部健康完好的3片功能叶进行测定，即每个处理共测定9个叶片。

采用SPSS 19.0进行方差分析，LSD法进行差异显著性检验；用R语言分析两种植物不同胁迫处理下ψ_L、G_s与RH_L、T_L、PAR的数量关系及显著性，用Excel 2013作图。

如图 1所示，苜蓿在CK与LD下G_s值于12:00和10:00达到最大值(P＜0.05)，分别为234.94、136.87 mmol/(m²·s)；MD与LD日变化特征趋于一致，MD条件下最大值为141.17 mmol/(m²·s)；HD变化较平缓，其最大值为113.23 mmol/(m²·s)。4种供水条件下G_s平均值大小分别为CK(162.12 mmol/(m²·s))＞LD(103.46 mmol/(m²·s))MD(101.98 mmol/(m²·s))＞HD(76.82 mmol/(m²·s)), 且G_s平均值除LD与MD之间差异不显著之外(P＞0.05)，其他处理间均存在极显著差异(P＜0.01)。沙棘不同供水条件下的G_s值变化规律基本一致，6:00—8:00，气孔导度处于上升趋势，于8:00达到最大值(P＜0.05)，之后呈现先降后升的趋势，并于16:00达到第2个极大值(P＜0.05)。4种供水条件下G_s平均值大小分别为CK(265.03 mmol/(m²·s))＞LD(235.10 mmol/(m²·s))＞MD(193.94 mmol/(m²·s))＞HD(169.12 mmol/(m²·s)), 且G_s平均值各处理间均存在极显著差异(P＜0.01)。沙棘与苜蓿G_s值不同处理间数值差异最小均在18:00，此时沙棘G_s平均值仍然比苜蓿大59.6%。两种植物的日变化幅度不同，沙棘全天的变化幅度(344.98~457.80 mmol/(m²·s))大于苜蓿(73.01~188.21 mmol/(m²·s))。沙棘上午(6:00—12:00)变化幅度是下午(12:00—18:00)的3.02倍，而苜蓿下午变化幅度是上午的2.64倍。

图 1(Fig. 1)

图 1 苜蓿与沙棘气孔导度日变化 Fig. 1 Diurnal variation of stomatal conductance of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides

如图 2所示，苜蓿在CK条件下，ψ_L日变化表现为先降后升的趋势，于14:00达到最低值-2.76 MPa (P＜0.05)，胁迫处理(LD、MD、HD)下ψ_L呈近“W”型的日变化趋势。两种植物ψ_L最大值均出现在06:00。沙棘不同胁迫处理下ψ_L变化趋势一致，呈先降后升的单峰曲线，最小值均出现在14:00。4种供水条件下苜蓿ψ_L平均值大小分别为CK(-2.32 MPa)＞LD(-2.45 MPa)＞MD(-2.60 MPa)＞HD(-3.02 MPa), 且除CK与LD之间ψ_L平均值不存在显著差异(P＞0.05)外，其余各处理间均存在极显著差异(P＜0.01); 4种供水条件下沙棘ψ_L平均值大小分别为CK(-1.97 MPa)＞LD(-2.10 MPa)＞MD(-2.39 MPa)＞HD(-2.68 MPa), 且除CK与LD、LD与MD之间ψ_L平均值不存在显著差异(P＞0.05)外，其余各处理间均存在极显著差异(P＜0.01)。苜蓿ψ_L各处理间数值差异最小出现在早上08:00 (P＜0.05)，极差为0.16 MPa；沙棘出现在早上06:00 (P＜0.05)，极差为0.32 MPa。苜蓿ψ_L值各处理间数值差异最大出现在16:00，极差为1.17 MPa，沙棘则出现在14:00，极差为1.11 MPa。沙棘与苜蓿上午ψ_L变化幅度均较下午大，沙棘ψ_L上下午变化幅度分别为1.21 MPa与0.58 MPa，而苜蓿则为0.94 MPa与0.38 MPa；苜蓿ψ_L全天的变化幅度是沙棘的78%，沙棘全天变化幅度随胁迫程度加剧而变大。植物ψ_L在一天中清晨最高，至中午随气温升高，蒸腾速率增大，随后ψ_L开始下降，ψ_L的最低点大致在下午15:00至16:00时，随后光照强度的减弱及蒸腾速率的减小，使得植物叶片水分损失减小，因而ψ_L开始回升^[8]。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同水分胁迫下苜蓿与沙棘叶片水势日变化 Fig. 2 Diurnal variation of leaf water potential of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides under water stress

以RH_L、T_L、PAR为自变量，G_s为因变量进行相关分析(表4)。各供水条件下苜蓿G_s与RH_L间均存在显著正相关关系；苜蓿G_s在MD与HD条件下，与T_L呈显著线性负相关关系，在LD和CK时与T_L相关性不显著；CK时，苜蓿G_s与PAR存显著正相关关系，其余各水分胁迫处理下均与PAR相关性不显著。各供水条件下沙棘G_s与RH_L呈显著正相关关系，与T_L在HD与MD条件下相关性不显著。在本研究测量范围内，沙棘G_s与PAR呈显著负二次相关关系，即G_s值随PAR呈先增后减趋势，G_s的最大值分别为CK：432.02，LD：384.32，MD：335.94，HD：307.73 mmol/(m²· s)，相应的PAR的值分别为CK：789.61，LD：784.99，MD：766.09，HD：758.68 μmol/(m²·s)，G_s最大值及相应的PAR值均表现出随胁迫程度的加剧而减小。相同水分胁迫下，沙棘G_s随RH_L、T_L、PAR的变化率大于苜蓿，沙棘各处理G_s随RH_L的变化率比苜蓿平均大203%，随T_L变化的变化率比苜蓿平均87%，这表明沙棘G_s对RH_L、T_L、PAR的响应较苜蓿敏感。

表 2(Tab. 2)

表 2 苜蓿与沙棘Gs与RHL、TL、PAR的相关性分析 Tab. 2 Correlation analysis of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides between Gs, RHL, TL, and PAR 植物 Plants 处理 Treatment RHL 数量关系 Numerical relationship R2 TL 数量关系 Numerical relationship R2 PAR 数量关系 Numerical relationship R2 苜蓿 Medicago sativa HD Gs=6.093RHL-22.262 0.764** Gs=-2.506TL+141.073 0.117* Gs=72.67PAR+76.450 0.000ns MD Gs=7.037RHL-32.630 0.901** Gs=-3.847TL+202.847 0.097* Gs=0.025PAR+89.120 0.026ns LD Gs=7.303RHL-38.776 0.853** Gs=-0.988 3TL+129.875 0.010ns Gs=0.329PAR+86.521 0.046ns CK Gs=10.276RHL-90.088 0.836** Gs=1.949TL-109.083 0.015ns Gs=0.130PAR+95.209 0.032** 沙棘 Hippophae rhamnoides HD Gs=19.710RHL-755.150 0.630* Gs=-24.599TL+846.363 0.571* Gs=0.714PAR-4.708×10^-4PAR^2+36.743 0.691* MD Gs=21.077RHL-797.678 0.693* Gs=-25.283TL+886.726 0.581* Gs=0.765PAR-4.993×10^-4PAR^2+42.906 0.736* LD Gs=23.741RHL-881.394 0.744* Gs=-26.14TL+951.460 0.526ns Gs=0.845PAR-5.379×10^-4PAR^2+52.850 0.702* CK Gs=27.38RHL-1018.506 0.769** Gs=-29.04TL+1064.960 0.504ns Gs=1.047PAR-6.628×10^-4PAR^2+38.769 0.823* 注：*表示在P=0.05水平相关性显著；**表示0.01水平相关性显著；ns表示0.05水平相关性不显著；Gs=气孔导度；RHL=叶片相对湿度；TL=叶片温度；PAR=光合有效辐射。下同。Notes：* indicates the correlation is significant at P＜0.05; ** indicates the correlation is significant at P＜0.01; ns indicates the correlation is not significant at P＜0.05. Gs, stomatal conductance; RHL, leaf relative humidity; TL, leaf temperature; PAR, photosynthetic active radiation. The same below.

表 2 苜蓿与沙棘Gs与RHL、TL、PAR的相关性分析 Tab. 2 Correlation analysis of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides between Gs, RHL, TL, and PAR

以环境因子(RH_L、T_L、PAR)为自变量，ψ_L为因变量进行相关性分析(表5)。各供水条件下苜蓿ψ_L与PAR呈显著负相关关系，除CK外均与RH_L呈显著正相关关系，与T_L无显著相关性。各供水条件下沙棘ψ_L与RH_L、T_L分别存在显著正、负相关关系；除CK外均与PAR呈显著负相关关系。相同水分胁迫条件下，沙棘ψ_L随RH_L、PAR变化的变化率大于苜蓿，沙棘各处理ψ_L随RH_L的变化率比苜蓿平均大267.8倍，而沙棘ψ_L随PAR的变化率比苜蓿大平均1.74倍，这表明沙棘ψ_L随RH_L、T_L、PAR的响应程度较苜蓿敏感。

表 3(Tab. 3)

表 3 苜蓿与沙棘ψL与RHL、TL、PAR的相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides between leaf water potential and RHL, TL, and PAR 植物 Plants 处理 Treatment RHL 数量关系 Numerical relationship R2 TL 数量关系 Numerical relationship R2 PAR 数量关系 Numerical relationship R2 苜蓿 Medicago sativa HD ψL=0.034RHL-3.682 0.081* ψL=0.023TL-3.555 0.039ns ψL=-5.790×10^-4PAR-2.720 0.095* MD ψL=0.024RHL-3.067 0.077* ψL=0.017TL-3.00 0.042ns ψL=-4.953×10^-4PAR-2.342 0.130* LD ψL=0.022RHL-2.884 0.087* ψL=0.007TL-2.621 0.010ns ψL=-4.337×10^-4PAR-2.228 0.133** CK ψL=0.006RHL-2.439 0.005ns ψL=0.010TL-2.555 0.016ns ψL=-0.000 786 7PAR-1.919 0.395** 沙棘 Hippophae rhamnoides HD ψL=5.946RHL-4.897 0.839* ψL=-0.088TL+0.703 0.943* ψL=-0.001PAR-1.533 0.714* MD ψL=5.930RHL-5.021 0.918* ψL=-0.084TL+0.436 0.937* ψL=-0.001PAR-1.696 0.679* LD ψL=7.172RHL-5.922 0.906* ψL=-0.100TL+0.648 0.906* ψL=-0.001PAR-1.912 0.638* CK ψL=9.250RHL-7.255 0.923* ψL=-0.126TL+1.124 0.881* ψL=-0.001PAR-2.110 0.594ns

表 3 苜蓿与沙棘ψL与RHL、TL、PAR的相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis of Medicago sativa and Hippophae rhamnoides between leaf water potential and RHL, TL, and PAR

本研究中，各供水条件下沙棘G_s均存在2个极大值，而苜蓿G_s在CK与LD条件下呈先升后降的趋势，最大值出现在正午12点，在MD与HD条件下均存在两个极大值。沙棘日变化曲线与多数植物在晴朗天气下的气孔运动规律相似：即早晨开放，中午略关闭，日落前基本关闭^[9]。双峰效应主要因正午辐射强，叶温和饱和差较高，气孔暂时关闭^[10]，导致在上午8点到12点区间内出现“休整”现象。于贵瑞^[11]在大田试验中，通过研究玉米和水稻的G_s变化规律时发现土壤水分充足时G_s日变化为单峰曲线，当存在水分胁迫时为双峰曲线，与之研究结果类似，苜蓿G_s在不同水分处理条件下日变化规律不一致，这可能与当土壤水分条件充足时，G_s仅受气象条件影响，而存在水分胁迫时，土壤水分也成为G_s的限制因子有关。与郭冰寒等^[5]研究结果一致，沙棘与苜蓿G_s与ψ_L日变化平均值均随胁迫的加剧而降低，这是因为水分胁迫使土壤毛管传导速度逐渐减小，植物根系吸水速率下降，引起叶片含水量减小，ψ_L降低，减小气孔开度，使G_s变小^[9]。本结果2种植物G_s的日变化幅度差异较大，沙棘上午变化幅度大于下午，而苜蓿则相反。这种非对称性响应现象^[12]是因午后大气蒸发变大，水分传导能力降低，致使植物午后ψ_L低于上午，植物为避免过分失水而进行自我调节，造成气孔在开闭过程中对环境变量呈现不同响应而引起的滞后现象^[13]。

与郭冰寒^[5]、罗永忠^[3]等通过盆栽试验对沙棘和苜蓿的研究结果一致，本研究中不同水分胁迫下沙棘和苜蓿G_s与RH_L，沙棘ψ_L与RH_L，苜蓿ψ_L与RH_L均存在显著相关性。RH_L影响气孔及表皮蒸腾，进而改变植物叶片内的水分状况，控制ψ_L，促使保卫细胞的膨压发生改变，从而影响气孔的开闭^[14]。佟长福等^[8]通过盆栽试验研究表明紫花苜蓿蒸腾速率与气温呈开口向下的负二次抛物线关系，与之研究结果存在一定差异，本研究中，沙棘、苜蓿G_s在HD和MD处理下与T_L呈显著正相关关系，在LD和CK条件下与T_L不存在显著相关关系；这表明水分胁迫程度加大后T_L会限制气孔开度，进而降低植株蒸腾速率，避免过度失水^[3]，这种蒸腾特征也是植株的一种自我保护机制^{[3, 15]}。与郭冰寒^[5]等研究结果一致，本研究中不同水分处理下沙棘ψ_L与T_L均存在显著负相关关系；而苜蓿ψ_L与T_L却不存在显著相关关系，表明不同水分处理下沙棘ψ_L随着T_L的增大而减小，而对苜蓿ψ_L影响不显著，这可能与苜蓿和沙棘具有不同的生理特性有关。左应梅等^[16]在研究木薯土壤水分、RH和光环境对G_s影响时发现，当土壤水分含量低时，土壤含水量是G_s的主导因子；当土壤水分良好时，PAR是主导因子。与之研究结果类似，本研究中，沙棘G_s与PAR呈显著的二次相关关系，G_s随PAR的增大呈现先升后将降的趋势，苜蓿G_s仅在充分供水时与PAR存在显著正相关关系，表明苜蓿与沙棘2种植物G_s对PAR存在不同的响应规律。

2种植物在各水分胁迫条件下，沙棘ψ_L高于苜蓿。在G_s、ψ_L随RH_L、T_L、PAR的变化关系中，表明沙棘对此三因子的响应程度比苜蓿敏感，但沙棘ψ_L平均值比苜蓿大，即体内的水分亏缺程度比苜蓿轻。一般而言不同植物间气孔特性的差异由不同光合途径引起^[17]，但本试验2种植物都属于C₃植物，光合途径基本相似，因此2种植物G_s数值上的差异可能来自于2种植物不同类型的差异，沙棘为木本、苜蓿为草本，具体原因尚待进一步研究。