7种禾本科牧草抗旱性研究与评价

以7种多年生禾本科牧草（蒙古冰草-宁夏、蒙古冰草-内蒙古、沙生冰草、扁穗冰草、细茎冰草、格兰马草、老芒麦）为研究对象，系统分析了农艺性状（绿叶数和株高）收益与土壤水分收益的权衡关系，将权衡值（RMSD）与土壤含水量作为分位数模型变量，确定维持植物正常生长的土壤含水量的响应阈值，同时研究干旱胁迫下生理指标综合评价值，进行抗旱性评价。结果表明：1）干旱胁迫程度越高，牧草的绿叶数和株高受到的负面影响就越大；2）不同牧草对干旱胁迫的耐受程度和范围有差异，其中，细茎冰草和格兰马草的绿叶数-土壤含水量阈值分别为9.1%和9.7%，细茎冰草、格兰马草和蒙古冰草-宁夏的株高-土壤含水量阈值分别为4.6%、5.6%和13.0%，其余牧草分位数模型均未通过显著性检验；3）通过7项生理指标评价分析，7种多年生禾本科牧草抗旱性强弱表现为：蒙古冰草-宁夏>格兰马草>细茎冰草>蒙古冰草-内蒙古>沙生冰草>扁穗冰草>老芒麦；4） 综合土壤含水量阈值与抗旱生理评价，细茎冰草与格兰马草可作为中度干旱区的引选牧草。     

蒙古冰草全长转录组分析及参与木质素合成和干旱响应的羟化酶基因鉴定

蒙古冰草(Agropyron mongolicum)是广泛分布于我国北方荒漠草原地区的优质牧草,对寒冷、干旱、盐碱等环境胁迫具有很强的耐受性,具有很高的生态、经济和育种价值。然而,蒙古冰草基因组和转录组数据信息的缺乏严重限制了蒙古冰草的分子育种和开发利用等工作。本研究利用PacBio三代测序平台对蒙古冰草进行测序研究,获得了高质量全长转录组信息。对测序结果的组装获得了267 560个全长转录本,从中筛选出91 855条Unigene并注释了其中的83 125个。更进一步地从蒙古冰草全长转录组中挖掘了可能参与木质素合成的羟基转移酶基因。对这些基因在不同组织中以及干旱胁迫下的表达模式的研究表明,这些基因可能在木质素合成和干旱胁迫响应中发挥重要功能。本研究提供了蒙古冰草的高质量全长转录组资源,为挖掘蒙古冰草的优异基因资源提供了便利条件。     

干旱胁迫下5种禾本科牧草幼苗期的生理特性

采用盆栽控水法研究了干旱胁迫对蒙古冰草(Agropyron mongolicum)、蒙农杂种冰草(A.cristatum×A.desertorum)、沙生冰草(A.desertorum)、新麦草(Psathyrostachys juncea)和无芒雀麦(Bromus inermis)苗期叶片水分状况、细胞膜透性、叶绿素、游离脯氨酸、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和丙二醛等生理生化指标的影响,并借助隶属函数法综合评价了5种牧草幼苗期的抗旱性。结果表明,持续干旱胁迫下,5种禾本科牧草幼苗的相对含水量逐渐下降,水分饱和亏缺、细胞膜透性逐渐上升;脯氨酸、叶绿素含量及3种抗氧化酶活性均呈先上升后下降的趋势;丙二醛含量呈上升-下降-上升的趋势。5种禾本科牧草抗旱性隶属函数均值介于0.351 0~0.688 1,抗旱性由强到弱的顺序为沙生冰草、新麦草、蒙农杂种冰草、蒙古冰草和无芒雀麦。     

水分胁迫和组合比例对白羊草与达乌里胡枝子叶绿素荧光参数的影响

通过盆栽控制试验,采用生态替代法,按照白羊草(Bothriochloa ischaemum)(B)和达乌里胡枝子(Lespedeza dauurica)(L)株数比设置7种组合比例(12∶0,10:2,8∶4,6:6,4∶8,2∶10,0∶12)和2种水分处理(正常供水和水分胁迫,分别为田间持水量的80%和40%),测定和比较了不同水分和组合比例下2草种的叶绿素荧光动力学参数。结果表明:短期水分胁迫对白羊草和达乌里胡枝子的F_o,F_m和F_v/F_m影响不显著,但显著降低了单播白羊草和除B81L4外其余混播比例中达乌里胡枝子的φ_(PSⅡ)和qP,说明白羊草和达乌里胡枝子均具有较强的抗旱性,其中白羊草对水分胁迫更为敏感;二者混播时白羊草抗旱性增强,达乌里胡枝子的降低。正常供水下B10L2中白羊草的φ_(PSⅡ)和qP大于单播;水分胁迫下B8L4中白羊草和达乌里胡枝子的φ_(PSⅡ)均大于单播,表明正常供水下B10L2比例有利于提高白羊草PSⅡ活性,水分胁迫下B8L4比例有利于改善白羊草和达乌里胡枝子的PSⅡ活性。     

白羊草根系形态特征对土壤水分阶段变化的响应

根系形态特征是评价植物适应胁迫环境的重要指标。以黄土丘陵半干旱区天然草地群落优势种白羊草为材料,研究了其根系生长和形态特征与水分供应条件的关系。采用盆栽控制试验,设置3个水分处理:高水(HW,80%田间持水量)、中水(MW,60%田间持水量)和低水(LW,40%田间持水量),分别在拔节期、开花期、结实期改善水分供应水平,在生育期末测定了白羊草根系生物量和各项形态指标。结果表明:白羊草根系生长与水分供应条件密切相关,持续高水处理有利于白羊草根系生长,其根系生物量、总根长和根表面积均显著提高(P<0.05);水分胁迫抑制了白羊草根系生长,但对白羊草根系平均直径影响不显著;根系生物量、总根长和根表面积间存在显著的正相关关系(P<0.01);不同生育期阶段胁迫后复水,白羊草根系表现出较强的可塑性,在拔节期复水且高的复水幅度能够显著提高白羊草根系生物量、总根长和根表面积(P<0.05)。这些说明白羊草根系对干旱胁迫有较强的耐受能力,其对阶段干旱胁迫后复水的响应与生育期及复水前干旱胁迫程度密切相关。     

不同补播模式对荒漠草原土壤团聚体稳定性的影响

针对宁夏荒漠草原退化生态系统,采用地表深翻处理后补播蒙古冰草+沙生冰草+牛枝子、沙生冰草+牛枝子、蒙古冰草+牛枝子3种模式进行改良,以未补播草地为对照,通过团聚体粒径组成、平均重量直径、几何平均直径、破坏率等指标,研究不同补播模式对宁夏荒漠草原土壤团聚体稳定性的影响。结果表明,0~40cm土层,各补播草地机械稳定性及水稳性团聚体均以<0.25mm微团聚体为主,且随土层加深<0.25mm微团聚体含量逐渐减少,土壤结构趋于稳定;0~20cm浅层土壤,蒙古冰草+沙生冰草+牛枝子补播草地的>0.25mm机械稳定性团聚体含量显著高于未补播草地(P<0.05),不同处理草地之间>0.25mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径及破坏率差异不显著。综上,深翻后补播蒙古冰草+沙生冰草+牛枝子可改善荒漠草原0~20cm浅层土壤机械团聚体稳定性。     

混播比例和施氮肥对箭筈豌豆/燕麦草地根系特性的影响

豆科和禾本科牧草混播是栽培草地的重要模式之一,能显著改善土壤,提升系统可持续生产能力。牧草根系是土壤有机质返还的重要来源,但混播草地中牧草根系特性的变化尚不清楚。以箭筈豌豆和燕麦草地为对象,研究了不同施氮肥水平和混播比例下其根生物量、根性状的变化。结果表明:1)混播比例和施氮肥对草地根生物量和根性状有显著交互作用,混播草地根生物量显著大于单播;与高氮肥处理相比,根生物量在低、中氮肥处理下更高;高氮肥对根长、比根长、根表面积和比根面积在植物生长前期表现为抑制作用,在生长后期随混播中箭筈豌豆比例的增大,抑制作用减轻。2)混播条件下土壤硝态氮含量大于单播,而土壤铵态氮含量仅在乳熟期时大于单播,且随混播中箭筈豌豆比例增大,矿质氮含量增加;施氮肥对0~30 cm土层中的矿质氮含量有显著影响,其含量在施氮肥100 kg·hm^-2下最高,不施肥下最小。3)根生物量与土壤硝态氮含量间显著正相关,根长、根表面积、根体积与土壤硝态氮含量间显著负相关。综上,混播中箭筈豌豆比例的增加有助于改善土壤矿质氮,优化混播草地根性状。     

草原2号杂花苜蓿浸提液对4种牧草种子萌发的影响

通过研究草原2号杂花苜蓿(Medicago varia cv. caoyuan No.2)浸提液对4种牧草种子萌发的影响,探索利用生物检测法初步确定其与自身及其他3种牧草间化感作用。用草原2号杂花苜蓿根、茎、叶水浸提液处理草原2号杂花苜蓿、蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)、扁穗冰草(Agropyron cristatum (L.) Gaertn.)和红豆草(Onobrychis viciaefolia Scop.)的种子,测定其发芽率、苗高、根长,利用生物检测法确定草原2号杂花苜蓿对受体植物的化感效应。结果表明:草原2号杂花苜蓿的自毒性及化感作用存在浓度效应,即不同浓度的根、茎、叶浸提液对不同受体植物种子萌发、幼苗高度、根长影响效果不同,其叶浸提液对扁穗冰草和蒙古冰草种子发芽的抑制效应小于草原2号杂花苜蓿和红豆草;其叶、茎、根浸提液对蒙古冰草、扁穗冰草的苗高、根长的促进作用大于红豆草和草原2号杂花苜蓿;根据试验结果,初步认为草原2号杂花苜蓿与蒙古冰草、扁穗冰草混、间播效果要比与红豆草混、间播和单一连播杂花苜蓿效果好。     

冰草生态生物学特性与生态因素相关性的研究

对沙生冰草和蒙古冰草的生态生物学特性与生态因素相关性进行了研究,提出栽培的沙生冰草和蒙古冰草是典型的旱生植物,具有抗逆性强、根系类型多变、适宜在瘠薄沙质土壤生长等特点,基本保持了野性的特性;冰草在生长发育的不同阶段,需要生态因子不同强度。冰草分蘖是以果后营养期为主,这时水的因子提供是决定冰草分蘖芽健康发育、枝条形成和产草量的关键因素。     

冬小麦与苏丹草不同种植方式下产量效益比较研究

通过在奇台县和吉木萨尔县进行冬小麦单播、苏丹草单播、冬小麦与苏丹草套种、冬小麦复播玉米、复播豌豆以及大麦与苏丹草混播试验示范,冬小麦(Triticum aestivum)、大麦(Hordeum vulgare)与苏丹草(Sorghum sudanense)套种、混播,不影响冬小麦、大麦的产量,苏丹草干草产量可达到15000kg/hm2。冬小麦套种苏丹草效益明显优于其它播种方式,在昌吉州乃至新疆大部分地区都可推广种植。冬小麦套种苏丹草比冬小麦复播玉米、复播豌豆效益明显,套播苏丹草较复播豌豆效益增加31.3%,套播苏丹草较复播玉米效益增加16.1%,大麦、苏丹草混播较单播大麦效益增加61.2%。冬小麦套种苏丹草技术解决了种粮与种草之间争地的矛盾,为促进畜牧业快速健康发展探索出了新的途径。     

高丹草、青饲玉米及墨西哥玉米混播试验初报

选择高丹草、青贮玉米及墨西哥玉米进行混播种植,结果表明,同生长期的高产牧草混播不能发挥各品种优势的互补作用,品种间的相互竞争严重影响混播处理的牧草生长和草产量,混播处理的鲜草和干草产量都低于或显著低于对照的单播品种.     

不同水分和土壤处理对糙毛以礼草苗期根系构型和根鞘形成的影响

为了探究水分和土壤对糙毛以礼草苗期根系构型和根鞘形成的影响,采用未灭菌和灭菌的沙土培养糙毛以礼草,分别设置田间持水量的10%、20%、30%、40%和50%水分梯度,测定不同水分和土壤处理条件下糙毛以礼草的根系构型参数和根鞘重,结果表明:1)在未灭菌土壤培养条件下,糙毛以礼草苗期的根系与土壤微生物互利共生,高水分显著影响了根系交叉数和分支数的增加(P<0.05);土壤灭菌培养条件下,这种关系遭到破坏,根系总根体积在40%~50%水分梯度下显著高于其他水分梯度(P<0.05),平均直径在40%水分梯度下最高(P<0.05),分支数在20%和50%水分梯度最高(P<0.05),链接数和根尖数在20%~50%水分梯度下显著增大(P<0.05),总根表面积在50%水分梯度下最高(P<0.05)。土壤灭菌后,微生物群体变化,土壤灭菌培养条件下的根系形态指标较未灭菌土壤培养条件下增大(P<0.05),分别为:20%水分梯度下的根系总根长和分支数,20%~50%水分梯度下的根系链接数和根尖数,40%水分梯度下的根系总根表面积和平均直径,40%~50%水分梯度下的根系总根体积。2)不同水分和土壤处理下糙毛以礼草苗期根系拓扑指数接近于1,根系分支模式接近鱼尾形分支,更适宜在地下资源贫瘠的环境中生长。在20%和30%水分条件下,糙毛以礼草保持了很好的根系构型,修正拓扑指数(q_b)和分形维数(FD)显著高于其他水分梯度(P<0.05)。糙毛以礼草苗期根系初生根和次生根生长过程中生物量分配的不同影响了根系在土壤中的功能,根系在土壤中的伸长拓展(总根长、总根表面积、链接数和分支数)大于固定渗透(平均根系直径)对根系构型的影响。3)水分和土壤处理对根鞘的形成无交互影响(P>0.05),糙毛以礼草苗期根鞘形成的影响因素为:水分>土壤>FD>q_b>根系固定渗透能力。随着田间持水量的升高,糙毛以礼草根鞘重呈现先增后减的趋势,未灭菌土壤和灭菌土壤中的根鞘重分别在20%~30%、30%水分梯度时最大,q_b、FD和根系固定渗透能力显著正向影响根鞘(P<0.05)。     

青藏高原东南缘沙地3种治沙草本根系形态格局特征

植物根系是沙化地中植物固沙的重要基础,为明确不同治沙草本植物根系形态格局特征,本研究在青藏高原东南缘比较了资源圃和沙化地中一年生燕麦(Avena sativa)、多年生垂穗披碱草(Elymus nutans)和以礼草(Kengyilia hirsuta)地下根系根尖数、分枝数、平均直径、根长、根表面积、根体积的形态特征,分析了3种草本根尖比、根长比、根表面积比、根体积比的形态格局特征,探讨3种草本根系对沙化环境的适应能力。结果表明,一年生燕麦根系表面积和根体积在资源圃中显著高于沙地(P 0.05);垂穗披碱草根系形态在资源圃和沙地中没有明显差异(P 0.05);以礼草根系根尖数、根分枝数、根长、根表面积在资源圃中明显低于沙地,但是以礼草根系平均直径在资源圃中明显高于沙地(P 0.05)。一年生燕麦根系体积在沙地中大量减少,增加0.2～0.4 mm各径级下的根尖比、根长比、表面积比、体积比用于适应沙化环境;多年生的垂穗披碱草并未显著调整自身根系结构用于适应沙化环境;多年生以礼草通过减少了较大径级(0.7～0.8 mm)的根长和表面积来增加了小径级(0.1～0.2 mm)的根长、表面积和体积的格局,来增加对沙化环境的适应性;垂穗披碱草和以礼草根系形态格局比燕麦根系形态格局更加适应沙化环境。     

干旱胁迫对禾草苗期抗旱性特征的影响

采用盆栽断水干旱方式研究了土壤干旱对中间偃麦草、沙生冰草、蓝茎冰草和长穗偃麦草苗期抗旱性特征的影响。结果表明：不同种类禾草的抗旱性特征随土壤干旱程度增加的变化趋势不同。干旱胁迫程度增加,4种禾草的根冠比、叶片可溶性糖含量和渗透液相对电导率升高,叶片含水量下降。其中,土壤中度干旱胁迫时,沙生冰草叶片可溶性糖含量增加幅度较大;重度干旱胁迫下,沙生冰草叶片渗透液相对电导率上升幅度最小,株高胁迫指数与干物质胁迫指数最高,抗旱性相对较强。     

农牧交错带退耕还草对土壤有机质和氮的影响

在农牧交错带地区对退耕还草的草地进行土壤分析并与春小麦地比较,研究牧草对土壤有机质和氮含量的影响.结果表明,播种第2年(生产第1年),草地0～20 cm土壤有机质和全氮含量比小麦地有明显改善;单播和混播草地,播种第3年(生产第2年)较第2年土壤有机质和全氮含量均有增加,混播牧草改善土壤氮的效果比单播牧草更显著;老芒麦、无芒雀麦单播以及老芒麦 无芒雀麦混播可以明显改善土壤有机质;老芒麦 无芒雀麦、老芒麦 冰草3∶1的混播比例可以有效地增加土壤硝态氮含量.     

裸果木幼苗根系形态和生理特征对水分胁迫的响应

裸果木起源于地中海,为亚洲中部荒漠区分布的第三纪孑遗植物种,对研究旱生植物演化过程具有重要价值。本研究以一年生裸果木实生苗为对象,于2018年开展盆栽试验,设置4个水分处理,包括对照和轻度、中度、重度水分胁迫,土壤含水量分别控制在田间持水量的45%～50%、30%～35%、15%～20%和5%～10%,通过称重法控制水分,每个处理10个重复,测定分析根系形态和生理指标对干旱胁迫的响应规律。结果表明,水分胁迫使裸果木幼苗根长和根表面积显著减小;重度水分胁迫下根系生物量显著降低;中度和重度水分胁迫促使根冠比显著增大,细根比根长和比表面积增大,束缚水含量/自由水含量(Va/Vs)显著增大;水分胁迫导致根系活力显著下降。土壤水分含量降低时,根系脯氨酸含量先减小后显著增大,而可溶性糖和可溶性蛋白含量变化与之相反。在水分胁迫下,根系丙二醛(MDA)、过氧化氢(H_2O_2)和超氧阴离子(O_2~-)含量均显著升高,根系细胞膜系统受到了明显伤害,超氧化物歧化酶(SOD)活性显著上升,过氧化物酶(POD)活性明显降低,过氧化氢酶(CAT)活性显著增强。总之,干旱胁迫下,裸果木幼苗形态上通过增大根冠比、细根比根长和比表面积来提高水分吸收效率;生理上通过降低代谢强度,减少水分消耗;主动积累有机溶质,降低细胞渗透势;增强SOD和CAT酶活性,减轻细胞膜伤害。     

少花蒺藜草与不同牧草混播根际与非根际土壤酶活性变化

为了探究牧草对少花蒺藜草(Cenchrus pauciflorus)的竞争影响,采用3种优质牧草紫花苜蓿(Medicago sativa)、羊草(Leymus chinensis)、草木樨(Melilotus officinalis)与少花蒺藜草混播,测定混播模式下少花蒺藜草不同生长时期根际和非根际土土壤pH、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性变化。结果表明：与3种牧草混播均显著提高少花蒺藜草根际土壤的酶活性;在紫花苜蓿与羊草混播,少花蒺藜草根际土土壤的脲酶和蔗糖酶活性在开花期最高,磷酸酶活性在苗期最高,而与草木樨混播,少花蒺藜草根际土的磷酸酶和蔗糖酶活性在全生长期内均有大幅提高,脲酶活性在开花期时显著提高,草木樨更能激发少花蒺藜草根际土壤酶活性,与少花蒺藜草的竞争最为激烈。混播模式激发少花蒺藜草的自我保护机制,明显提高少花蒺藜草根际土壤酶活性,增强其自身的竞争能力,避免竞争胁迫带来的危害。     

冰草属植物在内蒙古干旱草原的建植试验

对冰草属当地材料和北美引进品种在内蒙古干旱草原旱作条件下的建植试验表明，当地的蒙古冰草（ＡＧＭＯ１、ＡＧＭＯ２）和西伯亚冰草（ＡＧＳＩ）都具有广泛的适应性，无论播种期干旱与否，均可获得较好的建植效果，在较好的降水条件下有极显著的增值。当地的沙生冰草（ＡＧＤＥ０在干旱生境可发挥建植优势，其建植水平不会因降水条件好转而提高。北美引进品种Ｈｙ－ｃｒｅｓｔ，Ｋｉｒｋ，Ｆａｉｒｗａｙ，Ｐ－２７，Ｐａｒｋｗａ     

干旱区苜蓿和沙打旺单混播下土壤水分利用格局的驱动力分析

大田条件下采用生物替代试验对沙打旺和苜蓿单播及混播的一年生人工草地进行了土壤水分利用动态格局调查研究.结果表明,3种密度下土壤水分随生育期变化相似,均呈下降趋势,但随播种密度增大,不同播种方式平均土壤水分利用效率逐渐增大,而2种牧草平均群体水分利用效率比较为混播下苜蓿>单播苜蓿>单播沙打旺>混播下沙打旺.牧草返青后,在中密度下显示出较宽的资源共享生态位,而低密度和高密度显示出稍窄的资源共享生态位.3种密度下整个生育期内苜蓿的相对竞争力均高于沙打旺,其中平均相对竞争力比较为高密度>中密度>低密度,而且随生育期变化苜蓿的相对竞争力持续增强.苜蓿对沙打旺的相对竞争力与混播处理中苜蓿对沙打旺的群体水分利用效率比有显著正相关.由此可见,在苜蓿与沙打旺一年生混播试验中苜蓿竞争力始终大于沙打旺,其中密度效应和水分利用为两者种间关系调节的重要影响因素.2种牧草混播中苜蓿生产力、群体水分利用效率与苜蓿对沙打旺的竞争优势为性状互利关系.因此,旱生环境中苜蓿与沙打旺的水分利用格局可能由2个物种种间竞争关系所驱动的,水分资源利用状况反应了两者对干旱胁迫环境下适应种间竞争的生活史对策.     

干旱胁迫和复水对冰草相关抗性生理指标的影响

干旱胁迫是干旱与半干旱地区限制植物生长的一个最主要的环境因子。本文研究了15 d的干旱胁迫和6 d的复水对冰草(Agropyron cristatum)叶片抗旱相关生理指标及抗氧化酶活性的影响。结果表明:在干旱胁迫下冰草叶片具有较强的水分保持能力,并且在复水过程中叶片相对含水量快速恢复;干旱胁迫对冰草光化学系统的影响较小,10 d的干旱胁迫下,F_v/F_m仅下降了6.62%;5 d和10 d的干旱胁迫对冰草叶片电解质外渗的影响与对照差异不显著,而随着干旱胁迫时间的延长,叶片电解质外渗显著升高。在水分胁迫下, 冰草超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性逐渐降低,CAT对干旱胁迫最敏感,而POD活性下降最慢;复水后3种酶的活性升高,复水6 d后都恢复到干旱处理前的水平。由此表明,冰草的抗旱性可能和短期干旱胁迫下叶片的保水能力以及复水后叶片生理功能的快速恢复有关。