Advance in Forestry Research May 2014, Volume 2, Issue 2, PP.7-13
Physiological Response of Desert Vegetation under Different Groundwater Depths in Arid Areas Shuangdui Xu 1, Guang Yang 1, 2, Xinlin He 1, 2, Wenxin Yang 1 , Jiangchun Chen 1, Si Chen 1, Cui Wang 1 1. Colleage of Water Conservancy & architectural Engineering, Shihezi University, China 2. Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation of Xingjiang Construction Crops, Shihezi 832000, Xingjiang, China Abstract In this paper, through the determination of Haloxylon ammodendron and Tamarix’s physiological indices under different groundwater depths, we can analyze the effect on Haloxylon ammodendron and Tamarix’s physiological indexes under the drought stress, the result showed that: (1) In the test site 2, in June Haloxylon ammodendron’s Chlorophyll content is less than the Chlorophyll content of Haloxylon ammodendron in July and August, and the order of Tamarix’s Chlorophyll content is July > June > August, in June the light energy utilization of Haloxylon ammodendron and Tamarix is largest; (2) Proline content changes illustrates the degree of drought stress, the accumulation of proline content in Haloxylon ammodendron and Tamarix increases with drought stress becoming larger, and in the same depth of groundwater, the accumulation of proline in Tamarix is bigger than the accumulation of prolie in Haloxylon ammodendron; (3) The change of soluble sugar and malondialdehyde content reflects the degree of drought stress, the accumulation of soluble sugar and malondialdehyde content increases with drought stress becoming larger for Haloxylon ammodendron, but in the depth 6-7m of groundwater the accumulation of soluble sugar and malondialdehyde content for Tamarix is abnormal, the groundwater in the depth 6-8 m is the threshold for the accumulation of soluble sugar and malondialdehyde content for Tamarix. Keywords: Arid Areas; Desert Vegetation; Groundwater; Physiological Indexes
干旱区不同地下水埋深对荒漠植被生理的影响 许双堆 1，杨广 1, 2，何新林 1, 2，杨文新 1，陈江春 1，陈思 1，王翠 1 1．石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003 2．新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003 摘 要：地下水的埋深影响植物体内生理指标的含量，进而影响植物的生长发育，通过对不同地下水潜水埋深条件下的梭 梭、柽柳生理指标的测定，分析在干旱胁迫下对梭梭、柽柳的生理指标的影响，研究表明：（1）在试验点 1 梭梭 6 月份 的叶绿素 a、b 含量小于 7、8 月份的叶绿素含量，而柽柳的叶绿素含量是 7 月>8 月>6 月，梭梭和柽柳的光能利用率都是 6 月份最大；（2）干旱胁迫越大，梭梭、柽柳体内脯氨酸积累量越大，而在相同地下水潜水埋深的情况下，柽柳的脯氨 酸含量的积累大于梭梭的脯氨酸含量的积累;（3）干旱胁迫越大，梭梭体内丙二醛和可溶性糖越大，但在地下水潜水埋 深在 6-8 米时，柽柳积累可溶性糖和丙二醛出现异常，故在地下水埋深 6-8 米时，是柽柳积累可溶性糖和丙二醛的阈值。 关键字：干旱区；荒漠植被；地下潜水；生理指标
引言 水是生命之源，是地球上一切生物赖以生存的宝贵资源。而地下水，作为水资源的重要组成部分，对
基金项目: 国家自然科学基金项目(U1203282)（51269026）(41361096)（41371052）,兵团国际合作项目(2012BC004)；石河子 大学杰出青年项目（2012ZRKXJQ08） -7www.ivypub.org/AFR
于自然环境和人类社会经济活动的可持续发展具有不可替代的作用，特别是在降水稀少的干旱荒漠区，是 维系荒漠区天然植被生态平衡的重要部分。地下水的变化直接影响植被的生长、分布、群落演替等，对植 被的水势、蒸腾速率、净光合速率等生理特征也会产生很大影响。在不同的地下水潜水埋深情况下，干旱 区荒漠植被会表现出不同的生理变化。不同的生理指标对于植物的生长都很重要，叶绿素可以反映植物光 合能力，影响植物的生长，在干旱胁迫下，大部分植物体内叶绿素的含量会减少[1-8]，但也有部分植物体内 的叶绿素含量增大[8-9]；渗透调节物质是植物在逆境胁迫条件下产生并积累, 可以降低植物体内的渗透势, 以 利于植物体在逆境中维持体内正常的所需水分, 提高植物的抗逆适应性。在逆境条件下, 植物会通过调节体 内的膜脂过氧化物丙二醛及渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖等物质以减轻伤害来适应环境 [10-17]。本文以玛 纳斯河流域下游的典型荒漠植被梭梭、柽柳作为研究对象,从抗逆性的角度出发,对梭梭、柽柳的叶绿素、脯 氨酸、丙二醛和可溶性糖等生理指标与潜水埋深关系进行探讨，分析不同地下水潜水埋深对梭梭、柽柳的 生理指标的影响，有助于我们探求植被的需水和耗水规律，对于干旱区荒漠植被的保护和重建有重要意 义，为荒漠植被的恢复重建提供理论指导，对水资源的高效利用和合理配置有重要意义。
1
研究区概况和试验方法
1.1 研究区概况 试验点设为3个地点，分别是试验点1，位于149团，在古尔班通古特沙漠南缘，年降雨量普遍不超过 150 mm, 沙漠腹地仅有70~ 100mm；试验点2位于天山北麓准噶尔盆地南缘，现代节水灌溉兵团重点试验室, 试验点3位于150团，属于典型的温带大陆性气候，干旱少雨，年均降水量117mm，年平均蒸发量1945 mm。 3个实验点的测试土壤均为沙土。三个试验点都位于石河子附近，所在的经纬度大体相同，光照强度、有效 辐射，温度，降雨量等外界条件大体相同。
图1 试验地点的选择与安置 表1试验地的编号和信息 序号
实验地点
地理位置 86°15′58″E, 45°16′53″N
潜水埋深
1
149团
2
现代节水灌溉兵团 重点试验室
85°59′47″E, 44°19′28″N
11-13m
3
150团
86°00′01″E, 45°05′51″N
15-17m
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土壤结构
植被情况
沙土
均为6年 生植物
6-7m
表2 各个试验点不同月份的地下水埋深 TABLE I.
试验地点
6月中旬
TABLE V.
试验点1
TABLE VI.
6.2M
TABLE VII.
6.3M
TABLE VIII.
6.4M
TABLE IX.
试验点2
TABLE X.
11.7M
TABLE XI.
11.9M
TABLE XII.
12.7M
TABLE XIII.
试验点3
TABLE XIV.
15.7M
TABLE XV.
16.1M
TABLE XVI.
16.2M
TABLE II.
7月中旬
TABLE III.
8月中旬
TABLE IV.
1.2 实验方法 各种生理指标每个月中旬测定一次，每次取样3次，取其平均值，其中梭梭、柽柳的叶绿素的测定方法 为酒精萃取法，由于试验条件的限制，只测量了实验点2梭梭、柽柳的叶绿素，脯氨酸的测定方法为磺基水 杨酸提取法（制作脯氨酸的标准曲线），丙二醛的测定方法为硫代巴比妥酸法，具体操作步骤和方法详见 文献[19]： R2 = 0.966 ， N = 7
C = 6.837 × A520 + 0.936
（1）
M = （2C × VT ） ∕ （W × Vs ）
（2）
式中，C 为标准曲线上获得脯氨酸的质量(μg/2mL);A520 为波长520 nm 下的吸光值; M 为脯氨酸的含量 (μg⁄g ) ; VT 表示提取溶液的总体积(mL) ; VS 表示被测溶液的体积(mL) ; W 为样品的质量(g) ; N 为样本数量 (个)。
2
结果与分析
2.1 叶绿素的变化 实验点2梭梭叶绿素a/b的变化
实验点2梭梭叶绿素的含量 （mg/g） 7.5 叶绿素a
0.8
叶绿素a/b的变化
叶绿素b 7
0.6 6.5 0.4 6
0.2 5.5
0
5 6月
7月
8月
6月
7月
8月
图2 试验点2梭梭叶绿素a、b的含量和a/b的变化
由图2可以看出潜水埋深11-13m条件下，梭梭6月份叶绿素总量含量最低，但叶绿素a/b的比值最大，说 明6月份梭梭光能利用率最高，在这个阶段，梭梭的净光和速率相对较高，积累干物质。在生长期内梭梭的 叶绿素a、b的含量是呈增长势头，但由于干旱胁迫的影响，在7、8月梭梭的叶绿素a、b的含量基本保持不 变，所以光能利用率是6月最大，而后降低，保持稳定，在 7、8月的叶绿素a的含量大体相近， 7、8月份叶 绿素b的含量也相差不大，故7、8月份的光能利用率相差不大。 由图3可知柽柳6月份叶绿素总量含量最小，但叶绿素a/b的比值最大，说明6月份柽柳的光能利用率最 大，在这个时期，净光和速率相对较高，积累大量干物质。实验点2在7、8月份处于用水高峰期，地下水的 水位下降，干旱胁迫加重，导致叶绿素的含量减少[1-8]，从而使7月份光能利用率大于8月份的光能利用率。
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实验点2柽柳叶绿素的含量（mg/g） 实验点2柽柳叶绿素a/b的变化 叶绿素a
1
叶绿素b
0.9
7
0.8
6.5
叶绿素a/b的变化
0.7 6 0.6 0.5
5.5
0.4
5
0.3 4.5 0.2 4
0.1 0
3.5 6月
7月
8月
6月
7月
8月
图3实验点2柽柳的叶绿素a、b含量和a/b的变化
2.2 不同潜水埋深条件下的脯氨酸的变化 梭梭的脯氨酸含量变化 （ug/g）
柽柳的脯氨酸含量变化 （ug/g） 6月
25
7月
8月 6月
60
20
7月
8月
50
40 15 30 10 20 5 10
0
0 试验点1
试验点2
试验点1
试验点3
a
试验点2
试验点3
b
图4 不同实验点脯氨酸含量的变化（a、b）
由图4（a）可知，在试验初期梭梭的脯氨酸含量是随着地下水埋深变化而变化，地下水埋深越深，即干 旱胁迫越大，梭梭脯氨酸含量越高，这和前人的对其他植物的研究相同
［10-17］
，而且不同实验地点的梭梭的
脯氨酸含量都是随着月份增大而增加。在7、8月份实验点2处于用水高峰期，地下水水位会明显下降从而导 致脯氨酸的大量积累，从7.51μg⁄g增加到20.99μg⁄g，增幅为179%,含量增加了接近2倍，而其他两个实验点 地下水波动较小，故脯氨酸的含量虽然有所增多，但增加不明显。 由图4（b）知柽柳的脯氨酸含量也因实验地点的不同而表现不同，实验点2的柽柳脯氨酸含量是一直在 增加，这是因为在测定期间的7、8月份，实验点2处于用水高峰期，地下水水位会明显下降，从而导致柽柳 的脯氨酸大量积累，从25.14μg⁄g增加到56.96μg⁄g，增幅为126%；在试验初期试验点3的柽柳的脯氨酸含量 最高，为45.87μg⁄g ，实验点2的柽柳的脯氨酸含量为12.23μg⁄g ，略大于试验点1的柽柳的脯氨酸含量 11.86μg⁄g，但随着月份增加，试验点3的柽柳的脯氨酸的含量减小并趋于稳定，前人的研究中也有这种现 象，在逆境胁迫下，植物体内脯氨酸的含量先增大后减小并趋于稳定
［ 1 ］［ 13 ］
，其原因可能是在这种胁迫
下，脯氨酸的积累已达到最大。在实验过程中柽柳的脯氨酸总大于梭梭的脯氨酸含量，说明柽柳体内脯氨 酸含量的积累对干旱胁迫更加敏感。 - 10 www.ivypub.org/AFR
2.3 不同潜水埋深条件下的可溶性糖、丙二醛的变化 梭梭丙二醛含量变化 （mmol/g）
梭梭可溶向糖含量变化 （mmol/g）
7月
0.8
20 7月
18
8月
8月 0.7
16
0.6
14 0.5
12 10
0.4
8
0.3
6 0.2 4 0.1
2
0
0 试验点1
试验点2
试验点1
试验点3
a
试验点2
试验点3
b
图5 梭梭可溶性糖和丙二醛的含量变化（a、b）
由图5可知在7月份试验点3梭梭的丙二醛的含量最大，为0.72mmol⁄g，实验点2梭梭的丙二醛的含量为 ［ ］ 0.29mmol/g，略大于试验点1梭梭的丙二醛含量，含量为0.24mmol⁄g，这和前人的研究结果相同 10-18 ，干
旱胁迫越大，丙二醛的含量越大，但在8月份是试验点2梭梭的丙二醛含量最大，为0.69mmol⁄g，试验点1梭 梭的丙二醛的含量为0.61mmol⁄g，大于试验点2梭梭的丙二醛含量，其含量为0.52mmol⁄g,这是因为7、8月 份试验点2处于用水高峰，试验点2的地下水水位下降明显，梭梭体内丙二醛含量大量积累。同时，在试验 点1梭梭的丙二醛和可溶性糖的变化都很大，说明在6-8米的地下潜水埋深的条件下，梭梭对丙二醛和可溶性 糖的积累对干旱胁迫很敏感
［ 18 ］
，超过这个水位，试验点2和试验点3的梭梭虽然积累更多丙二醛和可溶性
糖，但增加的幅度变小，甚至减少。 柽柳丙二醛含量变化 （mmol/g）
柽柳可溶性糖含量变化 （mmol/g）
7月
20
8月
7月
3
8月
18 2.5
16 14
2
12 1.5
10 8
1
6 4
0.5
2 0
0 试验点1
试验点2
试验点3
a
试验点1
试验点2
试验点3
b
图6 柽柳可溶性糖和丙二醛的含量变化（a、b） Fig.6 the change for content of Tamarix’s soluble sugar and malondialdehyde(a,b)
由图6可知在7月份实验点1柽柳的可溶性糖和丙二醛的含量分别为19.87mmol⁄g和2.98mmol⁄g，试验点 2柽柳的可溶性糖和丙二醛含量分别为5.69mmol⁄g和0.23mmol⁄g，试验点3柽柳的可溶性糖和丙二醛含量分 别9.57mmol⁄g和0.30mmol⁄g，试验点1柽柳的可溶性糖和丙二醛的含量远大于试验点2和试验点3柽柳的可 溶性糖和丙二醛的含量，而试验点2和试验点3柽柳的可溶性糖和丙二醛含量相差都不是很大，在8月份也是 如此，说明在6-8米的地下水潜水埋深下，柽柳的对丙二醛和可溶性糖的积累最大，这是柽柳的一个干旱胁
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迫的阈值，与陈敏等人的研究不太一致
［16］
。在试验过程中梭梭、柽柳丙二醛的增加幅度不同，而增加的幅
度不同说明对干旱胁迫的敏感度不同，柽柳丙二醛增幅比较大，说明柽柳体内丙二醛的积累量对干旱胁迫 更加敏感。
3
结论 （1）在6月份，试验点1梭梭、柽柳的叶绿素a、b总量最小，但光能利用率最大，但在7、8月份梭梭的叶
绿素a、b含量基本不变，故光能利用率基本保持不变，而柽柳在7、8月份叶绿素a、b的含量在减小，故柽柳 的光能利用率减少，造成这种现象的原因是干旱胁迫加重，从而影响植物体内叶绿素的合成； （2）地下水水位越深，干旱胁迫越大，梭梭、柽柳叶片内脯氨酸的含量越大，故实验点3梭梭、柽柳体 内脯氨酸的含量最大，试验点2梭梭、柽柳体内的脯氨酸含量大于试验点1梭梭、柽柳的脯氨酸含量，在相 同地下水埋深的情况下，柽柳体内脯氨酸的含量大于梭梭体内脯氨酸的含量，梭梭的耐旱能力强于柽柳； 在地下水埋深在15-17m时，柽柳体内氨酸含量并不随着地下水波动变化，即在地下水埋深15-17m时，干旱 胁迫对柽柳脯氨酸积累的一个阈值。 （3）干旱胁迫越大，梭梭体内丙二醛和可溶性糖的积累越大，故试验点3的梭梭体内可溶性糖和丙二醛 的含量最大，试验点2的梭梭体内可溶性糖和丙二醛的含量大于试验点1梭梭体内的可溶性糖和丙二醛的含 量；在地下水潜水埋深在6-8米时，柽柳体内可溶性糖和丙二醛突发性增大，故地下水潜水埋深在6-8米时， 是柽柳体内积累可溶性糖和丙二醛的一个阈值。
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【作者简介】 1
许双堆（1987- ），男，汉族，硕士研
4
杨文新（1987- ），男，回族，硕士研究生，专业方向为水
究生，专业方向为水文水资源，石河子
资源高效利用与配置， 石河子大学水利建筑工程学院，
大学水利建筑工程学院，832000
832000
E-mail:1039248093@qq.com.
E-mail: 314728370@qq.com. 5
陈江春（1978- ），男，汉族，专业方向为生态水文,石河
子大学,832000 2
杨广（1983- ），男，汉族，博士研究生，专业方向为农业
6
陈思（1991- ），女，汉族，硕士研究生，专业方向为水资
水资源高效利用，石河子大学水利建筑工程学院，832000
源高效利用与配置，石河子大学水利建筑工程学院，832000
E-mail: 164866879@qq.com.
E-mail: 724844262@qq.com.
3
何新林（1966- ），男，教授。博士生导师，主要从事水资
7
王翠（1991- ），女，汉族，硕士研究生，专业方向为水文
源高效利用研究。石河子大学水利建筑工程学院，832000
水资源，石河子大学水利建筑工程学院，832000
E-mail: hexinlin2002@163.com.
E-mail:1114984085@qq.com
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