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基于滹沱河河岸草本植物生态修复筛选应用的综合抗旱性实验

来源：花匠小妙招时间：2025-09-02 07:29

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本文由“滹沱河生态修复工程沙生生境的草本植物选择及应用研究”课题资助

摘要：为了筛选适宜于河北石家庄市滹沱河河岸植被恢复建设需要的沙生植物种类，研究提出对生态因子综合评估初选出的草本植物进行实地综合抗旱性实验。研究针对植物的生活特征，赋予其权重等级，将马蔺、细茎针茅、萱草、紫花苜蓿等25种草本植物作为实验材料，设置对照组，研究土壤渐进入干旱条件下25种草本植物的生长特征，并基于隶属函数值的组合方式，对其抗旱性进行综合评估。实验分析得出，25种草本植物的综合抗旱性评价排序为：沙蒿>宿根亚麻>地榆>白三叶>结缕草>萱草>糙叶黄耆>米口袋>白花草木犀>亚菊>匍枝委陵菜>垂盆草>车前>二色补血草>费菜>蒲公英>狗牙根>柴胡>地锦草>细茎针茅>紫花苜蓿>田旋花>紫菀。

关键词：沙生植物;干旱胁迫;抗旱性;隶属函数分析;聚类分析

研究针对植物的生活特征，确定评价因子并且予其权重等级，将基于AHP法进行多因子评估，初步筛选出的马蔺、细茎针茅、萱草、紫花苜蓿等25种草本植物作为河岸栽植实验材料。

2.实验设计

实验通过测定植物高度、叶片相对含水量、叶片干物质含量、根冠比、蒸散量等指标，对比与分析干旱条件下各草本植物的功能特征表现以及生理指标变化，通过层次分析法得出综合抗旱性排序，并且在此基础上通过聚类分析得出较为合理的草本植物推荐组合。

3.材料与方法

3.1.实验材料

马蔺、细茎针茅、萱草、紫花苜蓿、糙叶黄耆、米口袋、狗牙根、结缕草、垂盆草、费菜、匍枝委陵菜、地榆、白三叶、白花草木犀、宿根亚麻、地锦草、二色补血草、田旋花、车前、亚菊、沙蒿、紫菀、蒲公英、石竹、柴胡共25种。

3.2.实验工具

FOM /mts 便携式土壤湿度计、小型蒸渗仪、30cm木工板、垂直标尺、软尺、电子天平、去离子水、滤纸、蒸馏水、烘箱

3.3.实验设计

3.3.1评价方法

在对植物进行抗旱性评价中常用的分析方法有对比分析法、模糊隶属函数法、聚类分析法、因子分析法等，本次实验主要通过对比分析法、隶属函数法以及聚类分析法对25种草本植物的抗旱性进行综合性评价。

3.3.2 实验过程

实验于2021年5月在河北省石家庄市滹沱河流域周边绿地进行。实验通过样地栽植的形式，实验处理第一天将小型蒸渗仪安置于实验样地中，设置三种不同的水分处理条件，对25种植物进行分组实验。

原生组（DS）：不进行人工补水，土壤含水量采用 FOM /mts 便携式土壤湿度计进行连续监测，即每间隔 2—4 d 于 18： 00 测定土壤体积含水量，根据容重换算成土壤质量含水量，土壤质量含水量（%） =体积含水量（%） /土壤容重（ g /cm3 ）（通常认为 1g 水的体积就是 1cm3 ）。

工程维护组（CK）：即定时定量保证水分补充，维持土壤含水量在18 %-20 %。

限量供水组（ET）：每次充足补水后直至植物出现轻微萎蔫再行补水.自然降水时及时遮盖，防止雨水进入小型蒸渗仪。

原生组与工程维护组两大组内设置不同的三种土壤类型：原沙原土、覆盖种植土8cm、覆盖种植土12cm。

一共处理三个水平，每个物种共计7个处理，25个实验对象。收集数据之后对多个指标进行综合评定。

3.3.3 实验步骤

（1）育苗

5月初，将所有草种实生苗定植于土壤基质良好的场地中，置于场地内正常培养10d后，选择长势良好，生长基本一致实生苗进行实验。

（2）设置样方

样方大小：每个样方1m*1m，样方间距为0.8m，一种植物设置3个由30cm木工板建立的1m2栽植升床，每个样方设置垂直标尺便于观测。

水分补充方式：实验前3天对所有植株连续浇水处理，使两组土壤均处于饱和含水状态。原生组自实验开始依赖自然降水，不需要人工补水，连续干旱21d;工程维护组每2d补充浇水，每次1min，控制浇灌面积在一定的范围内。限量供水组待植物出现萎蔫情况进行补充浇水，直至植物得到充分灌溉，控制浇灌面积在一定的范围内。实验期间土壤含水量采用土壤水分测试仪，每7d测定一次，植物蒸散量用小型蒸渗仪测定，每日记录数值。本实验不考虑空气中的湿度影响。

土壤类型：土壤设置分别为A原沙原土、B覆盖种植土8cm和C覆盖种植土12cm，设置编号1-1-A、1-1-B、1-1-C....1-25-A，1-25-B、1-25-C。

（3）维护记录与数据采集

维护记录分为日常维护记录与研究小组每周记录，记录内容如下。

日常维护记录主要记录25种草本植物在三组实验处理下，每日萎蔫情况与形态特征变化、浇水时长的控制、土壤含水量以及蒸散量等情况。

研究小组每周记录负责在三组实验处理后的第0、7、14、21天，参照植物功能性状取样和测定标准方法，对所有对照组样方内的草本植物进行取样测定，测量内容包括：株高（H）、叶片相对含水量（LRWC）、叶片干物质含量（LDMC）、根冠比（R/S），以上所有测定指标均重复3次。

由于此次实验器材有限，比叶面积、叶面积、以及其他生理生化指标，暂不作为本次综合测定的指标内容。

（4）抗旱性综合评价

基于主成分分析与隶属函数值相结合的方法对25种草本植物的抗旱性进行综合评价，消除背景差异，在主成分基础上，提取主成分并确定各因子权重，结合隶属函数法，计算出各草种所有指标隶属函数值。最后，将主成分分析结果与隶属函数值进行合成，即综合评价，评价值越大，抗旱性则越强[1，2-3]。

使用Excel 2013进行数据整理，运用SPSS 22.0对25种植物的抗旱系数进行主成分分析与权重的确定，最后对个别指标进行聚类分析得出植物的建议组合模式。

4.结果与数据分析

4.1.干旱胁迫下土壤含水量变化以及各草本植物萎蔫系数与外部形态表现

实验期间，土壤的含水量变化，原生组（DS）干旱胁迫处理下土壤含水量从20.56%下降到2.58%，0至4天下降幅度较大，之后趋于平缓，而工程维护对照组（CK）在此期间的含水量没有明显变化，说明实验处理达到了渐进干旱胁迫的处理目的。

测定25种草本植物叶片萎蔫时土壤含水量变化，其差异显著（P<0.05）;其中紫菀最高，为3.28%，且蒲公英和狗牙根次之，分别为3.25%和3.22%，沙蒿最低，为1.6%。从萎蔫系数可以看出，沙蒿较抗旱，蒲公英的抗旱能力较弱，紫菀的抗旱能力最弱。

根据观察的数据显示，25种草本植物在干旱胁迫的处理下均出现一定程度的萎蔫情况。马蔺在第7天有10%的植株外部叶片叶尖泛黄，第14天则有39%的植株外部干枯，第21天部分叶片下垂，部分叶片下垂，外部叶干枯，3%植株除心叶外其他叶1/3以上发黄。沙蒿则在前7天表现均表现正常，第14天有5%植物外部叶干枯，第21天部分叶片下垂，外部叶干枯。

4.2.干旱胁迫下25种草本植物各生理指标变化

干旱胁迫对25种草本植物的功能特征变化均产生不同程度的影响。与工程维护（CK）对照组相比，除了白三叶与柴胡，干旱胁迫对其他22种植物的株高（H）（a.）以及叶片相对含水量（LRWC）（b.）均产抑制的作用，尤其在第14天至第21天最为显著;干旱胁迫对草本植物的根冠比（R/S）（c.）与叶片相对物质含量（LDMC）（d.）均有促进作用，其中对白花草木犀、地榆、费菜、二色补血草的根冠比（R/S）促进作用不显著，对垂盆草以及白三叶的叶片相对物质含量（LDMC）的促进作用不显著。可见，不同草本植物对干旱胁迫做出了不同的适应对策，总体来看，干旱胁迫第0至第14天对各材料的生长影响较小，而随着胁迫时间延长，后期影响更大。

4.3. 25种草本植物抗旱性综合评价

运用主成分分析法，对5个单项指标进行筛选，以特征值均大于1为参考值，确定主成分个数，并计算不同主成分抗旱指标权重（Wi）[3]。两个主成分特征值分别是1.889与1.127，累计方差贡献率为75.322%，能有效地反映数据绝大部分信息，符合主成分分析的要求。其中第1主成分包括株高（H）、叶片相对含水量（LRWC）、萎蔫系数（WC）、根冠比（R/S）4项指标，第2主成分包括叶片相对物质含量（LDMC），因子负荷量越大，在其对应主成分中权重也越大。

在主成分的基础上，提取主成分并确定各因子的权重，结合隶属函数法，计算出各草本植物所有指标的隶属函数值，并且将隶属函数值通过主成分分析得出的权重值加权计算得出各个草本植物综合抗旱性得分，排序即为综合抗旱性评价。结果表明25种草本植物的抗旱性强弱关系为沙蒿>宿根亚麻>地榆>白三叶>结缕草>萱草>糙叶黄耆>米口袋>白花草木犀>亚菊>匍枝委陵菜>垂盆草>车前>二色补血草>费菜>蒲公英>狗牙根>柴胡>地锦草>细茎针茅>紫花苜蓿>田旋花>紫菀。

4.4.限量补水下25种草本植物的蒸散量与聚类分析

4.4.1.各草本植物日均蒸散量

草本植物正常生长前提下，土壤的水分条件是影响草本植物蒸散的非常重要的因素之一。工程维护组的充分供水情况下，保证了草本植物蒸散不会受到土壤水分的限制，测得蒸散量基本接近各种草种的理论最大整散量。

根据五月份的实验记录，充分供水条件下，宿根亚麻、马蔺的日蒸散量明显低于其他草本植物，为2.86mm与2.97mm，细茎针茅最多，为6.28mm，表明在充分供水情况下，宿根亚麻、马蔺的需水量相交于其他植物更小，细茎针茅需水量最多。

限量供水条件的设置在草本植物质量可接受的前提下，根据草本植物叶片水分状态采用适量浇水，使土壤水分存在水分从饱和到亏损的周期，在此条件下测得草本植物的蒸散量代表了常规水分管理条件下的蒸散量。限量供水条件下25种草本植物5月日均整散量对比中，紫菀的蒸散量最大，为4.56mm，马蔺的蒸散量最小，为1.04mm。表明限量供水条件下，马蔺对水的需求量最小，紫菀对水的需求量最大。

4.4.2.两种供水条件下25种草本植物日均蒸散量聚类分析

将不同草本植物在不同情况下的蒸散量进行聚类分析，得出需水量具有相似性的植物组合。当类聚个数为5的条件下，需水量相似的组合分别为：A：白花草木犀，马蔺;B：匍枝委陵菜，米口袋，糙叶黄耆，地锦草，白三叶，地榆，宿根亚麻，萱草;C：紫菀，细茎针茅;D：蒲公英，紫花苜蓿，二色补血草，结缕草，狗牙根，费菜;E：石竹，田旋花，垂盆草，柴胡，车前，亚菊，沙蒿。

4.4.3.不同覆土深度下25种植物生长状态

分别在原生组与工程维护组组内控制覆土深度，分别为原沙、覆种植土8cm以及覆种植土12cm三种处理方式，观察25种草本植物的在处理后的第21d的生长状态，记录数据并且将生长状态分为6个等级，为等级分级标准，便于对实验数据的分类与整合。

原生组中三种深度的覆土处理下，草本植物的生长状态普遍呈现停止生长、半致死状的现象。随着覆土厚度的增加，个别草本植物的生长状态稍有改善，沙蒿在覆土8cm时叶片仅出现失水卷曲，枯死率占20%-40%，12cm覆土即恢复生长正常状态，叶色基本正常。说明沙蒿在干旱胁迫下控制种植土深度12cm以上即可正常生长。而紫菀田旋花等草本植物在三种土壤处理下均为半致死状，表明在干旱胁迫下，覆土的深度控制不作为影响紫菀与天旋花等草本植物的生长状态的主导因素。

工程维护组中三种深度覆土处理下，草本植物的生长状态普遍从半致死状恢复正常。沙蒿、宿根亚麻、地榆在8cm覆土深度下可正常生长，叶色基本正常，紫菀田旋花等草本植物在12cm覆土处理下可生长，但失水卷曲，叶片枯死量占20%-40%。

5.讨论

5.1.草本植物综合抗旱性排序

干旱胁迫可以促进各草本植物的叶片干物质量与根冠比，抑制株高与叶片相对含水量。且不同植物之间存在显著，说明不同植物对干旱胁迫的适应对策不同。基于主成分分析与隶属函数值相结合的方法，对25种草本植物的抗旱能力进行综合评价排序为：沙蒿>宿根亚麻>地榆>白三叶>结缕草>萱草>糙叶黄耆>米口袋>白花草木犀>亚菊>匍枝委陵菜>垂盆草>车前>二色补血草>费菜>蒲公英>狗牙根>柴胡>地锦草>细茎针茅>紫花苜蓿>田旋花>紫菀。

5.2.干旱环境下草本植物组合应用模式推荐

通过对25种草本植物的蒸散量数据进行聚类分析，在个案为5的情况下，得出5种需水量相近的植物组合，分别为：A：白花草木犀，马蔺;B：匍枝委陵菜，米口袋，糙叶黄耆，地锦草，白三叶，地榆，宿根亚麻，萱草;C：紫菀，细茎针茅;D：蒲公英，紫花苜蓿，二色补血草，结缕草，狗牙根，费菜;E：石竹，田旋花，垂盆草，柴胡，车前，亚菊，沙蒿。

以聚类分析的组合结果为基础，结合综合抗旱性排序，筛选出抗旱性较强的草本植物，并且以组合中蒸散量最多的植物的需水量为供水条件，根据不同的覆土深度下各个草本植物的外部表现形态等级再次归类组合，将表现等级为同级归为一类，得出如下组合推荐：A.白花草木犀，马蔺，米口袋，糙叶黄耆，萱草;B.匍枝委陵菜，地锦草，白三叶，地榆，宿根亚麻;C. 蒲公英，二色补血草，结缕草，狗牙根，费菜;D.石竹，垂盆草，柴胡，亚菊，沙蒿。

6.总结

文章通过控制变量的方式，对基于AHP法进行内业评估筛选出的25种草本植物进行分组试验，通过隶属函数法综合评价得出25种草本植物的抗旱性排序。通过聚类分析的方式，得出初步的植物组合模式，并且基于聚类分析结果，叠加抗旱性综合排序以及不同覆土深度下植物的形态表现等级再次分类组合，为适用于滹沱河流域沙生环境下的植物应用模式推荐提供依据。

参考文献：

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