分布于元江、怒江、澜沧江、金沙江及其支流的“干热河谷”，年均温度18—23℃、年降雨量500—800 mm，年干燥度为3—5，是世界上环境最恶劣的地区之一^[1]。稀树草原(又称为“萨王纳”群系)是金沙江干热河谷地区的地带性植被^[2]，是该地区主要的生态屏障。由于对清洁能源的巨大需求，我国正在金沙江的干热河谷地区规划或建设白鹤滩、乌东德等大型水电工程。对新安江水库和三峡水库的研究表明，水库建设可能导致库周地区的降雨量、降雨时空格局发生变化^[3-5]，还会导致库周大气湿度的显著升高^[6]，进而影响水分蒸发和土壤含水量^[7]，预示水电站建设也将引起干热河谷区降雨减少和大气湿度增加，因此，工程建设后的气候效应对该地区植被的长期影响理应得到人们的关注。

车桑子(Dodonaea viscosa)是金沙江干热河谷区植被灌木层的建群种，具有喜光、耐旱、耐瘠薄的特点^[2]，已在造林技术^[8]、抗旱机理与光合水分生理^[9]、种子的抗逆与萌发特性^[10-11]等方面进行了研究，在该地区植被恢复实践中也得到了初步应用，具有重要的生态价值和一定的园林价值。幼苗是植物种群较脆弱的生活史阶段，常被选为研究环境因子对植被影响的材料。鉴于车桑子对该地区植被的极端重要性，开展水库气候效应对车桑子幼苗生长、发育及其作用机制的研究就显得十分必要。降雨减少势必加剧土壤干旱，使植物细胞的生理脱水，通过膜系统受损、光合作用受抑制^[12]、改变植物根系形态^[13]和生殖分配^[14]等途径危害植物的生长和发育；大气湿度增加则可能影响植物叶片气孔的数目和开闭程度^[15-16]，抑制植物的光合作用、降低蒸腾作用和树干液流量^[17]及矿质营养运输^[18]。因此，水电站建设后大气湿度增加，既可能补偿降雨减少导致的土壤水分亏缺，也可能在光合作用和矿质营养运输等方面与土壤干旱形成叠加效应，因此，土壤水分胁迫和大气湿度增加的耦合作用对该地区植被的影响具有不确定性。本研究拟以车桑子幼苗为材料，通过室内试验模拟该地区水库气候效应，旨在评估土壤水分胁迫加剧和大气湿度增加耦合作用对其生长和发育的影响，同时，通过测定其光合系统、膜系统损伤和渗透调节物质的响应特征，揭示二者对车桑子幼苗的损伤途径与机制。本研究的开展，对于揭示大气湿度升高对植物的损伤机理及大型水电工程对周边植被动态的影响具有理论价值，对于当地的植被管理和维持电站安全运行具有现实意义。

1 材料与方法 1.1 实验设计

本实验采用2因素完全随机设计。根据郎南军的研究，元谋干热河谷区旱季的土壤质量含水量为2%—7%^[19]，因此，土壤质量含水量(SWC)设置13%、7%和1.5% 3个梯度，分别代表土壤水分高、中、低3个水平，其中1.5%代表极端干旱情况；据研究，1950—2006年间云南省金沙江干热区大气相对湿度(ARH)为50%—60%，年均ARH 53%^[20]，因此大气相对湿度设置ARH 50%、ARH 65%和ARH 75% 3个梯度；共9个处理，每处理5个重复。其中，SWC 1.5%×ARH 75%代表水库建成后微气候的处理，SWC 7%×ARH 50%代表当前的气候处理。

1.2 种子萌发与幼苗处理

试验种子2013年12月采自乌东德电站右岸地区，自然风干后常温下保存备用。2014年8月，车桑子种子经0.5% KMnO₄溶液消毒处理后，在常温下萌发。当出现第1 片真叶时，选择健壮且长势一致的幼苗3 株，定植于直径20 cm、高20 cm、盛有2.5 kg细沙的圆形花钵内，沙子采用薄塑料板覆盖以保水。采用Hogland′s营养液定期浇灌^[21]，至第3片真叶时定苗至1株，然后移入生态培养箱(PRX-1000C)进行控水、控湿试验。根据干热河谷区的年均温度^[20]，将生态培养箱内温度设置为22℃/15℃(昼/ 夜)，光合有效辐射(PAR)300 μmol m^-2 s^-1，光周期14 h/10 h(昼/ 夜)。不定期采用FOM便携式土壤温湿度计(美国Fom公司)监测8 cm深度处含水量，并适时补充营养液将河沙含水量控制为1.5%、7%和13%；同时，3台培养箱内相对湿度分别控制为50%、65%和75%。培养时间3个月。

1.3 数据测定

(1) 植物生长特征测定 每2周记录幼苗高度、基径、活叶数、枯叶数和分枝数。在11月上旬收获幼苗，将其分为根、茎、叶3部分。首先清洗并扫描根系，然后用WinRhizo 软件分析的根系总长、表面积、投影面积、根体积及分支数，最后在65℃烘干并测定根干重(g)。然后，取少量叶片测定鲜重、扫描测定叶面积后于4℃冰箱中保存，24 h内用于叶绿素和抗性生理指标测定；剩余部分测定叶面积、鲜重后在65℃烘干测定其干重，与用于叶绿素测定叶片合并后计算植株植的叶面积和叶质量。最后，将茎在65℃烘干并测定其干重。

(2) 光合生理指标测定 在幼苗收获之前1周内，每株选择3片健康叶片采用Mini-Pam调制荧光仪，参照吴雪霞等的方法测定Fv/Fm^[22]；采用收获冷藏的叶片参照张志良的方法，采用丙酮法提取、测定并计算叶绿素a和叶绿素b的含量^[23]；

(3) 逆境生理指标测定 选用反映细胞膜质过氧化的丙二醛(MDA)及渗透调节物质可溶性糖作为指标。采用冷藏的叶片，参照张志良的方法，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量；采用蒽酮比色法测定叶片可溶性糖的含量^[23]。

1.4 数据计算与分析

以实验结束时的数据分析试验因素对幼苗生长发育和根系发育的影响。参照Walters等的方法计算各植株的叶质量比(LMR)、径质量比(SMR)、根质量比(RMR)及比叶面积(SLA)^[21]。对各项数据采用双因子ANOVA法进行土壤含水量和空气湿度的主效分析，并以Origin7.5作图；以Duncan法对各指标的9个处理进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 对幼苗生长、发育和形态的影响

(1)对幼苗生长的影响

结果表明，空气湿度和土壤含水量变化对车桑子幼苗生长均有显著影响(表 1)。土壤含水量(图 1)对幼苗的活叶数、株高、茎分枝数和植株总重的影响呈负增长趋势；而除株高呈负增长趋势外，活叶数、茎分枝数和植株总重等参数随空气湿度增加表现出先增长后下降的趋势(图 1)，说明空气湿度过大可能抑制车桑子幼苗生长。同对照(SWC 7%×ARH 50%)，水库建成后气候效应(SWC 1.5%×ARH75%)导致幼苗生长各项参数有所下降，但达不到显著水平(表 1)，说明大气湿度的增加可以补偿降雨减少对幼苗生长的影响。

(2) 对根系发育的影响

结果表明(表 2)，空气湿度和土壤含水量对车桑子幼苗根系发育的各项参数产生极显著影响，空气湿度对植物幼苗根系发育各项参数的影响略大于土壤。结果还表明(图 2)，土壤干旱抑制根系发育，根系各项指标随土壤含水量减小而降低，1.5%土壤含水量的处理显著低于7%和13%；大气湿度增加促进根系发育，表现为根长和根表面积随空气湿度增加而增加，根截面积、体积和分支数在65%达到最大后下降，说明根系的直径发育和分叉数需要合适的空气湿度。同对照(SWC 7%×ARH 50%)相比(表 2)，除根系投影面积外，水库建成后气候效应(SWC 1.5%×ARH75%)车桑子幼苗的根系发育各项指标没有显著影响，说明大气湿度升高能够补偿土壤干旱对车桑子幼苗根系发育的抑制作用。

(3) 对叶性状和植株生物量分配的影响

结果见表 3。空气湿度和土壤水分含量对比叶面积(SLA)的影响不显著。空气湿度对车桑子幼苗根质量比(RMR)的影响极显著，随大气湿度升高，RMR呈先升后降的趋势(图 3)，说明空气湿度过高会抑制生物量向根系的分配；空气湿度叶质量(LMR)、径质量比(SMR)的影响均不显著。土壤含水量对LMR和RMR的影响极显著，随土壤干旱加剧，LMR下降而RMR上升；土壤含水量对SMR的影响不显著。同对照(SWC 7%×ARH 50%)相比(表 3)，水库建成后气候效应(SWC 1.5%×ARH75%)对车桑子幼苗叶性状和生物量分配各项指标没有显著影响，说明大气湿度升高能够补偿土壤干旱对车桑子幼苗生物量分配的影响。

2.2 空气湿度和土壤含水量变化对幼苗的损伤途径

(1)对光合系统的影响

结果表明，空气湿度和土壤含水量变化不影响车桑子幼苗叶片的叶绿素含量(P＞0.05)，各处理间的差异均不显著(表 4)。而Fv/Fm对土壤含水量和大气湿度变化均较为敏感，达到极显著水平(表 4)；其中，土壤含水量1.5%的Fv/Fm显著低于7%和13%的Fv/Fm值，ARH 50%的Fv/Fm值显著低于65%和75%的Fv/Fm值(图 4)。以上数据说明土壤水分胁迫和大气水分胁迫主要通过电子传递链途径，而不是改变叶绿素含量来影响车桑子的光合作用。同时，大气湿度升高能够补偿土壤含水量增加对其光合电子传递的胁迫作用。

(2) 对膜酯过氧化的影响

结果表明(表 5)，土壤含水量对叶片MDA影响极显著(P＜0.01)，空气湿度对叶片MDA影响不显著(P＞0.05)，呈现随空气湿度增加而过氧化水平加剧的趋势，说明(图 5)；从图 5可以看出，土壤干旱时的MDA的积累影响远高于大气湿度，说明土壤干旱导致了车桑子幼苗脂膜过氧化。

(3) 渗透调节物质的响应特征

结果见表 5，空气湿度对叶片糖积累有极显著影响(P＜0.01)，空气湿度越高糖含量越高，土壤含水量对叶片糖含量的影响达到显著水平(P＜0.05)，土壤水分越低叶片糖含量越高，因此，二者对叶片可溶性糖的影响呈相反的趋势。

以F值大小评价，而空气湿度对叶片糖含量的积累的影响远大于土壤含水量。

3 讨论与结论 3.1 水库气候效应对车桑子幼苗生长、发育和形态的影响

本研究表明，土壤干旱限制车桑子幼苗的营养生长，表现为株高和生物量下降、构件数减少、根系发育受阻，说明车桑子幼苗对土壤干旱具有敏感性，其响应也具有系统性和整体性，符合植物干旱适应的一般特征^[24-25]。土壤含水量减小导致根系的长度、分支数、截面积及根体积等下降，与大豆和紫花苜蓿的研究结果一致^[26-27]，与红砂幼苗根系对土壤干旱的响应规律不一致^[13]，说明根系发育对土壤干旱的适应也具有种特异性；车桑子具有增加根生物量分配以适应土壤水分亏缺的特性，与尉秋实等对沙漠葳^[24]、冯燕等对霸王和柠条^[25]的研究结果一致。Huston 等^[28] 和Tilman^[29] 的研究认为，植物地下部分与地上部分生物量比率变化是植物对环境因子需求的响应，本研究中土壤干旱时车桑子增加根生物量分配的特性符合这一规律。

空气湿度能影响植物树干液流^{[17, 30]}、气孔发育^[15]、矿质营养运输^[31]等，而有关空气湿度对植物生长、特别是根系发育的研究较为少见。本研究显示空气湿度能显著影响车桑子幼苗的生长和发育。其中，株高和生物量积累均随空气湿度下降而下降，具有与土壤干旱类似的规律，与段国晟蓝果忍冬的结果一致^[32]，但Mortensend却发现，空气湿度下降使短日植物Euphorbia pulcherrima和Kalanchoe blosfeldiana的高生长增加^[33]，因此，植物高生长对空气湿度的响应可能具有种特异性。另外，空气湿度对车桑子幼苗根、茎、叶构件发育的影响，呈现先随湿度降低而增加然后再降低的趋势，与江汉平原过高的大气湿度抑制小麦根系活力显的研究结果一致^[34]，说明根系发育需要合适的空气湿度，预示水库的气候效应可能抑制植株的形态发育。事实上，植物叶片气孔导度对空气湿度的响应具有单峰特性^[16]，通过气孔导度对 “土壤-植物-大气”水分运输连续体进行调节，可能是车桑子幼苗根、茎、叶构件发育对空气湿度单峰响应的作用机制。

综合分析，大气湿度升高可以部分补偿降雨减少导致的干旱，因此水库建设的气候效应不会大幅度改变车桑子幼苗的生长和发育。

3.2 车桑子幼苗对土壤和大气湿度变化的适应机制

植物光合能力下降是植物水分胁迫的重要体现。赵琳等发现，干旱胁迫使车桑子净光合速率下降45.8%^[9]，涂璟等也发现土壤水分低于26.7%时，车桑子幼苗的净光合速率就会下降^[35]，说明车桑子的光合系统对水分胁迫具有敏感性。尽管土壤水分胁迫使加纳比松、火炬树和紫花苜蓿叶片叶绿素含量升高或降低^[36-38]，但本研究中土壤和大气湿度变化对叶绿素含量没有影响，与红松和西伯利亚红松结果的是一致的^[39],因此叶绿素含量不是导致车桑子幼苗光合效率下降的主要原因。本研究显示土壤和空气湿度下降均引起Fv/Fm值下降，说明光合电子传递受阻是水分胁迫时车桑子光合能力下将的主要原因，也可能是空气湿度增加缓解土壤干旱对车桑子幼苗生长影响的主要机制。

膜质过氧化是水分胁迫危害植物的主要途径。当植物受到干旱胁迫时，产生大量的活性氧会引起膜质的过氧化作用，MDA作为脂膜过氧化的终端产物，其含量多少可以反映生物膜被破坏的程度^[12]，因此，MDA含量常被选作评价植物干旱胁迫水平的指标。本研究表明，土壤含水量和大气湿度变化对车桑子幼苗叶片膜质过氧化的作用存在显著差异，叶片MDA具有随土壤含水量的下降而增加的趋势，说明车桑子叶片的质膜系统已经发生过氧化反应，与刘瑞香等对沙棘和俄罗斯沙棘的研究结果一致^[40]；而大气湿度变化对叶片MDA没有显著影响，说明大气湿度升高并未导致植物叶片膜质的急剧过氧化，与江汉平原较高的大气湿度使小麦叶片膜质过氧化的结果不一致^[29]，可能是植物膜质对大气湿度的敏感性具有种特异性，也可能是由于本研究中大气湿度未达到RH100%的原因。

糖是参与调节渗透胁迫的小分子物质，在植物对水分胁迫的适应性调节中，是增加渗透性溶质的重要组成成分^[41]。本研究表明，车桑子幼苗叶片的可溶性糖随土壤含水量下降而降低，与史玉炜等^[42]的研究结果一致，说明其具有通过积累糖类物质以下调水势、增加水分吸收的适应能力。本研究的结果还表明，叶片糖含量具有随空气湿度增加而增加的趋势，这显然与渗透调节无关。由于Fv/Fm、叶片糖含量随空气湿度变化的趋势相同，因此，高湿条件下车桑子叶片具有较高的光合能力，可能是导致其可溶性糖含量较高的原因。

3.3 结论

土壤水分胁迫抑制车桑子幼苗的生长和发育，而空气湿度升高能够促进其生长和发育，因此大气湿度增加能够部分补偿土壤干旱的效应，干热河谷区的水库效应不会导致车桑子幼苗的生长和发育受损。土壤水分胁迫和大气湿度升高不影响车桑子幼苗的叶绿素含量，而光合电子传递链受损及膜质系统过氧化是水分胁迫的主要机制，同时，车桑子幼苗具有积累可溶性糖进行渗透调节的能力。