寧夏中部干旱帶苜蓿碳同位素分辨率的替代指標(biāo)

鄭淑欣，朱 林，許 興，，侯志軍

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750021； 3.寧夏現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司，寧夏 銀川 750021)

寧夏中部干旱帶處于毛烏素沙地和騰格里沙漠的邊緣，是我國北方農(nóng)業(yè)區(qū)與天然草地牧區(qū)交接的過渡地帶[1]，土地總面積253.7萬hm2，占全區(qū)總面積的45.9%，屬典型大陸性氣候，海拔1 340 m，干燥少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈,風(fēng)大沙多。多年平均降水量為251 mm，蒸發(fā)量為降水量的9倍[2]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國種植面積最大的栽培牧草，飼用價(jià)值高,營養(yǎng)豐富,同時(shí)也是一種優(yōu)良的改土培肥植物,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[3]，在我國旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有十分重要的作用[4]。但是,在中部干旱地區(qū),水分是限制牧草生長及栽培草地構(gòu)建的主要因素。

蒸騰效率是植物蒸騰單位質(zhì)量水分所形成的干物質(zhì)量。由于用地上生物量法直接測定植物蒸騰效率費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，20世紀(jì)80年代初，F(xiàn)arquhar和Richards[5]與Hubick和Farquhar[6]發(fā)現(xiàn)，碳同位素分辨率(Δ13C)可以反映植物的蒸騰效率及其生長環(huán)境的水分狀況。C3植物Δ13C與整株水平的蒸騰效率有負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，Δ13C可以作為間接選擇指標(biāo)來篩選高蒸騰效率的C3植物種或品種。然而，Δ13C的測定需要昂貴的同位素質(zhì)譜儀，成本較高，在節(jié)水品種篩選工作中十分有必要尋找Δ13C的替代指標(biāo)。

近幾年來，許多國外研究者認(rèn)為其它指標(biāo)與Δ13C也有較好的相關(guān)性，例如灰分含量、比葉重以及葉片相對含水量等。Monneveux等[7]發(fā)現(xiàn)，小麥(Triticumaestivum)成熟期旗葉灰分含量反映了葉片蒸騰水量。李善家等[8]的研究表明，油松(Pinustabulaeformis)葉片的灰分含量與δ13C值成正相關(guān)關(guān)系，而與葉片相對含水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，麥類作物葉片灰分含量與Δ13C呈顯著正相關(guān)[9-12]。朱林等[13]的研究也證明，小麥成熟期葉片灰分含量與旗葉Δ13C及收獲系數(shù)顯著正相關(guān)。Wright等[14]的研究表明，花生(Arachishypogaea)比葉面積與其水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Araus等[15]發(fā)現(xiàn)，在正常供水條件下大麥(Hordeumvulgare)的比葉重與Δ13C呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而Ismainl和Hall[16]認(rèn)為豇豆(Vignaunguiculata)的比葉重與水分利用效率不相關(guān)。孫惠玲等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著郁金香(Tulipagesneriana)葉片水分含量的下降，郁金香δ13C值顯著增大。雖然有將Δ13C用于研究苜蓿水分利用效率的報(bào)道，但多是選用一到兩個(gè)品種(系)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，而關(guān)于在半干旱風(fēng)沙區(qū)采用較多的苜蓿材料，有關(guān)Δ13C與灰分含量、比葉重(leaf mass per area,LMA)、相對含水量之間關(guān)系的研究在國內(nèi)還鮮見報(bào)道。為此，本研究在寧夏中部干旱地區(qū)采用節(jié)水噴灌設(shè)施、設(shè)置3種水分梯度，對10個(gè)品種苜蓿材料的Δ13C、灰分含量、比葉重、相對含水量等指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行研究，旨在分析不同水分條件下各參試苜蓿品種上述指標(biāo)的表現(xiàn)及其對相互關(guān)系的影響，為苜蓿節(jié)水品種篩選指標(biāo)提供依據(jù)，并尋找與Δ13C密切相關(guān)的形態(tài)生理指標(biāo)。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地設(shè)在寧夏吳忠市紅寺堡孫家灘開發(fā)區(qū)，該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊祬^(qū)，海拔1 350 m，屬典型大陸性氣候。多年平均氣溫8.7 ℃，全年日照時(shí)數(shù)較長，無霜期165～183 d，干燥少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈,年蒸發(fā)量在1 300～2 300 mm，生長季降水量為223.6 mm,風(fēng)大沙多,降水多集中在7-9月，占全年降水量的72%，蒸發(fā)量約為降水量的9倍。土壤以灰鈣土為主，結(jié)構(gòu)松散沙性大，土壤水分狀況無顯著差異。

1.2材料 10個(gè)供試品種中，5個(gè)為國外引進(jìn)品種，分別為阿爾岡金(加拿大)、金皇后(美國)、三得利(荷蘭)、CW400(美國)和柏拉圖(德國)；另5個(gè)為地方品種，分別為寧夏當(dāng)?shù)仄贩N寧苜1號、寧苜2號、中苜1號、固原紫花苜蓿和甘肅的甘農(nóng)3號。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，播種采用單行條播，設(shè)置3個(gè)水分處理，處理Ⅰ(不灌水)；處理Ⅱ(中等水分脅迫，灌溉2次)，灌溉總額為302 mm；處理Ⅲ(充分灌水，灌溉4次)，灌溉總額為562 mm。每處理3次重復(fù)，每重復(fù)1個(gè)小4 m×4 mm。行距30 cm，播種量15 kg·hm-2。出苗后生長季及時(shí)中耕鋤草、防治病蟲害。

1.4測定項(xiàng)目及方法

1.4.1土壤體積含水量 于苜蓿初花期和盛花期用TDR便攜式土壤水分探測儀測定(TDR Trime-T3,Germany)。每個(gè)小區(qū)在播種前埋設(shè)TDR控管，深度為200 cm，測定時(shí)每隔20 cm記錄一次。

1.4.2碳同位素分辨率 于苜蓿始花期在每小區(qū)取整株10株，于盛花期在每小區(qū)取整株上部完全展開的葉片50片，在70 ℃下烘干48 h，磨細(xì)過0.150 mm篩，各樣品的碳同位素組成δ13C值由同位素質(zhì)譜儀(Model Thermo Finnigan, Bremen, Germany)檢測，計(jì)算公式：

式中,R為13C/12C比率。

碳同位分辨率根據(jù)Farquhar的公式[5]計(jì)算：

式中，δ13C空氣=-8‰。

1.4.3灰分含量 于始花期和盛花期，在每小區(qū)取植株上部葉50片和整株10株，將樣品放入SX4-10箱式電阻爐中在700 ℃的溫度下完全燃燒至質(zhì)量恒定不變，用分析電子天平稱量，計(jì)算單位干物質(zhì)的灰分含量。

1.4.4比葉重 于始花期和盛花期在每小區(qū)取植株上部葉50片，取其中30片測定其葉面積，然后將葉片放入烘箱烘干稱其質(zhì)量，計(jì)算單位面積葉片的干物重，即為比葉重。

1.4.5葉片相對含水量 于始花期和盛花期在每小區(qū)取植株上部葉50片，取樣時(shí)間為早晨08:00―09:00，取樣后將樣品迅速裝入塑料袋中密封，在室內(nèi)測定葉片鮮質(zhì)量，然后將葉片放入裝有蒸餾水的瓶中，定期稱量葉片質(zhì)量，直至葉片質(zhì)量恒定不變即為葉片飽和重(TW)，然后將葉片烘干稱量(DW)。

1.4.6光合氣體交換參數(shù) 用英國PP Systems公司生產(chǎn)的CIRAS-2型(PP Systems,Hitchin,UK)便攜式光合作用系統(tǒng)，在苜蓿的始花期和盛花期測定葉片蒸騰速率、光合速率及氣孔導(dǎo)度，溫度、濕度均為環(huán)境水平。每次每個(gè)小區(qū)選5片上部完全展開的葉片進(jìn)行測定，自然光下待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保存3個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值，單葉水分利用效率(TE)用Pn/T計(jì)算。

1.5數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003以及DPS 3.11數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

不同水分處理下土壤水分條件如表1所示。

2.1不同試驗(yàn)處理各個(gè)測定指標(biāo)的表現(xiàn) 不同處理間始花期葉片和整株的Δ13C值、灰分以及葉片相對含水量均有顯著差異(P<0.05)，其中始花期葉片Δ13C值為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ；始花期整株和葉片的灰分含量均為處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ；比葉重為處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ；葉片相對含水量為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ；氣孔導(dǎo)度隨著水分脅迫程度的增加逐漸減小(表 2)。比葉重表現(xiàn)為各品種間差異顯著。不同處理間除了整株灰分含量和比葉重外，其它指標(biāo)都差異顯著(P<0.05)。

表1 不同水分處理下的土壤條件Table 1 Edaphic condition under three treatments

表2 始花期3種水分處理各指標(biāo)的均值及多重比較結(jié)果Table 2 The means and multiple comparisons of various parameters at the early flowering stage

盛花期整株Δ13C值表現(xiàn)為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ；盛花期葉片灰分含量的表現(xiàn)趨勢與始花期相同，隨著灌水量的增加灰分含量逐漸減??；盛花期葉片相對含水量在水分重度脅迫處理下最低，充分灌水條件下最高，但處理間差異不顯著(P>0.05)；盛花期葉片蒸騰速率、光合速率均隨著水分脅迫程度的增加逐漸減小，氣孔導(dǎo)度在中等水分脅迫下最高，隨著水分脅迫增加而減小(表 3)。葉片灰分含量、葉片相對含水量、光合速率及瞬時(shí)水分利用效率各品種間差異顯著。不同處理間除了比葉重和葉片相對含水量外，其它指標(biāo)都差異顯著。

2.2不同苜蓿品種在不同水分處理下的生長及生理指標(biāo)的表現(xiàn) 對不同苜蓿品種的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較，中苜1號、寧苜2號、三得利、阿爾岡金的整株Δ13C比較高。三得利、中苜1號的整株灰分含量低，寧苜1號、寧苜2號的葉片灰分含量低。比葉重比較低的是寧苜1號、中苜1號以及寧苜2號。相對含水量高的品種是中苜1號、阿爾岡金和寧苜1號(表4)。

2.3不同試驗(yàn)處理Δ13C與各測定指標(biāo)的相關(guān)性 在嚴(yán)重水分脅迫條件(處理Ⅰ)及中度水分脅迫條件下(處理Ⅱ),苜蓿始花期整株灰分含量均與整株Δ13C呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；嚴(yán)重水分脅迫條件下始花期整株Δ13C與始花期比葉重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；嚴(yán)重水分脅迫及中度水分脅迫條件下始花期葉片相對含水量與葉片Δ13C及整株Δ13C呈顯著正相關(guān)關(guān)系；始花期葉片Δ13C在中度水分脅迫條件下與葉片相對含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；在中度水分脅迫處理下，始花期葉片Δ13C與氣孔導(dǎo)度顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。在水分中度脅迫的條件下盛花期葉片Δ13C與比葉重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；并且在水分中度脅迫條件下葉片Δ13C 與葉片相對含水量顯著正相關(guān)(表6)。

表3 盛花期3種水分處理下各指標(biāo)的均值及多重比較結(jié)果Table 3 The means and multiple comparisons of various parameters and traits at the flowering

表4 不同苜蓿品種各指標(biāo)的綜合表現(xiàn)Table 4 The performance of index on different alfalfa varieties at the early flowering

表5 始花期碳同位素分辨率(Δ13C)與各性狀的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between Δ13C and some traits at the beginning of flowering stage

表6 盛花期碳同位素分辨率(Δ13C)與各性狀的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between Δ13C and some traits at the flowering stage

3 討論

3.1不同時(shí)期不同水分處理各指標(biāo)的表現(xiàn) 據(jù)報(bào)道，在干旱控水的條件下，植物氣孔開度減小，葉片蒸騰作用減弱，使蒸騰器官中單位干物質(zhì)量灰分含量減少并顯著降低Δ13C[7,17]。本試驗(yàn)Δ13C結(jié)果與上述報(bào)道一致，即控水處理使葉片或整株Δ13C值顯著下降。而灰分含量的結(jié)果卻與上述報(bào)道相反，即在重度水分脅迫條件下始花期葉片和整株以及盛花期葉片灰分含量均較中度脅迫或充分灌溉的高。這可能與苜蓿的生長特性有關(guān)，在水分虧缺條件下苜蓿光合產(chǎn)物向地下分配比例增加從而導(dǎo)致地上部碳含量的降低和灰分含量的增加。也可能與采樣部位有關(guān)，植物不同部位的灰分含量是不一樣的。本試驗(yàn)采樣部位為苜蓿植株的上部葉片，在充分灌溉條件下植株水分狀況較好，新葉抽出速度快，而新葉的灰分含量通常是比較低的。李芳蘭等[18]研究了干旱地段黃櫨(Cotinuscoggygrisvar.cinered)葉片的比葉重，表明隨著海拔和年降水量的升高和增加，比葉重逐漸減小。本試驗(yàn)結(jié)果是重度水分脅迫條件下苜蓿始花期和盛花期的平均比葉重均比中度脅迫的高，即處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ，說明水分狀況的改善會(huì)使葉片變薄，苜蓿植株在水分脅迫時(shí)通過加厚葉片來適應(yīng)干旱環(huán)境，這與相關(guān)研究結(jié)論一致。

3.2不同水分處理?xiàng)l件下苜蓿Δ13C與光合氣體交換參數(shù)、葉片水分生理及形態(tài)指標(biāo)間的關(guān)系 Farquhar 和Richards[5]及Monneveux等[7]研究表明，高Δ13C與較大的氣孔導(dǎo)度有關(guān)，在本試驗(yàn)中，控水的兩個(gè)處理(處理Ⅰ和處理Ⅱ)條件下，Δ13C與相對含水量顯著正相關(guān)，與葉片氣孔導(dǎo)度相關(guān)性不顯著，在充分灌水條件下Δ13C與兩者相關(guān)性都不顯著。據(jù)報(bào)道[5]，葉片胞間CO2濃度與空氣CO2的濃度比值(Ci/Ca)與Δ13C之間呈正相關(guān)關(guān)系，而Ci/Ca與氣孔導(dǎo)度和光合速率兩個(gè)因素有關(guān)。由于有灌溉措施本試驗(yàn)地土壤水分條件不是太差，即使是最少灌水處理也沒有對苜蓿光合系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的損害。對水分吸收利用能力較強(qiáng)、葉片相對含水量較高的材料能保持較高的氣孔導(dǎo)度和光合速率，前者使Ci/Ca增加、后者使Ci/Ca下降，兩者權(quán)衡的結(jié)果使得Δ13C與氣孔導(dǎo)度的相關(guān)性變?nèi)酢?/p>

比葉重反映了葉片的厚度和光合能力，葉片較厚的葉片中參與光合的單元較多，因此厚葉品種光合機(jī)能較強(qiáng)，而導(dǎo)致蒸騰效率的提高和Δ13C的下降[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，在水分虧缺條件下比葉重與Δ13C顯著負(fù)相關(guān)，而在充分灌水條件下兩者相關(guān)性不顯著。本試驗(yàn)結(jié)果表明，控水的兩個(gè)處理(處理Ⅰ和處理Ⅱ)條件下參試各品種間光合速率的差異比充分灌水處理的大(變異系數(shù)較高)，在這兩種控水處理?xiàng)l件下光合作用對Ci/Ca乃至Δ13C的影響權(quán)重增大，根據(jù)上述原理，由于Δ13C與Ci/Ca呈正相關(guān)關(guān)系，葉片較厚的品種光合能力較強(qiáng)，葉片中Ci/Ca就會(huì)降低，從而使Δ13C下降，導(dǎo)致Δ13C與比葉重負(fù)相關(guān)。

在水分中度或重度脅迫條件下不同苜蓿材料整株Δ13C與整株灰分含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人關(guān)于灰分含量與Δ13C正相關(guān)的報(bào)道[9-13]相反，可能是由于苜蓿整株灰分含量不僅反映了蒸騰效率也與光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。低Δ13C的苜蓿材料反映了其水分狀況較差，光合產(chǎn)物向地下部分配比率較高，導(dǎo)致地上部碳含量的降低和灰分含量的升高；高Δ13C材料情況與此相反，因其水分狀況較好、氣孔開度較大、光合速率較高，向地上部分配較多的光合碳產(chǎn)物對灰分起“稀釋”作用而使其含量降低。

3.3不同苜蓿品種各重要指標(biāo)的綜合表現(xiàn) 通過對10個(gè)品種苜蓿材料的Δ13C、灰分含量、比葉重、相對含水量之間的關(guān)系分析研究可以看出，中苜1號、寧苜2號、三得利、阿爾岡金的整株Δ13C比較高，阿爾岡金、中苜1號、三得利和寧苜1號的葉片Δ13C較高，而三得利、中苜1號的整株灰分含量低，寧苜1號、寧苜2號的葉片灰分含量低。

4 結(jié)論

綜上所述，在寧夏中部干旱帶有灌溉條件下，苜蓿整株灰分含量、葉片相對含水量、比葉重等指標(biāo)與整株或葉片Δ13C有著密切的關(guān)系，這種相關(guān)性在非充分灌水處理?xiàng)l件下更強(qiáng)，因此在寧夏乃至西北有補(bǔ)灌條件的地區(qū)發(fā)展苜蓿栽培草地時(shí)可以選用碳同位素分辨率及其上述替代指標(biāo)鑒定節(jié)水高產(chǎn)苜蓿品種。本試驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的碳同位素分辨率與灰分含量關(guān)系的結(jié)論與前人報(bào)道相悖，其中的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

致謝：教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(211195)和國家自然科學(xué)基金(31160478)對本研究給予了無償?shù)馁Y助，在此表示感謝。

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