夏玉米三葉期持續(xù)干旱下不同葉位葉片含水量變化及其與光合作用的關(guān)系

王 帆, 何奇瑾, 周廣勝,,*

1 中國氣象科學研究院,北京 100081 2 中國氣象局固城農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地,保定 072655 3 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100193 4 南京信息工程大學氣象災(zāi)害預警協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044

玉米是世界上種植最廣泛的糧食作物之一,總產(chǎn)量居三大糧食作物(水稻、小麥、玉米)之首。中國是世界上僅次于美國的第二大玉米生產(chǎn)國,占世界總產(chǎn)量的20%。玉米產(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)量的30%左右,成為我國第一大糧食作物[1-3]。夏玉米主要分布在我國黃淮海地區(qū),播種面積占全國的32.7%,總產(chǎn)量占全國的35.5%,在保障中國糧食安全及滿足市場方面發(fā)揮著重要作用[4]。我國玉米主產(chǎn)區(qū)主要位于依靠自然降水的旱地上,降水成為影響玉米生產(chǎn)的重要因素之一,嚴重干旱年份甚至可以造成部分地區(qū)絕收。氣候變暖,干旱是影響夏玉米的主要氣象災(zāi)害[5-7],且在未來40年內(nèi),夏玉米干旱發(fā)生的頻率將增加[8],受干旱影響可能更嚴重[9-12]。

光合作用是植物利用太陽能,產(chǎn)生有機物,進而生長發(fā)育,形成生物量和產(chǎn)量的主要途徑,水分是影響植物光合作用的主要因素之一[13],在受到干旱脅迫時葉片含水量會顯著下降[14],葉片缺水后,葉綠素的生物合成受到影響,已有的葉綠素加速分解,從而導致葉片發(fā)黃,影響葉片的光合作用[15]。相較于土壤含水量,葉片水分更能直接反映植物生長發(fā)育的實際狀況,是反映植物水分盈虧程度的最佳指標[16-17]。植物干物質(zhì)的累積依賴于群體光合速率,而群體光合速率又與單葉的光合能力密切有關(guān)[18],研究不同葉位葉片含水量、光合作用及它們之間的關(guān)系有助于加深對玉米對干旱響應(yīng)的理解。

已有關(guān)于不同葉位的葉片含水量和光合速率研究[19-22]大多是基于幾個水分處理的對照分析,或水分梯度范圍不廣泛,多個水分梯度持續(xù)干旱情況下不同葉位葉片含水量的變化特征及其與光合作用的關(guān)系特征并不清楚。本研究以華北夏玉米為研究對象,利用夏玉米三葉期開始的6個不同土壤水分下持續(xù)干旱模擬試驗資料,探討夏玉米不同葉位葉片含水量隨土壤水分變化的特征,以及不同葉位葉片含水量對凈光合速率的影響特征,以增進不同葉位葉片生理特性及冠層植株光合能力的理解,并為干旱發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測預警提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2014年6—10月在中國氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站(39°08′N,115°40′E,海拔15.2 m)進行。該站屬于暖溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫為12.2℃,年平均降水量528 mm,年平均日照時數(shù)2264 h,其中以7月份降水量最多(約150 mm)[23]。試驗站土壤類型為沙壤土,0—50 cm平均土壤容重為1.2 g/cm3,平均田間持水量為22.1%,全氮0.98 g/kg,全磷1.02 g/kg,全鉀17.26 g/kg,pH值為8.19[23]。試驗配有大型電動遮雨棚,可防止降雨的影響。每個試驗小區(qū)面積為8 m2(2 m×4 m),各小區(qū)之間用3 m深混凝土墻隔離,防止水分水平交換。

供試夏玉米品種為鄭單958,2014年6月24日播種,小區(qū)玉米行距為50 cm,株距為25 cm,每小區(qū)64穴,每穴播3粒,每個小區(qū)64株,播種后,各小區(qū)施磷酸二銨300 kg/hm2,每個小區(qū)240 g。試驗共設(shè)置6個處理,每個處理3個重復。播種前使各小區(qū)底墑一致,0—50 cm的土壤相對濕度均為50%；出苗前對各小區(qū)均勻少量灌溉,保證各小區(qū)玉米正常出苗。以當?shù)?月份多年平均降水(150 mm)的7%(W1)、20%(W2)、40%(W3)、60%(W4)、80%(W5)和100%(W6)設(shè)置6個灌溉梯度(表1),出苗后(三葉期)7月2日按照設(shè)置的6個梯度灌溉量進行一次性灌溉,之后不再灌溉,各處理隨后發(fā)生不同程度的干旱,以模擬不同土壤水分下持續(xù)干旱對夏玉米的影響。

表1 不同土壤水分處理的灌水量

當?shù)?月份多年平均降水(150 mm)的7%(W1)、20%(W2)、40%(W3)、60%(W4)、80%(W5)和100%(W6)設(shè)置6個灌溉梯度

1.2 測定內(nèi)容與方法

1.2.1 土壤含水量

采用烘干稱重法,由土鉆法得到0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm土壤分層重量含水量θv,由土壤重量含水量除以田間持水量換算成土壤相對濕度RSWC(%)。

式中,θm為土壤重量含水量(g/g)；W1為濕土質(zhì)量(g),W2為干土質(zhì)量(g)；θm為土壤含水量(g/g),θf為田間持水量(g/g)。

1.2.2 葉片凈光合速率

由美國LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400型便攜式光合系統(tǒng)分析儀測定葉片凈光合速率。土壤水分和光合有效輻射是影響夏玉米生理指標最主要的生態(tài)因子[24]。試驗中將光強統(tǒng)一設(shè)定為1500 μmol m-2s-1,采用熒光葉室,流速設(shè)定為300 μmol/s,選擇晴朗天氣的9:00—12:00進行觀測。每個小區(qū)選取1株玉米標準植株,測定植株頂部開始的第一葉、第三葉和第五葉展開葉的中上部位置的凈光合速率Pn(μmol m-2s-1)。

1.2.3 葉片含水量

于上午光合生理生態(tài)參數(shù)觀測后進行葉片的取樣,葉片樣本與光合觀測的葉片一致,參照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》(1993)[25],葉片從植株上用剪刀分離,稱取鮮重后放入牛皮紙袋,再放入烘箱105℃殺青1 h,在80℃下烘干至恒重后稱取干重,以計算各葉片樣本的含水量。

1.3 觀測時間

以進行梯度灌水的7月2日為處理第1天,選擇晴朗天氣,每隔7—14 d對上述指標進行測定,測定時間見表2。

表2 觀測時間及對應(yīng)生育期

1.4 葉片最大含水量

葉片含水量與土壤相對濕度的關(guān)系采用米氏方程(Michaelis Menten Equation)[26]擬合,公式如下,并計算葉片最大含水量：

y=ax/(b+x)

式中,y為葉片含水量,x為土壤相對濕度,a、b為常數(shù)。采用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)法作圖,1/y=(b+x)/ax=b·a/1x+1/a,記Y=1/y,X=1/x，則Y=b/a·X+1/a變換為線性關(guān)系,求取土壤相對濕度為100%時的葉片含水量[27]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件整理,以平均值±標準誤表示。并用SigmaPlot 10.0軟件進行曲線擬合并繪圖。用IBM SPSS中的獨立樣本t檢驗和單因素方差分析中的Duncan多重比較方法進行葉位間及各處理間的差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉位葉片水分隨干旱發(fā)生發(fā)展過程的變化

根據(jù)趙秉強等[28]的研究,夏玉米85%左右的根部干重分布在40 cm以上。故此,選用0—40 cm土壤相對濕度來表征干旱。

為保證灌水處理前各處理的底墑一致,對各處理實行多次少量均勻灌水。7月1日(灌水處理前)對土壤水分進行測定(圖1),各處理的結(jié)果無顯著差異。然后進行梯度灌水,7月2日的土壤水分測定結(jié)果表明各處理的土壤相對濕度存在顯著差異。隨著時間推移,由于土壤蒸發(fā)、作物蒸騰以及生長耗水,各處理的土壤相對濕度都呈減小趨勢?？傮w來看,前期土壤相對濕度下降幅度較大,后期下降幅度較緩,且W1—W6處理的土壤相對濕度下降速率呈增加趨勢。土壤水分脅迫程度越強,下降速率越小。

圖1 夏玉米第一、三、五葉片含水量和土壤相對濕度動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of leaf water content of Leaf 1、Leaf 3 and Leaf 5 and relative soil water content 測定植株頂部開始的第一葉、第三葉和第五葉；當?shù)?月份多年平均降水(150 mm)的7%(W1)、20%(W2)、40%(W3)、60%(W4)、80%(W5)和100%(W6)設(shè)置6個灌溉梯度

整體來看,不同葉位葉片含水量下降速率略有差異,第一葉與第五葉的下降速率略高于第三葉(表3)。第一葉在水分處理10 d后,各處理之間的葉片含水量呈顯著性差異(表4)；在水分處理后10—17 d(圖1),玉米對水分脅迫響應(yīng)顯著,所有處理的葉片含水量下降速率較大,水分處理17 d后,各處理葉片含水量下降速率減緩,灌水較多的W4—W6處理間無顯著差異。灌水處理50 d后,W2—W6處理的葉片含水量相近,與W1處理存在顯著差異(表4)。7月18日開始第三葉的觀測(圖1),低水分處理W1—W3的葉片含水量與高水分處理W4—W6的葉片含水量差異明顯。灌水處理30 d后,W1的葉片含水量與W2—W6的葉片含水量差異明顯(表5)。灌水處理30 d后開始,除W1處理下的葉片含水量下降不明顯外,其他處理第三葉的葉片含水量下降明顯,這是因為W1處理已經(jīng)處于重旱狀態(tài)。灌水處理50 d后,W2—W6處理的第三葉的葉片含水量與W1呈顯著差異。8月7日(灌水處理后37 d)開始第五葉的觀測,葉片含水量在灌水后37—50 d有所下降,隨干旱發(fā)生發(fā)展,各處理間的葉片含水量差異逐漸減小(圖1,表6)。

2.2 不同葉位葉片含水量差異

圖2給出了不同葉位葉片含水量。7月18日和7月31日第一葉和第三葉之間葉片含水量的差異性用獨立樣本t檢驗方法分析,8月7日和8月20日第一葉、第三葉和第五葉葉片含水量的差異性用單因素方差分析中的Duncan多重比較方法分析。在統(tǒng)計學意義上,7月18日(即灌水處理17 d后)、7月31日(即灌水處理30 d后)第一葉和第三葉的葉片含水量差異不顯著。隨著水分脅迫的時間推移,8月7日開始有第五葉的觀測,第一葉、第三葉和第五葉的葉片含水量開始出現(xiàn)顯著差異。除W3外,W2、W4、W5、W6處理的第五葉的葉片含水量最高,這是因為第五葉大多為棒葉,為玉米的受粉做準備,需要貯存較多的水分進行光合作用。8月20日(即灌水處理50 d后),水分脅迫比較嚴重,各葉位葉片的含水量都比較低,葉位間差異性不顯著,各處理之間的差異性也不顯著。整體而言,夏玉米葉片含水量隨葉位的變化規(guī)律不是一成不變的,與玉米所處的生育時期、土壤水分狀況以及葉片的功能等因素有關(guān)[29-30]。

表3 夏玉米第一、三、五葉片含水量的下降速率

LWC表示Leaf Water Content,葉片含水量

表4 不同持續(xù)干旱過程的夏玉米第一葉的葉片含水量/%

表5 不同持續(xù)干旱過程的夏玉米第三葉的葉片含水量/%

表6 不同持續(xù)干旱過程的夏玉米第五葉的葉片含水量/%

用單因素Duncan多重比較方法分析處理間差異性,同列數(shù)據(jù)無相同字母表示在0.05水平上差異顯著

圖2 各觀測日期下第一、三、五葉的葉片含水量Fig.2 LWC of Leaf 1、Leaf 3 and Leaf 5 at different observation times顯著性水平為0.05

2.3 不同葉位葉片水分與土壤水分的關(guān)系

圖3給出了夏玉米不同葉位葉片含水量隨土壤相對濕度的變化。葉片含水量隨土壤相對濕度的增加呈逐漸增加趨勢,達到最大值后基本保持不變,此時的葉片含水量為葉片最大持水能力,是植物生理能利用的葉片水分的上限(圖3)。根據(jù)米氏方程,用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)法作圖并擬合,計算最大葉片含水量 (圖3)。表7為所得擬合方程以及葉片最大含水量。

圖3 整個試驗期間第一、三、五葉片含水量與土壤相對濕度的關(guān)系及Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法Fig.3 The relationship between leaf water content of Leaf 1、Leaf 3 and Leaf 5 and relative soil water content and the double reciprocal Lineweaver-Burk plot throughout the trial period

葉位Leaf position擬合方程Fitting equationR2最大葉片含水量/%Estimated maximum LWC第一片葉Leaf 11/y=0.1545/x+1.02130.8196***85.06第三片葉Leaf 31/y=0.1237/x+1.08910.7457***82.59第五片葉Leaf 51/y=0.1258/x+1.06990.7725**83.63

***,**,*分別表示所建立的回歸方程通過了0.005、0.01、0.05水平的顯著性檢驗

由圖3可看出,第一、三、五葉片含水量與土壤相對濕度之間均可用米氏方程擬合。不同葉位的最大葉片含水量存在一定的差異,第一葉的最大葉片含水量最高,為85.06%；第五葉的次之,為83.63%；第三葉的最大葉片含水量最低,為82.59%(表7)。同時,第一葉的葉片含水量與土壤相對濕度的相關(guān)性(R2=0.8196)明顯高于第三葉(R2=0.7457)與第五葉(R2=0.7725),相比于第三葉和第五葉,第一葉的葉片含水量變化更能體現(xiàn)水分條件的變化,越往植株基部走,葉片所處的環(huán)境越復雜,受環(huán)境影響,其葉片含水量變化與土壤水分變化的相關(guān)性下降。

2.4 不同葉位葉片含水量與光合作用的關(guān)系

葉片含水量的變化對葉片凈光合速率的影響顯著。7月31日、8月7日觀測的不同葉位葉片含水量基本與葉片凈光合速率之間呈二次曲線關(guān)系,即隨著葉片含水量的增加,葉片凈光合速率呈先增加后減少的拋物線趨勢(圖4),并通過顯著性檢驗(表8—9)。并且,越靠近植株頂部,光合速率越大,光合生理活動越旺盛。但8月20日的第一葉和第三葉(此次沒有觀測第五葉的光合速率,故沒有第五葉的分析)的葉片含水量與凈光合速率并沒有呈顯著的二次曲線關(guān)系或退化為線性,說明嚴重的水分脅迫會破壞葉片含水量與凈光合速率的關(guān)系,此時葉片含水量已低于72%左右(表10)。

圖4 各觀測日期下第一、三、五葉片凈光合速率與葉片含水量的關(guān)系Fig.4 The relationship between Pnand LWC of Leaf 1、Leaf 3、Leaf 5 at different observation times

葉位Leaf position擬合方程Fitting equationR2Pn為零時的葉片含水量/%LWC when Pn reduces to zero第一片葉Leaf 1y=-0.3888x2 + 61.272x-2385.60.9424*70.10第三片葉Leaf 3y=1.3929x2+216.13.x - 8365.80.8476*73.97

表9 8月7日觀測到的不同葉位葉片凈光合速率(y)與葉片含水量(x)的擬合方程

由葉片含水量與凈光合速率間的擬合方程計算第一、三、五葉片凈光合速率為零時的臨界葉片含水量(表8—10)。7月31日第一、第三葉的葉片凈光合速率為零時的臨界葉片含水量分別為70.10%、73.97%；8月7日第一、三、五葉的葉片凈光合速率為零時的臨界葉片含水量分別為70.18%、71.15%、73.83%。8月20日由于土壤水分條件過低,葉片凈光合速率與葉片含水量的關(guān)系很不明顯且未通過顯著性檢驗,此時葉片含水量低于72%。整體來看,不同葉位葉片凈光合為零時的臨界葉片含水量不同,有從第一葉到第五葉增加的趨勢。

表10 8月20日觀測到的不同葉位葉片凈光合速率(y)與葉片含水量(x)的擬合方程

3 討論

本研究中,夏玉米不同葉位的葉片含水量在持續(xù)干旱早期,在統(tǒng)計學上無顯著差異,隨著干旱的持續(xù)發(fā)展,不同葉位之間的葉片含水量出現(xiàn)差異,不同時期下,葉片含水量隨葉位的變化規(guī)律有所差異。已有研究表明,水稻不同葉位葉片含水量受到水分脅迫時,拔節(jié)期葉片含水量呈第一葉<第二葉<第三葉<第四葉,隨脅迫時間的推移,灌漿期不同水分處理間葉片含水率變化規(guī)律出現(xiàn)差異[30]。也有研究表明,不同時期冀桑不同葉位葉片含水量隨葉位變化的規(guī)律不一致[31]。這可能與水分脅迫下不同葉位葉片的衰老差異有關(guān)。本研究中關(guān)于葉片含水量減少速率的分析也表明,不同葉位的葉片含水量下降速率是不同的。夏玉米不同葉位葉片飽和含水量有所差異,且沒有隨葉位呈規(guī)律性變化,第一葉最高,第五葉略高于第三葉?？赡芘c第一片葉是主要的生長中心有關(guān),第一葉生長活躍,需要貯存足夠的水分,生產(chǎn)干物質(zhì),保證新的葉片的生長。第五葉鄰近抽穗的部位,抽穗后生長中心由第一葉向穗部轉(zhuǎn)移[29],穗部的葉片將貯存更多的水分,故第五葉的最大葉片含水量高于第三葉。

作物產(chǎn)量的增加受整個冠層光合作用制造的有機物影響,而葉片光合作用是冠層光合作用的基礎(chǔ),目前已有許多關(guān)于冠層光合作用模擬模型的研究。冠層光合作用模型是對葉片光合作用模型的尺度化,大多數(shù)冠層光合作用模型中,冠層內(nèi)部光合作用的差異被認為主要是冠層內(nèi)部光分布的差異所造成[32-37],普遍假設(shè)光、溫等一定時,水分對不同葉位葉片光合作用的影響一致。本研究中,在設(shè)定統(tǒng)一光強的情況下,在同一天測定不同葉位葉片的凈光合速率,保證了不同葉位葉片觀測時光、溫條件的一致。分析凈光合速率與葉片含水量的關(guān)系表明,不同葉位葉片凈光合為零時的葉片含水量不同,說明不同葉位葉片能進行光合產(chǎn)物累積的最低水分下限是不同的。已有研究也表明,水碳耦合模型的構(gòu)建與驗證沒有充分考慮葉位等作物本身的影響,致使模型模擬值和實測值之間仍存在一定差異[38]。本研究是在光強相同的情況下,待各葉位葉片的光合穩(wěn)定后,測定的凈光合速率。在一定土壤水分范圍內(nèi),第一葉的光合速率>第三葉>第五葉,說明各葉位葉片的光合能力有差異,葉綠素含量、葉綠體結(jié)構(gòu)、花環(huán)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)組學等生理特性在葉位間出現(xiàn)差異,靠近植株頂部的葉片光合能力更強,能在更低的葉片水分條件下進行光合作用,故第一葉光合為零的葉片含水量<第三葉<第五葉[19-20,39-40]。

本研究僅以玉米植株頂部的第一、三、五葉為例,分析了夏玉米不同葉位葉片含水量變化及其與光合作用的關(guān)系,未來應(yīng)對更多葉位的葉片進行觀測并分析,以期將葉位與葉片光合最低水分下限之間進行定量化,完善冠層光合作用模型。其次,同一土壤水分條件下,不同葉位的葉片水分狀況不同,各葉片所處的光合狀態(tài)也不同,未來應(yīng)考慮找出各葉位光合盡可能大的土壤含水量范圍,為作物的合理灌溉,提高植株整體光合生產(chǎn)力提供依據(jù)。

4 結(jié)論

根據(jù)夏玉米三葉期6個不同灌水持續(xù)干旱模擬試驗,分析了夏玉米第一、三、五葉位的葉片水分變化及其與土壤水分和葉片凈光合速率的關(guān)系。結(jié)果表明：

(1)夏玉米葉片葉位的變化對葉片含水量在持續(xù)干旱下的變化速率、葉片最大含水量以及葉片凈光合為零的葉片水分下限都產(chǎn)生影響。不同葉位的葉片含水量隨土壤水分持續(xù)減少而下降,但下降速率不同,整體來看,第一葉與第五葉葉片含水量的下降速率略高于第三葉。不同葉位葉片所能持有的最大含水量有所差異,第一、三、五葉分別為85.14%、82.40%、83.63%。

(2)夏玉米不同葉位葉片凈光合速率為零時的葉片含水量隨葉位增加而增大。第一、三、五葉的葉片含水量均與葉片凈光合速率普遍呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系,然而葉片含水量低于72%左右時,光合器官受損,二次曲線關(guān)系不顯著。

(3)第一葉的葉片含水量與土壤水分之間的相關(guān)性最顯著,且與凈光合速率的相關(guān)性也很強,能進行光合產(chǎn)物積累的葉片水分下限也最小,表明其耐旱性最強,未來可注意夏玉米第一葉在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用。

致謝：感謝石耀輝、呂曉敏、麻雪艷、王秋玲、周懷林、王敏政、馮曉鈺、張賀等對試驗觀測和寫作的幫助。