虧缺灌溉對藜麥光合特性、營養(yǎng)品質和產量的影響

姚有華，白羿雄，吳昆侖

(1.青海大學 農林科學院,西寧 810016； 2.青海省農林科學院,西寧 810016；3.農業(yè)部作物基因資源與種質創(chuàng)制青?？茖W觀測實驗站,西寧 810016)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)原產于南美洲安第斯山區(qū)，是全球公認的全營養(yǎng)谷物[1-2]，除營養(yǎng)價值突出外，藜麥能夠適應干旱、霜凍、鹽堿、耕地貧瘠等多種極端生長環(huán)境，對農業(yè)系統(tǒng)多樣化發(fā)展具有重要意義[3-4]。青海柴達木盆地是中國發(fā)展藜麥產業(yè)的優(yōu)勢區(qū)，在保證中國藜麥產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位[5-6]。柴達木盆地降水稀少、蒸發(fā)強烈、氣候干燥，農業(yè)生產主要依賴灌溉[6-7]，生產者為追求產量和種植效益，盲目增加灌水量，導致藜麥徒長倒伏，在制約產量和品質提高的同時，造成了水資源浪費和生產成本增加，因此，推行合理的灌溉制度，對促進藜麥節(jié)本增效、高產優(yōu)質和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在安第斯山區(qū)，生產藜麥過程中不建議灌溉[8]，但近期研究發(fā)現(xiàn)，虧缺灌溉非但沒有造成產量的降低，且提高了水分利用效率[8]，在南美藜麥主產區(qū)，生產者更愿意通過節(jié)水灌溉技術來提高產量[9]，尤其是玻利維亞高原，在干旱季節(jié)內虧缺灌溉，對藜麥產量穩(wěn)定有重要作用[10-11]。虧缺灌溉可明顯影響藜麥的水分利用效率，在虧缺灌溉下，藜麥葉片的水勢雖然低，但氣孔開度仍能較好保持，氣體交換仍可進行，以保持較高的葉片水分質量分數來抑制氣孔氣體交換水平下降[12]，藜麥作物系數值低，蒸騰量小，水分利用效率高[13]，植株有敏感的氣孔關閉機制，能保持葉水勢和最大光合作用[14]，藜麥的水分供應量不足全季需水量的55%時，其水分利用效率和灌溉水邊際利用效率都較低[15-16]。藜麥籽粒蛋白質質量分數為12%～23%，且人體必需氨基酸組成合理[17-19]，籽粒蛋白和氨基酸組成對藜麥食品研發(fā)和加工及其重要，前人從不同水分管理措施對大田作物籽粒蛋白和氨基酸質量分數的影響方面開展了大量研究，認為小麥籽粒蛋白質和氨基酸質量分數隨灌水量增加而降低[20]，不同灌水制度對燕麥籽粒中蛋白質質量分數有顯著影響[21]，水分適度虧缺可提高高粱籽粒的營養(yǎng)品質[22]，水分脅迫使萵苣種子的蛋白質質量分數顯著降低，并使氨基酸質量分數增加[23]，由此可以看出，作物光合特性、籽粒產量和營養(yǎng)品質易受水分管理制度影響。

藜麥種植于極端土壤、氣候與水分條件下，對于灌溉及其影響方面的研究較少，對虧缺灌溉下籽粒蛋白和氨基酸質量分數的響應變化規(guī)律未見相關報道。利用虧缺灌溉技術，通過發(fā)揮和挖掘藜麥本身具有的抗旱節(jié)水特性，進而提高水分利用效率及籽粒產量和營養(yǎng)品質，已成為目前生產中亟待解決的技術難題。本試驗擬研究藜麥光合特性，籽粒蛋白質、氨基酸質量分數和產量對不同虧缺灌溉的反應，探索虧缺灌溉對藜麥光合特性、營養(yǎng)品質和產量調節(jié)的生理基礎，為藜麥節(jié)水高產優(yōu)質栽培提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為‘青藜2號’，由青海省農林科學院自主選育，于2017年通過青海省農作物品種審定委員會審定。按生產常規(guī)施肥，尿素37.5 kg/hm2和磷酸二銨75 kg/hm2均作為基肥翻耕前一次性施入，不追肥；根據該品種特征特性，播種采用等行距株距的方式點播，設行距40 cm，株距20 cm。

1.2 試驗地概況

試驗于2017年4月至9月在青海省農林科學院試驗遮雨溫棚內進行，位于青海省東部湟水河流域灌區(qū)，北緯36°62′，東經101°77′。試驗棚內土質為沙壤土，土壤體積質量1.6 g·cm-3，田間土壤體積含水量16.1%，土壤耕層有機質質量分數23.59 g·kg-1、全氮質量分數1.88 g·kg-1、有效磷質量分數38.52 mg·kg-1、速效鉀質量分數290 mg·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗按灌水量的不同分別設3個處理，即充分灌溉(CDI，conventional drip irrigation)和2個虧缺灌溉(RDI，regulated deficit irrigation)處理RDI-1和RDI-2；其中，充分灌溉(CDI)以田間土壤體積含水量達75%為準、輕度虧缺灌溉(RDI-1)以田間土壤體積含水量達50%為準，重度虧缺灌溉(RDI-2)以田間土壤體積含水量達25%為準[24-25]。采用完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為25 m2(5 m×5 m)，每個灌水處理設3次重復，各小區(qū)設置1.5 m間距。灌水時間以計劃濕潤層的平均土壤含水量達到或接近灌水下限為臨界點，灌水量在已設定的灌溉水平基礎上，結合所測得的土壤體積含水量數值進行計算。為防止灌溉時水分側滲，影響試驗結果，在各小區(qū)四周均設置塑料膜做隔水防護。試驗于2018-04-20播種，2018-08-20收獲。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤含水量 使用AWOS-TR02土壤水分測定儀，每5 d測定1次0至20 cm、每10 d測定1次20 cm至40 cm土壤含水量，每次灌水前后均測定1次土壤含水量；計算灌水量時測定深度需至計劃濕潤層底部，本研究中計劃濕潤層設為40 cm。

1.4.2 光合特性 在植株苗期(六葉期)、開花期和成熟期，使用LI-6400XT便攜式光合儀(美國)測定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導度(Gs)，由Pn和Tr計算出葉片水分利用效率 WUE (Pn/Tr)；每處理選取發(fā)育正常植株的主穗下最頂端葉片6片，設定光強 1 200 mol·m-2·s-1，于晴朗天氣10:00- 11:30測定。

1.4.3 蛋白質質量分數 參考NY/T 3-1982農業(yè)標準，使用UDK159全自動凱氏定氮儀(意大利)測定，氮質量分數乘以系數6.25即為蛋白質質量分數。

1.4.4 氨基酸質量分數 參考GB/T 5009.124-2003國標標準，使用S433D型氨基酸自動分析儀(德國)測定氨基酸質量分數及其組分。

1.4.5 產量性狀 成熟期隨機選10株，直接計數法調查分枝數和有效分枝數；測量單株主穗穗長與穗寬，計算穗面積(穗長×穗寬)；取單株主穗脫粒，用電子天平稱質量測定主穗粒質量；取單株主穗和分枝脫粒混合，用電子天平稱質量測定單株粒質量；從不同處理收獲的種子中抽取1 000粒稱質量測定千粒質量；小區(qū)全部收獲稱質量，測定小區(qū)產量；測定以上指標時均設3次重復，取平均值。

1.5 數據處理

采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對試驗數據進行統(tǒng)計分析，Origin 9.3軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 虧缺灌溉對藜麥植株光合特性和葉片水分利用效率的影響

2.1.1 虧缺灌溉對藜麥光合特性的影響 虧缺灌溉對藜麥植株苗期、顯穗期和成熟期的Pn、Tr、Ci和Gs均產生一定程度的影響(圖1)。充分灌溉(CDI)和2個虧缺灌溉(RDI-1、RDI-2)處理下，藜麥植株的Pn、Tr、Gs隨著生育期的推進均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，即顯穗期最高、苗期次之、成熟期最低，且CDI處理下的Pn、Tr、Gs在苗期、顯穗期和成熟期均高于RDI-1、RDI-2處理，而Ci隨著生育期的推進表現(xiàn)出下降趨勢，即苗期最高、顯穗期次之、成熟期最低。隨著虧缺灌溉程度的加大，RDI-1、RDI-2處理植株苗期、顯穗期和成熟期的Pn、Tr、Gs明顯低于CDI處理，且隨著虧缺程度的加大逐漸降低，RDI-1、RDI-2處理與CDI處理均表現(xiàn)出了顯著差異(P<0.05)，而Ci隨著虧缺灌溉程度的加大而顯著升高(P<0.05)，RDI-1、RDI-2處理植株苗期、顯穗期和成熟期的Ci明顯高于CDI處理。

圖1顯示，RDI-1和RDI-2處理下，Pn在苗期分別比CDI降低15.2%、34.8%，在顯穗期分別比CDI降低12.5%、36.1%，在成熟期分別比CDI降低21.4%、38.5%；Gs在苗期分別比CDI降低11.3%、47.2%，在顯穗期分別比CDI降低23.0%、56.3%，在成熟期分別比CDI降低17.8%、55.6%；Tr在苗期分別比CDI降低17.5%、48.0%，在顯穗期分別比CDI降低14.8%、43.8%，在成熟期分別比CDI降低32.4%、59.8%；Ci在苗期分別比CDI升高 3.9%、16.9%，在顯穗期分別比CDI升高 3.7%、18.6%，在成熟期分別比CDI升高 14.5%、23.5%。

2.1.2 虧缺灌溉對藜麥葉片水分利用效率的影響 虧缺灌溉可以有效提高藜麥葉片WUE，隨著虧缺灌溉程度的加大，藜麥葉片WUE在苗期、顯穗期和成熟期均表現(xiàn)出升高趨勢(圖2)，RDI-1、RDI-2處理在不同生育期葉片WUE明顯高于CDI處理，且差異顯著(P<0.05)。RDI-1和RDI-2在苗期分別比CDI升高2.8%、25.6%，在顯穗期分別比CDI升高2.8%、13.8%，在成熟期分別比CDI升高16.4%、52.9%。

圖中不同字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)。下同 Different letters above the columns indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same below

圖1 不同虧缺灌溉處理對藜麥光合特性的影響
Fig.1 Effects of different deficit irrigation treatments on the photosynthetic characteristics of quinoa

2.2 虧缺灌溉對藜麥籽粒蛋白質和氨基酸質量分數的影響

2.2.1 虧缺灌溉對籽粒蛋白質和氨基酸總量的影響 虧缺灌溉下藜麥籽粒中的蛋白質質量分數和氨基酸總量變化規(guī)律相似(圖3)。隨著虧缺灌溉程度的加大，RDI-1、RDI-2處理籽粒蛋白質質量分數和氨基酸總量均低于CDI處理，且隨著虧缺程度的加大逐漸降低，RDI-1、RDI-2處理與CDI處理均表現(xiàn)出了顯著差異(P<0.05)，蛋白質質量分數CDI、RDI-1、RDI-2 3個處理之間差異均達顯著水平(P<0.05)，氨基酸總量隨著虧缺灌溉程度的加大下降幅度較小，RDI-1與RDI-2處理差異未達顯著水平(P>0.05)。RDI-1和RDI-2處理下，籽粒蛋白質質量分數比CDI處理分別降低11.1%和17.3%，籽粒氨基酸總量比CDI處理分別降低14.5%和16.0%。

圖2 不同虧缺灌溉處理下藜麥葉片水分利用效率Fig.2 Leaf water use efficiency of quinoa leaf about different deficit irrigation treatments

圖3 不同虧缺灌溉處理下藜麥籽粒的蛋白質質量分數和氨基酸總量Fig.3 Protein mass fraction and amino acid mass fraction in quinoa grains about different deficit irrigation treatments

2.2.2 虧缺灌溉對氨基酸各組分質量分數的影響 藜麥籽粒中的必須氨基酸質量分數和非必須氨基酸質量分數隨著虧缺灌溉程度的加大均呈下降趨勢(表1)。與CDI處理相比，7種必須氨基酸在RDI-1和RDI-2處理下，均呈明顯下降趨勢，且RDI-1、RDI-2處理與CDI處理均表現(xiàn)出了顯著差異(P<0.05)；與RDI-1處理相比，RDI-2處理下7種必須氨基酸質量分數均呈下降趨勢，除亮氨酸質量分數下降趨勢明顯外(P<0.05)，其余6種氨基酸質量分數下降幅度不明顯。必須氨基酸總量隨著虧缺灌溉程度的加大顯著下降(P<0.05)，RDI-1和RDI-2處理下，7種必須氨基酸總質量分數比CDI處理分別降低了12.8%和14.8%。

10種非必須氨基酸質量分數隨著虧缺灌溉程度的加大也均呈下降趨勢，且RDI-1、RDI-2處理與CDI處理均表現(xiàn)出了顯著差異(P<0.05)。天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸和酪氨酸5種氨基酸質量分數隨著虧缺灌溉程度的加大呈顯著下降趨勢，且CDI、RDI-1、RDI-2 3個處理之間差異均達顯著水平(P<0.05)，其余5種非必須氨基酸質量分數隨著虧缺灌溉程度的加大下降幅度較小，RDI-1與RDI-2處理差異均未達顯著水平(P>0.05)。非必須氨基酸總量隨著虧缺灌溉程度的加大顯著降低(P<0.05)，RDI-1和RDI-2處理下，10種非必須氨基酸總質量分數比CDI處理分別降低15.2%和16.6%。

表1 不同虧缺灌溉處理下藜麥籽粒中必須和非必須氨基酸質量分數Table 1 The essential and non-essential amino acids mass fractions in quinoa grains under different deficit irrigation treatments %

注：不同字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)。

Note:Different letters above the columns indicate significant difference among treatments(P<0.05).

2.3 虧缺灌溉對藜麥產量及其構成因素的影響

虧缺灌溉明顯影響藜麥的總分枝數和有效分枝數的形成，隨著虧缺灌溉程度的加大均呈明顯下降趨勢(P<0.05，圖4)。RDI-1、RDI-2處理下，總分枝數、有效分枝數低于CDI處理，且降幅明顯，比CDI處理分別降低27.2%、49.5%和19.7%、42.4%。

隨著虧缺灌溉程度的加大，主穗面積呈明顯下降趨勢(P<0.05，圖4)。CDI處理主穗面積均高于RDI-1和RDI-2處理，RDI-1處理相比于CDI處理下降幅度較小，降低1.8%，RDI-2處理相比于CDI和RDI-1處理下降幅度較大，分別降低27.2%和25.9%。

虧缺灌溉顯著影響藜麥的主穗粒質量、單穗粒質量和千粒質量(圖4)，3個指標在CDI、RDI-1、RDI-2處理之間均表現(xiàn)出顯著差異 (P<0.05)。RDI-1處理下的主穗粒質量、單穗粒質量和千粒質量均高于CDI和RDI-2處理，CDI處理次之，RDI-2處理最低。RDI-1處理主穗粒質量、單穗粒質量、千粒質量分別比CDI、RDI-2處理高12.6%、11.9%、9.9%和26.6%、36.3%、21.1%。

虧缺灌溉顯著影響藜麥的產量，且在CDI、RDI-1、RDI-2處理之間均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05，圖4)。RDI-1處理下產量均高于CDI和RDI-2處理，CDI處理次之，RDI-2處理最低，RDI-1處理分別比CDI、RDI-2處理高 7.9%、25.2%。

3 結論與討論

光合作用是綠色植物生命活動的能量和物質基礎，水分是影響作物光合作用的重要原料，水分虧缺程度的加劇會使光合作用受到明顯抑制[26-27]。前人研究表明，虧缺灌溉會導致小麥、棉花、葡萄等作物葉片Pn、Gs、Tr顯著降低，Ci和葉片WUE明顯升高，Pn、Gs降低且Ci升高，Pn的下降是由非氣孔因素限制所致，虧缺灌溉也可致使作物Pn、Gs、Tr和Ci顯著降低，Ci和Gs同時下降，Pn的下降主要是由氣孔限制所致[28-30]。藜麥原產地相關研究表明，藜麥在水分虧缺下Ci明顯升高，Pn、Gs顯著降低，但Gs能保持相對穩(wěn)定，且氣孔關閉迅速，促使Tr顯著降低，在水分虧缺時仍能保持較好的葉水勢和最大光合作用，進而維持較高的葉片WUE，葉片WUE隨水分虧缺程度的加大顯著升高[12-14]。本研究表明，隨著虧缺灌溉程度的加大，藜麥植株的Pn、Tr、Gs均顯著降低，Ci顯著升高，且葉片WUE隨水分虧缺程度的加大顯著升高，這與前人在小麥、棉花和葡萄等作物上的研究結果相似[27-29]，也與藜麥原產地相關研究結果一致[12-14]，但與前人在虧缺灌溉下Ci和Gs同時降低的研究結果剛好相反[29-30]，這表明藜麥Pn下降并非主要由氣孔因素引起，可能更多的受非氣孔因素限制所致，氣孔限制是通過葉片氣孔保衛(wèi)細胞的運動調節(jié)來實現(xiàn)的，而非氣孔限制是由葉片組織細胞的生化變化造成的，會對作物葉片光合機構造成不可避免的傷害，因此推測藜麥在虧缺灌溉下的Pn下降是因為水分虧缺導致藜麥葉肉細胞光合活性下降所致，這與李生平等[31]和 Ahmadi 等[32]的研究結論一致。

圖4 不同虧缺灌溉處理下藜麥的產量及其構成因素Fig.4 Quinoa yield and its components about different deficit irrigation treatments

水分可以為作物合成蛋白質和氨基酸提供液態(tài)環(huán)境和底物，因此，不同程度的水分處理勢必影響作物籽粒中的蛋白質質量分數、氨基酸總量及其組分質量分數[21, 33]。本研究表明，虧缺灌溉下藜麥籽粒中的蛋白質質量分數、氨基酸總量、必須氨基酸和非必須氨基酸質量分數較充分灌溉均呈下降趨勢，該研究結果與蔡一霞等[34]的研究結果較為一致，前人研究認為，水分虧缺對作物籽粒中酶活性等產生了不可逆的損傷，從而降低了籽粒自身合成氨基酸的能力，使合成作用變慢或分解加速，最終導致了蛋白質和氨基酸質量分數的降低[21-23, 34]。然而，大量研究表明，灌溉量的增加會使作物籽粒中氨基酸和蛋白質的質量分數降低，水分虧缺下作物籽粒的必需和非必需氨基酸的質量分數均上升，最終促使總氨基酸質量分數和合成的蛋白質質量分數均較高[20-23]，認為水分虧缺可明顯提高谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性，籽粒能更多地合成清除自由基的相應物質，促進了營養(yǎng)物質向籽粒的運轉，進而提高了籽粒蛋白質和氨基酸質量分數。鑒于藜麥相關研究未見報道，因此推測，虧缺灌溉導致藜麥籽粒蛋白質和氨基酸質量分數下降的主要原因可能是水分虧缺降低了藜麥籽粒中谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶等的活性，負面影響了籽粒本身的氨基酸合成能力，導致營養(yǎng)物質合成變慢或加速分解，最終致使蛋白質和氨基酸質量分數的降低，有待進一步深入研究。

水分虧缺對植株形態(tài)、穗部性狀、籽粒灌漿進程以及產量等農藝性狀均有不同程度的影響[35]。本研究表明，充分灌溉下的總分枝數和有效分枝數均高于虧缺灌溉處理，但虧缺灌溉處理有利于有效分枝數的形成，這與前人研究結果一致[22-23]，本研究中RDI-1和RDI-2處理有效分枝數分別占總分枝數的70.1%和73.1%，而CDI有效分枝數僅占總分枝數的64.1%，前人研究認為，虧缺灌溉可促進作物初生根的生長發(fā)育，有利于側根穩(wěn)定生長與功能發(fā)揮，進而增強有效分枝的形成能力，而充分灌溉致使植株徒長，影響糖類等營養(yǎng)物質向果穗轉運與積累，過多水分促使多個分枝發(fā)生，但由于根系發(fā)育不健全，部分分枝營養(yǎng)供應不夠，進而導致有效分枝少[23, 27]，這可能是導致本研究結果的原因，有待進一步研究驗證。主穗的生長是否良好是藜麥高產的評價指標，較大的主穗面積是保證藜麥高產的因素之一[9]，本研究結果表明，輕度虧缺灌溉相比于充分灌溉對主穗面積的影響不大，但重度虧缺灌溉使主穗面積明顯下降，前人研究結果表明，由于穗分化期間水分極度虧缺加速了穗分化進程，進而使穗變小、穗部性狀變劣所致[36]。籽粒是作物產量來源的主導因子，穗上籽粒的數目、重量是作物產量形成的基礎[37-38]，本研究表明，輕度虧缺灌溉(RDI-1)可顯著提高藜麥的單穗粒質量、單株粒質量和千粒質量，這與前人研究結果相似[38]，前人研究認為，水分虧缺主要影響作物穗中、下部籽粒，各部位所受影響與穗分化發(fā)育歷期和籽粒灌漿進程一致，重度水分虧缺導致減產的主要原因在于穎花數減少，結實率下降和千粒質量降低，產量下降幅度與水分虧缺程度正相關[36-38]，但本研究發(fā)現(xiàn)，輕度水分虧缺(RDI-1)對藜麥單穗粒質量、單株粒質量和千粒質量的形成有積極促進作用，甚至比充分灌溉(CDI)更能獲得較高的粒質量，這可能與藜麥本身優(yōu)異的耐脅迫機制有關，有待下一步深入研究。虧缺灌溉僅用充分灌溉一半的灌水量，就可大幅提高藜麥產量[9-10]，本研究結果表明，輕度水分虧缺(RDI-1)可顯著提高藜麥產量，但重度水分虧缺(RDI-2)負面影響藜麥產量的形成，前人研究認為，虧缺灌溉可通過正面影響作物的籽粒大小、收獲指數和水分利用效率等，進而促進藜麥產量的形成[8, 36-38]，這與本研究結果一致。

與充分灌溉相比，虧缺灌溉下藜麥植株在不同生育期的Pn、Tr、Gs均顯著降低，而Ci和葉片WUE顯著升高；虧缺灌溉下藜麥籽粒蛋白質質量分數、氨基酸總量、必須和非必須氨基酸質量分數明顯下降；虧缺灌溉有利于有效分枝數的形成，重度虧缺灌溉使藜麥主穗面積明顯下降，輕度虧缺灌溉可顯著提高藜麥的單穗粒質量、單株粒質量、千粒質量和最終產量。本研究結果顯示，通過輕度虧缺灌溉可有效控制藜麥的有效分枝、單穗粒質量、單株粒質量和千粒質量，在保證藜麥產量的同時，又能大大提高水分利用效率，達到節(jié)水的目的，但虧缺灌溉不利于藜麥營養(yǎng)品質的提高，有待通過開展水、肥因素配合對藜麥營養(yǎng)品質的影響研究，進一步探索能穩(wěn)定實現(xiàn)藜麥節(jié)水、高產和優(yōu)質的栽培技術模式。