增水和施肥對(duì)苜蓿-冬小麥輪作系統(tǒng)冬小麥葉片光合速率和葉綠素含量的影響

張曉琳，陳夢(mèng)恬，翟鵬輝，趙祥，董寬虎*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，山西 太谷 030801；2.蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

黃土高原是我國(guó)高原的重要組成部分，是全球占地面積最廣的黃土區(qū)域，該地區(qū)礦物質(zhì)養(yǎng)分含量豐富，利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。由于水蝕和風(fēng)蝕等外界作用，黃土高原面臨著嚴(yán)重的水土流失和土壤肥力下降等問(wèn)題[1]。苜蓿屬于豆科牧草，營(yíng)養(yǎng)豐富，具有生物固氮作用能提高土壤肥力，且具有龐大的根系能保持土壤水分，是溫帶地區(qū)重要的牧草資源。將苜蓿引入小麥的作物體系形成草田輪作系統(tǒng)，在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[2]。苜蓿-小麥輪作系統(tǒng)是黃土高原地區(qū)重要的草田輪作模式，然而水分和養(yǎng)分是限制該地區(qū)作物生長(zhǎng)的重要因素，影響作物與環(huán)境的相互作用，最終影響該生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程。因此，研究增水和施肥對(duì)葉片光合速率和葉綠素含量影響，對(duì)探討草田輪作系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程以及該系統(tǒng)的管理和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一些關(guān)于冬小麥葉片光合作用速率和葉綠素含量的研究，大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，增水和施氮磷肥顯著增加冬小麥旗葉的葉綠素含量，從而促進(jìn)冬小麥抽穗期到灌漿期的凈光合速率，提高葉片光合能力[3～6]，進(jìn)而增加小麥產(chǎn)量。但也有結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施肥在不灌水條件下抑制凈光合速率，而在灌水條件下促進(jìn)凈光合速率，改善花后旗葉光合性能[7]，因此增水和施肥對(duì)冬小麥光合速率的影響可能存在交互作用。但有關(guān)增水和施肥對(duì)冬小麥的研究，主要集中在特定物候期葉片光合作用速率和葉綠素含量的響應(yīng)，對(duì)整個(gè)生長(zhǎng)季的動(dòng)態(tài)變化研究很少。

為研究苜蓿-小麥草田輪作系統(tǒng)冬小麥葉片光合作用速率和葉綠素含量是如何響應(yīng)增水和施肥的，本研究利用山西農(nóng)業(yè)大學(xué)已經(jīng)建立3年的紫花苜蓿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，種植冬小麥，并以此為研究對(duì)象，探討以下問(wèn)題：(1)增水處理下，紫花苜蓿-冬小麥草田輪作系統(tǒng)中冬小麥葉片光合作用速率和葉綠素含量是如何響應(yīng)的？(2)施肥處理下，紫花苜蓿-冬小麥草田輪作系統(tǒng)中冬小麥葉片光合作用速率和葉綠素含量是如何響應(yīng)的？(3)增水和施肥對(duì)紫花苜蓿-冬小麥草田輪作系統(tǒng)中冬小麥葉片光合作用速率和葉綠素含量是否存在交互作用？是相互促進(jìn)，還是相互抵消？

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究地點(diǎn)位于山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院試驗(yàn)站內(nèi)(112°35′E，37°25′N(xiāo))，在地貌上屬于黃土高原，海拔約800 m，多年平均降水量為458 mm，降水多集中在7～9月份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017—2018年進(jìn)行，試驗(yàn)地在2014年春季播種紫花苜蓿，撒播。紫花苜蓿翻耕前0～10 cm土壤中有機(jī)碳含量為23.96 g·kg-1，土壤磷含量3.29 g·kg-1，土壤pH值7.99。2017年進(jìn)行紫花苜蓿與冬小麥輪作試驗(yàn)，2017年9月28號(hào)人工播種冬小麥，冬小麥品種為中麥175號(hào)，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供，播種量為187.5 kg·hm-2，行間距為15 cm，深度2～3 cm。冬小麥生長(zhǎng)階段人工去除田間雜草。

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共4個(gè)處理，即對(duì)照(無(wú)增水施肥，CK)、增水 (W)、施肥 (F)、增水施肥 (W+F)，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共16個(gè)樣方。各樣方面積為16 m2(4 m × 4 m)，樣方之間過(guò)道寬度不低于2 m。在施肥和增水施肥樣方中施入底肥，施肥時(shí)間為播種前一周，施用量為尿素225 kg N·hm-2和磷酸二氫銨150 kg P2O5·hm-2。在增水和增水施肥樣方中，按照冬小麥的需水量情況進(jìn)行5次適量補(bǔ)水：(1)越冬水(2017.12.6)：灌水量900 m3·hm-2，(2)返青起身水(2018.3.4)：500 m3·hm-2，(3)拔節(jié)孕穗水(2018.4.17)：900 m3·hm-2，(4)抽穗揚(yáng)花水(2018.5.1)：900 m3·hm-2，(5)灌漿麥黃水(2018.5.14)：675 m3·hm-2。

1.3 光合生理特性和葉綠素含量的測(cè)定

在各試驗(yàn)小區(qū)里劃定1 m2(1 m×1 m)樣方，用于測(cè)定冬小麥葉片光合生理特性和葉綠素含量，并選擇長(zhǎng)勢(shì)良好具有代表性的5株冬小麥進(jìn)行標(biāo)記，每次測(cè)定時(shí)選擇植株上第一片完整的完全伸展的葉片。使用便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng) LI-COR 6400 (Li-Cor Inc., Lincoln, NE, USA)測(cè)定冬小麥葉片光合作用，測(cè)定時(shí)需連接紅藍(lán)光源探頭，設(shè)定光照強(qiáng)度為2 000 μmol·m-2·s-1，得到葉片凈光合速率，葉片氣孔導(dǎo)度，葉片蒸騰速率以及葉面飽和蒸汽壓差。利用便攜式葉綠素儀 SPAD-502 Puls (Konica Minolta Sensing, INC.) 監(jiān)測(cè)葉片葉綠素含量，選擇與測(cè)定光合速率相同位置的葉片，每片葉測(cè)定5個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值即為該葉片的葉綠素含量，每個(gè)樣方選取5株小麥。測(cè)定時(shí)間分別為(1)2017年：10月29-12月2日，即冬小麥出苗以后到進(jìn)入越冬期初期；(2)2018年：3月14日-6月4日，即冬小麥從越冬期末期至成熟期。測(cè)定頻次為每周1次。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

首先測(cè)定每片冬小麥葉片的葉綠素含量，并計(jì)算小區(qū)內(nèi)5株冬小麥葉綠素含量的平均值，即為該樣方的葉片葉綠素含量。本研究采用三因素重復(fù)測(cè)定方差分析法分析時(shí)間、增水、施肥及其交互作用對(duì)2017年和2018年冬小麥葉片凈光合速率，氣孔導(dǎo)度，蒸騰速率、葉面飽和蒸汽壓差和葉綠素含量的影響。顯著性水平為P<0.05。統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程應(yīng)用 SPSS 19.0 完成，所有圖形的制作使用SigmaPlot 10.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 增水和施肥對(duì)冬小麥葉片光合生理特性的影響

本研究結(jié)果顯示，2017年，增水和施肥及其交互作用對(duì)冬小麥葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及葉面飽和蒸氣壓差的影響作用不顯著，但以上指標(biāo)隨時(shí)間變化顯著。2018年，增水分別顯著提高光合速率20.3%、氣孔導(dǎo)度43.8%和蒸騰速率31.4%，但顯著降低葉面飽和蒸氣壓差6.5%；施肥僅顯著降低氣孔導(dǎo)度的8.2%，對(duì)以上其它指標(biāo)作用均不顯著；增水施肥對(duì)以上各指標(biāo)均不存在交互作用，但以上各指標(biāo)僅隨時(shí)間變化顯著。(圖1和圖2，表1和表2)

表1三因素重復(fù)測(cè)定方差分析法分析測(cè)定時(shí)間(D)、增水(W)、施肥(F)及其交互作用對(duì)2017年冬小麥葉片光合生理特性和葉綠素含量的影響結(jié)果(P值)

Table1Theresults(Pvalues)ofrepeated-measuresANOVAsofwateraddition(W),fertilizeraddition(F)andtheirinteractionsonphotosyntheticphysiologicalcharacteristicsandleafchlorophyllcontent(SPADvalue)ofwinterwheatin2017

凈光合速率/μmol CO2·m-2·s-1Net photosynthetic rate氣孔導(dǎo)度/mol H2O·m-2·s-1Stomotal conductance蒸騰速率/mmol H2O·m-2·s-1Transpiration rate葉面飽和蒸汽壓差/kPaLeaf saturation vapor pressure deficit葉綠素含量/SPADLeaf chlorophyll content增水W0.220.470.270.930.01施肥F0.590.650.940.99<0.001增水施肥W+F0.280.110.060.550.33測(cè)定日期D<0.001<0.001<0.001<0.0010.01測(cè)定日期?增水D?W0.780.730.590.900.34測(cè)定日期?施肥D?F0.230.300.300.780.41測(cè)定日期?增水?施肥D?(W+F)0.520.760.900.800.04

2.2 增水和施肥對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量的影響

三因素重復(fù)測(cè)定方差分析結(jié)果顯示，2017年增水和施肥分別顯著提高冬小麥葉片葉綠素含量的2.7%和8.2%，但增水和施肥對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量的影響不存在交互作用(圖3，表1)。隨著時(shí)間的變化，冬小麥葉綠素含量變化顯著，增水和施肥對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量的影響不顯著，但其交互作用對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量的影響作用顯著(表1)。2018年增水和施肥顯著提高冬小麥葉綠素含的2.3%和2.0%，但兩者對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量的影響不存在交互作用(圖3，表2)。隨著時(shí)間的變化，冬小麥葉綠素含量變化和施肥下葉綠素含量變化顯著，但增水、增水施肥對(duì)冬小麥葉綠素含量的作用均不顯著(表2)。

圖1 2017年和2018年冬小麥葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamics of net photosynthetic rate and stomotal conductance on winter wheat in 2017 and 2018

圖2 2017年和2018冬小麥葉片蒸騰速率和葉面飽和蒸氣壓差動(dòng)態(tài)Fig.2 Dynamics of transpiration rate and leaf saturation vapor pressure deficit on winter wheat in 2017 and 2018

圖3 2017年和2018年冬小麥葉片葉綠素含量動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of leaf chlorophyll content of winter wheat in 2017 and 2018

表2三因素重復(fù)測(cè)定方差分析法分析測(cè)定時(shí)間(D)、增水(W)、施肥(F)及其交互作用對(duì)2018年冬小麥葉片光合生理特性和葉綠素含量的影響結(jié)果(P值)

Table2Theresults(FandPvalues)ofrepeated-measuresANOVAsofwateraddition(W),fertilizeraddition(F)andtheirinteractionsonphotosyntheticphysiologicalcharacteristicsandleafchlorophyllcontent(SPADvalue)ofwinterwheatin2018

凈光合速率/μmol CO2·m-2·s-1Net photosynthetic rate氣孔導(dǎo)度/mol H2O·m-2·s-1Stomotal conductance蒸騰速率/mmol H2O·m-2·s-1Transpiration rate葉面飽和蒸汽壓差/kPaLeaf saturation vapor pressure deficit葉綠素含量/SPADLeaf chlorophyll content增水W0.01<0.0010.0020.050.01施肥F0.500.050.3120.300.03增水施肥W+F0.740.820.860.980.60測(cè)定日期D<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001測(cè)定日期?增水D?W0.15<0.0010.090.060.11測(cè)定日期?施肥D?F0.890.810.970.610.01測(cè)定日期?增水?施肥D?(W+F)0.680.980.960.960.98

2.3 冬小麥葉片凈光合速率與相關(guān)指標(biāo)的關(guān)系

線性回歸分析結(jié)果顯示，隨著冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度增加其凈光合速率增加，2017年和2018年氣孔導(dǎo)度對(duì)凈光合速率變化的解釋度分別為91%和78%(圖4a)。2017年隨著冬小麥葉片蒸騰速率增加凈光合速率快速增加，但2018年增加速率相對(duì)緩慢，對(duì)凈光合速率變化的解釋度分別為89%和14%(圖4b)。隨著冬小麥葉面飽和蒸氣壓差增加凈光合速率降低，2017年和2018年對(duì)凈光合速率變化的解釋度分別為76%和44%(圖4c)。隨著冬小麥葉片葉綠素含量增加凈光合速率呈線性增加，2017年和2018年對(duì)凈光合速率變化的解釋度分別為20%和39%(圖4d)。

3 討論

3.1 增水對(duì)冬小麥葉片光合作用和葉綠素含量的影響

水分是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的重要因素，通過(guò)改變植物葉片光合生理特性和葉綠素含量，從而影響葉片水平碳循環(huán)過(guò)程，最終影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[8, 9]。有研究發(fā)現(xiàn)葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉面飽和蒸氣壓差是影響葉片光合速率的重要因素,氣孔導(dǎo)度是影響進(jìn)入葉片水汽平衡的關(guān)鍵因素，蒸騰速率影響植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，葉面飽和蒸氣壓差是葉片和大氣之間的水蒸氣壓差值，是水蒸氣從葉片向空氣擴(kuò)散的動(dòng)力[10]。另外，增水提高植物對(duì)養(yǎng)分包括氮元素和磷元素的利用效率，促進(jìn)葉綠素合成，從而提高了葉綠素含量，影響葉片光合速率[11]。本研究發(fā)現(xiàn)增水促進(jìn)2018年葉片光合速率，主要是由于一方面增水提高葉片的氣孔導(dǎo)度提高CO2的攝入量，另一方面增水提高蒸騰速率和降低葉面飽和蒸氣壓差促進(jìn)植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。但增水對(duì)葉片葉綠素含量的改變比例在2017年高于2018年，說(shuō)明可能隨著時(shí)間的增加葉片葉綠素含量對(duì)水分響應(yīng)敏感性降低，由于其與葉片光合速率的響應(yīng)不一致，說(shuō)明葉片凈光合速率較葉綠素含量對(duì)水分的響應(yīng)可能存在遲滯效應(yīng)。因此，本研究結(jié)果表明水分對(duì)冬小麥葉片碳循環(huán)過(guò)程的調(diào)控主要通過(guò)調(diào)節(jié)其氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和葉面飽和蒸氣壓差等光合生理特性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

圖4 2017年和2018年冬小麥葉片凈光合速率與氣孔導(dǎo)度Fig.4 Relationships of net photosynthetic rate with stomotal conductance

3.2 施肥對(duì)冬小麥葉片凈光合速率和葉綠素含量的影響

養(yǎng)分是限制作物生長(zhǎng)的重要因素，研究表明大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)處于氮元素和磷元素缺乏的狀態(tài)[12]。施肥提高土壤中氮元素和磷元素含量，促進(jìn)葉片氮含量、蛋白質(zhì)、光合酶以及相關(guān)光合色素合成，從而提高植物光合作用能力。本研究顯示施肥提高2017年和2018年葉綠素含量，改變量在2017年高于2018年，說(shuō)明隨著時(shí)間增加施肥對(duì)葉綠素含量影響減弱。但由于2018年施肥降低氣孔導(dǎo)度，導(dǎo)致葉片凈光合速率響應(yīng)不顯著，說(shuō)明施肥通過(guò)調(diào)節(jié)葉片氣孔導(dǎo)度以及葉綠素含量調(diào)控葉片凈光合速率，而葉片凈光合速率較葉綠素含量對(duì)施肥的響應(yīng)可能存在遲滯效應(yīng)。另外，施肥在整個(gè)生長(zhǎng)季對(duì)冬小麥葉片光合速率影響不顯著，主要是由于紫花苜蓿屬于豆科植物，具有生物固氮作用，能提高土壤肥力，冬小麥可以利用周?chē)寥乐熊俎９潭ǖ牡?，使得施肥效果不顯著。

短期內(nèi)增水和施肥能促進(jìn)小麥葉綠素含量增高，但對(duì)小麥越冬期后期到成熟期葉綠素含量作用變?nèi)?，一方面說(shuō)明冬小麥葉片葉綠素含量對(duì)增水和施肥的響應(yīng)在不同生長(zhǎng)階段不同，在出苗期、分蘗期、返青期到灌漿期植物需要更多的水分和養(yǎng)分，而在越冬期和成熟期作物基本不需要水分和養(yǎng)分的輸入，另一方面也證明紫花苜蓿固定的氮素降低冬小麥對(duì)肥料的需求。增水提高冬小麥葉片凈光合速率但施肥作用不顯著，主要是由于在紫花苜蓿-冬小麥的草田輪作系統(tǒng)下，紫花苜蓿不但具有生物固氮作用增強(qiáng)土壤肥力，而且具有龐大的根系能保持土壤水分，緩解冬小麥對(duì)水肥的需求。同時(shí)說(shuō)明在紫花苜蓿-冬小麥的草田輪作系統(tǒng)下，對(duì)該草田輪作系統(tǒng)來(lái)講水分是最主要的限制因子，養(yǎng)分是次要因子。前人的研究也發(fā)現(xiàn)，苜蓿-小麥輪作系統(tǒng)，在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中優(yōu)勢(shì)突出，在降低肥料輸入的同時(shí)提高農(nóng)民收入[13, 14]。因此，將苜蓿引入小麥的作物體系形成草田輪作系統(tǒng)，能肥沃土壤，減少肥料在農(nóng)作物生產(chǎn)中的施用。另外，建立苜蓿-小麥的草田輪作系統(tǒng)在的能夠有效地改善環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

葉片凈光合速率和葉綠素含量是植物葉片水平最重要的功能性狀特征，準(zhǔn)確的反應(yīng)葉片水平碳循環(huán)過(guò)程對(duì)增水和施肥的響應(yīng)。紫花苜蓿-冬小麥輪作體系研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)增水和施肥能促進(jìn)小麥葉綠素含量，但隨著時(shí)間增加影響減弱。增水提高冬小麥葉片光合速率，主要是由于水分提高了氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，降低了葉面飽和蒸氣壓差。施肥在整個(gè)生長(zhǎng)季對(duì)冬小麥葉片光合速率作用不顯著，一方面是由于施肥促進(jìn)葉綠素含量提高，但降低植物氣孔導(dǎo)度抑制光合作用原材料進(jìn)入植物體，另一方面主要是因?yàn)樽匣ㄜ俎５纳锕痰饔媚芴岣咄寥婪柿Γ档妥魑飳?duì)外源氮素的需求。因此，建立苜蓿-小麥的草田輪作系統(tǒng)具有很高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，能更好的達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。