現(xiàn)蕾期水分脅迫對(duì)紫花苜蓿光合特性的影響

劉軍,齊廣平,*,康燕霞,馬彥麟,栗志

1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,蘭州 730070

2.甘肅楊柳青牧草飼料開發(fā)有限公司,金昌 737200

0 前言

紫花苜蓿是目前世界上種植最廣泛的多年生豆科牧草,因其口感好且營(yíng)養(yǎng)豐富具有“牧草之王”的美稱[1],在我國(guó)農(nóng)牧區(qū)被廣泛種植[2]。隨著人們生活水平的提高,畜牧業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)其產(chǎn)量的需求量越來(lái)越大[3]。為了提高其產(chǎn)量,人們通常采用灌溉的方式為作物生長(zhǎng)提供水分。水分狀況不僅是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ),而且是影響光合作用最重要的因素[4]。就光合特性研究者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究[5-6],高景慧[7]對(duì)分枝期3 個(gè)紫花苜蓿品種光合蒸騰日變化與相關(guān)因子進(jìn)行了相關(guān)分析;趙金梅等[8]探討了水分脅迫對(duì)分枝期紫花苜蓿光合性能的影響;劉玉華等[9-10]在旱作條件下研究了初花期紫花苜蓿光合作用日變化和光合蒸騰日變化與環(huán)境因子的關(guān)系。截至目前,對(duì)紫花苜蓿在現(xiàn)蕾期水分調(diào)虧下光合特性的研究未見報(bào)道。因此,本研究選擇在現(xiàn)蕾期進(jìn)行水分脅迫,對(duì)紫花苜蓿的光合生理變化進(jìn)行研究,以揭示紫花苜蓿生育期內(nèi)對(duì)水分需求的敏感度,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生育期水分調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年8月在甘肅省金昌市永昌縣水源鎮(zhèn)楊柳青飼料試驗(yàn)站進(jìn)行(102°30′E,38°12′N)。該試驗(yàn)區(qū)屬于半干旱區(qū)溫帶大陸性氣候,海拔為1487 m,年平均降雨量235 mm,年平均氣溫7.7°C,全年無(wú)霜期150 d,年平均日照2884.2 h,日照率65%。年蒸發(fā)量2000.6 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

甘農(nóng)3 號(hào)紫花苜蓿。

1.3 試驗(yàn)方法

采用大田隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),第三茬在現(xiàn)蕾期進(jìn)行水分調(diào)虧。土壤的田間最大持水量為25.2%。試驗(yàn)分四個(gè)水分處理,三次重復(fù),CK 為充分灌溉,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的75%—85%;LD 為輕度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的65%—75%;MD 為中度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的55%—65%;SD 為重度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的45%— 55%。其中CK 為對(duì)照處理,共12 個(gè)小區(qū),每小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m)。當(dāng)各小區(qū)1 m 以上土層的土壤體積含水量占田間持水量的百分比達(dá)到所在處理的設(shè)計(jì)水分下限時(shí)開始灌水,每次灌水量為 60 mm,此灌水定額可以使各處理土壤水分含量的變化穩(wěn)定在高于灌水下限 10% FC(field capacity)的范圍內(nèi)(表1)。

試驗(yàn)選擇在初花期晴朗無(wú)風(fēng)的天氣于 9:00- 17:00 進(jìn)行測(cè)定,采用美國(guó)LI-COR 公司生產(chǎn)的Li- 6400XT 便攜式光合儀,測(cè)定時(shí)隨機(jī)選取生長(zhǎng)良好、高度相同且光照相似的相同葉位處(即從頂部向下的第四個(gè)完全展開葉的中間小葉)的葉片。利用光源控制光合有效輻射強(qiáng)度(PAR,μmol·m-2·s-1),分別在PAR 為2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1下測(cè)定指標(biāo)包括葉片凈光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs,mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol·mol-1)和蒸騰速率(Tr,mmol·m-2·s-1)。

葉片水分利用效率(WUE,μmol·mmol-1)和氣孔限制值(Ls)由公式WUE=Pn/Tr;Ls=1-Ci/Ca,其中Ca為空氣CO2濃度(μmol·mol-1)計(jì)算得出[11]。

繪制光合作用的光響應(yīng)曲線(Pn-PAR 曲線),求得光飽和點(diǎn)(LSP,μmol·m-2·s-1);并對(duì)Pn-PAR 曲線的初始部分(PNA＜400 μmol·m-2·s-1＝進(jìn)行線性回歸,求得光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP,μmol·m-2·s-1)、表觀量子效率(AQY,μmol·μmol-1)和暗呼吸速率(Rd,μmol·m-2·s-1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2007 及SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表1 地下滴灌條件下紫花苜蓿調(diào)虧灌溉試驗(yàn)灌水下限 Table.1 Lower irrigation limit of each RDI treatment under SDI %

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下紫花苜蓿的光合作用—光響應(yīng)特征參數(shù)的變化

隨著土壤水分脅迫的加劇,紫花苜蓿的最大凈光合速率(Pn max)、表光量子效率(AQY)、光飽和點(diǎn)(LSP)均呈逐漸下降趨勢(shì);而暗呼吸速率(Rd)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)均呈逐漸升高趨勢(shì)(表2)。AQY 各處理之間均達(dá)到顯著水平(P＜0.05),與充分灌溉(CK)相比,LD、MD 和SD 三種水分脅迫處理下AQY 分別降低了19%、26.2%和35.7%。Pn max 各處理間差異顯著(P＜0.05),與充分灌溉(CK)相比,輕度水分脅迫(LD)、中度水分脅迫(MD)和重度水分脅迫(SD)三種水分脅迫處理下Pn max 分別降低了11.6%、29.3%和44%。CK 與LD、LD 與MD、MD 與SD 之間Rd 差異不顯著,其他處理兩兩之間都達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。LCP 除了LD 與MD 之間的差異不顯著外,其他處理之間都達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。其中,與CK 相比,LD、MD 和SD 三種水分脅迫處理下LCP分別增加了14%、18.4%和32.2%。LSP 的CK 與LD處理之間差異不顯著,但MD 和SD 差異顯著,從1200 mol·m-2·s-1下降到了1000、800 mol·m-2·s-1(表2)。

2.2 光合作用各項(xiàng)指標(biāo)的變化

2.2.1 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片光合速率的影響

紫花苜蓿光合速率(Pn)的光響應(yīng)過程在土壤輕度水分脅迫(LD)、中度水分脅迫(MD)、重度水分脅迫(SD)處理下與充分灌溉(CK)保持一致,隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿葉片的Pn 都有較大幅度的下降。當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn) PAR=1200 μmol·m-2·s-1時(shí),LD、MD 和SD 處理下紫花苜蓿的Pn 分別為20.58、16.25和12.05 μmol·m-2·s-1,比CK(23.28 μmol·m-2·s-1)分別降低了11.6%、30.2%和48.2%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿葉片Pn 值在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.2 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片氣孔導(dǎo)度的影響

充分灌溉條件下,紫花苜蓿的氣孔導(dǎo)度(Gs)隨光照有效輻射的增加呈逐漸上升的趨勢(shì)。當(dāng)光照強(qiáng)度小于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí),上升幅度較小;而當(dāng)光照強(qiáng)度大于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí),上升幅度比較大。當(dāng)光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1時(shí),LD、MD 和SD 處理下紫花苜蓿的Gs 分別為0.38、0.17 和0.06 mmol·m-2·s-1,比CK(0.48 mmol·m-2·s-1)分別降低了20.8%、64.6%和87.5%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.3 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片蒸騰速率的影響

充分灌溉條件下,紫花苜蓿蒸騰速率(Tr)在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值為9.36 mmol·m-2·s-1,隨著水分脅迫的加劇,Tr 也大幅度的下降,與CK 相比,LD(8.32 mmol·m-2·s-1)、MD(7.92 mmol·m-2·s-1)和SD(6.81 mmol·m-2·s-1)處理下紫花苜蓿的Tr 分別降低了11.1%、15.4%和27.2%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Tr 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01) (表3)。

2.2.4 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片胞間CO2濃度的影響

充分灌溉條件下,當(dāng)光照強(qiáng)度小于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí),葉片胞間CO2濃度(Ci)隨著光照強(qiáng)度的增加而迅速變小;當(dāng)光照強(qiáng)度大于光飽和點(diǎn)時(shí),Ci 曲線隨著光照強(qiáng)度的增加而逐漸變的平緩并出現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著水分脅迫的加劇,在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1左右時(shí),LD 處理下的Ci 值低于CK,MD、SD 處理下的Ci 值高于CK(圖1),方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

表2 水分脅迫下紫花苜蓿的光合作用—光響應(yīng)特征參數(shù) Table2 Parameters of the light response curves of photosynthesis of Medicago sativa under water stress(mean±SD)

2.2.5 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片水分利用效率的影響 在LD、MD 和SD 處理下,紫花苜蓿葉片水分利用效率(WUE)的光響應(yīng)過程基本與CK 處理相同,表現(xiàn)為隨著PAR 的由強(qiáng)到弱,均由較快增加轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛黾拥倪^程(圖1)。當(dāng)光照強(qiáng)度PAR=1200 μmol·m-2·s-1時(shí),CK 與LD 無(wú)顯著差異,與 MD、SD 差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.6 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片氣孔限制值的影響 充分灌溉下,紫花苜蓿的氣孔限制值(Ls)在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值為0.56,隨著水分脅迫的加劇,LD(0.60)處理下的Ls 有較小幅度的上升,與CK 相比上升了7.1%,MD(0.49)、 SD(0.32)處理下的Ls 降低,與CK 相比降低了12.5%、42.9%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Ls值在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.3 紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關(guān)性分析

紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關(guān)性分析:紫花苜蓿葉片的WUE 與Pn、Gs、Tr 呈極顯著正相關(guān),與Ls 呈顯著正相關(guān),與Ci 呈極顯著負(fù)相關(guān);Pn 與Gs、Tr、Ls 呈極顯著正相關(guān),與Ci 呈極顯著負(fù)相關(guān),與Gs 相關(guān)系數(shù)達(dá)0.994;Gs 與Tr、Ls 呈極顯著正相關(guān),與Ci 呈極顯著負(fù)相關(guān);Ci 與Tr、Ls 呈極顯著負(fù)相關(guān),與Ls 相關(guān)系數(shù)達(dá)1.000;Tr 與Ls 呈極顯著正相關(guān)(表4)。

圖1 水分脅迫下紫花苜蓿凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2 濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、氣孔限制值(Ls)對(duì)不同光合有效輻射(PAR)的響應(yīng) Figure1 The light response curves of the photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(Gs),intercellular CO2 concentration(Ci),transpiration rate(Tr),water use efficiency(WUE),stomata limiting value(Ls) to the photosynthetically active tadiation(PAR) of the leaves of Alfalfa under water stress.

表3 水分脅迫下紫花苜蓿光合生理特征(±標(biāo)準(zhǔn)差) Table3 Photosynthetic characteristics of Alfalfa subjected to different drought stress treatment(±SD)

表4 紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關(guān)性分析 Table4 Correlation analysis of photosynthetic physiological parameters of Alfalfa

3 討論

表觀量子效率(AQY)是植物光合作用對(duì)弱光的吸收,轉(zhuǎn)化利用的能力[12],AQY 降低表明光合作用對(duì)弱光的利用受到抑制[13]。AQY 受外部環(huán)境(光照、溫度、水分)的影響使其值降低,其值越小,表明植物對(duì)弱光的利用率越低[14-15]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿的AQY 降低,即對(duì)弱光的吸收、利用轉(zhuǎn)化率降低,這與前人對(duì)沙木蓼[16]、灰葉胡楊[17]的研究相似。光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)是植物需光特性的兩個(gè)指標(biāo),水分脅迫等環(huán)境條件,往往會(huì)降低光飽和點(diǎn),并提高光補(bǔ)償點(diǎn)。本研究表明,隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿對(duì)光強(qiáng)的利用率減小,對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)能力降低。這一結(jié)果與前人對(duì)牛心樸子[18]、紅豆杉[19]、茶樹[20]的研究結(jié)果一致。

Farquhar 等認(rèn)為,當(dāng)Pn 和Gs 同時(shí)減小,且Ci也降低,表明光合速率的降低主要由氣孔因素限制所致,否則Pn 的下降要?dú)w因于葉肉細(xì)胞光合能力的降低即非氣孔因素限制所致[21]。本研究表明,在輕度水分脅迫下紫花苜蓿Pn 下降的同時(shí),Ci 降低,Ls升高,葉超微結(jié)構(gòu)受水分脅迫的影響較小,表明輕度水分脅迫下氣孔因素是紫花苜蓿光合作用降低的主要因素;在中度和重度水分脅迫下,隨著紫花苜蓿Pn 的降低,LS 下降,Ci 卻呈上升趨勢(shì),水分脅迫下紫花苜蓿的葉肉細(xì)胞光合活性被破壞,說(shuō)明Pn 的下降由氣孔因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩?。這一結(jié)論與韓清芳、韓瑞紅等對(duì)紫花苜蓿的研究相似[22-23]。

水分利用效率是植物光合速率與蒸騰速率的比值[24]。其中有多個(gè)研究表明,適當(dāng)水分脅迫可以提高紫花苜蓿的水分利用效率[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn),水分脅迫下,紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高,這與劉國(guó)利[27]等人的研究相一致。

董智[28]等人的研究結(jié)果表明,植物葉片Pn 和Tr 是影響水分利用效率的主要因素,當(dāng)作物受到干旱時(shí)主要通過降低Tr 來(lái)提高WUE。本研究表明,WUE 與Pn、Tr 呈正相關(guān),與Ci 呈負(fù)相關(guān),表明蒸騰作用影響著植物的水分狀況,在一定程度上抑制了紫花苜蓿的光合作用,這與董智[29-30]等人的研究結(jié)果相同。

4 結(jié)論

現(xiàn)蕾期水分脅迫的加劇對(duì)紫花苜蓿的光響應(yīng)參數(shù)和水分利用效率有著明顯的影響。隨著水分脅迫的加劇,暗呼吸速率、光飽和點(diǎn)下降,光飽和點(diǎn)升高,表明紫花苜蓿對(duì)弱光的吸收、利用轉(zhuǎn)化率降低;隨著水分脅迫的加劇,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率下降,氣孔限制值升高,表明紫花苜蓿Pn 的下降由氣孔因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩?。?yán)重水分脅迫會(huì)導(dǎo)致紫花苜蓿水分利用效率的下降,但適度水分脅迫對(duì)水分利用效率有一定的提高,以達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)的目的。