葉片光合生理參數(shù)變化特征與小麥?zhǔn)芎禒顟B(tài)的關(guān)系

趙福年，王潤(rùn)元，張 凱，齊 月，陳 斐，趙 鴻，王鶴齡

(中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

因水分供給不足而引發(fā)的干旱是限制全球作物產(chǎn)量增加的重要因素。然而，由于缺乏定量描述作物受旱階段性特征的指標(biāo)，目前依然無法準(zhǔn)確刻畫作物受旱進(jìn)程[1]，這導(dǎo)致我們無法精確模擬干旱脅迫下作物生長(zhǎng)發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程[2]，進(jìn)而影響更加合理的灌溉制度的制定。盡管研究者給出了大量反映作物遭受干旱脅迫的指標(biāo)(諸如土壤水分、土壤水勢(shì)、葉片相對(duì)含水量、葉水勢(shì)、冠層溫度以及作物水分脅迫指數(shù)等[3])，但是這些指標(biāo)在確定作物受旱程度時(shí)，往往以最終產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)，即用受旱影響作物與供水充足作物最終產(chǎn)量之間的偏差作為作物受旱嚴(yán)重程度分類的依據(jù)[4]。這種劃分方法使我們無法有效地掌握干旱對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的動(dòng)態(tài)過程，阻礙了我們對(duì)農(nóng)業(yè)干旱致害機(jī)理的認(rèn)識(shí)[5]。因此，有必要在作物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，對(duì)其受干旱脅迫影響的生理生態(tài)參數(shù)變化特征進(jìn)行分析，以量化作物受旱程度。

作物本身具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力及應(yīng)對(duì)干旱的調(diào)節(jié)能力，作物遭受輕度的干旱脅迫并不會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育造成很大的影響[6]。在干旱脅迫發(fā)生初期，作物可通過產(chǎn)生大量脫落酸(有促進(jìn)氣孔關(guān)閉的功能)，降低細(xì)胞分裂素(有加劇作物水分虧缺的功能)的含量，調(diào)節(jié)作物體內(nèi)細(xì)胞分裂素和脫落酸水平及其比例關(guān)系能夠在一定程度上維持植物體的水分平衡[7]。只有干旱脅迫超過一定的臨界值，作物才會(huì)遭受明顯的干旱影響，即作物生理參數(shù)對(duì)干旱脅迫存在閾值反應(yīng)[8]，而且不同生理參數(shù)的水分閾值不完全相同，這是由作物對(duì)干旱脅迫過程的適應(yīng)和調(diào)劑機(jī)制不同而決定的[9]。以光合生理過程為例，在遭受干旱脅迫時(shí)，作物葉片凈光合速率(Pn)的下降并不是唯一一種調(diào)節(jié)機(jī)制在控制，而是既有氣孔因素又有非氣孔因素的作用[10]。在干旱脅迫相對(duì)較輕時(shí)，Pn受氣孔因素的影響呈緩慢的下降趨勢(shì)[10]；當(dāng)干旱脅迫繼續(xù)發(fā)展，作物葉片的光合能力受到損害，Pn將受到明顯抑制[11]；而當(dāng)嚴(yán)重的干旱脅迫造成葉綠體變形，葉綠體片層膜系統(tǒng)受損，使希爾反應(yīng)減弱，光系統(tǒng)Ⅱ活力下降，電子傳遞和光合磷酸酸化受到抑制，則會(huì)造成Pn迅速下降[12]，從而使作物干物質(zhì)積累明顯減少，作物生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重阻礙。

光合生理過程是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[13]，因而關(guān)注與光合生理過程相關(guān)的生理生態(tài)參數(shù)變化是研究作物受旱致害過程的關(guān)鍵。若以作物自適應(yīng)特點(diǎn)和作物光合生理過程受不同程度干旱脅迫影響機(jī)制不同為依據(jù)，我們可假定，在作物遭受干旱脅迫至致害過程中光合生理參數(shù)應(yīng)存在不同的變化特征，據(jù)此可用以確定作物受旱的不同階段。此外，一般認(rèn)為氣孔導(dǎo)度(gs)和Pn呈線性關(guān)系[14]，然而在干旱脅迫發(fā)展過程中，氣孔因素首先起作用，導(dǎo)致作物Pn下降，而隨著干旱脅迫程度加重，非氣孔導(dǎo)度因素的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致Pn下降幅度增大，據(jù)此，我們推測(cè)非氣孔因素的疊加作用可能會(huì)導(dǎo)致gs與Pn的關(guān)系發(fā)生改變。

基于以上兩個(gè)研究假設(shè)，我們采用小區(qū)和桶栽干旱脅迫試驗(yàn)，以小麥為供試作物，研究其受旱的階段性特征，從而提供一種可定量描述作物受旱過程的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)觀測(cè)

試驗(yàn)在中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。該站位于甘肅省定西市安定區(qū)西川(104.37°E，35.35°N)，海拔1 920 m，年平均氣溫6.3℃，年日照時(shí)數(shù)2 500 h。試驗(yàn)供試作物為春小麥(定西新24號(hào))。小區(qū)試驗(yàn)于2017年進(jìn)行，設(shè)置2個(gè)處理，分別為充足灌水和干旱脅迫處理，充足灌水處理整個(gè)生育期保證供水充足，干旱脅迫處理從小麥拔節(jié)期開始不灌水直至萎蔫。每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理小區(qū)面積為2 m×1.5 m。桶栽試驗(yàn)分別在2014、2015年以及2017年進(jìn)行，桶栽試驗(yàn)所用桶直徑29 cm，深度45 cm。供試土壤為黃綿土，從大田采集0～30 cm層次土壤，風(fēng)干過篩，裝桶(每桶裝土14 kg)。桶裝土平均容重1.15 g·cm3，田間持水量26.8%，萎蔫系數(shù)5.5%，其中田間持水量和萎蔫系數(shù)均為重量含水量。試驗(yàn)設(shè)兩個(gè)處理，各6組重復(fù)，共計(jì)12桶。春小麥于3月中旬播種，播種后至對(duì)比觀測(cè)開始前保持12個(gè)桶子處理方式相同，土壤水分供給一致。在春小麥長(zhǎng)至拔節(jié)初期開始設(shè)置不同處理，其中一個(gè)為充足灌水處理，保證每日的土壤含水量在田間持水量的70%以上，另一個(gè)為干旱脅迫處理，在試驗(yàn)開始后持續(xù)不灌水，直至小麥萎蔫。

試驗(yàn)期間，主要觀測(cè)項(xiàng)目為：

(1)土壤含水量(本文均指土壤相對(duì)含水量)。每天稱重測(cè)量2個(gè)處理12個(gè)桶子質(zhì)量(所用稱重天平最小感應(yīng)為1g)。用所稱得的重量減去干土重量，再除以干土重量即為桶子中土壤重量含水量(忽略小麥本身生物量的變化)。

(2)光合生理過程。采用美國(guó)產(chǎn)Li-6400便攜式光合儀，在春小麥長(zhǎng)至拔節(jié)期，不同試驗(yàn)處理實(shí)施后，于每日上午9∶00—11∶30測(cè)定各處理春小麥最上部第一片完全展開葉Pn/Qp(光響應(yīng))和Pn/Ci(CO2響應(yīng))曲線(2014年和2015年試驗(yàn)主要測(cè)定Pn/Qp曲線，2017年試驗(yàn)主要測(cè)定Pn/Ci曲線)。Pn/Qp曲線的測(cè)量：控制CO2濃度在380 μmol·mol-1，葉室溫度控制在25℃，空氣飽和差控制在1.5～2.5 kPa。測(cè)量葉室采用紅藍(lán)光源，光合有效輻射(PAR)設(shè)置不同的梯度自動(dòng)測(cè)量，梯度水平分別為0、15、30、60、120、200、300、600、900、1 200、1 500、1 800 μmol·m-2·s-1以及2 100 μmol·m-2·s-1。每次測(cè)量用1 500 μmol·m-2·s-1的PAR適應(yīng)30～40 min，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后，進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量程序。Pn/Ci曲線測(cè)量時(shí)，初始CO2濃度控制在380 μmol·mol-1，葉室溫度控制在25℃，空氣飽和差控制在1.5～2.5 kPa之間，光強(qiáng)控制在1 500 μmol·m-2·s-1，開始測(cè)量之前先在初始條件下適應(yīng)30～40 min，設(shè)置CO2梯度為400、200、100、50、400、600、800、1 000 μmol·mol-1和1 200 μmol·mol-1，依次自動(dòng)測(cè)量。在觀測(cè)葉片氣體交換的同時(shí)，Li-6400還可記錄觀測(cè)時(shí)的葉室空氣溫度、相對(duì)濕度、葉氣溫差、葉氣飽和氣壓差以及空氣CO2濃度等氣象要素指標(biāo)。

1.2 光合參數(shù)計(jì)算

Farquhar等[15]在1980提出了一個(gè)計(jì)算Pn的生化模型，其以胞間CO2濃度(Ci)分別計(jì)算在Rubisco(1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)活性和RuP2(核酮糖-1, 5-二磷酸)再生限制條件下的Pn：

Pn=Vc-0.5V0-Rd=min{Pc,Pj}-Rd

(1)

(2)

(3)

式中，Vc為羧化速率，V0為氧化速率，Rd為暗呼吸速率，Pc和Pj分別為受Rubiso活性和RuP2再生限制的光合速率，Vcmax是最大羧化速率，Г*是CO2補(bǔ)償點(diǎn)，Kc和Ko是CO2和O2的Michaelis-Menten動(dòng)力參數(shù)，O是葉片胞間氧氣分壓，J是量子傳遞效率。(3)式中，J的計(jì)算依賴于光強(qiáng)和最大量子傳遞效率，依據(jù)下式計(jì)算獲得：

θJ2-(I2+Jmax)J+I2Jmax=0

(4)

式中,I2為光強(qiáng)，Jmax為最大量子傳遞效率，θ為曲度。

Vcmax和Jmax反映了作物葉片的光合能力，其值由Pn/Ci曲線觀測(cè)數(shù)據(jù)估算。當(dāng)Ci值小于150 μmol·mol-1時(shí)，以(2)式估算Vcmax，當(dāng)Ci大于150 μmol·mol-1時(shí)，用(3)和(4)式估算Jmax，具體計(jì)算過程可參照Xu等[16]的研究工作。

1.3 氣孔導(dǎo)度模型

Pn與gs是描述植物葉片氣體交換過程非常重要的兩個(gè)指標(biāo)，而它們之間的關(guān)系又可由內(nèi)稟水分利用效率(IWUE, 即Pn/gs)或半經(jīng)驗(yàn)氣孔導(dǎo)度模型反映[17]。當(dāng)前有很多半經(jīng)驗(yàn)氣孔導(dǎo)度模型，而其中尤以Ball-Berry[18]模型的使用最普遍。Ball等[18]根據(jù)前人的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)gs的變化與Pn、葉片表面相對(duì)濕度(RHs)以及葉片表面CO2濃度(Cs)有關(guān)：

gs=a1AnRHs/Cs+b1

(5)

式中，a1為氣孔導(dǎo)度模型斜率，由gs與PnRHs/Cs(BB參數(shù))關(guān)系擬合獲得。b1為凈光合速率為零或小于零時(shí)的gs，部分文獻(xiàn)認(rèn)為其為無光照時(shí)的gs[17]，可由gs與PnRHs/Cs關(guān)系擬合截距獲得，或在黑暗條件下由光合儀測(cè)量獲得。Leuning[19]與Medlyn等[20]此后陸續(xù)分別提出了與Ball-Berry類似的2個(gè)模型，即Leuning和Medlyn模型，它們對(duì)gs模擬精度的改進(jìn)有一定的幫助。其中Leuning(1995)模型的形式為：

gs=a2An/(Cs-Γ)(1+VPDa/b2)+c2

(6)

式中，a2為氣孔導(dǎo)度模型斜率，Г是CO2補(bǔ)償點(diǎn)，VPDa是空氣飽和氣壓差，b2和c2都是參數(shù)。Medlyn模型的形式為：

(7)

式中,a3為氣孔導(dǎo)度模型斜率，VPDL是葉片與空氣之間的飽和氣壓差，b3為參數(shù)。

1.4 反映干旱脅迫過程的指標(biāo)

本研究采用土壤有效含水量(ASWC)和飽和光強(qiáng)下的氣孔導(dǎo)度(gssat)來反映小麥遭受干旱脅迫的狀況。其中ASWC計(jì)算如下：

(8)

式中，θa、θw以及θf分別表示實(shí)際土壤含水量、萎蔫含水量以及田間持水量。研究者發(fā)現(xiàn)gssat較其他水分指標(biāo)更能有效地反映作物遭受干旱脅迫的狀況[21]，由于本研究小區(qū)試驗(yàn)小麥最大根系深度未知，因此以gssat作為另一個(gè)反映小麥水分供給狀況的指標(biāo)。已有研究表明小麥光飽和點(diǎn)處于1 200～1 700 μmol·m-2·s-1之間[22]，本文選擇光合有效輻射在1 500 μmol·m-2·s-1時(shí)的gs作為小麥的gssat。

1.5 數(shù)據(jù)分析

Pn/Qp曲線數(shù)據(jù)主要用以擬合求取3個(gè)不同氣孔導(dǎo)度模型的參數(shù)，在Origin 9.0軟件中使用非線性曲線擬合模塊(Nonlinear curve fit)，自定義編制與(5)、(6)以及(7)式相同的公式擬合計(jì)算獲得所需參數(shù)。Pn/Ci曲線觀測(cè)數(shù)據(jù)主要用以估算Vcmax和Jmax，采用R語(yǔ)言以Duursma等[23]給出的“plantecophys”包計(jì)算獲得。同時(shí)，為證明干旱脅迫階段對(duì)氣孔導(dǎo)度模型參數(shù)的影響，本研究選擇不同年份(2014、2017年)和不同觀測(cè)來源(Pn/Qp和Pn/Ci曲線)數(shù)據(jù)，先以2014年P(guān)n/Qp曲線數(shù)據(jù)擬合計(jì)算了不同干旱脅迫條件下不同光強(qiáng)的gs，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析；之后又將小區(qū)和桶栽2017年的數(shù)據(jù)整合，提取了飽和光強(qiáng)下的光合生理參數(shù)數(shù)據(jù)，分析比較了不同干旱脅迫階段氣孔導(dǎo)度模型參數(shù)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下小麥葉片光合生理參數(shù)的變化

2.1.1 光合生理參數(shù)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng) 分析gssat與ASWC的關(guān)系(圖1a)，發(fā)現(xiàn)gssat隨ASWC的變化存在3個(gè)階段，在第1個(gè)階段gssat變動(dòng)不明顯，呈輕微的下降趨勢(shì)；而當(dāng)ASWC減少至0.5左右時(shí)，gssat呈減小趨勢(shì)，但統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)不顯著(P>0.05)；而在第3階段，當(dāng)ASWC小于0.3左右時(shí)，gssat快速線性下降，且統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)極顯著(P<0.01)。同時(shí)，比較這3個(gè)階段的gssat，發(fā)現(xiàn)差異極顯著(圖1b)。

與gssat類似，Ci/Ca值隨著ASWC的變化也存在3個(gè)明顯的階段(圖1c),只是變化趨勢(shì)不完全相同。第1階段，Ci/Ca相對(duì)穩(wěn)定，之后快速減小，在ASWC降至0.06開始，Ci/Ca呈增大的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在ASWC為0.1時(shí)，此時(shí)Ci/Ca為0.32。同時(shí)，比較3個(gè)階段的Ci/Ca(圖1d)，第2階段與其他2個(gè)階段差異極顯著，而第1和第3階段無顯著差異。

Pn隨ASWC的變化存在2個(gè)明顯的階段(圖1e)，在第1階段，Pn基本保持穩(wěn)定，而在ASWC降至0.35左右時(shí)，Pn隨ASWC的減少呈線性減小趨勢(shì)，且統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)極顯著。而且第1階段與第2階段Pn值的差異也極顯著(圖1f)。

2.1.2 光合生理參數(shù)間的關(guān)系Ci/Ca和gs是決定作物葉片Pn的重要指標(biāo)，觀察gssat以及Ci/Ca與Pn間的關(guān)系(圖2)，這2個(gè)參數(shù)與Pn并不呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是隨水分條件變化存在階段性關(guān)系特征。

當(dāng)gssat大于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Pn隨gssat減小緩慢下降(圖2a)，速率為1.64 μmol·m-2·s-1Pn/0.1 mol·m-2·s-1gs(P<0.001)，而當(dāng)gssat小于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Pn隨gssat的降低快速減小，速率增至11 μmol·m-2·s-1Pn/0.1 mol·m-2·s-1gs(P<0.001)，說明在以gssat=0.15 mol·m-2·s-1為界的2個(gè)不同階段，Pn對(duì)gssat變化的響應(yīng)不同，即控制Pn變化的因素存在差異。

Ci/Ca與Pn的關(guān)系也存在2個(gè)明顯的階段(圖2b)，即Pn與Ci/Ca呈線性正相關(guān)關(guān)系和Pn隨Ci/Ca增大而減小的階段。在第1階段，Pn隨Ci/Ca的減小呈顯著的減小趨勢(shì)，但是仔細(xì)觀察該階段依然可以分為2個(gè)子階段，即在Ci/Ca從0.8降至0.55的階段(gssat>0.06 mol·m-2·s-1)，Pn隨Ci/Ca的變化降幅較小，而后下降速率加快。而當(dāng)Ci/Ca降至0.32后(gssat<0.06 mol·m-2·s-1)，Ci/Ca開始增大，但Pn卻隨Ci/Ca的增大依然在降低。

2.2 小麥葉片光合能力參數(shù)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

觀察小麥葉片Vcmax與Jmax在不同水分條件下的變化(圖3a,c)，無論是在小區(qū)還是桶栽環(huán)境，小麥葉片的這2項(xiàng)參數(shù)對(duì)水分變化均存在明顯的閾值反應(yīng)。當(dāng)gssat大于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，隨gssat的降低，Vcmax和Jmax均保持相對(duì)穩(wěn)定。而當(dāng)gssat小于0.15mol·m-2·s-1時(shí)，隨gssat的降低，Vcmax和Jmax均呈快速降低趨勢(shì)(P<0.01)。而若以gssat=0.15 mol·m-2·s-1為界，再以生長(zhǎng)環(huán)境為類別(小區(qū)和桶中)，可將Vcmax和Jmax分為4組，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)在gssat小于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，2個(gè)生長(zhǎng)環(huán)境下的小麥葉片Vcmax和Jmax均小于gssat大于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)的值，且統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)極顯著(圖3b，d)。而在相同的gssat范圍內(nèi)，不同生長(zhǎng)環(huán)境下除Vcmax大田和桶栽有極顯著區(qū)別外，其他統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均不顯著。

圖2 不同光合生理參數(shù)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between different photosynthetic parameters

以gssat0.15 mol·m-2·s-1為界混合分析小區(qū)和桶栽小麥Vcmax和Jmax的關(guān)系(圖4a)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)gssat大于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Vcmax和Jmax關(guān)系并不明確，在相同的Vcmax值下，Jmax變幅較大。而當(dāng)gssat小于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Vcmax隨Jmax的減小呈極顯著的降低趨勢(shì)，同時(shí)比較以氣孔導(dǎo)度0.15 mol·m-2·s-1為界2個(gè)階段的Vcmax/Jmax(圖4b)，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)極顯著。說明不同的水分條件影響Vcmax和Jmax的相互關(guān)系。

注：F-S1表示小區(qū)試驗(yàn)光合生理參數(shù)變化的第1階段(gssat>0.15 mol·m-2·s-1)，F(xiàn)-S2表示小區(qū)試驗(yàn)光合生理參數(shù)變化的第2階段(gssat<0.15 mol·m-2·s-1)；P-S1表示桶栽試驗(yàn)光合生理參數(shù)變化的第1階段，P-S2表示桶栽試驗(yàn)光合生理參數(shù)變化的第2階段。圖6相同。Note:F-S1, F-S2, P-S1, and P-S2 indicate the first (gssat> 0.15 mol·m-2·s-1) and second (gssat< 0.15 mol·m-2·s-1) stages of photosynthetic parameters variation for spring wheat growing in plots and pots, respectively. The same for Fig. 6.圖3 光合能力參數(shù)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)Fig.3 Response of photosynthetic capacity to water stress

圖4 不同干旱脅迫階段Vcmax與Jmax的關(guān)系Fig.4 Relationship between Vcmax and Jmax under ifferent water stress stages

2.3 干旱脅迫下小麥葉片氣孔導(dǎo)度與凈光合速率之間的關(guān)系

若不區(qū)分干旱脅迫階段，使用擬合獲得的氣孔導(dǎo)度模型斜率計(jì)算2014年所觀測(cè)不同光強(qiáng)下的gs(圖5a、b、c)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)典型的氣孔導(dǎo)度模型實(shí)測(cè)值與模擬值均由1∶1線將數(shù)據(jù)明顯分為兩部分，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)觀測(cè)值明顯偏大，而另一部分模擬值明顯偏大。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn)模擬值偏大的數(shù)據(jù)來源于gssat小于0.15 mol·m-2·s-1的部分，而實(shí)測(cè)值偏大的數(shù)據(jù)來自gssat大于0.15 mol·m-2·s-1的部分。而如果以gssat在0.15 mol·m-2·s-1處為界，將數(shù)據(jù)以2個(gè)不同的供水階段進(jìn)行劃分，再次分析模擬值與觀測(cè)值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)較不區(qū)分干旱脅迫階段時(shí)有較大的提高(圖5d、e、f)，說明模型參數(shù)的選擇對(duì)氣孔導(dǎo)度模擬存在影響。

以Ball-Berry(1987)氣孔導(dǎo)度模型為例(其他2個(gè)模型結(jié)果類似，圖省略)，整合大田和桶栽的數(shù)據(jù)，選擇飽和光強(qiáng)下的數(shù)據(jù)擬合氣孔導(dǎo)度模型，發(fā)現(xiàn)無論是生長(zhǎng)在小區(qū)還是桶栽環(huán)境中的小麥，以gssat在0.15 mol·m-2·s-1為分界，不同水分供給階段gssat與BB指數(shù)的關(guān)系不完全一致(圖6)。在水分供給相對(duì)充足時(shí)(gssat大于0.15 mol·m-2·s-1)，無論是小區(qū)還是桶栽，擬合所得的小麥氣孔導(dǎo)度模型斜率a1均較受水分脅迫程度嚴(yán)重時(shí)(gssat小于0.15 mol·m-2·s-1)的值大，其中在水分相對(duì)充足時(shí)小區(qū)和桶栽小麥a1分別為10.8和10.6，而水分相對(duì)不足時(shí)a1分別為7.5和6.9，水分供給條件不同，a1統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)差異極顯著，而在相同水分條件下，不同生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)a1無顯著影響。

3 討 論

3.1 春小麥?zhǔn)芎颠^程的階段性劃分

gssat和Ci/Ca隨水分條件變化存在明顯的3個(gè)階段，而Pn的變化則存在2個(gè)階段，Pn與gssat以及Ci/Ca的關(guān)系也因不同水分條件存在2～3個(gè)階段。綜合來看，小麥葉片光合生理過程對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)存在4個(gè)明顯的階段，這種階段性變化是由于作物自身在隨干旱脅迫程度不斷加重時(shí)相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制不同決定的。

圖6 不同水分條件下的氣孔導(dǎo)度模型Fig.6 Stomatal conductance models under different water conditions

在干旱脅迫之初，隨著水分供給的減少，作物能夠通過自身的調(diào)節(jié)，適應(yīng)水分的減少。當(dāng)ASWC從1變化至0.5時(shí)(gssat>0.35 mol·m-2·s-1的階段，第1階段)(圖1a)，gssat略有降低，而Ci/Ca值卻相對(duì)比較穩(wěn)定，因此Pn無明顯的減少趨勢(shì)。而相較CO2，水分對(duì)gs的變化更敏感(CO2通過氣孔的阻力是水分的1.6倍)，過大的蒸騰速率在該階段對(duì)作物的光合產(chǎn)出而言是無效的，該階段的光合生理參數(shù)變化特征間接說明了為什么有的研究發(fā)現(xiàn)輕到中度干旱脅迫下，植物葉片尺度水分利用效率(Pn與蒸騰速率比)或IWUE存在隨供水減少而增大的現(xiàn)象[10]。

當(dāng)ASWC從0.5降至0.3時(shí)，gssat隨供水的減少呈波動(dòng)減少趨勢(shì)(從0.35降至0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，第2階段)，但Ci/Ca在該階段呈極顯著的降低趨勢(shì)(直至ASWC降至0.1)，而Pn也在該階段隨水分減少由穩(wěn)定少動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u減小。同時(shí)觀察Vcmax和Jmax在該階段隨水分供給的變化保持相對(duì)穩(wěn)定(圖3)，Pn與gssat的關(guān)系以及Ci/Ca與Pn的關(guān)系也無明顯變化(圖2)。據(jù)此，我們推測(cè)，在該階段氣孔因素在起主導(dǎo)作用而影響小麥光合生理過程，gs的變化導(dǎo)致Ci/Ca值出現(xiàn)波動(dòng)，從而使得小麥供給光合作用的場(chǎng)所，即葉綠體可用的CO2量減少。由于光合原材料不足，達(dá)到一定程度時(shí)，小麥葉片Pn出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

而在ASWC<0.3后，gssat進(jìn)入一個(gè)新的變化階段(gssat<0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，第3階段)，即隨ASWC減小呈極顯著的降低趨勢(shì)。此外，從Vcmax和Jmax與gssat的關(guān)系來看(圖3)，在該階段光合能力從之前的相對(duì)穩(wěn)定到該階段開始隨干旱脅迫程度的增加而逐漸減小。而且Vcmax和Jmax之間的關(guān)系也以gssat在0.15 mol·m-2·s-1處為界有明顯的不同，gssat>0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Vcmax/Jmax值與許多作物水分供給充足條件下的研究結(jié)果一致[24]，而當(dāng)gssat<0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，Vcmax/Jmax值明顯小于水分較為充足下的值，這與部分林木的觀測(cè)結(jié)果相近[25]。同時(shí)，gssat與Pn的關(guān)系也在氣孔導(dǎo)度<0.15 mol·m-2·s-1后發(fā)生變化，Pn隨gssat降低的幅度增加。這些現(xiàn)象充分說明，除氣孔因素外，與小麥光合生理過程相關(guān)的其他代謝活動(dòng)(即非氣孔因素)由于干旱脅迫程度的增加開始限制Pn。

當(dāng)ASWC降至0.1之后(氣孔導(dǎo)度<0.06 mol·m-2·s-1時(shí)，第4階段)，隨作物供水的進(jìn)一步減少，Ci/Ca呈增加趨勢(shì)，這是光合生理過程遭受干旱脅迫影響不同于上述3個(gè)階段的新時(shí)期。從Ci/Ca與Pn的關(guān)系(圖2b)也可以發(fā)現(xiàn)，該階段Ci/Ca值的變化已不能反映Pn的變化。然而，過去較早的一些研究結(jié)果往往以Ci/Ca隨干旱脅迫的加劇而出現(xiàn)增大的時(shí)期定義為作物光合生理過程遭受非氣孔因素影響開始的階段[26]。但本研究結(jié)果顯示在gssat小于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，影響作物生理過程的非氣孔因素已經(jīng)出現(xiàn)，這與近年來的一些研究結(jié)果相近[27]，即非氣孔因素可能在中等干旱條件下就已開始限制光合生理過程。本研究的第4階段，Ci/Ca的快速增大可能是由于嚴(yán)重的干旱脅迫導(dǎo)致小麥光合器官受損，使得光合生理過程出現(xiàn)了不可逆的破壞，這也是部分研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫到一定程度，即使恢復(fù)供水，而植物光合生理過程也無法恢復(fù)的原因[28]。

本研究對(duì)小麥?zhǔn)芎档碾A段性劃分與國(guó)外一些研究用gssat界定C3植物葡萄的受旱程度結(jié)果類似，即在葡萄生長(zhǎng)遭受輕旱時(shí)，氣孔導(dǎo)度介于0.5或0.7 mol·m-2·s-1到0.15 mol·m-2·s-1，中旱0.05～0.15 mol·m-2·s-1，重旱<0.05 mol·m-2·s-1[29]。然而考慮到不同試驗(yàn)條件，不同作物類型、土壤質(zhì)地以及施肥條件等因素的影響，這種結(jié)論的相似性是偶然還是必然，還需進(jìn)一步通過大量的試驗(yàn)結(jié)果整合分析后確定。

3.2 不同干旱脅迫程度下氣孔導(dǎo)度模型的差異及其意義

氣孔導(dǎo)度模型斜率在干旱脅迫條件下是否會(huì)發(fā)生變化依然存在許多爭(zhēng)議，很多試驗(yàn)研究結(jié)果相互矛盾[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn)以gssat=0.15 mol·m-2·s-1為界，gs與Pn的關(guān)系有明顯的區(qū)別，而若不區(qū)分不同的干旱脅迫程度對(duì)氣孔導(dǎo)度模型參數(shù)的影響，3個(gè)典型的氣孔導(dǎo)度模型均會(huì)錯(cuò)估gs。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是以gssat=0.15 mol·m-2·s-1為界，當(dāng)gssat大于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，只有氣孔因素在限制光合生理過程，氣孔的調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致CO2進(jìn)入光合場(chǎng)所葉綠體的數(shù)量出現(xiàn)波動(dòng)，引起Pn變動(dòng)；而在gssat小于0.15 mol·m-2·s-1時(shí)，干旱脅迫加劇，非氣孔因素開始影響光合能力，而此時(shí)氣孔因素并非引起Pn變動(dòng)的唯一因素，因此Pn與gs的關(guān)系必然發(fā)生變化，即在相同的gs變幅下，Pn變動(dòng)更劇烈，這在圖3agssat與Pn的相互關(guān)系中也有反映，即隨干旱脅迫的加重，小麥IWUE在增大。因此，我們?cè)谑褂脷饪讓?dǎo)度模型時(shí)，需要根據(jù)干旱脅迫程度，選擇合適的模型參數(shù)。否則可能出現(xiàn)在水分供給充足時(shí)低估gs，干旱脅迫發(fā)生時(shí)高估gs的情形(圖5)。而其他一些研究[32]也表明，不準(zhǔn)確的氣孔導(dǎo)度模型斜率不僅影響gs的準(zhǔn)確計(jì)算，還導(dǎo)致對(duì)Pn、總初級(jí)生產(chǎn)力、蒸騰速率以及水分利用效率的錯(cuò)誤估計(jì)。

氣孔導(dǎo)度模型在不同干旱脅迫階段的斜率差異，一方面表明氣孔導(dǎo)度模型需要根據(jù)作物所受脅迫程度調(diào)整參數(shù)從而以模擬獲得準(zhǔn)確的gs，另一方面也再次間接證明了干旱脅迫的階段性特征，即在其他環(huán)境要素一定時(shí)，干旱脅迫條件下，以gssat=0.15 mol·m-2·s-1為界，大于該值，光合生理過程處于氣孔為主要限制因子影響Pn變化的階段，而小于該值后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩亻_始限制作物葉片光合生理過程的階段。

3.3 本研究存在的不足與展望

近年來學(xué)者認(rèn)為干旱脅迫條件下葉肉導(dǎo)度的下降是導(dǎo)致光合生理過程下調(diào)的重要因子[33]，然而在本研究中，并沒有單獨(dú)考慮葉肉導(dǎo)度在不同干旱脅迫階段對(duì)光合生理過程的影響，而是將其歸為非氣孔因素。在干旱脅迫條件下，葉肉導(dǎo)度的快速降低可能會(huì)影響Ci的準(zhǔn)確測(cè)定，從而影響對(duì)Vcmax和Jmax的計(jì)算。但是由于葉肉導(dǎo)度的定量估計(jì)依然存在許多不確定性，因此分析葉肉導(dǎo)度在非氣孔因素中所占的比例是干旱脅迫對(duì)光合生理過程影響研究的重要方面，同時(shí)這也是農(nóng)業(yè)干旱致害過程試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬亟需解決的問題。

過去的研究在確定作物受旱等級(jí)時(shí)，往往以產(chǎn)量作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。而本研究所涉及的光合生理過程只是決定作物產(chǎn)量高低的眾多因素之一。而且作物不同生育期遭受干旱脅迫，對(duì)產(chǎn)量的影響不完全相同。例如，許多研究得出與光合生理過程相比，葉片的生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫更敏感[34]，在生育期前期，作物葉面積受旱而停止生長(zhǎng)可能對(duì)產(chǎn)量影響更大。在自然條件下，一次降水或恢復(fù)供水后，光合等生理參數(shù)可能會(huì)迅速恢復(fù)至正常水平，但是葉面積的生長(zhǎng)卻因水分虧缺而停滯，即使恢復(fù)供水也無法達(dá)到水分供給充足條件下的水平。作物光照截獲面積的減少，必然導(dǎo)致作物生物量積累減少。因此在研究農(nóng)業(yè)干旱時(shí)，特別需要關(guān)注干旱脅迫對(duì)一年生作物生長(zhǎng)盛期葉片生長(zhǎng)的影響。本文只針對(duì)選定的生育期進(jìn)行研究，沒有觀測(cè)葉面積變化對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，在實(shí)際干旱監(jiān)測(cè)中可能依然無法定量估計(jì)作物不同生育期所遭受干旱對(duì)其最終產(chǎn)量的影響。干旱脅迫對(duì)葉面積和光合生理過程的影響及二者對(duì)作物最終產(chǎn)量減損的作用還需進(jìn)行更深入地分析和探討。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)試驗(yàn)分析探討了光合生理過程對(duì)干旱脅迫的階段性響應(yīng)特征，從而定量確定了干旱脅迫發(fā)展的不同階段，并討論了不同干旱脅迫階段Pn與gs的關(guān)系及其對(duì)氣孔導(dǎo)度模型使用的影響。小麥光合過程受干旱脅迫的影響，根據(jù)脅迫影響程度可劃分為4個(gè)階段，其臨界值以ASWC表示分別為0.48、0.3和0.1，而相對(duì)應(yīng)的gssat為0.35、0.15以及0.06 mol·m-2·s-1。非氣孔因素開始影響光合生理過程的臨界點(diǎn)在ASWC為0.3時(shí)，非氣孔因素的出現(xiàn)導(dǎo)致Pn與gs的關(guān)系發(fā)生變化，從而在使用氣孔導(dǎo)度模型時(shí)，需要考慮不同的干旱脅迫程度對(duì)氣孔導(dǎo)度模型參數(shù)的影響，否則會(huì)出現(xiàn)水分供給充足時(shí)低估gs，干旱脅迫時(shí)高估gs的情形。本研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)定量劃分、作物模型改進(jìn)以及農(nóng)田灌溉制度的確定提供幫助。