噴灌不同水肥處理下紫花苜蓿光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及產(chǎn)量變化

薛瑞清，王 飛，藺寶軍，胡明國

（1.大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，天津300000；2.甘肅省節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

紫花苜蓿（Algonquin）含有多種有效成分，再生能力強(qiáng)，被賦予“牧草之王”的美稱[1]，我國苜蓿種植面積約為377 萬hm2［2］，主要分布在西北、華北、東北各省區(qū)。西北干旱半干旱地區(qū)是水資源供需矛盾最為突出、水資源短缺問題最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該區(qū)域內(nèi)長期缺乏牧草精準(zhǔn)水肥調(diào)控管理和化肥使用的管制，造成了大量水資源浪費(fèi)和土壤結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致肥力下降、生態(tài)環(huán)境飽受威脅。采用合理的灌溉制度調(diào)控土壤生態(tài)環(huán)境，可大幅提升水、肥利用效率，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。2015年，國家出臺文件《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》，提出將水資源緊缺作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)問題解決，并提出在西北地區(qū)規(guī)?；七M(jìn)噴灌、滴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)以緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾和解決灌溉水浪費(fèi)等問題。

光合作用直接決定著碳、氮代謝的強(qiáng)弱，最終反映生產(chǎn)性能的高低[3]，土壤水分狀況作為影響植物光合作用最主要的環(huán)境因素[4]，過度虧缺則直接影響紫花苜蓿葉片光合速率和蒸騰速率，造成葉片光合中心破壞[5]，還會影響作物的光反應(yīng)與暗反應(yīng)，以及影響作物光合器官，降低光合CO2同化效率，從而影響葉綠素?zé)晒庾兓?，最終影響光合特性。有研究表明顯示，光合作用的影響因子除環(huán)境因素外，與土壤礦質(zhì)元素間也有很大關(guān)系，尤其是氮、磷、鉀，對植物葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和葉片胞間CO2濃度以及蒸騰速率和凈光合速率的影響顯著[6-8]。光合碳代謝為氮代謝提供能量和碳架，而植物體內(nèi)氮素水平與碳、氮代謝等過程有密切關(guān)系[9]，增加氮素可以加快光合速率來滿足碳、氮代謝對能量的同時(shí)需求［10］。目前針對紫花苜蓿光合特性對土壤水分環(huán)境響應(yīng)研究居多，西北干旱半干旱區(qū)作為紫花苜蓿的重要要種植區(qū)，以及高效節(jié)水灌溉技術(shù)大力推廣區(qū)，噴灌模式對紫花苜蓿的影響研究卻較少，尤其缺少水肥優(yōu)化控制灌溉對紫花苜蓿光合生理變化方面的研究。本研究通過不同水肥梯度變量下紫花苜蓿的光合特性與葉綠素?zé)晒馓匦裕骄寇俎９夂仙黹g的內(nèi)在聯(lián)系，以期得到最佳水肥控制灌溉模式，為西北灌區(qū)牧草增產(chǎn)節(jié)水提供充分科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

豐樂河灌區(qū)位于酒泉市肅州區(qū)城東南方向約70 km 處，平均海拔為1 610 m，屬典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候干燥，光照充足，晝夜溫差大，太陽輻射強(qiáng)，年平均氣溫7.9 ℃，無霜期130 d。

研究區(qū)60 cm 以上土層為中壤土，60 cm 以下主要為砂土層，耕作層土壤肥力情況如表1所示。

表1 灌區(qū)土壤肥力基本情況

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以紫花苜蓿為主要試材。紫花苜蓿屬于長日照植物，我國北方氣溫較低，風(fēng)大干旱，春播易失敗。一般采用夏季雨后搶墑播種，以5-7月初為宜。紫花苜蓿種子細(xì)小，幼芽細(xì)弱，頂土力差，整地必須精細(xì)，要求地面平整，土塊細(xì)碎，無雜草，墑情好。紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)，入土深，對播種地要深翻，才能使根部充分發(fā)育，按照試驗(yàn)要求劃分小區(qū)。

播種前要曬種2～3 d，以打破休眠，提高發(fā)芽率和幼苗整齊度。播前種子進(jìn)行丸衣化處理，按種子500 kg+包衣材料150 kg+粘合劑1.5 kg+水75 kg+鉬酸銨1.5 kg 的配方進(jìn)行。采用條播，行距25 cm，撒播時(shí)要先淺耕后撒種，再耙耱，播量為7 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4月開始，為了提出中低產(chǎn)田規(guī)模化噴灌作物精量管理和水肥控制模式，采取大田試驗(yàn)，試驗(yàn)采用裂區(qū)方式設(shè)計(jì)，其中主因素為氮肥施用量，副因素為灌水水平，試驗(yàn)設(shè)灌水和施氮兩個(gè)水平，施氮設(shè)3 個(gè)不同梯度，依次為N1（228.3 kg/hm2）、N2（206.6 kg/hm2）、N3（184.8 kg/hm2)，灌水設(shè)4 個(gè)不同梯度，依次為T1 (465.4 mm)、T2 (416.8 mm)、T3(351.9 mm)、T4(287.1 mm)，共計(jì)12 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共計(jì)36個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 中低產(chǎn)田苜蓿噴灌水肥調(diào)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)充分灌溉處理T1 的土壤含水量達(dá)到田間持水量的50%開始灌水。在苜蓿苗期和成熟后期不灌水，除了播種時(shí)按當(dāng)?shù)厮抗嗨猓诙喂嗨窃谕寥篮肯陆档教镩g持水量的50%時(shí)進(jìn)行。

播種前，在試驗(yàn)田中撒施磷酸二銨441 kg/hm2、尿素150 kg/hm2、硫酸鉀126 kg/hm2作底肥，在生長期共施尿素兩次，N1 處理分枝期(7月15 號)沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾期(7月25 號)沖施87.0 kg/hm2；N2 處理分枝期(7月15 號)沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾 期(7月25 號)沖 施65.3 kg/hm2；N3 處 理 分枝期(7月15 號)沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾期(7月22 號)沖施43.5 kg/hm2全生育期內(nèi)除灌水及施肥外，各處理的鋤草、噴施農(nóng)藥等措施均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)布置如圖1所示。

圖1 苜蓿噴灌試驗(yàn)小區(qū)布置圖

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)灌水設(shè)備采用指針式噴灌機(jī)灌溉：機(jī)組共有1跨，單跨長54.8 m，懸臂長25.08 m，噴灑半徑80 m。噴灌機(jī)安裝美國Nelson 公司的R3000 型低壓噴頭，選配0.14 MPa 壓力調(diào)節(jié)器，懸臂末端不安裝尾槍。

相關(guān)儀器還包括土鉆(2.0 m)、皮尺、電子天平(0.01 g)、烘箱(105 ℃)、環(huán)刀、水表、游標(biāo)卡尺、鋼卷尺、光譜儀、試管、移液槍、藥劑等。

1.5 測定指標(biāo)與測定方法

（1）氣象資料的觀測。逐日溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等氣象資料從當(dāng)?shù)貧庀笳精@取。

（2）田間持水量測定。采用環(huán)刀法進(jìn)行測定。

（3）土壤水分的測定。土壤含水率用烘干法測定，從苜蓿生育期開始每隔7 d 測定一次，雨前和雨后加測，灌水前后加測。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取5 株苜蓿，在每株苜蓿周圍選取3 點(diǎn)取土，取土點(diǎn)離根橫向距離20～30 cm，并用鋁盒裝樣，利用烘干法測定土壤含水率。相同土層深度3點(diǎn)取其平均值作為該苜蓿根際土壤含水率，5株苜蓿根際土壤含水率取其平均值作為該小區(qū)土壤含水率。采用（型號：DHG-9036A）烘箱，105 ℃下烘8 h。

（4）光合日變化的測定。葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr) 采用Li-6400XT 便攜式光合儀測定，葉氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣中CO2濃度)。指標(biāo)測定均選擇光照充足天氣進(jìn)行，測定時(shí)間從8∶00-18∶00每隔2 h測定一次。

（5）葉綠素含量測定。葉綠素測定采用丙酮提取法。

（6）葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、表觀電子傳遞速率(ETR)采用PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測定；

PSⅡ潛在活性=可變熒光(Fv)/初始熒光(Fo)，PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率=可變熒光(Fv)/最大熒光(Fm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同的水肥處理對紫花苜蓿光合作用的影響

不同的水肥處理對紫花苜蓿光合作用的影響如圖2所示：中低產(chǎn)田紫花苜蓿的凈光合速率(Pn)日變化規(guī)律呈現(xiàn)“雙峰”曲線變化趨勢。8∶00-12∶00 時(shí)段內(nèi)不同水肥處理Pn值迅速增加，在12∶00左右時(shí)達(dá)到第一峰值，相同施肥處理措施下，Pn值均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，且各處理間差異顯著（P＜0.05），12∶00-14∶00 時(shí)段內(nèi)Pn急劇下降，在14∶00 左右時(shí)達(dá)到第一處波谷，16∶00 左右出現(xiàn)第二處峰值，隨后Pn又呈下降變化趨勢；圖2表明，相同施肥處理下，各時(shí)段總體呈現(xiàn)T1＞T2＞T3＞T4 變化規(guī)律，相同灌水處理下，各時(shí)段總體呈現(xiàn)N2＞N1＞N3 變化規(guī)律。

圖2 噴灌不同水肥處理下中低產(chǎn)田紫花苜蓿光合特征參數(shù)日變化

中低產(chǎn)田紫花苜蓿的氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化曲線大體呈現(xiàn)“雙峰”變化趨勢，在10∶00左右達(dá)到第一峰值，Gs均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，且各處理間差異顯著（P＜0.05），16∶00左右時(shí)達(dá)到第二峰值，此時(shí)T1與T2處理之間無顯著差異（P＜0.05），但顯著（P＜0.05）高于T3、T4 處理，T3、T4 處理間無顯著差異（P＜0.05），18∶00 左右時(shí)各處理間無顯著差異。相同灌水處理下，N2 處理的Gs＞N1，但二者間差異不顯著，顯著高于N3。

中低產(chǎn)田紫花苜蓿的胞間CO2濃度(Ci)日變化總體呈先降低后升高再降低的變化趨勢，12∶00 左右時(shí)達(dá)到第一處“波谷”，此時(shí)相同施肥處理下，T3處理顯著高于其余處理，其次是T2 處理；16∶00 左右時(shí)達(dá)到第二處波谷，此時(shí)各處理依舊表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞T1 處理，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。

8∶00-12∶00 時(shí)段內(nèi)不同水肥處理蒸騰速率(Tr)迅速增加，12∶00 左右時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)相同施肥處理措施下，Tr均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，隨后Tr急劇降低，14∶00 左右時(shí)達(dá)到“波谷”，此時(shí)相同施肥處理措施下T1 處理的Tr大于T2 處理，此二者之間無顯著差異（P＜0.05），但顯著（P＜0.05）高于T3 與T4 處理，T3 與T4 處理間無顯著差異（P＜0.05）；隨后Tr又迅速增加，在16∶00左右時(shí)達(dá)到第二處峰值，此時(shí)相同施肥處理下Tr變化規(guī)律與14∶00時(shí)段相同，18∶00左右時(shí)各處理間無顯著差異（P＜0.05）。

中低產(chǎn)田紫花苜蓿氣孔限制值(Ls)日變化在8∶00 左右最小，后持續(xù)增長，18∶00達(dá)到最大。此時(shí)N1、N2處理下，T2處理Ls的顯著高于T1、T3、T4 處理，此三者間大小依次為T1＞T3＞T4，N3 處理下，T3＞T1＞T2＞T4；隨后Ls急劇升高，12∶00 左右時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)不同施肥處理下，T2 處理的Ls依舊顯著高于其他處理，16∶00左右時(shí)達(dá)到第二處峰值，此時(shí)各處理變化規(guī)律與峰值1處相似。

2.2 不同水肥處理對紫花苜蓿葉綠素含量的影響

不同水肥處理對紫花苜蓿葉綠素含量的影響如圖3所示。葉綠素是光合作用的光敏催化劑，其含量變化能夠表征葉片對外界光環(huán)境變化的適應(yīng)能力，圖3表明：不同施肥程度對葉綠素a 和葉綠素b 都有顯著影響，N2T2 處理的葉綠素a 顯著高于其余處理，N2處理下，不同灌水處理葉綠素a含量高于N1、N3處理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在N1與N3施肥條件下，葉綠素a含量大小總體呈現(xiàn)T1＞T2＞T3＞T4 變化規(guī)律； N2T1、N2T2 處理的葉綠素b含量顯著高于其余各處理，此二者間無顯著性差異，葉綠素b 對施肥與灌水單因素的響應(yīng)規(guī)律與和葉綠素a 相似。葉綠素總量是葉綠素a 與葉綠素b 含量的和，不同水肥處理對其含量的影響與葉綠素a 和葉綠素b 相似，N2T2 顯著高于其余處理。

圖3 噴灌不同水肥處理下中低產(chǎn)田紫花苜蓿葉綠素變化

2.3 不同水肥處理對紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同水肥處理對紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響如表3所示，噴灌不同水肥處理對紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響顯著。研究灌水單因素對紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響發(fā)現(xiàn)，初始熒光（Fo）隨著灌水量的減少而增加，可變熒光（Fv）、最大熒光（Fm）、PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）、表觀電子傳遞速率（ETR）隨著灌水量的減少而降低，且各處理間差異顯著；研究施肥單因素對紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響發(fā)現(xiàn)，N2處理的Fo小于N3、N1 處理，N2 處理的Fv、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR大于N1、N3處理；綜合分析各指標(biāo)對水肥調(diào)控的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，N1T1處理效果最佳。

表3 不同水肥處理下紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 不同水肥處理對苜蓿產(chǎn)量的影響

不同水肥處理對苜蓿產(chǎn)量的影響如表4所示，苜蓿產(chǎn)量按照收獲茬數(shù)的推進(jìn)呈現(xiàn)遞減的趨勢。對不同施肥處理的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，而對相同施肥不同灌水量處理的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量也隨著灌水量的增加而增加。

表4 不同水肥處理的產(chǎn)量 kg/hm2

3 討論與結(jié)論

研究表明，土壤水肥條件通過影響植物葉片色素[11]、氣孔或非氣孔因素[12]以及葉片酶[13]等多種因素，影響植物光合作用，進(jìn)而對其生長發(fā)育[14]、SPAD[15]、產(chǎn)量[16]和品質(zhì)[17]等造成影響。李建明指出，灌水和施肥對植物光合作用都有明顯影響，但水分對其影響程度顯著高于施肥[18]，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)噴灌不同灌水量和不同施氮水平對植物光合作用有同等顯著影響效果，這可能與灌水定額和施肥量有直接關(guān)系，本研究發(fā)現(xiàn)N2T1 處理的苜蓿凈光合速率最大，這可能是由于適宜水分條件下有利于提高氣孔導(dǎo)度，或者是適宜的水肥組合有效地改善了土壤質(zhì)量，提高了植株光合和蒸騰作用；另外研究還發(fā)現(xiàn)，在高水、中水1、中水2條件下隨著Pn的下降，Ci與其變化一致，而Ls相反，說明氣孔因素是主要降低光合作用的因素：中水3 處理中，隨著Pn的降低，Ls也逐漸降低，而Ci變化趨勢與其相反，說明此時(shí)影響光合作用的因素為非氣孔因素，與前人研究結(jié)果相似[4,19,20]。

植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合作用內(nèi)在的有效探針，能快速有效地反映植物對土壤水分變化的響應(yīng)[21]。研究發(fā)現(xiàn)隨著灌水量的減少，PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）降低，說明灌水減少降低了PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率，使得光能利用能力下降，這與劉軍研究結(jié)果相似，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的減少，表觀電子傳遞速率ETR 顯著降低，表明了灌水量的降低可以抑制作物體內(nèi)電子信號的傳導(dǎo)，產(chǎn)生光抑制，最終導(dǎo)致光合速率的降低[22,23]。

作物對外界光變化的適應(yīng)能力的變化可由葉綠素含量來表示，其含量的大小也反映作物進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱[1]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)中肥中水2 處理的葉綠素含量顯著高于其他處理，其次是中肥中水1處理，說明適宜的水肥能增加光能利用率。

水肥是影響苜蓿產(chǎn)量的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)，施肥水平一定，隨著灌水量的減少，產(chǎn)量減少[24]；灌水水平一定，高肥和中肥處理產(chǎn)量無顯著差異，低肥處理產(chǎn)量減少。綜合分析發(fā)現(xiàn)高肥高水處理和中肥高水處理的產(chǎn)量最好，其次是高肥中水1和中肥中水1處理。

因此，從提高紫花苜蓿光合作用，節(jié)水省肥角度出發(fā)，中肥中水1處理為該地區(qū)紫花苜蓿最佳的灌水施肥方式，灌溉定額416.8 mm，施氮量206.6 kg/hm2。