毛烏素沙區(qū)引種紅棗葉片水分利用效率及其影響因子

畢鄭文，丁宏博，劉玥婷，王雪姣，南 瓊，付廣軍，佟小剛

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.陜西省林業(yè)科學(xué)院，西安 710082）

榆林市位于毛烏素沙地東南緣，原是我國(guó)沙漠化十分嚴(yán)重的地區(qū)之一。在多年的荒漠化綜合治理下，榆林沙區(qū)不僅遏制了沙化土地持續(xù)擴(kuò)展的趨勢(shì)，還實(shí)現(xiàn)了從“沙進(jìn)人退”到“人進(jìn)沙退”良好生態(tài)治理成效。這為榆林當(dāng)?shù)厣钞a(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好機(jī)遇。紅棗作為高效利用沙、旱土地資源的經(jīng)濟(jì)樹種[1]，具有抗寒、抗旱、早熟等特性，是適宜該地區(qū)環(huán)境，發(fā)展經(jīng)濟(jì)林沙產(chǎn)業(yè)的重要對(duì)象。

但在沙區(qū)水資源匱乏成為棗樹生長(zhǎng)及豐產(chǎn)的主要限制因素。因此，選取具有高效水分利用能力的紅棗品種成為沙區(qū)紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。一般將植物消耗單位水分產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的效率稱為水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)，它不僅可以反映植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的最優(yōu)水分供應(yīng)[2]，也在一定程度上反映植物的耗水性和干旱適應(yīng)性[3]。但是測(cè)定林木生長(zhǎng)和耗水總量往往不易實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于喬灌林木多以葉片碳水利用關(guān)系作為替代水分利用評(píng)價(jià)指示物。目前植物葉片尺度的水分利用效率的研究方法主要有兩種：一是廣泛利用的氣體交換法，即通過凈光合速率和蒸騰效率的比值直接計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率[4]；二是通過碳同位素技術(shù)檢測(cè)葉片碳同位素，通過公式計(jì)算得到穩(wěn)定水分利用率。近年來，碳同位素技術(shù)應(yīng)用于花生[5]、小麥[6,7]、棉花[8]、番茄[9]等農(nóng)業(yè)作物水分效率的研究上，但應(yīng)用于評(píng)價(jià)紅棗WUE的研究還相對(duì)缺乏。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)高粱葉片水分利用效率也顯著受到自身生理性狀與養(yǎng)分含量的影響，如與蒸騰速率負(fù)相關(guān)，與光合速率和氣孔導(dǎo)度正相關(guān)[10]；也有研究發(fā)現(xiàn)植被水分利用效率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度負(fù)相關(guān)[11]。水分利用效率大小除了與光合特性有關(guān)外，也與葉片碳、氮、磷含量有關(guān)。曾歡歡[12]發(fā)現(xiàn)水分利用效率與葉片氮、磷正相關(guān)，與葉片碳含量負(fù)相關(guān)。林晗[13]得到水分利用效率與葉片的氮含量呈現(xiàn)二次曲線正相關(guān)。但水分利用效率因植被種類，研究環(huán)境不同其影響機(jī)制會(huì)發(fā)生改變[14]。在一般情況下穩(wěn)定WUE與δ13C 值呈極顯著正相關(guān)[15-18]。因此，明確影響紅棗水分利用效率的關(guān)鍵因素也能為選擇高效水分利用紅棗品種提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此，本研究選取榆林地區(qū)引種的24 個(gè)紅棗品種，探究不同品種紅棗瞬時(shí)和穩(wěn)定水分利用效率的差異特征，揭示紅棗成熟期、光合特性、養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量對(duì)紅棗水分利用率的影響，從而提出適宜毛烏素沙區(qū)栽培的高效水分利用紅棗品種及其關(guān)鍵影響因素，以期為類似沙區(qū)紅棗沙產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于榆林市榆陽(yáng)區(qū)北，距榆陽(yáng)城區(qū)5 km 的陜西省紅棗良種苗木培育基地，地理位置介于北緯38°19′40″～38°19′49″N，東經(jīng)109°39′2″～109°39′4″E，海拔1 146 m，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年日照時(shí)數(shù)2 925.5 h，日照百分率為66%，年總輻射量145.2 kJ/ m2，年平均氣溫7.8 ℃，≥10 ℃積溫3 217.6 ℃。無(wú)霜期155 d，年降水量400 mm，多集中在7-9月，占全年降水量的70%。風(fēng)沙日年平均81 d，大風(fēng)日數(shù)年平均10 d，大于5 m/s 的起沙風(fēng)年平均230 次，平均風(fēng)速2.2 m/s。固定風(fēng)沙土，母質(zhì)為風(fēng)積物，土壤剖面有發(fā)育層次分化，地表結(jié)皮較厚，出現(xiàn)弱團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，但剖面發(fā)育仍未出現(xiàn)地帶性土壤特征，其形成不受地下水影響，耕作的風(fēng)沙土形成耕作層。

1.2 試驗(yàn)材料

該引種試驗(yàn)于2015年開始，試驗(yàn)布設(shè)為由東南向西北連續(xù)栽植24 個(gè)紅棗品種，株行距為1 m×1.5 m，每個(gè)品種3 個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積15 m2（2.5 m×6.0 m）。培育基地地勢(shì)平坦，土壤為沙土與黃土2∶1 混合，有機(jī)質(zhì)含量0.83%，全氮含量0.04%。采用統(tǒng)一水肥一體化對(duì)植物進(jìn)行施肥灌溉[19]。試驗(yàn)24個(gè)紅棗品種基本信息見表1。

表1 24個(gè)紅棗品種基本信息Tab.1 Basic information of 24 jujube varieties

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

于2019年7月和8月的中旬，在紅棗樹離地1 m 左右（紅棗中部）向陽(yáng)面、無(wú)病蟲害棗吊的第3～5片取樣且葉片長(zhǎng)勢(shì)大小相似，每株取20 片，每個(gè)小區(qū)采集3 株紅棗，送實(shí)驗(yàn)室通過同位素分析儀（G2101-iCO2,Picarro,USA）測(cè)定葉片δ13C；葉綠素a、b 含量測(cè)定采用95%乙醇浸泡法，在665 nm、649 nm 波長(zhǎng)下測(cè)其吸光度，以95%乙醇為空白對(duì)照；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀—外加熱法進(jìn)行測(cè)定；全氮、全磷含量通過全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（Cleverem Anna，Germany）分別采用水楊酸比色法和磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定。同時(shí)在7-8月，每隔7～10 d測(cè)定一次光合指標(biāo)，在每天9∶00-11∶00 選取相同位置且無(wú)機(jī)械損傷、無(wú)病蟲害的葉片作為測(cè)定葉片，測(cè)定時(shí)避開葉片主脈絡(luò)，每株測(cè)定8 片。通過Li-6400 便攜式光合儀測(cè)定光合指標(biāo)[20]。測(cè)定指標(biāo)包括：凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）。紅棗瞬時(shí)和穩(wěn)定葉片水分利用效率計(jì)算公式如下：

瞬時(shí)：

式中：Pn為凈光合速率，μmol/（m2?s）；Tr為蒸騰速率，mmol/（m2?s）[11]。

穩(wěn)定：

式中：Ca為大氣CO2濃度(為0.038%)；a為擴(kuò)散作用所產(chǎn)生的穩(wěn)定碳同位素分餾值(約為4.4‰)；b為羧化反應(yīng)所產(chǎn)生的穩(wěn)定碳同位素分餾值(約為27‰)；δ13Cp為葉片樣品碳同位素豐度，‰；δ13Ca為葉片樣品碳同位素豐度，‰[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

不同品種紅棗葉片的瞬時(shí)和穩(wěn)定WUE、葉片CNP 含量、葉片光合生理指標(biāo)的差異采用單因素方差分析與LSD 多重比較法進(jìn)行，顯著性檢驗(yàn)分析水平為P<0.05；各指標(biāo)間相關(guān)性采用皮爾遜相關(guān)分析。數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析采用Spss 21.0 進(jìn)行，圖表采用Excel繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗葉片水分利用效率特征

不同品種紅棗葉片水分利用效率差異明顯，見圖1。西農(nóng)蛤蟆穩(wěn)定WUE最高，達(dá)到105.35 μmol/mol，其次是清澗蛤蟆，最低為冷白玉為77.77 μmol/mol，二者比其高35.6%和25.0%；瞬時(shí)水分利用效率最高是棗脆蜜為4.05 μmol/mol，最低是金谷大棗1.97 μmol/mol，相比高了1.06倍，差異明顯。

圖1 不同品種紅棗瞬時(shí)和穩(wěn)定水分利用效率Fig.1 Instantaneous and stable WUE of different jujube cultivars

不同成熟期紅棗葉片瞬時(shí)水分利用效率無(wú)明顯差異，但穩(wěn)定WUE差異明顯，見圖2。早熟的紅棗品種葉片穩(wěn)定水分利用效率最高，均值達(dá)到了93.75 μmol/mol，其中，西農(nóng)蛤蟆棗和清澗蛤蟆棗的穩(wěn)定WUE最高，達(dá)到了105.4 μmol/mol 和97.3 μmol/mol；中熟品種中清澗紅棗最高，達(dá)到了94.9 μmol/mol；晚熟品種中短枝冬棗最高，達(dá)到了90.1 μmol/mol。這些高穩(wěn)定WUE品種比最低的臨黃1 號(hào)（80.1 μmol/mol）、秦寶冬棗（79.7 μmol/mol）、冷白玉棗（77.7 μmol/mol）顯著高16.0%～35.7%。

圖2 不同成熟期紅棗品種水分利用效率Fig.2 Water use efficiency of jujube varieties at different maturity stages

2.2 紅棗葉片碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量特征

24 種紅棗葉片氮磷及其化學(xué)計(jì)量比存在顯著差異，見表2。不同品種紅棗葉片碳含量無(wú)明顯差異，其范圍值在421.9～469.57 g/kg。氮含量差異明顯，其含量最高為早脆王棗、西農(nóng)蛤蟆棗、晉矮4 號(hào)3 個(gè)品種，含量分別是16.38、15.32、15.32 g/kg。最低為靈武長(zhǎng)棗，含量為10.22 g/kg。磷含量差異顯著，含量最高2 個(gè)品種是棗強(qiáng)脆棗和六月鮮，分別是3.18、2.63 g/kg；馬鈴脆棗是磷含量最低，是0.89 g/kg，分別相差2.57 和1.96 倍。C/N 最高值為靈武長(zhǎng)棗和馬鈴脆棗2 個(gè)品種，比值分別為44.6、44.1；最低是早脆王棗比值是27.2，二者相差64%和62%。N/P 最高值為晉矮4號(hào)，比值是14.95；最低是棗強(qiáng)脆棗值為4.29，相差2.49 倍。C/P 最高值為馬鈴脆棗，比值為528.42；最低是棗強(qiáng)脆棗，比值為143.64，相差2.68倍。

表2 不同品種紅棗葉片碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比Tab.2 Carbon,nitrogen and phosphorus content and stoichiometric ratio in leaves of different jujube cultivars

2.3 紅棗葉片光合特性

由表3可知不同品種紅棗的葉片生理特征均存在顯著差異。其中凈光合速率（Pn）馬鈴脆棗最高為16.83 μmol/(m2?s)，最低為金谷大棗7.43 μmol/(m2?s)差2.27 倍；蒸騰速率（Tr）與胞間CO2濃度皆是大荔冬棗最高，棗脆密棗最低，蒸騰速率相差2.18 倍、胞間CO2濃度相差1.56 倍；氣孔導(dǎo)度（Gs）最高的品種為早脆王棗0.27 mmol/(m2?s)，最低為六月鮮棗0.06 mmol/(m2?s)，相差4.5倍；清澗紅棗的葉綠素a、b濃度最高。

表3 不同品種紅棗葉片生理特性指標(biāo)Table 3 Leaf physiological characteristics of different jujube cultivars

不同成熟期的紅棗葉片，早熟品種與中熟和晚熟在氮、磷含量與其化學(xué)計(jì)量比方面有著明顯的差異性，見表4，且早熟品種含量最高；在C 含量、凈光合速率、蒸騰速率氣孔導(dǎo)度、葉綠素a 濃度和葉綠素b 濃度6 個(gè)指標(biāo)沒有明顯差異。不同品種紅棗葉片間的碳含量無(wú)明顯差異性，其含量為421.9～469.57 g/kg，馬鈴脆棗、不落酥棗、子彈頭棗、六月鮮棗和金谷大棗5 個(gè)品種是碳含量最高的，其中早熟品種有六月鮮棗和子彈頭棗兩種，其余為中熟品種。氮含量差異顯著，其含量范圍為10.22～16.38 g/kg，其含量最高5 個(gè)品種為早脆王棗、晉矮4 號(hào)、西農(nóng)蛤蟆棗、子彈頭棗和清澗蛤蟆棗，含量最高的12 個(gè)均為早熟品種。磷含量差異顯著，其含量在0.89～3.18 g/kg 內(nèi)，棗強(qiáng)脆棗、六月鮮棗、清澗蛤蟆棗、子彈頭棗和大荔水棗5 個(gè)早熟品種含量最高。

表4 紅棗葉片碳氮磷及生理特性指標(biāo)Tab.4 Leaf carbon,nitrogen,phosphorus and physiological characteristics of early,middle and late ripening jujube varieties

2.4 不同紅棗葉片水分利用效率與養(yǎng)分、光合特性相關(guān)關(guān)系

皮爾遜相關(guān)分析表明不同的紅棗品種葉片瞬時(shí)WUE與養(yǎng)分、光合特性無(wú)相關(guān)性，見表5。其中可知不同品種紅棗葉片穩(wěn)定WUE與氮含量和碳氮比都是極顯著相關(guān)，與Pn、Gs和葉綠素b 顯著正相關(guān)，其他因素與水分利用效率無(wú)顯著相關(guān)性。δ13C與穩(wěn)定WUE、葉綠素b 和凈光合速率極顯著正相關(guān)，與N含量顯著相關(guān)，與碳氮比顯著負(fù)相關(guān)。

表5 紅棗葉片水分利用效率與養(yǎng)分、光合特性相關(guān)性Tab.5 Correlation between water use efficiency and nutrient and photosynthetic characteristics of jujube leaves

3 討 論

3.1 紅棗葉片水分利用效率的差異

本研究中不同品種紅棗間葉片的瞬時(shí)WUE變化存在顯著差異，但其規(guī)律不明顯，不僅總體上在不同成熟期品種間無(wú)差異，在個(gè)體比較上相同成熟期品種內(nèi)瞬時(shí)WUE都有大有小，難以形成統(tǒng)一判斷依據(jù)。這可能與測(cè)定時(shí)葉片和光熱條件不同有密切相關(guān)，從而使得瞬時(shí)WUE較敏感于環(huán)境光熱條件[22-24]。同時(shí)瞬時(shí)WUE與葉片養(yǎng)分含量和葉片光合特性也無(wú)顯著相關(guān)性。可見，通過瞬時(shí)WUE并不能作為篩選出高水分利用效率的紅棗品種的參考依據(jù)。相對(duì)地，穩(wěn)定WUE變化存在顯著差異，且其規(guī)律地表現(xiàn)為早熟>中熟>晚熟。這與早熟品種的成熟期時(shí)間較中熟和晚熟短，所消耗的水量較少直接相關(guān)。通過比較穩(wěn)定WUE，早熟品種中可以選擇西農(nóng)蛤蟆棗、清澗蛤蟆棗和棗強(qiáng)脆棗；中熟品種可以挑選清澗紅棗和馬鈴脆棗；晚熟品種可以選擇短枝冬棗和大荔冬棗，作為研究區(qū)適宜選擇的高效水分利用的紅棗栽培品種。

3.2 水分利用效率的影響因素

本研究得出較高水分利用效率的紅棗葉片含有較高的δ13C，范圍在-28.16‰～25.68‰。孫慧玲[25]得到全球范圍植物的平均δ13C值為-28.74‰，顯著低于本研究紅棗葉片δ13C均值。紅棗葉片δ13C值偏高的原因可能在于榆林地區(qū)的空氣和土壤的含水量較低，在這種情況下，棗樹為更好生長(zhǎng)會(huì)關(guān)閉一部分氣孔來減少水分蒸發(fā)量。氣孔的關(guān)閉阻礙了葉片的氣體交換，從而導(dǎo)致葉片內(nèi)部CO2下降。陳拓等[26]的研究表明在葉片內(nèi)部CO2濃度降低時(shí)，如果植物想要保持光合速率的正常水平，CO2會(huì)更不容易被植物識(shí)別，這就會(huì)使葉片的碳同位素值升高。這在一定程度上說明這24 個(gè)品種紅棗為了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐母珊淡h(huán)境而提高水分利用效率。相關(guān)研究表明光合速率相對(duì)較高，光合作用同化的CO2增加，胞間CO2濃度較低，導(dǎo)致葉片δ13C和水分利用率較高[27]，這與本研究相似，

從葉片養(yǎng)分含量看，有研究表明葉片N 含量增加，光合作用增強(qiáng)，增加了葉片固定CO2的能力，間接增加葉片水分利用效率。在本研究中，葉片的N 含量和δ13C與穩(wěn)定WUE呈極顯著正相關(guān)，這與曾歡歡[12]研究結(jié)果一致。但葉片碳與水分利用效率相關(guān)性不顯著，這也導(dǎo)致了C/N 與水分利用效率負(fù)相關(guān)。且植物葉片C/N 和C/P 表征著植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素將C 同化的能力，因此被作為反映植物養(yǎng)分利用效率的指標(biāo)[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅棗葉片平均C/N 均高于全球平均水平22.5，且C/P 高于全球平均水平232，說明該地區(qū)紅棗植物N、P 利用效率較全球植物偏高。該地區(qū)為風(fēng)沙地，土壤當(dāng)中土壤養(yǎng)分含量低，因此該地區(qū)植物N、P 利用效率較高。本研究中只有3 個(gè)品種的紅棗N/P 高于10 且低于20，其余品種紅棗皆小于10，充分說明該地紅棗品種受N 限制，且24 個(gè)品種紅棗氮含量皆小于我國(guó)平均水平20.2 g/kg，這些結(jié)果進(jìn)一步說明了，該地區(qū)紅棗品種可能更易受N限制[29]。

4 結(jié) 論

榆林沙區(qū)引種的24 種紅棗，其紅棗葉片瞬時(shí)WUE雖然存在顯著差異，但在不同成熟期間無(wú)差別，并且瞬時(shí)WUE與紅棗葉片的光合特性和養(yǎng)分含量均無(wú)顯著相關(guān)性，更多敏感于環(huán)境光熱條件，不建議作為不同紅棗水分利用效率對(duì)比的參考依據(jù)。相對(duì)地，不同紅棗穩(wěn)定WUE規(guī)律地表現(xiàn)為早熟品種>中熟品種>晚熟品種，并且紅棗較高的葉片N 含量、δ13C豐度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素b 以及低的C/N 是形成高效穩(wěn)定WUE的關(guān)鍵影響因子，可以作為輔助判斷紅棗水分利用效率的指標(biāo)。基于穩(wěn)定WUE較高為判斷依據(jù)，本研究得出早熟品種中西農(nóng)蛤蟆棗和清澗蛤蟆棗水分利用效率最高，中熟品種清澗紅棗最高，晚熟品種短枝冬棗最高，可以作為適宜毛烏素沙地栽培的高效水分利用的紅棗品種。