8個(gè)紫花苜蓿品種的水分利用效率研究

蔣英潔，韓 旭，時(shí)玉新，張 卓，秦宇翱，陳柳倩，劉桂霞

（1.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 河北，保定 071002；2.承德市國(guó)營(yíng)魚兒山牧場(chǎng) 河北，承德 068359；3.敖漢旗農(nóng)牧局 內(nèi)蒙古，赤峰 024300）

迄今為止，水資源短缺和干旱仍是限制作物生長(zhǎng)的主要因素之一[1]，預(yù)計(jì)到2030 年，全球水資源短缺的國(guó)家將上升到50 個(gè)國(guó)家，這將影響30 億人的生存問(wèn)題[2]。我國(guó)西北地區(qū)屬于干旱、半干旱和干旱亞濕潤(rùn)地帶，年降雨量小于100 mm，水資源嚴(yán)重不足加之人類活動(dòng)如過(guò)度放牧、開(kāi)墾等，使其成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。在常年雨水匱乏的情況下，水資源利用效率低，用水結(jié)構(gòu)不平衡[3]及作物極大的耗水量無(wú)疑增加了該地干旱的困境。要解決此問(wèn)題不僅需要提高單位土地面積的生產(chǎn)力，更需要從提高單位土地面積的生產(chǎn)力向提高單位用水量的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)變，即提高作物的水分利用效率（WUE）以維持其產(chǎn)量并減少用水量[4-5]。

水分利用效率指植物消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量[6]，它是用以描述植物產(chǎn)量與耗水量之間關(guān)系的名詞，是旱地農(nóng)業(yè)研究的重要理論之一。最初是由Briggs和Shantz 等[7]進(jìn)行植物水分利用效率的理論研究，將其定義為需水量。隨著更多學(xué)者地深入研究，需水量最終被水分利用效率取代。我國(guó)隨著節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的興起，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了概括和總結(jié)，并取得了一系列的研究成果與進(jìn)展[8-14]。水分利用效率是植物在有限水分條件下重要的生理特性[15]，同一作物的不同品種之間水分利用效率不同[16]，而水分利用效率高的品種可以利用更少的水分產(chǎn)生同等的產(chǎn)量，或者可以利用同等量的水分產(chǎn)生更高的產(chǎn)量。劉國(guó)利等[17]研究表明在水分脅迫下，紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高；劉軍等[18]研究表明在適度的水分脅迫下，現(xiàn)蕾期的紫花苜蓿水分利用效率同樣有所增長(zhǎng)；李文嬈等[19]研究補(bǔ)充說(shuō)明了當(dāng)水分恢復(fù)后紫花苜蓿WUE逐漸恢復(fù)到對(duì)照水平。

紫花苜蓿作為優(yōu)質(zhì)的多年生豆科牧草，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且生態(tài)效益好[20]。紫花苜蓿富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是畜牧業(yè)高品質(zhì)飼草來(lái)源之一，在動(dòng)物生產(chǎn)上具有廣泛的應(yīng)用前景[21]；其發(fā)達(dá)的根系能延伸到土壤深層，具有抗旱固土，改良土壤等作用[22]。此外，紫花苜蓿也是上好的綠肥，能在改良土壤、提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，達(dá)到減少投資、提高收入的目的[23]。紫花苜蓿分布極為廣泛，在美國(guó)、歐洲、加拿大和中國(guó)均有種植[24]。我國(guó)紫花苜蓿的主產(chǎn)區(qū)集中在西北、東北等地區(qū)[25，26]，這些地區(qū)干旱少雨，紫花苜蓿的種植、栽培等過(guò)程存在水資源匱乏、生產(chǎn)率下降等問(wèn)題。數(shù)據(jù)顯示，截至2020年我國(guó)苜蓿的種植面積增至54.7萬(wàn)公頃，產(chǎn)量已達(dá)400萬(wàn)噸[27]，但依然供不應(yīng)求，結(jié)合2022年2月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的關(guān)于擴(kuò)大苜蓿等優(yōu)質(zhì)牧草種植的意見(jiàn)，我國(guó)應(yīng)為提高苜蓿產(chǎn)量尤其是旱地苜蓿產(chǎn)量做出解決方案，因此，提高紫花苜蓿的抗旱性并選育栽培抗旱品種至關(guān)重要。

虧缺灌溉是解決旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一[13]，通過(guò)減少灌溉用水刺激植物產(chǎn)生相應(yīng)的抗旱機(jī)制，進(jìn)而提高植物的水分利用效率[28，29]。目前，關(guān)于紫花苜蓿的抗旱性研究主要集中在產(chǎn)量和固氮等方面，對(duì)于苜蓿光合生理參數(shù)和水分利用效率等方面很少關(guān)注。植物內(nèi)部的生理代謝活動(dòng)的測(cè)定可以用來(lái)確定植物的抗旱性[30]。因此，本研究采用具有良好品質(zhì)和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益的8種紫花苜蓿為試驗(yàn)材料，通過(guò)測(cè)定不同干旱脅迫處理下、不同品種紫花苜蓿的胞間CO2濃度（Ci）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）等指標(biāo)，篩選出水分利用效率較高的品種，以期為紫花苜蓿高產(chǎn)高效栽培提供計(jì)劃及理論指導(dǎo)并為提升旱地紫花苜蓿產(chǎn)量提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料由農(nóng)科院北京畜牧種子公司提供，共計(jì)8個(gè)紫花苜蓿品種（見(jiàn)表1）。選取籽粒飽滿、大小一致的種子播種，每盆待苗齊后間苗保留苜蓿10株。

表1 試驗(yàn)材料及來(lái)源

1.2 試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)在保定清苑海明公司溫室進(jìn)行。干旱脅迫梯度設(shè)置為對(duì)照（CK）、輕度（LS）、中度（MS）和重度（SS）4個(gè)水平，4 個(gè)水平的土壤含水量分別為田間持水量的75.0%～80.0%、60.0%～65.0%、45.0%～50.0%和30.0%～35.0%，每處理4次重復(fù)，每個(gè)品種16盆，共128盆。各處理的田間持水量采用稱重法控制[31]，每隔2天進(jìn)行水分補(bǔ)充，使其維持在設(shè)定的水平梯度。實(shí)驗(yàn)前期各處理均保持在75.0%～80.0%的田間持水量，當(dāng)苗長(zhǎng)到三葉一心時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行干旱脅迫處理。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

1.3.1 光合指標(biāo)當(dāng)紫花苜蓿正處于第1 茬的旺盛生長(zhǎng)期時(shí)，選擇花盆中完全伸展、無(wú)病蟲害且保持完整的三葉一心時(shí)，選擇晴天09:00～11:30的時(shí)間段，用ECA-PB0402光合測(cè)定儀測(cè)定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci），并記錄數(shù)據(jù)。每處理測(cè)定4株，每葉片測(cè)定3次，取平均值。

1.3.2 水分利用效率

紫花苜蓿水分利用效率（WUE）計(jì)算公式：

WUE=Pn/Tr

式中：WUE為水分利用率；Pn為凈光合速率；Tr為蒸騰速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel整理測(cè)定所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用SPSS 26.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并用LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱處理對(duì)紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響

不同程度的干旱脅迫對(duì)各紫花苜蓿品種的胞間CO2濃度產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）（見(jiàn)圖1）。從各紫花苜蓿品種胞間CO2濃度的變化幅度上看，在輕度干旱水平下，WL的胞間CO2濃度下降最為顯著（P＜0.05，下同），較對(duì)照相比降低34.93%；德寶次之，較對(duì)照顯著降低26.94%；三得利和先行者兩者下降百分比差距不大，分別較對(duì)照顯著下降19.39%和19.11%。在中度干旱水平下，德寶、WL的胞間CO2濃度較對(duì)照分別顯著下降45.01%和43.82%；中苜1 號(hào)、三得利次之，分別較對(duì)照顯著下降33.96%和32.92%；在重度干旱水平下，德寶的胞間CO2濃度較對(duì)照下降53.10%，差異性最為顯著；WL、中苜1號(hào)和三得利次之，分別較對(duì)照顯著46.82、44.23%和42.23%。在不同干旱水平下，賽迪的胞間CO2濃度始終顯著高于其他紫花苜蓿品種，且隨干旱脅迫程度的加強(qiáng)，僅在重度干旱脅迫處理下較對(duì)照顯著降低6.50%；驚喜與阿爾岡金在受到中度以上的干旱脅迫時(shí)，其胞間CO2濃度無(wú)顯著差別（P＞0.05），且僅次于賽迪。

圖1 干旱脅迫對(duì)不同紫花苜蓿品種胞間CO2濃度的影響（μmol CO2／m2·s）

2.2 不同干旱處理對(duì)紫花苜蓿凈光合速率的影響

凈光合速率測(cè)定結(jié)果（圖2）表明，不同程度的干旱脅迫對(duì)各紫花苜蓿品種的凈光合速率產(chǎn)生顯著影響，即干旱脅迫顯著降低了各品種的凈光合速率（P＜0.05）。從各紫花苜蓿品種凈光合速率的變化幅度上看，在輕度干旱條件下，德寶的凈光合速率下降趨勢(shì)最顯著（P＜0.05，下同），較對(duì)照降低41.62%；其次是先行者、WL 和賽迪，分別較對(duì)照降低23.23%、22.98%和19.78%，其中賽迪凈光合速率較對(duì)照變化不顯著（P＞0.05）；反之，阿爾岡金的凈光合速率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，較對(duì)照增加4.67%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，先行者、德寶、三得利和WL的凈光合速率較對(duì)照下降的趨勢(shì)較大，分別為67.91%、55.72%、54.20%和53.47%，均達(dá)到顯著水平。在重度干旱水平下，先行者、三得利和德寶的凈光合速率變化仍較大，較對(duì)照分別降低67.10%、62.87%和62.39%。隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加，阿爾岡金的凈光合速率變化最小，僅在重度干旱脅迫水平下較對(duì)照顯著降低21.14%，此外，在各品種中阿爾岡金、中苜1號(hào)和賽迪均表現(xiàn)出較高的凈光合速率。

圖2 干旱脅迫對(duì)不同紫花苜蓿品種凈光合速率的影響（μmol CO2／m2·s）

2.3 不同干旱處理對(duì)紫花苜蓿蒸騰速率的影響

干旱脅迫對(duì)各紫花苜蓿品種蒸騰速率的影響與胞間CO2濃度、光合速率的影響整體趨勢(shì)一致，都隨著干旱脅迫的加強(qiáng)而顯著降低（P＜0.05）（見(jiàn)圖3）。從各紫花苜蓿品種蒸騰速率的變化幅度上看，在輕度干旱水平下，先行者的蒸騰速率較對(duì)照組變化最大為60.18%（P＜0.05，下同）；其次是WL、德寶和驚喜，分別較對(duì)照顯著下降50.42%、39.58%和37.98%；而變化程度較小的是阿爾岡金，與對(duì)照組相比，僅降低7.59%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，德寶與先行者分別較對(duì)照顯著降低102.25%和100.46%；WL 和驚喜次之，分別顯著降低88.62%和81.87%；其他品種紫花苜蓿的蒸騰速率與對(duì)照相比均下降了50%以上。在重度干旱水平下，各品種紫花苜蓿的蒸騰速率整體降低了80%以上，其中先行者、德寶和WL較對(duì)照顯著降低179.33%、177.06%和173.31%。在不同干旱脅迫處理下，與其他紫花苜蓿品種相比，阿爾岡金的蒸騰速率變化幅度最小，在中度干旱脅迫水平以上，分別較對(duì)照顯著降低52.84%和84.30%，且阿爾岡金和賽迪的蒸騰速率在整組中始終保持較高的水平。

圖3 干旱脅迫對(duì)不同紫花苜蓿品種蒸騰速率的影響（μmol H2O／m2·s）

2.4 不同干旱處理對(duì)苜蓿水分利用效率的影響

不同干旱脅迫處理對(duì)各紫花苜蓿品種的水分利用效率呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)（P＜0.05）（表2）。從各紫花苜蓿品種水分利用效率的變化幅度上看，輕度干旱水平下，先行者、WL 的水分利用效率增長(zhǎng)超過(guò)50%，分別高于對(duì)照60.18%和50.42%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05，下同）；德寶、驚喜次之，分別較對(duì)照顯著增長(zhǎng)42.56%和38.02%；阿爾岡金的水分利用效率較對(duì)照增長(zhǎng)幅度較小為7.64%。中度干旱水平下，先行者、德寶均較對(duì)照顯著增長(zhǎng)100%以上，WL和驚喜分別較對(duì)照顯著增長(zhǎng)88.12%和81.79%；在此處理下中苜1 號(hào)的水分利用效率的增長(zhǎng)幅度最小為52.54，但同樣達(dá)到顯著水平。在重度干旱水平下，先行者、德寶、WL 和驚喜的水分利用效率的變化排名依舊靠前，分別較對(duì)照顯著增長(zhǎng)178.75%、177.49%、173.01%和141.70%；阿爾岡金變化幅度最小為83.65%。中苜1 號(hào)、阿爾岡金、三得利在三種不同程度的干旱脅迫下，均表現(xiàn)出較高的水分利用效率。

表2 干旱脅迫對(duì)不同紫花苜蓿品種水分利用效率的影響（μmol CO2／m2·s）

3 討論

干旱是限制紫花苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率的主要因素之一，尤其是干旱、半干旱地區(qū)，受水資源的影響更甚，如何通過(guò)節(jié)水灌溉維持紫花苜蓿的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益成為當(dāng)前待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。本研究以8個(gè)國(guó)內(nèi)外不同品種的紫花苜蓿為試驗(yàn)材料，在不同干旱脅迫處理下，通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)，對(duì)其胞間CO2濃度、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率差異進(jìn)行分析，可以得出在不同干旱脅迫處理下各紫花苜蓿品種之間的生理參數(shù)存在明顯差異。

胞間CO2濃度是植物進(jìn)行光合作用的重要原料，其濃度在一定程度上決定著植物的光合作用能否順利進(jìn)行。CO2濃度對(duì)凈光合速率的影響較大[32]，一般認(rèn)為當(dāng)CO2濃度下降時(shí)，凈光合速率隨之下降。本研究表明，在不同干旱脅迫處理下，各紫花苜蓿品種的胞間CO2濃度和凈光合速率均呈逐漸下降趨勢(shì)，這可能與葉片的氣孔導(dǎo)度有關(guān)，當(dāng)干旱水平增強(qiáng)時(shí)，葉片的氣孔導(dǎo)度降低，從外界吸收的CO2量減少，導(dǎo)致紫花苜蓿的凈光合速率降低。陳斐等[33]和張玉順等[34]在春、冬小麥短期干旱脅迫處理的研究也得出此結(jié)論。

蒸騰速率是反應(yīng)植物水分代謝強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，瞬時(shí)的水分利用效率可以用植物葉片的凈光合速率與蒸騰速率之比來(lái)表示，當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，主要通過(guò)降低蒸騰速率來(lái)提高植物的水分利用效率[35]。本研究表明隨著干旱脅迫處理的增強(qiáng)，各紫花苜蓿品種的蒸騰速率也隨之下降，且較胞間CO2濃度和凈光合速率的下降幅度大。正是由于干旱脅迫對(duì)蒸騰速率的影響大于對(duì)凈光合速率的影響，所以致使水分利用效率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，各紫花苜蓿品種間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。Fairbourn[36]、Grimes[37]、McElgunn 和Heinrichs[38]的研究表明，不同品種紫花苜蓿的水分利用效率差異不顯著，這可能與這些品種的資源親緣關(guān)系較近有關(guān)。但本研究結(jié)果與陳托兄等[39]、萬(wàn)素梅等[40]、鄭紅梅等[41]和陳曦等[42]的研究結(jié)果一致。

在不同干旱脅迫處理下，各紫花苜蓿品種中，胞間CO2濃度始終保持較高水平的是賽迪、驚喜和阿爾岡金；凈光合速率較大的是阿爾岡金、中苜1號(hào)和賽迪；阿爾岡金和賽迪的蒸騰速率始終高于其他品種；而水分利用效率較高的是中苜1號(hào)、阿爾岡金和三得利。因此綜合上述指標(biāo)，可以認(rèn)為阿爾岡金是8種紫花苜蓿品種抗旱性最強(qiáng)的品種。

4 結(jié)論

隨著干旱脅迫程度的加深，各紫花苜蓿品種的葉片胞間CO2濃度（Ci）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢(shì)，水分利用效率（WUE）則呈上升趨勢(shì)；綜合光合生理指標(biāo)和水分利用效率指標(biāo)，8個(gè)紫花苜蓿品種中抗旱性最強(qiáng)的是阿爾岡金，從節(jié)水抗旱方面考慮，該品種適宜在干旱地區(qū)推廣種植，以充分利用旱地有限的降水資源并保持或提高產(chǎn)量。