玉米葉片水分利用效率的保守性

周懷林,周廣勝

1 南京信息工程大學應用氣象學院,南京 2100442 中國氣象科學研究院,北京 1000813 南京信息工程大學氣象災害預警協同創新中心,南京 2100444 中國氣象局固城農業氣象野外科學試驗基地,保定 072656

植物的碳同化和水分蒸騰過程通過氣孔而緊密耦合[1],一般用水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE 即單位水分消耗量所同化的碳量)量化這一耦合關系的強弱[2-3]。水分利用效率是植物個體或生態系統水分利用過程的重要特征參數,可表征不同時空尺度的植物碳-水耦合關系,對植物響應氣候變化和氣候適應性研究具有重要意義[4- 7]。在葉片尺度上,水分利用效率通常定義為凈光合速率與蒸騰速率的比值(Pn/Tr)[8],以表示植物葉片對內、外環境變化的綜合響應。由于葉片的水分利用涉及CO2和水分的吸收、轉化、運輸和利用等一系列生物-物理-化學過程,導致水分利用效率受到眾多因素的影響。目前,影響水分利用效率的因素可劃分為環境因素和生物因素兩類,環境因素可以分為大氣環境因素和土壤因素,其中大氣環境因素涵蓋了CO2濃度、太陽輻射、溫度等因素,土壤因素包涵了土壤水分、土壤機械組成、土壤理化性質和土壤微生物等因素；而生物因素主要包括物種類別、光合途徑、生育期、葉齡、氣孔結構特征等[9- 11]。對影響水分利用效率的環境因素研究發現,CO2濃度升高會導致Pn增強,Tr降低,水分利用效率顯著提高[8,12- 14]；風速對水分利用效率的影響類似于CO2濃度[15],而溫度則相反[16]；適度的土壤水分虧缺能提高水分利用效率[17],但土壤水分的有效閾值范圍仍不清楚。水分利用效率的生物影響因素研究表明,C4植物的水分利用效率要普遍高于C3植物[18]；水分利用效率隨著生長進程的推進而升高[19]；物種間水分利用效率對氣候的適應也存在很大差異[20-21]；比葉面積被認為與水分利用效率存在一定的相關性,但隨物種及其所處環境而異[22]。值得注意的是,環境因素和生物因素對水分利用效率并不是單獨起作用的,它們之間往往存在明顯的交互作用。例如,土壤水分降低會刺激新氣孔的產生,使得葉片上的氣孔密度增加,但氣孔的體積和孔徑縮小,導致氣孔導度降低,并且Tr的下降幅度大于Pn,從而造成水分利用效率升高；同時,水分利用效率的升高反過來會減少根對土壤水分的吸收,進而減緩土壤水分脅迫[9,23- 25]。

已有研究對于理解植物葉片水分利用規律及其特性具有非常重要的意義,這些研究通常是測定植株頂部第1片或者其他完全展開葉來分析植株水分利用特征,目前關于植物不同葉位葉片的水分利用效率及其相互關系仍鮮見報道。本研究試圖以玉米作為研究對象,利用2013—2014年玉米不同灌溉方案模擬試驗資料,分析玉米頂部第1片完全展開葉水分利用效率在生育期內的變化規律及其與主要生理生態因素的關系,并探討不同葉位葉片的水分利用效率及其相互關系。為此,本研究提出兩個基本假設：(1) 水分利用效率在不同葉位之間存在相對穩定性特征；(2) 不同葉位之間的水分利用效率相對穩定性由Pn和Tr的協調變化決定。

1 材料與方法

1.1 試驗站點概況

試驗于2013—2014年玉米生長季(6月下旬—10月上旬),在中國氣象局固城農業氣象野外科學試驗基地(115°40′E,39°08′N)的大型可控式水分試驗場開展。該站位于華北平原北部高產農業區,氣候類型屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為13.6℃,降水量494.0 mm(70%以上集中在夏季)。該站海拔15.2 m,地勢平坦,土層深厚,土壤類型以砂壤土為主。土壤有機碳含量約為13.67 g/kg,全氮0.87 g/kg,有效磷25.76 mg/kg,有效鉀118.55 mg/kg,pH值8.19[26]。0—50 cm土壤平均田間持水量為23.4%,凋萎系數7.10%,土壤容重1.23 g/cm3。試驗場配有電動可移動式遮雨棚,發生降雨時啟用,以隔絕自然降水。試驗場內每個試驗小區面積為8 m2(4 m×2 m),小區之間有3 m深的混凝土隔離墻以防止小區間水分的水平交換。

1.2 試驗設計與田間管理

2013—2014年試驗玉米品種、播種時間、水分處理的開始時間和水分處理梯度設計等如表1所示。2013年水分處理開始前,各小區適當灌溉,土壤濕度始終保持在適宜水平(約70%田間持水量)。2014年水分控制之前,為了保證出苗率,土壤濕度維持在50%左右的田間持水量。兩年試驗均采取一次性灌水后不再進行灌溉的水分控制方案,并在全生育期內利用大型電動遮雨棚遮擋自然降水,水分處理梯度依據近30年7月下旬平均降水量(80 mm,2013年)和7月平均降水量(150 mm,2014年)進行設置。試驗還設置了一個自然降水對照處理,試驗開始后在全生育期內不用遮雨棚遮擋自然降水(表1),且所有處理均設有3個重復。兩年試驗的施肥量(磷酸二銨)均為240 g/小區。2013年試驗小區的玉米行距和行距分別設置為50,30 cm,種植密度為52株/小區,收獲時間為10月8號；由于試驗取樣較為頻繁,2014年將株距調整為25 cm,行距保持不變,種植密度為64株/小區,收獲時間為10月9號。

表1 試驗設計基本信息表

T:2013年水分處理,Water Treatment in 2013; W:2014年水分處理,Water Treatment in 2014

1.3 觀測項目與方法

1.3.1土壤相對含水量

試驗處理開始后,于每個試驗小區內選取1個取樣點(兩行玉米之間),利用1 m土鉆分層取樣(10 cm/層),取樣深度為50 cm,即0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm共5層土壤樣品。采用烘干稱重法測定每層土壤重量含水量W。

W=(m2-m3)/(m3-m1)

式中,W土壤重量含水量(g/g)；m1為土壤鋁盒重(g)；m2為土壤鋁盒和濕土的總重量(g)；m3為土壤鋁盒和干土的總重量(g)。

SRWC=(W/FWC)×100%

式中,SRWC為相對土壤濕度；FWC為田間持水量(g/g)。

1.3.2光合速率和氣體交換參數

利用Li- 6400便攜式光合系統分析儀(Li-COR Inc.,Lincoln,USA)進行葉片氣體交換參數測定。每個水分處理選取3株長勢一致、健康的玉米植株進行葉片光合作用的測定：在開花期之前選取第1、3片完全展開葉(從植株頂部數起),開花期之后則選取頂端第1片完全展開片(變態葉除外)、穗位葉和下部老葉(約為第9—10片葉),測定部位為葉片的中上部,且避開中央葉脈。空氣流速設為500 μmol/s,CO2濃度、光合有效輻射和溫度與外界大氣環境一致,觀測時段為晴朗天氣的9:00—12:00。觀測間隔為10—14d,2013進行了5次觀測,依次為DAS 33(七葉末期)、DAS 42(拔節期)、DAS 52(拔節-抽雄期)、DAS 59(開花期)、DAS 85(乳熟期)；2014年進行了7次觀測,分別為DAS 25(七葉—拔節期)、DAS 37(拔節期)、DAS 44(拔節末期)、DAS 56(吐絲期)、DAS 72(灌漿期)、DAS 84(乳熟-成熟期)、DAS 95(成熟期)。記錄的參數包括凈光合速率Pn(μmol m-2s-1)、Gs(mol m-2s-1)、蒸騰速率Tr(mmol m-2s-1)等。水分利用效率(WUE)由Pn和Tr計算而來,即WUE=Pn/Tr。

1.3.3葉片生物量與葉面積

葉片生物量采用烘干法測定,即將葉片從植株上剪下后迅速進行鮮重稱量,然后裝入牛皮紙袋中,置于105℃烘箱中殺青1小時,再將烘箱溫度調至80℃繼續烘干至恒重,最后稱量葉片干重。葉面積測量采用面積法測定[27],用直尺量取葉片的長度L(cm)和葉片最寬處的寬度W(cm),然后利用經驗公式計算單葉面積：S=0.75×L×W。比葉面積(Specific Leaf Area,SLA)由葉片面積與其干重的比值計算而來。

1.4 數據處理

本研究的數據整理通過Excel 2016完成,統計分析和繪圖采用R軟件(R 3.4.2,R Core Team,2018)。第1片完全展開葉的生理生態特征與水分利用效率的相關性分析采用常用的Pearson顯著性檢驗方法(psych包)。在玉米開花期之前,對第1片和第3片完全展開葉的兩個葉位層次進行比較；而玉米開花期之后則對第1片完全展開葉、穗位葉和下部老葉的3個葉位層次進行比較分析。所以,不同葉位的水分利用效率差異分析分為開花期前和開花期后兩個階段,水分處理、觀測時間和葉位對水分利用效率的影響采用三因素(three-way ANOVA)方差分析(car包),并用最小顯著法(Duncan′s)進行多重比較。

2 結果分析

2.1 第1片完全展開葉光合生理生態特征對土壤水分的響應2.1.1 氣體交換參數和水分利用效率

在2013年試驗中,T1處理的土壤水分在玉米全生育期內維持在較高水平(0—50 cm平均相對濕度80%±7.8%),而T2—T6處理在試驗處理后持續降低。如圖1所示,T1處理的凈光合速率(Pn)在DAS 42(拔節期)達到最大值37.21 μmol m-2s-1,此后則隨著生育期而降低,至DAS 85(乳熟期)為19.10 μmol m-2s-1,下降了48.67%；而T2—T6處理則在DAS 33(七葉末期)開始逐漸降低,并且呈現出土壤水分脅迫越強下降幅度越大的規律。T1—T4水分處理的蒸騰速率(Tr)整體隨著水分處理的延續不斷降低,T5—T6則存在明顯波動。氣孔導度(Gs)的變化趨勢與Pn相似,不同的是各處理之間的差異愈加明顯。葉片水分利用效率的整體變化趨勢在DAS 33至DAS 85期間(七葉末期-乳熟期),表現為先升高后降低再升高,水分較好的處理T1—T3的變化幅度要明顯小于水分狀況相對較差的T4—T6處理,并且其值也低。

圖1 第1片完全展開葉的氣體交換參數和水分利用效率的變化趨勢Fig.1 The gas exchange parameters and water use efficiency (WUE) for the first fully opened leaf and their changes with timeDAS:播種后天數,Days after sowing; T1—T6為2013試驗的6個水分處理,W1—W6為2014試驗的6個水分處理; 圖中數值平均值±標準誤

在2014年試驗中,W1為自然降水處理,其Pn在生育期早期有所上升,并在DAS 44(拔節末期)達到最大值,然后隨著生育期而降低,其變化趨勢與2013年T1處理類似,并且在成熟期達到最小值。W2—W6處理在進入拔節期后急速下降,之后維持在較低水平,并且水分處理高的處理要明顯高于水分低的處理(圖1)。Tr的變化趨勢與Pn相似。不同水分處理的Gs在生育期內則表現出逐漸降低的趨勢,所不同的是W1在DAS 72(灌漿期)有一個明顯反彈,而W2—W6處理則是先急速下降然后平緩波動。水分利用效率的變化大致呈現出“U”型分布,在生育期早期,低水分處理的水分利用效率大于高水分處理,而在DAS 37(拔節期) 結束后則相反,直到DAS 84(乳熟—成熟期),最后在DAS 95(成熟期)再次發生反轉(圖1)。

2.1.2生理生態性狀

2013年各處理的葉片含水量(Leaf water content,LWC)隨著生育期發展而逐漸降低(圖2),處理之間的差異在生育期初期和末期差異較大,而在生育期中期相對較小。葉面積(Leaf area,LA)和葉片干物質含量(Leaf dry mass,LDM)的變化趨勢相一致,皆在拔節期末期-抽雄初期達到最大值,T1—T6之間的差異比較明顯,總體表現為灌水量高的處理大于灌水量低的處理。比葉面積(Specific leaf area,SLA)由葉面積和葉片干物質含量共同決定,表現出持續下降的趨勢。2014年試驗表明,W1—W3處理的葉片水分含量變化趨勢與2013年類似,但是W4—W6處理則是先減少后增加再減少,在DAS 84(乳熟-成熟期)出現一個明顯的反彈峰值。葉面積和葉片干物質含量的變化趨勢十分相似,呈現出明顯的單峰分布特征,并在拔節末期達到最大值。比葉面積呈現出緩慢上升的趨勢,且灌水量越多比葉面積越小。

圖2 第1片完全展開葉的生理生態特征變化趨勢Fig.2 Physiological and ecological characteristics changes of the first fully opened leaf

2.1.3氣體交換參數與功能性狀的關系

由表2中可知,2013年玉米植株的第1片完全展開葉的水分利用效率與光合參數(Pn、Tr、Gs)和功能性狀參數(比葉面積、葉片水分含量)存在顯著的負相關(P<0.05),同時Pn與其他光合參數和功能性狀參數都具有顯著正相關關系。Tr與Pn、Gs極顯著正相關,其次是比葉面積和葉片水分含量。葉面積主要與葉片干物質含量相關性最強,其次是葉片水分含量和比葉面積,光合參數中只與Pn的相關性達到顯著水平。比葉面積除了與水分利用效率和葉片干物質含量顯著負相關外,與Tr、Gs、Pn和葉面積表現出顯著正相關關系。

2014年的試驗發現,水分利用效率與Pn顯著正相關,而與Tr、葉面積和葉片干物質含量則表現出顯著負相關關系(P<0.05)。Pn與除比葉面積以外的其他參數的相關性類似與2013年,為顯著正相關,但與比葉面積顯著負相關。Tr、Gs與其他參數的相關性與Pn大體一致。葉面積與葉片干物質含量的正相關性極強,其次是葉片含水量,而與比葉面積呈現出顯著負相關關系。葉片干物質含量與比葉面積的負相關性要強于葉面積,而比葉面積與葉片含水量的正相關性很弱。

表2 第1片完全展開葉生理生態特征與水分利用效率(WUE)的相關分析

WUE:水分利用效率,Water use efficiency;Pn:凈光合速率,Net photosynthetic rate;Tr:蒸騰速率,Transpiration rate;Gs:氣孔導度,Stomatal conductance; LA:葉面積,Leaf area; LDM:葉干重,Leaf dry mass; SLA:比葉面積,Specific leaf area; LWC:葉片含水率,Leaf water content.* 表示P<0.05,** 表示P<0.001; ***表示P<0.0001

2.2 不同葉位葉片水分利用效率對土壤水分的響應

2013年試驗發現,在DAS 59(開花期)之前T1—T6處理的第1片葉和第3片葉的水分利用效率在同一時期相同處理內沒有顯著差異,且第1片葉的水分利用效率總體要高于第3片葉,而水分處理之間僅在DAS 42(拔節期)觀測期間表現出顯著差異(P<0.05)。隨著水分梯度的減少,水分利用效率表現出增加趨勢。在進入DAS 59(開花期)后,相同水分處理不同葉位葉片之間的水分利用效率也無明顯差異,同時T1—T6處理的水分利用效率大小無明顯差別(圖3)。

如圖3所示,在2014年試驗中除DAS 44(拔節末期)之外,其余時期的水分利用效率皆表現出明顯的水分處理差異,但是同時期相同水分處理的不同葉位水分利用效率仍無明顯差異。在DAS 72(灌漿期)之前,較高水分處理W1—W3的表現出相對較低的水分利用效率,而較低水分處理W4—W6則相反。在DAS 44(拔節末期)開始,較高水分處理的水分利用效率卻表現出與前期不一樣的規律,展示出較高的水分利用效率,直到DAS 84(乳熟—成熟期)。在DAS 95(成熟期),高水分處理表現出低水分利用效率,而低水分處理表現出高水分利用效率。從玉米整個生育期來看,葉片水分利用效率在不同生育期存在波動,生育期后期的水分利用效率總體上要高于生育前期。

三因素方差分析表明水分處理對于葉片水分利用效率具有顯著影響。2013年水分處理對水分利用效率的影響主要在開花期之前,在開花期以后各水分處理間的水分利用效率無明顯差異；而2014年水分處理對整個生育期的水分利用效率將達到或已達到顯著水平(P<0.05)(表3)。葉位對水分利用效率的影響僅在2013年開花期之前達到顯著水平,說明相同外界環境條件下,玉米植株不同葉位之間的水分利用效率不受其所在的植株部位影響。觀測日期(即不同生育期)對水分利用效率的影響在試驗期間表現出明顯的差異。對水分處理、葉位和生育期三大因素之間的交互作用分析發現,僅水分處理和觀測日期的交互作用達到顯著水平。

2.3 不同葉位葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的相對變化特征

在2013年的試驗中,DAS 59(抽雄—開花期)之前,第1片完全展開葉的光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)都要高于第3片完全展開葉,并在DAS 42(拔節期)和DAS 52(拔節—抽雄期)達到顯著水平(P<0.05),相對變化率為-37.72% — -9.62%(表4)。在DAS 59之后,玉米已進入生殖生長階段,穗位葉的Pn和Tr則大于第1片完全展開葉,但未達到顯著水平,而植株下部老葉的光合速率和蒸騰速率顯著小于第1片完全展開葉(P<0.05)。試驗結果表明,在不同葉位葉片光合速率和蒸騰速率呈現出協同變化的特征,同一時期不同葉位的水分利用效率具有保守性。

如表5所示,在2014年的試驗中,在DAS 56(抽雄—開花期)之前,第1片完全展開葉的Pn和Tr基本上高于第3片完全展開葉,相對變化率的變化方向一致、變化幅度在-25.51% — -9.44%之間。在DAS 56(抽雄—開花期)之后,穗位葉的Pn和Tr起初大于第1片完全展開葉,隨后則一直小于第1片完全展開葉,而植株下部老葉的Pn和Tr則一直顯著小于第1片完全展開葉(P<0.05)。葉片水分利用效率在同一時期相對第1片葉的相對變化率在-20.27%—6.77%之間,未達到顯著水平,表明水分利用效率具有葉位和葉齡的保守特性。

表3 葉片水分利用效率(WUE)的三因素方差分析

W:水分處理,Water treatment; LP:葉位,Leaf positions; 表中數值表示方差顯著性檢驗的概率(P值)

表4 不同葉位光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的相對變化(2013年)

DAS:播種后天數,Days after sowing; 表中數值為平均值±標準誤; 不同小寫字母代表差異性顯著(P< 0.05); Relative change rate,相對變化率,表示其他葉位的光合速率(或蒸騰速率,水分利用效率)相對第1片完全展開葉的變化百分率

3 討論

葉片是植物重要的光合器官,也是對環境變化響應非常敏感的器官。植物葉片水分利用效率的動態變化按時間長短可劃分為日、季節和年變化。一般來講,植物葉片水分利用效率在上午時段要明顯高于下午時段。研究發現,在水分脅迫條件下玉米葉片水分利用效率日變化均呈現出上午和下午高、中午低的趨勢[28],并出現典型的“午休”現象[29]。利用穩定碳同位素對木本植物水分利用效率的季節和年變化研究表明,生長初期一般高于生長后期[30]。對草本植物(玉米)的研究也發現,隨著同一葉片葉齡的增加,葉片水分利用效率逐漸降低[31]。然而,相同葉位的葉片水分利用效率在生育期內的變化趨勢鮮見報道,特別是在土壤水分持續減少的過程中。本研究表明,植株頂部第1片葉片水分利用效率在拔節期和乳熟期具有兩個峰值,存在明顯的周期變化規律(圖1)。拔節期和乳熟期分別是植株形態生長和籽粒形成的關鍵時期,此時較高水分利用效率體現了植株旺盛的生長需求,是植物水分利用策略的重要體現。

表5 不同葉位光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的相對變化(2014年)

葉片在垂直方向上的分布意味著植物體上不同位置的葉片也存在葉齡差異,即葉片的葉齡從植株頂部到底端依次增加。在葉片完整的生命史中,光合速率和蒸騰速率首先會隨葉齡增加而上升,達到最大值后或保持一段時間,然后再下降,而其最大值通常出現在葉面積達到最大之前[32]。有研究發現,在無脅迫條件下棉花植株的葉片光合速率或蒸騰速率在植株不同位置上幾乎一致[33],即不同位置葉片的水分利用效率沒有明顯差異。本研究也表明,同一時期在相同的外界條件下,不同葉位葉片的水分利用效率不存在顯著差異,即玉米葉片水分利用效率具有時間上的空間穩定性和葉齡保守性,并且光合速率和蒸騰速率的協同變化是造成這一現象的主要原因。利用穩定同位素法分析白羊草(C4植物)在不同干旱脅迫下的水分利用效率發現,新、老葉片的Δ13C無顯著差異,即間接性地表明新葉和老葉的水分利用效率也無明顯差異[34],這與本研究結果相一致。

近年來,大量研究表明適度的土壤水分虧缺能在一定程度上提高植物水分利用效率[5,35- 36],而且重度水分虧缺反而會導致植物水分利用效率的下降,本研究結果基本與之相符,但是土壤水分的供水能力和植物水分利用效率的定量關系仍不清楚,需要進一步深入研究。水分利用效率的研究層次大致可以劃分為4個：葉片、植株、群落和生態系統,其調控因素也因研究尺度而異。目前存在的問題是不同尺度的水分利用研究存在明顯的不一致性,在不同尺度或區域之間的可比較性差[37- 38]。利用碳-氧同位素對高原草地的水分利用效率分析發現,葉片水分利用效率是生態系統水分利用效率的2—3倍[39]。針葉林和闊葉林的水分利用效率在葉片尺度上存在差異,而在生態系統水平上并沒有差異[40]。本研究發現不同葉位葉片的水分利用效率在干旱過程中具有時間上的空間穩定性,這為水分利用效率的尺度化研究提供了新的思路。

4 結論

利用2013—2014年連續兩年玉米不同灌溉方案模擬實驗資料,對不同葉位葉片的水分利用效率變化特征及其影響因素進行了探討,得出的主要結論為：

(1)玉米第1片完全展開葉的水分利用效率在生育期內的拔節期和灌漿期具有兩個明顯的峰值,總體上生育期后期的水分利用效率要高于生育期前期。

(2)葉片水分利用效率與葉片生理生態特征密切相關。

(3)玉米不同葉位葉片的水分利用效率具有時間上的空間穩定性以及年齡保守性,其原因是光合速率和蒸騰速率在不同葉位之間協調變化引起的。

致謝：中國科學院植物研究所許振柱、張峰和宋健老師對試驗過程給予幫助,麻雪艷、石耀輝、王秋玲、王敏政、馮曉鈺、王帆在試驗觀測、數據采集和整理過程中給予幫助，特此致謝。