現(xiàn)蕾期水分脅迫對紫花苜蓿光合特性的影響

劉軍,齊廣平,*,康燕霞,馬彥麟,栗志

1.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院,蘭州 730070

2.甘肅楊柳青牧草飼料開發(fā)有限公司,金昌 737200

0 前言

紫花苜蓿是目前世界上種植最廣泛的多年生豆科牧草,因其口感好且營養(yǎng)豐富具有“牧草之王”的美稱[1],在我國農(nóng)牧區(qū)被廣泛種植[2]。隨著人們生活水平的提高,畜牧業(yè)的迅速發(fā)展,對其產(chǎn)量的需求量越來越大[3]。為了提高其產(chǎn)量,人們通常采用灌溉的方式為作物生長提供水分。水分狀況不僅是植物生長的基礎,而且是影響光合作用最重要的因素[4]。就光合特性研究者對其進行了深入的研究[5-6],高景慧[7]對分枝期3 個紫花苜蓿品種光合蒸騰日變化與相關因子進行了相關分析;趙金梅等[8]探討了水分脅迫對分枝期紫花苜蓿光合性能的影響;劉玉華等[9-10]在旱作條件下研究了初花期紫花苜蓿光合作用日變化和光合蒸騰日變化與環(huán)境因子的關系。截至目前,對紫花苜蓿在現(xiàn)蕾期水分調(diào)虧下光合特性的研究未見報道。因此,本研究選擇在現(xiàn)蕾期進行水分脅迫,對紫花苜蓿的光合生理變化進行研究,以揭示紫花苜蓿生育期內(nèi)對水分需求的敏感度,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生育期水分調(diào)控提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年8月在甘肅省金昌市永昌縣水源鎮(zhèn)楊柳青飼料試驗站進行(102°30′E,38°12′N)。該試驗區(qū)屬于半干旱區(qū)溫帶大陸性氣候,海拔為1487 m,年平均降雨量235 mm,年平均氣溫7.7°C,全年無霜期150 d,年平均日照2884.2 h,日照率65%。年蒸發(fā)量2000.6 mm。

1.2 試驗材料

甘農(nóng)3 號紫花苜蓿。

1.3 試驗方法

采用大田隨機區(qū)組設計,第三茬在現(xiàn)蕾期進行水分調(diào)虧。土壤的田間最大持水量為25.2%。試驗分四個水分處理,三次重復,CK 為充分灌溉,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的75%—85%;LD 為輕度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的65%—75%;MD 為中度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的55%—65%;SD 為重度水分脅迫,現(xiàn)蕾期控制土壤水分為田間持水量的45%— 55%。其中CK 為對照處理,共12 個小區(qū),每小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m)。當各小區(qū)1 m 以上土層的土壤體積含水量占田間持水量的百分比達到所在處理的設計水分下限時開始灌水,每次灌水量為 60 mm,此灌水定額可以使各處理土壤水分含量的變化穩(wěn)定在高于灌水下限 10% FC(field capacity)的范圍內(nèi)(表1)。

試驗選擇在初花期晴朗無風的天氣于 9:00- 17:00 進行測定,采用美國LI-COR 公司生產(chǎn)的Li- 6400XT 便攜式光合儀,測定時隨機選取生長良好、高度相同且光照相似的相同葉位處(即從頂部向下的第四個完全展開葉的中間小葉)的葉片。利用光源控制光合有效輻射強度(PAR,μmol·m-2·s-1),分別在PAR 為2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1下測定指標包括葉片凈光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs,mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol·mol-1)和蒸騰速率(Tr,mmol·m-2·s-1)。

葉片水分利用效率(WUE,μmol·mmol-1)和氣孔限制值(Ls)由公式WUE=Pn/Tr;Ls=1-Ci/Ca,其中Ca為空氣CO2濃度(μmol·mol-1)計算得出[11]。

繪制光合作用的光響應曲線(Pn-PAR 曲線),求得光飽和點(LSP,μmol·m-2·s-1);并對Pn-PAR 曲線的初始部分(PNA＜400 μmol·m-2·s-1＝進行線性回歸,求得光補償點(LCP,μmol·m-2·s-1)、表觀量子效率(AQY,μmol·μmol-1)和暗呼吸速率(Rd,μmol·m-2·s-1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2007 及SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)處理。

表1 地下滴灌條件下紫花苜蓿調(diào)虧灌溉試驗灌水下限 Table.1 Lower irrigation limit of each RDI treatment under SDI %

2 結果與分析

2.1 水分脅迫下紫花苜蓿的光合作用—光響應特征參數(shù)的變化

隨著土壤水分脅迫的加劇,紫花苜蓿的最大凈光合速率(Pn max)、表光量子效率(AQY)、光飽和點(LSP)均呈逐漸下降趨勢;而暗呼吸速率(Rd)、光補償點(LCP)均呈逐漸升高趨勢(表2)。AQY 各處理之間均達到顯著水平(P＜0.05),與充分灌溉(CK)相比,LD、MD 和SD 三種水分脅迫處理下AQY 分別降低了19%、26.2%和35.7%。Pn max 各處理間差異顯著(P＜0.05),與充分灌溉(CK)相比,輕度水分脅迫(LD)、中度水分脅迫(MD)和重度水分脅迫(SD)三種水分脅迫處理下Pn max 分別降低了11.6%、29.3%和44%。CK 與LD、LD 與MD、MD 與SD 之間Rd 差異不顯著,其他處理兩兩之間都達到顯著水平(P＜0.05)。LCP 除了LD 與MD 之間的差異不顯著外,其他處理之間都達到顯著水平(P＜0.05)。其中,與CK 相比,LD、MD 和SD 三種水分脅迫處理下LCP分別增加了14%、18.4%和32.2%。LSP 的CK 與LD處理之間差異不顯著,但MD 和SD 差異顯著,從1200 mol·m-2·s-1下降到了1000、800 mol·m-2·s-1(表2)。

2.2 光合作用各項指標的變化

2.2.1 水分脅迫對紫花苜蓿葉片光合速率的影響

紫花苜蓿光合速率(Pn)的光響應過程在土壤輕度水分脅迫(LD)、中度水分脅迫(MD)、重度水分脅迫(SD)處理下與充分灌溉(CK)保持一致,隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿葉片的Pn 都有較大幅度的下降。當達到光飽和點 PAR=1200 μmol·m-2·s-1時,LD、MD 和SD 處理下紫花苜蓿的Pn 分別為20.58、16.25和12.05 μmol·m-2·s-1,比CK(23.28 μmol·m-2·s-1)分別降低了11.6%、30.2%和48.2%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿葉片Pn 值在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.2 水分脅迫對紫花苜蓿葉片氣孔導度的影響

充分灌溉條件下,紫花苜蓿的氣孔導度(Gs)隨光照有效輻射的增加呈逐漸上升的趨勢。當光照強度小于光補償點時,上升幅度較小;而當光照強度大于光補償點時,上升幅度比較大。當光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1時,LD、MD 和SD 處理下紫花苜蓿的Gs 分別為0.38、0.17 和0.06 mmol·m-2·s-1,比CK(0.48 mmol·m-2·s-1)分別降低了20.8%、64.6%和87.5%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.3 水分脅迫對紫花苜蓿葉片蒸騰速率的影響

充分灌溉條件下,紫花苜蓿蒸騰速率(Tr)在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值為9.36 mmol·m-2·s-1,隨著水分脅迫的加劇,Tr 也大幅度的下降,與CK 相比,LD(8.32 mmol·m-2·s-1)、MD(7.92 mmol·m-2·s-1)和SD(6.81 mmol·m-2·s-1)處理下紫花苜蓿的Tr 分別降低了11.1%、15.4%和27.2%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Tr 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01) (表3)。

2.2.4 水分脅迫對紫花苜蓿葉片胞間CO2濃度的影響

充分灌溉條件下,當光照強度小于光補償點時,葉片胞間CO2濃度(Ci)隨著光照強度的增加而迅速變小;當光照強度大于光飽和點時,Ci 曲線隨著光照強度的增加而逐漸變的平緩并出現(xiàn)上升趨勢。隨著水分脅迫的加劇,在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1左右時,LD 處理下的Ci 值低于CK,MD、SD 處理下的Ci 值高于CK(圖1),方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

表2 水分脅迫下紫花苜蓿的光合作用—光響應特征參數(shù) Table2 Parameters of the light response curves of photosynthesis of Medicago sativa under water stress(mean±SD)

2.2.5 水分脅迫對紫花苜蓿葉片水分利用效率的影響 在LD、MD 和SD 處理下,紫花苜蓿葉片水分利用效率(WUE)的光響應過程基本與CK 處理相同,表現(xiàn)為隨著PAR 的由強到弱,均由較快增加轉變?yōu)榫徛黾拥倪^程(圖1)。當光照強度PAR=1200 μmol·m-2·s-1時,CK 與LD 無顯著差異,與 MD、SD 差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.2.6 水分脅迫對紫花苜蓿葉片氣孔限制值的影響 充分灌溉下,紫花苜蓿的氣孔限制值(Ls)在光照有效輻射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值為0.56,隨著水分脅迫的加劇,LD(0.60)處理下的Ls 有較小幅度的上升,與CK 相比上升了7.1%,MD(0.49)、 SD(0.32)處理下的Ls 降低,與CK 相比降低了12.5%、42.9%(圖1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Ls值在不同水分脅迫下差異極顯著(P＜0.01)(表3)。

2.3 紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關性分析

紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關性分析:紫花苜蓿葉片的WUE 與Pn、Gs、Tr 呈極顯著正相關,與Ls 呈顯著正相關,與Ci 呈極顯著負相關;Pn 與Gs、Tr、Ls 呈極顯著正相關,與Ci 呈極顯著負相關,與Gs 相關系數(shù)達0.994;Gs 與Tr、Ls 呈極顯著正相關,與Ci 呈極顯著負相關;Ci 與Tr、Ls 呈極顯著負相關,與Ls 相關系數(shù)達1.000;Tr 與Ls 呈極顯著正相關(表4)。

圖1 水分脅迫下紫花苜蓿凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2 濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、氣孔限制值(Ls)對不同光合有效輻射(PAR)的響應 Figure1 The light response curves of the photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(Gs),intercellular CO2 concentration(Ci),transpiration rate(Tr),water use efficiency(WUE),stomata limiting value(Ls) to the photosynthetically active tadiation(PAR) of the leaves of Alfalfa under water stress.

表3 水分脅迫下紫花苜蓿光合生理特征(±標準差) Table3 Photosynthetic characteristics of Alfalfa subjected to different drought stress treatment(±SD)

表4 紫花苜蓿光合生理參數(shù)的相關性分析 Table4 Correlation analysis of photosynthetic physiological parameters of Alfalfa

3 討論

表觀量子效率(AQY)是植物光合作用對弱光的吸收,轉化利用的能力[12],AQY 降低表明光合作用對弱光的利用受到抑制[13]。AQY 受外部環(huán)境(光照、溫度、水分)的影響使其值降低,其值越小,表明植物對弱光的利用率越低[14-15]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿的AQY 降低,即對弱光的吸收、利用轉化率降低,這與前人對沙木蓼[16]、灰葉胡楊[17]的研究相似。光補償點和光飽和點是植物需光特性的兩個指標,水分脅迫等環(huán)境條件,往往會降低光飽和點,并提高光補償點。本研究表明,隨著水分脅迫的加劇,紫花苜蓿對光強的利用率減小,對光環(huán)境的適應能力降低。這一結果與前人對牛心樸子[18]、紅豆杉[19]、茶樹[20]的研究結果一致。

Farquhar 等認為,當Pn 和Gs 同時減小,且Ci也降低,表明光合速率的降低主要由氣孔因素限制所致,否則Pn 的下降要歸因于葉肉細胞光合能力的降低即非氣孔因素限制所致[21]。本研究表明,在輕度水分脅迫下紫花苜蓿Pn 下降的同時,Ci 降低,Ls升高,葉超微結構受水分脅迫的影響較小,表明輕度水分脅迫下氣孔因素是紫花苜蓿光合作用降低的主要因素;在中度和重度水分脅迫下,隨著紫花苜蓿Pn 的降低,LS 下降,Ci 卻呈上升趨勢,水分脅迫下紫花苜蓿的葉肉細胞光合活性被破壞,說明Pn 的下降由氣孔因素轉變?yōu)榉菤饪滓蛩?。這一結論與韓清芳、韓瑞紅等對紫花苜蓿的研究相似[22-23]。

水分利用效率是植物光合速率與蒸騰速率的比值[24]。其中有多個研究表明,適當水分脅迫可以提高紫花苜蓿的水分利用效率[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn),水分脅迫下,紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高,這與劉國利[27]等人的研究相一致。

董智[28]等人的研究結果表明,植物葉片Pn 和Tr 是影響水分利用效率的主要因素,當作物受到干旱時主要通過降低Tr 來提高WUE。本研究表明,WUE 與Pn、Tr 呈正相關,與Ci 呈負相關,表明蒸騰作用影響著植物的水分狀況,在一定程度上抑制了紫花苜蓿的光合作用,這與董智[29-30]等人的研究結果相同。

4 結論

現(xiàn)蕾期水分脅迫的加劇對紫花苜蓿的光響應參數(shù)和水分利用效率有著明顯的影響。隨著水分脅迫的加劇,暗呼吸速率、光飽和點下降,光飽和點升高,表明紫花苜蓿對弱光的吸收、利用轉化率降低;隨著水分脅迫的加劇,凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率下降,氣孔限制值升高,表明紫花苜蓿Pn 的下降由氣孔因素轉變?yōu)榉菤饪滓蛩?。嚴重水分脅迫會導致紫花苜蓿水分利用效率的下降,但適度水分脅迫對水分利用效率有一定的提高,以達到節(jié)水高產(chǎn)的目的。