滴灌水分虧缺對柑橘前期光合特性的影響

陳 飛，李鴻平，崔寧博

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點試驗室，水利水電學院，四川 成都 610065)

柑橘味道鮮美，富含糖類、有機酸、維生素等多種營養物質[1]。我國柑橘種植面積和產量居世界首位，根據聯合國糧農組織(FAO)公布的最新數據，2018年中國柑橘種植面積274.965萬hm2，年產量達4 190.546萬t。川南地區作為我國重要的柑橘栽培區，柑橘產業發展較快[2]，然而，近年來頻發的季節性干旱和工程性缺水明顯降低了柑橘產量[3]，因此尋找合適的柑橘灌溉模式尤為重要。

調虧灌溉(regulated deficit irrigation，RDI)是一種在非充分灌溉(non-full irrigation)或限水灌溉(limited irrigation)基礎上延伸的節水灌溉技術[4]，通過改變作物營養生長及其葉水勢[5]，同時破壞光合膜的結構，阻止各種色素的合成[6]，最終影響光合作用。近年來，許多作者研究了水分虧缺對蘋果[7]、葡萄[8]、枇杷[9]等果樹光合作用的影響。研究發現，水分脅迫明顯抑制作物光合作用[10]，且作物會根據脅迫程度的不同產生適應機制以應對外界因素對作物生理性狀的影響[11]。致使光合作用降低的因子分為氣孔限制和非氣孔限制[12]。Farquhar等[13]指出，由于氣孔導度的限制，在水分脅迫條件下胞間CO2濃度(Ci， mmol·mol-1)不能滿足光合作用的需求被稱為光合作用的氣孔限制；另一方面，由于葉綠體和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶(rubisco)活性的降低限制了1, 5-二磷酸核酮糖的再生能力，從而引起作物光合作用能力降低被稱為光合作用的非氣孔限制。有研究表明，在輕度和中度水分脅迫條件下,氣孔限制因子對光合作用影響較大，而在重度水分脅迫條件下非氣孔限制因子對光合作用的影響占主導地位[14]。柑橘、蘋果、杏等果樹水分脅迫下非氣孔因素導致光合下降也有相關研究[15]。

但是，Furlan[16]研究發現，適宜的水分虧缺不會對作物造成負面影響，甚至在復水后對作物產生積極作用，這是作物在長期適應干旱環境中形成的機制[17]，即復水補償效應。也有研究表明，干旱脅迫促使PS II的活性和光合電子需求不平衡，導致作物體內活性氧自由基大量積累[18]，引發細胞質膜產生膜脂過氧化作用，而復水可以維持較高的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶、過氧化氫酶等酶活性，有效清除活性氧，減緩膜傷害與膜脂過氧化作用，最終產生不同程度的補償效應[19]。其中，氣孔阻力及光合活性的恢復是補償生長的物質基礎[20]。Pérez-Pérez等[21]認為柑橘與梨樹虧水處理后恢復充分灌溉，光合速率、蒸騰速率和氣孔開度可超過對照水平，產生超補償效應；劉吉利等[22]認為花生苗期適度干旱后復水，葉片氣孔導度、凈光合速率、蒸騰速率均能顯著增加，產生一定的補償效應；梁鵬等[23]和郝樹榮[24]等研究表明干旱脅迫后復水會出現補償效應，尤其是重度水分脅迫。上述意味著作物復水后恢復的程度可能取決于水分虧缺的強度及其生育期[25]。

因此，本研究擬分析水分虧缺及復水對柑橘生育前期光合特性的影響，為科學制定柑橘灌溉制度提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2018年4月—2019年1月在四川省成都市蒲江縣長林農場(30.32°N，103.43°E，海拔544 m)避雨棚內進行，試驗地土壤類型為黃壤土，土壤平均密度1.45 g·cm-3，田間持水量為26.13%(重量含水率)。試驗區位于成都平原腹地，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫16.3℃，平均相對濕度87.84%，年平均風速1.67 m·s-1，年平均降水量1 196.2 mm。

1.2 試驗設計

試驗柑橘品種為9 a生‘不知火’，砧木為紅橘(CitrusreticulateBlanco)，株高為2.8～3.0 m，株行距為2.5 m×3.0 m，主要生育期為每年4月初～次年1月底，根據其主要生育特征將其劃分為抽梢開花期(I期，4月上旬～4月下旬)、幼果期(II期，5月上旬～6月下旬)、果實膨大期(III期，7月上旬～10月下旬)和果實成熟期(IV期，11月上旬～次年1月下旬)4個生育期。試驗分別在I期和II期設置輕度虧水(LD)、中度虧水(MD1)、偏重度虧水(MD2)和重度虧水處理(SD)，單次灌水量分別為對照(CK)的85%、70%、55%和40%，設置不虧水為對照處理(CK)。根據調查，適宜‘不知火’生長的土壤含水率為田間持水量(θf)的60%～80%，故將土壤含水率下限定為60%θf，當CK的土壤含水率接近下限時，各處理同時灌水，計劃濕潤層為60 cm，設計濕潤比為0.5，根據柑橘各生育期的耗水規律和2017—2018年初的試驗結果確定了不同生育期CK的單次灌水量，各生育期單次灌水量見表1，各生育期灌水次數見表2。試驗采用滴灌水肥一體化系統，整個系統的工作水頭為12 m左右，每2棵樹為1個處理小區，每個處理重復3次，共計27個處理小區，每個處理有2條圍繞果樹環形布置的滴灌管，每根滴灌管上環繞果樹根區的部分等距離內嵌10個滴頭(即每棵樹10個滴頭)，滴灌采用以色列Dripnet PC壓力補償式滴灌管，滴頭為迷宮式壓力補償滴頭，設計工作水頭為3 m，流量為1.6 L·h-1。在每個小區的支管進口(支管末端連接著滴灌管)設置精量水表和閥門用于控制灌水量。試驗各小區間用埋深1m的硬塑料薄膜相隔，防止處理間側向水分運移的影響，以3.6 m高透光薄膜電動防雨棚作為避雨設施，試驗區地下水埋深12 m，地下水對試驗無影響，其他田間管理措施均相同。

表1 滴灌柑橘抽梢開花期和幼果期水分虧缺處理單次灌水量/(m3·hm-2)

表2 滴灌柑橘不同水分虧缺處理各生育期灌水次數

1.3 測定指標和方法

采用全自動便攜式光合儀(LCPro-SD，英國ADC)分別測定蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2摩爾濃度(Ci)以及凈光合速率(Pn)。每個生育期灌水前后3 d內各選光照條件良好的一天，每個處理選擇同一位置東南西北方各4片葉測量，每片葉片測3次，取平均值；將同一處理的各項觀測指標取平均值，以瞬時葉片凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)之比作為葉片瞬時水分利用效率(WUEi)。

試驗數據均以Excel軟件處理，以SPSS 19.0軟件統計分析，采用單因素方差法(analysis of variance，ANOVA)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 抽梢開花期不同水分虧缺處理對葉片光合特性的影響

圖1(a)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后Pn日變化。如圖1(a)所示，虧水狀態下葉片凈光合速率(Pn)呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現在11∶00和15∶00，出現了明顯的“午休”現象。9∶00—11∶00期間各處理Pn迅速上升至峰值，此時CK的峰值最大，為3.77 μmol·m-2·s-1，這是由于經過夜間后胞間CO2濃度逐漸增高和光照逐漸增強的結果；11∶00后各處理Pn下降，13∶00降至低谷，這是由于光照強度過大，植物為了減少水分散失而關閉部分氣孔致使胞間CO2量減少從而影響了Pn;隨后Pn在15∶00達到了第二個峰值，CK為最大值。復水后Pn日變化也得到了相似的規律，但不同的是復水后各處理“午休”現象明顯減弱或并未出現，基本呈單峰變化，峰值出現在11∶00，I-LD處理為峰值最大值。表3為I期各處理光合指標日均值，表3表明，隨著虧水程度的加劇Pn變小，與CK相比下降了4.5%～28.4%，其中I-LD處理與CK無顯著性差異(P>0.05)；復水后不同虧水處理Pn具有明顯的提高，其中I-LD處理與虧水狀態相比提高了85.1%，與CK相比提高了6.4%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(b)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后Tr日變化。如圖1(b)所示，虧水狀態下不同處理蒸騰速率(Tr)呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現在11∶00和15∶00；復水后不同處理Tr“午休”現象明顯減弱或消失，基本呈單峰變化，并且“午休”時間由13∶00推遲到15∶00。復水前后CK處理各峰值均為各處理峰值最大值。表3表明，隨著虧水程度的加劇Tr變小，與CK相比下降了10.0%～30.6%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理Tr具有明顯的提高，與虧水狀態時相比提高了83.1%～92.0%，與CK相比降低了8.7%～32.2%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(c)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后Gs日變化。如圖1(c)所示，不同處理葉片氣孔導度(Gs)在Ⅰ期復水前后均呈單峰型變化，峰值出現在11∶00，CK峰值明顯高于其他處理，為0.06 mmol·m-2·s-1。表3表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇Gs下降，與CK相比下降了20.0%～40.0%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理Gs具有明顯的提高，與CK相比降低了12.0%～38.0%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(d)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后Ci日變化。如圖1(d)所示，不同處理胞間CO2濃度(Ci)在Ⅰ期復水前后均呈“U”形變化，不同的是同一時刻復水后Ci均較高且處理間相差較小，最低值均出現在13∶00。表3表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇，Ci先降低后升高，與CK相比下降了2.1%～7.1%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理條件下Ci變化較小，與虧水狀態相比提高了1.1%～6.6%，與CK相比降低了1.2%～3.9%，其中僅I-MD1處理與CK差異顯著(P<0.05)。

圖1(e)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后WUEi日變化。如圖1(e)所示，除I-SD外，虧水狀態下其他處理均呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現在11∶00和15∶00，WUEi兩個峰值的出現均是Pn的上升幅度大于Tr導致，且I-MD1的峰值最大。復水后，與虧水狀態時相比，11∶00的峰值明顯減弱或消失，這是復水后Tr明顯提高的結果，并且15∶00峰值的出現是由于Pn的下降幅度小于Tr導致。表3表明，隨著虧水程度的加劇WUEi先升高后降低，且不同虧水處理均高于CK，其中I-MD1處理取得了最大值，與CK相比升高了14%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同處理間WUEi變化與虧水時相似，不同的是與虧水狀態時相比，復水后各處理WUEi均有所降低，降低了2.6%～11.3%，且各處理間相差較小。

表3 抽梢開花期不同水分虧缺處理復水前后柑橘葉片光合指標日均值

2.2 幼果期不同水分虧缺處理對葉片光合特性的影響

圖2(a)為滴灌柑橘幼果期不同處理復水前后Pn日變化。如圖2(a)所示，復水前后不同虧水處理葉片凈光合速率(Pn)呈單峰變化，峰值均出現在11∶00，CK和II-LD處理分別為峰值最大值。表4為II期各處理光合指標日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇Pn變小，與CK相比Pn下降了6.2%～42.9%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理Pn具有明顯的提高，其中II-LD的Pn為不同處理間最大值，與虧水狀態相比提高了24.8%，與CK相比提高了5.8%。

圖2(b)為滴灌柑橘幼果期不同處理復水前后Tr日變化。如圖2(b)所示，復水前后不同虧水處理蒸騰速率(Tr)呈單峰型變化，峰值均出現在13∶00，其中8∶00—11∶00變化緩慢，這是由于光照強度較弱，對Tr的影響較小，并且11∶00和15∶00的Tr突然加速上升和下降也均是由于光照強度突然改變的結果。表4為II期不同處理光合指標日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇Tr變小，與CK相比下降了18.0%～42.4%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理Tr具有明顯的提高，與虧水狀態時相比提高了58.5%～69.9%，與CK相比仍降低了8.3%～30.9%，差異顯著(P<0.05)。

圖2(c)為滴灌柑橘幼果期不同處理復水前后Gs日變化。如圖2(c)所示，不同處理復水前后葉片氣孔導度(Gs)呈單峰型變化，峰值均出現在11∶00，CK取得了峰值最大值，為0.16 mmol·m-2·s-1。Gs在虧水狀態下11∶00—15∶00具有明顯的降低，但是復水后的Gs由于在13∶00維持了較高值，使得整體下降相對緩慢。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇，Gs變小，與CK相比下降了16.7%～43.8%，差異性顯著(P<0.05)；復水后不同虧水處理Gs具有明顯的提高，與虧水狀態相比提高了44.4%～49.2%，與CK相比降低了7.9%～38.6%，除II-LD外，其他處理均與CK差異顯著(P<0.05)。

圖2(d)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復水前后Ci日變化。如圖2(d)所示，不同處理胞間CO2濃度(Ci)復水前后均呈“U”形變化，最低值出現在15∶00。與虧水狀態相比，復水后9∶00—15∶00Ci下降較為緩慢。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇Ci先降低后升高，與CK相比下降了-1.8%～2.4%，差異較小；復水后不同虧水處理間Ci變化較小，與虧水狀態相比提高了4.9%～9.3%，與CK相比降低了0.6%～3.5%，其中II-MD1處理與CK差異顯著(P<0.05)。

圖2(e)為滴灌柑橘幼果期不同處理復水前后WUEi日變化。如圖2(e)所示，虧水狀態下不同虧水處理均呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現在11∶00和15∶00，其中11∶00峰值的出現是隨著光強逐漸上升，Pn變大而Tr變化較小的結果；復水后不同處理WUEi在11∶00的峰值明顯減弱，15∶00峰值明顯減弱或消失，這是由于復水后Tr明顯提高的結果。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇WUEi先升高后降低，且不同虧水處理均高于CK，其中II-LD處理取得了最大值，與CK相比升高了14.4%，差異顯著(P<0.05)；復水后不同處理間WUEi差異較小，與虧水時相比復水后各處理WUEi均有所降低，降低了15.1%～21.2%。

3 討 論

本研究發現，柑橘抽梢開花期(I期)和幼果期(II期)在不同水分虧缺處理下葉片光合特性發生了顯著變化(P<0.05)。光合作用是作物最基本的生命活動，其強弱是影響作物生長的主要因素[26]，干旱脅迫下凈光合速率和氣孔導度的變化是作物對干旱脅迫適應能力的直接體現[27]。王鋒堂等[28]對干旱脅迫下熱帶櫻花的研究結果也表明植物通過改變氣孔形態和密度來適應干旱脅迫。本研究發現，I期凈光合速率(Pn)日變化出現了明顯的雙峰變化，即“午休”現象，但是II期呈單峰變化，這可能是不同生育期對光強和水分虧缺敏感性不同導致的。本研究發現，I期和II期隨著虧水程度的加劇Pn、Tr、Gs日均值均呈下降趨勢。這是由于水分虧缺導致葉綠體偶聯因子的結構受到傷害，使得與光合磷酸化的底物ADP的親和力下降，ATP合成受阻，抑制光合碳循環的運轉[29]。本研究發現，I期和II期不同虧水處理均有利于提高葉片WUEi，與CK相比，I-MD1和II-LD處理對WUEi的影響最明顯，分別提高了14.0%和14.4%，種培芳[30]等也得到了相似的結論。這是由于高水平的WUEi是缺水條件下植株健壯生長的關鍵，水分脅迫條件下植株通過增強WUEi以維持體內正常的代謝[31]，這種長期的選擇可能導致了Pn和Tr對水分虧缺的敏感程度不同，使得Pn降幅小于Tr從而提高了WUEi。

本研究發現，I期和II期不同水分虧缺處理后復水，柑橘葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)較虧水狀態時均有明顯的提高。這和孟兆江等[32]研究結果相同：復水處理后作物會出現補償效應，有利于光合產物的分配和積累。干旱后復水的恢復能力主要是作物長期適應干旱時選擇的一種機制，其中表現為復水可以提高Rubisco羧化酶活性和數量，促進ATP和NADPA合成，提高光合作用效率[33]。本研究發現，I期和II期輕度虧水(LD)處理后復水，與CK相比Pn提高了6.4%和5.8%，其他處理均低于CK。白鵬等[18]等認為干旱脅迫促使PS II的活性和光合電子需求不平衡，導致作物體內活性氧自由基大量積累，而徐萍等[34]表明植物抗氧化保護系統的抵抗修復能力存在閾值。所以除CK外各處理的光合指標未能恢復到對照水平，這是由于對水分虧缺柑橘的影響已經不同程度地超過了柑橘的修復閾值，復水并不能完全彌補之前干旱對作物造成的損傷。

本研究發現，I期和II期虧水度由中度虧水(MD1)加劇為偏重度虧水(MD2)時，影響柑橘光合作用的主要因素均由氣孔因素轉為非氣孔因素。有研究表明，作物受到水分脅迫時最早、最敏感的響應是氣孔的關閉[35]。而判斷光合作用降低的主要因素是氣孔限制還是非氣孔限制時，主要是根據胞間CO2濃度限制了光合作用還是其他因素[13]。本研究中柑橘I期和II期進行CK、LD、MD1處理及復水后，胞間CO2濃度與氣孔導度變化趨勢一致，表明此時葉片光合速率下降是主要由葉片氣孔部分關閉導致的；進行MD2、SD處理及復水后，胞間CO2濃度與氣孔導度變化趨勢相反，呈上升趨勢，說明此時葉片光合速率主要受非氣孔限制因素影響，這是由于重度水分虧缺會造成Rubisco活化酶(rubiscoactivase，RCA)活性的喪失影響了光合作用中催化光合碳循環及光呼吸的核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶[36]。Zhang等[37]對胡瓜的研究也表明虧水條件下Rubisco活化酶的活性和數量能夠制約光合作用強度。

4 結 論

1)抽梢開花期虧水處理對柑橘葉片光合特性的影響顯著(P<0.05)。隨虧水度的加劇，Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，與CK相比分別下降了4.5%～28.4%、10.0%～30.6%、20.0%～40.0%，差異顯著(P<0.05)；不同虧水處理WUEi呈先上升后下降的趨勢，且均高于CK，其中I-MD1取得了最大值，與CK相比上升了14%(P<0.05)。復水后各處理Pn、Gs、Tr均有明顯的提高，與虧水狀態時相比分別增加了68.2%～85.1%、83.1%～92.0%、179.2%～196.9%；輕度虧水(I-LD)后復水，Pn和WUEi均高于CK，出現了超補償效應，分別增加了6.4%和16.2%(P<0.05)。

2)幼果期虧水處理對柑橘葉片光合特性的影響顯著(P<0.05)。隨虧水度的加劇，Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，與CK相比分別下降了6.2%～42.9%、18.0%～42.4%、16.7%～43.8%，差異顯著(P<0.05)；不同虧水處理WUEi呈先上升后下降的趨勢，且均高于CK，其中II-LD取得了最大值，與CK相比上升了14.4%(P<0.05)。復水后各處理Pn、Gs、Tr均有明顯上升，與虧水狀態時相比分別增加了22.1%～44.0%、50.9%～69.9%、44.4%～49.2%；輕度虧水(II-LD)后復水，Pn和WUEi均高于CK，出現了超補償效應，分別增加了5.8%和16.1%(P<0.05)。

3)I期和II期由中度虧水(MD1)加劇為偏重度虧水(MD2)時，影響柑橘葉片光合作用的主要因素均由氣孔因素轉為非氣孔因素。