土壤水分時間變異性對糜子拔節期水分利用效率的影響

張 鑫，劉迪川，龍懷玉，徐孟澤，徐愛國，張認連

（中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室，北京 100081）

0 引 言

【研究意義】農業水資源短缺已經成為一個全球性的問題[1]。在世界上大部分地區，降水已經無法滿足農業生產的需求，需要通過灌溉來補充。合理的灌溉可以改善土壤水分條件，提高作物對水分的利用效率，促進作物生長發育和產量形成。因此，土壤水分-作物關系理論的更新可能是發展高效節水灌溉技術的關鍵[2]。【研究進展】長久以來，學者們對土壤水分-作物關系的探索多集中于水分脅迫下的作物響應，并據此提出了作物響應水分脅迫的根冠通訊機制以及抵抗水分脅迫的缺水補償效應理論[3-4]。以此為理論基礎，調虧灌溉、分根區交替灌溉[5]等節水灌溉技術得以發展并應用于實踐生產。然而，自21 世紀以來，關于負壓灌溉（NPI）的研究[6]指出：當土壤含水率變化平穩時，作物似乎存在另一種機制以提升自身對土壤水分的利用效率[6]。前人[7-8]將這種土壤水分隨時間的變化命名為“土壤水分時間變異”，通過對比NPI 下弱時間變異的“穩定性土壤水分”與傳統灌溉技術下強時間變異的“波動性土壤水分”發現，穩定性土壤水分可以通過降低作物受水分脅迫的程度以促進其生長發育，提升產量和水分利用效率[7-8]。糜子（Panicum miliaceumL.）屬禾本科黍屬，是我國傳統的糧食作物之一，具有豐富的食用價值和藥用價值，由于其具有生育期短、耐旱耐貧瘠等優點，近年來糜子已經作為一種耐旱的模式作物被大量研究[9]。馮曉敏[10]研究了不同黍品種的生理生態特征，發現同一生育期，不同品質黍稷的脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）量隨著水分脅迫程度的加劇而增加；水分脅迫程度使黍稷超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性呈上升趨勢，且脅迫程度與上升幅度成正比。Zhang 等[11]分析了不同黍子基因型對干旱的響應，指出植物激素在黍子類禾本科作物響應干旱脅迫時起正向調節作用，其中ABA 信號在干旱響應中起主導作用。【切入點】近年來，土壤水分時間變異對作物的影響受到了不少關注，但前人僅探討了耗水量大的作物（玉米、油麥菜）對土壤水分時間變異的響應，未見針對耐旱型作物的研究，其對土壤水分時間變異的響應也尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究以糜子為試驗對象，在其水分敏感的拔節期，在2 個土壤含水率水平上，通過NPI、人工澆灌分別形成穩定性土壤水分和波動性土壤水分，對比分析糜子的農藝性狀、光合特性、氣孔特征、生物量分配和生理指標，以探討糜子對土壤水分時間變異的響應，以期為土壤水分-作物關系理論發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗土壤取自河北廊坊的中國農業科學院廊坊國際高新技術產業園耕作層表土，去除雜質，風干后過篩。砂壤土（砂粒量78.69%、粉粒量13.53%、黏粒量7.78%），土壤體積質量為1.43 g/cm3，田間體積持水率（FC）為28.0%，pH 值為8.25，有機質質量分數為11.24 g/kg，速效磷質量分數為22.12 mg/kg，速效鉀質量分數為116.82 mg/kg，速效氮質量分數為58.43 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽方法，于2021 年12 月—2022 年2月在中國農業科學院遮雨網室進行。共設置4 個處理，分別為：穩定性高含水率（SW1）處理、穩定性低含水率（SW2）處理、波動性高含水率（FW1）處理、波動性低含水率（FW2）處理，每個處理3 個重復。其中穩定性土壤水分通過負壓灌溉實現，該裝置由控壓閥（重液式負壓閥）、儲水桶（內徑26.2 cm）、灌水器（陶土管，長26 cm，外徑19 mm，內徑7.3 mm）3 個部分組成，通過硅膠管連接，灌水器斜向下插入盆中土壤，通過土壤吸水產生負壓，維持土壤水分穩定[6]。波動性土壤水分通過人工澆灌實現，設置一定的土壤水分上下限（FW1 處理70%FC（下限）～100%FC（上限），FW2 處理61%FC（下限）～96%FC（上限）），當達到設置的土壤水分下限時，澆水至土壤水分上限，使得土壤含水率的均值與負壓灌溉所設土壤含水率相同。

試驗采用長42 cm、寬26 cm、高25 cm 的塑料盆，每盆裝入風干土26 kg，并均勻混入尿素8.35 g、過磷酸鈣4.57 g 和硫酸鉀2.56 g。裝好盆后，灌水到75%FC，于墑情合適時播種。供試品種為“綠寶糯黍子”，每盆播6 穴，每穴播飽滿一致的種子5 粒，播種深度為4 cm。播種后保持正常供水，苗期結束后，啟動負壓裝置，開始控水至拔節期結束。

1.3 測試指標及方法

1.3.1 土壤含水率

控水開始后，每隔2 d 使用AZS-100 TDR 土壤水分儀（北京澳作生態儀器有限公司）測定土壤含水率，每盆測定3 次，取其平均值。

1.3.2 灌水量

人工澆灌處理每次灌水后記錄灌水量，負壓灌溉處理每天16:00 用直尺趕走氣泡，記錄儲水桶側邊硅膠管水位下降高度，計算水位差，乘以桶底面積，即為灌水量。

1.3.3 壤水分變化過程評價參數

土壤含水率隨時間變化的變異系數（Cv）計算式為[12]：

式中：s為土壤含水率的標準差；θ為土壤含水率的平均值。Cv≤0.1 時為弱變異，0.1＜Cv＜1 時為中等變異，Cv≥1 時為強變異。

1.3.4 主要農藝性狀指標的測定

控水開始2 周后，各處理表現出差異之后每隔1 周進行1 次農藝性狀的監測，包括株高、莖粗和最大葉面積。

1.3.5 光合指標的測定

控水開始后，每2 周測1 次。選擇晴朗的天氣，于09:30—12:00 采用LI-6 400 便攜式光合儀在1 000 μmol/（m2·s）光強下測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）。

1.3.6 地上部生物量

收獲時，各株按根、莖、葉分開后，于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，即為干物質量。對地上部和地下部稱質量后計算根冠比。

1.3.7 單株耗水量

糜子單株耗水量的計算式[7]為：

式中：ETk為第k時間段單株糜子的耗水量（L）；Mk為第k時間段的灌水量（L）；ΔW為土壤儲水量變化量（L）；n為盆中的植株數；θmk為第k時間段土壤的質量含水率（%）；θmk-1為k-1 時間段土壤的質量含水率（%）；ms為盆缽中土體質量（kg）；ρw為水的密度（1 g/cm3）。

1.3.8 水分利用效率

水分利用效率（WUEB，g/kg）=單株糜子干物質量/單株耗水量。

1.3.9 葉片氣孔特征

收樣時，每盆隨機選取3 株糜子，在其第3 片完全展開葉10～15 cm 處取樣，在中脈到葉緣1/3 處取3 mm2大小的葉片，用PBS 輕輕漂洗葉片表面，迅速放入電鏡固定液，室溫固定2 h 后轉移到4 ℃保存。固定好的樣品經0.1 mol/L 磷酸緩沖液PB（pH 值為7.4）漂洗3 次，每次漂洗15 min。漂洗后分別用體積分數為30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%酒精進行脫水處理每次脫水15 min，之后放入乙酸異戊酯溶液靜置15 min。最后放入臨界點干燥儀（K850）進行干燥。干燥后樣本緊貼于導電碳膜雙面膠上放入離子濺射儀（MC1 090）樣品臺進行噴金30 s 左右。然后用SU8 100 掃描電鏡拍照，每個處理觀察3 個樣品，每張掃描5 個視野。之后采用Image J 軟件計算葉片氣孔長度、氣孔寬度和氣孔密度。

1.3.10 生理指標的測定

糜子丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及過氧化氫酶（CAT）活性分別采用硫代巴比妥酸法、酸性茚三酮法、核黃素法、愈創木酚比色法、鉬酸銨比法測定[13]。脫落酸（ABA）參照（SN/T4 591—2016）采用液相色譜-質譜法進行測定。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進行數據處理和繪圖，SPSS 21.0 進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 糜子土壤水分變化狀況

控水期間各處理累計灌水量和土壤體積含水率隨時間的動態變化如圖1 所示。控水期間，SW1、SW2、FW1、FW2 處理的累計灌水量依次為17.34、14.02、16.45、12.89 L，平均土壤體積含水率分別為25.61%、22.60%、24.94%和22.12%。SW1、SW2、FW1、FW2處理土壤含水率的變異系數分別為0.019、0.02、0.114、0.117，其中，SW1 處理和SW2 處理屬于弱時間變異的穩定性土壤水分，歸類為穩定性土壤水分SW 處理，FW1 處理和FW2 處理屬于中等時間變異，歸類為波動性土壤水分FW 處理。

圖1 糜子土壤體積含水率和累計灌水量的動態變化Fig.1 Dynamic changes in soil volumetric water content and cumulative irrigation of broomcorn millet

2.2 糜子農藝性狀變化

圖2 為糜子株高、莖粗和葉面積的動態變化。由圖2 可知，隨著控水時間的增加，各處理糜子株高、莖粗和葉面積均呈增長趨勢，且控水13 d 以后，SW1處理與FW1 處理、SW2 處理與FW2 處理的糜子株高、莖粗和葉面積已有顯著差異，均表現為SW1 處理＞FW1 處理，SW2 處理＞FW2 處理。控水60 d 后，SW1 處理的株高、莖粗和葉面積分別較FW1 處理高33.00%、13.04%和127.36%，SW2 處理的株高、莖粗和葉面積分別較FW2 處理高51.94%、144.70%和13.91%。說明穩定性土壤水分更有利于糜子拔節期生長發育。SW 處理和FW 處理糜子株高、莖粗和葉面積均隨土壤含水率的升高而增加，表現為SW1 處理＞SW2 處理，FW1 處理＞FW2 處理；控水60 d 以后，SW1 處理株高、莖粗和葉面積分別較SW2 處理高12.80%、4.46%和25.51%，而FW1 處理株高、莖粗和葉面積比FW2 處理分別高28.87%、5.26%和35.08%。

圖2 糜子株高、莖粗和葉面積的動態變化Fig.2 Dynamic changes in plant height, stem diameter and leaf area of broomcorn millet

2.3 糜子生物量分配和水分利用效率

表1 為糜子各處理生物量分配及水分利用效率。由表1 可知，不同處理糜子鮮質量和水分利用效率的變化趨勢相同，均表現為SW1 處理＞SW2 處理＞FW1 處理＞FW2 處理，單株耗水量變化表現為SW1處理＞FW1 處理＞SW2 處理＞FW2 處理，根冠比表現為FW2處理＞SW2處理＞FW1處理＞SW1處理。SW1 處理的單株耗水量、鮮質量和水分利用效率均顯著高于FW1 處理，根冠比小于FW1 處理，但差異并不顯著；與FW1 處理相比，SW1 處理單株耗水量、鮮質量和水分利用效率分別提高了29.21%、222.45%和200.00%，根冠比下降了25%。SW2 處理的單株耗水量、鮮質量和水分利用效率均顯著高于FW2 處理，與FW2 處理相比，SW2 處理單株耗水量、鮮質量和水分利用效率分別提高了6.67%、352.54%和260.00%，根冠比則顯著降低了50%。SW1 處理的單株耗水量、鮮質量和水分利用效率分別比SW2 處理顯著提高59.72%、195.88%和150.00%，根冠比則降低了40.00%；FW1 處理的單株耗水量、鮮質量和水分利用效率分別比FW2 處理提高了31.85%、315.25%和20.00%，根冠比則降低了60.00%，且FW1 處理單株耗水量、鮮質量、根冠比和水分利用效率均與FW2 處理之間差異顯著。綜上可知，同一土壤含水率水平下，穩定性土壤水分能顯著提升糜子拔節期生物量的積累和水分利用效率，同時降低其根冠比；相同土壤水分變化過程下，較高的土壤含水率更有利于糜子拔節期生物量的積累和水分利用效率的提高。

表1 不同處理糜子生物量分配和水分利用效率Table 1 Biomass distribution and water utilization of broomcorn millet under different treatments

2.4 糜子光合特性和氣孔特征

不同處理糜子凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率變化一致，均表現為SW1 處理＞SW2 處理＞FW1 處理＞FW2 處理（圖3）。控水期間，SW1 處理糜子凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著高于FW1 處理，SW2 處理糜子凈光合速率顯著高于FW2 處理；控水13 d 和控水46 d 后，SW2 處理糜子氣孔導度顯著高于FW2 處理，控水13、32、46 d 后，SW2 處理糜子蒸騰速率顯著高于FW2 處理。控水32 d 后和控水60 d 后，SW2 處理氣孔導度高于FW2 處理，但二者差異并不顯著；控水60 d 后，SW2 處理蒸騰速率高于FW2 處理，但差異不顯著。控水60 d 后，SW1處理的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率較FW1 處理分別高131.61%、90.27%和138.19%；SW2 處理的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率較FW2 處理分別高128.74%、25.00%和30.76%，表明穩定性土壤水分條件更有利于糜子拔節期光合作用。

圖3 糜子葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的動態變化Fig.3 Dynamic changes of net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of broomcorn millet

不同處理糜子葉片氣孔特征如表2 所示。控水期間，糜子葉片氣孔長度和氣孔寬度變化一致，均表現為SW1 處理＞FW1 處理，SW2 處理＞FW2 處理（p＜0.05）。FW1 處理葉片氣孔長度和氣孔寬度分別比SW1 處理減少了6.71%和15.57%；FW2 處理葉片氣孔長度和氣孔寬度分別比SW2 處理減少了19.52%和20.76%。糜子葉片氣孔密度表現為SW1 處理＜FW1 處理，SW2 處理＜FW2 處理，SW1 處理葉片氣孔密度比FW1 處理減少了20.32%；SW2 處理比FW2處理減少了16.13%。土壤水分變化過程一致時，糜子葉片氣孔長度和氣孔寬度均隨土壤含水率的降低而減小，表現為SW1 處理＞SW2 處理，FW1 處理＞FW2 處理（p＜0.05）。糜子葉片氣孔密度與其氣孔長度和氣孔寬度變化則相反，表現為SW1 處理＜SW2處理（p＞0.05），FW1 處理＜FW2 處理（p＞0.05）。綜上可知，同一土壤含水率水平下，穩定土壤水分變化過程能顯著增加糜子拔節期葉片氣孔長度和氣孔寬度并降低其氣孔密度，土壤水分變化過程相同時，土壤含水率的高低對糜子葉片氣孔長度和氣孔寬度的影響更明顯。

表2 不同處理糜子葉片氣孔特征Table 2 Stomatal characteristics of broomcorn millet leaves under different treatments

2.5 糜子不同部位生理指標變化

表3 為各處理糜子生理性狀。由表3 可知，各處理糜子葉片中Pro、ABA 量變化相似，均表現為SW1處理＞FW1 處理，SW2 處理＞FW2 處理，其中SW1處理ABA 量顯著高于FW1 處理，比FW1 處理高43.65%。根中Pro、ABA 量則相反，表現為SW1 處理＜FW1 處理，SW2 處理＜FW2 處理，其中FW1處理根中Pro 量顯著高于SW1 處理，比SW1 處理高35.24%。糜子葉片和根中MDA 量無顯著差異。各處理糜子葉片和根中CAT、SOD 酶活性無顯著差異，POD 酶活性略有不同，根中POD 酶活性無顯著差異，葉片中POD 酶活性僅在SW1 處理與FW1 處理間差異顯著，表現為SW1 處理＞FW1 處理。

3 討 論

3.1 土壤水分時間變異性對糜子生長發育和水分利用效率的影響

本研究中SW 處理糜子株高、莖粗、葉面積均顯著高于FW 處理，根冠比則顯著低于FW 處理，這說明穩定性土壤水分促進糜子生長發育的同時抑制了根系的生長。這與王轉等[7]的研究結果一致。穩定性土壤水分條件下，作物根系生長受到抑制，減少了根系生長中光合產物的消耗，從而使地上部獲得更多的養分和光合產物；但穩定性土壤水分雖然抑制了作物根系的生長，但并沒有削弱根系的吸收能力，因為穩定性土壤水分增強了根系活力[14]。同時穩定性土壤水分能夠提高土養分的有效性，如李迪等[15]研究表明，負壓灌溉增加了土壤堿解氮量、有效磷量和速效鉀量，這些變化促進了作物對養分和水分的吸收，最終表現為穩定性土壤水分條件下糜子生長狀況更好。

同一土壤含水率水平下，穩定性土壤水分顯著提高了糜子拔節期的水分利用效率，這可能是因為穩定性土壤水分避免了土壤水分出現過度濕潤和過度干燥的情況，減少了不必要的蒸發，更有利于作物對水分的獲取和吸收[16]。本研究發現，糜子雖為耐旱作物，但其對土壤水分時間變異的響應模式與耗水量大的作物[8]類似，均表現出了在穩定性土壤水分條件下更好的生長狀況和更高的水分利用效率。據此推測降低土壤水分時間變異性、提高土壤水分穩定性更有利于作物生長發育和水分利用效率的提升。

3.2 土壤水分時間變異性對糜子光合特性的影響

本研究表明，穩定性土壤水分更有利于糜子拔節期光合作用。本研究中，SW1 處理和SW2 處理土壤含水率在控水期間分別維持在89%FC和79%FC左右。而FW1 處理和FW2 處理在澆水前，土壤含水率會有一段時間處于灌溉下限70%FC和60%FC左右。FW1處理的灌溉下限70%FC仍熱滿足充足供水的條件，FW2 處理的灌溉下限60%FC已經接近生產中的缺水臨界指標，可視為輕度脅迫[17]。可以看到人工澆灌處理的FW2 處理中當土壤含水率達到下限值，此時糜子會受到短暫的輕度脅迫。周海燕[18]研究發現，拔節期輕度、重度脅迫都不會顯著影響糜子的光合作用，且土壤水分脅迫不會對拔節期糜子體內水勢造成太大影響。而植物葉片水勢只有下降到一定的數值時葉片氣孔才會關閉，光合作用降低[19]。這些都說明本研究中SW 處理與FW 處理糜子葉片各光合指標之間的差異并非來自水分脅迫，而是土壤水分時間變異。

本研究中同一土壤含水率水平下，穩定性土壤水分顯著增加了糜子拔節期氣孔長度和氣孔寬度，降低了氣孔密度（表2）。值得注意的是，SW2 處理與FW2處理氣孔長度差異顯著，SW1 處理與FW1 處理差異并不顯著，這說明提高土壤含水率一定程度上可以削弱土壤水分波動對糜子葉片氣孔長度造成的影響。氣孔密度是由氣孔數和葉片面積共同決定的。SW 處理氣孔密度顯著低于FW 處理，可能是因為穩定性土壤水分條件下，糜子葉片面積增大，降低了單位面積氣孔數。本研究中光合速率采用LI-6400 便捷式光合儀檢測，它實際反應的是CO2的吸收量[20]，由于作物的氣孔導度是由氣孔大小和氣孔密度共同決定的[21]，因此推測穩定性土壤水分條件下，糜子通過調節葉片氣孔大小和氣孔密度增加葉片氣孔導度，從而吸收更多的CO2，最終表現為更高的凈光合速率。

3.3 土壤水分時間變異性對糜子生理生化的影響

不同水分處理下，糜子葉片和根中MDA 量、SOD活性和CAT 量無明顯差異，Pro 量和POD 活性僅在SW1 處理和FW1 處理間差異顯著（表3）。作物在受到水分脅迫時，最先受到傷害的是細胞膜，膜系統的過氧化作用會導致細胞的衰老，MDA 量的變化說明了細胞膜脂質過氧化的強弱[22]。SOD、POD 活性和CAT 量的變化反映了作物對活性氧、自由基的清除能力[10]。因此，這些指標一定程度上可以反映作物遭受水分脅迫的程度，本研究中上述指標在各處理間均無明顯差異，這說明在整個控水期間，各處理糜子受到的水分脅迫的程度較小。事實上，本研究中僅FW2處理在控水期間遭遇了數次短暫的輕度脅迫，其余各處理土壤含水率均未達到脅迫水平。馮曉敏等[17]研究表明，只有在中度脅迫和重度脅迫下，各糜子品種滲透調節物質和保護性酶活性才會顯著提高。這也正是本研究中MDA 量、SOD 活性和CAT 量在不同土壤水分變化過程下無明顯差異的主要原因。

對比不同處理糜子不同部位ABA 量發現，SW1處理糜子葉片ABA 量顯著高于FW1 處理，這與劉迪川等[8]研究發現負壓灌溉下油麥菜葉片ABA 量顯著低于人工澆灌的研究結果不同。ABA 作為脅迫激素，在植物應對缺水脅迫中的生理作用已被充分證明，但Yoshida 等[23]指出ABA 的功能不僅體現在脅迫條件下，在水分充足條件下ABA 對植物的代謝和生長發育發揮著重要的作用：在非水分脅迫條件下，ABA通過適當調節氣孔孔徑、刺激組織導水性和促進木質部發育來維持植物生長。本研究中，SW1 處理與FW1處理土壤水分處理均未達到脅迫水平，僅有土壤水分變化過程的不同。在穩定性土壤水分條件下，糜子表現出了較高的氣孔導度和較小的氣孔密度，據此推測：穩定性土壤水分條件下糜子葉片ABA 量更高，并非水分脅迫的體現，而是土壤水分變異激發了ABA 發揮調節氣孔等作用，進而促進其光合作用，最終作用于產量。

4 結 論

1）糜子對穩定性土壤水分和波動性土壤水分的響應不同，與耗水量大的作物類似，穩定性土壤水分條件顯著促進了糜子拔節期生長發育，提高了糜子拔節期光合效率和水分利用效率。

2）穩定性土壤水分對糜子拔節期生長發育的促進作用可能并非通過抑制土壤水分脅迫實現，而是通過促進ABA 在葉片積累，調節葉片氣孔大小和氣孔密度，提高葉片氣孔導度，進而促進糜子光合作用和生長發育。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）