现蕾期水分胁迫对紫花苜蓿光合特性的影响

刘军,齐广平,*,康燕霞,马彦麟,栗志

1.甘肃农业大学水利水电工程学院,兰州 730070

2.甘肃杨柳青牧草饲料开发有限公司,金昌 737200

0 前言

紫花苜蓿是目前世界上种植最广泛的多年生豆科牧草,因其口感好且营养丰富具有“牧草之王”的美称[1],在我国农牧区被广泛种植[2]。随着人们生活水平的提高,畜牧业的迅速发展,对其产量的需求量越来越大[3]。为了提高其产量,人们通常采用灌溉的方式为作物生长提供水分。水分状况不仅是植物生长的基础,而且是影响光合作用最重要的因素[4]。就光合特性研究者对其进行了深入的研究[5-6],高景慧[7]对分枝期3 个紫花苜蓿品种光合蒸腾日变化与相关因子进行了相关分析;赵金梅等[8]探讨了水分胁迫对分枝期紫花苜蓿光合性能的影响;刘玉华等[9-10]在旱作条件下研究了初花期紫花苜蓿光合作用日变化和光合蒸腾日变化与环境因子的关系。截至目前,对紫花苜蓿在现蕾期水分调亏下光合特性的研究未见报道。因此,本研究选择在现蕾期进行水分胁迫,对紫花苜蓿的光合生理变化进行研究,以揭示紫花苜蓿生育期内对水分需求的敏感度,为现代农业生育期水分调控提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年8月在甘肃省金昌市永昌县水源镇杨柳青饲料试验站进行(102°30′E,38°12′N)。该试验区属于半干旱区温带大陆性气候,海拔为1487 m,年平均降雨量235 mm,年平均气温7.7°C,全年无霜期150 d,年平均日照2884.2 h,日照率65%。年蒸发量2000.6 mm。

1.2 试验材料

甘农3 号紫花苜蓿。

1.3 试验方法

采用大田随机区组设计,第三茬在现蕾期进行水分调亏。土壤的田间最大持水量为25.2%。试验分四个水分处理,三次重复,CK 为充分灌溉,现蕾期控制土壤水分为田间持水量的75%—85%;LD 为轻度水分胁迫,现蕾期控制土壤水分为田间持水量的65%—75%;MD 为中度水分胁迫,现蕾期控制土壤水分为田间持水量的55%—65%;SD 为重度水分胁迫,现蕾期控制土壤水分为田间持水量的45%— 55%。其中CK 为对照处理,共12 个小区,每小区面积为50 m2(5 m×10 m)。当各小区1 m 以上土层的土壤体积含水量占田间持水量的百分比达到所在处理的设计水分下限时开始灌水,每次灌水量为 60 mm,此灌水定额可以使各处理土壤水分含量的变化稳定在高于灌水下限 10% FC(field capacity)的范围内(表1)。

试验选择在初花期晴朗无风的天气于 9:00- 17:00 进行测定,采用美国LI-COR 公司生产的Li- 6400XT 便携式光合仪,测定时随机选取生长良好、高度相同且光照相似的相同叶位处(即从顶部向下的第四个完全展开叶的中间小叶)的叶片。利用光源控制光合有效辐射强度(PAR,μmol·m-2·s-1),分别在PAR 为2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1下测定指标包括叶片净光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、气孔导度(Gs,mmol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Ci,μmol·mol-1)和蒸腾速率(Tr,mmol·m-2·s-1)。

叶片水分利用效率(WUE,μmol·mmol-1)和气孔限制值(Ls)由公式WUE=Pn/Tr;Ls=1-Ci/Ca,其中Ca为空气CO2浓度(μmol·mol-1)计算得出[11]。

绘制光合作用的光响应曲线(Pn-PAR 曲线),求得光饱和点(LSP,μmol·m-2·s-1);并对Pn-PAR 曲线的初始部分(PNA＜400 μmol·m-2·s-1＝进行线性回归,求得光补偿点(LCP,μmol·m-2·s-1)、表观量子效率(AQY,μmol·μmol-1)和暗呼吸速率(Rd,μmol·m-2·s-1)。

1.4 数据处理与分析方法

采用Microsoft Excel 2007 及SPSS 19.0 进行数据处理。

表1 地下滴灌条件下紫花苜蓿调亏灌溉试验灌水下限 Table.1 Lower irrigation limit of each RDI treatment under SDI %

2 结果与分析

2.1 水分胁迫下紫花苜蓿的光合作用—光响应特征参数的变化

随着土壤水分胁迫的加剧,紫花苜蓿的最大净光合速率(Pn max)、表光量子效率(AQY)、光饱和点(LSP)均呈逐渐下降趋势;而暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(LCP)均呈逐渐升高趋势(表2)。AQY 各处理之间均达到显著水平(P＜0.05),与充分灌溉(CK)相比,LD、MD 和SD 三种水分胁迫处理下AQY 分别降低了19%、26.2%和35.7%。Pn max 各处理间差异显著(P＜0.05),与充分灌溉(CK)相比,轻度水分胁迫(LD)、中度水分胁迫(MD)和重度水分胁迫(SD)三种水分胁迫处理下Pn max 分别降低了11.6%、29.3%和44%。CK 与LD、LD 与MD、MD 与SD 之间Rd 差异不显著,其他处理两两之间都达到显著水平(P＜0.05)。LCP 除了LD 与MD 之间的差异不显著外,其他处理之间都达到显著水平(P＜0.05)。其中,与CK 相比,LD、MD 和SD 三种水分胁迫处理下LCP分别增加了14%、18.4%和32.2%。LSP 的CK 与LD处理之间差异不显著,但MD 和SD 差异显著,从1200 mol·m-2·s-1下降到了1000、800 mol·m-2·s-1(表2)。

2.2 光合作用各项指标的变化

2.2.1 水分胁迫对紫花苜蓿叶片光合速率的影响

紫花苜蓿光合速率(Pn)的光响应过程在土壤轻度水分胁迫(LD)、中度水分胁迫(MD)、重度水分胁迫(SD)处理下与充分灌溉(CK)保持一致,随着水分胁迫的加剧,紫花苜蓿叶片的Pn 都有较大幅度的下降。当达到光饱和点 PAR=1200 μmol·m-2·s-1时,LD、MD 和SD 处理下紫花苜蓿的Pn 分别为20.58、16.25和12.05 μmol·m-2·s-1,比CK(23.28 μmol·m-2·s-1)分别降低了11.6%、30.2%和48.2%(图1)。方差分析表明,紫花苜蓿叶片Pn 值在不同水分胁迫下差异极显著(P＜0.01)(表3)。

2.2.2 水分胁迫对紫花苜蓿叶片气孔导度的影响

充分灌溉条件下,紫花苜蓿的气孔导度(Gs)随光照有效辐射的增加呈逐渐上升的趋势。当光照强度小于光补偿点时,上升幅度较小;而当光照强度大于光补偿点时,上升幅度比较大。当光照有效辐射PAR=1200 μmol·m-2·s-1时,LD、MD 和SD 处理下紫花苜蓿的Gs 分别为0.38、0.17 和0.06 mmol·m-2·s-1,比CK(0.48 mmol·m-2·s-1)分别降低了20.8%、64.6%和87.5%(图1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分胁迫下差异极显著(P＜0.01)(表3)。

2.2.3 水分胁迫对紫花苜蓿叶片蒸腾速率的影响

充分灌溉条件下,紫花苜蓿蒸腾速率(Tr)在光照有效辐射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值为9.36 mmol·m-2·s-1,随着水分胁迫的加剧,Tr 也大幅度的下降,与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)处理下紫花苜蓿的Tr 分别降低了11.1%、15.4%和27.2%(图1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Tr 在不同水分胁迫下差异极显著(P＜0.01) (表3)。

2.2.4 水分胁迫对紫花苜蓿叶片胞间CO2浓度的影响

充分灌溉条件下,当光照强度小于光补偿点时,叶片胞间CO2浓度(Ci)随着光照强度的增加而迅速变小;当光照强度大于光饱和点时,Ci 曲线随着光照强度的增加而逐渐变的平缓并出现上升趋势。随着水分胁迫的加剧,在光照有效辐射PAR=1200 μmol·m-2·s-1左右时,LD 处理下的Ci 值低于CK,MD、SD 处理下的Ci 值高于CK(图1),方差分析表明,紫花苜蓿的Gs 在不同水分胁迫下差异极显著(P＜0.01)(表3)。

表2 水分胁迫下紫花苜蓿的光合作用—光响应特征参数 Table2 Parameters of the light response curves of photosynthesis of Medicago sativa under water stress(mean±SD)

2.2.5 水分胁迫对紫花苜蓿叶片水分利用效率的影响 在LD、MD 和SD 处理下,紫花苜蓿叶片水分利用效率(WUE)的光响应过程基本与CK 处理相同,表现为随着PAR 的由强到弱,均由较快增加转变为缓慢增加的过程(图1)。当光照强度PAR=1200 μmol·m-2·s-1时,CK 与LD 无显著差异,与 MD、SD 差异极显著(P＜0.01)(表3)。

2.2.6 水分胁迫对紫花苜蓿叶片气孔限制值的影响 充分灌溉下,紫花苜蓿的气孔限制值(Ls)在光照有效辐射PAR=1200 μmol·m-2·s-1的值为0.56,随着水分胁迫的加剧,LD(0.60)处理下的Ls 有较小幅度的上升,与CK 相比上升了7.1%,MD(0.49)、 SD(0.32)处理下的Ls 降低,与CK 相比降低了12.5%、42.9%(图1)。方差分析表明,紫花苜蓿的Ls值在不同水分胁迫下差异极显著(P＜0.01)(表3)。

2.3 紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析

紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析:紫花苜蓿叶片的WUE 与Pn、Gs、Tr 呈极显著正相关,与Ls 呈显著正相关,与Ci 呈极显著负相关;Pn 与Gs、Tr、Ls 呈极显著正相关,与Ci 呈极显著负相关,与Gs 相关系数达0.994;Gs 与Tr、Ls 呈极显著正相关,与Ci 呈极显著负相关;Ci 与Tr、Ls 呈极显著负相关,与Ls 相关系数达1.000;Tr 与Ls 呈极显著正相关(表4)。

图1 水分胁迫下紫花苜蓿净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2 浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、气孔限制值(Ls)对不同光合有效辐射(PAR)的响应 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 水分胁迫下紫花苜蓿光合生理特征(±标准差) Table3 Photosynthetic characteristics of Alfalfa subjected to different drought stress treatment(±SD)

表4 紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析 Table4 Correlation analysis of photosynthetic physiological parameters of Alfalfa

3 讨论

表观量子效率(AQY)是植物光合作用对弱光的吸收,转化利用的能力[12],AQY 降低表明光合作用对弱光的利用受到抑制[13]。AQY 受外部环境(光照、温度、水分)的影响使其值降低,其值越小,表明植物对弱光的利用率越低[14-15]。本研究发现,随着水分胁迫的加剧,紫花苜蓿的AQY 降低,即对弱光的吸收、利用转化率降低,这与前人对沙木蓼[16]、灰叶胡杨[17]的研究相似。光补偿点和光饱和点是植物需光特性的两个指标,水分胁迫等环境条件,往往会降低光饱和点,并提高光补偿点。本研究表明,随着水分胁迫的加剧,紫花苜蓿对光强的利用率减小,对光环境的适应能力降低。这一结果与前人对牛心朴子[18]、红豆杉[19]、茶树[20]的研究结果一致。

Farquhar 等认为,当Pn 和Gs 同时减小,且Ci也降低,表明光合速率的降低主要由气孔因素限制所致,否则Pn 的下降要归因于叶肉细胞光合能力的降低即非气孔因素限制所致[21]。本研究表明,在轻度水分胁迫下紫花苜蓿Pn 下降的同时,Ci 降低,Ls升高,叶超微结构受水分胁迫的影响较小,表明轻度水分胁迫下气孔因素是紫花苜蓿光合作用降低的主要因素;在中度和重度水分胁迫下,随着紫花苜蓿Pn 的降低,LS 下降,Ci 却呈上升趋势,水分胁迫下紫花苜蓿的叶肉细胞光合活性被破坏,说明Pn 的下降由气孔因素转变为非气孔因素。这一结论与韩清芳、韩瑞红等对紫花苜蓿的研究相似[22-23]。

水分利用效率是植物光合速率与蒸腾速率的比值[24]。其中有多个研究表明,适当水分胁迫可以提高紫花苜蓿的水分利用效率[25-26]。本研究发现,水分胁迫下,紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高,这与刘国利[27]等人的研究相一致。

董智[28]等人的研究结果表明,植物叶片Pn 和Tr 是影响水分利用效率的主要因素,当作物受到干旱时主要通过降低Tr 来提高WUE。本研究表明,WUE 与Pn、Tr 呈正相关,与Ci 呈负相关,表明蒸腾作用影响着植物的水分状况,在一定程度上抑制了紫花苜蓿的光合作用,这与董智[29-30]等人的研究结果相同。

4 结论

现蕾期水分胁迫的加剧对紫花苜蓿的光响应参数和水分利用效率有着明显的影响。随着水分胁迫的加剧,暗呼吸速率、光饱和点下降,光饱和点升高,表明紫花苜蓿对弱光的吸收、利用转化率降低;随着水分胁迫的加剧,净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率下降,气孔限制值升高,表明紫花苜蓿Pn 的下降由气孔因素转变为非气孔因素。严重水分胁迫会导致紫花苜蓿水分利用效率的下降,但适度水分胁迫对水分利用效率有一定的提高,以达到节水高产的目的。