不同灌溉處理下紫花苜蓿光合特性、葉綠素熒光參數及生物量的變化

劉 軍， 齊廣平*， 康燕霞， 馬彥麟， 銀敏華， 李曉敏， 栗 志

(1. 甘肅農業大學水利水電工程學院, 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅楊柳青牧草飼料開發有限公司, 甘肅 金昌 737200)

在我國西北干旱半干旱地區，水分是限制該地區農業生產的主要因子[1]。水分虧缺會嚴重影響植物的生長與發育，進而影響產量和體內次生代謝產物的積累[2]。光合作用是植物生長的基礎，是植物生產力構成的最主要因素，水分狀況又是影響植物光合作用的最重要的因子之一[3]。水分虧缺會導致紫花苜蓿葉片光合速率和蒸騰速率的下降，抑制其生長，一定程度的水分脅迫會破壞葉片的光合中心[4]。葉片光系統Ⅱ(PS Ⅱ) 是植物能力轉化主要部位，在植物體受到逆境脅迫的過程中發揮著重要的作用[5]。水分脅迫抑制植物體光合作用中的光反應和暗反應，對葉片的光合器官也有顯著的影響，導致光合CO2同化效率降低，葉綠素熒光變化，從而影響葉片光合特性[6]。光合作用和葉綠素熒光在植物體內各反應過程中有密切的聯系，以葉綠素為探針，可以快速、無傷害、準確的探測植物的光合功能情況[7]、生長生理狀況以及各種逆境脅迫對光合系統產生的影響[8]。已有研究表明，水分脅迫下能減弱PSⅡ反應中心活性，Pn由氣孔因素轉變為非氣孔因素，實際光合效率(ΦPSⅡ)和PSⅡ原初光能轉化效率(Fv/Fm)降低，造成光合速率和蒸騰速率下降以及氣孔關閉[9-11]。正因為葉綠素熒光的測定具有快速、準確、無損傷等諸多優點，現已被廣泛應用于植物研究的各個方面。

紫花苜蓿(Medicagosative)是優質的多年生豆科牧草，由于其營養豐富和利用價值較高，被譽為“牧草之王”[12]。隨著畜牧業的蓬勃發展，紫花苜蓿的種植面積將逐年擴大，但我國的苜蓿的產量還遠遠不能夠滿足國內市場的需求，擴大種植面積、提高苜蓿產量已成為生產中迫切需要解決的問題[13]。地下滴灌目前是一種極具潛力的灌溉技術[14]，是通過地下灌水器將灌溉水以較小流量均勻、準確的輸入到植物根區周圍，供植物根部吸收利用[15]。紫花苜蓿對水分虧缺十分的敏感，在甘肅河西走廊荒漠綠洲區靠天然降水無法保證紫花苜蓿的正常生產，因此通過灌溉的方式來提高紫花苜蓿的產量是勢在必行。目前對于紫花苜蓿主要研究不同品種紫花苜蓿在水分脅迫下的光合生理參數，從而得出其抗旱性強弱[3,16-18]，而對西北荒漠化灌區滴灌模式下紫花苜蓿在水分脅迫下的光合生理變化的研究較少。

本次試驗通過研究滴灌模式下紫花苜蓿在不同水分脅迫下的光合作用和葉綠素熒光特性，以揭示水分脅迫與光合生理之間的關系，從而得出正常光合生理下的水分需求，為西北荒漠化灌區節水增產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗2018年4月于甘肅省金昌市永昌縣水源鎮楊柳青飼料有限公司進行(102°30′E，38°15′N，1 519 m)。該試驗區屬于半干旱區，溫帶大陸性氣候，平均年降雨量為185.1 mm，年平均氣溫7.7℃，全年無霜期150 d，年均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸發量為2 000.6 mm，屬于典型內陸干旱荒漠區氣候。

1.2 試驗材料

甘農3號紫花苜蓿，由甘肅楊柳青牧草飼料開發有限公司提供；滴灌材料由新疆中油節水科技公司提供的內鑲式貼片滴灌帶，管徑16 mm，壁厚0.4 mm，滴頭流量3.0 L·h-1，滴頭間距30 cm。

1.3 試驗設計

該次采用大田試驗，為單因素隨機區組設計。土壤的田間最大持水量為25.2%。試驗分四個水分處理：(1)充分灌溉(用W0表示，土壤水分為田間持水量的75%～85%)；(2)輕度水分脅迫(用W1表示，土壤水分為田間持水量的65%～75%)；(3)中度水分脅迫(用W2表示，土壤水分為田間持水量的55%～65%)；(4)重度水分脅迫(用W3表示，土壤水分為田間持水量的45%～55%)。其中W0為對照處理，每個處理三次重復，共12個小區，每小區面積為25 m2(5 m×5 m)。當各小區0.6 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(表1)。

1.4 測定指標

1.4.1光合日變化的測定 采用美國生產的Li-6400XT便攜式光合儀，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。選擇晴朗無風的天氣，從8:00-18:00每隔2h測定一次，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)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、葉片水分利用效率(WUE，μmol·mmol-1)和氣孔限制值分別由公式計算，即：WUE=Pn/Tr;Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣中CO2濃度)。

1.4.2葉綠素含量 取第四片葉片，用丙酮提取法提取葉綠素，并用分光光度計測定吸光值計算得出葉綠素a，b、總含量及比值[19]。

1.4.3葉綠素熒光參數的測定 采用PAM-2500便攜式葉綠素熒光儀測定，紫花苜蓿處于初花期。測定前降苜蓿暗適應20min，然后開始測定，每個處理重復三次。測定指標包括初始熒光(Minimal fluorescence,Fo)、最大熒光(Maximum fluorescence,Fm)、可變熒光(Variable fluorescence,Fv)、PSⅡ潛在活性(potential activity of PSⅡ,Fv /Fo)、PSⅡ原初光能轉化效率(Primary light energy conversion efficiency of PSⅡ,Fv/Fm)、實際光化學效率(Actual photochemical efficiency,ΦPSⅡ)、表觀電子傳遞速率(Apparent electron transfer rate,ETR)。

1.4.4干草產量的測定 苜蓿開花達到5%以上(初花期)時進行產量測定，每個小區選取樣方面積為1 m×1 m，收割后立即稱其鮮重。將樣方鮮草取200 g裝入信封，105℃下殺青30 min，75℃烘干至恒重，精確稱量干草的重量。

1.4.5生長指標的測定 用鋼卷尺測定株高。在返青或刈割后對植株進行標記，每個處理標記6株，三個重復。測定時，齊地面測量至植株頂端，每10天測定一次。用電子數顯卡尺測定植物的莖粗。莖粗測定的植株與株高測定的相同，測量距地面10～15 cm處主莖枝條的直徑，每10天測定一次。

1.5 數據處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2016及SPSS 19.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對紫花苜蓿光合作用的影響

2.1.1光合速率日變化的特征 圖1中A表明，紫花苜蓿的凈光合速率(Pn)日變化曲線均為典型的“雙峰”曲線。在8:00和18:00左右時最低。在12:00左右時，不同水分處理下的Pn出現第一峰值，以W0最大，其值為21.24μmol·m-2·s-1，其次為W1(20.26 μmol·m-2·s-1)，W2(18.67μmol·m-2·s-1)，W3(16.31μmol·m-2·s-1)，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)。之后，兩者都開始下降，當到14:00左右時，出現光合“午休”現象，其值下降到14.37μmol·m-2·s-1。在16:00左右時，出現第二峰值，以W0為最大，其值為19.42 μmol·m-2·s-1。較W1，W2，W3分別增大了0.5%，18.1%，34.2%，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)。

2.1.2氣孔導度日變化的特征 紫花苜蓿的氣孔導度(Gs)的日變化曲線均呈降低趨勢，Gs在10:00時出現最大值，以W0最大，其值為0.84 mmol·m-2·s-1，W1，W2，W3的Gs比W0的分別降低了2.96%，15.4%，21.45%，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)。在10:00-12:00開始緩慢下降，12:00-14:00開始迅速下降，其值分別下降到0.35 mmol·m-2·s-1(W0)，0.33 mmol·m-2·s-1(W1)，0.31 mmol·m-2·s-1(W2)，0.21 mmol·m-2·s-1(W3)，到16:00又緩慢增高，之后又迅速(圖1中B)

2.1.3胞間CO2濃度日變化的特征 紫花苜蓿的胞間CO2濃度(Ci)日變化呈先降低后升高的趨勢。從8:00開始，Ci開始降低，在12:00左右時出現第一個低谷，以W2最大，其值為297 μmol·mol-1，其次為W3，W0，W1，在16:00左右出現第二低谷，其大小依次為W2>W3>W0>W1，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)(圖1中C)。

2.1.4蒸騰速率日變化的特征 紫花苜蓿的蒸騰速率(Tr)日變化在8:00為一天最小值，以W0最大，其值為5.34 mmol·m-2·s-1，W3最小，值為4.33 mmol·m-2·s-1，8:00-12:00迅速升高，12:00時達到最大值，最大值為12.17 mmol·m-2·s-1(W0)，分別較W1，W2，W3增大了4.02%，5.55%，26.11%，W1與W2，W3無顯著差異，與差異顯著(P<0.05)。12:00-14:00又迅速下降，之后緩慢上升，16:00之后又開始下降(圖1中D)。

圖1 水分脅迫條件下紫花苜蓿的光合特征參數的日變化Fig.1 Diurnal variation of light and characteristic parameters of alfalfa under water stress注：W0,W1,W2,W3分別表示充分灌溉、輕度水分脅迫、中度水分脅迫和重度水分脅迫，下同Note:W0,W1,W2and W3 indicate adequate irrigation,mild water stress,moderate water stress,and severe water stress,respectively,The same as below

2.1.5水分利用效率日變化的特征 在W0，W1，W2下，紫花苜蓿的水分利用效率(WUE)日變化曲線同凈光合速率一樣為“雙峰”曲線，在W3下呈先降低后升高再降低趨勢。W0，W1，W2的WUE的峰值分別出現在10:00和16:00。在10:00水分效率依次為2.11 μmol·mmol-1(W2)，2.09 μmol·mmol-1(W1)，2.08μmol·mmol-1(W0)，1.71μmol·mmol-1(W3)；在16:00水分利用效率依次為2.27 μmol·mmol-1(W1)，2.25 μmol·mmol-1(W0)，1.91 μmol·mmol-1(W2)，1.91 μmol·mmol-1(W3)，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)(圖1中E)。

2.1.6氣孔限制值日變化的特征 紫花苜蓿葉片的氣孔限制值(Ls)日變化呈持續上升的趨勢。在8:00時為一天最小值，其值為-0.019(W1)，-0.036(W0)，-0.082(W2)，-0.102(W3)。Ls在16:00出現峰值，以W1最大，最大值0.46。在12:00-14:00和16:00-18:00時間段中W0和W1緩慢下降，而W2和W3上升(圖1中F)，W1與W2無顯著差異，與W3，W4差異顯著(P<0.05)。

2.2 紫花苜蓿光合生理參數的相關性分析

紫花苜蓿葉片水分利用效率(WUE)與凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、氣孔限制值(Ls)呈極顯著正相關，與蒸騰速率(Tr)呈顯著正相關，與胞間CO2濃度(Ci)呈極顯著負相關；Pn與Gs，Tr呈極顯著正相關，與Ls差異不顯著，與Ci呈極顯著負相關；Gs與Ci呈顯著負相關，與Tr，Ls呈極顯著正相關；Ci與Tr呈極顯著負相關，與Ls呈顯著負相關(表2)。

表2 紫花苜蓿光合生理參數的相關性分析Table 2 Correlation Analysis of Photosynthetic Physiological Parameters of Alfalfa

注：**表示在0.01水平上差異顯著(P<0.01),*表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)

Note：**indicate different significant difference at the 0.01 level,*indicate different significant difference at the 0.05 level

2.3 水分脅迫對紫花苜蓿光葉綠素含量的影響

如圖2所示，隨著水分脅迫的加劇，紫花苜蓿的葉綠素a(Chla)、葉綠素總量(Chl(a+b))和葉綠素比值(Chla/b)的含量均呈先升高后降低，葉綠素b(Chlb)呈現逐漸降低。W0的Chla為1.57，W1較W0增加了4.9%，W2，W3較W0分別降低了8.1%，32.3%；各處理均差異顯著(P<0.05)；W0的Chlb為0.44，W1，W2，W3較W0分別降低了10.5%，12%，23.3%；W0與其它各處理差異均顯著(P<0.05)，但W1與W2差異不顯著；W0的Chl(a+b)為2.01，W1較W0增加了1.5%，W2，W3較W0分別降低了8.9%，30.2%；其中W0與W1差異不顯著，與其它處理差異顯；W0的Chla/b為3.54，W1，W2較W0分別增加了17.2%，4.5%，W3較W0降低了11.7%，W0與W2差異不顯著，與其它處理差異顯著W0與W1差異不顯著，與其它處理差異顯著(P<0.05)。

圖2 水分脅迫下紫花苜蓿葉片葉綠素含量及比值的變化Fig.2 Changes of chlorophyll content and ratio of alfalfa leaves under water stress注：小寫字母表示不同處理之間差異達到顯著水平(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicated signifcant difference between different treatments at the 0.05 level

2.4 水分脅迫對紫花苜蓿葉綠素熒光參數的影響

由表3可知，隨著水分脅迫的加劇，紫花苜蓿的初始熒光(Fo)逐漸增加，可變熒光(Fv)、最大熒光(Fm)、PSⅡ原初光能轉化效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)、PSⅡ實際光化學效率(ΦPSⅡ)、表觀電子傳遞速率(ETR)均呈現不同程度的降低。不同水分處理下紫花苜蓿的Fo、Fv、Fm、Fv/Fo差異均顯著(P<0.05)；W1處理下的Fv/Fm與W0的差異不顯著，其它處理與W0差異顯著(P<0.05)；W0，W1，W2的ΦPSⅡ差異不顯著，但與W3差異顯著(P<0.05)；ETR中W0與W1差異不顯著，與W2，W3差異顯著(P<0.05)，W2與W3差異不顯著。

表3 紫花苜蓿光合生理參數的相關性分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic physiological parameters of alfalfa

注：小寫字母表示不同處理之間差異達到顯著水平(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters indicated signifcant difference between different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.5 水分脅迫對紫花苜蓿產量的影響

紫花苜蓿的株高、莖粗和干草產量、都隨著水分脅迫的加劇而逐漸減小。由表4可以看出，在W1處理下紫花苜蓿的株高、莖粗和干草產量與W0的基本相同，而W2和W3的明顯降低。通過分析表明W1與W0的株高、莖粗和干草產量差異不顯著，W0與W2，W3的株高、莖粗和干草產量差異顯著(P<0.05)。

表4 紫花苜蓿生長指標的相關性分析Table 4 Correlation analysis ofalfalfa growth indicators

3 討論

水分脅迫顯著影響著植物凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等光合生理中的相關指標[20]。水分脅迫下影響植物葉片凈光合速率降低的因素主要有氣孔限制和非氣孔限制兩種[21]。有研究表明，隨著水分脅迫的加劇，植物的光合速率、蒸騰速率降低，氣孔阻力升高導致氣孔導度下降，因此可以推斷氣孔因素是在水分脅迫下影響光合速率下降的主要因素[22]。而有些研究表明，非氣孔因素是影響光合速率下降的主要因素[4]。本研究中，在充分灌溉和輕度水分脅迫下紫花苜蓿Pn下降的同時，Ci降低，Ls升高，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；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，表明Pn的下降由氣孔因素轉變為非氣孔因素，這一結論與劉玉華、張衛強等對紫花苜蓿的研究相似[23,24]。

水分利用效率是植物消耗單位水分所生產同化物質的量，是體現植物節水能力和適應逆境的重要指標[25]。有多個研究表明，水分脅迫可以提高植物的水分利用效率，氣孔等因素共同影響植物葉片的水分利用效率[26]。本研究中在10:00和16:00時的水分利用效率以W1最大，表明輕度水分脅迫對紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高。不同水分處理下紫花苜蓿的WUE與其他光合指標的相關性分析，表明葉片Pn和Tr是影響水分利用效率的主要因素，當作物受到水分脅迫時主要通過降低Tr來提高WUE。紫花苜蓿葉片的Pn和Tr呈極顯著正相關，而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，這與金薇薇、董智[27-29]等人的研究結果相同。

葉綠素是光合作用的光敏催化劑，與光合作用密切相關，其含量和比例是適應和利用環境的主要因子[30]，葉綠素含量的變化反應了葉片對外界光環境變化的適應情況[31]。本研究發現，在輕度水分脅迫下紫花苜蓿的葉綠素含量增加且與充分灌溉無顯著差異，表明輕度水分脅迫能增加光能利用效率，這與植物對環境因子的補償和超補償效應有關；隨著水分脅迫的加劇，葉綠素含量下降，表明在中度和重度水分脅迫下超過了其補償能力[32]。

葉綠素熒光參數可以更好的從內部反應光合過程，也可以快速、靈敏、無損傷探測水分脅迫對植物光合作用的影響[33]。在中度及重度干旱條件下Fv /Fm值下降，表明水分脅迫降低了PSⅡ反應中心捕獲激發能的效率，光能利用能力下降。隨著水分脅迫的加劇ETR呈下降趨勢，表明水分脅迫下植株體內電子傳遞受阻，產生光抑制，從而引起葉片的凈光合速率下降[18]。本研究發現，在輕度水分脅迫下，紫花苜蓿的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、ETR下降幅度較小，表明輕度水分脅迫下葉片的光系統受傷較輕。隨著水分脅迫的加劇，紫花苜蓿的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、ETR下降幅度逐漸加大，表明紫花苜蓿在受到重度水分脅迫時產生了可逆下調，進一步影響植物的光合速率，這與張林春等[34]的研究結果相類似。

植物的株高、莖粗是描述其生長狀況，是其產量高低最直接的一個特征量。隨著水分脅迫的加劇，植物的株高最容易受到影響，株高的顯著下降會引起產量的急劇下降。紫花苜蓿的地上生物量與隨著供水量的增加呈上升趨勢，方差分析表明W1與W0的干草產量無顯著差異，表明輕度水分脅迫不會引起干草產量的降低，這與曹雪松、陳林等人[35,36]的研究結果相一致。

4 結論

隨著水分脅迫的加劇，紫花苜蓿的Pn下降，Ci先降低后升高，Ls先升高后降低，表明Pn的下降由氣孔限制轉變為非氣孔限制；而水分利用效率日變化在10:00和16:00時輕度水分脅迫的值最大，表明輕度水分脅迫對紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高。在輕度水分脅迫下紫花苜蓿的葉綠素總量，Fv/Fm，Fv/Fo，ΦPSⅡ，ETR，株高，莖粗，產量均與充分灌溉無顯著差異，表明在永昌荒漠化灌區種植紫花苜蓿，輕度水分脅迫可以達到節水穩產的目的。