蘋果幼樹葉片氣體交換參數對干旱脅迫和復水的響應

趙小琪,孫 瀅,聶佩顯,張繼祥

1.作物生物學國家重點實驗室/國家蘋果工程技術研究中心;山東農業大學園藝科學與工程學院,山東 泰安 271018

2.青島農業大學理學與信息科學學院,山東 青島 266109

3.山東省果樹研究所,山東 泰安 271000

4.萊州市農業技術推廣中心,山東 煙臺 261400

在我國北方地區，水資源短缺且降水分配不均不僅是最突出的生態環境問題之一，也是制約農林業生產的瓶頸問題。近年來，伴隨著工農業生產用水量不斷增加，水資源危機不斷加劇，并且隨著全球氣候變化，水旱災害的發生頻率和受災面積逐年擴大，因此，如何科學合理地利用有限水資源提高農業生產效率，實現生態環境和農業健康可持續發展已成為農林業生產水分管理和節水灌溉精準化研究的核心。作物的氣體交換和水分代謝生理生態機理是實現節水灌溉的理論基礎。不同作物不同生育期對水分的敏感性不同，通過充分挖掘作物的自身節水潛力，科學合理地調控土壤水分，在最大限度節省水分的條件下不影響作物的產量和品質，以期建立田間水分管理的最優模式。目前，對水分脅迫的研究多集中在農作物氣體交換、水分利用效率及其生理生態機理等方面[1-4]。例如：通過研究農作物對水分脅迫的響應機制發現，農作物對適度干旱脅迫有一定的適應性和抵抗力，適度干旱脅迫對葉片的光合作用和作物產量的影響不顯著，但對作物品質和水分利用效率卻有明顯提高[5-8]。干旱脅迫對光合作用的抑制進程和程度與氣孔限制（輕度或中度脅迫）和非氣孔限制（重度脅迫）的轉換有關，其轉換時間受作物自身的抗性、生育期、脅迫程度和方式等多種因素影響[9,10]。

我國果樹栽植的地區主要集中在丘陵、河灘及旱塬等地，多為干旱、半干旱地區且大多數果園缺乏良好的灌溉條件，所以干旱脅迫是制約果樹生長和果實品質的關鍵因素之一[11]。花期是蘋果較敏感的需水時期，適宜的水分供給有利于開花和坐果的順利進行。在果實生長發育和著色過程中，適當的水分供應，可以促進果實膨大，有利于著色。水分虧缺期間，蘋果樹體枝條水勢、葉片氣孔導度達到最小值，均低于正常供水處理，復水后，葉片氣孔導度迅速達到正常水平[12]。果樹葉片的水勢、光合速率、相對含水率和蒸騰速率均隨著土壤含水量的降低而有所下降[13]。前人多是在果樹生育的某一階段進行干旱脅迫或在田間自然干旱條件下對喬化蘋果樹開展水分生理相關研究[14,15]，但是對矮化蘋果樹整個周年生長周期中在干旱脅迫下的水分代謝及氣體交換方面相關研究較少。本研究利用避雨大棚在嚴格控水條件下，通過對蘋果矮化幼樹（煙富3/M9T337）不同生長階段進行干旱脅迫及復水處理，探討葉片各項指標對干旱脅迫的響應，以了解富士蘋果樹體對水分的敏感性，為果園水分管理的精準化和數字化及科學合理地利用水資源提供理論性指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4月～11月在山東省濟寧市嘉祥縣農場試驗果園推拉式避雨大棚內進行（35°36'N，116°17'E，海拔為37.1 m）。供試材料為2016 年4 月于水分池定植的2 年生煙富3/M9T337 自根砧苗。水分池規格為4 m×1 m×0.8 m（長×寬×深），每個水分池栽植3 棵植株，栽植密度為2 m×1 m，定干高度為0.8 m，按紡錘樹形整形。雨天拉棚防雨，晴天開啟，常規管理。

1.2 試驗方法

在預備實驗的基礎上，從萌芽期至落葉期（4 月-11 月）開展了全生育期不同生育階段的干旱脅迫和復水試驗。試驗設對照（T0）和干旱脅迫(T1、T2、T3 和T4)共5 個處理，每個處理3 次重復。對照T0：在整個生長階段土壤相對濕度(0.0 m～0.6 m 土壤容積含水量)控制在70%±5%之內，在整個實驗全程中，根據當地氣象站觀測的資料計算每天的蒸散量進行補水，使實驗中水分脅迫處理的土壤水分始終保持在要求的水分含量范圍內；T1 在春梢生長葉幕形成期控水（4 月10 日～6 月15 日），6 月16 日開始復水；T2 在葉幕相對穩定期（6 月15 日～7 月31 日）控水，8 月1 日開始復水；T3在秋梢生長期（8 日1 日～9 月15 日）控水，9 月16 日開始復水；T4 在秋梢停長貯藏期（9 月15 日～10 月31 日），11 月1 日開始復水；T1-T4 土壤水分相對濕度控制在40%±5%，即中度脅迫[16,17]，其他時段復水到與T0 相同的土壤相對濕度。

在水分脅迫處理階段，以當地氣象臺站地面觀測資料計算當日的田間蒸散量為依據進行補水，使T1、T2、T3 或T4 的土壤水分保持在40%左右，每隔10 d 左右在晴朗天氣條件下，選取樹體外圍不同方位中長枝中上部成熟葉片，使用Li-6400 型便攜式光合儀（美國，LI-COR 公司）測定其氣體交換參數（凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)），并計算葉片水分利用效率(WUE=Pn/Tr)，每個處理3 次重復。測定時間為7:00～18:00，每1 h 測量1 次。同時進行對上一個生長階段復水后測定氣體交換參數，方法同上。

所用數據為3 次測量數據的平均值，分析和作圖采用Origin 9.0 統計軟件并應用SPSS 軟件進行顯著差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同生育期干旱脅迫對葉片凈光合速率日變化的影響

圖1 不同生長階段干旱脅迫對葉片凈光合速率日變化的影響Fig.1 The daily variation of net photosynthetic rate of apple leaves in the different growth periods of fruit trees under drought stress

在生長發育的不同階段進行干旱脅迫處理后，處于脅迫狀態下葉片的凈光合速率日間較正常供水狀態下均有顯著性降低，但復水后，均能恢復到正常水平（圖1、表1）。

在樹體生長的前三個階段，正常供水、脅迫狀態和復水后葉片的光合日變化均呈雙峰曲線，且凈光合速率于7:00 開始迅速上升，11:00 左右達到第一個峰值（當天最大值），之后迅速下降；14:00后開始緩慢上升，在16:00 左右出現第二個峰值。與前三個階段葉片凈光合速率日變化相比，第四階段葉片的凈光合日變化形態除T4 外，有明顯差異，由雙峰形態轉變成單峰形態。

葉片凈光合速率（Pn），在春梢生長葉幕形成期時，干旱脅迫下T1 與T0（對照組）在12 時出現最大差值為8.12 μmol·m-2·s-1，平均減少3.60 μmol·m-2·s-1，即降低34.35%，呈顯著差異（P＜0.05）。在葉幕相對穩定期時，Pn 在干旱脅迫下T2 與T0 在15 時出現最大差值為5.80 μmol·m-2·s-1，平均減少3.17 μmol·m-2·s-1，即降低30.22%，呈顯著性差異（P＜0.05）；春梢生長期復水組T1 與T0 在14時出現最大差值為4.40 μmol·m-2·s-1，平均增加1.40 μmol·m-2·s-1，即升高13.33%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢生長期時，Pn 在干旱脅迫下T3 與T0 在11 時出現最大差值為6.70 μmol·m-2·s-1，平均減少3.45 μmol·m-2·s-1，即降低32.76%，呈顯著差異（P＜0.05）；葉幕形成期復水組T2 與T0 在17 時出現最大差值為0.98 μmol·m-2·s-1，平均增加0.32 μmol·m-2·s-1，即升高3.04%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 與T0 在10 時出現最大差值為1.21 μmol·m-2·s-1，平均增加0.15 μmol·m-2·s-1，即升高1.42%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢停長期時，Pn 在干旱脅迫下T4 與T0 在10 時出現最大差值為3.20 μmol·m-2·s-1，平均減少1.62 μmol·m-2·s-1，即降低20.56%，差異不顯著（P＞0.05）；秋梢生長期復水組T3 與T0 在14 時出現最大差值為1.82 μmol·m-2·s-1，平均增加1.14 μmol·m-2·s-1，即升高14.47%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 與T0 在10 時出現最大差值為0.98 μmol·m-2·s-1，平均增加0.03 μmol·m-2·s-1，即升高0.38%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 與T0 在12 時出現最大差值為1.31 μmol·m-2·s-1，平均增加0.01 μmol·m-2·s-1，即升高0.13%，差異不顯著（P＞0.05）。

表1 不同生長階段干旱和復水處理下氣體交換參數的變化Table 1 Changes of gas exchange parameters under drought and rehydration treatments at different growth stages

a、b 分別表示在相同處理條件下同一指標相較于對照組的顯著差異程度（P=0.05,n=12）。

2.2 不同生育期干旱脅迫對葉片氣孔導度日變化的影響

日間T1和T2葉片的氣孔導度自8:00開始較T0顯著降低，而T3和T4葉片的氣孔導度自10:00開始較T0顯著降低，均持續至18:00，可見葉片通過關閉氣孔來應對干旱脅迫。復水后，無論是正常供水還是脅迫狀態下葉片的氣孔導度均能恢復到正常水平（圖2、表1）。

圖2 不同生長階段干旱脅迫對葉片氣孔導度日變化的影響Fig.2 The daily variation of stomatal conductance of apple leaves in the different growth periods of fruit trees under drought stress

從氣孔導度日變化形態看，第一階段，T0 和T1 變化趨勢一致，在10:00 達到全天峰值，之后迅速下降，持續至18:00；后三個階段，葉片氣孔導度的日變化較為復雜，呈雙峰或多峰曲線。

葉片氣孔導度（Gs），在春梢生長期時，T1 與T0 在10～11 時出現最大差值為0.11 mol·m-2·s-1，平均減少0.07 mol·m-2·s-1，即降低38.89%，呈極顯著差異（P＜0.05）。在葉幕穩定期時，T2 和T0相比，Gs 在12 時出現最大差值為0.10 mol·m-2·s-1，平均減少0.11 mol·m-2·s-1，即降低44.00%，呈顯著性差異（P＜0.05）；T1 和T0 相比，Gs 在11 時及14 時出現最大差值為0.04 mol·m-2·s-1，平均增加0.01 mol·m-2·s-1，即升高4.00%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢生長期時，T3 和T0 相比，Gs在16 時出現最大差值為0.18 mol·m-2·s-1，平均減少0.09 mol·m-2·s-1，即降低39.13%，呈顯著性差異（P＜0.05）；T2 和T0 相比，Gs 在10 時出現最大差值為0.08 mol·m-2·s-1，平均增加0.01 mol·m-2·s-1，即升高4.35%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Gs 在10 時出現最大差值為0.05 mol·m-2·s-1，平均增加0.00 mol·m-2·s-1，即無變化。在秋梢停長期時，T4 和T0 相比，Gs 在11 時出現最大差值為0.08 mol·m-2·s-1，平均減少0.04 mol·m-2·s-1，即降低23.53%，差異不顯著（P＞0.05）；T3 和T0 相比，Gs 在16 時出現最大差值為0.14 mol·m-2·s-1，平均增加0.05 mol·m-2·s-1，即升高29.41%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 和T0 相比，Gs 在10 時出現最大差值為0.11 mol·m-2·s-1，平均增加0.01 mol·m-2·s-1，即升高5.88%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Gs 在12 時出現最大差值為0.08 mol·m-2·s-1，平均增加0.02 mol·m-2·s-1，即升高11.76%，差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同生育期干旱脅迫對葉片蒸騰速率日變化的影響

前三個階段日間干旱脅迫狀態下葉片的蒸騰速率均顯著低于正常處理，在第四階段，T4 自9:00開始顯著低于T0、T1、T2 和T3，可見葉片受干旱脅迫時大幅度降低自身的蒸騰來減少水分的散失。復水后，無論是正常供水還是脅迫狀態下葉片的蒸騰速率均能恢復到正常水平（圖3、表1）。

從蒸騰速率日變化形態看，前兩個階段形態較為簡單呈單峰或雙峰形態，在10:00 或11:00 達到第一個峰值，在14:00 或15:00 達到第二個峰值；后兩個階段較為復雜，呈多峰形態。

圖3 不同生長階段干旱脅迫對葉片蒸騰速率日變化的影響Fig.3 The daily variation of transpiration rate of apple leaves in the different growth periods of fruit trees under drought stress

葉片的蒸騰速率（Tr），在春梢生長期時，T1 與T0 在13 時出現最大差值為2.61 mmol·m-2·s-1，平均減少1.82 mmol·m-2·s-1，即降低50.28%，呈極顯著差異（P＜0.01）。在葉幕穩定期時，T2 和T0 相比，Tr 在12 時出現最大差值為1.81 mol·m-2·s-1，平均減少1.13 mol·m-2·s-1，即降低31.56%，呈顯著差異（P＜0.05）；T1 和T0 相比，Tr 在10 時及14 時出現最大差值為0.40 mmol·m-2·s-1，平均增加0.00 mmol·m-2·s-1，即無變化。在秋梢生長期時，T3 和T0 相比，Tr 在12 時出現最大差值為1.31 mmol·m-2·s-1，平均減少0.78 mmol·m-2·s-1，即降低25.49%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 和T0相比，Tr 在7 時出現最大差值為0.41 mmol·m-2·s-1，平均增加0.25 mmol·m-2·s-1，即升高8.17%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Tr 在16 時出現最大差值為0.03 mmol·m-2·s-1，平均增加0.03 mmol·m-2·s-1，即升高0.98%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢停長期時，T4 和T0 相比，Tr 在11時出現最大差值為0.96 mmol·m-2·s-1，平均減少0.21 mmol·m-2·s-1，即降低12.14%，差異不顯著（P＞0.05）；T3 和T0 相比，Tr 在8 時出現最大差值為0.72 mmol·m-2·s-1，平均增加0.03 mmol·m-2·s-1，即升高1.73%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 和T0 相比，Tr 在15 時出現最大差值為0.78 mmol·m-2·s-1，平均增加0.04 mmol·m-2·s-1，即升高5.48%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Tr 在14 時出現最大差值為0.31 mmol·m-2·s-1，平均增加0.04 mmol·m-2·s-1，即升高5.48%，差異不顯著（P＞0.05）。

圖4 不同生長階段干旱脅迫對葉片水分利用效率日變化的影響Fig.4 The daily variation of water use efficiency of apple leaves in the different growth periods of fruit trees under drought stress

2.4 不同生育期干旱脅迫對葉片水分利用效率日變化的影響

日間自9:00 起，干旱脅迫處理下葉片的水分利用效率均顯著高于正常供水處理，復水后，不呈顯著性差異（圖4、表1）。從水分利用效率日變化形態看，無論是正常供水還是脅迫狀態下變化趨勢基本一致。

葉片水分利用效率（WUE），在春梢生長期時，T1 與T0 在12時出現最大差值為1.45 μmol·mmol-1，平均增加0.87 μmol·mmol-1，即升高29.90%，呈顯著差異（P＜0.05）。在葉幕穩定期時，T2 和T0相比，Tr 在17 時出現最大差值為0.98 μmol·mmol-1，平均增加0.32 μmol·mmol-1，即升高9.82%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Tr 在14 時出現最大差值為0.91 μmol·mmol-1，平均增加0.22 μmol·mmol-1，即升高6.75%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢生長期時，T3 和T0 相比，Tr 在11時出現最大差值為0.77 μmol·mmol-1，平均增加0.32 μmol·mmol-1，即升高9.04%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 和T0 相比，Tr 在17 時出現最大差值為0.98 μmol·mmol-1，平均增加0.16 μmol·mmol-1，即升高4.52%，差異不顯著（P＞0.05）；T1 和T0 相比，Tr 在10 時出現最大差值為0.46 μmol·mmol-1，平均增加0.03 μmol·mmol-1，即升高0.85%，差異不顯著（P＞0.05）。在秋梢停長期時，T4 和T0相比，Tr 在13 時出現最大差值為4.81 μmol·mmol-1，平均增加0.97 μmol·mmol-1，即升高19.36%，差異不顯著（P＞0.05）；T3 和T0 相比，Tr 在14 時出現最大差值為4.11 μmol·mmol-1，平均增加0.48 μmol·mmol-1，即升高9.58%，差異不顯著（P＞0.05）；T2 和T0 相比，Tr 在14 時出現最大差值為2.34 μmol·mmol-1，平均增加0.24 μmol·mmol-1，即升高4.79%，差異不顯著（P＞0.05）；T1和T0 相比，Tr 在14 時出現最大差值為1.47 μmol·mmol-1，平均增加0.26 μmol·mmol-1，即升高5.17%，差異不顯著（P＞0.05）。

3 討論

植物在逆境脅迫下，光合指標的變化可反映出植物生長所受到影響，凈光合速率的變化是反映逆境下光合作用的重要指標。本研究發現，不同生長階段的干旱脅迫均造成蘋果葉片凈光合速率的顯著降低，這與前人的研究結果相一致[7,14,15,18,19]。干旱脅迫對植物最直觀的影響是葉片發生脫水，甚至出現萎蔫現象。植物發生脫水時，葉片做出最早的響應機制是氣孔關閉，氣孔關閉是在輕度和中度干旱脅迫下限制光合作用的主要因子，很大程度地決定植物光合、蒸騰等一系列生理過程。本試驗同樣觀察到這一現象，蘋果幼樹不同生長階段受干旱脅迫的影響，葉片氣孔導度顯著降低，甚至接近0[20,21]。

當樹體經過干旱脅迫復水處理后，其凈光合速率和蒸騰速率隨之恢復到了正常供水的水平，可能是因為在光合作用過程中發生了氣孔限制和非氣孔限制。即在輕度水分虧缺下，幼樹葉片的氣孔關閉，阻止CO2的吸收，光合作用隨之降低，而由于氣孔限制對光合速率影響是可逆的，當干旱脅迫解除時，氣孔開放，各氣體參數和水分利用效率又恢復到原來的水平[22]。從本試驗的結果來看，雖然脅迫處理時間較長，復水后，各指標基本上恢復到原來的水平，說明葉片的光合系統并沒有因此受到破壞，光合作用的限制因素依然是氣孔因素。

4 結論

通過結果分析發現，蘋果幼樹在不同時期受到干旱脅迫，Pn 與Gs 在春梢生長期、葉幕穩定期、秋梢生長期均有顯著性變化，Tr 在春梢生長期和葉幕穩定期變化顯著，WUE 在春梢生長期變化顯著，因而當蘋果幼樹處于春梢生長期時對水分脅迫最為敏感，（干旱脅迫下對比正常狀態，Pn 相對平均減少34.35%、Gs 相對平均減少38.89%、Tr 相對平均減少50.28%、WUE 相對平均增加29.90%），處于葉幕穩定期時較為敏感（干旱脅迫下對比正常狀態，Pn 相對平均減少30.22%、Gs 相對平均減少44.00%、Tr 相對平均減少31.56%）。