不同生育期水分虧缺對青椒氣孔特征、生長過程及生物量的影響

常志杰，王曉雨，陳文娜，劉婧然，馬 杰，鄭云普

（1.河北工程大學水利水電學院，河北邯鄲056038；2.河北工程大學園林與生態(tài)工程學院，河北邯鄲056038）

隨著全球氣候變化的逐漸加劇和人類活動無節(jié)制的瘋狂索取，世界范圍內的水資源短缺問題越來越嚴重，已經成為制約全球經濟社會發(fā)展的重要因素之一，甚至還威脅到區(qū)域農業(yè)生產與糧食供給[1]。眾所周知，未來氣候變化將可能改變區(qū)域或全球的降雨分配格局，進而導致部分地區(qū)水資源時空分配不均勻，引起大面積農業(yè)干旱，尤其是在我國的華北平原糧食產區(qū)，農業(yè)干旱現象頻繁發(fā)生[2]。然而，我國北方水資源嚴重短缺，可用于灌溉的水量則更為有限[3]。盡管農業(yè)干旱發(fā)生的時間跨度較短，華北平原區(qū)的水分脅迫往往被階段性降雨所緩解[4,5]，但水資源短缺仍然是制約華北農田凈初級生產力和糧食產量的瓶頸[6]。以往的研究結果表明，水分脅迫會導致作物氣孔導度減小從而限制CO2的通過與抑制光化學反應階段，光合作用與呼吸作用均會受到一定程度的抑制[7,8]，而適度的水分脅迫在作物復水后會出現超補償現象[9]。因此，深入研究農作物響應水分虧缺的潛在機理有助于在當前水資源嚴重短缺背景下調虧灌溉模式的制定和完善。

氣孔是葉片表面由兩個保衛(wèi)細胞器組成的孔狀結構，其在調控植物體與大氣環(huán)境之間水氣交換過程中扮演著極其重要的角色[10,11]。植物體同外界環(huán)境之間的氣體交換過程（如光合、呼吸和蒸騰）受氣孔形態(tài)特征（氣孔密度和氣孔大小）變化的影響和調控[12,13]，故探討水分虧缺對氣孔形態(tài)特征的影響有助于深入理解調虧灌溉條件下農作物生長過程與生物量積累的關系。另外，植物的碳同化能力在很大程度上決定著農作物的生物量和糧食產量[14]，而水分是植物光合反應過程的重要原料之一，故土壤水分虧缺是限制農作物生長發(fā)育過程和糧食產量的關鍵因素[15]。然而，近年來的研究發(fā)現，在農作物生長階段進行適時適度的干旱脅迫處理后，可以有效提高農作物對水分脅迫的適應能力[16]，即在不影響作物產量的前提下，促進作物快速生長發(fā)育，顯著提高水分利用效率，有效改善糧食品質[17]。例如，趙經華[18]的研究認為，調虧灌溉對果實產量均起到積極作用。高佳等[19]的研究結果表明，對辣椒進行輕度水分虧缺處理后，辣椒全生育期的耗水量明顯減少，但水分虧缺并未影響辣椒的產量，從而使其水分利用效率顯著提高。李明陽等[20]的研究證實，輕度水分虧缺可以有效提高大豆水分利用效率21.4%。另外，陳瑛等[21]認為在臍橙生產過程中，果實的膨大期輕度缺水、果實著色期中度缺水，可以改善果實的生長和品質。此外，水分虧缺還可以改變農作物地上生物量與地下生物量的分配比例。以往的根冠功能平衡學說認為，作物的根部和冠層存在競爭關系，在水分脅迫條件下將更多的光合產物向根部轉移，而冠層的生長會受到抑制，從而減少葉面積，降低植株蒸騰[22]。王密俠等[23]的研究結果表明，玉米在苗期的耐旱性較強，適度虧水能夠促進根系發(fā)育，增大根冠比，水分與營養(yǎng)的供給和分配均向根系傾斜。然而，白偉等[24]的研究卻認為，對苗期的大豆進行水分虧缺處理可以抑制其發(fā)育初期的生長過程，最終影響大豆的生物量累積和籽粒產量。因此，探討不同生育期水分虧缺對農作物生物量累積及其分配狀況有助于制定符合作物生理需求的科學灌溉模式，為節(jié)水高產的農田水分管理提供理論依據。

青椒（Capsicum annuum L.）是一種喜濕潤、怕旱澇，對土壤濕潤程度要求較為苛刻的蔬菜作物[25]。作為第二大消費蔬菜，青椒具有較高的經濟效益，在許多國家和地區(qū)廣泛種植，成為農民經濟收入的重要來源[26]。然而，以往大多數研究僅探討了不同程度水分虧缺對青椒產量和品質產生的影響[27]，而較少從氣孔特征變化的角度深入探究不同生育期水分虧缺對青椒生長和生物量積累產生影響的潛在機理。盡管青椒在華北平原區(qū)大面積普遍種植，但在當前氣候變化形勢下，華北平原的年降水量在逐漸減少[28]，且該區(qū)域的地下水資源嚴重短缺不足[29]，根本無法滿足農作物的正常灌溉需求，這就勢必導致青椒在生長過程中遭遇短期水分虧缺的脅迫，從而影響青椒的植株生物量以及蔬菜產量[7,8]。本研究以華北平原區(qū)普遍種植的青椒品種‘中椒107’為試材，探討不同生育期（苗期和花期）水分虧缺對青椒氣孔特征（氣孔密度和氣孔大小）、生長發(fā)育過程（株高、莖粗和葉面積指數）以及植株生物量的影響機理。研究結果將為華北平原地區(qū)青椒種植精準調虧灌溉模式的制定提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2018年在河北工程大學精密灌溉試驗場內進行（北緯36°35′20"，東經114°29′23"，海拔62 m）。本研究區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度14 ℃，最熱的7月份平均溫度為27 ℃，年降水量為548 mm，年不受凍時間為200 d 以及每年的日照時間為2 557 h。本試驗區(qū)的土壤為黃壤土，土壤容重為1.54 g∕cm3（0～60 cm），土壤pH 值為7.42，田間容量下土壤含水率(FC：占干土質量)為27%。每個試驗小區(qū)的長度和寬度分別為1.6 m 和1.0 m。為防止土壤水分相互滲透，各試驗小區(qū)之間分別采用厚度為6 cm 的塑料板進行防滲透隔離。青椒的種植株距為0.3 m，行距為0.5 m。

本試驗設置5 個水分處理，即充分灌溉（Full Irrigation；80%～90%FC）、苗期輕度調虧（Seedling Stage Mild Deficit，SSMD；70%～80%FC）、苗期重度調虧（Seedling Stage Severe Deficit，SSSD；60%～70%FC）、花期輕度調虧（Flowering Stage Mild Deficit，FSMD；70%～80% FC）、花期重度調虧（Flowering Stage Severe Deficit，FSSD；60%～70%FC）。每個水分處理均重復4 次（n=4）。苗期調虧是在幼苗出土8 d 后，分別進行22 d 的輕度或重度虧水處理；相似地，花期調虧是在第一個花蕾出現8 d 后，分別進行22 d 的輕度或重度虧水處理。在苗期和花期調虧結束后均恢復正常的充分灌溉。本研究采用地下水灌溉，各試驗小區(qū)均配備獨立的水表、壓力表和閘閥，可準確控制灌水量。在青椒調虧灌溉期間，當土壤含水量低于最低虧水下限時，將通過灌水補充到土壤含水量上限。此外，在調虧灌溉期間，為了避免雨季過量降水對土壤水分含量的干擾而影響調虧的效果，本試驗在各處理區(qū)域均配備了小型遮雨棚，以便在降雨期準確維持各個虧水處理既定的土壤含水量。

1.2 項目測定

1.2.1 印記法氣孔取樣及測量

隨機從每株上選取3個葉片，利用無色透明的指甲油涂于青椒葉片遠軸面和近軸面的中部，采集氣孔印記樣品。在裝備有照相機的顯微鏡(DM2500，Leica Corp，Germany)下觀察葉片印跡并照相。隨機選擇3個不同的顯微視野，每個視野下拍4張照片，即得到12張氣孔的顯微照片，再選取5張來計算氣孔密度。利用Auto CAD 2010 軟件分別測量氣孔的長度、氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積以及氣孔形狀指數。氣孔形狀指數是指通過計算單一氣孔形狀與相同面積的圓之間的偏離程度，即氣孔的形狀越扁長，則氣孔形狀指數就越小，具體公式如下：

式中：S為葉片氣孔形狀指數；A為氣孔面積；P為氣孔周長，且圓為參照幾何形狀。

1.2.2 株高、莖粗與葉面積指數的測定

自青椒幼苗長出第一片真葉，每15 d 測量一次株高（用尺子測量植株生長點到莖的基部）、莖粗（用游標卡尺測量植株第一片真葉下0.5 cm 處）和葉面積指數（使用AccuPARLP80 植物冠層分析儀，以水平方向為基準測定3 次取平均值作為青椒的葉面積指數LAI)。

1.2.3 植株生物量的測定

用剪刀將植株分為地上(葉+莖)和地下(根)部分后放入牛皮紙袋中。利用烘箱在75 ℃溫度下，烘烤48 h 至恒重，再用電子天平稱重得到植株生物量。

1.3 統(tǒng)計分析

利用單因素或多因素方差分析探討不同生育期水分虧缺對青椒各個指標產生的影響，再運用Duncan＇s Multiple Range Test 比較不同處理間的顯著性差異(p＜0.05)。本研究的統(tǒng)計分析均利用SPSS 13.0(Chicago，IL)軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同生育期調虧灌溉對青椒氣孔特征的影響

從表1可知，青椒幼苗期近軸面與遠軸面氣孔密度的差異非常明顯，可能是由青椒物種自身的氣孔發(fā)育特點而決定的，但苗期的不同程度水分虧缺也對青椒的氣孔密度產生較大的影響。隨著苗期水分虧缺程度的增加，青椒近軸面和遠軸面的氣孔密度均呈現出先增加后減小，在輕度水分虧缺條件下青椒的氣孔密度最高，且輕度水分虧缺造成近軸面的氣孔密度相比充分灌溉和重度水分虧缺分別增加263%（p＜0.001）和86.7%（p＜0.05），而輕度水分虧缺導致遠軸面的氣孔密度比充分灌溉和重度水分虧缺分別增加22.6%（p＜0.05）和66.7%（p＜0.05）。另外，遠軸面的氣孔長度先減小后增加，輕度水分虧缺下氣孔長度最小且與其他處理之間均存在顯著性差異（表1）。青椒遠軸面和近軸面的氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積的最大值均出現在重度水分虧缺處理下，且氣孔寬度、氣孔周長均顯著高于充分灌溉。然而，不同水分虧缺處理對氣孔形狀指數的影響并不顯著（p＞0.05）。

表1 苗期水分虧缺對青椒氣孔特征的影響Tab.1 Effects of water deficit on stomatal traits of green peppers at seedling stage

由表2可知，花期調虧處理導致青椒的氣孔密度呈現出與苗期調虧完全不同的變化趨勢，即氣孔密度先減少后增加，且輕度水分虧缺處理下遠軸面氣孔密度比充分灌溉減少16.5%（p＜0.05）。然而，盡管近軸面氣孔密度在各個處理之間的差異并不顯著（p＞0.05），但花期重度水分虧缺處理下的氣孔密度卻相比充分灌溉增加72.4%（p＜0.05）。同樣，輕度虧水條件下遠軸面的氣孔面積比充分灌溉減小23.4%（p＜0.05）。然而，青椒的氣孔長度、氣孔寬度與氣孔周長在不同處理之間差異不大（p＞0.05）。此外，盡管遠軸面和近軸面氣孔形狀指數的差異不顯著（p＞0.05），但氣孔形狀指數的最大值均出現在輕度水分虧缺處理時，即在花期輕度調虧處理下青椒氣孔變得最為扁長。

表2 開花期水分虧缺對青椒氣孔特征的影響Tab.2 Effects of water deficit on stomatal traits of green peppers at flowering stage

多因素方差分析的結果顯示（見表3），水分虧缺顯著影響青椒的氣孔長度（p＜0.05）和氣孔周長（p＜0.05）。同樣，青椒近軸面和遠軸面的氣孔密度（p＜0.001）、氣孔寬度（p＜0.001）、氣孔周長（p＜0.05）、氣孔面積（p＜0.05）、氣孔形狀指數（p＜0.05）均存在顯著差異。另外，不同生育期水分虧缺對氣孔密度（p＜0.05）、氣孔寬度（p＜0.05）和氣孔周長（p＜0.05）均產生顯著影響。此外，水分×葉面對氣孔寬度產生顯著的交互作用，而水分×生育期卻交互影響了氣孔密度（p＜0.001）和氣孔寬度（p＜0.05）。相似地，水分×葉面×生育期對氣孔密度產生顯著的交互影響（p＜0.05）。

表3 水分虧缺和生育期對青椒氣孔特征的交互影響Tab.3 Interactive effects of water deficit on stomatal traits of green peppers at different growth stages

2.2 不同生育期水分虧缺對青椒株高、莖粗和葉面積指數的影響

由圖1可知，幼苗期與開花期不同程度虧水的青椒株高均低于充分灌溉。在青椒生長的幼苗期，各處理之間青椒的株高隨時間的變化趨勢一致，各處理的差異也并不明顯。然而，當青椒經歷開花期虧水后，各處理間青椒的株高出現明顯差距，尤其是第75 d 以后充分灌溉處理下的株高達到將近80 cm，明顯高于幼苗期和開花期水分虧缺處理青椒的株高。因此，青椒在進行不同生育期水分虧缺后，植物可能將更多的光合產物分配到地下生物量（根），以期獲取更多的地下水分用于維持青椒進行光合呼吸等基本的生理生態(tài)過程。

由圖2可知，幼苗期輕度虧水處理下，青椒莖粗在前期要小于苗期重度虧水處理與充分灌溉處理，而在第80 d 后卻顯著大于苗期重度虧水的青椒莖粗但仍小于充分灌溉。苗期重度虧水處理的莖粗在青椒生長發(fā)育前期與充分灌溉幾乎一致，但在第45 d 后卻明顯小于充分灌溉，甚至呈現逐漸下降的趨勢，暗示青椒在重度虧水條件下可能通過減少生物量的積累，以更多的能量去緩解水分虧缺脅迫。對青椒花期進行輕度缺水處理導致植物出現莖粗減小的趨勢，而花期重度虧水使植株中期的莖粗出現快速增長現象，但最終的莖粗仍顯著小于充分灌溉。第90 d 后，苗期水分虧缺處理的青椒莖粗均大于花期水分虧缺。

從圖3可知，青椒苗期輕度虧水和重度虧水處理后的葉面積指數在幼苗期同充分灌溉相比沒有產生顯著性差異。然而，復水后苗期輕度虧水與重度虧水處理的青椒葉面積指數要高于充分灌溉，但卻小于花期虧水處理后的葉面積指數，且苗期輕度虧水與重度虧水處理的青椒葉面積指數的變化始終一致。在開花期進行水分虧缺處理的青椒葉面積指數始終要高于充分灌溉，在第90 d 后其葉面積指數要顯著大于充分灌溉，而最大的葉面積指數出現在花期重度虧水處理。

2.3 不同生育期水分虧缺對青椒組織含水率的影響

由表4可知，盡管幼苗期和開花期水分虧缺導致青椒根含水率的降低，但各處理間的差異并不顯著。同樣，不同生育期水分虧缺處理也并未對青椒莖的含水率產生顯著影響。然而，不同生育期水分虧缺卻顯著降低了葉片的含水率，尤其是苗期輕度虧水條件下的葉片含水率相比充分灌溉顯著降低12.7%（p＜0.05）。外界的水分脅迫明顯提高了葉片的水分利用效率，植株的總水分含量較對照組均出現顯著減小，最小值出現在苗期輕度調虧，相比充分灌溉降低約10%（p＜0.05）。

表4 不同生育期水分虧缺對青椒組織含水率的影響 %Tab.4 Effects of water deficit on tissue water contents of green peppers at different growth stages

2.4 不同生育期水分虧缺對青椒生物量的影響

本研究結果顯示（表5），不同生育期水分虧缺均顯著增加了青椒的組織生物量。同充分灌溉相比，苗期輕度水分虧缺、苗期重度水分虧缺、花期輕度水分虧缺和花期重度水分虧缺導致青椒根的生物量分別增加28.9%、150%、85.5%和73.7%。相似地，青椒莖的生物量在苗期輕度水分虧缺、苗期重度水分虧缺、花期輕度水分虧缺和花期重度水分虧缺條件下分別相比充分灌溉提高22.6%、103%、134%和42.7%。同樣，苗期輕度水分虧缺、苗期重度水分虧缺、花期輕度水分虧缺和花期重度水分虧缺分別導致青椒葉生物量增加93.8%、251%、211%和152%。因此，相比充分灌溉，青椒的總生物量在苗期輕度水分虧缺、苗期重度水分虧缺、花期輕度水分虧缺和花期重度水分虧缺條件下分別平均提高42.5%、151%、144%和77.4%。然而，不同生育期水分虧缺并沒有顯著改變青椒地上生物量和地下生物量的比例。總之，幼苗期重度水分虧缺和開花期輕度水分虧缺更加有利于青椒生物量的累積。

表5 不同生育期水分虧缺對青椒生物量的影響 g∕株Tab.5 Effects of water deficit at different growth stages on plant biomass of green peppers

3 討 論

3.1 不同生育期調虧灌溉對青椒氣孔特征的影響

氣孔是植物與外界環(huán)境進行水分和氣體交換的重要通道，植物葉片對氣孔個數、氣孔大小及其空間分布格局的調節(jié)功能是植物適應環(huán)境、抵御外界脅迫的一項重要機制[30]。眾所周知，土壤水分是影響葉片氣孔特征的重要環(huán)境因素之一，甚至土壤含水率在各個生育期的變化也可能對農作物葉片氣孔特征產生較大的影響。通常而言，土壤水分含量的降低將引起氣孔密度的增加[31]，主要是由于作物葉片在水分虧缺條件下葉面積減小而造成的[32]。以往的研究結果表明，隨著水分虧缺程度的逐漸加劇，導致番茄上表皮的氣孔密度增多，且隨著水分虧缺時間的延長，其增加幅度也會呈現逐漸增大的變化趨勢[33]，本研究結果顯示，青椒葉片的氣孔密度在苗期隨水分虧缺程度的加深呈現先增加后減少的趨勢，該結論與前人在冬小麥氣孔響應水分虧缺的研究結果一致[34]。本研究中苗期水分虧缺導致近軸面的氣孔密度增多，且氣孔長度增加，但遠軸面的氣孔密度卻在苗期重度灌溉條件下相比充分灌溉顯著減少，表明青椒葉片的遠軸面和近軸面對水分虧缺的響應并不完全一致，存在較為明顯的差異。然而，本研究中在開花期對青椒進行不同程度的水分虧缺并未引起其氣孔特征（氣孔密度、氣孔長度、氣孔寬度、氣孔周長和氣孔面積）較大的差異，表明不同生育期水分虧缺對青椒的影響機理也可能存在較大的差異。另外，本研究結果表明水分虧缺主要導致青椒氣孔長度和氣孔周長變化，而青椒葉片近軸面和遠軸面分布氣孔的個數存在非常明顯的區(qū)別，且該差異無論是在充分灌溉還是水分虧缺條件下均存在，表明青椒葉片近軸面與遠軸面氣孔密度的明顯差異主要是由物種本身的遺傳特性而決定。此外，本研究結果還顯示不同生育期和水分虧缺程度對青椒氣孔特征的變化產生了顯著的交互作用，表明今后在對青椒調虧灌溉時一定要充分考慮水分虧缺的時期和調虧的強度。

3.2 不同生育期調虧灌溉對青椒生長過程及生物量積累的影響

以往許多的研究發(fā)現，調虧灌溉可以使農作物在遭遇水分脅迫時減少水分的流失，以提高其對養(yǎng)分的吸收效率，從而促進植株的生長發(fā)育，在提高水分利用效率的同時還為提高作物產量奠定了物質基礎[35]。然而，另有一些研究結果表明，農作物在不同生育期內經歷嚴重的水分脅迫還可能在很大程度上限制光合和呼吸等關鍵生理過程[36]，并進一步導致作物的生長速度減緩，最終造成植株生物量和糧食產量的降低[37]。農作物在不同生育期對水分虧缺的敏感程度存在較大差異，故調虧灌溉的關鍵是在不同的作物生育期對其進行恰當的水分虧缺處理。例如，馮惠玲[38]認為，盡管玉米苗期輕度調虧對其產量產生的影響不顯著，但在拔節(jié)期進行重度調虧卻導致玉米產量和水分利用效率明顯降低。李明陽等[20]的研究結果也表明，輕度水分虧缺不會影響大豆的干物質積累和產量，但隨著水分虧缺程度的加重，大豆植株干重和產量均降低。由此可見，不同生育期水分脅迫對青椒生物量和產量的影響機理極其復雜，尚存在較大的不確定性，且并沒有形成一致的結論。筆者認為，本研究中青椒生長發(fā)育的初期耗水量較小，輕度的水分虧缺可能誘導其提前經受干旱鍛煉，有利于激發(fā)其潛在的抗旱能力，促使青椒根系發(fā)育并向深層土壤下扎，為應對外界環(huán)境變化進行營養(yǎng)分配調控，從而在后期復水的條件下提高青椒的生物量累積。與之相反，在青椒的生長中期階段（開花期），植株生長旺盛，需水量較大，而短期的輕度水分虧缺也將會影響作物的關鍵生理過程，對其產生致命的傷害，造成青椒的花朵脫落，即使后期復水也無法彌補干旱脅迫對青椒產量造成的嚴重后果。然而，白偉等[39]對開花期大豆進行調虧灌溉時發(fā)現，水分虧缺使大豆葉面積和生物量均發(fā)生顯著變化，且后期復水對大豆的生長過程具有明顯的補償效應。在本研究中，盡管苗期重度水分虧缺青椒的株高、莖粗和葉面積增長速度均不是最快，但苗期重度水分虧缺條件下青椒的地上生物量和地下生物量均為最高，表明苗期適度水分虧缺為后期青椒生物量的積累奠定了前提基礎。另外，脫落酸（ABA）作為一種重要的信號分子，在農作物響應干旱脅迫的過程中扮演者非常重要的作用[40]。以往研究已經證實，水分虧缺可以誘導作物體內ABA 含量的增加[41]，同時打開細胞信號轉導通路，進一步調控氣孔的開度，降低葉片水分蒸騰，從而提高農作物的水分利用效率[42]。例如，李昱鵬[43]的研究發(fā)現，梨棗果實成熟期進行水分脅迫可以顯著提高桶栽梨棗的水分利用效率。本研究中青椒苗期輕度水分虧缺時葉片的水分含量顯著降低，而苗期重度水分虧缺條件下的葉片含水率顯著高于輕度水分虧缺，暗示可能是水分虧缺條件下誘導的ABA在一定程度上提高了青椒的水分利用效率。

4 結 論

本研究利用大田試驗研究了不同生育期水分虧缺對青椒氣孔特征、生長過程和生物量的影響機理，得到如下結論。

（1）苗期水分虧缺可以顯著增加青椒的氣孔密度和氣孔寬度，而花期水分虧缺卻并未對青椒的氣孔特征產生顯著影響。

（2）充分灌溉條件下青椒的株高和莖粗在整個生長期內均明顯高于水分虧缺處理，而花期水分虧缺處理下青椒的葉面積指數最高。

（3）苗期重度水分虧缺條件下青椒的生物量最高，故苗期重度調虧應為適宜青椒生長的最佳調虧灌溉模式。