集水槽法對大豆光合特性及產量的影響

劉小榮 ，劉學義 ，任小俊 ，任海紅 ，趙晶云 ，呂新云 ，周 偉 ，馬俊奎

（1.山西農業大學經濟作物研究所，山西太原030031；2.汾陽市氣象局，山西汾陽030022）

大豆（Glycine max（L.）Merr.）是重要的糧、油、飼兼用作物，需求量日益增大[1]。大豆是需水量較大的作物[2-3]，水分利用效率低[4]，大豆生產極易受到干旱脅迫的影響，尤其是生殖生長期，對水分脅迫最為敏感，此時受到干旱脅迫，大豆群體的葉面積指數、葉綠素含量和凈光合速率等光合生理指標均會受到不同程度的影響，導致產量下降[5-6]。據統計，由于干旱造成的減產約占大豆產量損失的40%[7-8]。遺傳研究表明，作物抗旱性是可遺傳的，對其進行定向選擇是有效可行的[9]。因此，選育抗旱大豆品種是發展干旱、半干旱地區大豆生產的有效途徑，但首要任務是對現有的種質資源做出準確評價[1]。

目前，農作物抗旱性鑒定主要采用大田鑒定和實驗室鑒定，大田鑒定作物抗旱性獲得的結果更接近大田生產[10]。大田鑒定有在特別干旱地點（如甘肅省敦煌市）進行抗旱性鑒定和利用旱棚等手段進行抗旱性鑒定2 種[11]，特別干旱地點進行抗旱性鑒定由于地域及作物生育期差異等原因，不便于使用；旱棚內抗旱鑒定因連作條件下土壤致病因子、光照、溫度及濕度等影響，造成鑒定結果誤差較大。

山西省氣候干旱，為培育耐旱大豆品種提供了得天獨厚的有利條件。山西農業大學經濟作物研究所大豆研究室通過對抗旱鑒定方法不斷研究改進，2014 年研制成功利用集水槽法對大豆進行抗旱性鑒定的方法[12]，即旱處理將集水槽（直徑0.25 m PVC落水管改造而成）放置于大豆行間，通過收集1/2的自然降雨，創造水分脅迫環境，最終與充足供水的水處理比較，計算出不同品種的抗旱等級。5 a 來大豆研究室利用集水槽法對全國4 000 余份大豆種質資源進行了抗旱性鑒定。

本研究旨在通過試驗，初步掌握集水槽法抗旱性鑒定對土壤含水量和不同抗旱性大豆品種的光合特性、農藝性狀及產量的影響，明確大豆抗旱的重要性狀，為培育抗旱大豆新品種積累資料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

從2017 年山西農業大學經濟作物研究所大豆課題組為全國做的1 300 份大豆品種抗旱性鑒定材料里選擇5 個抗旱級別（高度抗旱、抗旱、中度抗旱、敏感、高度敏感）的大豆品種（泛豆9 號、汾豆103、中黃 78、山大 1 號、周 11005-10-4-6），加上對照晉豆21[13]（1 級高度抗旱品種），共6 份材料。

集水槽采用直徑25 cm 的建筑工程用PVC 落水管，將落水管用電割刀刨成兩半，成槽形狀，兩端涂膠水用PVC 配套堵頭封口，保證集水槽不滲漏。

1.2 試驗地概況

試驗于2018 年在汾陽市山西農業大學經濟作物研究所試驗農場抗旱鑒定田進行。該地位于北緯37°14′，東經 111°47′，平均海拔 782 m，屬于溫帶季風氣候區，年均溫度10.1 ℃，年降水量483 mm，年均無霜期183.5 d，年均日照時數在2 598 h 左右。光熱資源較為充足，灌溉農業，有利于農作物生長。

1.3 試驗設計

2018 年 5 月 3 日播種，6 月 2 日放置集水槽處理。試驗設置正常供水和集水槽收集雨水2 種處理。隨機區組設計，一個小區（3 m×4 m）種植6 個品種，每個品種種植1 行，行距0.5 m，每個處理重復3 次。邊行為保護行。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 光合特性測定 用便攜式光合儀（美國PP SYSTEMS TARGAS-1）分別在盛花期及鼓粒期測定大豆植株的葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間 CO2濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）等光合指標，每個處理重復3 次。

1.4.2 土壤含水量測定 擺放集水槽后，利用便攜式水分測定儀（美國Spectrum TDR100）在大豆植株主莖處每隔5 d 測定一次地下10 cm 的土壤含水量，到收獲期結束測量。

1.4.3 收獲考種 大豆成熟后，挑選密度均勻、生長正常的植株連續拔取5 株，對大豆植株的生物產量、株高、主莖節數、單株粒數、單株產量、底莢高、百粒質量及分枝數等性狀進行室內考種。

1.5 數據分析

數據采用SPSS 17.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 集水槽對大豆葉片光合特性的影響

從圖1 可以看出，鋪設集水槽處理大豆植株受干旱脅迫，葉片凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度均明顯下降，而大豆植株葉片的胞間二氧化碳濃度受集水槽的影響較小。周11005-10-4-6、山大1 號、中黃78 這3 個大豆品種植株葉片的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度受集水槽影響較大。汾豆103、泛豆9 號和晉豆21 這3 個大豆品種葉片的凈光合速率和蒸騰速率受集水槽影響較小。

2.2 集水槽對大豆田間土壤含水量的影響

由圖2 可知，在大豆植株苗期及花期，集水槽處理土壤含水量比正常供水顯著降低，且始終保持較低水平，尤其是6 月26 日供水后，正常供水土壤含水量高達77.9%，集水槽土壤含水量為22.1%。在大豆植株的結莢期和鼓粒期，2 個處理間的土壤含水量無顯著差異，但正常供水處理普遍高于集水槽處理。9 月1、26 日，雨水充足，正常供水土壤含水量顯著增加，集水槽處理土壤含水量分別為18%、17.7%。

2.3 集水槽對大豆植株農藝性狀的影響

由表1 可知，與正常供水處理相比，鋪設集水槽，晉豆 21、周 11005-10-4-6、山大 1 號、中黃 78和汾豆103 的株高顯著降低，分別降低13.0%、13.4%、19.5%、27.6%、14.3%，泛豆 9 號大豆植株株高在干旱條件下無明顯變化。

表1 集水槽對不同大豆農藝性狀的影響

鋪設集水槽對泛豆9 號和汾豆103 大豆植株的底莢高影響顯著，對晉豆21、周11005-10-4-6、山大1 號和中黃78 大豆植株的底莢高無顯著影響。不同大豆品種集水槽處理的主莖節數及分枝數均減少，但無顯著差異。

與正常供水相比，集水槽處理下不同大豆品種植株的單株粒數及百粒質量顯著下降，其中，周11005-10-4-6、山大1 號、中黃78 的單株粒數分別下降了57.8%、66.0%、67.3%。晉豆21、汾豆103 和泛豆9 號的單株粒數分別下降了12.7%、32%、39.3%。集水槽處理下，不同品種大豆植株的產量呈下降趨勢，周 11005-10-4-6、山大 1 號、中黃 78 號大豆產量分別下降63.5%、64.9%、53.7%；汾豆103、泛豆9 號和晉豆21 大豆產量分別下降41.0%、35.8%、24.3%。

3 結論與討論

作物抗旱性是指作物在土壤干旱條件下生存和形成產量的能力，是作物本身的遺傳特性及外部環境條件共同作用的結果[14]。馬俊奎等[12]研究發現，大豆行間放置集水槽能降低土壤含水量。本研究發現，在大豆行間放置集水槽收集雨水后，土壤含水量比正常供水顯著降低，在大豆植株苗期供水后，土壤含水量可高達77.9%，而集水槽土壤含水量僅為22.1%。在大豆整個生長期，鋪設集水槽的土壤含水量維持較低水平，可有效地鑒定其抗旱性。

王磊等[15]研究表明，大豆開花期受干旱脅迫，凈光合速率顯著降低。光合作用的強弱是判定植物抗旱能力的重要指標，抗旱大豆比不抗旱大豆的光合能力有顯著優勢[16]。本研究發現，鋪設集水槽大豆植株受干旱脅迫，葉片凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度均明顯下降，胞間二氧化碳濃度無顯著變化。敏感和高度敏感大豆植株葉片的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度受集水槽影響顯著?？购岛透叨瓤购灯贩N植株葉片的凈光合速率和蒸騰速率受集水槽影響較小。這說明抗旱能力強的品種在受到干旱脅迫后，其光合特性可能通過調節氣孔關閉、減少水分蒸騰實現抗旱。

大豆抗旱性在干旱脅迫下的表現受多種因素的影響，產量表現受品種本身遺傳因素的影響，同時也存在基因和環境的互作，是多因素、多機制、復雜的數量性狀作用的結果[17]。大豆株高、分枝數、單株莢數、單株粒質量與抗旱性呈正相關，干旱脅迫下，大豆植株矮小，分枝數少，單株莢數減少、單株粒質量減輕、產量降低[18]。馬俊奎等[12]研究發現，鋪設集水槽后，土壤含水量降低，即大豆植株受到干旱脅迫，大豆株高、主莖節數、單株粒數和單株產量顯著降低，但大豆植株分枝數、結莢高度差異不顯著。本研究發現，鋪設集水槽后不同品種的大豆株高、主莖節數、單株粒數和產量均降低，但抗旱大豆品種，如晉豆21、泛豆9 號和汾豆103，受干旱影響較小，中度抗旱和敏感品種大豆，如周11005-10-4-6、山大1 號、中黃78 號植株性狀受干旱影響顯著；大豆植株的底莢高、分枝數受干旱影響較小。

綜上所述，集水槽法是有效的鑒定大豆抗旱性的方法，鋪設集水槽收集雨水，土壤含水量降低；在大豆盛花期及結莢期，可能主要影響大豆植株的光合特性，導致大豆植株矮小，主莖節數減少，單株粒數降低，進而導致產量降低。抗旱大豆品種可能通過維持較高的光合水平，調節氣孔關閉、減少水分蒸騰，以保證大豆植株株高、主莖節數、單株粒數受干旱影響較小，在干旱條件下仍有較高產量。