微咸水灌溉下冬小麥光合作用與光響應(yīng)曲線模擬

龐桂斌 張立志 叢 鑫 潘維艷 徐征和,4 徐俊增

(1.濟南大學水利與環(huán)境學院， 濟南 250022； 2.山東省地下水數(shù)值模擬與污染控制工程技術(shù)研究中心， 濟南 250022；3.山東省水利科學研究院， 濟南 250014； 4.山東省生態(tài)固碳與捕集利用工程技術(shù)研究中心， 濟南 250022；5.河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院， 南京 210098)

0 引言

開發(fā)利用微咸水資源，對于緩解淡水資源短缺、擴大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)有著極其重要的作用。微咸水用于灌溉，在提供作物生長所需水分的同時，也給土壤帶入大量鹽分[1-2]。目前的研究主要關(guān)注微咸水灌溉方法及其水土環(huán)境效應(yīng)、作物影響等方面，包括灌溉技術(shù)[3-5]、灌溉制度[6-7]、灌溉水質(zhì)[8]、土壤水鹽運移[9-11]、土壤理化性質(zhì)[12-13]、地下水環(huán)境[14]、作物生長和產(chǎn)量品質(zhì)[15-17]等，積累了較多的經(jīng)驗，而微咸水灌溉對不同作物生長影響的內(nèi)在機理及作物遭受鹽分脅迫后的調(diào)節(jié)機制仍需進一步研究。微咸水灌溉導致土壤含鹽量增加，勢必會影響土壤溶液的滲透勢，從而會改變土壤水分的有效性，可能會引發(fā)生理干旱，同時土壤-植物根系-植物葉片水勢梯度的變化，會誘導葉片細胞膨壓的改變，導致氣孔導度、蒸騰作用和光合特性等生理指標的調(diào)節(jié)與適應(yīng)，從而對光合產(chǎn)物積累及其在根、莖、葉和籽粒間的分配產(chǎn)生顯著影響[18-20]，因此微咸水灌溉下的作物生理響應(yīng)規(guī)律及其適應(yīng)機制有待進一步深入研究。

光合作用是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力的決定性因素，是作物育種、栽培以及作物應(yīng)對環(huán)境脅迫領(lǐng)域研究的重要指標。為了定量研究作物光合速率對光照強度的響應(yīng)特征，國內(nèi)外學者通過建立光響應(yīng)模型，例如直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型、直角雙曲線修正模型等[21-22]，模擬得出反映作物光合生理生態(tài)過程的基礎(chǔ)參數(shù)，學者們還對不同水肥調(diào)控、逆境脅迫下的多種作物進行光響應(yīng)曲線模型的比較研究[23]，但針對冬小麥在微咸水灌溉條件下的光響應(yīng)特征相關(guān)研究報道相對較少。以往的研究表明，修正的直角雙曲線模型克服了其他幾類模型無法直接獲得植物的最大凈光合速率和飽和光照強度等指標的缺陷，可以直接求得最大凈光合速率、光補償點和飽和光照強度等參數(shù)，而且其參數(shù)擬合效果較好[24]。本文以黃河三角洲地區(qū)的主要灌溉糧食作物冬小麥作為研究對象，選擇直角雙曲線修正模型[25]，研究微咸水灌溉條件下抽穗期和開花期冬小麥旗葉的光合作用及光響應(yīng)特征，揭示微咸水灌溉下冬小麥的光合生理響應(yīng)規(guī)律與調(diào)節(jié)機制，為該類地區(qū)制定較為合理的微咸水灌溉策略提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山東省濱州市沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)張王二村(圖1a)，地處韓墩引黃灌區(qū)的梢段，北緯37°34′，東經(jīng)117°45′，屬于暖溫帶季風氣候區(qū)，大陸性氣候特征明顯，四季差別顯著。年平均日照時數(shù)為2 690.3 h，年平均氣溫12℃，年平均降水量575.5 mm，年內(nèi)降水量季節(jié)分配不均勻，年均蒸降比為3.22，易造成地下水上升，土壤返鹽，形成土壤鹽堿化。試驗區(qū)地下水位埋深在2～3 m，淺層地下水礦化度為5～10 g/L。試驗區(qū)0～40 cm土壤平均含鹽量為2.11 g/kg，按照土壤鹽漬化分布等級[26]，屬于中度鹽堿地。根據(jù)土壤粒徑分析，0～20 cm為壤土，20～40 cm為砂質(zhì)壤土，40～60 cm為砂質(zhì)壤土，60～80 cm為壤質(zhì)砂土，80～100 cm為壤土，土壤理化性質(zhì)見表1。2015—2016年小麥生育期內(nèi)降雨總量為139.1 mm，2016—2017年小麥生育期內(nèi)降雨總量為117.5 mm，如圖2所示。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)Tab.1 Soil physical and chemical properties of experimental area

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置 2 種灌溉處理(微咸水和淡水處理(對照處理))，每個處理設(shè)3次重復，共6個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為18 m2(6 m×3 m)(圖1b)。為避免側(cè)滲干擾，小區(qū)之間設(shè)置0.5 m隔離帶和1.5 m深塑料薄膜。供試作物為冬小麥，2015—2016年生長季播種日期為2015年10月8日，次年6月13日收獲，生育期為249 d，2016—2017年生長季播種日期為2016年10月8日，次年6月12日收獲，生育期為248 d。其他措施與常規(guī)大田生產(chǎn)相同，并保持所有處理一致。

微咸水灌溉所用水源來自試驗區(qū)淺層地下水，經(jīng)咸水淡化裝置淡化處理后的礦化度低至0.20～0.23 g/L，直接作為淡水水源。將處理后的淡水和抽取的地下咸水儲存在蓄水池進行充分混合，將礦化度調(diào)至3 g/L，作為微咸水灌溉水源。根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥幼苗期對鹽分比較敏感[27]，因此在灌溉試驗設(shè)計時返青-拔節(jié)期間使用淡水。中后期采用了拔節(jié)-抽穗期和抽穗-灌漿期灌溉微咸水的組合方案，2016年分別于3月11日、4月21日和5月15日進行灌溉，2017年分別于3月15日、4月23日和5月12日進行灌溉。具體灌水方案見表2。

表2 冬小麥微咸水灌溉方案Tab.2 Brackish water irrigation scheme of winter wheat mm

1.3 觀測內(nèi)容與方法

土壤含鹽量：采用對角線(三點法)取樣，在返青后各個生育期和灌溉后采用取土鉆分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm層土壤，參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》，采用水土質(zhì)量比為5∶1的土壤浸提液滴定法測定各鹽分離子含量，并計算出相應(yīng)的土壤全鹽含量。

光合特性：采用英國ADC公司生產(chǎn)的LCpro-SD型便攜式光合作用儀，測量冬小麥葉片凈光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr，mmol/(m2·s))、氣孔導度(Gs，mol/(m2·s))、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)，大氣CO2濃度(Ca，μmol/mol)等生理指標。在冬小麥抽穗期、開花期、灌漿期和乳熟期選擇典型晴好天氣，沿小區(qū)對角線選擇3片旗葉，于08:00—16:00每隔2 h進行測定。

光響應(yīng)特征曲線：在拔節(jié)期微咸水灌溉后的抽穗期和開花期，選擇典型晴好天氣，在觀測日的10:00—12:00期間，采用LCpro-SD便攜式光合作用儀，測定冬小麥旗葉的光響應(yīng)特征。測定時利用人工光源自動控制光合有效輻射通量密度，分別設(shè)定為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)(共13個梯度)，每個光照強度梯度下測定時間為120 s。光響應(yīng)特征曲線模擬采用直角雙曲線修正模型，模型表達式為

(1)

式中Pn(I)——凈光合速率函數(shù)

α、β、γ——系數(shù)

I——光合有效輻射，μmol/(m2·s)

Rd——植物的暗呼吸速率，μmol/(m2·s)

模型特征參數(shù)的計算方法參照文獻[24]。

氣孔限制值[28](Ls，%)計算公式為

Ls=(Ca-Ci)/Ca×100%

(2)

1.4 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計分析和顯著性檢驗采用IBM SPSS Statistics 22.0完成，非線性模型模擬參數(shù)求解采用1stopt 1.5專業(yè)版完成，圖表繪制采用Microsoft Excel 2013完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水灌溉對土壤鹽分的影響

返青期兩個處理采用淡水灌溉，土壤鹽分經(jīng)水分淋洗向下運移，鹽分下降明顯。至拔節(jié)期灌溉前，土壤含鹽量變化較小，返鹽不明顯。拔節(jié)期灌溉后，淡水處理土壤含鹽量進一步下降，微咸水處理由于鹽分進入土壤，土壤表層含鹽量增加。由圖3可知，在2016、2017年0～20 cm土壤含鹽量分別增加0.8、0.49 g/kg；20～40 cm土壤含鹽量分別增加0.92、0.05 g/kg。至冬小麥灌漿期灌溉前，氣溫升高，土壤水分蒸發(fā)加強，各處理均出現(xiàn)不同程度的返鹽。灌漿期灌溉后，兩年的淡水處理土壤淺層(0～40 cm)土壤全鹽含量分別下降至2.25、2.28 g/kg，微咸水灌溉處理土壤淺層(0～40 cm)全鹽含量分別上升了1.68、2.67 g/kg。從整個生育期來看，與淡水處理相比，2016、2017年微咸水灌溉導致淺層(0～40 cm)土壤含鹽量顯著增加了37.8%和64.3%，而深層(40～60 cm)土壤含鹽量分別增加了9.1%和減少了8.3%，變化不顯著(p>0.05)。此外，該區(qū)域自4月下旬開始，降雨逐漸增多，可以對鹽分進行淋洗，降低土壤含鹽量，減輕微咸水灌溉對作物生長的影響以及下茬輪作種植的影響。

2.2 微咸水灌溉對冬小麥蒸騰速率的影響

選取拔節(jié)期灌溉后典型日08:00—16:00期間5個時刻測定的冬小麥葉片蒸騰速率，分析微咸水灌溉對冬小麥葉片蒸騰速率日變化的影響(圖4)。

由圖4可以看出，冬小麥葉片蒸騰速率日變化呈現(xiàn)出“單峰型”(2017年5月12日)和“雙峰型”(2016年5月1日、2016年5月10日、2017年5月1日)的變化規(guī)律，“單峰型”在12：00左右達到峰值，由于當天午間為多云天氣，氣孔蒸騰在午間仍然保持在較高水平。 “雙峰型”在10：00左右達到第1個峰值，在12：00左右有所下降，到14：00左右達到第2個峰值，這是由于在光照較為強烈的午間，作物為了控制自身失水過多關(guān)閉了部分氣孔，導致蒸騰速率的下降。

不同灌溉處理的差異明顯，微咸水灌溉處理冬小麥葉片蒸騰速率日均值均低于淡水處理，2016年和2017年抽穗期分別降低了19.1%和31.4%，處理間差異顯著(p<0.05)，而2016年和2017年開花期分別降低了11.6%和11.0%，處理間差異并不顯著。由2.1節(jié)可知，拔節(jié)期微咸水處理灌后0～40 cm表層土壤含鹽量較灌溉前增加了73.3%(圖3)，微咸水灌溉使得土壤含鹽量上升，土壤溶液的滲透勢隨之增長，降低了土壤水分的有效性，土壤-根系-葉片的水勢梯度減小，引起部分氣孔關(guān)閉，冬小麥葉片的蒸騰速率下降。但是隨著時間推移，微咸水灌溉對作物蒸騰速率的負面影響在降低，這與作物自身對鹽分的適應(yīng)調(diào)節(jié)機制及土壤水分等因素有關(guān)。

2.3 微咸水灌溉對冬小麥凈光合速率的影響

分析冬小麥葉片凈光合速率的日變化規(guī)律(圖5)可以看出，日變化趨勢不盡相同，有的呈現(xiàn)“單峰型”曲線變化，有的呈現(xiàn)“雙峰型”曲線變化，還有的呈現(xiàn)“下降型”變化趨勢，這是由于光合速率受作物自身、土壤水鹽以及氣候環(huán)境等因素的綜合影響所致。但是可以看出，一天當中凈光合速率的最高值出現(xiàn)在午前，而作物午間受到強光照射脅迫時出現(xiàn)了“光合午休”的現(xiàn)象，這與前人的研究結(jié)果一致[29]。

比較兩種灌溉處理的凈光合速率的日變化差異可以看出，在2016年的抽穗期和開花期，12：00之前，微咸水灌溉處理的凈光合速率較淡水處理降低了9.7%和7.7%，在12：00之后，微咸水灌溉處理的凈光合速率出現(xiàn)反彈，而微咸水灌溉處理凈光合速率日均值僅降低了0.8%和0.9%。2017年抽穗期和開花期，兩種灌溉處理也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，只是微咸水灌溉處理高于淡水處理的時間提前到10：00，計算凈光合速率日均值可以發(fā)現(xiàn)，微咸水灌溉處理較淡水處理增加了8.3%和3.5%，處理間差異并不顯著(p>0.05)，這也表明微咸水灌溉并沒有顯著降低冬小麥抽穗開花期葉片凈光合速率，反而提高了葉片午后的光合效率，可見鹽分處理的作物在高溫和強光下具有更高的光合速率[19]。

2.4 微咸水灌溉對冬小麥氣孔限制值的影響

冬小麥葉片光合作用主要受氣孔因素和非氣孔因素影響，在不同的條件下占主導地位的因素不同[30]。分析不同灌溉處理下的冬小麥氣孔限制值變化規(guī)律(圖6)可知，抽穗期(2016年5月1日、2017年5月1日)和開花期(2016年5月10日、2017年5月12日)，微咸水灌溉處理葉片氣孔限制值在午前部分時段(2016年5月1日、2017年5月12日)出現(xiàn)了低于淡水處理的現(xiàn)象，有部分時段(2016年5月10日、2017年5月1日)出現(xiàn)了高于對照的現(xiàn)象，而午后均表現(xiàn)為高于淡水處理的趨勢，不同灌溉處理之間的對比差異與光合速率變化規(guī)律類似。這表明了微咸水灌溉處理午前葉片凈光合速率的下降受到氣孔因素和非氣孔因素的共同影響，而午后凈光合速率的增加均伴隨著較高的氣孔限制值，可能是由于適度的鹽分脅迫反而促進了根系下扎，延緩了葉片衰老，改善了葉肉細胞光合活性和葉片的光合能力，提高了胞間CO2的利用，使胞間CO2濃度降低，從而減少了非氣孔因素對光合作用的限制。

2.5 微咸水灌溉下冬小麥光響應(yīng)曲線模擬

由表3可以看出，光響應(yīng)曲線模擬的相關(guān)系數(shù)達到0.997～0.999，說明了直角雙曲線修正模型可以較好地模擬冬小麥葉片凈光合速率對于光合有效輻射的響應(yīng)關(guān)系。

表3 不同灌溉處理冬小麥抽穗開花期光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Tab.3 Winter wheat leaf photosynthetic light response characteristics parameters at heading and flowering stages under different irrigation treatments

與淡水處理相比，2016年和2017年微咸水處理冬小麥抽穗期最大凈光合速率Pnmax增加了2.27、1.12 μmol/(m2·s)，光飽和點(LSP)增加了29.27、15.07 μmol/(m2·s)，光補償點(LCP)降低了19.38、7.87 μmol/(m2·s)；冬小麥開花期Pnmax增加了1.58、1.83 μmol/(m2·s)，LSP增加了70.11、19.9 μmol/(m2·s)，LCP降低了4.63、18.8 μmol/(m2·s)。說明微咸水灌溉改善了冬小麥的光合作用能力，增強了冬小麥對于強光和高溫的適應(yīng)能力，同時利用弱光的能力也有所提升。從不同灌溉處理內(nèi)稟量子效率φ0和光補償點處量子效率φc的對比也可以發(fā)現(xiàn)，抽穗期微咸水處理均高于淡水處理，而到開花期兩個處理幾乎一致，可見微咸水灌溉并未抑制冬小麥把光能轉(zhuǎn)化為凈能量的能力和利用光能的潛能，部分生育階段甚至優(yōu)于對照。同時，與淡水處理相比，2016年和2017年微咸水處理冬小麥抽穗期的暗呼吸速率Rd分別降低了0.96、3.33 μmol/(m2·s)，微咸水處理冬小麥開花期Rd分別降低了1.53、5.17 μmol/(m2·s)，較低的暗呼吸速率可以保證較快的干物質(zhì)累積，一定程度促發(fā)了冬小麥利用光能的潛力。

光響應(yīng)曲線反映植物光照強度與光合速率間的變化規(guī)律，是評價植物光合能力的重要手段[31]。如圖7所示，在低光照強度(0～200 μmol/(m2·s))下，無論是淡水處理還是微咸水處理，冬小麥葉片凈光合速率均隨著光照強度的增加而近乎直線上升，而且微咸水處理的上升速率略快于淡水處理；在中光照強度(200～800 μmol/(m2·s))下，不同處理的凈光合速率的增加變緩；在高光照強度(>800 μmol/(m2·s))下，冬小麥葉片凈光合速率達到最大值，然后隨著光照強度的增加凈光合速率趨于穩(wěn)定，甚至略有下降的趨勢。但是在不同的光照梯度下，無論是抽穗期還是開花期，微咸水處理的凈光合速率均呈現(xiàn)略高于淡水處理的現(xiàn)象，這也進一步驗證了2.3節(jié)中自然光照條件下，微咸水灌溉并未明顯抑制冬小麥凈光合速率的研究結(jié)果。

3 討論

一般認為，灌溉水中的鹽分會對作物產(chǎn)生毒害，如降低膨壓、減小細胞擴張速度、破壞葉綠體等，從而導致生長速度和光合作用降低，最終對干物質(zhì)積累和產(chǎn)量產(chǎn)生不良影響[32]。張余良等[33]研究了微咸水灌溉對小麥生理特性及產(chǎn)量的影響，在灌水量900 m3/hm2條件下，與淡水相比，礦化度3.5 g/L微咸水灌溉時，蒸騰速率和氣孔導度分別下降了18.8%和22.5%，光合速率卻沒有降低，而灌入礦化度4.5 g/L微咸水時，光合速率下降了19.7%。史海濱等[19]對不同鹽分處理對向日葵光合速率的影響研究表明，隨著灌溉水鹽分含量的增加，根系吸收水分的能力降低，葉片的蒸騰速率隨之下降，同時12：00之前受到氣孔限制的光合速率降低，而12：00后的光合速率和氣孔限制值高于低鹽處理。微咸水灌溉后土壤含鹽量增加，土壤溶液的滲透勢隨之增長，降低了土壤水分的有效性，土壤-根系-葉片的水勢梯度減小，引起部分氣孔關(guān)閉，導致了葉片氣孔導度和蒸騰速率下降[33]。本研究在微咸水灌溉冬小麥的試驗中也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。作物光合速率的變化受到氣孔因素和非氣孔因素的影響，本研究表明，微咸水灌溉降低了冬小麥12：00之前光合速率，抽穗期和開花期光合速率的下降主要是受到氣孔因素和非氣孔因素的共同影響，12：00之后微咸水處理冬小麥光合速率出現(xiàn)高于對照的情況，同時也伴隨著較高的氣孔限制值，主要是由于非氣孔因素的改善所致，具體的非氣孔因素還有待進一步研究。

郭麗等[31]通過長期的微咸水灌溉試驗發(fā)現(xiàn)，礦化度控制在1.8 g/L咸淡混灌和3.6 g/L咸水與淡水輪灌處理并未導致產(chǎn)量及光合作用下降，此外，采用非直角雙曲線方程對光響應(yīng)曲線進行擬合得出，最大凈光合速率、表觀光量子效率、光飽和點、光補償點和暗呼吸效率均沒有顯著差異。本研究表明，無論是抽穗期還是開花期，在人工光源不同的光照強度梯度下，微咸水處理的凈光合速率略高于淡水處理，同時，通過直角雙曲線修正模型擬合可得，光補償點和暗呼吸速率略有降低，但是最大凈光合速率、表觀光量子效率和光飽和點卻呈現(xiàn)出超過淡水處理的現(xiàn)象，這與郭麗等[31]的研究結(jié)果相類似但有所差異，說明3 g/L微咸水灌溉改善了抽穗開花期冬小麥的光合作用能力，增強了冬小麥對于強光和高溫的適應(yīng)能力，同時利用弱光的能力也有所提升，表現(xiàn)出更高的光合效率。這可能是由于試驗田初始含鹽量并不高，短時間內(nèi)微咸水帶入土壤的鹽分含量較少，不足以對作物生長和光合作用造成明顯的影響。一般利用微咸水灌溉的前1～3年，可能出現(xiàn)比淡水灌溉更有利于作物生長的現(xiàn)象，隨著微咸水灌溉年限延長，土壤鹽分逐步增加，對作物生長影響的負面作用逐步顯現(xiàn)[34]。此外，采用不同光響應(yīng)曲線模型進行特征參數(shù)擬合，也可能會表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，相關(guān)的研究結(jié)論需進一步的試驗驗證。

4 結(jié)論

(1)微咸水灌溉將鹽分帶入土壤，導致土壤淺層(0～40 cm)的含鹽量增加，但對深層(60～100 cm)土壤含鹽量的影響較小，對作物生長產(chǎn)生一定的影響。抽穗期和開花期，淡水處理(礦化度0 g/L)和微咸水處理(礦化度3 g/L)冬小麥葉片蒸騰速率日變化呈現(xiàn)出“單峰型”和“雙峰型”的變化規(guī)律，微咸水灌溉后土壤含鹽量增加，降低了土壤水分的有效性，引起部分氣孔關(guān)閉，導致了葉片蒸騰速率下降；冬小麥光合速率及氣孔限制值日變化規(guī)律表明，與淡水處理相比，微咸水灌溉降低了冬小麥午前光合速率，光合速率的下降主要是受到氣孔因素和非氣孔因素的共同影響，午后微咸水處理冬小麥光合速率的增加卻伴隨著較高的氣孔限制值，主要是由于非氣孔因素的改善所致。

(2)在人工光源不同的光照強度梯度下，無論抽穗期還是開花期，微咸水處理冬小麥葉片凈光合速率均超過了淡水處理，引入直角雙曲線修正模型對光合特征參數(shù)進行擬合得出，2016年和2017年微咸水處理冬小麥抽穗期Pnmax增加2.27、1.12 μmol/(m2·s)，LSP增加29.27、15.07 μmol/(m2·s)，LCP降低了19.38、7.87 μmol/(m2·s)，Rd降低了0.96、3.33 μmol/(m2·s)；2016年和2017年冬小麥開花期Pnmax增加了1.58、1.83 μmol/(m2·s)，LSP增加了70.11、19.9 μmol/(m2·s)，LCP降低了4.63、18.8 μmol/(m2·s)，Rd降低了1.53、5.17 μmol/(m2·s)。說明微咸水處理較淡水處理表現(xiàn)出更高的光合效率，不但增強了抽穗開花期冬小麥對于強光和高溫的適應(yīng)能力，同時也提升了冬小麥利用弱光的能力，一定程度促進了冬小麥利用光能的潛力。