交替灌溉對山黧豆葉片氣體交換和土壤水分以及產量指標的影響

樊憲偉，李 柯，司海燕，熊友才

(1 亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，生命科學與技術學院，廣西大學，南寧，530004；2 草地農業生態系統國家重點實驗室，生命科學學院，蘭州大學，蘭州，730000)

山黧豆(LathyrussativusL.)是一種分布范圍廣，具有多種優良生物學和農藝性狀的作物，如耐旱、耐澇、耐貧瘠、抗蟲、高產等[1-3]，適宜在半干旱土壤中生長。因此，在非洲、亞洲和歐洲的半干旱地區山黧豆作為一種耐旱的糧食作物被廣泛種植[1]。在不利于其他作物生長的環境條件下，例如，邊際地、低降雨量地區等，種植山黧豆仍可以收獲一定的產量，這為極端環境地區人們的生存提供了基本糧食保障，是一種保障人類糧食安全的替代性作物[4]。在全球氣候環境變化存在變數的情況下，這種適應性廣、營養豐富的作物應該受到更多的關注[3]。

干旱是植物生長發育過程中最易遭受到的脅迫，已成為限制世界農作物產量提高的重要因素。有關山黧豆對生物與非生物環境的響應機制已有諸多研究[5-8]。首先，為了適應干旱環境，山黧豆已形成了獨特的形態特征，如線型披針狀葉片，龐大的根系，分別通過減少蒸騰作用、葉面積和吸收深層土壤水分的方式減緩干旱脅迫的影響[9]。其次，通過調節生長代謝產物，如ABA等調控氣孔開度、氣孔密度等降低蒸騰速率[10-11]，同時通過大量積累滲透調節物質如脯氨酸、可溶性糖等來增強植株的保水性能。另外，采用現代生物學技術發掘抗旱脅迫基因的研究發現，山黧豆能夠調控干旱脅迫相關基因的表達和抗氧化酶編碼基因的表達增強自身干旱適應性[7,11-12]。此外，神經毒素β-ODAP可以為植物生長和種子發育提供氮源，在干旱脅迫下積累的β-ODAP能夠有效淬滅植物體內產生的活性氧，有助于植物提高耐旱能力[14-16]。

當前，全球40%的糧食生產依靠灌溉土壤，農業生產消耗了大量水資源，世界大部分地區農業用水達到淡水資源的70%[17]。與傳統的虧缺灌溉(full irrigation，FI)相比，交替部分根區灌溉(partial root drying，PRD)是節省水資源、提高水分利用效率和水分生產力的首選策略[18-19]。在玉米[20-22]、馬鈴薯[23]、西紅柿[24]等栽培中采用PRD技術均達到了節水的效果，提高了葉片的光合作用效率和氮的利用效率。那么，山黧豆在這種耕作實踐中是否能夠有效節省水分并維持良好的光合性能和產量特征？本研究采取壟溝種植技術，探究PRD模式對山黧豆的生長、根系發育、光合性能及產量特征的影響，以期為山黧豆的種植提供新的思路。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與處理

試驗于2005年春在蘭州大學干旱生態學榆中站遮雨棚中進行，土壤為堿性砂土，容重為1.15 g·cm-3。試驗采取隨機區組設計，采用壟溝栽培技術(圖1)，灌溉模式分為3種處理，即FI處理(在A、B區域同時補灌)、PRD處理(僅在A、B區域一側補灌，且交替進行)和NI處理(生長過程中A、B區域不補灌)。每種處理下的小區長為2.5 m，寬為1.5 m，3次重復。在播種前，按600 kg·hm-2KH2PO4和300 kg·hm-2NH4HCO3的用量進行施肥，并與表層土壤混勻，耙平后播種前灌水220 mm。待土壤松軟后起壟，其中壟寬15 cm，壟間距30 cm，即按15-30-15-30-15-30-15模式排列，4行區。采用人工穴播，株距15 cm，播種后3 d出苗，1周后間苗，每穴定苗2株，種植密度為340 980株/hm2。

當FI處理下的植株在中午出現大量葉片萎蔫(超過50%)的跡象時進行灌溉。PRD處理的灌水時間與FI處理相同，但每次的灌水量僅為FI處理的50%。灌溉用水由直徑為10 cm的管道供應，灌溉量由安裝在管道排放端的流量計控制。整個實驗在遮雨棚中進行，生長期間不計自然降雨，灌溉時間和灌溉量如表1所示。

1.2 觀測指標及方法

1.2.1 土壤水分含量為了避免土壤含水量分布不均的問題，在兩個壟溝之間均勻地線性分布了4個取樣點(圖1)。取樣時期分別為播種后0、36、68和102 d。采樣深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，取樣螺旋直徑2.5 cm。土樣通過烘箱(80 ℃)干燥至恒重后測定土壤含水量。

1.2.2 葉片氣孔交換參數采用便攜式氣孔儀(CIRA-1，PP-systems-Hitchin，Hertfordshire，UK)在播種后44、60和74 d時測定葉片光合作用相關的參數，即氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和凈光合速率(Pn)。測定在上午9:00～11:00進行，每種處理選擇10株山黧豆的成熟葉片測量，3次重復。根據凈光合速率與蒸騰速率的比值計算葉片的瞬時水分利用效率(WUEi =Pn/Tr)。

1.2.3 根系干重山黧豆收獲時，每個小區選擇10株山黧豆植株，在距離根系周圍10 cm處作為取樣點。過篩土壤樣本中的根系以收集根系樣本，置于樣品袋中，重復3次。然后105 ℃殺青30 min，并于75 ℃烘干至恒重稱量根系干重。

1.2.4 產量相關指標在山黧豆成熟后(即播種后110 d)，從每個小區中收獲20株植物，分別統計每個植株第一豆莢的高度、豆莢長度、豆莢數目、種子數；將收獲的地上部分和地下根系分別裝入牛皮紙袋中，于80 ℃烘箱中烘至恒重，稱量豆莢干重、種子產量和生物量干重。利用山黧豆地下根系與地上部分的干重比作為根冠比。

1.3 數據統計分析

數據選用SPSS軟件12.0的單因素方差分析程序，采用完全隨機模型對數據進行分析。統計分析通過Tukey檢測，P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 各灌溉處理對山黧豆生長過程中不同深度土壤水分的消耗特征

在不同灌溉處理下，土壤中0～100 cm深度的水分動態變化趨勢存在差異(圖2)。其中，在播種前，田間土壤灌水量為220 mm，保證3種灌溉處理FI、PRD和NI下的土壤濕潤均勻，土壤水分狀況良好；總的土壤含水量在0～20 cm處最高，在80～100 cm處最低，土壤含水量隨土層深度(0～100 cm)的增加呈明顯下降趨勢，且在0～100 cm深度范圍內3種處理無顯著性差異(圖2，A)。在播種后36 d時，3種灌溉處理下的土壤含水量呈整體下降趨勢，且0～20 cm深度的土壤水分含量急劇下降，與剛開始播種時土壤的含水量相比，FI、PRD和NI處理分別下降了58.8%、43.7%和38.8%；20～40 cm深度的土壤水分含量保持最高，但NI處理的土壤水分含量在3種處理中最低(圖2，B)。播種后68 d時，PRD和NI處理的土壤含水量始終明顯低于相同土層的FI處理；在0～20 cm深度時，PRD處理的土壤水分消耗量較大，土壤水分含量與NI處理間差異不顯著；在20～60 cm土層深度時，PRD處理的土壤水分含量高于NI處理；而在80～100 cm深度時，PRD處理的土壤水分含量低于NI處理(圖2，C)。播種后102 d時，由于接近山黧豆成熟期，近30天沒有灌溉，土壤中水分含量降到最低，PRD與FI處理之間水分含量差異不顯著，NI處理下0～40 cm深度的土壤水分含量最低，且始終低于相同土層PRD和FI處理(圖2，D)。

2.2 各灌溉處理下山黧豆葉片氣體交換參數和水分利用效率比較

圖3顯示，在3種灌溉模式下，山黧豆葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)在不同生長時期之間明顯不同，均隨著生育時期先升后降，并均在播種后60 d時達到最高，此時PRD處理下的凈光合速率相比FI處理降低了23.5%，NI處理則較FI處理降低了36.9%，而PRD處理下的WUE達到最高，較FI處理顯著提高了21.4%，NI處理下較FI處理提高了14.9%；在相同生育時期內，山黧豆葉片Pn、Tr、Gs均表現為FI處理始終極顯著高于同期PRD和NI處理，PRD處理又始終高于同期NI處理(圖3，A～C)。山黧豆葉片的WUEi在3種灌溉模式下均表現出逐漸上升趨勢，但變化并不顯著；在播種后44 d時，FI處理的WUEi最高，PRD和NI處理的WUEi相比FI處理顯著降低；播種后60 d時，處于山黧豆結莢期，需水量增大，適當干旱能夠提高葉片WUEi，此時FI處理的葉片WUEi最低，而PRD和NI處理顯著高于FI處理；播種后74 d時，葉片WUEi在3種灌溉處理之間差異不顯著(圖3，D)。

2.3 各灌溉處理下山黧豆根系生物量的分布特征

表2顯示，山黧豆的根系在FI、PRD和NI處理下分別有89.8%、86.9%和84.9%生長在0～20 cm的表層土壤中，干旱脅迫使PRD和NI處理下深層土壤中根系的比例提高到13.05%和15.07%。具體表現為，在0～20 cm深度的土層中，山黧豆根系干重表現為FI處理顯著高于PRD和NI處理，而其在PRD和NI處理之間沒有顯著差異；在20～40 cm土層深度的土壤中，山黧豆根系干重在3種處理之間均表現出顯著性的差異，且表現為NI處理最大，FI處理最小；在40～60 cm深度的土壤中，山黧豆根系干重仍以NI處理最大，并顯著高于FI和PRD處理，而后兩者之間無顯著差異；在60～80 cm深度的土壤中，山黧豆在PRD和NI處理下生長有更多的根系，根系干重分別占總根系的4.97%和5.76%，并顯著高于FI處理，而PRD和NI處理之間無顯著差異(表2)。

表2 不同灌溉模式下不同土壤深度中山黧豆根系干重的比較Table 2 Comparison of root dry mass of L. sativus in different soil depths under different irrigation modes

2.4 各灌溉處理下山黧豆產量相關指標的變化特征

表3顯示，山黧豆的籽粒產量在PRD處理下比FI處理顯著降低52.91%，NI處理又比PRD處理顯著降低20.53%，比FI處理大幅顯著降低62.58%。山黧豆的植株高度在PRD處理下也受到顯著影響，生長量約為FI處理的57%，幾乎與生長期NI處理的植株高度一樣；同時，3種灌溉模式下山黧豆第一豆莢高度、單株豆莢數目、單株籽粒數目的變化趨勢與植株高度一致。而山黧豆豆莢長度、豆莢重量和每莢豆粒重則沒有受到PRD處理的顯著影響，尤其是在NI處理條件下，豆莢長度和每莢豆粒重比FI和PRD處理顯著降低，而其豆莢重量卻與FI和PRD處理并沒有顯著區別。另外，山黧豆生物量也在灌溉模式間存在顯著差異。PRD和NI處理條件下山黧豆單株地上部和根系干重均顯著低于FI處理，而PRD和NI處理間無顯著差異；3種灌溉模式也顯著改變了植株的根冠比，并以NI處理最大，PRD處理次之，約為FI處理的2.1倍(表3)。

表3 不同灌溉處理下山黧豆產量相關指標的比較Table 3 Comparison of yield related indexes of L. sativus under different irrigation treatments

3 討 論

3.1 不同灌溉模式對山黧豆土壤水分與根系分布的影響

大多數作物在其生活史周期中經常遭受不同程度的水分脅迫，致使其生長、發育和最終產量受到不同程度影響。不同植物對水分脅迫響應存在明顯差異，但植物具有優先從根系周圍的濕潤區汲取水分，并采取增加濕潤區根系的生長量應對水分脅迫的策略。據報道，豌豆、鷹嘴豆、苜蓿等豆科植物根系在土壤剖面中比大豆根系生長的更深，這與植物根系能夠更好地利用儲存在土壤深處的水分相一致[19-20]。本研究發現山黧豆根系生長較深，FI處理下根系主要以表層水分吸收為主(0～20 cm)，PRD處理和生長期NI處理模式下顯然對20～60 cm深處的水分消耗更大；隨著干旱的加劇，山黧豆根系對土壤深處的水分汲取增大，但NI和PRD處理模式下水分汲取差異不大，可能由于PRD處理下的地上生物量生長需要更多的水分。FI處理模式下的土壤較NI和PRD處理含有更多的水分，然而在山黧豆生長后期，植株需水量減少，PRD和FI處理在0～100 cm處土壤中含水量趨于一致，說明后期補水減少50%的灌溉量即可滿足植物生長需求。

另外，水分脅迫并不能改變大豆根系在土壤中的相對分布，即不管干旱處理還是充分供水的條件下，大約97%的根系分布在0～0.23 m的土壤表層，而對于鷹嘴豆和野豌豆，水分脅迫導致更多的根系生長在深層土壤中[25-26]。本研究發現，干旱脅迫導致PRD和NI處理下深層土壤中根系比例提高，這與根系吸收深層土壤水分，避免干旱對山黧豆影響的結果相一致。

3.2 不同灌溉模式對山黧豆葉片氣體交換參數的影響

大多數植物葉片氣體交換能力隨著干旱的加劇而下降，主要是由于干旱條件下氣孔部分關閉，氣孔導度降低，同時也降低了胞間CO2的濃度，從而導致了植物光合速率下降；同樣，氣孔關閉也降低了蒸騰速率，減少水分散失[27-28]。本研究發現在苗期(種植后44 d)不同灌溉處理下的山黧豆葉片氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率最低；葉片凈光合速率在進入生殖生長期(種植后60 d)時最高，而在生殖生長后期(種植后74 d)表現出降低的趨勢。在同一生長階段，山黧豆葉片的氣體交換參數氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率均隨著干旱的加劇而降低，這與前人干旱會引起光合速率和蒸騰速率下降的結論相一致[11]。值得注意的是，在播種60 d后，山黧豆葉片的凈光合速率在PRD處理下顯著高于FI處理，這可能因為山黧豆具有發達的根系，能夠吸收利用更深層的土壤水分。山黧豆葉片在營養生長階段(播種后44 d)的水分利用效率以FI處理最高，在生殖生長階段(播種后60 d)水分利用效率以PRD處理條件下最高；但在成熟時期，3種處理條件的瞬時水分利用效率又趨于一致。因此，山黧豆在水分脅迫條件下植株葉片氣體交換參數和水分利用效率在整個生長周期中表現有一定的波動性，這也許與根系在土壤中的發育過程和階段有關。

3.3 不同灌溉模式對山黧豆產量指標的影響

水分脅迫對產量形成的影響一般與脅迫程度相關。例如，與對照(100%)水分處理相比較，50%水分處理大豆種子產量降低了40%，豆莢數目和每莢籽粒數目分別降低了42%和3%；地上生物量降低了48%，而根系生物量降低53%，水分利用效率降低了52%[26]。本研究中，與FI處理相比，PRD處理下山黧豆的植株高度、結莢高度、單株結莢數、單株籽粒數和地上部生物量均顯著降低，單個豆莢長度和豆莢重與FI處理沒有顯著性差異，這說明在水分供應不充分的情況下，植物會采取犧牲生長量和結莢數目，以獲得單個豆莢和籽粒生長良好的策略應對干旱逆境脅迫。另外，大豆根冠比在50%水分脅迫下提高了25%[29]，而本研究中山黧豆根冠比在PRD處理下為FI處理的2.1倍，顯著增強了根系的生長，暗示山黧豆在PRD處理下會投入更多能量用于根系發育，以汲取土壤深層水分達到抵御干旱脅迫的效應。