不同灌水量對滴灌水稻葉片光合特性及根系內源激素的影響

趙 蕾 劉潤慧 張高煜 唐清蕓 王子建 魏 萌 王國棟 李玉祥*

(1.石河子大學 農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003;2.新疆農墾科學院 農田水利與土壤肥料研究所/農業農村部西北綠洲節水農業重點實驗室，新疆 石河子 832000)

水資源短缺已成為一個全球性的問題[1-2]，特別是中國西北地區水資源總量僅占全國水資源總量的8%[3]，而可耕地占全國耕地總量的35%[4]，未來隨著氣候變暖和社會經濟發展可能面臨更嚴重的缺水問題和生態壓力[1]。水稻作為主要的糧食作物之一，全球超過60%的人口以水稻為主食[5]。新疆全年太陽總輻射量502～628 kJ/cm2，水稻生長季節(4—10月)的光合輻射強度為900～1 000 J/(cm2·d)，具有生產優質稻米的獨特光、熱資源優勢[6]，2014年水稻平均單產高達10.1 t/hm2，比全國平均水平高48.9%，成為我國西北的高產稻區[7]。但由于土壤干旱，加之農業用水供求矛盾十分突出，水資源缺乏以及較為落后的灌溉方式已成為新疆水稻生產的主要限制因素[8-9]。膜下滴灌栽培技術，將滴灌技術和覆膜技術相結合，不僅避免了水資源的滲漏、流失，還減少了土壤水分的蒸發，在增加作物產量的同時可提高水分利用效率[10]。因此，在新疆西部干旱稻作區開展水稻覆膜滴灌高產節水栽培技術研究，有助于緩解新疆水資源危機、保障糧食產量和水資源的可持續利用。

抽穗開花期是水稻對水分脅迫最敏感的時期[11]，若此時水分虧缺可導致水稻葉片氣孔導度降低，吸收利用CO2能力和蒸騰速率下降，最終抑制光合效率，限制水稻產量[12-13]。此外，干旱脅迫會導致水稻葉綠體的超微結構遭到破壞，葉綠體降解，光合還原酶、暗反應酶活性及葉綠素a、b含量下降，光合效率降低[14]。Liu等[15-16]研究認為旱作直播水稻籽粒產量與移栽水稻產量基本一致，但旱作直播與移栽淹水相比耗水量減少15.3%。因此，在選育抗旱性品種的同時，可通過優化生育期內水分管理措施，挖掘水稻光合潛力，進而實現節水高產的目標，對提高水稻生產的水分利用效率具有現實意義。

根系為作物生長提供水分和養分，在干旱脅迫下，植物通過根系迅速感知脅迫，調節根系內源激素的變化，如脫落酸 (ABA) 含量增加時細胞分裂素 (CTK) 或玉米素 (ZR) 含量會相應降低等[17-18]，并將干旱信息傳遞給地上部，使植株代謝活動減弱，進而調節其他生理生化過程，以提高自身的抗逆能力[19]。Teng等[20]和郭貴華等[21]也發現干旱脅迫會導致水稻葉片ABA含量升高，氣孔關閉，進而降低水稻的蒸騰作用、使水分耗散減少，提高作物的保水能力和抗旱性。因此，水稻根系內源激素與光合作用密切相關，通過調控根系生理活性影響作物的光合生理，是實現水稻節水高產的關鍵途徑。

目前，已明確認識到節水灌溉技術可提高水稻水分利用效率，減少耗水量[22]。韓品等[23]和王志軍等[24]對不同灌溉方式下水稻生育及光合特性的研究表明，滴灌水稻的株高、葉片數、產量均高于常規淹灌栽培模式。但有關在膜下滴灌條件下進一步降低灌水量，以提高水稻水分利用效率及其對光合特性、根系生理影響的研究尚未見報道。本試驗選用抗旱性和干旱敏感性水稻品種作為試驗材料，測定抽穗期和抽穗后20 d不同灌水量對水稻葉片生長、光合熒光特性、根系內源激素、水分利用效率 (WUEy) 及產量等指標，旨在探明覆膜滴灌條件下優化水分管理對水稻光合特性及根系內源激素的影響，以期為新疆干旱稻作區實現水稻節水高產栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

本試驗于2018—2019年在新疆維吾爾自治區石河子大學農學院實驗站(44°18′ N，86°03′ E，海拔450.8 m)進行，年均氣溫6.5～7.2 ℃，年均降雨115 mm、蒸發量1 942 mm左右，屬典型干旱半干旱大陸性氣候。2018年，水稻生育期內降雨總量為110.7 mm，>5 mm的有效降雨6次，5月1日—9月30日，日平均最高氣溫為29.84 ℃，日平均最低氣溫為14.89 ℃；2019年整個生育期累積降雨103.9 mm，>5 mm的有效降雨7次，5月1日—9月30日，日平均最高氣溫為27.78 ℃，日平均最低氣溫為8.17 ℃(圖1)。供試土壤為砂壤土，土壤有機質11.21 g/kg，全氮(N)0.74 g/kg、速效磷(P2O5)51.2 mg/kg、速效鉀(K2O)193.0 mg/kg、堿解氮61.0 mg/kg。0—20、>20—40、>40—60 cm土壤容重分別為1.29、1.32和1.37 g/cm3。

圖1 2018(a)和2019(b)年試驗區水稻生育期內的氣溫和降雨量Fig.1 Temperature and precipitation in the test area in 2018 (a) and 2019 (b)

1.2 試驗設計

選用抗旱性品種‘T-43’和干旱敏感性品種‘新稻1號’為供試材料。采用管壁厚1 cm、直徑35 cm、高60 cm的PVC管進行土柱栽培試驗。為保證原有土層的空間分布，以20 cm為單位將試驗小區內0—60 cm土層土壤過篩后按原來土層深度填到土柱內，澆水沉實。2018年于4月28日人工點播，2019年于5月1日人工點播，每柱3穴，每穴10粒種子，播深2 cm，播種后地膜覆蓋，采用滴灌系統模擬大田滴水450 m3/hm2，出苗每穴保苗8株，2年均于9月30日收獲。

采用兩因素隨機區組試驗設計，水稻生育期內設置3個灌水量處理：W1(總灌水量8 670 m3/hm2，每次灌水量164.4 m3/hm2，灌50次)、W2(總灌水量10 200 m3/hm2，每次灌水量195 m3/hm2，灌50次) 和W3(總灌水量12 000 m3/hm2，每次灌水量231 m3/hm2，灌50次)，每個處理4次重復，每次破壞性試驗取樣，共計72個土盆。

在拔節前每隔3 d灌溉1次，拔節后每隔2 d灌溉1次，直到成熟前15 d停止灌溉 (表1)。全生育期各處理均按照N 300 kg/hm2，P2O5270 kg/hm2，K2O 240 kg/hm2進行施肥。其中N肥20%作為基施，80%在出苗后第20、70、90、120天，按照2∶3∶4∶1比例追施。磷鉀肥一次性基施。播種后按450 m3/hm2滴出苗水后，于5月28日進行水分處理，搭設防雨設施和遮陽網，根據天氣預報提前蓋好遮雨薄膜，雨后收起。6月23日、8月30日分別打藥，做好病蟲害防治工作。

表1 2018—2019年不同處理灌水周期及灌水量Table 1 Irrigation cycles and irrigation amount under different treatments from 2018 to 2019

1.3 測定指標及方法

1.3.1葉片相對含水量測定

于抽穗期、抽穗后20 d分別選擇長勢一致的水稻3穴，每穴選取劍葉5片，稱鮮重后，放入密閉塑料桶中吸水12 h，然后用吸水紙吸干葉片表面水分，稱干重，即飽和鮮重。將葉片在空氣中自然脫水，于80 ℃下殺青30 min，65 ℃烘干，稱重，重復3次[25]。計算公式如下：

RWC=(m1-m2)/(m3-m2)×100%

(1)

式中：RWC，相對含水量；m1、m2、m3，葉片鮮重、干重和飽和鮮重，g。

1.3.2葉面積和比葉重測定

于抽穗期、抽穗后20 d分別選擇長勢一致的水稻3穴，每穴選取劍葉5片，高效葉面積率取上三葉，測量各葉片的長和最大寬度，計算葉面積(LA)、葉面積指數(LAI)和高效葉面積率(Valid LA rate)后，105 ℃下殺青30 min、80 ℃烘干至恒重，測定比葉重，重復3次[26]。計算公式如下：

LA=L×W×0.75

(2)

SLW=DW/LA

(3)

LAI=葉片總面積/土地面積

(4)

高效葉面積率=上三葉葉面積/總葉面積

(5)

式中：LA，葉面積，cm2；L，葉片的長，cm；W，葉片最大寬度，cm；SLW，比葉重，g/cm2；LAI，葉面積指數；DW，干重，g。

1.3.3葉片葉綠素含量、氣體交換參數和葉綠素熒光參數測定

分別于抽穗期、抽穗后20 d當日11:00—13:00測定氣體交換參數，選擇長勢一致的水稻3穴，每穴選取劍葉5片，自然光強約為1 200～1 600 μmol/(m2·s)，大氣CO2濃度為(400±10)μmol/mol，使用便攜式光合系統測定儀(LI-6400XT，美國LI-COR)測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)。用便攜式熒光儀(MINI-PAM)測定已標識葉片的暗適應下的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實際光化學量子效率(Y(II))、光化學淬滅系數(qP)以及非光化學淬滅系數(qN)等葉綠素熒光參數[27]。采用李合生[28]的方法測定葉綠素含量，重復3次。

1.3.4根系內源激素測定

于抽穗期、抽穗后20 d分別選擇生長發育一致的水稻3穴，按0—20、>20—40和>40—60 cm分層，用直徑×高為10 cm×10 cm的根鉆取出整層土壤，置于20目網篩，根系用自來水沖洗后，再用蒸餾水沖洗干凈，最后用吸水紙擦干。每層根系剪碎后，用液氮冷凍，送至中國農業大學農學院檢測。采用酶聯免疫吸附法 (ELISA)[29]測定水稻根系的脫落酸 (ABA) 和玉米素核苷 (ZR) 含量，重復3次。

1.3.5產量和水分利用效率測定

水稻成熟期調查有效穗數、千粒重、每穗總粒數、每穗實粒數、結實率；收獲后，水稻產量按每桶面積與水稻種植株數折算為單產，kg/hm2，14.5%標準含水率折算計產，重復3次。

水分利用效率 (WUEy，kg/m3) 計算公式：

WUEy=水稻產量/全生育期灌水量

(6)

1.4 數據處理

采用Excel 2010計算平均值和標準誤(Mean±SE)，SPSS 26進行方差分析(Duncan)和相關性分析，Sigmaplot 14.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理對膜下滴灌水稻產量的影響

由表2可知，隨灌水量的減少，‘T-43’和‘新稻1號’產量及其構成因子均呈下降趨勢，其中，‘T-43’在W2條件下的產量與W3差異不顯著，與W1差異顯著(P<0.05)。各處理下‘T-43’的WUEy由高到低表現為W2>W3>W1，W2與W3差異不顯著，與W1差異顯著(P<0.05)，‘新稻1號’的WUEy由高到低表現為W3>W2>W1。2個品種對比來看，除穗粒數外，其他產量及其構成因子和WUEy均表現為‘T-43’高于‘新稻1號’，尤其在W2和W1處理下‘T-43’的WUEy分別比‘新稻1號’高29.32%和70.85% (2018年)、18.70%和94.57%(2019年)。除結實率外，每盆有效穗數、每穗粒數、千粒重、單盆產量及WUEy在品種間和處理間差異均達極顯著水平(P<0.01)，處理與品種間存在顯著互作效應(P<0.05)；但所有參數在年季間差異均不顯著，表明各參數在年季間有很好的重復性，后續數據分析與處理中，僅用2019年數據進行分析。

2.2 不同水分處理對膜下滴灌水稻葉片生長的影響

由表3可知，隨灌水量的減少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1號’的RWC、LAI和高效葉面積率呈下降趨勢，W2降幅小于W1。抽穗期，W2處理下2個品種的RWC、高效葉面積率較W3之間無顯著差異，但‘T-43’的SLW較W3顯著增加10% (P<0.05)；抽穗后20 d，W2處理下2個品種的SLW和高效葉面積率較W3無顯著差異，但RWC和LAI較W3下降7.44%～27.90%(P<0.05)。抽穗至抽穗后20 d，W1條件下2個品種的RWC、SLW、LAI較W3分別下降10.55%～18.45%、33.33%～58.33%、74.73%～115.38%。3種水分處理下，抗旱性水稻品種‘T-43’的RWC比干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’高1.10%、2.34%、6.72%，LAI比‘新稻1號’高11.57%、7.89%、32.50%，高效葉面積率比‘新稻1號’高7.20%、8.60%、8.47%，‘T-43’的SLW在W2條件下比‘新稻1號’高22.10%。

2.3 不同水分處理對膜下滴灌水稻葉綠素含量的影響

由表4可知，隨灌水量的減少，干旱敏感性水稻‘新稻1號’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb整體呈遞減趨勢。抽穗期，W2條件下抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1號’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb較W3無顯著差異；抽穗后20 d，W1、W2處理下‘T-43’和‘新稻1號’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb分別較W3下降58.6%～111.54%、50.65%～111.32%、64.10%～86.41%、11.93%～25.50%。3種水分處理下，抗旱性水稻品種‘T-43’的T-chl比干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’高17.80%、13.74%、12.19%，葉綠素a/b比‘新稻1號’高19.83%、17.40%、11.23%(P<0.05)。

2.4 不同水分處理對膜下滴灌水稻光合參數的影響

由表5可知，隨灌水量的減少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1號’的Pn、Gs、Tr呈下降趨勢，Ci呈上升趨勢。抽穗期，W2處理下‘T-43’的Gs比W3高64.17%，而Pn、Tr較W3無顯著差異；W1處理下‘T-43’和‘新稻1號’的Pn、Gs、Tr分別比W3低93.35%和129.61%、216.40%和79.34%、104.59%和28.22%。抽穗后20 d，W1和W2處理下‘T-43’和‘新稻1號’的Pn、Gs、Tr較W3均下降，但W2處理降幅小于W1處理。品種間，W2和W1條件下抗旱性水稻品種‘T-43’的Pn比干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’高23.13%和22.84%，而Tr比‘新稻1號’低24.93%和51.19% (P<0.05)。

2.5 不同水分處理對膜下滴灌水稻葉綠素熒光參數的影響

由表6可知，隨灌水量的減少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1號’的Fv/Fm、Y(II)及qP均呈下降趨勢，而qN呈上升趨勢。抽穗期，W1、W2條件下‘T-43’和‘新稻1號’的Fv/Fm、Y(II)、qP分別較W3低6.90%～20.79%、37.09%～65.70%、13.83%～50.36%，其中，‘新稻1號’的Fv/Fm、qN達到顯著水平(P<0.05)；抽穗后20 d，W1、W2條件下‘T-43’的Fv/Fm、qP較W3無顯著差異。3種水分處理下，抗旱性水稻品種‘T-43’的Fv/Fm比干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’高3.50%～14.48%，Y(II)比‘新稻1號’高11.48%～35.63%，qP比‘新稻1號’高6.54%～40.12%，而qN比‘新稻1號’低2.72%～26.52%。

2.6 不同水分處理對膜下滴灌水稻根系內源激素的影響

由表7可知，抽穗期，隨灌水量的減少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1號’不同土層的根系ABA含量呈遞增趨勢，而ZR、ZR/ABA含量呈遞減趨勢；抽穗后20 d，W2條件下‘T-43’根系中ABA含量較W3無顯著差異。3種水分處理下，抗旱性水稻品種‘T-43’抽穗期在>40—60 cm土層根系中ABA含量比干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’高5.91%～97.19%，但0—20 cm土層根系ZR含量在抽穗期和抽穗后20 d比‘新稻1號’低3.31%～60.53%。

2.7 根系內源激素、葉片光合熒光參數與產量及水分利用效率相關分析

由表8和表9可知，不同土層根系中的ABA含量均與Gs、Pn呈顯著或極顯著負相關，而0—20 cm ZR含量與Pn、Gs呈顯著或極顯著正相關；產量與不同土層根系中的ABA含量呈顯著或極顯著負相關、與0—40 cm ZR及Pn、Gs呈顯著或極顯著正相關。品種間，抗旱性水稻品種‘T-43’的ABA、Gs及Pn與產量呈顯著或極顯著正相關(表8)，干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’的ABA、ZR、Gs及Pn與產量呈顯著或極顯著正相關(表9)。

3 討 論

3.1 不同水分處理的膜下滴灌水稻產量及水分利用效率的變化

郭慶人等[30]對新疆干旱區農業灌溉實踐研究發現，發展節水灌溉技術不僅可實現實時、精量的水、肥控制，在減少地表徑流、棵間蒸發和深層滲漏的同時，還能有效提高作物產量和水分利用效率。目前，以覆膜滴灌水稻為代表的高效節水栽培技術，已逐漸成為新的發展方向。陳林等[31]研究表明，滴灌水稻田間實際產量最高可達12.05 t/hm2，耗水10 500 m3/hm2，水分利用率為0.83 kg/m3，與傳統淹灌栽培模式相比可有效減少水稻耗水量、提高水分利用效率。本研究中，在進一步優化全生育期灌水10 200 m3/hm2(W2)條件下，抗旱性水稻品種‘T-43’產量未顯著下降 (單盆產量90.0 g，即9.35 t/hm2)，水分利用效率(WUEy)提高至0.92 kg/m3；而干旱敏感性水稻品種‘新稻1號’產量較W3顯著下降(7.43 t/hm2)(P<0.05)，表明通過選用抗旱性強的水稻品種，充分挖掘水稻生物學節水潛力并應用節水灌溉技術，在保證產量不顯著降低的前提下可實現水分的高效利用。

3.2 不同水分處理的膜下滴灌水稻葉片光合熒光特性的變化

光合作用是作物干物質積累和產量形成的基礎[32]。楊曉龍[12]和Pinheiro等[14]研究結果表明，干旱脅迫使葉片的水勢下降，葉綠體降解，氣孔導度和蒸騰速率下降，最終導致光合能力下降。本研究中，抽穗期W2處理提高了‘T-43’的Chlb與Chla/Chlb，而高效葉面積率、相對含水量、Chla、T-chl、Pn和Tr較W3無顯著差異，這可能與W2條件下根系ABA含量沒有顯著增加(P<0.05)，抽穗期水稻葉片葉綠素合成沒有受到顯著抑制有關[33]；Chla/Chlb增加表明抽穗期‘T-43’具有相對較高的Chla含量，能夠捕獲更多地光能適應水分減少，并將其轉化為化學能，為碳同化提供更充足的能量來源，以維持光合作用的正常運轉[34]；另一方面，較大的高效葉面積率為光能截獲率提供了保障，有利于提高抽穗期的光合生產潛力，進而在滿足光合作用正常進行的同時，小幅度降低蒸騰作用[35]，提高了水分利用效率。較高的比葉重也被認為是提高作物葉片韌性和抵抗物理干擾能力的指標[36]。本研究中，W2提高了抽穗期抗旱性水稻的比葉重，說明減少灌溉量并沒有抑制葉肉細胞的生長，反而提高了葉片的保水性和相對含水量，有利于延長抽穗期的光合時間，促進籽粒產量形成；這可能是W2條件下保持較高光合速率的主要原因。

葉綠素熒光參數可反映植物的生理狀態，通過葉綠素熒光參數可間接了解光合作用的過程[37]。本研究中，W2處理下‘T-43’抽穗后20 d的qP、qN較W3無顯著差異，說明進一步減少水分后水稻通過保持較大的電子傳遞活性和較強的熱耗散能力來保護光系統Ⅱ不受損壞，有利于光合作用正常運行[33]。此外，隨著脅迫程度的增加，抗旱性水稻‘T-43’在W2條件下可以及時減緩qN的上升，將多余的光能以熱形式耗散，避免光抑制，而干旱敏感性水稻 (‘新稻1號’) 不能及時作出反應，導致qN持續上升，葉片PSII受到實質性損傷[33-38]，表現為葉面積指數和比葉重均顯著下降 (P<0.05)，光合作用受限，說明干旱脅迫下，抗旱性強的水稻具有較強的熱耗散能力，從而維持PSII較強的光化學活性。

3.3 膜下滴灌水稻根系內源激素與葉片光合參數之間的關系

植物多種內源激素調控包括光合作用在內的多個生理過程[19]。Wang等[17]在鴨跖草的相關研究中指出，ABA含量增加的同時ZR含量的下降會導致葉片氣孔關閉和蒸騰速率減慢。本研究中，抽穗期‘T-43’在W2處理下ZR含量降幅較W1小，而抽穗期‘T-43’在W2處理下根系中ABA含量較W3顯著增加，說明在W2條件下抗旱性水稻通過調控生育前期ZR下降幅度和ABA增加幅度，延緩根系衰老，促進根系下扎[39]，同時ABA作為逆境信號向地上部運輸，引起水稻葉片氣孔開度減小，控制CO2的進入和水分散失，保持較高的葉片含水量，進而影響光合作用和水分利用效率[18]。此外，Pn、Gs均分別與0—60 cm土層中根系的ABA、0—20 cm土層中根系的 ZR之間呈顯著或極顯著相關。在減少灌溉量(W2)條件下根系中ABA含量升高和ZR含量下降，是維持抗旱性水稻光合能力的另一個原因。

4 結 論

在覆膜滴灌條件下，灌水量為10 200 m3/hm2(W2)，可以顯著增加抗旱性水稻‘T-43’抽穗期根系中脫落酸的 (ABA) 含量，抑制地上部葉片氣孔開度，減少蒸騰作用，同時減緩葉片葉綠素 (T-chl) 的降解，在抽穗期可維持較高的有效葉面積和光合活性，實現新疆干旱稻作區水稻節水高產的目標。