宁夏中部干旱带苜蓿碳同位素分辨率的替代指标

郑淑欣，朱 林，许 兴，，侯志军

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021； 3.宁夏现代农业公司，宁夏 银川 750021)

宁夏中部干旱带处于毛乌素沙地和腾格里沙漠的边缘，是我国北方农业区与天然草地牧区交接的过渡地带[1]，土地总面积253.7万hm2，占全区总面积的45.9%，属典型大陆性气候，海拔1 340 m，干燥少雨，蒸发强烈,风大沙多。多年平均降水量为251 mm，蒸发量为降水量的9倍[2]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是我国种植面积最大的栽培牧草，饲用价值高,营养丰富,同时也是一种优良的改土培肥植物,具有良好的经济效益和生态效益[3]，在我国旱区农业发展中具有十分重要的作用[4]。但是,在中部干旱地区,水分是限制牧草生长及栽培草地构建的主要因素。

蒸腾效率是植物蒸腾单位质量水分所形成的干物质量。由于用地上生物量法直接测定植物蒸腾效率费时又费力，20世纪80年代初，Farquhar和Richards[5]与Hubick和Farquhar[6]发现，碳同位素分辨率(Δ13C)可以反映植物的蒸腾效率及其生长环境的水分状况。C3植物Δ13C与整株水平的蒸腾效率有负相关关系，因此，Δ13C可以作为间接选择指标来筛选高蒸腾效率的C3植物种或品种。然而，Δ13C的测定需要昂贵的同位素质谱仪，成本较高，在节水品种筛选工作中十分有必要寻找Δ13C的替代指标。

近几年来，许多国外研究者认为其它指标与Δ13C也有较好的相关性，例如灰分含量、比叶重以及叶片相对含水量等。Monneveux等[7]发现，小麦(Triticumaestivum)成熟期旗叶灰分含量反映了叶片蒸腾水量。李善家等[8]的研究表明，油松(Pinustabulaeformis)叶片的灰分含量与δ13C值成正相关关系，而与叶片相对含水量成负相关关系。根据文献报道，麦类作物叶片灰分含量与Δ13C呈显著正相关[9-12]。朱林等[13]的研究也证明，小麦成熟期叶片灰分含量与旗叶Δ13C及收获系数显著正相关。Wright等[14]的研究表明，花生(Arachishypogaea)比叶面积与其水分利用效率呈显著负相关关系。Araus等[15]发现，在正常供水条件下大麦(Hordeumvulgare)的比叶重与Δ13C呈负相关关系，而Ismainl和Hall[16]认为豇豆(Vignaunguiculata)的比叶重与水分利用效率不相关。孙惠玲等[17]研究发现，随着郁金香(Tulipagesneriana)叶片水分含量的下降，郁金香δ13C值显著增大。虽然有将Δ13C用于研究苜蓿水分利用效率的报道，但多是选用一到两个品种(系)进行盆栽试验，而关于在半干旱风沙区采用较多的苜蓿材料，有关Δ13C与灰分含量、比叶重(leaf mass per area,LMA)、相对含水量之间关系的研究在国内还鲜见报道。为此，本研究在宁夏中部干旱地区采用节水喷灌设施、设置3种水分梯度，对10个品种苜蓿材料的Δ13C、灰分含量、比叶重、相对含水量等指标之间的相关性进行研究，旨在分析不同水分条件下各参试苜蓿品种上述指标的表现及其对相互关系的影响，为苜蓿节水品种筛选指标提供依据，并寻找与Δ13C密切相关的形态生理指标。

1 材料和方法

1.1试验地概况 试验地设在宁夏吴忠市红寺堡孙家滩开发区，该区域属中温带半干旱区，海拔1 350 m，属典型大陆性气候。多年平均气温8.7 ℃，全年日照时数较长，无霜期165～183 d，干燥少雨，蒸发强烈,年蒸发量在1 300～2 300 mm，生长季降水量为223.6 mm,风大沙多,降水多集中在7-9月，占全年降水量的72%，蒸发量约为降水量的9倍。土壤以灰钙土为主，结构松散沙性大，土壤水分状况无显著差异。

1.2材料 10个供试品种中，5个为国外引进品种，分别为阿尔冈金(加拿大)、金皇后(美国)、三得利(荷兰)、CW400(美国)和柏拉图(德国)；另5个为地方品种，分别为宁夏当地品种宁苜1号、宁苜2号、中苜1号、固原紫花苜蓿和甘肃的甘农3号。

1.3试验设计 试验采用随机区组设计，播种采用单行条播，设置3个水分处理，处理Ⅰ(不灌水)；处理Ⅱ(中等水分胁迫，灌溉2次)，灌溉总额为302 mm；处理Ⅲ(充分灌水，灌溉4次)，灌溉总额为562 mm。每处理3次重复，每重复1个小4 m×4 mm。行距30 cm，播种量15 kg·hm-2。出苗后生长季及时中耕锄草、防治病虫害。

1.4测定项目及方法

1.4.1土壤体积含水量 于苜蓿初花期和盛花期用TDR便携式土壤水分探测仪测定(TDR Trime-T3,Germany)。每个小区在播种前埋设TDR控管，深度为200 cm，测定时每隔20 cm记录一次。

1.4.2碳同位素分辨率 于苜蓿始花期在每小区取整株10株，于盛花期在每小区取整株上部完全展开的叶片50片，在70 ℃下烘干48 h，磨细过0.150 mm筛，各样品的碳同位素组成δ13C值由同位素质谱仪(Model Thermo Finnigan, Bremen, Germany)检测，计算公式：

式中,R为13C/12C比率。

碳同位分辨率根据Farquhar的公式[5]计算：

式中，δ13C空气=-8‰。

1.4.3灰分含量 于始花期和盛花期，在每小区取植株上部叶50片和整株10株，将样品放入SX4-10箱式电阻炉中在700 ℃的温度下完全燃烧至质量恒定不变，用分析电子天平称量，计算单位干物质的灰分含量。

1.4.4比叶重 于始花期和盛花期在每小区取植株上部叶50片，取其中30片测定其叶面积，然后将叶片放入烘箱烘干称其质量，计算单位面积叶片的干物重，即为比叶重。

1.4.5叶片相对含水量 于始花期和盛花期在每小区取植株上部叶50片，取样时间为早晨08:00―09:00，取样后将样品迅速装入塑料袋中密封，在室内测定叶片鲜质量，然后将叶片放入装有蒸馏水的瓶中，定期称量叶片质量，直至叶片质量恒定不变即为叶片饱和重(TW)，然后将叶片烘干称量(DW)。

1.4.6光合气体交换参数 用英国PP Systems公司生产的CIRAS-2型(PP Systems,Hitchin,UK)便携式光合作用系统，在苜蓿的始花期和盛花期测定叶片蒸腾速率、光合速率及气孔导度，温度、湿度均为环境水平。每次每个小区选5片上部完全展开的叶片进行测定，自然光下待数据稳定后保存3个数据，取其平均值，单叶水分利用效率(TE)用Pn/T计算。

1.5数据处理 采用Excel 2003以及DPS 3.11数据处理系统进行统计学处理及相关性分析。

2 结果

不同水分处理下土壤水分条件如表1所示。

2.1不同试验处理各个测定指标的表现 不同处理间始花期叶片和整株的Δ13C值、灰分以及叶片相对含水量均有显著差异(P<0.05)，其中始花期叶片Δ13C值为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅰ；始花期整株和叶片的灰分含量均为处理Ⅰ>处理Ⅱ>处理Ⅲ；比叶重为处理Ⅰ>处理Ⅱ>处理Ⅲ；叶片相对含水量为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅰ；气孔导度随着水分胁迫程度的增加逐渐减小(表 2)。比叶重表现为各品种间差异显著。不同处理间除了整株灰分含量和比叶重外，其它指标都差异显著(P<0.05)。

表1 不同水分处理下的土壤条件Table 1 Edaphic condition under three treatments

表2 始花期3种水分处理各指标的均值及多重比较结果Table 2 The means and multiple comparisons of various parameters at the early flowering stage

盛花期整株Δ13C值表现为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅰ；盛花期叶片灰分含量的表现趋势与始花期相同，随着灌水量的增加灰分含量逐渐减小；盛花期叶片相对含水量在水分重度胁迫处理下最低，充分灌水条件下最高，但处理间差异不显著(P>0.05)；盛花期叶片蒸腾速率、光合速率均随着水分胁迫程度的增加逐渐减小，气孔导度在中等水分胁迫下最高，随着水分胁迫增加而减小(表 3)。叶片灰分含量、叶片相对含水量、光合速率及瞬时水分利用效率各品种间差异显著。不同处理间除了比叶重和叶片相对含水量外，其它指标都差异显著。

2.2不同苜蓿品种在不同水分处理下的生长及生理指标的表现 对不同苜蓿品种的各个指标进行比较，中苜1号、宁苜2号、三得利、阿尔冈金的整株Δ13C比较高。三得利、中苜1号的整株灰分含量低，宁苜1号、宁苜2号的叶片灰分含量低。比叶重比较低的是宁苜1号、中苜1号以及宁苜2号。相对含水量高的品种是中苜1号、阿尔冈金和宁苜1号(表4)。

2.3不同试验处理Δ13C与各测定指标的相关性 在严重水分胁迫条件(处理Ⅰ)及中度水分胁迫条件下(处理Ⅱ),苜蓿始花期整株灰分含量均与整株Δ13C呈显著负相关关系(P<0.05)；严重水分胁迫条件下始花期整株Δ13C与始花期比叶重呈负相关关系；严重水分胁迫及中度水分胁迫条件下始花期叶片相对含水量与叶片Δ13C及整株Δ13C呈显著正相关关系；始花期叶片Δ13C在中度水分胁迫条件下与叶片相对含水量呈显著正相关关系；在中度水分胁迫处理下，始花期叶片Δ13C与气孔导度显著正相关关系(表5)。在水分中度胁迫的条件下盛花期叶片Δ13C与比叶重呈显著负相关关系；并且在水分中度胁迫条件下叶片Δ13C 与叶片相对含水量显著正相关(表6)。

表3 盛花期3种水分处理下各指标的均值及多重比较结果Table 3 The means and multiple comparisons of various parameters and traits at the flowering

表4 不同苜蓿品种各指标的综合表现Table 4 The performance of index on different alfalfa varieties at the early flowering

表5 始花期碳同位素分辨率(Δ13C)与各性状的相关系数Table 5 Correlation coefficients between Δ13C and some traits at the beginning of flowering stage

表6 盛花期碳同位素分辨率(Δ13C)与各性状的相关系数Table 6 Correlation coefficients between Δ13C and some traits at the flowering stage

3 讨论

3.1不同时期不同水分处理各指标的表现 据报道，在干旱控水的条件下，植物气孔开度减小，叶片蒸腾作用减弱，使蒸腾器官中单位干物质量灰分含量减少并显著降低Δ13C[7,17]。本试验Δ13C结果与上述报道一致，即控水处理使叶片或整株Δ13C值显著下降。而灰分含量的结果却与上述报道相反，即在重度水分胁迫条件下始花期叶片和整株以及盛花期叶片灰分含量均较中度胁迫或充分灌溉的高。这可能与苜蓿的生长特性有关，在水分亏缺条件下苜蓿光合产物向地下分配比例增加从而导致地上部碳含量的降低和灰分含量的增加。也可能与采样部位有关，植物不同部位的灰分含量是不一样的。本试验采样部位为苜蓿植株的上部叶片，在充分灌溉条件下植株水分状况较好，新叶抽出速度快，而新叶的灰分含量通常是比较低的。李芳兰等[18]研究了干旱地段黄栌(Cotinuscoggygrisvar.cinered)叶片的比叶重，表明随着海拔和年降水量的升高和增加，比叶重逐渐减小。本试验结果是重度水分胁迫条件下苜蓿始花期和盛花期的平均比叶重均比中度胁迫的高，即处理Ⅰ>处理Ⅱ>处理Ⅲ，说明水分状况的改善会使叶片变薄，苜蓿植株在水分胁迫时通过加厚叶片来适应干旱环境，这与相关研究结论一致。

3.2不同水分处理条件下苜蓿Δ13C与光合气体交换参数、叶片水分生理及形态指标间的关系 Farquhar 和Richards[5]及Monneveux等[7]研究表明，高Δ13C与较大的气孔导度有关，在本试验中，控水的两个处理(处理Ⅰ和处理Ⅱ)条件下，Δ13C与相对含水量显著正相关，与叶片气孔导度相关性不显著，在充分灌水条件下Δ13C与两者相关性都不显著。据报道[5]，叶片胞间CO2浓度与空气CO2的浓度比值(Ci/Ca)与Δ13C之间呈正相关关系，而Ci/Ca与气孔导度和光合速率两个因素有关。由于有灌溉措施本试验地土壤水分条件不是太差，即使是最少灌水处理也没有对苜蓿光合系统产生不可逆的损害。对水分吸收利用能力较强、叶片相对含水量较高的材料能保持较高的气孔导度和光合速率，前者使Ci/Ca增加、后者使Ci/Ca下降，两者权衡的结果使得Δ13C与气孔导度的相关性变弱。

比叶重反映了叶片的厚度和光合能力，叶片较厚的叶片中参与光合的单元较多，因此厚叶品种光合机能较强，而导致蒸腾效率的提高和Δ13C的下降[19]。本研究发现，在水分亏缺条件下比叶重与Δ13C显著负相关，而在充分灌水条件下两者相关性不显著。本试验结果表明，控水的两个处理(处理Ⅰ和处理Ⅱ)条件下参试各品种间光合速率的差异比充分灌水处理的大(变异系数较高)，在这两种控水处理条件下光合作用对Ci/Ca乃至Δ13C的影响权重增大，根据上述原理，由于Δ13C与Ci/Ca呈正相关关系，叶片较厚的品种光合能力较强，叶片中Ci/Ca就会降低，从而使Δ13C下降，导致Δ13C与比叶重负相关。

在水分中度或重度胁迫条件下不同苜蓿材料整株Δ13C与整株灰分含量呈显著负相关关系，这与前人关于灰分含量与Δ13C正相关的报道[9-13]相反，可能是由于苜蓿整株灰分含量不仅反映了蒸腾效率也与光合产物转运有关。低Δ13C的苜蓿材料反映了其水分状况较差，光合产物向地下部分配比率较高，导致地上部碳含量的降低和灰分含量的升高；高Δ13C材料情况与此相反，因其水分状况较好、气孔开度较大、光合速率较高，向地上部分配较多的光合碳产物对灰分起“稀释”作用而使其含量降低。

3.3不同苜蓿品种各重要指标的综合表现 通过对10个品种苜蓿材料的Δ13C、灰分含量、比叶重、相对含水量之间的关系分析研究可以看出，中苜1号、宁苜2号、三得利、阿尔冈金的整株Δ13C比较高，阿尔冈金、中苜1号、三得利和宁苜1号的叶片Δ13C较高，而三得利、中苜1号的整株灰分含量低，宁苜1号、宁苜2号的叶片灰分含量低。

4 结论

综上所述，在宁夏中部干旱带有灌溉条件下，苜蓿整株灰分含量、叶片相对含水量、比叶重等指标与整株或叶片Δ13C有着密切的关系，这种相关性在非充分灌水处理条件下更强，因此在宁夏乃至西北有补灌条件的地区发展苜蓿栽培草地时可以选用碳同位素分辨率及其上述替代指标鉴定节水高产苜蓿品种。本试验所发现的碳同位素分辨率与灰分含量关系的结论与前人报道相悖，其中的机理有待进一步研究。

致谢：教育部科学技术研究重点项目(211195)和国家自然科学基金(31160478)对本研究给予了无偿的资助，在此表示感谢。

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