不同水分处理对禾、豆牧草单、混播水分利用特征的影响

苏　莹，高　雪，张会丽，朱　林*(.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 7500;.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 7500)

豆科牧草能改善草地氮素的平衡，提高草地动物蛋白质的形成[1-2]。利用豆科牧草与禾本科牧草混播，建立人工混播草地，可以提高牧草产量、改善牧草品质[3]、提高土壤肥力[4-5]等。虽然禾、豆牧草混播在产量和质量方面显示出许多优势，但二者间仍存在水分、光照、空间等资源的竞争[6]。不同的混播组合和混播比例增产效应也不同[7-8]。因此，在建植禾、豆混播草地时应考虑适宜的混播比例，最大程度地发挥混播的优势[9]。

宁夏中部半干旱地区降水量少，蒸发量大，因此，水分成为植物生长的主要限制因素，影响植物的生长发育[10-11]，并制约当地的牧草生产。植物对水分的利用通常用水分利用效率(water use efficiency，WUE)表示。植物WUE是指植物每消耗单位水分所生产的干物质量，反映植物的耗水性和对干旱的适应性[12-13]。高WUE是植物对干旱环境的响应[14]，也是适应水分亏缺的一种表现[15]。但WUE的直接测定费时、费力，限制了该指标的应用。碳同位素分辨率(Δ13C)是一种测定简便、可代替WUE的指标[16]。植物在进行光合作用的过程中会对13C产生分馏作用，导致植物干物质中的13C比率减小[17]。Farquhar等[18]发现，C3植物的Δ13C与Ci/Ca(胞间CO2浓度与空气CO2浓度之比)呈正相关，而Ci/Ca值的大小主要受气孔导度(Gs)和光合作用的影响，较低的Gs值以及较强的光合作用会使Ci/Ca的值降低，同时提高单叶水平上的WUE、降低Δ13C。由于植物组织中的碳是在一段时期内积累起来的，因此，由其稳定碳同位素组成测算出的WUE可以指示植物生长发育过程的平均WUE，该方法采样破坏性小，不受时间、地点等条件的限制，且方便样品保存和测定[19]。目前，有关植物WUE的研究很多[20-23]，但基于稳定碳同位素技术研究禾、豆牧草混播在不同水分胁迫条件下WUE的报道较少。鉴于此，采用盆栽试验，探讨了禾、豆牧草单混播时WUE对水分响应的机制，以阐明禾、豆牧草对干旱的响应机制，为宁夏乃至西北半干旱地区建立禾、豆优质草地提供依据。

1　材料和方法

1.1　试验地概况与供试材料

本试验于2015年3—10月在宁夏大学应用成果实验基地进行。该地位于我国西北内陆，为中温带大陆性气候，气候干旱，昼夜温差大，降水稀少，蒸发强烈。年平均气温8.5 ℃，年平均日照时数2 800～3 000 h，年平均降水量200 mm左右，无霜期185 d左右。试验地土壤养分含量如下：有机质2.65 g/kg，全氮0.187 g/kg，全磷0.353 g/kg，全钾17.0 g/kg，速效磷4.63 mg/kg，速效钾74.7 mg/kg，碱解氮23.0 mg/kg。

供试材料为紫花苜蓿(Medicagosativa，A)和沙打旺(Astragalusadsurgens，B)2种豆科牧草，以及禾本科牧草披碱草(Elymusdahuricus，C)，禾、豆牧草两两混播种植。

1.2　试验设计

播种时间为2015年4月1日，将种子分别播入27盆开口直径为28 cm的树脂花盆中，每个盆中装相同质量的风干土壤(约为11 kg)。将3种牧草单播，设为对照。土表用聚乙烯颗粒覆盖，3叶期定苗，混播组合分别按照豆科作物与禾本科作物的个体数比3∶7、5∶5、7∶3进行定苗。试验中的A、B、C分别表示紫花苜蓿、沙打旺和披碱草，A3C7、A5C5、A7C3分别表示紫花苜蓿与披碱草混播的比例为3∶7、5∶5、7∶3；B3C7、B5C5、B7C3分别表示沙打旺与披碱草混播的比例为3∶7、5∶5、7∶3。

设置3种水分胁迫处理，即重度胁迫水分处理(T1)：土壤含水量为(45±5)%田间持水量(FC)；中度水分胁迫处理(T2)：土壤含水量为(55±5)% FC；正常灌水处理(T3)：土壤含水量为(75±5)% FC，每个处理重复3次。将所有盆栽置于温室大棚内，以便较为精确地控制不同水分处理。由于各个盆中土壤表面使用聚乙烯颗粒进行覆盖以减少(阻止)水分蒸发散失，因此，土壤表面蒸发损失的水分可以忽略不计[24]。播种时各处理浇灌足量的水以保证幼苗正常萌发与生长，待定苗后每隔10 d称1次质量，测算水分消耗并加入等量的水，直至2015年10月18日试验结束。

1.3　测定项目及方法

1.3.1产量分别于播种当年的7月17日和10月28日，将各盆中的所有植物都进行刈割采样，计算各组合的总产量。

1.3.2WUE将2次采到的地上样品在105 ℃下杀青10 min，再在65 ℃下连续烘干至恒质量，得到其干质量(g)，并计算出耗水量(kg)，根据下列公式计算出不同水分处理下的WUE。WUE=地上生物量(g)/耗水量(kg)。

1.3.3Δ13C将7月17日采集的植物整株样品烘干粉碎后过0.25 mm筛，各植物样品在Flash 2000 HT元素分析仪(Elemental Analyzer)中高温燃烧后生成CO2，采用Delta V Advantage同位素比率质谱仪(Isotope Ratio Mass Spectrometer)检测CO2中13C与12C的比率(测定精度：δ13C±<0.1‰)，参照国际标准物(Pee Dee Belnite)[25]比对计算碳同位素组成(δ13C)。各处理的Δ13C则依据各自的δ13C值并参照Farquhar等[18]的公式推导得出。δ13C经计算转换成Δ13C之后，再进行数据的分析处理，二者之间的转换公式如下：

δ13C=(R样品/RPDB-1)×1 000‰，

Δ13C=[(δ13C大气×δ13C植物)×1 000‰]/(1+δ13C植物)

其中，R样品表示植物样品的13C/12C值，RPDB表示国际标准物的13C/12C值，δ13C大气、δ13C植物分别代表大气、植物的碳同位素组成，其中δ13C大气=-7‰。

1.4　数据分析

采用Excel 2010进行数据整理，采用DPS 7.05软件进行单因素方差分析、相关分析等。

2　结果与分析

2.1　不同水分处理对禾、豆牧草单、混播产量的影响

从表1可见，单播牧草产量随水分增加而显著增加，其中披碱草的产量最高，T3处理下达到最大值，为7 449.39 kg/hm2。对于2种豆科作物而言，T1、T2处理下紫花苜蓿的产量高于沙打旺，T3处理下沙打旺的产量则高于紫花苜蓿的产量，但差异均不显著。

从表1还可以看出，混播组合中，T3处理下沙打旺与披碱草混播组合的产量显著高于T1处理(P<0.05)；紫花苜蓿与披碱草混播组合在T1、T2处理下的产量随着豆科牧草所占比例的增大而增大，表明紫花苜蓿在混播中存在优势，其比例增加导致混播组合产量增大。T1处理下沙打旺与披碱草混播的产量显著低于同比例下紫花苜蓿与披碱草混播的产量，表明在缺水条件下紫花苜蓿与披碱草混播比沙打旺与披碱草混播更能高效地利用水资源。

表1　不同水分处理条件下禾、豆牧草单、混播的产量　kg/hm2

注：不同小写字母表示相同水分处理禾、豆牧草不同单、混播组合差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示禾、豆牧草同一单、混播组合在不同水分处理条件下差异显著(P<0.05)，下同。

2.2　不同水分处理对禾、豆牧草单、混播WUE的影响

由表2可知，随着土壤水分的增加，禾豆牧草单、混播的WUE均呈减小趋势。单播牧草中，T3处理下紫花苜蓿、沙打旺、披碱草的WUE较T1处理分别降低了44.7%、49.1%、46.7%；不同水分处理下沙打旺的WUE均高于紫花苜蓿。

混播组合中，除T1处理下混播组合A7C3的WUE高于混播组合B7C3(P>0.05)外，各水分处理下紫花苜蓿与披碱草混播时的WUE均表现为低于同比例下沙打旺与披碱草混播时的WUE。T1、T3处理下，紫花苜蓿与披碱草混播时的WUE均高于紫花苜蓿单播时的WUE，但低于披碱草单播时的WUE；而T3处理下，沙打旺与披碱草混播时的WUE高于沙打旺单播时的WUE，但低于披碱草单播时的WUE。

表2　不同水分处理条件下禾、豆牧草单、混播的WUE

2.3　不同水分处理对禾、豆牧草单、混播各组合Δ13C的影响

由表3可知，单播牧草中，T3处理下的豆科牧草Δ13C显著高于T1、T2处理(P<0.05)，而披碱草在T2、T3处理下的Δ13C显著高于T1处理(P<0.05)。3种牧草中以沙打旺的Δ13C值最小。

混播组合中，禾、豆牧草的Δ13C 总体上随土壤水分含量的增加而增加，其中T3处理下除混播组合A5C5中禾本科牧草与T1处理不显著外，其他混播组合中禾、豆牧草的Δ13C均显著高于T1处理(P<0.05)，即土壤水分条件越充足，牧草的Δ13C越高。当紫花苜蓿与披碱草混播组合中的豆、禾比为3∶7和7∶3时，各土壤水分处理下紫花苜蓿的Δ13C均低于披碱草；而当豆、禾比为5∶5时，T1、T3处理下紫花苜蓿的Δ13C均高于披碱草，T2处理下紫花苜蓿的Δ13C与披碱草相同。沙打旺与披碱草混播组合中，除T3处理下混播组合B3C7外，各土壤水分处理下沙打旺的Δ13C均低于披碱草。T1处理下除混播组合A5C5外，其余混播组合中披碱草的Δ13C均高于单播时披碱草的Δ13C；T3处理下各混播组合中的禾、豆牧草的Δ13C均高于单播时相应禾、豆牧草的Δ13C。

表3　不同水分处理条件下禾、豆牧草单、混播各组合的Δ13C

注：混播组合中上行为豆科牧草的Δ13C，下行为禾本科牧草的Δ13C。

2.4　不同水分处理条件下禾、豆牧草单、混播产量、WUE与Δ13C之间的相关关系

由表4可见，不同水分处理条件下各单、混播组合的产量、WUE与Δ13C具有一定的相关性。3种水分处理下，产量与WUE均呈正相关关系，尤其在T3处理下呈显著正相关(P<0.05)；但产量与Δ13C 呈负相关关系；WUE与Δ13C在T1、T2处理下呈负相关，相关系数分别为-0.12、-0.04，但在T3处理下呈正相关关系，相关系数最大，为0.24。

表4　不同水分处理条件下禾、豆牧草单、混播产量、WUE与Δ13C之间的相关关系

注：*表示相关关系显著(P<0.05)。

3　结论与讨论

植物的WUE是反映植物水分利用特性的重要参数[26]。气孔是植物进行气体交换的主要窗口，气孔的开闭对植物光合作用和蒸腾作用的影响不同。当气孔关闭时，水分输送阻力增加的比例大于CO2输送阻力增加的比例，即蒸腾作用减弱的程度大于光合作用减弱的程度[27]。因此，当土壤湿度下降时，植物常常会减小气孔导度，进而提高叶片的WUE[28]。于文颖等[20]研究了不同生育期玉米WUE对水分胁迫的响应，指出适度的水分胁迫能够提高玉米叶片的WUE。刘国利等[26]也认为，水分胁迫可提高紫花苜蓿的WUE。本研究结果表明，T1、T2处理下禾、豆牧草的WUE高于T3处理，即适度干旱有利于提高牧草对水分的利用效率。此外，沙打旺的WUE高于紫花苜蓿，这与徐炳成等[29]的研究结果一致。各水分处理下，紫花苜蓿与披碱草混播组合的WUE总体低于同比例条件下沙打旺与披碱草混播组合，但T1处理下混播组合A7C3的WUE则高于混播组合B7C3，这可能是由于重度干旱条件制约了沙打旺的生长，从而产生这一结果。禾、豆牧草混播时，各组分对光、热、水、肥和CO2等生态因子的要求不同，对群落内部各种资源的利用以及相互作用都趋于相互补充而非直接竞争，从而提高了对资源的利用率，维持持久的高生产力[16]。T1、T3处理下，紫花苜蓿与披碱草混播时的WUE高于紫花苜蓿单播时的WUE，但低于披碱草单播时的WUE；而T3处理下沙打旺与披碱草混播时的WUE高于沙打旺单播时的WUE，但低于披碱草单播时的WUE。表明重度水分胁迫与正常灌水条件下，披碱草单播时的WUE均高于牧草混播时的WUE，这可能是由于混播时禾、豆牧草对水分进行竞争，从而使得牧草混播时的WUE低于披碱草单播时的WUE。

植物在光合过程中存在碳同位素分馏，因此，植物的Δ13C值能够指示植物长期WUE的高低，Δ13C值越大，植物的WUE越低[30]。本研究结果表明，不同单、混播组合牧草的Δ13C值均随灌水量的增加而增大，即水分条件越好，植物的碳同位素分辨率越高。当紫花苜蓿与披碱草混播组合中的豆、禾比为3∶7和7∶3时，各土壤水分处理下紫花苜蓿的Δ13C均低于披碱草；而当豆、禾比为5∶5时，T1、T3处理下紫花苜蓿的Δ13C均高于披碱草，T2处理下紫花苜蓿的Δ13C与披碱草相同。这可能与光照[31]及牧草自身的生长特性有关，宁夏地区光照强烈，植被为了减小蒸腾作用而降低气孔导度。随着紫花苜蓿在混播组合中所占比例增大，对披碱草产生的遮阴效果增强，导致披碱草的气孔导度增大，从而使得披碱草的Δ13C高于紫花苜蓿。

陈平等[32]利用稳定碳同位素法测定决明子的WUE，认为Δ13C与WUE呈显著的负相关关系。刘莹等[33]分析白羊草时也发现，Δ13C与WUE呈极显著负相关。梁银丽等[23]则认为，缺水条件下WUE与Δ13C之间为负相关，而充分供水条件下则为正相关。本研究得出，重度和中度水分胁迫条件下，Δ13C与WUE呈负相关；而在土壤水分量充足的条件下，Δ13C与WUE呈正相关，这与梁银丽等[23]的研究结论一致。这可能是由于不同研究中WUE表示的不同含义所致，本研究和梁银丽等[23]的研究中采用的是整株水平的WUE，而陈平等[32]、刘莹等[33]采用的是单叶水平的WUE。这2种WUE的表示侧重不同，解释的现象也不同。笔者认为，整株水平的WUE具有更广泛的实际价值，更能看出植物整体水平上对水分的利用程度。

综上，禾、豆牧草单播及大多数混播组合在正常灌水处理条件下的产量最高，但在重度和中度水分胁迫处理条件下的WUE较高。综合考虑牧草产量及WUE最大化，应使牧草处于中度水分胁迫条件下；正常灌水条件下，紫花苜蓿与披碱草混播组合和沙打旺与披碱草混播组合的WUE均高于豆科牧草单播时的WUE，但低于披碱草单播时的WUE，但考虑到牧草的产量及效益，应当进行禾豆牧草混播种植。

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