干旱胁迫和钾肥对油菜苗期生物量和水分利用特征的影响

朱 波，徐绮雯，马淑敏，张小短，邢 毅，王龙昌

(西南大学农学与生物科技学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716)

干旱是影响作物生长和产量最主要的非生物胁迫之一[1]。缺水条件下，叶片气孔关闭，蒸腾速率降低从而减少组织水分的散失[2-3]，土壤蒸发消耗的水分减少[4]。因作物通过蒸腾作用消耗的水分是生产性的，而土壤蒸发散失的水分是非生产性的，研究干旱胁迫下蒸腾、蒸发在总耗水量中的分配对生产和水分利用具有重要意义[5-6]。水分利用效率被广泛用于评估作物在不同水分件下的生长情况，是衡量作物抗旱性的重要指标[7-8]。气候变化、需求量增加以及污染等因素造成水资源日渐短缺，因此提高作物水分利用效率和抗旱性必要且紧迫[9]。

通过施用外源的物质，比如肥料和生长调节剂等可降低干旱对作物生长和产量的不利影响[10-11]。钾是植物生长最重要的营养元素之一，在缓解植物生物和非生物胁迫中具有重要作用[12]。钾素在植物体内以离子形态存在，参与酶的活化、离子平衡、物质转运和蛋白质的合成等各种生理过程[13-14]。在干旱条件下，增施钾肥可以提高作物光合速率，促进生长，提高作物的抗旱性[15-16]。

油菜(Brassicanapus)在我国广泛种植，是植物油和动物饲料的主要来源[17-18],也是重要的绿肥植物[19-22]。长江流域是我国油菜的的主产区，由于全年降水不均匀，秋旱和春旱频繁发生，严重影响油菜的产量和品质[23-24]。油菜具有广泛的遗传多样性，不同品种对干旱胁迫的响应表现出较大差异[25]，为培育抗旱品种提供了重要基础[26-27]。本研究以西南地区广泛种植的8个油菜品种为材料，研究不同水分和钾肥处理对油菜生长、蒸腾蒸发、水分利用效率的影响及相关关系，并评估筛选水分和钾肥高效利用的抗旱品种，为节水节肥高效栽培和抗旱性育种提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以西南地区广泛种植的8个甘蓝型油菜品种为试验材料，供试品种分别为川油36、川油46、新德杂油9号、渝油28、油研10、油研57、油研817、中双11。试验于2016年9—11月在西南大学教学试验农场玻璃温室中进行。采用盆栽试验，塑料盆内径28 cm，高18 cm。盆栽用土过3 mm筛子，含有机质11.6 g·kg-1，全氮0.5 g·kg-1,碱解氮37.6 g·kg-1， 速效钾84 mg·kg-1，有效磷17 mg·kg-1。风干土含水量2.5%，最大田间持水量为22.0%。

1.2 试验设计

除品种外，设置不同水分和钾肥梯度。设置2个水分梯度：干旱水平(W1)，50%最大田间持水量；正常水分(W2)，65%最大田间持水量。设置2个钾肥梯度：低钾水平(K1)，K2O 60 kg·hm-2；高钾水平(K2)，K2O 180 kg·hm-2。共包含W1K1、W1K2、W2K1和W2K2 4个处理，每个品种每个处理重复3次。氮肥和磷肥分别按照180 kg·hm-2和90 kg·hm-2的水平添加。在播种前，每盆加入2.409 g尿素(含N46%)，3.957 g过磷酸钙(含P2O514%)，在K1和K2处理盆中分别加入0.585 g KCl和1.756 g KCl(含K2O63%)。油菜出苗后，每盆留苗6株。在播种后第28天，每盆收获2株苗，同时开始水分处理。采用称重法差别控制W1和W2处理水分，每天同一时间称取盆的重量并记录，分别加水到50%和65%最大田间持水量。干旱处理21 d后，每盆收获2株，同时W1处理组土壤水分恢复到65%最大田间持水量水平。在复水17 d后，收获盆中剩余2株苗。另外，对W1和W2两种水分处理分别设置不种油菜的3个盆，用于测定不同土壤水分条件下的蒸发量。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生物量 分别在干旱处理前、干旱处理21 d和复水17 d取样，将植株整株收获，用自来水将根上的泥土清洗干净，2株为一个重复装入纸袋，80℃烘干至恒重。

1.3.2 蒸发蒸腾量 蒸发蒸腾量、蒸腾量和蒸发量参考Khataar等[8]的方法计算。蒸发蒸腾量(耗水量,g·d-1)为一个时期内向种植油菜的盆内浇水量的平均值。蒸发量(g·d-1)为一个时期内向未种植油菜的盆内浇水量的平均值。蒸腾量(g·d-1)=蒸发蒸腾量-蒸发量。

1.3.3 水分利用效率和蒸腾效率 某一时期水分利用效率和蒸腾效率通过以下公式计算：水分利用效率(g·kg-1)=生物量增加量/蒸发蒸腾积累量;蒸腾效率(g·kg-1)=生物量增加量/蒸腾积累量。

1.3.4 钾肥利用效率和钾素积累量 烘干的植株用磨样机磨碎成粉状，准确称取0.2 g样品，采用硝酸-高氯酸(体积比4∶2)消解，采用原子吸收分光光度计(岛津AA-7000)测定钾元素含量。钾吸收量和钾肥利用效率通过下式计算：钾吸收量(mg)=钾元素含量×生物量；钾肥利用效率(g·g-1)=生物量/钾吸收量。

1.3.5 主成分分析和综合 评价抽取干旱处理后各指标主成分(特征值>1)，选用回归(R)方法计算各主成分的得分，并以方差贡献率为权数计算综合得分[28]。

1.4 统计分析

采用SPSS 19.0制图、相关性分析和主成分分析，在SAS V8中采用最小显著差异法(LSD，P<0.05)对不同水分和钾肥处理进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水分和钾肥处理对油菜苗期生物量的影响

由图1可知，油菜苗期生长在干旱胁迫下受到严重抑制。干旱阶段8个品种在W1处理下的平均生物量为2.09 g，较W2处理降低了43.7%。复水17 d后，W1和W2处理各品种平均生物量分别较干旱期提高了3.05倍和2.59倍，W1处理各品种的平均干物质积累较W2水平减少了36.3%。这表明，干旱胁迫解除后油菜生长快速恢复。不同水平钾肥的施用对油菜生长的影响因土壤水分的差异而不同。在正常水分条件下，提高钾肥施用对油菜苗期干物质积累影响不显著。在干旱水平下，W1K2处理各油菜品种平均生物量显著高于W1K1处理，在干旱期和复水后分别提高了16.1%和11.9%。综上可知，干旱胁迫严重阻碍油菜苗期生长，提高钾肥的施用量可有效促进油菜苗期的生长。

注：同一时期不同小写字母表示处理间差异显著，*表示干旱期仅W1K1和W1K2两处理比较差异显著(P<0.05,最小显著差异法)。Note: Different lowercase letters above the columns indicate significant difference at each stage; * indicates significant difference between W1K1 and W1K2 in drought stage (P<0.05, Fisher’s least-significant difference).图1 不同水分和钾肥处理对油菜苗期生物量的影响Fig.1 The effect of different water and potassium treatments on rapeseed dry biomass

2.2 不同水分和钾肥处理对油菜水分利用特征的影响

2.2.1 不同水分和钾肥处理对油菜水分利用效率和蒸腾效率的影响 由图2A可知，干旱胁迫对油菜蒸腾效率有显著影响。在干旱期， W1处理各品种平均蒸腾效率与W2处理相比提高34.1%。各品种在W1K2处理下的平均蒸腾效率为7.86 g·kg-1，较W1K1提高7.8%。与干旱期相比，W2处理下各品种的平均蒸腾效率在复水期显著提高，但W1K1、W1K2、W2K1和W2K2处理间各品种的平均蒸腾效率差异不显著。

从不同土壤水分对油菜苗期水分利用效率的影响来看(图2B)，干旱期W1处理各品种的平均水分利用效率为2.78 g·kg-1，比W2处理降低了8.0%。在复水期，W1处理各品种的平均水分利用效率为3.52 g·kg-1，比W2处理降低17.8%, 差异达显著水平(P<0.05)。从钾肥施用对水分利用效率的影响看，干旱期W1K2处理各品种的平均水分利用效率为2.97 g·kg-1，比W1K1提高14.3%，复水期W1K2各品种的平均水分利用效率为3.63 g·kg-1， 比W1K1提高6.4%。显著性检验结果显示，干旱期钾肥对水分利用效率的影响达到显著水平(P<0.05)，复水期钾肥对水分利用效率的影响差异不显著(P=0.059，图2B)。综上可知，干旱胁迫严重影响油菜苗期的水分利用效率，干旱胁迫消除后，遭受干旱胁迫的油菜植株水分利用效率与未遭受干旱胁迫的植株水分利用效率差距变大，提高钾肥的施用水平可以显著提高油菜水分利用效率。

2.2.2 不同水分和钾肥处理对油菜蒸腾蒸发的影响 由图3A可知，水分处理对油菜蒸发蒸腾有显著影响(P<0.05)。在干旱期，W1处理下各品种的平均蒸发蒸腾量较W2处理的蒸发蒸腾量减少43.9%。与干旱期相比，复水期W1和W2处理各品种的平均蒸发蒸腾量分别提高了77.2%和23.1%；W1处理各品种平均蒸发蒸腾量在复水期较W2处理减少19.2%。可见，油菜蒸发蒸腾在干旱胁迫下受严重抑制，复水后蒸发蒸腾量急剧增加。不同钾肥施用水平对蒸发蒸腾量的影响不显著。

在不同水分条件下，处理间土壤蒸发量差异显著。在干旱阶段，W1比W2的土壤蒸发量减少了23.5%。在复水期，W1处理的土壤蒸发量较W2增加了5.9% (图3B)。干旱对油菜蒸腾量的影响较大，在干旱期和复水期，W1处理各品种的平均蒸腾量较W2处理分别降低60.9%和35.3%。与干旱期相比，复水期W1和W2处理各品种的平均蒸腾量分别提高了128.5%和38.0%。提高钾肥的施用促进蒸腾量的提高，W1K2处理各品种的平均蒸腾量较W1K1在干旱期和复水期分别提高了8.5%和8.1%(图3C)。然而，W1处理各品种的平均蒸发/蒸腾比显著高于W2处理(P<0.5，图3D)。

图2 不同水分和钾肥处理对蒸腾效率(A)和水分利用效率(B)的影响Fig.2 The effect of different water and potassium treatments on transpiration efficiency (A) and water use efficiency (B)

图3 不同水分和钾肥处理对蒸发蒸腾量(A)、蒸发量(B)、蒸腾量(C)和蒸发/蒸腾比(D)的影响Fig.3 The effect of different water and potassium treatments on evapotranspiration (A), evaporation (B),transpiration (C), and ratio of evaporation to transpiration (D)

在干旱期，各处理的平均蒸发/蒸腾比表现为W1K1>W1K2>W2K1>W2K2，分别为1.83，1.69，0.90和0.85。在复水期，W1处理和W2处理各品种的平均蒸发/蒸腾比均显著降低，各处理的平均蒸发/蒸腾比表现为W1K1>W1K2>W2K1=W2K2，分别为1.15，1.06，0.66和0.66。综上可知，干旱处理后蒸发、蒸腾量显著降低，且蒸腾量下降幅度较大，蒸发/蒸腾比提高，大部分的水分通过土壤蒸发散失；提高钾肥的施用水平可提高蒸腾量，降低蒸发/蒸腾比。

2.2.3 油菜生物量与水分利用特征的关系 由表1可知，在W1处理下，生物量与水分利用效率、蒸腾蒸发量和蒸腾量呈极显著正相关，与蒸发/蒸腾比呈显著负相关，与蒸腾效率不相关，表明干旱胁迫下油菜干物质积累与蒸腾效率相关性不大。在正常水分条件W2处理下，生物量与水分利用效率、蒸腾效率、蒸腾蒸发量和蒸腾量呈极显著正相关，与蒸发/蒸腾比呈极显著负相关。在W1处理和W2处理中，水分利用效率均与蒸腾效率、蒸腾蒸发量和蒸腾量呈极显著正相关，同蒸发/蒸腾比呈显著负相关。与W2处理相比，W1处理中水分利用效率与蒸腾效率的相关系数降低，而与蒸腾量和蒸发/蒸腾比的相关系数提高。在W2处理中，蒸腾效率与蒸发蒸腾量及蒸腾量呈显著正相关，而在W1处理中，蒸腾效率与蒸腾量呈显著负相关，与蒸发/蒸腾比呈极显著正相关，说明在正常水分下，蒸腾效率因植株蒸腾量的增加而增加，而在干旱条件下蒸腾效率因蒸腾量的增加而降低。在W1和W2处理中，蒸发/蒸腾比均与蒸发蒸腾量和蒸腾量呈极显著负相关。

表1 油菜生物量与水分利用特征间的相关分析

2.3 不同水分和钾肥处理对油菜钾肥利用效率和钾吸收的影响

由图4A可知，干旱期不同水分处理对钾肥利用效率影响不显著，相同水分处理下不同钾肥水平对钾肥利用效率影响显著。W1K1处理各品种的平均钾肥利用效率为17.81 g·g-1,较W1K2提高17.1%；W2K1处理各品种的平均钾肥利用效率为18.10 g·g-1，较W2K2提高15.3%。在复水期，W2处理各品种的平均钾肥利用效率显著高于W1处理；各处理间钾肥利用效率差异显著(P<0.05)，大小表现为W2K1>W1K1>W2K2>W1K2。另外，水分和钾肥对油菜钾吸收具有较大影响。干旱胁迫下，钾吸收量显著降低，提高钾肥施用水平可促进油菜对钾素的吸收(图4B)。W1K2处理各品种在干旱期和复水期的平均钾吸收量分别为146.87 mg和434.45 mg，分别比W1K1处理提高34.9%和31.8%。综上可知，干旱胁迫后钾肥的利用效率显著降低；提高钾肥的施用水平，钾肥利用效率降低，但钾吸收量提高。

2.4 干旱处理后各生理指标的主成分分析和不同油菜品种的综合评价

由图5A可知，对W1处理的生物量、水分利用特征和钾肥利用特征进行主成分分析，可提取出2个主成分。主成分1在生物量、水分利用效率、蒸腾蒸发量、钾肥利用效率和钾吸收上具有较大的载荷，可以解释68.0%的总变异，主成分2在蒸腾效率上具有较大的载荷，可以解释20.3%的总变异。油研10、油研57和油研817在不同钾肥处理下的总得分较高，而川油36在不同钾肥处理下的总得分均最低。除川油36和油研817外，其余各品种在K2处理下主成分1上的得分较K1处理均有不同程度的提高；除油研10和中双11外，其余各品种在K2处理下主成分2上的得分较K1处理均有不同程度的提高(图5B)，表明增加钾肥的施用可提高油菜在干旱胁迫下的综合生产能力。

3 讨 论

3.1 干旱胁迫和钾肥施用对油菜苗期生长的影响

干旱胁迫会造成组织氧化损伤和叶片早衰，严重影响油菜的营养生长，导致干物质积累降低[29-30]。本研究中，油菜苗期生长在干旱条件下受到严重抑制，在干旱期和复水期生物量分别降低了43.7%和36.3%。干旱胁迫下，施用钾肥可以提高植株光合效率，促进光合同化物向根系转运，增加根系吸收能力，进而提高产量[31]。作物在干旱胁迫下对钾素的需求增加，提高钾肥用量可以减少干旱对作物生长造成的不良影响[32]。本研究中，缺水条件下，高钾处理各品种在干旱期和复水期的平均生物量比低钾处理分别提高了16.1%和11.9%，差异达显著水平(P<0.05)，说明水分是影响油菜苗期生长的主要因素，干旱条件下提高钾肥的施用量可以在一定程度上促进油菜生长。在干旱胁迫下，水分利用效率和蒸腾量与油菜生物量呈极显著正相关，可以反映油菜在缺水条件下水分利用的能力，是评估油菜抗旱性的重要指标。

3.2 干旱胁迫和钾肥施用对水分利用特征的影响

作物通过蒸腾作用消耗的水分是生产性的，而土壤蒸发直接散失的水分是非生产性的，因此，减少非生产性的土壤蒸发，提高作物蒸腾量在总耗水量中的比重，是农业生产水分运筹的首要目标[5-6]。干旱胁迫下，植株蒸腾作用降低，土壤蒸发占蒸发蒸腾总量的比例增加，且不利影响在生长周期中长期持续，导致水分利用效率降低[33]。本研究中，干旱胁迫下油菜蒸腾量显著降低，蒸发/蒸腾比升高，大部分水分通过蒸发直接散失而未参与油菜蒸腾作用。蒸发蒸腾量、蒸腾量与生物量呈极显著正相关，蒸发/蒸腾比与生物量呈极显著负相关，说明蒸腾量随着生物量的增加而增加，蒸发/蒸腾比随着生物量的增加而降低。因干旱胁迫严重抑制油菜生长，植株生长弱小，即便在复水后，W1处理与W2处理相比，各油菜品种的平均蒸腾量亦降低35.3%，蒸发/蒸腾比提高67.4%，更多的水分通过蒸发散失。结果表明，干旱胁迫引起油菜蒸腾作用降低，改变水分在蒸腾、蒸发中的分配比例，且不利影响在油菜生长周期内长期持续。干旱胁迫下，提高钾肥施用水平可促进油菜蒸腾作用提高，降低蒸发在耗水量中的比例。

图4 不同水分和钾肥处理对钾肥利用效率(A)和钾吸收量(B)的影响Fig.4 The effect of different water and potassium treatments on potassium use efficiency and potassium absorption

图5 W1处理各生理指标的主成分分析(A)和品种间的综合得分(B)Fig.5 The principal component after drought stress (A) and genotypic variation in score(B)

作物在缺水条件下通常保持较高的内在水分利用效率，干旱严重时作物的水分利用效率降低[33-34]。研究表明，水分利用效率与蒸腾效率呈正比，与蒸发/蒸腾比呈反比[35-36]。通常用于植株必要生理功能的水分不到根系吸收总水分的5%，其余95%以上的水分通过叶片气孔散失[37]。干旱胁迫下叶片气孔导度降低[38]，通过蒸腾散失的水分减少从而促进蒸腾效率提高。本研究中，蒸腾效率在干旱胁迫下显著提高，且蒸腾效率与蒸腾量呈显著负相关。W1处理各品种的平均水分利用效率在干旱期和复水期分别较W2处理降低8.0%和17.8%，差异达显著水平(P<0.05)；干旱条件下提高钾肥施用水平可以显著提高油菜水分利用效率(P<0.05)。不同水分处理下，水分利用效率与蒸腾效率呈极显著正相关，与蒸发/蒸腾比呈极显著负相关。W1处理各品种的平均蒸腾效率在干旱期和复水期分别提高了34.1%和5.0%，然而各品种的平均蒸发/蒸腾比提高了102.0%和67.2%，蒸发/蒸腾比增加的幅度高于蒸腾效率增加的幅度，同时水分利用效率与蒸腾效率的相关性降低，而与蒸腾/蒸发比的相关性提高，表明干旱胁迫下蒸发/蒸腾比的增加是引起水分利用效率降低的主要原因。综上可知，干旱胁迫下植株生长受到抑制，蒸腾量降低，大部分的水分通过蒸发散失而非油菜直接利用，从而导致水分利用效率降低。钾肥的施用在提高蒸腾效率的同时降低了蒸发/蒸腾比，从而促进油菜水分利用效率的提高。

3.3 不同油菜品种在干旱和不同钾肥水平下的综合评价

不同品种对干旱胁迫和不同钾肥施用量的响应表现出较大的差异。通过对干旱处理后油菜生物量和水分利用特征进行主成分分析，可提取出2个主成分，主成分1主要反映油菜生物量积累、水分利用、蒸腾、钾肥利用和钾吸收的能力，主成分2主要反映干旱胁迫后油菜的蒸腾效率。油研10、油研57和油研817在主成分1上的得分较高，且在2个主成分上的综合得分较高，表明其在干旱胁迫下拥有较大的生物量、蒸腾量、水分利用效率和钾肥的吸收利用能力，为抗旱、钾高效品种。川油36的综合得分最低，在干旱胁迫下生长受到严重抑制，水分利用效率和钾肥吸收利用能力较低，为干旱敏感品种。

4 结 论

干旱严重阻碍油菜苗期的生长，干旱胁迫下油菜的生物量和水分利用效率显著降低，提高钾肥施用水平可显著促进油菜的生长和水分利用效率的提高。水分利用效率与蒸腾效率呈极显著正相关，与蒸发/蒸腾比呈极显著负相关。干旱胁迫下，油菜蒸腾效率显著提高，蒸腾量大幅度降低，总耗水量中土壤蒸发散失的水分比例增加，大部分的水分通过蒸发散失而非油菜直接利用，导致水分利用效率降低。干旱胁迫下钾肥利用效率降低，钾吸收减少；提高钾肥的施用水平，钾肥利用效率降低，但钾吸收量提高。油研10、油研57和油研817在干旱胁迫下具有较大的生物量、蒸腾量、水分利用效率和钾肥的吸收利用能力，为抗旱、钾高效品种。