不同灌溉处理下紫花苜蓿光合特性、叶绿素荧光参数及生物量的变化

刘 军， 齐广平*， 康燕霞， 马彦麟， 银敏华， 李晓敏， 栗 志

(1. 甘肃农业大学水利水电工程学院, 甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃杨柳青牧草饲料开发有限公司, 甘肃 金昌 737200)

在我国西北干旱半干旱地区，水分是限制该地区农业生产的主要因子[1]。水分亏缺会严重影响植物的生长与发育，进而影响产量和体内次生代谢产物的积累[2]。光合作用是植物生长的基础，是植物生产力构成的最主要因素，水分状况又是影响植物光合作用的最重要的因子之一[3]。水分亏缺会导致紫花苜蓿叶片光合速率和蒸腾速率的下降，抑制其生长，一定程度的水分胁迫会破坏叶片的光合中心[4]。叶片光系统Ⅱ(PS Ⅱ) 是植物能力转化主要部位，在植物体受到逆境胁迫的过程中发挥着重要的作用[5]。水分胁迫抑制植物体光合作用中的光反应和暗反应，对叶片的光合器官也有显著的影响，导致光合CO2同化效率降低，叶绿素荧光变化，从而影响叶片光合特性[6]。光合作用和叶绿素荧光在植物体内各反应过程中有密切的联系，以叶绿素为探针，可以快速、无伤害、准确的探测植物的光合功能情况[7]、生长生理状况以及各种逆境胁迫对光合系统产生的影响[8]。已有研究表明，水分胁迫下能减弱PSⅡ反应中心活性，Pn由气孔因素转变为非气孔因素，实际光合效率(ΦPSⅡ)和PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)降低，造成光合速率和蒸腾速率下降以及气孔关闭[9-11]。正因为叶绿素荧光的测定具有快速、准确、无损伤等诸多优点，现已被广泛应用于植物研究的各个方面。

紫花苜蓿(Medicagosative)是优质的多年生豆科牧草，由于其营养丰富和利用价值较高，被誉为“牧草之王”[12]。随着畜牧业的蓬勃发展，紫花苜蓿的种植面积将逐年扩大，但我国的苜蓿的产量还远远不能够满足国内市场的需求，扩大种植面积、提高苜蓿产量已成为生产中迫切需要解决的问题[13]。地下滴灌目前是一种极具潜力的灌溉技术[14]，是通过地下灌水器将灌溉水以较小流量均匀、准确的输入到植物根区周围，供植物根部吸收利用[15]。紫花苜蓿对水分亏缺十分的敏感，在甘肃河西走廊荒漠绿洲区靠天然降水无法保证紫花苜蓿的正常生产，因此通过灌溉的方式来提高紫花苜蓿的产量是势在必行。目前对于紫花苜蓿主要研究不同品种紫花苜蓿在水分胁迫下的光合生理参数，从而得出其抗旱性强弱[3,16-18]，而对西北荒漠化灌区滴灌模式下紫花苜蓿在水分胁迫下的光合生理变化的研究较少。

本次试验通过研究滴灌模式下紫花苜蓿在不同水分胁迫下的光合作用和叶绿素荧光特性，以揭示水分胁迫与光合生理之间的关系，从而得出正常光合生理下的水分需求，为西北荒漠化灌区节水增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验2018年4月于甘肃省金昌市永昌县水源镇杨柳青饲料有限公司进行(102°30′E，38°15′N，1 519 m)。该试验区属于半干旱区，温带大陆性气候，平均年降雨量为185.1 mm，年平均气温7.7℃，全年无霜期150 d，年均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸发量为2 000.6 mm，属于典型内陆干旱荒漠区气候。

1.2 试验材料

甘农3号紫花苜蓿，由甘肃杨柳青牧草饲料开发有限公司提供；滴灌材料由新疆中油节水科技公司提供的內镶式贴片滴灌带，管径16 mm，壁厚0.4 mm，滴头流量3.0 L·h-1，滴头间距30 cm。

1.3 试验设计

该次采用大田试验，为单因素随机区组设计。土壤的田间最大持水量为25.2%。试验分四个水分处理：(1)充分灌溉(用W0表示，土壤水分为田间持水量的75%～85%)；(2)轻度水分胁迫(用W1表示，土壤水分为田间持水量的65%～75%)；(3)中度水分胁迫(用W2表示，土壤水分为田间持水量的55%～65%)；(4)重度水分胁迫(用W3表示，土壤水分为田间持水量的45%～55%)。其中W0为对照处理，每个处理三次重复，共12个小区，每小区面积为25 m2(5 m×5 m)。当各小区0.6 m以上土层的土壤体积含水量占田间持水量的百分比达到所在处理的设计水分下限时开始灌水(表1)。

1.4 测定指标

1.4.1光合日变化的测定 采用美国生产的Li-6400XT便携式光合仪，随机选取生长良好、高度相同且光照相似的相同叶位处(即从顶部向下的第四个完全展开叶的中间小叶)的叶片。选择晴朗无风的天气，从8:00-18:00每隔2h测定一次，测定指标包括叶片净光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、气孔导度(Gs，mmol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)、蒸腾速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、叶片水分利用效率(WUE，μmol·mmol-1)和气孔限制值分别由公式计算，即：WUE=Pn/Tr;Ls=1-Ci/Ca(Ca为大气中CO2浓度)。

1.4.2叶绿素含量 取第四片叶片，用丙酮提取法提取叶绿素，并用分光光度计测定吸光值计算得出叶绿素a，b、总含量及比值[19]。

1.4.3叶绿素荧光参数的测定 采用PAM-2500便携式叶绿素荧光仪测定，紫花苜蓿处于初花期。测定前降苜蓿暗适应20min，然后开始测定，每个处理重复三次。测定指标包括初始荧光(Minimal fluorescence,Fo)、最大荧光(Maximum fluorescence,Fm)、可变荧光(Variable fluorescence,Fv)、PSⅡ潜在活性(potential activity of PSⅡ,Fv /Fo)、PSⅡ原初光能转化效率(Primary light energy conversion efficiency of PSⅡ,Fv/Fm)、实际光化学效率(Actual photochemical efficiency,ΦPSⅡ)、表观电子传递速率(Apparent electron transfer rate,ETR)。

1.4.4干草产量的测定 苜蓿开花达到5%以上(初花期)时进行产量测定，每个小区选取样方面积为1 m×1 m，收割后立即称其鲜重。将样方鲜草取200 g装入信封，105℃下杀青30 min，75℃烘干至恒重，精确称量干草的重量。

1.4.5生长指标的测定 用钢卷尺测定株高。在返青或刈割后对植株进行标记，每个处理标记6株，三个重复。测定时，齐地面测量至植株顶端，每10天测定一次。用电子数显卡尺测定植物的茎粗。茎粗测定的植株与株高测定的相同，测量距地面10～15 cm处主茎枝条的直径，每10天测定一次。

1.5 数据处理与分析方法

采用Microsoft Excel 2016及SPSS 19.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对紫花苜蓿光合作用的影响

2.1.1光合速率日变化的特征 图1中A表明，紫花苜蓿的净光合速率(Pn)日变化曲线均为典型的“双峰”曲线。在8:00和18:00左右时最低。在12:00左右时，不同水分处理下的Pn出现第一峰值，以W0最大，其值为21.24μmol·m-2·s-1，其次为W1(20.26 μmol·m-2·s-1)，W2(18.67μmol·m-2·s-1)，W3(16.31μmol·m-2·s-1)，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)。之后，两者都开始下降，当到14:00左右时，出现光合“午休”现象，其值下降到14.37μmol·m-2·s-1。在16:00左右时，出现第二峰值，以W0为最大，其值为19.42 μmol·m-2·s-1。较W1，W2，W3分别增大了0.5%，18.1%，34.2%，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)。

2.1.2气孔导度日变化的特征 紫花苜蓿的气孔导度(Gs)的日变化曲线均呈降低趋势，Gs在10:00时出现最大值，以W0最大，其值为0.84 mmol·m-2·s-1，W1，W2，W3的Gs比W0的分别降低了2.96%，15.4%，21.45%，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)。在10:00-12:00开始缓慢下降，12:00-14:00开始迅速下降，其值分别下降到0.35 mmol·m-2·s-1(W0)，0.33 mmol·m-2·s-1(W1)，0.31 mmol·m-2·s-1(W2)，0.21 mmol·m-2·s-1(W3)，到16:00又缓慢增高，之后又迅速(图1中B)

2.1.3胞间CO2浓度日变化的特征 紫花苜蓿的胞间CO2浓度(Ci)日变化呈先降低后升高的趋势。从8:00开始，Ci开始降低，在12:00左右时出现第一个低谷，以W2最大，其值为297 μmol·mol-1，其次为W3，W0，W1，在16:00左右出现第二低谷，其大小依次为W2>W3>W0>W1，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)(图1中C)。

2.1.4蒸腾速率日变化的特征 紫花苜蓿的蒸腾速率(Tr)日变化在8:00为一天最小值，以W0最大，其值为5.34 mmol·m-2·s-1，W3最小，值为4.33 mmol·m-2·s-1，8:00-12:00迅速升高，12:00时达到最大值，最大值为12.17 mmol·m-2·s-1(W0)，分别较W1，W2，W3增大了4.02%，5.55%，26.11%，W1与W2，W3无显著差异，与差异显著(P<0.05)。12:00-14:00又迅速下降，之后缓慢上升，16:00之后又开始下降(图1中D)。

图1 水分胁迫条件下紫花苜蓿的光合特征参数的日变化Fig.1 Diurnal variation of light and characteristic parameters of alfalfa under water stress注：W0,W1,W2,W3分别表示充分灌溉、轻度水分胁迫、中度水分胁迫和重度水分胁迫，下同Note:W0,W1,W2and W3 indicate adequate irrigation,mild water stress,moderate water stress,and severe water stress,respectively,The same as below

2.1.5水分利用效率日变化的特征 在W0，W1，W2下，紫花苜蓿的水分利用效率(WUE)日变化曲线同净光合速率一样为“双峰”曲线，在W3下呈先降低后升高再降低趋势。W0，W1，W2的WUE的峰值分别出现在10:00和16:00。在10:00水分效率依次为2.11 μmol·mmol-1(W2)，2.09 μmol·mmol-1(W1)，2.08μmol·mmol-1(W0)，1.71μmol·mmol-1(W3)；在16:00水分利用效率依次为2.27 μmol·mmol-1(W1)，2.25 μmol·mmol-1(W0)，1.91 μmol·mmol-1(W2)，1.91 μmol·mmol-1(W3)，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)(图1中E)。

2.1.6气孔限制值日变化的特征 紫花苜蓿叶片的气孔限制值(Ls)日变化呈持续上升的趋势。在8:00时为一天最小值，其值为-0.019(W1)，-0.036(W0)，-0.082(W2)，-0.102(W3)。Ls在16:00出现峰值，以W1最大，最大值0.46。在12:00-14:00和16:00-18:00时间段中W0和W1缓慢下降，而W2和W3上升(图1中F)，W1与W2无显著差异，与W3，W4差异显著(P<0.05)。

2.2 紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析

紫花苜蓿叶片水分利用效率(WUE)与净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、气孔限制值(Ls)呈极显著正相关，与蒸腾速率(Tr)呈显著正相关，与胞间CO2浓度(Ci)呈极显著负相关；Pn与Gs，Tr呈极显著正相关，与Ls差异不显著，与Ci呈极显著负相关；Gs与Ci呈显著负相关，与Tr，Ls呈极显著正相关；Ci与Tr呈极显著负相关，与Ls呈显著负相关(表2)。

表2 紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析Table 2 Correlation Analysis of Photosynthetic Physiological Parameters of Alfalfa

注：**表示在0.01水平上差异显著(P<0.01),*表示在0.05水平上差异显著(P<0.05)

Note：**indicate different significant difference at the 0.01 level,*indicate different significant difference at the 0.05 level

2.3 水分胁迫对紫花苜蓿光叶绿素含量的影响

如图2所示，随着水分胁迫的加剧，紫花苜蓿的叶绿素a(Chla)、叶绿素总量(Chl(a+b))和叶绿素比值(Chla/b)的含量均呈先升高后降低，叶绿素b(Chlb)呈现逐渐降低。W0的Chla为1.57，W1较W0增加了4.9%，W2，W3较W0分别降低了8.1%，32.3%；各处理均差异显著(P<0.05)；W0的Chlb为0.44，W1，W2，W3较W0分别降低了10.5%，12%，23.3%；W0与其它各处理差异均显著(P<0.05)，但W1与W2差异不显著；W0的Chl(a+b)为2.01，W1较W0增加了1.5%，W2，W3较W0分别降低了8.9%，30.2%；其中W0与W1差异不显著，与其它处理差异显；W0的Chla/b为3.54，W1，W2较W0分别增加了17.2%，4.5%，W3较W0降低了11.7%，W0与W2差异不显著，与其它处理差异显著W0与W1差异不显著，与其它处理差异显著(P<0.05)。

图2 水分胁迫下紫花苜蓿叶片叶绿素含量及比值的变化Fig.2 Changes of chlorophyll content and ratio of alfalfa leaves under water stress注：小写字母表示不同处理之间差异达到显著水平(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicated signifcant difference between different treatments at the 0.05 level

2.4 水分胁迫对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响

由表3可知，随着水分胁迫的加剧，紫花苜蓿的初始荧光(Fo)逐渐增加，可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、表观电子传递速率(ETR)均呈现不同程度的降低。不同水分处理下紫花苜蓿的Fo、Fv、Fm、Fv/Fo差异均显著(P<0.05)；W1处理下的Fv/Fm与W0的差异不显著，其它处理与W0差异显著(P<0.05)；W0，W1，W2的ΦPSⅡ差异不显著，但与W3差异显著(P<0.05)；ETR中W0与W1差异不显著，与W2，W3差异显著(P<0.05)，W2与W3差异不显著。

表3 紫花苜蓿光合生理参数的相关性分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic physiological parameters of alfalfa

注：小写字母表示不同处理之间差异达到显著水平(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters indicated signifcant difference between different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.5 水分胁迫对紫花苜蓿产量的影响

紫花苜蓿的株高、茎粗和干草产量、都随着水分胁迫的加剧而逐渐减小。由表4可以看出，在W1处理下紫花苜蓿的株高、茎粗和干草产量与W0的基本相同，而W2和W3的明显降低。通过分析表明W1与W0的株高、茎粗和干草产量差异不显著，W0与W2，W3的株高、茎粗和干草产量差异显著(P<0.05)。

表4 紫花苜蓿生长指标的相关性分析Table 4 Correlation analysis ofalfalfa growth indicators

3 讨论

水分胁迫显著影响着植物净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合生理中的相关指标[20]。水分胁迫下影响植物叶片净光合速率降低的因素主要有气孔限制和非气孔限制两种[21]。有研究表明，随着水分胁迫的加剧，植物的光合速率、蒸腾速率降低，气孔阻力升高导致气孔导度下降，因此可以推断气孔因素是在水分胁迫下影响光合速率下降的主要因素[22]。而有些研究表明，非气孔因素是影响光合速率下降的主要因素[4]。本研究中，在充分灌溉和轻度水分胁迫下紫花苜蓿Pn下降的同时，Ci降低，Ls升高，表明轻度水分胁迫下气孔因素是紫花苜蓿光合作用降低的主要因素；中度和重度水分胁迫下，随着紫花苜蓿Pn的降低，LS下降，Ci却呈上升趋势，表明Pn的下降由气孔因素转变为非气孔因素，这一结论与刘玉华、张卫强等对紫花苜蓿的研究相似[23,24]。

水分利用效率是植物消耗单位水分所生产同化物质的量，是体现植物节水能力和适应逆境的重要指标[25]。有多个研究表明，水分胁迫可以提高植物的水分利用效率，气孔等因素共同影响植物叶片的水分利用效率[26]。本研究中在10:00和16:00时的水分利用效率以W1最大，表明轻度水分胁迫对紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高。不同水分处理下紫花苜蓿的WUE与其他光合指标的相关性分析，表明叶片Pn和Tr是影响水分利用效率的主要因素，当作物受到水分胁迫时主要通过降低Tr来提高WUE。紫花苜蓿叶片的Pn和Tr呈极显著正相关，而WUE与Pn，Tr呈正相关，与Ci呈负相关，表明蒸腾作用影响着植物的水分状况，在一定程度上抑制了紫花苜蓿的光合作用，这与金薇薇、董智[27-29]等人的研究结果相同。

叶绿素是光合作用的光敏催化剂，与光合作用密切相关，其含量和比例是适应和利用环境的主要因子[30]，叶绿素含量的变化反应了叶片对外界光环境变化的适应情况[31]。本研究发现，在轻度水分胁迫下紫花苜蓿的叶绿素含量增加且与充分灌溉无显著差异，表明轻度水分胁迫能增加光能利用效率，这与植物对环境因子的补偿和超补偿效应有关；随着水分胁迫的加剧，叶绿素含量下降，表明在中度和重度水分胁迫下超过了其补偿能力[32]。

叶绿素荧光参数可以更好的从内部反应光合过程，也可以快速、灵敏、无损伤探测水分胁迫对植物光合作用的影响[33]。在中度及重度干旱条件下Fv /Fm值下降，表明水分胁迫降低了PSⅡ反应中心捕获激发能的效率，光能利用能力下降。随着水分胁迫的加剧ETR呈下降趋势，表明水分胁迫下植株体内电子传递受阻，产生光抑制，从而引起叶片的净光合速率下降[18]。本研究发现，在轻度水分胁迫下，紫花苜蓿的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、ETR下降幅度较小，表明轻度水分胁迫下叶片的光系统受伤较轻。随着水分胁迫的加剧，紫花苜蓿的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、ETR下降幅度逐渐加大，表明紫花苜蓿在受到重度水分胁迫时产生了可逆下调，进一步影响植物的光合速率，这与张林春等[34]的研究结果相类似。

植物的株高、茎粗是描述其生长状况，是其产量高低最直接的一个特征量。随着水分胁迫的加剧，植物的株高最容易受到影响，株高的显著下降会引起产量的急剧下降。紫花苜蓿的地上生物量与随着供水量的增加呈上升趋势，方差分析表明W1与W0的干草产量无显著差异，表明轻度水分胁迫不会引起干草产量的降低，这与曹雪松、陈林等人[35,36]的研究结果相一致。

4 结论

随着水分胁迫的加剧，紫花苜蓿的Pn下降，Ci先降低后升高，Ls先升高后降低，表明Pn的下降由气孔限制转变为非气孔限制；而水分利用效率日变化在10:00和16:00时轻度水分胁迫的值最大，表明轻度水分胁迫对紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高。在轻度水分胁迫下紫花苜蓿的叶绿素总量，Fv/Fm，Fv/Fo，ΦPSⅡ，ETR，株高，茎粗，产量均与充分灌溉无显著差异，表明在永昌荒漠化灌区种植紫花苜蓿，轻度水分胁迫可以达到节水稳产的目的。