垄沟集雨条件下不同生育期调亏灌溉对青椒气孔特征、生长过程及生物量的影响

郝立华，常志杰，王晓雨，刘婧然，陈文娜，谢 坤，贾艳辉

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453003；2.农业农村部商丘农业环境科学观测实验站，河南商丘476000；3.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸056038；4.河北工程大学园林与生态工程学院，河北邯郸056038）

0 引 言

工业革命以后，大量化石燃料的使用和温室气体的排放已经引起全球性的气候变暖，造成严重的生态环境问题[1，2]。气候变暖还将导致全球范围内的水资源分布不均匀，造成局部地区的水资源短缺，进一步制约了农业生产与粮食供给，影响着全球/区域经济的飞速发展[3]。众所周知，全球范围内气候变暖会改变降雨的分配格局，导致部分地区发生阶段性的极端干旱事件，尤其是我国华北平原粮食生产地区农业干旱现象频发[4]。另外，我国北方地区的耕地面积占全国总耕地面积的58.3%，农业用水占总用水量的占比较大，农业用水浪费严重[5]。尽管已经采取了一系列节水措施来提高水分利用的效率，以减缓生长季水分胁迫对农作物生长发育和粮食产量的影响[6，7]，但水资源短缺问题仍然成为制约华北平原区农业生产力发展的瓶颈[8]。通常而言，水分胁迫会通过减小农作物的气孔导度和叶肉导度，降低Rubisco 酶效率，进一步限制净光合反应速率[9]。然而，以往相关研究结果表明，适度的水分胁迫后再复水却会对作物的生长和产量产生超补偿现象[10]。因此，深入研究农作物响应水分亏缺的潜在机理有助于在当前水资源严重短缺的背景下制定和完善科学高效的农作物调亏灌溉模式。此外，沟垄集雨覆盖技术是一种具有显著提高土地生产效率的种植方式，该项技术的理念是利用场地上的雨水，并通过垄沟和垄沟与雨水相互作用实现降水的富集和再分配[11]。沟垄集雨种植技术是北方旱区改善旱地作物水分状况，维持作物产量稳定的有效方法之一[12]，且集雨限量补灌模式具有良好的蓄水保墒作用[13]。因此，在我国华北平原区深入研究集雨模式下农作物生长过程的响应机理，对于缓解当前农业水资源高耗低效的局面和增产节水具有重要地现实意义。

气孔是作物叶片内部与外界气体交换和水分散失的通道，气孔性状的变化能够较好地反映作物的生长发育状况[14]。植物进行光合作用需要通过气孔吸收大气中的CO2分子，故气孔的开合度的大小是影响CO2进入叶肉细胞的重要因素[15]。因此，探讨植物叶片气孔形态特征对水分亏缺胁迫的响应有助于深入理解调亏灌溉条件下农作物生长过程与生物量积累的关系[16−18]。另外，以往的相关研究发现，在适度的水分亏缺后复水条件下，作物的生物量与粮食产量具有超补偿现象[19]，同时还有利于提高作物的水分利用效率[20]。同时，另有研究结果表明，调亏灌溉处理还可以在不影响作物产量的情况下，促进农作物的快速生长发育[21]，显著提高作物的抗旱能力[22]。例如，郑顺生等（2020年）的研究发现，同充分灌溉相比，轻度水分亏缺处理使奇异果成熟期的产量和水分利用效率分别提高约15%和25%[23]。然而，高佳等（2019年）的研究结果却表明，轻度水分亏缺处理下，辣椒全生育期的耗水量明显减少，但水分亏缺并没有对辣椒的产量造成明显的影响[24]。此外，调亏灌溉还会影响农作物地下生物量与地上生物量的比例。例如，补红英（2017年）的研究结果表明，节水抗旱稻HY113 具有根量少、根系吸收效率高的特点，其在缺水条件下能维持较高的根系活力和根系吸收面积，在遭遇水分亏缺时HY113可通过减小根冠比，使得更多的干物质留在地上部分以保证籽粒产量[25]。然而，另有研究却发现，玉米在苗期的耐旱性较强，适度亏水能够促进根系发育，增大根冠比，水分与营养的供给和分配均向根系倾斜[26]。因此，探讨在集雨的条件下不同生育期水分亏缺对农作物生长状况、生物量累积及其分配状况有助于制定符合作物生理需求的科学灌溉模式，为节水高产的农田水分管理提供理论依据。

青椒属茄科一年生植物，根系不发达，根量少，入土浅。尽管青椒在我国许多地区广泛种植，但其既不耐旱也不耐涝，且对土壤的要求以土质疏松、土层深厚、养分充足、排水通畅、渗透性好、酸碱度为中性为宜[27]。然而，以往大多数研究仅探讨了不同程度水分亏缺对青椒生物量和产量的影响[29]，却较少从气孔特征与生长过程变化的角度深入探究不同生育期水分亏缺对青椒生长发育过程和生物量积累产生影响的潜在机理。本研究以华北平原区普遍种植的青椒品种‘中椒107’为试材，探讨在集雨的条件下不同生育期（苗期和花期）水分亏缺对青椒气孔特征（气孔密度和气孔大小）、生长发育过程（株高、茎粗和叶面积指数）以及植株生物量的影响机理。研究结果将为华北平原地区集雨条件下青椒精准调亏灌溉种植模式的制定提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本研究于2018年在河北工程大学精密灌溉试验田实施（北纬36°35'20"，东经114°29'23"，海拔62 m）。研究区域属温带大陆性季风气候，年平均温度14℃，最热月份（7月）的平均温度为27℃，平均年降水量为548 mm，每年不受冻200 d和2 557 h的日照时间。本研究所有的气象数据都在距离地面2 m的地方进行测量，每天的数据自动记录在数据采集器中。日气象资料主要由气温（℃）（最高、最低、平均温度）、降雨量、平均相对湿度（1%）、风速（0.1 m/s）等气象变量组成。当土壤水分传感器检测到土壤水分含量为调亏极限值时，将自动开启实验区的遮雨棚。此外，实验区内还配备了自动记录雨量的仪器来记录降雨量。各试验区均配备独立的水表、压力表和闸阀，可准确控制灌水量。

土壤类型为壤土，土壤质量均匀，0～60 cm 深度的平均容重为1.54 g/cm3，田间容量下土壤含水量（FC：占干土质量）27%，深度为0.6 m，pH值为7.42。各实验区的长和宽分别为1.6 m和1.0 m。为防止水分和养分移动或相互渗透，各试验区采用厚度为60 cm 的塑料板进行防渗透隔离。本研究采用沟垄集雨覆盖技术（MFR−RDI），利用15 cm 的垄高和60∶40 cm 的垄宽比，用塑料膜覆盖所有垄，隐边深4～5 cm。用犁沟种两行青椒，将从农田收集来的玉米秸秆覆盖在收雨沟中铺至2～3 cm 厚。青椒株距为0.3 m，行距为0.5 m。测量孔与滴管的距离为5 cm，水平测量孔与青椒的距离为5 cm。本试验设置在青椒的幼苗期（约35 d）和开花结果期（约55 d）进行水分亏缺处理。

图1 青椒沟垄集雨覆盖技术示意图（单位：cm）Fig.1 A schematic diagram of MFR-RDI system of green peppers

在青椒关键生育期设置5个水分处理进行不同程度的水分亏缺。具体的水分处理条件为充分灌溉（80%～90% FC）、苗期轻度调亏（70%～80%FC）、苗期重度调亏（60%～70%FC）、花期轻度调亏（70%～80% FC）、花期重度调亏（60%～70%FC）。每个水分处理均重复4次（n=4）。苗期轻度亏缺处理在幼苗长出8 d 后开始亏水22 d，苗期重度亏缺处理在幼苗长出16 d后亏水14 d，花期轻度调亏处理在第一个花蕾出现后亏水22 d，同样，重度调亏处理亏水14 d，且均在亏水结束后恢复正常灌溉。当土壤的湿度低于设定的范围时，就会将水增加到上限，以最低要求范围作为控制土壤湿度的指标。

1.2 印记法气孔取样及测量

随机从每株上选取3个叶片，利用无色透明的指甲油涂于青椒叶片远轴面和近轴面的中部，采集气孔印记样品。在装备有照相机的显微镜下观察叶片印迹并照相。随机选择3个不同的显微视野，每个视野下拍4 张照片，即得到12 张气孔的显微照片，再选取5 张来计算气孔密度。利用Auto CAD 2010软件分别测量气孔的长度、气孔宽度、气孔周长、气孔面积以及气孔形状指数。气孔形状指数是指通过计算单一气孔形状与相同面积的圆之间的偏离程度，气孔的形状越扁长，则气孔形状指数就越小，具体公式如下：

式中：S为叶片气孔形状指数；A为气孔面积；P为气孔周长。

1.3 株高、茎粗与叶面积指数的测定

自青椒幼苗长出第一片真叶开始每15 d 测量一次株高（用尺子测量植株生长点到茎的基部）、茎粗（用游标卡尺测量植株第一片真叶下0.5 cm 处）和叶面积指数（使用AccuPAR−LP80 植物冠层分析仪，以水平方向为基准测定3次取平均值为青椒的叶面积指数LAI）。

1.4 植株生物量的测定

用剪刀将植株分为地上（叶+茎）和地下（根）生物量，在75℃条件下，用烤箱将其放入纸袋中烘干至恒重48 h，然后用电子秤称重得到植株生物量。

1.5 统计分析

不同处理对青椒产生影响的各个指标利用单因素或多因素方差分析的统计方法，再使用Duncan’s Multiple Range Test比较不同处理间的显著性差异（p<0.05）。本研究的统计分析均利用SPSS 13.0（Chicago，IL）软件完成[30]。

2 结果与分析

2.1 不同生育期调亏灌溉对青椒气孔特征的影响

从表1可知，青椒幼苗期近轴面与远轴面气孔密度差异十分显著，这可能是青椒本身气孔特点决定的。青椒的近轴面气孔密度虽无显著变化，但随水分亏缺程度的增大呈增加的趋势，并且重度调亏相比对照增加了62.9%，而苗期不同程度的水分亏缺造成了远轴面气孔密度显著减少，最小的为苗期重度亏缺处理，相比对照组减少113.7%（p<0.05；表1）；另外，近轴面气孔长度与气孔周长在不同调亏处理下，相比对照组均出现显著增大（p<0.05），而远轴面没有发生显著变化；气孔宽度近轴面没有显著变化，远轴面调亏处理却出现增大趋势，并且最大值均出现在重度调亏处理下；气孔面积远轴面与近轴面在不同处理下均没有显著变化（p＞0.05），而气孔形状指数随调亏程度的加深呈先减小后增大是趋势。

花期近轴面气孔密度与苗期一样均无显著变化且成增加的趋势，而远轴面气孔密度随调亏程度的加深先减小后增加，最大值出现在重度调亏灌溉处理下，并且分别相比对照组与轻度调亏灌溉处理增大了5.4%（p＞0.05）与94.5%（p<0.05； 表2）；花期远轴面与近轴面气孔长度、气孔宽度和气孔周长随着水分亏缺程度的增加均呈增大的趋势，其中只有近轴面气孔宽度没有显著变化（p＞0.05），近轴面气孔长度与气孔周长最大值（重度调亏）相比对照分别显著增大了33.0%（p<0.05）与48.2%（p<0.05），远轴面的气孔长度、气孔宽度与气孔周长最大值（重度调亏）较对照组分别增大了31.7%（p<0.05）、43.2%（p<0.05）和33.5%（p<0.05）；青椒花期气孔面积与气孔形状指数同苗期类似，气孔面积在不同处理下差异不显著（p＞0.05，表2），而气孔形状指数随调亏程度的加深呈先减小后增大是趋势。

多因素方差分析的结果显示，水分亏缺显著影响了气孔密度、气孔长度、气孔周长和气孔面积（p<0.05），但对气孔宽度的影响更加显著（p<0.001；表3）。同样，青椒近轴面和远轴面的气孔密度（p<0.001）、气孔宽度（p<0.001）、气孔周长（p<0.05）与气孔面积（p<0.001）均存在显著差异（表3）。并且，青椒在不同生育期其气孔长度（p<0.05）、气孔宽度（p<0.001）、气孔周长（p<0.05）与气孔面积（p<0.05）发生显著变化（表3）。此外，水分×生育期对气孔长度、气孔宽度和气孔周长（p<0.05）产生显著交互作用，但叶面×生育期仅对气孔密度（p<0.05）与气孔周长（p<0.05）产生显著交互影响（表3）。

表1 幼苗期水分亏缺对青椒气孔特征的影响Tab.1 Effects of water deficit at seedling stage on stomatal traits of green peppers

表2 开花期水分亏缺对青椒气孔特征的影响Tab.2 Effects of water deficit at flowering stage on stomatal traits of green peppers

2.2 不同生育期水分亏缺对青椒株高、茎粗和叶面积指数的影响

由图2可知，青椒幼苗期不同程度亏水处理的青椒株高差异显著，尤其在30 d 左右时，充分灌溉处理下的株高达到将近40 cm，明显高于幼苗期与开花期调亏处理下的青椒株高，这可能是亏水灌溉时，青椒会将更多的光合产物分配至地下生物量（根），但充分灌溉处理下的青椒在30 d 后有逐渐下降的趋势，并且，在45 d 后各处理之间青椒的株高随时间变化趋势一致，且各处理之间差异不明显，但在75 d 后充分灌溉组青椒植株高度仍为最大（图2）。因此，青椒在进行不同亏水灌溉处理又复水后，其植株高度会逐渐恢复至正常水准。

表3 不同生育期水分亏缺对青椒气孔特征参数的交互影响Tab.3 Interactive effects of water deficit at different growth stages on stomatal traits of green peppers

图2 不同生育期水分亏缺对青椒植株高度的影响Fig.2 Effects of water deficit at growth stages on plant height of green peppers

不同亏水处理下的青椒茎秆粗度在苗期与充分灌溉并无明显差异，但在60 d 后不同时期不同程度调亏灌溉处理后明显高于充分灌溉处理的青椒茎秆粗度，尤其在90 d 左右充分灌溉处理下的青椒茎秆粗度约为10 mm，显著低于其他不同程度的水分亏缺处理后的青椒茎秆粗度（图3）。尽管各调亏处理的差异并不显著，但在第45 d 后苗期亏水处理的青椒茎秆粗度要大于花期亏水处理，并且苗期轻度调亏灌溉组的青椒茎秆粗度始终最大，并在第90 d时成长到约14 mm（图3）。

图3 不同生育期水分亏缺对青椒茎秆粗度的影响Fig.3 Effects of water deficit at different growth stages on stem diameter of green peppers

从图4可知，苗期与花期不同水分亏缺处理青椒叶面积指数差异在幼苗期不显著，且要小于充分灌溉处理的青椒，但在第15 d 后各处理均大于充分灌溉处理的叶面积指数，并且在第45 d 后要显著大于充分灌溉处理的叶面积指数（图4）。苗期不同程度亏水灌溉处理复水后的青椒叶面积指数在约60 d时显著大于花期不同程度亏水处理，但在花期不同程度亏水处理复水后的青椒与苗期调亏灌溉的青椒叶面积指数差异逐渐趋于不显著的水平。在开花期进行水分亏缺处理的青椒要低于在苗期进行水分亏缺处理的青椒叶面积指数，但在第90 d后花期轻度亏水处理叶面积指数要大于苗期不同程度亏水处理的青椒，且显著大于对照组，而最大的叶面积指数出现在花期轻度亏水处理接近于4（图4）。

图4 不同生育期水分亏缺对青椒叶面积指数的影响Fig.4 Effects of water deficit at different growth stage on the leaf area index of green peppers

2.3 不同生育期水分亏缺对青椒组织含水量的影响

在集雨条件下，尽管幼苗期与开花期调亏灌溉处理的青椒地下部含水量要高于充分灌溉处理组，但是不同时期处理之间差异并不显著，且相同时期不同程度水分亏缺处理之间差异也不显著。然而，苗期轻度调亏灌溉处理的青椒茎的含水量较其他不同时期不同程度水分亏缺处理显著降低（p<0.05；表4），并且与充分灌溉相比减少3.4%。与青椒根相同，不同生育期不同程度的水分亏缺也并未对青椒叶片的含水量产生显著影响。外界的水分胁迫也并未对植株总的含水量产生显著影响，但最大值与青椒叶片相似，均出现在苗期重度亏缺处理条件。

表4 不同生育期水分亏缺对青椒组织含水量的影响 %Tab.4 Effects of water deficit at different growth stages on the tissue water contents of green peppers

2.4 不同生育期水分亏缺对青椒生物量的影响

本研究结果显示，在集雨的条件下，不同生育期水分亏缺均显著减小了青椒地下组织的生物量（表5），其中，苗期轻度亏水处理条件下青椒的地下生物量最小，相比充分灌溉处理减小了137.8%，而苗期重度水分亏缺、花期轻度水分亏缺和花期重度水分亏缺分别导致青椒根的生物量减小22.6%、12.0%和42.9%（表5）。而对于青椒茎的生物量，苗期重度水分亏缺与花期轻度水分亏缺处理相对于充分灌溉处理青椒茎的生物量分别增加了27.0%和67.0%，而苗期轻度水分亏缺和花期重度水分亏缺分别导致青椒茎的生物量减小30.3%和2.3%（表5）。同样，花期轻度水分亏缺处理导致青椒叶片的生物量相比于充分灌溉增加了41.9%，而苗期轻度水分亏缺、苗期重度水分亏缺与花期重度水分亏缺处理较充分灌溉处理分别减少了青椒叶片的生物量91.5%、5.9%和46.9%（表5）。相比充分灌溉，青椒的总生物量在苗期轻度水分亏缺和花期重度水分亏缺条件下分别平均较小了71.9%和26.7%（表5），而花期轻度水分亏缺处理显著提高了植株总的生物量37.2%（表5）。然而，不同生育期水分亏缺并没有显著改变青椒地上生物量和地下生物量的比例（表5）。因此可以得出结论，在集雨的条件下，开花期轻度水分亏缺更加有利于青椒生物量的累积。

表5 不同生育期水分亏缺对青椒生物量的影响 g/株Tab.5 Effects of water deficit at different growth stages on the plant biomass of green peppers

3 讨 论

3.1 不同生育期调亏灌溉对青椒气孔特征的影响

我国华北地区水资源短缺问题十分严重，且农业用水量占比大、降雨不均匀，致使降雨与主要农作物生长期的严重错位，大量水资源白白流失掉[31]。因此，垄沟集雨限量补灌技术对于半干旱地区农产品产量的提高具有重要意义。气孔是植物与外界交换气体与水分的重要通道[32]，且在面临外界的水分胁迫，植物可以通过调整叶片气孔的密度、气孔导度以及气孔的大小来适应环境[33]。众所周知，土壤水分是植物气孔性状、光合效率、生长过程与生物量的重要影响因素之一，并且水分含量的变化也会在青椒各个生长发育期造成的影响不同。一般来说，水分亏缺会造成植物叶片气孔密度的增加，气孔的长度与宽度减小，降低叶片的蒸腾速率从而减少水分流失[34]，究其原因主要由于作物叶片在水分亏缺条件下导致的叶面积减小、气孔的行数增加[35]。以往的研究表明在面临水分胁迫，冬小麦近轴面的气孔面积增大，但没有对气孔密度产生明显影响[36]。也有研究表明在高温干旱的条件下，冬小麦的气孔密度显著增加[37]。本研究结果显示，在水分亏缺的条件下青椒叶片在苗期近轴面气孔密度呈增加的趋势，但在远轴面气孔密度显著减小，表明青椒叶片的远轴面和近轴面对水分亏缺的响应并不完全一致，存在较为明显的差异。然而，在青椒花期，本研究结果显示近轴面气孔密度成增大趋势，而远轴面随水分亏缺程度的加深气孔密度先减小后增大，表明在集雨的条件下，青椒不同生育期气孔密度对水分亏缺响应也并不完全一致。本研究中气孔大小对水分亏缺响应不大，并且气孔形状指数变化也不大，这表明青椒在水分胁迫时主要通过调节气孔密度适应外界环境，可能是由于短期内植物对改变气孔数量比气孔开口大小的调控更高效。另外，本研究结果还显示青椒叶片远、近轴面的气孔密度相差过大，这可能主要是由青椒本身的遗传特性而决定的。此外，生育期与水分亏缺对青椒气孔性状产生了显著的影响。因此，进行不同时期不同程度的水分亏缺对调亏灌溉的研究均具有重要的现实意义和应用价值。

3.2 不同生育期调亏灌溉对青椒生长过程及生物量积累的影响

以往的研究表明，不同干旱阶段中植物体的响应机制存在明显的差异[38]，且较多研究发现苗期调亏灌溉可以有效锻炼作物的抗旱能力，通过增大根冠比[39]和根活力，促进后期产量的增加和降低根系衰老速度[40]。然而，另有研究指出，根系并非越大越好，作物根系在时间和空间上的合理分布才是对生长更具有促进的作用，应该主张应避免苗期严重干旱[41]。调亏灌溉复水后的植物同化物的形成以及分配发生了显著变化，中度调亏处理在不降低同化物的前提下提高向根块的分配量，而重度调亏处理降低了同化物但提高了其向叶片的生物量以抵抗缺水带来的胁迫[42]。本研究发现，在集雨模式下，调亏灌溉对青椒株高与茎粗并无明显变化，但各处理却显著大于充分灌溉的叶面积指数，这表明在集雨模式下，青椒通过增大叶面积指数来抵抗外界水分胁迫。李明阳认为在适当的生长期对作物进行水分胁迫处理是调亏灌溉的关键[10]。作物早期耗水量小，进行调亏灌溉可以使作物提前通过干旱锻炼，促使根系下扎，并对营养分配进行调控，为获得较高的作物产量打下基础[43]。高延军等[44]的研究认为，亏水的程度也十分重要，轻度水分亏缺有利于棉花增产，与充分供水相比苗期与吐絮期干旱处理均可提高棉株产量和水分利用效率。然而，本研究结果表明，在集雨的条件下，青椒根在充分灌溉下生物量最大，但是茎与叶在花期轻度调亏灌溉下最大，且植株最大生物量也出现在花期轻度调亏灌溉处理（表5）。这可能是在沟垄集雨种植这种高效率灌溉模式下，青椒的茎与叶对水分胁迫更为敏感，并通过增大茎与叶的生物量抵抗外界胁迫，暗示在雨水丰富的地区，青椒在花期进行轻度调亏灌溉对于增加生物量更为有效。此外，还有研究结果表明，作物在不同生育期内经历严重的水分胁迫还可能在很大程度上导致作物的生长速度减缓，造成植株生物量和产量的降低[45]。因此，笔者认为，本研究的苗期轻度亏缺与花期重度亏缺并不是青椒合适的调亏时期，严重降低了青椒的生物量。已有的研究结果表明，水分胁迫可以提高作物的脱落酸（ABA），降低叶片水分蒸腾来提高水分利用效率[46]。此外，本研究中花期轻度亏水处理下青椒的含水量最大，表明花期轻度调亏可能显著降低植株的蒸腾速率。