滴灌水分亏缺对柑橘前期光合特性的影响

陈 飞，李鸿平，崔宁博

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室，水利水电学院，四川 成都 610065)

柑橘味道鲜美，富含糖类、有机酸、维生素等多种营养物质[1]。我国柑橘种植面积和产量居世界首位，根据联合国粮农组织(FAO)公布的最新数据，2018年中国柑橘种植面积274.965万hm2，年产量达4 190.546万t。川南地区作为我国重要的柑橘栽培区，柑橘产业发展较快[2]，然而，近年来频发的季节性干旱和工程性缺水明显降低了柑橘产量[3]，因此寻找合适的柑橘灌溉模式尤为重要。

调亏灌溉(regulated deficit irrigation，RDI)是一种在非充分灌溉(non-full irrigation)或限水灌溉(limited irrigation)基础上延伸的节水灌溉技术[4]，通过改变作物营养生长及其叶水势[5]，同时破坏光合膜的结构，阻止各种色素的合成[6]，最终影响光合作用。近年来，许多作者研究了水分亏缺对苹果[7]、葡萄[8]、枇杷[9]等果树光合作用的影响。研究发现，水分胁迫明显抑制作物光合作用[10]，且作物会根据胁迫程度的不同产生适应机制以应对外界因素对作物生理性状的影响[11]。致使光合作用降低的因子分为气孔限制和非气孔限制[12]。Farquhar等[13]指出，由于气孔导度的限制，在水分胁迫条件下胞间CO2浓度(Ci， mmol·mol-1)不能满足光合作用的需求被称为光合作用的气孔限制；另一方面，由于叶绿体和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶(rubisco)活性的降低限制了1, 5-二磷酸核酮糖的再生能力，从而引起作物光合作用能力降低被称为光合作用的非气孔限制。有研究表明，在轻度和中度水分胁迫条件下,气孔限制因子对光合作用影响较大，而在重度水分胁迫条件下非气孔限制因子对光合作用的影响占主导地位[14]。柑橘、苹果、杏等果树水分胁迫下非气孔因素导致光合下降也有相关研究[15]。

但是，Furlan[16]研究发现，适宜的水分亏缺不会对作物造成负面影响，甚至在复水后对作物产生积极作用，这是作物在长期适应干旱环境中形成的机制[17]，即复水补偿效应。也有研究表明，干旱胁迫促使PS II的活性和光合电子需求不平衡，导致作物体内活性氧自由基大量积累[18]，引发细胞质膜产生膜脂过氧化作用，而复水可以维持较高的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶、过氧化氢酶等酶活性，有效清除活性氧，减缓膜伤害与膜脂过氧化作用，最终产生不同程度的补偿效应[19]。其中，气孔阻力及光合活性的恢复是补偿生长的物质基础[20]。Pérez-Pérez等[21]认为柑橘与梨树亏水处理后恢复充分灌溉，光合速率、蒸腾速率和气孔开度可超过对照水平，产生超补偿效应；刘吉利等[22]认为花生苗期适度干旱后复水，叶片气孔导度、净光合速率、蒸腾速率均能显著增加，产生一定的补偿效应；梁鹏等[23]和郝树荣[24]等研究表明干旱胁迫后复水会出现补偿效应，尤其是重度水分胁迫。上述意味着作物复水后恢复的程度可能取决于水分亏缺的强度及其生育期[25]。

因此，本研究拟分析水分亏缺及复水对柑橘生育前期光合特性的影响，为科学制定柑橘灌溉制度提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2018年4月—2019年1月在四川省成都市蒲江县长林农场(30.32°N，103.43°E，海拔544 m)避雨棚内进行，试验地土壤类型为黄壤土，土壤平均密度1.45 g·cm-3，田间持水量为26.13%(重量含水率)。试验区位于成都平原腹地，属亚热带湿润季风气候区，年平均气温16.3℃，平均相对湿度87.84%，年平均风速1.67 m·s-1，年平均降水量1 196.2 mm。

1.2 试验设计

试验柑橘品种为9 a生‘不知火’，砧木为红橘(CitrusreticulateBlanco)，株高为2.8～3.0 m，株行距为2.5 m×3.0 m，主要生育期为每年4月初～次年1月底，根据其主要生育特征将其划分为抽梢开花期(I期，4月上旬～4月下旬)、幼果期(II期，5月上旬～6月下旬)、果实膨大期(III期，7月上旬～10月下旬)和果实成熟期(IV期，11月上旬～次年1月下旬)4个生育期。试验分别在I期和II期设置轻度亏水(LD)、中度亏水(MD1)、偏重度亏水(MD2)和重度亏水处理(SD)，单次灌水量分别为对照(CK)的85%、70%、55%和40%，设置不亏水为对照处理(CK)。根据调查，适宜‘不知火’生长的土壤含水率为田间持水量(θf)的60%～80%，故将土壤含水率下限定为60%θf，当CK的土壤含水率接近下限时，各处理同时灌水，计划湿润层为60 cm，设计湿润比为0.5，根据柑橘各生育期的耗水规律和2017—2018年初的试验结果确定了不同生育期CK的单次灌水量，各生育期单次灌水量见表1，各生育期灌水次数见表2。试验采用滴灌水肥一体化系统，整个系统的工作水头为12 m左右，每2棵树为1个处理小区，每个处理重复3次，共计27个处理小区，每个处理有2条围绕果树环形布置的滴灌管，每根滴灌管上环绕果树根区的部分等距离内嵌10个滴头(即每棵树10个滴头)，滴灌采用以色列Dripnet PC压力补偿式滴灌管，滴头为迷宫式压力补偿滴头，设计工作水头为3 m，流量为1.6 L·h-1。在每个小区的支管进口(支管末端连接着滴灌管)设置精量水表和阀门用于控制灌水量。试验各小区间用埋深1m的硬塑料薄膜相隔，防止处理间侧向水分运移的影响，以3.6 m高透光薄膜电动防雨棚作为避雨设施，试验区地下水埋深12 m，地下水对试验无影响，其他田间管理措施均相同。

表1 滴灌柑橘抽梢开花期和幼果期水分亏缺处理单次灌水量/(m3·hm-2)

表2 滴灌柑橘不同水分亏缺处理各生育期灌水次数

1.3 测定指标和方法

采用全自动便携式光合仪(LCPro-SD，英国ADC)分别测定蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2摩尔浓度(Ci)以及净光合速率(Pn)。每个生育期灌水前后3 d内各选光照条件良好的一天，每个处理选择同一位置东南西北方各4片叶测量，每片叶片测3次，取平均值；将同一处理的各项观测指标取平均值，以瞬时叶片净光合速率(Pn)与蒸腾速率(Tr)之比作为叶片瞬时水分利用效率(WUEi)。

试验数据均以Excel软件处理，以SPSS 19.0软件统计分析，采用单因素方差法(analysis of variance，ANOVA)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 抽梢开花期不同水分亏缺处理对叶片光合特性的影响

图1(a)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后Pn日变化。如图1(a)所示，亏水状态下叶片净光合速率(Pn)呈双峰“M”型变化，峰值分别出现在11∶00和15∶00，出现了明显的“午休”现象。9∶00—11∶00期间各处理Pn迅速上升至峰值，此时CK的峰值最大，为3.77 μmol·m-2·s-1，这是由于经过夜间后胞间CO2浓度逐渐增高和光照逐渐增强的结果；11∶00后各处理Pn下降，13∶00降至低谷，这是由于光照强度过大，植物为了减少水分散失而关闭部分气孔致使胞间CO2量减少从而影响了Pn;随后Pn在15∶00达到了第二个峰值，CK为最大值。复水后Pn日变化也得到了相似的规律，但不同的是复水后各处理“午休”现象明显减弱或并未出现，基本呈单峰变化，峰值出现在11∶00，I-LD处理为峰值最大值。表3为I期各处理光合指标日均值，表3表明，随着亏水程度的加剧Pn变小，与CK相比下降了4.5%～28.4%，其中I-LD处理与CK无显著性差异(P>0.05)；复水后不同亏水处理Pn具有明显的提高，其中I-LD处理与亏水状态相比提高了85.1%，与CK相比提高了6.4%，差异显著(P<0.05)。

图1(b)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后Tr日变化。如图1(b)所示，亏水状态下不同处理蒸腾速率(Tr)呈双峰“M”型变化，峰值分别出现在11∶00和15∶00；复水后不同处理Tr“午休”现象明显减弱或消失，基本呈单峰变化，并且“午休”时间由13∶00推迟到15∶00。复水前后CK处理各峰值均为各处理峰值最大值。表3表明，随着亏水程度的加剧Tr变小，与CK相比下降了10.0%～30.6%，差异显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理Tr具有明显的提高，与亏水状态时相比提高了83.1%～92.0%，与CK相比降低了8.7%～32.2%，差异显著(P<0.05)。

图1(c)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后Gs日变化。如图1(c)所示，不同处理叶片气孔导度(Gs)在Ⅰ期复水前后均呈单峰型变化，峰值出现在11∶00，CK峰值明显高于其他处理，为0.06 mmol·m-2·s-1。表3表明，不同亏水处理随着亏水程度的加剧Gs下降，与CK相比下降了20.0%～40.0%，差异显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理Gs具有明显的提高，与CK相比降低了12.0%～38.0%，差异显著(P<0.05)。

图1(d)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后Ci日变化。如图1(d)所示，不同处理胞间CO2浓度(Ci)在Ⅰ期复水前后均呈“U”形变化，不同的是同一时刻复水后Ci均较高且处理间相差较小，最低值均出现在13∶00。表3表明，不同亏水处理随着亏水程度的加剧，Ci先降低后升高，与CK相比下降了2.1%～7.1%，差异显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理条件下Ci变化较小，与亏水状态相比提高了1.1%～6.6%，与CK相比降低了1.2%～3.9%，其中仅I-MD1处理与CK差异显著(P<0.05)。

图1(e)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后WUEi日变化。如图1(e)所示，除I-SD外，亏水状态下其他处理均呈双峰“M”型变化，峰值分别出现在11∶00和15∶00，WUEi两个峰值的出现均是Pn的上升幅度大于Tr导致，且I-MD1的峰值最大。复水后，与亏水状态时相比，11∶00的峰值明显减弱或消失，这是复水后Tr明显提高的结果，并且15∶00峰值的出现是由于Pn的下降幅度小于Tr导致。表3表明，随着亏水程度的加剧WUEi先升高后降低，且不同亏水处理均高于CK，其中I-MD1处理取得了最大值，与CK相比升高了14%，差异显著(P<0.05)；复水后不同处理间WUEi变化与亏水时相似，不同的是与亏水状态时相比，复水后各处理WUEi均有所降低，降低了2.6%～11.3%，且各处理间相差较小。

表3 抽梢开花期不同水分亏缺处理复水前后柑橘叶片光合指标日均值

2.2 幼果期不同水分亏缺处理对叶片光合特性的影响

图2(a)为滴灌柑橘幼果期不同处理复水前后Pn日变化。如图2(a)所示，复水前后不同亏水处理叶片净光合速率(Pn)呈单峰变化，峰值均出现在11∶00，CK和II-LD处理分别为峰值最大值。表4为II期各处理光合指标日均值，表4表明，随着亏水程度的加剧Pn变小，与CK相比Pn下降了6.2%～42.9%，差异显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理Pn具有明显的提高，其中II-LD的Pn为不同处理间最大值，与亏水状态相比提高了24.8%，与CK相比提高了5.8%。

图2(b)为滴灌柑橘幼果期不同处理复水前后Tr日变化。如图2(b)所示，复水前后不同亏水处理蒸腾速率(Tr)呈单峰型变化，峰值均出现在13∶00，其中8∶00—11∶00变化缓慢，这是由于光照强度较弱，对Tr的影响较小，并且11∶00和15∶00的Tr突然加速上升和下降也均是由于光照强度突然改变的结果。表4为II期不同处理光合指标日均值，表4表明，随着亏水程度的加剧Tr变小，与CK相比下降了18.0%～42.4%，差异显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理Tr具有明显的提高，与亏水状态时相比提高了58.5%～69.9%，与CK相比仍降低了8.3%～30.9%，差异显著(P<0.05)。

图2(c)为滴灌柑橘幼果期不同处理复水前后Gs日变化。如图2(c)所示，不同处理复水前后叶片气孔导度(Gs)呈单峰型变化，峰值均出现在11∶00，CK取得了峰值最大值，为0.16 mmol·m-2·s-1。Gs在亏水状态下11∶00—15∶00具有明显的降低，但是复水后的Gs由于在13∶00维持了较高值，使得整体下降相对缓慢。表4为II期各处理光合特性日均值，表4表明，随着亏水程度的加剧，Gs变小，与CK相比下降了16.7%～43.8%，差异性显著(P<0.05)；复水后不同亏水处理Gs具有明显的提高，与亏水状态相比提高了44.4%～49.2%，与CK相比降低了7.9%～38.6%，除II-LD外，其他处理均与CK差异显著(P<0.05)。

图2(d)为滴灌柑橘抽梢开花期不同处理复水前后Ci日变化。如图2(d)所示，不同处理胞间CO2浓度(Ci)复水前后均呈“U”形变化，最低值出现在15∶00。与亏水状态相比，复水后9∶00—15∶00Ci下降较为缓慢。表4为II期各处理光合特性日均值，表4表明，不同亏水处理随着亏水程度的加剧Ci先降低后升高，与CK相比下降了-1.8%～2.4%，差异较小；复水后不同亏水处理间Ci变化较小，与亏水状态相比提高了4.9%～9.3%，与CK相比降低了0.6%～3.5%，其中II-MD1处理与CK差异显著(P<0.05)。

图2(e)为滴灌柑橘幼果期不同处理复水前后WUEi日变化。如图2(e)所示，亏水状态下不同亏水处理均呈双峰“M”型变化，峰值分别出现在11∶00和15∶00，其中11∶00峰值的出现是随着光强逐渐上升，Pn变大而Tr变化较小的结果；复水后不同处理WUEi在11∶00的峰值明显减弱，15∶00峰值明显减弱或消失，这是由于复水后Tr明显提高的结果。表4为II期各处理光合特性日均值，表4表明，随着亏水程度的加剧WUEi先升高后降低，且不同亏水处理均高于CK，其中II-LD处理取得了最大值，与CK相比升高了14.4%，差异显著(P<0.05)；复水后不同处理间WUEi差异较小，与亏水时相比复水后各处理WUEi均有所降低，降低了15.1%～21.2%。

3 讨 论

本研究发现，柑橘抽梢开花期(I期)和幼果期(II期)在不同水分亏缺处理下叶片光合特性发生了显著变化(P<0.05)。光合作用是作物最基本的生命活动，其强弱是影响作物生长的主要因素[26]，干旱胁迫下净光合速率和气孔导度的变化是作物对干旱胁迫适应能力的直接体现[27]。王锋堂等[28]对干旱胁迫下热带樱花的研究结果也表明植物通过改变气孔形态和密度来适应干旱胁迫。本研究发现，I期净光合速率(Pn)日变化出现了明显的双峰变化，即“午休”现象，但是II期呈单峰变化，这可能是不同生育期对光强和水分亏缺敏感性不同导致的。本研究发现，I期和II期随着亏水程度的加剧Pn、Tr、Gs日均值均呈下降趋势。这是由于水分亏缺导致叶绿体偶联因子的结构受到伤害，使得与光合磷酸化的底物ADP的亲和力下降，ATP合成受阻，抑制光合碳循环的运转[29]。本研究发现，I期和II期不同亏水处理均有利于提高叶片WUEi，与CK相比，I-MD1和II-LD处理对WUEi的影响最明显，分别提高了14.0%和14.4%，种培芳[30]等也得到了相似的结论。这是由于高水平的WUEi是缺水条件下植株健壮生长的关键，水分胁迫条件下植株通过增强WUEi以维持体内正常的代谢[31]，这种长期的选择可能导致了Pn和Tr对水分亏缺的敏感程度不同，使得Pn降幅小于Tr从而提高了WUEi。

本研究发现，I期和II期不同水分亏缺处理后复水，柑橘叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)较亏水状态时均有明显的提高。这和孟兆江等[32]研究结果相同：复水处理后作物会出现补偿效应，有利于光合产物的分配和积累。干旱后复水的恢复能力主要是作物长期适应干旱时选择的一种机制，其中表现为复水可以提高Rubisco羧化酶活性和数量，促进ATP和NADPA合成，提高光合作用效率[33]。本研究发现，I期和II期轻度亏水(LD)处理后复水，与CK相比Pn提高了6.4%和5.8%，其他处理均低于CK。白鹏等[18]等认为干旱胁迫促使PS II的活性和光合电子需求不平衡，导致作物体内活性氧自由基大量积累，而徐萍等[34]表明植物抗氧化保护系统的抵抗修复能力存在阈值。所以除CK外各处理的光合指标未能恢复到对照水平，这是由于对水分亏缺柑橘的影响已经不同程度地超过了柑橘的修复阈值，复水并不能完全弥补之前干旱对作物造成的损伤。

本研究发现，I期和II期亏水度由中度亏水(MD1)加剧为偏重度亏水(MD2)时，影响柑橘光合作用的主要因素均由气孔因素转为非气孔因素。有研究表明，作物受到水分胁迫时最早、最敏感的响应是气孔的关闭[35]。而判断光合作用降低的主要因素是气孔限制还是非气孔限制时，主要是根据胞间CO2浓度限制了光合作用还是其他因素[13]。本研究中柑橘I期和II期进行CK、LD、MD1处理及复水后，胞间CO2浓度与气孔导度变化趋势一致，表明此时叶片光合速率下降是主要由叶片气孔部分关闭导致的；进行MD2、SD处理及复水后，胞间CO2浓度与气孔导度变化趋势相反，呈上升趋势，说明此时叶片光合速率主要受非气孔限制因素影响，这是由于重度水分亏缺会造成Rubisco活化酶(rubiscoactivase，RCA)活性的丧失影响了光合作用中催化光合碳循环及光呼吸的核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶[36]。Zhang等[37]对胡瓜的研究也表明亏水条件下Rubisco活化酶的活性和数量能够制约光合作用强度。

4 结 论

1)抽梢开花期亏水处理对柑橘叶片光合特性的影响显著(P<0.05)。随亏水度的加剧，Pn、Gs、Tr均呈下降趋势，与CK相比分别下降了4.5%～28.4%、10.0%～30.6%、20.0%～40.0%，差异显著(P<0.05)；不同亏水处理WUEi呈先上升后下降的趋势，且均高于CK，其中I-MD1取得了最大值，与CK相比上升了14%(P<0.05)。复水后各处理Pn、Gs、Tr均有明显的提高，与亏水状态时相比分别增加了68.2%～85.1%、83.1%～92.0%、179.2%～196.9%；轻度亏水(I-LD)后复水，Pn和WUEi均高于CK，出现了超补偿效应，分别增加了6.4%和16.2%(P<0.05)。

2)幼果期亏水处理对柑橘叶片光合特性的影响显著(P<0.05)。随亏水度的加剧，Pn、Gs、Tr均呈下降趋势，与CK相比分别下降了6.2%～42.9%、18.0%～42.4%、16.7%～43.8%，差异显著(P<0.05)；不同亏水处理WUEi呈先上升后下降的趋势，且均高于CK，其中II-LD取得了最大值，与CK相比上升了14.4%(P<0.05)。复水后各处理Pn、Gs、Tr均有明显上升，与亏水状态时相比分别增加了22.1%～44.0%、50.9%～69.9%、44.4%～49.2%；轻度亏水(II-LD)后复水，Pn和WUEi均高于CK，出现了超补偿效应，分别增加了5.8%和16.1%(P<0.05)。

3)I期和II期由中度亏水(MD1)加剧为偏重度亏水(MD2)时，影响柑橘叶片光合作用的主要因素均由气孔因素转为非气孔因素。