集水槽法对大豆光合特性及产量的影响

刘小荣 ，刘学义 ，任小俊 ，任海红 ，赵晶云 ，吕新云 ，周 伟 ，马俊奎

（1.山西农业大学经济作物研究所，山西太原030031；2.汾阳市气象局，山西汾阳030022）

大豆（Glycine max（L.）Merr.）是重要的粮、油、饲兼用作物，需求量日益增大[1]。大豆是需水量较大的作物[2-3]，水分利用效率低[4]，大豆生产极易受到干旱胁迫的影响，尤其是生殖生长期，对水分胁迫最为敏感，此时受到干旱胁迫，大豆群体的叶面积指数、叶绿素含量和净光合速率等光合生理指标均会受到不同程度的影响，导致产量下降[5-6]。据统计，由于干旱造成的减产约占大豆产量损失的40%[7-8]。遗传研究表明，作物抗旱性是可遗传的，对其进行定向选择是有效可行的[9]。因此，选育抗旱大豆品种是发展干旱、半干旱地区大豆生产的有效途径，但首要任务是对现有的种质资源做出准确评价[1]。

目前，农作物抗旱性鉴定主要采用大田鉴定和实验室鉴定，大田鉴定作物抗旱性获得的结果更接近大田生产[10]。大田鉴定有在特别干旱地点（如甘肃省敦煌市）进行抗旱性鉴定和利用旱棚等手段进行抗旱性鉴定2 种[11]，特别干旱地点进行抗旱性鉴定由于地域及作物生育期差异等原因，不便于使用；旱棚内抗旱鉴定因连作条件下土壤致病因子、光照、温度及湿度等影响，造成鉴定结果误差较大。

山西省气候干旱，为培育耐旱大豆品种提供了得天独厚的有利条件。山西农业大学经济作物研究所大豆研究室通过对抗旱鉴定方法不断研究改进，2014 年研制成功利用集水槽法对大豆进行抗旱性鉴定的方法[12]，即旱处理将集水槽（直径0.25 m PVC落水管改造而成）放置于大豆行间，通过收集1/2的自然降雨，创造水分胁迫环境，最终与充足供水的水处理比较，计算出不同品种的抗旱等级。5 a 来大豆研究室利用集水槽法对全国4 000 余份大豆种质资源进行了抗旱性鉴定。

本研究旨在通过试验，初步掌握集水槽法抗旱性鉴定对土壤含水量和不同抗旱性大豆品种的光合特性、农艺性状及产量的影响，明确大豆抗旱的重要性状，为培育抗旱大豆新品种积累资料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

从2017 年山西农业大学经济作物研究所大豆课题组为全国做的1 300 份大豆品种抗旱性鉴定材料里选择5 个抗旱级别（高度抗旱、抗旱、中度抗旱、敏感、高度敏感）的大豆品种（泛豆9 号、汾豆103、中黄 78、山大 1 号、周 11005-10-4-6），加上对照晋豆21[13]（1 级高度抗旱品种），共6 份材料。

集水槽采用直径25 cm 的建筑工程用PVC 落水管，将落水管用电割刀刨成两半，成槽形状，两端涂胶水用PVC 配套堵头封口，保证集水槽不渗漏。

1.2 试验地概况

试验于2018 年在汾阳市山西农业大学经济作物研究所试验农场抗旱鉴定田进行。该地位于北纬37°14′，东经 111°47′，平均海拔 782 m，属于温带季风气候区，年均温度10.1 ℃，年降水量483 mm，年均无霜期183.5 d，年均日照时数在2 598 h 左右。光热资源较为充足，灌溉农业，有利于农作物生长。

1.3 试验设计

2018 年 5 月 3 日播种，6 月 2 日放置集水槽处理。试验设置正常供水和集水槽收集雨水2 种处理。随机区组设计，一个小区（3 m×4 m）种植6 个品种，每个品种种植1 行，行距0.5 m，每个处理重复3 次。边行为保护行。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 光合特性测定 用便携式光合仪（美国PP SYSTEMS TARGAS-1）分别在盛花期及鼓粒期测定大豆植株的叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间 CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）等光合指标，每个处理重复3 次。

1.4.2 土壤含水量测定 摆放集水槽后，利用便携式水分测定仪（美国Spectrum TDR100）在大豆植株主茎处每隔5 d 测定一次地下10 cm 的土壤含水量，到收获期结束测量。

1.4.3 收获考种 大豆成熟后，挑选密度均匀、生长正常的植株连续拔取5 株，对大豆植株的生物产量、株高、主茎节数、单株粒数、单株产量、底荚高、百粒质量及分枝数等性状进行室内考种。

1.5 数据分析

数据采用SPSS 17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 集水槽对大豆叶片光合特性的影响

从图1 可以看出，铺设集水槽处理大豆植株受干旱胁迫，叶片净光合速率、蒸腾速率及气孔导度均明显下降，而大豆植株叶片的胞间二氧化碳浓度受集水槽的影响较小。周11005-10-4-6、山大1 号、中黄78 这3 个大豆品种植株叶片的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度受集水槽影响较大。汾豆103、泛豆9 号和晋豆21 这3 个大豆品种叶片的净光合速率和蒸腾速率受集水槽影响较小。

2.2 集水槽对大豆田间土壤含水量的影响

由图2 可知，在大豆植株苗期及花期，集水槽处理土壤含水量比正常供水显著降低，且始终保持较低水平，尤其是6 月26 日供水后，正常供水土壤含水量高达77.9%，集水槽土壤含水量为22.1%。在大豆植株的结荚期和鼓粒期，2 个处理间的土壤含水量无显著差异，但正常供水处理普遍高于集水槽处理。9 月1、26 日，雨水充足，正常供水土壤含水量显著增加，集水槽处理土壤含水量分别为18%、17.7%。

2.3 集水槽对大豆植株农艺性状的影响

由表1 可知，与正常供水处理相比，铺设集水槽，晋豆 21、周 11005-10-4-6、山大 1 号、中黄 78和汾豆103 的株高显著降低，分别降低13.0%、13.4%、19.5%、27.6%、14.3%，泛豆 9 号大豆植株株高在干旱条件下无明显变化。

表1 集水槽对不同大豆农艺性状的影响

铺设集水槽对泛豆9 号和汾豆103 大豆植株的底荚高影响显著，对晋豆21、周11005-10-4-6、山大1 号和中黄78 大豆植株的底荚高无显著影响。不同大豆品种集水槽处理的主茎节数及分枝数均减少，但无显著差异。

与正常供水相比，集水槽处理下不同大豆品种植株的单株粒数及百粒质量显著下降，其中，周11005-10-4-6、山大1 号、中黄78 的单株粒数分别下降了57.8%、66.0%、67.3%。晋豆21、汾豆103 和泛豆9 号的单株粒数分别下降了12.7%、32%、39.3%。集水槽处理下，不同品种大豆植株的产量呈下降趋势，周 11005-10-4-6、山大 1 号、中黄 78 号大豆产量分别下降63.5%、64.9%、53.7%；汾豆103、泛豆9 号和晋豆21 大豆产量分别下降41.0%、35.8%、24.3%。

3 结论与讨论

作物抗旱性是指作物在土壤干旱条件下生存和形成产量的能力，是作物本身的遗传特性及外部环境条件共同作用的结果[14]。马俊奎等[12]研究发现，大豆行间放置集水槽能降低土壤含水量。本研究发现，在大豆行间放置集水槽收集雨水后，土壤含水量比正常供水显著降低，在大豆植株苗期供水后，土壤含水量可高达77.9%，而集水槽土壤含水量仅为22.1%。在大豆整个生长期，铺设集水槽的土壤含水量维持较低水平，可有效地鉴定其抗旱性。

王磊等[15]研究表明，大豆开花期受干旱胁迫，净光合速率显著降低。光合作用的强弱是判定植物抗旱能力的重要指标，抗旱大豆比不抗旱大豆的光合能力有显著优势[16]。本研究发现，铺设集水槽大豆植株受干旱胁迫，叶片净光合速率、蒸腾速率及气孔导度均明显下降，胞间二氧化碳浓度无显著变化。敏感和高度敏感大豆植株叶片的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度受集水槽影响显著。抗旱和高度抗旱品种植株叶片的净光合速率和蒸腾速率受集水槽影响较小。这说明抗旱能力强的品种在受到干旱胁迫后，其光合特性可能通过调节气孔关闭、减少水分蒸腾实现抗旱。

大豆抗旱性在干旱胁迫下的表现受多种因素的影响，产量表现受品种本身遗传因素的影响，同时也存在基因和环境的互作，是多因素、多机制、复杂的数量性状作用的结果[17]。大豆株高、分枝数、单株荚数、单株粒质量与抗旱性呈正相关，干旱胁迫下，大豆植株矮小，分枝数少，单株荚数减少、单株粒质量减轻、产量降低[18]。马俊奎等[12]研究发现，铺设集水槽后，土壤含水量降低，即大豆植株受到干旱胁迫，大豆株高、主茎节数、单株粒数和单株产量显著降低，但大豆植株分枝数、结荚高度差异不显著。本研究发现，铺设集水槽后不同品种的大豆株高、主茎节数、单株粒数和产量均降低，但抗旱大豆品种，如晋豆21、泛豆9 号和汾豆103，受干旱影响较小，中度抗旱和敏感品种大豆，如周11005-10-4-6、山大1 号、中黄78 号植株性状受干旱影响显著；大豆植株的底荚高、分枝数受干旱影响较小。

综上所述，集水槽法是有效的鉴定大豆抗旱性的方法，铺设集水槽收集雨水，土壤含水量降低；在大豆盛花期及结荚期，可能主要影响大豆植株的光合特性，导致大豆植株矮小，主茎节数减少，单株粒数降低，进而导致产量降低。抗旱大豆品种可能通过维持较高的光合水平，调节气孔关闭、减少水分蒸腾，以保证大豆植株株高、主茎节数、单株粒数受干旱影响较小，在干旱条件下仍有较高产量。