不同生育期干旱胁迫/复水对大豆光合特性及产量的影响

刘江，朱丽杰, ，张开，王晓明，王立为，高西宁,

1. 沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110866；2. 辽宁省凌源市气象局，辽宁 凌源 122500；3. 黑龙江省气象数据中心，黑龙江 哈尔滨 150030；4. 辽宁省农业气象灾害重点实验室，辽宁 沈阳 110166

大豆（Glycine max）是世界上主要的油料作物，随着新冠疫情在全球范围内持续发酵，中国大豆进口贸易迎来挑战（Manavalan et al.，2009；许鑫怡等，2021）。作为中国最大的大豆生产基地，东北地区大豆播种面积经历2009—2015年连续下滑后，2017年已经基本恢复至5×106hm2，该地区大豆产量超过中国总产量的50%，增产潜力巨大（侯荣娜等，2019；莫飞等，2020）。但是大豆对水分亏缺十分敏感，干旱会对其造成十分严重的影响（Liu et al.，2005）。

随着气候变化的加剧，干旱事件愈发频繁，对植物的生长和分布产生深刻影响（罗丹丹等，2019）。研究干旱胁迫对植物的生理和形态等各方面的影响，探索其响应规律，这对于揭示植物对干旱的适应能力和抗旱机理具有重要意义（张雅梅等，2021）。干旱会影响植物光合作用，导致新陈代谢紊乱，最终导致其死亡（Jaleel et al.，2008）。棉花（Gossypium hirsutumL.）随着干旱胁迫时间的延长，净光合速率、蒸腾速率及气孔导度呈下降趋势（杨明凤等，2021）；玉米（Zea maysL.）受到干旱胁迫时，净光合速率受影响最大（张仁和等，2011）。干旱胁迫持续的时间越久，作物的光合速率降低越明显（常敬礼等，2008；刘吉利等，2011）。盆栽大豆幼苗在干旱环境下复水后，其各项光合指标能从干旱胁迫中恢复（楼靓珺等，2013）。研究表明，干旱胁迫下沙芥（P. cornutum(L.) Gaertn.）幼苗叶片光合作用的下降是非气孔因素造成的（庞杰等，2013）。但也有研究表明，轻度、中度干旱胁迫下大豆苗期净光合速率的下降是气孔因素造成的，而非气孔因素是造成重度干旱胁迫下净光合率下降的原因，并导致光合系统各个器官的功能受损，光合总体能力下降（卢琼琼，2012；王文森等，2018）。大豆在生长发育期遇到干旱，株高、节数、茎粗明显下降（张仟雨等，2016），最终出现减产问题，原因是干旱导致结荚少、空秕荚增多和粒重下降（李秀芬等，2021）。不同生育期干旱胁迫对大豆产量影响不同，研究表明各生育期干旱胁迫对大豆产量影响程度表现为鼓粒成熟期>花荚期>分枝期>苗期（曹秀清等，2017），而也有研究表明各生育期干旱胁迫造成大豆产量损失均值表现为花荚期>鼓粒成熟期>分枝期>苗期（侯志强等，2018）。

由于不同干旱胁迫强度及持续时间对大豆光合特性的影响、复水后光合特性的恢复程度以及干旱胁迫对产量的影响有较大差异，基于前人的研究，本研究利用可滑动遮雨棚水分控制试验，研究大田情况下大豆开花期、鼓粒期这两个关键生育期不同干旱胁迫/复水对大豆叶片光合特性及产量的影响，分析大豆在不同生育期遇到干旱胁迫/复水时的生理响应机制。研究结果可为节水灌溉、干旱灾变过程解析、干旱等级指标体系构建和干旱监测预警提供参考和理论依据，为大豆的高产、稳产、增效提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2020年在农业农村部东北地区作物栽培科学观测试验站（123°31′E，41°44′N）大型水分控制试验场进行，试验站地势平坦，土壤类型为棕壤，土壤理化性质为有机质15.78 g·kg−1，全氮l.18 g·kg−1，全磷 0.55 g·kg−1，全钾 21.68 g·kg−1，有效磷8.52 mg·kg−1，有效钾 98.20 mg·kg−1，水解性氮 67.30 mg·kg−1，pH 值 6.42，土壤容重 1.25 g·cm−3，田间持水量30%，前茬作物是玉米。

试验选用由辽宁省农业科学院培育，在辽宁省广泛种植的大豆品种辽豆15。春季播前整地施肥，施肥量为当地常规水平，并采用 14-16-15复合肥（45%）。全生育期氮肥（N）为52.5 kg·hm−2，磷肥（P2O5）为 60 kg·hm−2，钾肥（K2O）为 56.25 kg·hm−2。5月4日播种，7月9日大豆进入开花期，8月12日进入鼓粒期，9月27日收获。

1.2 试验设计

全生育期采用可滑动遮雨棚和人工补水进行水分控制，雨天遮雨，晴天露地生长，采用滴灌方式补水，设置流量器监控灌水量。分别选取大豆生育期进入开花期（标记为F）和鼓粒期（标记为S）开始进行水分控制试验，均设置轻度干旱胁迫（65%田间持水量，标记为 L）和重度干旱胁迫（50%田间持水量，标记为H）条件，持续7、14和21 d（分别标记为07、14和21）；并在胁迫持续时间结束后进行复水（标记为R），复水水平控制到对照处理水平（始终保持80%田间持水量，标记为CK）。文中为了作图方便，如开花期（F）轻度干旱胁迫（L）14 d（14）标记为FL-14，复水（R）后标记为FL-14-R。

试验共12个处理，每个处理设置3次重复，对照设置3次重复，共39个小区，小区排列采用随机区组。小区面积7.2 m2，种植垄长2 m，行距0.6 m，株距0.11 m，播种采用穴播，留苗密度为每小区108株。

1.3 测定项目及方法

干旱胁迫处理结束当日和复水一周后，选择光照良好、晴朗无云的天气，于09:00—12:00，每个小区选择生长一致且具有代表性的植株3株，每株选取倒三叶，利用LI-6400XT型便携式光合测定仪（LI-COR，USA）测定光响应曲线，CO2浓度设置为 400 µmol·mol−1，光合有效辐射（PAR）共设置2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、70、40、20、10、0 µmol·m−2·s−115 个水平。光合指标包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

在大豆成熟后，每个小区随机选取3垄，每垄连续取10株，阴干后考种，测定单株粒数、单株秕粒数、单株荚数和产量。

1.4 数据处理

计算叶片水分利用效率（EWU）、气孔限制值（Ls）分别用公式：

其中：

Pn——净光合速率（µmol·m−2·s−1）；

Tr——蒸腾速率（mmol·m−2·s−1）。

Ci——胞间 CO2浓度（µmol·mol−1）；

Ca——空气 CO2浓度（µmol·mol−1）。

光响应曲线中表观量子效率（ACE）、最大净光合速率（Pmax）利用逻辑斯蒂模型拟合得出：

其中：

Pn——净光合速率（µmol·m−2·s−1）；

ACE——表观量子效率；

PAR——光合有效辐射（µmol·m−2·s−1）；

Pmax——最大净光合速率（µmol·m−2·s−1）；

Rd——暗呼吸速率（µmol·m−2·s−1）。

运用Excel 2016进行试验数据的整理、图表的绘制，利用SPSS 25.0进行逻辑斯蒂模型的拟合和多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对大豆光响应曲线的影响

2.1.1 干旱胁迫下大豆气孔限制值和胞间 CO2浓度——光响应曲线的变化

Ci和Ls的变化方向是判断气孔因素和非气孔因素降低叶片Pn的重要判据，Ci降低和Ls升高表明气孔因素是导致叶片Pn下降的主要原因；而Ci增高和Ls降低则表明Pn下降的主要原因是非气孔因素（许大全，1997）。开花期轻度与重度干旱胁迫7 d时，相同PAR水平下，与CK相比，Ls值和Ci值无明显差别；而轻度与重度干旱胁迫14、21 d时，随着干旱胁迫强度增加，Ls值呈升高趋势，Ci值呈降低趋势，且每种干旱胁迫复水一周后也是呈现相似的规律（图1）。表明大豆开花期干旱胁迫/复水对大豆Pn的影响主要是气孔限制。鼓粒期轻度与重度干旱胁迫7 d和14 d时，在相同PAR水平下，与CK相比，Ls值呈升高趋势，Ci值呈降低趋势；但轻度与重度干旱胁迫21 d时，随着干旱胁迫强度的增加，Ls值呈降低趋势，Ci值呈升高趋势，每种干旱胁迫复水一周后也呈现相似的规律（图2）。这表明在大豆鼓粒期随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，大豆Pn下降的主导因素由气孔限制转为非气孔限制。

图1 开花期干旱胁迫/复水时大豆气孔限制值和胞间CO2浓度——光响应曲线Figure 1 Stomatal limitation value and intracellular CO2 concentration light response curve of Soybean under drought stress/rewatering at flowering stage

2.1.2 干旱胁迫下大豆净光合速率——光响应曲线的变化

图2 鼓粒期干旱胁迫/复水时大豆气孔限制值和胞间CO2浓度——光响应曲线Figure 2 Stomatal limitation value and intracellular CO2 concentration light response curve of Soybean under drought stress/rewatering at full seed stage

大豆开花期轻度与重度干旱胁迫7 d时，Pn与CK相比无明显变化，而轻度与重度干旱胁迫14、21 d时，相同PAR水平下，随着干旱胁迫强度增加，Pn呈降低趋势。轻度与重度干旱胁迫 14 d复水和21 d复水一周后，Pn较复水前升高，但无法恢复到CK水平。轻度与重度干旱胁迫14 d时，CK的ACE为 0.093，Pmax为 14.449 μmol·m−2·s−1，此时轻度与重度干旱胁迫的ACE与CK相比分别降低了12.90%和18.28%，Pmax分别降低了19.56%和30.00%。轻度与重度干旱胁迫21 d时，CK的ACE为0.094，Pmax为 29.232 μmol·m−2·s−1，轻度与重度干旱胁迫的ACE与CK相比分别降低了28.72%和29.36%，Pmax分别降低了42.66%和70.86%。轻度与重度干旱胁迫14 d复水一周和21 d复水一周后，ACE和Pmax有所恢复，但均未达到CK水平（图3）。大豆鼓粒期轻度与重度干旱胁迫7、14和21 d时，相同PAR水平下，随着干旱胁迫强度增加，Pn呈降低趋势，各干旱胁迫处理复水一周后，Pn较复水前升高。轻度与重度干旱胁迫7 d时，ACE与CK相比分别降低了 19.11%和 21.15%，Pmax分别降低了 44.38%和48.21%；轻度与重度干旱胁迫14 d时，ACE与CK相比分别降低了24.20%和24.29%，Pmax分别降低了56.72%和58.11%；轻度与重度干旱胁迫21 d时，ACE与CK相比分别降低了30.24%和31.09%，Pmax分别降低了73.72%和74.03%。轻度与重度干旱胁迫7 d复水一周、14 d复水一周和21 d复水一周后，ACE和Pmax有所恢复，但均未达到CK水平（图4）。说明大豆开花期和鼓粒期随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，ACE、Pmax呈降低趋势。

图3 开花期干旱胁迫/复水时大豆净光合速率——光响应曲线Figure 3 Light response curve of net photosynthetic rate of soybean under drought stress/rewatering at flowering stage

图4 鼓粒期干旱胁迫/复水时大豆净光合速率——光响应曲线Figure 4 Light response curve of net photosynthetic rate of soybean under drough stress/rewatering at full seed stage

2.1.3 干旱胁迫下大豆水分利用效率——光响应曲线的变化

EWU是衡量植物抗旱性的一个重要指标（郑鹏飞等，2019），叶片水平的EWU通过Pn和Tr之比计算得到。在 600 µmol·mol−1PAR水平以下时，EWU迅速增大，之后随着光照强度的增大，每种处理EWU变化幅度较小（图5、6）。开花期轻度与重度干旱胁迫 7、14 d 时，在 600 µmol·mol−1PAR水平以上时，与CK相比，EWU分别升高8.98%—52.34%和8.10%—31.14%，复水一周后，与CK相比，EWU均有所升高。开花期轻度与重度干旱胁迫21 d时，在600 µmol·mol−1PAR水平以上时，与 CK 相比，EWU分别降低20.41%—47.23%和58.88%—61.18%，复水一周后，相同PAR水平下，EWU均没有升高。鼓粒期轻度与重度干旱胁迫 7、14 d时，在 600µmol·mol−1PAR水平以上时，EWU分别升高 7.85%—18.27%和6.88%—42.91%。干旱胁迫7 d复水一周后，与CK相比，EWU均有所升高。鼓粒期轻度与重度干旱胁迫 21 d 时，在 600 µmol·mol−1PAR水平以上时，与CK相比，EWU分别降低24.88%—41.98%和 38.37%—40.96%，复水一周后，相同PAR水平下，EWU均没有升高。说明干旱胁迫对大豆EWU的影响与干旱胁迫持续时间有关，持续时间较短的干旱胁迫有利于提高大豆EWU，持续时间长的干旱胁迫会使得大豆EWU降低且复水后也无法恢复。

图5 开花期干旱胁迫/复水时大豆水分利用效率-光响应曲线Figure 5 Water use efficiency-light response curve of soybean under drought stress/rewatering at flowering stage

图6 鼓粒期干旱胁迫/复水时大豆水分利用效率——光响应曲线Figure 6 Water use efficiency light response curve of soybean under drought stress/rewatering at full seed stage

2.2 干旱胁迫对大豆产量的影响

2.2.1 不同生育期干旱胁迫对大豆单株粒数的影响

开花期和鼓粒期进行干旱胁迫处理，与CK相比，均使单株粒数降低。随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，单株粒数降低幅度增大。随着干旱胁迫持续时间延长，开花期单株粒数降幅依次为12.26%—25.47%、23.58%—33.02%、32.07%—48.11%，鼓粒期依次为21.69%—29.24%、33.96%—37.73%、42.45%—50.00%。两个生育期相比，开花期单株粒数在各干旱胁迫处理中，表现为轻度干旱胁迫7 d处理最高（93.33个），重度干旱胁迫21天处理最低（55.33个）；鼓粒期单株粒数在各干旱胁迫处理中，表现为轻度干旱胁迫 7 d处理最高（82.67个），较开花期降低11.34%，重度干旱胁迫21 d处理最低（53.33个），较开花期降低3.61%（表1），说明鼓粒期干旱胁迫处理对大豆粒数的影响要大于开花期。开花期单株粒数除轻度干旱胁迫7 d外，其他干旱胁迫处理均与CK差异显著，轻度干旱胁迫7 d、轻度干旱胁迫14 d、重度干旱胁迫7 d均与重度干旱胁迫21 d差异显著，其他干旱胁迫处理间差异不显著。鼓粒期单株粒数各干旱胁迫处理均与CK差异显著，重度干旱胁迫21 d除与轻度干旱胁迫 21 d差异不显著外，与其他处理差异显著，轻度干旱胁迫7 d、重度干旱胁迫7 d均与轻度干旱胁迫21 d差异显著。

表1 干旱胁迫下大豆产量变化的多重比较分析Table 1 Multiple comparison of soybean yield changes under drought stress

2.2.2 不同生育期干旱胁迫对大豆单株秕粒数的影响

与CK相比，开花期和鼓粒期干旱胁迫使单株秕粒数增加，随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，单株秕粒数呈升高趋势，相同干旱胁迫处理下鼓粒期单株秕粒数大于开花期（表1），这说明鼓粒期干旱胁迫对单株秕粒数影响大于开花期。开花期重度干旱胁迫14 d、重度干旱胁迫21 d单株秕粒数分别较CK增加80%和90%，两者均与CK差异显著。鼓粒期轻度干旱胁迫14 d、重度干旱胁迫14 d、重度干旱胁迫21 d单株秕粒数分别较CK增加90%、90%、110%，三者均与CK差异显著。

2.2.3 不同生育期干旱胁迫对大豆单株荚数的影响

开花期和鼓粒期干旱胁迫降低了单株荚数，随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，单株荚数呈下降趋势，轻度干旱胁迫7 d单株荚数较高，重度干旱胁迫21 d单株荚数最低。大豆不同生育期进行干旱胁迫处理，对单株荚数的影响也不同。开花期和鼓粒期随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，单株荚数降低幅度分别在 3.45%—43.10%、8.62%—39.66%之间（表1），说明不同生育期干旱胁迫对大豆荚数影响大小为：开花期>鼓粒期。开花期单株荚数除轻度干旱胁迫7 d与重度干旱胁迫7 d外，其他干旱胁迫处理均与CK差异显著，重度干旱胁迫21 d与其他处理差异显著，轻度干旱胁迫14 d、轻度干旱胁迫21 d和重度干旱胁迫14 d之间差异不显著。鼓粒期单株荚数除轻度干旱胁迫7 d与重度干旱胁迫7 d外，其他干旱胁迫处理均与 CK差异显著，其他干旱胁迫处理之间差异不显著。

2.2.4 不同生育期干旱胁迫对大豆产量的影响

随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，大豆产量呈降低趋势。与CK产量4525.2 kg·hm−2相比，开花期干旱胁迫减产15.63%—55.47%，鼓粒期干旱胁迫减产24.17%—59.63%（表1），这说明不同生育期干旱胁迫对大豆产量影响大小的结果为：鼓粒期>开花期。开花期和鼓粒期所有干旱胁迫处理的大豆产量均与CK差异显著；开花期和鼓粒期所有干旱胁迫处理的大豆产量均与重度干旱胁迫 21 d的差异显著；开花期轻度干旱胁迫21 d、重度干旱胁迫14 d的均与轻度干旱胁迫7 d的差异显著，鼓粒期轻度干旱胁迫7 d的大豆产量均与其他处理的差异显著。

3 讨论

气孔是植物与外界交换水气的主要通道及调节器官（Hetherington et al.，2003），气孔通过调节植物体水分散失和CO2吸收，在植物适应环境变化中发挥重要作用（王海珍等，2015）。在本研究中，大豆开花期不同强度干旱胁迫7、14、21 d及复水一周后光合作用下降的主导因素均为气孔限制；大豆鼓粒期不同强度干旱胁迫7、14 d及复水一周后光合作用下降的主导因素为气孔限制，21 d为非气孔限制。说明鼓粒期后期持续时间长的干旱胁迫使大豆光合器官的光合活性下降（汪本福等，2014）。而叶片光合器官光合活性下降的原因可能是大豆叶片出现衰老症状，相关研究也曾表明，叶片衰老首先表现的症状就是失绿，即叶绿素含量降低。伴随叶绿素含量的降低，叶片光合功能衰退（曹树青等，2001），成为鼓粒期长时间干旱导致光合作用下降的主要原因。

Pn的大小是衡量植物光合能力强弱的重要指标（丁友芳等，2010）。本研究结果表明，大豆开花期不同强度干旱胁迫7 d对大豆Pn影响不大，这说明开花期轻度干旱胁迫对大豆Pn影响较小，之后随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，大豆Pn呈降低趋势。大豆开花期干旱胁迫14 d复水一周后和鼓粒期干旱胁迫7、14 d复水一周后，Pn升高，这可能是由于轻度干旱胁迫导致Gs降低，从而使Ci降低，进而使Pn下降（汪本福等，2014），复水一周后Gs升高使Pn升高，但无法恢复到CK水平，可能是由于轻度干旱胁迫下Pn下降主要是受气孔限制，但同时亦存在非气孔限制，如光合器官和酶的活性受到较轻损坏。相关研究也表明干旱胁迫下Pn下降的气孔因素和非气孔因素可能同时存在，也可能以某种因子占主导地位，这主要由植物的基因型和所处的环境条件所决定（Griffiths et al.，2002）。不同强度干旱胁迫 21 d复水一周后，Pn并未恢复至CK水平，这可能是由于非气孔限制导致叶绿体和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性降低，限制了1, 5-二磷酸核酮糖的再生能力，从而引起光合作用能力降低，并较难恢复（Farquhar et al.，1982）。本研究中，大豆开花期干旱胁迫7 d复水一周后，CK的Pn明显偏低，这可能是由于测量前两天连续多云天气，导致测量当天大豆植株在较高光强下适应能力较差，Pn偏低。相关研究表明，植物通过改变自身结构及生理性状来适应环境光强的变化，这种适应能力因物种而异（Lin et al.，2004）。例如，夏腊梅通过降低光补偿点的暗呼吸速率来适应荫庇的环境（Olsen et al.，2002），而大豆的适应能力可能较弱。

水分利用效率指单位水汽蒸腾所同化的碳含量（Farquhar et al.，1984），环境因子和Gs协同对光合、呼吸和蒸腾、蒸发作用产生影响，最终起到对EWU的调控作用（Battipaglia et al.，2014；Zhou et al.，2016）。本研究中，大豆开花期干旱胁迫7、14 d及复水一周后，EWU高于CK，但在干旱胁迫21 d及复水一周后，EWU低于CK；鼓粒期干旱胁迫7、14 d及7 d复水一周后，EWU高于CK，但在干旱胁迫14 d复水一周、21 d及21 d复水一周后，EWU低于 CK。说明大豆开花期和鼓粒期持续时间较短的干旱胁迫导致EWU提高，而持续时间长的干旱胁迫会导致EWU降低，这与玉米EWU随干旱胁迫增强而增大的结论不一致（何海军等，2011）。可能是由于干旱胁迫强度和作物种类存在差异，持续时间较短的干旱胁迫下，植株会通过降低Gs，减少水分散失来提高EWU，维持体内水分平衡，而持续干旱胁迫下，植物自我调节能力可能超过了阈值（马玥等，2021），气孔调节能力受限，从而导致EWU显著降低。

产量是作物生长状况良好与否的重要指标（张洪鹏等，2016）。本研究中，随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，大豆单株荚数和粒数下降，单株秕粒数升高，产量降低，不同生育期干旱胁迫对大豆产量影响大小的结果为：鼓粒期>开花期。主要原因是干旱胁迫通过影响大豆各器官物质分配比例，进而影响生殖生长和发育（白伟等，2009；王诗雅等，2020），造成单株荚数和单株粒数减少、秕粒数增加，最终降低产量。同时本研究中不同生育期干旱胁迫/复水处理下，Pn的变化规律与产量变化一致，这是由于光合作用是作物干物质积累和产量形成的基础，本研究中大豆鼓粒期Pn对干旱胁迫更加敏感，因此干旱胁迫对鼓粒期产量影响更大。但相关研究也表明大豆开花期干旱胁迫对产量的影响最大（吴慎杰，2003），这可能与品种及土壤差异有关（李文滨等，2019；高玉秋等，2021），关于品种及土壤对大豆产量的影响仍需深入研究。

4 结论

（1）在大豆开花期和鼓粒期，随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，Pn呈下降趋势。开花期干旱胁迫下，大豆Pn下降是由气孔因素主导，鼓粒期大豆Pn下降的主导因素由气孔因素转为非气孔因素。持续时间较短的干旱胁迫会使大豆开花期和鼓粒期EWU分别升高 8.98%—52.34%和 6.88%—42.91%，而持续时间较长的干旱胁迫使大豆开花期和鼓粒期EWU分别降低 20.41%—61.18%和24.88%—41.98%，且复水后无法恢复，这可能是由于持续时间较短的干旱胁迫下，植株会通过降低Gs，减少水分散失来提高EWU，维持体内水分平衡，而较长时间干旱胁迫下，植物自我调节能力超过了阈值。

（2）随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，开花期和鼓粒期单株粒数、单株荚数呈降低趋势，单株秕粒数呈升高趋势，不同干旱胁迫可使开花期减产 15.63%—55.47%，鼓粒期减产 24.17%—59.63%，其主要原因是干旱胁迫通过影响大豆各器官物质分配比例，进而影响生殖生长和发育，造成单株粒数减少、秕粒数增加，最终导致产量降低。随着干旱胁迫强度增加和持续时间延长，大豆产量呈降低趋势，这与Pn的变化规律一致。鼓粒期干旱胁迫造成大豆减产程度大于开花期。