交替灌溉对山黧豆叶片气体交换和土壤水分以及产量指标的影响

樊宪伟，李 柯，司海燕，熊友才

(1 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，生命科学与技术学院，广西大学，南宁，530004；2 草地农业生态系统国家重点实验室，生命科学学院，兰州大学，兰州，730000)

山黧豆(LathyrussativusL.)是一种分布范围广，具有多种优良生物学和农艺性状的作物，如耐旱、耐涝、耐贫瘠、抗虫、高产等[1-3]，适宜在半干旱土壤中生长。因此，在非洲、亚洲和欧洲的半干旱地区山黧豆作为一种耐旱的粮食作物被广泛种植[1]。在不利于其他作物生长的环境条件下，例如，边际地、低降雨量地区等，种植山黧豆仍可以收获一定的产量，这为极端环境地区人们的生存提供了基本粮食保障，是一种保障人类粮食安全的替代性作物[4]。在全球气候环境变化存在变数的情况下，这种适应性广、营养丰富的作物应该受到更多的关注[3]。

干旱是植物生长发育过程中最易遭受到的胁迫，已成为限制世界农作物产量提高的重要因素。有关山黧豆对生物与非生物环境的响应机制已有诸多研究[5-8]。首先，为了适应干旱环境，山黧豆已形成了独特的形态特征，如线型披针状叶片，庞大的根系，分别通过减少蒸腾作用、叶面积和吸收深层土壤水分的方式减缓干旱胁迫的影响[9]。其次，通过调节生长代谢产物，如ABA等调控气孔开度、气孔密度等降低蒸腾速率[10-11]，同时通过大量积累渗透调节物质如脯氨酸、可溶性糖等来增强植株的保水性能。另外，采用现代生物学技术发掘抗旱胁迫基因的研究发现，山黧豆能够调控干旱胁迫相关基因的表达和抗氧化酶编码基因的表达增强自身干旱适应性[7,11-12]。此外，神经毒素β-ODAP可以为植物生长和种子发育提供氮源，在干旱胁迫下积累的β-ODAP能够有效淬灭植物体内产生的活性氧，有助于植物提高耐旱能力[14-16]。

当前，全球40%的粮食生产依靠灌溉土壤，农业生产消耗了大量水资源，世界大部分地区农业用水达到淡水资源的70%[17]。与传统的亏缺灌溉(full irrigation，FI)相比，交替部分根区灌溉(partial root drying，PRD)是节省水资源、提高水分利用效率和水分生产力的首选策略[18-19]。在玉米[20-22]、马铃薯[23]、西红柿[24]等栽培中采用PRD技术均达到了节水的效果，提高了叶片的光合作用效率和氮的利用效率。那么，山黧豆在这种耕作实践中是否能够有效节省水分并维持良好的光合性能和产量特征？本研究采取垄沟种植技术，探究PRD模式对山黧豆的生长、根系发育、光合性能及产量特征的影响，以期为山黧豆的种植提供新的思路。

1 材料和方法

1.1 试验地点与处理

试验于2005年春在兰州大学干旱生态学榆中站遮雨棚中进行，土壤为碱性砂土，容重为1.15 g·cm-3。试验采取随机区组设计，采用垄沟栽培技术(图1)，灌溉模式分为3种处理，即FI处理(在A、B区域同时补灌)、PRD处理(仅在A、B区域一侧补灌，且交替进行)和NI处理(生长过程中A、B区域不补灌)。每种处理下的小区长为2.5 m，宽为1.5 m，3次重复。在播种前，按600 kg·hm-2KH2PO4和300 kg·hm-2NH4HCO3的用量进行施肥，并与表层土壤混匀，耙平后播种前灌水220 mm。待土壤松软后起垄，其中垄宽15 cm，垄间距30 cm，即按15-30-15-30-15-30-15模式排列，4行区。采用人工穴播，株距15 cm，播种后3 d出苗，1周后间苗，每穴定苗2株，种植密度为340 980株/hm2。

当FI处理下的植株在中午出现大量叶片萎蔫(超过50%)的迹象时进行灌溉。PRD处理的灌水时间与FI处理相同，但每次的灌水量仅为FI处理的50%。灌溉用水由直径为10 cm的管道供应，灌溉量由安装在管道排放端的流量计控制。整个实验在遮雨棚中进行，生长期间不计自然降雨，灌溉时间和灌溉量如表1所示。

1.2 观测指标及方法

1.2.1 土壤水分含量为了避免土壤含水量分布不均的问题，在两个垄沟之间均匀地线性分布了4个取样点(图1)。取样时期分别为播种后0、36、68和102 d。采样深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，取样螺旋直径2.5 cm。土样通过烘箱(80 ℃)干燥至恒重后测定土壤含水量。

1.2.2 叶片气孔交换参数采用便携式气孔仪(CIRA-1，PP-systems-Hitchin，Hertfordshire，UK)在播种后44、60和74 d时测定叶片光合作用相关的参数，即气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和净光合速率(Pn)。测定在上午9:00～11:00进行，每种处理选择10株山黧豆的成熟叶片测量，3次重复。根据净光合速率与蒸腾速率的比值计算叶片的瞬时水分利用效率(WUEi =Pn/Tr)。

1.2.3 根系干重山黧豆收获时，每个小区选择10株山黧豆植株，在距离根系周围10 cm处作为取样点。过筛土壤样本中的根系以收集根系样本，置于样品袋中，重复3次。然后105 ℃杀青30 min，并于75 ℃烘干至恒重称量根系干重。

1.2.4 产量相关指标在山黧豆成熟后(即播种后110 d)，从每个小区中收获20株植物，分别统计每个植株第一豆荚的高度、豆荚长度、豆荚数目、种子数；将收获的地上部分和地下根系分别装入牛皮纸袋中，于80 ℃烘箱中烘至恒重，称量豆荚干重、种子产量和生物量干重。利用山黧豆地下根系与地上部分的干重比作为根冠比。

1.3 数据统计分析

数据选用SPSS软件12.0的单因素方差分析程序，采用完全随机模型对数据进行分析。统计分析通过Tukey检测，P< 0.05。

2 结果与分析

2.1 各灌溉处理对山黧豆生长过程中不同深度土壤水分的消耗特征

在不同灌溉处理下，土壤中0～100 cm深度的水分动态变化趋势存在差异(图2)。其中，在播种前，田间土壤灌水量为220 mm，保证3种灌溉处理FI、PRD和NI下的土壤湿润均匀，土壤水分状况良好；总的土壤含水量在0～20 cm处最高，在80～100 cm处最低，土壤含水量随土层深度(0～100 cm)的增加呈明显下降趋势，且在0～100 cm深度范围内3种处理无显著性差异(图2，A)。在播种后36 d时，3种灌溉处理下的土壤含水量呈整体下降趋势，且0～20 cm深度的土壤水分含量急剧下降，与刚开始播种时土壤的含水量相比，FI、PRD和NI处理分别下降了58.8%、43.7%和38.8%；20～40 cm深度的土壤水分含量保持最高，但NI处理的土壤水分含量在3种处理中最低(图2，B)。播种后68 d时，PRD和NI处理的土壤含水量始终明显低于相同土层的FI处理；在0～20 cm深度时，PRD处理的土壤水分消耗量较大，土壤水分含量与NI处理间差异不显著；在20～60 cm土层深度时，PRD处理的土壤水分含量高于NI处理；而在80～100 cm深度时，PRD处理的土壤水分含量低于NI处理(图2，C)。播种后102 d时，由于接近山黧豆成熟期，近30天没有灌溉，土壤中水分含量降到最低，PRD与FI处理之间水分含量差异不显著，NI处理下0～40 cm深度的土壤水分含量最低，且始终低于相同土层PRD和FI处理(图2，D)。

2.2 各灌溉处理下山黧豆叶片气体交换参数和水分利用效率比较

图3显示，在3种灌溉模式下，山黧豆叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)在不同生长时期之间明显不同，均随着生育时期先升后降，并均在播种后60 d时达到最高，此时PRD处理下的净光合速率相比FI处理降低了23.5%，NI处理则较FI处理降低了36.9%，而PRD处理下的WUE达到最高，较FI处理显著提高了21.4%，NI处理下较FI处理提高了14.9%；在相同生育时期内，山黧豆叶片Pn、Tr、Gs均表现为FI处理始终极显著高于同期PRD和NI处理，PRD处理又始终高于同期NI处理(图3，A～C)。山黧豆叶片的WUEi在3种灌溉模式下均表现出逐渐上升趋势，但变化并不显著；在播种后44 d时，FI处理的WUEi最高，PRD和NI处理的WUEi相比FI处理显著降低；播种后60 d时，处于山黧豆结荚期，需水量增大，适当干旱能够提高叶片WUEi，此时FI处理的叶片WUEi最低，而PRD和NI处理显著高于FI处理；播种后74 d时，叶片WUEi在3种灌溉处理之间差异不显著(图3，D)。

2.3 各灌溉处理下山黧豆根系生物量的分布特征

表2显示，山黧豆的根系在FI、PRD和NI处理下分别有89.8%、86.9%和84.9%生长在0～20 cm的表层土壤中，干旱胁迫使PRD和NI处理下深层土壤中根系的比例提高到13.05%和15.07%。具体表现为，在0～20 cm深度的土层中，山黧豆根系干重表现为FI处理显著高于PRD和NI处理，而其在PRD和NI处理之间没有显著差异；在20～40 cm土层深度的土壤中，山黧豆根系干重在3种处理之间均表现出显著性的差异，且表现为NI处理最大，FI处理最小；在40～60 cm深度的土壤中，山黧豆根系干重仍以NI处理最大，并显著高于FI和PRD处理，而后两者之间无显著差异；在60～80 cm深度的土壤中，山黧豆在PRD和NI处理下生长有更多的根系，根系干重分别占总根系的4.97%和5.76%，并显著高于FI处理，而PRD和NI处理之间无显著差异(表2)。

表2 不同灌溉模式下不同土壤深度中山黧豆根系干重的比较Table 2 Comparison of root dry mass of L. sativus in different soil depths under different irrigation modes

2.4 各灌溉处理下山黧豆产量相关指标的变化特征

表3显示，山黧豆的籽粒产量在PRD处理下比FI处理显著降低52.91%，NI处理又比PRD处理显著降低20.53%，比FI处理大幅显著降低62.58%。山黧豆的植株高度在PRD处理下也受到显著影响，生长量约为FI处理的57%，几乎与生长期NI处理的植株高度一样；同时，3种灌溉模式下山黧豆第一豆荚高度、单株豆荚数目、单株籽粒数目的变化趋势与植株高度一致。而山黧豆豆荚长度、豆荚重量和每荚豆粒重则没有受到PRD处理的显著影响，尤其是在NI处理条件下，豆荚长度和每荚豆粒重比FI和PRD处理显著降低，而其豆荚重量却与FI和PRD处理并没有显著区别。另外，山黧豆生物量也在灌溉模式间存在显著差异。PRD和NI处理条件下山黧豆单株地上部和根系干重均显著低于FI处理，而PRD和NI处理间无显著差异；3种灌溉模式也显著改变了植株的根冠比，并以NI处理最大，PRD处理次之，约为FI处理的2.1倍(表3)。

表3 不同灌溉处理下山黧豆产量相关指标的比较Table 3 Comparison of yield related indexes of L. sativus under different irrigation treatments

3 讨 论

3.1 不同灌溉模式对山黧豆土壤水分与根系分布的影响

大多数作物在其生活史周期中经常遭受不同程度的水分胁迫，致使其生长、发育和最终产量受到不同程度影响。不同植物对水分胁迫响应存在明显差异，但植物具有优先从根系周围的湿润区汲取水分，并采取增加湿润区根系的生长量应对水分胁迫的策略。据报道，豌豆、鹰嘴豆、苜蓿等豆科植物根系在土壤剖面中比大豆根系生长的更深，这与植物根系能够更好地利用储存在土壤深处的水分相一致[19-20]。本研究发现山黧豆根系生长较深，FI处理下根系主要以表层水分吸收为主(0～20 cm)，PRD处理和生长期NI处理模式下显然对20～60 cm深处的水分消耗更大；随着干旱的加剧，山黧豆根系对土壤深处的水分汲取增大，但NI和PRD处理模式下水分汲取差异不大，可能由于PRD处理下的地上生物量生长需要更多的水分。FI处理模式下的土壤较NI和PRD处理含有更多的水分，然而在山黧豆生长后期，植株需水量减少，PRD和FI处理在0～100 cm处土壤中含水量趋于一致，说明后期补水减少50%的灌溉量即可满足植物生长需求。

另外，水分胁迫并不能改变大豆根系在土壤中的相对分布，即不管干旱处理还是充分供水的条件下，大约97%的根系分布在0～0.23 m的土壤表层，而对于鹰嘴豆和野豌豆，水分胁迫导致更多的根系生长在深层土壤中[25-26]。本研究发现，干旱胁迫导致PRD和NI处理下深层土壤中根系比例提高，这与根系吸收深层土壤水分，避免干旱对山黧豆影响的结果相一致。

3.2 不同灌溉模式对山黧豆叶片气体交换参数的影响

大多数植物叶片气体交换能力随着干旱的加剧而下降，主要是由于干旱条件下气孔部分关闭，气孔导度降低，同时也降低了胞间CO2的浓度，从而导致了植物光合速率下降；同样，气孔关闭也降低了蒸腾速率，减少水分散失[27-28]。本研究发现在苗期(种植后44 d)不同灌溉处理下的山黧豆叶片气孔导度、净光合速率和蒸腾速率最低；叶片净光合速率在进入生殖生长期(种植后60 d)时最高，而在生殖生长后期(种植后74 d)表现出降低的趋势。在同一生长阶段，山黧豆叶片的气体交换参数气孔导度、净光合速率和蒸腾速率均随着干旱的加剧而降低，这与前人干旱会引起光合速率和蒸腾速率下降的结论相一致[11]。值得注意的是，在播种60 d后，山黧豆叶片的净光合速率在PRD处理下显著高于FI处理，这可能因为山黧豆具有发达的根系，能够吸收利用更深层的土壤水分。山黧豆叶片在营养生长阶段(播种后44 d)的水分利用效率以FI处理最高，在生殖生长阶段(播种后60 d)水分利用效率以PRD处理条件下最高；但在成熟时期，3种处理条件的瞬时水分利用效率又趋于一致。因此，山黧豆在水分胁迫条件下植株叶片气体交换参数和水分利用效率在整个生长周期中表现有一定的波动性，这也许与根系在土壤中的发育过程和阶段有关。

3.3 不同灌溉模式对山黧豆产量指标的影响

水分胁迫对产量形成的影响一般与胁迫程度相关。例如，与对照(100%)水分处理相比较，50%水分处理大豆种子产量降低了40%，豆荚数目和每荚籽粒数目分别降低了42%和3%；地上生物量降低了48%，而根系生物量降低53%，水分利用效率降低了52%[26]。本研究中，与FI处理相比，PRD处理下山黧豆的植株高度、结荚高度、单株结荚数、单株籽粒数和地上部生物量均显著降低，单个豆荚长度和豆荚重与FI处理没有显著性差异，这说明在水分供应不充分的情况下，植物会采取牺牲生长量和结荚数目，以获得单个豆荚和籽粒生长良好的策略应对干旱逆境胁迫。另外，大豆根冠比在50%水分胁迫下提高了25%[29]，而本研究中山黧豆根冠比在PRD处理下为FI处理的2.1倍，显著增强了根系的生长，暗示山黧豆在PRD处理下会投入更多能量用于根系发育，以汲取土壤深层水分达到抵御干旱胁迫的效应。