不同灌水量对滴灌水稻叶片光合特性及根系内源激素的影响

2023-01-15刘润慧张高煜唐清芸王子建王国栋李玉祥

中国农业大学学报 2023年1期

赵蕾刘润慧张高煜唐清芸王子建魏萌王国栋李玉祥*

(1.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003;2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所/农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆石河子 832000)

水资源短缺已成为一个全球性的问题[1-2]，特别是中国西北地区水资源总量仅占全国水资源总量的8%[3]，而可耕地占全国耕地总量的35%[4]，未来随着气候变暖和社会经济发展可能面临更严重的缺水问题和生态压力[1]。水稻作为主要的粮食作物之一，全球超过60%的人口以水稻为主食[5]。新疆全年太阳总辐射量502～628 kJ/cm2，水稻生长季节(4—10月)的光合辐射强度为900～1 000 J/(cm2·d)，具有生产优质稻米的独特光、热资源优势[6]，2014年水稻平均单产高达10.1 t/hm2，比全国平均水平高48.9%，成为我国西北的高产稻区[7]。但由于土壤干旱，加之农业用水供求矛盾十分突出，水资源缺乏以及较为落后的灌溉方式已成为新疆水稻生产的主要限制因素[8-9]。膜下滴灌栽培技术，将滴灌技术和覆膜技术相结合，不仅避免了水资源的渗漏、流失，还减少了土壤水分的蒸发，在增加作物产量的同时可提高水分利用效率[10]。因此，在新疆西部干旱稻作区开展水稻覆膜滴灌高产节水栽培技术研究，有助于缓解新疆水资源危机、保障粮食产量和水资源的可持续利用。

抽穗开花期是水稻对水分胁迫最敏感的时期[11]，若此时水分亏缺可导致水稻叶片气孔导度降低，吸收利用CO2能力和蒸腾速率下降，最终抑制光合效率，限制水稻产量[12-13]。此外，干旱胁迫会导致水稻叶绿体的超微结构遭到破坏，叶绿体降解，光合还原酶、暗反应酶活性及叶绿素a、b含量下降，光合效率降低[14]。Liu等[15-16]研究认为旱作直播水稻籽粒产量与移栽水稻产量基本一致，但旱作直播与移栽淹水相比耗水量减少15.3%。因此，在选育抗旱性品种的同时，可通过优化生育期内水分管理措施，挖掘水稻光合潜力，进而实现节水高产的目标，对提高水稻生产的水分利用效率具有现实意义。

根系为作物生长提供水分和养分，在干旱胁迫下，植物通过根系迅速感知胁迫，调节根系内源激素的变化，如脱落酸 (ABA) 含量增加时细胞分裂素 (CTK) 或玉米素 (ZR) 含量会相应降低等[17-18]，并将干旱信息传递给地上部，使植株代谢活动减弱，进而调节其他生理生化过程，以提高自身的抗逆能力[19]。Teng等[20]和郭贵华等[21]也发现干旱胁迫会导致水稻叶片ABA含量升高，气孔关闭，进而降低水稻的蒸腾作用、使水分耗散减少，提高作物的保水能力和抗旱性。因此，水稻根系内源激素与光合作用密切相关，通过调控根系生理活性影响作物的光合生理，是实现水稻节水高产的关键途径。

目前，已明确认识到节水灌溉技术可提高水稻水分利用效率，减少耗水量[22]。韩品等[23]和王志军等[24]对不同灌溉方式下水稻生育及光合特性的研究表明，滴灌水稻的株高、叶片数、产量均高于常规淹灌栽培模式。但有关在膜下滴灌条件下进一步降低灌水量，以提高水稻水分利用效率及其对光合特性、根系生理影响的研究尚未见报道。本试验选用抗旱性和干旱敏感性水稻品种作为试验材料，测定抽穗期和抽穗后20 d不同灌水量对水稻叶片生长、光合荧光特性、根系内源激素、水分利用效率 (WUEy) 及产量等指标，旨在探明覆膜滴灌条件下优化水分管理对水稻光合特性及根系内源激素的影响，以期为新疆干旱稻作区实现水稻节水高产栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本试验于2018—2019年在新疆维吾尔自治区石河子大学农学院实验站(44°18′ N，86°03′ E，海拔450.8 m)进行，年均气温6.5～7.2 ℃，年均降雨115 mm、蒸发量1 942 mm左右，属典型干旱半干旱大陆性气候。2018年，水稻生育期内降雨总量为110.7 mm，>5 mm的有效降雨6次，5月1日—9月30日，日平均最高气温为29.84 ℃，日平均最低气温为14.89 ℃；2019年整个生育期累积降雨103.9 mm，>5 mm的有效降雨7次，5月1日—9月30日，日平均最高气温为27.78 ℃，日平均最低气温为8.17 ℃(图1)。供试土壤为砂壤土，土壤有机质11.21 g/kg，全氮(N)0.74 g/kg、速效磷(P2O5)51.2 mg/kg、速效钾(K2O)193.0 mg/kg、碱解氮61.0 mg/kg。0—20、>20—40、>40—60 cm土壤容重分别为1.29、1.32和1.37 g/cm3。

图1 2018(a)和2019(b)年试验区水稻生育期内的气温和降雨量Fig.1 Temperature and precipitation in the test area in 2018 (a) and 2019 (b)

1.2 试验设计

选用抗旱性品种‘T-43’和干旱敏感性品种‘新稻1号’为供试材料。采用管壁厚1 cm、直径35 cm、高60 cm的PVC管进行土柱栽培试验。为保证原有土层的空间分布，以20 cm为单位将试验小区内0—60 cm土层土壤过筛后按原来土层深度填到土柱内，浇水沉实。2018年于4月28日人工点播，2019年于5月1日人工点播，每柱3穴，每穴10粒种子，播深2 cm，播种后地膜覆盖，采用滴灌系统模拟大田滴水450 m3/hm2，出苗每穴保苗8株，2年均于9月30日收获。

采用两因素随机区组试验设计，水稻生育期内设置3个灌水量处理：W1(总灌水量8 670 m3/hm2，每次灌水量164.4 m3/hm2，灌50次)、W2(总灌水量10 200 m3/hm2，每次灌水量195 m3/hm2，灌50次) 和W3(总灌水量12 000 m3/hm2，每次灌水量231 m3/hm2，灌50次)，每个处理4次重复，每次破坏性试验取样，共计72个土盆。

在拔节前每隔3 d灌溉1次，拔节后每隔2 d灌溉1次，直到成熟前15 d停止灌溉 (表1)。全生育期各处理均按照N 300 kg/hm2，P2O5270 kg/hm2，K2O 240 kg/hm2进行施肥。其中N肥20%作为基施，80%在出苗后第20、70、90、120天，按照2∶3∶4∶1比例追施。磷钾肥一次性基施。播种后按450 m3/hm2滴出苗水后，于5月28日进行水分处理，搭设防雨设施和遮阳网，根据天气预报提前盖好遮雨薄膜，雨后收起。6月23日、8月30日分别打药，做好病虫害防治工作。

表1 2018—2019年不同处理灌水周期及灌水量Table 1 Irrigation cycles and irrigation amount under different treatments from 2018 to 2019

1.3 测定指标及方法

1.3.1叶片相对含水量测定

于抽穗期、抽穗后20 d分别选择长势一致的水稻3穴，每穴选取剑叶5片，称鲜重后，放入密闭塑料桶中吸水12 h，然后用吸水纸吸干叶片表面水分，称干重，即饱和鲜重。将叶片在空气中自然脱水，于80 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干，称重，重复3次[25]。计算公式如下：

RWC=(m1-m2)/(m3-m2)×100%

(1)

式中：RWC，相对含水量；m1、m2、m3，叶片鲜重、干重和饱和鲜重，g。

1.3.2叶面积和比叶重测定

于抽穗期、抽穗后20 d分别选择长势一致的水稻3穴，每穴选取剑叶5片，高效叶面积率取上三叶，测量各叶片的长和最大宽度，计算叶面积(LA)、叶面积指数(LAI)和高效叶面积率(Valid LA rate)后，105 ℃下杀青30 min、80 ℃烘干至恒重，测定比叶重，重复3次[26]。计算公式如下：

LA=L×W×0.75

(2)

SLW=DW/LA

(3)

LAI=叶片总面积/土地面积

(4)

高效叶面积率=上三叶叶面积/总叶面积

(5)

式中：LA，叶面积，cm2；L，叶片的长，cm；W，叶片最大宽度，cm；SLW，比叶重，g/cm2；LAI，叶面积指数；DW，干重，g。

1.3.3叶片叶绿素含量、气体交换参数和叶绿素荧光参数测定

分别于抽穗期、抽穗后20 d当日11:00—13:00测定气体交换参数，选择长势一致的水稻3穴，每穴选取剑叶5片，自然光强约为1 200～1 600 μmol/(m2·s)，大气CO2浓度为(400±10)μmol/mol，使用便携式光合系统测定仪(LI-6400XT，美国LI-COR)测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)。用便携式荧光仪(MINI-PAM)测定已标识叶片的暗适应下的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、实际光化学量子效率(Y(II))、光化学淬灭系数(qP)以及非光化学淬灭系数(qN)等叶绿素荧光参数[27]。采用李合生[28]的方法测定叶绿素含量，重复3次。

1.3.4根系内源激素测定

于抽穗期、抽穗后20 d分别选择生长发育一致的水稻3穴，按0—20、>20—40和>40—60 cm分层，用直径×高为10 cm×10 cm的根钻取出整层土壤，置于20目网筛，根系用自来水冲洗后，再用蒸馏水冲洗干净，最后用吸水纸擦干。每层根系剪碎后，用液氮冷冻，送至中国农业大学农学院检测。采用酶联免疫吸附法 (ELISA)[29]测定水稻根系的脱落酸 (ABA) 和玉米素核苷 (ZR) 含量，重复3次。

1.3.5产量和水分利用效率测定

水稻成熟期调查有效穗数、千粒重、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率；收获后，水稻产量按每桶面积与水稻种植株数折算为单产，kg/hm2，14.5%标准含水率折算计产，重复3次。

水分利用效率 (WUEy，kg/m3) 计算公式：

WUEy=水稻产量/全生育期灌水量

(6)

1.4 数据处理

采用Excel 2010计算平均值和标准误(Mean±SE)，SPSS 26进行方差分析(Duncan)和相关性分析，Sigmaplot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理对膜下滴灌水稻产量的影响

由表2可知，随灌水量的减少，‘T-43’和‘新稻1号’产量及其构成因子均呈下降趋势，其中，‘T-43’在W2条件下的产量与W3差异不显著，与W1差异显著(P<0.05)。各处理下‘T-43’的WUEy由高到低表现为W2>W3>W1，W2与W3差异不显著，与W1差异显著(P<0.05)，‘新稻1号’的WUEy由高到低表现为W3>W2>W1。2个品种对比来看，除穗粒数外，其他产量及其构成因子和WUEy均表现为‘T-43’高于‘新稻1号’，尤其在W2和W1处理下‘T-43’的WUEy分别比‘新稻1号’高29.32%和70.85% (2018年)、18.70%和94.57%(2019年)。除结实率外，每盆有效穗数、每穗粒数、千粒重、单盆产量及WUEy在品种间和处理间差异均达极显著水平(P<0.01)，处理与品种间存在显著互作效应(P<0.05)；但所有参数在年季间差异均不显著，表明各参数在年季间有很好的重复性，后续数据分析与处理中，仅用2019年数据进行分析。

2.2 不同水分处理对膜下滴灌水稻叶片生长的影响

由表3可知，随灌水量的减少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1号’的RWC、LAI和高效叶面积率呈下降趋势，W2降幅小于W1。抽穗期，W2处理下2个品种的RWC、高效叶面积率较W3之间无显著差异，但‘T-43’的SLW较W3显著增加10% (P<0.05)；抽穗后20 d，W2处理下2个品种的SLW和高效叶面积率较W3无显著差异，但RWC和LAI较W3下降7.44%～27.90%(P<0.05)。抽穗至抽穗后20 d，W1条件下2个品种的RWC、SLW、LAI较W3分别下降10.55%～18.45%、33.33%～58.33%、74.73%～115.38%。3种水分处理下，抗旱性水稻品种‘T-43’的RWC比干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’高1.10%、2.34%、6.72%，LAI比‘新稻1号’高11.57%、7.89%、32.50%，高效叶面积率比‘新稻1号’高7.20%、8.60%、8.47%，‘T-43’的SLW在W2条件下比‘新稻1号’高22.10%。

2.3 不同水分处理对膜下滴灌水稻叶绿素含量的影响

由表4可知，随灌水量的减少，干旱敏感性水稻‘新稻1号’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb整体呈递减趋势。抽穗期，W2条件下抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1号’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb较W3无显著差异；抽穗后20 d，W1、W2处理下‘T-43’和‘新稻1号’的Chla、Chlb、T-chl及Chla/Chlb分别较W3下降58.6%～111.54%、50.65%～111.32%、64.10%～86.41%、11.93%～25.50%。3种水分处理下，抗旱性水稻品种‘T-43’的T-chl比干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’高17.80%、13.74%、12.19%，叶绿素a/b比‘新稻1号’高19.83%、17.40%、11.23%(P<0.05)。

2.4 不同水分处理对膜下滴灌水稻光合参数的影响

由表5可知，随灌水量的减少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1号’的Pn、Gs、Tr呈下降趋势，Ci呈上升趋势。抽穗期，W2处理下‘T-43’的Gs比W3高64.17%，而Pn、Tr较W3无显著差异；W1处理下‘T-43’和‘新稻1号’的Pn、Gs、Tr分别比W3低93.35%和129.61%、216.40%和79.34%、104.59%和28.22%。抽穗后20 d，W1和W2处理下‘T-43’和‘新稻1号’的Pn、Gs、Tr较W3均下降，但W2处理降幅小于W1处理。品种间，W2和W1条件下抗旱性水稻品种‘T-43’的Pn比干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’高23.13%和22.84%，而Tr比‘新稻1号’低24.93%和51.19% (P<0.05)。

2.5 不同水分处理对膜下滴灌水稻叶绿素荧光参数的影响

由表6可知，随灌水量的减少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1号’的Fv/Fm、Y(II)及qP均呈下降趋势，而qN呈上升趋势。抽穗期，W1、W2条件下‘T-43’和‘新稻1号’的Fv/Fm、Y(II)、qP分别较W3低6.90%～20.79%、37.09%～65.70%、13.83%～50.36%，其中，‘新稻1号’的Fv/Fm、qN达到显著水平(P<0.05)；抽穗后20 d，W1、W2条件下‘T-43’的Fv/Fm、qP较W3无显著差异。3种水分处理下，抗旱性水稻品种‘T-43’的Fv/Fm比干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’高3.50%～14.48%，Y(II)比‘新稻1号’高11.48%～35.63%，qP比‘新稻1号’高6.54%～40.12%，而qN比‘新稻1号’低2.72%～26.52%。

2.6 不同水分处理对膜下滴灌水稻根系内源激素的影响

由表7可知，抽穗期，随灌水量的减少，抗旱性水稻‘T-43’和干旱敏感性水稻‘新稻1号’不同土层的根系ABA含量呈递增趋势，而ZR、ZR/ABA含量呈递减趋势；抽穗后20 d，W2条件下‘T-43’根系中ABA含量较W3无显著差异。3种水分处理下，抗旱性水稻品种‘T-43’抽穗期在>40—60 cm土层根系中ABA含量比干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’高5.91%～97.19%，但0—20 cm土层根系ZR含量在抽穗期和抽穗后20 d比‘新稻1号’低3.31%～60.53%。

2.7 根系内源激素、叶片光合荧光参数与产量及水分利用效率相关分析

由表8和表9可知，不同土层根系中的ABA含量均与Gs、Pn呈显著或极显著负相关，而0—20 cm ZR含量与Pn、Gs呈显著或极显著正相关；产量与不同土层根系中的ABA含量呈显著或极显著负相关、与0—40 cm ZR及Pn、Gs呈显著或极显著正相关。品种间，抗旱性水稻品种‘T-43’的ABA、Gs及Pn与产量呈显著或极显著正相关(表8)，干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’的ABA、ZR、Gs及Pn与产量呈显著或极显著正相关(表9)。

3 讨论

3.1 不同水分处理的膜下滴灌水稻产量及水分利用效率的变化

郭庆人等[30]对新疆干旱区农业灌溉实践研究发现，发展节水灌溉技术不仅可实现实时、精量的水、肥控制，在减少地表径流、棵间蒸发和深层渗漏的同时，还能有效提高作物产量和水分利用效率。目前，以覆膜滴灌水稻为代表的高效节水栽培技术，已逐渐成为新的发展方向。陈林等[31]研究表明，滴灌水稻田间实际产量最高可达12.05 t/hm2，耗水10 500 m3/hm2，水分利用率为0.83 kg/m3，与传统淹灌栽培模式相比可有效减少水稻耗水量、提高水分利用效率。本研究中，在进一步优化全生育期灌水10 200 m3/hm2(W2)条件下，抗旱性水稻品种‘T-43’产量未显著下降 (单盆产量90.0 g，即9.35 t/hm2)，水分利用效率(WUEy)提高至0.92 kg/m3；而干旱敏感性水稻品种‘新稻1号’产量较W3显著下降(7.43 t/hm2)(P<0.05)，表明通过选用抗旱性强的水稻品种，充分挖掘水稻生物学节水潜力并应用节水灌溉技术，在保证产量不显著降低的前提下可实现水分的高效利用。

3.2 不同水分处理的膜下滴灌水稻叶片光合荧光特性的变化

光合作用是作物干物质积累和产量形成的基础[32]。杨晓龙[12]和Pinheiro等[14]研究结果表明，干旱胁迫使叶片的水势下降，叶绿体降解，气孔导度和蒸腾速率下降，最终导致光合能力下降。本研究中，抽穗期W2处理提高了‘T-43’的Chlb与Chla/Chlb，而高效叶面积率、相对含水量、Chla、T-chl、Pn和Tr较W3无显著差异，这可能与W2条件下根系ABA含量没有显著增加(P<0.05)，抽穗期水稻叶片叶绿素合成没有受到显著抑制有关[33]；Chla/Chlb增加表明抽穗期‘T-43’具有相对较高的Chla含量，能够捕获更多地光能适应水分减少，并将其转化为化学能，为碳同化提供更充足的能量来源，以维持光合作用的正常运转[34]；另一方面，较大的高效叶面积率为光能截获率提供了保障，有利于提高抽穗期的光合生产潜力，进而在满足光合作用正常进行的同时，小幅度降低蒸腾作用[35]，提高了水分利用效率。较高的比叶重也被认为是提高作物叶片韧性和抵抗物理干扰能力的指标[36]。本研究中，W2提高了抽穗期抗旱性水稻的比叶重，说明减少灌溉量并没有抑制叶肉细胞的生长，反而提高了叶片的保水性和相对含水量，有利于延长抽穗期的光合时间，促进籽粒产量形成；这可能是W2条件下保持较高光合速率的主要原因。

叶绿素荧光参数可反映植物的生理状态，通过叶绿素荧光参数可间接了解光合作用的过程[37]。本研究中，W2处理下‘T-43’抽穗后20 d的qP、qN较W3无显著差异，说明进一步减少水分后水稻通过保持较大的电子传递活性和较强的热耗散能力来保护光系统Ⅱ不受损坏，有利于光合作用正常运行[33]。此外，随着胁迫程度的增加，抗旱性水稻‘T-43’在W2条件下可以及时减缓qN的上升，将多余的光能以热形式耗散，避免光抑制，而干旱敏感性水稻 (‘新稻1号’) 不能及时作出反应，导致qN持续上升，叶片PSII受到实质性损伤[33-38]，表现为叶面积指数和比叶重均显著下降 (P<0.05)，光合作用受限，说明干旱胁迫下，抗旱性强的水稻具有较强的热耗散能力，从而维持PSII较强的光化学活性。

3.3 膜下滴灌水稻根系内源激素与叶片光合参数之间的关系

植物多种内源激素调控包括光合作用在内的多个生理过程[19]。Wang等[17]在鸭跖草的相关研究中指出，ABA含量增加的同时ZR含量的下降会导致叶片气孔关闭和蒸腾速率减慢。本研究中，抽穗期‘T-43’在W2处理下ZR含量降幅较W1小，而抽穗期‘T-43’在W2处理下根系中ABA含量较W3显著增加，说明在W2条件下抗旱性水稻通过调控生育前期ZR下降幅度和ABA增加幅度，延缓根系衰老，促进根系下扎[39]，同时ABA作为逆境信号向地上部运输，引起水稻叶片气孔开度减小，控制CO2的进入和水分散失，保持较高的叶片含水量，进而影响光合作用和水分利用效率[18]。此外，Pn、Gs均分别与0—60 cm土层中根系的ABA、0—20 cm土层中根系的 ZR之间呈显著或极显著相关。在减少灌溉量(W2)条件下根系中ABA含量升高和ZR含量下降，是维持抗旱性水稻光合能力的另一个原因。