基于Δ13C的不同水氮管理對水稻水分利用效率的影響

張忠學(xué) 陳 鵬 鄭恩楠 聶堂哲 陳帥宏 李偉彤

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水分和氮素是調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育的主要環(huán)境因子，也是決定作物產(chǎn)量的重要影響因素，水分狀況會限制肥效的發(fā)揮，氮素營養(yǎng)的好壞會通過影響作物葉片光合和水分生理過程最終影響其水分利用效率[1]，合理的水氮管理對提高作物的養(yǎng)分及水分利用效率有著顯著的協(xié)同促進(jìn)作用，即達(dá)到“以肥調(diào)水”、“以水調(diào)肥”的目的。世界范圍內(nèi)的缺水以及連年的干旱促使節(jié)水農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，作為節(jié)水農(nóng)業(yè)的最終目標(biāo)，提高作物水分利用效率是實現(xiàn)高效用水增產(chǎn)的核心所在。葉片尺度上水分利用效率的研究可以揭示作物內(nèi)在的耗水機(jī)制，一般表示為瞬時水分利用效率(LWUEins)和內(nèi)在水分利用效率(LWUEint)，LWUEins和LWUEint可以反映作物水分利用過程對環(huán)境因素的動態(tài)響應(yīng)[2]，但通常LWUEins和LWUEint都是采用氣體交換技術(shù)(Gas exchange technique)測定某特定時間下作物部分葉片的氣體交換參數(shù)來確定的，只能代表作物對環(huán)境因素的短期響應(yīng)，在作物的較長生長期內(nèi)，LWUEins和LWUEint在表達(dá)作物對環(huán)境因素響應(yīng)的生理過程具有局限性。

近年來，穩(wěn)定同位素技術(shù)在農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境科學(xué)等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-7]。研究表明，植物葉片碳同位素比率(δ13C)和碳同位素分辨率(Δ13C)不僅可以反映植物葉片胞間與大氣CO2分壓比(Pi/Pa)和濃度比(Ci/Ca)[8]，還反映了凈光合同化速率和氣孔導(dǎo)度的相對大小[9]。同時許多相關(guān)研究均表明葉片的δ13C和Δ13C可以反映出植物在一段時間內(nèi)對水分的利用以及對水分脅迫的適應(yīng)狀況，可以用來指示植物長期水分利用效率[10]。因此與氣體交換測定相比，葉片δ13C和Δ13C可以更有效地作為不同環(huán)境因素下整株植物功能的綜合反映指標(biāo)，還可以用其來評估由氣體交換技術(shù)確定的LWUEins和LWUEint的準(zhǔn)確度。已經(jīng)有大量研究結(jié)果表明，影響植物氣體交換代謝過程的環(huán)境因子對植物葉片碳同位素分餾程度也產(chǎn)生影響，包括水分條件[11-12]、氮素形態(tài)[13]、土壤含水率與大氣濕度[14]、降雨量[15]等。但對于不同水氮管理對水稻氣體交換參數(shù)與碳同位素分辨率的影響系統(tǒng)分析報道較少。

本文以不同水氮管理下種植的水稻作為研究對象，在分析不同水氮管理對水稻葉片氣體交換參數(shù)的影響基礎(chǔ)上，探討水稻葉片碳同位素分辨率對不同水氮管理的響應(yīng)情況及其與產(chǎn)量與氣體交換參數(shù)的關(guān)系，并評估采用水稻葉片碳同位素分辨率表征不同水氮管理下水稻不同水平水分利用效率的可靠性和實用性，以揭示不同水氮管理下水稻葉片氣體交換代謝調(diào)節(jié)規(guī)律，為葉片尺度的水分高效利用提供理論。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

圖1 水稻生長期內(nèi)空氣溫度和降雨量的日變化Fig.1 Changes in daily air temperature and rainfall during rice growth period

試驗在黑龍江省水稻灌溉試驗站進(jìn)行，該站(127°40′45″E、46°57′28″N)位于慶安縣和平鎮(zhèn)，是典型的寒地黑土分布區(qū)。從水稻移栽到成熟，該地區(qū)水稻生長期內(nèi)日氣溫和降雨量變化如圖1所示，多年平均水面蒸發(fā)量750 mm，作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。供試土壤為黑土型水稻土，種植水稻20 a以上，土壤耕層厚度11.3 cm，犁底層厚度10.5 cm。在移栽和施肥前，對試驗小區(qū)0～20 cm土層進(jìn)行5點對角取樣后混合，并對其主要土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，土壤粒徑0.02～2.0 mm的顆粒占37.3%、0.002～ 0.02 mm的顆粒占32.3%、粒徑小于0.002 mm的顆粒占30.4%，土壤容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性質(zhì)為：pH值6.45，耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力(均為質(zhì)量比)為：有機(jī)質(zhì)41.8 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全鉀20.11 g/kg、堿解氮198.29 mg/kg、有效磷36.22 mg/kg和速效鉀112.06 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用灌水方式和施氮量2因素全面試驗，試驗處理設(shè)計詳見表1。設(shè)置2種灌水方式(表1)：控制灌溉(C)、淹水灌溉(F)。水稻控制灌溉模式除水稻返青期田面保持0～30 mm淺薄水層和黃熟期自然落干外，其余各生育階段均不建立水層，以根層的土壤含水率為控制指標(biāo)確定灌水時間和灌水定額，灌水上限為土壤飽和含水率，各生育階段土壤含水率下限分別取飽和含水率的百分比，用TPIME- PICO64/32型土壤水分測定儀于每天07：00和18:00分別測定各試驗小區(qū)土壤含水率，當(dāng)土壤含水率接近或低于處理灌水下限時，人工灌水至灌水上限，維持土壤含水率處于相應(yīng)生育階段的灌水上限和灌水下限之間，并記錄各處理相應(yīng)灌水量；淹水灌溉處理的試驗小區(qū)于每天08:00通過預(yù)先埋設(shè)的豎尺讀取田面水層深度，以確定是否需要灌水。施氮量設(shè)6個水平(純氮)，即N0(0 kg/hm2)、N1(60 kg/hm2)、N2(85 kg/hm2)、N3(110 kg/hm2)、N4(135 kg/hm2)、N5(160 kg/hm2)。每個處理設(shè)3次重復(fù)，共36個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積100 m2(10 m×10 m)，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌40 cm深的塑料板，防止各小區(qū)間的水氮交換。氮肥按照基肥∶蘗肥∶促花肥∶保花肥比例為4.5∶2∶1.5∶2分施，各處理磷、鉀肥用量均一致，施用P2O545 kg/hm2，K2O 80 kg/hm2，磷肥在移栽前一次性施用，鉀肥于移栽前和水稻8.5葉齡分2次施用，前后比例為1∶1。試驗選用當(dāng)?shù)氐乃酒贩N“龍慶稻3號”，在充滿土壤的育秧盤中將預(yù)發(fā)芽的種子培育成幼苗，并于2017年5月17日選取長勢相同的水稻幼苗進(jìn)行移栽，株距16.67 cm、行距30 cm，每穴定3株，9月20日收割，生育期為126 d，在水稻各生長階段及時除草，防治病蟲害，以免影響水稻養(yǎng)分吸收。

表1 稻田生育期內(nèi)各處理土壤水分管理方式Tab.1 Water management of different irrigation management pattern in rice growth stages

注:θs為土壤飽和含水率。

1.3 觀測內(nèi)容與方法

1.3.1土壤含水率

在各試驗小區(qū)內(nèi)預(yù)先埋設(shè)1根長1 m的測管，采用TPIME- PICO64/32型土壤水分測定儀測定各試驗小區(qū)0～100 cm土層的土壤含水率，每10 cm采集1個數(shù)據(jù)，間隔3～5 d測定一次，灌溉或降雨后加測。

不同水氮調(diào)控下水稻全生育期耗水量采用水量平衡法計算，為

ET=P+I+K+W1-R-D-W2

(1)

式中ET——耗水量，mm

W1、W2——移栽、收獲時土壤儲水量，mm

P——降雨量，mmI——灌水量，mm

K——地下水補給量，mm

R——地表徑流量，mm

D——耕層土壤水滲漏量，mm

試驗區(qū)地勢比較平坦，降水量遠(yuǎn)不及蒸發(fā)量且地下水位的埋深較深，因此R、K的取值為零，水稻全生育期土壤水滲漏量取試驗站連續(xù)13 a實測滲漏量的平均值[16]。

1.3.2氣體交換參數(shù)

每個小區(qū)隨機(jī)選取代表性水稻3穴，于水稻各生育期內(nèi)天氣晴朗無云的09:00—11:00，用LI- 6400XT型便攜式光合測定儀自帶的6400- 02 LED紅藍(lán)光源葉室(Li- COR 6400型，USA)測定每小區(qū)已選取水稻植株最新完全展開葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等氣體交換參數(shù)，每片葉片連續(xù)讀3次數(shù)取平均值。測定時設(shè)置葉室內(nèi)光照強(qiáng)度為1 500 μmol/(m2·s)，CO2濃度400 μmol/(m2·s)，待葉片適應(yīng)葉室內(nèi)環(huán)境后進(jìn)行測定。

1.3.3水分利用效率

作物水分利用效率(WUE)的計算公式為

WUE=Y/ET

(2)

式中Y——水稻產(chǎn)量，kg/hm2

葉片水分利用效率可以表示為葉片的瞬時水分利用效率(LWUEins)和內(nèi)在水分利用效率(LWUEint)。

葉片尺度的瞬時水分利用效率(LWUEins)用葉片通過蒸騰消耗的一定量的水同化的二氧化碳的量來表示，計算公式為

LWUEins=Pn/Tr

(3)

葉片的內(nèi)在水分利用效率(LWUEint)用葉片通過蒸騰消耗一定量的水所通化的水量表示，計算公式為

LWUEint=Pn/Gn

(4)

1.3.4碳同位素比率及碳同位素分辨率

于水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期對不同水氮處理的水稻植株健康葉片進(jìn)行取樣，每個處理3次重復(fù)，將水稻葉片在70℃干燥至質(zhì)量恒定，使用球磨機(jī)對水稻葉片樣品進(jìn)行粉碎處理，過80目篩后密封保存，穩(wěn)定同位素測試在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT)和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA)聯(lián)用的方法測定水稻葉片穩(wěn)定同位素組成(δ13C)，每隔10個樣品加入一個已知δ13C值的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測試質(zhì)量控制，測量誤差小于0.2‰，碳同位素值采用國際V- PDB標(biāo)準(zhǔn)，千分比(‰)表示，根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]的公式計算水稻葉片的δ13C,為

(5)

水稻葉片Δ13C值計算公式為

(6)

式中δair——大氣CO2的Δ13C值，取-8‰[15]

δplant——測定的水稻各部位樣品的Δ13C值

1.3.5產(chǎn)量

齊穗期各處理小區(qū)隨機(jī)調(diào)查20穴水稻的有效穗數(shù)，并計算平均有效穗數(shù)。于成熟期各處理按平均有效穗數(shù)選取10穴代表性水稻進(jìn)行考種，考查穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量，收獲時各試驗小區(qū)單打單收，并按照稻粒標(biāo)準(zhǔn)含水率14.5%折合計算水稻單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 13.0對葉片碳同位素分辨率與水分利用效率進(jìn)行相關(guān)性分析，采用單因素方差分析及Duncan多重比較方法來進(jìn)行各處理水稻氣體交換參數(shù)顯著差異性分析及均值比較，并采用Origin 9.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對葉片氣體交換參數(shù)的影響

葉片氣孔(Leaf stomatal)是植物體與外界氣體交換的通道，植物體光合、呼吸及蒸騰作用均受到氣孔導(dǎo)度的影響，一般情況下，氣孔部分關(guān)閉有利于保護(hù)植物過度的水分流失，同時也限制了葉片光合作用，但過低的Gs不利于葉片尺度的水分高效利用[1]，因此應(yīng)綜合考慮氣孔導(dǎo)度變化對植物葉片光合及蒸騰的影響。由圖2(圖中不同小寫字母表示處理在5%水平上差異顯著，ns表示在5%水平上不顯著。下同。)可知，不同生育期相同施氮量下淹水灌溉處理下水稻葉片Gs高于控制灌溉下水稻葉片Gs，較高的Gs有利于外界CO2進(jìn)入葉片胞間，使CO2供應(yīng)充分，加快光合暗反應(yīng)速率，相同施氮量下淹水灌溉可以獲得較控制灌溉更高的凈光合速率(Pn)，單位時間內(nèi)葉片光合消耗CO2的量超過了外界通過氣孔進(jìn)入胞間的CO2的量，因此兩種灌溉方式不同施氮水平下Ci隨施氮量的增加呈逐漸減少趨勢，這與徐俊增等[17]的研究結(jié)果相一致。淹水灌溉模式下水稻獲得更高Pn的同時也具有較高的Tr，使得大量水分通過蒸騰散失，不利于葉片水分的高效利用。

不同生育期淹水灌溉模式下水稻葉片Gs隨施氮量的增加而增大，但增幅相對較小，拔節(jié)孕穗期FN5處理水稻的Gs最大，較FN0、FN1、FN2、FN3、FN4處理分別增加了27.63%、6.81%、6.04%、3.56%、2.44%；控制灌溉模式下水稻葉片Gs隨施氮量的增加呈先增加后減少趨勢，施氮量為135 kg/hm2時葉片Gs最大，較CN0、CN1、CN2、CN3、CN5處理分別增加了37.69%、18.62%、17.99%、7.41%、1.60%，與淹水灌溉下不同施氮水平相比控制灌溉下施氮對Gs的增幅效果較優(yōu),，這是由于施氮可以有效降低植物由于受到水分虧缺時合成的脫落酸(ABA)水平，從而降低ABA對葉片氣體交換的影響，維持一定的氣孔導(dǎo)度[19]。適宜施氮提高一定的氣孔導(dǎo)度有利于提高葉片的Pn，拔節(jié)孕穗期控制灌溉下與不施氮CN0相比CN1、CN2、CN3、CN4、CN5處理水稻葉片Pn分別提高了16.36%、17.99%、29.97%、41.47%、41.30%；葉片Tr提高了4.67%、6.38%、12.39%、17.24%、17.40%，不同施氮水平較不施氮水稻葉片Pn的增幅大于Tr的增幅，從而相對的提高了葉片尺度的水分利用效率。

圖2 不同水氮管理對水稻葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.2 Effect of different water and nitrogen managements on leaf gas exchange parameters of rice

圖3 不同水氮管理對水稻各生育時期耗水量的影響Fig.3 Effect of different water and nitrogen managements on water consumption of rice at different growth stages

2.2 不同水氮處理對水稻耗水量、水分利用效率和產(chǎn)量的影響

如圖3所示，不同水氮處理下水稻不同生育期耗水量的變化趨勢相同，以水稻抽穗開花期為例，2種灌溉方式下水稻耗水量均隨施氮量的增加而增大，相同施氮量下淹水灌溉處理水稻耗水量較稻作控制灌溉模式增加了57.44%、54.61%、52.01%、51.96%、48.33%、45.27%，這是由于傳統(tǒng)淹水灌溉田面蒸騰蒸發(fā)量較大，而稻作控制灌溉模式在滿足水稻生長發(fā)育需水量的同時還降低了無效蒸發(fā)，從而實現(xiàn)了節(jié)水減耗的目標(biāo)。

如表2所示，不同水氮管理下水稻分蘗期LWUEins變化范圍為1.007～1.488 μmol/mmol，LWUEint變化范圍為15.682～20.190 μmol/mol，不同生育期兩種灌溉方式下水稻的LWUEins和LWUEint隨施氮量的增加總體呈拋物線趨勢，但因水稻返青期后稻田土壤含水率較高，導(dǎo)致控制灌溉模式土壤含水率未達(dá)控制下限，水分虧缺對水稻影響并不明顯，故不能完全說明不同水氮處理對水稻葉片水分利用效率的影響。拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期不同水氮處理LWUEins和LWUEint變化表現(xiàn)一致，拔節(jié)孕穗期同一灌水方式下與CN0、FN0相比，CN1、CN2、CN3、CN4、CN5處理水稻的LWUEins分別增加了10.44%、10.91%、15.62%、20.65%、20.33%；LWUEint分別增加了0.23%、1.10%、1.38%、2.74%、4.26%；FN1、FN2、FN3、FN4、FN5處理水稻的LWUEins分別增加了9.94%、11.30%、17.59%、20.65%、14.14%，LWUEint分別增加了3.72%、3.80%、9.18%、13.82%、12.27%。2種灌溉方式下施氮量135 kg/hm2增幅效果高于其他處理，顯著提高了水稻LWUEins和LWUEint。不同灌溉方式處理間對比顯示，控制灌溉模式水稻LWUEint在抽穗開花期相同施氮量下較淹水灌溉分別高出10.12%、4.44%、3.44%、3.64%、10.82%、8.77%，LWUEins分別高出6.89%、4.48%、4.17%、3.48%、8.00%、0.26%。表明控制灌溉下葉片水分利用效率優(yōu)于淹水灌溉，有利于葉片水分高效利用。

2種灌溉方式下產(chǎn)量均隨施氮量的增加而增大，但控制灌溉下施氮量超過一定閾值產(chǎn)量有下降趨勢；WUE隨施氮量的變化呈先增加后減少趨勢，控制灌溉下施氮量為135 kg/hm2產(chǎn)量最高且對應(yīng)作物及葉片水平水分利用效率最大，淹水灌溉下施氮量為160 kg/hm2產(chǎn)量最高，但其產(chǎn)量水平的水分利用效率較低，不同灌溉方式處理間對比顯示，施氮量為60、85、110、135 kg/hm2下控制灌溉模式水稻產(chǎn)量較淹水灌溉分別高出14.06%、24.14%、22.01%、6.46%；WUE高出76.46%、90.83%、84.58%、59.21%。研究結(jié)果表明，控制灌溉下施氮量為135 kg/hm2時產(chǎn)量與作物水分利用效率均達(dá)到最優(yōu)，為寒地黑土水稻節(jié)水高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

表2 不同水氮管理下水稻葉片LWUEins、LWUEint、WUE和YTab.2 LWUEins, LWUEint, WUE and yield under different water and nitrogen managements

2.3 不同水氮處理對水稻葉片碳同位素分辨率的影響

由表3可知，不同施氮量下控制灌溉模式水稻相同抽穗開花期葉片Δ13C變化范圍為20.20‰～20.79‰，淹水灌溉下抽穗開花期葉片Δ13C變化范圍為20.42‰～21.03‰，淹水灌溉模式水稻葉片Δ13C在抽穗開花期相同施氮量下較控制灌溉分別高出0.96%、1.45%、1.51%、1.22%、1.68%、0.59%。結(jié)果表明，相同施氮量下控制灌溉水稻葉片Δ13C明顯小于淹水灌溉下水稻葉片Δ13C，這是由于水稻優(yōu)先從胞間空氣吸收12CO2，使之融于細(xì)胞質(zhì)，使殘余的溶解CO2富集13C，且控制灌溉下土壤含水率較低，使水稻葉片氣孔導(dǎo)度較淹水灌溉低，不利于外界12CO2進(jìn)入胞間，從而導(dǎo)致葉片Δ13C較小。

控制灌溉下水稻抽穗開花期葉片Δ13C隨施氮量的增加呈先減小后增加的趨勢，淹水灌溉下水稻葉片Δ13C隨施氮量的增加整體呈逐漸減少趨勢，2種灌溉方式下處理CN4和FN5的葉片Δ13C相應(yīng)為最小，分別為20.20‰、20.42‰。表明在充足的水分條件下，提高施氮水平可以增加光合羧化酶的含量及活性，使溶解在細(xì)胞質(zhì)中的12CO2通過光合羧化酶的作用優(yōu)先結(jié)合到磷酸甘油酸中，生成的糖類物質(zhì)富集12C而貧化13C，從而使葉片Δ13C減?。划?dāng)在水分匱缺的情況下，水稻對氮素水平更加敏感，過量的氮素會抑制光合羧化酶的活性，使葉片Δ13C有所增加。

表3 不同水氮管理下水稻各生育期葉片Δ13CTab.3 Leaf Δ13C value at different growth stages under different water and nitrogen managements ‰

2.4 不同水氮管理下水稻葉片Δ13C與氣體交換參數(shù)、LWUEins、LWUEint、WUE、Y的關(guān)系

2.4.1水稻葉片Δ13C與氣體交換參數(shù)、LWUEins、LWUEint、Y的關(guān)系

對抽穗開花期2種灌溉方式下不同氮素水平處理水稻葉片Δ13C和LWUEins、LWUEint的統(tǒng)計分析表明(表4，線性回歸方程為Z=ax+y0)，2種灌溉方式下不同施氮水平水稻葉片Δ13C與LWUEins、LWUEint均呈負(fù)相關(guān)，2種灌溉方式下同一施氮水平水稻葉片Δ13C與LWUEint的相關(guān)性均明顯優(yōu)于其與LWUEins的相關(guān)性。這與WEI等[12]對不同灌溉定額下溝灌番茄的研究結(jié)果一致。如表5所示，將同一灌溉方式下不同施氮處理抽穗開花期所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得出，除淹水灌溉Gs外，2種灌溉方式下水稻葉片Δ13C與Pn、Gs、Ci、Tr均呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，控制灌溉下水稻葉片Δ13C與LWUEint、Y呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.891、-0.903，同時Δ13C與LWUEins呈負(fù)相關(guān)，R為-0.749，未達(dá)顯著水平。淹水灌溉下Δ13C與Y呈顯著負(fù)相關(guān)p<0.05)，R為-0.822，Δ13C與LWUEins、LWUEint呈負(fù)相關(guān)，R為-0.606、-0.779。結(jié)果表明，控制灌溉下水稻葉片Δ13C與Pn、Gs、Ci、LWUEins、LWUEint的相關(guān)性優(yōu)于其在淹水灌溉下的相關(guān)性，且同一水氮管理下水稻葉片Δ13C對LWUEint的指示性優(yōu)于對LWUEins的指示性，水稻葉片Δ13C可作為量化表征作物葉片氣體交換參數(shù)和葉片水平水分利用效率的重要指標(biāo)。

2.4.2不同生育時期水稻葉片Δ13C與WUE的相關(guān)性

如圖4所示，不同水氮調(diào)控下水稻拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期的葉片Δ13C均與WUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，顯著優(yōu)于分蘗期水稻葉片Δ13C與WUE的相關(guān)性；抽穗開花期的水稻葉片Δ13C較拔節(jié)孕穗期可以更好地表征水稻W(wǎng)UE。結(jié)果表明，通過測定水稻不同時期葉片Δ13C能夠為預(yù)測不同水氮調(diào)控下水稻產(chǎn)量水平水分利用效率提高參考。

3 討論

水氮管理是調(diào)控作物生長和發(fā)育的重要途徑，通過合理的水氮管理調(diào)節(jié)作物葉片氣體交換能力進(jìn)而改善葉片光合特性，是實現(xiàn)作物節(jié)水高產(chǎn)的重要措施之一[18]。研究證明，施氮可以有效降低植物內(nèi)源脫落酸(ABA)濃度，對ABA信號運輸和傳導(dǎo)也有明顯影響，從而改善植物葉片氣孔開度[19]。本研究中，淹水灌溉下不同生育期水稻葉片Gs隨施氮量的增加而增大，但控制灌溉下水稻葉片Gs隨施氮量的增加呈拋物線變化，且相同施氮量下控制灌溉的Gs小于淹水灌溉，這可能是由于施氮能提高作物葉片對水分虧缺的敏感性，使得氣孔部分關(guān)閉，從而減少水分蒸騰。氣孔導(dǎo)度的變化直接影響著植物葉片的光合與蒸騰作用，試驗結(jié)果證明，不同水氮管理下水稻葉片Pn的變化趨勢與Gs一致，與龐桂斌等[1]就節(jié)水灌溉下水稻光合特性的研究結(jié)果不同，原因可能在于本試驗中Gs的最大值未超過閾值，故Pn與Gs未呈二次曲線關(guān)系。并且水分虧缺會抑制葉片中葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速葉綠素分解，導(dǎo)致葉片光合能力下降[20]。因此，控制灌溉下水稻葉片Pn小于淹水灌溉。由于施氮使水稻葉片光合能力增強(qiáng)，使單位時間內(nèi)葉片光合消耗CO2的量超過了外界通過氣孔進(jìn)入胞間的CO2的量，從而導(dǎo)致Ci隨施氮量的增加而減小。不同水氮管理主要通過對葉片Gs的調(diào)控從而影響葉片Tr。本試驗中，拔節(jié)孕穗期水稻葉片較高的Gs卻具有較低的Tr，這主要是因為拔節(jié)孕穗期時當(dāng)?shù)亟涤贻^多，葉片外部蒸氣壓較大，而氣孔下腔蒸氣壓相對不變，使得葉片蒸騰變慢。葉片與外界氣體與水分的交換情況勢必會影響葉片水分利用效率。本研究中，控制灌溉下各施氮水平葉片LWUEins、LWUEint均高于淹水灌溉，LWUEins、LWUEint隨施氮量的增加先增大后減少，均在施氮量135 kg/hm2下取得最大值，可見控制灌溉通過較少的水量投入就可獲得較優(yōu)的葉片水分利用效率，這與徐俊增等[17]的研究結(jié)果一致。本試驗結(jié)果證明，通過適量施氮從而使葉片水分利用效率達(dá)到最優(yōu)。

表4 不同水氮管理下抽穗開花期水稻葉片Δ13C與LWUEins、LWUEint之間的相關(guān)性與線性回歸方程Tab.4 Parameters of liner regression between Δ13C andLWUEins and LWUEint in leaf of rice at heading stageunder different water and nitrogen managements

注：*表示變量之間在p<0.05水平差異顯著，下同。

表5 不同灌溉方式下水稻葉片Δ13C與葉片氣體交換參數(shù)、水分利用效率及產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Tab.5 Correlation between Δ13C and gas exchange parameters, water use efficiency and yield

注：** 表示變量之間在p<0.01水平差異顯著。

圖4 水稻不同生育時期葉片Δ13C與WUE的相關(guān)性Fig.4 Correlation between Δ13C and WUE in different growth stages

陸地植物固定大氣CO2的過程中會發(fā)生碳同位素效應(yīng)，其中植物的光合作用是產(chǎn)生碳同位素動力學(xué)分餾的最主要過程，不同光合途徑(C3、C4、CAM)因其光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)和羧化的時空差異對13C有不同的判別和排斥，從而導(dǎo)致不同光合途徑的植物具有明顯不同的Δ13C，YASIR等[21]對中國49種基因型C3作物小麥品種研究發(fā)現(xiàn)，葉片Δ13C與Gs、Ci等氣體交換參數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)，不同水氮管理下水稻葉片Δ13C與Pn、Gs、Ci同樣均呈負(fù)相關(guān)，這與ZHANG等[22]對于不同施氮水平下冬小麥的研究結(jié)果一致。EHLERINGER[23]發(fā)現(xiàn)C3作物菜豆葉片Δ13C與LWUEint呈負(fù)相關(guān)，同時還可對LWUEins起指示作用，本研究也表明，水稻作為C3作物在不同水氮管理下葉片Δ13C與LWUEint、LWUEins均呈負(fù)相關(guān)，這與CUI等[24]對梨棗樹、ZHAO等[25]對旱稻的研究結(jié)果一致，本研究還發(fā)現(xiàn)，不同水氮管理下水稻葉片Δ13C與LWUEint的相關(guān)性明顯優(yōu)于其與LWUEins的相關(guān)性，這是由于LWUEint能夠更直接地反映葉片氣孔的開閉程度，影響大氣CO2經(jīng)氣孔向葉內(nèi)擴(kuò)散的過程，進(jìn)而反映在葉片Δ13C的變化上。并且在控制灌溉下能更好地體現(xiàn)葉片Δ13C對LWUEint的指示性，這印證了在土壤水分較低條件下，很多作物的Δ13C可以作為葉片水分利用效率的可靠量化表征指標(biāo)，這與番茄[4]、硬質(zhì)小麥[26]的研究結(jié)果一致。WUE作為反映作物生產(chǎn)性能的重要指標(biāo)，已有對多種作物的研究均表明，利用作物不同部位的Δ13C可以有效地指示W(wǎng)UE[27-28]，本研究中發(fā)現(xiàn)水稻不同生育時期葉片Δ13C與WUE呈負(fù)相關(guān)，且抽穗開花期水稻葉片Δ13C對WUE的指示性更優(yōu)，可為估算不同水氮調(diào)控下水稻W(wǎng)UE提供參考。

植物組織Δ13C與產(chǎn)量(Y)的關(guān)系受到調(diào)控作物生理過程的環(huán)境因子的影響，可能呈現(xiàn)不同的相關(guān)關(guān)系，本研究中不同水氮管理下水稻葉片Δ13C與Y呈負(fù)相關(guān)，這與WEI等[12]的研究結(jié)果不完全一致。本試驗僅研究了不同水氮調(diào)控下水稻葉片Δ13C與LWUEint、LWUEins、WUE和Y的相關(guān)性，而作物在不同環(huán)境因素下葉片Δ13C對作物不同水平的水分利用效率的表征作用是否穩(wěn)定還存在爭議，尚需進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)論

(1)稻作控制灌溉模式水稻葉片Gs隨施氮量的增加呈先增大后減少趨勢。在施氮量為135 kg/hm2下水稻葉片Gs最大，較其余施氮水平處理水稻葉片Gs提高了1.6%～16.7%，適量施氮可以增強(qiáng)水分虧缺條件下水稻葉片的氣體交換能力，有利于外界CO2通過氣孔進(jìn)入葉片內(nèi)部，并擴(kuò)散到相應(yīng)的光合作用位點，從而提高了水稻葉片的Pn。淹水灌溉下不同施氮量水稻葉片具有較高的Gs，導(dǎo)致各生育期相同施氮量下水稻葉片Pn均高于控制灌溉，但同時具有較大的Tr，不利于葉片水分的高效利用。

(2)不同水氮管理下拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期水稻葉片LWUEins、LWUEint及WUE隨施氮量的增加呈拋物線變化，適量施氮可以提高水稻葉片LWUEins、LWUEint和WUE?？刂乒喔认虏煌诟魇┑剿救~片LWUEins、LWUEint和WUE均高于淹水灌溉，本試驗中稻作控制灌溉模式施氮量為135 kg/hm2時LWUEins、LWUEint和WUE值最大且產(chǎn)量最高，表明在控制灌溉下適量施氮可以起到節(jié)水高產(chǎn)的作用。

(3)控制灌溉下水稻葉片Δ13C隨施氮量的增加呈先減小后增加的趨勢，淹水灌溉下水稻葉片Δ13C隨施氮量的增加整體呈逐漸減少趨勢，不同生育期相同施氮量下控制灌溉水稻葉片Δ13C要明顯小于淹水灌溉下水稻葉片Δ13C，且不同水氮管理下水稻葉片Δ13C與葉片水平瞬時水分利用效率、葉片水平內(nèi)在水分利用效率分別呈負(fù)相關(guān)，拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期水稻葉片Δ13C與WUE具有較優(yōu)的負(fù)相關(guān)性。通過測定水稻不同生育時期葉片Δ13C能夠為預(yù)測東北寒地黑土區(qū)不同水氮管理下水稻不同水平水分利用效率和產(chǎn)量提供參考。

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