枸杞苜蓿間作模式下調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿光合特性和生物量的影響

蘇鵬海，齊廣平，康燕霞，王金恒，張正蘋，李曉敏，蔡玲惠，趙 敏

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗(yàn)站，甘肅 景泰 730400)

0 引 言

水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的資源，直接影響作物的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率[1]等指標(biāo)。水分過多或不足均會(huì)改變植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、根系透氣性和降低植物細(xì)胞酶活性[2]，改變植物光合日變化進(jìn)程，降低植物光合速率，從而對(duì)植物生物量的積累造成影響[3,4]，尤其在西北干旱區(qū)是制約農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要因素。甘肅引黃灌區(qū)枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但枸杞單作模式下田間地表覆蓋度低，加之該地區(qū)以漫灌為主，大量棵間無效蒸發(fā)引起耕作層鹽分聚集，次生鹽堿化問題愈演愈烈，導(dǎo)致水土資源浪費(fèi)嚴(yán)重[5,6]，因此優(yōu)化枸杞種植模式，勢(shì)在必行。已有研究表明林草間作可提高水分利用率、創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤水分環(huán)境[7]，同時(shí)還具有蓄水保土、降低肥料投入[8]、減少田間雜草和病蟲侵害[9]、增加土壤微生物種類及其活性[10]、增產(chǎn)增收改善品質(zhì)[11]等優(yōu)勢(shì)。

林草間作系統(tǒng)中，由于樹冠的遮陰、種間競(jìng)爭(zhēng)等作用，使得林間光強(qiáng)、空氣濕度、土壤溫度和含水量等小氣候環(huán)境因子改變，必然對(duì)牧草的生長(zhǎng)造成影響。為促進(jìn)林草間作能夠長(zhǎng)期、高效地發(fā)展，探討林間小氣候?qū)δ敛萆L(zhǎng)的影響顯得十分重要。但長(zhǎng)期以來，研究者們均以高大林木下間作牧草為研究對(duì)象，主要集中在分析間作系統(tǒng)根系分布及生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)[12]、土壤水分環(huán)境及效益[13,14]。如巨桉樹可以減少林下牧草接收到的有效輻射，減少地表溫度極端分布，為牧草生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境[15]；黃土丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)模式使光能利用率達(dá)到0.62%～0.67%[16]，在矮小樹型灌木對(duì)牧草光合作用影響的研究較少。因此，本研究以枸杞和苜蓿為研究對(duì)象，明確枸杞-苜蓿間作模式下調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿光能利用能力的影響，揭示間作和調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿光能資源利用的影響機(jī)理，以期為西北干旱地區(qū)高效節(jié)水和水土地資源合理利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在甘肅省景泰川景電管理局灌溉試驗(yàn)站(37°23′N、104°08′E)進(jìn)行，試驗(yàn)地屬溫帶干旱型大陸氣候，年日照時(shí)數(shù)2 652 h，年平均輻射量6.18×105J/cm2，年平均氣溫8.5 ℃，無霜期191 d，多年平均降水量185 mm、蒸發(fā)量3 028 mm。土壤類型為壤土，干容重1.61 g/cm3，田間持水量為24.1%(質(zhì)量含水量)，速效氮74.51 mg/kg，速效磷26.31 mg/kg，有機(jī)質(zhì)1.32 g/kg，pH值8.11。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素設(shè)計(jì)：苜蓿種植模式設(shè)幼齡期枸杞間作苜蓿和單作苜蓿兩種；水分調(diào)虧(對(duì)土壤含水量設(shè)定下限范圍，以田間持水量的百分比計(jì)，灌水上限為田間持水量)設(shè)：充分灌溉(75%～85%)、輕度調(diào)虧(65%～75%)、中度調(diào)虧(55%～65%)、重度調(diào)虧(45%～55%)四個(gè)處理。共8個(gè)處理組合，每個(gè)處理組合設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

為確保種植苜蓿成活率，保證試驗(yàn)初始條件一致，苜蓿第一茬的生長(zhǎng)時(shí)間段中，所有處理充分灌溉，第二茬開始進(jìn)行水分調(diào)虧。土壤水分測(cè)定范圍為0～100 cm，當(dāng)各處理測(cè)定范圍內(nèi)土壤質(zhì)量含水量平均值處于設(shè)定下限范圍時(shí)開始灌水，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為60 cm。灌水方式為小畦灌溉，各小區(qū)鋪設(shè)灌水管道，安裝閥門水表(精度0.000 1 m3)控制灌水。各小區(qū)面積為45 m2(7.5 m×6.0 m)，相鄰小區(qū)間布設(shè)防水膜，埋深120 cm。枸杞(2017年4月，寧杞1號(hào)，兩年苗木)南北行向栽植，株距150 cm，行距300 cm，苜蓿(2017年4月，紫花苜蓿，甘農(nóng)3號(hào))距枸杞樹干30 cm南北行條播，行距30 cm。其他管理措施與當(dāng)?shù)罔坭椒N植保持一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)苜蓿光合測(cè)定。在第二茬苜蓿初花期，選擇晴朗無云的天氣，采用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定苜蓿葉片光合作用，連續(xù)測(cè)定3 d，測(cè)定時(shí)間為9∶00-11∶30。設(shè)定溫度為25 ℃，CO2濃度為380 μmol/mol，光合有效輻射PAR為：0、20、50、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 μmol/(m2·s)，分別測(cè)定主莖上從頂部向下第4片完全展開葉的光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度Ci等指標(biāo)；繪制光合作用的光響應(yīng)曲線(Pn-PAR曲線)，對(duì)弱光[PAR<400 μmol/(m2·s)]部分運(yùn)用一元非線性回歸模型擬合，分析計(jì)算表觀量子效率AQY、最大光合速率Pnmax、光飽和點(diǎn)LSP、光補(bǔ)償點(diǎn)LCP和暗呼吸速率Rd。

(2)苜蓿莖、葉含水量與莖葉比。在第二茬苜蓿初花期，每個(gè)小區(qū)選取10株苜蓿，立即進(jìn)行莖葉分離后用電子天平(0.01 g)稱重，莖葉分裝后帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃的殺青15 min，65 ℃烘干至恒重，冷卻后取出稱重，計(jì)算莖、葉含水量與莖葉比。

(3)苜蓿地上生物量測(cè)定。在第二茬苜蓿初花期，每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的樣方(1 m×1 m)，留茬高度5 cm刈割，帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃烘箱中殺青15 min，65 ℃下烘干至恒重，冷卻后取出用電子天平(0.01 g)稱重，得到單位面積生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖；使用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA，P<0.05)分析，并用最小顯著法(Duncan's)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

表2為間作和調(diào)虧灌溉下苜蓿光合作用的光響應(yīng)特征參數(shù)。由表2分析可知，同一種植模式下，隨著調(diào)虧程度的降低，苜蓿葉片的表觀量子效率AQY、最大光合速率Pnmax和光飽和點(diǎn)LSP呈下降趨勢(shì)，而光補(bǔ)償點(diǎn)LCP和暗呼吸速率Rd呈上升趨勢(shì)。表觀量子速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1下降7.31%、17.07%、29.26%、7.32%、14.63%和36.58%，差異顯著；最大光合速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1降低14.24%、29.75%、51.60%、14.42%、33.05%和24.19%，差異顯著；光補(bǔ)償點(diǎn)在J2、J3、J4、 D2、D3和D4處理下分別比D1增加27.85%、56.16%、80.00%、31.45%、57.91%和82.52%差異顯著；暗呼吸速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1增加12.55%、20.78%、32.46%，差異顯著。相同水分處理時(shí)，不同種植模式間苜蓿的以上指標(biāo)均沒有顯著性差異。

表2 不同處理下苜蓿光合作用—光響應(yīng)特征參數(shù)(±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.2 Light response characteristic parameters of alfalfa under different treatments (mean±SD)

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿葉片光合速率的影響

圖1是間作和調(diào)虧灌溉下苜蓿葉片光合速率Pn的光響應(yīng)過程。從圖1分析可知，各處理Pn總體隨光照強(qiáng)度的增加而增加，達(dá)到飽和后開始降低。光照強(qiáng)度在不同范圍，各處理的光合速率變化不同，低于200 μmol/(m2·s)范圍時(shí)，Pn隨光強(qiáng)的增加而增加，差異不明顯；在200～800 μmol/(m2·s)范圍時(shí)，Pn隨光強(qiáng)的增加明顯，不同水分調(diào)虧之間的差異開始增大；大于800 μmol/(m2·s)時(shí)，隨光照強(qiáng)度增加，Pn增加速率減緩，達(dá)到光飽和點(diǎn)后開始降低。D1處理下Pn最高，和J1處理間差異不明顯，其他處理明顯降低。同一種植模式下，不同水分處理的苜蓿Pn差異明顯，隨調(diào)虧程度的降低而降低；相同水分處理時(shí)，不同種植模式間苜蓿Pn差異不明顯，表明水分對(duì)苜蓿Pn的影響大于間作枸杞產(chǎn)生的影響。

圖1 苜蓿葉片光合速率對(duì)不同光照強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.1 Response of photosynthetic rate of alfalfa to different light intensities

2.3 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿葉片蒸騰速率的影響

圖2是苜蓿葉片蒸騰速率Tr在間作和調(diào)虧灌溉下的光響應(yīng)過程。由圖2分析可知，Tr變化趨勢(shì)與Pn變化趨勢(shì)相同，隨光照強(qiáng)度的增加而上升，到達(dá)飽和點(diǎn)后開始下降。Tr隨光照強(qiáng)度的變化率大致可劃分為3個(gè)區(qū)段，小于600 μmol/(m2·s)時(shí)，Tr隨光照強(qiáng)度增加而快速增長(zhǎng)，在600～1 000 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，Tr隨光照強(qiáng)度增加而緩慢增長(zhǎng)，1 000～1 200 μmol/(m2·s)范圍為Tr達(dá)到峰值開始降低階段。同一種植模式下，不同水分處理的Tr差異明顯，隨調(diào)虧程度的降低而增大；相同水分處理時(shí)，不同種植模式間的苜蓿Tr差異不明顯，表明土壤水分的高低直接影響苜蓿蒸騰速率的高低。

圖2 苜蓿葉片蒸騰速率對(duì)不同光照強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.2 Response of transpiration rate of alfalfa to different light intensities

2.4 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿葉片氣孔導(dǎo)度的影響

圖3是間作和調(diào)虧灌溉下苜蓿葉片氣孔導(dǎo)度Gs的光響應(yīng)過程。由圖3分析可知，Gs的變化趨勢(shì)與Tr、Pn變化趨勢(shì)相同，隨光照強(qiáng)度增加，各處理Gs大體均呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)。苜蓿葉片Gs在同一種植模式下，整體隨調(diào)虧程度的降低而增加，峰值增大，峰值出現(xiàn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度增加。相同水分處理時(shí)，不同種植模式間苜蓿葉片Gs差異不明顯。綜合分析可知，水分調(diào)虧使氣孔開度減小，降低了蒸騰失水作用，隨氣孔開度減小，苜蓿葉片細(xì)胞氣體交換受阻，CO2供應(yīng)不足，影響光合進(jìn)行。

圖3 苜蓿葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)不同光照強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.3 Response of stomatal conductance of alfalfa to different light intensities

2.5 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿葉片胞間CO2濃度的影響

圖4是苜蓿葉片胞間CO2Ci濃度在間作和調(diào)虧灌溉下的光響應(yīng)過程。由圖4分析可知，當(dāng)光照強(qiáng)度小于200 μmol/(m2·s)時(shí)，Ci隨著光照強(qiáng)度增加而急速降低，表明此階段葉片氣孔開度小，光合作用對(duì)細(xì)胞間的CO2消耗劇烈。當(dāng)光照強(qiáng)度大于200 μmol/(m2·s)時(shí)，氣孔開度較大，葉片細(xì)胞與大氣氣體交換增加，Ci開始趨于穩(wěn)定。相同種植模式時(shí)，苜蓿在充分、輕度和中度調(diào)虧下，隨調(diào)虧程度的降低，胞間CO2濃度呈降低趨勢(shì)，這是由于較高的水分脅迫使葉片氣孔導(dǎo)度處于較低水平，細(xì)胞間CO2補(bǔ)充減少；重度調(diào)虧的胞間CO2濃度高于中度調(diào)虧，是由于重度水分脅迫下苜蓿葉片光合作用對(duì)細(xì)胞間CO2消耗減少。

圖4 苜蓿葉片胞間CO2濃度對(duì)不同光照強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.4 Response of intercellular CO2 concentration of alfalfa to different light intensities

2.6 間作與調(diào)虧灌溉對(duì)苜蓿地上生物量的影響

光合作用是植物生長(zhǎng)的根本驅(qū)動(dòng)力，是物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。同一種植模式下，不同調(diào)虧灌溉處理的苜蓿葉片含水率、莖含水率、莖葉比、地上生物量差異顯著(表3)。苜蓿葉片、莖含水率、莖葉比和地上生物量均表現(xiàn)為隨調(diào)虧程度的降低而降低，與D1處理相比J2、J3、J4、D2、D3和D4苜蓿葉片含水率降低1.05%、2.01%、3.94%、1.42%、2.49%和4.84%，莖含水率降低3.05%、4.53%、9.85%、2.94%、4.60%和10.03%，葉片含水量降幅大于莖，說明葉片對(duì)水分調(diào)虧更敏感；莖葉比表現(xiàn)為J2、J3、J4、D2、D3和D4處理比D1降低2.87%、12.95%、25.17%、2.15%、15.11%和21.58%；地上生物量表現(xiàn)為J2、J3、J4、D2、D3和D4處理比D1降低6.73%、11.51%、22.49%、6.93%、11.01%和22.68%。相同水分處理時(shí)，不同種植模式之間苜蓿各項(xiàng)指標(biāo)差異均不顯著。即在重度調(diào)虧下苜蓿莖葉比最小，地上生物量降低幅度最大，表明水分調(diào)虧抑制莖葉含水量，進(jìn)而嚴(yán)重影響苜蓿的生長(zhǎng)，抑制了苜蓿的干物質(zhì)積累，從而使其地上生物量降低。

表3 不同處理下苜蓿地上生物量(±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.3 Aboveground biomass of alfalfa under different treatments (mean±SD)

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

水分和光照是影響植物光響應(yīng)特征參數(shù)的主要環(huán)境因子。植物表觀量子效率AQY反應(yīng)光合作用中植物對(duì)弱光的利用和轉(zhuǎn)化能力，光合作用受到抑制的一個(gè)表現(xiàn)是AQY降低，最大光合速率Pnmax和光飽和點(diǎn)LSP反應(yīng)植物的光合潛力，其值越大說明光合作用潛力越大[17]。本研究中，苜蓿葉片AQY、Pnmax和LSP與調(diào)虧程度有明顯的相關(guān)關(guān)系，在兩種種植模式下均隨調(diào)虧程度的加劇而降低，說明土壤水分調(diào)虧導(dǎo)致了苜蓿葉片的AQY、Pnmax和LSP的降低，隨虧程度的加劇，苜蓿葉片對(duì)弱光的吸收、轉(zhuǎn)換、利用能力和光合作用潛力下降，即灌水下限在田間持水量的75%～85%范圍，苜蓿對(duì)弱光利用及光合作用達(dá)到最大，這與土壤水分對(duì)黃刺玫葉片的影響一致[18]。焦念元[19]研究發(fā)現(xiàn)，間作玉米的遮陰作用使花生的AQY提高，Pnmax和LSP降低，而本研究中間作枸杞對(duì)苜蓿的以上三個(gè)指標(biāo)影響不顯著，可能原因是幼齡期枸杞冠幅和高度小，遮陰效果沒有達(dá)到顯著水平。暗呼吸速率(Rd)直接影響光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度大小，Rd增強(qiáng)LCP后移，且在一定程度上，植物Rd的降低有利于植物光合產(chǎn)物的積累[20]。本研究中兩種種植模式下，苜蓿葉片Rd隨調(diào)虧程度的加劇而降低，差異顯著，水分處理一致時(shí)，間作枸杞對(duì)苜蓿葉片Rd影響不顯著，說明主要是由于水分調(diào)虧導(dǎo)致了苜蓿葉片Rd降低，間作枸杞對(duì)苜蓿葉片Rd影響不顯著。云文麗[21]對(duì)向日葵的研究中發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會(huì)顯著影響向日葵的光響應(yīng)特征參數(shù)，降低向日葵的光能利用范圍；蔡智才[22]對(duì)蘋果樹下花生研究發(fā)現(xiàn)，達(dá)到一定的遮陰程度時(shí)，花生的光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)開始降低，且隨遮陰程度的增加影響加劇。綜上表明，水分是影響苜蓿光響應(yīng)特征參數(shù)的主要環(huán)境因子，而幼齡期枸杞冠幅和高度小，對(duì)苜蓿光響應(yīng)特征參數(shù)產(chǎn)生影響不顯著。

植物對(duì)水分脅迫有一定的適應(yīng)性，通常水分脅迫對(duì)植物光合作用的影響主要分為兩個(gè)階段，當(dāng)植物光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Ci同升同降時(shí)，此階段植物光合速率降低的主要原因是氣孔因素，另一階段主要?dú)w因于葉肉細(xì)胞光合活性的降低，即非氣孔因素限制為主[23,24]。在本研究的兩種種植模式下，充分、輕度和中度調(diào)虧下苜蓿Gs隨調(diào)虧程度的減弱而增加，峰值出現(xiàn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度增加，光合作用增強(qiáng)，光能利用率增加，苜蓿葉片的Ci隨調(diào)虧程度的加劇而降低，重度調(diào)虧下苜蓿葉片的Ci高于中度調(diào)虧。表明灌水下限在田間持水量的55%以上，影響苜蓿光合作用的主要影響因素為氣孔限制，重度水分調(diào)虧對(duì)苜蓿葉片的光合活性產(chǎn)生影響，主要是導(dǎo)致苜蓿葉片的光合酶活性降低，這與趙琴[25]對(duì)枸杞的研究結(jié)論一致。高峻[26]對(duì)杏樹下紫花苜蓿的研究發(fā)下，由于杏樹遮陰，苜蓿接受到的光照強(qiáng)度減少28.0%～67.2%，光合速率隨遮陰強(qiáng)度增加而降低。本研究中，水分處理相同時(shí)，間作枸杞對(duì)苜蓿的光響應(yīng)沒有產(chǎn)生明顯影響，表明間作枸杞對(duì)苜蓿的光合作用影響不明顯，水分調(diào)虧是造成苜蓿光合速率下降的主要原因。光合作用是物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，水分脅迫會(huì)降低植物對(duì)光能的利用范圍，進(jìn)而影響植物的生物量積累[27]。本研究發(fā)現(xiàn)相同種植模式下，隨著水分調(diào)虧加劇，苜蓿的莖、葉含水量減少，苜蓿的干物質(zhì)積累減少，產(chǎn)量降低，與對(duì)水分對(duì)苜蓿光合作用的影響一致。在充分灌溉下苜蓿的光合能力最高，生物量積累最大。趙金梅[28]對(duì)紫花苜蓿生產(chǎn)性能研究發(fā)現(xiàn)，隨灌水量的增加苜蓿生產(chǎn)能力增強(qiáng)；Tosti[29]研究表明，在干旱半干旱地區(qū)對(duì)苜蓿進(jìn)行充分灌水可以提高干草產(chǎn)量，且苜蓿干草產(chǎn)量與耗水量及灌水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。綜上表明，水分調(diào)虧造成了苜蓿光合作用下降，產(chǎn)量降低，而間作幼齡期枸杞的影響不明顯。

4 結(jié) 論

枸杞和苜蓿間作具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)，間作幼齡期枸杞對(duì)苜蓿光響應(yīng)特征參數(shù)、光響應(yīng)過程和地上生物量影響均不顯著。兩種種植模式下，苜蓿光合潛力、光合速率和地上生物量隨調(diào)虧程度加劇而降低。苜蓿生長(zhǎng)影響以水分為主，灌水下限在75%～85%范圍時(shí)，苜蓿的光合作用最強(qiáng)，產(chǎn)量最高。幼齡枸杞園內(nèi)種植苜蓿為畜牧業(yè)提供優(yōu)質(zhì)牧草，實(shí)現(xiàn)光能的高效利用，減少地表無效蒸發(fā)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值，有利于促進(jìn)甘肅引黃灌區(qū)林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)的發(fā)展。

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