于 瀟，侯云寒，徐征和，龐桂斌，王天宇

(1.濟南大學水利與環(huán)境學院，濟南 250022；2.山東省高唐縣水務局，山東 聊城 252800)

開發(fā)利用微咸水資源，對于緩解淡水資源短缺、擴大農業(yè)水源、抗旱增產有著極其重要的作用[1]。黃河三角洲地區(qū)地表水資源量較少，地下水以咸水和微咸水為主，冬小麥屬于中度耐鹽作物，是黃河三角洲的主要農作物之一。選擇冬小麥作為研究對象，為該地區(qū)地下咸水資源的開發(fā)利用及灌溉農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

微咸水灌溉會給農田帶入大量的鹽分，但在1與2 g/L 鹽水脅迫下，使得土壤滲透勢提高，促進作物根系對土壤水分的吸收[2]；在葉片尺度，對植物的葉綠素含量、光響應擬合曲線、熒光動力學參數有一定的影響?，F已證明，葉綠素熒光動力學是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監(jiān)測手段。關于干旱脅迫對小麥葉綠素熒光參數的影響，前人已做了大量的研究[3-10]。干旱脅迫下，二年生金太陽杏的可變熒光Fv、最大熒光產量Fm、PSⅡ的最大光化學效率Fv/Fm、PSⅡ的潛在活性Fv/F0等參數下降，且參數間相關性隨土壤相對含水量的下降而逐漸減弱[11]；小麥旗葉的T1/2值減少,Fv/Fm和Fv/F0降低，脅迫程度越大其下降幅度越大[12]：隨著水分的降低，玉米和冬小麥幼苗的F0增大，而Fv、Fv/Fm、Fv/F0顯著降低[13,14]。說明干旱脅迫下植物的PSII原初光能轉換效率、潛在活性降低，進而影響光合電子傳遞的正常進行。本文通過桶栽試驗，開展對于冬小麥葉片葉綠素熒光動力學相關參數的測定，探究干旱以及鹽分脅迫條件下其生理響應變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于山東省濱州市沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)，地勢西南高東北低，灘涂以上海拔1.6～8.4 m(黃海高程)。北緯37°34′，東經117°45′。該區(qū)氣候屬溫帶季風氣候區(qū)，年平均日照時數為2 690.3 h，年平均氣溫12 ℃。降雨集中在6-8月，平均降水量為376.6 mm，試驗區(qū)包含管理室、咸水淡化裝置、儲水池、大田試驗區(qū)和桶栽試驗區(qū)。

1.2 試驗設計

桶栽試驗從五七引黃灌區(qū)田間取土、過篩，按照當地大田土壤特點進行分層裝土，使其土壤容重保持在1.4 g/cm3左右。試驗用桶為PVC桶，桶深0.4 m，口徑0.3 m，底部鉆孔并鋪設濾網防止土壤流失。桶栽試驗設置6個處理，每個處理重復6次，隨機排列。微咸水礦化度灌前用電導率儀進行即時標定，桶栽試驗區(qū)情況見圖1。

圖1 桶栽試驗區(qū)

各時期灌溉方案見表1。當地淺層地下水礦化度為5～10 g/L，實驗中的淡水為淺層地下水水經過咸水淡化裝置淡化而成，礦化度大約在0.2～0.3 g/L；微咸水是由淺層地下咸水與黃河淡水混合而成。灌溉時間為2017-03-15(返青期)，2017-04-23(拔節(jié)期)和2017-05-12(灌漿期)。

表1 桶栽冬小麥微咸水灌溉試驗方案 mm

1.3 觀測內容及方法

葉綠素含量：采用SPAD-502葉綠素儀測定小麥葉片葉綠素含量SPAD。抽穗前測定心葉下一葉功能葉片，抽穗后測定旗葉。

光合特性：采用LCpro+全自動便攜式光合測定系統(tǒng)，測量小麥葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔阻力、葉面溫度、空氣溫度、相對濕度等生理及其冠層微環(huán)境指標。冬小麥返青后各生育期，選擇晴好天氣，8∶00-18∶00每隔2 h測定1次。

熒光參數：與光合生理指標同日測量，采用便攜式熒光測定系統(tǒng)Handy PEA測量小麥葉片熒光動力學參數，包括初始熒光F0、最大熒光Fm、PSⅡ的最大光化學效率Fv/Fm。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel進行整理并繪制作圖，對于同一指標不同處理間的數據關系，通過SPSS19.0進行數據相關性和顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 微咸水灌溉對葉綠素含量的影響

葉綠體是作物光合作用的主要場所，主要依靠葉綠體內含有的類囊體膜進行光能轉換、吸收和利用。類囊體膜上的主要成分是葉綠素，葉綠素的含量對作物的光合能力有直接影響。在脅迫條件下，葉綠素的含量會有所降低，影響色素蛋白復合體的功能，進而降低對有效光輻射的利用效率[15]。

圖2為各組分葉綠素含量(SPAD)值隨灌后時間的變化。拔節(jié)灌溉前，各處理葉綠素含量基本一致；灌后，冬小麥葉片的葉綠素含量呈現出不同的上升趨勢，淡水灌溉的C1和C2葉綠素含量上升速度最快，C3和C4葉綠素上升速度低于C1和C2，C5和C6處理的葉綠素上升速度最慢。至灌漿前期，葉綠素含量達到最大值，其中C5的SPAD值最低，比最高值C2低了6%，其他處理的差異并不明顯。灌漿期，冬小麥的葉片開始進入衰老期，葉綠素含量逐漸下降，但水鹽脅迫會加速這一過程。C5和C6處理的葉綠素含量下降速度最快，鹽分和水分的脅迫抑制了葉綠素的形成，并加速葉綠素的分解，降低葉綠素的含量。C1至C4處理的影響較小，下降速度C3>C1>C2>C4，在灌漿期進行微咸水灌溉，一定程度上可以起到促進葉綠素生成的作用。

圖2 各處理SPAD值變化情況

2.2 微咸水灌溉對冬小麥光響應的影響

采用葉子飄等人提出的新模型對冬小麥進行光響應曲線擬合。拔節(jié)期和灌漿期灌溉后，各處理的擬合結果如表2和表3所示。

表2 拔節(jié)期擬合結果

由表2所示，拔節(jié)期灌溉后，微咸水灌溉處理的光飽和點均出現了不同程度的下降，與C1和C2相比，C3和C4的表觀量子效率和最大光合速率分別降低28.0%和26.4%，光飽和點平均降低32.8%，采用5 g/L微咸水灌溉的C5和C6光飽和點最低。之后C3，C4的表觀量子效率和最大最大光合速率升高29.8%和19.0%，光飽和點平均降低26.9%，說明3 g/L的微咸水對冬小麥的光合作用起到了一定的促進作用。C5和C6處理除光飽和點外，光響應曲線各參數均處于最低水平，鹽分脅迫嚴重抑制了冬小麥葉片的光合作用。

由圖3所示的擬合結果分析，C5和C6的光響應曲線在較低的光照條件下便達到了峰值，之后光照升高，葉片的光合作用反而下降，說明葉片受損，從而降低了對高光照的利用，提高了對低光照強度的光合作用效率。5 g/L微咸水灌溉會破壞葉片的功能與結構，對光合能力的抑制作用十分明顯，在灌溉初期對作物的脅迫作用十分嚴重。

圖3 C5和C6擬合效果圖

由表3所示，灌漿期灌溉后，C1處理各參數有明顯的提升，C3與C1相比，表觀量子效率升高20.2%，最大光合速率升高18.0%，光飽和點升高48.9%，光補償點降低44.3%，暗呼吸速率降低29.5%，表明3 g/L的微咸水灌溉對作物的呼吸作用有一定抑制作用，也降低了葉片的能量消耗，有助于冬小麥灌漿期的物質積累，鹽分脅迫提高了作物對有效光輻射的利用。C5與C1相比，表觀量子效率升高4.7%，說明鹽分脅迫會提高作物在低光度照射下的有效輻射利用效率。但其他光響應參數均有下降，冬小麥的光合利用效率和呼吸作用均受到了抑制。灌后五天，隨著鹽分進一步向冬小麥根區(qū)運移，微咸水對冬小麥光響應參數的影響也逐漸發(fā)生變化。C3與C1相比，表觀量子效率升高40.6%，最大光合速率升高27.7%，光補償點降低29.5%，暗呼吸效率降低3.6%，微咸水灌溉所帶來的呼吸作用抑制效果也有所降低，3 g/L的微咸水使得葉片對光的利用效率進一步增強。C5與C1相比，表觀量子效率降低69.3%，最大光合速率降低90.9%，葉片受損情況進一步加劇，雖然5 g/L的微咸水灌溉同樣補充了土壤水分，但鹽分的過度累積使作物出現生理缺水狀況，同時作物的光補償點和暗呼吸速率也進一步加大，這對于灌漿期的物質積累十分不利。對比C1與C2，C3與C4，C5與C6，缺水試驗組各值均低于提供灌溉實驗組，水分脅迫進一步增強；C3光響應參數大于C4，在此階段灌溉微咸水可以起到一定的促進作用。而C6處理由于鹽分的累積以及干旱的進一步脅迫，其下降程度要低于C5，因此5 g/L的微咸水帶來的鹽分脅迫大于干旱脅迫。

2.3 微咸水灌溉對熒光動力學參數的影響

2.3.1F0的變化規(guī)律

F0為初始熒光，當F0升高時，表明PSII中心受到了傷害，當傷害過高或持續(xù)時間過久，還會造成PSII中心的不可逆失活。拔節(jié)期灌溉前，各處理F0水平基本相同。經過不同礦化度水的灌溉后，兩個組的變化趨勢基本相同。拔節(jié)期灌溉后，除C5、C6，其余各處理均有不同程度的下降。灌溉后由于水分脅迫，C1～C4的F0值開始上升直至灌漿期。C3、C4由于使用3 g/L的微咸水，灌漿期灌溉后又有上升的趨勢，但隨著根區(qū)鹽分的向下運移，F0減小。因此3 g/L的微咸水可以補充水分，減少干旱脅迫對PSII的影響，C5、C6由于同時受到鹽分脅迫和干旱脅迫，F0呈現先升高后減小后升高的規(guī)律。表明鹽分脅迫對PSII中心的反應產生了一定的抑制作用，且其抑制作用要大于干旱脅迫作用(見圖4)。

圖4 F0變化規(guī)律

2.3.2Fm的變化規(guī)律

Fm是最大熒光產量，其值的高低代表PSII的電子傳遞情況，是反映作物的受脅迫情況的一個重要特征。由圖5可知，拔節(jié)期灌溉后，C1、C3、C5Fm均有不同程度的上升，而后隨著水分向根區(qū)下移，Fm下降；C2、C4、C6在灌溉后Fm開始下降，隨著鹽分和水分的下移，Fm一直處于下降的狀態(tài)，同時受到缺水和鹽分脅迫的C6下降程度最大。灌漿期灌溉后，由于微咸水灌溉緩解了干旱的脅迫，C3、C5的Fm值升高，至灌后5 d，C1、C3和C5的Fm逐漸下降，與灌前相比，C1升高了2.3%，基本保持不變，C3升高了14.3%，C5升高了3.6%，其中C3處理的上升幅度最大，一定的鹽分脅迫反而加速了PSII的傳遞速率。而C2、C4和C6處理在灌漿期缺少灌溉，水分脅迫的影響隨土壤水分的蒸發(fā)進一步升高，較灌前下降了17.6%～28.2%。

圖5 Fm變化規(guī)律

采用5 g/L的微咸水進行灌溉不會緩解作物受到的脅迫影響，甚至還會加重脅迫造成的抑制作用，而3 g/L的微咸水則不會對作物產生明顯抑制，甚至在灌溉初期可以一定程度上緩解作物的干旱脅迫。

2.3.3Fv/Fm的變化規(guī)律

Fv/Fm指PSII最大光化學效率，反映了PSII反應中心內原初光能轉化效率。非環(huán)境脅迫下葉片的熒光參數Fv/Fm變化極小，而遭受光抑制時葉片的這一參數變化明顯，是表示光抑制程度的良好指標和探針[15]。由圖6可知，灌后一天，C1和C2都有不同程度的上升，其余處理都呈下降趨勢；灌后5 d，6個處理Fv/Fm值全部下降；C5和C6受到影響最大，5 g/L微咸水灌溉所造成的鹽分脅迫明顯降低了PSII對光能的利用效率。第三次灌溉后，C1和C3增大，而C5則下降，3 g/L的微咸水可以滿足灌溉的需求，甚至會增大光合作用。C2、C4、C6缺少灌溉，因水分脅迫，光合效率都略有下降。

圖6 Fv/Fm變化規(guī)律

3 結 語

通過桶栽試驗，分析了冬小麥對微咸水灌溉的生理響應機制，從葉片尺度分析了鹽分脅迫作用對冬小麥的影響。得出以下結論：

(1)采用3 g/L的微咸水灌溉不會對葉片中的葉綠素含量產生較大影響，低鹽分脅迫下，葉片中的葉綠素功能仍能保持完好。當鹽分脅迫過高時，葉綠素的含量則會下降，細胞內過高的離子濃度會加速葉綠素的分解。

(2)通過光響應曲線的擬合，發(fā)現鹽分脅迫會改變冬小麥對不同光照強度的利用效率。3 g/L的微咸水進行灌溉會促進作物對低光照強度的利用效率，5 g/L的微咸水則會嚴重影響冬小麥的光合特性，減弱冬小麥對高光照強度的適應性，因而降低光合作用。

(3)鹽分脅迫會增加作物的初始熒光F0，使葉片的最大熒光Fm降低，還會降低內稟光能轉換效率。3 g/L的微咸水在一定程度上可以緩解作物的水分脅迫，并能增加作物的抗鹽能力。