張玉豪，姚素梅，孟 麗，鄧 哲

（河南科技學(xué)院 生命科技學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

【研究意義】紅豆杉（Taxus chinensisRehd）是紅豆杉屬植物的通稱，為我國一級(jí)保護(hù)植物，具有珍貴的藥用價(jià)值[1]，其主要藥用成分紫杉醇能夠抑制腫瘤細(xì)胞的繁殖和遷移，對(duì)多種晚期癌癥都有顯著的療效[2-4]。近些年，紫杉醇的需求量不斷增大，野生紅豆杉遭到人類的大肆采伐，由于野生紅豆杉生長(zhǎng)緩慢、自然條件下的種群競(jìng)爭(zhēng)力和再生能力弱，野生紅豆杉資源已呈瀕危狀態(tài)[5]。因此，加大紅豆杉人工馴化栽培技術(shù)研究，對(duì)保護(hù)和恢復(fù)紅豆杉種質(zhì)資源具有重要的意義?！厩腥朦c(diǎn)】滴灌是節(jié)水灌溉方式的一種，具有精確控制土壤水分和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理等優(yōu)點(diǎn)[6]，能夠根據(jù)作物的需水規(guī)律進(jìn)行適時(shí)適量地灌溉，近些年在我國得到了迅速發(fā)展。紅豆杉是喜水喜陰植物，利用滴灌技術(shù)探知紅豆杉幼苗的需水規(guī)律對(duì)紅豆杉的人工馴化栽培具有十分重要的意義?！狙芯窟M(jìn)展】研究發(fā)現(xiàn)，滴灌除了可以有效節(jié)水之外，還能夠提高作物的生理活性[7]，增強(qiáng)葉片的光合能力[8-9]，改善作物株型[10]，提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[11-12]。但前人對(duì)滴灌技術(shù)的研究多偏重于溫室作物和常見樹種，而對(duì)藥用植物紅豆杉的報(bào)道甚少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以太行紅豆杉幼苗為材料，在自然條件下，研究不同土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)滴灌紅豆杉幼苗葉綠素?zé)晒馓匦院椭仓晟L(zhǎng)的影響，為紅豆杉的人工馴化栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概括

試驗(yàn)于2019 年3—8 月在河南省新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院藥用植物栽培場(chǎng)（35°18′N，113°54′E）進(jìn)行，該地屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量600 mm 左右，多年平均氣溫14.4 ℃。栽培場(chǎng)采用遮陽網(wǎng)遮陰以模擬適合紅豆杉生長(zhǎng)的自然環(huán)境，遮陽網(wǎng)為加密6 針型，遮陽棚用鋼架制造，高約2.5 m。紅豆杉幼苗盆栽所用基質(zhì)的成分是稻殼、土、雞糞質(zhì)量比為3∶3∶1，盆栽所用盆的直徑和高度均為30 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以60 盆生長(zhǎng)一致的太行紅豆杉幼苗盆栽為材料，每12 盆1 個(gè)處理，共5 個(gè)處理，每個(gè)處理挑選1 盆具有代表性的紅豆杉幼苗，于滴灌滴頭正下方20 cm 處埋入DLS 系列負(fù)壓計(jì)。將5 個(gè)處理的土壤基質(zhì)勢(shì)下限分別控制在-10、-20、-30、-40、-50 kPa，每天08:00 和17:00 記錄負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，當(dāng)負(fù)壓計(jì)讀數(shù)低于該處理的土壤基質(zhì)勢(shì)下限時(shí)，利用滴灌系統(tǒng)對(duì)紅豆杉幼苗盆栽進(jìn)行灌溉，每次每盆灌溉量為5 mm，約為353 mL，用k24 小型流量計(jì)檢測(cè)灌水量。試驗(yàn)前后稱量各盆栽的質(zhì)量，利用公式ET=ΔW/S+I+P計(jì)算各處理試驗(yàn)期間耗水量[13]（式中：ET為耗水量（mm）；ΔW為試驗(yàn)前后2 次盆栽質(zhì)量差（kg）；S為盆栽上表面積（m2）；I為試驗(yàn)期間灌水量（mm）；P為試驗(yàn)期間降雨量（mm））。從3 月開始后，每月監(jiān)測(cè)紅豆杉幼苗葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和紅豆杉幼苗的株高、冠幅、葉面積指數(shù)和地徑等生長(zhǎng)指標(biāo)，取具有代表性月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 紅豆杉幼苗葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘臏y(cè)量

采用德國WALZ 公司生產(chǎn)的PAM-2500 型便攜式葉綠素?zé)晒鈨x于晴朗天氣的09:00—11:00 測(cè)量紅豆杉幼苗葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)量時(shí)，選擇各處理相同冠層處的葉片進(jìn)行活體測(cè)量。測(cè)量前先將暗適應(yīng)葉夾在葉片上，讓葉片進(jìn)行20 min 以上的暗適應(yīng)，然后測(cè)量葉片的慢速動(dòng)力學(xué)曲線，得到F0、Fm、qP、NPQ、ETR和Y（Ⅱ）等熒光參數(shù)，并根據(jù)所測(cè)定的熒光參數(shù)計(jì)算最大光合量子產(chǎn)量Fv/Fm（Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm）和 PS Ⅱ潛在活性Fv/F0（Fv/F0=(Fm-F0)/F0）。取4 月15 日所測(cè)數(shù)據(jù)作為春季代表月份、6 月15 日所測(cè)數(shù)據(jù)作為夏季代表月份進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。4 月15 日-10～-50 kPa 5 個(gè)下限處理的土壤基質(zhì)勢(shì)分別是-9.0、-19.5、-33.0、-38、-50 kPa，6月15日5個(gè)處理的土壤基質(zhì)勢(shì)分別是-18、-26、-41、-54、-60.5 kPa。

1.3.2 紅豆杉幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)量

試驗(yàn)開始后，每月測(cè)量太行紅豆杉幼苗的株高，地莖，冠幅和葉面積指數(shù)LAI值。紅豆杉幼苗的株高為從盆栽盆沿處到植株頂端的距離。地徑的測(cè)量統(tǒng)一取與盆栽盆沿等高處的株干直徑，測(cè)量時(shí)用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量莖干南北和東西方向的直徑，取其平均值記為地徑。冠幅測(cè)量時(shí)取植株南北與東西寬度的平均值。采用LAI-2200 型冠層分析儀于測(cè)量日的日出前或日落后光線比較均勻時(shí)測(cè)量各處理的葉面積指數(shù)LAI值。測(cè)量時(shí)要防止除測(cè)量樣品之外的其他物品入鏡，以降低測(cè)量誤差。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SAS 統(tǒng)計(jì)軟件中的ANOVA 過程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。利用Microsoft Excel 2013 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量、灌水量和耗水量情況

圖1為2019年3—8月的降雨情況。由圖1可知，從3 月中旬—5 月中旬的降雨量較少，進(jìn)入夏季后降雨量增大且降雨頻繁。試驗(yàn)期間總降雨量為287.7 mm，-10～-50 kPa 5 個(gè)下限處理的總灌水量分別是735、565、460、330、290 mm，總耗水量分別是674.5、580.9、509.9、447.8、424.8 mm，紅豆杉幼苗的土壤基質(zhì)勢(shì)值越高，耗水量越大。

2.2 土壤基質(zhì)勢(shì)隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖2 為-10～-50 kPa 5 個(gè)處理20 cm 深處的土壤基質(zhì)勢(shì)變化過程。從圖2 可以看出，試驗(yàn)開始后除了幾次強(qiáng)降雨使各處理的土壤基質(zhì)勢(shì)突然增大到一致外，其他時(shí)間段的土壤基質(zhì)勢(shì)基本都在試驗(yàn)控制范圍之內(nèi)，且呈鋸齒狀變化。其中-10 kPa 和-20 kPa 2 個(gè)處理的土壤基質(zhì)勢(shì)變化比較平緩，-30～-50 kPa 3 個(gè)處理的土壤基質(zhì)勢(shì)變化幅度較大。

圖1 2019 年3—8 月降雨情況 Fig.1 Rainfall from March to August 2019

圖2 不同土壤基質(zhì)勢(shì)處理20 cm 深處土壤基質(zhì)勢(shì)變化 Fig.2 The changes of soil matric potential in 20 cm for different treatment

2.3 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0

F0表示最小熒光產(chǎn)量，是光合系統(tǒng)PSⅡ反應(yīng)中心完全開放時(shí)的熒光水平，F(xiàn)m為PSⅡ反應(yīng)中心完全關(guān)閉時(shí)的最大熒光產(chǎn)量，F(xiàn)v/F0表示PSⅡ潛在活性，F(xiàn)v/Fm表示PSⅡ最大光合量子產(chǎn)量，F(xiàn)v/Fm數(shù)值高意味著PSⅡ反應(yīng)中心原初光能的轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，對(duì)光能有較高的利用潛力[14]，當(dāng)植物遭受脅迫時(shí)，F(xiàn)v/Fm數(shù)值會(huì)降低[15]。由表1 可知，在春季時(shí)，紅豆杉幼苗葉片的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的降低呈下降趨勢(shì)，其中，-10 kPa 的F0數(shù)值最大且與其他各組差異顯著，-40 kPa 和-50 kPa 的Fm、Fv/Fm和Fv/F0數(shù)值最小，與其他3 組差異顯著。進(jìn)入夏季之后，各處理的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0數(shù)值相近，差異均不顯著。表明春季-40 kPa 和-50 kPa 處理的紅豆杉幼苗出現(xiàn)了水分脅迫，葉片PSⅡ潛在活性下降，光能轉(zhuǎn)化能力降低。而進(jìn)入夏季后，降雨變得頻繁，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗得到了一定的補(bǔ)償效應(yīng)，緩解了-40 kPa 和-50 kPa 處理組所遭受的水分脅迫，使各處理的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0之間的差異縮小。

表1 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0 Table 1 Chlorophyll fluorescence parameters F0, Fm, Fv/Fm and Fv/F0 in leaves of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

2.4 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)qP 和NPQ

光化學(xué)淬滅系數(shù)qP可反映出PSⅡ用于光化學(xué)電子傳輸?shù)墓饽芩继烊簧匚盏墓饽艿谋壤?，能夠表現(xiàn)出PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度[16]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ反映了色素吸收的光能用于熱耗散的部分[17-18]，NPQ增大表明植物熱耗散的能力增大，從而避免了過剩光能對(duì)光合機(jī)構(gòu)的損傷，提高了葉片的自我保護(hù)能力[19]。由圖3—圖4 可知，春季時(shí)，5 個(gè)處理的紅豆杉幼苗葉片qP和NPQ呈上升趨勢(shì)，進(jìn)入夏季后，5 個(gè)處理的紅豆杉幼苗葉片qP呈下降趨勢(shì)，NPQ先升后降，表明春季時(shí)低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗對(duì)干旱脅迫有一定的抗性，通過熱耗散的形式對(duì)自身進(jìn)行保護(hù)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，進(jìn)入夏季后，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度降低，但植株仍具有一定的光保護(hù)能力。

2.5 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)ETR 和Y（Ⅱ）

電子傳遞速率ETR反映了實(shí)際光強(qiáng)下的表觀電子傳遞速率，是表示植物光合能力大小的有效參數(shù)[20]。實(shí)際光化學(xué)效率Y（Ⅱ）常用來表示植物光合作用電子傳遞的量子產(chǎn)額，能夠反映出植物葉片光合電子傳遞速率的快慢[21]。由圖5—圖6 可知，春季時(shí)，-10 kPa處理的紅豆杉幼苗葉片ETR和Y（Ⅱ）顯著低于其他處理，進(jìn)入夏季后，5 個(gè)處理的紅豆杉幼苗葉片ETR和Y（Ⅱ）呈下降趨勢(shì)。表明春季時(shí)低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗葉片電子傳遞速率能夠保持在較高水平。但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，進(jìn)入夏季后氣溫上升，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗的抗旱能力減弱，葉片的電子傳遞速率減慢，而高土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗能夠獲得充足的水分，葉片光合電子傳遞速率增大。

圖4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)NPQ Fig.4 Chlorophyll fluorescence parameters NPQ

圖5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)ETR Fig.5 Chlorophyll fluorescence parameters ETR

2.6 不同土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)紅豆杉幼苗生長(zhǎng)狀況的影響

水分是植物生長(zhǎng)所必需的環(huán)境因子之一，水分缺失將直接影響植物的生長(zhǎng)。由表2—表3 可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理組的地徑、株高、葉面積指數(shù)LAI和冠幅均表現(xiàn)為增長(zhǎng)，但差異性有所不同。地徑的增長(zhǎng)最為緩慢，所有處理的紅豆杉幼苗地徑于試驗(yàn)起始的6 個(gè)月時(shí)間里均僅增長(zhǎng)1～2 mm，且無顯著差異。株高的差異最為顯著，試驗(yàn)開始30 d 后，-50 kPa處理的紅豆杉幼苗株高開始顯著低于其他處理，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各處理株高的差異逐漸明顯，截止到試驗(yàn)結(jié)束前期，-20 kPa 處理組的株高最高，-40 kPa 和-50 kPa 處理組的株高最低，-30 kPa 處理組的株高處于中間值，且三者差異顯著。各處理紅豆杉幼苗的葉面積指數(shù)LAI和冠層在試驗(yàn)前期沒有顯著性差異，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，冠幅的差異性逐漸顯著，低土壤基質(zhì)勢(shì)處理組的部分葉片開始變黃脫落，通過減少自身消耗以應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境，其中，-50 kPa 處理組的葉片脫落現(xiàn)象最為明顯，各處理間葉面積指數(shù)LAI開始出現(xiàn)差異性，截止到試驗(yàn)結(jié)束前期，-20 kPa 和-30 kPa 處理組的LAI最高，-20 kPa 的冠幅最大，且差異顯著。

表2 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗地徑和株高 Table 2 Ground diameter and Plant height of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

表3 不同土壤基質(zhì)勢(shì)下紅豆杉幼苗葉面積指數(shù)LAI 和冠幅 Table 3 LAI and crown breadth of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

3 討 論

葉綠素?zé)晒馓匦钥梢詼?zhǔn)確地反映出植物光合生理與環(huán)境因子之間的關(guān)系，能夠判斷植物的光合特性、光保護(hù)能力以及受脅迫的狀態(tài)[22-23]。研究者們常通過直接測(cè)定活體葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)來研究逆境環(huán)境對(duì)植物光合作用的影響[24]。劉文瑜等[25]對(duì)藜麥幼苗進(jìn)行干旱脅迫研究，發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的加劇，藜麥幼苗葉片F(xiàn)0、Fm和Fv/Fm均呈下降趨勢(shì)，NPQ呈升高趨勢(shì)，這與本試驗(yàn)春季時(shí)結(jié)果一致。本試驗(yàn)中，春季時(shí)試驗(yàn)處理時(shí)間還較短，且春季氣溫低，紅豆杉幼苗對(duì)水分的需求較低，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗雖然受到干旱脅迫，葉片PSⅡ潛在活性和最大光合量子產(chǎn)量降低，但仍可以通過增加熱耗散的形式抵御干旱，使光合電子傳遞速率和PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度保持在較高水平。進(jìn)入夏季后，氣溫升高，紅豆杉幼苗對(duì)水分的需求量大，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗葉片的光合電子傳遞速率和PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度開始減小，但夏季降雨量增加，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗得到了一定的補(bǔ)償效應(yīng)，葉片PSⅡ潛在活性增大，使低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗仍具有一定的光保護(hù)能力。

土壤含水率能夠顯著影響作物的生長(zhǎng)狀況，探索出適合作物生長(zhǎng)的最佳土壤含水率對(duì)作物的栽培與耕作具有十分重要的意義。李森等[26]發(fā)現(xiàn)將滴灌滴頭正下方20 cm 處土壤基質(zhì)勢(shì)控制在-15 kPa 以上可以提高紫花苜蓿的株高、蓋度和生物量。賈俊姝等[27]發(fā)現(xiàn)滴灌滴頭正下方20 cm 處土壤基質(zhì)勢(shì)為-20 kPa 時(shí)，枸杞的冠幅、抽新枝數(shù)及結(jié)果枝數(shù)增長(zhǎng)量達(dá)到最大。本試驗(yàn)中，不同處理紅豆杉幼苗的各生長(zhǎng)指標(biāo)在春季時(shí)無顯著差異，但隨著溫度的升高，紅豆杉幼苗的水分需求量增大，各處理生長(zhǎng)指標(biāo)之間的差異逐漸增大，其中-20 kPa 處理組的紅豆杉幼苗的株高、地徑和冠幅于試驗(yàn)后期達(dá)到最大值，LAI僅次于-30 kPa 處理組，但無顯著差異。因此將滴灌滴頭正下方20 cm 處土壤基質(zhì)勢(shì)下限設(shè)置在-20 kPa 有利于紅豆杉幼苗的生長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

1）紅豆杉幼苗具有一定的抗旱能力，春夏二季均可以通過熱耗散的形式抵御干旱環(huán)境。但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，低土壤基質(zhì)勢(shì)的紅豆杉幼苗葉片光合電子傳遞速率和PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度逐漸降低，夏季降雨量的增加使各處理紅豆杉幼苗葉片的PSⅡ潛在活性和最大光合量子產(chǎn)量之間的差異縮小。

2）在5 個(gè)試驗(yàn)處理中，-20 kPa 處理組紅豆杉幼苗的株高、地徑和冠幅于試驗(yàn)后期達(dá)到最大值。因此將滴灌滴頭正下方20 cm 處土壤基質(zhì)勢(shì)下限設(shè)置在-20 kPa 有利于紅豆杉幼苗的生長(zhǎng)。