陳 飛，李鴻平，崔寧博

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室，水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

柑橘味道鮮美，富含糖類、有機酸、維生素等多種營養(yǎng)物質(zhì)[1]。我國柑橘種植面積和產(chǎn)量居世界首位，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)公布的最新數(shù)據(jù)，2018年中國柑橘種植面積274.965萬hm2，年產(chǎn)量達4 190.546萬t。川南地區(qū)作為我國重要的柑橘栽培區(qū)，柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快[2]，然而，近年來頻發(fā)的季節(jié)性干旱和工程性缺水明顯降低了柑橘產(chǎn)量[3]，因此尋找合適的柑橘灌溉模式尤為重要。

調(diào)虧灌溉(regulated deficit irrigation，RDI)是一種在非充分灌溉(non-full irrigation)或限水灌溉(limited irrigation)基礎(chǔ)上延伸的節(jié)水灌溉技術(shù)[4]，通過改變作物營養(yǎng)生長及其葉水勢[5]，同時破壞光合膜的結(jié)構(gòu)，阻止各種色素的合成[6]，最終影響光合作用。近年來，許多作者研究了水分虧缺對蘋果[7]、葡萄[8]、枇杷[9]等果樹光合作用的影響。研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫明顯抑制作物光合作用[10]，且作物會根據(jù)脅迫程度的不同產(chǎn)生適應(yīng)機制以應(yīng)對外界因素對作物生理性狀的影響[11]。致使光合作用降低的因子分為氣孔限制和非氣孔限制[12]。Farquhar等[13]指出，由于氣孔導(dǎo)度的限制，在水分脅迫條件下胞間CO2濃度(Ci， mmol·mol-1)不能滿足光合作用的需求被稱為光合作用的氣孔限制；另一方面，由于葉綠體和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶(rubisco)活性的降低限制了1, 5-二磷酸核酮糖的再生能力，從而引起作物光合作用能力降低被稱為光合作用的非氣孔限制。有研究表明，在輕度和中度水分脅迫條件下,氣孔限制因子對光合作用影響較大，而在重度水分脅迫條件下非氣孔限制因子對光合作用的影響占主導(dǎo)地位[14]。柑橘、蘋果、杏等果樹水分脅迫下非氣孔因素導(dǎo)致光合下降也有相關(guān)研究[15]。

但是，F(xiàn)urlan[16]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的水分虧缺不會對作物造成負面影響，甚至在復(fù)水后對作物產(chǎn)生積極作用，這是作物在長期適應(yīng)干旱環(huán)境中形成的機制[17]，即復(fù)水補償效應(yīng)。也有研究表明，干旱脅迫促使PS II的活性和光合電子需求不平衡，導(dǎo)致作物體內(nèi)活性氧自由基大量積累[18]，引發(fā)細胞質(zhì)膜產(chǎn)生膜脂過氧化作用，而復(fù)水可以維持較高的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶、過氧化氫酶等酶活性，有效清除活性氧，減緩膜傷害與膜脂過氧化作用，最終產(chǎn)生不同程度的補償效應(yīng)[19]。其中，氣孔阻力及光合活性的恢復(fù)是補償生長的物質(zhì)基礎(chǔ)[20]。Pérez-Pérez等[21]認為柑橘與梨樹虧水處理后恢復(fù)充分灌溉，光合速率、蒸騰速率和氣孔開度可超過對照水平，產(chǎn)生超補償效應(yīng)；劉吉利等[22]認為花生苗期適度干旱后復(fù)水，葉片氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、蒸騰速率均能顯著增加，產(chǎn)生一定的補償效應(yīng)；梁鵬等[23]和郝樹榮[24]等研究表明干旱脅迫后復(fù)水會出現(xiàn)補償效應(yīng)，尤其是重度水分脅迫。上述意味著作物復(fù)水后恢復(fù)的程度可能取決于水分虧缺的強度及其生育期[25]。

因此，本研究擬分析水分虧缺及復(fù)水對柑橘生育前期光合特性的影響，為科學(xué)制定柑橘灌溉制度提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2018年4月—2019年1月在四川省成都市蒲江縣長林農(nóng)場(30.32°N，103.43°E，海拔544 m)避雨棚內(nèi)進行，試驗地土壤類型為黃壤土，土壤平均密度1.45 g·cm-3，田間持水量為26.13%(重量含水率)。試驗區(qū)位于成都平原腹地，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.3℃，平均相對濕度87.84%，年平均風(fēng)速1.67 m·s-1，年平均降水量1 196.2 mm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗柑橘品種為9 a生‘不知火’，砧木為紅橘(CitrusreticulateBlanco)，株高為2.8～3.0 m，株行距為2.5 m×3.0 m，主要生育期為每年4月初～次年1月底，根據(jù)其主要生育特征將其劃分為抽梢開花期(I期，4月上旬～4月下旬)、幼果期(II期，5月上旬～6月下旬)、果實膨大期(III期，7月上旬～10月下旬)和果實成熟期(IV期，11月上旬～次年1月下旬)4個生育期。試驗分別在I期和II期設(shè)置輕度虧水(LD)、中度虧水(MD1)、偏重度虧水(MD2)和重度虧水處理(SD)，單次灌水量分別為對照(CK)的85%、70%、55%和40%，設(shè)置不虧水為對照處理(CK)。根據(jù)調(diào)查，適宜‘不知火’生長的土壤含水率為田間持水量(θf)的60%～80%，故將土壤含水率下限定為60%θf，當(dāng)CK的土壤含水率接近下限時，各處理同時灌水，計劃濕潤層為60 cm，設(shè)計濕潤比為0.5，根據(jù)柑橘各生育期的耗水規(guī)律和2017—2018年初的試驗結(jié)果確定了不同生育期CK的單次灌水量，各生育期單次灌水量見表1，各生育期灌水次數(shù)見表2。試驗采用滴灌水肥一體化系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的工作水頭為12 m左右，每2棵樹為1個處理小區(qū)，每個處理重復(fù)3次，共計27個處理小區(qū)，每個處理有2條圍繞果樹環(huán)形布置的滴灌管，每根滴灌管上環(huán)繞果樹根區(qū)的部分等距離內(nèi)嵌10個滴頭(即每棵樹10個滴頭)，滴灌采用以色列Dripnet PC壓力補償式滴灌管，滴頭為迷宮式壓力補償?shù)晤^，設(shè)計工作水頭為3 m，流量為1.6 L·h-1。在每個小區(qū)的支管進口(支管末端連接著滴灌管)設(shè)置精量水表和閥門用于控制灌水量。試驗各小區(qū)間用埋深1m的硬塑料薄膜相隔，防止處理間側(cè)向水分運移的影響，以3.6 m高透光薄膜電動防雨棚作為避雨設(shè)施，試驗區(qū)地下水埋深12 m，地下水對試驗無影響，其他田間管理措施均相同。

表1 滴灌柑橘抽梢開花期和幼果期水分虧缺處理單次灌水量/(m3·hm-2)

表2 滴灌柑橘不同水分虧缺處理各生育期灌水次數(shù)

1.3 測定指標和方法

采用全自動便攜式光合儀(LCPro-SD，英國ADC)分別測定蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2摩爾濃度(Ci)以及凈光合速率(Pn)。每個生育期灌水前后3 d內(nèi)各選光照條件良好的一天，每個處理選擇同一位置東南西北方各4片葉測量，每片葉片測3次，取平均值；將同一處理的各項觀測指標取平均值，以瞬時葉片凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)之比作為葉片瞬時水分利用效率(WUEi)。

試驗數(shù)據(jù)均以Excel軟件處理，以SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析，采用單因素方差法(analysis of variance，ANOVA)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 抽梢開花期不同水分虧缺處理對葉片光合特性的影響

圖1(a)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后Pn日變化。如圖1(a)所示，虧水狀態(tài)下葉片凈光合速率(Pn)呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現(xiàn)在11∶00和15∶00，出現(xiàn)了明顯的“午休”現(xiàn)象。9∶00—11∶00期間各處理Pn迅速上升至峰值，此時CK的峰值最大，為3.77 μmol·m-2·s-1，這是由于經(jīng)過夜間后胞間CO2濃度逐漸增高和光照逐漸增強的結(jié)果；11∶00后各處理Pn下降，13∶00降至低谷，這是由于光照強度過大，植物為了減少水分散失而關(guān)閉部分氣孔致使胞間CO2量減少從而影響了Pn;隨后Pn在15∶00達到了第二個峰值，CK為最大值。復(fù)水后Pn日變化也得到了相似的規(guī)律，但不同的是復(fù)水后各處理“午休”現(xiàn)象明顯減弱或并未出現(xiàn)，基本呈單峰變化，峰值出現(xiàn)在11∶00，I-LD處理為峰值最大值。表3為I期各處理光合指標日均值，表3表明，隨著虧水程度的加劇Pn變小，與CK相比下降了4.5%～28.4%，其中I-LD處理與CK無顯著性差異(P>0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Pn具有明顯的提高，其中I-LD處理與虧水狀態(tài)相比提高了85.1%，與CK相比提高了6.4%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(b)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后Tr日變化。如圖1(b)所示，虧水狀態(tài)下不同處理蒸騰速率(Tr)呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現(xiàn)在11∶00和15∶00；復(fù)水后不同處理Tr“午休”現(xiàn)象明顯減弱或消失，基本呈單峰變化，并且“午休”時間由13∶00推遲到15∶00。復(fù)水前后CK處理各峰值均為各處理峰值最大值。表3表明，隨著虧水程度的加劇Tr變小，與CK相比下降了10.0%～30.6%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Tr具有明顯的提高，與虧水狀態(tài)時相比提高了83.1%～92.0%，與CK相比降低了8.7%～32.2%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(c)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后Gs日變化。如圖1(c)所示，不同處理葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)在Ⅰ期復(fù)水前后均呈單峰型變化，峰值出現(xiàn)在11∶00，CK峰值明顯高于其他處理，為0.06 mmol·m-2·s-1。表3表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇Gs下降，與CK相比下降了20.0%～40.0%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Gs具有明顯的提高，與CK相比降低了12.0%～38.0%，差異顯著(P<0.05)。

圖1(d)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后Ci日變化。如圖1(d)所示，不同處理胞間CO2濃度(Ci)在Ⅰ期復(fù)水前后均呈“U”形變化，不同的是同一時刻復(fù)水后Ci均較高且處理間相差較小，最低值均出現(xiàn)在13∶00。表3表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇，Ci先降低后升高，與CK相比下降了2.1%～7.1%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理條件下Ci變化較小，與虧水狀態(tài)相比提高了1.1%～6.6%，與CK相比降低了1.2%～3.9%，其中僅I-MD1處理與CK差異顯著(P<0.05)。

圖1(e)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后WUEi日變化。如圖1(e)所示，除I-SD外，虧水狀態(tài)下其他處理均呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現(xiàn)在11∶00和15∶00，WUEi兩個峰值的出現(xiàn)均是Pn的上升幅度大于Tr導(dǎo)致，且I-MD1的峰值最大。復(fù)水后，與虧水狀態(tài)時相比，11∶00的峰值明顯減弱或消失，這是復(fù)水后Tr明顯提高的結(jié)果，并且15∶00峰值的出現(xiàn)是由于Pn的下降幅度小于Tr導(dǎo)致。表3表明，隨著虧水程度的加劇WUEi先升高后降低，且不同虧水處理均高于CK，其中I-MD1處理取得了最大值，與CK相比升高了14%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同處理間WUEi變化與虧水時相似，不同的是與虧水狀態(tài)時相比，復(fù)水后各處理WUEi均有所降低，降低了2.6%～11.3%，且各處理間相差較小。

表3 抽梢開花期不同水分虧缺處理復(fù)水前后柑橘葉片光合指標日均值

2.2 幼果期不同水分虧缺處理對葉片光合特性的影響

圖2(a)為滴灌柑橘幼果期不同處理復(fù)水前后Pn日變化。如圖2(a)所示，復(fù)水前后不同虧水處理葉片凈光合速率(Pn)呈單峰變化，峰值均出現(xiàn)在11∶00，CK和II-LD處理分別為峰值最大值。表4為II期各處理光合指標日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇Pn變小，與CK相比Pn下降了6.2%～42.9%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Pn具有明顯的提高，其中II-LD的Pn為不同處理間最大值，與虧水狀態(tài)相比提高了24.8%，與CK相比提高了5.8%。

圖2(b)為滴灌柑橘幼果期不同處理復(fù)水前后Tr日變化。如圖2(b)所示，復(fù)水前后不同虧水處理蒸騰速率(Tr)呈單峰型變化，峰值均出現(xiàn)在13∶00，其中8∶00—11∶00變化緩慢，這是由于光照強度較弱，對Tr的影響較小，并且11∶00和15∶00的Tr突然加速上升和下降也均是由于光照強度突然改變的結(jié)果。表4為II期不同處理光合指標日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇Tr變小，與CK相比下降了18.0%～42.4%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Tr具有明顯的提高，與虧水狀態(tài)時相比提高了58.5%～69.9%，與CK相比仍降低了8.3%～30.9%，差異顯著(P<0.05)。

圖2(c)為滴灌柑橘幼果期不同處理復(fù)水前后Gs日變化。如圖2(c)所示，不同處理復(fù)水前后葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)呈單峰型變化，峰值均出現(xiàn)在11∶00，CK取得了峰值最大值，為0.16 mmol·m-2·s-1。Gs在虧水狀態(tài)下11∶00—15∶00具有明顯的降低，但是復(fù)水后的Gs由于在13∶00維持了較高值，使得整體下降相對緩慢。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇，Gs變小，與CK相比下降了16.7%～43.8%，差異性顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同虧水處理Gs具有明顯的提高，與虧水狀態(tài)相比提高了44.4%～49.2%，與CK相比降低了7.9%～38.6%，除II-LD外，其他處理均與CK差異顯著(P<0.05)。

圖2(d)為滴灌柑橘抽梢開花期不同處理復(fù)水前后Ci日變化。如圖2(d)所示，不同處理胞間CO2濃度(Ci)復(fù)水前后均呈“U”形變化，最低值出現(xiàn)在15∶00。與虧水狀態(tài)相比，復(fù)水后9∶00—15∶00Ci下降較為緩慢。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，不同虧水處理隨著虧水程度的加劇Ci先降低后升高，與CK相比下降了-1.8%～2.4%，差異較?。粡?fù)水后不同虧水處理間Ci變化較小，與虧水狀態(tài)相比提高了4.9%～9.3%，與CK相比降低了0.6%～3.5%，其中II-MD1處理與CK差異顯著(P<0.05)。

圖2(e)為滴灌柑橘幼果期不同處理復(fù)水前后WUEi日變化。如圖2(e)所示，虧水狀態(tài)下不同虧水處理均呈雙峰“M”型變化，峰值分別出現(xiàn)在11∶00和15∶00，其中11∶00峰值的出現(xiàn)是隨著光強逐漸上升，Pn變大而Tr變化較小的結(jié)果；復(fù)水后不同處理WUEi在11∶00的峰值明顯減弱，15∶00峰值明顯減弱或消失，這是由于復(fù)水后Tr明顯提高的結(jié)果。表4為II期各處理光合特性日均值，表4表明，隨著虧水程度的加劇WUEi先升高后降低，且不同虧水處理均高于CK，其中II-LD處理取得了最大值，與CK相比升高了14.4%，差異顯著(P<0.05)；復(fù)水后不同處理間WUEi差異較小，與虧水時相比復(fù)水后各處理WUEi均有所降低，降低了15.1%～21.2%。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，柑橘抽梢開花期(I期)和幼果期(II期)在不同水分虧缺處理下葉片光合特性發(fā)生了顯著變化(P<0.05)。光合作用是作物最基本的生命活動，其強弱是影響作物生長的主要因素[26]，干旱脅迫下凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的變化是作物對干旱脅迫適應(yīng)能力的直接體現(xiàn)[27]。王鋒堂等[28]對干旱脅迫下熱帶櫻花的研究結(jié)果也表明植物通過改變氣孔形態(tài)和密度來適應(yīng)干旱脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，I期凈光合速率(Pn)日變化出現(xiàn)了明顯的雙峰變化，即“午休”現(xiàn)象，但是II期呈單峰變化，這可能是不同生育期對光強和水分虧缺敏感性不同導(dǎo)致的。本研究發(fā)現(xiàn)，I期和II期隨著虧水程度的加劇Pn、Tr、Gs日均值均呈下降趨勢。這是由于水分虧缺導(dǎo)致葉綠體偶聯(lián)因子的結(jié)構(gòu)受到傷害，使得與光合磷酸化的底物ADP的親和力下降，ATP合成受阻，抑制光合碳循環(huán)的運轉(zhuǎn)[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，I期和II期不同虧水處理均有利于提高葉片WUEi，與CK相比，I-MD1和II-LD處理對WUEi的影響最明顯，分別提高了14.0%和14.4%，種培芳[30]等也得到了相似的結(jié)論。這是由于高水平的WUEi是缺水條件下植株健壯生長的關(guān)鍵，水分脅迫條件下植株通過增強WUEi以維持體內(nèi)正常的代謝[31]，這種長期的選擇可能導(dǎo)致了Pn和Tr對水分虧缺的敏感程度不同，使得Pn降幅小于Tr從而提高了WUEi。

本研究發(fā)現(xiàn)，I期和II期不同水分虧缺處理后復(fù)水，柑橘葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)較虧水狀態(tài)時均有明顯的提高。這和孟兆江等[32]研究結(jié)果相同：復(fù)水處理后作物會出現(xiàn)補償效應(yīng)，有利于光合產(chǎn)物的分配和積累。干旱后復(fù)水的恢復(fù)能力主要是作物長期適應(yīng)干旱時選擇的一種機制，其中表現(xiàn)為復(fù)水可以提高Rubisco羧化酶活性和數(shù)量，促進ATP和NADPA合成，提高光合作用效率[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，I期和II期輕度虧水(LD)處理后復(fù)水，與CK相比Pn提高了6.4%和5.8%，其他處理均低于CK。白鵬等[18]等認為干旱脅迫促使PS II的活性和光合電子需求不平衡，導(dǎo)致作物體內(nèi)活性氧自由基大量積累，而徐萍等[34]表明植物抗氧化保護系統(tǒng)的抵抗修復(fù)能力存在閾值。所以除CK外各處理的光合指標未能恢復(fù)到對照水平，這是由于對水分虧缺柑橘的影響已經(jīng)不同程度地超過了柑橘的修復(fù)閾值，復(fù)水并不能完全彌補之前干旱對作物造成的損傷。

本研究發(fā)現(xiàn)，I期和II期虧水度由中度虧水(MD1)加劇為偏重度虧水(MD2)時，影響柑橘光合作用的主要因素均由氣孔因素轉(zhuǎn)為非氣孔因素。有研究表明，作物受到水分脅迫時最早、最敏感的響應(yīng)是氣孔的關(guān)閉[35]。而判斷光合作用降低的主要因素是氣孔限制還是非氣孔限制時，主要是根據(jù)胞間CO2濃度限制了光合作用還是其他因素[13]。本研究中柑橘I期和II期進行CK、LD、MD1處理及復(fù)水后，胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度變化趨勢一致，表明此時葉片光合速率下降是主要由葉片氣孔部分關(guān)閉導(dǎo)致的；進行MD2、SD處理及復(fù)水后，胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度變化趨勢相反，呈上升趨勢，說明此時葉片光合速率主要受非氣孔限制因素影響，這是由于重度水分虧缺會造成Rubisco活化酶(rubiscoactivase，RCA)活性的喪失影響了光合作用中催化光合碳循環(huán)及光呼吸的核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶[36]。Zhang等[37]對胡瓜的研究也表明虧水條件下Rubisco活化酶的活性和數(shù)量能夠制約光合作用強度。

4 結(jié) 論

1)抽梢開花期虧水處理對柑橘葉片光合特性的影響顯著(P<0.05)。隨虧水度的加劇，Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，與CK相比分別下降了4.5%～28.4%、10.0%～30.6%、20.0%～40.0%，差異顯著(P<0.05)；不同虧水處理WUEi呈先上升后下降的趨勢，且均高于CK，其中I-MD1取得了最大值，與CK相比上升了14%(P<0.05)。復(fù)水后各處理Pn、Gs、Tr均有明顯的提高，與虧水狀態(tài)時相比分別增加了68.2%～85.1%、83.1%～92.0%、179.2%～196.9%；輕度虧水(I-LD)后復(fù)水，Pn和WUEi均高于CK，出現(xiàn)了超補償效應(yīng)，分別增加了6.4%和16.2%(P<0.05)。

2)幼果期虧水處理對柑橘葉片光合特性的影響顯著(P<0.05)。隨虧水度的加劇，Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，與CK相比分別下降了6.2%～42.9%、18.0%～42.4%、16.7%～43.8%，差異顯著(P<0.05)；不同虧水處理WUEi呈先上升后下降的趨勢，且均高于CK，其中II-LD取得了最大值，與CK相比上升了14.4%(P<0.05)。復(fù)水后各處理Pn、Gs、Tr均有明顯上升，與虧水狀態(tài)時相比分別增加了22.1%～44.0%、50.9%～69.9%、44.4%～49.2%；輕度虧水(II-LD)后復(fù)水，Pn和WUEi均高于CK，出現(xiàn)了超補償效應(yīng)，分別增加了5.8%和16.1%(P<0.05)。

3)I期和II期由中度虧水(MD1)加劇為偏重度虧水(MD2)時，影響柑橘葉片光合作用的主要因素均由氣孔因素轉(zhuǎn)為非氣孔因素。