任傳友 姜卓群 蘇小琁 米前川 王 婧 李 玥 高西寧

(沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 沈陽 110866)

引 言

干旱是水分收支長期不平衡導致的持續(xù)水分短缺現(xiàn)象[1]，對作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成具有重要影響[2-4]。谷子是我國主要的大田經(jīng)濟糧食作物之一，在我國北方干旱地區(qū)分布廣泛，曾是我國北方干旱地區(qū)的主要作物[5]。谷子具有良好的耐旱性，是應對未來日趨嚴重的水資源短缺的戰(zhàn)略儲備作物，也是當前我國旱區(qū)農(nóng)業(yè)種植結構優(yōu)化調(diào)整的首選作物[6]。隨著全球氣候變化，干旱風險增大[7-8]，我國東北和華北干旱化趨勢顯著[9]，對谷子的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。明確谷子對干旱的響應規(guī)律，對谷子田間科學管理具有重要指導作用。

光合作用是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎和保證。光合過程對水分脅迫的響應與干旱強度、持續(xù)時間、發(fā)生時間及作物發(fā)育階段有關[10-12]。輕度干旱條件下，作物可能不受影響，甚至可能改善作物生長、提高產(chǎn)量和水分利用效率[13-14]，利用該特性可通過虧缺灌溉和節(jié)水農(nóng)業(yè)措施提高可持續(xù)發(fā)展[15-18]，但在嚴重干旱條件下，作物表現(xiàn)為生長限制或受到傷害[16]。復水后，遭遇水分脅迫的作物通常表現(xiàn)為生長加速和光合能力提高，這在一定程度可補償干旱的影響[19-22]。補償效應高低與作物發(fā)育階段、水分脅迫強度及持續(xù)時間有關[20-21,23]，如冬小麥花前短期輕旱能在不顯著降低產(chǎn)量的情況下提高水分利用效率，在抽穗期遭受干旱復水后補償效應更高[24]，灌漿期輕度水分脅迫可實現(xiàn)節(jié)水和高產(chǎn)統(tǒng)一[25]。農(nóng)諺常說，谷子最怕“胎里旱”，谷子在穗分化期遇到干旱，會影響穗枝梗和小穗分化，形成穗小、禿尖等現(xiàn)象，穗粒數(shù)減少。但也有研究表明：在谷子的各發(fā)育階段，干旱脅迫對灌漿期的影響最明顯[26]。谷子在生長過程中經(jīng)常會經(jīng)歷不同季節(jié)、不同發(fā)育階段的干濕變化，其抗旱性不僅體現(xiàn)在對干旱狀態(tài)的耐受程度上，還應包括脅迫狀態(tài)解除后的恢復能力。因此，谷子干旱后復水機理研究對其抗旱性改良具有重要意義。光合作用的改變是水分脅迫的直接體現(xiàn)，并最終與產(chǎn)量形成相關聯(lián)。

本研究利用大田控水試驗研究水分脅迫/復水對谷子孕穗開花期和灌漿期光合特性的影響，分析其在產(chǎn)量形成中的作用，期望為干旱條件下谷子虧缺灌溉及農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及栽培措施

試驗于2020年在沈陽農(nóng)業(yè)大學北山科研基地遮雨棚內(nèi)進行。地塊平坦，土質(zhì)為棕壤，地力中等，土壤容重為1.25 g·cm-3，重量田間持水量為30%，選用遼寧省廣泛種植的谷子品種大金苗，種子來源于遼寧省建平縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心。條播種植，壟寬0.6 m，留苗密度為45 萬株·hm-2。當?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平，采用28-16-11復合肥(55%)配施硫酸鉀肥(含50% K2O)，施肥水平是純氮為98 kg·hm-2，磷肥P2O5為56 kg·hm-2，鉀肥K2O為140 kg·hm-2。5月5日播種，正常田間管理，9月21日收獲。

1.2 試驗設計

試驗共設置15個小區(qū)(12個水分脅迫處理小區(qū)，3個對照(control check，CK)小區(qū)，每個小區(qū)6壟，壟長為2 m，壟寬為0.6 m，各小區(qū)間采用防水聚氯乙烯板隔斷，埋深為0.6 m?？紤]到谷子不同發(fā)育階段的需水差異，孕穗開花期(B)比灌漿期(F)需水更多，孕穗開花期設置45%(H，高度水分脅迫)和55%(L，輕度水分脅迫)田間持水量的水分脅迫處理，灌漿期高度、輕度水分脅迫水平分別為40%和50%田間持水量，持續(xù)時間分別為7 d，14 d和21 d(分別標記為07，14，21)，脅迫處理后復水(R)，灌水達田間持水量的65%(孕穗開花期)和60%(灌漿期)。CK小區(qū)土壤水分含量在孕穗開花期恒定在田間持水量的65%，該階段前后分別為55%和60%，水分脅迫處理小區(qū)在其他時段保持與CK小區(qū)的土壤水分含量相同。為盡可能保持土壤水分恒定，遵循少灌多次原則，2 d灌水1次，按20 cm 深度測算達到目標土壤水分需灌溉的水量。脅迫處理結束當日和復水7 d后的上午采用LI-6400測定倒二葉的光響應曲線，3個重復。每個小區(qū)收獲3壟，每壟單獨測產(chǎn)，取平均值為該小區(qū)產(chǎn)量。

光響應曲線在CO2濃度為400 μmol·mol-1下測定，共設置15個光量子通量密度(FP)水平，分別為2000，1500，1200，1000，800，600，400，200，100，80，60，40，20，10 μmol·m-2·s-1和0。采用發(fā)育階段(B或F)脅迫強度(H或L)-持續(xù)時間(07,14或21)[-R]方式標記測定的光合數(shù)據(jù)，如BH-14表示孕穗開花期45%田間持水量控水14 d后測定的數(shù)據(jù)，F(xiàn)L-07-R表示灌漿期50%田間持水量控水7 d、復水7 d后測定的數(shù)據(jù)。

1.3 計算指標

植物的光合作用過程受氣孔因素和非氣孔因素的共同影響。氣孔因素的主要表征是氣孔開度大小，影響CO2能否順暢地進入氣孔內(nèi)部，從而決定參與光合作用過程的CO2含量及濃度。非氣孔因素表現(xiàn)為參與光合作用的酶含量和活性，決定進入氣孔內(nèi)部的CO2能否被順利轉化為光合產(chǎn)物。通常植物在受到脅迫條件下，氣孔導度會降低，酶含量和活性下降，光合過程受阻。判斷氣孔限制值的兩個因素是Ci和Ls[27]，其中氣孔限制值Ls表示為

Ls=1-Ci/Ca。

(1)

式(1)中，Ci為胞間CO2濃度(單位：μmol·mol-1)，Ca為大氣CO2濃度(單位：μmol·mol-1)。

水分利用效率是評價水分虧缺條件下植物生長適宜度的綜合指標之一，反映植物耗水與干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關系。本研究的葉片水平上水分利用效率采用定義

EW=RP/RT。

(2)

式(2)中，EW為水分利用效率(單位：μmol·mmol-1)，RP為光合速率(單位：μmol·m-2·s-1)，RT為蒸騰速率(單位：mmol·m-2·s-1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用t檢驗法進行處理間產(chǎn)量差異分析并采用如下規(guī)則標記：①將產(chǎn)量數(shù)據(jù)平均值從大到小依次排序；②首先在最大的數(shù)值上標記字母“a”；③依次序?qū)⒑竺娴臄?shù)值與最大的數(shù)值進行比較，如差異不顯著，仍標記字母“a”，否則標記字母“b”；④以第1個標記字母“b”的數(shù)值作為新的最大值，依次序?qū)⒑竺娴臄?shù)值與之進行比較，如差異不顯著，仍標記字母“b”，否則標記字母“c”；依次類推，直至所有的數(shù)值標記完畢。顯著性水平設定為p=0.05。

2 結果分析

2.1 不同發(fā)育階段水分脅迫/復水對產(chǎn)量影響

不同發(fā)育階段水分脅迫/復水對產(chǎn)量的影響與脅迫強度及持續(xù)時間有關，同時發(fā)育階段間存在差異(圖1)。谷子在孕穗開花期遭遇持續(xù)7 d和14 d的輕度水分脅迫，與CK相比產(chǎn)量有所下降，但差異并不顯著，隨著持續(xù)時間延長到21 d，產(chǎn)量顯著降低。隨脅迫增強，產(chǎn)量影響加劇，高度水分強迫持續(xù)14 d可造成產(chǎn)量顯著降低，進一步延長到21 d，可導致產(chǎn)量下降32.4%。在相同處理條件下，灌漿期水分脅迫/復水對產(chǎn)量的影響比孕穗開花期更明顯，灌漿期輕度水分脅迫持續(xù)14 d可造成產(chǎn)量降低22.1%，F(xiàn)H-21處理組產(chǎn)量僅為CK的47.1%。

圖1 各水分脅迫/復水處理的產(chǎn)量 (短線表示±1倍標準差)Fig.1 Effect of water stress/rewatering on foxtail millet yield (short line denotes ±1 time standard deviation)

2.2 水分脅迫/復水對孕穗開花期葉片光合速率和水分利用效率影響

水分脅迫對光合速率和水分利用效率的影響與脅迫強度和持續(xù)時間有關(圖2和圖3)。在孕穗開花期，輕度、高度水分脅迫處理7 d均可顯著降低中高光強下葉片光合速率和提高水分利用效率，且隨著脅迫增強光合速率降幅增大(圖2)，但水分利用效率增幅變小(圖3)。脅迫時間延長至14 d時，BL-14光合速率雖仍低于CK，但二者差異已不明顯，而BH-14仍顯著地低于CK(圖2)；對于水分利用效率，BL-14高于CK，BH-14低于CK(圖3)。當水分脅迫進一步延長到21 d時，輕度、高度水分脅迫對光合速率和水分利用效率的影響無明顯差異，均低于CK。

復水后光合速率和水分利用效率恢復能力亦與水分脅迫強度和持續(xù)時間有關。持續(xù)7 d的水分脅迫處理組在復水7 d后，中高光強下的光合速率和水分利用效率顯著高于CK，且BH-07-R比BL-07-R恢復能力更強(圖2和圖3)。對于14 d的處理組，復水7 d后光合速率亦有所恢復，高度水分脅迫處理組恢復更明顯，但二者光合速率均未超過CK(圖2)，水分利用效率基本與CK持平(圖3)。持續(xù)21 d處理組在復水后，光合能力恢復明顯受抑制，復水7 d后二者的光合速率顯著地低于CK，且水分脅迫越強，恢復能力越弱(圖2)，但BH-21-R在中低光強下水分利用效率顯著提高(圖3)。

圖2 孕穗開花期光合速率對光量子通量密度的響應Fig.2 Responses of photosynthetic rate to photosynthesis photon flux density at booting and flowering stage

圖3 孕穗開花期水分利用效率對光量子通量密度的響應Fig.3 Responses of water use efficiency to photosynthesis photon flux density at booting and flowering stage

氣孔行為是制約光合作用強度的重要因素之一[28]，圖4是孕穗開花期不同輕度、高度水分脅迫及其復水后處理后葉片氣孔導度對光量子通量密度的響應，總體上孕穗開花期水分脅迫可導致葉片氣孔導度gsw(單位：mol·m-2·s-1)下降。由圖4可知，與CK相比，輕度、高度水分脅迫7 d可導致光量子通量密度高于1000 μmol·m-2·s-1時葉片gsw下降49.6%～50.7%和66.8%～69.8%；當脅迫延長到14 d，二者的降幅分別為17.8%～24.4%和35.6%～42.5%；隨著脅迫時間進一步延長到21 d，降幅再次增大，分別為27.5%～29.5%和40.7% 和48.6%。復水后氣孔導度的恢復與脅迫強度和持續(xù)時間有關。復水7 d后，高度水分脅迫7 d 組在光量子通量密度高于1000 μmol·m-2·s-1時葉片gsw比輕度水分脅迫具有更強的恢復能力，gsw較CK高38.3%～61.2%；當脅迫時間延長到14 d，復水7 d后gsw雖有所升高，但均未達到CK水平；進一步延長到21 d，輕度水分脅迫組gsw仍表現(xiàn)出較強的恢復能力，但高度水分脅迫組gsw則進一步下降，與CK相比降幅達85%以上。

Ci和Ls的變化方向是判斷光合過程氣孔因素和非氣孔因素限制的重要依據(jù)，Ci降低和Ls升高表明，氣孔導度降低為主要原因，Ci升高和Ls降低表明，以非氣孔限制為主[27]。圖5是孕穗開花期水分脅迫7 d和21 d處理組的Ci和Ls隨光量子通量密度的變化。由圖5可知，水分脅迫處理7 d后，800 μmol·m-2·s-1光量子通量密度以下，隨光強升高Ls升高Ci下降，800 μmol·m-2·s-1光量子通量密度以上，Ls和Ci的變化方向不明顯，因此，氣孔限制是BH-07和BL-07光合速率降低的主要原因。當脅迫時間延長14 d和21 d時，高光強下隨光強升高，Ls降低和Ci升高的傾向率逐漸增加，且隨脅迫增強而增大(圖略)，說明隨著脅迫增強和持續(xù)時間增加，非氣孔因素逐漸成為制約光合過程的主要因素。復水后，水分脅迫7 d和14 d處理組光合過程主要以氣孔限制為主(圖略)，但21 d處理組為明顯的非氣孔限制。

圖4 孕穗開花期葉片氣孔導度對光量子通量密度的響應Fig.4 Responses of leaf stomatal conductance to photosynthesis photon flux density at booting and flowering stage

圖5 孕穗開花期葉片氣孔限制值和胞內(nèi)CO2濃度對光量子通量密度的響應Fig.5 Responses of stomata limitation and intercellular CO2 concentration to photosynthesis photon flux density at booting and flowering stage

2.3 水分脅迫/復水對灌漿期葉片光合速率和水分利用效率影響

在灌漿期，隨水分脅迫增強和持續(xù)時間延長，葉片光合速率和水分利用效率變化幅度小于孕穗開花期，且兩個發(fā)育階段不同處理天數(shù)組間存在較大差異(圖6和圖7)。灌漿期持續(xù)7 d的水分脅迫處理可導致光合速率顯著降低，降低幅度低于孕穗開花期相同日數(shù)的水分脅迫處理，水分利用效率并未表現(xiàn)出類似孕穗開花期的顯著提高。持續(xù)時間延長到14 d時，相同光強下，F(xiàn)H-14，F(xiàn)L-14與CK的光合速率無顯著差異，F(xiàn)L-14處理組水分利用效率高于CK，F(xiàn)H-14處理組水分利用效率低于CK?？傮w上，光合速率與水分利用效率變異規(guī)律與孕穗開花期基本相同。當水分脅迫持續(xù)時間延長到21 d時，雖水分利用效率提高，但光合速率顯著降低，且隨著脅迫增強降幅增大。

在灌漿期，水分脅迫復水后光合速率和水分利用效率的恢復與脅迫強度和持續(xù)時間有關。水分脅迫7 d復水7 d后，水分利用效率提高，與孕穗開花期(圖3)表現(xiàn)基本一致；輕度水分脅迫在復水后，光合能力仍具有很強可恢復性，在光量子通量密度大于600 μmol·m-2·s-1時光合速率均顯著高于CK，但與孕穗開花期不同的是，F(xiàn)H-07-R并未表現(xiàn)出較強的恢復能力，幾乎在所有光強下，其光合速率均顯著低于CK(圖6)。在灌漿期隨著葉齡的增長，谷子葉片光合速率較孕穗開花期有所下降，最大值僅為25.9 μmol·m-2·s-1，且出現(xiàn)較明顯的光抑制現(xiàn)象，F(xiàn)H-07-R光合能力恢復有限，可能與高度水分脅迫加速葉片老化，造成器質(zhì)性的功能損傷有關。隨著水分脅迫持續(xù)時間延長到14 d及以上，復水7 d后水分利用效率顯著提高(圖7)，但光合速率均未恢復到CK水平(圖6)。另外，對比圖3和圖7可以看到，灌漿期水分脅迫處理組具有比孕穗開花期水分脅迫處理組更高的水分利用效率，這是谷子在灌漿期更耐旱的證據(jù)之一。但回勾狀的光合/蒸騰速率關系曲線說明(圖8)，由于葉齡增加，器官老化，非氣孔限制緩解困難，在高光強下持續(xù)21 d的高度水平脅迫復水后，谷子會以光合速率降低更多為代價，關閉部分氣孔避免水分的過分散失，這或可解釋為何灌漿期遭遇干旱后產(chǎn)量損失更大(圖1)。

圖6 灌漿期葉片光合速率對光量子通量密度的響應Fig.6 Responses of leaf photosynthetic rate to photosynthesis photon flux density at grain filling stage

圖7 灌漿期水分利用效率對光量子通量密度的響應Fig.7 Responses of water use efficiency to photosynthesis photon flux density at grain filling stage

圖8 灌漿期葉片光合速率與蒸騰速率的關系Fig.8 Relationships between leaf photosynthetic and transpiration rate at grain filling stage

灌漿期水分脅迫同樣可導致葉片氣孔導度降低，脅迫越強降幅越大(圖略)。與光合速率隨持續(xù)時間變化類似，灌漿期持續(xù)7 d水分脅迫處理組葉片氣孔導度下降幅度(圖略)小于孕穗開花期(圖4)，而持續(xù)21 d的水分脅迫相反，灌漿期下降幅度(圖略)大于孕穗開花期(圖4)。復水后，氣孔導度的恢復能力與孕穗開花期表現(xiàn)類似。Ls和Ci變化表明:氣孔因素是導致FH-07，F(xiàn)L-07，F(xiàn)L-14處理光合速率下降的主要原因，隨脅迫時間延長到14 d和21 d，非氣孔因素逐漸成為制約光合過程的主要因素，復水后，水分脅迫7 d和14 d處理組的光合能力主要受氣孔因素限制，但21 d處理組則表現(xiàn)為明顯的非氣孔限制，灌漿期不同脅迫強度和持續(xù)時間處理組光合速率降低的限制因素與孕穗開花期表現(xiàn)一致。

3 結論與討論

本研究利用大田控水試驗分析不同強度及持續(xù)時間的水分脅迫對谷子孕穗開花期和灌漿期光合特性的影響，評價復水后光合性能的恢復狀況，闡述氣孔及非氣孔因素在光合過程中的制約作用，分析不同發(fā)育階段水分脅迫對產(chǎn)量的影響，得到如下結論：

1) 谷子遭遇水分脅迫，會導致光合速率下降和水分利用效率提高，其變化幅度與脅迫強度、持續(xù)時間及發(fā)育階段有關。隨脅迫增強和持續(xù)時間延長，光合速率下降越明顯，輕度水分脅迫下，谷子表現(xiàn)出更積極的水分利用策略。復水后，光合作用可產(chǎn)生補償效應，光合性能有所恢復，孕穗開花期14 d以內(nèi)的水分脅迫和灌漿期7 d以內(nèi)的輕度水分脅迫，復水后能較快恢復正常。

2) 在輕度水分脅迫和持續(xù)時間較短的高度水分脅迫下，光合過程以氣孔限制為主，隨著水分脅迫強度的增強和持續(xù)時間的延長，非氣孔因素逐漸成為光合作用降低的主要原因。在相同強度和持續(xù)時間情況下，灌漿期的非氣孔限制強于孕穗開花期。

3) 水分脅迫/復水處理后，谷子葉片尺度光合速率變異規(guī)律與最終產(chǎn)量變化具有一致性。與孕穗開花期相比，產(chǎn)量對灌漿期水分脅迫更敏感。

作物在遭受水分脅迫后光合性能明顯下降[29]，且隨脅迫程度加重，下降愈大[30-32]，但復水后能夠產(chǎn)生補償效應[33-34]。本研究表明：孕穗開花期和灌漿期水分脅迫均顯著降低谷子葉片的光合速率，且降低的幅度與水分脅迫時期、強度和持續(xù)時間有關，與小麥[35]、黑麥[36]的研究結論一致。復水后谷子葉片光合性能可產(chǎn)生一定補償效應，補償效應的大小與水分脅迫的強度和持續(xù)時間有關。孕穗開花期14 d以內(nèi)的水分脅迫和灌漿期7 d以內(nèi)的輕度水分脅迫，復水后能較快恢復正常，這可能是水分脅迫尚未嚴重損及光合器官及其生理機能，因此具有較強的恢復能力；而孕穗開花期21 d的水分脅迫、灌漿期14 d及以上的輕度水分脅迫和7 d及以上的高度水分脅迫可能導致谷子光合器官結構和功能受到一定程度的破壞，復水后光合能力的恢復較弱。

干旱情況下，作物水分利用效率提高是其響應環(huán)境變化的主要特征[13-14]。本研究表明：谷子在水分脅迫下，可通過提高水分利用效率減少光合產(chǎn)物損失。谷子在遭遇7 d和14 d的水分脅迫時，輕度水分脅迫處理組具有更高的水分利用效率，說明輕度水分脅迫處理組比高度水分脅迫處理組具有更積極的水分利用策略，對干旱的響應迅速以適應干旱；當持續(xù)時間延長到21 d時，高度水分脅迫處理組具有更高的水分利用效率則是出于“保命”需求。復水后，水分利用效率仍能保持在較高水平，且灌漿期水分脅迫處理組具有比孕穗開花期更高的水分利用效率，這是谷子在灌漿期更耐旱的證據(jù)之一。但回勾狀的光合/蒸騰速率關系曲線說明，葉齡增加和器官老化導致非氣孔限制緩解困難，在高光強下持續(xù)21 d 的高度水平脅迫即使在復水后，谷子仍會關閉部分氣孔避免水分的過分散失，以光合速率降低為代價，這可解釋灌漿期遭遇干旱后產(chǎn)量損失更大。

氣孔對植物光合作用和蒸騰作用的平衡具有調(diào)節(jié)作用，在植物適應環(huán)境變化和環(huán)境壓力中起關鍵作用[27,37-39]。谷子在水分缺乏時，關閉部分氣孔可以減少葉片蒸騰耗水，從而有利于提高水分利用率，是谷子為抵抗干旱脅迫，對干旱的自我適應[40-41]。本研究表明：在輕度水分脅迫和持續(xù)時間不長的高度水分脅迫下，光合過程以氣孔限制為主，隨著水分脅迫強度的增強和持續(xù)時間的延長，非氣孔因素逐漸成為光合作用降低的主要原因；灌漿期的非氣孔限制略強于孕穗開花期，這可能與葉片老化，灌漿期水分脅迫后葉片光合器官結構和功能受到傷害有關[25]。

光合過程是產(chǎn)量形成的基礎和保證。作為我國傳統(tǒng)的旱糧作物之一，谷子具有較強的抗旱能力，但干旱仍然會對其光合過程及產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響[42]。本研究不同發(fā)育階段水分脅迫/復水處理，其光合速率的變異規(guī)律與產(chǎn)量變化具有一致性。根據(jù)本試驗的產(chǎn)量構成數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，孕穗開花期的產(chǎn)量構成主要表現(xiàn)為穗粒數(shù)的減少和千粒重的增加，在水分脅迫/復水光合作用變化不大的情況下，二者對產(chǎn)量影響可部分抵消，可能是造成該時期產(chǎn)量對水分脅迫的響應弱于灌漿期的原因；灌漿期產(chǎn)量的降低主要表現(xiàn)為千粒重的下降，光合速率降低直接導致充實不足，使得該時期產(chǎn)量與光合速率一致性更高。