金建新，李株丹，桂林國

（1. 寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002； 2. 寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021）

馬鈴薯是小麥、水稻、玉米后的第四大糧食作物，2015年農(nóng)業(yè)部啟動了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，預(yù)計在2020年將50%的馬鈴薯作為主糧消費［1，2］。干旱是影響馬鈴薯生理活性和產(chǎn)量的重要因素，在土壤水分不足時，馬鈴薯會產(chǎn)生一系列生理變化來適應(yīng)這種干旱脅迫，包括生育期提前、產(chǎn)生化學物質(zhì)調(diào)節(jié)生理活動等［3，4］。馬鈴薯各生育階段受不同程度的干旱脅迫均會使其生理生化指標發(fā)生相應(yīng)變化，其中丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量均增加，而超氧化物歧化酶（SOD）活性下降［5-7］。除此之外，干旱脅迫還會影響馬鈴薯光合生理，在干旱脅迫下氣孔關(guān)閉，植物吸收CO2量減少，光合速率下降，導致產(chǎn)量減少，水分利用效率降低［8-10］。植物激素脫落酸ABA 在植物生長過程中扮演重要角色，能夠促進果實發(fā)育、種子萌發(fā)等，也參與干旱脅迫作物自調(diào)節(jié)過程［11，12］。適宜的ABA 濃度處理后，可顯著降低霧培微型馬鈴薯塊莖的失重率，加速塊莖周皮組織處軟木脂和木質(zhì)素的積累［13］。在馬鈴薯干旱脫水等條件下，脅迫信號會激發(fā)ABA 合成酶的作用，使ABA 在細胞內(nèi)的含量快速發(fā)生改變，并且隨著水分脅迫程度增加馬鈴薯葉片中ABA 含量呈遞增趨勢［14］。目前脫落酸ABA對作物氣孔活動的調(diào)節(jié)有兩種觀點，一種是認為ABA直接作用于葉片保衛(wèi)細胞，另一種是認為ABA通過葉肉細胞中離子間接作用于葉片保衛(wèi)細胞［15-18］。本文在滴灌條件下，探索了不同滴灌灌水量條件下馬鈴薯葉片微觀生理活動的變化和根系、葉片脫落酸的生成，以及葉片脫落酸ABA 對氣孔和蒸騰的調(diào)節(jié)，為馬鈴薯滴灌條件下生理節(jié)水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)馬兒莊試驗基地展開，位于寧夏中部地區(qū)，東經(jīng)107°43'33″，北緯37°57'57″，典型的大陸性季風氣候，氣溫冬冷夏熱，平均氣溫22.4 ℃，晴天多，降雨少，光能豐富，日照充足溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，秋冬交節(jié)之際，晝夜溫差可達20 ℃。多年平均降雨量為254.8 mm，蒸發(fā)量2 100 mm，日照時數(shù)2 286 h，大于10 ℃的有效積溫為3 145 ℃，無霜期198 d，海拔1 352 m。試驗區(qū)土質(zhì)為沙壤土，平均容重1.42 g∕cm3，田間持水量為21.8%（重量百分比），耕層土壤堿解氮為92 mg∕kg，有效磷含量13.8 mg∕kg，速效鉀含量125.4 mg∕kg，有機質(zhì)含量為5.6 g∕kg［19］。

1.2 試驗設(shè)計

馬鈴薯供試品種為寧薯16號，把馬鈴薯整個生育期分為出苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和淀粉積累期5 個生育階段。本試驗以灌溉定額為變量的單因素試驗，設(shè)置3 000、3 750、4 500、5 250、6 000 m3∕hm2共5 個梯度灌溉量處理，共計5 個處理，如表1 所示。每個處理3 個重復(fù)，共計15 個小區(qū)，采用滴灌進行供水，隨機區(qū)組排列。從馬鈴薯出苗期開始進行灌水量梯度處理，用水表嚴格計量灌水量，每個小區(qū)長20 m，寬3 m，于4月23 日前后開始穴播，種薯用量750 kg∕hm2，壟作滴灌種植，采用一壟雙行一帶布置，行距50 cm，株距33 cm。

表1 試驗處理表m3∕hm2Tab.1 Test treatment table

1.3 測試指標及方法

（1）馬鈴薯生理指標。在馬鈴薯塊莖膨大期，選擇晴朗的天氣，利用采用LI-6400型便攜式光合儀測定凈光合作用、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰強度等生理指標。每個小區(qū)隨機選擇3 株，觀測時間為早上9∶00 至11∶00，選擇長勢正常、完全展開的葉片進行觀測，每個葉片重復(fù)觀測3次。

（2）脫落酸測定。在馬鈴薯塊莖膨大期，每個小區(qū)隨機挖取3 株馬鈴薯，將葉片和根系分離，裝在保險箱帶回實驗室，采用氣相色譜法［20］測定根系和葉片的脫落酸含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對馬鈴薯生理指標的影響

由圖1可見，馬鈴薯凈光合速率Pn和灌水量密切相關(guān)，隨著灌水量的增加，馬鈴薯凈光合速率Pn也增加，兩者表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系，其中處理5的Pn最大，為35.5 μmol∕（m2·s），其次是處理4＞處理3＞處理2＞處理1，其中處理1 最小，最大值處理5較處理1、處理2、處理3、處理4 分別大55.93%、44.9%、12.22%和8.12%?？梢娞幚?和處理2與處理3、處理4和處理5組間差異顯著，說存在一個水分閾值，當超過閾值時，馬鈴薯凈光合速率隨著灌水量增加產(chǎn)生的增加值差異變小。擬合灌水量M與凈光合速率Pn關(guān)系可得Pn=0.063M+10.76，決定系數(shù)R2=0.959，兩者表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系。

圖1 不同處理馬鈴薯凈光合速率PnFig.1 Photosynthetic rate of potato under different treatments

作物葉片氣孔是氧氣、CO2、水分等進出的通道，氣孔導度大，進入細胞間的CO2濃度就越高，參與光合作用的CO2就越多，馬鈴薯的光合作用也就越大。由圖2可以看出，馬鈴薯氣孔導度和灌水量有一定的關(guān)系，基本趨勢是隨著灌水量的增加馬鈴薯葉片的氣孔導度就越大，但是處理3較處理2小9.1%，出現(xiàn)了反?，F(xiàn)象，各處理氣孔導度相對大小和方向依次為處理5＞處理4＞處理2＞處理3＞處理1，最大值處理5 較最小值處理1大72%。說明在灌水量增加時能顯著提高馬鈴薯葉片的氣孔導度，擬合灌水量M和氣孔導度Gs之間的關(guān)系可得Gs=0.000 67M+0.063 6，決定系數(shù)R2=0.82，兩者之間也具有較為顯著的線性關(guān)系。

圖2 不同處理馬鈴薯氣孔導度GsFig.2 Stomatal conductance of potato under different treatments

馬鈴薯胞間CO2濃度Ci越高說明進入細胞內(nèi)參與光合作用的CO2越少，馬鈴薯光合強度就越小，其值受到葉片氣孔導度、葉片周圍空氣的CO2濃度、葉肉導度和葉肉細胞的光合活性等的影響。由圖3 可以看出，馬鈴薯葉片胞間CO2濃度隨著灌水量的增加開始變化不大后來迅速減小，處理1 和處理2 之間差異不顯著，處理3 則較處理小8.56%，處理4 和處理5 分別小16.77%和35.93%。擬合胞間CO2濃度和灌水量M之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Ci=-0.000 55M2+0.218M+60.82，決定系數(shù)R2=0.987，可見兩者之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系，并且表現(xiàn)為顯著性相關(guān)。葉片蒸騰強度是反應(yīng)土壤水分狀況的重要指標，灌水量小馬鈴薯從土壤可吸收的水分少，容易發(fā)生土壤干旱，若空氣風速較大，馬鈴薯蒸騰強度過大，容易發(fā)生生理干旱，因此，作物蒸騰強度的大小和土壤水分直接相關(guān)。由圖4 可以看出，馬鈴薯葉片蒸騰強度與灌水量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，隨著灌水量的增加馬鈴薯蒸騰強度也線性增加，表現(xiàn)為較好的一致性，其中處理5蒸騰強度最大，為8.21 mmol∕（m2·s），其次為處理4，最小的處理1，僅為為3.17 mmol∕（m2·s），處理5較處理4、處理3、處理2、處理1分別大7.47%、26.6%、50.95%和61.43%。擬合蒸騰強度Tr和灌水量M之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其也較好地滿足線性關(guān)系，Tr=0.027M-2.389，決定系數(shù)R2=0.973，表現(xiàn)為顯著性相關(guān)關(guān)系，說明馬鈴薯騰發(fā)量受灌水量的顯著影響，灌水量增加其蒸騰強度也隨著提高。

圖3 不同處理馬鈴薯胞間CO2濃度CiFig.3 Intercellular CO2 concentration of potato under different treatments

圖4 不同處理馬鈴薯蒸騰強度TrFig.4 Transpiration intensity of potato under different treatments

2.2 不同灌水對馬鈴薯根和葉脫落酸ABA的影響

植物在干旱脫水等條件下一種主要生理變化是內(nèi)源激素脫落酸ABA 含量的變化，這是由于脅迫信號會激發(fā)ABA 合成酶的作用，從而使ABA 在細胞內(nèi)的含量快速發(fā)生改變。從圖5中可以看出隨著灌水量的減少馬鈴薯葉片中的脫落酸含量增加，各處理葉片中的ABA 含量相對大小和方向依次為處理1＞處理2＞處理3＞處理4＞處理5，與灌水量具有較好的負相關(guān)關(guān)系，其中處理1 最大，較處理2、處理3、處理4、處理5 分別大15.56%、22.22%、31.11%和35.56%。擬合葉片脫落酸ABA 含量和灌水量M的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，即脫落酸含量ABA=-0.156M+118，決定系數(shù)R2=0.955。說明在土壤水分不足時，馬鈴薯會產(chǎn)生一定的內(nèi)源激素對其生理活動進行調(diào)節(jié)，使水分消耗量減少，這也是馬鈴薯對周圍環(huán)境脅迫進行自適應(yīng)的一種應(yīng)激反應(yīng)，可最大限度減少土壤水分不足對其生長造成的脅迫影響。

圖5 不同處理馬鈴薯葉片脫落酸含量Fig.5 Abscisic acid content in leaves of different treatments

圖6 為不同處理馬鈴薯根系中脫落酸ABA 含量的變化，可以看出其表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，各處理根系脫落酸含量相對大小和方向依次為處理2＞處理3＞處理1＞處理4＞處理5，其中處理2 根系中脫落酸含量達到最大，其較處理3、處理1、處理4、處理5分別大9.52%、14.28%、33.33%和47.62%。處理1根系A(chǔ)BA 含量小于處理2 和處理3，但是處理1 葉片中ABA 含量顯著高于其他處理，這可能是因為處理1 下馬鈴薯根系在水分不足時產(chǎn)生的脫落酸轉(zhuǎn)移至葉片參與葉肉保衛(wèi)細胞的調(diào)節(jié)活動。但是整體趨勢和葉片相似，即隨著灌水量的增加根系脫落酸含量減小，處理1、處理2 和處理3較處理4 分別大28.57%、50%和35.72%，處理1、處理2和處理3較處理5分別大63.64%、90.9%和72.73%。說明馬鈴薯在土壤水分不足時，根系通過對滲透物質(zhì)、保護酶和內(nèi)源激素的調(diào)節(jié)來維持自身的正常生理代謝功能，來抵抗水分虧缺帶來的影響。由此可見馬鈴薯對土壤水分脅迫具有一定的調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，也說明了其對土壤干旱脅迫逆境所表現(xiàn)出來的耐旱作用和逃旱作用機制。

圖6 不同處理馬鈴薯根系脫落酸含量Fig.6 Abscisic acid content in roots of different treatments

2.3 馬鈴薯脫落酸在調(diào)節(jié)氣孔行為中的作用

當土壤水分不足時，馬鈴薯會產(chǎn)生一定的內(nèi)源激素對其生理活動進行調(diào)節(jié)，這種內(nèi)源激素包括很多類型，其中對蒸騰起主要作用的激素為脫落酸ABA。脫落酸對蒸騰的調(diào)節(jié)機制主要有兩種觀點，一是認為脫落酸通過刺激K+和Na+等離子，間接作用到葉片保衛(wèi)細胞上，使氣孔減小或者關(guān)閉，另一種解釋為脫落酸直接作用于葉片保衛(wèi)細胞使其收縮，造成氣孔關(guān)閉，蒸騰減少［18］。由圖7可知，氣孔導度Gs和葉片脫落酸ABA 含量之間表現(xiàn)為一定的負相關(guān)關(guān)系，隨著葉片脫落酸ABA 含量的增加，氣孔導度Gs逐漸減小。擬合發(fā)現(xiàn)兩者符合線性關(guān)系，即Gs=-0.003ABA+0.542，決定系數(shù)R2=0.72，說明整體來看，葉片脫落酸ABA 在調(diào)節(jié)葉片氣孔行為上具有一定的作用，隨著其含量升高，葉片氣孔關(guān)閉，氣孔導度減小。但是其決定系數(shù)僅為0.72，說明還存在其他因素或內(nèi)源激素，與脫落酸ABA 共同調(diào)節(jié)葉片氣孔行為，或各因素之間還存在互作效應(yīng)，還有待進一步研究。

圖7 葉片ABA和氣孔導度Gs關(guān)系Fig.7 Relationship between leaf ABA and Gs

圖8 為葉片脫落酸ABA 和蒸騰強度的關(guān)系，與氣孔導度Gs類似，葉片ABA 含量與蒸騰強度也表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系，隨著葉片脫落酸ABA 含量的升高，馬鈴薯蒸騰強度Tr逐漸降低。擬合后發(fā)現(xiàn)Tr=-0.167ABA+17.72，決定系數(shù)R2=0.931，說明兩者表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，說明葉片脫落酸ABA 在抑制馬鈴薯蒸騰方面具有直接作用。在土壤水分不足時，馬鈴薯通過機體自適應(yīng)反饋體系產(chǎn)生內(nèi)源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了葉片的蒸騰強度，減少了水分流失，進而保證植株體細胞保持膨脹所需要的水分。

圖8 葉片ABA和蒸騰強度Tr關(guān)系Fig.8 Relationship between leaf ABA and Tr

3 主要結(jié)論

（1）馬鈴薯氣孔導度、蒸騰強度、凈光合速率均與灌水量正相關(guān)，且與灌水量表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，胞間CO2濃度相反，說明土壤水分充足時，能促進馬鈴薯各項生理過程，光合速率加快，同化物累計量增加，大量的CO2進入細胞內(nèi)參與光合作用，造成胞間CO2濃度降低。

（2）馬鈴薯葉片和根系中脫落酸ABA 含量與灌水量表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系，馬鈴薯在土壤水分不足時，根系通過對滲透物質(zhì)、保護酶和內(nèi)源激素的調(diào)節(jié)來維持自身的正常生理代謝功能，抵抗一定的水分虧缺，可見馬鈴薯對土壤水分脅迫具有一定的調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，充分說明了其對土壤干旱脅迫逆境所表現(xiàn)出來的耐旱作用和逃旱作用機制。

（3）葉片脫落酸ABA 在調(diào)節(jié)葉片氣孔行為上具有一定的作用，隨著其含量升高，葉片氣孔關(guān)閉，氣孔導度減小，但是其決定系數(shù)僅為0.72，說明還存在其他因素或內(nèi)源激素，與脫落酸ABA 共同調(diào)節(jié)葉片氣孔行為。葉片脫落酸ABA 在抑制馬鈴薯蒸騰方面具有直接作用，在土壤水分不足時，馬鈴薯通過機體自適應(yīng)反饋體系產(chǎn)生內(nèi)源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了葉片的蒸騰強度，減少了水分流失，進而保證植株體細胞保持膨脹所需要的水分。