8個紫花苜蓿品種的水分利用效率研究

蔣英潔，韓 旭，時玉新，張 卓，秦宇翱，陳柳倩，劉桂霞

（1.河北大學生命科學學院 河北，保定 071002；2.承德市國營魚兒山牧場 河北，承德 068359；3.敖漢旗農牧局 內蒙古，赤峰 024300）

迄今為止，水資源短缺和干旱仍是限制作物生長的主要因素之一[1]，預計到2030 年，全球水資源短缺的國家將上升到50 個國家，這將影響30 億人的生存問題[2]。我國西北地區屬于干旱、半干旱和干旱亞濕潤地帶，年降雨量小于100 mm，水資源嚴重不足加之人類活動如過度放牧、開墾等，使其成為我國生態環境最為脆弱的地區之一。在常年雨水匱乏的情況下，水資源利用效率低，用水結構不平衡[3]及作物極大的耗水量無疑增加了該地干旱的困境。要解決此問題不僅需要提高單位土地面積的生產力，更需要從提高單位土地面積的生產力向提高單位用水量的生產力轉變，即提高作物的水分利用效率（WUE）以維持其產量并減少用水量[4-5]。

水分利用效率指植物消耗單位水分所生產的同化物質的量[6]，它是用以描述植物產量與耗水量之間關系的名詞，是旱地農業研究的重要理論之一。最初是由Briggs和Shantz 等[7]進行植物水分利用效率的理論研究，將其定義為需水量。隨著更多學者地深入研究，需水量最終被水分利用效率取代。我國隨著節水高效農業的興起，許多學者對其進行了概括和總結，并取得了一系列的研究成果與進展[8-14]。水分利用效率是植物在有限水分條件下重要的生理特性[15]，同一作物的不同品種之間水分利用效率不同[16]，而水分利用效率高的品種可以利用更少的水分產生同等的產量，或者可以利用同等量的水分產生更高的產量。劉國利等[17]研究表明在水分脅迫下，紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高；劉軍等[18]研究表明在適度的水分脅迫下，現蕾期的紫花苜蓿水分利用效率同樣有所增長；李文嬈等[19]研究補充說明了當水分恢復后紫花苜蓿WUE逐漸恢復到對照水平。

紫花苜蓿作為優質的多年生豆科牧草，營養價值高且生態效益好[20]。紫花苜蓿富含優質蛋白質等多種營養物質，是畜牧業高品質飼草來源之一，在動物生產上具有廣泛的應用前景[21]；其發達的根系能延伸到土壤深層，具有抗旱固土，改良土壤等作用[22]。此外，紫花苜蓿也是上好的綠肥，能在改良土壤、提高作物產量的同時，達到減少投資、提高收入的目的[23]。紫花苜蓿分布極為廣泛，在美國、歐洲、加拿大和中國均有種植[24]。我國紫花苜蓿的主產區集中在西北、東北等地區[25，26]，這些地區干旱少雨，紫花苜蓿的種植、栽培等過程存在水資源匱乏、生產率下降等問題。數據顯示，截至2020年我國苜蓿的種植面積增至54.7萬公頃，產量已達400萬噸[27]，但依然供不應求，結合2022年2月農業農村部提出的關于擴大苜蓿等優質牧草種植的意見，我國應為提高苜蓿產量尤其是旱地苜蓿產量做出解決方案，因此，提高紫花苜蓿的抗旱性并選育栽培抗旱品種至關重要。

虧缺灌溉是解決旱地農業可持續發展的重要措施之一[13]，通過減少灌溉用水刺激植物產生相應的抗旱機制，進而提高植物的水分利用效率[28，29]。目前，關于紫花苜蓿的抗旱性研究主要集中在產量和固氮等方面，對于苜蓿光合生理參數和水分利用效率等方面很少關注。植物內部的生理代謝活動的測定可以用來確定植物的抗旱性[30]。因此，本研究采用具有良好品質和生態、經濟效益的8種紫花苜蓿為試驗材料，通過測定不同干旱脅迫處理下、不同品種紫花苜蓿的胞間CO2濃度（Ci）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）等指標，篩選出水分利用效率較高的品種，以期為紫花苜蓿高產高效栽培提供計劃及理論指導并為提升旱地紫花苜蓿產量提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗材料由農科院北京畜牧種子公司提供，共計8個紫花苜蓿品種（見表1）。選取籽粒飽滿、大小一致的種子播種，每盆待苗齊后間苗保留苜蓿10株。

表1 試驗材料及來源

1.2 試驗方法

盆栽試驗在保定清苑海明公司溫室進行。干旱脅迫梯度設置為對照（CK）、輕度（LS）、中度（MS）和重度（SS）4個水平，4 個水平的土壤含水量分別為田間持水量的75.0%～80.0%、60.0%～65.0%、45.0%～50.0%和30.0%～35.0%，每處理4次重復，每個品種16盆，共128盆。各處理的田間持水量采用稱重法控制[31]，每隔2天進行水分補充，使其維持在設定的水平梯度。實驗前期各處理均保持在75.0%～80.0%的田間持水量，當苗長到三葉一心時，開始進行干旱脅迫處理。

1.3 試驗指標及測定方法

1.3.1 光合指標當紫花苜蓿正處于第1 茬的旺盛生長期時，選擇花盆中完全伸展、無病蟲害且保持完整的三葉一心時，選擇晴天09:00～11:30的時間段，用ECA-PB0402光合測定儀測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci），并記錄數據。每處理測定4株，每葉片測定3次，取平均值。

1.3.2 水分利用效率

紫花苜蓿水分利用效率（WUE）計算公式：

WUE=Pn/Tr

式中：WUE為水分利用率；Pn為凈光合速率；Tr為蒸騰速率。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel整理測定所得試驗數據，用SPSS 26.0 軟件對數據進行單因素方差分析，并用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同干旱處理對紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響

不同程度的干旱脅迫對各紫花苜蓿品種的胞間CO2濃度產生顯著影響（P＜0.05）（見圖1）。從各紫花苜蓿品種胞間CO2濃度的變化幅度上看，在輕度干旱水平下，WL的胞間CO2濃度下降最為顯著（P＜0.05，下同），較對照相比降低34.93%；德寶次之，較對照顯著降低26.94%；三得利和先行者兩者下降百分比差距不大，分別較對照顯著下降19.39%和19.11%。在中度干旱水平下，德寶、WL的胞間CO2濃度較對照分別顯著下降45.01%和43.82%；中苜1 號、三得利次之，分別較對照顯著下降33.96%和32.92%；在重度干旱水平下，德寶的胞間CO2濃度較對照下降53.10%，差異性最為顯著；WL、中苜1號和三得利次之，分別較對照顯著46.82、44.23%和42.23%。在不同干旱水平下，賽迪的胞間CO2濃度始終顯著高于其他紫花苜蓿品種，且隨干旱脅迫程度的加強，僅在重度干旱脅迫處理下較對照顯著降低6.50%；驚喜與阿爾岡金在受到中度以上的干旱脅迫時，其胞間CO2濃度無顯著差別（P＞0.05），且僅次于賽迪。

圖1 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種胞間CO2濃度的影響（μmol CO2／m2·s）

2.2 不同干旱處理對紫花苜蓿凈光合速率的影響

凈光合速率測定結果（圖2）表明，不同程度的干旱脅迫對各紫花苜蓿品種的凈光合速率產生顯著影響，即干旱脅迫顯著降低了各品種的凈光合速率（P＜0.05）。從各紫花苜蓿品種凈光合速率的變化幅度上看，在輕度干旱條件下，德寶的凈光合速率下降趨勢最顯著（P＜0.05，下同），較對照降低41.62%；其次是先行者、WL 和賽迪，分別較對照降低23.23%、22.98%和19.78%，其中賽迪凈光合速率較對照變化不顯著（P＞0.05）；反之，阿爾岡金的凈光合速率呈現上升的趨勢，較對照增加4.67%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，先行者、德寶、三得利和WL的凈光合速率較對照下降的趨勢較大，分別為67.91%、55.72%、54.20%和53.47%，均達到顯著水平。在重度干旱水平下，先行者、三得利和德寶的凈光合速率變化仍較大，較對照分別降低67.10%、62.87%和62.39%。隨干旱脅迫強度的增加，阿爾岡金的凈光合速率變化最小，僅在重度干旱脅迫水平下較對照顯著降低21.14%，此外，在各品種中阿爾岡金、中苜1號和賽迪均表現出較高的凈光合速率。

圖2 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種凈光合速率的影響（μmol CO2／m2·s）

2.3 不同干旱處理對紫花苜蓿蒸騰速率的影響

干旱脅迫對各紫花苜蓿品種蒸騰速率的影響與胞間CO2濃度、光合速率的影響整體趨勢一致，都隨著干旱脅迫的加強而顯著降低（P＜0.05）（見圖3）。從各紫花苜蓿品種蒸騰速率的變化幅度上看，在輕度干旱水平下，先行者的蒸騰速率較對照組變化最大為60.18%（P＜0.05，下同）；其次是WL、德寶和驚喜，分別較對照顯著下降50.42%、39.58%和37.98%；而變化程度較小的是阿爾岡金，與對照組相比，僅降低7.59%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，德寶與先行者分別較對照顯著降低102.25%和100.46%；WL 和驚喜次之，分別顯著降低88.62%和81.87%；其他品種紫花苜蓿的蒸騰速率與對照相比均下降了50%以上。在重度干旱水平下，各品種紫花苜蓿的蒸騰速率整體降低了80%以上，其中先行者、德寶和WL較對照顯著降低179.33%、177.06%和173.31%。在不同干旱脅迫處理下，與其他紫花苜蓿品種相比，阿爾岡金的蒸騰速率變化幅度最小，在中度干旱脅迫水平以上，分別較對照顯著降低52.84%和84.30%，且阿爾岡金和賽迪的蒸騰速率在整組中始終保持較高的水平。

圖3 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種蒸騰速率的影響（μmol H2O／m2·s）

2.4 不同干旱處理對苜蓿水分利用效率的影響

不同干旱脅迫處理對各紫花苜蓿品種的水分利用效率呈現出顯著上升的趨勢（P＜0.05）（表2）。從各紫花苜蓿品種水分利用效率的變化幅度上看，輕度干旱水平下，先行者、WL 的水分利用效率增長超過50%，分別高于對照60.18%和50.42%，達到顯著水平（P＜0.05，下同）；德寶、驚喜次之，分別較對照顯著增長42.56%和38.02%；阿爾岡金的水分利用效率較對照增長幅度較小為7.64%。中度干旱水平下，先行者、德寶均較對照顯著增長100%以上，WL和驚喜分別較對照顯著增長88.12%和81.79%；在此處理下中苜1 號的水分利用效率的增長幅度最小為52.54，但同樣達到顯著水平。在重度干旱水平下，先行者、德寶、WL 和驚喜的水分利用效率的變化排名依舊靠前，分別較對照顯著增長178.75%、177.49%、173.01%和141.70%；阿爾岡金變化幅度最小為83.65%。中苜1 號、阿爾岡金、三得利在三種不同程度的干旱脅迫下，均表現出較高的水分利用效率。

表2 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種水分利用效率的影響（μmol CO2／m2·s）

3 討論

干旱是限制紫花苜蓿產量和水分利用效率的主要因素之一，尤其是干旱、半干旱地區，受水資源的影響更甚，如何通過節水灌溉維持紫花苜蓿的產量及經濟效益成為當前待解決的重要科學問題。本研究以8個國內外不同品種的紫花苜蓿為試驗材料，在不同干旱脅迫處理下，通過溫室盆栽試驗，對其胞間CO2濃度、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率差異進行分析，可以得出在不同干旱脅迫處理下各紫花苜蓿品種之間的生理參數存在明顯差異。

胞間CO2濃度是植物進行光合作用的重要原料，其濃度在一定程度上決定著植物的光合作用能否順利進行。CO2濃度對凈光合速率的影響較大[32]，一般認為當CO2濃度下降時，凈光合速率隨之下降。本研究表明，在不同干旱脅迫處理下，各紫花苜蓿品種的胞間CO2濃度和凈光合速率均呈逐漸下降趨勢，這可能與葉片的氣孔導度有關，當干旱水平增強時，葉片的氣孔導度降低，從外界吸收的CO2量減少，導致紫花苜蓿的凈光合速率降低。陳斐等[33]和張玉順等[34]在春、冬小麥短期干旱脅迫處理的研究也得出此結論。

蒸騰速率是反應植物水分代謝強弱的重要指標，瞬時的水分利用效率可以用植物葉片的凈光合速率與蒸騰速率之比來表示，當植物受到干旱脅迫時，主要通過降低蒸騰速率來提高植物的水分利用效率[35]。本研究表明隨著干旱脅迫處理的增強，各紫花苜蓿品種的蒸騰速率也隨之下降，且較胞間CO2濃度和凈光合速率的下降幅度大。正是由于干旱脅迫對蒸騰速率的影響大于對凈光合速率的影響，所以致使水分利用效率呈現遞增的趨勢，各紫花苜蓿品種間的差異達到顯著水平（P＜0.05）。Fairbourn[36]、Grimes[37]、McElgunn 和Heinrichs[38]的研究表明，不同品種紫花苜蓿的水分利用效率差異不顯著，這可能與這些品種的資源親緣關系較近有關。但本研究結果與陳托兄等[39]、萬素梅等[40]、鄭紅梅等[41]和陳曦等[42]的研究結果一致。

在不同干旱脅迫處理下，各紫花苜蓿品種中，胞間CO2濃度始終保持較高水平的是賽迪、驚喜和阿爾岡金；凈光合速率較大的是阿爾岡金、中苜1號和賽迪；阿爾岡金和賽迪的蒸騰速率始終高于其他品種；而水分利用效率較高的是中苜1號、阿爾岡金和三得利。因此綜合上述指標，可以認為阿爾岡金是8種紫花苜蓿品種抗旱性最強的品種。

4 結論

隨著干旱脅迫程度的加深，各紫花苜蓿品種的葉片胞間CO2濃度（Ci）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢，水分利用效率（WUE）則呈上升趨勢；綜合光合生理指標和水分利用效率指標，8個紫花苜蓿品種中抗旱性最強的是阿爾岡金，從節水抗旱方面考慮，該品種適宜在干旱地區推廣種植，以充分利用旱地有限的降水資源并保持或提高產量。