生长年限对苜蓿和柠条光合特征及土壤水分的影响

姚毓菲，邵明安，贾玉华，李同川

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；3.沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866；4.中国科学院大学，北京 100049)

黄土高原水蚀风蚀交错带水土流失严重，生态环境脆弱。长期以来，植树种草作为治理水土流失和改善生态环境的主要措施，在该区域综合治理中发挥了重要作用[1]。苜蓿和柠条具有生态适应性强、根系发达以及保水固土效果显著的特点，又是优质的饲料来源，是黄土高原地区人工植被建设的主要草本和灌木种类[2]。由于苜蓿与柠条属于多年生深根系植物，其持续生长对土壤水分消耗十分强烈，土壤干燥化现象普遍发生，出现了人工植被逐渐退化的现象[3]。因此在人工植被建设中，必须考虑植物持续生长与土壤水分消耗的关系。

光合作用是植物生长发育的基础，植物叶片光合性能的强弱反映了植物的生长情况。不断增加的生长年限及过度消耗的土壤水分对植物生长的限制在光合作用方面表现的尤其明显。对于不同生长年限苜蓿光合性能的研究表明，6 a苜蓿的净光合速率最高，其次较高的是12、14、8 a和26 a苜蓿，18 a最低[4,5]。在黄土高原半干旱区苜蓿生长到10 a土壤含水量降到最低，其适宜生长年限应为8～10 a[6]，也有研究显示第6年后苜蓿进入衰败期[7]。对于处于衰败期的苜蓿，随着生长年限的延长其叶片光合性能及土壤水分如何变化鲜有报道。人工柠条林的生长分为幼龄期(0～6 a)、中龄期(7～14 a)和老龄期(14 a以后)[8]。鲍婧婷等[9]研究发现幼龄和中龄期柠条的光合能力高于老龄期，并且中龄期和老龄期柠条应对干旱的策略不同。柠条的持续生长消耗土壤水分，导致土壤干化，有研究报道幼龄期柠条地土壤0～8 m土层中未形成土壤干层，中龄期土壤干层厚度约2.5 m，老龄期土壤干层厚度达到7 m[10]，对于中老龄期柠条，其叶片光合性能等生理特征与土壤水分的关系有待探索。

本文以黄土高原半干旱区生长年限分别为10、13、33 a和49 a的苜蓿(Medicagosativa)以及10、25、43 a和73 a的柠条(Caraganakorshinskii)为研究对象，研究处于衰败期的苜蓿和中老龄期的柠条，其生长年限对植物叶片光合特征和土壤水分的影响，探讨随生长年限延长植物生长与土壤水分消耗之间的相互作用关系，以期为这两种植物在黄土高原地区的合理种植和可持续经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在中国科学院水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站六道沟小流域进行。六道沟小流域位于110°21′～110°23′E，38°46'～38°51′N，地处黄土高原水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心，海拔1 094.0～1 273.9 m，面积6.89 km2。该流域属于中温带半干旱气候，平均干燥度为1.8，年平均蒸发量785.4 mm，年均降水量437.4 mm，其中6～9月降雨量占全年的77.4%，年均气温8.4℃。该流域主要土壤类型有绵砂土、黄绵土、红土、风沙土以及坝地淤土等。流域位于森林草原向干旱草原过渡带，其植被类型属于灌丛草原类型。随着国家退耕还林还草工程的推进和区域经济的发展，坡耕地逐步转变为林草地，特别是苜蓿草地、柠条灌木林地和果园杏树林地面积显著增加。

1.2 样地设置

2014年7月在研究区内选择地理条件基本一致的不同生长年限的苜蓿和柠条样地各4块，分别是10、13、33 a和49 a苜蓿(ALF10、ALF13、ALF33和ALF49)样地和10、25、43 a和73 a柠条(KOP10、KOP25、KOP43和KOP73)样地。ALF10和KOP10是课题组人员种植，更长时间生长年限的苜蓿和柠条是根据课题组调查资料同时走访多名当地村民确定。其中最远两个样地相距约850 m。每个样地按照“S”形选择5个样株植物，每个样株选取朝向一致、直径最大的5个分株测其地径(距离地面约1 cm处)和株高。样地基本情况及植物生长情况见表1。

表1 研究样点基本情况

1.3 观测指标和方法

数据采集在2014年7月底至8月初进行，测定指标及方法如下：

光合气体交换参数：使用CI-340型便携式光合测定系统在晴天9∶00-11∶30选取植物向阳枝条中上部健康叶片测定，每个样地选择5株样株，每个样株测定5片叶片，每个叶片测定2次。光强设定为1 000 μmol·m-2·s-1，CO2浓度约为400 μmol·mol-1。测定的光合特征参数为净光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、气孔导度(Gs，mmol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)和大气CO2浓度(Ca，μmol·mol-1)等。水分利用效率(WUE，μmol·mmol-1)计算公式为：WUE=Pn/Tr；叶片气孔限制值(Ls)计算公式为：Ls=1-Ci/Ca；非气孔限制值用Ci/Gs表示。

相对叶绿素含量(SPAD)：使用便携式叶绿素仪SPAD-502测定叶片的SPAD值，测定时选取的叶片与测定光合特征值时的一致，每个叶片测定2次。

叶片比叶质量(LMA，g·m-2)：对于每个样株，叶样采集时选择健康的成熟叶片，随机组成3个混合样，每个混合样50片叶片。使用扫描仪扫描叶片，利用Image J软件算出扫描的叶片面积，然后将叶片装入信封，在75℃条件下烘干48 h至恒重，用精度为1/10 000 g的电子天平称量，比叶质量为叶片干质量与叶片面积之比。

土壤体积含水量(SWC，%)：在每个样地均匀埋设3根中子管，使用CNC503A(DR)型智能中子水分仪测定0～400 cm土层土壤水分，测定期间没有降雨。

1.4 数据分析

采用EXCEL 2013和SPSS 16.0软件对数据进行处理，Origin Pro 9.0软件作图。采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和多重比较(Duncan)对不同数据组间进行差异显著性比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生长年限对苜蓿和柠条叶片光合特征和叶结构性状的影响

2.1.1 苜蓿和柠条叶片Pn，Tr，Gs和WUE由图1可知，不同生长年限苜蓿叶片光合参数Pn和Gs均表现为ALF10和ALF13差异不大(P>0.05)，而后随着生长年限的延长(ALF33和ALF49)而显著降低(P<0.05)。生长年限为10、13、33 a和49 a苜蓿叶片Pn分别为24.01、25.27、21.72 μmol·m-2·s-1和16.25 μmol·m-2·s-1，Gs分别为179.63、239.31、169.96 mmol·m-2·s-1和120.67 mmol·m-2·s-1。叶片Tr表现为ALF10、ALF13和ALF33差异不显著(P>0.05)，但是显著高于ALF49(P<0.05)。叶片Gs与Pn、Tr存在极显著的相关性(P<0.01)，相关系数分别为0.711和0.738。ALF49的Pn、Tr和Gs显著低于ALF33(P<0.05)，但是WUE相差不显著(P>0.05)，说明随着生长年限的延长，苜蓿叶片光合速率虽然显著减弱但是叶片的水分利用效率差异不大。

对于柠条叶片，光合参数Pn、Tr、Gs和WUE总体呈现出随生长年限的延长先升高后降低的趋势。具体来说，叶片Pn和Tr表现为KOP25和KOP43差异不显著(P>0.05)，显著高于KOP73，而KOP10最低。例如10、25、43 a和73 a柠条叶片Pn分别为6.62、13.19、14.28 μmol·m-2·s-1和9.33 μmol·m-2·s-1。对于Gs和WUE，表现为KOP43最大，而KOP10和KOP73最小且差异不显著(P>0.05)。叶片Gs与Pn、Tr存在极显著的相关性(P<0.01)，相关系数分别为0.861和0.785。对于中老龄期柠条，叶片的光合性能随着柠条的生长年限延长而增强(KOP25和KOP43)，但柠条持续生长到一定时间后(KOP73)，其光合性能有所下降。

2.1.2 苜蓿和柠条叶片SPAD值和比叶质量(LMA) 由图2可知，苜蓿叶片SPAD值在不同年限间差异不显著(P>0.05)，均值为57.65；苜蓿叶片LMA差异不显著(P>0.05)，均值为82.72 g·m-2。不同生长年限柠条叶片SPAD值表现为中龄期柠条KOP10(60.21)显著低于老龄期柠条KOP25(63.98)和KOP43(65.75)，但是和老龄期柠条KOP73(63.41)差异不显著。这与Pn的规律一致，柠条叶片SPAD与Pn呈极显著正相关(P<0.001)，相关系数为0.514。不同生长年限柠条叶片LMA差异不显著(P>0.05)，均值为77.83 g·m-2。

2.1.3 苜蓿和柠条叶片Ls和Ci/Gs表2展示了不同生长年限苜蓿和柠条叶片的气孔限制值Ls和非气孔限制值Ci/Gs。不同生长年限苜蓿叶片Ls没有显著差异(P>0.05)，均值为0.499；但是ALF49的Ci/Gs(1.789)显著高于ALF10(1.304)、ALF13(1.207)和ALF33(1.449)。不同生长年限柠条叶片的Ls和Ci/Gs均表现先降低后升高的趋势，KOP10最大(4.618)，随生长年限的延长不断降低，KOP43最小(2.438)，而后KOP73(4.014)有所上升。

注：生长年限1、2、3、4的苜蓿和柠条分别为ALF10、ALF13、ALF33、ALF49和KOP10、KOP25、KOP43、KOP73；同种植物不同小写字母表示不同生长年限间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Growing ages 1, 2, 3 and 4 ofMedicago sativaandCaragana korshinskiiwere ALF10, ALF13, ALF33, ALF49, and KOP10, KOP25, KOP43, KOP73, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among growing ages for the same species. The same as below.图1 不同生长年限苜蓿(ALF)和柠条(KOP)叶片Pn，Tr，Gs和WUE比较Fig.1 Leaf Pn，Tr，Gs,and WUE of Medicago sativa(ALF)and Caragana korshinskii(KOP)at different growing ages

图2 不同生长年限苜蓿(ALF)和柠条(KOP)叶片SPAD和LMA比较Fig.2 Leaf SPAD and LMA of Medicago sativa(ALF)and Caragana korshinskii(KOP)at different growing ages

2.2 生长年限对苜蓿和柠条土壤水分的影响

2.2.1 土壤体积含水量的剖面变化特征 图3为不同生长年限苜蓿草地及柠条林地0～400 cm土层土壤体积含水量的垂直分布图。对于不同生长年限的苜蓿草地，由于受到降水的影响，0～100 cm土层土壤总体上均保持着较高的含水量，并随土层深度增加迅速降低。对于0～400 cm土层，土壤剖面平均含水量表现为ALF13(10.88%)最高，ALF10(8.86%)和ALF33(8.81%)居中且差异不显著(P>0.05)，ALF49(6.12%)最低，表明随着苜蓿生长年限的增加，土壤水分经历了恢复又降低的过程。ALF10、ALF13和ALF33在100～400 cm间各深度土壤含水量差异不显著(P>0.05)，并且土壤含水量随土层深度的增加变化较小，垂直分布均一，说明在本试验中处于衰败期的苜蓿在10～33 a间根系对100～400 cm土层土壤水分的消耗程度相似。在250～300 cm土层，ALF49相较于其它3个生长年限土壤含水量变化幅度更大。ALF49在250～300 cm土层土壤水分逐渐增大，在300～400 cm土层土壤含水量(6.90%)与0～100 cm(8.26%)差异不显著(P>0.05)，表明ALF49在该土层土壤水分有所恢复，可能是根系对该层水分消耗降低所致。

表2 不同生长年限苜蓿和柠条的气孔限制值和非气孔限制值

注：同种植物不同小写字母表示不同生长年限间差异显著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among growing ages for the same species.

由于KOP25土壤类型为风沙土，浅层土壤受蒸发影响强烈，0～100 cm土层土壤含水量显著低于其它3个年份的柠条林。对于土壤类型均为黄绵土的KOP10、KOP43和KOP73，土壤含水量在0～100 cm土层迅速下降，对于0～400 cm土层，平均土壤含水量表现为KOP10(8.50%) < KOP43(9.06%) < KOP73(10.71%)(图3)，表明老龄期柠条林地0～400 cm土层土壤水分比中龄期有所提高。KOP10在100～400 cm土层土壤含水量呈现出稳中上升的规律，KOP43和KOP73在100～250 cm土层土壤水分逐渐增加，在250 cm左右土壤水分降低，而后呈现稳中上升的规律。在100～250 cm土层，平均土壤含水量表现为KOP43(6.97%)>KOP10(6.11%)，在250～400 cm土层，土壤平均含水量表现为KOP10(7.86%)>KOP43(6.75%)。

2.2.2 生长年限对不同土层土壤水分的影响 表3为生长年限对苜蓿和柠条地不同土层土壤水分影响的方差分析结果。由于柠条25 a样地为风沙土地，在此我们分析10、13、33 a和49 a的苜蓿草地和10、43 a和73 a的柠条林地。不同生长年限苜蓿地100～400 cm土层土壤含水量差异达到极显著水平(P<0.01)，其中100～200 cm差异最大，F值达到150.703。

图3 不同生长年限苜蓿(ALF)和柠条地(KOP)0～400 cm土层土壤含水量(SWC)剖面分布Fig.3 Soil water content of Medicago sativa(ALF)and Caragana korshinskii(KOP)in the 0～400 cm soil depth at different growing ages

表3 不同生长年限苜蓿和柠条地0～400 cm土层土壤含水量的方差分析

在100～400 cm土层，生长年限对苜蓿草地土壤含水量的影响随深度增加逐渐降低，可能因为随着土壤深度增加苜蓿根系生物量呈指数函数递减规律[11]。生长年限对0～400 cm土层柠条地土壤水分的影响弱于苜蓿地，100～400 cm土层土壤水分的差异性达到显著水平(P<0.05)，其中200～300 cm土层土壤含水量差异最大，F值达到22.302。

3 讨 论

3.1 衰败期苜蓿生长与土壤水分消耗过程

苜蓿持续生长6～10 a后进入衰败期[4-5],本试验探究苜蓿进入衰败期后不同生长年限的叶片光合参数表明，ALF10和ALF13叶片Pn和Gs差异不显著，大于ALF33；ALF10、ALF13和ALF33叶片Tr和WUE差异不显著，ALF494项光合参数均最低(图1)。金风霞等[12]对2～6 a苜蓿叶片光合生理特征进行研究得出，5 a和6 a苜蓿叶片Pn和Tr最高，表明非衰败期苜蓿随生长年限延长光合性能增加。胡守林等[4]对6～26 a苜蓿叶片的光合特征研究结果显示，不同年龄苜蓿叶片Pn大小顺序为：6 a>12 a>14 a>8 a>26 a>18 a，即随生长年限延长呈先降低再升高而后又降低再升高的波动式变化。曹永红等[13]研究3～26 a苜蓿草地土壤有机质含量发现，4～18 a苜蓿土壤有机质含量随生长年限延长逐渐降低，18 a后有机质含量逐渐升高。在本研究中相比10 a苜蓿，13 a苜蓿叶片光合参数尽管有增大的趋势，但差异不显著，说明对于衰败期苜蓿，叶片光合参数随生长年限的延长可能呈现波动式变化，但总体呈逐渐降低的趋势；苜蓿的株高和地径也随着生长年限的延长逐渐降低(表1)，说明苜蓿逐渐衰败。胡守林等[4]认为，生长年限对苜蓿叶片光合速率的影响是因为叶片衰老引起叶绿素含量下降导致，与叶片气孔特征也有关。在本试验中，不同生长年限间叶片SPAD没有显著差别，可能是因为试验苜蓿均处于衰败期，其叶结构性状特征差别不大，没有显著差异的LMA也说明了这一点(图2)。在干旱与半干旱区，土壤水分是制约植物生长的主要限制性因素，生长年限对叶片光合性能的影响可能与土壤水分与植物生长的相互作用有关。

对于不同生长年限苜蓿草地的土壤水分情况，Wang等[14]研究了1～4 a和31 a苜蓿，发现随着生长年限的增加土壤水分逐渐降低；程积民等[6]的研究表明，苜蓿生长4～8 a间为旺盛生长阶段，第10年土壤含水量最低，苜蓿基本衰败，在15～20 a,0～500 cm土层土壤水分可恢复到种植前。在本试验中，0～400 cm土层土壤水分大体呈现随生长年限先增加(ALF13)后降低(ALF33和ALF49)的趋势。说明随着苜蓿年限的增长，对土壤水分消耗呈现“增大—减小—增大”的过程，可见苜蓿生长耗水有一个缓冲期，这可能与不同年限苜蓿生理生长有关，在今后研究中需要深入探讨。受到降雨和蒸发的影响，植物对0～100 cm土层土壤水分的影响弱于深层土壤(100～400 cm)(表3)，但是我们发现49 a苜蓿0～100 cm土层土壤含水量显著低于其他年份。曹永红等[13]报道3～26 a苜蓿0～100 cm土层含水量随生长年限的延长而降低；She等[15]报道了4、7、10、15 a和32 a苜蓿0～120 cm土层土壤储水量，发现32 a苜蓿显著低于其他年份，这些研究与我们的结果一致。在本试验中，土壤水分的变化趋势与叶片光合参数的变化趋势相似，说明土壤水分随苜蓿生长年限的变化同样也影响到苜蓿的生长情况，正如孙东宝等[16]的研究表明，土壤含水量与苜蓿叶片光合性能呈正相关。

Ls和Ci/Gs分别反映了水分胁迫下由气孔导度降低引起的气孔限制和叶肉细胞光合能力下降引起的非气孔限制。叶片的非气孔限制与叶绿体活性、Rubisco活性和RuBP再生能力有关[17]。相比ALF13，ALF33的0～400 cm土层土壤含水量显著降低(图3)，Ls和Ci/Gs有所降低但差异不显著(P>0.05)(表2)，说明水分胁迫作用并不明显。相比ALF33和ALF49的0～400 cm土层土壤含水量显著降低，Ls差异不显著但是Ci/Gs显著增大，说明ALF49形成水分胁迫产生非气孔限制从而降低叶片光合性能。由于本试验中只选取了4个生长年限的苜蓿，土壤水分及叶片光合特征需要进一步研究。

3.2 中老龄期柠条生长与土壤水分消耗过程

对于不同生长年限柠条叶片光合生理特征的研究结果表明，相比中龄期柠条(KOP10)，老龄期柠条叶片光合参数Pn，Tr，Gs和WUE及叶结构性状参数SPAD存在随生长年限延长先增大(KOP25和KOP43)后减小(KOP73)的变化趋势。叶绿素是光合作用中叶片将光能转变为化学能的关键物质，叶片光合特征的变化与叶绿素含量有关，本研究中叶片SPAD与Pn呈显著正相关(r=0.514，P<0.001)。

梁海斌等[18]报道黄土区不同林龄柠条林0～600 cm土层中土壤水分10 a>20 a>35 a，表明柠条的持续生长不断消耗土壤水分。在本试验中黄绵土0～400 cm土层土壤含水量由大至小为：KOP73>KOP43>KOP10，这说明对于成熟柠条林生长至某一时间后0～400 cm土层土壤水分有所恢复。程积民等[10]报道老龄期柠条地上部分的生长主要利用深度超过1000 cm的发达的主根吸收深层土壤水分，浅中层土壤水分有所恢复。相比中龄期柠条(KOP10)，根系下扎吸收深层水分是老龄期柠条(KOP43和KOP73)0～400 cm土层水分恢复的主要原因。此外，对于KOP73，其较差的生长情况(光合参数、株高和基径最低)可能导致水分消耗低于KOP43，土壤水分增大。Jia等[19]的研究表明种植刺槐25 a内，0～400 cm土层土壤含水量随刺槐的生长不断降低，但是大于25 a后，因为刺槐密度的降低土壤水分逐渐恢复。

相比KOP10，KOP43的0～400 cm土层土壤含水量升高(图3)，叶片光合性能提升(图1)，Ls和Ci/Gs均显著降低(表2)，说明土壤水分的增加使叶片气孔限制和非气孔限制减小，叶片光合性能提升，植物长势更好(表1)。KOP43和KOP73的Ls和Ci/Gs均显著增大；非气孔限制值Ci/Gs增大，这可能是因为叶绿体活性、Rubisco活性和RuBP再生能力降低，叶片衰老导致光合性能降低。另外，本试验中KOP25样地土壤类型为风沙土，其它柠条地土壤类型为黄绵土。可以看到，KOP25土壤含水量低于KOP10和KOP43，而KOP25叶片Pn、Tr与KOP43差异不显著但是大于KOP10，这可能与不同质地土壤水分有效性相关，对于土壤质地及植物生长年限对植物光合性能和土壤水分的影响有待进一步探索。

4 结 论

1)对于衰败期苜蓿，10 a和13 a苜蓿叶片光合参数Pn、Tr、Gs和WUE差异不显著，而后随着生长年限的延长逐渐降低(33 a和49 a)；4个生长年限苜蓿叶结构性状SPAD和LMA差异不显著。相比10 a苜蓿，0～400 cm土层土壤含水量随生长年限的延长先升高(13 a)后降低(33 a和49 a)。土壤水分对33 a苜蓿叶片光合的限制作用不明显，但是水分胁迫使49 a苜蓿叶片非气孔限制增大，导致光合性能降低。

2)相比中龄期柠条(10 a)，老龄期柠条叶片光合参数Pn、Tr、Gs和WUE和叶结构性状SPAD随生长年限延长先增加(25 a，43 a)后降低(73 a)，叶片光合参数Pn与SPAD显著正相关。对于同样生长在黄绵土上的柠条(10 a、43 a和73 a)，0～400 cm土层土壤含水量随生长年限的延长逐渐升高。土壤水分恢复使43 a柠条叶片气孔及非气孔限制降低，叶片光合性能提升；73 a柠条叶片气孔及非气孔限制增大，叶片衰老，光合性能降低。