滴灌条件下土壤基质势对红豆杉幼苗叶绿素荧光特性和生长的影响

张玉豪，姚素梅，孟 丽，邓 哲

（河南科技学院 生命科技学院， 河南 新乡 453003）

0 引 言

【研究意义】红豆杉（Taxus chinensisRehd）是红豆杉属植物的通称，为我国一级保护植物，具有珍贵的药用价值[1]，其主要药用成分紫杉醇能够抑制肿瘤细胞的繁殖和迁移，对多种晚期癌症都有显著的疗效[2-4]。近些年，紫杉醇的需求量不断增大，野生红豆杉遭到人类的大肆采伐，由于野生红豆杉生长缓慢、自然条件下的种群竞争力和再生能力弱，野生红豆杉资源已呈濒危状态[5]。因此，加大红豆杉人工驯化栽培技术研究，对保护和恢复红豆杉种质资源具有重要的意义。【切入点】滴灌是节水灌溉方式的一种，具有精确控制土壤水分和易于实现自动化管理等优点[6]，能够根据作物的需水规律进行适时适量地灌溉，近些年在我国得到了迅速发展。红豆杉是喜水喜阴植物，利用滴灌技术探知红豆杉幼苗的需水规律对红豆杉的人工驯化栽培具有十分重要的意义。【研究进展】研究发现，滴灌除了可以有效节水之外，还能够提高作物的生理活性[7]，增强叶片的光合能力[8-9]，改善作物株型[10]，提升作物的产量和品质[11-12]。但前人对滴灌技术的研究多偏重于温室作物和常见树种，而对药用植物红豆杉的报道甚少。【拟解决的关键问题】本研究以太行红豆杉幼苗为材料，在自然条件下，研究不同土壤基质势对滴灌红豆杉幼苗叶绿素荧光特性和植株生长的影响，为红豆杉的人工驯化栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概括

试验于2019 年3—8 月在河南省新乡市河南科技学院药用植物栽培场（35°18′N，113°54′E）进行，该地属大陆性季风气候，多年平均降水量600 mm 左右，多年平均气温14.4 ℃。栽培场采用遮阳网遮阴以模拟适合红豆杉生长的自然环境，遮阳网为加密6 针型，遮阳棚用钢架制造，高约2.5 m。红豆杉幼苗盆栽所用基质的成分是稻壳、土、鸡粪质量比为3∶3∶1，盆栽所用盆的直径和高度均为30 cm。

1.2 试验设计

试验以60 盆生长一致的太行红豆杉幼苗盆栽为材料，每12 盆1 个处理，共5 个处理，每个处理挑选1 盆具有代表性的红豆杉幼苗，于滴灌滴头正下方20 cm 处埋入DLS 系列负压计。将5 个处理的土壤基质势下限分别控制在-10、-20、-30、-40、-50 kPa，每天08:00 和17:00 记录负压计读数，当负压计读数低于该处理的土壤基质势下限时，利用滴灌系统对红豆杉幼苗盆栽进行灌溉，每次每盆灌溉量为5 mm，约为353 mL，用k24 小型流量计检测灌水量。试验前后称量各盆栽的质量，利用公式ET=ΔW/S+I+P计算各处理试验期间耗水量[13]（式中：ET为耗水量（mm）；ΔW为试验前后2 次盆栽质量差（kg）；S为盆栽上表面积（m2）；I为试验期间灌水量（mm）；P为试验期间降雨量（mm））。从3 月开始后，每月监测红豆杉幼苗叶片的叶绿素荧光参数和红豆杉幼苗的株高、冠幅、叶面积指数和地径等生长指标，取具有代表性月份的数据进行分析。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光特性的测量

采用德国WALZ 公司生产的PAM-2500 型便携式叶绿素荧光仪于晴朗天气的09:00—11:00 测量红豆杉幼苗叶片的叶绿素荧光参数。测量时，选择各处理相同冠层处的叶片进行活体测量。测量前先将暗适应叶夹在叶片上，让叶片进行20 min 以上的暗适应，然后测量叶片的慢速动力学曲线，得到F0、Fm、qP、NPQ、ETR和Y（Ⅱ）等荧光参数，并根据所测定的荧光参数计算最大光合量子产量Fv/Fm（Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm）和 PS Ⅱ潜在活性Fv/F0（Fv/F0=(Fm-F0)/F0）。取4 月15 日所测数据作为春季代表月份、6 月15 日所测数据作为夏季代表月份进行数据分析。4 月15 日-10～-50 kPa 5 个下限处理的土壤基质势分别是-9.0、-19.5、-33.0、-38、-50 kPa，6月15日5个处理的土壤基质势分别是-18、-26、-41、-54、-60.5 kPa。

1.3.2 红豆杉幼苗生长指标的测量

试验开始后，每月测量太行红豆杉幼苗的株高，地茎，冠幅和叶面积指数LAI值。红豆杉幼苗的株高为从盆栽盆沿处到植株顶端的距离。地径的测量统一取与盆栽盆沿等高处的株干直径，测量时用电子游标卡尺测量茎干南北和东西方向的直径，取其平均值记为地径。冠幅测量时取植株南北与东西宽度的平均值。采用LAI-2200 型冠层分析仪于测量日的日出前或日落后光线比较均匀时测量各处理的叶面积指数LAI值。测量时要防止除测量样品之外的其他物品入镜，以降低测量误差。

1.3.3 数据分析方法

采用SAS 统计软件中的ANOVA 过程对数据进行方差分析。利用Microsoft Excel 2013 对数据进行处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 降雨量、灌水量和耗水量情况

图1为2019年3—8月的降雨情况。由图1可知，从3 月中旬—5 月中旬的降雨量较少，进入夏季后降雨量增大且降雨频繁。试验期间总降雨量为287.7 mm，-10～-50 kPa 5 个下限处理的总灌水量分别是735、565、460、330、290 mm，总耗水量分别是674.5、580.9、509.9、447.8、424.8 mm，红豆杉幼苗的土壤基质势值越高，耗水量越大。

2.2 土壤基质势随时间的变化规律

图2 为-10～-50 kPa 5 个处理20 cm 深处的土壤基质势变化过程。从图2 可以看出，试验开始后除了几次强降雨使各处理的土壤基质势突然增大到一致外，其他时间段的土壤基质势基本都在试验控制范围之内，且呈锯齿状变化。其中-10 kPa 和-20 kPa 2 个处理的土壤基质势变化比较平缓，-30～-50 kPa 3 个处理的土壤基质势变化幅度较大。

图1 2019 年3—8 月降雨情况 Fig.1 Rainfall from March to August 2019

图2 不同土壤基质势处理20 cm 深处土壤基质势变化 Fig.2 The changes of soil matric potential in 20 cm for different treatment

2.3 不同土壤基质势下红豆杉幼苗叶绿素荧光参数F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0

F0表示最小荧光产量，是光合系统PSⅡ反应中心完全开放时的荧光水平，Fm为PSⅡ反应中心完全关闭时的最大荧光产量，Fv/F0表示PSⅡ潜在活性，Fv/Fm表示PSⅡ最大光合量子产量，Fv/Fm数值高意味着PSⅡ反应中心原初光能的转化能力强，对光能有较高的利用潜力[14]，当植物遭受胁迫时，Fv/Fm数值会降低[15]。由表1 可知，在春季时，红豆杉幼苗叶片的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0随着土壤基质势的降低呈下降趋势，其中，-10 kPa 的F0数值最大且与其他各组差异显著，-40 kPa 和-50 kPa 的Fm、Fv/Fm和Fv/F0数值最小，与其他3 组差异显著。进入夏季之后，各处理的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0数值相近，差异均不显著。表明春季-40 kPa 和-50 kPa 处理的红豆杉幼苗出现了水分胁迫，叶片PSⅡ潜在活性下降，光能转化能力降低。而进入夏季后，降雨变得频繁，低土壤基质势的红豆杉幼苗得到了一定的补偿效应，缓解了-40 kPa 和-50 kPa 处理组所遭受的水分胁迫，使各处理的F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0之间的差异缩小。

表1 不同土壤基质势下红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数F0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0 Table 1 Chlorophyll fluorescence parameters F0, Fm, Fv/Fm and Fv/F0 in leaves of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

2.4 不同土壤基质势下红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数qP 和NPQ

光化学淬灭系数qP可反映出PSⅡ用于光化学电子传输的光能所占天然色素吸收的光能的比例，能够表现出PSⅡ反应中心的开放程度[16]。非光化学淬灭系数NPQ反映了色素吸收的光能用于热耗散的部分[17-18]，NPQ增大表明植物热耗散的能力增大，从而避免了过剩光能对光合机构的损伤，提高了叶片的自我保护能力[19]。由图3—图4 可知，春季时，5 个处理的红豆杉幼苗叶片qP和NPQ呈上升趋势，进入夏季后，5 个处理的红豆杉幼苗叶片qP呈下降趋势，NPQ先升后降，表明春季时低土壤基质势的红豆杉幼苗对干旱胁迫有一定的抗性，通过热耗散的形式对自身进行保护，随着试验时间的延长，进入夏季后，低土壤基质势的红豆杉幼苗叶片PSⅡ反应中心的开放程度降低，但植株仍具有一定的光保护能力。

2.5 不同土壤基质势下红豆杉幼苗叶片叶绿素荧光参数ETR 和Y（Ⅱ）

电子传递速率ETR反映了实际光强下的表观电子传递速率，是表示植物光合能力大小的有效参数[20]。实际光化学效率Y（Ⅱ）常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，能够反映出植物叶片光合电子传递速率的快慢[21]。由图5—图6 可知，春季时，-10 kPa处理的红豆杉幼苗叶片ETR和Y（Ⅱ）显著低于其他处理，进入夏季后，5 个处理的红豆杉幼苗叶片ETR和Y（Ⅱ）呈下降趋势。表明春季时低土壤基质势的红豆杉幼苗叶片电子传递速率能够保持在较高水平。但随着试验时间的延长，进入夏季后气温上升，低土壤基质势的红豆杉幼苗的抗旱能力减弱，叶片的电子传递速率减慢，而高土壤基质势的红豆杉幼苗能够获得充足的水分，叶片光合电子传递速率增大。

图4 叶绿素荧光参数NPQ Fig.4 Chlorophyll fluorescence parameters NPQ

图5 叶绿素荧光参数ETR Fig.5 Chlorophyll fluorescence parameters ETR

2.6 不同土壤基质势对红豆杉幼苗生长状况的影响

水分是植物生长所必需的环境因子之一，水分缺失将直接影响植物的生长。由表2—表3 可知，随着时间的延长，各处理组的地径、株高、叶面积指数LAI和冠幅均表现为增长，但差异性有所不同。地径的增长最为缓慢，所有处理的红豆杉幼苗地径于试验起始的6 个月时间里均仅增长1～2 mm，且无显著差异。株高的差异最为显著，试验开始30 d 后，-50 kPa处理的红豆杉幼苗株高开始显著低于其他处理，随着试验的进行，各处理株高的差异逐渐明显，截止到试验结束前期，-20 kPa 处理组的株高最高，-40 kPa 和-50 kPa 处理组的株高最低，-30 kPa 处理组的株高处于中间值，且三者差异显著。各处理红豆杉幼苗的叶面积指数LAI和冠层在试验前期没有显著性差异，随着试验的进行，冠幅的差异性逐渐显著，低土壤基质势处理组的部分叶片开始变黄脱落，通过减少自身消耗以应对干旱环境，其中，-50 kPa 处理组的叶片脱落现象最为明显，各处理间叶面积指数LAI开始出现差异性，截止到试验结束前期，-20 kPa 和-30 kPa 处理组的LAI最高，-20 kPa 的冠幅最大，且差异显著。

表2 不同土壤基质势下红豆杉幼苗地径和株高 Table 2 Ground diameter and Plant height of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

表3 不同土壤基质势下红豆杉幼苗叶面积指数LAI 和冠幅 Table 3 LAI and crown breadth of Taxus chinensis seedlings under different soil matric potentials

3 讨 论

叶绿素荧光特性可以准确地反映出植物光合生理与环境因子之间的关系，能够判断植物的光合特性、光保护能力以及受胁迫的状态[22-23]。研究者们常通过直接测定活体叶片叶绿素荧光参数来研究逆境环境对植物光合作用的影响[24]。刘文瑜等[25]对藜麦幼苗进行干旱胁迫研究，发现随着干旱胁迫程度的加剧，藜麦幼苗叶片F0、Fm和Fv/Fm均呈下降趋势，NPQ呈升高趋势，这与本试验春季时结果一致。本试验中，春季时试验处理时间还较短，且春季气温低，红豆杉幼苗对水分的需求较低，低土壤基质势的红豆杉幼苗虽然受到干旱胁迫，叶片PSⅡ潜在活性和最大光合量子产量降低，但仍可以通过增加热耗散的形式抵御干旱，使光合电子传递速率和PSⅡ反应中心的开放程度保持在较高水平。进入夏季后，气温升高，红豆杉幼苗对水分的需求量大，低土壤基质势的红豆杉幼苗叶片的光合电子传递速率和PSⅡ反应中心的开放程度开始减小，但夏季降雨量增加，低土壤基质势的红豆杉幼苗得到了一定的补偿效应，叶片PSⅡ潜在活性增大，使低土壤基质势的红豆杉幼苗仍具有一定的光保护能力。

土壤含水率能够显著影响作物的生长状况，探索出适合作物生长的最佳土壤含水率对作物的栽培与耕作具有十分重要的意义。李森等[26]发现将滴灌滴头正下方20 cm 处土壤基质势控制在-15 kPa 以上可以提高紫花苜蓿的株高、盖度和生物量。贾俊姝等[27]发现滴灌滴头正下方20 cm 处土壤基质势为-20 kPa 时，枸杞的冠幅、抽新枝数及结果枝数增长量达到最大。本试验中，不同处理红豆杉幼苗的各生长指标在春季时无显著差异，但随着温度的升高，红豆杉幼苗的水分需求量增大，各处理生长指标之间的差异逐渐增大，其中-20 kPa 处理组的红豆杉幼苗的株高、地径和冠幅于试验后期达到最大值，LAI仅次于-30 kPa 处理组，但无显著差异。因此将滴灌滴头正下方20 cm 处土壤基质势下限设置在-20 kPa 有利于红豆杉幼苗的生长。

4 结 论

1）红豆杉幼苗具有一定的抗旱能力，春夏二季均可以通过热耗散的形式抵御干旱环境。但随着试验时间的延长，低土壤基质势的红豆杉幼苗叶片光合电子传递速率和PSⅡ反应中心的开放程度逐渐降低，夏季降雨量的增加使各处理红豆杉幼苗叶片的PSⅡ潜在活性和最大光合量子产量之间的差异缩小。

2）在5 个试验处理中，-20 kPa 处理组红豆杉幼苗的株高、地径和冠幅于试验后期达到最大值。因此将滴灌滴头正下方20 cm 处土壤基质势下限设置在-20 kPa 有利于红豆杉幼苗的生长。