喷灌不同水肥处理下紫花苜蓿光合特性、叶绿素荧光参数及产量变化

薛瑞清，王 飞，蔺宝军，胡明国

（1.大禹节水集团股份有限公司，天津300000；2.甘肃省节水灌溉技术与装备重点实验室，兰州730000）

紫花苜蓿（Algonquin）含有多种有效成分，再生能力强，被赋予“牧草之王”的美称[1]，我国苜蓿种植面积约为377 万hm2［2］，主要分布在西北、华北、东北各省区。西北干旱半干旱地区是水资源供需矛盾最为突出、水资源短缺问题最为严重的地区之一。该区域内长期缺乏牧草精准水肥调控管理和化肥使用的管制，造成了大量水资源浪费和土壤结构破坏，导致肥力下降、生态环境饱受威胁。采用合理的灌溉制度调控土壤生态环境，可大幅提升水、肥利用效率，促进人与自然和谐发展。2015年，国家出台文件《全国农业可持续发展规划》，提出将水资源紧缺作为农业可持续发展的重点问题解决，并提出在西北地区规模化推进喷灌、滴灌、微灌等高效节水灌溉技术以缓解西北地区水资源供需矛盾和解决灌溉水浪费等问题。

光合作用直接决定着碳、氮代谢的强弱，最终反映生产性能的高低[3]，土壤水分状况作为影响植物光合作用最主要的环境因素[4]，过度亏缺则直接影响紫花苜蓿叶片光合速率和蒸腾速率，造成叶片光合中心破坏[5]，还会影响作物的光反应与暗反应，以及影响作物光合器官，降低光合CO2同化效率，从而影响叶绿素荧光变化，最终影响光合特性。有研究表明显示，光合作用的影响因子除环境因素外，与土壤矿质元素间也有很大关系，尤其是氮、磷、钾，对植物叶绿素含量、气孔导度和叶片胞间CO2浓度以及蒸腾速率和净光合速率的影响显著[6-8]。光合碳代谢为氮代谢提供能量和碳架，而植物体内氮素水平与碳、氮代谢等过程有密切关系[9]，增加氮素可以加快光合速率来满足碳、氮代谢对能量的同时需求［10］。目前针对紫花苜蓿光合特性对土壤水分环境响应研究居多，西北干旱半干旱区作为紫花苜蓿的重要要种植区，以及高效节水灌溉技术大力推广区，喷灌模式对紫花苜蓿的影响研究却较少，尤其缺少水肥优化控制灌溉对紫花苜蓿光合生理变化方面的研究。本研究通过不同水肥梯度变量下紫花苜蓿的光合特性与叶绿素荧光特性，探究苜蓿光合生理间的内在联系，以期得到最佳水肥控制灌溉模式，为西北灌区牧草增产节水提供充分科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

丰乐河灌区位于酒泉市肃州区城东南方向约70 km 处，平均海拔为1 610 m，属典型绿洲农业区，区内气候干燥，光照充足，昼夜温差大，太阳辐射强，年平均气温7.9 ℃，无霜期130 d。

研究区60 cm 以上土层为中壤土，60 cm 以下主要为砂土层，耕作层土壤肥力情况如表1所示。

表1 灌区土壤肥力基本情况

1.2 试验材料

试验以紫花苜蓿为主要试材。紫花苜蓿属于长日照植物，我国北方气温较低，风大干旱，春播易失败。一般采用夏季雨后抢墒播种，以5-7月初为宜。紫花苜蓿种子细小，幼芽细弱，顶土力差，整地必须精细，要求地面平整，土块细碎，无杂草，墒情好。紫花苜蓿根系发达，入土深，对播种地要深翻，才能使根部充分发育，按照试验要求划分小区。

播种前要晒种2～3 d，以打破休眠，提高发芽率和幼苗整齐度。播前种子进行丸衣化处理，按种子500 kg+包衣材料150 kg+粘合剂1.5 kg+水75 kg+钼酸铵1.5 kg 的配方进行。采用条播，行距25 cm，撒播时要先浅耕后撒种，再耙耱，播量为7 kg/hm2。

1.3 试验设计

试验于2017年4月开始，为了提出中低产田规模化喷灌作物精量管理和水肥控制模式，采取大田试验，试验采用裂区方式设计，其中主因素为氮肥施用量，副因素为灌水水平，试验设灌水和施氮两个水平，施氮设3 个不同梯度，依次为N1（228.3 kg/hm2）、N2（206.6 kg/hm2）、N3（184.8 kg/hm2)，灌水设4 个不同梯度，依次为T1 (465.4 mm)、T2 (416.8 mm)、T3(351.9 mm)、T4(287.1 mm)，共计12 个处理，每个处理3 次重复，共计36个试验小区，试验设计如表2所示。

表2 中低产田苜蓿喷灌水肥调控试验设计

当充分灌溉处理T1 的土壤含水量达到田间持水量的50%开始灌水。在苜蓿苗期和成熟后期不灌水，除了播种时按当地水量灌水外，第二次灌水是在土壤含水量下降到田间持水量的50%时进行。

播种前，在试验田中撒施磷酸二铵441 kg/hm2、尿素150 kg/hm2、硫酸钾126 kg/hm2作底肥，在生长期共施尿素两次，N1 处理分枝期(7月15 号)冲施141.3 kg/hm2，现蕾期(7月25 号)冲施87.0 kg/hm2；N2 处理分枝期(7月15 号)冲施141.3 kg/hm2，现蕾 期(7月25 号)冲 施65.3 kg/hm2；N3 处 理 分枝期(7月15 号)冲施141.3 kg/hm2，现蕾期(7月22 号)冲施43.5 kg/hm2全生育期内除灌水及施肥外，各处理的锄草、喷施农药等措施均按当地习惯进行。试验小区布置如图1所示。

图1 苜蓿喷灌试验小区布置图

1.4 试验方法

试验灌水设备采用指针式喷灌机灌溉：机组共有1跨，单跨长54.8 m，悬臂长25.08 m，喷洒半径80 m。喷灌机安装美国Nelson 公司的R3000 型低压喷头，选配0.14 MPa 压力调节器，悬臂末端不安装尾枪。

相关仪器还包括土钻(2.0 m)、皮尺、电子天平(0.01 g)、烘箱(105 ℃)、环刀、水表、游标卡尺、钢卷尺、光谱仪、试管、移液枪、药剂等。

1.5 测定指标与测定方法

（1）气象资料的观测。逐日温度、相对湿度、风速、风向、降雨量等气象资料从当地气象站获取。

（2）田间持水量测定。采用环刀法进行测定。

（3）土壤水分的测定。土壤含水率用烘干法测定，从苜蓿生育期开始每隔7 d 测定一次，雨前和雨后加测，灌水前后加测。每个试验小区选取5 株苜蓿，在每株苜蓿周围选取3 点取土，取土点离根横向距离20～30 cm，并用铝盒装样，利用烘干法测定土壤含水率。相同土层深度3点取其平均值作为该苜蓿根际土壤含水率，5株苜蓿根际土壤含水率取其平均值作为该小区土壤含水率。采用（型号：DHG-9036A）烘箱，105 ℃下烘8 h。

（4）光合日变化的测定。叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr) 采用Li-6400XT 便携式光合仪测定，叶气孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca为大气中CO2浓度)。指标测定均选择光照充足天气进行，测定时间从8∶00-18∶00每隔2 h测定一次。

（5）叶绿素含量测定。叶绿素测定采用丙酮提取法。

（6）叶绿素荧光参数的测定。初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、表观电子传递速率(ETR)采用PAM-2500便携式叶绿素荧光仪测定；

PSⅡ潜在活性=可变荧光(Fv)/初始荧光(Fo)，PSⅡ原初光能转化效率=可变荧光(Fv)/最大荧光(Fm)。

2 结果与分析

2.1 不同的水肥处理对紫花苜蓿光合作用的影响

不同的水肥处理对紫花苜蓿光合作用的影响如图2所示：中低产田紫花苜蓿的净光合速率(Pn)日变化规律呈现“双峰”曲线变化趋势。8∶00-12∶00 时段内不同水肥处理Pn值迅速增加，在12∶00左右时达到第一峰值，相同施肥处理措施下，Pn值均表现为T1＞T2＞T3＞T4，且各处理间差异显著（P＜0.05），12∶00-14∶00 时段内Pn急剧下降，在14∶00 左右时达到第一处波谷，16∶00 左右出现第二处峰值，随后Pn又呈下降变化趋势；图2表明，相同施肥处理下，各时段总体呈现T1＞T2＞T3＞T4 变化规律，相同灌水处理下，各时段总体呈现N2＞N1＞N3 变化规律。

图2 喷灌不同水肥处理下中低产田紫花苜蓿光合特征参数日变化

中低产田紫花苜蓿的气孔导度(Gs)日变化曲线大体呈现“双峰”变化趋势，在10∶00左右达到第一峰值，Gs均表现为T1＞T2＞T3＞T4，且各处理间差异显著（P＜0.05），16∶00左右时达到第二峰值，此时T1与T2处理之间无显著差异（P＜0.05），但显著（P＜0.05）高于T3、T4 处理，T3、T4 处理间无显著差异（P＜0.05），18∶00 左右时各处理间无显著差异。相同灌水处理下，N2 处理的Gs＞N1，但二者间差异不显著，显著高于N3。

中低产田紫花苜蓿的胞间CO2浓度(Ci)日变化总体呈先降低后升高再降低的变化趋势，12∶00 左右时达到第一处“波谷”，此时相同施肥处理下，T3处理显著高于其余处理，其次是T2 处理；16∶00 左右时达到第二处波谷，此时各处理依旧表现为T3＞T2＞T4＞T1 处理，且各处理间差异显著（P＜0.05）。

8∶00-12∶00 时段内不同水肥处理蒸腾速率(Tr)迅速增加，12∶00 左右时达到最大值，此时相同施肥处理措施下，Tr均表现为T1＞T2＞T3＞T4，随后Tr急剧降低，14∶00 左右时达到“波谷”，此时相同施肥处理措施下T1 处理的Tr大于T2 处理，此二者之间无显著差异（P＜0.05），但显著（P＜0.05）高于T3 与T4 处理，T3 与T4 处理间无显著差异（P＜0.05）；随后Tr又迅速增加，在16∶00左右时达到第二处峰值，此时相同施肥处理下Tr变化规律与14∶00时段相同，18∶00左右时各处理间无显著差异（P＜0.05）。

中低产田紫花苜蓿气孔限制值(Ls)日变化在8∶00 左右最小，后持续增长，18∶00达到最大。此时N1、N2处理下，T2处理Ls的显著高于T1、T3、T4 处理，此三者间大小依次为T1＞T3＞T4，N3 处理下，T3＞T1＞T2＞T4；随后Ls急剧升高，12∶00 左右时达到峰值，此时不同施肥处理下，T2 处理的Ls依旧显著高于其他处理，16∶00左右时达到第二处峰值，此时各处理变化规律与峰值1处相似。

2.2 不同水肥处理对紫花苜蓿叶绿素含量的影响

不同水肥处理对紫花苜蓿叶绿素含量的影响如图3所示。叶绿素是光合作用的光敏催化剂，其含量变化能够表征叶片对外界光环境变化的适应能力，图3表明：不同施肥程度对叶绿素a 和叶绿素b 都有显著影响，N2T2 处理的叶绿素a 显著高于其余处理，N2处理下，不同灌水处理叶绿素a含量高于N1、N3处理，同时发现在N1与N3施肥条件下，叶绿素a含量大小总体呈现T1＞T2＞T3＞T4 变化规律； N2T1、N2T2 处理的叶绿素b含量显著高于其余各处理，此二者间无显著性差异，叶绿素b 对施肥与灌水单因素的响应规律与和叶绿素a 相似。叶绿素总量是叶绿素a 与叶绿素b 含量的和，不同水肥处理对其含量的影响与叶绿素a 和叶绿素b 相似，N2T2 显著高于其余处理。

图3 喷灌不同水肥处理下中低产田紫花苜蓿叶绿素变化

2.3 不同水肥处理对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响

不同水肥处理对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响如表3所示，喷灌不同水肥处理对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响显著。研究灌水单因素对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响发现，初始荧光（Fo）随着灌水量的减少而增加，可变荧光（Fv）、最大荧光（Fm）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）、PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSⅡ）、表观电子传递速率（ETR）随着灌水量的减少而降低，且各处理间差异显著；研究施肥单因素对紫花苜蓿叶绿素荧光参数的影响发现，N2处理的Fo小于N3、N1 处理，N2 处理的Fv、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR大于N1、N3处理；综合分析各指标对水肥调控的响应发现，N1T1处理效果最佳。

表3 不同水肥处理下紫花苜蓿叶绿素荧光参数统计

2.4 不同水肥处理对苜蓿产量的影响

不同水肥处理对苜蓿产量的影响如表4所示，苜蓿产量按照收获茬数的推进呈现递减的趋势。对不同施肥处理的分析发现，产量随着施肥量的增加而增加，而对相同施肥不同灌水量处理的分析发现，产量也随着灌水量的增加而增加。

表4 不同水肥处理的产量 kg/hm2

3 讨论与结论

研究表明，土壤水肥条件通过影响植物叶片色素[11]、气孔或非气孔因素[12]以及叶片酶[13]等多种因素，影响植物光合作用，进而对其生长发育[14]、SPAD[15]、产量[16]和品质[17]等造成影响。李建明指出，灌水和施肥对植物光合作用都有明显影响，但水分对其影响程度显著高于施肥[18]，本试验研究发现喷灌不同灌水量和不同施氮水平对植物光合作用有同等显著影响效果，这可能与灌水定额和施肥量有直接关系，本研究发现N2T1 处理的苜蓿净光合速率最大，这可能是由于适宜水分条件下有利于提高气孔导度，或者是适宜的水肥组合有效地改善了土壤质量，提高了植株光合和蒸腾作用；另外研究还发现，在高水、中水1、中水2条件下随着Pn的下降，Ci与其变化一致，而Ls相反，说明气孔因素是主要降低光合作用的因素：中水3 处理中，随着Pn的降低，Ls也逐渐降低，而Ci变化趋势与其相反，说明此时影响光合作用的因素为非气孔因素，与前人研究结果相似[4,19,20]。

植物叶绿素荧光参数作为光合作用内在的有效探针，能快速有效地反映植物对土壤水分变化的响应[21]。研究发现随着灌水量的减少，PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）降低，说明灌水减少降低了PSⅡ反应中心捕获激发能的效率，使得光能利用能力下降，这与刘军研究结果相似，同时研究还发现，随着灌水量的减少，表观电子传递速率ETR 显著降低，表明了灌水量的降低可以抑制作物体内电子信号的传导，产生光抑制，最终导致光合速率的降低[22,23]。

作物对外界光变化的适应能力的变化可由叶绿素含量来表示，其含量的大小也反映作物进行光合作用的强弱[1]。本试验研究发现中肥中水2 处理的叶绿素含量显著高于其他处理，其次是中肥中水1处理，说明适宜的水肥能增加光能利用率。

水肥是影响苜蓿产量的重要因素，研究发现，施肥水平一定，随着灌水量的减少，产量减少[24]；灌水水平一定，高肥和中肥处理产量无显著差异，低肥处理产量减少。综合分析发现高肥高水处理和中肥高水处理的产量最好，其次是高肥中水1和中肥中水1处理。

因此，从提高紫花苜蓿光合作用，节水省肥角度出发，中肥中水1处理为该地区紫花苜蓿最佳的灌水施肥方式，灌溉定额416.8 mm，施氮量206.6 kg/hm2。