毛乌素沙区引种红枣叶片水分利用效率及其影响因子

毕郑文，丁宏博，刘玥婷，王雪姣，南 琼，付广军，佟小刚

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；3.陕西省林业科学院，西安 710082）

榆林市位于毛乌素沙地东南缘，原是我国沙漠化十分严重的地区之一。在多年的荒漠化综合治理下，榆林沙区不仅遏制了沙化土地持续扩展的趋势，还实现了从“沙进人退”到“人进沙退”良好生态治理成效。这为榆林当地沙产业的发展创造了良好机遇。红枣作为高效利用沙、旱土地资源的经济树种[1]，具有抗寒、抗旱、早熟等特性，是适宜该地区环境，发展经济林沙产业的重要对象。

但在沙区水资源匮乏成为枣树生长及丰产的主要限制因素。因此，选取具有高效水分利用能力的红枣品种成为沙区红枣产业发展的关键。一般将植物消耗单位水分产生有机物质的效率称为水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)，它不仅可以反映植物生长发育所需要的最优水分供应[2]，也在一定程度上反映植物的耗水性和干旱适应性[3]。但是测定林木生长和耗水总量往往不易实现，因此对于乔灌林木多以叶片碳水利用关系作为替代水分利用评价指示物。目前植物叶片尺度的水分利用效率的研究方法主要有两种：一是广泛利用的气体交换法，即通过净光合速率和蒸腾效率的比值直接计算瞬时水分利用效率[4]；二是通过碳同位素技术检测叶片碳同位素，通过公式计算得到稳定水分利用率。近年来，碳同位素技术应用于花生[5]、小麦[6,7]、棉花[8]、番茄[9]等农业作物水分效率的研究上，但应用于评价红枣WUE的研究还相对缺乏。同时，有研究发现高粱叶片水分利用效率也显著受到自身生理性状与养分含量的影响，如与蒸腾速率负相关，与光合速率和气孔导度正相关[10]；也有研究发现植被水分利用效率与气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度负相关[11]。水分利用效率大小除了与光合特性有关外，也与叶片碳、氮、磷含量有关。曾欢欢[12]发现水分利用效率与叶片氮、磷正相关，与叶片碳含量负相关。林晗[13]得到水分利用效率与叶片的氮含量呈现二次曲线正相关。但水分利用效率因植被种类，研究环境不同其影响机制会发生改变[14]。在一般情况下稳定WUE与δ13C 值呈极显著正相关[15-18]。因此，明确影响红枣水分利用效率的关键因素也能为选择高效水分利用红枣品种提供科学依据。鉴于此，本研究选取榆林地区引种的24 个红枣品种，探究不同品种红枣瞬时和稳定水分利用效率的差异特征，揭示红枣成熟期、光合特性、养分含量及其化学计量对红枣水分利用率的影响，从而提出适宜毛乌素沙区栽培的高效水分利用红枣品种及其关键影响因素，以期为类似沙区红枣沙产业发展提供科学和实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于榆林市榆阳区北，距榆阳城区5 km 的陕西省红枣良种苗木培育基地，地理位置介于北纬38°19′40″～38°19′49″N，东经109°39′2″～109°39′4″E，海拔1 146 m，属于暖温带半干旱大陆性季风气候区。年日照时数2 925.5 h，日照百分率为66%，年总辐射量145.2 kJ/ m2，年平均气温7.8 ℃，≥10 ℃积温3 217.6 ℃。无霜期155 d，年降水量400 mm，多集中在7-9月，占全年降水量的70%。风沙日年平均81 d，大风日数年平均10 d，大于5 m/s 的起沙风年平均230 次，平均风速2.2 m/s。固定风沙土，母质为风积物，土壤剖面有发育层次分化，地表结皮较厚，出现弱团块结构，但剖面发育仍未出现地带性土壤特征，其形成不受地下水影响，耕作的风沙土形成耕作层。

1.2 试验材料

该引种试验于2015年开始，试验布设为由东南向西北连续栽植24 个红枣品种，株行距为1 m×1.5 m，每个品种3 个重复小区，每个小区面积15 m²（2.5 m×6.0 m）。培育基地地势平坦，土壤为沙土与黄土2∶1 混合，有机质含量0.83%，全氮含量0.04%。采用统一水肥一体化对植物进行施肥灌溉[19]。试验24个红枣品种基本信息见表1。

表1 24个红枣品种基本信息Tab.1 Basic information of 24 jujube varieties

1.3 测定指标和方法

于2019年7月和8月的中旬，在红枣树离地1 m 左右（红枣中部）向阳面、无病虫害枣吊的第3～5片取样且叶片长势大小相似，每株取20 片，每个小区采集3 株红枣，送实验室通过同位素分析仪（G2101-iCO2,Picarro,USA）测定叶片δ13C；叶绿素a、b 含量测定采用95%乙醇浸泡法，在665 nm、649 nm 波长下测其吸光度，以95%乙醇为空白对照；有机碳含量采用重铬酸钾—外加热法进行测定；全氮、全磷含量通过全自动间断化学分析仪（Cleverem Anna，Germany）分别采用水杨酸比色法和磷钼蓝比色法测定。同时在7-8月，每隔7～10 d测定一次光合指标，在每天9∶00-11∶00 选取相同位置且无机械损伤、无病虫害的叶片作为测定叶片，测定时避开叶片主脉络，每株测定8 片。通过Li-6400 便携式光合仪测定光合指标[20]。测定指标包括：净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）。红枣瞬时和稳定叶片水分利用效率计算公式如下：

瞬时：

式中：Pn为净光合速率，μmol/（m2•s）；Tr为蒸腾速率，mmol/（m2•s）[11]。

稳定：

式中：Ca为大气CO2浓度(为0.038%)；a为扩散作用所产生的稳定碳同位素分馏值(约为4.4‰)；b为羧化反应所产生的稳定碳同位素分馏值(约为27‰)；δ13Cp为叶片样品碳同位素丰度，‰；δ13Ca为叶片样品碳同位素丰度，‰[21]。

1.4 数据统计与分析

不同品种红枣叶片的瞬时和稳定WUE、叶片CNP 含量、叶片光合生理指标的差异采用单因素方差分析与LSD 多重比较法进行，显著性检验分析水平为P<0.05；各指标间相关性采用皮尔逊相关分析。数据结果的统计分析采用Spss 21.0 进行，图表采用Excel绘制。

2 结果与分析

2.1 红枣叶片水分利用效率特征

不同品种红枣叶片水分利用效率差异明显，见图1。西农蛤蟆稳定WUE最高，达到105.35 μmol/mol，其次是清涧蛤蟆，最低为冷白玉为77.77 μmol/mol，二者比其高35.6%和25.0%；瞬时水分利用效率最高是枣脆蜜为4.05 μmol/mol，最低是金谷大枣1.97 μmol/mol，相比高了1.06倍，差异明显。

图1 不同品种红枣瞬时和稳定水分利用效率Fig.1 Instantaneous and stable WUE of different jujube cultivars

不同成熟期红枣叶片瞬时水分利用效率无明显差异，但稳定WUE差异明显，见图2。早熟的红枣品种叶片稳定水分利用效率最高，均值达到了93.75 μmol/mol，其中，西农蛤蟆枣和清涧蛤蟆枣的稳定WUE最高，达到了105.4 μmol/mol 和97.3 μmol/mol；中熟品种中清涧红枣最高，达到了94.9 μmol/mol；晚熟品种中短枝冬枣最高，达到了90.1 μmol/mol。这些高稳定WUE品种比最低的临黄1 号（80.1 μmol/mol）、秦宝冬枣（79.7 μmol/mol）、冷白玉枣（77.7 μmol/mol）显著高16.0%～35.7%。

图2 不同成熟期红枣品种水分利用效率Fig.2 Water use efficiency of jujube varieties at different maturity stages

2.2 红枣叶片碳氮磷含量及其化学计量特征

24 种红枣叶片氮磷及其化学计量比存在显著差异，见表2。不同品种红枣叶片碳含量无明显差异，其范围值在421.9～469.57 g/kg。氮含量差异明显，其含量最高为早脆王枣、西农蛤蟆枣、晋矮4 号3 个品种，含量分别是16.38、15.32、15.32 g/kg。最低为灵武长枣，含量为10.22 g/kg。磷含量差异显著，含量最高2 个品种是枣强脆枣和六月鲜，分别是3.18、2.63 g/kg；马铃脆枣是磷含量最低，是0.89 g/kg，分别相差2.57 和1.96 倍。C/N 最高值为灵武长枣和马铃脆枣2 个品种，比值分别为44.6、44.1；最低是早脆王枣比值是27.2，二者相差64%和62%。N/P 最高值为晋矮4号，比值是14.95；最低是枣强脆枣值为4.29，相差2.49 倍。C/P 最高值为马铃脆枣，比值为528.42；最低是枣强脆枣，比值为143.64，相差2.68倍。

表2 不同品种红枣叶片碳氮磷含量及其化学计量比Tab.2 Carbon,nitrogen and phosphorus content and stoichiometric ratio in leaves of different jujube cultivars

2.3 红枣叶片光合特性

由表3可知不同品种红枣的叶片生理特征均存在显著差异。其中净光合速率（Pn）马铃脆枣最高为16.83 μmol/(m²•s)，最低为金谷大枣7.43 μmol/(m²•s)差2.27 倍；蒸腾速率（Tr）与胞间CO2浓度皆是大荔冬枣最高，枣脆密枣最低，蒸腾速率相差2.18 倍、胞间CO2浓度相差1.56 倍；气孔导度（Gs）最高的品种为早脆王枣0.27 mmol/(m2•s)，最低为六月鲜枣0.06 mmol/(m2•s)，相差4.5倍；清涧红枣的叶绿素a、b浓度最高。

表3 不同品种红枣叶片生理特性指标Table 3 Leaf physiological characteristics of different jujube cultivars

不同成熟期的红枣叶片，早熟品种与中熟和晚熟在氮、磷含量与其化学计量比方面有着明显的差异性，见表4，且早熟品种含量最高；在C 含量、净光合速率、蒸腾速率气孔导度、叶绿素a 浓度和叶绿素b 浓度6 个指标没有明显差异。不同品种红枣叶片间的碳含量无明显差异性，其含量为421.9～469.57 g/kg，马铃脆枣、不落酥枣、子弹头枣、六月鲜枣和金谷大枣5 个品种是碳含量最高的，其中早熟品种有六月鲜枣和子弹头枣两种，其余为中熟品种。氮含量差异显著，其含量范围为10.22～16.38 g/kg，其含量最高5 个品种为早脆王枣、晋矮4 号、西农蛤蟆枣、子弹头枣和清涧蛤蟆枣，含量最高的12 个均为早熟品种。磷含量差异显著，其含量在0.89～3.18 g/kg 内，枣强脆枣、六月鲜枣、清涧蛤蟆枣、子弹头枣和大荔水枣5 个早熟品种含量最高。

表4 红枣叶片碳氮磷及生理特性指标Tab.4 Leaf carbon,nitrogen,phosphorus and physiological characteristics of early,middle and late ripening jujube varieties

2.4 不同红枣叶片水分利用效率与养分、光合特性相关关系

皮尔逊相关分析表明不同的红枣品种叶片瞬时WUE与养分、光合特性无相关性，见表5。其中可知不同品种红枣叶片稳定WUE与氮含量和碳氮比都是极显著相关，与Pn、Gs和叶绿素b 显著正相关，其他因素与水分利用效率无显著相关性。δ13C与稳定WUE、叶绿素b 和净光合速率极显著正相关，与N含量显著相关，与碳氮比显著负相关。

表5 红枣叶片水分利用效率与养分、光合特性相关性Tab.5 Correlation between water use efficiency and nutrient and photosynthetic characteristics of jujube leaves

3 讨 论

3.1 红枣叶片水分利用效率的差异

本研究中不同品种红枣间叶片的瞬时WUE变化存在显著差异，但其规律不明显，不仅总体上在不同成熟期品种间无差异，在个体比较上相同成熟期品种内瞬时WUE都有大有小，难以形成统一判断依据。这可能与测定时叶片和光热条件不同有密切相关，从而使得瞬时WUE较敏感于环境光热条件[22-24]。同时瞬时WUE与叶片养分含量和叶片光合特性也无显著相关性。可见，通过瞬时WUE并不能作为筛选出高水分利用效率的红枣品种的参考依据。相对地，稳定WUE变化存在显著差异，且其规律地表现为早熟>中熟>晚熟。这与早熟品种的成熟期时间较中熟和晚熟短，所消耗的水量较少直接相关。通过比较稳定WUE，早熟品种中可以选择西农蛤蟆枣、清涧蛤蟆枣和枣强脆枣；中熟品种可以挑选清涧红枣和马铃脆枣；晚熟品种可以选择短枝冬枣和大荔冬枣，作为研究区适宜选择的高效水分利用的红枣栽培品种。

3.2 水分利用效率的影响因素

本研究得出较高水分利用效率的红枣叶片含有较高的δ13C，范围在-28.16‰～25.68‰。孙慧玲[25]得到全球范围植物的平均δ13C值为-28.74‰，显著低于本研究红枣叶片δ13C均值。红枣叶片δ13C值偏高的原因可能在于榆林地区的空气和土壤的含水量较低，在这种情况下，枣树为更好生长会关闭一部分气孔来减少水分蒸发量。气孔的关闭阻碍了叶片的气体交换，从而导致叶片内部CO2下降。陈拓等[26]的研究表明在叶片内部CO2浓度降低时，如果植物想要保持光合速率的正常水平，CO2会更不容易被植物识别，这就会使叶片的碳同位素值升高。这在一定程度上说明这24 个品种红枣为了适应当地的干旱环境而提高水分利用效率。相关研究表明光合速率相对较高，光合作用同化的CO2增加，胞间CO2浓度较低，导致叶片δ13C和水分利用率较高[27]，这与本研究相似，

从叶片养分含量看，有研究表明叶片N 含量增加，光合作用增强，增加了叶片固定CO2的能力，间接增加叶片水分利用效率。在本研究中，叶片的N 含量和δ13C与稳定WUE呈极显著正相关，这与曾欢欢[12]研究结果一致。但叶片碳与水分利用效率相关性不显著，这也导致了C/N 与水分利用效率负相关。且植物叶片C/N 和C/P 表征着植物吸收营养元素将C 同化的能力，因此被作为反映植物养分利用效率的指标[28]。本研究发现，红枣叶片平均C/N 均高于全球平均水平22.5，且C/P 高于全球平均水平232，说明该地区红枣植物N、P 利用效率较全球植物偏高。该地区为风沙地，土壤当中土壤养分含量低，因此该地区植物N、P 利用效率较高。本研究中只有3 个品种的红枣N/P 高于10 且低于20，其余品种红枣皆小于10，充分说明该地红枣品种受N 限制，且24 个品种红枣氮含量皆小于我国平均水平20.2 g/kg，这些结果进一步说明了，该地区红枣品种可能更易受N限制[29]。

4 结 论

榆林沙区引种的24 种红枣，其红枣叶片瞬时WUE虽然存在显著差异，但在不同成熟期间无差别，并且瞬时WUE与红枣叶片的光合特性和养分含量均无显著相关性，更多敏感于环境光热条件，不建议作为不同红枣水分利用效率对比的参考依据。相对地，不同红枣稳定WUE规律地表现为早熟品种>中熟品种>晚熟品种，并且红枣较高的叶片N 含量、δ13C丰度、净光合速率、气孔导度、叶绿素b 以及低的C/N 是形成高效稳定WUE的关键影响因子，可以作为辅助判断红枣水分利用效率的指标。基于稳定WUE较高为判断依据，本研究得出早熟品种中西农蛤蟆枣和清涧蛤蟆枣水分利用效率最高，中熟品种清涧红枣最高，晚熟品种短枝冬枣最高，可以作为适宜毛乌素沙地栽培的高效水分利用的红枣品种。