8个紫花苜蓿品种的水分利用效率研究

蒋英洁，韩 旭，时玉新，张 卓，秦宇翱，陈柳倩，刘桂霞

（1.河北大学生命科学学院 河北，保定 071002；2.承德市国营鱼儿山牧场 河北，承德 068359；3.敖汉旗农牧局 内蒙古，赤峰 024300）

迄今为止，水资源短缺和干旱仍是限制作物生长的主要因素之一[1]，预计到2030 年，全球水资源短缺的国家将上升到50 个国家，这将影响30 亿人的生存问题[2]。我国西北地区属于干旱、半干旱和干旱亚湿润地带，年降雨量小于100 mm，水资源严重不足加之人类活动如过度放牧、开垦等，使其成为我国生态环境最为脆弱的地区之一。在常年雨水匮乏的情况下，水资源利用效率低，用水结构不平衡[3]及作物极大的耗水量无疑增加了该地干旱的困境。要解决此问题不仅需要提高单位土地面积的生产力，更需要从提高单位土地面积的生产力向提高单位用水量的生产力转变，即提高作物的水分利用效率（WUE）以维持其产量并减少用水量[4-5]。

水分利用效率指植物消耗单位水分所生产的同化物质的量[6]，它是用以描述植物产量与耗水量之间关系的名词，是旱地农业研究的重要理论之一。最初是由Briggs和Shantz 等[7]进行植物水分利用效率的理论研究，将其定义为需水量。随着更多学者地深入研究，需水量最终被水分利用效率取代。我国随着节水高效农业的兴起，许多学者对其进行了概括和总结，并取得了一系列的研究成果与进展[8-14]。水分利用效率是植物在有限水分条件下重要的生理特性[15]，同一作物的不同品种之间水分利用效率不同[16]，而水分利用效率高的品种可以利用更少的水分产生同等的产量，或者可以利用同等量的水分产生更高的产量。刘国利等[17]研究表明在水分胁迫下，紫花苜蓿的水分利用效率有一定程度的提高；刘军等[18]研究表明在适度的水分胁迫下，现蕾期的紫花苜蓿水分利用效率同样有所增长；李文娆等[19]研究补充说明了当水分恢复后紫花苜蓿WUE逐渐恢复到对照水平。

紫花苜蓿作为优质的多年生豆科牧草，营养价值高且生态效益好[20]。紫花苜蓿富含优质蛋白质等多种营养物质，是畜牧业高品质饲草来源之一，在动物生产上具有广泛的应用前景[21]；其发达的根系能延伸到土壤深层，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绿肥，能在改良土壤、提高作物产量的同时，达到减少投资、提高收入的目的[23]。紫花苜蓿分布极为广泛，在美国、欧洲、加拿大和中国均有种植[24]。我国紫花苜蓿的主产区集中在西北、东北等地区[25，26]，这些地区干旱少雨，紫花苜蓿的种植、栽培等过程存在水资源匮乏、生产率下降等问题。数据显示，截至2020年我国苜蓿的种植面积增至54.7万公顷，产量已达400万吨[27]，但依然供不应求，结合2022年2月农业农村部提出的关于扩大苜蓿等优质牧草种植的意见，我国应为提高苜蓿产量尤其是旱地苜蓿产量做出解决方案，因此，提高紫花苜蓿的抗旱性并选育栽培抗旱品种至关重要。

亏缺灌溉是解决旱地农业可持续发展的重要措施之一[13]，通过减少灌溉用水刺激植物产生相应的抗旱机制，进而提高植物的水分利用效率[28，29]。目前，关于紫花苜蓿的抗旱性研究主要集中在产量和固氮等方面，对于苜蓿光合生理参数和水分利用效率等方面很少关注。植物内部的生理代谢活动的测定可以用来确定植物的抗旱性[30]。因此，本研究采用具有良好品质和生态、经济效益的8种紫花苜蓿为试验材料，通过测定不同干旱胁迫处理下、不同品种紫花苜蓿的胞间CO2浓度（Ci）、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）等指标，筛选出水分利用效率较高的品种，以期为紫花苜蓿高产高效栽培提供计划及理论指导并为提升旱地紫花苜蓿产量提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验材料由农科院北京畜牧种子公司提供，共计8个紫花苜蓿品种（见表1）。选取籽粒饱满、大小一致的种子播种，每盆待苗齐后间苗保留苜蓿10株。

表1 试验材料及来源

1.2 试验方法

盆栽试验在保定清苑海明公司温室进行。干旱胁迫梯度设置为对照（CK）、轻度（LS）、中度（MS）和重度（SS）4个水平，4 个水平的土壤含水量分别为田间持水量的75.0%～80.0%、60.0%～65.0%、45.0%～50.0%和30.0%～35.0%，每处理4次重复，每个品种16盆，共128盆。各处理的田间持水量采用称重法控制[31]，每隔2天进行水分补充，使其维持在设定的水平梯度。实验前期各处理均保持在75.0%～80.0%的田间持水量，当苗长到三叶一心时，开始进行干旱胁迫处理。

1.3 试验指标及测定方法

1.3.1 光合指标当紫花苜蓿正处于第1 茬的旺盛生长期时，选择花盆中完全伸展、无病虫害且保持完整的三叶一心时，选择晴天09:00～11:30的时间段，用ECA-PB0402光合测定仪测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci），并记录数据。每处理测定4株，每叶片测定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）计算公式：

WUE=Pn/Tr

式中：WUE为水分利用率；Pn为净光合速率；Tr为蒸腾速率。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel整理测定所得试验数据，用SPSS 26.0 软件对数据进行单因素方差分析，并用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同干旱处理对紫花苜蓿胞间CO2浓度的影响

不同程度的干旱胁迫对各紫花苜蓿品种的胞间CO2浓度产生显著影响（P＜0.05）（见图1）。从各紫花苜蓿品种胞间CO2浓度的变化幅度上看，在轻度干旱水平下，WL的胞间CO2浓度下降最为显著（P＜0.05，下同），较对照相比降低34.93%；德宝次之，较对照显著降低26.94%；三得利和先行者两者下降百分比差距不大，分别较对照显著下降19.39%和19.11%。在中度干旱水平下，德宝、WL的胞间CO2浓度较对照分别显著下降45.01%和43.82%；中苜1 号、三得利次之，分别较对照显著下降33.96%和32.92%；在重度干旱水平下，德宝的胞间CO2浓度较对照下降53.10%，差异性最为显著；WL、中苜1号和三得利次之，分别较对照显著46.82、44.23%和42.23%。在不同干旱水平下，赛迪的胞间CO2浓度始终显著高于其他紫花苜蓿品种，且随干旱胁迫程度的加强，仅在重度干旱胁迫处理下较对照显著降低6.50%；惊喜与阿尔冈金在受到中度以上的干旱胁迫时，其胞间CO2浓度无显著差别（P＞0.05），且仅次于赛迪。

图1 干旱胁迫对不同紫花苜蓿品种胞间CO2浓度的影响（μmol CO2／m2·s）

2.2 不同干旱处理对紫花苜蓿净光合速率的影响

净光合速率测定结果（图2）表明，不同程度的干旱胁迫对各紫花苜蓿品种的净光合速率产生显著影响，即干旱胁迫显著降低了各品种的净光合速率（P＜0.05）。从各紫花苜蓿品种净光合速率的变化幅度上看，在轻度干旱条件下，德宝的净光合速率下降趋势最显著（P＜0.05，下同），较对照降低41.62%；其次是先行者、WL 和赛迪，分别较对照降低23.23%、22.98%和19.78%，其中赛迪净光合速率较对照变化不显著（P＞0.05）；反之，阿尔冈金的净光合速率呈现上升的趋势，较对照增加4.67%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，先行者、德宝、三得利和WL的净光合速率较对照下降的趋势较大，分别为67.91%、55.72%、54.20%和53.47%，均达到显著水平。在重度干旱水平下，先行者、三得利和德宝的净光合速率变化仍较大，较对照分别降低67.10%、62.87%和62.39%。随干旱胁迫强度的增加，阿尔冈金的净光合速率变化最小，仅在重度干旱胁迫水平下较对照显著降低21.14%，此外，在各品种中阿尔冈金、中苜1号和赛迪均表现出较高的净光合速率。

图2 干旱胁迫对不同紫花苜蓿品种净光合速率的影响（μmol CO2／m2·s）

2.3 不同干旱处理对紫花苜蓿蒸腾速率的影响

干旱胁迫对各紫花苜蓿品种蒸腾速率的影响与胞间CO2浓度、光合速率的影响整体趋势一致，都随着干旱胁迫的加强而显著降低（P＜0.05）（见图3）。从各紫花苜蓿品种蒸腾速率的变化幅度上看，在轻度干旱水平下，先行者的蒸腾速率较对照组变化最大为60.18%（P＜0.05，下同）；其次是WL、德宝和惊喜，分别较对照显著下降50.42%、39.58%和37.98%；而变化程度较小的是阿尔冈金，与对照组相比，仅降低7.59%（P＞0.05）。在中度干旱水平下，德宝与先行者分别较对照显著降低102.25%和100.46%；WL 和惊喜次之，分别显著降低88.62%和81.87%；其他品种紫花苜蓿的蒸腾速率与对照相比均下降了50%以上。在重度干旱水平下，各品种紫花苜蓿的蒸腾速率整体降低了80%以上，其中先行者、德宝和WL较对照显著降低179.33%、177.06%和173.31%。在不同干旱胁迫处理下，与其他紫花苜蓿品种相比，阿尔冈金的蒸腾速率变化幅度最小，在中度干旱胁迫水平以上，分别较对照显著降低52.84%和84.30%，且阿尔冈金和赛迪的蒸腾速率在整组中始终保持较高的水平。

图3 干旱胁迫对不同紫花苜蓿品种蒸腾速率的影响（μmol H2O／m2·s）

2.4 不同干旱处理对苜蓿水分利用效率的影响

不同干旱胁迫处理对各紫花苜蓿品种的水分利用效率呈现出显著上升的趋势（P＜0.05）（表2）。从各紫花苜蓿品种水分利用效率的变化幅度上看，轻度干旱水平下，先行者、WL 的水分利用效率增长超过50%，分别高于对照60.18%和50.42%，达到显著水平（P＜0.05，下同）；德宝、惊喜次之，分别较对照显著增长42.56%和38.02%；阿尔冈金的水分利用效率较对照增长幅度较小为7.64%。中度干旱水平下，先行者、德宝均较对照显著增长100%以上，WL和惊喜分别较对照显著增长88.12%和81.79%；在此处理下中苜1 号的水分利用效率的增长幅度最小为52.54，但同样达到显著水平。在重度干旱水平下，先行者、德宝、WL 和惊喜的水分利用效率的变化排名依旧靠前，分别较对照显著增长178.75%、177.49%、173.01%和141.70%；阿尔冈金变化幅度最小为83.65%。中苜1 号、阿尔冈金、三得利在三种不同程度的干旱胁迫下，均表现出较高的水分利用效率。

表2 干旱胁迫对不同紫花苜蓿品种水分利用效率的影响（μmol CO2／m2·s）

3 讨论

干旱是限制紫花苜蓿产量和水分利用效率的主要因素之一，尤其是干旱、半干旱地区，受水资源的影响更甚，如何通过节水灌溉维持紫花苜蓿的产量及经济效益成为当前待解决的重要科学问题。本研究以8个国内外不同品种的紫花苜蓿为试验材料，在不同干旱胁迫处理下，通过温室盆栽试验，对其胞间CO2浓度、净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率差异进行分析，可以得出在不同干旱胁迫处理下各紫花苜蓿品种之间的生理参数存在明显差异。

胞间CO2浓度是植物进行光合作用的重要原料，其浓度在一定程度上决定着植物的光合作用能否顺利进行。CO2浓度对净光合速率的影响较大[32]，一般认为当CO2浓度下降时，净光合速率随之下降。本研究表明，在不同干旱胁迫处理下，各紫花苜蓿品种的胞间CO2浓度和净光合速率均呈逐渐下降趋势，这可能与叶片的气孔导度有关，当干旱水平增强时，叶片的气孔导度降低，从外界吸收的CO2量减少，导致紫花苜蓿的净光合速率降低。陈斐等[33]和张玉顺等[34]在春、冬小麦短期干旱胁迫处理的研究也得出此结论。

蒸腾速率是反应植物水分代谢强弱的重要指标，瞬时的水分利用效率可以用植物叶片的净光合速率与蒸腾速率之比来表示，当植物受到干旱胁迫时，主要通过降低蒸腾速率来提高植物的水分利用效率[35]。本研究表明随着干旱胁迫处理的增强，各紫花苜蓿品种的蒸腾速率也随之下降，且较胞间CO2浓度和净光合速率的下降幅度大。正是由于干旱胁迫对蒸腾速率的影响大于对净光合速率的影响，所以致使水分利用效率呈现递增的趋势，各紫花苜蓿品种间的差异达到显著水平（P＜0.05）。Fairbourn[36]、Grimes[37]、McElgunn 和Heinrichs[38]的研究表明，不同品种紫花苜蓿的水分利用效率差异不显著，这可能与这些品种的资源亲缘关系较近有关。但本研究结果与陈托兄等[39]、万素梅等[40]、郑红梅等[41]和陈曦等[42]的研究结果一致。

在不同干旱胁迫处理下，各紫花苜蓿品种中，胞间CO2浓度始终保持较高水平的是赛迪、惊喜和阿尔冈金；净光合速率较大的是阿尔冈金、中苜1号和赛迪；阿尔冈金和赛迪的蒸腾速率始终高于其他品种；而水分利用效率较高的是中苜1号、阿尔冈金和三得利。因此综合上述指标，可以认为阿尔冈金是8种紫花苜蓿品种抗旱性最强的品种。

4 结论

随着干旱胁迫程度的加深，各紫花苜蓿品种的叶片胞间CO2浓度（Ci）、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）均呈下降趋势，水分利用效率（WUE）则呈上升趋势；综合光合生理指标和水分利用效率指标，8个紫花苜蓿品种中抗旱性最强的是阿尔冈金，从节水抗旱方面考虑，该品种适宜在干旱地区推广种植，以充分利用旱地有限的降水资源并保持或提高产量。