蘇　瑩，高　雪，張會麗，朱　林*(.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 7500;.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 7500)

豆科牧草能改善草地氮素的平衡，提高草地動物蛋白質(zhì)的形成[1-2]。利用豆科牧草與禾本科牧草混播，建立人工混播草地，可以提高牧草產(chǎn)量、改善牧草品質(zhì)[3]、提高土壤肥力[4-5]等。雖然禾、豆牧草混播在產(chǎn)量和質(zhì)量方面顯示出許多優(yōu)勢，但二者間仍存在水分、光照、空間等資源的競爭[6]。不同的混播組合和混播比例增產(chǎn)效應(yīng)也不同[7-8]。因此，在建植禾、豆混播草地時應(yīng)考慮適宜的混播比例，最大程度地發(fā)揮混播的優(yōu)勢[9]。

寧夏中部半干旱地區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，因此，水分成為植物生長的主要限制因素，影響植物的生長發(fā)育[10-11]，并制約當(dāng)?shù)氐哪敛萆a(chǎn)。植物對水分的利用通常用水分利用效率(water use efficiency，WUE)表示。植物WUE是指植物每消耗單位水分所生產(chǎn)的干物質(zhì)量，反映植物的耗水性和對干旱的適應(yīng)性[12-13]。高WUE是植物對干旱環(huán)境的響應(yīng)[14]，也是適應(yīng)水分虧缺的一種表現(xiàn)[15]。但WUE的直接測定費時、費力，限制了該指標(biāo)的應(yīng)用。碳同位素分辨率(Δ13C)是一種測定簡便、可代替WUE的指標(biāo)[16]。植物在進行光合作用的過程中會對13C產(chǎn)生分餾作用，導(dǎo)致植物干物質(zhì)中的13C比率減小[17]。Farquhar等[18]發(fā)現(xiàn)，C3植物的Δ13C與Ci/Ca(胞間CO2濃度與空氣CO2濃度之比)呈正相關(guān)，而Ci/Ca值的大小主要受氣孔導(dǎo)度(Gs)和光合作用的影響，較低的Gs值以及較強的光合作用會使Ci/Ca的值降低，同時提高單葉水平上的WUE、降低Δ13C。由于植物組織中的碳是在一段時期內(nèi)積累起來的，因此，由其穩(wěn)定碳同位素組成測算出的WUE可以指示植物生長發(fā)育過程的平均WUE，該方法采樣破壞性小，不受時間、地點等條件的限制，且方便樣品保存和測定[19]。目前，有關(guān)植物WUE的研究很多[20-23]，但基于穩(wěn)定碳同位素技術(shù)研究禾、豆牧草混播在不同水分脅迫條件下WUE的報道較少。鑒于此，采用盆栽試驗，探討了禾、豆牧草單混播時WUE對水分響應(yīng)的機制，以闡明禾、豆牧草對干旱的響應(yīng)機制，為寧夏乃至西北半干旱地區(qū)建立禾、豆優(yōu)質(zhì)草地提供依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　試驗地概況與供試材料

本試驗于2015年3—10月在寧夏大學(xué)應(yīng)用成果實驗基地進行。該地位于我國西北內(nèi)陸，為中溫帶大陸性氣候，氣候干旱，晝夜溫差大，降水稀少，蒸發(fā)強烈。年平均氣溫8.5 ℃，年平均日照時數(shù)2 800～3 000 h，年平均降水量200 mm左右，無霜期185 d左右。試驗地土壤養(yǎng)分含量如下：有機質(zhì)2.65 g/kg，全氮0.187 g/kg，全磷0.353 g/kg，全鉀17.0 g/kg，速效磷4.63 mg/kg，速效鉀74.7 mg/kg，堿解氮23.0 mg/kg。

供試材料為紫花苜蓿(Medicagosativa，A)和沙打旺(Astragalusadsurgens，B)2種豆科牧草，以及禾本科牧草披堿草(Elymusdahuricus，C)，禾、豆牧草兩兩混播種植。

1.2　試驗設(shè)計

播種時間為2015年4月1日，將種子分別播入27盆開口直徑為28 cm的樹脂花盆中，每個盆中裝相同質(zhì)量的風(fēng)干土壤(約為11 kg)。將3種牧草單播，設(shè)為對照。土表用聚乙烯顆粒覆蓋，3葉期定苗，混播組合分別按照豆科作物與禾本科作物的個體數(shù)比3∶7、5∶5、7∶3進行定苗。試驗中的A、B、C分別表示紫花苜蓿、沙打旺和披堿草，A3C7、A5C5、A7C3分別表示紫花苜蓿與披堿草混播的比例為3∶7、5∶5、7∶3；B3C7、B5C5、B7C3分別表示沙打旺與披堿草混播的比例為3∶7、5∶5、7∶3。

設(shè)置3種水分脅迫處理，即重度脅迫水分處理(T1)：土壤含水量為(45±5)%田間持水量(FC)；中度水分脅迫處理(T2)：土壤含水量為(55±5)% FC；正常灌水處理(T3)：土壤含水量為(75±5)% FC，每個處理重復(fù)3次。將所有盆栽置于溫室大棚內(nèi)，以便較為精確地控制不同水分處理。由于各個盆中土壤表面使用聚乙烯顆粒進行覆蓋以減少(阻止)水分蒸發(fā)散失，因此，土壤表面蒸發(fā)損失的水分可以忽略不計[24]。播種時各處理澆灌足量的水以保證幼苗正常萌發(fā)與生長，待定苗后每隔10 d稱1次質(zhì)量，測算水分消耗并加入等量的水，直至2015年10月18日試驗結(jié)束。

1.3　測定項目及方法

1.3.1產(chǎn)量分別于播種當(dāng)年的7月17日和10月28日，將各盆中的所有植物都進行刈割采樣，計算各組合的總產(chǎn)量。

1.3.2WUE將2次采到的地上樣品在105 ℃下殺青10 min，再在65 ℃下連續(xù)烘干至恒質(zhì)量，得到其干質(zhì)量(g)，并計算出耗水量(kg)，根據(jù)下列公式計算出不同水分處理下的WUE。WUE=地上生物量(g)/耗水量(kg)。

1.3.3Δ13C將7月17日采集的植物整株樣品烘干粉碎后過0.25 mm篩，各植物樣品在Flash 2000 HT元素分析儀(Elemental Analyzer)中高溫燃燒后生成CO2，采用Delta V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometer)檢測CO2中13C與12C的比率(測定精度：δ13C±<0.1‰)，參照國際標(biāo)準(zhǔn)物(Pee Dee Belnite)[25]比對計算碳同位素組成(δ13C)。各處理的Δ13C則依據(jù)各自的δ13C值并參照Farquhar等[18]的公式推導(dǎo)得出。δ13C經(jīng)計算轉(zhuǎn)換成Δ13C之后，再進行數(shù)據(jù)的分析處理，二者之間的轉(zhuǎn)換公式如下：

δ13C=(R樣品/RPDB-1)×1 000‰，

Δ13C=[(δ13C大氣×δ13C植物)×1 000‰]/(1+δ13C植物)

其中，R樣品表示植物樣品的13C/12C值，RPDB表示國際標(biāo)準(zhǔn)物的13C/12C值，δ13C大氣、δ13C植物分別代表大氣、植物的碳同位素組成，其中δ13C大氣=-7‰。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，采用DPS 7.05軟件進行單因素方差分析、相關(guān)分析等。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同水分處理對禾、豆牧草單、混播產(chǎn)量的影響

從表1可見，單播牧草產(chǎn)量隨水分增加而顯著增加，其中披堿草的產(chǎn)量最高，T3處理下達到最大值，為7 449.39 kg/hm2。對于2種豆科作物而言，T1、T2處理下紫花苜蓿的產(chǎn)量高于沙打旺，T3處理下沙打旺的產(chǎn)量則高于紫花苜蓿的產(chǎn)量，但差異均不顯著。

從表1還可以看出，混播組合中，T3處理下沙打旺與披堿草混播組合的產(chǎn)量顯著高于T1處理(P<0.05)；紫花苜蓿與披堿草混播組合在T1、T2處理下的產(chǎn)量隨著豆科牧草所占比例的增大而增大，表明紫花苜蓿在混播中存在優(yōu)勢，其比例增加導(dǎo)致混播組合產(chǎn)量增大。T1處理下沙打旺與披堿草混播的產(chǎn)量顯著低于同比例下紫花苜蓿與披堿草混播的產(chǎn)量，表明在缺水條件下紫花苜蓿與披堿草混播比沙打旺與披堿草混播更能高效地利用水資源。

表1　不同水分處理條件下禾、豆牧草單、混播的產(chǎn)量　kg/hm2

注：不同小寫字母表示相同水分處理禾、豆牧草不同單、混播組合差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示禾、豆牧草同一單、混播組合在不同水分處理條件下差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2　不同水分處理對禾、豆牧草單、混播WUE的影響

由表2可知，隨著土壤水分的增加，禾豆牧草單、混播的WUE均呈減小趨勢。單播牧草中，T3處理下紫花苜蓿、沙打旺、披堿草的WUE較T1處理分別降低了44.7%、49.1%、46.7%；不同水分處理下沙打旺的WUE均高于紫花苜蓿。

混播組合中，除T1處理下混播組合A7C3的WUE高于混播組合B7C3(P>0.05)外，各水分處理下紫花苜蓿與披堿草混播時的WUE均表現(xiàn)為低于同比例下沙打旺與披堿草混播時的WUE。T1、T3處理下，紫花苜蓿與披堿草混播時的WUE均高于紫花苜蓿單播時的WUE，但低于披堿草單播時的WUE；而T3處理下，沙打旺與披堿草混播時的WUE高于沙打旺單播時的WUE，但低于披堿草單播時的WUE。

表2　不同水分處理條件下禾、豆牧草單、混播的WUE

2.3　不同水分處理對禾、豆牧草單、混播各組合Δ13C的影響

由表3可知，單播牧草中，T3處理下的豆科牧草Δ13C顯著高于T1、T2處理(P<0.05)，而披堿草在T2、T3處理下的Δ13C顯著高于T1處理(P<0.05)。3種牧草中以沙打旺的Δ13C值最小。

混播組合中，禾、豆牧草的Δ13C 總體上隨土壤水分含量的增加而增加，其中T3處理下除混播組合A5C5中禾本科牧草與T1處理不顯著外，其他混播組合中禾、豆牧草的Δ13C均顯著高于T1處理(P<0.05)，即土壤水分條件越充足，牧草的Δ13C越高。當(dāng)紫花苜蓿與披堿草混播組合中的豆、禾比為3∶7和7∶3時，各土壤水分處理下紫花苜蓿的Δ13C均低于披堿草；而當(dāng)豆、禾比為5∶5時，T1、T3處理下紫花苜蓿的Δ13C均高于披堿草，T2處理下紫花苜蓿的Δ13C與披堿草相同。沙打旺與披堿草混播組合中，除T3處理下混播組合B3C7外，各土壤水分處理下沙打旺的Δ13C均低于披堿草。T1處理下除混播組合A5C5外，其余混播組合中披堿草的Δ13C均高于單播時披堿草的Δ13C；T3處理下各混播組合中的禾、豆牧草的Δ13C均高于單播時相應(yīng)禾、豆牧草的Δ13C。

表3　不同水分處理條件下禾、豆牧草單、混播各組合的Δ13C

注：混播組合中上行為豆科牧草的Δ13C，下行為禾本科牧草的Δ13C。

2.4　不同水分處理條件下禾、豆牧草單、混播產(chǎn)量、WUE與Δ13C之間的相關(guān)關(guān)系

由表4可見，不同水分處理條件下各單、混播組合的產(chǎn)量、WUE與Δ13C具有一定的相關(guān)性。3種水分處理下，產(chǎn)量與WUE均呈正相關(guān)關(guān)系，尤其在T3處理下呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；但產(chǎn)量與Δ13C 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；WUE與Δ13C在T1、T2處理下呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.12、-0.04，但在T3處理下呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最大，為0.24。

表4　不同水分處理條件下禾、豆牧草單、混播產(chǎn)量、WUE與Δ13C之間的相關(guān)關(guān)系

注：*表示相關(guān)關(guān)系顯著(P<0.05)。

3　結(jié)論與討論

植物的WUE是反映植物水分利用特性的重要參數(shù)[26]。氣孔是植物進行氣體交換的主要窗口，氣孔的開閉對植物光合作用和蒸騰作用的影響不同。當(dāng)氣孔關(guān)閉時，水分輸送阻力增加的比例大于CO2輸送阻力增加的比例，即蒸騰作用減弱的程度大于光合作用減弱的程度[27]。因此，當(dāng)土壤濕度下降時，植物常常會減小氣孔導(dǎo)度，進而提高葉片的WUE[28]。于文穎等[20]研究了不同生育期玉米WUE對水分脅迫的響應(yīng)，指出適度的水分脅迫能夠提高玉米葉片的WUE。劉國利等[26]也認(rèn)為，水分脅迫可提高紫花苜蓿的WUE。本研究結(jié)果表明，T1、T2處理下禾、豆牧草的WUE高于T3處理，即適度干旱有利于提高牧草對水分的利用效率。此外，沙打旺的WUE高于紫花苜蓿，這與徐炳成等[29]的研究結(jié)果一致。各水分處理下，紫花苜蓿與披堿草混播組合的WUE總體低于同比例條件下沙打旺與披堿草混播組合，但T1處理下混播組合A7C3的WUE則高于混播組合B7C3，這可能是由于重度干旱條件制約了沙打旺的生長，從而產(chǎn)生這一結(jié)果。禾、豆牧草混播時，各組分對光、熱、水、肥和CO2等生態(tài)因子的要求不同，對群落內(nèi)部各種資源的利用以及相互作用都趨于相互補充而非直接競爭，從而提高了對資源的利用率，維持持久的高生產(chǎn)力[16]。T1、T3處理下，紫花苜蓿與披堿草混播時的WUE高于紫花苜蓿單播時的WUE，但低于披堿草單播時的WUE；而T3處理下沙打旺與披堿草混播時的WUE高于沙打旺單播時的WUE，但低于披堿草單播時的WUE。表明重度水分脅迫與正常灌水條件下，披堿草單播時的WUE均高于牧草混播時的WUE，這可能是由于混播時禾、豆牧草對水分進行競爭，從而使得牧草混播時的WUE低于披堿草單播時的WUE。

植物在光合過程中存在碳同位素分餾，因此，植物的Δ13C值能夠指示植物長期WUE的高低，Δ13C值越大，植物的WUE越低[30]。本研究結(jié)果表明，不同單、混播組合牧草的Δ13C值均隨灌水量的增加而增大，即水分條件越好，植物的碳同位素分辨率越高。當(dāng)紫花苜蓿與披堿草混播組合中的豆、禾比為3∶7和7∶3時，各土壤水分處理下紫花苜蓿的Δ13C均低于披堿草；而當(dāng)豆、禾比為5∶5時，T1、T3處理下紫花苜蓿的Δ13C均高于披堿草，T2處理下紫花苜蓿的Δ13C與披堿草相同。這可能與光照[31]及牧草自身的生長特性有關(guān)，寧夏地區(qū)光照強烈，植被為了減小蒸騰作用而降低氣孔導(dǎo)度。隨著紫花苜蓿在混播組合中所占比例增大，對披堿草產(chǎn)生的遮陰效果增強，導(dǎo)致披堿草的氣孔導(dǎo)度增大，從而使得披堿草的Δ13C高于紫花苜蓿。

陳平等[32]利用穩(wěn)定碳同位素法測定決明子的WUE，認(rèn)為Δ13C與WUE呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。劉瑩等[33]分析白羊草時也發(fā)現(xiàn)，Δ13C與WUE呈極顯著負(fù)相關(guān)。梁銀麗等[23]則認(rèn)為，缺水條件下WUE與Δ13C之間為負(fù)相關(guān)，而充分供水條件下則為正相關(guān)。本研究得出，重度和中度水分脅迫條件下，Δ13C與WUE呈負(fù)相關(guān)；而在土壤水分量充足的條件下，Δ13C與WUE呈正相關(guān)，這與梁銀麗等[23]的研究結(jié)論一致。這可能是由于不同研究中WUE表示的不同含義所致，本研究和梁銀麗等[23]的研究中采用的是整株水平的WUE，而陳平等[32]、劉瑩等[33]采用的是單葉水平的WUE。這2種WUE的表示側(cè)重不同，解釋的現(xiàn)象也不同。筆者認(rèn)為，整株水平的WUE具有更廣泛的實際價值，更能看出植物整體水平上對水分的利用程度。

綜上，禾、豆牧草單播及大多數(shù)混播組合在正常灌水處理條件下的產(chǎn)量最高，但在重度和中度水分脅迫處理條件下的WUE較高。綜合考慮牧草產(chǎn)量及WUE最大化，應(yīng)使牧草處于中度水分脅迫條件下；正常灌水條件下，紫花苜蓿與披堿草混播組合和沙打旺與披堿草混播組合的WUE均高于豆科牧草單播時的WUE，但低于披堿草單播時的WUE，但考慮到牧草的產(chǎn)量及效益，應(yīng)當(dāng)進行禾豆牧草混播種植。

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