薛瑞清，王 飛，藺寶軍，胡明國

（1.大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，天津300000；2.甘肅省節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

紫花苜蓿（Algonquin）含有多種有效成分，再生能力強(qiáng)，被賦予“牧草之王”的美稱[1]，我國苜蓿種植面積約為377 萬hm2［2］，主要分布在西北、華北、東北各省區(qū)。西北干旱半干旱地區(qū)是水資源供需矛盾最為突出、水資源短缺問題最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該區(qū)域內(nèi)長期缺乏牧草精準(zhǔn)水肥調(diào)控管理和化肥使用的管制，造成了大量水資源浪費(fèi)和土壤結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致肥力下降、生態(tài)環(huán)境飽受威脅。采用合理的灌溉制度調(diào)控土壤生態(tài)環(huán)境，可大幅提升水、肥利用效率，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。2015年，國家出臺(tái)文件《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》，提出將水資源緊缺作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)問題解決，并提出在西北地區(qū)規(guī)?；七M(jìn)噴灌、滴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)以緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾和解決灌溉水浪費(fèi)等問題。

光合作用直接決定著碳、氮代謝的強(qiáng)弱，最終反映生產(chǎn)性能的高低[3]，土壤水分狀況作為影響植物光合作用最主要的環(huán)境因素[4]，過度虧缺則直接影響紫花苜蓿葉片光合速率和蒸騰速率，造成葉片光合中心破壞[5]，還會(huì)影響作物的光反應(yīng)與暗反應(yīng)，以及影響作物光合器官，降低光合CO2同化效率，從而影響葉綠素?zé)晒庾兓罱K影響光合特性。有研究表明顯示，光合作用的影響因子除環(huán)境因素外，與土壤礦質(zhì)元素間也有很大關(guān)系，尤其是氮、磷、鉀，對(duì)植物葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和葉片胞間CO2濃度以及蒸騰速率和凈光合速率的影響顯著[6-8]。光合碳代謝為氮代謝提供能量和碳架，而植物體內(nèi)氮素水平與碳、氮代謝等過程有密切關(guān)系[9]，增加氮素可以加快光合速率來滿足碳、氮代謝對(duì)能量的同時(shí)需求［10］。目前針對(duì)紫花苜蓿光合特性對(duì)土壤水分環(huán)境響應(yīng)研究居多，西北干旱半干旱區(qū)作為紫花苜蓿的重要要種植區(qū)，以及高效節(jié)水灌溉技術(shù)大力推廣區(qū)，噴灌模式對(duì)紫花苜蓿的影響研究卻較少，尤其缺少水肥優(yōu)化控制灌溉對(duì)紫花苜蓿光合生理變化方面的研究。本研究通過不同水肥梯度變量下紫花苜蓿的光合特性與葉綠素?zé)晒馓匦裕骄寇俎９夂仙黹g的內(nèi)在聯(lián)系，以期得到最佳水肥控制灌溉模式，為西北灌區(qū)牧草增產(chǎn)節(jié)水提供充分科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

豐樂河灌區(qū)位于酒泉市肅州區(qū)城東南方向約70 km 處，平均海拔為1 610 m，屬典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候干燥，光照充足，晝夜溫差大，太陽輻射強(qiáng)，年平均氣溫7.9 ℃，無霜期130 d。

研究區(qū)60 cm 以上土層為中壤土，60 cm 以下主要為砂土層，耕作層土壤肥力情況如表1所示。

表1 灌區(qū)土壤肥力基本情況

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以紫花苜蓿為主要試材。紫花苜蓿屬于長日照植物，我國北方氣溫較低，風(fēng)大干旱，春播易失敗。一般采用夏季雨后搶墑播種，以5-7月初為宜。紫花苜蓿種子細(xì)小，幼芽細(xì)弱，頂土力差，整地必須精細(xì)，要求地面平整，土塊細(xì)碎，無雜草，墑情好。紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)，入土深，對(duì)播種地要深翻，才能使根部充分發(fā)育，按照試驗(yàn)要求劃分小區(qū)。

播種前要曬種2～3 d，以打破休眠，提高發(fā)芽率和幼苗整齊度。播前種子進(jìn)行丸衣化處理，按種子500 kg+包衣材料150 kg+粘合劑1.5 kg+水75 kg+鉬酸銨1.5 kg 的配方進(jìn)行。采用條播，行距25 cm，撒播時(shí)要先淺耕后撒種，再耙耱，播量為7 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4月開始，為了提出中低產(chǎn)田規(guī)?；瘒姽嘧魑锞抗芾砗退士刂颇Ｊ?，采取大田試驗(yàn)，試驗(yàn)采用裂區(qū)方式設(shè)計(jì)，其中主因素為氮肥施用量，副因素為灌水水平，試驗(yàn)設(shè)灌水和施氮兩個(gè)水平，施氮設(shè)3 個(gè)不同梯度，依次為N1（228.3 kg/hm2）、N2（206.6 kg/hm2）、N3（184.8 kg/hm2)，灌水設(shè)4 個(gè)不同梯度，依次為T1 (465.4 mm)、T2 (416.8 mm)、T3(351.9 mm)、T4(287.1 mm)，共計(jì)12 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共計(jì)36個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 中低產(chǎn)田苜蓿噴灌水肥調(diào)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)充分灌溉處理T1 的土壤含水量達(dá)到田間持水量的50%開始灌水。在苜蓿苗期和成熟后期不灌水，除了播種時(shí)按當(dāng)?shù)厮抗嗨?，第二次灌水是在土壤含水量下降到田間持水量的50%時(shí)進(jìn)行。

播種前，在試驗(yàn)田中撒施磷酸二銨441 kg/hm2、尿素150 kg/hm2、硫酸鉀126 kg/hm2作底肥，在生長期共施尿素兩次，N1 處理分枝期(7月15 號(hào))沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾期(7月25 號(hào))沖施87.0 kg/hm2；N2 處理分枝期(7月15 號(hào))沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾 期(7月25 號(hào))沖 施65.3 kg/hm2；N3 處 理 分枝期(7月15 號(hào))沖施141.3 kg/hm2，現(xiàn)蕾期(7月22 號(hào))沖施43.5 kg/hm2全生育期內(nèi)除灌水及施肥外，各處理的鋤草、噴施農(nóng)藥等措施均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)布置如圖1所示。

圖1 苜蓿噴灌試驗(yàn)小區(qū)布置圖

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)灌水設(shè)備采用指針式噴灌機(jī)灌溉：機(jī)組共有1跨，單跨長54.8 m，懸臂長25.08 m，噴灑半徑80 m。噴灌機(jī)安裝美國Nelson 公司的R3000 型低壓噴頭，選配0.14 MPa 壓力調(diào)節(jié)器，懸臂末端不安裝尾槍。

相關(guān)儀器還包括土鉆(2.0 m)、皮尺、電子天平(0.01 g)、烘箱(105 ℃)、環(huán)刀、水表、游標(biāo)卡尺、鋼卷尺、光譜儀、試管、移液槍、藥劑等。

1.5 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

（1）氣象資料的觀測(cè)。逐日溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等氣象資料從當(dāng)?shù)貧庀笳精@取。

（2）田間持水量測(cè)定。采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定。

（3）土壤水分的測(cè)定。土壤含水率用烘干法測(cè)定，從苜蓿生育期開始每隔7 d 測(cè)定一次，雨前和雨后加測(cè)，灌水前后加測(cè)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取5 株苜蓿，在每株苜蓿周圍選取3 點(diǎn)取土，取土點(diǎn)離根橫向距離20～30 cm，并用鋁盒裝樣，利用烘干法測(cè)定土壤含水率。相同土層深度3點(diǎn)取其平均值作為該苜蓿根際土壤含水率，5株苜蓿根際土壤含水率取其平均值作為該小區(qū)土壤含水率。采用（型號(hào)：DHG-9036A）烘箱，105 ℃下烘8 h。

（4）光合日變化的測(cè)定。葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr) 采用Li-6400XT 便攜式光合儀測(cè)定，葉氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣中CO2濃度)。指標(biāo)測(cè)定均選擇光照充足天氣進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間從8∶00-18∶00每隔2 h測(cè)定一次。

（5）葉綠素含量測(cè)定。葉綠素測(cè)定采用丙酮提取法。

（6）葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定。初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、表觀電子傳遞速率(ETR)采用PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定；

PSⅡ潛在活性=可變熒光(Fv)/初始熒光(Fo)，PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率=可變熒光(Fv)/最大熒光(Fm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同的水肥處理對(duì)紫花苜蓿光合作用的影響

不同的水肥處理對(duì)紫花苜蓿光合作用的影響如圖2所示：中低產(chǎn)田紫花苜蓿的凈光合速率(Pn)日變化規(guī)律呈現(xiàn)“雙峰”曲線變化趨勢(shì)。8∶00-12∶00 時(shí)段內(nèi)不同水肥處理Pn值迅速增加，在12∶00左右時(shí)達(dá)到第一峰值，相同施肥處理措施下，Pn值均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，且各處理間差異顯著（P＜0.05），12∶00-14∶00 時(shí)段內(nèi)Pn急劇下降，在14∶00 左右時(shí)達(dá)到第一處波谷，16∶00 左右出現(xiàn)第二處峰值，隨后Pn又呈下降變化趨勢(shì)；圖2表明，相同施肥處理下，各時(shí)段總體呈現(xiàn)T1＞T2＞T3＞T4 變化規(guī)律，相同灌水處理下，各時(shí)段總體呈現(xiàn)N2＞N1＞N3 變化規(guī)律。

圖2 噴灌不同水肥處理下中低產(chǎn)田紫花苜蓿光合特征參數(shù)日變化

中低產(chǎn)田紫花苜蓿的氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化曲線大體呈現(xiàn)“雙峰”變化趨勢(shì)，在10∶00左右達(dá)到第一峰值，Gs均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，且各處理間差異顯著（P＜0.05），16∶00左右時(shí)達(dá)到第二峰值，此時(shí)T1與T2處理之間無顯著差異（P＜0.05），但顯著（P＜0.05）高于T3、T4 處理，T3、T4 處理間無顯著差異（P＜0.05），18∶00 左右時(shí)各處理間無顯著差異。相同灌水處理下，N2 處理的Gs＞N1，但二者間差異不顯著，顯著高于N3。

中低產(chǎn)田紫花苜蓿的胞間CO2濃度(Ci)日變化總體呈先降低后升高再降低的變化趨勢(shì)，12∶00 左右時(shí)達(dá)到第一處“波谷”，此時(shí)相同施肥處理下，T3處理顯著高于其余處理，其次是T2 處理；16∶00 左右時(shí)達(dá)到第二處波谷，此時(shí)各處理依舊表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞T1 處理，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。

8∶00-12∶00 時(shí)段內(nèi)不同水肥處理蒸騰速率(Tr)迅速增加，12∶00 左右時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)相同施肥處理措施下，Tr均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，隨后Tr急劇降低，14∶00 左右時(shí)達(dá)到“波谷”，此時(shí)相同施肥處理措施下T1 處理的Tr大于T2 處理，此二者之間無顯著差異（P＜0.05），但顯著（P＜0.05）高于T3 與T4 處理，T3 與T4 處理間無顯著差異（P＜0.05）；隨后Tr又迅速增加，在16∶00左右時(shí)達(dá)到第二處峰值，此時(shí)相同施肥處理下Tr變化規(guī)律與14∶00時(shí)段相同，18∶00左右時(shí)各處理間無顯著差異（P＜0.05）。

中低產(chǎn)田紫花苜蓿氣孔限制值(Ls)日變化在8∶00 左右最小，后持續(xù)增長，18∶00達(dá)到最大。此時(shí)N1、N2處理下，T2處理Ls的顯著高于T1、T3、T4 處理，此三者間大小依次為T1＞T3＞T4，N3 處理下，T3＞T1＞T2＞T4；隨后Ls急劇升高，12∶00 左右時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)不同施肥處理下，T2 處理的Ls依舊顯著高于其他處理，16∶00左右時(shí)達(dá)到第二處峰值，此時(shí)各處理變化規(guī)律與峰值1處相似。

2.2 不同水肥處理對(duì)紫花苜蓿葉綠素含量的影響

不同水肥處理對(duì)紫花苜蓿葉綠素含量的影響如圖3所示。葉綠素是光合作用的光敏催化劑，其含量變化能夠表征葉片對(duì)外界光環(huán)境變化的適應(yīng)能力，圖3表明：不同施肥程度對(duì)葉綠素a 和葉綠素b 都有顯著影響，N2T2 處理的葉綠素a 顯著高于其余處理，N2處理下，不同灌水處理葉綠素a含量高于N1、N3處理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在N1與N3施肥條件下，葉綠素a含量大小總體呈現(xiàn)T1＞T2＞T3＞T4 變化規(guī)律； N2T1、N2T2 處理的葉綠素b含量顯著高于其余各處理，此二者間無顯著性差異，葉綠素b 對(duì)施肥與灌水單因素的響應(yīng)規(guī)律與和葉綠素a 相似。葉綠素總量是葉綠素a 與葉綠素b 含量的和，不同水肥處理對(duì)其含量的影響與葉綠素a 和葉綠素b 相似，N2T2 顯著高于其余處理。

圖3 噴灌不同水肥處理下中低產(chǎn)田紫花苜蓿葉綠素變化

2.3 不同水肥處理對(duì)紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同水肥處理對(duì)紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響如表3所示，噴灌不同水肥處理對(duì)紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響顯著。研究灌水單因素對(duì)紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響發(fā)現(xiàn)，初始熒光（Fo）隨著灌水量的減少而增加，可變熒光（Fv）、最大熒光（Fm）、PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）、實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）、表觀電子傳遞速率（ETR）隨著灌水量的減少而降低，且各處理間差異顯著；研究施肥單因素對(duì)紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響發(fā)現(xiàn)，N2處理的Fo小于N3、N1 處理，N2 處理的Fv、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR大于N1、N3處理；綜合分析各指標(biāo)對(duì)水肥調(diào)控的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，N1T1處理效果最佳。

表3 不同水肥處理下紫花苜蓿葉綠素?zé)晒鈪?shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 不同水肥處理對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響

不同水肥處理對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響如表4所示，苜蓿產(chǎn)量按照收獲茬數(shù)的推進(jìn)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。對(duì)不同施肥處理的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，而對(duì)相同施肥不同灌水量處理的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量也隨著灌水量的增加而增加。

表4 不同水肥處理的產(chǎn)量 kg/hm2

3 討論與結(jié)論

研究表明，土壤水肥條件通過影響植物葉片色素[11]、氣孔或非氣孔因素[12]以及葉片酶[13]等多種因素，影響植物光合作用，進(jìn)而對(duì)其生長發(fā)育[14]、SPAD[15]、產(chǎn)量[16]和品質(zhì)[17]等造成影響。李建明指出，灌水和施肥對(duì)植物光合作用都有明顯影響，但水分對(duì)其影響程度顯著高于施肥[18]，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)噴灌不同灌水量和不同施氮水平對(duì)植物光合作用有同等顯著影響效果，這可能與灌水定額和施肥量有直接關(guān)系，本研究發(fā)現(xiàn)N2T1 處理的苜蓿凈光合速率最大，這可能是由于適宜水分條件下有利于提高氣孔導(dǎo)度，或者是適宜的水肥組合有效地改善了土壤質(zhì)量，提高了植株光合和蒸騰作用；另外研究還發(fā)現(xiàn)，在高水、中水1、中水2條件下隨著Pn的下降，Ci與其變化一致，而Ls相反，說明氣孔因素是主要降低光合作用的因素：中水3 處理中，隨著Pn的降低，Ls也逐漸降低，而Ci變化趨勢(shì)與其相反，說明此時(shí)影響光合作用的因素為非氣孔因素，與前人研究結(jié)果相似[4,19,20]。

植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合作用內(nèi)在的有效探針，能快速有效地反映植物對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)[21]。研究發(fā)現(xiàn)隨著灌水量的減少，PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）降低，說明灌水減少降低了PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率，使得光能利用能力下降，這與劉軍研究結(jié)果相似，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的減少，表觀電子傳遞速率ETR 顯著降低，表明了灌水量的降低可以抑制作物體內(nèi)電子信號(hào)的傳導(dǎo)，產(chǎn)生光抑制，最終導(dǎo)致光合速率的降低[22,23]。

作物對(duì)外界光變化的適應(yīng)能力的變化可由葉綠素含量來表示，其含量的大小也反映作物進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱[1]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)中肥中水2 處理的葉綠素含量顯著高于其他處理，其次是中肥中水1處理，說明適宜的水肥能增加光能利用率。

水肥是影響苜蓿產(chǎn)量的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)，施肥水平一定，隨著灌水量的減少，產(chǎn)量減少[24]；灌水水平一定，高肥和中肥處理產(chǎn)量無顯著差異，低肥處理產(chǎn)量減少。綜合分析發(fā)現(xiàn)高肥高水處理和中肥高水處理的產(chǎn)量最好，其次是高肥中水1和中肥中水1處理。

因此，從提高紫花苜蓿光合作用，節(jié)水省肥角度出發(fā)，中肥中水1處理為該地區(qū)紫花苜蓿最佳的灌水施肥方式，灌溉定額416.8 mm，施氮量206.6 kg/hm2。