金建新，李株丹，桂林國(guó)

（1. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002； 2. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

馬鈴薯是小麥、水稻、玉米后的第四大糧食作物，2015年農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)在2020年將50%的馬鈴薯作為主糧消費(fèi)［1，2］。干旱是影響馬鈴薯生理活性和產(chǎn)量的重要因素，在土壤水分不足時(shí)，馬鈴薯會(huì)產(chǎn)生一系列生理變化來(lái)適應(yīng)這種干旱脅迫，包括生育期提前、產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)生理活動(dòng)等［3，4］。馬鈴薯各生育階段受不同程度的干旱脅迫均會(huì)使其生理生化指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)變化，其中丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量均增加，而超氧化物歧化酶（SOD）活性下降［5-7］。除此之外，干旱脅迫還會(huì)影響馬鈴薯光合生理，在干旱脅迫下氣孔關(guān)閉，植物吸收CO2量減少，光合速率下降，導(dǎo)致產(chǎn)量減少，水分利用效率降低［8-10］。植物激素脫落酸ABA 在植物生長(zhǎng)過(guò)程中扮演重要角色，能夠促進(jìn)果實(shí)發(fā)育、種子萌發(fā)等，也參與干旱脅迫作物自調(diào)節(jié)過(guò)程［11，12］。適宜的ABA 濃度處理后，可顯著降低霧培微型馬鈴薯塊莖的失重率，加速塊莖周皮組織處軟木脂和木質(zhì)素的積累［13］。在馬鈴薯干旱脫水等條件下，脅迫信號(hào)會(huì)激發(fā)ABA 合成酶的作用，使ABA 在細(xì)胞內(nèi)的含量快速發(fā)生改變，并且隨著水分脅迫程度增加馬鈴薯葉片中ABA 含量呈遞增趨勢(shì)［14］。目前脫落酸ABA對(duì)作物氣孔活動(dòng)的調(diào)節(jié)有兩種觀點(diǎn)，一種是認(rèn)為ABA直接作用于葉片保衛(wèi)細(xì)胞，另一種是認(rèn)為ABA通過(guò)葉肉細(xì)胞中離子間接作用于葉片保衛(wèi)細(xì)胞［15-18］。本文在滴灌條件下，探索了不同滴灌灌水量條件下馬鈴薯葉片微觀生理活動(dòng)的變化和根系、葉片脫落酸的生成，以及葉片脫落酸ABA 對(duì)氣孔和蒸騰的調(diào)節(jié)，為馬鈴薯滴灌條件下生理節(jié)水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)馬兒莊試驗(yàn)基地展開(kāi)，位于寧夏中部地區(qū)，東經(jīng)107°43'33″，北緯37°57'57″，典型的大陸性季風(fēng)氣候，氣溫冬冷夏熱，平均氣溫22.4 ℃，晴天多，降雨少，光能豐富，日照充足溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，秋冬交節(jié)之際，晝夜溫差可達(dá)20 ℃。多年平均降雨量為254.8 mm，蒸發(fā)量2 100 mm，日照時(shí)數(shù)2 286 h，大于10 ℃的有效積溫為3 145 ℃，無(wú)霜期198 d，海拔1 352 m。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙壤土，平均容重1.42 g∕cm3，田間持水量為21.8%（重量百分比），耕層土壤堿解氮為92 mg∕kg，有效磷含量13.8 mg∕kg，速效鉀含量125.4 mg∕kg，有機(jī)質(zhì)含量為5.6 g∕kg［19］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬鈴薯供試品種為寧薯16號(hào)，把馬鈴薯整個(gè)生育期分為出苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和淀粉積累期5 個(gè)生育階段。本試驗(yàn)以灌溉定額為變量的單因素試驗(yàn)，設(shè)置3 000、3 750、4 500、5 250、6 000 m3∕hm2共5 個(gè)梯度灌溉量處理，共計(jì)5 個(gè)處理，如表1 所示。每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)15 個(gè)小區(qū)，采用滴灌進(jìn)行供水，隨機(jī)區(qū)組排列。從馬鈴薯出苗期開(kāi)始進(jìn)行灌水量梯度處理，用水表嚴(yán)格計(jì)量灌水量，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)20 m，寬3 m，于4月23 日前后開(kāi)始穴播，種薯用量750 kg∕hm2，壟作滴灌種植，采用一壟雙行一帶布置，行距50 cm，株距33 cm。

表1 試驗(yàn)處理表m3∕hm2Tab.1 Test treatment table

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

（1）馬鈴薯生理指標(biāo)。在馬鈴薯塊莖膨大期，選擇晴朗的天氣，利用采用LI-6400型便攜式光合儀測(cè)定凈光合作用、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰強(qiáng)度等生理指標(biāo)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3 株，觀測(cè)時(shí)間為早上9∶00 至11∶00，選擇長(zhǎng)勢(shì)正常、完全展開(kāi)的葉片進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)葉片重復(fù)觀測(cè)3次。

（2）脫落酸測(cè)定。在馬鈴薯塊莖膨大期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挖取3 株馬鈴薯，將葉片和根系分離，裝在保險(xiǎn)箱帶回實(shí)驗(yàn)室，采用氣相色譜法［20］測(cè)定根系和葉片的脫落酸含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)馬鈴薯生理指標(biāo)的影響

由圖1可見(jiàn)，馬鈴薯凈光合速率Pn和灌水量密切相關(guān)，隨著灌水量的增加，馬鈴薯凈光合速率Pn也增加，兩者表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系，其中處理5的Pn最大，為35.5 μmol∕（m2·s），其次是處理4＞處理3＞處理2＞處理1，其中處理1 最小，最大值處理5較處理1、處理2、處理3、處理4 分別大55.93%、44.9%、12.22%和8.12%。可見(jiàn)處理1和處理2與處理3、處理4和處理5組間差異顯著，說(shuō)存在一個(gè)水分閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，馬鈴薯凈光合速率隨著灌水量增加產(chǎn)生的增加值差異變小。擬合灌水量M與凈光合速率Pn關(guān)系可得Pn=0.063M+10.76，決定系數(shù)R2=0.959，兩者表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系。

圖1 不同處理馬鈴薯凈光合速率PnFig.1 Photosynthetic rate of potato under different treatments

作物葉片氣孔是氧氣、CO2、水分等進(jìn)出的通道，氣孔導(dǎo)度大，進(jìn)入細(xì)胞間的CO2濃度就越高，參與光合作用的CO2就越多，馬鈴薯的光合作用也就越大。由圖2可以看出，馬鈴薯氣孔導(dǎo)度和灌水量有一定的關(guān)系，基本趨勢(shì)是隨著灌水量的增加馬鈴薯葉片的氣孔導(dǎo)度就越大，但是處理3較處理2小9.1%，出現(xiàn)了反?，F(xiàn)象，各處理氣孔導(dǎo)度相對(duì)大小和方向依次為處理5＞處理4＞處理2＞處理3＞處理1，最大值處理5 較最小值處理1大72%。說(shuō)明在灌水量增加時(shí)能顯著提高馬鈴薯葉片的氣孔導(dǎo)度，擬合灌水量M和氣孔導(dǎo)度Gs之間的關(guān)系可得Gs=0.000 67M+0.063 6，決定系數(shù)R2=0.82，兩者之間也具有較為顯著的線性關(guān)系。

圖2 不同處理馬鈴薯氣孔導(dǎo)度GsFig.2 Stomatal conductance of potato under different treatments

馬鈴薯胞間CO2濃度Ci越高說(shuō)明進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)參與光合作用的CO2越少，馬鈴薯光合強(qiáng)度就越小，其值受到葉片氣孔導(dǎo)度、葉片周圍空氣的CO2濃度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞的光合活性等的影響。由圖3 可以看出，馬鈴薯葉片胞間CO2濃度隨著灌水量的增加開(kāi)始變化不大后來(lái)迅速減小，處理1 和處理2 之間差異不顯著，處理3 則較處理小8.56%，處理4 和處理5 分別小16.77%和35.93%。擬合胞間CO2濃度和灌水量M之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Ci=-0.000 55M2+0.218M+60.82，決定系數(shù)R2=0.987，可見(jiàn)兩者之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系，并且表現(xiàn)為顯著性相關(guān)。葉片蒸騰強(qiáng)度是反應(yīng)土壤水分狀況的重要指標(biāo)，灌水量小馬鈴薯從土壤可吸收的水分少，容易發(fā)生土壤干旱，若空氣風(fēng)速較大，馬鈴薯蒸騰強(qiáng)度過(guò)大，容易發(fā)生生理干旱，因此，作物蒸騰強(qiáng)度的大小和土壤水分直接相關(guān)。由圖4 可以看出，馬鈴薯葉片蒸騰強(qiáng)度與灌水量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，隨著灌水量的增加馬鈴薯蒸騰強(qiáng)度也線性增加，表現(xiàn)為較好的一致性，其中處理5蒸騰強(qiáng)度最大，為8.21 mmol∕（m2·s），其次為處理4，最小的處理1，僅為為3.17 mmol∕（m2·s），處理5較處理4、處理3、處理2、處理1分別大7.47%、26.6%、50.95%和61.43%。擬合蒸騰強(qiáng)度Tr和灌水量M之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其也較好地滿足線性關(guān)系，Tr=0.027M-2.389，決定系數(shù)R2=0.973，表現(xiàn)為顯著性相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明馬鈴薯騰發(fā)量受灌水量的顯著影響，灌水量增加其蒸騰強(qiáng)度也隨著提高。

圖3 不同處理馬鈴薯胞間CO2濃度CiFig.3 Intercellular CO2 concentration of potato under different treatments

圖4 不同處理馬鈴薯蒸騰強(qiáng)度TrFig.4 Transpiration intensity of potato under different treatments

2.2 不同灌水對(duì)馬鈴薯根和葉脫落酸ABA的影響

植物在干旱脫水等條件下一種主要生理變化是內(nèi)源激素脫落酸ABA 含量的變化，這是由于脅迫信號(hào)會(huì)激發(fā)ABA 合成酶的作用，從而使ABA 在細(xì)胞內(nèi)的含量快速發(fā)生改變。從圖5中可以看出隨著灌水量的減少馬鈴薯葉片中的脫落酸含量增加，各處理葉片中的ABA 含量相對(duì)大小和方向依次為處理1＞處理2＞處理3＞處理4＞處理5，與灌水量具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中處理1 最大，較處理2、處理3、處理4、處理5 分別大15.56%、22.22%、31.11%和35.56%。擬合葉片脫落酸ABA 含量和灌水量M的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，即脫落酸含量ABA=-0.156M+118，決定系數(shù)R2=0.955。說(shuō)明在土壤水分不足時(shí)，馬鈴薯會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)源激素對(duì)其生理活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水分消耗量減少，這也是馬鈴薯對(duì)周圍環(huán)境脅迫進(jìn)行自適應(yīng)的一種應(yīng)激反應(yīng)，可最大限度減少土壤水分不足對(duì)其生長(zhǎng)造成的脅迫影響。

圖5 不同處理馬鈴薯葉片脫落酸含量Fig.5 Abscisic acid content in leaves of different treatments

圖6 為不同處理馬鈴薯根系中脫落酸ABA 含量的變化，可以看出其表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，各處理根系脫落酸含量相對(duì)大小和方向依次為處理2＞處理3＞處理1＞處理4＞處理5，其中處理2 根系中脫落酸含量達(dá)到最大，其較處理3、處理1、處理4、處理5分別大9.52%、14.28%、33.33%和47.62%。處理1根系A(chǔ)BA 含量小于處理2 和處理3，但是處理1 葉片中ABA 含量顯著高于其他處理，這可能是因?yàn)樘幚? 下馬鈴薯根系在水分不足時(shí)產(chǎn)生的脫落酸轉(zhuǎn)移至葉片參與葉肉保衛(wèi)細(xì)胞的調(diào)節(jié)活動(dòng)。但是整體趨勢(shì)和葉片相似，即隨著灌水量的增加根系脫落酸含量減小，處理1、處理2 和處理3較處理4 分別大28.57%、50%和35.72%，處理1、處理2和處理3較處理5分別大63.64%、90.9%和72.73%。說(shuō)明馬鈴薯在土壤水分不足時(shí)，根系通過(guò)對(duì)滲透物質(zhì)、保護(hù)酶和內(nèi)源激素的調(diào)節(jié)來(lái)維持自身的正常生理代謝功能，來(lái)抵抗水分虧缺帶來(lái)的影響。由此可見(jiàn)馬鈴薯對(duì)土壤水分脅迫具有一定的調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，也說(shuō)明了其對(duì)土壤干旱脅迫逆境所表現(xiàn)出來(lái)的耐旱作用和逃旱作用機(jī)制。

圖6 不同處理馬鈴薯根系脫落酸含量Fig.6 Abscisic acid content in roots of different treatments

2.3 馬鈴薯脫落酸在調(diào)節(jié)氣孔行為中的作用

當(dāng)土壤水分不足時(shí)，馬鈴薯會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)源激素對(duì)其生理活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種內(nèi)源激素包括很多類型，其中對(duì)蒸騰起主要作用的激素為脫落酸ABA。脫落酸對(duì)蒸騰的調(diào)節(jié)機(jī)制主要有兩種觀點(diǎn)，一是認(rèn)為脫落酸通過(guò)刺激K+和Na+等離子，間接作用到葉片保衛(wèi)細(xì)胞上，使氣孔減小或者關(guān)閉，另一種解釋為脫落酸直接作用于葉片保衛(wèi)細(xì)胞使其收縮，造成氣孔關(guān)閉，蒸騰減少［18］。由圖7可知，氣孔導(dǎo)度Gs和葉片脫落酸ABA 含量之間表現(xiàn)為一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著葉片脫落酸ABA 含量的增加，氣孔導(dǎo)度Gs逐漸減小。擬合發(fā)現(xiàn)兩者符合線性關(guān)系，即Gs=-0.003ABA+0.542，決定系數(shù)R2=0.72，說(shuō)明整體來(lái)看，葉片脫落酸ABA 在調(diào)節(jié)葉片氣孔行為上具有一定的作用，隨著其含量升高，葉片氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度減小。但是其決定系數(shù)僅為0.72，說(shuō)明還存在其他因素或內(nèi)源激素，與脫落酸ABA 共同調(diào)節(jié)葉片氣孔行為，或各因素之間還存在互作效應(yīng)，還有待進(jìn)一步研究。

圖7 葉片ABA和氣孔導(dǎo)度Gs關(guān)系Fig.7 Relationship between leaf ABA and Gs

圖8 為葉片脫落酸ABA 和蒸騰強(qiáng)度的關(guān)系，與氣孔導(dǎo)度Gs類似，葉片ABA 含量與蒸騰強(qiáng)度也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著葉片脫落酸ABA 含量的升高，馬鈴薯蒸騰強(qiáng)度Tr逐漸降低。擬合后發(fā)現(xiàn)Tr=-0.167ABA+17.72，決定系數(shù)R2=0.931，說(shuō)明兩者表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，說(shuō)明葉片脫落酸ABA 在抑制馬鈴薯蒸騰方面具有直接作用。在土壤水分不足時(shí)，馬鈴薯通過(guò)機(jī)體自適應(yīng)反饋體系產(chǎn)生內(nèi)源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了葉片的蒸騰強(qiáng)度，減少了水分流失，進(jìn)而保證植株體細(xì)胞保持膨脹所需要的水分。

圖8 葉片ABA和蒸騰強(qiáng)度Tr關(guān)系Fig.8 Relationship between leaf ABA and Tr

3 主要結(jié)論

（1）馬鈴薯氣孔導(dǎo)度、蒸騰強(qiáng)度、凈光合速率均與灌水量正相關(guān)，且與灌水量表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系，胞間CO2濃度相反，說(shuō)明土壤水分充足時(shí)，能促進(jìn)馬鈴薯各項(xiàng)生理過(guò)程，光合速率加快，同化物累計(jì)量增加，大量的CO2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)參與光合作用，造成胞間CO2濃度降低。

（2）馬鈴薯葉片和根系中脫落酸ABA 含量與灌水量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，馬鈴薯在土壤水分不足時(shí)，根系通過(guò)對(duì)滲透物質(zhì)、保護(hù)酶和內(nèi)源激素的調(diào)節(jié)來(lái)維持自身的正常生理代謝功能，抵抗一定的水分虧缺，可見(jiàn)馬鈴薯對(duì)土壤水分脅迫具有一定的調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，充分說(shuō)明了其對(duì)土壤干旱脅迫逆境所表現(xiàn)出來(lái)的耐旱作用和逃旱作用機(jī)制。

（3）葉片脫落酸ABA 在調(diào)節(jié)葉片氣孔行為上具有一定的作用，隨著其含量升高，葉片氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度減小，但是其決定系數(shù)僅為0.72，說(shuō)明還存在其他因素或內(nèi)源激素，與脫落酸ABA 共同調(diào)節(jié)葉片氣孔行為。葉片脫落酸ABA 在抑制馬鈴薯蒸騰方面具有直接作用，在土壤水分不足時(shí)，馬鈴薯通過(guò)機(jī)體自適應(yīng)反饋體系產(chǎn)生內(nèi)源激素ABA，在ABA 的作用下，直接降低了葉片的蒸騰強(qiáng)度，減少了水分流失，進(jìn)而保證植株體細(xì)胞保持膨脹所需要的水分。