Threshold gradient of water content of spraying substrate based on photosynthetic characteristics of Lolium perenne in summer and autumn

研究区河北省张家口市涿鹿县为北京冬季奥林匹克运动会延庆赛区和张家口崇礼赛区廊道沿线，高速公路G6和G7之间，地理坐标为40°26′20″N，115°17′03″E。涿鹿县属温带半干旱大陆性季风气候，年均气温为9.1 ℃，极端最高气温为39.2 ℃，极端最低气温为−23.9 ℃，年均降水量为367 mm，年均蒸发量为1 600 mm，无霜期为169 d，年平均积温为2 100~3 400 ℃，风向以西北为主，平均风速2~3 m·s⁻¹，土壤为沙壤质褐土。

喷播基质材料为客土(取自河北省涿鹿县苗圃)、木纤维[长1~3 cm，中矿复地生态环境技术研究院(北京)有限公司]、保水剂(3005KCE，美国艾森公司)、黏合剂(A30，美国艾森公司)、稻壳和黑麦草种子(北京布莱特草业有限公司)。喷播基质层和种子层的材料配比见表1。黑麦草播种量为4 g·m⁻²。

利用种植盆试验模拟客土喷播绿化，种植盆上口直径50 cm、盆底直径40 cm、高15 cm，底部打孔便于排水。使用恒睿牌HKP125型客土喷播机。2021年4月26日，根据表1的材料配比将基质层和种子层分上、下2层先后喷播到种植盆内，采用微喷灌雾化喷头对喷播基质灌溉养护，保持喷播基质充分湿润(每次灌溉以喷播基质表面不积水为准)，保证种子出苗有充足的水分。

2021年5月26日开始控制喷播基质含水量(为质量含水量，下同)，用环刀法测得喷播基质的田间持水量为30.36%，容重为1.12 g·cm⁻³。喷播基质含水量设置5个水分梯度，分别为30.36%、25.81%、21.25%、16.70%和12.14%，即喷播基质相对含水量(C_RW)为100%、85%、70%、55%和40%，每个水分梯度设置3个重复。每天16:00用TDR350土壤水分速测仪(美国Spectrum公司)测定C_RW(通过容重换算为质量含水量)，每盆测定重复3次取平均值，并根据公式计算耗水量：w_设−w_测=m_耗/m_干。其中：w_设为设计质量含水量(%)；w_测为实测质量含水量(%)，根据TDR350实测值和容重换算；m_耗为每盆黑麦草耗水量(g)；m_干为每盆喷播基质干质量(g)，可由基质体积和容重计算得出。使用微喷灌雾化喷头对喷播基质补充水分，为避免降水影响，试验在透明通风遮雨大棚内进行。

于夏季(2021年8月5日，即控水2个月后)、秋季(2021年10月11日，即控水4个月后)选择连续3 d晴朗无云的天气，使用Li-6400XT便携式光合作用测定仪(标准叶室，Li-COR)测定黑麦草叶片P_n (μmol·m⁻²·s⁻¹)、蒸腾速率T_r (mmol·m⁻²·s⁻¹)、气孔导度G_s (mol·m⁻²·s⁻¹)、胞间二氧化碳(CO₂)摩尔浓度C_i (μmol·mol⁻¹)等生理参数以及大气CO₂摩尔浓度C_a (μmol·mol⁻¹)、光合有效辐射P_AR (μmol·m⁻²·s⁻¹)、气温T_a (℃)和相对湿度R_h (%)等环境因子，并根据公式E_WU=P_n/T_r计算水分利用效率、L_s=1−C_i/C_a计算气孔限制值。测定时间为8:00—16:00，隔2 h测1次，每个种植盆选取3株生长健康、长势一致的黑麦草，每株选取3片叶，每片叶记录3次读数，取平均值。

运用Excel 2016整理光合参数与基质相对含水量数据；SPSS 22.0进行差异显著性检验LSD；Origin 2018进行作图和多项式拟合建立回归模型，使用F检验对回归模型进行显著性检验。

由图1可知：夏、秋季P_AR的日变化为单峰曲线，均为先升高后下降，峰值均出现在12:00，夏季峰值为(1 393.71±110.04) μmol·m⁻²·s⁻¹，秋季为(786.73±88.74) μmol·m⁻²·s⁻¹。夏季P_AR日均值(999.75±459.61) μmol·m⁻²·s⁻¹大于秋季(504.07±274.09) μmol·m⁻²·s⁻¹。夏、秋季C_a日变化为“V”型曲线，8:00—12:00下降，之后上升。秋季C_a日均值(421.15±17.65) μmol·mol⁻¹大于夏季(411.54 ±10.76) μmol·mol⁻¹，两者相差较小，仅为2.30%。

Figure 1.  Diurnal variation of photosynthetically active radiation (P_AR) and atmospheric CO₂ concentration (C_a) in summer and autumn

由图2可知：夏、秋季T_a的日变化与P_AR相似，也为单峰曲线，在12:00达最大值。夏季T_a最大为(42.88±1.46) ℃，秋季为(28.41±1.06) ℃。夏季日均值(37.87±3.23) ℃大于秋季(26.21±2.03) ℃。夏、秋季R_h的日变化与T_a相反，12:00前下降，之后上升，夏、秋季R_h最低值分别为20.98%±1.65%和17.05%±1.47%。夏季R_h日均值(26.72%±5.56%)大于秋季(19.98%±2.70%)。

Figure 2.  Diurnal variation of temperature (T_a) and relative humidity (R_h) in summer and autumn

夏、秋季黑麦草叶片P_n日变化对C_RW有明显的阈值响应(图3)。当C_RW为70%~85%时，P_n的变化呈双峰曲线，均出现光合“午休”现象，上午和下午各出现1个峰值，此水分范围内，P_n在全天各时段均最高。当C_RW增加至100%时，P_n呈单峰曲线，峰值出现在12:00。当C_RW降低到55%和40%时，P_n为单峰曲线，峰值均出现在8:00(但秋季C_RW为55%时P_n峰值出现在10:00)，P_n在全天各时段均处于较低水平，表明C_RW低于55%会严重抑制植物的光合作用。由表2可知：P_n日均值对C_RW也有明显的阈值响应。当C_RW为85%时，夏季P_n日均值最大，达(11.17±3.08) μmol·m⁻²·s⁻¹，与其他水分梯度有显著差异(P＜0.05)。秋季的P_n日均值在C_RW为70%时达最大，为(7.02±1.97) μmol·m⁻²·s⁻¹，与其他水分梯度也有显著差异(P＜0.05)。夏季P_n日均值均大于秋季，C_RW为55%~100%时两季差异达到显著(P＜0.05)。C_RW为40%时，两季P_n日均值均较低，可见当C_RW较低时植物光合作用将受到严重影响。综上所述，夏、秋两季维持黑麦草较高P_n的C_RW为70%~85%，高于或低于此范围，P_n明显受到抑制。

Figure 3.  Diurnal variation of net photosynthetic rate (P_n) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn

夏、秋季黑麦草叶片T_r日变化规律与P_n基本相似(图4)，当C_RW为70%~85%时，黑麦草T_r的日变化呈双峰曲线。当C_RW增加至100%时，T_r呈现单峰曲线，夏、秋季峰值均出现在14:00，但日均值却低于C_RW为70%~85%时。表明基质水分充足可有效延缓T_r“午休”，但会降低T_r。当C_RW≤55%时，T_r呈单峰曲线，峰值出现在8:00或10:00，全天各时段均处于较低的水平。结合表2可知：当C_RW≥55%时，夏季T_r日均值显著高于秋季(P＜0.05))，可见不同季节气候环境对植物T_r影响较大。当C_RW为40%时，T_r日均值显著低于其他水分梯度(P＜0.05)，表明水分胁迫严重限制T_r。综上所述，C_RW过高或过低均会降低黑麦草T_r，当C_RW为70%~85%时，黑麦草会保持较高的T_r，保障植物正常生理活动。

Figure 4.  Diurnal variation of transpiration rate (T_r) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn

E_WU日变化对基质含水量有明显的阈值响应(图5)。C_RW为70%~85%时，E_WU为双峰曲线(但秋季C_RW=85%时为单峰曲线)，全天各时段E_WU均高于其他水分梯度。当C_RW增加至100%时，E_WU表现为单峰曲线，峰值出现在12:00。C_RW为40%~55%时，E_WU峰值出现在8:00或10:00，之后不断降低。结合表2可知：当C_RW≥55%时，秋季E_WU日均值显著高于夏季(P＜0.05)，C_RW为40%时秋季E_WU日均值高于夏季，但不差异显著。C_RW为40%和100%时，E_WU日均值均显著低于其他水分梯度(P＜0.05)，表明C_RW过高或过低都会降低E_WU。综上所述，夏、秋季维持黑麦草同时具有较高P_n和E_WU的C_RW为70%~85%，在这个水分范围内，T_r也保持较高水平，有利于植物的光合作用。

Figure 5.  Diurnal variation of water use efficiency (E_WU) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn

夏、秋季黑麦草G_s对C_RW具有明显的阈值响应(图6)，当C_RW为70%~85%时，G_s呈现双峰曲线。当C_RW=100%时，G_s为单峰曲线，峰值出现在12:00。当C_RW为40%~55%时，全天G_s峰值出现在8:00，之后一直降低，维持在较低水平。C_i和L_s对C_RW的阈值响应表现不同的变化规律(图7和图8)，上午和下午表现也不同。C_RW为70%~100%时，P_n下降，G_s和C_i明显下降，L_s明显升高，表明P_n下降原因是气孔限制。C_RW=55%时，上午P_n下降，G_s和C_i明显下降，L_s升高，但下午P_n下降，G_s和L_s下降，C_i反而升高，可见限制黑麦草P_n的原因上午和下午不同，上午以气孔限制为主，气孔关闭导致CO₂供应不足，下午以非气孔限制为主，水分胁迫导致植物叶片光合结构受损，P_n下降。当C_RW=40%时，C_i从8:00开始上升且一直处于较高水平，而L_s全天都较低，表明水分胁迫严重损坏了植物叶片光合结构，降低了光合作用有关酶的活性，从而降低了P_n。由图9可知：夏、秋季不同C_RW范围内P_n和G_s的正比关系不同，当C_RW＞55%时，随着G_s增大，P_n线性增大，P_n和G_s为线性正比关系；当C_RW≤55%时，P_n和G_s为非线性关系。因此，当C_RW=55%时，黑麦草不仅发生了P_n限制机制的转变，其P_n和G_s之间的关系也发生转变。综上所述，在C_RW=55%时出现上午、下午C_i和L_s变化相反的情况，表明此基质含水量是黑麦草叶片P_n下降由气孔限制为主转变为非气孔限制为主的临界点。

Figure 6.  Diurnal variation of stomatal conductance (G_s) of L. perenne under different water content of spraying substrate in summer and autumn

Figure 7.  Diurnal variation of intercellular CO₂ concentration (C_i) of L. perenne under different water content of spraying substrate in summer and autumn

Figure 8.  Diurnal variation of stomatal limit value (L_s) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn

Figure 9.  Relationship between net photosynthetic rate (P_n) and stomatal conductance (G_s) of L. perenne in summer and autumn

为进一步确定黑麦草喷播基质相对含水量(C_RW)分级临界值，对黑麦草P_n、T_r、E_WU和G_s的日均值与C_RW构建回归模型(表3)。由P_n与C_RW的回归模型知：夏、秋季P_n达最大值的C_RW分别为78.17%、76.02%，其对应的最大P_n分别为9.68和 6.33 μmol·m⁻²·s⁻¹。令P_n=0，求出夏、秋季水合补偿点的C_RW分别为35.02%、30.83%(C_RW大于100%的点均已舍去)。根据回归模型的积分式^[2]求出C_RW为40%~100%时黑麦草夏季P_n平均值为7.77 μmol·m⁻²·s⁻¹，对应的C_RW分别为58.98%和97.36%。同理可求出黑麦草秋季P_n平均值为5.29 μmol·m⁻²·s⁻¹，对应的C_RW分别为57.71%和94.33%。由此可以确定黑麦草夏、秋季P_n达到中等以上水平的C_RW分别为58.98%~97.36%、57.71%~94.33%。

根据E_WU与C_RW的回归模型，求出夏、秋季E_WU达最大值的C_RW分别为76.25%、73.61%，对应的最大值分别为1.48和 2.15 μmol·mmol⁻¹。令E_WU＝0，求出夏、秋季的对应的C_RW分别为15.41%、22.68%(C_RW大于100%的点均已舍去)。根据回归模型的积分式求出C_RW为40%~100%时黑麦草夏季E_WU的平均值为1.35 μmol·mmol⁻¹，对应的C_RW分别为58.17%和94.33%。同理可求出黑麦草秋季E_WU的平均值为1.89 μmol·mmol⁻¹，对应的C_RW分别为55.81%和91.42%。由此确定黑麦草夏、秋季E_WU达到中等以上水平的C_RW分别为58.17%~94.33%、55.81%~91.42%。

将P_n和E_WU取最大值点、平均值点、最低值点和P_n下降气孔限制转折点的喷播基质C_RW临界值，作为黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级临界点，建立喷播基质适宜含水量的阈值分级(表4)。此分级标准将P_n和E_WU作为“产”“效”来评价黑麦草生产力和水分利用能力的依据，建立了黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级。以P_n=0时的水合补偿点作为临界点，低于此临界点划为“无产无效水”范围。P_n下降原因由气孔限制为主转为非气孔限制为主对应的C_RW称为“P_n气孔限制转折点”。P_n和E_WU取最大值时的C_RW确定为“高产高效水”临界值点。依据P_n、E_WU与C_RW的回归模型积分式求解二者的平均值来确定P_n和E_WU达到中等以上水平的临界点，在此范围内称为“中产”“中效”，此范围外称为“低产”“低效”。为更清晰地展示5种阈值分级类型，借助坐标轴对其划分参数和数值进行展示(图10)。

Figure 10.  Coordinate graphic figures of spraying substrate suitable water content threshold gradient of L. perenne in summer and autumn

夏、秋季黑麦草光合生理参数(P_n、T_r、E_WU、G_s、C_i和L_s)日变化对喷播基质含水量的阈值响应规律与黄刺玫^[5]、文冠果Xanthoceras sorbifolia^[6]、连翘Forsythia suspensa^[7]、山杏Prunus sibirica^[8]、羊草Leymus chinensis和紫花苜蓿Medicago sativa^[9]等对土壤水分阈值响应的规律一致，即C_RW过高或过低均会抑制植物光合作用。C_RW为70%~85%时，夏、秋季P_n、T_r日变化均呈现双峰曲线，在12:00表现出“光合午休”现象。主要原因是中午气温最高，高温影响植物光合酶的活性，降低P_n；空气相对湿度低，叶片表面饱和水汽压差增大，叶片气孔保卫细胞失水过多，导致部分气孔关闭，降低T_r和P_n^[10]。C_RW为100%时，夏、秋季P_n日变化均呈现单峰曲线，峰值出现在12:00，但P_n日均值并不高。表明水分充足可以延缓植物光合午休，但C_RW过高，喷播基质孔隙较小，不利于根系呼吸，影响根系吸收营养元素，造成光合叶绿素含量降低，从而降低P_n^[11]。C_RW为100%时，夏、秋季T_r日变化的峰值延迟到14:00。已有研究表明：当水分充足时光照强度是影响T_r的主要因子，光合辐射可以促进叶片气孔开放，从而增强T_r^[12-13]。C_RW为40%~55%时，夏、秋季P_n和T_r均处于较低水平，原因是严重水分胁迫下植物为减少体内水分散失增加了气孔阻力^[4]，导致P_n和T_r降低。研究表明：适度的干旱胁迫能有效提高植物的水分利用效率^[14-15]，与本研究观点一致，即C_RW为70%~85%时黑麦草E_WU达最大值，并非在C_RW最高的时候。秋季E_WU显著高于夏季，主要原因是秋季T_r的降低幅度比P_n的降低幅度要更大，这与许多学者^[16-18]的研究结果一致。

夏、秋季黑麦草G_s日变化与P_n的变化规律基本相似，但通过对P_n和G_s的关系拟合可知：P_n和G_s在C_RW≤55%时两者为非线性关系，C_RW＞55%时为线性正比关系，这与郎莹等^[19]的研究结果一致。轻度水分胁迫下，叶片气孔部分关闭，G_s下降，进入叶片CO₂减少，因此C_i降低，L_s升高，但是当C_RW为55%时，下午时段G_s下降，C_i升高，表明水分胁迫可能破坏了叶片的光合结构，导致叶片吸收CO₂、光合作用能力下降。这也进一步说明，在C_RW为55%时，黑麦草P_n下降原因已经由气孔限制为主转变为非气孔限制为主。已有研究表明：当植物光合作用受到非气孔限制时，水分胁迫可能开始损坏光合结构^[20-21]，叶绿体受损并且不可逆^[22]，当C_RW进一步降低，植物叶子变黄甚至脱落^[21]。因此，C_RW=55%被认为是黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级的临界点。

采用P_n和E_WU作为土壤水分的“产”“效”指标可评价土壤水分有效性和适宜含水量范围^{[2-3, 5, 7, 23]}，主要方法有3类：第1类为聚类分析法^{[4, 24]}，即通过试验获取多个水分梯度下的P_n和E_WU进行聚类分析，得到不同的水分分级临界点。由于获取的水分梯度随机性较大，该方法缺乏足够代表性。第2类为极限值法，即通过获取P_n和E_WU与C_RW的定量关系，找出P_n和E_WU的最低值、最大值点和气孔限制转折点，以此来划分水分分级临界点。但此法并未对中等水平的“产”“效”进行划分^[2，6]。第3类为回归方程拟合法，即通过建立植物P_n和E_WU与C_RW的回归模型，计算P_n的水合补偿点、P_n和E_WU最低值点、最大值点和平均值点对应的土壤水分，并以此作为土壤水分有效性阈值分级临界点。该方法对土壤水分分级比较完整^{[2-3, 21]}。本研究结合第2类和第3类方法，即采用回归方程拟合法计算临界值点再结合P_n气孔限制转折点来确定喷播基质适宜含水量阈值分级标准。在拟合时采用了P_n和E_WU的日平均值与C_RW，相比只测上午光合数据^{[2, 4, 6, 21]}的研究更具有代表性。本研究确定的“无产无效水”“低产低效水”“中产中效水”“中产高效水”和“高产高效水”5种喷播基质适宜含水量阈值分级类型，可以根据不同的工程绿化养护要求和黑麦草不同生长阶段对水分的需求来选择利用。例如，在裸露边坡等困难立地最突出的特征是干旱和缺水，坡面工程绿化以防治水土流失和提高水分利用效率为目标，而不是充分供水达到最高产量 ^[24-25]。因此既满足边坡植被修复要求，又不因灌溉量过大而造成坡面水土流失、影响植物生长和浪费水资源等问题，可以保持喷播基质含水量在“中产高效水”(55.00%≤C_RW≤76.25%和55.00%≤C_RW≤73.61%)的范围，以此为标准进行灌溉。

夏、秋季黑麦草净光合速率水合补偿点的喷播基质相对含水量分别为35.02%和30.83%，即实际质量含水量分别为10.63%和9.36%，喷播基质含水量低于此值光合作用无效。夏、秋季黑麦草净光合速率下降由气孔限制转变为非气孔限制的喷播基质相对含水量均为55%，即实际质量含水量为16.70%，喷播基质含水量低于此值将对黑麦草叶片光合结构造成不可逆性损坏，建议灌溉养护时保持基质含水量不能低于此水分范围。客土喷播绿化以快速恢复植被为目标时可以保持喷播基质含水量在“高产高效水”范围，以此为标准进行灌溉，夏、秋季分别为76.25%≤C_RW≤78.17%和73.61%≤C_RW≤76.02%，即实际质量含水量分别为23.15%~23.73%和22.35%~23.08%。客土喷播绿化以提高水分利用效率并恢复基本植被(即恢复到当地自然植被盖度为准)为目标时，可以保持喷播基质含水量在“中产高效水”范围，以此为标准进行灌溉，夏、秋季分别为55.00%≤C_RW≤76.25%和55.00%≤C_RW≤73.61%，即实际质量含水量分别为16.70%~23.15%和16.70%~22.35%。