甜菜（Beta vulgaris）是重要的糖料作物，甜菜糖约占世界糖产量的2/5。在我国，甜菜主要栽培于东北、西北和华北的干旱-半干旱地区，区域年降水量少，季节间变异大，灌溉条件差，农田土壤贫瘠^{[1, 2]}，水分胁迫是制约其生产的重要逆境问题^[3]。有关水分胁迫对作物光合作用的影响研究颇多，叶绿素荧光动力学分析在植物干旱等逆境生理研究中也得到广泛应用。季杨等^[4]认为，水分胁迫会导致鸭茅净光合速率、蒸腾速率等指标降低，但使水分利用效率提高。周欣等^[5]对大豆的研究表明，叶片的净光合速率和蒸腾速率以相近的速度增长,其水分利用效率变化则不大。在水分胁迫下植物光合速率受抑制的原因既有CO₂同化的气孔性限制，又有非气孔性限制^[6]。曹慧^[7]认为，对于苹果属植物轻度或中度胁迫时气孔因子占主导作用，严重胁迫时非气孔因子起主导作用。罗俊等^[8]与柯世省等^[9]研究指出，随着胁迫程度的加强，甘蔗与夏腊梅的PSⅡ光能转换效率下降反映了作物在水分处理中受胁迫的程度。甜菜作为以营养生长为主的工业用糖料作物，其无明显的水分临界期与旱境促进糖分累积的特性，使之在旱地农业中具有特殊的生态与经济适宜性。为明确甜菜的旱境光合机理，本试验采用防雨棚控制水分环境，通过测定不同水分胁迫条件下甜菜的光合参数和水分利用效率反应，探究环境因子的光合生态机制，为提高甜菜生产的水分利用效率提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料与试验设计

试验于2013年在位于河北省张家口市的河北农业大学张北实验站进行，供试土壤为砂质栗钙土。耕层土壤含砾石13%~21%，容重1.55~1.65 g·cm^-3，有机质含量12.1 g·kg^-1；田间持水量为11.10%。供试甜菜品种为“KWH-6231”，采用纸筒育苗，2013年6月10日移栽，2013年10月1日收获。

试验在防雨棚内池栽进行，根据张北常年降水量进行补水，6、7、8、9月补水量分别为72、102、96 mm和45 mm，每月分别于1日、10日、20日补水3次。水分胁迫及复水共设5个处理。移栽后10 d停止补水，用W10表示；移栽后10 d停止补水至移栽后50 d复水，用W10-50表示；移栽后30 d停止补水，用W30表示；移栽后30 d停止补水至移栽后70 d复水，用W30-70表示；CK为生育期内一直补水。W10、W10-50、W30、W30-70及CK的总补水量分别为48、189、116、193、291 mm。 1.2 测定方法

分别于2013年在甜菜的叶丛生长期前期（7月12日）、叶丛生长晚期（7月24日）、块根膨大期（8月27日）和糖分积累期（9月25日），采用LI-COR公司生产的Li-6400便携式光合仪测定甜菜净光合速率（net photosynthesis rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、气孔导度（stoma conductivity，Gs）及胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration，Ci）等生理指标以及光合有效辐射（photosynthetically active radiation，PAR）、大气温度（air temperature，Ta）、大气CO₂浓度（air CO₂ concentration，Ca）等环境因子的日变化。将日光合速率与日蒸腾速率作累计处理，得到日光合量（DPC）和日蒸腾量（DTC）^[10]。水分利用效率（water use efficiency，WUE）=Pn/Tr；日水分利用效率（WUEd）=DPC/DTC；气孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca。测定时，选取不同水分处理下甜菜的第3、4片相同叶向的叶片，3次重复，从6:00 am开始，每2 h测定1次，至20:00 pm结束。测定同时用Hansatech公司生产的植物效率分析仪（Pocket PEA）测定甜菜PSⅡ的光化学效率（Fv/Fm），从6:00 am开始，每2 h测定1次，至18:00 pm结束。 1.3 数据处理

采用Excel 2010统计分析软件处理试验数据。 2 结果与分析 2.1 水分处理对甜菜净光合速率日变化的影响

甜菜4个生育时期的监测日光合有效辐射（PAR）与空气温度（Ta）实况见图 1；不同水分处理条件下，4个生育时期甜菜净光合速率（Pn）日变化曲线见图 2。比较表明，全生育期补水（CK）处理4时期甜菜净光合速率（Pn）日变化呈近“单峰”型；水分胁迫处理除W30在块根膨大期外，均呈“双峰”型，中午前后出现“午休”现象，且上午Pn大于下午；而胁迫后的复水处理，其Pn日变化线型则偏向全生育期补水处理。全生育期补水处理（CK）土壤湿度适宜，4个时期Pn皆为最大（图 2），糖分积累期日光合量（DPC）为177.04 μmol CO₂·m^-2·d^-1。

图 1 光合有效辐射和空气温度 Figure 1 Diurnal variation of PAR and Ta

图选项

图 2 不同水分处理下甜菜净光合速率日变化 Figure 2 Diurnal variation of net photosynthetic rate of sugar beet under different water treatments

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水分胁迫使甜菜叶片Pn大幅度下降。W10处理在叶丛生长前期、叶丛生长后期、块根膨大期，随生育时期推后，土壤水分减少、Ta上升，Pn降低越多，块根膨大期其DPC为31.69 μmol CO₂·m^-2·d^-1，较CK降低了85.47%；而在糖分积累期随Ta下降，大气蒸发减慢，Pn有所回升，其DPC为53.19 μmol CO₂·m^-2·d^-1，较CK降低了69.96%。W30水分胁迫后叶丛生长期Pn降低，在块根膨大期由于叶片大量枯死，植株需水减少，Pn开始回升，至糖分积累期DPC为64.66 μmol CO₂·m^-2·d^-1，较CK降低了63.48%（表 1）。

表 1 不同水分处理甜菜日光合量、日蒸腾量和日水分利用效率 Table 1 DPC,DTC and WUEd of sugar beet under different water stress

表选项

W30处理在块根膨大期和糖分积累期中的Pn第1个峰值均在上午8时，而复水处理W30-70和CK的Pn第1个峰值则出现在10时（图 2）。结果表明，水分胁迫不仅降低了甜菜Pn峰值，且使其第1个峰值提前出现，从而延长了光合“午休”时间，成为水分胁迫影响甜菜光合生产的重要机制。

水分胁迫后复水促使甜菜叶片Pn恢复，且随着复水时间延长，Pn回升越多。监测期内，W10-50在糖分积累期Pn最大，DPC为127.23 μmol CO₂·m^-2·d^-1，较CK仅降低了28.13%；W30-70处理在块根膨大期Pn回升之时进行复水使得Pn进一步增加，在糖分积累期时DPC达到155.01 μmol CO₂·m^-2·d^-1，较CK仅降低12.44%。说明水分胁迫后复水，甜菜叶片Pn难以达到未受水分胁迫水平，水分胁迫给甜菜叶片光合系统带来了长久性损害。 2.2 水分处理对甜菜蒸腾速率与水分利用效率日变化的影响

水分处理对甜菜蒸腾速率（Tr）的影响特征与Pn相似（图 3）。CK在4个时期内Tr日变化呈近单峰型，叶丛生长前期甜菜蒸腾量（DTC）最大，为153.10 μmol H₂O·m^-2·d^-1，随生育期推移Tr降低。持续的水分胁迫，使甜菜Tr日变化呈现午间降低的双峰特征。在糖分积累期，水分胁迫处理W10和W30的DTC最小（表 1），较CK分别降低了74.81%和70.16%；复水使Tr回升，但仍低于CK，W10-50和W30-70的DTC较CK分别降低了48.25%和30.63%。说明复水后叶片持续的低Tr水平，成为水分胁迫下甜菜叶片光合低效的重要原因。

图 3 不同水分处理下甜菜蒸腾速率日变化 Figure 3 Diurnal variation of transpiration rate of sugar beet under different water treatments

图选项

上午10时，CK则出现在12时。分析表明，由于难以满足午间高温下的植株蒸腾，水分胁迫处理较早结束Tr值增长以降低日均蒸腾速率，由此成为Pn降低的直接原因。

不同水分处理甜菜的水分利用效率（WUE）除叶丛生长晚期的CK，均呈“双峰”型（图 4）。水分胁迫处理WUE的2个峰值均不同程度地高于CK，而午间的谷值则在重度水分胁迫时明显低于CK。在糖分积累期，W10-50处理的日水分利用效率（WUEd）最高（表 1），达4.20 mmol CO₂·mol-1 H₂O，较CK提高了38.86%；W10、W30和W30-70处理的WUEd分别为3.61、3.70 mmol CO₂·mol-1 H₂O和3.82 mmol CO₂·mol-1 H₂O，分别较CK提高了19.28%、22.39%和26.21%。结果表明，适度水分胁迫是提高甜菜水分利用效率的有效途径。

图 4 不同水分处理下甜菜水分利用效率日变化 Figure 4 Diurnal variation of water use efficiency of sugar beet under different water treatments

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甜菜光合参数气孔限制值（Ls）的日变化见图 5。全生育期补水处理（CK）在上午6时后随着PAR的上升Ls持续增大，日变化近“单峰”型，叶丛生长前期在12时达到峰值，叶丛生长后期、块根膨大期与糖分积累期则推迟至14时与16时。与CK比较，各水分胁迫处理Ls呈现增速快、量值高的变化特征，表明水分胁迫显著抑制了气孔的通透性。在极度缺水环境下，Ls日变化具有“双峰”特征。W10在叶丛生长后期上午8时达到第1峰值后于上午10—12时进入低谷，之后Ls再度快速增大在16时达第2峰值。分析表明，极度水分胁迫下Ls午间出现低谷与气孔运动及叶肉细胞活性等有关。

图 5 不同水分处理下甜菜气孔限制值日变化 Figure 5 Diurnal variation of stomatal limitation value of sugar beet under different water treatments

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甜菜光合参数胞间CO₂浓度（Ci）的监测结果见图 6。全生育期补水处理（CK）的Ci与Ls具有反向性同步变化特征，日变化近“单谷”型。午间强光高温环境下的高额蒸腾作用，成为甜菜叶片气孔部分关闭与胞间CO₂浓度降低的主要原因。与CK比较，各水分胁迫处理表现降速快、量值低特征；在极度缺水环境下，Ci出现“双谷”型变化。说明植株体缺水所加剧的午间强光高温胁迫，导致了叶肉细胞活性降低甚至出现光呼吸，成为午间光合低效的重要原因。

图 6 不同水分处理下甜菜胞间CO2浓度日变化 Figure 6 Diurnal variation of intercellular CO2 concentration of sugar beet under different water treatments

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不同水分处理的甜菜最大光化学量子产量Fv/Fm的日变化均呈“V”型曲线（图 7），午间强光高温时段Fv/Fm降至低谷，这与期间株体的水分亏缺有关。全生育期补水处理（CK）的Fv/Fm午间降幅最小；而随水分胁迫的加重，Fv/Fm午间降幅愈大。极度缺水处理W10在叶丛生长前期、叶丛生长后期、块根膨大期和糖分积累期Fv/Fm日均值分别较CK降低了6.49%、5.17%、11.78%和7.09%；复水后W10-50的Fv/Fm有所回升，块根膨大期和糖分积累期日均值分别较CK只降低了6.15%和3.02%。W30在水分胁迫后Fv/Fm同样降低，叶丛生长后期、块根膨大期和糖分积累期日均值分别较CK降低了4.26%、3.17%和5.85%。说明水分胁迫加重了午间PSⅡ光化学反应中心的抑制效应，这成为午间Pn低效的基本机制，但这一光化学反应的抑制具有可逆性。

图 7 不同水分处理下甜菜叶PSⅡ最大光化学量子产量日变化 Figure 7 Diurnal variation of chlorophyll fluorescence of sugar beet under different water treatments

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补水甜菜不同生育期的Pn日变化为近单峰性，而各水分胁迫处理则出现“午休”而表现明显的双峰特征，这与沙棘^[11]、条墩桑^[12]、苜蓿^[13]等植物研究结果类似。第1个高峰前Pn的上升是由于PAR增强和Ta升高，刺激气孔开放和气孔导度增大，使进入叶肉细胞的CO₂增多和蒸腾速率增大造成的^[14]。依据光合参数Ci和Ls的变化特征^[15]判断Pn降低的主要限制认为，全生育期补水和复水甜菜Pn的降低主要是气孔因素限制；而随着水分胁迫程度的加重，W10和W30处理下引发Pn降低的气孔因素在减少，非气孔因素即叶肉细胞光合活性降低因素在加大。在水分严重胁迫下，Pn与Tr的下降可认为是植物为避免过度失水所进行的自我调节^{[16, 17, 18]}，这对于旱作农田“待雨勃发”的作物生产，特别是只进行营养体生产的甜菜尤为重要。 3.2 水分利用效率与水环境

水分利用效率反映了植物消耗单位数量的水分所同化的CO₂数量，与自身遗传基础相关，高WUE是植物抵御水分胁迫的基础^[19]。本试验中，水分胁迫及胁迫后复水处理较CK均提高了甜菜的水分利用效率的日平均值，这与对沙棘^[20]、沙地柏^[21]、樟子松^[22]等植物研究提出的适度水分亏缺可促进水分利用效率的结果相一致。本试验监测表明在极度缺水时段如午间，甜菜的WUE会较CK大幅度降低，这与干旱环境加重午间强光高温下叶片强烈失水而导致叶肉细胞失活等有关^[23]。调节环境的温湿度以减小叶片与其环境的水汽压差，成为缓解水分胁迫与提高WUE的重要途径。 3.3 光化学量子产量与环境胁迫

叶绿素荧光动力学参数愈多地被用于探测逆境对植物光合作用的影响^[24]，一般认为水分胁迫主要伤害植物光合机构PSⅡ^[25]。本试验表明，水分胁迫加剧了甜菜午间Fv/Fm的快速与宽幅下降趋势，表明期间PSⅡ光合反应中心活性受到了强烈抑制；而胁迫后复水处理的Fv/Fm均不能恢复到全生育期补水（CK）的水平，表明极度水分胁迫环境导致了甜菜叶肉细胞PSⅡ中部分光合反应中心的永久性失活，或者产生了对缺水环境的适生性变异。在对夏玉米的研究中也监测到这一现象^[26]。由此说明，水资源短缺背景下以提高WUE为核心的农田亏缺式水分管理具有量值界域。 4 结论

甜菜全生育期补水（CK）处理不同时期蒸腾速率（Tr）与净光合速率（Pn）日变化近“单峰”型；缺水使其呈现“双峰”特征。水分胁迫使甜菜糖分积累期日蒸腾量（DTC）降低70.16%～74.81%，日光合量（DPC）较CK降低63.48%～69.96%，而日水分利用效率（WUEd）较CK提高19.28%～22.39%；胁迫后复水促使Tr与Pn恢复，但不能达到未受水分胁迫的水平。极度缺水环境下Ls日变化具有午间低谷的“双峰”特征，并Ci出现“双谷”但不与Ls时序反向；相应随着水分胁迫，加重了午间PSⅡ光化学反应中心的抑制与长久性失活变化，这成为水分胁迫使甜菜Pn低效的基本机制。