水资源短缺是黄土高原旱地农业高效持续发展的主要限制因素.如何减少地表径流和蒸发散失,增加“土壤水库”的蓄水保墒作用是旱地农业研究的重要课题^{[1, 2]}。水势是表示植物水分状况或水分亏缺程度的一个直接指标^{[3, 4]},在植物各部位的水势中,叶水势是反映植物体内水分亏缺最灵敏的生理指标^{[5, 6]},反映了植物各种生理活动受环境水分条件的制约程度^[7]. 目前有关植物叶水势的研究,主要集中在不同灌水措施和施肥处理对植物叶水势的影响方面^[8]，针对雨养农业区不同耕作措施下作物叶水势的研究较少。本文在田间条件下研究了黄土高原半干旱雨养农业区，不同耕作措施下春小麦和豌豆叶水势的变化特征,并对两种作物的叶片相对含水量的变化规律进行了探讨,旨在为该区保护性耕作模式的推广提供理论依据。

试验设在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘肃农业大学定西旱农生态综合试验站。试区属中温带半干旱区,平均海拔2000 m,年均太阳辐射592.5 kJ/cm²,日照时数2476.6 h,年均气温6.4 ℃,≥0 ℃积温2933.5 ℃,≥10 ℃积温2239.1 ℃,无霜期140 d。多年平均降水量390.9 mm,年蒸发量1531.0 mm,干燥度2.53,80%保证率的降水量为365 mm,变异系数为24.3%,为黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区。

试验共设6个处理,如表 1所示。结合小麦豌豆的年间轮作,为加快研究进程,研究设计了小麦→豌豆(2002年小麦→2003年豌豆→2004 年小麦→2005年豌豆→2006年小麦→2007年豌豆→2008年小麦→2009年豌豆→20010年小麦→2011年豌豆,简称W→P→W)和豌豆→小麦(2002年豌豆→2003年小麦→2004年豌豆→2005年小麦→2006年豌豆→2007年小麦→2008年豌豆→2009年小麦→2010年豌豆→2011年小麦,简称P→W→P)2个轮作序列,4次重复,共48个小区,小区面积4 m×20 m,随机区组排列。2001年8月开始布置试验,所有秸秆还田处理均覆盖小麦秸秆4500 kg/hm²(秸秆铡短至15 cm),之后每年收获后的所有秸秆((秸秆铡短至15 cm))全部还原小区。供试作物为春小麦和豌豆。其中春小麦品种为“定西35”,播种量187.5 kg/hm²;豌豆品种为“绿农1号”,播种量100 kg/hm²。T、NT、TS、NTS处理用中国农业大学研制的免耕播种机播种,春小麦行距20 cm,豌豆行距24 cm,播深均为7 cm。春小麦播期为3月中旬,豌豆为同年3月下旬。小麦各处理均施纯N 105 kg/hm²,纯 P₂O₅ 105 kg/hm²(尿素+磷酸二铵); 豌豆各处理均施N 20 kg/hm²,纯 P₂O₅ 105 kg/hm² (磷酸二铵+过磷酸钙),所有肥料都作为基肥在播种时同时施入。

(1) 土壤水分

在各生育期测定0—30 cm土层土壤水分，其中0—l0 cm土层采用土钻取土烘干称重法测定，10 cm以下用中子水分仪测定。共3层:依次为0—5 cm,5—10 cm,10—30 cm。

(2) 叶水势

采用PMS压力室水势仪(Plant Moisture Stress,Corvallis,Oregon,USA)测定。在作物不同生育期，选择晴朗天气进行观测，从6:00至18:00每隔2h测定1次，小麦抽穗前测倒二叶，抽穗期及抽穗后测旗叶，豌豆取上部完全展开叶片。每次在各小区随机抽样30个叶片，取平行测定值的均值代表小区的叶水势。

(3) 作物叶片相对含水量

用烘干法在10:00测定，叶片的选择与叶水势测定时相同，每个小区取6片叶子，在称鲜重后将叶片浸入水中12 h，取出，用吸水纸擦干叶片表面水分并称重，再将叶片浸入水中1 h，取出，擦干，称重，直至叶片恒重，即得叶片饱和重量，接着于105 ℃下杀青0.5 h后，然后在80 ℃下烘至恒重，计算叶片相对含水量。

叶片相对含水量(%)= (初始鲜重-干重)/(饱和鲜重-干重)×100

(4) 数据分析

采用SPSS19.0软件对数据进行差异显著性检验、相关分析、回归分析。

本试验区为雨养农业区，年内季节降雨分布的差异是造成旱地农田水土流失及作物生长关键期干旱缺水的主要原因之一。试验期间春小麦和豌豆不同生育期降雨分布情况如表 2所示。

农田土壤水分垂直变化随气候类型区、年降水量及不同土壤耕作措施而表现出一定的变化，其中0—30 cm耕层土壤水分受降雨、气温、蒸散、土壤耕作、覆盖及作物根系的影响明显，土壤水分变化剧烈，而且不同生育时期，由于作物长势的不同，不同耕作措施的土壤含水量也表现出不同的变化趋势^{[1, 7]}。

从不同耕作措施下春小麦和豌豆不同生育期0—30 cm土壤含水量的变化情况(表 3)可以看出，春小麦拔节期NTS处理的土壤含水量为12.61%,较常规耕作增加28.67%,各处理土壤含水量排列顺序为NTS>TS>NTP>NT>TP>T,NTS处理土壤含水量与其它处理之间均差异显著,NTP、NT和TS处理间土壤含水量差异不显著，但明显高于TP和T处理；孕穗期NTS处理土壤含水量为11.17%,较常规耕作增加13.17%，各处理含水量排列顺序为NTS>NTP>NT>TS>TP>T，NTS、NTP、NT和TS处理显著高于TP、T处理,而NTS、NTP、NT和TS处理间，TS与TP处理间差异不显著;抽穗期各处理0—30 cm土层土壤含水量迅速增加，这与测定前期6月上旬的降水有很大关系，NTS处理土壤含水量为22.58%，较常规耕作增加3.63%,各处理含水量排列顺序为NTS>TS>NTP>NT>TP>T，NTS、TS、NTP、NT、NP和TP处理间均差异不显著，但各处理的土壤含水量均显著高于T处理;开花期NTS处理土壤含水量为19.56%，较常规耕作增加8.61%，各处理含水量排列顺序为NTS>NTP>NT>TS>TP>T，NTS、NTP和NT处理土壤含水量显著高于TS、TP和T处理，TS、TP处理土壤含水量显著高于T处理。NTS、NTP、NT处理和TS、TP处理间差异均不显著；灌浆期NTS处理土壤含水量为13.51%，较常规耕作增加16.58%，各处理含水量排列顺序为NTS >NTP>TS >NT>TP>T,NTS处理土壤含水量显著高于NTP、TS处理，NTP、TS处理土壤含水量显著高于NT、TP处理，NT、TP处理土壤含水量显著高于T处理，而NTP与TS处理之间，NT、TP处理间差异不显著。

豌豆出苗期NTS处理0—30 cm土层土壤含水量为12.70%，较常规耕作增加27.38%，各处理土壤含水量排列顺序为NTS>TS>NTP>NT>TP>T，NTS处理与其它5个处理之间土壤含水量差异显著，NT与TS、NTP、TP处理间差异不显著，但TS、NTP、NT处理土壤含水量显著高于T处理；分枝期NTS处理0—30 cm土层土壤含水量为13.54%，较常规耕作增加27.74%，各处理含水量排列顺序为NTS>NTP>TS>NT>TP>T。NTS处理与TS、NT、TP、T处理之间差异显著，NTP与TS、NT处理间差异不显著，但所有保护性耕作措施的土壤含水量都显著高于T处理；孕蕾期NTS处理土壤含水量为22.61%，较常规耕作增加3.29%，各处理含水量排列顺序为NTS>TS>NTP>NT>TP>T，其中NTS处理显著高于T处理，NT、TS、NTP、TP、T处理间差异均不显著；开花结荚期NTS处理0—30 cm土层土壤含水量为13.60%，较常规耕作增加28.30%，显著高于其它5个处理，各处理含水量排列顺序为NTS>NTP>TS>TP>NT>T，其中NTP与TS处理间差异不显著，TS、TP和NT处理间差异不显著，但它们显著高于T处理；灌浆成熟期NTS处理土壤含水量为12.75%，较常规耕作增加10.49%，各处理含水量排列顺序为NTS>TS>NTP>NT>TP>T，但NTS处理与TS、NTP、NT处理间土壤含水量差异不显著，而显著高于TP和T处理。

从表 3中各个时期作物的土壤含水量可以看出，保护性耕作都能不同程度地提高土壤含水量，其中NTS处理条件下，春小麦和豌豆的耕层土壤含水量在整个生育期内均为最高，显著高于T处理，增幅分别为3.63%—28.67%和3.29%—28.30%。这是因为免耕+秸秆覆盖在土壤表面留有作物残茬，减少了土壤蒸发，增加了土壤的蓄水保墒作用。在气候干旱，土壤含水量较低时，保护性耕作措施的保水效应表现得更为明显，这表明，保护性耕作措施在黄土高原干旱地区有较明显的优势。

由表 4可以看出，10:00测定的春小麦和豌豆叶水势均值在不同生育期的变化规律。春小麦各处理的叶水势在拔节期和抽穗期均相对较高，孕穗期和开花期次之，灌浆期最低;豌豆各处理的叶水势均在出苗期和孕蕾期均相对较高，分枝期和开花结荚期次之，灌浆成熟期最低。这是因为随着植株生长，生命活动旺盛，蒸腾耗水不断增加，作物无法通过对体内水分的调节来满足蒸腾的需要，从而叶水势降低，以便形成较大的水势梯度，有利于从土壤中吸水，这也是植物对土壤干旱胁迫的适应性反映。春小麦孕穗和豌豆分枝期，叶水势相对较低是因为天然降水为本试验地区土壤水分的主要来源，在当季作物生长前期降雨量少，土壤含水量较低。春小麦抽穗和豌豆孕蕾期叶水势升高是由于当地6月上旬降雨较多，土壤含水量较高，作物从土壤吸收水分比较容易，从而使作物保持较高的叶水势。

从不同处理来看，在整个生育期内，NTS处理条件下春小麦和豌豆叶水势的日均值要明显高于T处理(P<0.05)；在小麦的孕穗期和灌浆期，NTS处理小区春小麦叶水势的日均值要明显高TS、NT、NTP、TP处理；在豌豆的出苗期和分枝期，NTS处理小区豌豆叶水势的日均值要明显高TS、NT、NTP、TP处理。这是由于保护性耕作措施能有效地减少表层土壤水分的蒸发，具有较好的保墒功能，特别是NTS处理为作物提供了适宜的生长环境，改善了土壤的供水条件，从而使作物保持较高的叶水势，在一定程度上缓解了干旱胁迫，可见保护性耕作措施在黄土高原干旱地区优势明显。

由图 1、图 2可见，不同耕作措施下春小麦和豌豆的叶水势在不同生育期的日变化趋势大致相同，均为6:00最高，然后随着时间的推移而逐渐下降，大约在12:00—14:00左右降到最低，持续一段低谷后逐渐回升，18:00时的作物叶水势值大致与9:00的叶水势值相近，均未能恢复到6:00的水平。这是因为清晨气温低，光照弱，空气湿度大，蒸腾耗水少，因而叶水势较高。之后，随着气温升高，光照的增强，空气湿度的下降，蒸腾强度增大、作物光合作用不断增强，生理耗水加大，造成植物体含水量下降。

图 1 不同耕作措施下春小麦叶水势在不同生育期的日变化 Fig. 1 Daily dynamics in leaf water potential of spring wheat in different growing stages under tillage practices

图选项

在SPAC系统中，水分由土壤经植物蒸发到大气中，土壤含水量的变化直接对叶水势产生影响^{[9, 10]}。土壤水势降低时，叶水势随着土壤水势的降低而降低,同样当外界条件的变化引起蒸腾速率的改变时，即使土壤水分没有改变，叶水势也随之发生变化^{[11, 12]}。在用叶水势作为作物水分亏缺程度的判定指标时，必须区分是土壤水分变化还是外界条件变化引起的叶水势变化，区分两者引起的作物叶水势变化规律时，首先应以充分供水条件下的叶水势随外界条件变化的规律为基础^{[4, 13]}。对不同处理条件下春小麦和豌豆不同生育期各小区10:00的叶水势(ΨL，MPa)与对应生育期各小区0—30 cm平均土壤含水量(SWC V%)的相关性进行分析，用二项式方程表示(表 5)，结果表明，整个生育期春小麦和豌豆各处理的叶水势与土壤含水量之间显著正相关，无论是春小麦还是豌豆，土壤含水量越低，叶水势和土壤水分的相关性越高，土壤含水量较高时，叶水势与土壤含水量的相关性较低。在本实验中，小麦的拔节期、灌浆期，豌豆的出苗期、分枝期、灌浆成熟期土壤水分较低，作物叶水势与土壤含水量的相关性均达极显著水平。这表明在充分供水条件下叶水势仅与气象条件有关，但当土壤水受限制时，作物根系吸水满足不了蒸腾需要，此时叶水势与土壤含水量密切相关。

图 2 不同耕作措施下豌豆叶水势在不同生育期的日变化 Fig. 2 Daily dynamics in leaf water potential of field pea in different growing stages under tillage practices

图选项

相对含水量(RWC)是组织水重占饱和组织水重的百分率，它反映了组织细胞壁的紧张程度^[3]。在干旱地区，由于土壤和大气干旱，水分胁迫经常而持久地影响植物体内的水分状况，当水分亏缺达到一定程度时，植物就会出现不可逆的伤害，甚至死亡^{[16, 17]}。

从不同生育期春小麦叶片相对含水量(表 6)可以看出，各处理的叶片相对含水量在抽穗期最高，拔节和开花期次之，灌浆期最低。拔节期NTS处理下的叶片相对含水量最高，为85.89%，显著高于其它5个处理，NT处理次之，且与TS、NTP处理间的差异不显著，但显著高于T处理；抽穗期NTS处理的叶片相对含水量为87.25%，NTS,NT处理间的叶片相对含水量差异不显著，NT、TS、NTP处理间的叶片相对含水量差异不显著，但是均显著高于TP、T处理；开花期NTS处理的叶片相对含水量为80.10%，显著高于其它处理，而NT,TS和NTP处理间的叶片相对含水量差异不显著，但显著高于T处理；灌浆期NTS、TS处理之间的差异未达到显著水平，但显著高于其他4个处理。NTP、NT处理叶片相对含水量差异不显著，都显著高于T处理。从表 6的分析可以看出，在小麦的整个生育期，NTS处理的叶片相对含水量始终大于TP和T处理，且差异显著。说明免耕加秸秆覆盖的耕作方式，在黄土高原干旱或半干旱条件下能显著提高作物的叶片相对含水量，这对作物在干旱生境中维持正常的生理活动能起到一定的作用。

从不同生育期豌豆叶片相对含水量(表 6)可以看出，豌豆各处理的叶片相对含水量均在孕蕾期最高，灌浆成熟期最低。在分枝期和孕蕾期NTS处理叶片相对含水量较高，分别为87.61%和89.79%，显著高于其它处理。TS和NT处理次之，并且差异不显著，但是显著高于T处理。开花结荚期NTS和TS处理的叶片相对含水量显著高于其他4个处理，NTP和NT处理间差异不显著，但它们显著高于T和TP处理，而且T和TP处理叶片相对含水量差异未达显著水平。灌浆成熟期NTS处理同样显著高于其它5个处理，TS、NT、NTP处理处理间差异不显著，但明显高于TP和T处理。

总体来看，在整个生育期内NTS处理小区春小麦和豌豆的叶片相对含量最高，T处理最低，说明在黄土高原干旱或半干旱条件下，免耕加秸秆覆盖能使豌豆保持较高的叶片相对含水量，这对作物在干旱生境中维持正常的生理活动，缓解受旱程度，提高抗旱能力可起到积极地作用。

从表 7可以看出，无论春小麦还是豌显，免耕秸+秸秆覆盖的小区产量显著高于传统耕作。春小麦NTS处理的产量显著高于其他处理，NTS处理的产量高达980.01 kg/hm²，比T处理高388.38 kg/hm²，增幅达65.16%，而其他处理间差异不显著。豌豆NTS处理的产量同样显著高于其他各处理，NTS处理的产量高达527.10 kg/hm²，比T处理高305.61 kg/hm²，增幅高达72.47%，NTP、TS、NT处理显著高于T处理,TP处理与T处理间未达到显著水平。综上可见，免耕秸+秸秆覆盖对提高作物水势和产量的作用是非常明显的。

不同生育时期，由于降雨和作物长势的不同，在黄土高原旱作农业区不同耕作措施的土壤含水量也表现出不同的变化。与传统耕作(T)处理相比,保护性耕作都能不同程度地提高0—30 cm土层平均土壤含水量,增幅为3.29%-28.67%,其中免耕+秸秆覆盖(NTS)处理的土壤含水量在整个生育期内均为最高。这是因为免耕+秸秆覆盖在土壤表面留有作物残茬，减少了土壤蒸发，具有良好的蓄水保墒作用。

豌豆和小麦在不同生育期，叶水势的日变化趋势大致相同，均为6:00最高，然后随着时间的推移而下降，大约在12:00—14:00之间达到最低，随后逐渐回升，到18:00时，叶水势恢复到接近9:00的水平。豌豆在整个生育期内叶水势都明显高于春小麦。

春小麦各处理在拔节期和抽穗期的叶水势均相对较高，孕穗期和开花期次之，灌浆期最低; 叶片相对含水量在抽穗期最高，拔节和开花期次之，灌浆期达到了最低。豌豆各处理的叶片相对含水量均在出苗期和孕蕾期最高，分枝和开花结荚期次之，灌浆成熟期相对最低。与其T和TP处理相比，在小麦和豌豆的整个生育期，免耕+秸秆覆盖(NTS)处理显著提高了作物叶水势。

在整个生育期，春小麦和豌豆各处理0—30 cm平均土壤含水量与10:00的叶水势之间显著正相关，无论是春小麦还是豌豆，土壤含水量越低，叶水势和土壤水分的相关性越高，土壤含水量较高时，叶水势与土壤含水量的相关性较低。当土壤水分含量较低时，春小麦和豌豆10:00的叶水势与0—30 cm平均土壤含水量之间的相关性均达极显著水平。

与传统耕作(T)相比，免耕+秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕+地膜覆盖(NTP)、传统耕作+地膜覆盖(TP)5种保护性耕作措施能不同程度的提高作物叶水势、叶片相对含水量，其中免耕+秸秆覆盖(NTS)的优势最明显。

在旱作条件下，叶水势与测定时的土壤水分条件关系很大。本实验所得结果只能是反映实验年份特定条件下的一个变化规律，又由于叶片水势的变化受包括作物本身调节作用在内的多种因素的影响，因此，今后应对不同降雨年份作物的水分生理作进一步的深入探讨，要全面、正确地认识植物的生态生理学特性及机理还需要做大量的土作。

尽管在植物各部分的水势中，叶水势尽管是水分状况的最佳度量，但是水分在植物体内的运输决定于各组织水势的高低。因此，应加强植物不同部位水势的研究，以便全面系统的掌握水分在不同部位的运输与存储机理。