植物的生理需水和用水率存在显著差异，并且这种差异受基因控制，可以进行遗传改良(张正斌等, 2000; 张正斌, 2003; Condon et al., 2002; Gorny, 1999; Udayakumar et al., 1998)。20世纪90年代，作物水分利用效率的研究渐受重视，研究对象涉及大豆(Glycine max)、大麦(Hordeum vulgare)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等主要农作物；研究内容包括植物种、品种水分利用效率的差异及其生理、生态和遗传基础(张正斌等，1997; 2000; 张正斌，2003; Maruyama et al., 1997; Bert et al., 1997; Polley et al., 1996; Ray et al., 1999; Condon et al., 2002; Saranga et al., 1998; Jayalakshmi et al., 1998)，以及大豆、大麦、小麦等重要作物的水分利用效率基因定位、转基因和常规育种研究(Gindy et al., 2003; Mian et al., 1996; 1998; Udayakumar et al., 1998)。对林木水分利用效率的研究主要集中在树种间水分利用效率差异的比较，环境条件和栽培措施对水分利用效率的影响(杨建伟等, 2004; 苏培玺等, 2003; Ponton et al., 2002; Harvey et al., 1999; Ares et al., 2000; Damesin et al., 1997; Magnussen, 1985; Reich, 1984)。杨树是世界上最主要的栽培树种，也是我国北方最重要的造林和绿化树种，在经济建设和生态环境建设中发挥着重要作用，但我国北方地区干旱和半干旱的自然条件在很大程度上制约着杨树人工林的发展。由于杨树无性系间水分利用效率存在显著差异(Orlovic et al., 2002; Blake et al., 1984; Dickmann et al., 1992)，因此，开展杨树无性系水分利用效率的比较研究，掌握其生理机制，对选育节水型的杨树品系和生产实践都具有重要意义。

参试材料为：XMH-4 (Populus deltoides × P.nigra)、MH-8 (P.trichocarpa×P.deltoides)、XMH-12 (P.deltoides×P.nigra)、DMH-3 (P.trichocarpa×P.nigra)。以上无性系均于2004年4月底从美国以插条形式引进北京。它们的基本特点列于表 1。这4个无性系的1年生扦插苗在2004年的试验中，表现出良好的生长和适应性。

表 1 参试无性系基本特征^① Tab.1 Basic characteristics of experimental clones

表 1 参试无性系基本特征① Tab.1 Basic characteristics of experimental clones

1) 材料培育    将插条截成15 cm的插穗，在清水中浸泡24 h后，扦插于试验地中，扦插的株行距为100 cm × 75 cm，每个无性系插40个插穗。插后及时浇水、除草、抹芽，不施肥。试验地位于北京市海淀区东升乡北林科技苗圃内。试验地立地条件均一。4个无性系扦插苗的生长情况见表 2。

表 2 参试无性系1年生扦插苗生长情况^① Tab.2 Growth of one-year-old cuttings of experimental clones

表 2 参试无性系1年生扦插苗生长情况① Tab.2 Growth of one-year-old cuttings of experimental clones

2) 测定指标和方法    ①不同叶位的光合、蒸腾速率：使用LI-cor6400光合仪，于7月24日每无性系随机选择3株生长良好的植株，从第1片展开叶片开始，每隔4个叶片测定1片叶子的光合、蒸腾速率。仪器参数设定为：流速500 cm²·s^-1，气孔比率0，叶温33 ℃，有效光合辐射(PAR)700 μmol·m^-2s^-1，参比CO₂浓度400 μmol·L^-1。②光合、蒸腾速率日进程：用LI-cor6400于8月16日测定光合、蒸腾速率的日进程。每个无性系随机选择3棵平均株，每株依据7月24日不同叶位光合蒸腾测定的结果，在光合速率最强区域选择向南的3个叶片，作标记，从7:30—18:00，每隔1.5 h定叶定位测定1次，仪器参数设定为：流速500 cm²·s^-1，气孔比率0，参比CO₂浓度400 μmol·L^-1。

不同部位叶片的水分利用效率有明显的差异，表现为中间高，两端低(图 1c)。这反映了在新生叶→成熟叶→衰老叶的生长过程中，随着光合速率由低→高→低(图 1a)和蒸腾速率由低→高→高(图 1b)的变化，叶片水分利用效率表现为由低→高→低的变化趋势。相关分析表明，XMH-4, DMH-3, MH-8和XMH-12从上向下叶片的水分利用效率与其光合速率间的Pearson相关系数分别是0.980、0.919、0.928、0.822，均达极显著水平，与蒸腾速率的相关性不显著(Pearson相关系数分别为-0.489、-0.255、0.334和0.370)，说明水分利用效率的这种变化，主要受控于光合速率的变化。与其他3个无性系相比，XMH-12的所有叶片都有较高的水分利用效率，特别是其下部叶片。这是因为：1)叶片寿命长，每个单叶都能维持较长时间的高光合速率；2)叶片的净光合速率在4个无性系中最高，而其蒸腾速率又最低。与之相反的MH-8，其叶片在成熟后较快地出现衰老，光合速率迅速下降，导致水分利用效率也迅速下降。

图 1 光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)随叶位的变化 Fig. 1 Change of Pn, Tr and WUE with leaf position Pn:The photosynthetic rate; Tr:Transpiration rate; WUE:Water use efficiency.下同。The same below.

决定叶片水分利用效率的主要生理因素是：气孔导度、胞间CO₂浓度、光合系统活性。气孔导度直接影响蒸腾速率，胞间CO₂浓度是气孔导度和光合碳同化速率平衡的结果，也是光合速率的重要限制因子之一。随着叶片的生长，气孔导度呈迅速增高再逐渐降低的过程(图 2a)，比较图 1b和图 2a可以看出，蒸腾速率并不是随气孔导度的降低线性下降，而是较稳定地维持在较高水平，推测这是由于叶片衰老，叶片组织松弛，界面层导度有所提高的缘故。图 2b显示胞间CO₂浓度呈由高到低，再逐渐升高的过程，这是气孔导度和光合碳同化速率共同作用的结果。该过程说明：未成熟叶片光合速率主要受限于光合系统的活性，成熟叶片在非胁迫条件下胞间CO₂浓度是限制光合速率的主要因素之一，衰老叶片光合速率降低是由于光合系统活性降低引起的。可见，在叶片生长的过程中，气孔行为直接影响蒸腾作用，并与光合系统的活性一起影响光合速率，最终表现出如图 1c所示的水分利用效率由低到高再降低的变化过程。

图 2 不同叶位的气孔导度(Cond)和胞间CO2浓度(ci)变化 Fig. 2 Change of Cond and ci with leaf position Cond:Stomatal conductance; ci:Intercellular CO2 concentration.下同。The same below.

用日进程中4个无性系在9个时刻的光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的均值为样本进行方差分析，结果表明：4个无性系在一天中的光合速率不存在显著差异(p=0.05)；在蒸腾速率上，DMH-3、XMH-12与MH-8存在显著差异；在水分利用效率上，XMH-12最高，并与MH-8和XMH-4有显著差异，DMH-3与MH-8有显著差异(表 3)。

表 3 4个无性系单叶水分利用效率一日平均值比较 Tab.3 The WUE comparison of the whole day of four clones

表 3 4个无性系单叶水分利用效率一日平均值比较 Tab.3 The WUE comparison of the whole day of four clones

4个无性系在日动态上有相同的规律，总体趋势是从早到晚逐渐降低(图 3c)。光照可以通过3种途径影响水分利用效率：一是提供光能，形成同化力；二是调节气孔的开闭；三是调节光合酶系统活性。因为光对气孔开闭和光合酶系统活性的调节属于低能反应，并且在PAR达2 000 μmol·m^-2s^-1的高光强下，光抑制不明显(8月16日10:30，在温度34.5 ℃、CO₂浓度400 μmol·L^-1和空气湿度40%条件下，光强以200 μmol·m^-2s^-1递增，从1 000 μmol·m^-2s^-1到2 000 μmol·m^-2s^-1并不导致光合速率的降低)，故推断在水分利用效率的日变化过程中，光照主要是通过第1种方式起作用的。温度对水分利用效率的影响，一是通过影响光合酶系统活性来影响光合速率的大小；二是与大气湿度一起决定大气蒸汽压亏缺，并影响蒸腾速率和气孔导度。早晨，有效光辐射较强(图 4a), 空气湿度较大、温度较低, 蒸汽压亏缺较小(图 4b, c, d)，在这种环境条件下，气孔开度较大(图 5a)，胞间CO₂充足(图 5b)，光合系统活性高，导致较高的光合速率(图 3a)，较低的蒸腾速率(图 3b)，最终表现出高的水分利用效率(图 3c)。随着光强增大，温度升高，空气相对湿度减小和蒸汽压亏缺增大，蒸腾速率迅速提高，而光合速率却略有下降，结果导致水分利用效率显著下降。由于气孔导度是气孔开度和大气蒸汽压亏缺的正函数，并且一日中大气蒸汽压亏缺几乎是呈直线上升的(图 4d)，因此，可以判定气孔导度日变化的下降是由于气孔开度引起的，它在水分利用效率日变化中起着核心调节作用。

图 3 光合速率、蒸腾速率和水分利用效率日变化 Fig. 3 Diurnal dynamics of Pn, Tr and WUE

图 4 光强(PAR)、温度、相对湿度(RH)和蒸汽压亏缺(VPD)日变化 Fig. 4 Diurnal dynamics of PAR, air temperature, relative humidity (RH) and vapor pressure deficit (VPD)

图 5 气孔导度、胞间CO2浓度日变化 Fig. 5 Diurnal dynamics of Cond and ci

通过以上的分析，可以得出如下初步结论：1)杨树无性系间的水分利用效率存在明显差异。参试的4个无性系中，XMH-12和DMH-3的水分利用效率较高，而XMH-4和MH-8的水分利用效率较低。2)不同部位叶片的水分利用效率有明显差异，表现为中间大，上下小。这反映了从新生叶→成熟叶→衰老叶的过程中，水分利用效率从低→高→低的变化趋势。3)叶片水分利用效率在一天中的基本变化趋势是从早到晚逐渐下降。4)影响杨树水分利用效率的生理因素主要是气孔开度、胞间CO₂浓度和光合系统活性；生态因子主要是光照强度、温度、大气湿度等。

气孔开度在不同叶龄叶片的水分利用效率差异和同一叶片水分利用效率的日变化中起着核心作用。光照、温度、湿度和CO₂浓度与植物内在的昼夜节律、叶片水分状态和木质部的信号物质(如ABA、pH、IAA等)都直接或间接地影响气孔开度。气孔开度的优化理论认为气孔开度在一天中的变化能确保最小的水分消耗和最大的碳同化量，即获得最大的水分利用效率(Cowan, 1982; Farquhar et al., 1982)。基于该理论，4个无性系一日水分利用效率的均值(表 2)，可以反映它们在北京典型白昼条件下的水分利用效率高低。气孔对H₂O和CO₂的导度(g_s)，叶片内外的水蒸气浓度差(w_i-w_a)和CO₂浓度梯度差(c_i-c_a)共同调节光合速率和蒸腾速率。如果w_i/w_a和c_i/c_a彼此独立，那么在一定条件下，低的c_i将有助于外界CO₂进入叶组织，导致水分利用效率的提高。植物能够通过2条途径降低c_i/c_a值：一是降低气孔开度，限制CO₂扩散进入叶内；二是提高光合碳同化能力。在多数情况下，c_i是它们共同作用的结果。从本试验的结果可以看出，无论是不同叶龄叶片的水分利用效率还是同一叶片水分利用效率的日变化，都反映出了气孔开度和光合系统活性对水分利用效率的影响，并且直接导致c_i日变化的复杂性(图 5b)。研究证明气孔开度的变化对CO₂进入气孔下腔的影响远甚于对水分从气孔下腔扩散到大气中的影响，换言之，在光合作用没有非气孔限制的条件下，气孔开度减小导致的光合速率下降会远大于蒸腾速率，结果导致水分利用效率的降低(Bacon，2004)；如果再加上中午高温造成的光合系统活性下降，光合速率的下降会更大，这样更加剧水分利用效率的降低。这可以解释气孔导度、胞间CO₂浓度、光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的日进程之间的相互关系。