不同種植密度下甘藍(lán)型油菜光合生理特性的差異

趙小光，張耀文，陳文杰，張雅蕾，王竹云，趙興忠，侯君利，王麗萍，張 新

(1.陜西省雜交油菜研究中心，陜西 楊凌 712100；2. 楊陵區(qū)高級(jí)中學(xué)生物教研室，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】光合作用是地球上規(guī)模最大的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榭少A存化學(xué)能的過程，也是規(guī)模最大的無機(jī)物合成為有機(jī)物并釋放氧氣的過程[1]，綠色植物依靠光合作用進(jìn)行物質(zhì)積累和生理代謝，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)[2]。光合速率是光合作用的重要體現(xiàn)，其高低與作物光合產(chǎn)物積累、產(chǎn)量潛力發(fā)揮以及品質(zhì)優(yōu)劣密切相關(guān)[3]。按理論推算，作物光能利用率可達(dá)4 %～5 %，但實(shí)際上高產(chǎn)品種對(duì)光能利用率也僅為0.5 %～1.0 %。若光能利用率提高1個(gè)百分點(diǎn)，作物產(chǎn)量可增加25 %～50 %，甚至更高[4-6]，因此，長(zhǎng)期以來世界上許多國(guó)家都將提高作物光合能力的遺傳改良作為重點(diǎn)來研究，明確了提高光合效率是作物育種的重要內(nèi)容[7-8]。合理的作物群體結(jié)構(gòu)可形成良好的冠層內(nèi)光輻射分布，有利于提高光能利用率[9]，而改變?cè)耘嗝芏仁钦{(diào)控群體特征的重要途徑[10-11]。合理密植能有效地解決作物群體與個(gè)體之間的矛盾，構(gòu)建出合理的群體結(jié)構(gòu)，增大綠葉光輻射面積，從而提高作物群體對(duì)光能的利用率[12]，促進(jìn)產(chǎn)量三要素的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)[13]，最終提高作物產(chǎn)量?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】油菜是通過群體生產(chǎn)來提高收獲產(chǎn)量的，群體密度對(duì)油菜的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成至關(guān)重要。多人研究表明，適當(dāng)密植能通過提高群體角果數(shù)從而提高油菜的產(chǎn)量[14-16]，張曉龍等[17]認(rèn)為，遲播油菜需適當(dāng)增加密度以提高產(chǎn)量，密植對(duì)于增產(chǎn)效果比較明顯。陳新軍等[18]認(rèn)為，隨著種植密度的增加，雖然個(gè)體鮮重、葉面積指數(shù)和單株生產(chǎn)力較低，群體指標(biāo)卻呈上升趨勢(shì)，但密度過高，單株有效角果數(shù)減少，單株生產(chǎn)力降低，且易倒伏。雖然有關(guān)油菜密度的研究報(bào)道較多，但是主要集中在種植密度對(duì)油菜農(nóng)藝、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響上，而關(guān)于種植密度是如何影響油菜光合生理尚未見報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】本實(shí)驗(yàn)以甘藍(lán)型油菜雜交種秦優(yōu)7號(hào)為材料，重點(diǎn)分析了不同密度對(duì)光合速率、蒸騰速率、葉綠素含量、綠葉面積以及干物質(zhì)積累等光合生理指標(biāo)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為油菜的株型構(gòu)建、高光效選育、高產(chǎn)栽培及優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)雜交種“秦優(yōu)7號(hào)”，由陜西省雜交油菜研究中心提供，實(shí)驗(yàn)于2016-2017年在陜西省楊凌示范區(qū)油菜試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)密度水平，分別為D1: 10萬株·hm-2；D2: 20萬株·hm-2；D3: 30萬株·hm-2；D4: 40萬株·hm-2；D5: 50萬株·hm-2。每小區(qū)面積為12 m2，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，每小區(qū)間隔1 m。播種前施用尿素225 kg·hm-2，二銨180 kg·hm-2，硫酸鉀150 kg·hm-2，油渣750 kg·hm-2，田間管理措施均采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方法。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 綠葉面積 在初花期，每個(gè)密度水平下分別采取10株代表性樣品，用打孔法測(cè)定單株所有綠葉面積，取平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 葉綠素測(cè)定 材料選取時(shí)期和標(biāo)準(zhǔn)同上，每材料選擇倒2葉位短柄葉，每片葉子用葉綠素測(cè)定儀(SPAD502)均勻的取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，取平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.3 光合氣體交換參數(shù)測(cè)定 材料選取時(shí)期同上，選擇倒2葉位短柄葉，用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定，測(cè)定時(shí)選用6400-02B LED紅藍(lán)光源葉室，葉室內(nèi)光照控制為1100 μmol·m-2·s-1；溫度控制為25 ℃，測(cè)定時(shí)間為上午9：00-11：00，每個(gè)密度水平下測(cè)定10個(gè)單株。測(cè)定的指標(biāo)有：凈光合速率(Pnμmol·m-2·s-1),氣孔導(dǎo)度(Gsmmol·m-2·s-1)，胞間CO2濃度(Ciμmol·mL-1)、蒸騰速率(Trmmol·m-2·s-1)，水分利用效率(WUE)按照WUE=Pn/Tr[19]進(jìn)行計(jì)算，氣孔限制值(Ls, %)按照Ls=1-Ci/Ca[20]進(jìn)行計(jì)算。

1.3.4 干物質(zhì)積累量 在油菜的終花期，每個(gè)密度水平下取10株代表性樣品，清洗干凈后按根、莖、葉等部位分別分樣后于105 ℃條件下殺青30 min，然后在80 ℃條件下烘72 h 至恒重，然后稱重，所有部位重量之和即為干物質(zhì)積累量。

1.3.5 葉面積指數(shù) 在油菜的初花期，下午17：00過后，用美國(guó)LI-COR公司的LAI-2200冠層分析儀在田間對(duì)每個(gè)密度的小區(qū)進(jìn)行測(cè)定，每小區(qū)重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.6 光能截獲率 在油菜的初花期，采用LI-COR公司的LAI-2200冠層分析儀分別測(cè)定每個(gè)小區(qū)冠層的頂部和基部的太陽光有效輻射量，按照公式: 群體太陽輻射截獲率(%)= (頂部的太陽光總輻射量- 基部太陽光總輻射量)×100/頂部太陽光總輻射量[21]，每個(gè)小區(qū)測(cè)定3次。

1.3.7 可溶性糖與總蛋白含量 在初花期，每個(gè)密度水平選取10個(gè)單株，摘取第1葉位短柄葉，60 ℃烘干后研磨成粉末?？扇苄蕴堑臏y(cè)定用蒽酮比色法[22]，總蛋白含量測(cè)定用凱氏定氮法[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2003 整理后，用SPSS 11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度下葉綠素含量和綠葉面積的變化

由圖1可以看出，油菜的葉綠素含量隨著種植密度逐漸下降，明顯分成3個(gè)梯度，D1水平最高，D2和D3之間差異不顯著，為一個(gè)梯度，D4和D5之間差異不顯著，為一個(gè)梯度。當(dāng)種植過稀時(shí)，油菜的營(yíng)養(yǎng)體可以充分利用養(yǎng)分和光照進(jìn)行葉綠素的合成，所以D1密度下葉綠素含量最高。當(dāng)密度增加后，由于生存的競(jìng)爭(zhēng)，葉綠素的合成會(huì)受到抑制，所以葉綠素含量會(huì)出現(xiàn)降低。尤其當(dāng)濃度超過D4以后，植株之間遮陰比較明顯，大部分葉片不能充分接收光照，葉綠素下降的比較明顯，D5的葉綠素含量比D1降低了25.34 %。

圖1 不同密度下葉綠素含量和綠葉面積的比較Fig.1 Comparison of chlorophyll content and green leaf area under different densities

綠葉面積隨密度的變化表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，D1和D2之間差異不顯著，當(dāng)密度達(dá)到D3時(shí)候綠葉面積最高，然后隨著密度的增加綠葉面積下降的較為明顯，D5的綠葉面積比D3降低了33.29 %。當(dāng)種植密度較低的時(shí)候，隨著密度的增加，油菜單株為了獲取更多的空間資源來進(jìn)行光合，葉片的面積也在逐漸增大。然而當(dāng)密度超過D3以后，由于植株之間距離較近，嚴(yán)重阻礙了植株的生長(zhǎng)，所以葉面積開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

2.2 不同種植密度下葉面積指數(shù)和光能截獲率的變化

從圖2可以看出，油菜的葉面積指數(shù)在不同種植密度下差異較大。在D1密度下，葉面積指數(shù)僅為1.028，當(dāng)密度分別增加到D3和D4時(shí)候，葉面積指數(shù)為2.447和2.449，比D1密度提高了1倍多；當(dāng)密度增加到D5時(shí)候，葉面積指數(shù)升高為4.221，比D1密度提高了3倍多，表明密度對(duì)葉面積指數(shù)的影響十分明顯，極大的影響了油菜的營(yíng)養(yǎng)體的生長(zhǎng)發(fā)育和株型的建成。光能截獲率隨密度的變化趨勢(shì)與葉面積指數(shù)基本一致，在密度較低時(shí)候光能截獲率不到50 %，使光能較多的輻射到了地面上，造成了較大的浪費(fèi)。當(dāng)密度從D2增長(zhǎng)到D4時(shí)候，光能截獲率的增長(zhǎng)比較緩慢，僅從69 %增長(zhǎng)到了75 %。當(dāng)密度增長(zhǎng)到D5時(shí)候，光能截獲率為90 %，表明此時(shí)的油菜植株已相當(dāng)密集，很少有光照能夠輻射到油菜群體的底層。

2.3 不同種植密度下光氣體交換合參數(shù)的變化

從表1可以看出，油菜的各個(gè)光合氣體交換參數(shù)對(duì)密度的響應(yīng)變化差異較大。凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率3者隨密度的變化趨勢(shì)一致，在低密度的時(shí)候，3個(gè)光合參數(shù)均隨著密度的升高而升高，當(dāng)密度超過D2以后，又都隨著密度的增加而降低。所以在適當(dāng)?shù)拿芏确秶鷥?nèi)，油菜的光合能力是與密度成正相關(guān)的。胞間CO2濃度隨著密度的增加一直在升高，可能是由于密度增加后，油菜群體的CO2釋放量增加以及個(gè)體的光合能力降低綜合作用的結(jié)果。水分利用效率和氣孔限制值的變化與胞間CO2濃度相反，隨著密度的增加一直處于下降的趨勢(shì)。

圖2 不同密度下葉面積指數(shù)和光能截獲率的比較Fig.2 Comparison of leaf area index and light interception rate under different densities

表1 不同密度下油菜光合氣體交換參數(shù)的比較

2.4 不同種植密度下干物質(zhì)積累量的變化

干物質(zhì)積累量是衡量作物群體生產(chǎn)性能高低的主要指標(biāo)，也是反映作物光合能力的最終指標(biāo)。從圖3可以看出，油菜單株的干物質(zhì)積累量隨密度的增加一直在下降，兩者成負(fù)相關(guān)。由于種植密度的增加，油菜的光合能力在下降，同時(shí)單株的生存空間也在變小，所以單株的光合物質(zhì)積累量反而降低。然而，油菜是靠群體來獲得生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的，從表中可以看出，在小區(qū)的范圍內(nèi)，群體干物質(zhì)積累量與單株干物質(zhì)積累量變化完全相反，一直處于增加的趨勢(shì)。種植密度從D1增加到 D5，單株干物質(zhì)積累量降低了31.42 %，而群體干物質(zhì)積累量則提高了242.92 %。

2.5 不同種植密度下可溶性糖含量和總蛋白含量的變化

可溶性糖既是高等植物的主要光合產(chǎn)物，又是碳水化合物代謝和暫時(shí)貯藏的主要形式，在植物碳代謝中占重要位置[24]，與植物的抗寒、抗旱等抗逆性密切相關(guān)[25]。從圖4可以看出,油菜葉片可溶性糖含量隨密度的升高一直在下降,表明隨著密度的增高,油菜的抗逆性有所降低。所以在密植的條件下，應(yīng)嚴(yán)格控制水肥條件，防止油菜的生長(zhǎng)受到外界氣候的不良影響。蛋白質(zhì)是植物細(xì)胞和組織的主要組成部分，也是生物體進(jìn)行生命活動(dòng)所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)[26]，葉片總蛋白含量的高低既影響葉片的生長(zhǎng)發(fā)育，也會(huì)影響葉片的光合與呼吸作用。從圖中可以看出，葉片的總蛋白含量在不同密度水平下差異較小，其數(shù)值范圍為29.20 %～31.98 %，總體趨勢(shì)先升后降，在D3密度下總蛋白含量最高，超過這個(gè)密度以后，葉片的正常功能會(huì)受到影響。

圖3 不同密度下干物質(zhì)積累量的比較Fig.3 Comparison of dry matter accumulation at different densities

圖4 不同密度下可溶性糖含量和總蛋白含量的比較Fig.4 Comparison of soluble sugar content and total protein content under different densities

3 討 論

合理的油菜群體結(jié)構(gòu)是決定最終產(chǎn)量的關(guān)鍵，而采取適宜的栽培密度是調(diào)節(jié)群體結(jié)構(gòu)的重要途徑。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同密度下油菜的光合氣體交換參數(shù)、葉綠素濃度、綠葉面積、葉面積指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了比較分析, 探討密度對(duì)油菜光合生理的影響, 從而為油菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供適宜的光合體系。在本研究中，隨著油菜種植密度的增加，油菜單株的綠葉面積和葉綠素濃度并沒有隨之相應(yīng)的提高，葉綠素濃度甚至一直處于下降中；葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率在種植密度超過D2以后便出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，水分利用效率和氣孔限制值則隨著密度的增加一直下降。表明油菜單株的光合能力與密度成負(fù)相關(guān)，這主要是因?yàn)楦呙芏忍幚硐氯后w之間通風(fēng)和透光率差，個(gè)體間營(yíng)養(yǎng)和生存空間競(jìng)爭(zhēng)激烈，最終單株接收光照不充分所致。同時(shí)，隨著密度的增加，可溶性糖含量也在不斷的下降，使油菜個(gè)體的抗逆能力減弱，很容易受到自然災(zāi)害的侵襲。

油菜作為群體生長(zhǎng)的作物，群體光能利用率更能反映其光合能力的強(qiáng)弱。葉面積指數(shù)的大小和動(dòng)態(tài)直接影響作物冠層光截獲，通過合理密植塑造適宜群體結(jié)構(gòu)是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[27]。本研究表明，隨著油菜種植密度的增加，葉面積指數(shù)和光能截獲率都伴隨著增高，油菜群體冠層對(duì)光的接收能力明顯增強(qiáng)，光能較少的輻射到地表土層中，有效的提高了光能的吸收率，降低了光能的損耗。群體干物質(zhì)積累量是由單株干物質(zhì)積累量和作物生長(zhǎng)密度決定的,雖然隨著密度的增高，單株干物質(zhì)積累性一直在下降，但是高密度處理下單位面積上植株個(gè)體增多, 群體的總干物質(zhì)積累量最終得到了明顯提高，為作物的高產(chǎn)提供了有力的“庫”的保障。

適宜的種植密度有利于緩解植株個(gè)體和群體之間的矛盾，通過構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。前人通過對(duì)農(nóng)藝性狀的研究表明，在一定范圍內(nèi)，油菜移栽密度的增加能有效提群體角果數(shù)，從而獲得高產(chǎn)和高產(chǎn)油量。因此，進(jìn)行油菜種植時(shí)既要考慮群體的光能利用率，也要考慮單株個(gè)體的光合能力，針對(duì)不同的品種和株型探索出相應(yīng)的合理密度范圍，最大限度發(fā)揮光合潛力，從而提高生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。在今后的油菜育種中，油菜的高效光合應(yīng)與其生理功能、經(jīng)濟(jì)性狀和抗逆性配合，通過合理的栽培管理措施充分發(fā)揮其光合生產(chǎn)潛力，延長(zhǎng)高光合持續(xù)期和延緩光合功能衰退來調(diào)節(jié)油菜的光合機(jī)能，提高光合同化產(chǎn)物的積累和轉(zhuǎn)化，促使產(chǎn)量和含油量提高。

4 結(jié) 論

從以上分析可以看出，油菜的種植密度對(duì)各光合生理指標(biāo)影響不同。葉片葉綠素含量隨著種植密度的增加一直下降，綠葉面積在30萬株·hm-2達(dá)到最高；葉面積指數(shù)和光能截獲率均隨著種植密度的增加一直升高；凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率這3個(gè)氣體交換參數(shù)在密度20萬株·hm-2時(shí)最高，而水分利用效率和氣孔限制值則隨著密度的增加一直下降；油菜單株干物質(zhì)積累量隨著密度增加而下降，而群體干物質(zhì)積累量則隨著密度增加而升高；可溶性糖含量隨密度的增加而下降，總蛋白含量在30萬株·hm-2時(shí)候達(dá)到最高水平。所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)育種方向和生產(chǎn)需求選取合理的密度進(jìn)行種植，本研究為甘藍(lán)型油菜的高光效育種和高產(chǎn)栽培提供了重要的參考。