栽培密度對黃瓜不同葉位葉片光合系統(tǒng)和產(chǎn)量的影響

張澤錦，黃 陽，唐 麗 *，李躍建，劉小俊，楊明方

(1. 四川省農(nóng)業(yè)科學院 園藝研究所/蔬菜種質(zhì)與品種創(chuàng)新四川省重點實驗室，四川 成都 610066；2. 農(nóng)業(yè)部西南地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，四川 成都 610066)

【研究意義】光合作用不僅是作物產(chǎn)量形成的基礎，而且還會影響作物光合機構(gòu)的構(gòu)建和調(diào)控。作物群體密度對作物產(chǎn)量有著重要的影響[1-2]，葉片的光合作用會因作物群群體密度增大導致的葉片相互遮擋從而降低[3]。植物葉片的相互遮擋不僅降低了群落內(nèi)的光照強度，還改變了光質(zhì)成分[4-5]。葉片光合作用則受光照強度和光質(zhì)成分兩大主要因素的影響，利用遮陽網(wǎng)等人工物體對植物進行的遮陰研究，只會降低光照強度，但并不會影響遮陽網(wǎng)下光質(zhì)成分的改變[6-7]。植株凈光合速率、葉綠素含量、葉面積、根冠比會隨著植物群體密度增加而降低[8-12]，最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[13]，因此合理的栽培密度是保證作物產(chǎn)量的前提?！厩叭搜芯窟M展】園藝作物上，草莓[14]、番茄[15]、迷迭香[16]、薄荷[17]、西瓜[18]、球莖茴香[19]、西芹[20]等園藝作物上均有相關(guān)研究。黃瓜作物重要的大宗蔬菜，市場需求很大。為了增加單位面積的產(chǎn)量，栽培過程中合理的密度也一直是研究人員關(guān)注的問題。而且，光合作用又是產(chǎn)量積累的前提?！颈狙芯壳腥朦c】雖然前人主要從栽培密度和生產(chǎn)、產(chǎn)量之間進行較多的探討[21-16]，但栽培密度對其不同葉位光合系統(tǒng)影響的探討鮮有研究。故本文以黃瓜為材料研究其在不同栽培密度下，測定分析不同密度下黃瓜上、中、下不同葉位葉片的葉綠素含量、葉面積、光合氣體交換參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)及產(chǎn)量指標?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期為四川盆地春季黃瓜設施栽培密度選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黃瓜品種“川綠11號”為供試材料。2017年1月30日播種，3月1日選整齊一致的幼苗定植于四川省農(nóng)業(yè)科學院新都現(xiàn)代示范園塑料大棚內(nèi)。4月8日開花，4月5日至7月4日為采收期。土壤為沙壤土，前作番茄。施復合肥50 kg/667m2、磷酸二氫鉀75 kg/667m2、有機肥75 kg/667m2。追肥情況見表1。為了避免出現(xiàn)養(yǎng)分不均勻現(xiàn)象，采用1株配置1個滴箭的灌溉方式。其它田間管理措施按常規(guī)管理。

1.2 試驗設置

在8 m垮大棚種植5和6行的基礎上，本實驗設置5個密度處理，單行種植，黃瓜單干整枝。采用吊蔓栽培方式，小區(qū)株數(shù)30株，3次重復(表2)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉片葉綠素含量、葉面積及株高測定 選取植株上(從上向下數(shù)第4～5片葉)、中(從上向下數(shù)第9～10片葉)、下部(從下向上數(shù)地3～4片葉)的黃瓜葉片參照楊勁峰等(2002)方法進行葉面積測量[27]；葉片葉綠素含量采用Arnon (1949)方法進行測定[28]；株高采用卷尺測量地上部分主干的長度。

1.3.2 氣體交換參數(shù)的測定 本試驗于4月上旬，對黃瓜葉片光合特性選擇晴天進行測定。黃瓜葉片光合速率測定用便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-6400，LI-COR公司，美國)，在9:00-11:30對試驗區(qū)內(nèi)選取的10株番茄，測定上、中、下部的黃瓜葉片間的葉片的光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。選擇標準光源葉室(6400-02B)，葉室內(nèi)測量條件均設定為：光照強度設為800 μmol·m-2·s-1；CO2濃度控制為400 μmol·mol-1；葉室溫度設為25 ℃；氣流速度設定為500 μmol·s-1。

1.3.3 葉片熒光參數(shù)的測定 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的測量：利用雙通道熒光儀Dual-PAM-100(Walz，德國)自動測量程序，在葉片暗適應180 min后測定黃瓜葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，JIP-test參數(shù)根據(jù)Strasser等(2000)計算得到[29]。

表1 施肥計劃

表2 試驗處理設置

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度對黃瓜葉面積和株高的影響

上部葉中T1和T2葉片最大，為88.8和76.7 cm2，T5最小為54.4 cm2，顯著小于T1和T2葉片。上部葉隨著單株占地面積增大，葉面積呈降低的趨勢。中部葉T2葉片最大，為306.4 cm2，與T4處理無顯著差異，顯著大于其余各處理葉面積。下部葉T3葉面積最大，T2葉面積最小，為358.9 cm2，為T3葉面積的87.5 %。株距都為35 cm情況下，窄行的T2和寬行的T4處理，上中下部葉無顯著差異；株距都為40 cm情況下，窄行的T3處理和寬行的T5處理，上中部葉無顯著差異，但下部葉T3葉面積顯著大于T5處理，是T5處理葉面積的1.5倍(表3)。

由圖1可以看出，黃瓜植株長早期(3月)無顯著差異，4月結(jié)果盛期，T1株高最高，為137.7 cm，顯著高于T4和T5處理的118.1和120.9 cm。7月試驗結(jié)束后，T1和T2處理株高分別為743.7和746.0 cm，是最低T5處理的1.2倍。株距都為35 cm情況下，窄行的T2和寬行的T4處理，在生長初期無顯著差異，但在4和7月，寬行處理植株長低于窄行處理植株長，T4植株長是T2的87.4 %；株距都為40 cm情況下，窄行的T3處理和寬行的T5處理，整個生育期植株長無顯著差異。

綜合葉面積和植株長可以看出，栽培密度的增加和行寬的減少都會導致黃瓜植株長的增長，黃瓜通過增加植株長獲取更多的光照。在植株長沒有增加的情況下，黃瓜通過增大底部葉片的葉面積獲取更多的光照。密度增高導致植株長增大這與玉米上研究類似[30]，但葉面積的增加與劉偉等(2010)在玉米上的研究相反[31]，導致其原因可能是黃瓜栽培密度和玉米不一樣。

2.2 不同密度對黃瓜葉片葉綠素含量的影響

由表4可以看出，除了T4的上中下部葉片葉綠素a含量無顯著差異外，其余各處理中下部葉片的葉綠素a含量均顯著高于上部葉片。上部葉片T4葉綠素含量最高為2.74 mg/g，顯著高于其余各處理上部葉片葉綠素a含量，T2葉綠素含量最低，為2.15 mg/g，為T4的78.5 %。中下部葉片葉綠素a含量無顯著差異。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理上部葉比窄行的T2和T3處理上部葉的葉綠素a含量更高。葉綠素a主要吸收紅光，中下部葉片比上部葉片能吸收較多的紅光；隨著栽培密度的降低和行距的增加，黃瓜上部葉能吸收更多的紅光。

圖1 不同密度對黃瓜植株長的影響Fig.1 Effect of different treatments on stem length

各處理黃瓜葉片的葉綠素b含量均為上部葉最低。T3處理中部葉片葉綠素b含量為2.45 mg/g，顯著低于下部葉2.88 mg/g，其余各處理中部葉與下部葉葉綠素b含量無顯著差異。上部葉中T4葉綠素b最高，但和T5無顯著差異，分別為1.90和1.61 mg/g，顯著高于其余3個處理。T2葉綠素b含量最低，為1.27 mg/g，為T4葉綠素b含量的66.8 %；中部葉片T1葉綠素b含量顯著低于其余4個處理，為2.14 mg/g，是最高葉綠素b含量T4的85.6 %；下部葉中T3為2.88 mg/g，顯著高于其余之間無顯著差異的4個密度處理。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理上部葉比窄行的T2和T3處理上部葉的葉綠素b含量更高。葉綠素b主要吸收藍紫光，中下部葉吸收更多的藍紫光；上部葉，隨著種植密度的增大和行距的增加葉綠素b含量增高，能吸收更多的藍紫光。

表3 不同處理對黃瓜不同部位葉片葉面積的影響

5個密度處理的總?cè)~綠素均是下部葉最高，上部葉最低，除了T1外，其余4個密度處理中部葉均與下部葉無顯著差異。上部葉T4最高，為4.64 mg/g，T2最低，為3.43 mg/g，與T3無顯著差異；中部葉則是T1最低，為4.88 mg/g，顯著低于其余4個密度處理，T4最高，為5.33 mg/g，是T1處理的1.09倍；下部葉T4最高，為5.68 mg/g，T5次之，為5.23 mg/g，且與T4無顯著差異，T4和T5顯著高于其余3個密度處理，T2含量最低，為5.11 mg/g。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理上下部葉比窄行的T2和T3處理上部葉的總?cè)~綠素含量更高。由此可見，上中下黃瓜葉片的總?cè)~綠素含量會隨著栽培密度的降低和行距的增加而升高。

葉綠素a/b上部葉均顯著高于中下部葉，除T1和T3中部葉高于下部葉之外，其余中下部葉無顯著差異。上部葉T4葉綠素a/b為1.45，顯著低于其余4個之間無顯著差異的密度處理；中部葉各處理無顯著差異；下部葉T3最低為0.97，顯著低于T5的1.21，為最高處理的80.2 %。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理上部葉比窄行的T2和T3處理上部葉的葉綠素a/b更低。葉綠素a/b的降低，表明葉片弱光利用效率提高，中下部葉片的弱光利用效率顯著高于上部葉片。上部葉片中，隨著栽培密度減小和栽培行距增加，葉片的弱光利用能力增強；中下部葉片則無明顯的規(guī)律。

2.3 不同密度對黃瓜葉片氣體交換參數(shù)的影響

由圖2可見，上部葉隨著單株所占面積的增大，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率增加；中部葉凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度與上部葉類似，隨著單株所占面積增加而增加，但蒸騰速率則隨之下降；下部葉氣孔導度和胞間CO2濃度隨著單株面積增加而增加，但是凈光合速率和蒸騰速率則是下降。上部葉片栽培密度越大，氣孔部分關(guān)閉，導致胞間CO2濃度降低，最終導致凈光合速率和蒸騰速率的下降；中部葉和上部葉有類似的情況，但蒸騰速率卻隨著栽培密度的增大而增高，可能是；下部葉隨著栽培密度的增大，凈光合速率降低，但氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率則增加。相同株距條件下，寬行的T4處理比窄行的T2處理上中部葉的凈光合速率高；但寬行的T4和T5處理比窄行的T2和T3處理中下部葉的蒸騰速率低。

表4 不同處理對黃瓜不同部位葉片葉綠素含量的影響

注：小寫字母代表上中下部葉片進行多重比較，大寫字母代表不同種植密度進行多重比較。

a,b上部葉;c,d中部葉；e,f下部葉圖2 不同密度對黃瓜葉片光合參數(shù)的影響Fig.2 Effect of different treatments on leaf photosynthetic parameters

2.4 不同密度對黃瓜葉片電子傳遞和能量分配的影響

由圖3所示，ABS/RC單位反應中心吸收的光能，下部葉T5的ABS/RC最高，為3.893，與T2和T3無顯著差異，T4最低，為3.692，與T1無顯著差異；中部葉T4最高，為4.009，與T2無顯著差異，T1最低；上部葉T1最高，為4.567，T4最低，為3.810，與T3和T5無顯著差異。上部葉栽培密度高的處理黃瓜葉片ABS/RC高于栽培密度低的；中部葉隨著栽培密度的下降，黃瓜葉片ABS/RC呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；下部葉可能是葉片老化無明顯規(guī)律。栽培密度的增加導致黃瓜上部葉ABS/RC的增加，隨著栽培密度的增高，黃瓜上部葉單位反應中心能吸收更多的光能。

TRo/RC單元反應中心捕獲的用于還原QA的能量，下部葉T5最高，為3.863，與T2和T3無顯著差異。T4最低，為3.676，與T1無顯著差異。中部葉T4最高，為3.910，與T2無顯著差異。T5處理最低，為3.713。上部葉T1處理的TRo/RC高于其余處理。與ABS/RC變化類似，栽培密度的增加導致黃瓜上部葉TRo/RC的增加，栽培密度高的處理黃瓜上部葉除了單位反應中心能吸收更多的光能，還能把光能更多的用于還原電子傳遞鏈上的QA。

圖3 不同密度對黃瓜葉片PSⅡ反應中心能量分配參數(shù)的影響Fig.3 Effect of different treatments on ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC

DIo/RC單元反應中心熱消耗的能量，下部葉T3最高，為0.069，T1最低，為0.009，隨著栽培密度的下降，DIo/RC呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。中部葉T4最高，為0.099，T1最低，為0.164，隨著栽培密度的下降，DIo/RC呈現(xiàn)增高趨勢。上部葉T1最高，為0.486，T4最低，為0.025，隨著栽培密度的下降，呈現(xiàn)降低趨勢。栽培密度增加使得黃瓜中下部熱耗散高，上部葉熱耗散低。

ETo/RC單元反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量。下部葉T5最大，為1.578，與T3無顯著差異，但顯著高于其余3個處理。中部葉T4最高，為1.706，T1最小，為0.166，中下部葉隨著栽培密度的下降呈現(xiàn)先升后降低趨勢。上部葉則是T1最大，為1.851，T4最小，為1.525，上部葉隨著栽培密度的下降呈現(xiàn)逐漸減低趨勢。

由圖4所示，隨著栽培密度的下降，下部葉片變化規(guī)律不明顯，中部葉片吸收光能，光能用于電子傳遞，捕獲后在電子傳遞鏈中傳遞用于還原QA的能量呈現(xiàn)出先升高再下降的趨勢，上部葉片呈現(xiàn)下降趨勢。

RC/ABS光合活性反應中心的數(shù)目。遮光處理，導致葉綠素增多，從而導致下部葉的光合活性反應中心的數(shù)目葉綠素a/b的值降低。下部葉T2最高，為0.271，T5最低，為0.257。下部葉RC/ABS隨著栽培密度的下降，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；中部葉T1最高，為0.416，T4最低，為0.256，隨著栽培密度的降低，呈現(xiàn)先降后升的趨勢；上部葉T1最低為0.222，隨著栽培密度的下降，呈現(xiàn)上升趨勢。由此可見，栽培密度的增加使得黃瓜中下部葉片的光合活性反應中心的數(shù)目增大，上部葉則變小。

Ψo捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體概率，2 ms 時有活性的反應中心的開放程度。下部葉T4最高為0.4145，和T5、T4、T1無顯著差異。T2最低，為0.396顯著低于其余各處理。中部葉T4處理最高為0.436，T1最低為0.007，隨著單株面積增大呈現(xiàn)先上升在降低趨勢。上部葉T1處理最高，為0.453，與T2和T5處理無顯著差異。

φPo用于電子傳遞的量子產(chǎn)額，下部葉T4最低為0.982顯著低于其余各處理。中部葉T1處理最高，為0.993，與T2和T5處理無顯著差異，T4最低為0.975與T3無顯著差異。隨著單株面積增加呈現(xiàn)減低在升高的趨勢。下部葉T1處理最低，為0.906，顯著低于其余各處理。除T3處理外，其余處理下部葉的φPo均高于上部和中部葉。

圖4 不同處理對黃瓜不同部位葉片光合性能指數(shù)及其組成參數(shù)的影響Fig.4 Effect of different treatments on PIABS and its relevant parameters

PIABS以吸收光能為基礎的光合性能指數(shù)，T1的PIABS最高(下部葉凈光合速率最高)，T5最低，為365.596與T2無顯著差異。隨著栽培密度的下降，下部葉的PIABS則先降低再升高；中部葉T2最高，為240.438，T1最低，為28.752；上部葉，T4處理最高為408.349，T1最低為80.186。上部和下部葉隨著單株面積的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在本次不同密度處理中，下部葉的PIABS相比上中部葉仍然是最高的，但隨著栽培密度的下降，上部葉PIABS呈現(xiàn)上升趨勢，而中部葉呈現(xiàn)下降趨勢。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理比窄行的T2和T3處理下部葉的PIABS高。PIABS包含RC/ABS、φPo和ψo這3個參數(shù)，且3個參數(shù)相互獨立，下部葉T1處理中3個參數(shù)均為最優(yōu)，而T5處理則是RC/ABS較低導致PIABS低，中部葉T1的PIABS最低則是Ψo下降導致，而T1上部葉PIABS低則是RC/ABS較少導致。

2.5 不同密度對黃瓜產(chǎn)量的影響

由圖5可見，隨著黃瓜單株面積的增加，小區(qū)產(chǎn)量逐漸增高，T3處理最高為55.6 kg，顯著高于T1和T2處理，與T4和T5無顯著差距。T1處理最低為43.2 kg，是T3處理的77.7 %。T1每667 m2產(chǎn)量最高，為5617 kg；T5每667 m2產(chǎn)量最低為4439 kg。相同株距條件下，寬行的T4和T5處理與窄行的T2和T3處理小區(qū)產(chǎn)量無顯著差異。由此可見，隨著黃瓜密度的下降，單株產(chǎn)量逐漸增加，但每667 m2產(chǎn)量逐漸下降。

圖5 不同密度對黃瓜產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of different treatments on yield of cucumber

3 討 論

下部葉片，栽培密度最大的處理，凈光合速率最大，但胞間CO2濃度最小。本處理光合活性反應中心的數(shù)目，φPo用于電子傳遞的量子產(chǎn)額及吸收光能為基礎的光合性能指數(shù)均高于栽培密度最小的處理。由此可見，可能由于栽培密度大的處理黃瓜葉片高羧化活性導致了胞間CO2濃度的降低，為非氣孔因素。中上部葉，隨著栽培密度的減小，葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度逐漸增大。上部葉單位反應中心吸收的光能、單元反應中心捕獲的用于還原QA的能量、單元反應中心熱消耗的能量及單元反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量在5個處理中最高，隨著栽培密度的降低逐漸降低；光合活性反應中心的數(shù)目，φPo用于電子傳遞的量子產(chǎn)額及吸收光能為基礎的光合性能指數(shù)均小于其他處理?？梢钥闯?，栽培密度大的處理葉片光合電子能量分布不受影響，上部葉片凈光合速率減低主要是氣孔導度的降低引起胞間CO2濃度降低的結(jié)果，是氣孔因素引起的降低；中部葉，單位面積最小和單株面積最大的處理單位反應中心吸收的光能、單元反應中心捕獲的用于還原QA的能量、單元反應中心熱消耗的能量及單元反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量在5個處理中最低，Ψo捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體概率最低，在中部葉凈光合速率的降低是氣孔因素和電子傳遞也降低的共同結(jié)果。

下部葉片T5的ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC最高，但在中部葉則最低，上部葉處于中間水平。T4下部葉最低，但在中部葉最高，上部葉處于中間水平；下部葉片T1的PIABS最高，但在中部和上部葉則最低。T2下部葉最低，但在中部葉最高，上部葉處于中間水平。由此可見，在植株葉片PSII能量分配和光合電子傳遞活性方面，上中下葉片可能存在一種光合補償機制。植物可以處理外界環(huán)境刺激信號，促使自身代謝活動的調(diào)整為最適合當前環(huán)境的狀態(tài)[32]。當植物局部器官遭受環(huán)境因子刺激并做出反應時，還會向其余未受到刺激部位發(fā)出信號，最終誘導整株都預先表現(xiàn)出與該刺激因子相適應的狀態(tài)[33]。雖然有這種補償機制，但密度大的單株產(chǎn)量高，可能是全株的凈光合速率較高，在以后的研究中，還應該對全株進行光合速率的測量，加以論證。

4 結(jié) 論

栽培密度對黃瓜不同部位葉片光合機構(gòu)的影響也是不同，植株從下至上，葉片凈光合速率的降低是分別是非氣孔因素、非氣孔和氣孔因素共同作用、氣孔因素作用所導致。栽培密度越大，單株黃瓜產(chǎn)量高，但折合畝產(chǎn)，栽培密度最大，行株距為1.14 m×0.30 m的T1處理產(chǎn)量最高，為5617 kg/667m2。