多樣性混合間栽模式對水稻光合作用的影響

何 平，楊 楠，尚剛林，張文龍，李德雄， 張 銳，蘇正亮，李勇成，王云月，韓光煜*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院/農(nóng)業(yè)生物多樣性與病害控制教育部重點實驗室，云南 昆明 650201；2.紅河州農(nóng)業(yè)科學研究院，云南 蒙自 661100)

【研究意義】通過開展多樣性混合間栽模式下水稻的光合作用研究，不僅可以探索間栽模式中遮光對水稻的生長發(fā)育造成的影響，而且有助于探究間栽模式中微生態(tài)環(huán)境對病害控制的效應，為多樣性混合間栽的進一步推廣應用提供有利依據(jù)。【前人研究進展】水稻是重要的糧食作物，為全球30億人口提供主食[1]，水稻稻瘟病是由稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)引起的真菌性病害，全球每年因稻瘟病造成的產(chǎn)量損失占到總產(chǎn)量的10%～15%[2-3]。在中國，稻瘟病的年發(fā)病面積在380萬hm2以上，而且呈逐年增長的趨勢，嚴重影響著水稻生產(chǎn)[4]。利用水稻多樣性混合間栽模式控制稻瘟病是一種有效的生態(tài)防控措施，其主要以豐富的生物多樣性為基礎，利用生物之間的相互作用使得光、溫、水和養(yǎng)分資源得到合理利用，病害得到有效控制，從而減少農(nóng)藥、化肥的使用[5-9]。水稻屬于喜陽作物，水稻干物質(zhì)的積累90%直接來源于光合作用，水稻在遮光條件下會引起光合產(chǎn)物運輸受阻、葉片的凈光合速率下降，水分利用率降低，從而造成產(chǎn)量損失[10-12]?！颈狙芯壳腥朦c】多樣性混合間栽模式中，間栽的組合品種間的株高有所差異，形成了高矮相間的立體株群，可能會使得高桿植株與矮桿植株之間存在不同程度的遮蔭。但多樣性混合間栽模式是否對水稻光合作用造成影響還不清楚。因此選取推廣應用較廣的2個水稻組配品種，開展田間受控試驗，分別測定凈栽模式和間栽模式下的SPAD值和光合特征指標值，探究多樣性混合間栽模式下水稻光合變化情況。【擬解決的關(guān)鍵問題】探明多樣性混合間栽模式對水稻光合作用的影響，為多樣性混合間栽模式的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年4—10月在云南省紅河州建水縣高營村進行，選用遺傳分化指數(shù)較高的組配品種岡優(yōu)157(主栽品種)和黃殼糯(間栽品種)。試驗設置多樣性混合間栽模式(Mix)和凈栽模式(Mono) 2種栽培方式，具體分為：①多樣性混合間栽模式，即水稻主栽品種和間栽品種混合種植，主栽品種每2行為1組，共8組，組內(nèi)行距15 cm，組間行距為30 cm，株距為15 cm，每2組的中間1行種植間栽品種，其中靠近間栽品種(Mix-HKN)的主栽品種稱為里行(Mix-in GY157)，另外1行為邊行(Mix-out GY157)；②凈栽模式，即主栽品種(Mono-GY157)和間栽品種(Mono-HKN)單獨種植，2個品種分別每2行為1組，共4組，組內(nèi)行距15 cm，組間行距為30 cm，株距為15 cm。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，重復3次，整個田塊四周設置4行保護行(圖1)。試驗區(qū)的水肥管理按照當?shù)卮胧?，只防治蟲害不防治病害。各處理的田間管理保持一致。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 光合指標的測定 于水稻灌漿期進行，使用德國WALZ公司熒光測量系統(tǒng)GFS-3000光合儀測定水稻劍葉中部的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度等，光源光強設置為1000 μmol/(m2·s)，設定葉室溫度30 ℃，空氣相對濕度50%，每個小區(qū)選取3片生長相近，有代表性的水稻劍葉，每片葉重復測定3次，取平均值作為該葉的光合指標值，共測定3個小區(qū)。

1.2.2 葉綠素相對含量SPAD值的測定 與光合指標測定同日進行測定，使用葉綠素儀SPAD-502測定水稻劍葉上中下3個部位SPAD，取測定葉位平均值作為該葉的SPAD值，每個小區(qū)選取長勢相近的5株水稻，取其平均值作為該小區(qū)的水稻劍葉SPAD值，共測定3個小區(qū)。

1.2.3 水分利用率 水分利用率(WUE)用凈光合速率 (Pn) 與蒸騰速率 (Tr) 的比值來表示:WUE=Pn/Tr。

1.2.4 株高和分蘗數(shù)調(diào)查 于分蘗末期進行分蘗數(shù)調(diào)查，每個處理采用Z字5點取樣法，每個點取10叢，共50叢；于齊穗期進行株高測定，每個小區(qū)隨機取樣，調(diào)查30株株高，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.5 產(chǎn)量測定 產(chǎn)量測定為單株產(chǎn)量測定，每個小區(qū)采用隨機取樣30株，每株收割后去掉空扁粒曬干稱量，每個品種在2種種植模式下按照每個小區(qū)相同種植密度折算公頃產(chǎn)量，最后取平均值記錄。

1.2.6 穗頸瘟調(diào)查 參試品種稻瘟病病害田間發(fā)生情況調(diào)查采用Z字5點取樣法，每個點取10叢，共50叢。于黃熟期開展稻瘟病(穗頸瘟)調(diào)查，記錄并計算病害發(fā)病率和病情指數(shù)[3]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)基礎處理，采用ORIGIN 2018進行圖表繪制和SPSS 18.0進行顯著性統(tǒng)計分析。2組間比較選用獨立樣本t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析，采用LSD法進行差異性顯著分析，P<0.05為顯著，P< 0.01為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 多樣性混合間栽模式下水稻葉綠素含量SPAD值的測定

SPAD值是衡量植株葉綠素相對含量和代表植物綠色程度的參數(shù)，水稻葉綠素含量與SPAD值具有顯著的正相關(guān)性。對2個水稻組配品種分別在多樣性混合間栽模式和凈栽模式下，進行SPAD值測定，結(jié)果表明，多樣性混合間栽種植模式下主栽品種岡優(yōu)157里行的SPAD值顯著高于邊行和其在凈栽種植模式的處理(P<0.05)，多樣性混合間栽模式2個處理(里行和邊行)的SPAD值都高于凈栽模式，上升幅度分別為1.91%和7.64%；對于間栽品種黃殼糯，其在多樣性混合間栽種植模式下的SPAD值高于凈栽模式，上升幅度為2.87%，但無顯著差異(圖2)。以上結(jié)果表明，多樣性混合間栽模式下主栽品種岡優(yōu)157里行的葉綠素相對含量顯著高于邊行和凈栽模式，而對間栽品種無顯著影響。

2.2 多樣性混合間栽模式下水稻光合特征指標值的測定

對2個水稻組配品種在多樣性混合間栽模式和凈栽模式下進行4個光合指標的測定，結(jié)果表明，岡優(yōu)157在多樣性混合間栽模式下，里行的凈光合速率(Pn)顯著低于凈栽模式，下降幅度為14.36%，邊行的凈光合速率相比于凈栽下降7.74%，但差異不顯著；對于間栽品種黃殼糯，其在多樣性混合間栽模式下的凈光合速率低于凈栽模式2.30%，但差異不顯著。岡優(yōu)157在多樣性混合間栽模式下的蒸騰速率(Tr)相對于凈栽模式分別下降9.00%(邊行)和6.54%(里行)，而黃殼糯在多樣性混合間栽相比于凈栽模式下降2.81%，均未達顯著性差異；多樣性混合間栽模式下岡優(yōu)157的氣孔導度(Gs)均低于凈栽模式，分別下降14.91%(邊行)和9.75%(里行)，黃殼糯在多樣性混合間栽模式下下降7.38%，但均無顯著性差異；胞間CO2濃度(Ci)，岡優(yōu)157在多樣性混合間栽模式下的邊行和里行比Mono-GY157分別上升1.88%和3.31%，多樣性混合間栽模式下的黃殼糯則高于凈栽模式的2.59%，均未達顯著性差異(表1)。以上結(jié)果表明，岡優(yōu)157(里行)在多樣性混合間栽模式下的凈光合速率顯著降低，蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度在各處理均無顯著差異；黃殼糯在2種種植模式下的光合特征值均無顯著變化。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Mono-GY157表示凈栽下岡優(yōu)157，Mix-out GY157表示多樣性混合間栽下岡優(yōu)157的邊行，Mix-in GY157表示多樣性混合間栽下岡優(yōu)157的里行，Mono-HKN表示凈栽下黃殼糯，Mix-HKN表示多樣性混合間栽下的黃殼糯。下同 Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05).Mono-GY157 represents the mono-planting of Gangyou-157.Mix-out GY157 represents the outer line of the diversity mixed-planting of Gangyou-157.Mix-in GY157 represents the inner line of the diversity mixed-planting of Gangyou-157.Mono-HKN represents the mono-planting of Huangkenuo,and Mix-HKN represents the diversity mixed-planting of Huangkenuo.The same as below圖2 2個組配水稻品種在不同栽培模式下的SPAD值Fig.2 SPAD values of two varieties in different cultivation modes

2.3 多樣性混合間栽模式對水稻水分利用率的影響

對兩個組配水稻品種在多樣性混合間栽模式和凈栽模式下進行了水分利用率(WUE)分析，結(jié)果表明，多樣性混合間栽模式下，岡優(yōu)157在里行的水分利用率為1.57 μmol/mmol，低于凈栽模式，下降幅度為7.65%，岡優(yōu)157在邊行的水分利用率為1.74 μmol/mmol，高于凈栽的處理，上升2.35%；多樣性混合間栽模式下黃殼糯的水分利用率為2.14 μmol/mmol，較凈栽模式下降1.38%，均無顯著性差異(圖3)。以上結(jié)果表明，相比于凈栽模式，岡優(yōu)157(里行)和黃殼糯在多樣性混合間栽模式下的水分利用率呈下降趨勢，岡優(yōu)157(邊行)呈上升趨勢，均無顯著差異。

2.4 多樣性混合間栽模式下水稻稻瘟病發(fā)生情況及農(nóng)藝性狀

選取遺傳分化指數(shù)較高的2個組配水稻品種，在多樣性混合間栽模式和凈栽模式下進行稻瘟病發(fā)生情況和農(nóng)藝性狀的調(diào)查分析，結(jié)果表明，岡優(yōu)157的發(fā)病率和病情指數(shù)在多樣性混合間栽種植模式與凈栽模式無顯著性差異，且均為輕發(fā)生；黃殼糯在多樣性混合間栽種植模式下的發(fā)病率(11.91%)顯著(P<0.01)低于凈栽種植模式(67.91%)，其病情指數(shù)(2.79)同樣顯著低于凈栽模式(43.65)。岡優(yōu)157的株高和分蘗數(shù)在多樣性混合間栽種植模式與凈栽模式均無顯著性差異，而黃殼糯的株高和分蘗數(shù)在多樣性混合間栽模式則顯著低于凈栽，其中株高下降8.64%，分蘗數(shù)下降27.79%。在多樣性混合間栽種植模式下岡優(yōu)157的折合產(chǎn)量(7.71 t/hm2)高于其在凈栽的產(chǎn)量(7.52 t/hm2)，但無顯著性差異；在多樣性混合間栽種植模式下黃殼糯的折合產(chǎn)量(6.23 t/hm2)顯著高于其在凈栽時的產(chǎn)量(4.50 t/hm2，表2)。以上結(jié)果顯示，黃殼糯間栽的稻瘟病病情指數(shù)、發(fā)病率、株高和分蘗數(shù)均顯著下降，岡優(yōu)157則無顯著變化。在多樣性混合間栽種植模式下黃殼糯產(chǎn)量顯著提高，岡優(yōu)157產(chǎn)量有提高但差異不顯著。

圖3 2個組配水稻品種在不同栽培模式下的水分利用率Fig.3 Water use efficiency of two varieties in different cultivation modes

表1 2個組配水稻品種在不同栽培模式下的光合指標

表2 2個組配水稻品種在不同栽培模式下的穗頸瘟發(fā)病情況及農(nóng)藝性狀

3 討 論

3.1 多樣性混合間栽模式對水稻稻瘟病發(fā)生和產(chǎn)量的影響

多樣性混合間栽模式對水稻稻瘟病具有很好的防治效果，間栽模式下黃殼糯的稻瘟病發(fā)病率和病情指數(shù)均極顯著下降，而主栽品種岡優(yōu)157無明顯差異，顯示出高遺傳分化指數(shù)的組配品種對稻瘟病具有很好的控制效果，對當?shù)赝茝V多樣性種植具有一定的指導意義。水稻病害的發(fā)生對產(chǎn)量造成很大的影響，稻瘟病造成水稻白穗、空殼，發(fā)生越重，產(chǎn)量損失越大[3]；分蘗數(shù)是衡量產(chǎn)量高低的重要指標，分蘗數(shù)越多產(chǎn)量越高[13]。間栽模式下黃殼糯病害顯著降低，但株高和分蘗數(shù)也顯著降低，可能是由于黃殼糯在多樣性混合間栽種植模式下作物抗病性大幅提高，會導致其他農(nóng)藝性狀表現(xiàn)下降。而主栽品種岡優(yōu)157由于自身具有較高的抗逆性，在光合速率下降時，可以通過提高葉綠素含量來維持正常的光合速率，因此其他農(nóng)藝性狀并未受到較大的影響。多樣性混合間栽模式下間栽品種黃殼糯的產(chǎn)量顯著高于凈栽模式，但是在多樣性混合間栽模式下其病害顯著降低，可以看出通過多樣性混合間栽可以通過減少病害和調(diào)節(jié)其他性狀等方式從而達到增產(chǎn)的效果。

3.2 多樣性混合間栽模式對光合作用的影響

光合作用是水稻干物質(zhì)積累的主要來源，通過提高光能利用率能有效提高產(chǎn)量[14]。葉綠素含量、葉片的胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度和凈光合速率是反應植物光合作用的重要指標值[15-16]。葉綠素含量高低直接影響葉片光合作用的能力，水稻在生育后期(乳熟期)不同葉位均會維持較高的凈光合速率，且具有較高的SPAD值、氣孔導度和蒸騰速率，使植株維持較高的光合生產(chǎn)潛力[17]。植株在遮光后，葉綠素含量會顯著上升，而葉片的光合速率會顯著降低[15]。研究表明在多樣性混合間栽模式下岡優(yōu)157除胞間CO2濃度上升外，蒸騰速率、氣孔導度和凈光合速率均有不同程度下降，其中凈光合速率顯著低于凈栽模式，然而間栽模式下岡優(yōu)157的SPAD值則顯著升高；間栽品種的各光合指標則在2種栽培模式下無明顯差異。間栽模式下由于2個組配品種存在株高差異，造成一定程度的遮蔭，岡優(yōu)157的凈光合速率受到抑制，因此，究其原因可能是通過升高葉綠素含量，降低蒸騰速率，降低氣孔導度，從而減少水分流失，維持正常的光合作用。

3.3 多樣性混合間栽模式對光合作用影響的機制研究

多樣性混合間栽模式如何通過間栽品種之間的微生態(tài)以及分子機制調(diào)控植物光合作用尚未明確。雖然選擇了遺傳分化指數(shù)較高，即稻瘟病控制較好的2個組配品種，但是稻瘟病發(fā)生為害情況和產(chǎn)量以及光合作用三者之間的關(guān)系還待驗證。微生物是作物重要的微生態(tài)環(huán)境影響因素，它們可以通過分泌自身的代謝產(chǎn)物影響植株生長發(fā)育，也可以通過誘導植株自身產(chǎn)生更強的抗逆性，反之，不同植株以及植株間所處的環(huán)境差異也會影響微生物的定殖和多樣性[18-20]，有關(guān)多樣性混合間栽在不同光合條件下品種的微生物多樣性差異是值得研究的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

主栽品種的葉綠素相對含量在多樣性混合間栽模式下顯著高于凈栽模式，光合速率顯著低于凈栽模式，蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度則無顯著差異，間栽品種各光合指標值均無顯著差異；同時，間栽模式下間栽品種的稻瘟病病情指數(shù)、株高和分蘗數(shù)均低于凈栽模式，主栽品種則無顯著差異。