不同密度下越冬型黑麥產量形成的光合特性差異

張雪悅，左師宇，田禮欣，李麗杰，任曉松，劉趙月，李晶

(東北農業大學農學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

越冬型黑麥(Secalecereale)為禾本科黑麥屬，一年生草本，原產于地中海沿岸等地，由于其具有較強的抗寒性、抗旱性、抗貧瘠性，后被傳入歐洲及世界其他各地[1-2]。黑麥籽粒含有豐富的蛋白質及膳食纖維，常被用于制作黑麥面包及其他食品。黑麥植株再生能力較強，草質柔軟，也被人們用作家畜的飼料[3-4]。從20世紀30年代以來，黑麥廣泛栽培和種植于中國北方、長江中下游及以南的地方[5]。越冬黑麥的種植不僅可以緩解畜牧業發展較快所帶來的飼料危機，還可以提高冬季地表覆蓋，減少地表耕層土壤流失，具有良好的研究價值。

合理的群體結構是保證作物高產的重要措施，不同的種植密度對麥類作物光合特性具有重要影響[6]。小麥(Triticumaestivum)產量的90%～95%與光合作用有關，且光合作用的大小可直接影響作物產量的高低[7-8]。張黛靜等[9]研究發現，不同種植密度間，光合特性差異較大。王之杰等[10]研究指出，低種植密度下的植株葉片光合指標具有明顯優勢，有利于提高群體光合速率。邵玉偉等[11]認為，低密度下，小麥葉片葉綠素含量較高。研究發現，雜種小麥的旗葉凈光合速率隨密度增加而降低，且生長后期下降幅度變大[12]。群體密度對群體透光性有明顯的調節作用，小黑麥(Triticale)在合理的密度下，具有良好的光合特性，能夠提高群體光能利用率，從而提高群體生產能力[13-14]。朱翠林等[15]指出，適宜的種植密度不僅可以緩解個體與群體之間的矛盾，還能促進單位面積上穗數、穗粒數與千粒重的協調發展。近年來，一些學者針對種植密度對黑麥種子生產性能以及黑麥分蘗動態等方面進行了研究。胡雪華等[16]等研究發現，隨種植密度的提高，黑麥種子產量呈先上升后下降的拋物線趨勢。李志堅等[17]研究表明，黑麥群體總分蘗數隨種植密度的提高而增加。朱永群等[18]認為，黑麥草的株高、莖葉比隨著種植密度的增大而升高。

目前，黑麥作為一種優質牧草在歐洲地區以及我國南方地區被廣泛種植。黑龍江省地處中國最北端，是我國重要商品糧基地。近些年隨著高產作物種植比例的增大，農業發展面臨一系列的農業結構調整問題。結合結構調整目標，構建糧經飼統籌、農牧結合的農業發展格局，提高優質牧草和飼料作物種植范圍，符合現代畜牧產業發展及擴大糧牧結合的需求。飼用越冬黑麥分蘗力強，返青早，收割早，既可填補早春牧草的不足，又可改善作物種植結構。越冬型黑麥001為東農麥類研究團隊多年篩選的強冬類型品系，可耐-30 ℃以下的低溫，可作為寒地優質牧草的選擇。近年來，國內外主要針對鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫逆境下黑麥的生物量、糖代謝關鍵酶、滲透調節物質以及抗氧化酶的研究較多[19-21]。針對寒地冬小麥研究表明，采取溝播種植模式，結合拔節期追施氮肥150 kg·hm-2，有助于生育后期根系活力維持及品質改善。而關于寒地冬黑麥種植栽培研究空白，缺少深入細致探討，本研究旨在探明越冬型黑麥001寒地栽培下獲得較高產量的群體光合特性差異，確立黑龍江高緯高寒地域下黑麥種植的最佳群體結構，明確獲得較高飼草產量的光合基礎，為建立寒地飼用冬黑麥生產模式及解決早春牧草種植提供參考，也可為南方早春黑麥種植提供復種參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

1.1.1供試品種 供試材料為東農冬黑麥001，由東北農業大學麥類研究室提供。

1.1.2試驗設計 試驗于2016-2017年在東北農業大學校內實驗基地進行。經度126°18′，緯度46°25′，溫帶大陸性氣候，年降水量500～550 mm。試驗地土壤為黑鈣土，土壤肥力概況見表1。試驗設基本苗為225×104株·hm-2(D1)、275×104株·hm-2(D2)、325×104株·hm-2(D3)、375×104株·hm-2(D4)和425×104株·hm-2(D5)5個處理，采用完全隨機設計，小區面積3.2 m×1.5 m，8行區，行距0.2 m，條播，每處理重復3次。各處理施肥量相同，95 kg·hm-2尿素，150 kg·hm-2磷酸二銨，75 kg·hm-2硫酸鉀均作種肥施于土壤。試驗于2016年9月14日播種，苗期鎮壓一次，其他處理措施同一般大田。

表1 試驗地土壤肥力概況 Table 1 The soil fertility condition of the tested soil

1.2 測定項目與方法

1.2.1黑麥分蘗數量測定 于2016年11月2日、11月14日和2017年2月25日、3月24日及以后每 5 d 直至2017年4月23日，統計分蘗數。每個處理隨機選取10株，測定分蘗數, 取其平均值為單株分蘗數。

1.2.2SPAD值測定 采用 CCM-200+便攜式葉綠素測定儀(中國北京澳作生態儀器有限公司)測定，拔節前測定黑麥頂部第二葉的上部、中部、基部，拔節后測定旗葉上部、中部、基部，并取其平均值，每個處理重復10次[19]。

1.2.3光合參數測定 光合參數在黑麥返青期(reviving stage, RS)，拔節期(jointing stage, JS)，孕穗期(booting stage, BS)，抽穗期(heading stage, HS)，開花期(anthesis stage, AS)，成熟期(maturity stage, MS)進行取樣測定。采用 Ci-340 便攜式光合作用測定儀(北京商德通科技有限公司)測定葉片的光合參數包括凈光合速率(net photosynthetic,Pn)、蒸騰速率(transpiration,Tr)、氣孔導度(stomatal conductance,Gs)和胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)，拔節前測定黑麥頂部第二葉中部，拔節后測定旗葉中部，并重復 3 次。具體方法參考王麗華等[19]的方法。

1.2.4葉綠素熒光參數測定 將植株頂部第二片葉的葉片中部進行暗處理30 min 后，采用德國Walz公司生產的便攜式熒光儀 PAM-210 及相應的 PamWin 軟件測定初始熒光(minimal fluorescence,Fo)和最大熒光(maximum fluorescence,Fm),進行光的有效輻射后測定光下最大熒光(maximum fluorescence under light,Fm′)，光下最小熒光(minimal fluorescence under light,Fo′)和穩態熒光(steady-state fluorescence,Fs)，Fo代表不參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分，是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量，它與葉綠素濃度有關。Fo′是作用光關閉時的原初熒光產量。按下列公式計算葉綠素熒光參數，每處理重復3次[19]。

光系統II (PSⅡ) 可變熒光 (variable fluorescence,Fv)=Fm-Fo
最大光化學效率 (maximum quantum efficiency of PSⅡ,Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm
光化學淬滅系數 (photochemical quenching,qP)=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)
實際光化學效率 (effective quantum yield of PSⅡ,ΦPSⅡ)=(Fm′-Fs)/Fm′
非光化學淬滅系數 (non-photochemical quenching,qN)=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)

1.2.5生物產量的測定 于黑麥蠟熟初期，每小區選取2行的黑麥全株進行人工刈割，收獲鮮草并測定其重量從而推算每小區黑麥鮮草產量，將鮮草置于烘箱中，將溫度調至105 ℃殺青30 min后，繼續在80 ℃下烘干至恒重測定干草產量。

1.3 數據處理

采用SPSS 20.0統計軟件分析數據，LSD法進行處理間多重比較與顯著性檢驗，并用Excel 2010制圖。

2 結果與分析

2.1 不同密度處理間越冬型黑麥單株分蘗數量差異

表2結果表明，黑麥單株分蘗數量隨生長發育呈先上升后下降的趨勢。黑麥分蘗數隨著種植密度的增加逐漸減少，且各密度間黑麥分蘗數差異從返青期(2017年3月24日)開始逐漸增大。在黑麥越冬前期(2016年10月22日-11月14日)，分蘗數不斷增多，由于個體之間競爭不激烈，各密度間分蘗差異不明顯。在黑麥分蘗后期(2017年4月14日-23日)，黑麥個體之前競爭激烈，一些較弱的分蘗在競爭中處于劣勢，生長較弱并逐漸死亡，因此黑麥單株分蘗數逐漸下降。

表2 不同密度間黑麥單株分蘗數量變化 Table 2 Change of the tiller number of individual plant of different densities

注：同列不同字母表示各處理間差異達5%顯著水平。下同。

Note：Different letters at the same column mean significant difference among different treatments at the same stage at 5% level. The same below.

2.2 不同密度處理間黑麥SPAD的差異

不同密度下黑麥葉片的SPAD值均隨生育期的推進呈現先上升后下降的拋物線變化趨勢，黑麥整體SPAD值在抽穗期達到最大(圖1)，同一密度下黑麥SPAD值，在不同生育時期差異顯著。在黑麥各個生育時期D1、D2和D3密度SPAD值均顯著高于D4和D5密度；返青期D1密度SPAD值最大，D3密度SPAD值與D1、D2密度間差異均不顯著；拔節期D1密度SPAD值顯著高于D3密度，與D2密度無顯著差異；從孕穗期到抽穗期，D3密度SPAD值與D2密度均差異顯著，D1、D2、D3密度SPAD值的增幅分別為8.69%、21.30%、7.51%；從抽穗期開始，各密度黑麥SPAD值開始呈現下降趨勢。從抽穗期到成熟期，D1、D2、D3、D4、D5密度降幅分別為37.91%、40.98%、41.00%、42.53%、45.09%。由此可見，從黑麥抽穗期到成熟期，SPAD值的下降幅度與黑麥密度呈負相關關系，密度越大，葉片衰老越快。

圖1 不同密度處理下黑麥SPAD值Fig.1 SPAD value of rye under different densities 不同小寫字母表示各處理間差異達5%顯著水平，大寫字母表示同一密度處理不同生育時期間差異達5%顯著水平，下同。 Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at 5% level， different capital letters mean significant difference among different growing stages at 5% level， the same below.

2.3 不同密度處理間黑麥光合參數的差異

隨生育進程的推進，不同密度黑麥葉片凈光合速率(Pn)均呈先上升后下降的趨勢，在開花期達到最大(表3)。在黑麥整個生育時期，D1、D2、D3密度下黑麥群體Pn均顯著高于D4、D5密度處理，且隨著密度的增大，Pn逐漸減小。同一密度下，黑麥Pn值在不同生育時期，差異較顯著，D1密度在開花期達到最大。各密度黑麥Pn平均增長幅度，返青期至拔節期為66.02%；拔節期至孕穗期為12.14%；孕穗期至抽穗期為11.66%；抽穗期至開花期為6.52%；開花期至成熟期平均降幅為64.71%，其中黑麥葉片Pn增長幅度最大的時期是從返青期至拔節期，在這時期D3處理的黑麥Pn增長幅度達到79.56%，說明D3處理此階段群體光合轉化率最高，光合能力最強。

表3 不同密度處理下黑麥光合參數 Table 3 Photosynthesis parameters of rye under different densities

不同小寫字母表示各處理間差異達5%顯著水平，大寫字母表示同一密度處理不同生育時期間差異達5%顯著水平。Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at 5% level， different capital letters mean significant difference among different growing stages at 5% level.

黑麥葉片氣孔導度(Gs)隨著生育進程的推進，呈先上升后下降再上升的趨勢，并在拔節期與抽穗期達到最高。Gs最大值出現在抽穗期D1密度。從返青期到拔節期，各密度黑麥葉片Gs增幅達到最大，其中D3密度的增幅最高，為299.5%，D4密度的增幅最低，為197.5%。在拔節期與開花期，D3密度下黑麥葉片Gs值達到最大，顯著高于其他密度，此時，葉片的氣孔開度較大，更有利于氣體交換。同時，通過觀察黑麥整體Gs值表現可以看出，較低密度更有利于黑麥葉片Gs值的提高，有利于細胞間氣體流通。

蒸騰速率(Tr)變化呈先上升后下降的趨勢，黑麥整體Tr值在開花期達到最大，返青期與成熟期達到最低。在開花期，D1密度的Tr達到最大值，顯著高于D3、D4、D5密度。從拔節期到孕穗期D1、D2、D3密度處理的Tr值增幅分別為60.85%、53.36%、52.66%；從孕穗期到開花期分別為40.44%、39.52%、33.19%。

黑麥葉片胞間CO2濃度(Ci)的變化呈拋物線趨勢，在開花期達到最高峰，成熟期為最低(表3)。在各生育時期，黑麥葉片的Ci隨密度的增大而降低，并在D1密度達到最大。從開花期到成熟期，D3密度的Ci值下降幅度最大，為34.16%。

2.4 不同密度處理間黑麥葉綠素熒光參數的差異

2.4.1最大熒光產量(Fm)的差異Fm是為暗適應狀態下的最大熒光產量。隨生育時期的推進，不同密度下黑麥Fm變化呈M型走勢，黑麥整體Fm值在拔節期達到最大，成熟期為最小(圖2)。在黑麥各生育時期，隨著密度的增加，Fm呈下降趨勢，D1、D2、D3密度之間Fm差異較小，均顯著高于D4、D5密度，D1密度在拔節期達到最大。說明在低種植密度下，葉綠素功能會保持較強的水平。從返青期到拔節期，D3密度的Fm增長幅度最大，D5密度增長幅度最小；從拔節期到孕穗期，黑麥整體Fm下降幅度較大，D2密度下降幅度最小；從孕穗期到抽穗期黑麥整體Fm有提升，但提升幅度較小；抽穗期后，黑麥Fm呈逐漸下降趨勢。

圖2 不同密度處理下黑麥最大熒光產量(Fm)Fig.2 Fm value of rye under different densities

2.4.2最大光化學效率(Fv/Fm)的差異Fv/Fm是最大光化學效率，可以反映植物的光合潛能。如圖3所示，黑麥返青期至孕穗期，各密度之間Fv/Fm差異較小；從抽穗期開始，各密度之間差異開始明顯；開花期至成熟期，D1、D2、D3密度Fv/Fm顯著高于D4、D5密度，且D1密度在開花期達到最大；抽穗后，黑麥部分處理葉片Fv/Fm出現下降趨勢，開花期到成熟期，葉片Fv/Fm下降幅度明顯變大。

2.4.3實際光化學效率(ΦPSⅡ)的差異ΦPSⅡ是光系統Ⅱ光合電子傳遞速率，反映了植物光系統Ⅱ捕獲光能的效率。如圖4所示，各密度處理ΦPSⅡ隨著黑麥的生長，呈現逐漸升高后降低的趨勢。各生育時期之間，最大實際光化學效率差異顯著，并在開花期達到最大，成熟期為最小。其中從孕穗期到抽穗期，各密度處理ΦPSⅡ增長幅度均最大。在所觀測各個生育時期，ΦPSⅡ在D1、D2、D3密度之間差異不顯著，D4、D5密度的ΦPSⅡ顯著低于D1、D2、D3密度。在D3種植密度下，其光化學系統并沒有受到較大抑制，當密度升到D4，其ΦPSⅡ較D3顯著下降。可以發現，在低密度下，黑麥將光能轉化為化學能的能力較強。

2.4.4光化學淬滅系數(qP)的差異qP是光化學淬滅系數，在一定程度上反映PSⅡ中心開放程度。qP隨生育期進程的推進呈逐漸下降的趨勢，在成熟期降到最低(圖5)。qP最大值出現在返青期的D1密度。返青期時，各密度間qP差異較小；從拔節期開始，D4、D5密度qP快速下降，且隨著生育時期的進行，下降幅度變大。D1密度的qP一直較大，顯著高于D4、D5密度，與D2密度無顯著差異。表明密度在D1、D2下，黑麥光系統的光合活性大，且隨著密度的增大，PSⅡ電子傳遞活性減小。

2.4.5非光化學淬滅系數(qN)的差異qN是非光化學淬滅系數，反映了植物將過剩光能耗散為熱的能力。從返青至抽穗各密度黑麥葉片qN隨生育期變化幅度較小(圖6)。抽穗后， D3、D4、D5密度葉片qN顯著升高， 且隨著群體生長增長幅度變大；D1、D2變化幅度不大，顯著低于D3、D4、D5密度。qN最大值出現在成熟期的D5密度。同一密度qN值在各生育時期之間差異顯著，開花后，各密度qN的升高與葉片衰老和光抑制現象有關。隨著密度增大，qN顯著升高，用于發生光化學反應的光能大量減少，熱耗散變化更加明顯。

圖3 不同密度處理下黑麥最大光化學效率(Fv/Fm)Fig.3 Fv/Fm value of rye under different densities

圖4 不同密度處理下黑麥實際光化學效率(ΦPSⅡ) Fig.4 ΦPSⅡ value of rye under different densities

圖5 不同密度處理下黑麥光化學淬滅系數(qP) Fig.5 qP value of rye under different densities

圖6 不同密度處理下黑麥非光化學淬滅系數(qN) Fig.6 qN value of rye under different densities

2.5 不同密度處理間黑麥生物產量差異

由表4可知，黑麥生物產量表現為D2>D3>D1>D4>D5，在D2密度下達到最大值，顯著高于其他密度；D5密度最小，鮮草、干草產量均顯著低于其他處理。

表4 不同密度處理下黑麥生物產量 Table 4 Biomass of rye under different densities (kg·hm-2)

3 討論

種植密度是通過調節植物葉片間通風透光性與受光面積，進而影響植物的光合作用。在光合作用過程中，葉綠素對光能的吸收、傳遞與轉化起到重要作用，其含量的高低在一定程度上決定光合速率的大小[22-24]。葉綠素含量越高，植物葉片的光合功能期越長，植物衰老越慢[25]。本研究中，葉片SPAD值隨著種植密度的增加而下降，說明密度過高會造成葉綠素含量降低，影響葉片光合作用，加速葉片衰老。蔣進等[26]在種植密度與施肥量對小麥葉綠素含量影響的研究中表明，隨著種植密度的增大，葉片葉綠素含量降低，本研究結果與此類似。郎有忠等[27]在水稻研究中也發現群體密度越大，葉綠素含量越低。黑麥整體SPAD值在抽穗期達到最大，表明黑麥在抽穗期葉片光合能力較強。從抽穗期到成熟期，葉片SPAD值迅速下降，且高密度下降幅度大于低密度，說明高密度會加速葉片衰老。在低密度下，葉片之間通風透光性較好，光合作用效率較高，有利于維持生育后期較強的光合能力，有利于產量的形成，這與馬建輝等[28]在對氮肥與密度對小麥光合特性影響中的結論一致。

葉片的凈光合速率是反映植物光合能力及光合特性的直接指標，較高的葉片表觀凈光合速率是作物高產的基礎[29]。本研究結果表明，隨著密度的增加，凈光合速率呈下降趨勢。這一結論與張宏芝等[30]關于小麥旗葉凈光合速率隨著密度增大而降低的結果相類似。陳根云等[31]在研究凈光合速率與胞間CO2濃度的關系時，發現凈光合速率的增高與胞間CO2濃度的增高有關。在本研究中，胞間CO2濃度與凈光合速率均隨著密度的增加而下降，兩者呈正相關。葉片氣孔導度在拔節期與抽穗期達到最大值，這與邵玉偉等[11]的研究結果相近。有研究認為，氣孔導度在拔節期達到最大，是因為冬小麥在拔節期營養生長加劇，干物質積累增加，有利于灌漿期小麥干物質轉化率的提高[32]，因此氣孔導度維持較高水平，有利于細胞內CO2濃度滿足光合作用的需求。

葉綠素熒光動力學技術是以葉綠素熒光作為天然探針，研究并分析活體狀態下植物的光合特性的技術，它可以反映PSⅡ對激發能利用和耗散情況[33-34]。植物吸收的光能主要用于光化學反應轉化光能和非光化學熱能耗散，葉綠素熒光淬滅的過程包括光化學反應以及熱耗散變化[33]。本研究中Fm隨著黑麥密度的增加而呈現逐漸減小的趨勢，這與李晶等[35]研究密度對小黑麥的葉綠素熒光特性得到的結果相近。張宏芝等[30]、駱蘭平等[36]研究均發現，增加小麥的種植密度，會造成PSⅡ光能轉換效率以及Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP熒光參數數值的降低，qN值反而會升高，本試驗結果與此一致。Fv/Fm在逆境脅迫下，通常小于0.75[37]。在黑麥生長發育前期，各密度間的Fv/Fm變化差異不大，說明雖然密度過大導致葉片在一定程度上受到了光抑制，但此時植物可以做出一定的適應性調節，隨著生育時期的進行，葉片受光抑制程度逐漸增加，造成PSⅡ反應中心的破壞，光能利用率下降，葉綠素功能開始減弱，超出了葉片進行適應性調節的范圍，Fv/Fm開始顯著下降，并低于0.75；qP反映了PSⅡ系統吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，qN反映了以熱能散失掉的部分[33]。在黑麥生長發育后期，qP明顯下降，qN顯著升高，表明為減輕光抑制對光合系統的影響，黑麥啟動了PSⅡ熱耗散的光保護機制[38]。劉俊祥等[39]在Cd2+脅迫下黑麥草葉綠素熒光特性的研究中表明，當黑麥發生Cd2+脅迫時，ΦPSⅡ有所下降，qP顯著降低，qN顯著升高，本研究結果與此一致。

種植密度是調控作物群體特征的重要途徑之一，適宜的種植密度是提高作物產量和經濟系數的關鍵[7]。許多研究表明，良好的群體結構有利于作物光合作用和群體內氣體交換，直接提高作物產量[40-41]。對于越冬黑麥來說，過低密度種植，單株葉片光合能力強，但未形成群體優勢，干物質累積效應不足，無法獲得較高生物產量；密度過高，群體過大，造成遮擋郁閉，限制葉片光合能力，同化產物合成受到抑制。種植密度在基本苗為275×104株·hm-2時，生物產量達到最大，這是因為此密度下花前具有較強的光合能力，干物質積累達到最大，在一定程度上彌補了主莖數不足的劣勢。只有在適宜的種植密度下才可獲得較高生物產量。

合理的種植密度是促進產量形成的重要措施之一，優化群體種植結構是獲得高產的基礎。本研究發現較高的凈光合速率、氣孔導度、葉綠素含量以及適宜的葉綠素熒光參數對產量形成有一定的促進作用。作為飼用型麥草，生物產量主要依靠其分蘗數，在低密度下，黑麥單株分蘗數量多，有利于生物產量形成。因此，黑麥種植應該控制在一定的種植范圍內，并實行配套的栽培措施，才能使黑麥發揮最大的光合潛能，達到高產。