玉米‖花生茬口對冬小麥旗葉光化學活性的影響

王飛，尹飛，龍浩強，李雪，武巖巖，焦念元，馬超，付國占

(河南科技大學農學院,河南省旱地農業工程技術研究中心，河南 洛陽 471000)

適宜的輪作茬口能增強土壤生態系統功能潛力，減輕田間病、蟲、草害，緩解作物連作障礙，提高作物產量[1-3]，是實現農業可持續發展的重要措施之一。研究發現，間作能夠顯著提高作物收獲后土壤含水量[4]以及作物水分利用效率[5]，為下茬作物提供良好的土壤環境。苜蓿(Medicagosativa)具有良好根際環境，其茬口能有效緩解大豆(Glycinemax)[6]和高粱(Sorghumbicolor)[2]連作障礙，提高產量。合理輪作提高了耕層土壤大團聚體和微團聚體的碳、氮含量，促進土壤穩定性結構形成，增加土壤有機質[7]，減輕溫室氣體的排放[8]，具有良好的生態效應。輪作茬口的多樣化更能提高土壤有效碳、水解酶活性，降低氧化物酶活性，加速殘茬分解，增強土壤生態系統功能潛力，維持農業系統的土壤服務功能[1]；長期大豆-玉米(Zeamays)輪作還有助于恢復侵蝕土壤生產力，提高作物產量[9]。黃淮海平原連年小麥(Triticumaestivum)-玉米復種連作單一集約化種植模式帶來土壤板結、土壤肥力下降[10]、地下水過度消耗、形成地下漏斗[11]和病蟲害嚴重[12]等一系列問題。那么，是否可以利用間作來提高土壤含水量[4]，促進花生(Arachishypogaea)固氮[13]，增加土壤微生物和土壤酶活性及培肥地力[14]等優勢，與小麥-玉米復種輪作來解決或減輕上述問題?玉米‖花生茬口較玉米茬口能夠顯著增強冬小麥CO2羧化固定能力，提高凈光合速率和產量，但對光合電子傳遞鏈性能產生哪些影響至今還不清楚。

利用葉綠素熒光誘導動力學曲線(kinetic curve of rapid chlorophyll fluorescence induction, OJIP)能快速、無損傷的診斷植物體內光合機構的運轉情況[15-16]。過去多用來研究脅迫條件(溫度、光照等)下作物的光合電子傳遞性能[17-19]。通過JIP-test分析，反映光系統Ⅱ(photosystem Ⅱ, PSⅡ)反應中心光能吸收、轉換、供/受體側活性等變化[15]。已有研究表明玉米葉片光系統I(photosystem Ⅰ, PSⅠ) 和PSⅡ 光化學活性的下降和光合電子傳遞功能的衰退與其光合能力的下降密切相關[20-21]。深松結合控釋尿素能夠有效提高玉米穗位葉花后PSⅡ 性能穩定性，顯著增加光系統間協調關系，增強光合電子傳遞鏈功能，提高光合速率[22]。這說明作物后期衰老與熒光特性有關，并受栽培措施的調控。那么，玉米‖花生茬口能否改善光合電子傳遞鏈性能，對光能的吸收、利用、轉化及量子分配比率有哪些影響?為了弄清上述問題，本試驗在兩個磷水平上，研究了玉米‖花生間作、玉米和花生3種茬口對冬小麥花后旗葉氣體交換參數、光系統Ⅱ與光系統Ⅰ性能的影響，為玉米‖花生間作與小麥-玉米復種輪作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2016-2017年在河南科技大學農場進行，選用連續6年在P0(0 kg P2O5·hm-2)和 P1(180 kg P2O5·hm-2)兩個磷水平下，分別定位種植玉米‖花生(intercropping crops for rotation, ICR)、單作玉米(maize crops for rotation, MCR)和單作花生(peanut crops for rotation, PCR)3種茬口為試驗地。試驗地土壤為黃潮土，質地為中壤，耕層土壤容重1.35 g·cm-3，0～20 cm耕層含堿解氮33.86 mg·kg-1，速效磷3.46 mg·kg-1，有機質10.72 g·kg-1，土壤pH值7.56。試驗地地處溫帶，屬半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1～14.6 ℃，年平均降水量約600 mm，年平均蒸發量約2114 mm，年日照時數2300～2600 h，無霜期215～219 d，年平均輻射量約492 kJ·cm-2。

1.2 試驗設計

本試驗以冬小麥“矮抗58”為試驗材料，設置茬口和磷肥二因素完全隨機試驗。茬口因素包括玉米‖花生間作茬口[間作茬口(ICR)]、玉米茬口(MCR)和花生茬口(PCR)，磷肥因素包括P0和P1兩個磷水平，共6個處理，完全隨機區組排列，各處理重復3次，共18個小區，小區面積60 m2(10 m×6 m)。冬小麥行距20 cm，播種量150 kg·hm-2；磷肥處理同前茬，分別定位基施，整地前撒施；各處理均施氮肥180 kg N·hm-2，按基肥和追肥2∶1兩次施用，基肥120 kg N·hm-2于整地前撒施，追肥60 kg N·hm-2于冬小麥拔節期撒施，施肥后灌水。2016年10月15日播種，2017年6月3日收獲。其他的管理同大田生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤含水量測定 2016年待前茬作物收獲后小麥播種前，用土鉆于玉米花生間作、單作玉米和單作花生種植小區采用5點取樣法(圖1)分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm土層土樣，各土層分別混勻后，于烘箱中105 ℃烘至恒重，計算含水量。各處理重復3次。

圖1 田間土壤含水量取樣示意圖Fig.1 Sampling schematic diagram of soil moisture content

1.3.2氣體交換參數測定 在揚花期和乳熟期，選擇晴天在9:30-11:00，使用便攜式光合儀(LI-6400XT; LI-COR, 美國)，測定冬小麥旗葉的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Gs)、氣孔導度(stomatal conductance,Tr)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)。

1.3.3快速葉綠素熒光誘導動力學曲線及820 nm光吸收曲線測定 參考Schansker等[15]的方法，略有改進。在揚花期和乳熟期，采用多功能植物效率分析儀(M-PEA-2, Hansatech,英國)測定各小區冬小麥旗葉的快速誘導動力學曲線(OJIP)及820 nm的光吸收曲線，以820 nm光吸收的相對振幅(photosystem I performance,ΔI/Io)作為衡量PSⅠ最大氧化還原能力的指標，表示PSⅠ的光化學性能。每個小區選取10個單莖，分別用葉夾加在旗葉中部(避開主葉脈)，暗適應30 min后進行測定。

1.3.4JIP-Test分析 根據Jiang等[23]的JIP-test方法進行數據分析。分析時須知Fo(O相,t=20 μs時熒光值)、Fk(K相,t=300 μs時熒光值)、Fj(J相,t=2 ms時熒光值)、Fm(P相, 最大熒光值); 主要分析了可變熒光Fk占Fj-Fo振幅的比例Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo)；可變熒光Fj占Fm-Fo振幅的比例Vj= (Fj-Fo)/(Fm-Fo)；PSⅡ初級光化學最大量子產額(the maximum quantum yield of primary photochemistry,φpo)，PSⅡ捕獲的激子將電子傳遞給中下游電子受體的概率(probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA-,Ψo)，PSⅡ通過電子傳遞鏈傳到PSⅠ電子受體末端的量子產額(efficiency with which an electron can move from the reduced intersystem electron acceptors to the PSⅠend electron acceptors,δRo)，單位面積吸收(absorption energy flux per CS att=0,ABS/CSo)、捕獲(trapped energy flux per CS att=0,TRo/CSo)和用于電子傳遞(electron transport flux per CS att=0,ETo/CSo)的能量；ABS、TRo、ETo和CSo分別表示吸收的光能、捕獲的光能、用于電子傳遞的光能和單位面積；820 nm 光吸收的相對振幅ΔI/Io=(Io-Im)/Io,Io和Im分別表示820 nm遠紅光下0.4和40 ms時熒光吸收值。PSⅠ與PSⅡ間性能協調性(coordination of photosystem I and photosystem Ⅱ,ΦPSⅠ/PSⅡ)=(ΔI/Io)/Ψo。

1.3.5產量 在小麥成熟期，各小區選取具有代表性的1 m2(1 m×1 m)小麥植株手工收獲，風干后測定籽粒產量，并折算其產量。

1.4 數據統計分析

用 Excel 2016和 SPSS 22.0軟件分別進行數據整理、統計分析與作圖，采用LSD法進行顯著性檢驗及方差分析，顯著水平是0.05。

2 結果與分析

圖2 玉米‖花生茬口與施磷對冬小麥產量的影響Fig.2 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on yield of winter wheat ICR：玉米‖花生間作茬口(間作茬口) Maize intercropping peanut crops for rotation；MCR：玉米茬口Maize crops for rotation；PCR：花生茬口Peanut crops for rotation。P0：施0 kg P2O5·hm-2 Application 0 kg P2O5·hm-2；P1：施180 kg P2O5·hm-2 Application 180 kg P2O5·hm-2。不同小寫字母表示各茬口處理間差異顯著Different lowercase letters indicate significant difference between different crops for rotation (P<0.05)。下同The same below.

2.1 玉米‖花生茬口與施磷對冬小麥產量的影響

如圖2所示，間作茬口和花生茬口較玉米茬口分別提高冬小麥產量38%～57%和19%～54%，差異均達到顯著水平(P<0.05)；間作茬口較花生茬口提高冬小麥產量2.1%～16.0%，不施磷時差異不顯著，施磷時差異達到顯著水平(P<0.05)。與不施磷相比，施磷顯著提高了冬小麥產量(P<0.05)。說明玉米‖花生間作茬口結合施磷較玉米茬口和花生茬口顯著提高冬小麥產量。

2.2 玉米‖花生與施磷對不同土層土壤含水量的影響

由圖3可見，在2個P水平下，土壤水分含量都是以0～30 cm土層變化較大，隨著土層深度的增加土壤含水量表現出先增加后減少的趨勢，且均在20～30 cm土層達到最大值。不施磷條件下，不同處理間在0～70 cm土層均表現為PCR>ICR>MCR，與MCR相比，ICR在0～70 cm各土層分別提高了5.2%、12.0%、0.9%、6.0%和2.2%，其中，0～30 cm土層含水量均達到顯著水平(P<0.05)，以10～20 cm土層含水量提高幅度最大；70～100 cm表現為ICR>PCR>MCR，但差異不明顯。施磷條件下，不同處理間在0～100 cm土層均表現為PCR>ICR>MCR，與MCR相比，ICR在0～100 cm各土層分別提高8.0%、12.0%、7.1%、12.0%、9.3%和7.5%，各土層均達到顯著水平(P<0.05)。說明間作茬口較玉米茬口能夠提高土壤含水量，尤其是耕層土壤的含水量。

圖3 玉米‖花生茬口對不同土層土壤含水量的影響Fig.3 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on soil moisture content of different soil layers

2.3 玉米‖花生茬口與施磷對冬小麥旗葉氣體交換參數的影響

由表1可以看出，同一磷水平下，不同茬口冬小麥旗葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均表現為間作茬口>花生茬口>玉米茬口，胞間CO2濃度(Ci)表現為玉米茬口>花生茬口>間作茬口，間作茬口與玉米茬口之間差異達到顯著水平(P<0.05)，間作茬口與花生茬口之間揚花期差異不顯著，乳熟期差異達到顯著水平(P<0.05)。同一茬口下，施磷顯著提高了冬小麥旗葉Pn和Tr，顯著降低乳熟期的Ci。與揚花期相比，乳熟期冬小麥旗葉的Pn、Gs和Tr降低，Ci升高，尤其玉米茬口的Pn、Gs和Tr下降幅度最大。這說明間作茬口較玉米茬口提高了冬小麥旗葉凈光合速率，較玉米茬口和花生茬口延長高光合功能期，后期Gs和Tr下降速度快是導致玉米茬口冬小麥旗葉凈光合速率后期下降重要原因之一，施磷能夠改善冬小麥旗葉的氣體交換參數。

表1 玉米‖花生茬口與施磷對冬小麥旗葉氣體交換參數的影響Table 1 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on gas exchange parameters in flag leaf of winter wheat

Pn：凈光合速率 Net photosynthetic rate；Gs：氣孔導度 Stomatal conductance；Ci：胞間CO2濃度Intercellular CO2concentration；Tr：蒸騰速率 Transpiration rate。同列不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著 Different lowercase letters in the same column mean significant difference at 0.05 levels.

2.4 玉米‖花生茬口與施磷對冬小麥旗葉PSⅡ供/受體側活性及比活性參數的影響

如表2所示，同一磷水平下，不同茬口冬小麥旗葉的可變熒光Fk占Fj-Fo振幅的比例(Wk)和可變熒光Fj占Fp-Fo振幅比例(Vj)均表現為玉米茬口>花生茬口>間作茬口，間作茬口和花生茬口冬小麥旗葉的Wk和Vj較玉米茬口差異均達到顯著水平(P<0.05)，間作茬口與花生茬口之間差異不顯著。同一茬口下，施磷比不施磷冬小麥旗葉的Wk和Vj分別降低2.9%～16.0%和2.8%～9.6%。這表明間作茬口較玉米茬口提高了冬小麥旗葉PSⅡ反應中心電子傳遞鏈供體側(Wk)和受體側(Vj)的活性，施磷有助于提高其活性。

單位面積吸收的光能(ABS/CSo)是反映PSⅡ天線色素吸收光能的能力，單位面積捕獲的光能(TRo/CSo)是反映PSⅡ反應中心捕獲的光能，單位面積吸收電子傳遞的量子產額(ETo/CSo)是反映PSⅡ反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量[15-16]。由表2可以看出，同一磷水平下，不同茬口冬小麥旗葉的ABS/CSo、TRo/CSo和ETo/CSo均表現為間作茬口>花生茬口>玉米茬口；間作茬口和玉米茬口差異達到顯著水平(P<0.05)，除不施磷乳熟期的ETo/CSo；間作茬口和花生茬口之間差異不顯著。同一茬口下，施磷比不施磷冬小麥旗葉的ABS/CSo、TRo/CSo和ETo/CSo分別提高1.9%～9.8%、0.5%～4.0%和3.3%～8.8%。這說明間作茬口較花生茬口和玉米茬口增強了冬小麥旗葉光能吸收、捕獲和轉化能力，較玉米茬口提高了PSⅡ反應中心電子傳遞鏈供/受體側的電子傳遞能力，施磷對其有明顯的促進作用。

表2 玉米‖花生茬口對冬小麥旗葉PSⅡ供/受體側及比活性參數的影響Table 2 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on the electron donor/acceptor side and specific activity parameters of photosystemⅡ in flag leaves of winter wheat

Wk：可變熒光Fk占Fj-Fo振幅的比例 Ratio of variable fluorescenceFkto amplitudeFj-Fo；Vj：可變熒光Fj占Fp-Fo振幅比例 Ratio of variable fluorescenceFjto amplitudeFp-Fo；ABS/CSo：單位面積吸收的光能 Absorption energy flux per CS att=0；TRo/CSo：單位面積捕獲的能量 Trapped energy flux per CS att=0；ETo/CSo：單位面積的電子傳遞的量子產額 Electron transport flux per CS att=0.

2.5 玉米‖花生茬口對冬小麥旗葉光系統Ⅱ和光系統Ⅰ光化學活性的影響

初級光化學最大量子產額(φpo)能夠反映PSⅡ天線色素吸收的光能被反應中心捕獲的概率[20]。由表3可以看出：同一磷水平下，間作茬口冬小麥旗葉的φpo顯著高于玉米茬口，揚花期與花生茬口的差異不明顯，乳熟期顯著高于花生茬口，施磷可以提高φpo。這說明間作花生茬口較玉米茬口提高了冬小麥葉片PSⅡ反應中心的光能捕獲效率，后期降低幅度低于花生茬口，施磷能提高光能捕獲效率。PSⅡ捕獲的激子將電子傳遞給電子傳遞鏈中QA下游電子受體的概率(Ψo)和PSⅡ通過電子傳遞鏈傳到PSⅠ電子受體末端的量子產額(δRo)分別反映PSⅡ反應中心捕獲光能轉化電能的效率和電子傳遞鏈的電子傳遞效率，同一磷水平下不同茬口冬小麥旗葉的Ψo和δRo表現為間作茬口>花生茬口>玉米茬口，間作茬口與玉米茬口差異達到顯著水平(P<0.05)，間作茬口與花生茬口之間僅δRo差異顯著(P<0.05)；同一茬口下，與不施磷相比，施磷提高了冬小麥旗葉的Ψo和δRo。

表3 玉米‖花生茬口對冬小麥旗葉光系統Ⅱ和光系統Ⅰ光化學活性的影響Table 3 Effect of maize intercropping peanut crops for rotation on photochemical activity of photosystem Ⅱ and photosystemⅠin winter wheat flag leaves

φpo：初級光化學最大量子產額 The maximum quantum yield of primary photochemistry；Ψo：PSⅡ捕獲的激子將電子傳遞給中下游電子受體的概率Probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA-；δRo：PSⅡ通過電子傳遞鏈傳到PSⅠ電子受體末端的量子產額 Efficiency with which an electron can move from the reduced intersystem electron acceptors to the PSⅠend electron acceptors；ΔI/Io：PSⅠ性能 Photosystem Ⅰ performance；ΦPSⅠ/PSⅡ：PSⅠ與PSⅡ間性能協調性Coordination of photosystem Ⅰ and photosystem Ⅱ.

由表3可以看出，不同茬口冬小麥旗葉PSⅠ光化學活性(ΔI/Io)表現為間作茬口≥花生茬口>玉米茬口，間作茬口與玉米茬口之間在乳熟期差異達到顯著水平(P<0.05)，間作茬口與花生茬口之間差異不顯著；同一茬口下，施磷比不施磷冬小麥旗葉的ΔI/Io提高了3.9%～43.8%。間作茬口和花生茬口較玉米茬口均能提高冬小麥旗葉的PSⅡ與PSⅠ間性能協調性(ΦPSⅠ/PSⅡ)，在揚花期處理間差異不顯著，乳熟期間作茬口與花生茬口間差異達到顯著水平(P<0.05)，間作茬口和花生茬口之間差異不顯著，施磷較不施磷提高了間作茬口和花生茬口冬小麥乳熟期旗葉的ΦPSⅠ/PSⅡ。這說明間作茬口較玉米茬口顯著提高了冬小麥旗葉PSⅡ的光能捕獲效率、能量轉化效率、光合電子傳遞效率、PSⅠ的性能以及PSⅡ與PSⅠ間的性能協調性，較花生茬口提高了光合電子傳遞效率，且施磷有利于改善PSⅡ與PSⅠ光化學特性。

3 討論

植物的光合作用是植物生長發育的基礎，小麥產量的90%以上來自于光合作用[24]。王曙光等[25]研究表明，Pn、Gs和Tr是影響作物產量的主要因素，缺水條件下冬小麥旗葉Pn、Gs和Tr均有下降的趨勢，影響小麥產量。本研究發現，間作茬口較玉米茬口顯著提高了冬小麥旗葉Pn、Gs和Tr，尤其是乳熟期，保證了生育后期光合產物向籽粒的運輸，從而提高冬小麥產量，這可能與間作茬口能提高耕層土壤含水量有重要關系(圖3)，也可能與玉米‖花生能改善土壤微生物群落構成，提高土壤大團聚體及土壤酶，提高土壤養分有效性等[14,26]有關。通過對葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP)的分析能夠診斷植物PSⅡ反應中心光能吸收、轉換、供/受體側活性等變化[15-16,27]。馬紹英等[28]研究發現，冬小麥旗葉的葉綠素含量、PSⅡ實際光化學效率(ΦPSⅡ)、表觀光合電子傳遞速率(electron, transfer rate，ETR)、光化學淬滅系數(qP)的下降是造成冬小麥凈光合速率下降的主要原因。本研究表明，間作茬口較玉米茬口顯著提高了單位面積吸收(ABS/CSo)、捕獲(TRo/CSo)和電子傳遞的光能(ETo/CSo)，是因為間作茬口能提高冬小麥旗葉葉綠素含量和單位面積反應中心數量。φpo、Ψo和δRo是評價PSⅡ光系統電子傳遞鏈電子傳遞效率的重要指標[15-17,19,22]。在本研究中，間作茬口較玉米茬口顯著提高了冬小麥揚花期旗葉的φpo、Ψo和δRo，并且灌漿后期下降幅度低，這說明間作茬口較玉米茬口促進了冬小麥旗葉PSⅡ的光能捕獲、能量轉化及光合的電子傳遞效率，且能保持其生育后期較高的PSⅡ光系統電子傳遞鏈電子傳遞效率。同時，玉米‖花生茬口較玉米茬口增強了冬小麥旗葉PSⅡ反應中心電子傳遞鏈供/受體側活性。這是間作茬口較玉米茬口提高凈光合速率的重要原因之一。

ΔI/Io反映了光系統I (PSⅠ)反應中心最大氧化還原能力, 是對PSⅠ性能的綜合評價[29]。Ψo和ΔI/Io之間的協同關系(ΦPSⅠ/PSⅡ)可以表明兩個光系統間的協調性[22]。本試驗發現，在揚花期不同作物茬口下冬小麥旗葉的ΔI/Io和ΦPSⅠ/PSⅡ無顯著差異，在乳熟期玉米茬口較間作茬口顯著降低了冬小麥旗葉的ΔI/Io和ΦPSⅠ/PSⅡ值，這可能是由于玉米茬口較間作茬口耗水量大，土壤含水量降低，造成冬小麥旗葉光反應中心活性降低，吸收的光能不能及時進入電子傳遞鏈或通過熱耗散的方式耗散掉，造成了玉米茬口下冬小麥后期旗葉光合速率急劇降低。這與張子山等[20-21]和鄭賓等[22]研究的玉米葉片花后光合特點所得結果一致。這說明玉米茬口冬小麥旗葉后期光合速率降低是因PSⅠ活性降低，PSⅠ與PSⅡ之間的協調性下降，而間作茬口較玉米茬口能增強冬小麥旗葉后期PSⅠ光化學活性和PSⅠ與PSⅡ之間的協調性，延緩葉片衰老，這對后期保持高光合值具有重要意義。這與鄭賓等[22]研究認為通過調節花后PSⅠ反應中心性能，能減緩花后光合性能的下降結果相一致。本試驗還發現，同一茬口下，施磷能提高冬小麥旗葉的PSⅡ反應中心電子傳遞鏈供體側(Wk)與受體側(Vj)電子傳遞效率、PSⅠ光化學活性及兩者之間的協調性，減小后期冬小麥旗葉PSⅡ、PSⅠ光化學活性的下降幅度，延長高光合功能期，這與楊晴等[30]研究結果一致。關于玉米‖花生間輪作小麥-玉米復種影響土壤生理生態改善光合的機理還需進一步研究。

4 結論

綜上所述，玉米‖花生茬口較玉米茬口顯著提高冬小麥凈光合速率和籽粒產量，主要原因可能是耕層土壤含水量的提高，從而增強冬小麥旗葉PSⅡ的光能吸收、轉化、傳遞效率，PSⅠ光化學活性及PSⅡ與PSⅠ間的性能協調性，延長高光合功能期；并且施磷能改善冬小麥旗葉光系統光化學活性。