不同種植密度下甘藍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. 楊陵區高級中學生物教研室，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】光合作用是地球上規模最大的太陽能轉變為可貯存化學能的過程，也是規模最大的無機物合成為有機物并釋放氧氣的過程[1]，綠色植物依靠光合作用進行物質積累和生理代謝，是一切生命活動的基礎[2]。光合速率是光合作用的重要體現，其高低與作物光合產物積累、產量潛力發揮以及品質優劣密切相關[3]。按理論推算，作物光能利用率可達4 %～5 %，但實際上高產品種對光能利用率也僅為0.5 %～1.0 %。若光能利用率提高1個百分點，作物產量可增加25 %～50 %，甚至更高[4-6]，因此，長期以來世界上許多國家都將提高作物光合能力的遺傳改良作為重點來研究，明確了提高光合效率是作物育種的重要內容[7-8]。合理的作物群體結構可形成良好的冠層內光輻射分布，有利于提高光能利用率[9]，而改變栽培密度是調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體之間的矛盾，構建出合理的群體結構，增大綠葉光輻射面積，從而提高作物群體對光能的利用率[12]，促進產量三要素的協調生長[13]，最終提高作物產量。【前人研究進展】油菜是通過群體生產來提高收獲產量的，群體密度對油菜的生長發育和產量構成至關重要。多人研究表明，適當密植能通過提高群體角果數從而提高油菜的產量[14-16]，張曉龍等[17]認為，遲播油菜需適當增加密度以提高產量，密植對于增產效果比較明顯。陳新軍等[18]認為，隨著種植密度的增加，雖然個體鮮重、葉面積指數和單株生產力較低，群體指標卻呈上升趨勢，但密度過高，單株有效角果數減少，單株生產力降低，且易倒伏。雖然有關油菜密度的研究報道較多，但是主要集中在種植密度對油菜農藝、品質和產量的影響上，而關于種植密度是如何影響油菜光合生理尚未見報道。【本研究切入點】本實驗以甘藍型油菜雜交種秦優7號為材料，重點分析了不同密度對光合速率、蒸騰速率、葉綠素含量、綠葉面積以及干物質積累等光合生理指標的影響。【擬解決的關鍵問題】為油菜的株型構建、高光效選育、高產栽培及優化群體結構提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為甘藍型油菜(Brassicanapus)雜交種“秦優7號”，由陜西省雜交油菜研究中心提供，實驗于2016-2017年在陜西省楊凌示范區油菜試驗基地進行。

1.2 試驗設計

試驗采用單因子隨機區組設計，共設5個密度水平，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。每小區面積為12 m2，試驗設3個重復，共計15個小區，每小區間隔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地常規管理方法。

1.3 試驗方法

1.3.1 綠葉面積 在初花期，每個密度水平下分別采取10株代表性樣品，用打孔法測定單株所有綠葉面積，取平均數進行統計分析。

1.3.2 葉綠素測定 材料選取時期和標準同上，每材料選擇倒2葉位短柄葉，每片葉子用葉綠素測定儀(SPAD502)均勻的取8個點進行測定，取平均數進行統計分析。

1.3.3 光合氣體交換參數測定 材料選取時期同上，選擇倒2葉位短柄葉，用Li-6400便攜式光合作用測定儀測定，測定時選用6400-02B LED紅藍光源葉室，葉室內光照控制為1100 μmol·m-2·s-1；溫度控制為25 ℃，測定時間為上午9：00-11：00，每個密度水平下測定10個單株。測定的指標有：凈光合速率(Pnμmol·m-2·s-1),氣孔導度(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]進行計算，氣孔限制值(Ls, %)按照Ls=1-Ci/Ca[20]進行計算。

1.3.4 干物質積累量 在油菜的終花期，每個密度水平下取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積累量。

1.3.5 葉面積指數 在油菜的初花期，下午17：00過后，用美國LI-COR公司的LAI-2200冠層分析儀在田間對每個密度的小區進行測定，每小區重復測定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冠層分析儀分別測定每個小區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]，每個小區測定3次。

1.3.7 可溶性糖與總蛋白含量 在初花期，每個密度水平選取10個單株，摘取第1葉位短柄葉，60 ℃烘干后研磨成粉末。可溶性糖的測定用蒽酮比色法[22]，總蛋白含量測定用凱氏定氮法[23]。

1.4 數據處理

所有數據用Excel 2003 整理后，用SPSS 11.5進行統計分析。

2 結果與分析

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個梯度，D1水平最高，D2和D3之間差異不顯著，為一個梯度，D4和D5之間差異不顯著，為一個梯度。當種植過稀時，油菜的營養體可以充分利用養分和光照進行葉綠素的合成，所以D1密度下葉綠素含量最高。當密度增加后，由于生存的競爭，葉綠素的合成會受到抑制，所以葉綠素含量會出現降低。尤其當濃度超過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出先升后降的趨勢，D1和D2之間差異不顯著，當密度達到D3時候綠葉面積最高，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 %。當種植密度較低的時候，隨著密度的增加，油菜單株為了獲取更多的空間資源來進行光合，葉片的面積也在逐漸增大。然而當密度超過D3以后，由于植株之間距離較近，嚴重阻礙了植株的生長，所以葉面積開始出現明顯的下降趨勢。

2.2 不同種植密度下葉面積指數和光能截獲率的變化

從圖2可以看出，油菜的葉面積指數在不同種植密度下差異較大。在D1密度下，葉面積指數僅為1.028，當密度分別增加到D3和D4時候，葉面積指數為2.447和2.449，比D1密度提高了1倍多；當密度增加到D5時候，葉面積指數升高為4.221，比D1密度提高了3倍多，表明密度對葉面積指數的影響十分明顯，極大的影響了油菜的營養體的生長發育和株型的建成。光能截獲率隨密度的變化趨勢與葉面積指數基本一致，在密度較低時候光能截獲率不到50 %，使光能較多的輻射到了地面上，造成了較大的浪費。當密度從D2增長到D4時候，光能截獲率的增長比較緩慢，僅從69 %增長到了75 %。當密度增長到D5時候，光能截獲率為90 %，表明此時的油菜植株已相當密集，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的變化

從表1可以看出，油菜的各個光合氣體交換參數對密度的響應變化差異較大。凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率3者隨密度的變化趨勢一致，在低密度的時候，3個光合參數均隨著密度的升高而升高，當密度超過D2以后，又都隨著密度的增加而降低。所以在適當的密度范圍內，油菜的光合能力是與密度成正相關的。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釋放量增加以及個體的光合能力降低綜合作用的結果。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。

圖2 不同密度下葉面積指數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的比較

2.4 不同種植密度下干物質積累量的變化

干物質積累量是衡量作物群體生產性能高低的主要指標，也是反映作物光合能力的最終指標。從圖3可以看出，油菜單株的干物質積累量隨密度的增加一直在下降，兩者成負相關。由于種植密度的增加，油菜的光合能力在下降，同時單株的生存空間也在變小，所以單株的光合物質積累量反而降低。然而，油菜是靠群體來獲得生物學產量和經濟產量的，從表中可以看出，在小區的范圍內，群體干物質積累量與單株干物質積累量變化完全相反，一直處于增加的趨勢。種植密度從D1增加到 D5，單株干物質積累量降低了31.42 %，而群體干物質積累量則提高了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物，又是碳水化合物代謝和暫時貯藏的主要形式，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[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，應嚴格控制水肥條件，防止油菜的生長受到外界氣候的不良影響。蛋白質是植物細胞和組織的主要組成部分，也是生物體進行生命活動所依賴的物質基礎[26]，葉片總蛋白含量的高低既影響葉片的生長發育，也會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，其數值范圍為29.20 %～31.98 %，總體趨勢先升后降，在D3密度下總蛋白含量最高，超過這個密度以后，葉片的正常功能會受到影響。

圖3 不同密度下干物質積累量的比較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

合理的油菜群體結構是決定最終產量的關鍵，而采取適宜的栽培密度是調節群體結構的重要途徑。本實驗對不同密度下油菜的光合氣體交換參數、葉綠素濃度、綠葉面積、葉面積指數等指標進行了比較分析, 探討密度對油菜光合生理的影響, 從而為油菜優質高產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、氣孔導度、蒸騰速率在種植密度超過D2以后便出現下降的趨勢，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相關，這主要是因為高密度處理下群體之間通風和透光率差，個體間營養和生存空間競爭激烈，最終單株接收光照不充分所致。同時，隨著密度的增加，可溶性糖含量也在不斷的下降，使油菜個體的抗逆能力減弱，很容易受到自然災害的侵襲。

油菜作為群體生長的作物，群體光能利用率更能反映其光合能力的強弱。葉面積指數的大小和動態直接影響作物冠層光截獲，通過合理密植塑造適宜群體結構是作物高產穩產的基礎[27]。本研究表明，隨著油菜種植密度的增加，葉面積指數和光能截獲率都伴隨著增高，油菜群體冠層對光的接收能力明顯增強，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。群體干物質積累量是由單株干物質積累量和作物生長密度決定的,雖然隨著密度的增高，單株干物質積累性一直在下降，但是高密度處理下單位面積上植株個體增多, 群體的總干物質積累量最終得到了明顯提高，為作物的高產提供了有力的“庫”的保障。

適宜的種植密度有利于緩解植株個體和群體之間的矛盾，通過構建合理的群體結構，從而達到增產的目的。前人通過對農藝性狀的研究表明，在一定范圍內，油菜移栽密度的增加能有效提群體角果數，從而獲得高產和高產油量。因此，進行油菜種植時既要考慮群體的光能利用率，也要考慮單株個體的光合能力，針對不同的品種和株型探索出相應的合理密度范圍，最大限度發揮光合潛力，從而提高生物學產量和經濟產量。在今后的油菜育種中，油菜的高效光合應與其生理功能、經濟性狀和抗逆性配合，通過合理的栽培管理措施充分發揮其光合生產潛力，延長高光合持續期和延緩光合功能衰退來調節油菜的光合機能，提高光合同化產物的積累和轉化，促使產量和含油量提高。

4 結 論

從以上分析可以看出，油菜的種植密度對各光合生理指標影響不同。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達到最高；葉面積指數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、氣孔導度和蒸騰速率這3個氣體交換參數在密度20萬株·hm-2時最高，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；油菜單株干物質積累量隨著密度增加而下降，而群體干物質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時候達到最高水平。所以在實際應用中，應根據育種方向和生產需求選取合理的密度進行種植，本研究為甘藍型油菜的高光效育種和高產栽培提供了重要的參考。