紫花苜蓿/燕麥間作的光合特征及其對產量的調控效應

楊 航，趙雅姣，劉曉靜

(甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

光能作為光合作用能量轉化的來源，光能利用的高低決定著農業生產效率的高低[1]。若要實現農業的可持續性和高效性，擴大單位面積下的光合吸收面積及延長單位時間內的光合利用時間是提高農業生產效率的有效措施[2]。間作對于提高光能的利用以及單位面積產量具有明顯的優勢。合理的間作可以使作物在空間和時間上形成生態位互補，進而優化間作系統中作物的冠層結構來增加光合吸收面積，同時利用間作系統中作物生育期差異來延長光合利用時間，最終實現間作系統的高產和優質[3]。例如，花生(ArachishypogaeaLinn.)/玉米(ZeamaysL.)間作及蠶豆(ViciafabaL.)/小麥(TriticumaestivumL.)間作較相應的單作均提高了其光能截取率及光合作用[4,5]；花生/谷子間作時，間作花生光能利用率較其單作顯著升高，而谷子無顯著變化[6]。雖然已有研究探索了已對間作組合下作物光合特性，但是不同間作組合中作物的生態位、葉片形態、生育期等使其對光能的吸收和轉化效率尚不明晰，因此，針對不同的間作組合仿佛進一步對其光合特性進行研究。

間作中，作物的光合作用直接決定著碳代謝的強弱，最終反映生產性能的高低，這是由于間作中作物間的相互遮擋使其吸收到不同程度的短/長波光線，導致光合利用率不同，從而引起了產量不同[7]。胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率和凈光合速率是反應作物光合作用的重要指標。在玉米/花生間作中，花生作為相對較矮的作物使其處于弱光條件下，因而花生凈光合速率和氣孔導度也較其單作下降[8]，而玉米作為相對較高的作物，其優勢主要來源于間作中凈光合速率的提高，因而其產量也較高[9]。焦念元等[10]認為，在間作中相對較高的作物較其單作可利用空間變大，光合作用增強，尤其在在強光下其光合速率明顯提高。葉綠素在光合作用中參與了光能的吸收、轉化和傳遞，在植物光合作用起決定性作用[11]。同時，葉綠素含量的高低在某種程度上也促進了有機物的合成與積累[12]。間作中，由于作物的地上部具有不同的生長空間，進而影響了葉綠素含量的高低[13]。焦念元等[14]在玉米/花生間作模式也中發現，與單作相比，間作可以明顯增加花生葉片中葉綠素b含量，降低葉綠素a/b值(表示植物對弱光的利用和捕獲的能力)，提高其在弱光條件下的光合速率，進而使花生的光合作用增強。因此，光合氣體交換參數及光合色素均可直接反應間作中作物的光合特性[15]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)和燕麥(HordeumvulgareL.)是我國西北地區主要種植和推廣的優質牧草。紫花苜蓿作為最重要的多年生豆科牧草之一，不僅營養豐富，且單位面積產量高，可多年連續收割[16]。燕麥是我國高寒地區家畜的主要飼料，具有適口性好、抗逆性強等特點，其種植面積曾一度僅次于水稻(OryzasativaL.)、小麥、玉米而位居第四位[17]。紫花苜蓿在全年具有較長的生長周期，而燕麥在全年中生長周期為100 d左右，故而將紫花苜蓿和燕麥間作，可利用其生長的空間和時間差，提高種間互補對光能資源的利用，是一種較好的間作組合。目前，關于紫花苜蓿/燕麥間作下，光合因素對其產量優勢形成的研究鮮見報道。為探明間作對紫花苜蓿和燕麥的光合特性的影響以及間作下影響紫花苜蓿和燕麥各自產量變化的光合因素，本研究對紫花苜蓿/燕麥作間作下紫花苜蓿和燕麥的產量、光合色素、光合氣體交換參數以及碳代謝關鍵酶進行測定和分析，為實現我國西北地區這一種植模式的高產優質提供參考。

1 研究材料與方法

1.1 試驗地概況

該試驗位于甘肅省蘭州市(36°03′N，103°40′E，海拔1 525 m)，試驗地為溫帶大陸性氣候、半干旱地區(年平均降水量360 mm，年平均氣溫10.3℃，平均日照時數2 600 h)。土壤為灰鈣土。試驗種植前土壤肥力指標：pH 8.23，有機質含量12.23 g·kg-1，全氮含量0.81 g·kg-1，堿解氮71.24 mg·kg-1，有效磷14.22 mg·kg-1，速效鉀98.12 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試紫花苜蓿品種為‘LW 6010’，燕麥品種為‘海威’。紫花苜蓿由甘肅農業大學提供，燕麥由克勞沃公司提供。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計。試驗設紫花苜蓿單作、燕麥單作、紫花苜蓿/燕麥間作3種種植模式，每個種植模式的小區面積為242(4.8 m×5 m)，每個種植模式重復3次。紫花苜蓿(播量：15 kg·hm-2)和燕麥(播量：225 kg·hm-2)均為條播，行距為20 cm；紫花苜蓿和燕麥間作時，燕麥與紫花苜蓿的行數比例為4∶4(圖1)。磷肥和鉀肥于紫花苜蓿播種前及每年返青前一次性施入，磷肥(P2O5)施量為105 kg·hm-2、鉀肥(K2O)施量為90 kg·hm-2，田間常規管理。

圖1 種植設計圖

本試驗為3年定點試驗，試驗于2016年9月下旬進行紫花苜蓿的種植，2017,2018,2019年的3月中旬進行燕麥的種植。紫花苜蓿每年刈割5次，燕麥每年刈割1次。本試驗各指標于2017—2018年每年6月中旬進行(紫花苜蓿第二茬)，此時紫花苜蓿為初花期，燕麥為抽穗期。葉綠素含量、碳代謝關鍵酶活性、光合氣體交換參數和碳水化合物含量的測定選取紫花苜蓿頂葉向下第3片完全展開的健康完整葉片和燕麥旗葉進行。測定碳關鍵酶活性時，應將功能葉片從植株上摘取后直接放進手提冰箱中，并且馬上拿到實驗室進行研磨和儲存，確保酶活性的準確。

1.4 測試指標

1.4.1葉綠素含量測定 測定葉綠素(總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b)的含量是應用丙酮提取法[18]。

1.4.2氣體交換參數的測定 進行胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和凈光合速率(Pn)通過LI-6400XT光合作用測定儀(Li-cor公司，美國)測定。測定時間選擇晴天上午9∶10-11∶10。

1.4.3碳代謝酶活性及碳水化合物 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性我們采用RuBP ELISA試劑盒(上海杰美科技有限公司)進行測定，單位是μmol·g-1·min-1；蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性采用分光光度法來測定，單位是mg·g-1·h-1；而使用Somogyi法來測定碳水化合物的含量[19]。

1.4.4干草產量 齊地面刈割小區內所有植株的地上部分，稱取得到鮮草產量，并將其置于自然條件下風干，待水分含量降至30%時，稱取得到干草產量。

2 結果與分析

2.1 年總產量的變化

2017～2019年，紫花苜蓿單作的總產量和總蛋白產量顯著大于間作，而燕麥間作的總產量和總蛋白產量顯著大于單作(表1)。

表1 間作對葉綠素含量的影響

2.2 產量及株高的變化

圖2可知，紫花苜蓿二茬產量在單作中顯著高于其間作(P<0.05)。燕麥的產量表現為間作極顯著高于其單作(P<0.01)，在2017，2018和2019年中分別提高了28%，25%，22%。相比較單作，紫花苜蓿的株高在互作中均有所下降，其中2017年和2019年表現為差異顯著(P<0.05)。同時，燕麥在2017年和2018年時，燕麥株高在間作模式下非常明顯高于其單作(P<0.01)，在2019年時明顯高于其單作(P<0.05)，燕麥株高在間作下較其單作提高了16%～31%。

圖2 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥單位面積產量及株高的變化

2.3 光合色素的變化

紫花苜蓿總葉綠素在3年中均表現為間作顯著低于其單作(P<0.05)；燕麥總葉綠素在2017年是表現為間作顯著大于其單作(P<0.05)，而在2018年和2019年時間作和單作差異不顯著(表2)。紫花苜蓿葉綠素a在間作中極顯著低于其間作(P<0.01)，而燕麥葉綠素a在2017年時間作顯著高于單作(P<0.05)，其余年份均差異不顯著。2017年和2018年中，葉綠素b在紫花苜蓿及燕麥的間作與單作中均差異不顯著，而在2019年時紫花苜蓿和燕麥在間作下顯著大于其單作(P<0.05)。

2.4 氣體交換參數的變化

圖3可知，Tr、Pn和Gs在3年中均表現為紫花苜蓿單作大于其間作，燕麥間作大于其單作，而Ci表現相反。在2017年時，燕麥的Tr在間作模式中顯著高于其單作(P<0.05)。而紫花苜蓿在3年里，Pn和Gs均表現為間作明顯小于其單作(P<0.05)，但燕麥在2017年時，Pn和Gs表現為間作顯著大于其單作(P<0.05)。紫花苜蓿Ci在間作和單作中均表現差異顯著(P<0.05)，同時2017年時，燕麥Ci在間作中顯著大于其單作(P<0.05)，2018年和2019年時間作極顯著大于其單作(P<0.01)。

圖3 間作對氣體交換參數的影響

2.5 碳水化合物及碳代謝相關酶的變化

圖4可知，紫花苜蓿碳水化合物在間作和單作下表現為差異不顯著，而燕麥碳水化合物則表現為2017年和2019年間作極顯著大于單作，2018年是間作顯著大于單作(P<0.05)。RuBP羧化酶活性則在紫花苜蓿和燕麥下均表現為單作顯著大于相應的間作(P<0.05)。同時，SPS酶活性和SS酶活性在紫花苜蓿中表現為單作大于間作，燕麥為單作小于間作；其中，紫花苜蓿SPS在2017年和2019年時單作顯著大于其間作(P<0.05)；燕麥SPS在2017年為間作顯著大于單作(P<0.05)，在2018年和2019年時間作極顯著大于其單作(P<0.01)。在2017年，SS酶活性在紫花苜蓿間作和單作下表現差異不顯著，而燕麥中間作極顯著大于單作(P<0.01)，在2018年和2019年紫花苜蓿SPS酶活性在單作下顯著大于其間作，燕麥為間作顯著大于其單作(P<0.05)。

圖4 間作對碳代謝相關指標的影響

2.6 相關性

如圖5可知，紫花苜蓿和燕麥各光合指標與其產量的相關性不同。紫花苜蓿中，產量與總葉綠素、葉綠素a、Gs以及RuBP羧化酶呈極顯著正相關關系；而產量與葉綠素b呈極顯著負相關關系；其中，總葉綠素和葉綠素a均與Tr，Pn，Gs以及RuBP羧化酶呈極顯著正相關關系。同時，燕麥的產量與其株高和碳水化合物呈極顯著正相關關系；而產量與Ci呈極顯著負相關；同時株高與碳水化合物、碳水化合物與Tr，碳水化合物與Pn均呈極顯著正相關關系。

圖5 產量及光合相關因子的相關性

3 討論

追求作物的產量是農業生產的最終目標，而明確產量的影響因素是其重要環節。本研究中，間作降低了紫花苜蓿的總產量和總蛋白產量，而提高了燕麥的總產量和總蛋白產量。同時，在紫花苜蓿與燕麥間作的茬次下的產量也發現了相同規律，這是于間作有利于高桿植物的生長，而不利于低桿植物的生長[20]。例如，在糧糧組合中，大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)/玉米間作中的玉米產量較其單作顯著提高[21]；在草草組合中，燕麥/箭筈豌豆(ViciasativaL.)間作中燕麥飼草產量顯著高于其單作[22]；在糧草組合中，紫花苜蓿/玉米間作下的玉米可顯著提高其產量[23]；在林草組合中，紫花苜蓿/桑樹間作可以增強桑樹對強光的利用效率，表現出明顯的產量優勢。關于為何間作會對植物的產量產生影響，有研究認為間作中不同生態位的植物對光照吸收和利用效率不同，株高越高，光能利用越大，其產量也越高[24]。本研究中，紫花苜蓿在第一、三、四和五茬生長時，臨邊無燕麥生長，具有較好的光照條件，同時二茬紫花苜蓿與燕麥間作時，燕麥可以受到較好的光照條件，而紫花苜蓿光照條件較差。紫花苜蓿與燕麥間作時，二者的產量影響因子不同。影響紫花苜蓿產量的主要因素是總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、氣孔導度和RuBP羧化酶，影響燕麥產量的主要因素是株高、碳水化合物和胞間CO2濃度。因此，本研究認為在紫花苜蓿/燕麥間作下光合因子對二者產量的影響方式不同，故因將影響紫花苜蓿和燕麥產量形成因素進分別探討。

紫花苜蓿/燕麥間作下，燕麥的株高與其產量呈極顯著正相關關系，而紫花苜蓿的株高與其產量呈顯著正相關關系，說明株高對于燕麥產量的影響大于其對紫花苜蓿產量的影響。紫花苜蓿/燕麥間作中，燕麥為高桿牧草(100～130 cm)，紫花苜蓿為低桿牧草(60～70 cm)，因此燕麥具有生態位的優勢。燕麥與紫花苜蓿株高差越大，其獲得的光合面積也越大，而光合面積的增大對牧草產量具有直接的影響[25]，因此，株高對燕麥產量有著極顯著的影響。紫花苜蓿/燕麥間作時，紫花苜蓿在生長過程中無論株高低與高，均會收到燕麥的遮擋，雖然較高的株高可增大紫花苜蓿的光合面積，但由于燕麥對其的遮擋，株高對紫花苜蓿二茬產量的影響較燕麥影響小。因此，株高對紫花苜蓿和燕麥的產量均有影響，且對燕麥的影響較對紫花苜蓿的影響更顯著。

葉綠素作為光合色素，是植物吸收光能的關鍵，葉綠素含量的高低直接影響著植物光合作用的強度。紫花苜蓿/燕麥間作下，紫花苜蓿葉綠素a含量與總葉綠素含量均較其單作有所下降；而燕麥表現相反。葉綠素a和葉綠素b均是捕光色素復合體(LHcII)的重要組成部分，影響著光能的吸收、傳遞和轉化[26]。由此可知，紫花苜蓿與燕麥間作時紫花苜蓿和燕麥由于光合色素的變化進而影響了光合作用的強弱。研究中，紫花苜蓿總葉綠素含量及葉綠素a含量與其二茬產量為極顯著正相關關系，這是因為間作中的紫花苜蓿在生長過程中受燕麥的遮擋，導致紫花苜蓿對紅光和藍紫光的吸收減少，影響總葉綠素和葉綠素a的形成，并引起部分枝葉出現輕微的黃化現象，降低了紫花苜蓿的光合產物。同時，紫花苜蓿與燕麥間作時紫花苜蓿和燕麥的葉綠素b含量均有所上升，葉綠素b含量與紫花苜蓿二茬產量具有極顯著的負相關關系，這可能是由于紫花苜蓿在遮陰條件下做出的防御措施，即通過提高了紫花苜蓿葉綠素b含量，進而改變葉綠素的構成，增強其對光能的捕獲和轉化能力，最終提高其光合作用。因此，間作對紫花苜蓿和燕麥的光合色素均產生了影響，且光合色素對紫花苜蓿產量的影響更為顯著。

光合作用是植物能否正常生長的關鍵，蒸騰速率、氣孔導度和凈光合速率是光合作用強弱的重要指標[27]。燕麥間作時的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均都高于其單作，紫花苜蓿表現相反，這主要是因為間作中紫花苜蓿和燕麥地上部不同生態位造成的。同時，紫花苜蓿中光合速率和蒸騰速率均與其二茬產量呈顯著正相關關系；燕麥中光合速率和蒸騰速率均與其碳水化合物極顯著正相關關系，也進一步說明了間作降低了紫花苜蓿的光合作用，進而減低了其二茬產量；而燕麥可通過提高其光合作用來促進其減肥增效。胡志輝等[28]也證實了間作下不同物種形成了空間生態位的光能補償，使群體形成“波式”冠層，進而使光合速率和蒸騰速率對產量產生顯著影響。胞間CO2濃度是衡量光合作用的重要指標，如果光合作用過于激烈則會大量消耗CO2導致胞間CO2濃度降低，使氣孔關閉使光合作用降低。本研究中，胞間CO2濃度表現為紫花苜蓿間作顯著大于其單作，燕麥為間作在2018和2019年極顯著小于其單作，同時燕麥的胞間CO2濃度與其產量呈極顯著負相關關系。由此可知，燕麥在間作中由于葉綠素含量增加導致光合能力提高，進而消耗大量CO2，進而促使其胞間CO2濃度較大程度降低；而紫花苜蓿處于劣勢地位，光合作用強度較小，導致胞間CO2含量增高。近年來，有關光合氣體交換參數對產量影響方面也進行了研究，如胡志輝等[28]和鄭金玉等[29]認為光合速率和蒸騰速率對產量的影響最重要。光合作用的強弱可直接決定碳代謝的強弱。RuBP羧化酶是植物進行C3途徑的必不可少的酶，碳同化效率的高低主要是由于RuBP羧化酶的羧化效率所決定。本研究中，RuBP羧化酶與其產量在紫花苜蓿(第二茬)中呈極顯著正相關，在燕麥中呈顯著正相關。因此可知，RuBP羧化酶在間作系統中對于產量的影響具有重要的作用。蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶是合成蔗糖的關鍵酶[30]。本研究中，蔗糖磷酸合成酶在紫花苜蓿和燕麥中均表現出對其產量具有顯著的影響。這可能是由于紫花苜蓿與燕麥間作時，燕麥的光合特性增強，因而蔗糖磷酸合成酶活性增強，增加了淀粉積累；而互作降低了紫花苜蓿的光合作用和葉綠素含量，進而降低了其碳水化合物含量，進而導致蔗糖磷酸合成酶活性的減少。綜上，蒸騰速率和凈光合速率和的增加可提高RuBP羧化酶和蔗糖磷酸合成酶活性，進而共同影響紫花苜蓿和燕麥的產量。

4 結論

紫花苜蓿/燕麥間作下光能利用特征對二者產量的影響方式不同。間作下，影響紫花苜蓿產量的主要因素是總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b、氣孔導度和RuBP羧化酶；影響燕麥產量的主要因素是株高、碳水化合物和胞間CO2濃度。本研究探明了間作下光合特征對紫花苜蓿和燕麥產量的影響，為后續靶向性調控其產量提供了理論依據。