套种模式下不同株行距核桃对油用牡丹光合特性及产量的影响

， ，， ，

(1.郑州师范学院，河南 郑州 450044； 2.郑州大学，河南 郑州 450001)

油用牡丹是芍药科(Paeoniaceae)芍药属(Paeonia)植物中产籽出油率大于或等于22%的品种的统称[1]。其花是原产于我国的名花；根部即丹皮，为我国传统中药材；籽油富含不饱和脂肪酸，2011年被国家卫生部批准为新资源食品，这标志着牡丹籽油可作为食用油进行批量生产[2-3]。目前，油用牡丹已发展为集观赏、油用和药用价值为一身的木本油料植物资源。牡丹耐旱性强，忌炎热。国内外关于油用牡丹的研究主要集中在籽油提取工艺和化学成分分析[4-7]、品种选育[8-9]、产业发展[10-11]等方面，也有学者对其光合特性进行了研究，结果表明，适度遮阴可减轻中午的光抑制，改善牡丹叶片光环境，促进其光合作用[12-15]。因此，根据牡丹的生长特点，将油用牡丹与经济林木进行间作套种，不仅可以给牡丹生长提供适宜的环境，而且可提高土地的利用效率，增加单位土地的产出率[16]。复合处理中，由于套种树种处理的不同，对林下植物的遮阴作用也不同，造成了林下光照环境的差异。以套种于不同处理核桃林下的油用牡丹为材料，研究了牡丹的光合参数及其与主要环境因子的关系，以揭示不同核桃林套种牡丹的光合生理生态特征，为油用牡丹复合种植技术的推广提供科学指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间试验于郑州师范学院黄河滩实习实训基地进行，地理坐标为北纬34°92′、东经113°62′，属北温带大陆性季风气候，四季分明。春季干燥少雨，夏季炎热、降水集中，秋季凉爽，冬季干冷少雪，年平均气温15.6 ℃，年平均降雨量542.15 mm，无霜期209 d，全年日照时间约1 900 h。土壤类型为潮土，pH值8.4左右。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2017年5月进行。供试油用牡丹(Paeoniaostii)为6年生凤丹。核桃(JuglansregiaL.)造林时间为2014年春季，种植方向为东西走向，设置4种套种处理，分别为(株距×行距)：5 m×6 m(T1)、5 m×5 m(T2)、4 m×5 m(T3)、4 m×4 m(T4)，在2行核桃树间套种油用牡丹，以单作油用牡丹作为对照(T0)，重复3次，共15个小区，每个小区面积120 m2，小区间隔为2 m。油用牡丹株行距均为30 cm×80 cm。各小区田间管理一致，定期进行除草、浇水。

1.2.2 光合参数及环境因子日变化测定 在2017年5月10日、5月13日、5月14日，采用LI-6400XT便携式光合仪(美国LI-COR公司生产)测定牡丹叶片的光合指标，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)。使用自然光源，叶室面积为2 cm×3 cm。测定时，选择当年生枝条第2片或第3片叶，每个小区选择长势一致的油用牡丹5株，每株测定2片健康成熟叶片。测定时间为9:00—17:00，每隔2 h测定一次。同时仪器自动记录相关的环境因子，包括大气温度(Ta)、空气相对湿度(RH)、光合有效辐射(PAR)、大气CO2浓度(Ca)。试验重复3次，取平均值。根据PENUELAS等[17]的方法计算瞬时水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr。

1.2.3 光响应曲线测定 在2017年5月15日、5月16日、5月17日的9:00—11:00，利用LI-6400XT便携式光合仪，使用红蓝光源，在每个小区中随机选择牡丹枝条顶端长势一致的成熟叶片进行测定。测定前，先将待测叶片在光照强度为1 500 μmol/(m2·s)条件下诱导 20 min。测定时，使用CO2注入系统，参比室CO2浓度设为400 μmol/mol，在光照强度梯度为1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol/(m2·s)下测量叶片的Pn，每个小区测定3株。测量结果利用非直角双曲线模型进行拟合，计算出最大净光合速率(Pmax)、光补偿点(LCP)、 光饱和点(LSP)、暗呼吸速率(Rd)和表观量子效率(AQE)。

1.2.4 产量及其构成因素测定 牡丹果实成熟时，在每小区随机选取10 株(每个处理3个小区，共计150株)，统计每株上果荚数量、单果种子数，并测量单果直径、千粒质量，阴干后统计籽粒产量，取平均值。

1.3 数据处理和统计分析

采用SPSS 20.0统计分析软件进行方差分析、Duncan’s 多重比较、相关性分析以及多元逐步回归分析，采用Origin 8.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理主要环境因子的日变化规律分析

从图1可以看出，5种处理下PAR的变化趋势相似，均为单峰型曲线，且均在13:00达到峰值，全天中，T0处理PAR均大于其他处理。Ca的变化趋势与PAR相反，5种处理下均在11:00达到最小值。1 d中，5种处理下的Ta变化范围在22～32 ℃，变化趋势均为在13:00之前迅速升高，之后略有下降，除9:00外，在其他时间T0处理温度最高。T1和T2处理RH变化趋势相似，均在13:00之前下降，之后逐渐升高，15:00之后又开始下降；T0处理的RH在13:00达到1 d中最小值，而此时正是T4处理的最大值。

图1 不同处理环境因子日变化Fig.1 Diurnal change curves of environmental factors in different interplant models

2.2 不同处理牡丹光合参数日变化规律分析

2.2.1 Pn的日变化 由图2可知，牡丹叶片Pn的日变化规律不同，总体分为2种情况。T2、T3和T4处理下Pn先增大后减小，为单峰型曲线，且达到峰值的时间相同，均为11:00。T0和T1 处理下呈双峰曲线，早上随着光照强度的增大，Pn逐渐升高，在11:00达到第1个峰值，之后便开始下降，在13:00降到最低，之后又逐渐升高，在15:00达到第2个峰值，说明这2种处理下牡丹叶片存在光合“午休”现象。1 d中，T4处理的Pn总体上低于单作，而T2处理则相反。

2.2.2 Ci和Gs的日变化 由图3可知，不同处理下牡丹叶片Gs的日变化规律与Pn基本一致，T0和T1处理下呈双峰曲线，分别在11:00和15:00出现峰值，此时Pn也达到峰值。T3处理下的变化趋势为升高—降低—基本平稳，最大值出现在11:00。T2和T4处理下的日变化曲线均为单峰型，11:00之前逐渐升高，之后迅速下降。不同处理下叶片Ci的变化存在差异。T2、T3和T4处理下变化规律相似，表现为先降低，在11:00达到最低值，之后逐渐升高；而T0和T1处理类似“W”型，在11:00和15:00出现谷值。

图2 不同处理凤丹牡丹叶片Pn日变化Fig.2 Diurnal change curve of net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.2.3 Tr的日变化 由图4可知，T0、T1处理下叶片Tr日变化为双峰型曲线，与Pn的变化趋势基本一致，最大值也分别出现在11:00和15:00。在这2个时刻，T0处理下Tr较高，分别高于T1处理2.86%和13.88%，原因是T1处理的株行距较大，核桃冠层对太阳光的遮挡效果较差，叶片气孔开放程度高。T2、T3和T4处理下Tr呈单峰曲线，均在11:00达到峰值，与Pn峰值时间相同。

2.2.4 WUE的日变化 WUE与Pn和Tr值有直接关系。由图5可知，全天中，T4处理WUE均比其他处理高，而T0处理除17:00外，在其他时间均比其他处理低。在11:00、13:00和15:00，WUE由大到小顺序为：T4>T3>T2>T1>T0。

图3 不同处理凤丹牡丹叶片Ci和Gs的日变化Fig.3 Diurnal change curves of intercellular CO2 concentration and stomatal conductance of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

图4 不同处理凤丹牡丹叶片Tr的日变化Fig.4 Diurnal change curve of transpiration rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

图5 不同处理内凤丹牡丹叶片WUE的日变化Fig.5 Diurnal change curve of water use efficiency of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.3 不同处理牡丹光响应曲线及光响应参数分析

由图6可以看出，5种处理下叶片的Pn变化趋势相同，均为先迅速升高，后趋于平缓。在PAR为0～200 μmol/(m2·s)时，牡丹叶片Pn随着PAR的升高而迅速上升，当PAR大于200 μmol/(m2·s)时，牡丹叶片的Pn缓慢升高并最终趋于稳定。

5种处理下供试牡丹叶片的光响应参数见表1。结果显示，不同处理下叶片的Pmax、AQE、LCP和LSP均存在一定差异。其中，T2处理下的AQE最高，与其他处理之间差异显著(P<0.05)，说明该处理下牡丹叶片的光能利用率高，光合能力最强；T4处理下的LSP最高，LCP最低，且LSP与其他处理之间均存在显著性差异(P<0.05)，但其AQE最低，光合能力较弱。T3和T4处理的LCP及Rd较T0低，可见当牡丹叶片长期处于弱光环境时，通过降低光补偿点，减少呼吸消耗，来适应周围环境。

图6 不同处理凤丹牡丹叶片的光响应曲线Fig.6 Light response curve of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

处理TreatmentAQE/ (mmol/mol)Pmax/ [μmol/(m2·s)]LSP/ [μmol/(m2·s)]LCP/ [μmol/(m2·s)]Rd/ [μmol/(m2·s)]T00.023±0.001c19.51±2.04b887.22±25.54c38.83±1.80a0.89±0.02aT10.028±0.002b18.20±1.40b669.21±23.50e19.11±1.64b0.54±0.03bcT20.034±0.001a26.16±2.69a789.06±30.49d19.53±1.53b0.66±0.02abT30.021±0.004cd 25.10±4.01a1 208.62±40.38b 13.62±2.04c0.29±0.01c T40.018±0.002d26.50±1.28a 1 485.06±20.06a12.61±1.56c 0.23±0.02c

注：同列中不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异显著(P<0.05),下同。

Note： Different small letters in the same column indicate the significant difference of the same index among different models(P<0.05),the same below.

2.4 不同处理牡丹Pn与生理生态因子的关系分析

2.4.1 相关性分析 从表2可以看出，总体上，5种处理下牡丹叶片的 Pn与Gs、Tr、RH、PAR以及Ca之间关系密切。5种处理中，叶片的Pn与Tr之间均存在显著正相关关系(P<0.05)；T2和T4处理下叶片的Pn与PAR呈极显著正相关(P<0.01)，而T1处理的相关性不显著；除T0处理外，其他处理Pn与Ca均呈极显著负相关(P<0.01)；T1和T4处理下叶片的Pn与RH之间存在显著正相关，其中，T4处理的相关性极显著(P<0.01)。

2.4.2 逐步多元回归分析 为了确定不同处理下牡丹叶片Pn的主要影响因子，以Pn(Y)为因变量，以Gs(X1)、Ci(X2)、Tr(X3)以及不同处理内的PAR(X4)、Ta(X5)、RH(X6)、Ca(X7)、WUE(X8)为自变量进行多元逐步回归分析，建立最优回归方程(表3)。由表3可知，T0处理下牡丹叶片Pn的主要影响因子为Tr、Ta以及WUE；T1处理下牡丹叶片Pn的主要影响因子为RH和Ca；T2处理下叶片Pn的主要影响因子为Tr和Ca；T3处理下叶片Pn的主要影响因子为Gs、Tr、Ta、Ca和WUE；T4处理下叶片Pn的主要影响因子为RH。

表2 不同处理凤丹牡丹叶片Pn与不同因子间的简单相关系数Tab.2 Simple correlation coefficient between net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models and different factors

注：*表示相关性显著(P<0.05),**表示相关性极显著(P<0.01)。

Note： * indicate significant relation(P<0.05), ** indicate extremely significant relation(P<0.01).

表3 不同处理凤丹牡丹叶片Pn与相关因子的回归分析Tab.3 Regression analysis between net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.5 不同处理牡丹产量及其构成因素分析

由表4可知，不同处理下单果种子数和单果平均直径无显著性差异。当株行距为4 m×4 m时，单株果荚数和千粒质量与单作相比差异显著。籽粒产量除T4处理较单作有明显的下降外，其他套种处理均比单作高，其中T2处理最高，比单作高出32.30%，可见，核桃种植株行距过小并不利于牡丹的生长，当等于或低于4 m×4 m时，不宜在林下套种牡丹。

表4 不同处理凤丹牡丹产量及构成因素差异比较Tab.4 The difference comparison on yield and component factors of P.ostii Fengdan in different interplant models

3 结论与讨论

套种导致树木与作物在空间上具有高低层次，改善了系统内的光分布，林下的光资源是一种高度异质化的资源，变化十分复杂。因此，光照环境对林下植物生长发育十分重要[18-19]。郭佳欢等[20]在研究枣麦复合系统时发现，枣树的株行距是影响冬小麦冠层光合有效辐射的主要因素，并最终影响小麦产量。肖琳等[21]发现在板栗林下套种百合，稀植可以改善百合的光合性能。本研究中，5种处理下的牡丹叶片光合生理生态特征存在较大差异，这说明在牡丹生长发育过程中，为适应周围复杂多变的环境，而逐渐形成了各自独有的特点。除单作、5 m×6 m 处理外，其他处理下牡丹叶片的Pn日变化曲线为单峰型，这在一定程度上与核桃冠层对牡丹的遮阴性有关。在13:00时，单作下的牡丹无遮阴，而5 m×6 m处理的核桃株行距过大，对林下牡丹遮阴性不强，使得这2种处理内温度较高，光合有效辐射较大，叶片为免受强光伤害，气孔关闭，蒸腾作用随之降低，Pn下降，出现“午休”现象。周曙光等[22]对大田条件下牡丹进行不同遮光处理，发现自然光下牡丹也存在此现象。总体来看，5 m×5 m处理下的牡丹叶片Pn在全天中均为最大。5种处理下WUE日变化趋势相似，在11:00—15:00，随着核桃树株行距增大，WUE有减小的趋势，其中，单作最低，原因是中午温度较高，单作条件下牡丹未遮阴，造成了较多的水分流失。

5种处理中，4 m×4 m处理下的牡丹叶片LSP最高，LCP最低，Rd也较单作低，说明该处理下，牡丹叶片较其他4种处理的可利用光范围广，但其AQE较单作低，对光能的利用能力减弱，这是由于该处理下的牡丹长期处于光照不足的环境条件所致。蔡艳飞等[13]比较了不同光环境下牡丹的生长状况，发现过度遮阴会减弱牡丹光合作用，导致牡丹减产，与本研究结果一致。5 m×5 m处理下牡丹叶片的AQE、LCP均较高，说明该处理下牡丹叶片的光能利用能力最强。

对5种处理下的环境因子和牡丹叶片光合特性进行了简单相关分析，结果表明，从整体上看，影响牡丹叶片Pn的主要因子有Gs、Tr、Ca和RH。为了进一步明确不同处理内影响牡丹Pn的主要因子，本研究对各因子进行了多元逐步回归分析，结果表明，单作条件下，Tr、Ta和WUE是影响牡丹Pn的主要因子；在核桃与牡丹套种下，Gs、RH、Ca、Ta、Tr和WUE是影响牡丹叶片Pn的主要因子，但由于核桃种植的株行距不同，每种处理内又存在差异，这与程鹏等[23]对不同林分茶树的光合特性的研究结果一致。

核桃株行距的不同会对牡丹的产量以及构成因素产生一定影响，因此，在实际栽培过程中，要合理配置核桃株行距，提高综合经济效益。核桃树株行距为4 m×4 m时牡丹单株果荚数以及千粒质量最低，同时产量也最低。而其他株行距则在不同程度上增加了牡丹种子产量，以5 m×5 m最为明显，具有较好的推广价值。本研究只探讨了油用牡丹光合性能和产量，对于土壤理化性质、植物的互作效应等方面并未涉及，后续仍需要进一步研究。