不同密度下越冬型黑麦产量形成的光合特性差异

张雪悦，左师宇，田礼欣，李丽杰，任晓松，刘赵月，李晶

(东北农业大学农学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

越冬型黑麦(Secalecereale)为禾本科黑麦属，一年生草本，原产于地中海沿岸等地，由于其具有较强的抗寒性、抗旱性、抗贫瘠性，后被传入欧洲及世界其他各地[1-2]。黑麦籽粒含有丰富的蛋白质及膳食纤维，常被用于制作黑麦面包及其他食品。黑麦植株再生能力较强，草质柔软，也被人们用作家畜的饲料[3-4]。从20世纪30年代以来，黑麦广泛栽培和种植于中国北方、长江中下游及以南的地方[5]。越冬黑麦的种植不仅可以缓解畜牧业发展较快所带来的饲料危机，还可以提高冬季地表覆盖，减少地表耕层土壤流失，具有良好的研究价值。

合理的群体结构是保证作物高产的重要措施，不同的种植密度对麦类作物光合特性具有重要影响[6]。小麦(Triticumaestivum)产量的90%～95%与光合作用有关，且光合作用的大小可直接影响作物产量的高低[7-8]。张黛静等[9]研究发现，不同种植密度间，光合特性差异较大。王之杰等[10]研究指出，低种植密度下的植株叶片光合指标具有明显优势，有利于提高群体光合速率。邵玉伟等[11]认为，低密度下，小麦叶片叶绿素含量较高。研究发现，杂种小麦的旗叶净光合速率随密度增加而降低，且生长后期下降幅度变大[12]。群体密度对群体透光性有明显的调节作用，小黑麦(Triticale)在合理的密度下，具有良好的光合特性，能够提高群体光能利用率，从而提高群体生产能力[13-14]。朱翠林等[15]指出，适宜的种植密度不仅可以缓解个体与群体之间的矛盾，还能促进单位面积上穗数、穗粒数与千粒重的协调发展。近年来，一些学者针对种植密度对黑麦种子生产性能以及黑麦分蘖动态等方面进行了研究。胡雪华等[16]等研究发现，随种植密度的提高，黑麦种子产量呈先上升后下降的抛物线趋势。李志坚等[17]研究表明，黑麦群体总分蘖数随种植密度的提高而增加。朱永群等[18]认为，黑麦草的株高、茎叶比随着种植密度的增大而升高。

目前，黑麦作为一种优质牧草在欧洲地区以及我国南方地区被广泛种植。黑龙江省地处中国最北端，是我国重要商品粮基地。近些年随着高产作物种植比例的增大，农业发展面临一系列的农业结构调整问题。结合结构调整目标，构建粮经饲统筹、农牧结合的农业发展格局，提高优质牧草和饲料作物种植范围，符合现代畜牧产业发展及扩大粮牧结合的需求。饲用越冬黑麦分蘖力强，返青早，收割早，既可填补早春牧草的不足，又可改善作物种植结构。越冬型黑麦001为东农麦类研究团队多年筛选的强冬类型品系，可耐-30 ℃以下的低温，可作为寒地优质牧草的选择。近年来，国内外主要针对盐胁迫、低温胁迫和干旱胁迫逆境下黑麦的生物量、糖代谢关键酶、渗透调节物质以及抗氧化酶的研究较多[19-21]。针对寒地冬小麦研究表明，采取沟播种植模式，结合拔节期追施氮肥150 kg·hm-2，有助于生育后期根系活力维持及品质改善。而关于寒地冬黑麦种植栽培研究空白，缺少深入细致探讨，本研究旨在探明越冬型黑麦001寒地栽培下获得较高产量的群体光合特性差异，确立黑龙江高纬高寒地域下黑麦种植的最佳群体结构，明确获得较高饲草产量的光合基础，为建立寒地饲用冬黑麦生产模式及解决早春牧草种植提供参考，也可为南方早春黑麦种植提供复种参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

1.1.1供试品种 供试材料为东农冬黑麦001，由东北农业大学麦类研究室提供。

1.1.2试验设计 试验于2016-2017年在东北农业大学校内实验基地进行。经度126°18′，纬度46°25′，温带大陆性气候，年降水量500～550 mm。试验地土壤为黑钙土，土壤肥力概况见表1。试验设基本苗为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个处理，采用完全随机设计，小区面积3.2 m×1.5 m，8行区，行距0.2 m，条播，每处理重复3次。各处理施肥量相同，95 kg·hm-2尿素，150 kg·hm-2磷酸二铵，75 kg·hm-2硫酸钾均作种肥施于土壤。试验于2016年9月14日播种，苗期镇压一次，其他处理措施同一般大田。

表1 试验地土壤肥力概况 Table 1 The soil fertility condition of the tested soil

1.2 测定项目与方法

1.2.1黑麦分蘖数量测定 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，统计分蘖数。每个处理随机选取10株，测定分蘖数, 取其平均值为单株分蘖数。

1.2.2SPAD值测定 采用 CCM-200+便携式叶绿素测定仪(中国北京澳作生态仪器有限公司)测定，拔节前测定黑麦顶部第二叶的上部、中部、基部，拔节后测定旗叶上部、中部、基部，并取其平均值，每个处理重复10次[19]。

1.2.3光合参数测定 光合参数在黑麦返青期(reviving stage, RS)，拔节期(jointing stage, JS)，孕穗期(booting stage, BS)，抽穗期(heading stage, HS)，开花期(anthesis stage, AS)，成熟期(maturity stage, MS)进行取样测定。采用 Ci-340 便携式光合作用测定仪(北京商德通科技有限公司)测定叶片的光合参数包括净光合速率(net photosynthetic,Pn)、蒸腾速率(transpiration,Tr)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)和胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration,Ci)，拔节前测定黑麦顶部第二叶中部，拔节后测定旗叶中部，并重复 3 次。具体方法参考王丽华等[19]的方法。

1.2.4叶绿素荧光参数测定 将植株顶部第二片叶的叶片中部进行暗处理30 min 后，采用德国Walz公司生产的便携式荧光仪 PAM-210 及相应的 PamWin 软件测定初始荧光(minimal fluorescence,Fo)和最大荧光(maximum fluorescence,Fm),进行光的有效辐射后测定光下最大荧光(maximum fluorescence under light,Fm′)，光下最小荧光(minimal fluorescence under light,Fo′)和稳态荧光(steady-state fluorescence,Fs)，Fo代表不参与PSⅡ光化学反应的光能辐射部分，是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶绿素浓度有关。Fo′是作用光关闭时的原初荧光产量。按下列公式计算叶绿素荧光参数，每处理重复3次[19]。

光系统II (PSⅡ) 可变荧光 (variable fluorescence,Fv)=Fm-Fo
最大光化学效率 (maximum quantum efficiency of PSⅡ,Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm
光化学淬灭系数 (photochemical quenching,qP)=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)
实际光化学效率 (effective quantum yield of PSⅡ,ΦPSⅡ)=(Fm′-Fs)/Fm′
非光化学淬灭系数 (non-photochemical quenching,qN)=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)

1.2.5生物产量的测定 于黑麦蜡熟初期，每小区选取2行的黑麦全株进行人工刈割，收获鲜草并测定其重量从而推算每小区黑麦鲜草产量，将鲜草置于烘箱中，将温度调至105 ℃杀青30 min后，继续在80 ℃下烘干至恒重测定干草产量。

1.3 数据处理

采用SPSS 20.0统计软件分析数据，LSD法进行处理间多重比较与显著性检验，并用Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 不同密度处理间越冬型黑麦单株分蘖数量差异

表2结果表明，黑麦单株分蘖数量随生长发育呈先上升后下降的趋势。黑麦分蘖数随着种植密度的增加逐渐减少，且各密度间黑麦分蘖数差异从返青期(2017年3月24日)开始逐渐增大。在黑麦越冬前期(2016年10月22日-11月14日)，分蘖数不断增多，由于个体之间竞争不激烈，各密度间分蘖差异不明显。在黑麦分蘖后期(2017年4月14日-23日)，黑麦个体之前竞争激烈，一些较弱的分蘖在竞争中处于劣势，生长较弱并逐渐死亡，因此黑麦单株分蘖数逐渐下降。

表2 不同密度间黑麦单株分蘖数量变化 Table 2 Change of the tiller number of individual plant of different densities

注：同列不同字母表示各处理间差异达5%显著水平。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 不同密度处理间黑麦SPAD的差异

不同密度下黑麦叶片的SPAD值均随生育期的推进呈现先上升后下降的抛物线变化趋势，黑麦整体SPAD值在抽穗期达到最大(图1)，同一密度下黑麦SPAD值，在不同生育时期差异显著。在黑麦各个生育时期D1、D2和D3密度SPAD值均显著高于D4和D5密度；返青期D1密度SPAD值最大，D3密度SPAD值与D1、D2密度间差异均不显著；拔节期D1密度SPAD值显著高于D3密度，与D2密度无显著差异；从孕穗期到抽穗期，D3密度SPAD值与D2密度均差异显著，D1、D2、D3密度SPAD值的增幅分别为8.69%、21.30%、7.51%；从抽穗期开始，各密度黑麦SPAD值开始呈现下降趋势。从抽穗期到成熟期，D1、D2、D3、D4、D5密度降幅分别为37.91%、40.98%、41.00%、42.53%、45.09%。由此可见，从黑麦抽穗期到成熟期，SPAD值的下降幅度与黑麦密度呈负相关关系，密度越大，叶片衰老越快。

图1 不同密度处理下黑麦SPAD值Fig.1 SPAD value of rye under different densities 不同小写字母表示各处理间差异达5%显著水平，大写字母表示同一密度处理不同生育时期间差异达5%显著水平，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 不同密度处理间黑麦光合参数的差异

随生育进程的推进，不同密度黑麦叶片净光合速率(Pn)均呈先上升后下降的趋势，在开花期达到最大(表3)。在黑麦整个生育时期，D1、D2、D3密度下黑麦群体Pn均显著高于D4、D5密度处理，且随着密度的增大，Pn逐渐减小。同一密度下，黑麦Pn值在不同生育时期，差异较显著，D1密度在开花期达到最大。各密度黑麦Pn平均增长幅度，返青期至拔节期为66.02%；拔节期至孕穗期为12.14%；孕穗期至抽穗期为11.66%；抽穗期至开花期为6.52%；开花期至成熟期平均降幅为64.71%，其中黑麦叶片Pn增长幅度最大的时期是从返青期至拔节期，在这时期D3处理的黑麦Pn增长幅度达到79.56%，说明D3处理此阶段群体光合转化率最高，光合能力最强。

表3 不同密度处理下黑麦光合参数 Table 3 Photosynthesis parameters of rye under different densities

不同小写字母表示各处理间差异达5%显著水平，大写字母表示同一密度处理不同生育时期间差异达5%显著水平。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.

黑麦叶片气孔导度(Gs)随着生育进程的推进，呈先上升后下降再上升的趋势，并在拔节期与抽穗期达到最高。Gs最大值出现在抽穗期D1密度。从返青期到拔节期，各密度黑麦叶片Gs增幅达到最大，其中D3密度的增幅最高，为299.5%，D4密度的增幅最低，为197.5%。在拔节期与开花期，D3密度下黑麦叶片Gs值达到最大，显著高于其他密度，此时，叶片的气孔开度较大，更有利于气体交换。同时，通过观察黑麦整体Gs值表现可以看出，较低密度更有利于黑麦叶片Gs值的提高，有利于细胞间气体流通。

蒸腾速率(Tr)变化呈先上升后下降的趋势，黑麦整体Tr值在开花期达到最大，返青期与成熟期达到最低。在开花期，D1密度的Tr达到最大值，显著高于D3、D4、D5密度。从拔节期到孕穗期D1、D2、D3密度处理的Tr值增幅分别为60.85%、53.36%、52.66%；从孕穗期到开花期分别为40.44%、39.52%、33.19%。

黑麦叶片胞间CO2浓度(Ci)的变化呈抛物线趋势，在开花期达到最高峰，成熟期为最低(表3)。在各生育时期，黑麦叶片的Ci随密度的增大而降低，并在D1密度达到最大。从开花期到成熟期，D3密度的Ci值下降幅度最大，为34.16%。

2.4 不同密度处理间黑麦叶绿素荧光参数的差异

2.4.1最大荧光产量(Fm)的差异Fm是为暗适应状态下的最大荧光产量。随生育时期的推进，不同密度下黑麦Fm变化呈M型走势，黑麦整体Fm值在拔节期达到最大，成熟期为最小(图2)。在黑麦各生育时期，随着密度的增加，Fm呈下降趋势，D1、D2、D3密度之间Fm差异较小，均显著高于D4、D5密度，D1密度在拔节期达到最大。说明在低种植密度下，叶绿素功能会保持较强的水平。从返青期到拔节期，D3密度的Fm增长幅度最大，D5密度增长幅度最小；从拔节期到孕穗期，黑麦整体Fm下降幅度较大，D2密度下降幅度最小；从孕穗期到抽穗期黑麦整体Fm有提升，但提升幅度较小；抽穗期后，黑麦Fm呈逐渐下降趋势。

图2 不同密度处理下黑麦最大荧光产量(Fm)Fig.2 Fm value of rye under different densities

2.4.2最大光化学效率(Fv/Fm)的差异Fv/Fm是最大光化学效率，可以反映植物的光合潜能。如图3所示，黑麦返青期至孕穗期，各密度之间Fv/Fm差异较小；从抽穗期开始，各密度之间差异开始明显；开花期至成熟期，D1、D2、D3密度Fv/Fm显著高于D4、D5密度，且D1密度在开花期达到最大；抽穗后，黑麦部分处理叶片Fv/Fm出现下降趋势，开花期到成熟期，叶片Fv/Fm下降幅度明显变大。

2.4.3实际光化学效率(ΦPSⅡ)的差异ΦPSⅡ是光系统Ⅱ光合电子传递速率，反映了植物光系统Ⅱ捕获光能的效率。如图4所示，各密度处理ΦPSⅡ随着黑麦的生长，呈现逐渐升高后降低的趋势。各生育时期之间，最大实际光化学效率差异显著，并在开花期达到最大，成熟期为最小。其中从孕穗期到抽穗期，各密度处理ΦPSⅡ增长幅度均最大。在所观测各个生育时期，ΦPSⅡ在D1、D2、D3密度之间差异不显著，D4、D5密度的ΦPSⅡ显著低于D1、D2、D3密度。在D3种植密度下，其光化学系统并没有受到较大抑制，当密度升到D4，其ΦPSⅡ较D3显著下降。可以发现，在低密度下，黑麦将光能转化为化学能的能力较强。

2.4.4光化学淬灭系数(qP)的差异qP是光化学淬灭系数，在一定程度上反映PSⅡ中心开放程度。qP随生育期进程的推进呈逐渐下降的趋势，在成熟期降到最低(图5)。qP最大值出现在返青期的D1密度。返青期时，各密度间qP差异较小；从拔节期开始，D4、D5密度qP快速下降，且随着生育时期的进行，下降幅度变大。D1密度的qP一直较大，显著高于D4、D5密度，与D2密度无显著差异。表明密度在D1、D2下，黑麦光系统的光合活性大，且随着密度的增大，PSⅡ电子传递活性减小。

2.4.5非光化学淬灭系数(qN)的差异qN是非光化学淬灭系数，反映了植物将过剩光能耗散为热的能力。从返青至抽穗各密度黑麦叶片qN随生育期变化幅度较小(图6)。抽穗后， D3、D4、D5密度叶片qN显著升高， 且随着群体生长增长幅度变大；D1、D2变化幅度不大，显著低于D3、D4、D5密度。qN最大值出现在成熟期的D5密度。同一密度qN值在各生育时期之间差异显著，开花后，各密度qN的升高与叶片衰老和光抑制现象有关。随着密度增大，qN显著升高，用于发生光化学反应的光能大量减少，热耗散变化更加明显。

图3 不同密度处理下黑麦最大光化学效率(Fv/Fm)Fig.3 Fv/Fm value of rye under different densities

图4 不同密度处理下黑麦实际光化学效率(ΦPSⅡ) Fig.4 ΦPSⅡ value of rye under different densities

图5 不同密度处理下黑麦光化学淬灭系数(qP) Fig.5 qP value of rye under different densities

图6 不同密度处理下黑麦非光化学淬灭系数(qN) Fig.6 qN value of rye under different densities

2.5 不同密度处理间黑麦生物产量差异

由表4可知，黑麦生物产量表现为D2>D3>D1>D4>D5，在D2密度下达到最大值，显著高于其他密度；D5密度最小，鲜草、干草产量均显著低于其他处理。

表4 不同密度处理下黑麦生物产量 Table 4 Biomass of rye under different densities (kg·hm-2)

3 讨论

种植密度是通过调节植物叶片间通风透光性与受光面积，进而影响植物的光合作用。在光合作用过程中，叶绿素对光能的吸收、传递与转化起到重要作用，其含量的高低在一定程度上决定光合速率的大小[22-24]。叶绿素含量越高，植物叶片的光合功能期越长，植物衰老越慢[25]。本研究中，叶片SPAD值随着种植密度的增加而下降，说明密度过高会造成叶绿素含量降低，影响叶片光合作用，加速叶片衰老。蒋进等[26]在种植密度与施肥量对小麦叶绿素含量影响的研究中表明，随着种植密度的增大，叶片叶绿素含量降低，本研究结果与此类似。郎有忠等[27]在水稻研究中也发现群体密度越大，叶绿素含量越低。黑麦整体SPAD值在抽穗期达到最大，表明黑麦在抽穗期叶片光合能力较强。从抽穗期到成熟期，叶片SPAD值迅速下降，且高密度下降幅度大于低密度，说明高密度会加速叶片衰老。在低密度下，叶片之间通风透光性较好，光合作用效率较高，有利于维持生育后期较强的光合能力，有利于产量的形成，这与马建辉等[28]在对氮肥与密度对小麦光合特性影响中的结论一致。

叶片的净光合速率是反映植物光合能力及光合特性的直接指标，较高的叶片表观净光合速率是作物高产的基础[29]。本研究结果表明，随着密度的增加，净光合速率呈下降趋势。这一结论与张宏芝等[30]关于小麦旗叶净光合速率随着密度增大而降低的结果相类似。陈根云等[31]在研究净光合速率与胞间CO2浓度的关系时，发现净光合速率的增高与胞间CO2浓度的增高有关。在本研究中，胞间CO2浓度与净光合速率均随着密度的增加而下降，两者呈正相关。叶片气孔导度在拔节期与抽穗期达到最大值，这与邵玉伟等[11]的研究结果相近。有研究认为，气孔导度在拔节期达到最大，是因为冬小麦在拔节期营养生长加剧，干物质积累增加，有利于灌浆期小麦干物质转化率的提高[32]，因此气孔导度维持较高水平，有利于细胞内CO2浓度满足光合作用的需求。

叶绿素荧光动力学技术是以叶绿素荧光作为天然探针，研究并分析活体状态下植物的光合特性的技术，它可以反映PSⅡ对激发能利用和耗散情况[33-34]。植物吸收的光能主要用于光化学反应转化光能和非光化学热能耗散，叶绿素荧光淬灭的过程包括光化学反应以及热耗散变化[33]。本研究中Fm随着黑麦密度的增加而呈现逐渐减小的趋势，这与李晶等[35]研究密度对小黑麦的叶绿素荧光特性得到的结果相近。张宏芝等[30]、骆兰平等[36]研究均发现，增加小麦的种植密度，会造成PSⅡ光能转换效率以及Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP荧光参数数值的降低，qN值反而会升高，本试验结果与此一致。Fv/Fm在逆境胁迫下，通常小于0.75[37]。在黑麦生长发育前期，各密度间的Fv/Fm变化差异不大，说明虽然密度过大导致叶片在一定程度上受到了光抑制，但此时植物可以做出一定的适应性调节，随着生育时期的进行，叶片受光抑制程度逐渐增加，造成PSⅡ反应中心的破坏，光能利用率下降，叶绿素功能开始减弱，超出了叶片进行适应性调节的范围，Fv/Fm开始显著下降，并低于0.75；qP反映了PSⅡ系统吸收的光能用于光化学电子传递的份额，qN反映了以热能散失掉的部分[33]。在黑麦生长发育后期，qP明显下降，qN显著升高，表明为减轻光抑制对光合系统的影响，黑麦启动了PSⅡ热耗散的光保护机制[38]。刘俊祥等[39]在Cd2+胁迫下黑麦草叶绿素荧光特性的研究中表明，当黑麦发生Cd2+胁迫时，ΦPSⅡ有所下降，qP显著降低，qN显著升高，本研究结果与此一致。

种植密度是调控作物群体特征的重要途径之一，适宜的种植密度是提高作物产量和经济系数的关键[7]。许多研究表明，良好的群体结构有利于作物光合作用和群体内气体交换，直接提高作物产量[40-41]。对于越冬黑麦来说，过低密度种植，单株叶片光合能力强，但未形成群体优势，干物质累积效应不足，无法获得较高生物产量；密度过高，群体过大，造成遮挡郁闭，限制叶片光合能力，同化产物合成受到抑制。种植密度在基本苗为275×104株·hm-2时，生物产量达到最大，这是因为此密度下花前具有较强的光合能力，干物质积累达到最大，在一定程度上弥补了主茎数不足的劣势。只有在适宜的种植密度下才可获得较高生物产量。

合理的种植密度是促进产量形成的重要措施之一，优化群体种植结构是获得高产的基础。本研究发现较高的净光合速率、气孔导度、叶绿素含量以及适宜的叶绿素荧光参数对产量形成有一定的促进作用。作为饲用型麦草，生物产量主要依靠其分蘖数，在低密度下，黑麦单株分蘖数量多，有利于生物产量形成。因此，黑麦种植应该控制在一定的种植范围内，并实行配套的栽培措施，才能使黑麦发挥最大的光合潜能，达到高产。