不同种植密度下甘蓝型油菜光合生理特性的差异

赵小光，张耀文，陈文杰，张雅蕾，王竹云，赵兴忠，侯君利，王丽萍，张 新

(1.陕西省杂交油菜研究中心，陕西 杨凌 712100；2. 杨陵区高级中学生物教研室，陕西 杨凌 712100)

【研究意义】光合作用是地球上规模最大的太阳能转变为可贮存化学能的过程，也是规模最大的无机物合成为有机物并释放氧气的过程[1]，绿色植物依靠光合作用进行物质积累和生理代谢，是一切生命活动的基础[2]。光合速率是光合作用的重要体现，其高低与作物光合产物积累、产量潜力发挥以及品质优劣密切相关[3]。按理论推算，作物光能利用率可达4 %～5 %，但实际上高产品种对光能利用率也仅为0.5 %～1.0 %。若光能利用率提高1个百分点，作物产量可增加25 %～50 %，甚至更高[4-6]，因此，长期以来世界上许多国家都将提高作物光合能力的遗传改良作为重点来研究，明确了提高光合效率是作物育种的重要内容[7-8]。合理的作物群体结构可形成良好的冠层内光辐射分布，有利于提高光能利用率[9]，而改变栽培密度是调控群体特征的重要途径[10-11]。合理密植能有效地解决作物群体与个体之间的矛盾，构建出合理的群体结构，增大绿叶光辐射面积，从而提高作物群体对光能的利用率[12]，促进产量三要素的协调生长[13]，最终提高作物产量。【前人研究进展】油菜是通过群体生产来提高收获产量的，群体密度对油菜的生长发育和产量构成至关重要。多人研究表明，适当密植能通过提高群体角果数从而提高油菜的产量[14-16]，张晓龙等[17]认为，迟播油菜需适当增加密度以提高产量，密植对于增产效果比较明显。陈新军等[18]认为，随着种植密度的增加，虽然个体鲜重、叶面积指数和单株生产力较低，群体指标却呈上升趋势，但密度过高，单株有效角果数减少，单株生产力降低，且易倒伏。虽然有关油菜密度的研究报道较多，但是主要集中在种植密度对油菜农艺、品质和产量的影响上，而关于种植密度是如何影响油菜光合生理尚未见报道。【本研究切入点】本实验以甘蓝型油菜杂交种秦优7号为材料，重点分析了不同密度对光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量、绿叶面积以及干物质积累等光合生理指标的影响。【拟解决的关键问题】为油菜的株型构建、高光效选育、高产栽培及优化群体结构提供一定理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为甘蓝型油菜(Brassicanapus)杂交种“秦优7号”，由陕西省杂交油菜研究中心提供，实验于2016-2017年在陕西省杨凌示范区油菜试验基地进行。

1.2 试验设计

试验采用单因子随机区组设计，共设5个密度水平，分别为D1: 10万株·hm-2；D2: 20万株·hm-2；D3: 30万株·hm-2；D4: 40万株·hm-2；D5: 50万株·hm-2。每小区面积为12 m2，试验设3个重复，共计15个小区，每小区间隔1 m。播种前施用尿素225 kg·hm-2，二铵180 kg·hm-2，硫酸钾150 kg·hm-2，油渣750 kg·hm-2，田间管理措施均采用当地常规管理方法。

1.3 试验方法

1.3.1 绿叶面积 在初花期，每个密度水平下分别采取10株代表性样品，用打孔法测定单株所有绿叶面积，取平均数进行统计分析。

1.3.2 叶绿素测定 材料选取时期和标准同上，每材料选择倒2叶位短柄叶，每片叶子用叶绿素测定仪(SPAD502)均匀的取8个点进行测定，取平均数进行统计分析。

1.3.3 光合气体交换参数测定 材料选取时期同上，选择倒2叶位短柄叶，用Li-6400便携式光合作用测定仪测定，测定时选用6400-02B LED红蓝光源叶室，叶室内光照控制为1100 μmol·m-2·s-1；温度控制为25 ℃，测定时间为上午9：00-11：00，每个密度水平下测定10个单株。测定的指标有：净光合速率(Pnμmol·m-2·s-1),气孔导度(Gsmmol·m-2·s-1)，胞间CO2浓度(Ciμmol·mL-1)、蒸腾速率(Trmmol·m-2·s-1)，水分利用效率(WUE)按照WUE=Pn/Tr[19]进行计算，气孔限制值(Ls, %)按照Ls=1-Ci/Ca[20]进行计算。

1.3.4 干物质积累量 在油菜的终花期，每个密度水平下取10株代表性样品，清洗干净后按根、茎、叶等部位分别分样后于105 ℃条件下杀青30 min，然后在80 ℃条件下烘72 h 至恒重，然后称重，所有部位重量之和即为干物质积累量。

1.3.5 叶面积指数 在油菜的初花期，下午17：00过后，用美国LI-COR公司的LAI-2200冠层分析仪在田间对每个密度的小区进行测定，每小区重复测定3次。

1.3.6 光能截获率 在油菜的初花期，采用LI-COR公司的LAI-2200冠层分析仪分别测定每个小区冠层的顶部和基部的太阳光有效辐射量，按照公式: 群体太阳辐射截获率(%)= (顶部的太阳光总辐射量- 基部太阳光总辐射量)×100/顶部太阳光总辐射量[21]，每个小区测定3次。

1.3.7 可溶性糖与总蛋白含量 在初花期，每个密度水平选取10个单株，摘取第1叶位短柄叶，60 ℃烘干后研磨成粉末。可溶性糖的测定用蒽酮比色法[22]，总蛋白含量测定用凯氏定氮法[23]。

1.4 数据处理

所有数据用Excel 2003 整理后，用SPSS 11.5进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度下叶绿素含量和绿叶面积的变化

由图1可以看出，油菜的叶绿素含量随着种植密度逐渐下降，明显分成3个梯度，D1水平最高，D2和D3之间差异不显著，为一个梯度，D4和D5之间差异不显著，为一个梯度。当种植过稀时，油菜的营养体可以充分利用养分和光照进行叶绿素的合成，所以D1密度下叶绿素含量最高。当密度增加后，由于生存的竞争，叶绿素的合成会受到抑制，所以叶绿素含量会出现降低。尤其当浓度超过D4以后，植株之间遮阴比较明显，大部分叶片不能充分接收光照，叶绿素下降的比较明显，D5的叶绿素含量比D1降低了25.34 %。

图1 不同密度下叶绿素含量和绿叶面积的比较Fig.1 Comparison of chlorophyll content and green leaf area under different densities

绿叶面积随密度的变化表现出先升后降的趋势，D1和D2之间差异不显著，当密度达到D3时候绿叶面积最高，然后随着密度的增加绿叶面积下降的较为明显，D5的绿叶面积比D3降低了33.29 %。当种植密度较低的时候，随着密度的增加，油菜单株为了获取更多的空间资源来进行光合，叶片的面积也在逐渐增大。然而当密度超过D3以后，由于植株之间距离较近，严重阻碍了植株的生长，所以叶面积开始出现明显的下降趋势。

2.2 不同种植密度下叶面积指数和光能截获率的变化

从图2可以看出，油菜的叶面积指数在不同种植密度下差异较大。在D1密度下，叶面积指数仅为1.028，当密度分别增加到D3和D4时候，叶面积指数为2.447和2.449，比D1密度提高了1倍多；当密度增加到D5时候，叶面积指数升高为4.221，比D1密度提高了3倍多，表明密度对叶面积指数的影响十分明显，极大的影响了油菜的营养体的生长发育和株型的建成。光能截获率随密度的变化趋势与叶面积指数基本一致，在密度较低时候光能截获率不到50 %，使光能较多的辐射到了地面上，造成了较大的浪费。当密度从D2增长到D4时候，光能截获率的增长比较缓慢，仅从69 %增长到了75 %。当密度增长到D5时候，光能截获率为90 %，表明此时的油菜植株已相当密集，很少有光照能够辐射到油菜群体的底层。

2.3 不同种植密度下光气体交换合参数的变化

从表1可以看出，油菜的各个光合气体交换参数对密度的响应变化差异较大。净光合速率、气孔导度、蒸腾速率3者随密度的变化趋势一致，在低密度的时候，3个光合参数均随着密度的升高而升高，当密度超过D2以后，又都随着密度的增加而降低。所以在适当的密度范围内，油菜的光合能力是与密度成正相关的。胞间CO2浓度随着密度的增加一直在升高，可能是由于密度增加后，油菜群体的CO2释放量增加以及个体的光合能力降低综合作用的结果。水分利用效率和气孔限制值的变化与胞间CO2浓度相反，随着密度的增加一直处于下降的趋势。

图2 不同密度下叶面积指数和光能截获率的比较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气体交换参数的比较

2.4 不同种植密度下干物质积累量的变化

干物质积累量是衡量作物群体生产性能高低的主要指标，也是反映作物光合能力的最终指标。从图3可以看出，油菜单株的干物质积累量随密度的增加一直在下降，两者成负相关。由于种植密度的增加，油菜的光合能力在下降，同时单株的生存空间也在变小，所以单株的光合物质积累量反而降低。然而，油菜是靠群体来获得生物学产量和经济产量的，从表中可以看出，在小区的范围内，群体干物质积累量与单株干物质积累量变化完全相反，一直处于增加的趋势。种植密度从D1增加到 D5，单株干物质积累量降低了31.42 %，而群体干物质积累量则提高了242.92 %。

2.5 不同种植密度下可溶性糖含量和总蛋白含量的变化

可溶性糖既是高等植物的主要光合产物，又是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式，在植物碳代谢中占重要位置[24]，与植物的抗寒、抗旱等抗逆性密切相关[25]。从图4可以看出,油菜叶片可溶性糖含量随密度的升高一直在下降,表明随着密度的增高,油菜的抗逆性有所降低。所以在密植的条件下，应严格控制水肥条件，防止油菜的生长受到外界气候的不良影响。蛋白质是植物细胞和组织的主要组成部分，也是生物体进行生命活动所依赖的物质基础[26]，叶片总蛋白含量的高低既影响叶片的生长发育，也会影响叶片的光合与呼吸作用。从图中可以看出，叶片的总蛋白含量在不同密度水平下差异较小，其数值范围为29.20 %～31.98 %，总体趋势先升后降，在D3密度下总蛋白含量最高，超过这个密度以后，叶片的正常功能会受到影响。

图3 不同密度下干物质积累量的比较Fig.3 Comparison of dry matter accumulation at different densities

图4 不同密度下可溶性糖含量和总蛋白含量的比较Fig.4 Comparison of soluble sugar content and total protein content under different densities

3 讨 论

合理的油菜群体结构是决定最终产量的关键，而采取适宜的栽培密度是调节群体结构的重要途径。本实验对不同密度下油菜的光合气体交换参数、叶绿素浓度、绿叶面积、叶面积指数等指标进行了比较分析, 探讨密度对油菜光合生理的影响, 从而为油菜优质高产提供适宜的光合体系。在本研究中，随着油菜种植密度的增加，油菜单株的绿叶面积和叶绿素浓度并没有随之相应的提高，叶绿素浓度甚至一直处于下降中；叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率在种植密度超过D2以后便出现下降的趋势，水分利用效率和气孔限制值则随着密度的增加一直下降。表明油菜单株的光合能力与密度成负相关，这主要是因为高密度处理下群体之间通风和透光率差，个体间营养和生存空间竞争激烈，最终单株接收光照不充分所致。同时，随着密度的增加，可溶性糖含量也在不断的下降，使油菜个体的抗逆能力减弱，很容易受到自然灾害的侵袭。

油菜作为群体生长的作物，群体光能利用率更能反映其光合能力的强弱。叶面积指数的大小和动态直接影响作物冠层光截获，通过合理密植塑造适宜群体结构是作物高产稳产的基础[27]。本研究表明，随着油菜种植密度的增加，叶面积指数和光能截获率都伴随着增高，油菜群体冠层对光的接收能力明显增强，光能较少的辐射到地表土层中，有效的提高了光能的吸收率，降低了光能的损耗。群体干物质积累量是由单株干物质积累量和作物生长密度决定的,虽然随着密度的增高，单株干物质积累性一直在下降，但是高密度处理下单位面积上植株个体增多, 群体的总干物质积累量最终得到了明显提高，为作物的高产提供了有力的“库”的保障。

适宜的种植密度有利于缓解植株个体和群体之间的矛盾，通过构建合理的群体结构，从而达到增产的目的。前人通过对农艺性状的研究表明，在一定范围内，油菜移栽密度的增加能有效提群体角果数，从而获得高产和高产油量。因此，进行油菜种植时既要考虑群体的光能利用率，也要考虑单株个体的光合能力，针对不同的品种和株型探索出相应的合理密度范围，最大限度发挥光合潜力，从而提高生物学产量和经济产量。在今后的油菜育种中，油菜的高效光合应与其生理功能、经济性状和抗逆性配合，通过合理的栽培管理措施充分发挥其光合生产潜力，延长高光合持续期和延缓光合功能衰退来调节油菜的光合机能，提高光合同化产物的积累和转化，促使产量和含油量提高。

4 结 论

从以上分析可以看出，油菜的种植密度对各光合生理指标影响不同。叶片叶绿素含量随着种植密度的增加一直下降，绿叶面积在30万株·hm-2达到最高；叶面积指数和光能截获率均随着种植密度的增加一直升高；净光合速率、气孔导度和蒸腾速率这3个气体交换参数在密度20万株·hm-2时最高，而水分利用效率和气孔限制值则随着密度的增加一直下降；油菜单株干物质积累量随着密度增加而下降，而群体干物质积累量则随着密度增加而升高；可溶性糖含量随密度的增加而下降，总蛋白含量在30万株·hm-2时候达到最高水平。所以在实际应用中，应根据育种方向和生产需求选取合理的密度进行种植，本研究为甘蓝型油菜的高光效育种和高产栽培提供了重要的参考。