多样性混合间栽模式对水稻光合作用的影响

2021-12-14尚刚林张文龙李德雄苏正亮李勇成王云月韩光煜

西南农业学报 2021年10期

何平，杨楠，尚刚林，张文龙，李德雄，张锐，苏正亮，李勇成，王云月，韩光煜*

(1.云南农业大学植物保护学院/农业生物多样性与病害控制教育部重点实验室，云南昆明 650201；2.红河州农业科学研究院，云南蒙自 661100)

【研究意义】通过开展多样性混合间栽模式下水稻的光合作用研究，不仅可以探索间栽模式中遮光对水稻的生长发育造成的影响，而且有助于探究间栽模式中微生态环境对病害控制的效应，为多样性混合间栽的进一步推广应用提供有利依据。【前人研究进展】水稻是重要的粮食作物，为全球30亿人口提供主食[1]，水稻稻瘟病是由稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)引起的真菌性病害，全球每年因稻瘟病造成的产量损失占到总产量的10%～15%[2-3]。在中国，稻瘟病的年发病面积在380万hm2以上，而且呈逐年增长的趋势，严重影响着水稻生产[4]。利用水稻多样性混合间栽模式控制稻瘟病是一种有效的生态防控措施，其主要以丰富的生物多样性为基础，利用生物之间的相互作用使得光、温、水和养分资源得到合理利用，病害得到有效控制，从而减少农药、化肥的使用[5-9]。水稻属于喜阳作物，水稻干物质的积累90%直接来源于光合作用，水稻在遮光条件下会引起光合产物运输受阻、叶片的净光合速率下降，水分利用率降低，从而造成产量损失[10-12]。【本研究切入点】多样性混合间栽模式中，间栽的组合品种间的株高有所差异，形成了高矮相间的立体株群，可能会使得高杆植株与矮杆植株之间存在不同程度的遮荫。但多样性混合间栽模式是否对水稻光合作用造成影响还不清楚。因此选取推广应用较广的2个水稻组配品种，开展田间受控试验，分别测定净栽模式和间栽模式下的SPAD值和光合特征指标值，探究多样性混合间栽模式下水稻光合变化情况。【拟解决的关键问题】探明多样性混合间栽模式对水稻光合作用的影响，为多样性混合间栽模式的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年4—10月在云南省红河州建水县高营村进行，选用遗传分化指数较高的组配品种冈优157(主栽品种)和黄壳糯(间栽品种)。试验设置多样性混合间栽模式(Mix)和净栽模式(Mono) 2种栽培方式，具体分为：①多样性混合间栽模式，即水稻主栽品种和间栽品种混合种植，主栽品种每2行为1组，共8组，组内行距15 cm，组间行距为30 cm，株距为15 cm，每2组的中间1行种植间栽品种，其中靠近间栽品种(Mix-HKN)的主栽品种称为里行(Mix-in GY157)，另外1行为边行(Mix-out GY157)；②净栽模式，即主栽品种(Mono-GY157)和间栽品种(Mono-HKN)单独种植，2个品种分别每2行为1组，共4组，组内行距15 cm，组间行距为30 cm，株距为15 cm。试验采用完全随机区组设计，重复3次，整个田块四周设置4行保护行(图1)。试验区的水肥管理按照当地措施，只防治虫害不防治病害。各处理的田间管理保持一致。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 光合指标的测定于水稻灌浆期进行，使用德国WALZ公司荧光测量系统GFS-3000光合仪测定水稻剑叶中部的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度等，光源光强设置为1000 μmol/(m2·s)，设定叶室温度30 ℃，空气相对湿度50%，每个小区选取3片生长相近，有代表性的水稻剑叶，每片叶重复测定3次，取平均值作为该叶的光合指标值，共测定3个小区。

1.2.2 叶绿素相对含量SPAD值的测定与光合指标测定同日进行测定，使用叶绿素仪SPAD-502测定水稻剑叶上中下3个部位SPAD，取测定叶位平均值作为该叶的SPAD值，每个小区选取长势相近的5株水稻，取其平均值作为该小区的水稻剑叶SPAD值，共测定3个小区。

1.2.3 水分利用率水分利用率(WUE)用净光合速率 (Pn) 与蒸腾速率 (Tr) 的比值来表示:WUE=Pn/Tr。

1.2.4 株高和分蘖数调查于分蘖末期进行分蘖数调查，每个处理采用Z字5点取样法，每个点取10丛，共50丛；于齐穗期进行株高测定，每个小区随机取样，调查30株株高，记录数据。

1.2.5 产量测定产量测定为单株产量测定，每个小区采用随机取样30株，每株收割后去掉空扁粒晒干称量，每个品种在2种种植模式下按照每个小区相同种植密度折算公顷产量，最后取平均值记录。

1.2.6 穗颈瘟调查参试品种稻瘟病病害田间发生情况调查采用Z字5点取样法，每个点取10丛，共50丛。于黄熟期开展稻瘟病(穗颈瘟)调查，记录并计算病害发病率和病情指数[3]。

1.3 数据处理和统计分析

用Microsoft Excel 2016进行数据基础处理，采用ORIGIN 2018进行图表绘制和SPSS 18.0进行显著性统计分析。2组间比较选用独立样本t检验，多组间比较采用单因素方差分析，采用LSD法进行差异性显著分析，P<0.05为显著，P< 0.01为极显著。

2 结果与分析

2.1 多样性混合间栽模式下水稻叶绿素含量SPAD值的测定

SPAD值是衡量植株叶绿素相对含量和代表植物绿色程度的参数，水稻叶绿素含量与SPAD值具有显著的正相关性。对2个水稻组配品种分别在多样性混合间栽模式和净栽模式下，进行SPAD值测定，结果表明，多样性混合间栽种植模式下主栽品种冈优157里行的SPAD值显著高于边行和其在净栽种植模式的处理(P<0.05)，多样性混合间栽模式2个处理(里行和边行)的SPAD值都高于净栽模式，上升幅度分别为1.91%和7.64%；对于间栽品种黄壳糯，其在多样性混合间栽种植模式下的SPAD值高于净栽模式，上升幅度为2.87%，但无显著差异(图2)。以上结果表明，多样性混合间栽模式下主栽品种冈优157里行的叶绿素相对含量显著高于边行和净栽模式，而对间栽品种无显著影响。

2.2 多样性混合间栽模式下水稻光合特征指标值的测定

对2个水稻组配品种在多样性混合间栽模式和净栽模式下进行4个光合指标的测定，结果表明，冈优157在多样性混合间栽模式下，里行的净光合速率(Pn)显著低于净栽模式，下降幅度为14.36%，边行的净光合速率相比于净栽下降7.74%，但差异不显著；对于间栽品种黄壳糯，其在多样性混合间栽模式下的净光合速率低于净栽模式2.30%，但差异不显著。冈优157在多样性混合间栽模式下的蒸腾速率(Tr)相对于净栽模式分别下降9.00%(边行)和6.54%(里行)，而黄壳糯在多样性混合间栽相比于净栽模式下降2.81%，均未达显著性差异；多样性混合间栽模式下冈优157的气孔导度(Gs)均低于净栽模式，分别下降14.91%(边行)和9.75%(里行)，黄壳糯在多样性混合间栽模式下下降7.38%，但均无显著性差异；胞间CO2浓度(Ci)，冈优157在多样性混合间栽模式下的边行和里行比Mono-GY157分别上升1.88%和3.31%，多样性混合间栽模式下的黄壳糯则高于净栽模式的2.59%，均未达显著性差异(表1)。以上结果表明，冈优157(里行)在多样性混合间栽模式下的净光合速率显著降低，蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度在各处理均无显著差异；黄壳糯在2种种植模式下的光合特征值均无显著变化。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。Mono-GY157表示净栽下冈优157，Mix-out GY157表示多样性混合间栽下冈优157的边行，Mix-in GY157表示多样性混合间栽下冈优157的里行，Mono-HKN表示净栽下黄壳糯，Mix-HKN表示多样性混合间栽下的黄壳糯。下同 Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05).Mono-GY157 represents the mono-planting of Gangyou-157.Mix-out GY157 represents the outer line of the diversity mixed-planting of Gangyou-157.Mix-in GY157 represents the inner line of the diversity mixed-planting of Gangyou-157.Mono-HKN represents the mono-planting of Huangkenuo,and Mix-HKN represents the diversity mixed-planting of Huangkenuo.The same as below图2 2个组配水稻品种在不同栽培模式下的SPAD值Fig.2 SPAD values of two varieties in different cultivation modes

2.3 多样性混合间栽模式对水稻水分利用率的影响

对两个组配水稻品种在多样性混合间栽模式和净栽模式下进行了水分利用率(WUE)分析，结果表明，多样性混合间栽模式下，冈优157在里行的水分利用率为1.57 μmol/mmol，低于净栽模式，下降幅度为7.65%，冈优157在边行的水分利用率为1.74 μmol/mmol，高于净栽的处理，上升2.35%；多样性混合间栽模式下黄壳糯的水分利用率为2.14 μmol/mmol，较净栽模式下降1.38%，均无显著性差异(图3)。以上结果表明，相比于净栽模式，冈优157(里行)和黄壳糯在多样性混合间栽模式下的水分利用率呈下降趋势，冈优157(边行)呈上升趋势，均无显著差异。

2.4 多样性混合间栽模式下水稻稻瘟病发生情况及农艺性状

选取遗传分化指数较高的2个组配水稻品种，在多样性混合间栽模式和净栽模式下进行稻瘟病发生情况和农艺性状的调查分析，结果表明，冈优157的发病率和病情指数在多样性混合间栽种植模式与净栽模式无显著性差异，且均为轻发生；黄壳糯在多样性混合间栽种植模式下的发病率(11.91%)显著(P<0.01)低于净栽种植模式(67.91%)，其病情指数(2.79)同样显著低于净栽模式(43.65)。冈优157的株高和分蘖数在多样性混合间栽种植模式与净栽模式均无显著性差异，而黄壳糯的株高和分蘖数在多样性混合间栽模式则显著低于净栽，其中株高下降8.64%，分蘖数下降27.79%。在多样性混合间栽种植模式下冈优157的折合产量(7.71 t/hm2)高于其在净栽的产量(7.52 t/hm2)，但无显著性差异；在多样性混合间栽种植模式下黄壳糯的折合产量(6.23 t/hm2)显著高于其在净栽时的产量(4.50 t/hm2，表2)。以上结果显示，黄壳糯间栽的稻瘟病病情指数、发病率、株高和分蘖数均显著下降，冈优157则无显著变化。在多样性混合间栽种植模式下黄壳糯产量显著提高，冈优157产量有提高但差异不显著。

图3 2个组配水稻品种在不同栽培模式下的水分利用率Fig.3 Water use efficiency of two varieties in different cultivation modes

表1 2个组配水稻品种在不同栽培模式下的光合指标

表2 2个组配水稻品种在不同栽培模式下的穗颈瘟发病情况及农艺性状

3 讨论

3.1 多样性混合间栽模式对水稻稻瘟病发生和产量的影响

多样性混合间栽模式对水稻稻瘟病具有很好的防治效果，间栽模式下黄壳糯的稻瘟病发病率和病情指数均极显著下降，而主栽品种冈优157无明显差异，显示出高遗传分化指数的组配品种对稻瘟病具有很好的控制效果，对当地推广多样性种植具有一定的指导意义。水稻病害的发生对产量造成很大的影响，稻瘟病造成水稻白穗、空壳，发生越重，产量损失越大[3]；分蘖数是衡量产量高低的重要指标，分蘖数越多产量越高[13]。间栽模式下黄壳糯病害显著降低，但株高和分蘖数也显著降低，可能是由于黄壳糯在多样性混合间栽种植模式下作物抗病性大幅提高，会导致其他农艺性状表现下降。而主栽品种冈优157由于自身具有较高的抗逆性，在光合速率下降时，可以通过提高叶绿素含量来维持正常的光合速率，因此其他农艺性状并未受到较大的影响。多样性混合间栽模式下间栽品种黄壳糯的产量显著高于净栽模式，但是在多样性混合间栽模式下其病害显著降低，可以看出通过多样性混合间栽可以通过减少病害和调节其他性状等方式从而达到增产的效果。

3.2 多样性混合间栽模式对光合作用的影响

光合作用是水稻干物质积累的主要来源，通过提高光能利用率能有效提高产量[14]。叶绿素含量、叶片的胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和净光合速率是反应植物光合作用的重要指标值[15-16]。叶绿素含量高低直接影响叶片光合作用的能力，水稻在生育后期(乳熟期)不同叶位均会维持较高的净光合速率，且具有较高的SPAD值、气孔导度和蒸腾速率，使植株维持较高的光合生产潜力[17]。植株在遮光后，叶绿素含量会显著上升，而叶片的光合速率会显著降低[15]。研究表明在多样性混合间栽模式下冈优157除胞间CO2浓度上升外，蒸腾速率、气孔导度和净光合速率均有不同程度下降，其中净光合速率显著低于净栽模式，然而间栽模式下冈优157的SPAD值则显著升高；间栽品种的各光合指标则在2种栽培模式下无明显差异。间栽模式下由于2个组配品种存在株高差异，造成一定程度的遮荫，冈优157的净光合速率受到抑制，因此，究其原因可能是通过升高叶绿素含量，降低蒸腾速率，降低气孔导度，从而减少水分流失，维持正常的光合作用。

3.3 多样性混合间栽模式对光合作用影响的机制研究

多样性混合间栽模式如何通过间栽品种之间的微生态以及分子机制调控植物光合作用尚未明确。虽然选择了遗传分化指数较高，即稻瘟病控制较好的2个组配品种，但是稻瘟病发生为害情况和产量以及光合作用三者之间的关系还待验证。微生物是作物重要的微生态环境影响因素，它们可以通过分泌自身的代谢产物影响植株生长发育，也可以通过诱导植株自身产生更强的抗逆性，反之，不同植株以及植株间所处的环境差异也会影响微生物的定殖和多样性[18-20]，有关多样性混合间栽在不同光合条件下品种的微生物多样性差异是值得研究的内容。