紫花苜蓿/燕麦间作的光合特征及其对产量的调控效应

杨 航，赵雅姣，刘晓静

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

光能作为光合作用能量转化的来源，光能利用的高低决定着农业生产效率的高低[1]。若要实现农业的可持续性和高效性，扩大单位面积下的光合吸收面积及延长单位时间内的光合利用时间是提高农业生产效率的有效措施[2]。间作对于提高光能的利用以及单位面积产量具有明显的优势。合理的间作可以使作物在空间和时间上形成生态位互补，进而优化间作系统中作物的冠层结构来增加光合吸收面积，同时利用间作系统中作物生育期差异来延长光合利用时间，最终实现间作系统的高产和优质[3]。例如，花生(ArachishypogaeaLinn.)/玉米(ZeamaysL.)间作及蚕豆(ViciafabaL.)/小麦(TriticumaestivumL.)间作较相应的单作均提高了其光能截取率及光合作用[4,5]；花生/谷子间作时，间作花生光能利用率较其单作显著升高，而谷子无显著变化[6]。虽然已有研究探索了已对间作组合下作物光合特性，但是不同间作组合中作物的生态位、叶片形态、生育期等使其对光能的吸收和转化效率尚不明晰，因此，针对不同的间作组合仿佛进一步对其光合特性进行研究。

间作中，作物的光合作用直接决定着碳代谢的强弱，最终反映生产性能的高低，这是由于间作中作物间的相互遮挡使其吸收到不同程度的短/长波光线，导致光合利用率不同，从而引起了产量不同[7]。胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率和净光合速率是反应作物光合作用的重要指标。在玉米/花生间作中，花生作为相对较矮的作物使其处于弱光条件下，因而花生净光合速率和气孔导度也较其单作下降[8]，而玉米作为相对较高的作物，其优势主要来源于间作中净光合速率的提高，因而其产量也较高[9]。焦念元等[10]认为，在间作中相对较高的作物较其单作可利用空间变大，光合作用增强，尤其在在强光下其光合速率明显提高。叶绿素在光合作用中参与了光能的吸收、转化和传递，在植物光合作用起决定性作用[11]。同时，叶绿素含量的高低在某种程度上也促进了有机物的合成与积累[12]。间作中，由于作物的地上部具有不同的生长空间，进而影响了叶绿素含量的高低[13]。焦念元等[14]在玉米/花生间作模式也中发现，与单作相比，间作可以明显增加花生叶片中叶绿素b含量，降低叶绿素a/b值(表示植物对弱光的利用和捕获的能力)，提高其在弱光条件下的光合速率，进而使花生的光合作用增强。因此，光合气体交换参数及光合色素均可直接反应间作中作物的光合特性[15]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)和燕麦(HordeumvulgareL.)是我国西北地区主要种植和推广的优质牧草。紫花苜蓿作为最重要的多年生豆科牧草之一，不仅营养丰富，且单位面积产量高，可多年连续收割[16]。燕麦是我国高寒地区家畜的主要饲料，具有适口性好、抗逆性强等特点，其种植面积曾一度仅次于水稻(OryzasativaL.)、小麦、玉米而位居第四位[17]。紫花苜蓿在全年具有较长的生长周期，而燕麦在全年中生长周期为100 d左右，故而将紫花苜蓿和燕麦间作，可利用其生长的空间和时间差，提高种间互补对光能资源的利用，是一种较好的间作组合。目前，关于紫花苜蓿/燕麦间作下，光合因素对其产量优势形成的研究鲜见报道。为探明间作对紫花苜蓿和燕麦的光合特性的影响以及间作下影响紫花苜蓿和燕麦各自产量变化的光合因素，本研究对紫花苜蓿/燕麦作间作下紫花苜蓿和燕麦的产量、光合色素、光合气体交换参数以及碳代谢关键酶进行测定和分析，为实现我国西北地区这一种植模式的高产优质提供参考。

1 研究材料与方法

1.1 试验地概况

该试验位于甘肃省兰州市(36°03′N，103°40′E，海拔1 525 m)，试验地为温带大陆性气候、半干旱地区(年平均降水量360 mm，年平均气温10.3℃，平均日照时数2 600 h)。土壤为灰钙土。试验种植前土壤肥力指标：pH 8.23，有机质含量12.23 g·kg-1，全氮含量0.81 g·kg-1，碱解氮71.24 mg·kg-1，有效磷14.22 mg·kg-1，速效钾98.12 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试紫花苜蓿品种为‘LW 6010’，燕麦品种为‘海威’。紫花苜蓿由甘肃农业大学提供，燕麦由克劳沃公司提供。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计。试验设紫花苜蓿单作、燕麦单作、紫花苜蓿/燕麦间作3种种植模式，每个种植模式的小区面积为242(4.8 m×5 m)，每个种植模式重复3次。紫花苜蓿(播量：15 kg·hm-2)和燕麦(播量：225 kg·hm-2)均为条播，行距为20 cm；紫花苜蓿和燕麦间作时，燕麦与紫花苜蓿的行数比例为4∶4(图1)。磷肥和钾肥于紫花苜蓿播种前及每年返青前一次性施入，磷肥(P2O5)施量为105 kg·hm-2、钾肥(K2O)施量为90 kg·hm-2，田间常规管理。

图1 种植设计图

本试验为3年定点试验，试验于2016年9月下旬进行紫花苜蓿的种植，2017,2018,2019年的3月中旬进行燕麦的种植。紫花苜蓿每年刈割5次，燕麦每年刈割1次。本试验各指标于2017—2018年每年6月中旬进行(紫花苜蓿第二茬)，此时紫花苜蓿为初花期，燕麦为抽穗期。叶绿素含量、碳代谢关键酶活性、光合气体交换参数和碳水化合物含量的测定选取紫花苜蓿顶叶向下第3片完全展开的健康完整叶片和燕麦旗叶进行。测定碳关键酶活性时，应将功能叶片从植株上摘取后直接放进手提冰箱中，并且马上拿到实验室进行研磨和储存，确保酶活性的准确。

1.4 测试指标

1.4.1叶绿素含量测定 测定叶绿素(总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b)的含量是应用丙酮提取法[18]。

1.4.2气体交换参数的测定 进行胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和净光合速率(Pn)通过LI-6400XT光合作用测定仪(Li-cor公司，美国)测定。测定时间选择晴天上午9∶10-11∶10。

1.4.3碳代谢酶活性及碳水化合物 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性我们采用RuBP ELISA试剂盒(上海杰美科技有限公司)进行测定，单位是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来测定，单位是mg·g-1·h-1；而使用Somogyi法来测定碳水化合物的含量[19]。

1.4.4干草产量 齐地面刈割小区内所有植株的地上部分，称取得到鲜草产量，并将其置于自然条件下风干，待水分含量降至30%时，称取得到干草产量。

2 结果与分析

2.1 年总产量的变化

2017～2019年，紫花苜蓿单作的总产量和总蛋白产量显著大于间作，而燕麦间作的总产量和总蛋白产量显著大于单作(表1)。

表1 间作对叶绿素含量的影响

2.2 产量及株高的变化

图2可知，紫花苜蓿二茬产量在单作中显著高于其间作(P<0.05)。燕麦的产量表现为间作极显著高于其单作(P<0.01)，在2017，2018和2019年中分别提高了28%，25%，22%。相比较单作，紫花苜蓿的株高在互作中均有所下降，其中2017年和2019年表现为差异显著(P<0.05)。同时，燕麦在2017年和2018年时，燕麦株高在间作模式下非常明显高于其单作(P<0.01)，在2019年时明显高于其单作(P<0.05)，燕麦株高在间作下较其单作提高了16%～31%。

图2 不同种植方式下紫花苜蓿与燕麦单位面积产量及株高的变化

2.3 光合色素的变化

紫花苜蓿总叶绿素在3年中均表现为间作显著低于其单作(P<0.05)；燕麦总叶绿素在2017年是表现为间作显著大于其单作(P<0.05)，而在2018年和2019年时间作和单作差异不显著(表2)。紫花苜蓿叶绿素a在间作中极显著低于其间作(P<0.01)，而燕麦叶绿素a在2017年时间作显著高于单作(P<0.05)，其余年份均差异不显著。2017年和2018年中，叶绿素b在紫花苜蓿及燕麦的间作与单作中均差异不显著，而在2019年时紫花苜蓿和燕麦在间作下显著大于其单作(P<0.05)。

2.4 气体交换参数的变化

图3可知，Tr、Pn和Gs在3年中均表现为紫花苜蓿单作大于其间作，燕麦间作大于其单作，而Ci表现相反。在2017年时，燕麦的Tr在间作模式中显著高于其单作(P<0.05)。而紫花苜蓿在3年里，Pn和Gs均表现为间作明显小于其单作(P<0.05)，但燕麦在2017年时，Pn和Gs表现为间作显著大于其单作(P<0.05)。紫花苜蓿Ci在间作和单作中均表现差异显著(P<0.05)，同时2017年时，燕麦Ci在间作中显著大于其单作(P<0.05)，2018年和2019年时间作极显著大于其单作(P<0.01)。

图3 间作对气体交换参数的影响

2.5 碳水化合物及碳代谢相关酶的变化

图4可知，紫花苜蓿碳水化合物在间作和单作下表现为差异不显著，而燕麦碳水化合物则表现为2017年和2019年间作极显著大于单作，2018年是间作显著大于单作(P<0.05)。RuBP羧化酶活性则在紫花苜蓿和燕麦下均表现为单作显著大于相应的间作(P<0.05)。同时，SPS酶活性和SS酶活性在紫花苜蓿中表现为单作大于间作，燕麦为单作小于间作；其中，紫花苜蓿SPS在2017年和2019年时单作显著大于其间作(P<0.05)；燕麦SPS在2017年为间作显著大于单作(P<0.05)，在2018年和2019年时间作极显著大于其单作(P<0.01)。在2017年，SS酶活性在紫花苜蓿间作和单作下表现差异不显著，而燕麦中间作极显著大于单作(P<0.01)，在2018年和2019年紫花苜蓿SPS酶活性在单作下显著大于其间作，燕麦为间作显著大于其单作(P<0.05)。

图4 间作对碳代谢相关指标的影响

2.6 相关性

如图5可知，紫花苜蓿和燕麦各光合指标与其产量的相关性不同。紫花苜蓿中，产量与总叶绿素、叶绿素a、Gs以及RuBP羧化酶呈极显著正相关关系；而产量与叶绿素b呈极显著负相关关系；其中，总叶绿素和叶绿素a均与Tr，Pn，Gs以及RuBP羧化酶呈极显著正相关关系。同时，燕麦的产量与其株高和碳水化合物呈极显著正相关关系；而产量与Ci呈极显著负相关；同时株高与碳水化合物、碳水化合物与Tr，碳水化合物与Pn均呈极显著正相关关系。

图5 产量及光合相关因子的相关性

3 讨论

追求作物的产量是农业生产的最终目标，而明确产量的影响因素是其重要环节。本研究中，间作降低了紫花苜蓿的总产量和总蛋白产量，而提高了燕麦的总产量和总蛋白产量。同时，在紫花苜蓿与燕麦间作的茬次下的产量也发现了相同规律，这是于间作有利于高杆植物的生长，而不利于低杆植物的生长[20]。例如，在粮粮组合中，大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)/玉米间作中的玉米产量较其单作显著提高[21]；在草草组合中，燕麦/箭筈豌豆(ViciasativaL.)间作中燕麦饲草产量显著高于其单作[22]；在粮草组合中，紫花苜蓿/玉米间作下的玉米可显著提高其产量[23]；在林草组合中，紫花苜蓿/桑树间作可以增强桑树对强光的利用效率，表现出明显的产量优势。关于为何间作会对植物的产量产生影响，有研究认为间作中不同生态位的植物对光照吸收和利用效率不同，株高越高，光能利用越大，其产量也越高[24]。本研究中，紫花苜蓿在第一、三、四和五茬生长时，临边无燕麦生长，具有较好的光照条件，同时二茬紫花苜蓿与燕麦间作时，燕麦可以受到较好的光照条件，而紫花苜蓿光照条件较差。紫花苜蓿与燕麦间作时，二者的产量影响因子不同。影响紫花苜蓿产量的主要因素是总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、气孔导度和RuBP羧化酶，影响燕麦产量的主要因素是株高、碳水化合物和胞间CO2浓度。因此，本研究认为在紫花苜蓿/燕麦间作下光合因子对二者产量的影响方式不同，故因将影响紫花苜蓿和燕麦产量形成因素进分别探讨。

紫花苜蓿/燕麦间作下，燕麦的株高与其产量呈极显著正相关关系，而紫花苜蓿的株高与其产量呈显著正相关关系，说明株高对于燕麦产量的影响大于其对紫花苜蓿产量的影响。紫花苜蓿/燕麦间作中，燕麦为高杆牧草(100～130 cm)，紫花苜蓿为低杆牧草(60～70 cm)，因此燕麦具有生态位的优势。燕麦与紫花苜蓿株高差越大，其获得的光合面积也越大，而光合面积的增大对牧草产量具有直接的影响[25]，因此，株高对燕麦产量有着极显著的影响。紫花苜蓿/燕麦间作时，紫花苜蓿在生长过程中无论株高低与高，均会收到燕麦的遮挡，虽然较高的株高可增大紫花苜蓿的光合面积，但由于燕麦对其的遮挡，株高对紫花苜蓿二茬产量的影响较燕麦影响小。因此，株高对紫花苜蓿和燕麦的产量均有影响，且对燕麦的影响较对紫花苜蓿的影响更显著。

叶绿素作为光合色素，是植物吸收光能的关键，叶绿素含量的高低直接影响着植物光合作用的强度。紫花苜蓿/燕麦间作下，紫花苜蓿叶绿素a含量与总叶绿素含量均较其单作有所下降；而燕麦表现相反。叶绿素a和叶绿素b均是捕光色素复合体(LHcII)的重要组成部分，影响着光能的吸收、传递和转化[26]。由此可知，紫花苜蓿与燕麦间作时紫花苜蓿和燕麦由于光合色素的变化进而影响了光合作用的强弱。研究中，紫花苜蓿总叶绿素含量及叶绿素a含量与其二茬产量为极显著正相关关系，这是因为间作中的紫花苜蓿在生长过程中受燕麦的遮挡，导致紫花苜蓿对红光和蓝紫光的吸收减少，影响总叶绿素和叶绿素a的形成，并引起部分枝叶出现轻微的黄化现象，降低了紫花苜蓿的光合产物。同时，紫花苜蓿与燕麦间作时紫花苜蓿和燕麦的叶绿素b含量均有所上升，叶绿素b含量与紫花苜蓿二茬产量具有极显著的负相关关系，这可能是由于紫花苜蓿在遮阴条件下做出的防御措施，即通过提高了紫花苜蓿叶绿素b含量，进而改变叶绿素的构成，增强其对光能的捕获和转化能力，最终提高其光合作用。因此，间作对紫花苜蓿和燕麦的光合色素均产生了影响，且光合色素对紫花苜蓿产量的影响更为显著。

光合作用是植物能否正常生长的关键，蒸腾速率、气孔导度和净光合速率是光合作用强弱的重要指标[27]。燕麦间作时的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均都高于其单作，紫花苜蓿表现相反，这主要是因为间作中紫花苜蓿和燕麦地上部不同生态位造成的。同时，紫花苜蓿中光合速率和蒸腾速率均与其二茬产量呈显著正相关关系；燕麦中光合速率和蒸腾速率均与其碳水化合物极显著正相关关系，也进一步说明了间作降低了紫花苜蓿的光合作用，进而减低了其二茬产量；而燕麦可通过提高其光合作用来促进其减肥增效。胡志辉等[28]也证实了间作下不同物种形成了空间生态位的光能补偿，使群体形成“波式”冠层，进而使光合速率和蒸腾速率对产量产生显著影响。胞间CO2浓度是衡量光合作用的重要指标，如果光合作用过于激烈则会大量消耗CO2导致胞间CO2浓度降低，使气孔关闭使光合作用降低。本研究中，胞间CO2浓度表现为紫花苜蓿间作显著大于其单作，燕麦为间作在2018和2019年极显著小于其单作，同时燕麦的胞间CO2浓度与其产量呈极显著负相关关系。由此可知，燕麦在间作中由于叶绿素含量增加导致光合能力提高，进而消耗大量CO2，进而促使其胞间CO2浓度较大程度降低；而紫花苜蓿处于劣势地位，光合作用强度较小，导致胞间CO2含量增高。近年来，有关光合气体交换参数对产量影响方面也进行了研究，如胡志辉等[28]和郑金玉等[29]认为光合速率和蒸腾速率对产量的影响最重要。光合作用的强弱可直接决定碳代谢的强弱。RuBP羧化酶是植物进行C3途径的必不可少的酶，碳同化效率的高低主要是由于RuBP羧化酶的羧化效率所决定。本研究中，RuBP羧化酶与其产量在紫花苜蓿(第二茬)中呈极显著正相关，在燕麦中呈显著正相关。因此可知，RuBP羧化酶在间作系统中对于产量的影响具有重要的作用。蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶是合成蔗糖的关键酶[30]。本研究中，蔗糖磷酸合成酶在紫花苜蓿和燕麦中均表现出对其产量具有显著的影响。这可能是由于紫花苜蓿与燕麦间作时，燕麦的光合特性增强，因而蔗糖磷酸合成酶活性增强，增加了淀粉积累；而互作降低了紫花苜蓿的光合作用和叶绿素含量，进而降低了其碳水化合物含量，进而导致蔗糖磷酸合成酶活性的减少。综上，蒸腾速率和净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，进而共同影响紫花苜蓿和燕麦的产量。

4 结论

紫花苜蓿/燕麦间作下光能利用特征对二者产量的影响方式不同。间作下，影响紫花苜蓿产量的主要因素是总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、气孔导度和RuBP羧化酶；影响燕麦产量的主要因素是株高、碳水化合物和胞间CO2浓度。本研究探明了间作下光合特征对紫花苜蓿和燕麦产量的影响，为后续靶向性调控其产量提供了理论依据。