不同施肥水平下垄作栽培对油菜苗期光合特性的影响

荣 答，徐江林，彭 烨，李 祯，贺 慧，官春云

（湖南农业大学油料改良中心，长沙 410128）

在作物栽培技术中，起垄栽培（Ridge－tillage）是作物生产中提高产量的重要措施［1］。起垄栽培，是指通过改变地表微地形，变平地为高垄低沟相间的耕作层结构，并在垄上或者沟内种植作物，从而协调水、肥、气、热关系，促进作物生长发育，降低耕作对农田环境影响的一种保护性耕作措施［1］。目前在水稻、玉米、小麦、大豆、烟草、马铃薯、棉花等作物的栽培生产中应用广泛。

光合作用是作物产量形成最重要的过程之一，通过调节作物的光能利用或光合产物的分配可以实现高产优质的目的。刘岩等［2］研究发现，垄作能明显提高夏大豆净光合速率7.73%～8.37%。这种提高主要是由于垄作处理下，夏大豆的蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和叶绿素含量有明显增加，并且光化学活性和光能转化率也能得到显著提高；垄作玉米在拔节期开始功能叶片的叶绿素含量快速增加［3］，其光合能力也表现出优势［4］，而且玉米的光合势也得到提高［5］；垄作栽培方式由于增加了边行效应，边行受光与多层受光及直接光照面积增加［6，7］，将传统种植的植株冠层水平改变为波浪型，有利于构建“松塔型”理想株型结构［8］，极大地改善了田间小气候条件，有利于小麦旗叶和整体的光合性能的发挥［9，10］，提高小麦旗叶功能期叶绿素含量［11］以及灌浆中期的生理活性，保持长久的高光合能力［12，13］。全妙华等［14］研究发现，水稻植株的光合速率和气孔导度在任何时期，任何光强下，垄作栽培方式都显著高于传统栽培方式；垄畦栽培能增加叶片的长宽度，增加灌浆后期的叶绿素含量，在抽穗35 d后比常规栽培提高了4.4%和7.3%；高效叶（剑叶、倒二叶、倒三叶）面积比率较对照提高了5.3%～8.6%，抽穗后剑叶的光合速率显著增加4.2% ～5.1%［15］。

南方地区是油菜的主产区。在长江中下游地区，主要为稻油轮作，前作为水稻，田间持水量高，土壤黏重，同时，该地区雨水较多，农田积水现象时有发生，容易形成水渍涝害，降低土壤通气性。而油菜是喜湿怕涝作物，渍害会影响油菜的生长发育，进而影响油菜的产量和品质。通过垄作栽培，提高耕作层，降低水位，以改善油菜生长环境，对于提高油菜产量具有积极意义。前人对于油菜垄作栽培进行过一些研究和应用，但大多数集中在起垄栽培能增加产量这一方面，对于油菜增产的生理原因研究很少。本试验针对南方稻田油菜生产特点，结合油菜机械起垄直播，研究不同施肥水平下，垄作油菜和平作油菜苗期光合特性的差异，探索不同栽培方式下油菜光合生理变化，对提高油菜光合能力进而提高产量提供一定的指导。

1 材料和方法

1.1 试验地点及试验材料

试验以半冬性甘蓝型常规品种‘中双11号’为供试材料，机械起垄直播，于2014～2016年在湖南农业大学耘园油菜基地进行。

1.2 试验设计

试验采用双因素裂区设计。主处理为两种栽培方式：垄作栽培（R）和传统平作栽培（C），副处理为3个施肥水平：低肥（F1，每公顷施饼肥375 kg，45%复合肥 20 kg），中肥（F2，每公顷施饼肥 750 kg，45%复合肥30 kg），高肥（F3，每公顷施饼肥1125 kg，45%复合肥 40 kg）。硼肥（7.5 kg／hm2）作基肥一次性施入，50%的复合肥作底肥，50%作冬前追肥施入。种植密度为30万株／hm2。小区面积20 m2，3次重复，随机区组排列，周边设保护区，油菜苗期随机取样。

1.3 指标测定与方法

（1）叶片色素含量的测定。采取有机溶剂浸提法，称取新鲜叶片0.20 g加入25 mL具塞试管，加入20 mL浸提液（乙醇∶丙酮∶水 ＝4.5∶4.5∶1），将试管置于25～30℃黑暗处浸提，直至叶片完全变白，期间摇动2～3次，然后以提取液为空白对照，分别在645、663、470 nm波长下测定吸光值。按照公式计算叶绿素和类胡萝卜素含量。

（2）叶片光合指标的测定。采用Li－6400XT便携式光合系统，于晴天上午9：00～11：30，测定植株功能叶（从上往下数第四片完全展开叶）的光合参数。测定时设置CO2浓度为400μmol／mol，光照强度为 1000μmol／m2·s，气体流速为 500 mol／s，相对湿度为60%，叶室温度为20℃，测定时保持叶片田间原位条件，测定植株叶片的净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci等参数。

（3）叶片荧光参数的测定。选取生长和受光一致的完全展开叶，利用德国WALZ公司生产的PAM荧光成像仪，测定暗适应半小时的油菜叶片的叶绿素荧光参数（Fo、Fm、ETR和 ΦPSⅡ）。

1.4 数据分析方法

采用Microsoft Excel 2010软件计算和处理数据，用DPS7.0软件进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培方式对油菜光合色素的影响

2.1.1 叶绿素和类胡萝卜素的含量

两种栽培措施对油菜叶绿素及类胡萝卜素含量均呈显著差异（表1），随施肥量的增加，垄作栽培的油菜的叶绿素含量在不同施肥水平条件下均有不同程度的增加，同时垄作栽培油菜的叶绿素a和叶绿素b呈现相同的规律，而且垄作栽培和传统平作之间的差距达到显著水平（p＜0.05）。两种栽培方式的油菜类胡萝卜素含量均随着施肥量的增加而增加，垄作栽培比传统平作高25.08%，达到显著差异。

表1 不同栽培方式的油菜叶绿素和类胡萝卜素含量Table 1 Contents of chlorophyll and carotenoid of rapeseed in different cultivation modes

2.1.2 叶绿素a／b和叶绿素／类胡萝卜素的比值

由表2可以看出，垄作栽培油菜叶片的叶绿素a／b的比值明显低于传统平作栽培。低肥和中肥水平下垄作栽培和传统平作之间的差距不明显，但在高氮水平下，两者之间相差16.52%，达到了显著水平（p＜0.05）。

植物叶片呈现的颜色主要受叶绿素含量和类胡萝卜素含量之间的比值影响。在表2中，主处理（不同栽培方式）之间差异明显，达显著水平（p＜0.05）；而在不同施肥水平下，垄作栽培和传统平作之间差异不一。低肥水平下两者之间基本没有差别，中肥水平下，垄作栽培明显高于传统平作，而在高肥水平下，叶绿素／类胡萝卜素的比值则是传统平作要高于垄作栽培，且在中高肥水平下，两者之间的差异均达到显著水平（p＜0.05）。

表2 不同栽培方式油菜的叶绿素a／b和叶绿素／类胡萝卜素的比值Table 2 Ratios of chlorophyll a／b and chlorophyll／carotenoid of rapeseed in different cultivation modes

2.2 不同栽培方式对油菜光合特性的影响

2.2.1 净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）

表3表明，垄作栽培方式能提高油菜苗期叶片的净光合速率，相比于传统平作提高了9.79%。在不同施肥水平下，垄作栽培均高于传统平作，低肥水平下，垄作栽培的净光合速率与传统平作之间差异达到显著（p＜0.05），相比提高了20.87%，而在中肥和高肥水平下两者差异不显著，垄作栽培的净光合速率只提高了5.15%和5.57%。叶片胞间CO2浓度与净光合速率呈负相关，垄作栽培方式相比传统平作降低了油菜叶片的胞间CO2浓度。不同施肥水平下，随着施肥量的减少，垄作栽培处理下，油菜叶片的胞间CO2浓度降低的百分比不断增加，高、中、低肥水平下分别降低了0.53%、10.31%和14.73%。

表3 不同栽培方式油菜叶片的Pn和Ci值Table 3 The Pn and Ci values of rapeseed leaves in different cultivation modes

2.2.2 气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）

从表4可以看出，垄作栽培与传统平作相比，油菜叶片的气孔导度和蒸腾速率分别增加了40.52%和63.73%，均达到显著水平（p＜0.05）。不同施肥水平下，垄作栽培和传统平作之间Gs差异不同，低肥和中肥水平下，垄作栽培比传统平作均高0.024 mol／m2·s，提高了 41.28%和 33.95%，高肥水平下则高了 0.030 mol／m2·s，提高了 47.05%；蒸腾速率方面，不同施肥水平下，垄作栽培能明显增加油菜叶片的蒸腾速率，低、中、高3个施肥水平分别提高了66.63%、57.26%和68.15%。

表4 不同栽培方式油菜叶片的Gs和Tr值Tab le 4 The Gs and Tr values of rapeseed leaves in different cultivation modes

2.3 不同栽培方式对油菜叶片叶绿素荧光参数的影响

2.3.1 Fv／Fo值和 Fv／Fm值

从表5可以看出，垄作栽培油菜叶片的Fv／Fo值和Fv／Fm值的平均值相比于传统平作均显著性增加。Fv／Fo值在不同施肥水平下两者之间的差异不同，低肥和中肥条件下，两者之间差异不显著；在高肥水平下则是垄作栽培明显高于传统平作。Fv／Fm值在不同施肥水平下呈现相同的规律。

表5 不同栽培方式油菜叶片的Fv／Fo和Fv／Fm值Table 5 The Fv／Fo and Fv／Fm ratios of rapeseed leaves in different cultivation modes

2.3.2 ΦPSII和ETR

ΦPSII代表叶片在光适应下PSII的实际光化学效率。从表6中可以看出，相对于传统平作，垄作栽培能显著提高油菜叶片在光适应下PSII的实际光化学效率。在低、中、高3个施肥水平下，垄作栽培比传统平作高1.71%、4.04%和2.38%。而电子传递效率ETR呈现同样的规律，低肥和高肥水平下，垄作栽培和传统平作之间差异不明显，但在中肥水平下，垄作栽培比传统平作高4.35%，达到显著差异。

表6 不同栽培方式油菜叶片的ΦPSII和ETR值Table 6 TheΦPSII and ETR values of rape leaves under different cultivation modes

3 分析与讨论

光合作用是自然界最重要的生理反应之一，提高光合作用效率是进一步提高作物产量的途径［16～18］。叶绿素含量、光合特性指标和叶绿素荧光参数是目前量化衡量光合作用的主要表观特征［19］。

叶绿素是绿色植物最重要的一种色素，能吸收和转换光能，其含量的多少直接影响植株光合作用的强弱。垄作栽培能显著提高叶片的叶绿素含量［20］。本试验中，相对于传统平作，垄作栽培通过同时增加叶绿素的重要组成成分叶绿素a和叶绿素b的含量来增加叶片的总叶绿素含量。叶绿素a／b的值是反映植株叶片对光能利用能力的重要指标，同时也可以评价植物耐阴能力［21］。前人研究表明，叶绿素a／b值的降低有利于维持两个光系统之间的能量平衡［22］。垄作栽培油菜的叶绿素a／b值显著低于传统平作，这表明垄作栽培油菜对叶片的遮阴适应性更强，尤其在高肥水平下。类胡萝卜素除了可以吸收和传递光能之外，还可以稳定和保护叶绿素分子［23］。本试验结果显示，垄作栽培可以明显增加类胡萝卜素的含量，在不同施肥水平下均可以通过增加类胡萝卜素的含量来实现对叶绿素的稳定和保护。

通过光合系统相关参数的差异可以了解和分析光合机构的运转状况［24］。垄作栽培相比于传统平作栽培，油菜叶片的净光合速率有显著的优势。这与刘岩和陈馨的研究结果一致［3，24］。而这主要是由于垄作栽培能增加叶片的气孔开张度，同时传统平作的胞间CO2浓度富集，过多的CO2滞留在叶肉细胞，抑制了叶片的蒸腾速率和呼吸作用。

植物的光合作用主要包括光反应和暗反应，其中光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配等反应紧密相连，叶绿素荧光参数能反映出光合作用的特性。Fv／Fm是最大光化学效率，可以用来衡量光抑制程度，表征PSII远处光能转换效率的高低。Fv／Fo表示叶片潜在的光化学活性。本研究中，垄作栽培能增加Fv／Fm和Fv／Fo值，表明垄作油菜的潜在光合作用活力得到提升，而传统平作相对于垄作栽培有一定的光抑制现象。同时，垄作栽培能显著提高油菜叶片的光合电子传递效率ETR和光适应下PSII实际光化学效率ΦPSII。可见，垄作栽培主要通过增加油菜的捕光能力，增加光化学转化效率和电子传递效率来增加油菜叶片的净光合速率。

4 结论

垄作栽培油菜在苗期的光合特性相对于传统平作有明显的优势，它能在增加叶片叶绿素含量的同时增加类胡萝卜素来防止叶绿素的自我氧化和损伤。而且垄作栽培油菜在苗期拥有较高的光捕获能力和更高的光化学转化效率，能显著提高油菜叶片的光合效率，促进更多光合产物的积累，在油菜栽培生产中具有广泛的应用前景。

参考文献：

［1］ Lal R，Vandoren DM.Influence of 25 years of continuous corn production by three tillage methods on water infiltration for two soils in Ohio［J］.Soil＆Tillage Research，1990，16（1－2）：71－84.

［2］ 刘 岩，周勋波，陈雨海，等.底墒和种植方式对夏大豆光合特性及产量的影响［J］.生态学报，2011，31（12）：3478－3487.

［3］ 王国祥，方彦杰，潘永东.旱地全膜双垄沟播种植对玉米光合生理特性的影响［J］.湖北农业科学，2012，51（14）：2921－2925.

［4］ 马 丽，李潮海，付 景，等.垄作栽培对高产田夏玉米光合特性及产量的影响［J］.生态学报，2011，31（23）：7141－7150.

［5］ 高玉红，牛俊义，闫志利，等.不同覆膜栽培方式对玉米干物质积累及产量的影响［J］.中国生态农业学报，2012，20（4）：440－446.

［6］ 丁瑞霞，贾志宽，韩清芳，等.宁南旱区微集水种植条件下谷子边际效应和生理特性的响应［J］.中国农业科学，2006，39（3）：494－501.

［7］ 韩 娟，贾志宽，任小龙，等.模拟降雨量下微集水种植对玉米光合速率及水分利用效率的影响［J］.干旱地区农业研究，2008，26（1）：81－85.

［8］ 王法宏，杨洪宾，徐成忠，等.垄作栽培对小麦植株形态和产量性状的影响［J］.作物学报，2007，26（6）：119－122.

［9］ 李升东，王法宏，司纪升，等.不同基因型冬小麦在两种栽培模式下蒸腾速率、光合速率和水分利用效率的比较研究［J］.麦类作物学报，2007，27（3）：514－517.

［10］李升东，王法宏，司纪升，等.垄作栽培条件下小麦群体特征的研究［J］.麦类作物学报，2008，28（4）：638－643.

［11］任德昌，王法宏.冬小麦垄作高产栽培技术增产效应及增产机理［J］.耕作与栽培，2000（5）：10－11.

［12］邵运辉，岳俊芹，郑 飞，等.垄作栽培对小麦生理特性和产量的影响［J］.麦类作物学报，2011，31（2）：314－317.

［13］王旭清，王法宏，董玉红，等.小麦垄作栽培的肥水效应及光能利用分析［J］.山东农业科学，2002（4）：3－5.

［14］全妙华，胡爱生，欧立军，等.耕作方式对水稻光合及根系生理特性的影响［J］.杂交水稻，2012，27（3）：71－75.

［15］张自常，徐云姬，褚 光，等.不同灌溉方式下的水稻群体质量［J］.作物学报，2011，37（11）：2011－2019.

［16］ Zhu X，Long SP，Ort DR.Improving photosynthetic efficiency for greater yield［J］.Annu Rec Plant Biol，2010，61（1）：235－236.

［17］ Ort DR，Merchant SS，Alric J，et al.Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2015，112（28）：8529－8536.

［18］ Long SP，Marshall－Colon A，Zhu X.Meet the global food demand of the future by engineering crop photosynthesis and yield potential［J］.Cell，2015，161（1）：56－66.

［19］肖 怡，朱新广.叶绿素荧光及碳氧同位素信号在光合作用研究中的应用［J］.植物生理学报，2016，52（11）：1663－1670.

［20］沈允钢.动态光合作用［M］.北京：科学出版社，1998.

［21］张 昆，万勇善，刘风珍.苗期弱光对花生光合特性的影响［J］.中国农业科学，2010，43（1）：65－71.

［22］曾广文.植物生理学［M］.成都：成都科技大学出版社，1998.

［23］柯世省.光合作用研究历程中的重大事件（2）［J］.生物学通报，2003，38（8）：60－62.

［24］陈 馨，邴昊阳，张 艳，等.集雨节灌种植技术对春玉米光合特性及产量的影响［J］.干旱地区农业研究，2014，32（4）：78－84.