玉米‖花生茬口对冬小麦旗叶光化学活性的影响

王飞，尹飞，龙浩强，李雪，武岩岩，焦念元，马超，付国占

(河南科技大学农学院,河南省旱地农业工程技术研究中心，河南 洛阳 471000)

适宜的轮作茬口能增强土壤生态系统功能潜力，减轻田间病、虫、草害，缓解作物连作障碍，提高作物产量[1-3]，是实现农业可持续发展的重要措施之一。研究发现，间作能够显著提高作物收获后土壤含水量[4]以及作物水分利用效率[5]，为下茬作物提供良好的土壤环境。苜蓿(Medicagosativa)具有良好根际环境，其茬口能有效缓解大豆(Glycinemax)[6]和高粱(Sorghumbicolor)[2]连作障碍，提高产量。合理轮作提高了耕层土壤大团聚体和微团聚体的碳、氮含量，促进土壤稳定性结构形成，增加土壤有机质[7]，减轻温室气体的排放[8]，具有良好的生态效应。轮作茬口的多样化更能提高土壤有效碳、水解酶活性，降低氧化物酶活性，加速残茬分解，增强土壤生态系统功能潜力，维持农业系统的土壤服务功能[1]；长期大豆-玉米(Zeamays)轮作还有助于恢复侵蚀土壤生产力，提高作物产量[9]。黄淮海平原连年小麦(Triticumaestivum)-玉米复种连作单一集约化种植模式带来土壤板结、土壤肥力下降[10]、地下水过度消耗、形成地下漏斗[11]和病虫害严重[12]等一系列问题。那么，是否可以利用间作来提高土壤含水量[4]，促进花生(Arachishypogaea)固氮[13]，增加土壤微生物和土壤酶活性及培肥地力[14]等优势，与小麦-玉米复种轮作来解决或减轻上述问题?玉米‖花生茬口较玉米茬口能够显著增强冬小麦CO2羧化固定能力，提高净光合速率和产量，但对光合电子传递链性能产生哪些影响至今还不清楚。

利用叶绿素荧光诱导动力学曲线(kinetic curve of rapid chlorophyll fluorescence induction, OJIP)能快速、无损伤的诊断植物体内光合机构的运转情况[15-16]。过去多用来研究胁迫条件(温度、光照等)下作物的光合电子传递性能[17-19]。通过JIP-test分析，反映光系统Ⅱ(photosystem Ⅱ, PSⅡ)反应中心光能吸收、转换、供/受体侧活性等变化[15]。已有研究表明玉米叶片光系统I(photosystem Ⅰ, PSⅠ) 和PSⅡ 光化学活性的下降和光合电子传递功能的衰退与其光合能力的下降密切相关[20-21]。深松结合控释尿素能够有效提高玉米穗位叶花后PSⅡ 性能稳定性，显著增加光系统间协调关系，增强光合电子传递链功能，提高光合速率[22]。这说明作物后期衰老与荧光特性有关，并受栽培措施的调控。那么，玉米‖花生茬口能否改善光合电子传递链性能，对光能的吸收、利用、转化及量子分配比率有哪些影响?为了弄清上述问题，本试验在两个磷水平上，研究了玉米‖花生间作、玉米和花生3种茬口对冬小麦花后旗叶气体交换参数、光系统Ⅱ与光系统Ⅰ性能的影响，为玉米‖花生间作与小麦-玉米复种轮作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2016-2017年在河南科技大学农场进行，选用连续6年在P0(0 kg P2O5·hm-2)和 P1(180 kg P2O5·hm-2)两个磷水平下，分别定位种植玉米‖花生(intercropping crops for rotation, ICR)、单作玉米(maize crops for rotation, MCR)和单作花生(peanut crops for rotation, PCR)3种茬口为试验地。试验地土壤为黄潮土，质地为中壤，耕层土壤容重1.35 g·cm-3，0～20 cm耕层含碱解氮33.86 mg·kg-1，速效磷3.46 mg·kg-1，有机质10.72 g·kg-1，土壤pH值7.56。试验地地处温带，属半湿润、半干旱大陆性季风气候，年平均气温12.1～14.6 ℃，年平均降水量约600 mm，年平均蒸发量约2114 mm，年日照时数2300～2600 h，无霜期215～219 d，年平均辐射量约492 kJ·cm-2。

1.2 试验设计

本试验以冬小麦“矮抗58”为试验材料，设置茬口和磷肥二因素完全随机试验。茬口因素包括玉米‖花生间作茬口[间作茬口(ICR)]、玉米茬口(MCR)和花生茬口(PCR)，磷肥因素包括P0和P1两个磷水平，共6个处理，完全随机区组排列，各处理重复3次，共18个小区，小区面积60 m2(10 m×6 m)。冬小麦行距20 cm，播种量150 kg·hm-2；磷肥处理同前茬，分别定位基施，整地前撒施；各处理均施氮肥180 kg N·hm-2，按基肥和追肥2∶1两次施用，基肥120 kg N·hm-2于整地前撒施，追肥60 kg N·hm-2于冬小麦拔节期撒施，施肥后灌水。2016年10月15日播种，2017年6月3日收获。其他的管理同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤含水量测定 2016年待前茬作物收获后小麦播种前，用土钻于玉米花生间作、单作玉米和单作花生种植小区采用5点取样法(图1)分别取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm土层土样，各土层分别混匀后，于烘箱中105 ℃烘至恒重，计算含水量。各处理重复3次。

图1 田间土壤含水量取样示意图Fig.1 Sampling schematic diagram of soil moisture content

1.3.2气体交换参数测定 在扬花期和乳熟期，选择晴天在9:30-11:00，使用便携式光合仪(LI-6400XT; LI-COR, 美国)，测定冬小麦旗叶的净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸腾速率(transpiration rate,Gs)、气孔导度(stomatal conductance,Tr)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration,Ci)。

1.3.3快速叶绿素荧光诱导动力学曲线及820 nm光吸收曲线测定 参考Schansker等[15]的方法，略有改进。在扬花期和乳熟期，采用多功能植物效率分析仪(M-PEA-2, Hansatech,英国)测定各小区冬小麦旗叶的快速诱导动力学曲线(OJIP)及820 nm的光吸收曲线，以820 nm光吸收的相对振幅(photosystem I performance,ΔI/Io)作为衡量PSⅠ最大氧化还原能力的指标，表示PSⅠ的光化学性能。每个小区选取10个单茎，分别用叶夹加在旗叶中部(避开主叶脉)，暗适应30 min后进行测定。

1.3.4JIP-Test分析 根据Jiang等[23]的JIP-test方法进行数据分析。分析时须知Fo(O相,t=20 μs时荧光值)、Fk(K相,t=300 μs时荧光值)、Fj(J相,t=2 ms时荧光值)、Fm(P相, 最大荧光值); 主要分析了可变荧光Fk占Fj-Fo振幅的比例Wk=(Fk-Fo)/(Fj-Fo)；可变荧光Fj占Fm-Fo振幅的比例Vj= (Fj-Fo)/(Fm-Fo)；PSⅡ初级光化学最大量子产额(the maximum quantum yield of primary photochemistry,φpo)，PSⅡ捕获的激子将电子传递给中下游电子受体的概率(probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA-,Ψo)，PSⅡ通过电子传递链传到PSⅠ电子受体末端的量子产额(efficiency with which an electron can move from the reduced intersystem electron acceptors to the PSⅠend electron acceptors,δRo)，单位面积吸收(absorption energy flux per CS att=0,ABS/CSo)、捕获(trapped energy flux per CS att=0,TRo/CSo)和用于电子传递(electron transport flux per CS att=0,ETo/CSo)的能量；ABS、TRo、ETo和CSo分别表示吸收的光能、捕获的光能、用于电子传递的光能和单位面积；820 nm 光吸收的相对振幅ΔI/Io=(Io-Im)/Io,Io和Im分别表示820 nm远红光下0.4和40 ms时荧光吸收值。PSⅠ与PSⅡ间性能协调性(coordination of photosystem I and photosystem Ⅱ,ΦPSⅠ/PSⅡ)=(ΔI/Io)/Ψo。

1.3.5产量 在小麦成熟期，各小区选取具有代表性的1 m2(1 m×1 m)小麦植株手工收获，风干后测定籽粒产量，并折算其产量。

1.4 数据统计分析

用 Excel 2016和 SPSS 22.0软件分别进行数据整理、统计分析与作图，采用LSD法进行显著性检验及方差分析，显著水平是0.05。

2 结果与分析

图2 玉米‖花生茬口与施磷对冬小麦产量的影响Fig.2 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on yield of winter wheat ICR：玉米‖花生间作茬口(间作茬口) Maize intercropping peanut crops for rotation；MCR：玉米茬口Maize crops for rotation；PCR：花生茬口Peanut crops for rotation。P0：施0 kg P2O5·hm-2 Application 0 kg P2O5·hm-2；P1：施180 kg P2O5·hm-2 Application 180 kg P2O5·hm-2。不同小写字母表示各茬口处理间差异显著Different lowercase letters indicate significant difference between different crops for rotation (P<0.05)。下同The same below.

2.1 玉米‖花生茬口与施磷对冬小麦产量的影响

如图2所示，间作茬口和花生茬口较玉米茬口分别提高冬小麦产量38%～57%和19%～54%，差异均达到显著水平(P<0.05)；间作茬口较花生茬口提高冬小麦产量2.1%～16.0%，不施磷时差异不显著，施磷时差异达到显著水平(P<0.05)。与不施磷相比，施磷显著提高了冬小麦产量(P<0.05)。说明玉米‖花生间作茬口结合施磷较玉米茬口和花生茬口显著提高冬小麦产量。

2.2 玉米‖花生与施磷对不同土层土壤含水量的影响

由图3可见，在2个P水平下，土壤水分含量都是以0～30 cm土层变化较大，随着土层深度的增加土壤含水量表现出先增加后减少的趋势，且均在20～30 cm土层达到最大值。不施磷条件下，不同处理间在0～70 cm土层均表现为PCR>ICR>MCR，与MCR相比，ICR在0～70 cm各土层分别提高了5.2%、12.0%、0.9%、6.0%和2.2%，其中，0～30 cm土层含水量均达到显著水平(P<0.05)，以10～20 cm土层含水量提高幅度最大；70～100 cm表现为ICR>PCR>MCR，但差异不明显。施磷条件下，不同处理间在0～100 cm土层均表现为PCR>ICR>MCR，与MCR相比，ICR在0～100 cm各土层分别提高8.0%、12.0%、7.1%、12.0%、9.3%和7.5%，各土层均达到显著水平(P<0.05)。说明间作茬口较玉米茬口能够提高土壤含水量，尤其是耕层土壤的含水量。

图3 玉米‖花生茬口对不同土层土壤含水量的影响Fig.3 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on soil moisture content of different soil layers

2.3 玉米‖花生茬口与施磷对冬小麦旗叶气体交换参数的影响

由表1可以看出，同一磷水平下，不同茬口冬小麦旗叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均表现为间作茬口>花生茬口>玉米茬口，胞间CO2浓度(Ci)表现为玉米茬口>花生茬口>间作茬口，间作茬口与玉米茬口之间差异达到显著水平(P<0.05)，间作茬口与花生茬口之间扬花期差异不显著，乳熟期差异达到显著水平(P<0.05)。同一茬口下，施磷显著提高了冬小麦旗叶Pn和Tr，显著降低乳熟期的Ci。与扬花期相比，乳熟期冬小麦旗叶的Pn、Gs和Tr降低，Ci升高，尤其玉米茬口的Pn、Gs和Tr下降幅度最大。这说明间作茬口较玉米茬口提高了冬小麦旗叶净光合速率，较玉米茬口和花生茬口延长高光合功能期，后期Gs和Tr下降速度快是导致玉米茬口冬小麦旗叶净光合速率后期下降重要原因之一，施磷能够改善冬小麦旗叶的气体交换参数。

表1 玉米‖花生茬口与施磷对冬小麦旗叶气体交换参数的影响Table 1 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on gas exchange parameters in flag leaf of winter wheat

Pn：净光合速率 Net photosynthetic rate；Gs：气孔导度 Stomatal conductance；Ci：胞间CO2浓度Intercellular CO2concentration；Tr：蒸腾速率 Transpiration rate。同列不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著 Different lowercase letters in the same column mean significant difference at 0.05 levels.

2.4 玉米‖花生茬口与施磷对冬小麦旗叶PSⅡ供/受体侧活性及比活性参数的影响

如表2所示，同一磷水平下，不同茬口冬小麦旗叶的可变荧光Fk占Fj-Fo振幅的比例(Wk)和可变荧光Fj占Fp-Fo振幅比例(Vj)均表现为玉米茬口>花生茬口>间作茬口，间作茬口和花生茬口冬小麦旗叶的Wk和Vj较玉米茬口差异均达到显著水平(P<0.05)，间作茬口与花生茬口之间差异不显著。同一茬口下，施磷比不施磷冬小麦旗叶的Wk和Vj分别降低2.9%～16.0%和2.8%～9.6%。这表明间作茬口较玉米茬口提高了冬小麦旗叶PSⅡ反应中心电子传递链供体侧(Wk)和受体侧(Vj)的活性，施磷有助于提高其活性。

单位面积吸收的光能(ABS/CSo)是反映PSⅡ天线色素吸收光能的能力，单位面积捕获的光能(TRo/CSo)是反映PSⅡ反应中心捕获的光能，单位面积吸收电子传递的量子产额(ETo/CSo)是反映PSⅡ反应中心捕获的用于电子传递的能量[15-16]。由表2可以看出，同一磷水平下，不同茬口冬小麦旗叶的ABS/CSo、TRo/CSo和ETo/CSo均表现为间作茬口>花生茬口>玉米茬口；间作茬口和玉米茬口差异达到显著水平(P<0.05)，除不施磷乳熟期的ETo/CSo；间作茬口和花生茬口之间差异不显著。同一茬口下，施磷比不施磷冬小麦旗叶的ABS/CSo、TRo/CSo和ETo/CSo分别提高1.9%～9.8%、0.5%～4.0%和3.3%～8.8%。这说明间作茬口较花生茬口和玉米茬口增强了冬小麦旗叶光能吸收、捕获和转化能力，较玉米茬口提高了PSⅡ反应中心电子传递链供/受体侧的电子传递能力，施磷对其有明显的促进作用。

表2 玉米‖花生茬口对冬小麦旗叶PSⅡ供/受体侧及比活性参数的影响Table 2 Effects of maize intercropping peanut crops for rotation and phosphate fertilizer on the electron donor/acceptor side and specific activity parameters of photosystemⅡ in flag leaves of winter wheat

Wk：可变荧光Fk占Fj-Fo振幅的比例 Ratio of variable fluorescenceFkto amplitudeFj-Fo；Vj：可变荧光Fj占Fp-Fo振幅比例 Ratio of variable fluorescenceFjto amplitudeFp-Fo；ABS/CSo：单位面积吸收的光能 Absorption energy flux per CS att=0；TRo/CSo：单位面积捕获的能量 Trapped energy flux per CS att=0；ETo/CSo：单位面积的电子传递的量子产额 Electron transport flux per CS att=0.

2.5 玉米‖花生茬口对冬小麦旗叶光系统Ⅱ和光系统Ⅰ光化学活性的影响

初级光化学最大量子产额(φpo)能够反映PSⅡ天线色素吸收的光能被反应中心捕获的概率[20]。由表3可以看出：同一磷水平下，间作茬口冬小麦旗叶的φpo显著高于玉米茬口，扬花期与花生茬口的差异不明显，乳熟期显著高于花生茬口，施磷可以提高φpo。这说明间作花生茬口较玉米茬口提高了冬小麦叶片PSⅡ反应中心的光能捕获效率，后期降低幅度低于花生茬口，施磷能提高光能捕获效率。PSⅡ捕获的激子将电子传递给电子传递链中QA下游电子受体的概率(Ψo)和PSⅡ通过电子传递链传到PSⅠ电子受体末端的量子产额(δRo)分别反映PSⅡ反应中心捕获光能转化电能的效率和电子传递链的电子传递效率，同一磷水平下不同茬口冬小麦旗叶的Ψo和δRo表现为间作茬口>花生茬口>玉米茬口，间作茬口与玉米茬口差异达到显著水平(P<0.05)，间作茬口与花生茬口之间仅δRo差异显著(P<0.05)；同一茬口下，与不施磷相比，施磷提高了冬小麦旗叶的Ψo和δRo。

表3 玉米‖花生茬口对冬小麦旗叶光系统Ⅱ和光系统Ⅰ光化学活性的影响Table 3 Effect of maize intercropping peanut crops for rotation on photochemical activity of photosystem Ⅱ and photosystemⅠin winter wheat flag leaves

φpo：初级光化学最大量子产额 The maximum quantum yield of primary photochemistry；Ψo：PSⅡ捕获的激子将电子传递给中下游电子受体的概率Probability that a trapped exciton moves an electron into the electron transport chain beyond QA-；δRo：PSⅡ通过电子传递链传到PSⅠ电子受体末端的量子产额 Efficiency with which an electron can move from the reduced intersystem electron acceptors to the PSⅠend electron acceptors；ΔI/Io：PSⅠ性能 Photosystem Ⅰ performance；ΦPSⅠ/PSⅡ：PSⅠ与PSⅡ间性能协调性Coordination of photosystem Ⅰ and photosystem Ⅱ.

由表3可以看出，不同茬口冬小麦旗叶PSⅠ光化学活性(ΔI/Io)表现为间作茬口≥花生茬口>玉米茬口，间作茬口与玉米茬口之间在乳熟期差异达到显著水平(P<0.05)，间作茬口与花生茬口之间差异不显著；同一茬口下，施磷比不施磷冬小麦旗叶的ΔI/Io提高了3.9%～43.8%。间作茬口和花生茬口较玉米茬口均能提高冬小麦旗叶的PSⅡ与PSⅠ间性能协调性(ΦPSⅠ/PSⅡ)，在扬花期处理间差异不显著，乳熟期间作茬口与花生茬口间差异达到显著水平(P<0.05)，间作茬口和花生茬口之间差异不显著，施磷较不施磷提高了间作茬口和花生茬口冬小麦乳熟期旗叶的ΦPSⅠ/PSⅡ。这说明间作茬口较玉米茬口显著提高了冬小麦旗叶PSⅡ的光能捕获效率、能量转化效率、光合电子传递效率、PSⅠ的性能以及PSⅡ与PSⅠ间的性能协调性，较花生茬口提高了光合电子传递效率，且施磷有利于改善PSⅡ与PSⅠ光化学特性。

3 讨论

植物的光合作用是植物生长发育的基础，小麦产量的90%以上来自于光合作用[24]。王曙光等[25]研究表明，Pn、Gs和Tr是影响作物产量的主要因素，缺水条件下冬小麦旗叶Pn、Gs和Tr均有下降的趋势，影响小麦产量。本研究发现，间作茬口较玉米茬口显著提高了冬小麦旗叶Pn、Gs和Tr，尤其是乳熟期，保证了生育后期光合产物向籽粒的运输，从而提高冬小麦产量，这可能与间作茬口能提高耕层土壤含水量有重要关系(图3)，也可能与玉米‖花生能改善土壤微生物群落构成，提高土壤大团聚体及土壤酶，提高土壤养分有效性等[14,26]有关。通过对叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)的分析能够诊断植物PSⅡ反应中心光能吸收、转换、供/受体侧活性等变化[15-16,27]。马绍英等[28]研究发现，冬小麦旗叶的叶绿素含量、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、表观光合电子传递速率(electron, transfer rate，ETR)、光化学淬灭系数(qP)的下降是造成冬小麦净光合速率下降的主要原因。本研究表明，间作茬口较玉米茬口显著提高了单位面积吸收(ABS/CSo)、捕获(TRo/CSo)和电子传递的光能(ETo/CSo)，是因为间作茬口能提高冬小麦旗叶叶绿素含量和单位面积反应中心数量。φpo、Ψo和δRo是评价PSⅡ光系统电子传递链电子传递效率的重要指标[15-17,19,22]。在本研究中，间作茬口较玉米茬口显著提高了冬小麦扬花期旗叶的φpo、Ψo和δRo，并且灌浆后期下降幅度低，这说明间作茬口较玉米茬口促进了冬小麦旗叶PSⅡ的光能捕获、能量转化及光合的电子传递效率，且能保持其生育后期较高的PSⅡ光系统电子传递链电子传递效率。同时，玉米‖花生茬口较玉米茬口增强了冬小麦旗叶PSⅡ反应中心电子传递链供/受体侧活性。这是间作茬口较玉米茬口提高净光合速率的重要原因之一。

ΔI/Io反映了光系统I (PSⅠ)反应中心最大氧化还原能力, 是对PSⅠ性能的综合评价[29]。Ψo和ΔI/Io之间的协同关系(ΦPSⅠ/PSⅡ)可以表明两个光系统间的协调性[22]。本试验发现，在扬花期不同作物茬口下冬小麦旗叶的ΔI/Io和ΦPSⅠ/PSⅡ无显著差异，在乳熟期玉米茬口较间作茬口显著降低了冬小麦旗叶的ΔI/Io和ΦPSⅠ/PSⅡ值，这可能是由于玉米茬口较间作茬口耗水量大，土壤含水量降低，造成冬小麦旗叶光反应中心活性降低，吸收的光能不能及时进入电子传递链或通过热耗散的方式耗散掉，造成了玉米茬口下冬小麦后期旗叶光合速率急剧降低。这与张子山等[20-21]和郑宾等[22]研究的玉米叶片花后光合特点所得结果一致。这说明玉米茬口冬小麦旗叶后期光合速率降低是因PSⅠ活性降低，PSⅠ与PSⅡ之间的协调性下降，而间作茬口较玉米茬口能增强冬小麦旗叶后期PSⅠ光化学活性和PSⅠ与PSⅡ之间的协调性，延缓叶片衰老，这对后期保持高光合值具有重要意义。这与郑宾等[22]研究认为通过调节花后PSⅠ反应中心性能，能减缓花后光合性能的下降结果相一致。本试验还发现，同一茬口下，施磷能提高冬小麦旗叶的PSⅡ反应中心电子传递链供体侧(Wk)与受体侧(Vj)电子传递效率、PSⅠ光化学活性及两者之间的协调性，减小后期冬小麦旗叶PSⅡ、PSⅠ光化学活性的下降幅度，延长高光合功能期，这与杨晴等[30]研究结果一致。关于玉米‖花生间轮作小麦-玉米复种影响土壤生理生态改善光合的机理还需进一步研究。

4 结论

综上所述，玉米‖花生茬口较玉米茬口显著提高冬小麦净光合速率和籽粒产量，主要原因可能是耕层土壤含水量的提高，从而增强冬小麦旗叶PSⅡ的光能吸收、转化、传递效率，PSⅠ光化学活性及PSⅡ与PSⅠ间的性能协调性，延长高光合功能期；并且施磷能改善冬小麦旗叶光系统光化学活性。