套種模式下不同株行距核桃對油用牡丹光合特性及產量的影響

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(1.鄭州師范學院，河南 鄭州 450044； 2.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

油用牡丹是芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)植物中產籽出油率大于或等于22%的品種的統(tǒng)稱[1]。其花是原產于我國的名花；根部即丹皮，為我國傳統(tǒng)中藥材；籽油富含不飽和脂肪酸，2011年被國家衛(wèi)生部批準為新資源食品，這標志著牡丹籽油可作為食用油進行批量生產[2-3]。目前，油用牡丹已發(fā)展為集觀賞、油用和藥用價值為一身的木本油料植物資源。牡丹耐旱性強，忌炎熱。國內外關于油用牡丹的研究主要集中在籽油提取工藝和化學成分分析[4-7]、品種選育[8-9]、產業(yè)發(fā)展[10-11]等方面，也有學者對其光合特性進行了研究，結果表明，適度遮陰可減輕中午的光抑制，改善牡丹葉片光環(huán)境，促進其光合作用[12-15]。因此，根據(jù)牡丹的生長特點，將油用牡丹與經濟林木進行間作套種，不僅可以給牡丹生長提供適宜的環(huán)境，而且可提高土地的利用效率，增加單位土地的產出率[16]。復合處理中，由于套種樹種處理的不同，對林下植物的遮陰作用也不同，造成了林下光照環(huán)境的差異。以套種于不同處理核桃林下的油用牡丹為材料，研究了牡丹的光合參數(shù)及其與主要環(huán)境因子的關系，以揭示不同核桃林套種牡丹的光合生理生態(tài)特征，為油用牡丹復合種植技術的推廣提供科學指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于鄭州師范學院黃河灘實習實訓基地進行，地理坐標為北緯34°92′、東經113°62′，屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明。春季干燥少雨，夏季炎熱、降水集中，秋季涼爽，冬季干冷少雪，年平均氣溫15.6 ℃，年平均降雨量542.15 mm，無霜期209 d，全年日照時間約1 900 h。土壤類型為潮土，pH值8.4左右。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2017年5月進行。供試油用牡丹(Paeoniaostii)為6年生鳳丹。核桃(JuglansregiaL.)造林時間為2014年春季，種植方向為東西走向，設置4種套種處理，分別為(株距×行距)：5 m×6 m(T1)、5 m×5 m(T2)、4 m×5 m(T3)、4 m×4 m(T4)，在2行核桃樹間套種油用牡丹，以單作油用牡丹作為對照(T0)，重復3次，共15個小區(qū)，每個小區(qū)面積120 m2，小區(qū)間隔為2 m。油用牡丹株行距均為30 cm×80 cm。各小區(qū)田間管理一致，定期進行除草、澆水。

1.2.2 光合參數(shù)及環(huán)境因子日變化測定 在2017年5月10日、5月13日、5月14日，采用LI-6400XT便攜式光合儀(美國LI-COR公司生產)測定牡丹葉片的光合指標，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)。使用自然光源，葉室面積為2 cm×3 cm。測定時，選擇當年生枝條第2片或第3片葉，每個小區(qū)選擇長勢一致的油用牡丹5株，每株測定2片健康成熟葉片。測定時間為9:00—17:00，每隔2 h測定一次。同時儀器自動記錄相關的環(huán)境因子，包括大氣溫度(Ta)、空氣相對濕度(RH)、光合有效輻射(PAR)、大氣CO2濃度(Ca)。試驗重復3次，取平均值。根據(jù)PENUELAS等[17]的方法計算瞬時水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr。

1.2.3 光響應曲線測定 在2017年5月15日、5月16日、5月17日的9:00—11:00，利用LI-6400XT便攜式光合儀，使用紅藍光源，在每個小區(qū)中隨機選擇牡丹枝條頂端長勢一致的成熟葉片進行測定。測定前，先將待測葉片在光照強度為1 500 μmol/(m2·s)條件下誘導 20 min。測定時，使用CO2注入系統(tǒng)，參比室CO2濃度設為400 μmol/mol，在光照強度梯度為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol/(m2·s)下測量葉片的Pn，每個小區(qū)測定3株。測量結果利用非直角雙曲線模型進行擬合，計算出最大凈光合速率(Pmax)、光補償點(LCP)、 光飽和點(LSP)、暗呼吸速率(Rd)和表觀量子效率(AQE)。

1.2.4 產量及其構成因素測定 牡丹果實成熟時，在每小區(qū)隨機選取10 株(每個處理3個小區(qū)，共計150株)，統(tǒng)計每株上果莢數(shù)量、單果種子數(shù)，并測量單果直徑、千粒質量，陰干后統(tǒng)計籽粒產量，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析、Duncan’s 多重比較、相關性分析以及多元逐步回歸分析，采用Origin 8.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理主要環(huán)境因子的日變化規(guī)律分析

從圖1可以看出，5種處理下PAR的變化趨勢相似，均為單峰型曲線，且均在13:00達到峰值，全天中，T0處理PAR均大于其他處理。Ca的變化趨勢與PAR相反，5種處理下均在11:00達到最小值。1 d中，5種處理下的Ta變化范圍在22～32 ℃，變化趨勢均為在13:00之前迅速升高，之后略有下降，除9:00外，在其他時間T0處理溫度最高。T1和T2處理RH變化趨勢相似，均在13:00之前下降，之后逐漸升高，15:00之后又開始下降；T0處理的RH在13:00達到1 d中最小值，而此時正是T4處理的最大值。

圖1 不同處理環(huán)境因子日變化Fig.1 Diurnal change curves of environmental factors in different interplant models

2.2 不同處理牡丹光合參數(shù)日變化規(guī)律分析

2.2.1 Pn的日變化 由圖2可知，牡丹葉片Pn的日變化規(guī)律不同，總體分為2種情況。T2、T3和T4處理下Pn先增大后減小，為單峰型曲線，且達到峰值的時間相同，均為11:00。T0和T1 處理下呈雙峰曲線，早上隨著光照強度的增大，Pn逐漸升高，在11:00達到第1個峰值，之后便開始下降，在13:00降到最低，之后又逐漸升高，在15:00達到第2個峰值，說明這2種處理下牡丹葉片存在光合“午休”現(xiàn)象。1 d中，T4處理的Pn總體上低于單作，而T2處理則相反。

2.2.2 Ci和Gs的日變化 由圖3可知，不同處理下牡丹葉片Gs的日變化規(guī)律與Pn基本一致，T0和T1處理下呈雙峰曲線，分別在11:00和15:00出現(xiàn)峰值，此時Pn也達到峰值。T3處理下的變化趨勢為升高—降低—基本平穩(wěn)，最大值出現(xiàn)在11:00。T2和T4處理下的日變化曲線均為單峰型，11:00之前逐漸升高，之后迅速下降。不同處理下葉片Ci的變化存在差異。T2、T3和T4處理下變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為先降低，在11:00達到最低值，之后逐漸升高；而T0和T1處理類似“W”型，在11:00和15:00出現(xiàn)谷值。

圖2 不同處理鳳丹牡丹葉片Pn日變化Fig.2 Diurnal change curve of net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.2.3 Tr的日變化 由圖4可知，T0、T1處理下葉片Tr日變化為雙峰型曲線，與Pn的變化趨勢基本一致，最大值也分別出現(xiàn)在11:00和15:00。在這2個時刻，T0處理下Tr較高，分別高于T1處理2.86%和13.88%，原因是T1處理的株行距較大，核桃冠層對太陽光的遮擋效果較差，葉片氣孔開放程度高。T2、T3和T4處理下Tr呈單峰曲線，均在11:00達到峰值，與Pn峰值時間相同。

2.2.4 WUE的日變化 WUE與Pn和Tr值有直接關系。由圖5可知，全天中，T4處理WUE均比其他處理高，而T0處理除17:00外，在其他時間均比其他處理低。在11:00、13:00和15:00，WUE由大到小順序為：T4>T3>T2>T1>T0。

圖3 不同處理鳳丹牡丹葉片Ci和Gs的日變化Fig.3 Diurnal change curves of intercellular CO2 concentration and stomatal conductance of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

圖4 不同處理鳳丹牡丹葉片Tr的日變化Fig.4 Diurnal change curve of transpiration rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

圖5 不同處理內鳳丹牡丹葉片WUE的日變化Fig.5 Diurnal change curve of water use efficiency of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.3 不同處理牡丹光響應曲線及光響應參數(shù)分析

由圖6可以看出，5種處理下葉片的Pn變化趨勢相同，均為先迅速升高，后趨于平緩。在PAR為0～200 μmol/(m2·s)時，牡丹葉片Pn隨著PAR的升高而迅速上升，當PAR大于200 μmol/(m2·s)時，牡丹葉片的Pn緩慢升高并最終趨于穩(wěn)定。

5種處理下供試牡丹葉片的光響應參數(shù)見表1。結果顯示，不同處理下葉片的Pmax、AQE、LCP和LSP均存在一定差異。其中，T2處理下的AQE最高，與其他處理之間差異顯著(P<0.05)，說明該處理下牡丹葉片的光能利用率高，光合能力最強；T4處理下的LSP最高，LCP最低，且LSP與其他處理之間均存在顯著性差異(P<0.05)，但其AQE最低，光合能力較弱。T3和T4處理的LCP及Rd較T0低，可見當牡丹葉片長期處于弱光環(huán)境時，通過降低光補償點，減少呼吸消耗，來適應周圍環(huán)境。

圖6 不同處理鳳丹牡丹葉片的光響應曲線Fig.6 Light response curve of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

處理TreatmentAQE/ (mmol/mol)Pmax/ [μmol/(m2·s)]LSP/ [μmol/(m2·s)]LCP/ [μmol/(m2·s)]Rd/ [μmol/(m2·s)]T00.023±0.001c19.51±2.04b887.22±25.54c38.83±1.80a0.89±0.02aT10.028±0.002b18.20±1.40b669.21±23.50e19.11±1.64b0.54±0.03bcT20.034±0.001a26.16±2.69a789.06±30.49d19.53±1.53b0.66±0.02abT30.021±0.004cd 25.10±4.01a1 208.62±40.38b 13.62±2.04c0.29±0.01c T40.018±0.002d26.50±1.28a 1 485.06±20.06a12.61±1.56c 0.23±0.02c

注：同列中不同小寫字母表示同一指標在不同處理間差異顯著(P<0.05),下同。

Note： Different small letters in the same column indicate the significant difference of the same index among different models(P<0.05),the same below.

2.4 不同處理牡丹Pn與生理生態(tài)因子的關系分析

2.4.1 相關性分析 從表2可以看出，總體上，5種處理下牡丹葉片的 Pn與Gs、Tr、RH、PAR以及Ca之間關系密切。5種處理中，葉片的Pn與Tr之間均存在顯著正相關關系(P<0.05)；T2和T4處理下葉片的Pn與PAR呈極顯著正相關(P<0.01)，而T1處理的相關性不顯著；除T0處理外，其他處理Pn與Ca均呈極顯著負相關(P<0.01)；T1和T4處理下葉片的Pn與RH之間存在顯著正相關，其中，T4處理的相關性極顯著(P<0.01)。

2.4.2 逐步多元回歸分析 為了確定不同處理下牡丹葉片Pn的主要影響因子，以Pn(Y)為因變量，以Gs(X1)、Ci(X2)、Tr(X3)以及不同處理內的PAR(X4)、Ta(X5)、RH(X6)、Ca(X7)、WUE(X8)為自變量進行多元逐步回歸分析，建立最優(yōu)回歸方程(表3)。由表3可知，T0處理下牡丹葉片Pn的主要影響因子為Tr、Ta以及WUE；T1處理下牡丹葉片Pn的主要影響因子為RH和Ca；T2處理下葉片Pn的主要影響因子為Tr和Ca；T3處理下葉片Pn的主要影響因子為Gs、Tr、Ta、Ca和WUE；T4處理下葉片Pn的主要影響因子為RH。

表2 不同處理鳳丹牡丹葉片Pn與不同因子間的簡單相關系數(shù)Tab.2 Simple correlation coefficient between net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models and different factors

注：*表示相關性顯著(P<0.05),**表示相關性極顯著(P<0.01)。

Note： * indicate significant relation(P<0.05), ** indicate extremely significant relation(P<0.01).

表3 不同處理鳳丹牡丹葉片Pn與相關因子的回歸分析Tab.3 Regression analysis between net photosynthetic rate of leaf of P.ostii Fengdan in different interplant models

2.5 不同處理牡丹產量及其構成因素分析

由表4可知，不同處理下單果種子數(shù)和單果平均直徑無顯著性差異。當株行距為4 m×4 m時，單株果莢數(shù)和千粒質量與單作相比差異顯著。籽粒產量除T4處理較單作有明顯的下降外，其他套種處理均比單作高，其中T2處理最高，比單作高出32.30%，可見，核桃種植株行距過小并不利于牡丹的生長，當?shù)扔诨虻陀? m×4 m時，不宜在林下套種牡丹。

表4 不同處理鳳丹牡丹產量及構成因素差異比較Tab.4 The difference comparison on yield and component factors of P.ostii Fengdan in different interplant models

3 結論與討論

套種導致樹木與作物在空間上具有高低層次，改善了系統(tǒng)內的光分布，林下的光資源是一種高度異質化的資源，變化十分復雜。因此，光照環(huán)境對林下植物生長發(fā)育十分重要[18-19]。郭佳歡等[20]在研究棗麥復合系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，棗樹的株行距是影響冬小麥冠層光合有效輻射的主要因素，并最終影響小麥產量。肖琳等[21]發(fā)現(xiàn)在板栗林下套種百合，稀植可以改善百合的光合性能。本研究中，5種處理下的牡丹葉片光合生理生態(tài)特征存在較大差異，這說明在牡丹生長發(fā)育過程中，為適應周圍復雜多變的環(huán)境，而逐漸形成了各自獨有的特點。除單作、5 m×6 m 處理外，其他處理下牡丹葉片的Pn日變化曲線為單峰型，這在一定程度上與核桃冠層對牡丹的遮陰性有關。在13:00時，單作下的牡丹無遮陰，而5 m×6 m處理的核桃株行距過大，對林下牡丹遮陰性不強，使得這2種處理內溫度較高，光合有效輻射較大，葉片為免受強光傷害，氣孔關閉，蒸騰作用隨之降低，Pn下降，出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。周曙光等[22]對大田條件下牡丹進行不同遮光處理，發(fā)現(xiàn)自然光下牡丹也存在此現(xiàn)象。總體來看，5 m×5 m處理下的牡丹葉片Pn在全天中均為最大。5種處理下WUE日變化趨勢相似，在11:00—15:00，隨著核桃樹株行距增大，WUE有減小的趨勢，其中，單作最低，原因是中午溫度較高，單作條件下牡丹未遮陰，造成了較多的水分流失。

5種處理中，4 m×4 m處理下的牡丹葉片LSP最高，LCP最低，Rd也較單作低，說明該處理下，牡丹葉片較其他4種處理的可利用光范圍廣，但其AQE較單作低，對光能的利用能力減弱，這是由于該處理下的牡丹長期處于光照不足的環(huán)境條件所致。蔡艷飛等[13]比較了不同光環(huán)境下牡丹的生長狀況，發(fā)現(xiàn)過度遮陰會減弱牡丹光合作用，導致牡丹減產，與本研究結果一致。5 m×5 m處理下牡丹葉片的AQE、LCP均較高，說明該處理下牡丹葉片的光能利用能力最強。

對5種處理下的環(huán)境因子和牡丹葉片光合特性進行了簡單相關分析，結果表明，從整體上看，影響牡丹葉片Pn的主要因子有Gs、Tr、Ca和RH。為了進一步明確不同處理內影響牡丹Pn的主要因子，本研究對各因子進行了多元逐步回歸分析，結果表明，單作條件下，Tr、Ta和WUE是影響牡丹Pn的主要因子；在核桃與牡丹套種下，Gs、RH、Ca、Ta、Tr和WUE是影響牡丹葉片Pn的主要因子，但由于核桃種植的株行距不同，每種處理內又存在差異，這與程鵬等[23]對不同林分茶樹的光合特性的研究結果一致。

核桃株行距的不同會對牡丹的產量以及構成因素產生一定影響，因此，在實際栽培過程中，要合理配置核桃株行距，提高綜合經濟效益。核桃樹株行距為4 m×4 m時牡丹單株果莢數(shù)以及千粒質量最低，同時產量也最低。而其他株行距則在不同程度上增加了牡丹種子產量，以5 m×5 m最為明顯，具有較好的推廣價值。本研究只探討了油用牡丹光合性能和產量，對于土壤理化性質、植物的互作效應等方面并未涉及，后續(xù)仍需要進一步研究。