种植密度对紫花苜蓿生物量与不同叶位光合特性的影响

刘文兰，师尚礼，田福平

(1.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；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050)

种植密度对紫花苜蓿生物量与不同叶位光合特性的影响

刘文兰1，师尚礼1，田福平2

(1.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；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050)

以紫花苜蓿甘农3号为材料，研究5个种植密度(2 100、2 630、3 150、3 680、4 200万株/hm2)对现蕾期紫花苜蓿生物量和上、中、下3部位叶片光合特性的影响。结果表明：随着种植密度的增加生物量呈现增加的趋势，在3 680万株/hm2处理下达到最大；上、中、下部位叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量随着种植密度的增加均降低，但水分利用效率随着种植密度的增加而升高；种植密度对下部位叶片的蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素含量影响大于中、上部位叶片；同一种植密度下，各部位叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量的大小顺序均为上部叶>中部叶>下部叶，胞间CO2浓度、水分利用效率的大小顺序为下部叶>中部叶>上部叶。

紫花苜蓿；种植密度；生物量；光合特性

随着人们生活水平的提高，畜牧业迅速发展，对牧草的需求量越来越大。紫花苜蓿作为一个重要的牧草，如何提高其产量、品质成为一个亟待解决的问题。种植密度是影响苜蓿产量的一个重要因素，对植物的营养状况、冠层的光截获和光分布等产生重要的影响，并进而影响群体物质生产能力[1]。增加苜蓿种植密度能有效增加苜蓿鲜草产量，但密度过大群体通光通风性下降，植株容易发生病害，倒伏，叶片光合速率及产量降低。光合作用是作物生长发育的基础和生产力高低的决定性因素[2]。目前，种植密度对植物叶片光合特性的研究多集中在小麦和玉米上[3-4]。关于种植密度对苜蓿的影响，研究者多从叶生产量[5]、生长发育[6-8]、草生产量[6-7,9-11]、种子产量[10,12]等方面进行研究，而且多限于苜蓿整株研究。在大田生长过程中，从种植密度、分部位对紫花苜蓿叶片光合特性进行的研究较少。韩清芳等[13]从上、中、下3部位研究了黄土高原地区现蕾期紫花苜蓿品种镇原苜蓿叶片的光合日变化特征，认为苜蓿叶片的光合特征具有分层的特点。由于不同部位叶片对苜蓿的物质生产和产量形成起着主导作用，所以研究苜蓿不同叶位的光合能力对其草田管理、品种筛选具有重要意义。

甘农3号紫花苜蓿春季返青早，初期生长快，在灌溉条件下产草量高，为西北内陆灌溉农业区和黄土高原区丰产品种，但关于种植密度对其光合方面的影响研究较少。为此，以紫花苜蓿品种甘农3号为试验材料，设置不同的种植密度分部位研究紫花苜蓿叶片的光合特性，并从光合生理角度解释种植密度对紫花苜蓿产量的调控效应，进而确定最适种植密度，为紫花苜蓿群体结构优化设计、发挥紫花苜蓿群体和个体效应的最大潜能提供理论依据。

1 材料和方法

1.1试验地概况

试验在甘肃省兰州市七里河区中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所甘肃兰州大洼山综合试验站进行。该试验站位于兰州盆地黄河南岸三级阶地。当地平均海拔1 700 m，年均降水量 250～350 mm，平均降水天数 75 d；年均温9.3℃，极端最高温39.1℃，最低温 -23.1℃，年日照时数2 751.4 h。试验地土质为Ⅲ级自重湿陷性黄土，土壤有机质含量3.49 g/kg，全氮含量0.47 g/kg，碱解氮14.94 mg/kg，速效磷7.37 mg/kg，速效钾101.29 mg/kg，pH 7.90。

1.2试验设计

以紫花苜蓿甘农3号为材料，按照随机区组试验设计，设置5个种植密度：2 100、2 630、3 150、3 680、4 200万株/hm2，分别记为D1、D2、D3、D4、D5。每个水平3次重复，共设置15个小区。小区面积7.5 m2(2.5 m×3.0 m)，各小区之间设置0.5 m宽的缓冲带。2014年5月30日播种，采用人工开沟条播，播种深度为 2 cm，行距为30 cm。种子由草业生态系统教育部重点实验室提供。肥料一次性在播种前施入，尿素开沟2 cm施入。每小区尿素(含N 46.4%)和硫酸钾(含K2O 50%)用量分别为150、75 kg/hm2，统一进行除草、灌水管理。试验于2016年5月5日紫花苜蓿第1茬现蕾期进行。

1.3试验方法

1.3.1 叶位的确定 选取能代表小区生长状况的生长良好的植株，从离地5 cm算起，从下到上以第2节完全展开的健康完整中间小叶为下部叶位；中部叶位是从下到上第5茎节完全展开的健康完整中间小叶，上部叶位是从上到下第3茎节健康完整中间小叶。

1.3.2 鲜草生物量 每小区选取3个生长均匀的1.0 m的样段刈割，立即称量鲜草产量。

1.3.3 测定指标 采用SPAD-502型叶绿素测定仪测定不同部位叶片叶绿素含量，每个小区重复10次取平均值。

采用美国LI-COR公司生产的Li-6400光合仪，用6400-15透明叶室，于上午9∶00～11∶30，测定叶片指标：净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)。每次每叶位3个叶片重复测定。叶片瞬时水分利用效率WUE=Pn/Tr。

1.4数据处理

利用Microsoft Excel 2007进行数据整理和绘制图表，利用SPASS16.0进行显著性检验及相关统计分析。

2 结果与分析

2.1不同种植密度对苜蓿生物量的影响

随着种植密度的增加，紫花苜蓿鲜草生物量呈现增加的趋势，在D4处理下达到最大，为1.36 kg/m2。D4处理下生物量显著高于D1和D2处理(P<0.05)，但与处理D3和D5差异不显著(P>0.05)。与D1相比，D4增幅为33.44%。

图1 不同种植密度处理下的生物量Fig.1 Effects of plant densities on biomass

2.2不同种植密度对各部位叶片光合生理特性的影响

2.2.1 对净光合速率(Pn)的影响 随着种植密度的增加，紫花苜蓿上、中、下3部位叶片Pn均减小，且种植密度与各部位叶片Pn呈极显著负相关(P<0.01)。

图2 不同种植密度处理下叶片的净光合速率Fig.2 Effects of plant densities on leaf net photosynthetic rate注：大写字母表示同一密度处理下各部位叶片差异显著(P<0.05)；小写字母表示不同密度处理下同一部位叶片差异显著(P<0.05),下同

对上、中、下3部位叶片来说，均有D1处理下Pn最大，D5处理下Pn最小。说明种植密度增加使植株拥挤，透光率下降，净光合速率下降。对同一种植密度来说，各部位叶片净光合速率大小均表现为上部叶>中部叶>下部叶，且上层叶片Pn显著高于下层叶片Pn(P<0.05)。与D1比较，D2、D3、D4、D5处理下的上、中、下部位叶片Pn降幅分别为4.14%、11.93%、11.86%、15.56%；1.46%、4.43%、10.56%、12.81%；3.48%、6.19%、10.50%、20.64%，说明种植密度对下部叶片Pn的影响大于上、中部叶片。

2.2.2 对蒸腾速率(Tr)的影响 紫花苜蓿上、中、下3部位叶片Tr均随着种植密度的增加而减小，种植密度与下部位叶片Tr呈极显著负相关(P<0.01)。在D1处理下Tr最大，D5处理下Tr最小。对同一种植密度来说，各部位叶片蒸腾速率大小均有上部叶>中部叶>下部叶，但仅D1、D4和D5处理下上部位叶片Tr与下部位叶片Tr存在显著差异(P<0.05)。相对于D1来说，D2、D3、D4、D5处理下上、中、下3部位叶片Tr降幅分别为11%、21%、22%、26%；15%、17%、23%、44%；18%、31%、36%、59%，说明种植密度对下部位叶片Tr的影响大于上部、中部叶位。

图3 不同种植密度处理下叶片的蒸腾速率Fig.3 Effects of plant densities on leaf transpiration rate

2.2.3 对水分利用效率(WUE)的影响 叶片消耗单位水分所能够固定CO2的量即为WUE。上、中、下3部位叶片均随着种植密度的增加呈现升高的趋势，种植密度与下部位叶片WUE呈极显著正相关(P<0.01)，3部位叶片均在D5处理下达到最大值，表明高密度处理有利于提高叶片的WUE。同一种植密度，各部位叶片WUE大小顺序为下部叶>中部叶>上部叶，但仅D3、D4和D5处理上部位叶片WUE与下部位叶片存在显著差异(P<0.05)。与D1比较，D2、D3、D4、D5处理下上、中、下部位叶片WUE升高的幅度分别为8%、11%、12%、14%；16%、15%、16%、55%；17%、37%、39%、95%，说明种植密度对下部位叶片WUE的影响大于上、中部位叶片(图4，表1)。

表1 种植密度与各指标之间的相关系数

图4 不同种植密度处理下叶片的水分利用效率Fig.4 Effects of plant densities on leaf water use efficiency

2.2.4 对胞间CO2浓度(Ci)的影响 随着种植密度的增大，紫花苜蓿3部位叶片的Ci均呈现升高趋势，D4处理最大(图5，表1)。5种密度处理下Ci均有下部叶>中部叶>上部叶。方差分析表明，各部位叶片Ci均存在显著差异(P<0.05)。与D1相比，D2、D3、D4、D5处理的上、中、下3部位叶片Ci增幅分别为17%、25%、28%、7%；9%、11%、14%、9%；11%、12%、17%、10%，这说明种植密度对上部位叶片Ci的影响大于中部、下部叶位叶片。

2.2.5 对气孔导度(Gs)的影响 随着种植密度的增加，紫花苜蓿各部位叶片Gs均减小，且种植密度与各部位叶片Gs呈显著负相关(P<0.01)。同一种植密度处理下，各部位叶片Gs大小均表现为上部叶>中部叶>下部叶，但仅D1和D4处理下上部位叶片Gs与下部位存在显著差异(P<0.05)。与D1比较，D2、D3、D4、D5处理下，上、中、下3部位叶片Gs降幅分别为19%、22%、22%、38%；18%、29%、36%、43%；17%、28%、33%、39%，说明种植密度对中部位叶片Gs的影响大于上部、下部叶片(图6，表1)。

图5 不同种植密度处理下叶片CiFig.5 Effects of plant densities on leaf intercellular CO2 concentration

图6 不同种植密度处理下气孔导度Fig.6 Effects of plant densities on leaf stomatal conductance

2.2.6 对叶绿素含量的影响 叶绿素是衡量叶片光合能力的一个重要功能性状，叶片光合作用的降低与叶绿素含量的降低相关[14]。随着种植密度的增加，紫花苜蓿上、中、下3部位叶片叶绿素含量均降低，且种植密度与各部位叶片叶绿素含量呈极显著负相关(P<0.01)，D5处理下降最为明显。同一种植密度处理，各部位叶片叶绿素含量大小顺序表现为上部叶>中部叶>下部叶，且各部叶片Ci均存在显著差异(P<0.05)。相对于D1，D2、D3、D4、D5处理下上、中、下3部位叶片叶绿素含量降幅分别为6%、7%、8%、12%；2%、7%、7%、14%；4%、8%、6%、16%，说明种植密度对下部位叶片叶绿素含量的影响大于上部、中部叶片(图7，表1)。

图7 不同种植密度处理下叶片叶绿素含量Fig.7 Effects of plant densities on leaf chlorophyll concentration

2.3生物量与各层叶片净光合速率的相关分析

回归分析发现，苜蓿生物量与上、中部位叶片Pn呈显著负相关，与下部位叶片Pn无显著相关性(图8)，说明上、中部位叶片对苜蓿生物量起决定性作用，下部位叶片对苜蓿生物量影响较小。

2.4Pn与胞间Ci浓度、Gs和叶绿素含量的相关分析

叶片Pn与各部位叶片Ci均呈负相关，但无显著相关性。对中部位叶片而言，叶片Pn与气孔导度呈显著正相关，但与上部位和下部位叶片气孔导度无显著相关性。在上部位叶片中，Pn与叶绿素含量呈极显著正相关，下部位呈显著正相关，与中部位无显著相关性(表1)。说明中部位叶片的气孔导度显著影响了Pn，上部位叶片的叶绿素含量极显著影响了Pn，下部位叶片的叶绿素含量显著影响了Pn。

表2 叶片Pn与Ci、Gs和叶绿素(CHI)含量的相关系数

注：**相关性在0.01水平上显著，*在0.05水平上显著

3 讨论

3.1种植密度对紫花苜蓿生物量的影响

图8 生物量与各部位叶片净光合速率的关系Fig.8 The correlation between biomass and Pn of leaf

种植密度是影响紫花苜蓿产量的重要因素，确定适宜的种植密度是研究紫花苜蓿的重要内容。Jeffer-sin等[15]和潘玲等[16]认为,苜蓿播种量在6～18 kg/hm2时,苜蓿产草量随其播种量的增加而增加；播种量增加到24 kg/hm2时,产草量开始下降。王莹等[17]研究发现，紫花苜蓿产量随播种密度的增加呈现出显著增加而后趋于平稳的变化趋势,与此次研究结果一致。

3.2种植密度对叶片光合特性的影响

植物的光合特性和种植密度之间有着密切联系。研究发现，随着种植密度的增加紫花苜蓿各部位叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量均降低。种植密度大，各部位叶片受光条件差，尤其是下部位叶片，进而影响苜蓿产量。在各部位叶片中，上位叶片受光条件最好，能够接受到较多的太阳辐射，净光合速率最高；中部位叶片也有较好的光照条件；而下部位叶片，由于受到上层和中层遮阴，只能截获到很少的漏射光和透射光，因此净光合速率最低。这与冯晔等[4]对西辽河平原4个春玉米的研究结果一致。陈传永等[18]和王广明等[19]均认为玉米叶片光合速率、叶绿素含量随种植密度增加而降低。研究还发现种植密度对下部位叶片叶绿素含量的影响大于上、中部叶片。在高的种植密度下，群体压力过大造成的冠层内部尤其是下层叶片的微环境恶化，透光率下降，是叶绿素含量、光合速率下降的主要原因。王瑞等[20]认为，随着生育进程的推进，密度对烤烟中、下部叶片的净光合速率、蒸腾速率的影响大于上部叶片。韩清芳等[13]研究发现现蕾期紫花苜蓿不同叶位叶片的净光合速率；存在极显著差异(P<0.01),高低表现为上位叶>中位叶>下位叶；且胞间CO2浓度(Ci)存在显著差异(P<0.05),表现为下叶位>中位叶>上位叶,Tr差异不显著。本试验也发现种植密度对紫花苜蓿下部位叶片蒸腾速率、水分利用率的影响大于中、上部叶片。

3.3紫花苜蓿生物量与叶片光合参数的相关性

朱延姝等[21]认为，随着叶位的上升叶片的叶绿素含量逐渐增加，叶绿体的基质、基质片层和基粒片层也随叶位上升增加[22]，致使上部位叶片的光合速率显著高于下部位叶片，从而对最终生物量起决定性作用[23]。研究也发现，苜蓿生物量与上部位和中部位叶片Pn显著负相关，与下部位叶片Pn无显著相关性，说明上、中部位叶片的Pn对苜蓿生物量影响较大。

由于笔者仅对种植密度对现蕾期紫花苜蓿不同部位叶片的光合特性做了研究，其他生育时期需要进一步探讨。

4 结论

(1)紫花苜蓿鲜草生物量随着种植密度的增加呈现增加的趋势，在3 680万株/hm2处理下达到最大，与最低密度2 100万株/hm2比较，增加了33.44%。

(2)随着种植密度的增加，上、中、下部位叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量均降低，但水分利用率升高；种植密度对下部位叶片的蒸腾速率、水分利用率、叶绿素含量影响大于中、上部位叶片；种植密度与上、中、下部位叶片的净光合速率、气孔导度、叶绿素含量均呈极显著负相关，与下部位叶片的蒸腾速率呈极显著负相关，与下部位叶片的水分利用率呈极显著正相关。

(3)同一密度处理下，紫花苜蓿光合速率、水分利用效率、胞间CO2浓度具有分层的特点，上部位叶片Pn显著高于下层叶，下部位WUE、Ci显著高于上部叶位。

(4)由于紫花苜蓿不同部位光合特性差异，在种植时选取合适的密度，以发挥中、上层叶片的光合效率，进一步提高下层叶片的截光率，从空间结构上提高苜蓿的光合效率，进而提高苜蓿产量。

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Effectsofplantingdensityonbiomassandphotosyntheticcharactersofalfalfaleavesatdifferentpositions

LIU Wen-lan1,SHI Shang-li1,TIAN Fu-ping2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China； 2.LanzhouInstituteofHusbandryandPharmaceuticalSciencesofChineseAcademyofAgriculturalSciences/TheLanzhouScientificObservationandExperimentFieldStationofMinistryofAgricultureforEcologicalsystemintheLoessPlateauArea,Lanzhou730050,China)

Effects of planting densities (2 100×104,2 630×104,3 150×104,3 680×104and 4 200×104plants/ha) on biomass and photosynthetic characters of alfalfa leaves at budding stage were studied with alfalfa (No 3 Gannong) as an indicator crop.The results revealed that biomass of alfalfa increased with planting density increasing and reached the maximum at the plant density of 3 680×104plants/ha.The Net photosynthetic rate,transpiration rate,stomatal conductance and chlorophyll content decreased with planting density increasing,but water use efficiency increased.The effects of the planting density on transpiration rate,the water use efficiency and chlorophyll content in low position leaf was higher than that in upper and middle position leaf,and in order of upper leaves > middle leaves > low leaves.Intercellular CO2concentration and water use efficiency was in order of low leaves > middle leaves > upper leaves.

alfalfa;planting density;biomass;photosynthetic characteristics

2016-10-14；

：2017-05-03

国家现代牧草产业技术体系(CARS-35)；国家自然科学基金面上项目 (31372368)；中国农业科学院科技创新工程专项资金项目 (CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)；甘肃农业大学林学院中青年科研基金项目资助

刘文兰(1976-)，女，宁夏中卫人，在读博士。 E-mail：liuwl@gsau.edu.cn 师尚礼为通讯作者。

S 541.9

：A

：1009-5500(2017)04-0014-07