滴灌減氮對四川盆地玉米吐絲后葉片衰老和物質積累的影響

劉 凡,劉斌祥,郭宗翔,崔世磊,劉 舉,楊云飛,李小龍,孔凡磊,袁繼超

(1.四川農業(yè)大學農學院/農業(yè)農村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室,四川 成都 611130;2.中江縣農業(yè)農村局,四川 中江 618100)

在玉米生產中為確保高產而普遍存在氮肥施用過量問題[1-3],僅約30%氮素被吸收,大部分被淋溶到土壤深層[4],造成資源浪費和環(huán)境污染[5-6]。為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展,對合理施氮已開展了大量研究[1-2,6-9],表明適量減氮能在保證糧食高產的同時提高氮肥利用率。Ju等[10]認為,改善氮管理可以降低30%～60%當前氮肥用量,保持產量穩(wěn)定,并減少約1/2的氮損失。氮和水是限制作物生產潛力的主要因素[11],合理的水氮配置能充分發(fā)揮水氮耦合效應[1,7],適量灌水或施氮可對缺乏另一因子的負面效應起補償作用[5],因此研究水氮運籌對玉米減氮增效具有重要意義。

吐絲后是玉米物質積累與產量形成的關鍵時期,此時葉片進入衰老階段[12-14]。在葉片衰老過程中,活性氧代謝失衡,膜脂過氧化使生物膜破壞,導致丙二醛含量升高[15-16]、葉綠素降解[17]、葉片光合能力下降[18],最終影響籽粒灌漿并降低產量[19]。延緩葉片衰老,增加光合持續(xù)時間有利于物質積累進而提高玉米產量[20-22]。充足的氮素供給能延緩營養(yǎng)器官的氮素再動員,進而延緩葉片衰老[23]。充足的水分除延緩葉片衰老外[21],還能促進根系對氮素的吸收利用[23],合理的水氮運籌能夠在提高葉片光合能力同時延緩葉片衰老[16]。前人在水氮互作和減氮增效方面進行了較多研究[2,7],主要集中在水氮利用效率和產量形成方面,但缺乏吐絲后葉片衰老的相關研究。

四川盆地是西南玉米生產區(qū)的重要組成部分,該區(qū)土層瘠薄,季節(jié)性干旱頻發(fā),普遍存在過量施用化肥現象,化肥減施與集雨補灌是本區(qū)玉米抗逆穩(wěn)產增效與可持續(xù)發(fā)展的方向。本文就四川盆地滴灌減氮條件下玉米花后葉片衰老特性和物質積累進行研究,可為玉米水肥一體化減氮增效技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年4-8月在四川省德陽市中江縣輯慶鎮(zhèn)新建村(31.03°N,104.68°E)開展。該地海拔625.3 m,屬亞熱帶季風性氣候,無霜期282 d,2009—2018年全年平均降水量855.59 mm,試驗期間和2009—2018年同期的平均降水量和溫度見圖1,日均氣溫與正常年份相近,總降水量多于正常年份,主要是7月16、29日和8月5日有3次大暴雨,其中8月5日和7月28日降水量分別達141.5 mm和86.4 mm,形成了明顯的徑流,其余時期均有不同程度的階段性(季節(jié)性)干旱,尤其是6月下旬和7月上旬。供試土壤為紫色粘性土,耕層厚約20 cm,播種前土壤的基礎養(yǎng)分含量為堿解氮54.60 mg·kg-1、速效磷5.25 mg·kg-1、速效鉀102.73 mg·kg-1、有機質8.71 g·kg-1、pH為6.35、表層土(0～20 cm)儲水量448 mm。

圖1 近10年及試驗期間降水量與日均溫Fig.1 Precipitation and average daily temperature in the last ten years and during the test period

1.2 試驗設計

供試玉米品種為‘正紅507’,采取膜下滴灌方式進行灌溉。采用兩因素隨機區(qū)組設計,A因素為氮肥施用量,設置正常氮(純氮240 kg·hm-2,N240)和減氮25%(純氮180 kg·hm-2,N180)2個水平;B因素為滴灌量,設置0 m3·hm-2(B0)、375 m3·hm-2(B1)、750 m3·hm-2(B2)和1 125 m3·hm-2(B3)4個水平;并以不施氮且不滴灌為對照組(CK)。試驗包括9個處理,各處理3次重復,共計27個小區(qū),小區(qū)面積為26.4 m2(長4.8 m,寬5.5 m)。3月29日覆膜直播,寬窄行(寬行1.1 m,窄行0.5 m)種植,單株栽培,密度為52 500株·hm-2,氮肥用量按試驗方案進行,其中40%作基施,拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期分別滴施10%、40%和10%,另一次性基施P2O590 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2;根據天氣和土壤墑情,分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期前后和灌漿期進行滴灌,B1、B2、B3處理每次滴灌定額分別為93.75、187.5、281.25 m3·hm-2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 吐絲后干物質積累量和氮素積累量 分別于吐絲期和成熟期,在每小區(qū)選取長勢均一、有代表性的植株6株,分為葉、莖鞘、穗(成熟期將穗分為穗軸和籽粒)、其他(果柄、苞葉和雄穗),放入烘箱中,105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重后稱重。將干樣粉碎后過60目篩,稱取0.2 g用H2SO4-H2O2消煮后,用凱氏定氮法測全氮含量。氮積累量=干物質積累量×全氮含量,吐絲后干物質(氮素)積累量=成熟期干物質(氮素)積累量-吐絲期干物質(氮素)積累量。

1.3.2 葉片生理指標 分別于吐絲期和吐絲期后10、20、30、40 d在每小區(qū)取3株代表性植株,將穗位葉的中部剪碎混勻后,按湯紹虎等[24]的方法,測定葉綠素含量,蔗糖合成酶(SS)、谷氨酰胺合成酶(GS)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性,于吐絲期、吐絲期后10、20、30 d測定過氧化物酶(POD)活性。

1.3.3 數據處理 采用Excel 2019與SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行數據處理與分析,采用Graph Pad Prism 8作圖。

2 結果與分析

2.1 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉葉綠素含量的影響

吐絲后葉綠素含量呈單峰變化(即先增加再降低)(圖2),吐絲后20 d葉綠素含量達到峰值后開始降低,吐絲后40 d與20 d相比,減氮和正常氮條件下分別降低8.27%和18.62%,B0、B1、B2、B3處理分別降低17.00%、9.22%、14.59%、12.58%,而CK則降低了30.61%,表明施氮和滴灌均延緩了葉片的衰老。葉綠素含量隨施氮量和滴灌量的增加而上升,且處理間差異顯著,互作效應在吐絲后10 d達顯著水平(表1)。減氮條件下,B1、B2、B3處理吐絲后10 d的葉綠素含量較B0處理分別提高11.43%、27.62%、46.67%,而正常氮水平下則分別提高1.03%、1.40%、10.71%。將各時期葉綠素含量進行平均發(fā)現,N180B3處理與N240B0處理差異不顯著。表明滴灌能提高葉綠素含量,彌補減氮帶來的影響,延緩葉綠素降解。

圖2 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on chlorophyll content of ear leave of maize after silking stage

表1 玉米吐絲后穗位葉葉綠素含量、SOD、POD、CAT、SS和GS的顯著性檢驗Table 1 Significance test of chlorophyll content,SOD,POD, CAT,SS and GS in ear leaves of maize after silking

2.2 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉保護酶活性的影響

吐絲后穗位葉的保護酶活性總體呈先升后降趨勢,POD和CAT活性的峰值大約在吐絲后10 d,而SOD則出現在吐絲后20 d和30 d(圖3)。氮肥水平和滴灌量對保護酶活性均有顯著影響,總體表現為隨施氮量和滴灌量的增加而增加趨勢,但增加幅度有逐漸減小的趨勢,氮肥水平和滴灌量間存在一定互作效應,且部分測定時期互作效應達到顯著水平(表1)。N240和N180與CK相比,SOD活性分別平均提高66.24%和34.97%,POD活性分別平均提高46.70%和25.20%,CAT活性分別平均提高60.08%和52.95%。在N240水平下,B3、B2、B1處理SOD活性較B0處理分別提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分別提高45.07%、8.43%、7.15%。在N240水平下,B3、B2、B1處理POD活性較B0處理分別提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分別提高45.07%、8.43%、7.15%。在N240水平下,B3、B2、B1處理CAT活性較B0處理分別提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分別提高45.07%、8.43%、7.15%。另外,N180B3處理的保護酶活性均高于N240B0處理,表明適量滴灌可以緩解減氮引起的保護酶活性下降。

圖3 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉SOD、POD和CAT活性的影響Fig.3 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on SOD、POD and CAT activity in ear leaves of maize after silking stage

2.3 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉碳氮代謝的影響

2.3.1 蔗糖合成酶活性 蔗糖合成酶是蔗糖合成途徑的關鍵酶,其活性可以衡量葉片蔗糖合成代謝能力。SS活性隨生育進程先上升后降低,峰值出現在吐絲后10 d左右(圖4)。施氮和滴灌顯著影響吐絲后SS活性,交互效應在吐絲后30 d極顯著(表1)。SS活性隨著施氮量和滴灌量的增加整體呈增加趨勢,從各時期和滴灌水平的平均值來看,N180和N240處理SS活性較CK處理分別提高15.36%和40.81%;從各時期的平均值看,N240B0處理SS活性較N180B0處理提高12.25%,但與N180B3處理差異不顯著。說明滴灌能緩解減氮帶來的影響,且能延緩吐絲后SS活性下降幅度。

圖4 滴灌減氮對玉米吐絲后穗位葉SS活性的影響Fig.4 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on SS activity in ear leaves of maize after silking stage

2.3.2 谷氨酰胺合成酶活性 谷氨酰胺合成酶是衡量氮素同化和再動員能力的關鍵酶。GS活性變化趨勢與SS相同,峰值出現在吐絲期后20 d(圖5)。施氮量和滴灌顯著影響吐絲后GS活性,吐絲后10～20 d均達極顯著水平(表1),GS活性隨施氮量和滴灌量增加整體呈增加趨勢。從各時期平均值來看,正常氮處理和減氮處理GS活性較CK處理分別提高61.58%和40.54%,減氮條件下B1、B2、B3處理GS活性較B0處理分別提高23.97%、31.62%、36.53%,正常氮水平條件下其增幅分別為9.20%、20.97%、22.97%,可見減氮條件下的提高幅度大于正常氮。

圖5 滴灌減氮對玉米吐絲期后葉片GS活性的影響Fig.5 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on GS activity in ear leave of maize after silking stage

2.4 滴灌減氮對玉米吐絲后物質積累的影響

施氮和滴灌不僅影響玉米花前(吐絲前)的干物質和氮素積累量,也顯著影響吐絲后的干物質和氮素積累,二者互作效應在吐絲后干物質積累上達顯著水平(表2)。玉米吐絲后干物質積累量和氮素積累量隨施氮量和滴灌量增加而增加,在正常氮處理下吐絲后干物質積累量和氮素積累量較CK分別增加162.32%和54.03%,在減氮處理條件下分別增加108.38%和33.50%,且N180B3處理與N240B0處理差異不顯著,說明滴灌能促進物質積累,彌補減氮施肥的影響;減氮條件下,4個滴灌處理吐絲后氮素積累量和干物質積累量的變異系數均值分別為0.16和0.10,正常氮條件下則分別為0.10和0.05,減氮條件下滴灌對吐絲后物質和氮素積累的影響相較于正常氮條件下更大。減氮條件下,玉米的籽粒產量隨滴灌量的增加而增加,但增幅逐漸減少;而在正常氮條件下,產量隨滴灌量的增加呈先增加后降低趨勢,過多的灌水會導致減產。

表2 滴灌減氮對玉米吐絲后物質和氮素積累的影響/(kg·hm-2)Table 2 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on matter accumulation after silking in maize

2.5 相關分析

玉米生育后期的干物質積累量及籽粒產量主要由花后葉片的光合作用形成,必然與葉片的生理功能和衰老進程密切相關。相關分析表明(表3),吐絲后干物質和氮素積累量及最終的籽粒產量均與吐絲后穗位葉的平均葉綠素含量、SOD、POD、CAT、SS和GS活性極顯著正相關。表明增強玉米花后葉片的抗氧化酶活性,提高其葉綠素含量和碳氮代謝能力,可以提高玉米花后干物質積累和籽粒產量,合理施用氮肥配合適量滴灌是實施這一目標的重要技術措施。

表3 玉米吐絲后穗位葉衰老特性與物質積累的相關性Table 3 Correlation between post-anthesis physiological indexes and matter accumulation in ear leaves of Maize

3 討 論

吐絲后玉米葉片衰老和籽粒灌漿是同步進行的[25],因此在吐絲后延緩葉片衰老維持較強的光合能力和較長的光合持續(xù)時間有利于高產。玉米葉片衰老除受遺傳基因控制外,還受氮素供給的調控[22-23]。葉綠素作為光合作用的重要色素[26],其含量是表征葉片光合能力的重要參數[27],同時也是衡量葉片衰老程度的重要指標[28]。李廣浩等[16]認為,施氮量和滴灌量增加均能提高吐絲后玉米穗位葉葉綠素含量。本試驗條件下,減氮會降低吐絲后葉綠素含量,但N180B3處理葉綠素含量與N240B0處理差異不顯著,說明滴灌能彌補減氮對葉片葉綠素含量降低的影響,因為減氮條件下滴灌能促進氮素的吸收利用[1],進而有利于葉綠素的合成。SOD、POD和CAT是活性氧清除系統(tǒng)的關鍵酶,對維持活性氧代謝平衡、避免膜脂過氧化損傷具有重要意義[29]。前人研究認為,氮肥不足會導致保護酶活性降低[29],而本試驗中相同灌溉條件下N180處理中保護酶活性低于N240,但N180B3處理保護酶活性高于N240B0處理,說明適量減氮并合理滴灌有利于增強吐絲后葉片抗氧化酶活性,維持葉片功能,表明水氮之間存在一定的協同效應。

蔗糖合成酶作為蔗糖合成運轉途徑的關鍵酶,其活性是衡量葉片碳代謝能力的重要指標[30]。谷氨酰胺合成酶參與植物氨同化和氮素轉運[31],其活性可以作為衡量葉片氮代謝能力的指標。前人研究表明,合理增施氮肥可提高玉米葉片的SS和GS活性[31],本試驗表明,合理滴灌也可提高SS和GS活性,且氮肥水平和滴灌量之間存在一定互作效應,在減氮配合適量滴灌(N180B3)下玉米穗位葉在吐絲后的葉綠素含量、蔗糖合成酶和谷氨酰胺合成酶活性仍能維持在較高水平,為吐絲后的物質積累奠定生理基礎。氮作為構成葉綠素和蛋白質的核心元素[1],減少施氮量會降低葉綠素含量、保護酶活性以及碳氮代謝酶活性[16,29,31],而前期試驗表明減氮25%再配合適量滴灌(N180B3)能夠促進氮素的吸收[1],保證了氮素的供給,有利于葉綠素和酶的合成以及吐絲后葉片生理功能的維持。吐絲后較高的物質積累量是玉米高產的物質基礎[12,32],吐絲后物質積累量(干物質積累和氮素積累量)與籽粒產量呈顯著正相關。

上述結果表明,水氮不僅在玉米的氮素吸收利用上存在耦合效應,在吐絲后葉片衰老和物質生產方面也存在一定的協同作用和互補效應,適量滴灌可以彌補減氮的影響,防止葉片早衰,從而保障較高的籽粒產量,因而是促進氮肥減施增效的重要措施之一。

4 結 論

氮肥和滴灌對玉米吐絲后穗位葉的葉綠素含量、保護酶和碳氮代謝酶活性及干物質積累均有顯著影響,而且二者之間存在一定的互補效應。減氮25%(180 kg·hm-2純氮)配以1 125 m3·hm-2滴灌,能促進玉米植株對氮素的吸收利用,使玉米吐絲后葉綠素含量和SS、GS、SOD、POD、CAT活性維持在較高水平,延緩葉片衰老,增加干物質積累,研究結果可為四川盆地玉米水肥一體化減氮增效技術提供理論依據。