滴灌减氮对四川盆地玉米吐丝后叶片衰老和物质积累的影响

刘 凡,刘斌祥,郭宗翔,崔世磊,刘 举,杨云飞,李小龙,孔凡磊,袁继超

(1.四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室/作物生理生态及栽培四川省重点实验室,四川 成都 611130;2.中江县农业农村局,四川 中江 618100)

在玉米生产中为确保高产而普遍存在氮肥施用过量问题[1-3],仅约30%氮素被吸收,大部分被淋溶到土壤深层[4],造成资源浪费和环境污染[5-6]。为农业可持续发展,对合理施氮已开展了大量研究[1-2,6-9],表明适量减氮能在保证粮食高产的同时提高氮肥利用率。Ju等[10]认为,改善氮管理可以降低30%～60%当前氮肥用量,保持产量稳定,并减少约1/2的氮损失。氮和水是限制作物生产潜力的主要因素[11],合理的水氮配置能充分发挥水氮耦合效应[1,7],适量灌水或施氮可对缺乏另一因子的负面效应起补偿作用[5],因此研究水氮运筹对玉米减氮增效具有重要意义。

吐丝后是玉米物质积累与产量形成的关键时期,此时叶片进入衰老阶段[12-14]。在叶片衰老过程中,活性氧代谢失衡,膜脂过氧化使生物膜破坏,导致丙二醛含量升高[15-16]、叶绿素降解[17]、叶片光合能力下降[18],最终影响籽粒灌浆并降低产量[19]。延缓叶片衰老,增加光合持续时间有利于物质积累进而提高玉米产量[20-22]。充足的氮素供给能延缓营养器官的氮素再动员,进而延缓叶片衰老[23]。充足的水分除延缓叶片衰老外[21],还能促进根系对氮素的吸收利用[23],合理的水氮运筹能够在提高叶片光合能力同时延缓叶片衰老[16]。前人在水氮互作和减氮增效方面进行了较多研究[2,7],主要集中在水氮利用效率和产量形成方面,但缺乏吐丝后叶片衰老的相关研究。

四川盆地是西南玉米生产区的重要组成部分,该区土层瘠薄,季节性干旱频发,普遍存在过量施用化肥现象,化肥减施与集雨补灌是本区玉米抗逆稳产增效与可持续发展的方向。本文就四川盆地滴灌减氮条件下玉米花后叶片衰老特性和物质积累进行研究,可为玉米水肥一体化减氮增效技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4-8月在四川省德阳市中江县辑庆镇新建村(31.03°N,104.68°E)开展。该地海拔625.3 m,属亚热带季风性气候,无霜期282 d,2009—2018年全年平均降水量855.59 mm,试验期间和2009—2018年同期的平均降水量和温度见图1,日均气温与正常年份相近,总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日降水量分别达141.5 mm和86.4 mm,形成了明显的径流,其余时期均有不同程度的阶段性(季节性)干旱,尤其是6月下旬和7月上旬。供试土壤为紫色粘性土,耕层厚约20 cm,播种前土壤的基础养分含量为碱解氮54.60 mg·kg-1、速效磷5.25 mg·kg-1、速效钾102.73 mg·kg-1、有机质8.71 g·kg-1、pH为6.35、表层土(0～20 cm)储水量448 mm。

图1 近10年及试验期间降水量与日均温Fig.1 Precipitation and average daily temperature in the last ten years and during the test period

1.2 试验设计

供试玉米品种为‘正红507’,采取膜下滴灌方式进行灌溉。采用两因素随机区组设计,A因素为氮肥施用量,设置正常氮(纯氮240 kg·hm-2,N240)和减氮25%(纯氮180 kg·hm-2,N180)2个水平;B因素为滴灌量,设置0 m3·hm-2(B0)、375 m3·hm-2(B1)、750 m3·hm-2(B2)和1 125 m3·hm-2(B3)4个水平;并以不施氮且不滴灌为对照组(CK)。试验包括9个处理,各处理3次重复,共计27个小区,小区面积为26.4 m2(长4.8 m,宽5.5 m)。3月29日覆膜直播,宽窄行(宽行1.1 m,窄行0.5 m)种植,单株栽培,密度为52 500株·hm-2,氮肥用量按试验方案进行,其中40%作基施,拔节期、大喇叭口期和吐丝期分别滴施10%、40%和10%,另一次性基施P2O590 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2;根据天气和土壤墒情,分别于拔节期、大喇叭口期、吐丝期前后和灌浆期进行滴灌,B1、B2、B3处理每次滴灌定额分别为93.75、187.5、281.25 m3·hm-2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 吐丝后干物质积累量和氮素积累量 分别于吐丝期和成熟期,在每小区选取长势均一、有代表性的植株6株,分为叶、茎鞘、穗(成熟期将穗分为穗轴和籽粒)、其他(果柄、苞叶和雄穗),放入烘箱中,105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重后称重。将干样粉碎后过60目筛,称取0.2 g用H2SO4-H2O2消煮后,用凯氏定氮法测全氮含量。氮积累量=干物质积累量×全氮含量,吐丝后干物质(氮素)积累量=成熟期干物质(氮素)积累量-吐丝期干物质(氮素)积累量。

1.3.2 叶片生理指标 分别于吐丝期和吐丝期后10、20、30、40 d在每小区取3株代表性植株,将穗位叶的中部剪碎混匀后,按汤绍虎等[24]的方法,测定叶绿素含量,蔗糖合成酶(SS)、谷氨酰胺合成酶(GS)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性,于吐丝期、吐丝期后10、20、30 d测定过氧化物酶(POD)活性。

1.3.3 数据处理 采用Excel 2019与SPSS 22.0统计软件进行数据处理与分析,采用Graph Pad Prism 8作图。

2 结果与分析

2.1 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶叶绿素含量的影响

吐丝后叶绿素含量呈单峰变化(即先增加再降低)(图2),吐丝后20 d叶绿素含量达到峰值后开始降低,吐丝后40 d与20 d相比,减氮和正常氮条件下分别降低8.27%和18.62%,B0、B1、B2、B3处理分别降低17.00%、9.22%、14.59%、12.58%,而CK则降低了30.61%,表明施氮和滴灌均延缓了叶片的衰老。叶绿素含量随施氮量和滴灌量的增加而上升,且处理间差异显著,互作效应在吐丝后10 d达显著水平(表1)。减氮条件下,B1、B2、B3处理吐丝后10 d的叶绿素含量较B0处理分别提高11.43%、27.62%、46.67%,而正常氮水平下则分别提高1.03%、1.40%、10.71%。将各时期叶绿素含量进行平均发现,N180B3处理与N240B0处理差异不显著。表明滴灌能提高叶绿素含量,弥补减氮带来的影响,延缓叶绿素降解。

图2 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on chlorophyll content of ear leave of maize after silking stage

表1 玉米吐丝后穗位叶叶绿素含量、SOD、POD、CAT、SS和GS的显著性检验Table 1 Significance test of chlorophyll content,SOD,POD, CAT,SS and GS in ear leaves of maize after silking

2.2 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶保护酶活性的影响

吐丝后穗位叶的保护酶活性总体呈先升后降趋势,POD和CAT活性的峰值大约在吐丝后10 d,而SOD则出现在吐丝后20 d和30 d(图3)。氮肥水平和滴灌量对保护酶活性均有显著影响,总体表现为随施氮量和滴灌量的增加而增加趋势,但增加幅度有逐渐减小的趋势,氮肥水平和滴灌量间存在一定互作效应,且部分测定时期互作效应达到显著水平(表1)。N240和N180与CK相比,SOD活性分别平均提高66.24%和34.97%,POD活性分别平均提高46.70%和25.20%,CAT活性分别平均提高60.08%和52.95%。在N240水平下,B3、B2、B1处理SOD活性较B0处理分别提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分别提高45.07%、8.43%、7.15%。在N240水平下,B3、B2、B1处理POD活性较B0处理分别提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分别提高45.07%、8.43%、7.15%。在N240水平下,B3、B2、B1处理CAT活性较B0处理分别提高28.33%、24.31%、2.91%,在N180水平下,分别提高45.07%、8.43%、7.15%。另外,N180B3处理的保护酶活性均高于N240B0处理,表明适量滴灌可以缓解减氮引起的保护酶活性下降。

图3 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶SOD、POD和CAT活性的影响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 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶碳氮代谢的影响

2.3.1 蔗糖合成酶活性 蔗糖合成酶是蔗糖合成途径的关键酶,其活性可以衡量叶片蔗糖合成代谢能力。SS活性随生育进程先上升后降低,峰值出现在吐丝后10 d左右(图4)。施氮和滴灌显著影响吐丝后SS活性,交互效应在吐丝后30 d极显著(表1)。SS活性随着施氮量和滴灌量的增加整体呈增加趋势,从各时期和滴灌水平的平均值来看,N180和N240处理SS活性较CK处理分别提高15.36%和40.81%;从各时期的平均值看,N240B0处理SS活性较N180B0处理提高12.25%,但与N180B3处理差异不显著。说明滴灌能缓解减氮带来的影响,且能延缓吐丝后SS活性下降幅度。

图4 滴灌减氮对玉米吐丝后穗位叶SS活性的影响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动员能力的关键酶。GS活性变化趋势与SS相同,峰值出现在吐丝期后20 d(图5)。施氮量和滴灌显著影响吐丝后GS活性,吐丝后10～20 d均达极显著水平(表1),GS活性随施氮量和滴灌量增加整体呈增加趋势。从各时期平均值来看,正常氮处理和减氮处理GS活性较CK处理分别提高61.58%和40.54%,减氮条件下B1、B2、B3处理GS活性较B0处理分别提高23.97%、31.62%、36.53%,正常氮水平条件下其增幅分别为9.20%、20.97%、22.97%,可见减氮条件下的提高幅度大于正常氮。

图5 滴灌减氮对玉米吐丝期后叶片GS活性的影响Fig.5 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on GS activity in ear leave of maize after silking stage

2.4 滴灌减氮对玉米吐丝后物质积累的影响

施氮和滴灌不仅影响玉米花前(吐丝前)的干物质和氮素积累量,也显著影响吐丝后的干物质和氮素积累,二者互作效应在吐丝后干物质积累上达显著水平(表2)。玉米吐丝后干物质积累量和氮素积累量随施氮量和滴灌量增加而增加,在正常氮处理下吐丝后干物质积累量和氮素积累量较CK分别增加162.32%和54.03%,在减氮处理条件下分别增加108.38%和33.50%,且N180B3处理与N240B0处理差异不显著,说明滴灌能促进物质积累,弥补减氮施肥的影响;减氮条件下,4个滴灌处理吐丝后氮素积累量和干物质积累量的变异系数均值分别为0.16和0.10,正常氮条件下则分别为0.10和0.05,减氮条件下滴灌对吐丝后物质和氮素积累的影响相较于正常氮条件下更大。减氮条件下,玉米的籽粒产量随滴灌量的增加而增加,但增幅逐渐减少;而在正常氮条件下,产量随滴灌量的增加呈先增加后降低趋势,过多的灌水会导致减产。

表2 滴灌减氮对玉米吐丝后物质和氮素积累的影响/(kg·hm-2)Table 2 Effects of nitrogen reduction by drip irrigation on matter accumulation after silking in maize

2.5 相关分析

玉米生育后期的干物质积累量及籽粒产量主要由花后叶片的光合作用形成,必然与叶片的生理功能和衰老进程密切相关。相关分析表明(表3),吐丝后干物质和氮素积累量及最终的籽粒产量均与吐丝后穗位叶的平均叶绿素含量、SOD、POD、CAT、SS和GS活性极显著正相关。表明增强玉米花后叶片的抗氧化酶活性,提高其叶绿素含量和碳氮代谢能力,可以提高玉米花后干物质积累和籽粒产量,合理施用氮肥配合适量滴灌是实施这一目标的重要技术措施。

表3 玉米吐丝后穗位叶衰老特性与物质积累的相关性Table 3 Correlation between post-anthesis physiological indexes and matter accumulation in ear leaves of Maize

3 讨 论

吐丝后玉米叶片衰老和籽粒灌浆是同步进行的[25],因此在吐丝后延缓叶片衰老维持较强的光合能力和较长的光合持续时间有利于高产。玉米叶片衰老除受遗传基因控制外,还受氮素供给的调控[22-23]。叶绿素作为光合作用的重要色素[26],其含量是表征叶片光合能力的重要参数[27],同时也是衡量叶片衰老程度的重要指标[28]。李广浩等[16]认为,施氮量和滴灌量增加均能提高吐丝后玉米穗位叶叶绿素含量。本试验条件下,减氮会降低吐丝后叶绿素含量,但N180B3处理叶绿素含量与N240B0处理差异不显著,说明滴灌能弥补减氮对叶片叶绿素含量降低的影响,因为减氮条件下滴灌能促进氮素的吸收利用[1],进而有利于叶绿素的合成。SOD、POD和CAT是活性氧清除系统的关键酶,对维持活性氧代谢平衡、避免膜脂过氧化损伤具有重要意义[29]。前人研究认为,氮肥不足会导致保护酶活性降低[29],而本试验中相同灌溉条件下N180处理中保护酶活性低于N240,但N180B3处理保护酶活性高于N240B0处理,说明适量减氮并合理滴灌有利于增强吐丝后叶片抗氧化酶活性,维持叶片功能,表明水氮之间存在一定的协同效应。

蔗糖合成酶作为蔗糖合成运转途径的关键酶,其活性是衡量叶片碳代谢能力的重要指标[30]。谷氨酰胺合成酶参与植物氨同化和氮素转运[31],其活性可以作为衡量叶片氮代谢能力的指标。前人研究表明,合理增施氮肥可提高玉米叶片的SS和GS活性[31],本试验表明,合理滴灌也可提高SS和GS活性,且氮肥水平和滴灌量之间存在一定互作效应,在减氮配合适量滴灌(N180B3)下玉米穗位叶在吐丝后的叶绿素含量、蔗糖合成酶和谷氨酰胺合成酶活性仍能维持在较高水平,为吐丝后的物质积累奠定生理基础。氮作为构成叶绿素和蛋白质的核心元素[1],减少施氮量会降低叶绿素含量、保护酶活性以及碳氮代谢酶活性[16,29,31],而前期试验表明减氮25%再配合适量滴灌(N180B3)能够促进氮素的吸收[1],保证了氮素的供给,有利于叶绿素和酶的合成以及吐丝后叶片生理功能的维持。吐丝后较高的物质积累量是玉米高产的物质基础[12,32],吐丝后物质积累量(干物质积累和氮素积累量)与籽粒产量呈显著正相关。

上述结果表明,水氮不仅在玉米的氮素吸收利用上存在耦合效应,在吐丝后叶片衰老和物质生产方面也存在一定的协同作用和互补效应,适量滴灌可以弥补减氮的影响,防止叶片早衰,从而保障较高的籽粒产量,因而是促进氮肥减施增效的重要措施之一。

4 结 论

氮肥和滴灌对玉米吐丝后穗位叶的叶绿素含量、保护酶和碳氮代谢酶活性及干物质积累均有显著影响,而且二者之间存在一定的互补效应。减氮25%(180 kg·hm-2纯氮)配以1 125 m3·hm-2滴灌,能促进玉米植株对氮素的吸收利用,使玉米吐丝后叶绿素含量和SS、GS、SOD、POD、CAT活性维持在较高水平,延缓叶片衰老,增加干物质积累,研究结果可为四川盆地玉米水肥一体化减氮增效技术提供理论依据。