土壤水分對玉米葉綠素熒光指標的影響研究

李 波 ，李 婷，王鐵良，豐 雪(沈陽農業大學，沈陽 110866)

玉米是當今世界重要的糧食作物之一，如何提高玉米產量同時最大限度地節約灌水是人們研究的重點。玉米干物質產量的90%以上是由光合作用生產的[1,2]，在一定范圍內葉綠素含量的高低則直接影響葉片的光合能力[3,4]。水分虧缺對植物的光合作用的影響是多方面的，不僅直接引發光合機構異常，同時也影響光合電子傳遞，而葉綠素熒光可用來評價光合機構的功能[5,6]。葉綠素熒光動力學技術在測定葉片光合作用過程中，光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”的特點，被稱為測定葉片光合功能快速、無損傷的探針[7,8]。近年來，葉綠素熒光參數在國內外研究比較廣泛。王建程等[9]研究認為葉綠素熒光參數對水分的響應非常顯著，可作為判斷玉米水分脅迫程度的理想指標；劉明等[10]研究認為不同品種玉米對葉綠素熒光指標變化規律不同，可以作為玉米抗旱鑒定指標；周祥利等[11]研究認為水分脅迫條件下，PSⅡ活性中心受到影響從而抑制光合作用的原初反應和光合電子的傳遞；Dodd等[12]研究在水分脅迫下，PSⅡ反應中心處于完全關閉時的量子產量下降，通過PSⅡ的電子傳遞量減少。水分是作物進行光合作用的必要原料之一，土壤水分狀況直接影響作物的光合性能及產量水平。為了研究水分脅迫對作物葉片葉綠素熒光的影響機制，已有學者對小麥、茶樹、葡萄等其他作物的水分虧缺對葉綠素熒光參數影響做出了大量的研究[13-16]，而針對玉米某生育期內葉綠素熒光指標與土壤水分關系研究較少。

本試驗采用防雨棚設施，在玉米全生育過程控制不同土壤水分，監測并分析葉綠素熒光指標與土壤水分的相關關系，探索玉米生育期內葉綠素熒光指標在水分虧缺時所表現的規律，為指導玉米田間精準灌溉提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗概況

試驗于2014年5-9月在遼寧省沈陽市沈陽農業大學試驗場防雨棚內進行。試驗區位于北緯41°44′，東經123°27′，海拔44.7 m。多年平均降水量716.2 mm，全年無霜期168 d。土壤為潮棕壤土。地表以下1 m內土層的平均土壤容重為1.38 g/cm3。田間持水率為0.32 cm3/cm3。

試驗作物為玉米，品種為美津599。灌溉方式采用重力膜下滴灌。滴灌管直徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭間距30 cm，流量2.4 L/h。試驗區土壤的理化性質見表1。

表1 土壤理化性質Tab.1 Soil physical and chemical properties

1.2 試驗小區布置

根據玉米膜下滴灌水肥管理技術規程[17]，試驗設置為6個處理，每個處理3次重復，共18個試驗小區。每個小區長1.7 m，寬1.3 m，深1.7 m。每小區設大壟雙行，每行4株，株距325 mm，行距424 mm。坑內壁均用混凝土砌筑，以防不同水分處理間的土壤水分側滲。試驗小區采用隨機排列，降雨時用防雨棚遮蓋，防止雨水對試驗的影響。試驗布置情況如圖1所示，小區布置如圖2所示。各試驗小區施相同基肥，基肥由KSO4、(NH3)2PO4和尿素組成，施肥量分別為450、600、300kg/hm2。

圖1 試驗布置情況Fig.1 Experiment arrangements

圖2 小區布置圖(單位：mm)Fig.2 Plot layout

1.3 玉米水分脅迫設計

玉米整個生育期劃分為5個生育階段：苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期。以土壤水分作為控制灌溉的灌水指標。以玉米抽雄期和灌漿期為主要研究時期。其具體設計方案見表2，表中數值為田間最大持水率(31%)的體積百分數。

表2 玉米各生育期土壤含水率控制范圍 %θfTab.2 Soil moisture control all growth stages of maize

1.4 測定指標與方法

1.4.1土壤含水率

土壤水分采用TRIME-PICO64時域反射儀(TDR)對其每日觀測，確保玉米各生育期的土壤水分保持在試驗設計范圍內，觀測時間均在每日上午的8∶00-10∶00間，每個小區重復測2次，取其平均值進行數據分析，以確定供水量和實際的耗水量。若出現土壤水分低于設計下限，則采用下式進行灌水計算：

m=H(θs-θ0)ps

(1)

式中：θs為土壤含水量上限值，體積含水量；θ0為實測土壤含水量平均值，體積含水量；s為試驗小區面積，本試驗小區面積為1.3 m×1.7 m，m2；H為玉米計劃濕潤層深度。苗期：0.3 m，拔節、抽雄、灌漿、成熟期：0.6 m；P為滴灌濕潤比，0.6(微灌工程技術規范SL103-95)；m為灌水定額，m3。

1.4.2葉綠素熒光指標

葉綠素熒光指標采用P-PEA便攜式植物效率儀(英國Hansatech公司)測定。觀測的葉綠素熒光指標主要為最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)、PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)。

選擇晴朗的天氣，在上午9∶00-10∶00期間進行觀測，這段時間是植物體一天之中生理反應最活躍的時候，此時測葉綠素熒光參數比較穩定。分別在玉米抽雄期和灌漿期至少連續5 d進行觀測。每次測定均在小區內隨機取2株樣本，每次選擇植株頂部的第二片全展葉為觀測對象，測定前，用特制的暗適應夾對葉片進行充分的暗適應20 min后，再用儀器測定，取其平均數。

1.4.3產量

玉米成熟時各測坑單獨收獲、脫粒并計產。每個處理的玉米產量均以重復小區產量的平均值來代表該處理的實際產量。

2 結果與分析

2.1 玉米抽雄期葉綠素熒光指標與土壤水分的關系

2.1.1土壤水分變化對葉綠素熒光指標的影響

在玉米抽雄期連續觀測土壤含水率及其葉綠素熒光指標(7月8日下雨，沒進行觀測)，不同水分處理下的葉綠素熒光指標即最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性Fv/F0和PSⅡ光化學效率Fv/Fm變化不同，抽雄期玉米葉綠素熒光指標具體變化情況見圖3。

由圖3可知，玉米抽雄期的葉綠素熒光指標，在高水分處理下的葉綠素熒光指標均最大，其次依次分別為中、低水分處理。當土壤含水量達到85%θf～95%θf，其實測的土壤含水率均值為25.8%時，玉米葉綠素熒光強度最高，此時玉米的最大熒光Fm的均值為18 550.1，PSⅡ的潛在活性Fv/F0均值為2.99，PSⅡ光化學效率Fv/Fm均值為0.78，均高于其他水分處理，其測得的土壤含水量均值分別為22.5%、18.2%。由此可知，3個土壤水分處理中，玉米抽雄期土壤水分達到85%θf時，玉米葉綠素熒光強度最高，此時可最大限度地保證玉米營養生長和生殖生長并進。

圖3 玉米灌漿期葉綠素熒光指標與土壤水分的關系Fig.3 Relationship in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of tasseling stage

2.1.2葉綠素熒光指標與土壤水分簡單相關分析

試驗選取連續觀測的3個葉綠素熒光指標和及其當天測得的土壤含水率值，用SPSS軟件對土壤水分和葉綠素熒光指標進行皮爾遜(Pearson)相關性檢驗分析。試驗數據由表2可知，在玉米抽雄期，土壤含水率與最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性Fv/F0和PSⅡ光化學效率Fv/Fm的相關系數γ分別為0.696、0.633和0.827(當0.8<|γ|<1時，表示非常強的相關，當0.6<|γ|<0.8時表示強相關)，說明土壤含水率與Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈正相關關系。進一步對照其所對應的顯著性p值分別為0.004<0.01、0.009<0.01和0<0.01(p值即sig小于0.01說明差異顯著，接受原假設；大于0.01則不顯著，拒絕原假設)，表明土壤含水率與最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性Fv/F0和PSⅡ光化學效率Fv/Fm的相關性顯著。此外，由表2還可看出葉綠素熒光指標Fm、Fv/F0、Fv/Fm之間均有顯著地相關性。

由此可知，在玉米抽雄期，土壤水分與葉綠素熒光指標Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈顯著的相關性，其中PSⅡ光化學效率Fv/Fm與土壤水分的相關性最大，其顯著性p值為0<0.01。

2.2 玉米灌漿期葉綠素熒光指標與土壤含水率的關系

2.2.1土壤水分變化對葉綠素熒光指標的影響

在玉米灌漿期連續觀測土壤含水率及其葉綠素熒光指標(7月22日下雨，沒進行觀測)，不同水分處理下的葉綠素熒光指標變化不同，該時期玉米葉綠素熒光指標具體情況見圖4。

表3 抽雄期葉綠素熒光指標與土壤含水率相關性分析Tab.3 Relative analysis in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of tasseling stage

注: *表示在P=0.05水平顯著, ** 表示P=0.01水平顯著。

由圖4可知，玉米灌漿期的葉綠素熒光指標在高、中、低3個水分處理中的變化情況為：高水分處理下的葉綠素熒光指標均最大，其次依次分別為中、低水分處理。即當土壤含水量達到80%θf～90%θf，其實測的土壤含水率均值為23.6%時，葉綠素含量最高，此時玉米的最大熒光Fm的均值為21 194.04，PSⅡ潛在活性Fv/F0的均值為3.602，PSⅡ光化學效率Fv/Fm的均值為0.786，均高于其他處理，其測得的土壤含水量均值分別為20.2%、17.3%。因此，玉米灌漿期的土壤水分應達到80%θf。

2.2.2葉綠素熒光指標與土壤水分的簡單相關分析

由表4可知，在玉米灌漿期，土壤含水率與Fm、Fv/F0和Fv/Fm的相關系數γ分別為0.666、0.884和0.843，說明土壤含水率與Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈正相關關系。進一步對照其所對應的顯著性p值分別為0.007<0.01、0.001<0.01和0<0.01，表明土壤含水率與Fm、Fv/F0和Fv/Fm的相關性顯著。此外，由表4還可知，Fm、Fv/F0和Fv/Fm相互之間均呈相關關系。

圖4 玉米灌漿期葉綠素熒光指標與土壤水分的關系Fig.4 Relationship in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of filling stage

由此可知，在玉米灌漿期，土壤水分與葉綠素熒光指標均呈顯著的相關性，其中PSⅡ潛在活性Fv/F0與土壤水分的相關性最大，其顯著性p值為0<0.01。

表4 灌漿期葉綠素熒光指標與土壤含水率相關性分析Tab.4 Relative analysis in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of filling stage

2.3 玉米葉綠素熒光指標與土壤水分的典型相關分析

2.3.1玉米抽雄期葉綠素熒光指標與土壤含水率的典型變量分析

典型相關分析：首先，在每組變量中找出變量的一個線性組合，使得兩組的線性組合之間具有最大的相關系數。然后，選取相關系數僅次于第一對線性組合并且與第一對線性組合不相關的第二對線性組合，如此繼續下去，直到兩組變量之間的相關性被提取完畢為止。被選出的線性組合配對稱為典型變量，它們的相關系數稱為典型相關系數。典型相關系數度量了這兩組變量之間的聯系的強度。

玉米抽雄期葉綠素熒光指標數組與土壤水分呈顯著的典型正相關(P<0.01)，也就是說當把最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性Fv/F0和PSⅡ光化學轉化效率Fv/Fm看作一個整體的時候，這個整體與土壤水分的相關性極顯著，與土壤水分的典型相關系數為0.832，其顯著性為0.004。因各原始變量的量綱不同，故采用標準化的典型系數與原始變量的線性組合來表示典型變量，抽雄期用U來表示葉綠素熒光要素。

表5 抽雄期葉綠素熒光指標標準化的典型系數Tab.5 Chlorophyll fluorescence index standardization correlation coefficient of tasseling stage

從葉綠素熒光指標的典型變量的構成從表5來看，玉米抽雄期葉綠素熒光指標數組間線性關系為U=1.025x3-0.158x2+0.121x1，從該關系式中可以看出x3權重最大，其標準化系數為1.025，也就是說在葉綠素熒光指標數組中x3(PSⅡ光化學轉化效率Fv/Fm)與土壤水分的關系最密切，而x2(PSⅡ潛在活性Fv/F0)與x1(最大熒光Fm)的系數雖然相對較小，但是也不容忽略。

2.3.2玉米灌漿期葉綠素熒光指標與土壤含水率的典型變量分析

玉米灌漿期葉綠素熒光指標數組與土壤水分呈顯著的典型正相關，與土壤水分的典型相關系數為0.893，其顯著性為0。采用標準化的典型系數與原始變量的線性組合來表示典型變量，灌漿期用V來表示葉綠素熒光要素。

表6 灌漿期葉綠素熒光指標標準化的典型系數Tab.6 Chlorophyll fluorescence index standardization correlation coefficient of filling stage

從葉綠素熒光指標的典型變量的構成從表6來看，玉米灌漿期葉綠素熒光指標數組間的典型變量為V=0.757x2+0.399x3-0.168x1，由此可知，PSⅡ潛在活性Fv/F0是葉綠素熒光指標與土壤水分相關關系中的主要變量，在玉米灌漿期，當土壤水分變化時，葉綠素熒光指標中受其影響最大的為x2(PSⅡ潛在活性Fv/F0)，而此時正是玉米植株生長與生殖生長并進的階段。這一結果與簡單相關結論一致。

2.3.3玉米抽雄期和灌漿期葉綠素熒光指標對比

由表7可知，比較玉米抽雄期與灌漿期這兩個重要生長時期中的葉綠素熒光指標(最大熒光Fm、PSⅡ潛在活性Fv/F0、PSⅡ光化學效率Fv/Fm)均值，灌漿期均高于抽雄期，可見，在玉米灌漿期葉綠素熒光強度較高，該時期高水分處理更有利于玉米干物質產生。

表7 抽雄期與灌漿期葉綠素熒光指標及產量均值對比表Tab.7 chlorophyll fluorescence index average contrast in tasseling stage and filling stage

從對玉米抽雄期與灌漿期葉綠素熒光指標和土壤水分相關性分析可知，玉米在灌漿期葉綠素熒光強度要大于抽雄期，且玉米灌漿期葉綠素熒光指標與土壤水分的相關性比抽雄期更顯著。在玉米抽雄期對各小區進行不同土壤水分處理時，隨著各處理土壤水分下限的不同，葉綠素熒光指標也隨之有顯著不同，從典型相關和簡單相關均可看出玉米葉綠素熒光指標與土壤水分呈顯著的相關性，且在該時期，PSⅡ光化學轉化效率Fv/Fm較其他葉綠素熒光指標與土壤水分的相關性更顯著，其所占權重最大，受土壤水分影響最為敏感。

在玉米灌漿期對各小區進行不同土壤水分處理時，葉綠素熒光指標與土壤水分仍然呈顯著的相關關系。在該時期與抽雄期不同的是，此時玉米PSⅡ潛在活性Fv/F0在整個指標與土壤水分的相關性中占主導地位，而不再是PSⅡ光化學轉化效率Fv/Fm，在典型變量中x2(PSⅡ潛在活性Fv/F0)相對應的標準化系數達到了0.757，說明此時PSⅡ潛在活性Fv/F0受土壤水分影響最為敏感。

葉綠素熒光強度的高低在一定程度上代表了光合強度的高低，并且光合強度的高低也代表了干物質生產能力的大小，因此，葉綠素熒光指標與土壤水分狀況密切相關。從表7可以看出，抽雄期和灌漿期采用不同的土壤水分控制下限，對玉米的產量有較顯著影響。在玉米抽雄期和灌漿期兩個關鍵需水期，當土壤水分分別達到85%θf和80%θf時，玉米熒光強度最高，玉米籽粒產量最大，其產量分別達到了13 993.05、14 768.25 kg/hm2。

3 結 語

通過小區試驗以土壤水分作為控制灌溉指標研究土壤水分對玉米葉綠素熒光指標的影響，探索葉綠素熒光指標對土壤水分變化反應最敏感的指標。主要結論如下：

(1)在玉米抽雄期，當土壤水分達到85%θf時，玉米的葉綠素熒光強度達到最高。該時期土壤水分與葉綠素熒光指標呈顯著的相關性，其典型相關系數為0.832，顯著性為極顯著(P<0.01)。在葉綠素熒光要素中，PSⅡ光化學效率Fv/Fm的權重最大，其標準化系數為1.025，說明此時PSⅡ光化學效率Fv/Fm受土壤水分變化的影響最為敏感。

(2)在玉米灌漿期，即當土壤水分達到80%θf時，玉米的葉綠素熒光強度達到最高，此時葉綠素熒光指標與土壤水分的典型相關系數為0.893，其顯著性為極顯著。在葉綠素熒光要素中，PSⅡ潛在活性Fv/F0的權重最大，其標準化系數為0.757，此時PSⅡ潛在活性Fv/F0成為受土壤水分變化影響最敏感指標。

(3)玉米灌漿期葉綠素熒光強度均大于抽雄期；兩時期均在高水分處理時表現為葉綠素熒光作用強，產量高。在抽雄期高水分處理的玉米產量為13 993.05 kg/hm2在灌漿期高水分處理的玉米產量為14 768.25 kg/hm2，說明灌漿期土壤水分是決定玉米產量高產的關鍵因素之一。

通過研究說明，作物葉綠素熒光參數對于土壤水分變化反應敏感，可以很好地反映玉米的水分虧缺狀態，可以作為指導玉米田間精準灌溉的指標。

4 討 論

葉綠素熒光參數是靈敏、無機械損傷研究和評價逆境條件下植物光合系統的重要參考指標，比凈光合速率更能反映光合作用的真實行為[18]。張石銳等[19]研究表明土壤水分與水稻葉片的激光誘導葉綠素熒光之間存在相關性，在測量條件相同的情況下，葉綠素熒光強度隨水分脅迫的加劇而降低，與本實驗結果相一致。蒲光蘭等[20]研究表明葉綠素熒光參數間相關性隨土壤相對含水量的下降而逐漸減弱，正常供水條件下，2/3以上熒光參數相關性達顯著水平，脅迫至后期僅1/3顯著相關，在本實驗過程中，不同水分虧缺條件下，玉米葉片的葉綠素熒光參數對土壤水分敏感性是不同的，不同生育時期，葉綠素熒光的敏感指標也在變化。雖然葉綠素熒光動力學參數在測定玉米受虧缺程度方面有著獨特的優勢，但它們與水分虧缺的相關性還有待進一步研究。

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