西北旱區制種玉米灌漿期氣孔導度與葉水勢對水氮脅迫的響應

鄧 鑫，冉 輝，于庭高，彭雪蓮，紀莎莎，胡笑濤

(1. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2. 中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083)

西北旱區光熱資源豐富，是重要的制種玉米生產基地，但該地區長期面臨著水資源短缺問題，農業用水供需矛盾尖銳[1]。覆膜灌溉是當地制種玉米生產的主要模式[2]，然而在制種玉米生產中普遍存在水分利用效率低與不合理施氮問題[3]。探究合理的制種玉米水氮管理模式，揭示不同水氮條件下制種玉米植株水分狀況變化規律，闡明水氮脅迫對植株水分狀況的影響機理，對該地區水分利用效率的提升具有重要意義。

葉水勢與氣孔導度是反映和調節植株水分狀況的重要指標，對植株蒸發蒸騰量具有顯著影響。黎明前葉水勢反映植株水分虧缺的恢復狀況，正午葉水勢反映植株水分最大虧缺程度[4]，氣孔導度控制植株蒸騰速率強弱[5]。葉片水勢與氣孔開閉有著密切聯系，研究表明，隨著植物葉片水分散失和水勢下降，氣孔阻力增加，氣孔開度相應減小[6]。水氮狀況對植株葉片水勢與氣孔導度的調控均有影響，充分供水條件下，葉片保衛細胞膨壓增大，有利于氣孔的開啟[7]；水分脅迫條件下，大量施氮會顯著降低葉水勢，同時增大氣孔導度，進而提高植株蒸騰速率[8]，但施氮的緩解效應具有局限性，隨著水分虧缺程度加大，増施氮肥不能對植物生理特性起到調節作用[9]。目前，水分利用效率的提高逐漸趨向于挖掘作物生理節水潛力，葉水勢與氣孔導度是衡量植株水分狀況的重要依據。然而葉水勢與氣孔導度研究大多集中在水分虧缺，水氮共同作用下葉水勢與氣孔導度變化規律的研究相對較少。因此，本研究擬在不同水氮處理下，探究制種玉米灌漿期葉水勢及氣孔導度變化規律，以期為西北旱區水分利用效率提升提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年在甘肅省武威市石羊河農業與生態節水試驗站大田試驗區進行(東經102°52′，北緯37°51′，海拔高1 581 m)。該地區屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，光熱資源非常豐富，常年干旱少雨，多年平均蒸發量為2 000 mm左右，而多年平均降水量為164.4 mm，水資源相對緊張，地下水埋深在25 m以下[10-11]。全年日照時數達3 000 h以上，晝夜溫差大，無霜期在150 d以上，年平均氣溫為8℃，大于0℃的積溫為3 550℃以上，試驗區土壤質地大部分為粉質壤土，土壤容重為1.45 g·cm-3。

1.2 試驗設計

供試玉米母本品種為“天瑞豐-2018”。設置2個灌溉水平，即充分灌溉(FI) 和虧缺灌溉(DI)，2個施氮水平，即150 kg·hm-2(N150)和0 kg·hm-2(N0)，共4個處理。FI處理小區計劃濕潤層內土壤含水率保持在田間持水量的75%以上。FI灌水量計算采用灌水前FIN150處理土壤實際含水率與田間持水量的差值計算。DI處理灌水量為FI處理灌水量的一半。FI處理全生育期灌水量為460 mm，DI處理全生育期灌水量為230 mm。灌水方式為畦灌。氮肥施用分為基肥與追肥，追基比為1∶1，分別在玉米種植前與玉米母本拔節期施入。試驗采用分區組隨機排列，每個處理3個重復，共12個小區，每個小區寬4 m，長6 m。父母本種植比例為1∶5，行距為40 cm，株距為25 cm，母本于4月15日播種，兩批父本分別于4月20日和4月25日種植，9月13日收獲。母本在抽穗期前人工去雄，病蟲害防治等田間管理措施均按當地生產管理方式進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣象資料 降水量、太陽輻射、空氣溫度和相對濕度數據取自試驗站內的自動氣象站(Hobo,Onset Computer Corp,USA)。VPD、ET0采用FAO Penman-monteith公式計算[12]。具體氣象數據見圖1。

1.3.2 觀測指標 葉水勢(φL):在灌漿期每個小區中間位置隨機選取1株母本玉米穗位葉，采用露點水勢儀(WP4C, Decagon devices)測定。黎明前葉水勢和正午葉水勢分別在5∶00和13∶00取樣觀測。葉水勢日變化從8∶00—20∶00每隔2 h測量1次。

氣孔導度(GS):采用穩態氣孔計(SC-1, Decagon devices)測定。選擇晴朗天氣，在11∶00測量氣孔導度最大值，測量部位為葉片距離葉尖15～20 cm處區域。氣孔導度日變化從8∶00—20∶00每隔2 h測量一次。

氣孔特征：采用印跡法測定[13]。各處理隨機選取長勢一致的母本玉米2株，用火棉膠溶液均勻涂抹穗位葉葉尖相同位置下表皮，干透后用鑷子撕取表面薄膜，將其放在載玻片上，蓋上蓋玻片，置于生物顯微鏡(Motic BA210)下觀測氣孔形態特征。每個樣本隨機選取2～3個視野，放大400倍進行拍照，用Motic Images Plus 2.0軟件測定每個視野內的氣孔數及每個氣孔的長度和寬度。

葉片水勢與氣孔導度的觀測均選在晴天無云，測定部位在大喇叭口期時為倒三、四葉(完全展開)，抽雄期和乳熟期均為穗位葉。

1.4 數據處理

本文采用Microsoft Office Excel 2010軟件進行數據處理與繪圖，方差分析采用SPSS 20.0 軟件(IBM SPSS Statistics 20.0)完成。

圖1 2019年制種玉米灌漿期氣象數據Fig.1 The meteorological data during grain-filling period of hybrid seed maize in 2019

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對制種玉米氣孔導度的影響

2.1.1 不同水氮處理下制種玉米氣孔導度變化 制種玉米灌漿期氣孔導度變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，氣孔導度變化趨勢可分為3個階段，灌漿中期呈下降趨勢，灌漿中后期呈上升趨勢，灌漿后期下降。在灌漿中后期，與不施氮處理相比，施氮在充分灌溉與虧缺灌溉處理條件下均顯著提高了制種玉米氣孔導度；與充分灌溉相比，虧缺灌溉顯著降低葉片氣孔導度。充分灌溉條件下施氮使氣孔導度平均提高45.28%，而虧缺灌溉條件下施氮使氣孔導度平均提高29.21%。結果表明，高灌溉定額和施氮均有利于氣孔開放，并且施氮對氣孔導度提升效應與土壤水分狀況有關。

注：箭頭表示降雨(P)或灌溉(I)，且總量大于3 mm。下同。Note: Arrows represents rainfall (P) or irrigation (I) with the amount greater than 3 mm. The same below.圖2 制種玉米灌漿期不同水氮處理氣孔導度變化Fig.2 The stomatal conductance changes underdifferent water and nitrogen treatmentsduring grain-filling period for hybrid seed maize

2.1.2 不同水氮處理下制種玉米氣孔導度日變化 制種玉米灌漿期氣孔導度日變化規律如圖3所示。各處理氣孔導度呈先上升后下降的單峰曲線，且氣孔峰值均出現在12∶00—14∶00，但DIN0處理氣孔導度峰值顯著降低且提前至10∶00左右，因為此時太陽輻射相對較低，可以以較少的水分損傷獲得玉米所需要的光合效益，使得虧缺條件下水分利用達到較高的效率。此外，FIN150、FIN0、DIN150和DIN0處理氣孔導度日平均值分別為0.192、0.133、0.184 mol·m-2·s-1和0.101 mol·m-2·s-1，表明充分灌溉與虧缺灌溉條件下，施氮均有利于提高氣孔導度；施氮與不施氮條件下，虧缺灌溉均顯著降低氣孔導度。在虧缺灌溉條件下，施氮顯著提升了氣孔導度峰值且高于FIN0處理的氣孔導度峰值，說明由于干旱導致氣孔導度的降低可以通過增施氮肥得到部分緩解。

2.1.3 不同水氮處理對葉片氣孔特征的影響 灌漿前中期不同水氮處理對葉片氣孔特征影響如表1和圖4所示。虧水灌溉處理下施氮顯著增大氣孔長度，并且DIN150處理與充分灌溉處理氣孔長度大小無明顯差異，說明施氮有效地緩解了干旱造成的氣孔長度降低。施氮與不施氮處理相比，充分灌溉下氣孔寬度增加了19.46%，虧缺灌溉下降低了9.42%；與充分灌溉處理相比，虧缺灌溉下氣孔寬度極顯著降低，DIN150處理較FIN150處理降低了32.19%，DIN0處理較FIN0處理降低了10.57%，說明適當施氮植物生理活性較高，在水分充足的情況下，葉片氣孔散失的水分就越多。此外，與不施氮處理相比，施氮有利于氣孔數量的增加，充分灌溉下增加了8.46%，虧缺灌溉下增加了6.00%；與充分灌溉處理相比，虧缺灌溉下氣孔數量顯著增多，DIN150處理較FIN150處理增加了12.77%，DIN0處理較FIN0處理增加了15.38%。對比FIN0和FIN150，充分灌溉條件下施氮主要通過增加氣孔開度和氣孔數量提高氣孔導度；對比FIN0和DIN0，虧缺灌溉下氣孔數量提高，氣孔長度和寬度均顯著減小，通過增加單位面積氣孔數量、減小氣孔開度來應對水分損失，提高抗旱能力。

2.2 不同水氮處理對制種玉米葉水勢的影響

2.2.1 不同水氮處理下制種玉米葉水勢變化 灌漿期不同水氮處理下黎明前與正午葉水勢如圖5所示。從圖中可以看出，黎明葉水勢值在灌漿中期最高，在-1.0～-0.5 MPa之間。隨著灌漿進程的推進，黎明葉水勢呈下降趨勢，水勢值低于-1.00 MPa。

圖3 制種玉米不同水氮處理下氣孔導度日變化Fig.3 Diurnal variation of stomatal conductance for hybrid seedmaize under different water and nitrogen treatments

圖4 制種玉米灌漿期不同水氮處理葉片氣孔特征(2019-07-20)Fig.4 The stomatal characteristics of leaves under different water and nitrogen treatmentsduring grain-filling period for hybrid seed maize on July 20, 2019

充分灌溉條件下，施氮顯著降低黎明葉水勢，但總體上均高于虧缺灌溉處理；虧缺灌溉條件下，施氮提高了黎明葉水勢，這意味著施氮有利于植株水分虧缺的夜間恢復，對白天水分脅迫具有一定的補償作用。對于正午葉水勢，充分灌溉條件下，施氮處理正午葉水勢低于不施氮處理，而虧缺灌溉條件下，施氮有利于提高正午葉水勢，說明施氮有利于抑制葉片水分進一步虧缺，增加植株耐旱能力。

黎明與正午葉水勢之差反映植物體內水分虧缺程度，即蒸騰散失水分量。水勢差越大，越有利于根系吸收水分以適應干旱環境，提高水分利用效率。灌漿中期各處理吸水能力均較強，隨著灌漿進程推進，DIN150處理仍保持較高的吸水能力，而其他處理吸水能力有所減弱。說明制種玉米灌漿中后期，DIN150處理水分利用效率最高。

表1 不同水氮處理下制種玉米氣孔特征變化

注：面積圖上下邊長分別表示黎明和正午葉水勢。Note: The upper and lower side lengths of the area map represent the leaf water potentialbefore dawn and midday leaf water potential, respectively.圖5 制種玉米灌漿期不同水氮處理葉水勢變化Fig.5 The changes of leaf water potential of hybrid seed maize under different water and nitrogen conditions during grain-filling period

2.2.2 不同水氮處理下制種玉米葉水勢日變化 制種玉米灌漿期葉水勢日變化規律如圖6所示。各處理葉片水勢日變化呈倒U型，且葉水勢峰值均出現在14∶00前后。相較氣孔導度峰值，葉水勢峰值有所延后，原因可能14∶00之前根系吸水速率小于葉片蒸騰速率，水分持續虧缺，14∶00之后，蒸騰速率隨太陽輻射減弱而降低，根系吸水速率開始逐漸大于蒸騰速率。此外，充分灌溉處理葉水勢整體高于虧缺灌溉(P<0.05)；虧缺灌溉條件下，施氮比不施氮葉水勢值平均上升5.97%，并且FIN150、FIN0、DIN150和DIN0處理葉水勢日平均值分別為-1.64、-1.66、-1.68 MPa和-1.78 MPa，說明干旱條件下施氮能有效抑制葉片水分虧缺。

3 討 論

圖6 制種玉米不同水氮處理下葉水勢日變化Fig.6 Diurnal variation of leaf water potential of hybridseed maize under different water and nitrogen conditions

水氮調控作為減少作物水肥用量的方法之一，對西北旱區作物水肥利用效率的提高有重要意義[14-15]。葉水勢、氣孔導度是衡量植物水分脅迫的生理指標，反映并調節著植物體內水分狀況[16-17]。本研究中，氣孔導度和葉水勢日變化分別呈先升后降單峰拋物線型和倒U型，與武志海等[18]、蔡太義等[19]的研究結果相似。上午隨著太陽輻射增強，氣孔開度增大同時有利于葉片水分逸出，葉水勢逐漸降低，中午大氣蒸發能力強，氣孔“午休”減少水分消耗，但玉米根系吸水速率依舊小于葉片蒸騰速率，葉水勢持續降低，下午太陽輻射減弱，氣孔開度減小，根系吸水滿足蒸騰需要，葉水勢逐漸恢復。Greenwood等[7]研究得出高灌溉定額處理能顯著提高氣孔導度，石多琴等[20]研究得出葉水勢隨著灌水量增加而提高，均與本文的研究結果接近。

關于虧水灌溉下葉水勢的變化規律，Marigo等[21]認為，干旱條件下葉片低水勢能建立更高的土壤—植物—大氣連續體的水勢梯度，更有利于植物對水分的吸收從而保持自身水分平衡，本研究也得到了相似的結論。本研究發現，在虧缺灌溉下，施氮對干旱脅迫有補償作用，可以抑制葉片水勢的降低，同時促進氣孔開放，隨著灌水量增加，施氮對氣孔開放的正效應越大，水氮之間存在著互作效應[22]。在微觀氣孔特征研究中，虧水灌溉處理下葉片氣孔數量多、氣孔寬度小，有利于減少水分逸出，同時施氮可以顯著增大氣孔長度，這與高志英等[23]研究結果一致。與FIN150處理相比，DIN150處理在灌漿中后期黎明與正午水勢差較大，根系保持著較強的吸水能力，在氣孔導度及葉水勢日變化中，該處理氣孔導度和葉水勢日均值相比FIN150處理分別下降了4.09%和1.89%，但灌水量少了一倍，并且DIN150處理氣孔長度長及氣孔數量多對干旱脅迫有更強的調節能力，因此，在覆膜制種玉米灌漿期可以適度控水，有效控制植株蒸騰，減少水分散失，提高水分利用效率。

4 結 論

灌漿期制種玉米在不同水氮模式下葉水勢和氣孔導度的響應存在差異，充分灌溉處理黎明、正午葉水勢值總體均高于虧缺灌溉處理；在虧缺灌溉處理下，葉片氣孔數量多、氣孔寬度小，有利于減少水分逸出，氣孔導度和葉片水勢的降低可以通過施氮得到部分補償；與不施氮處理相比，施氮有利于增大氣孔開度、氣孔長度，從而提高氣孔導度，并且水氮之間存在著互作效應。