弱光澇漬復合脅迫對夏玉米產量及光合特性的影響

于維禎，張曉馳，胡娟，邵靖宜，劉鵬，趙斌，任佰朝?

1山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018; 2山東農業大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018

0 引言

【研究意義】目前，全球氣候不斷惡化，陰雨寡照、高溫干旱等極端天氣頻繁發生。自20世紀60年代以來，日光減弱加劇，玉米產量潛力下降[1]。同時，全球約有 10%的土地會受到漬澇的影響，造成高達20%的農作物產量損失[2]。極端降水指數長期演變趨勢存在一定的空間差異性，近50年來，雖然降雨量總數減少，但夏季大雨和暴雨日數以及平均日降水強度等極端降水指數呈增加的趨勢，常造成農田積水，導致玉米澇害[3-4]。我國長江中下游地區和黃淮海平原受漬澇災害影響的面積最大，大約占全國總受災面積75%以上，由于降水時空分布不均和光輻射減少造成的陰雨寡照已成為玉米生長關鍵季節常發的隱性災害之一[5]，受東亞大陸性夏季風影響，山東、河南等夏玉米主產區夏季降水占全年的60%—70%，且玉米播種后較短時間內降水相對集中，生育中后期也常遇多雨天氣，極易發生弱光脅迫與澇漬脅迫，而在長江流域中下游地區，玉米苗期常遇低溫春雨，花期易遇因梅雨引發的弱光澇漬脅迫[6-10]，各生育時期均可能受到弱光脅迫與澇漬脅迫的影響，從而導致產量的降低。苗期淹水對玉米產量影響最大，拔節期次之，花粒期影響最小[11]，三葉期淹水 6 d后產量下降幅度可達41.5%，拔節期淹水后產量降低26.5%，花后淹水產量降低 15.3%[9]；與自然光處理相比，全生育時期遮陰導致產量下降92.66%，花后遮陰對玉米的影響大于花前遮陰，拔節期至開花期遮陰產量下降36.05%，花后遮陰產量下降65.78%[12]。此外，在實際生產中，弱光脅迫與澇漬脅迫的發生形成常表現為弱光澇漬復合脅迫。因此，研究不同生育時期寡照澇漬復合脅迫對玉米產量和生長發育的影響具有重要意義。【前人研究進展】目前，關于弱光、澇漬單一脅迫對玉米生長發育的影響國內外學者已進行了大量報道。澇漬脅迫導致葉片SOD、POD、CAT等保護酶活性降低，丙二醛含量增加，加劇了膜脂過氧化作用，葉綠體膜結構破壞，導致葉片失綠早衰[13-14]。同時，淹水后葉面積指數和葉綠素相對含量顯著降低，這些現象均損傷夏玉米光合性能，降低凈光合速率，進而影響光合同化物積累量，導致干物質積累總量的降低以及向籽粒的分配受抑制，最終導致產量降低，且以苗期受淹水影響最為顯著[15]。弱光脅迫也可顯著降低玉米抗衰老酶活性，并降低抗氧化小分子含量，從而導致自由基含量上升，破壞細胞器與膜結構，降低葉綠素含量，導致凈光合速率的降低，熒光特性受損，并最終導致灌漿紊亂，產量降低，但花粒期受影響最為顯著[16-19]。也有部分學者對復合脅迫的作物影響進行研究，花后遭受遮陰淹水復合處理抑制小麥干物質向籽粒的分配，并導致莖稈中干物質分配比例上升[20-21]，棉花不同生育時期進行遮陰淹水復合處理以生育早期受影響最為顯著，且淹水處理占據主導地位，其減產程度大于遮陰、淹水處理，小于二者之和[22]。【本研究切入點】目前，夏玉米響應弱光或澇漬單一脅迫的生理機制已有較為系統的研究，但不同生育時期弱光澇漬復合脅迫對夏玉米光合特性及干物質積累特征的影響機理及與單一脅迫差異尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究在夏玉米不同生育時期設置遮陰、淹水及遮陰淹水復合處理，研究不同生育時期遮陰淹水復合處理對夏玉米產量、光合特性和干物質積累特征的影響，闡明夏玉米產量響應弱光澇漬復合脅迫的生理機制，以期為夏玉米的抗逆穩產栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

本試驗于2018—2019年，在山東農業大學黃淮海玉米科技園栽培池（2.5 m×2.5 m）中進行，分別于三葉期（V3）、拔節期（V6）、開花期（VT），進行遮陰（S）、淹水（W）和遮陰淹水復合處理（S-W）。利用透光率為60%的黑色遮陰網與鋼架搭建可拆卸式遮光棚進行遮陰處理（V3-S、V6-S、VT-S），每個小區中鋪有水管, 通過水閥控制水流， 使得淹水處理期間保持 2—3 cm 水層, 設置淹水處理（V3-W、V6-W、VT-W），并通過遮陰設施與淹水設施相組合的方式進行遮陰淹水復合脅迫的處理（V3-S-W、V6-S-W、VT-S-W），以自然光照及正常水分處理為對照（CK）。2018年處理持續時間為3 d，2019年處理持續時間為6 d。每個處理 3 次重復，隨機排列。供試品種為登海605（DH605），播前精細整地，種植密度為67 500株/hm2。按照高產田水平進行田間管理，于播種當日一次性施入 N 210 kg·hm-2，P2O552.5 kg·hm-2，K2O 67.5 kg·hm-2，氮肥為尿素（含 46% N），磷肥為過磷酸鈣（含17% P2O5），鉀肥為氯化鉀（含60% K2O），2018年和2019年玉米生長季氣候條件如圖1所示。

1.2 測定方法

1.2.1 田間小氣候 采用 TES-1332A 型數字照度計，于玉米冠層上部30 cm處測定5：00—18：00的光照強度，采用GSP-6溫濕度記錄儀測定群體溫度及群體內相對濕度的日變化。所有指標均于 V3、V6、VT處理期間測定，結果如圖2所示。

1.2.2 光合參數 利用CIRAS-3光合作用測定系統，于乳熟期（R3）測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）等光合參數。

1.2.3 葉面積指數（LAI） 每個小區選擇15株長勢一致具有代表性的植株，分別在拔節期（V6）、小喇叭口期（V9）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）和成熟期（R6），進行每片葉的長度和最大葉寬值的測定，并計算葉面積指數。

單葉葉面積（cm2）=葉長（cm）×葉寬（cm）×0.75；

LAI=（單株葉面積×每個小區的植株數）/小區面積。

1.2.4 葉綠素相對含量 通過測定葉綠素相對含量（SPAD值）反應穗位葉的葉綠素含量，使用SPAD-502便攜式葉綠素儀（Soil-plant Analysis Development Section，MinoltaCameraCo.，Osaka，Japan）分別于VT、V9、V12、VT、R3和R6時期進行葉片SPAD值測定。

1.2.5 光合產物的積累與分配 在玉米V6、V9、V12、VT、R3和R6時期，選取代表整體長勢的3株植株，V6、V9、V12和VT時期將植株分為葉片和莖稈，R3和R6時期植株按莖、葉、穗軸和籽粒分樣，置烘箱內105℃殺青30 min，然后80℃烘干至恒重，稱重。

1.2.6 收獲與考種 于玉米生理成熟期進行收獲，每個處理選取30個具有代表性的果穗自然風干，考種后計算產量。產量的計算方法如下：

產量（kg·hm-2）=（收獲穗數（ears/hm2）×穗粒數×千粒重（g））/1000×（1-含水量（%））/（1-14%）。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 23.0 軟件進行數據整理及相關分析，Sigmaplot12.5作圖。

2 結果

2.1 弱光澇漬復合脅迫對玉米產量及其構成因素的影響

不同生育時期進行遮陰淹水復合處理后夏玉米產量顯著降低，V3時期遮陰淹水復合脅迫對產量的影響最為顯著，V6時期次之，VT時期遮陰淹水復合脅迫對產量的影響較小（表1）。2018年，V3-S-W、V6-S-W 和 VT-S-W 處理的產量較 CK分別降低19.4%、18.5%和15.9%，2019年則分別降低45.6%、38.0%和 33.5%。此外，遮陰淹水復合處理的產量低于遮陰、淹水等單一處理。V3時期，遮陰、淹水處理與復合處理差異均達到顯著水平，V6時期，復合處理與遮陰處理差異顯著，VT時期，復合處理與淹水處理差異顯著。2018年，V3-S-W 處理的產量較V3-S和V3-W處理分別降低17.1%和6.7%；V6-S-W處理的產量較V6-S處理下降10.8%；VT-S-W處理的產量較VT-S和VT-W處理分別降低9.2%和5.5%。2019年，V3-S-W處理的產量較V3-S和V3-W處理分別降低39.2%和9.1%；V6-S-W處理的產量較V6-S處理下降27.1%；VT-S-W處理的產量較VT-W處理降低20.8%。

表1 遮陰、淹水及其復合處理對夏玉米產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on summer maize yield and its components

遮陰、淹水及其復合處理影響夏玉米產量的構成因素。2018年，遮陰淹水復合處理對玉米的穗粒數有顯著影響，與CK相比，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的穗粒數分別下降17.3%、14.7%和11.8%。單一脅迫也可影響穗粒數，V3-W 處理的穗粒數下降12.3%；V6-W和V6-S處理的穗粒數分別下降10.5%，2.9%；VT-W 和 VT-S處理的穗粒數下降幅度均為4.8%。2019年，遮陰、淹水及復合處理導致夏玉米穗粒數與千粒重均顯著降低，V3-W、V3-S和 V3-S-W處理的千粒重較CK分別下降11.7%、5.3%和12.6%；V6-W、V6-S和V6-S-W處理的千粒重較CK分別下降9.8%、6.3%和9.8%；VT-W、VT-S和VT-S-W處理的千粒重較 CK分別下降 7.6%、6.3%和 7.6%。V3-W、V3-S和V3-S-W處理的穗粒數較CK分別下降26.6%、3.2%和34.5%；V6-W、V6-S和V6-S-W處理的穗粒數較 CK分別下降 9.8%、6.3%和 9.8%；VT-W、VT-S和VT-S-W處理的穗粒數較CK分別下降7.6%、6.3%和7.6%。

2.2 弱光澇漬復合脅迫對夏玉米光合速率及氣體交換參數的影響

遮陰、淹水及其復合處理導致夏玉米葉片凈光合速率顯著降低，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的Pn較CK分別下降43.7%、41.1%和35.1%（表2）。遮陰淹水復合處理對的Pn影響大于遮陰或淹水單一處理，但V3和V6時期復合脅迫處理與淹水處理的差異不顯著，而與遮陰處理差異達到顯著水平，VT時期復合脅迫與淹水處理差異達顯著水平。V3-S-W 處理的Pn較V3-S處理下降40.9%，V6-S-W處理的Pn較V6-S處理下降38.1%，VT-S-W處理的Pn較VT-W處理下降30.6%。此外，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的Tr較CK分別下降39.1%、40.9%和21.5%；V3-S-W處理的Tr較V3-W和V3-S分別下降了11.2%和28.6%；V6-S-W處理的Tr較V6-W和V6-S處理分別下降了15.3%和29.9%；VT-S-W處理的Tr較VT-W處理下降了6.4%。V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的Gs較CK分別下降49.3%、47.1%和45.7%；V3-S-W處理的Gs較V3-W和V3-S處理分別下降了4.7%和45.2%；V6-S-W處理的Gs較V6-W和V6-S處理分別下降了4.1%和45.4%；VT-S-W處理的Gs較VT-W和 VT-S處理分別下降了 38.6%和 8.5%。同時，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的Ci較CK有所上升，分別提高51%、39%和4%。淹水或遮陰單一處理的Ci也較CK上升，V3-W、V6-W和VT-W處理的Ci較 CK分別上升 44.0%、38.0%和 10.0%，V3-S、V6-S和VT-S處理的Ci較CK分別上升8.0%、17.0%和6.0%。

表2 遮陰、淹水及其復合處理對玉米光合速率及氣體交換參數的影響（2019）Table 2 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on photosynthetic rate and gas exchange parameters of maize (2019)

2.3 弱光澇漬復合脅迫對葉綠素相對含量（SPAD值）的影響

遮陰、淹水及復合處理導致玉米 SPAD值顯著降低（圖3）。2018年VT時期V3-S-W和V6-S-W處理的SPAD值較CK分別下降8.4%和6.9%， V3-W和 V6-W處理的 SPAD值較 CK分別下降 7.1%和5.1%，V3-S和V6-S處理的SPAD值較CK分別下降 1.2%和 2.8%。R3時期，V3-S-W、V6-S-W 和VT-S-W 處理的 SPAD值與 CK相比分別下降14.7%、10.0%和7.4%；V3-W、V6-W和VT-W處理的SPAD值較CK分別下降10.8%、6.8%和3.2%，V3-S、V6-S和VT-S處理的SPAD值較CK分別下降1.1%、5.2%和6.3%。2019年，VT時期V3-S-W和V6-S-W處理的SPAD值較CK分別下降10.9%和8.2%，V3-W和V6-W處理的SPAD值較CK分別下降10.8%和8.1%，V3-S和V6-S處理的SPAD值較CK分別下降 3.7%和 4.4%。R3時期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的SPAD值與CK相比分別下降12.4%、8.1%和5.3%，V3-W、V6-W和VT-W處理的 SPAD值較 CK分別下降 12.0%、6.6%和4.4%，V3-S、V6-S和VT-S處理的SPAD值較CK分別下降4.2%、4.7%和5.1%。

2.4 弱光澇漬復合脅迫對葉面積指數（LAI）的影響

由圖4可知，LAI呈單峰曲線變化，VT時期達到最大值，遮陰淹水復合處理的玉米葉面積指數（LAI）下降顯著。2018年，V3-S-W和V6-S-W處理的LAI較CK分別下降29.7%和13.4%，V3-S-W處理的 LAI較 V3-W 和 V3-S分別下降 10.4%和22.5%，V6-S-W處理的LAI較V6-W和V6-S分別下降1.1%和10.9%。R3時期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W 處理的 LAI與 CK相比分別下降 38.5%、6.6%和6.3%，V3-S-W處理的LAI較V3-W和V3-S處理分別下降 5.5%、25.6%，V6-S-W 處理的 LAI較 V6-W 和 V6-S處理分別下降 0.8%和 5.5%，VT-S-W處理的LAI較VT-W和VT-S處理分別下降3.8%和2.6%。2019年，VT時期V3-S-W和V6-S-W處理的LAI較CK分別下降60.7%和60.8%，V3-S-W處理的 LAI較V3-W和V3-S處理分別下降9.0和21.6%，V6-S-W處理的LAI較V6-W和V6-S處理分別下降4.3%和25.4%；R3時期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的LAI較CK分別下降59.2%、37.3%和17.8%，V3-S-W處理的LAI較V3-W和V3-S處理分別下降 2.6%、35.4%，V6-S-W 處理的 LAI較V6-W和V6-S處理分別下降10.5%和13.8%，VT-S-W處理的LAI較VT-W和VT-S處理分別下降2.6%和0.3%。

2.5 弱光澇漬復合脅迫對夏玉米干物質的積累與分配的影響

各處理地上部干物質積累趨勢大致相同，遮陰淹水復合處理使玉米干物質積累速率下降（圖5）。遮陰淹水復合處理后成熟期的單株干物質重顯著降低，2018年，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的單株干重較CK分別下降19.6%、16.5%和13.7%；2019年，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的單株干重較CK分別下降82.6%、60.2%和28.1%。復合處理的單株干重低于單一脅迫，2018年，V3-S-W處理的單株干重較V3-W和V3-S處理分別下降0.6%和12.5%，V6-S-W處理的單株干重較V6-W和V6-S處理分別下降1.5%和8.3%，VT-S-W處理的單株干重較VT-W和VT-S處理分別下降4.0%和1.2%。2019年，V3-S-W處理的單株干重較V3-W和V3-S處理分別下降0.6%和36.6%，V6-S-W處理的單株干重較V6-W和V6-S處理分別下降1.5%和27.3%，VT-S-W處理的單株干重較VT-W和VT-S處理分別下降12.7%和1.5%。此外，遮陰、淹水及其復合處理后干物質向籽粒分配比例顯著降低。2018年V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W處理的干物質向籽粒分配比例較CK分別降低26.0%、21.0%和10.1%，V3-W、V6-W、VT-W處理較CK分別降低23.9%、15.3%和4.1%；V3-S、V6-S和VT-S處理較 CK分別降低 2.2%、3.2%和 9.9%。2019年V3-S-W、V6-S-W 和 VT-S-W 處理較 CK分別下降21.8%、17.5%和19.4%，V3-W、V6-W和VT-W處理較CK分別降低14.3%、21.5%和7.7%，V6-S和VT-S處理較CK分別降低3.6%和20.8%（表3）。

表3 遮陰、淹水及其復合處理對干物質的分配的影響Table 3 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on dry matter distribution

3 討論

3.1 弱光澇漬復合脅迫對玉米光合特性的影響

葉片是玉米進行光合作用的主要器官，葉片的大小與玉米光合能力強度呈顯著正相關[2]。三葉期、拔節期和花后淹水均可加速葉片衰老，降低綠葉總數[6,10,14-15]。穗期、花粒期遮陰也導致玉米的葉面積顯著降低[11,19]。本研究表明，弱光澇漬復合脅迫后夏玉米LAI顯著降低，后期衰老加速，光合葉面積減少，進而影響夏玉米光合同化物的積累。葉綠素是進行光化學反應的重要載體，其含量反應植株固定光能產生光合同化物的潛能[22-23]。澇漬脅迫導致根系無氧呼吸加劇，產生乙醇等代謝產物，對植株產生毒化作用，導致葉片失綠萎蔫，同時增加植物體內的活性氧含量，破壞活性氧清除機制，導致SOD、POD、CAT等保護酶活性下降，丙二醛（MDA）含量增加，膜脂過氧化加劇，葉綠體超微結構破壞，葉綠素加速降解，光合能力下降[6,10,14]；弱光脅迫后葉綠素合成受阻，葉綠體結構破壞，加速葉片失綠，進而影響光合作用[17,24-25]。本研究表明，弱光澇漬復合脅迫導致夏玉米葉片的葉綠素含量顯著下降，LAI顯著降低，進而影響夏玉米葉片的光合作用，且遮陰淹水復合脅迫的LAI與SPAD值較CK的下降比例均高于任一單一脅迫。同時，不同生育時期的遮陰淹水復合脅迫后LAI與SPAD下降幅度均表現為V3-S-W＞V6-S-W＞VT-S-W，淹水、遮陰及其復合處理后LAI和SPAD含量的降低導致玉米的光合性能受損，光合效率降低。前人研究表明，淹水降低了玉米的光能有效截獲率，并導致玉米Pn、Gs、Ci等光合指標顯著降低，且以生育早期淹水影響最為顯著[6,15]。苗期遮陰可以導致葉片同化能力降低，Ci值上升，穗期與花粒期遮陰則顯著降低了玉米的Pn、Gs與Tr，且花粒期遮陰引起的光合效率降低幅度更顯著[11,18,26]。弱光淹水復合脅迫對作物各生理特性的損傷程度高于單一脅迫，棉花遭受弱光澇漬復合脅迫后凈光合速率與棉鈴產量顯著低于遮陰處理及淹水處理[22,27-29]。本研究中，弱光澇漬復合脅迫導致Pn、Gs、Tr等光合指標顯著降低，且下降幅度高于單一脅迫。可見，弱光澇漬復合脅迫對夏玉米光合特性的影響具有一定的疊加效應，導致光合同化生產能力減弱，進而會導致干物質積累量減少，向籽粒轉移的光合同化物供給下降，影響灌漿進程[20]，最終導致籽粒產量降低。同時，遮陰淹水后，Ci上升，說明遮陰淹水復合脅迫對玉米光合效率的影響同時受到氣孔限制與非氣孔限制的影響。此外，V3時期遮陰淹水復合脅迫對夏玉米光合性能的影響最為顯著，V6時期遮陰淹水復合脅迫次之，VT時期的影響最小。

3.2 弱光澇漬復合脅迫對干物質積累分配特性及產量構成的影響

干物質積累是玉米產量形成的基礎，其積累總量與產量呈顯著正相關，遮陰和淹水均可導致成熟期干物質積累總量的降低[6-7,11-12,18-19]。本研究表明，遮陰淹水復合處理后夏玉米的光合特性顯著降低，且其下降幅度大于大一脅迫，進而導致夏玉米光合同化物的積累受阻，干物質積累總量顯著降低。干物質積累總量的降低，導致穗發育所需光合同化物供應不足，籽粒充實度變差[8]，進而影響產量形成。淹水[6,12]和弱光[28,30]導致作物的穗分化和籽粒灌漿受阻導致籽粒敗育粒數顯著增多, 穗粒數下降，籽粒體積和干重顯著降低, 最終導致減產。本研究表明，遮陰淹水復合處理后夏玉米的穗粒數和千粒重均有所降低，下降幅度表現為V3＞V6＞VT,且其下降幅度大于遮陰或淹水單一處理，進而導致夏玉米產量下降。此外，產量的形成與干物質在各器官的分配比例有關，非生物逆境脅迫可限制光合同化物向作物籽粒中分配，導致粒重降低[1,20,25,28,31]。本研究表明，各生育時期弱光澇漬復合脅迫均導致成熟期干物質向籽粒的分配比例降低，V3時期遮陰淹水復合處理的干物質積累總量及向籽粒的分配比例最小，V6時期遮陰淹水處理次之，開花期最大，且復合脅迫對其的影響大于單一脅迫。可見，弱光漬澇復合脅迫后夏玉米干物質積累總量降低，向籽粒的分配比例減少，導致籽粒發育受阻，千粒重顯著降低，進而導致產量顯著降低。V3時期遮陰淹水復合處理導致產量降低幅度最大，V6時期遮陰淹水復合脅迫次之，VT時期較小，且遮陰淹水復合脅迫后產量的下降幅度顯著高于遮陰、淹水處理。

4 結論

弱光澇漬復合脅迫導致夏玉米葉面積指數和葉綠素含量降低，氣體交換受抑制，影響玉米的光合特性，導致光合同化物的積累與分配受阻，夏玉米產量顯著降低。三葉期弱光澇漬復脅迫對夏玉米產量和光合特性的影響最大，拔節期次之，開花期弱光澇漬復脅迫對其影響較小，且復合脅迫對其影響幅度大于單一脅迫。