水肥耦合對玉米生理生化特性及產量的影響

楊錦越，趙曉燕，沈建華，劉君鵬，宋 碧*，張 軍

(1.貴州省農業科學院 旱糧研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】在農業生產中，水、肥、氣、熱適宜的相互協調是保證農作物高產高效生產的重要因素，其中，在大田生產中，水肥是可通過人工控制的重要農業資源，水是使肥效得到發揮的關鍵，肥是實現高產的重要前提。水肥不協調將影響玉米植株的總代謝水平及其對環境抗逆性，從而影響產量[1-3]。目前，季節性干旱和施肥量偏高是西南地區農業生產上存在的主要問題之一。因此，進一步研究水肥耦合理論和技術對玉米產業健康發展和提升競爭力具有重要意義。【前人研究進展】國內外就水肥耦合對農作物的生理生化特性及產量的影響已開展了一定的研究。劉樹堂等[4]研究表明，全生育期玉米葉片SOD活性趨勢一致，多在吐絲期達最高，隨后急劇下降，POD活性趨勢與之相近，但后期降幅較緩；相同灌水水平下，施控釋肥的SOD活性顯著高于常規施肥與自配復混肥，POD活性受施肥影響不顯著。戰秀梅等[5]研究表明，適宜的氮、磷、鉀肥用量可明顯提高玉米葉片SOD活性，降低POD活性，有效地延緩玉米生育后期葉片的衰老，從而提高產量。張立新等[6]研究表明，施用氮、鉀肥和甜菜堿能不同程度地提高夏玉米SOD和POD活性，降低MDA含量，減緩水分脅迫下膜脂過氧化作用。【研究切入點】在前人關于水分脅迫和施肥量對玉米生理生化性狀及產量的影響研究中，鮮見水分和施肥量兩者耦合對生理生化特性和產量的影響報道，忽視了水肥協調對其生理生化和產量的作用。【擬解決的關鍵問題】以玉米品種中單808為試材，采用4因素(土壤持水量、施氮量、施磷量和施鉀量)3水平正交試驗，探明水肥耦合對玉米葉片的SOD酶活性、POD酶活性、可溶性蛋白含量及玉米經濟產量的影響，弄清玉米高產栽培水肥的最佳配合，為大田栽培玉米提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在貴州大學教學實驗農場塑料大棚內進行。玉米供式品種為中單 808，試驗選用聚乙烯塑料桶為盆栽用桶，高45 cm、直徑30 cm。肥料選用復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為基肥，尿素為追肥。供試土樣為取自貴州大學教學實驗場大田耕層的黃壤土，pH 5.42，有機質21.34 g/kg，全氮3.56 g/kg，堿解氮94.24 mg/kg，速效磷22.16 mg/kg，速效鉀150.53 mg/kg。土樣風干過篩后裝盆，每桶裝土15 kg。盆土自然沉降15 d后取樣測定土壤田間持水量，以確定保持不同調虧程度所需澆水的量。

1.2 試驗設計

采用L9(34)正交試驗設計，4個因素分別為土壤持水量(A)、施氮量(N)、施磷量(P)和施鉀量(K)，每個因素各設置3個水平(表1)，每個處理10次重復，磷、鉀肥和20%的氮肥作為基肥一次性施入，在拔節期和大喇叭口期以尿素追肥，施氮量各占總施氮量的40%。基肥與土壤混合均勻后一起裝進試驗桶。以育苗盤育苗，在2葉期選擇長勢相近的幼苗移栽，每桶栽1株，澆適量定根水。水分控制采用稱重法，不同水分處理開始時期為玉米展4葉期，水分持續脅迫時間12 d，12 d后復水到田間最大持水量的70%～80%。除田間水分和施肥量按照上述處理實施以外，其余管理措施相對一致。

表 1 水肥耦合試驗因素水平及L9(34)正交設計

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生理生化指標 在復水后5 d、拔節期、大喇叭口期、抽雄吐絲期分別取植株葉片測定生理生化指標。NBT光還原法測定SOD活性，愈創木酚法測定POD活性，考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量[7]。

1.3.2 測產與考種 玉米成熟后，采收完晾曬至安全含水量(14%)后計產，同時進行室內考種，考種內容包括穗長、穗粗、禿尖長、穗行數、行粒數、穗重及千粒重等指標。

1.4 數據分析

采用Excel 2007、DPS V 7.05、Minitab 19和SPSS 19.0進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合處理玉米葉片的SOD活性

由圖1可知，在復水5 d時，T9(A3N3P2K1)玉米葉片的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明土壤持水量為70%～80%時，增加鉀素營養可提高玉米葉片SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。在拔節期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明在土壤持水量為55%～65%時，氮素營養過高，不利于SOD合成。在大喇叭口期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T9(A3N3P2K1)最低；抽雄吐絲期以T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T2(A1N2P2K2)最低。表明，土壤持水量為40%～50%時，玉米生殖生長后期需大量的氮磷鉀營養供應才可維持SOD活性。

圖 1 不同處理各時期玉米葉片的SOD活性

通過各因素SOD活性極差分析可知(表2)，磷營養對POD活性的影響最大，其次鉀和氮，土壤持水量影響最小。各因素對SOD活性的最佳組合為A1N2P1K1, 該組合并不在9個處理中，但與T1(A1N1P1K1)組合最接近，符合正交試驗處理少的設計初衷,是統計學上篩選的結果。

表 2 各因素不同水平玉米葉片SOD活性及極差

2.2 水肥耦合處理玉米葉片的POD活性各時期

由圖2看出，不同水分和氮磷鉀含量的組合處理對玉米葉片POD活性的影響差異顯著。復水5 d時，T3(A1N3P3K3)POD活性最高，T6(A2N3P1K2)最低，差異顯著，說明土壤持水量為40%～50%條件下，減施氮磷鉀肥可提高POD活性。拔節期和抽雄吐絲期分別以T8(A3N2P1K3)和T4(A2N1P2K3)的POD活性最高,均以T1(A1N1P1K1)POD活性最低，表明玉米生殖生長后期土壤持水量為40%～50%條件下，過量氮磷鉀肥會降低玉米葉片POD活性，減弱組織防御活性氧傷害的能力。

圖 2 不同處理各時期玉米葉片的POD活性

通過各因素POD活性極差分析(表3)可知，磷營養對POD活性的影響最大，其次鉀、氮，土壤持水量的影響最小。各因素對POD活性影響的最佳組合為A2N1P3K3,與T4(A2N1P2K3)處理最接近。說明土壤持水量為55%～65%條件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中的POD活性，從而提高作物抗氧化能力。

表 3 各因素不同水平玉米葉片的POD活性及極差

2.3 水肥耦合處理玉米葉片的可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是反映植物對環境抗逆性的重要指標[8]。由圖3可知，可溶性蛋白含量在處理間均表現差異顯著。復水5 d時，T9(A3N3P2K1)可溶性蛋白含量最高，T4(A2N1P2K3)最低，說明此時期土壤持水量為70%～80%時，低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。拔節期以T7(A3N1P3K2)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，說明相較于復水5 d時，拔節期需氮量增大，需磷、鉀量減少。大喇叭口期以T1(A1N1P1K1)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，說明此時期土壤持水量為40%～50%條件下，增施氮磷鉀肥可提高可溶性蛋白含量。抽雄吐絲期以T8(A3N2P1K3)可溶性蛋白含量最高，T2(A1N2P2K2)最低，說明此時期土壤持水量為70%～80%條件下，中氮(350 kg/hm2)、高磷(150 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。

圖 3 不同處理各時期玉米葉片的可溶性蛋白含量

通過各因素可溶性蛋白含量極差分析(表4)可知，磷營養對玉米葉片可溶性蛋白含量的影響最大，其次土壤持水量和氮營養，鉀營養的影響最小。各因素對可溶性蛋白含量影響的最佳組合為A3N2P3K3，與T8(A3N2P1K3)處理最接近，說明土壤持水量70%～80%、中氮(300 kg/hm2)、高磷(100 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中可溶性蛋白含量。

表 4 各因素不同水平玉米葉片的可溶性蛋白含量及極差

2.4 水肥耦合對玉米產量的影響

2.4.1 產量 由表5可知，不同土壤持水量和氮磷鉀施肥量組合對玉米產量性狀及產量有明顯的影響。T9(A3N3P2K1)表現最優，玉米穗粒數、千粒重和產量分別為535.6粒/穗、375.65 g和9 943.48 kg/hm2。T2(A1N2P2K2)穗粒數最少，為175.3粒/穗；千粒重最小，為171.83 g；與T9的差異均達極顯著水平。說明土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)條件有利于玉米干物質的積累，更有利于提高產量。

表 5 不同處理玉米的產量性狀及產量

2.4.2 玉米產量與水肥效應方程的構建根據土壤持水量(X1)和氮(X2)、磷(X3)、鉀(X4)肥施用量與玉米的產量(Y)作回歸分析，建立玉米產量的水肥效應方程：

Y=-3 115.665+2 789.182X1+1 016.210X2+97.582X3+431.887X4(R=0.948*)，不同水肥條件下所得到的水肥效應方程達顯著水平。土壤持水量、氮磷鉀肥施用量對產量的影響均表現為正效應，各因素效應系數為土壤持水量>氮>鉀>磷，表明玉米產量對土壤持水量最為敏感，土壤含水量對玉米產量起主導性作用；其次是氮鉀肥施用量，磷肥用量對玉米產量影響最小。

3 討論

SOD是植物重要的保護酶之一，具有防御活性氧傷害和防止超氧自由基對生物膜系統的氧化作用，在細胞抗氧化和衰老方面，SOD活性的高低是植物細胞自身抗衰老能力強弱的重要標志[9]。前人研究表明[10-12]，缺氮或氮素營養過高均不利于SOD的合成，氧自由基的清除能力減弱，衰老進程加速；適量的氮素能提高保護酶活性，增強葉肉細胞對活性氧自由基的清除能力，有效控制膜脂過氧化水平，最大限度地維持細胞的穩定性，延緩衰老進程。適量的鉀素供應能夠使植物抵抗衰老的能力增強，清除活性氧的能力提高；缺鉀或鉀素供應過多，不能使鉀的生理功能充分發揮，從而使 SOD 活性降低。張立新等[6]研究表明，水分脅迫下玉米SOD顯著降低。本研究表明，在玉米不同生長時期，玉米葉片SOD活性含量變化與土壤持水量和施肥量有很大關系。土壤持水量為40%～50%時，過量的氮磷鉀營養供應可維持SOD活性，提高植株的抗逆性；在土壤持水量為55%～65%時，氮素營養過高,不利于SOD的合成。拔節期前土壤持水量為70%～80%時，增加鉀素營養可以提高SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。

POD是植物組織防御系統中的重要保護酶，可以消除細胞內活性氧對細胞膜的傷害，減少膜脂過氧化，穩定膜透性。在玉米衰老過程中，葉片可溶性蛋白含量可作為衡量葉片衰老程度的指標之一[13]。本研究表明，適量的氮磷鉀肥條件下，水分是影響POD活性的重要原因，土壤持水量為55%～65%條件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中的POD活性，從而提高作物抗氧化能力。在玉米生長不同時期，土壤持水量和氮、磷、鉀肥施用量對可溶性蛋白含量的影響有差異，土壤持水量為40%～50%條件下，增施氮、磷肥可以提高可溶性蛋白含量。與前人研究結果相符[14-17]。

不同土壤持水量和氮磷鉀施肥量組合對玉米產量性狀及產量有明顯的影響。土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)條件對穗粒數及千粒重的效果更好，更有利于提高產量，與POD和可溶性蛋白含量在抽雄吐絲期上升有關。根據不同的土壤持水量和施肥量與玉米的產量效應方程可知，土壤持水量、氮磷鉀肥施用量對產量的影響均表現為正效應，各因素效應系數為土壤持水量>氮>鉀>磷；因此，土壤含水量對玉米產量起主導性作用，這是因為在一定范圍內，土壤含水量的增加可以使土壤水勢升高，土壤水勢的升高對于養分向根系表面的流動具有明顯的促進作用，而且加快了土壤中有機質和肥料的有效轉化，從而提高了水肥利用率[18]。

4 結論

玉米產量與土壤持水量和氮、磷、鉀肥的施用量表現為正的耦合效應，但是在3種土壤持水量條件下，磷對產量的耦合效應系數最低。本研究條件下，土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)，能達到較高的產量效益。