不同栽培模式下半干旱區玉米籽粒形成和葉片對光與CO2響應特性

徐 晨，張麗華，趙洪祥，閆偉平，劉曉龍，孫 寧，李 斐，譚國波，李 前，邊少鋒，張治安

(1.吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，吉林 長春 130033；2.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西 宜春 336000；3.吉林農業大學農學院，吉林 長春 130118)

玉米是我國重要的糧食作物[1]，吉林省作為我國玉米的主產省之一，玉米產量的穩定提升對吉林省乃至國家的糧食安全穩定和經濟快速發展具有重要意義。吉林省半干旱區多分布于吉林省西部，干旱影響著這一地區玉米的生長發育[2]。近年來，隨著許多耐旱玉米品種的推廣種植，這一地區玉米的產量在逐年穩定增加，但仍具有一定的生產潛力[3]。肥料與水是保證半干旱區玉米生長發育的重要因素，也是玉米產量形成的基礎[4]。玉米生產中，各種植區域的玉米所處的環境各不相同，農戶會根據當地氣候環境形成一套固有的栽培模式，對玉米生產具有一定意義，但隨著栽培技術模式的改進，某些地區利用固有栽培模式的作物產量、資源利用和經濟效益之間的協同性不高，故研究適宜地區優化栽培模式是非常重要的。

玉米籽粒質量是產量構成中的關鍵因素，較大程度地影響著玉米產量的穩定提升[5]，在半干旱地區，土壤水分虧缺對玉米籽粒的影響主要體現在籽粒成分、淀粉含量和籽粒質量的變化，并最終會對籽粒形成造成影響[6]。土壤水分充足條件下適當增加肥料施用量可有效提高玉米的籽粒質量、籽粒灌漿速率和群體光合利用效率[7]，但當施肥量過大時，易遭受倒伏和病蟲害，影響玉米的正常生長發育，進而導致玉米籽粒產量下降[8]。不合理施肥同樣會造成土壤水分污染，影響地下水和大氣環境。因此，研究半干旱區土壤水分和肥料施用量之間的互作關系就變得尤為重要。光合作用是影響作物生長發育的重要因素，作物葉片進行光合作用能力一方面取決于作物品種的遺傳特性，另一方面則取決于作物所處的生態環境和栽培模式[9]。在干旱條件下玉米葉片的光合作用會受到抑制，其原因主要是來源于氣孔性和非氣孔性因素的共同限制[10]，通過合理施肥與灌溉可以維持玉米葉片的生理代謝并改善玉米葉片葉綠素含量，并使玉米葉片維持較高的光合作用能力[11]。通過測定植物葉片的光響應曲線，有助于探查植物葉片凈光合速率與光量子密度之間的關系，并可計算獲得對作物生理代謝有重要影響的響應曲線參數，該參數主要用于研究作物的生理進程和作物應對不同環境的響應機制[12]。Yadav等[13]研究發現，適宜的土壤水分和肥料施用量與作物的葉面積和葉片光吸收特性顯著正相關，同時也會降低冠層的溫度，提高核酮糖二磷酸羧化酶的活性和葉片的凈光合速率。同時，還可以顯著增加光系統II反應中心的電子供體和受體性質[14]，保持田間適宜作物生長的氣候環境，可顯著提高最大電子傳輸能力和Rubisco的羧化能力[15]。CO2響應曲線是判斷植物光合能力的有效方法之一，反映了植物光合速率隨CO2濃度變化的響應特征。過高或過低的土壤水分均會對玉米的光合作用造成影響，玉米生長發育對CO2的響應隨土壤水分的變化而變化，氣孔導度會隨CO2濃度的增加而降低。

吉林省西部半干旱區玉米的種植方式較為粗放，灌溉存在著單次灌溉量大、灌溉次數少和灌溉方式落后等問題，同時，農民通過增加肥料施用量來提高玉米的產量。有學者曾對吉林省玉米在不同栽培因素的協同性上進行了產量和植株養分方面的研究[16-17]，但關于半干旱區玉米不同栽培模式下籽粒形成和葉片對光與CO2響應研究并不多見。本研究以吉林省西部半干旱區常規種植的玉米品種(華農887)為試驗材料，對當地傳統農戶模式與優化栽培模式進行對比分析，研究不同栽培模式對玉米籽粒灌漿特性、葉片光合響應曲線及相關參數和產量形成的影響，探尋優化栽培模式與傳統農戶模式之間玉米籽粒形成和葉片對光合CO2的響應機制變化，以期為提高吉林省西部半干旱區玉米生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗2017—2018年在吉林省洮南市的中國東北早熟組玉米品種區域試驗站(東經122.49°，北緯45.20°)進行，該站年均日照時數為3 000 h，無霜期約134 d，海拔157 m，屬北溫帶大陸性季風氣候，2017年和2018年≥10℃的有效積溫分別為3 296.8℃和3 255.7℃，玉米全生育期的日均氣溫分別為20.52℃和20.17℃，全生育期降水量分別為197.7 mm和247.1 mm，試驗地土壤為淡黑鈣土，試驗實施時0～20 cm土壤體積質量為1.48 g·cm-3，土壤有機質含量為12.57 g·kg-1，速效氮含量63.21 mg·kg-1，速效磷含量23.75 mg·kg-1，速效鉀含量為100.24 mg·kg-1，pH值7.7，試驗前茬作物為玉米。

1.2 試驗設計

供試品種選擇吉林省西部地區常規種植的玉米品種華農887，設置對照(CK)、當地農戶栽培模式(T1)和優化栽培模式(T2)3種栽培模式，不同模式的灌溉方式、灌溉定額和施肥量見表1。播種日期分別為2017年5月3日和2018年5月5日，收獲日期分別為2017年9月29日和2018年9月28日。試驗采用常規壟作的種植方式，3個模式的種植密度均設置為6 5000株·hm-2。小區長度設置為20 m，寬度3.9 m,壟寬65 cm，小區面積78 m2，每種模式設置3次重復，采用隨機區組排列，小區兩側設置保護行，共計9個小區。T1與T2處理在播種前統一灌溉50 mm，T1處理于拔節期(V8)與吐絲期(R1)分別灌溉100 mm，T2處理于V8期、大喇叭口期(V12)、R1期和灌漿期(R3)各灌溉30 mm。試驗施用的氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為氯化鉀，T1與T2處理在播種前基施50%的氮肥和全部磷鉀肥，剩余50%氮肥在V8期追施，其他田間管理同當地生產田。

表1 試驗處理方案Table 1 Experimental treatment scheme

1.3 測定項目與方法

1.3.1 籽粒灌漿特性 玉米吐絲前對小區內長勢基本一致的50株玉米進行掛牌，于玉米開花后第5天進行第1次取樣，取樣間隔時間為10 d，取樣時間為2017年8月2日—9月21日，2018年7月30日—9月18日，均取樣6次，每次取樣在各小區內選取5株植株，取穗中部籽粒，在80℃條件下烘干至恒重，使用電子天平稱取100粒籽粒的干質量。

1.3.2 產量 收獲期(R6)進行測產，使用谷物水分測定儀測定玉米籽粒的水分，按照文獻[3]的方法計算產量。

1.3.3 光合響應相關參數 選擇晴朗無云的天氣，利用Li-6800光合熒光測量系統，分別于V12、R1和R3期進行測定。V12期選擇玉米頂端第三片完全展開葉，在R1和R3期選擇玉米穗部葉。在每個小區內選擇3株長勢基本一致的玉米，分別于2 600、2 400、2 200、2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、500、400、300、200、100、50 μmol·m-2·s-1和0 μmol·m-2·s-1光強度條件下測定凈光合速率(Pn)。利用Photosynth-assistant軟件計算獲得光補償點量子效率(AQE)、光飽和點時最大凈光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)、光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)。采用2 200 μmol·m-2·s-1的固定光強測定CO2響應曲線，按CO2濃度為400、350、300、250、200、150、100、50、25、0、400、400、600、800 μmol·m-2·s-1的順序測定Pn。利用Photosynth-assistant軟件分析CO2補償點(CCP)、CO2飽和點(CSP)、CO2飽和時最大凈光合速率(CSPn)、羧化效率(CE)、Rubisco最大羧化效率(Vcmax)、磷酸丙糖利用率(TPU)和最大電子傳遞速率(Jmax)。

1.4 數據分析

數據采用Excel 2016和SAS 9.0數據處理系統進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同栽培模式對玉米籽粒形成的影響

表2是不同栽培模式下玉米籽粒百粒質量的動態變化過程，可以看出，T1與T2處理的百粒質量在開花后各階段均顯著高于CK處理，T2處理的百粒質量均顯著高于T1處理。說明采用T2處理的栽培模式更有利于玉米籽粒質量的增加，且從籽粒形成至完全生理成熟階段，優化栽培模式顯著提高玉米籽粒的干質量。

表2 不同栽培模式下玉米籽粒百粒質量/gTable 2 100 kernel weight of maize under different cultivation patterns

籽粒的平均灌漿速率反映了籽粒的生長發育情況，從表3中可以看出，與CK和T1處理相比，T2處理玉米籽粒的平均灌漿速率顯著增加，2017年增加了31.58%和18.00%，2018年增加了30.77%和9.80%。

表3 不同栽培模式下玉米籽粒平均灌漿速率Table 3 Average grain filling rate of maize under different cultivation patterns

圖1是不同栽培模式下玉米籽粒的灌漿速率的動態變化情況，可以看出，不同栽培模式處理玉米籽粒灌漿速率達到最大值的時間基本一致，均在吐絲后20～30 d，與CK處理相比，T1與T2處理在這一生育階段的灌漿速率均顯著增加，2017年和2018年分別增加了10.04%、33.91%和14.99%、26.28%。

圖1 不同栽培模式下玉米籽粒灌漿速率Fig.1 Grain filling rate of maize under different cultivation patterns

圖2是不同栽培模式對玉米產量的影響，可以看出，栽培模式對玉米產量的影響顯著，T1與T2處理的玉米產量均顯著高于CK處理，T2處理的玉米產量均顯著高于T1處理，其中，2017年和2018年分別增加了15.67%和14.03%，說明優化栽培措施可以提高玉米產量。栽培模式和年份均對玉米的產量影響顯著，栽培模式和年份的互作對產量的影響不顯著，這說明不同栽培模式和不同年份對玉米產量的影響趨勢相同，對其的調節反應是一致的。

圖2 不同栽培模式下玉米的產量Fig.2 Yield of maize under different cultivation patterns

2.2 不同栽培模式下玉米葉片光響應曲線及相關參數

隨著光照強度的增加，2017年和2018年玉米葉片凈光合速率在3個栽培模式下的3個生育時期(V12，R1，R3)均快速增加(圖3)。當光子密度較低時，玉米葉片凈光合速率主要受光照強度的影響，隨著光量子密度的增加，T1和T2處理的凈光合速率迅速增加。當光量子密度超過300 μmol·m-2·s-1時，在相同光照條件下，2017年和2018年T2處理的凈光合速率在3個生育時期均顯著高于T1和CK處理。

圖3 不同栽培模式下玉米不同生育期葉片光響應曲線Fig.3 Light response curve of maize leaves at different growth stage under different cultivation patterns

表4是2017年和2018年3個生育時期玉米葉片光響應相關參數的變化情況，可以看出，T1與T2處理的AQE在3個生育時期均顯著高于CK處理，且均呈T2>T1>CK。隨著生育時期的推進，R3期3個處理的AQE均降至最低值，CK處理的AQE在2017年和2018年僅為0.050 mol·mol-1和0.053 mol·mol-1，同時，T1處理的AQE在R3期均顯著低于T2處理，2017年和2018年分別下降了17.35%和19.59%。當AQE過低時，會導致玉米很難利用弱光進行光合作用，進而導致整個植株的光合作用能力下降。

LCP反映了植物克服其自身同化阻力的能力，其值的高低反映了植物利用低光強的能力，LSP則反映了植物利用強光的能力，表明植物光合機構暗反應過程對同化力的需求量。從表4中可以看出，T2處理的LCP和LSP在3個生育時期均顯著高于T1與CK處理，且均呈T2>T1>CK。用LSP與LCP的差值，可代表玉米葉片應對光響應適應范圍能力，T1和T2處理的玉米葉片在3個生育時期的LSP與LCP的差值均高于CK處理，且T2處理的差值最大，2017年和2018年的3個生育時期分別達到1 871.6、1 914.4、1891.9 μmol·m-2·s-1和1 909.7、1 848.6、1 822.4 μmol·m-2·s-1。

作物在無光條件下會釋放能量，Rd是反映作物在無光條件下的呼吸速率，2017年和2018年，T1和T2處理的Rd均顯著高于CK處理(表4)，T2處理的Rd在R1和R3期顯著高于CK處理。Amax是植物達到光飽和點時的凈光合速率，也可反映植物在不受光強限制條件下自身能達到的最大光合能力，T1與T2處理3個生育時期的Amax均顯著高于CK處理，均呈T2>T1>CK，T1與T2處理的Amax在3個生育時期均無顯著性差異。

表4 不同栽培模式下玉米葉片的光響應相關參數Table 4 Correlation parameters of light response of maize leaves under different cultivation patterns

2.3 不同栽培模式下玉米葉片CO2響應曲線及相關參數

圖4是不同栽培模式下玉米3個生育時期(V12，R1,R3)CO2響應曲線的變化情況，可以看出，當CO2濃度在0～200 μmol·mol-1時，隨著CO2濃度的增加，各處理葉片的Pn會迅速增加，CK處理增加的速率比T1和T2處理小。當CO2濃度高于200 μmol·mol-1時，T2處理和T1處理的Pn繼續緩慢增加，至CO2濃度高于環境CO2濃度后仍有增加的趨勢。在同一CO2濃度條件下，CK處理的Pn會顯著低于T1處理和T2處理。

圖4 不同栽培模式下玉米V12，R1和R3期葉片CO2響應曲線Fig.4 CO2 response curve of maize leaves at V12,R1 and R3 stage under different cultivation patterns

CCP、CSP、CSPn和CE是判斷作物對環境CO2濃度需求的重要指標，同時也可反應作物在不同CO2濃度條件下葉片的光合作用能力及不同CO2濃度對作物生長發育的影響。從表5可以看出，不同栽培模式下玉米的CCP、CSP、CSPn和CE在3個生育時期均呈T2>T1>CK，與CK處理相比，T1與T2處理的CCP均顯著增加，T1與T2處理間無顯著性差異。T2處理的CSP在3個生育時期均顯著高于T1與CK處理，CSPn可以反映植物在CO2濃度飽和時的光合作用能力，T2處理的CSPn和CE在R1和R3期均顯著高于T1和CK處理。通過CCP與CSP的差值，可發現玉米葉片應對CO2的響應能力，T1和T2處理的CCP與CSP的差值均高于CK處理，且T2處理的差值最大，2017年和2018年，3個生育時期CCP與CSP的差值分別達到540.06、558.87、561.19 μmol·mol-1和539.13、518.54、574.73 μmol·mol-1，這說明采用高效栽培模式可以促進玉米葉片很好地適應環境CO2濃度變化所帶來的影響，能夠持續有效地利用光能。

表5 不同栽培模式下玉米葉片的CO2響應相關參數Table 5 Correlation parameters of CO2 response of maize leaves under different cultivation patterns

Vcmax、Jmax和TPU是作物葉片達到光飽和光合速率的限制因子，也反應了作物葉片的固碳羧化能力。2017年和2018年，T1與T2處理的Vcmax、Jmax和TPU在3個生育時期均顯著高于CK處理，且均呈T2>T1>CK，上述3個指標在T1與T2處理間無顯著性差異，這說明隨著CO2濃度的增加，T2處理玉米葉片獲得更高凈光合速率的限制因素少，且固碳羧化能力更強。

3 討 論

灌漿期是積累籽粒質量的關鍵生育階段，而籽粒質量則是玉米產量形成的關鍵[18]。本研究結果表明，與CK處理相比，T1與T2處理的玉米產量均顯著增加，T2處理顯著高于T1處理，T2處理在灌溉方式、灌溉量和灌溉次數上均進行了改進。有學者認為，適當增加灌溉次數可以增加玉米的產量[19]，本研究在農戶模式的基礎上，在玉米的V12和R3期各增加了一次灌溉，這使得玉米的需水得以滿足，緩解了由于灌溉次數偏少、間隔時間過長而引發的玉米生長發育減緩現象。農戶模式采用溝灌的方式，單次的灌溉量達到100 mm，使土壤表面水分瞬時趨于飽和，水分難以及時滲入土壤中，地表蒸發量增加，最終造成水資源浪費[20]，采用滴灌并減少每次的灌溉量可有效減少這種情況的發生[21]。樸琳等[22]研究發現，優化栽培模式所施用的肥料減少，但作物的產量和籽粒的灌漿過程未受影響，反而均呈增加的變化趨勢，本研究結果與其基本一致。玉米籽粒灌漿特性的變化反映了玉米籽粒的生長發育狀況，良好的灌溉和肥料施用對玉米籽粒的灌漿進程有著顯著的促進作用[23-24]。本研究結果表明，T2處理的各生育階段的百粒質量和平均灌漿速率均顯著高于T1和CK處理，這說明采用優化栽培模式能夠促進玉米籽粒灌漿和干物質積累。不同栽培模式下玉米籽粒的灌漿速率達到最大值時的時間基本一致，均在吐絲后20～30 d，T2處理的灌漿速率在這一生育階段要顯著高于T1和CK處理，采用優化栽培模式可以延長灌漿的時間和活躍度，這與李國紅等[25]的研究結果基本一致。合理地施用肥料和灌溉不但可以節約資源，還可使玉米籽粒良好的生長發育，有利于玉米植株其他器官的干物質向穗部轉運，從而促進玉米產量提高。

玉米光合作用的強弱與籽粒發育與產量形成密切相關，因此，研究不同栽培模式下玉米的光合作用也是挖掘玉米增產潛力的重要方面[26]，光響應曲線是判斷植物葉片光合能力的重要參數，一般隨光照強度的改變而發生變化[27]。本研究發現，3個處理玉米葉片的凈光合速率隨光照強度的增加均迅速增加，當光量子密度超過300 μmol·m-2·s-1時，T2處理的凈光合速率要顯著高于T1與CK處理，以上變化說明優化栽培模式(T2處理)可以維持玉米葉片的光合作用，減少氣孔性限制因素，T1與CK處理由于肥料施用與水分因素的限制，可能要通過關閉一些氣孔來減少因栽培模式不合理而受到的脅迫影響，也加速了玉米葉片的衰老進程。同時，通過光響應曲線可以得到表征植物光合能力的指標，如AQE、LSP、LCP、Amax和Rd，它們是反映作物生理特性的參數，常被應用于農業生產和作物生長發育的研究[28]。本研究發現，隨著生育時期的推進，T2處理的AQE顯著高于T1與CK處理，并在R3期降至3個生育時期的最低值，說明在玉米生育后期，優化栽培模式可以促進玉米利用弱光進行光合作用，從而維持玉米葉片的光合作用能力。T2處理的LCP和LSP在3個生育時期均顯著高于T1與CK處理，且T2處理3個生育時期LSP與LCP的差值均為最大，優化栽培模式使玉米光適應的范圍增加，當作物體內養分和水分不足時(CK處理)，Pn的下降主要是來自氣孔性和非氣孔性的共同限制作用，氣孔關閉引起的CO2供應受阻是導致凈光合速率下降的原因，而非氣孔性限制因素中，葉肉細胞光合活性下降是凈光合速率下降的主要原因。T2處理的玉米葉片受到脅迫的影響較小，當達到LSP時，Pn的下降主要是來自于光的抑制作用[29-30]，玉米在生長發育過程中，葉片受不同栽培因素的影響會逐漸顯現，未灌溉和施用肥料的CK處理與灌溉和施肥不合理的T1處理，葉片的光適應范圍較小，Pn下降較快，不合理的養分和水分條件不利于光合作用的正常進行。

空氣中的CO2是植物在進行光合作用時碳的主要來源，研究不同CO2濃度條件下葉片光合特性的變化有助于判斷植物適應CO2的能力[31]。本研究發現，CCP、CSP、CSPn和CE在3個生育時期均呈T2>T1>CK，T1與T2處理的CCP均顯著高于CK處理，T2處理的CSP均顯著高于T1與CK處理，T2處理的玉米葉片擁有著更大CCP與CSP的差值，說明優化栽培模式下的玉米葉片可在CO2濃度范圍更廣的條件下充分地利用光能，并更積極地響應CO2濃度的變化，對Pn的提高有著顯著的效果[32]，CO2利用率的提高對玉米增產具有重要作用。CE對外界光照和CO2濃度的變化十分敏感，它也是光合作用碳同化的限制因子[33]。本研究發現，T2處理的CE在R1和R3期均顯著高于T1和CK處理，說明灌溉增加了玉米對CO2的同化能力，增加了光合產物的運輸能力，這與張向娟[33]的研究結果基本一致。本研究結果表明，T1與T2處理的Vcmax、Jmax和TPU均顯著高于CK處理，且均呈T2>T1>CK，上述指標在T1與T2處理間無顯著性差異，這說明T2處理的玉米固碳羧化能力較強，葉片對光輻射的利用能力會隨著栽培模式的優化而逐漸增加[34]。

4 結 論

與傳統農戶栽培模式相比，優化栽培模式(T2處理)可維持葉片的光合作用能力，促進玉米利用弱光進行光合作用，增加玉米對光、CO2的適應范圍，提高光合效率，增加光合產物的轉運能力和葉片的固碳羧化能力，并通過延長灌漿時間和活躍度來促進籽粒灌漿，提高玉米籽粒質量，進而達到減少資源使用并提高產量的目的。本研究結果可為半干旱區玉米生產和優化栽培模式下玉米籽粒形成和光合響應特性研究提供理論依據。