氮素形態(tài)對(duì)花后初期高溫脅迫誘導(dǎo)玉米籽粒敗育的影響研究

孟亞軒 姚旭航 孫穎琦 鐘鑫 黃山 劉穎慧

(河北北方學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，河北 張家口 075000)

受氣候變化影響，近年來我國(guó)極端高溫天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度持續(xù)增加，2013—2021年夏玉米連續(xù)9年遭遇高溫脅迫，持續(xù)時(shí)間由10d延長(zhǎng)至30d左右，大部分地區(qū)氣溫達(dá)到35℃以上，部分地區(qū)甚至達(dá)到40℃以上，對(duì)夏玉米生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響[1]。一般認(rèn)為，開花期高溫影響花粉活力、花絲生長(zhǎng)及授粉受精，導(dǎo)致穗粒數(shù)顯著降低，是高溫脅迫造成玉米減產(chǎn)的主要原因[2]。相對(duì)于花前而言，花后高溫脅迫對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響更為嚴(yán)重。主要是因?yàn)榛ê蟪跗?籽粒建成期)的高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致籽粒敗育率增加，顯著降低穗粒數(shù)而造成嚴(yán)重減產(chǎn)。同化物供應(yīng)不足是造成籽粒敗育的主要原因。Rattalino等[3]通過大田增溫試驗(yàn)證明，花后初期(吐絲后15d)高溫脅迫導(dǎo)致的籽粒敗育，對(duì)玉米穗粒數(shù)的影響更大，嚴(yán)重脅迫下籽粒敗育率可達(dá)88%。因此，探索緩解花后初期高溫脅迫誘導(dǎo)籽粒敗育的調(diào)控措施，對(duì)保證夏玉米穩(wěn)定增產(chǎn)具有重要意義。

通過調(diào)控措施提高玉米抗氧化能力、光合能力和籽粒同化物積累能力是緩解高溫脅迫誘導(dǎo)玉米籽粒敗育的關(guān)鍵。同化物供應(yīng)不足是造成籽粒敗育的主要原因，而且籽粒建成期遭受高溫等逆境脅迫會(huì)進(jìn)一步加劇籽粒對(duì)同化物的競(jìng)爭(zhēng)，從而大大增加籽粒敗育率，顯著降低穗粒數(shù)。近年來，有關(guān)氮素在調(diào)控高溫脅迫下作物籽粒生長(zhǎng)發(fā)育的作用受到了廣泛關(guān)注。研究表明，穗分化期或花粒期增施氮肥可以提高高溫脅迫下植株氮代謝水平，增加葉綠素含量和碳代謝相關(guān)酶活性，從而促進(jìn)同化物合成及其在籽粒中的積累，減輕籽粒敗育，最終提高作物結(jié)實(shí)率、有效穗粒數(shù)和粒重，維持較高的產(chǎn)量。氮素主要通過其吸收、同化和氨基酸合成等代謝過程參與植物應(yīng)對(duì)逆境脅迫[4]。逆境脅迫下增加氮素供應(yīng)能夠提高氮同化關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)硝酸鹽和銨的同化，增強(qiáng)植株抗氧化能力和滲透調(diào)節(jié)能力[5]。然而，由于無機(jī)氮素形態(tài)(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)影響植物對(duì)氮素吸收、同化及其代謝過程[6]，因此不同形態(tài)氮素對(duì)逆境脅迫下作物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控效應(yīng)也存在著差異。研究表明，鹽脅迫下供應(yīng)NH4+能夠降低玉米對(duì)陽離子的吸收，增強(qiáng)植株滲透調(diào)節(jié)能力，提高抗氧化能力[7]。而較高的NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)和同化水平能夠顯著提高植株脯氨酸含量，增強(qiáng)擬南芥的抗旱性[8]。可見，不同形態(tài)氮素對(duì)逆境脅迫的調(diào)控效應(yīng)因脅迫類型和植物類型不同而存在較大差異，但關(guān)于氮素形態(tài)緩解高溫脅迫誘導(dǎo)玉米籽粒敗育的調(diào)控作用、調(diào)控途徑及生理機(jī)制尚不明確。

基于此，本研究擬通過溫室控溫試驗(yàn)，研究不同形態(tài)氮素對(duì)花后初期高溫脅迫下玉米植株氮素積累與同化、穗位葉光合特性的差異，明確不同形態(tài)氮素對(duì)玉米花后初期高溫脅迫下同化物合成及其在籽粒中轉(zhuǎn)化積累的調(diào)控效應(yīng)，為建立合理的氮肥調(diào)控措施，促進(jìn)夏玉米穩(wěn)定增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況及材料

試驗(yàn)在河北北方學(xué)院南校區(qū)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，供試玉米品種為“鄭單958”。種植密度為67500株·hm-2，每個(gè)小區(qū)種植4行，行距60cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為2個(gè)溫度處理，分別為自然溫度CK和增溫處理HT，副區(qū)為3個(gè)氮素配比N1(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=100∶0)、N2(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=50∶50)、N3(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=0∶100)。高溫處理在高溫棚中進(jìn)行，以棚外自然條件下生長(zhǎng)的玉米植株為對(duì)照。高溫棚用長(zhǎng)、寬、高分別為5.0m、4.8m、4m的鐵架制作，四周用透光率95%的樹脂薄膜圍住，底部距地面空出20cm距離，頂部均勻打出0.5cm2孔(密度為40孔·m-2)，以利于氣體交換。在開花期選擇生長(zhǎng)一致的植株進(jìn)行掛牌標(biāo)記，吐絲前后14d進(jìn)行高溫處理，隨后移走框架，使其正常生長(zhǎng)。硝態(tài)氮肥選用硝酸鉀，氨態(tài)氮肥選用硫酸銨，并在含有銨態(tài)氮的處理添加適量硝化抑制劑DMPP(3，4-二甲基吡唑磷酸鹽)，以防止銨態(tài)氮在土壤中被氧化為硝態(tài)氮。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉片光合特征的測(cè)定

高溫處理后，于晴天9：00—11：00用Li-6400測(cè)定穗位葉凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)。

1.3.2 葉綠素含量的測(cè)定

高溫處理結(jié)束當(dāng)天，利用SPAD-502便攜式葉綠素儀測(cè)定穗位葉的葉綠素含量。

1.3.3 受精結(jié)實(shí)率的測(cè)定

吐絲前選取各處理生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株4株進(jìn)行套袋，吐絲完全后統(tǒng)一授粉，在授粉5d后，按照侯昕芳等方法計(jì)算受精率和結(jié)實(shí)率。

1.3.4 產(chǎn)量的測(cè)定

于玉米成熟期，每小區(qū)收獲中間3行進(jìn)行測(cè)產(chǎn)(按籽粒含水率14%折算)。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 25軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米葉片光合特征的影響

由圖1可知，花期高溫脅迫降低了玉米的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)，施用氮肥可提高玉米的Pn和Tr，不同氮素配比提升效果不同。與CK相比，HT、HTN1、HTN2和HTN3的Pn分別降低10.02%、9.81%、3.54%和9.19%；Tr分別降低7.41%、4.48%、3.03%和4.17%。常溫條件下，CKN1、CKN2和CKN3相較于CK處理，Pn分別提高2.11%、15.09%和9.02%；Tr分別提高3.14%、7.98%和9.26%。高溫條件下，HTN1、HTN2和HTN3相較于HT處理，Pn分別提高0.26%、7.23%和0.95%；Tr分別提高3.17%、4.72%和3.50%。說明花期高溫條件下，不同氮素配比中，HTN2處理效果最好，HTN3次之，HTN1效果最差。

圖1 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米光合速率和蒸騰速率的影響

2.2 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米葉綠素含量的影響

由圖2可知，花期高溫脅迫降低了玉米的葉綠素含量(SPAD)，施用氮肥可提高玉米的SPAD，不同氮素配比提升效果不同。與CK相比，HT、HTN1、HTN2和HTN3的SPAD分別降低11.54%、9.62%、5.77%和9.62%。常溫條件下，CKN1、CKN2和CKN3相較于CK處理，SPAD分別提高5.77%、13.46%和9.62%。高溫條件下，HTN1、HTN2和HTN3相較于HT處理，SPAD分別提高2.17%、6.52%和2.18%。說明花期高溫條件下，不同氮素配比中，HTN2處理效果最好，HTN3次之，HTN1效果最差。綜上所述，HTN2處理可有效提高高溫條件下玉米葉綠素含量。

圖2 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米SPAD的影響

2.3 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米受精結(jié)實(shí)率的影響

由圖3可知，花期高溫脅迫降低了玉米的受精率和結(jié)實(shí)率，施用氮肥可提高玉米的受精率和結(jié)實(shí)率，不同氮素配比提升效果不同。與CK相比，HT、HTN1、HTN2和HTN3的受精率分別降低9.47%、7.37%、5.26%和8.42%。結(jié)實(shí)率分別降低15.58%、10.39%、6.49%和12.99%。常溫條件下，CKN1、CKN2和CKN3相較于CK處理受精率分別提高0.63%、2.06%和1.05%；結(jié)實(shí)率分別提高1.28%、4.58%和1.69%。高溫條件下，HTN1、HTN2和HTN3相較于HT處理，受精率分別提高2.27%、4.44%和1.16%；結(jié)實(shí)率分別提高5.60%、8.59%和3.27%。說明花期高溫條件下，不同氮素配比中，HTN2處理效果最好，HTN3次之，HTN1效果最差。綜上所述，HTN2處理可有效提高高溫條件下玉米受精結(jié)實(shí)率。

圖3 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米受精結(jié)實(shí)率的影響

2.4 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由圖4可知，花期高溫脅迫降低了玉米的產(chǎn)量，施用氮肥可提高玉米的產(chǎn)量，不同氮素配比提升效果不同。與CK相比，HT、HTN1、HTN2和HTN3的產(chǎn)量別降低32.00%、23.10%、16.42%和23.87%。常溫條件下，CKN1、CKN2和CKN3相較于CK處理產(chǎn)量分別提高14.27%、37.37%和14.89%。高溫條件下，HTN1、HTN2和HTN3相較于HT處理，產(chǎn)量分別提高13.09%、22.91%和12.08%。說明花期高溫條件下，不同氮素配比中，HTN2處理效果最好，HTN3次之，HTN1效果最差。綜上所述，HTN2處理可有效提高高溫條件下玉米產(chǎn)量。

圖4 不同氮素形態(tài)配比對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

3 討論與結(jié)論

通過觀察玉米花后初期自然溫度(CK)和增溫處理(HT)2個(gè)溫度梯度不同氮肥處理的情況下發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)降低，受精結(jié)實(shí)率下降，從而影響玉米產(chǎn)量。高溫脅迫影響玉米的花粉花絲活力，籽粒敗育率增加，同時(shí)，高溫脅迫會(huì)引起光合作用受阻，MDA含量增加，物質(zhì)生產(chǎn)能力。在高溫情況下，采用合理的氮肥調(diào)控措施，可以促進(jìn)玉米穩(wěn)定增產(chǎn)。前人研究表明，高溫和干旱是限制北方玉米增產(chǎn)的主要因素，不同生育階段遭遇高溫脅迫均會(huì)導(dǎo)致玉米產(chǎn)量、粒重和穗粒數(shù)顯著降低[9]。通常情況下，與單一的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)相比，適度比例的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對(duì)絕大多數(shù)旱作區(qū)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用[10]。崔政軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，硝銨混合氮源更有利于玉米的生長(zhǎng)，因?yàn)橄鯌B(tài)氮和銨態(tài)氮都能被玉米很好的吸收利用，而且混合氮肥在玉米生長(zhǎng)過程中可以起到互補(bǔ)作用，進(jìn)一步提高玉米產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，由于高溫脅迫降低了玉米的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和葉綠素含量(SPAD)降低了玉米的受精率和結(jié)實(shí)率，導(dǎo)致籽粒敗育率增加，物質(zhì)生產(chǎn)能力降低，從而使產(chǎn)量降低。本研究通過不同形態(tài)氮素對(duì)逆境脅迫的調(diào)控，N1(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=100∶0)、N2(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=50∶50)、N3(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=0∶100相比，在高溫條件下N2(硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮=50∶50)混合施用玉米籽粒產(chǎn)量最高，可能是因?yàn)樵鍪┫鯌B(tài)氮能夠促進(jìn)作物干物質(zhì)的積累，同時(shí)補(bǔ)充銨態(tài)氮?jiǎng)t能提高葉片葉綠素、游離氨基酸和可溶性蛋白含量[12，13]，而且硝態(tài)氮和銨態(tài)氮互補(bǔ)，既有利于發(fā)揮根系吸收功能，也有利于根系最大限度轉(zhuǎn)化氮素，有效降低土壤中氨的積累，避免作物氨中毒，最大程度地發(fā)揮肥料效應(yīng)，促進(jìn)作物增產(chǎn)[14，15]。因此，闡明了不同形態(tài)氮素對(duì)夏玉米花后初期高溫脅迫下籽粒同化物合成及其轉(zhuǎn)化積累的調(diào)控作用，為制定合理的氮肥調(diào)控措施，促進(jìn)夏玉米穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。未來需要加強(qiáng)耐高溫種質(zhì)資源的挖掘，培育耐高溫品種，提高作物抗高溫?zé)岷δ芰ΑＭ瑫r(shí)，在減少高溫?zé)岷Ψ矫妫€需要從栽培管理、水肥調(diào)控等方面進(jìn)行技術(shù)研究，以減少災(zāi)害影響，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)。