玉米-大豆帶狀套作高產(chǎn)玉米葉片的生理特征研究

馬艷瑋，蒲 甜，陳國鵬，李 麗，羅萬宇，任永福，馮 駿，楊文鈺，王小春*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，作物生理生態(tài)栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130）

玉米-大豆帶狀套作在傳統(tǒng)間套作的基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展而來，充分利用邊行優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)年際間交替輪作，是間套復(fù)種的重要模式[1-2]，在這種模式下選用適當(dāng)?shù)挠衩灼贩N實(shí)現(xiàn)雙高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

作物產(chǎn)量的90%以上都來自光合作用的積累[3]，葉片是光合作用的主要器官，葉片的生理特性是影響產(chǎn)量形成的關(guān)鍵，因此是高產(chǎn)品種研究的重要內(nèi)容。葉片是植物生長和進(jìn)化過程中對(duì)環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官，受不同的選擇壓力，已形成各種適應(yīng)類型[4]，間套作模式由于其較單作特殊的光環(huán)境和農(nóng)業(yè)小氣候條件[5-6]，適宜種植的作物品種葉片應(yīng)當(dāng)有特有的結(jié)構(gòu)和功能，目前，前人對(duì)高產(chǎn)玉米葉片的光合特性及生理指標(biāo)研究較多[7-8]，但對(duì)于間套作條件下高產(chǎn)玉米葉片的生理特性還鮮為報(bào)道。本研究通過兩年的大田試驗(yàn)，在供試的21 個(gè)玉米品種選出了在套作模式下產(chǎn)量超過7 500 kg/hm2的玉米品種，并研究了這些玉米品種的生理特性，為篩選適宜玉米-大豆帶狀套作的玉米品種提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米品種：中單808、榮玉1210、登海605、仲玉3號(hào)、川單 428、川單 189、綿單 118、正紅 505、德玉18、極峰 30、眾望玉 18、正紅 6 號(hào)、珍禾玉 1 號(hào)、中單901、綿單 581、川單 418、川單 25、成單 30、荃玉 9 號(hào)、登海618、川單 455。供試玉米品種的詳細(xì)信息見表1。大豆品種為南豆12，由四川省南充農(nóng)科院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014—2015年2 個(gè)生長季進(jìn)行，大田試驗(yàn)，采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，A 因素為種植模式，A1：凈作，A2：套作；B 因素為玉米品種，B1-B21（21 個(gè)玉米品種），42 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù) 3 次，共126 個(gè)小區(qū)。每個(gè)處理2 帶，帶長4 m，凈作采用生產(chǎn)常規(guī)的70 cm 等行距種植，小區(qū)面積16.8 m2；套作玉米采用“40 cm+160 cm”的寬窄行種植模式，小區(qū)面積 16 m2，密度 60 000 株/hm2，穴距 33.3 cm，穴植雙株；玉米全生育期共施氮肥240 kg/hm2，按照底肥：拔節(jié)肥：攻苞肥為3：2：5 的比例施。底肥每hm2另配施清糞水 600 擔(dān)（40 kg/擔(dān)，含 N 0.18%，P2O50.12%，K2O 0.08%），過磷酸鈣 600 kg（含 P2O512%），氯化鉀 150 kg（含 K2O 60%）。大豆于 6月 10日免耕直播，寬行內(nèi)均種2 行，玉米大豆間距60 cm，大豆窄行行距40 cm，穴距25 cm，穴留3 株，種植密度為120 000 株/hm2，大豆基肥配施尿素75 kg/hm2，過磷酸鈣600 kg/hm2，氯化鉀60 kg/hm2，追肥為初花后施尿素75 kg/hm2，其它管理同大田。

1.3 項(xiàng)目測定與方法

1.3.1 葉綠素含量

在玉米吐絲期，每小區(qū)選擇有代表性的植株3株（葉片選取穗位葉）。取樣后將葉片立即稱重，并放于保鮮袋中，經(jīng)液氮處理帶回實(shí)驗(yàn)室，在低溫冰柜（-29 ℃）中保存。葉綠素含量測定時(shí)，避開主葉脈，用打孔器在葉片中部切取1 cm2大小的葉片剪成細(xì)絲，采用無水乙醇和丙酮1 ∶1 混合液暗處提取，用美普達(dá)722 型紫外可見分光光度計(jì)測定在470、645 和 663 nm 處吸光度[9]，然后以 H.K.Lichtenthaler 等[10]法公式計(jì)算不同葉位葉片葉綠素a（Chla）、葉綠素 b（Chlb）、類胡蘿卜素（Car）的含量和葉綠素總量。

1.3.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)

在玉米吐絲期，每小區(qū)選擇有代表性的植株3株（葉片選取穗位葉）。取樣后，避開葉片主脈取材，用70% FAA 固定液（50%酒精：甲醛：冰醋酸=39：5：6）保存，在實(shí)驗(yàn)室采用李芬[11]的方法石蠟切片制片，切片厚度8～10 μm，番紅-固綠對(duì)染。切片利用LEICA 數(shù)字式生物顯微鏡（DM1600B）觀察，通過FW400 圖像分析軟件分別測定葉片上表皮、下表皮厚度和葉片厚度。

1.3.3 碳氮比

總氮及總碳：在玉米灌漿期，每小區(qū)選擇有代表性的植株3 株（葉片選取穗位葉）。在105 ℃下殺青1 h，80 ℃烘干至恒重，得到葉片干重，粉碎后過60 目篩，用自封袋密閉低溫保存，供葉片碳、氮指標(biāo)的測定。參考龔迎莉等[12]試驗(yàn)方法，利用美國加聯(lián)儀器有限公司生產(chǎn)的CE-440 元素分析儀測得碳元素含量百分比和氮元素含量百分比，然后計(jì)算出碳氮比數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)玉米品種基本情況Table 1 The maize varieties basic situation

2 結(jié)果與分析

2.1 凈套作種植模式下不同玉米品種產(chǎn)量差異及產(chǎn)量等級(jí)劃分

由表2可知，凈作和套作兩種模式下品種間玉米產(chǎn)量存在較大差異。套作模式下的玉米產(chǎn)量與凈作相比較均有所降低，但降低幅度品種間不同。方差分析結(jié)果表明，在0.05 水平下，除登海618 等6個(gè)品種2年的產(chǎn)量表現(xiàn)不一致外，其他15 個(gè)品種兩年之間的凈套作產(chǎn)量差異結(jié)果一致，說明這些品種在凈套作條件下產(chǎn)量發(fā)揮較穩(wěn)定。根據(jù)前人的研究[13]以及生產(chǎn)上的產(chǎn)量水平以7 500 kg/hm2為界限，把產(chǎn)量高于7 500 kg/hm2的品種確定為高產(chǎn)品種，反之則為低產(chǎn)品種。因?yàn)闊o套作條件下高產(chǎn)而凈作條件下低產(chǎn)的品種，由此，將凈套作種植模式下的玉米品種產(chǎn)量劃分為3 個(gè)等級(jí)，分別為凈套作均高產(chǎn)、凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)以及凈套作均低產(chǎn)。如表3所示，2年試驗(yàn)共有5 個(gè)品種屬于凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)品種，屬于凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)的品種的2年試驗(yàn)共有5 個(gè)品種，其余品種均為凈作低產(chǎn)套作低產(chǎn)品種。

2.2 套作模式下不同玉米品種生理指標(biāo)的基本參數(shù)估計(jì)

套作模式下不同玉米品種葉片生理特性的2年平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表4）：吐絲期葉片的葉綠素a、b、類胡蘿卜素以及葉綠素的總含量的變異系數(shù)均大于10%，兩年的規(guī)律一致；吐絲期葉片上表皮厚度和下表皮厚度的變異度均大于同時(shí)期葉片厚度的變異系數(shù)大于10%。說明套作條件下玉米品種間葉片葉綠素a、b、類胡蘿卜素以及葉綠素的總含量、葉片的上表皮厚度、下表皮厚度品種間差異較大，這為篩選套作高產(chǎn)玉米品種的葉片生理指標(biāo)創(chuàng)造了條件。

表2 凈套作種植模式下不同玉米品種產(chǎn)量的差異Table 2 The difference of maize varieties yield between sole cropping system and intercropping system kg·hm-2

表3 凈套作種植模式下不同玉米品種產(chǎn)量等級(jí)分布Table 3 The yield distribution of maize varieties under sole cropping system and intercropping system

2.3 不同產(chǎn)量水平套作玉米生理指標(biāo)與產(chǎn)量相關(guān)性

不同產(chǎn)量水平下不同玉米品種葉片生理特性指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系見表5。不同產(chǎn)量水平下不同玉米品種葉片的生理特性指標(biāo)與產(chǎn)量呈二次函數(shù)關(guān)系。凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)的玉米品種的產(chǎn)量與葉綠素a、葉綠素總量、葉片厚度呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系，R2值表現(xiàn)為葉綠素總量＞葉綠素a＞葉片厚度；凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)的玉米品種的產(chǎn)量與碳氮比、葉綠素a、葉綠素a/b、葉綠素總量、葉片厚度二次函數(shù)關(guān)系，R2值表現(xiàn)為葉綠素總量＞葉片厚度＞葉綠素a＞碳氮比＞葉綠素a/b。說明不同產(chǎn)量水平的玉米限制其產(chǎn)量的生理特性不同，葉綠素總量、葉綠素a 含量和葉片厚度有利于套作玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮。

2.4 不同產(chǎn)量水平下玉米品種生理特征差異

圖1反映了 2014年和 2015年套作 2 個(gè)產(chǎn)量水平下玉米葉片各生理指標(biāo)數(shù)據(jù)的分布情況，可以看出，2年凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)群體的葉綠素a 含量、葉綠素總量和葉片厚度的最大值和最小值均大于凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)群體，凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)群體葉綠素 a 的變化范圍 345.76～503.64 mg/m2，凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)群體變化范圍在340.37～479.96 mg/m2；2年吐絲期的高產(chǎn)玉米的葉綠素含量變化范圍平均值為481.21～727.73 mg/m2；凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)群體和凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)群體的葉片厚度分別為143.18～163.43 m 和 114.37～150.54 m。這說明套作高產(chǎn)玉米群體需要維持較高的葉綠素a 含量、葉綠素總量以及較厚的葉片厚度，這為籽粒灌漿結(jié)實(shí)和獲得較高產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

表4 套作模式下不同玉米品種葉片生理特性的基本參數(shù)估計(jì)Table 4 The basic parameters estimates for the physiological characteristics of maize leaves under intercropping system

表5 套作模式下不同產(chǎn)量水平玉米品種葉片生理特性與產(chǎn)量的關(guān)系Table 5 The correlations between maize leaves physiological characteristics traits and yield of different maize yield levels under intercropping system

3 討論與結(jié)論

在作物的葉面積系數(shù)和經(jīng)濟(jì)系數(shù)都難以再增加的現(xiàn)狀下，光能利用率的增加成為產(chǎn)量提高的關(guān)鍵[14]。前人的研究認(rèn)為，株型主要通過影響群體透光的性能來影響產(chǎn)量，最終的產(chǎn)量形成還是要取決于葉片對(duì)光能的吸收與轉(zhuǎn)化，因此在形態(tài)特征上選取的同時(shí)，對(duì)高產(chǎn)性能的選擇也需重視[15]。本研究表明，吐絲期葉片中的葉綠素a、葉綠素總量、葉片厚度，對(duì)玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮具有顯著作用。

葉綠素的多少反映了作物光合能力的大小，劉貞琦等[16]的研究表明，在一定范圍內(nèi)葉片中葉綠素含量和光合速率成正比。葉綠素含量的增加進(jìn)而反映了作物體內(nèi)對(duì)能量的吸收轉(zhuǎn)化能力[17]。葉綠素a在光合作用中能吸收光能，且少數(shù)處于激發(fā)狀態(tài)的葉綠素a 能轉(zhuǎn)化光能，以獲得更多的光合產(chǎn)物，并為后期向籽粒運(yùn)輸提供保障，因此在一定程度上葉綠素含量和葉綠素a 含量能夠促進(jìn)產(chǎn)量的提高。本研究與前人研究結(jié)果一致，套作玉米維持較高的葉綠素a 含量和葉綠素含量對(duì)于產(chǎn)量的發(fā)揮有促進(jìn)作用。玉米葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)與光合作用有關(guān)[18]，而葉片厚度的大小，與葉肉細(xì)胞的多少有密切的關(guān)系，從而對(duì)植株的光合作用造成影響[19]，本研究中凈作高產(chǎn)套作高產(chǎn)的玉米品種的葉片厚度高于凈作高產(chǎn)套作低產(chǎn)的玉米品種。

圖1 套作模式下不同產(chǎn)量水平玉米品種的生理特征差異Figure 1 The difference of maize leaves physiological characteristics between different yield levels under intercropping system

玉米-大豆帶狀復(fù)合種植系統(tǒng)采用寬窄行栽培，玉米處于窄行的一側(cè)與等行距相比透光條件較差，窄行的葉片處于蔭蔽環(huán)境中較高的葉綠素含量有利于提高植株對(duì)光的吸收和轉(zhuǎn)化，有利于產(chǎn)量的提高。許多研究表明植株在蔭蔽的環(huán)境中，葉片會(huì)變薄[20-21]，這會(huì)導(dǎo)致葉肉細(xì)胞的減少，從而影響光合作用[19]，因此較厚的葉片有利于葉片弱光條件下保障生理功能的進(jìn)行。在本研究中套作高產(chǎn)的玉米品種相對(duì)于套作低產(chǎn)的玉米品種有較高的葉綠素a、葉綠素含量和較厚的葉片厚度，在吐絲期套作高產(chǎn)的玉米品種葉片葉綠素a 含量為345.76～503.64 mg/m2，葉綠素含量為481.21～727.73 mg/m2，葉片厚度為143.18～163.43 μm。