種子大小與播種深度對玉米出苗、苗期光合特性與保護酶活性的影響

劉斌祥，程秋博，周 芳，杜倫靜，李小龍，孔凡磊，袁繼超

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130； 2.蒼溪縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 蒼溪 628400)

苗全、苗齊、苗壯是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高作物種子的出苗率和整齊度，促進幼苗生長是重要措施[1-2]。前人研究表明，種子大小和播種深度不僅會在一定程度上影響作物的出苗率[3-4]，苗期的光合特性和保護酶活性等也會受到一定的影響[5-8]，進而影響其生長發(fā)育，乃至產(chǎn)量[9-10]。玉米是我國第一大糧食作物，西南丘陵地區(qū)是我國玉米主要產(chǎn)區(qū)之一，在生產(chǎn)中占據(jù)舉足輕重的地位[1]。目前，有關(guān)播種深度對玉米種子活力、幼苗形狀和根系特性的影響已有報道[11-12]，但西南地區(qū)相關(guān)研究相對較少。

西南玉米區(qū)土層淺薄，季節(jié)性干旱頻發(fā)，容易導(dǎo)致玉米出苗不好，缺窩缺苗較多，苗勢較弱，從而影響其產(chǎn)量和質(zhì)量。為此，本研究以當(dāng)?shù)刂魍破贩N為材料，采用盆栽和大田試驗相結(jié)合，研究種子大小與播種深度對玉米萌發(fā)出苗和苗期光合特性及保護酶活性的影響，以期為川中丘區(qū)玉米種子精選與機械化播種技術(shù)的制定提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

盆栽試驗于2016年4-5月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)抗旱棚進行，土壤取自大田試驗；大田試驗于2015年5月-2016年6月在四川省德陽市中江縣合興鄉(xiāng)新建村進行。2015年土壤基礎(chǔ)肥力：有機質(zhì)12.77 g/kg，全氮1.47 g/kg，堿解氮52.93 mg/kg，有效磷15.9 mg/kg，速效鉀117.56 mg/kg；2016年土壤基礎(chǔ)肥力：有機質(zhì)9.44 g/kg，全氮1.01 g/kg，堿解氮45.30 mg/kg，有效磷4.4 mg/kg，速效鉀86.17 mg/kg。

1.2 試驗材料

玉米品種為當(dāng)?shù)刂魍破贩N正紅505，用不同孔徑的篩子分別篩選出大、中、小粒種子作為供試材料。大粒種直徑≥9.3 mm，千粒質(zhì)量349.16 g；中粒種直徑7.5～7.7 mm，千粒質(zhì)量266.53 g；小粒種直徑≤6.0 mm，千粒質(zhì)量171.40 g。

1.3 試驗設(shè)計

大田試驗采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計，A因素為種子大小，A1～A3分別為大、中、小粒種子；B因素為播種深度，B1～B3分別為2，6，10 cm，9個處理，3次重復(fù)，共27個小區(qū)，小區(qū)面積為17.6 m2(長5.5 m，寬3.2 m)，種植密度為50 000株/hm2。

盆栽試驗設(shè)計同大田試驗，用內(nèi)徑20 cm，高30 cm的塑料花盆，每個處理9盆，共81盆，先將采集的試驗用土風(fēng)干、整細、去雜物、過5 mm篩，裝入塑料盆，裝土至相應(yīng)深度時均勻鋪放20(長至三葉期)或8(長至七葉期)粒大、中、小粒種子，再蓋土至相應(yīng)播種深度，然后用噴壺噴水，每盆1.25 L，使土壤的相對含水量達到60%(稱質(zhì)量法測量)，試驗期間視土壤墑情適量澆水，保持適度干旱(土壤相對含水量需40%～55%)，取樣前3 d不再澆水。

1.4 測定指標(biāo)

破土、出苗數(shù)：盆栽試驗從播種之日起每天9：00定時調(diào)查各盆破土數(shù)(可見胚芽鞘)和出苗數(shù)(幼苗出土2 cm)，至出苗無變化為止，計算每天的破土率和出苗率：

田間試驗在全部出土苗達到一葉一心時統(tǒng)計出苗數(shù)，計算出苗率。

出苗率=達一葉一心的出土苗數(shù)/播種粒×100%

葉綠素含量：三、五、七葉期取最上1片展開定型葉鮮樣，采用丙酮提取法測定幼苗葉片葉綠素含量[13]。

光響應(yīng)參數(shù)：五葉期時使用LI-6400便攜式光合作用測定儀，在晴朗天氣10：00-14：00，選取幼苗第3片全展葉測定，每個處理測3片。通過開放式氣路，設(shè)定溫度為25 ℃，大氣CO2濃度(Ca)為400 μmol/mol，設(shè)定光強梯度0，50，100，200，250，500，1 000，1 500，2 000 μmol/(m2·s)，測定葉片在每一光強下的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等指標(biāo)。利用軟件Photosynthesis對不同光強下Pn進行曲線擬合，得到光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQY)、最大凈光合速率(Pnmax)等參數(shù)。

保護酶活性：五葉期取幼苗第3片全展葉，測定保護酶活性和MDA含量，每個處理測3片。參考植物生理生化實驗指導(dǎo)[13]，采用氮藍四唑光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶(CAT)活性。

膜脂過氧化產(chǎn)物：采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量。

1. 5 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2017軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，用SigmaPlot 10.0和Graph Pad Prism 5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子大小與播種深度對破土出苗的影響

對破土、出苗率及時間進行方差分析可得，種子大小、播種深度對破土率和出苗率的影響均達到顯著水平(P<0.05)，對破土?xí)r間和出苗時間的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，但二者互作效應(yīng)不顯著。由表1可知，種子大小方面，中粒種子最早開始破土出苗，破土率(播后5,6 d)和出苗率(播后6,7 d)顯著高于其他粒型種子，大粒種其次，小粒種最低，最終總體表現(xiàn)為中粒種與大粒種差異不顯著，但均顯著高于小粒種；與種子大小相比，播種深度對種子的破土和出苗率有更為顯著的影響，淺播(2 cm)處理各粒型種子出苗時間較早，隨播種深度增加，種子的破土、出苗時間延遲，破土、出苗率降低。

各處理的破土(t=5～9)、出苗(t=6～10)率(P)隨播后天數(shù)的變化均符合Logistic函數(shù)(P=a/(1+be-kt)，回歸方程見表2，均達到了極顯著水平(n=5，P<0.01)。從表中可看出，中、大粒種與小粒種相比，其最終的最大破土、出苗率(a)較高；大粒種進入快速破土、出苗的時間(t1)略晚，但結(jié)束快速破土、出苗的時間(t2)則較早，其活躍破土、出苗時間(D)明顯縮短，表明其破土、出苗較整齊一致；隨播種深度增加，進入(t1)和結(jié)束(t2)快速破土、出苗的時間均推遲，因而達到50%破土、出苗率的時間(t0.5a)也較晚，最終的最大破土、出苗率(a)逐漸降低。

表1 種子大小與播種深度對玉米破土和出苗的影響(盆栽試驗)Tab.1 Effect of kernel size and sowing depth on break ground and emergence of maize(pot experiment) %

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表3同。

Note： The data with different little letters in same column show significantly different among treatments.The same as Tab.3.

表2 破土、出苗率的Logistic函數(shù)(P=a/(1+be-kt)回歸方程及其相關(guān)參數(shù)Tab.2 Logistic function of soil breaking and emergence rate(P=a/(1+be-kt)regression equation and its related parameters

2.2 種子大小與播種深度對田間出苗率的影響

方差分析結(jié)果表明，種子大小和播種深度均顯著影響田間出苗率(P<0.05)，且2015年二者互作效應(yīng)顯著(F=2.62，P<0.05)。由圖1可知，種子大小方面，2015年，大粒種出苗最高，較中粒種和小粒種分別提高8.9%和11.3%；2016年中粒種出苗率較大粒種和小粒種分別提高2.6%和9.7%；2 a試驗大、中粒種的出苗率差異不顯著，但均高于小粒種。播種深度方面，田間出苗率隨播種深度增加呈先升高后降低(2015年)和降低(2016年)趨勢，其變化幅度在不同種子大小間存在一定差異，2 a平均，大粒種2 cm播深的出苗率分別較6 ，10 cm高1.33 %，11.77%，中、小粒種相應(yīng)的為0.37%，13.18%和1.19%，18.99%，大粒種在10 cm播深處理中的降低幅度小于中、小粒種，表明大粒種更耐深播。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3-4同。 The data with different little letters show significantly different among treatments. The same as Fig.3-4.

2.3 種子大小與播種深度對苗期光合性能的影響

2.3.1 種子大小與播種深度對玉米苗期葉片葉綠素含量的影響 如表3所示，隨著玉米苗的生長，葉綠素含量逐漸升高，種子大小和播種深度對苗期葉片葉綠素含量均有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)影響，二者互作效應(yīng)對五葉期葉綠素含量達極顯著水平(P<0.01)，對七葉期葉綠素b含量達顯著水平(P<0.05)。種子大小在不同時期葉綠素(含葉綠素a、b)含量存在差異，總體表現(xiàn)均為大粒種>中粒種>小粒種，且隨著生育進程推進，含量差異逐漸縮小。3個播深平均，三葉期時，大粒種的葉綠素a、b含量較中粒種和小粒種分別提高17.2%，29.3%和41.5%，43.2%，七葉期時的相應(yīng)提高幅度分別為10.6%，13.7%和17.3%，16.2%，遠小于三葉期。隨播種深度增加，三葉期時各種子大小處理的葉綠素a、b含量均降低，五葉期時大多數(shù)種子大小處理升高，七葉期除小粒種葉綠素b含量外，其余全部升高，三葉期時2 cm播深的平均葉綠素a、b含量分別較6 cm播深提高1.7%，0.0%，較10 cm播深提高15.1%,16.9%，七葉期是則分別降低15.7%，21.0%和25.7%，22.5%，其中以中、大粒種降低的幅度較大，表明出苗初期淺播苗生長較好，葉綠素含量較高，之后則深播的表現(xiàn)出一定優(yōu)勢，至七葉期時葉綠素含量均較大幅度超過淺播，尤其是中、大粒種。

表3 種子大小與播種深度對玉米幼苗葉片葉綠素含量的影響Tab.3 Effect of kernel size and sowing depth on chlorophyll content of maize seedling mg/g

注：*表示方差分析結(jié)果在P<0.05水平顯著；**表示方差分析結(jié)果在P<0.01水平顯著。

Note：*，**represent that the results of ANOVA is significant difference at theP<0.05 andP<0.01 level，respectively.

2.3.2 種子大小與播種深度對玉米苗期光合參數(shù)的影響 由圖2可知，不同種子大小、播深處理的光照強度對苗期的影響也有差異。隨光強上升，葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)上升，胞間二氧化碳濃度(Ci)降低，但上升或下降的幅度逐漸變小，表現(xiàn)為漸近(飽和)曲線。種子大小和播種深度對玉米葉片的光合特性有較大影響，總體表現(xiàn)為大粒種的Pn較小粒種高，在弱光(≤250 μmol/(m2·s))條件下淺播(2 cm播深)的Pn較高，而強光條件下，中、小粒在6 cm播深時的Pn較高，尤其是小粒種。

種子大小和播種深度對五葉期玉米葉片的光合性能也有一定影響(表4)，總體而言，大粒種與小粒種相比，具有更高的光飽和點、表觀量子效率和最大凈光合速率，3個播深平均，分別高50.8%，32.6%，21.8%，二者的光補償點差異不大；中粒種的表觀量子效率平均比小粒種高14.3%，隨播種深度增加，光飽和點和最大凈光合速率有增加的趨勢；最大凈光合速率在種子大小和播種深度之間還存在一定互作效應(yīng)，大、中粒種以深播(10 cm播深)最大，但分別以中等(6 cm播深)和淺播(2 cm播深)最小，而小粒種則以播深中等(6 cm播深)最大，以淺播(2 cm播深)最小，表明大粒種更耐深播，中粒種次之，小粒種耐深播能力相對較弱。

圖2 不同有效光照強度下各處理光合特性散點圖Fig.2 Scatter plot of photosynthetic characteristics of each treatment under different PAR

表4 不同光強下各處理光合作用擬合參數(shù)
Tab.4 Fit parameters of photosynthesis of each treatment under different light intensity

處理Treatments光飽和點/(μmol/(m2·s))LSP光補償點/(μmol/(m2·s))LCP表觀量子效率/(μmol/μmol)AQY最大凈光合速率/(μmol/(m2·s))PnmaxA1B11 848320.06730.03B21 828360.05926.45B33 132400.06936.04A2B1980280.05523.72B21 420400.05325.53B31 712360.05926.25A3B11 036320.05122.97B21 716360.04928.03B31 760360.04724.94平均A12 269360.06530.84AverageA21 371350.05625.17A31 504350.04925.31

2.4 種子大小與播種深度對苗期抗逆性的影響

2.4.1 種子大小與播種深度對幼苗保護酶活性的影響 SOD、POD和CAT等保護酶可以保護細胞膜、敏感分子等不受活性氧的傷害。方差分析結(jié)果表明，種子大小和播種深度對五葉期玉米苗葉片的保護酶活性的影響顯著(P<0.05)，但二者互作效應(yīng)不顯著。由圖3可以看出，3種保護酶的活性均隨種子變小或播深增加而呈降低趨勢，3個播深平均，大粒種的SOD、POD、CAT活性(以鮮質(zhì)量計)分別較中粒和小粒種高8.34%和60.76%，1.74%和12.60%，14.76%和31.05%；3個種子大小平均，淺播(2 cm)處理的SOD、POD、CAT活性分別較6，10 cm播深處理高13.59%和40.47%，12.10%和31.65%，11.84%和29.26%，這可能與淺播處理較深播處理易遭受干旱脅迫有關(guān)。

圖3 種子大小與播種深度對玉米幼苗保護酶活性的影響Fig.3 Effect of kernel size and seeding depth on protective enzyme activity of maize seedlings

2.4.2 種子大小與播種深度對幼苗丙二醛含量的影響 植物在逆境中遭受傷害將發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)，最終生成丙二醛(MDA)，含量高低表示植株遭受逆境的嚴(yán)重程度。方差分析結(jié)果表明，種子大小和播種深度對幼苗丙二醛含量的影響達顯著水平(P<0.05)，二者互作效應(yīng)極顯著(F=6.51，P<0.01)。從圖4可知，增大粒型和增加播深將減小五葉期葉片的丙二醛含量。大種子幼苗的丙二醛含量(以鮮質(zhì)量計)較中、小種子的分別降低7.12%和13.63%，表明小粒種較大粒種受干旱脅迫大、抗旱性弱；在不同播種深度處理中，3個種子大小平均，播深為10 cm處理幼苗的丙二醛含量較6，2 cm處理平均降低6.63%和18.36%，深播與淺播比，幼苗受干旱脅迫影響小，故丙二醛含量維持在較低水平。

圖4 種子大小與播種深度對玉米幼苗丙二醛含量的影響Fig.4 Effect of kernel size and seeding depth on MDA content of maize seedlings

2.5 光合性能與葉綠素含量、保護酶活性和丙二醛含量的相關(guān)性分析

由表5可知，光飽和點、光補償點與葉綠素含量呈正相關(guān)，與保護酶活性及丙二醛含量呈負相關(guān)，其中光飽和點與葉綠素及丙二醛含量、光補償點與葉綠素及葉綠素a含量的相關(guān)系數(shù)達顯著水平(P<0.05)。表觀量子效率、最大凈光合效率與葉綠素含量、保護酶活性呈正相關(guān)，與MDA含量呈負相關(guān)，其中表觀量子效率與葉綠素b含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。結(jié)果表明，提高玉米葉片的葉綠素含量，降低MDA含量有利于提高其光合性能。

表5 光合性能與葉綠素含量、保護酶活性和丙二醛含量的相關(guān)性Tab.5 Correlation of photosynthetic performance with chlorophyll content， protective enzyme activity and malondialdehyde content

注：*表示相關(guān)關(guān)系在P<0.05水平顯著；**表示相關(guān)關(guān)系在P<0.01水平顯著。

Note：*，**represent that the correlation is significant atP<0.05 andP<0.01 level，respectively.

3 結(jié)論與討論

種子的萌發(fā)受其貯藏營養(yǎng)物質(zhì)以及環(huán)境溫度、土壤含水量等影響，前人研究表明，種子大小和播種深度也是影響種子萌發(fā)出苗的重要因素[14]。一般認為大粒種因貯藏營養(yǎng)物質(zhì)較多，故種子越大，其活力指數(shù)較強，表現(xiàn)出較高的田間出苗率[15]。本試驗結(jié)果也表明，大、中粒種不僅萌芽、出苗率高，而且活躍破土、出苗期短，出苗整齊度較高，為苗全、苗齊和苗勻奠定了良好基礎(chǔ)。多數(shù)研究認為深播將延緩出苗時間、降低幼苗出苗率[16-18]。若播種深度過深，因土壤通氣性差、氧氣濃度過低、二氧化碳濃度過高等原因可能使種子進入次生休眠期[19-20]，即使種子能夠正常萌發(fā)，也可能會因深度過深而導(dǎo)致無法破土出苗[21]。本研究也表明，深播會延緩破土、出苗時間，顯著降低最終的破土、出苗率，但并不是在所有條件下均是播種越淺出苗率越高，在2015年的田間試驗中，播種后因連續(xù)高溫?zé)o雨，表層土壤干旱較為嚴(yán)重，2 cm播深的田間出苗率還略低于6 cm播深，而且深播對出苗率影響的程度因種子大小而異，其中大粒種受影響的程度較小，表明大粒種更耐深播。

光合作用是植物正常生長的生理基礎(chǔ)，可以反映植株長勢和抗旱性強弱[22]。葉綠素含量是重要生理指標(biāo)之一，研究表明，葉綠素含量對光合及生理特性有顯著影響[23]。王威等[24]研究表明，大種子的葉綠素含量始終高于小種子。本研究表明，大粒種三-七葉期的葉綠素a、b含量均較小粒種和中粒種高，表觀量子效率、(最大)凈光合速率(Pn和Pnmax)也較高，光合生產(chǎn)能力較強，為壯苗奠定了良好基礎(chǔ)；播深對玉米苗葉綠素含量的影響在不同時期(葉齡)存在較大差異，三葉期時淺播的葉綠素含量較高，五、七葉期后深播的葉綠素含量較高，其相應(yīng)的表觀量子效率、(最大)凈光合速率(Pn和Pnmax)也較高，光合生產(chǎn)能力較強，其主要原因可能是淺播因土壤溫度較高，通氣較好，出苗較快，初期生長較好，但土壤水分易散失，因而之后的生長逐漸受到干旱威脅，而深層土壤墑情相對較好，因而深播的優(yōu)勢逐漸得以體現(xiàn)，光合性能逐漸超過淺播處理。程秋博等[14]研究也證明適當(dāng)深播情況下，幼苗后期表現(xiàn)出生長優(yōu)勢，且最終增產(chǎn)效果顯著。

大、中粒種與小粒種相比，不僅破土、出苗率高，而且破土、出苗較整齊，幼苗生長更健壯，葉綠素a、b含量以及SOD、POD和CAT活性更高，表觀量子效率(AQY)、(最大)凈光合速率(Pn和Pnmax)更大，MDA含量更低；播種深度增加，破土、出苗時間推遲，破土、出苗率降低，特別是小粒種；淺播與深播相比，出苗初期(三葉期)的葉綠素含量較高，但五、七葉期后則降低，其SOD、POD和CAT活性和MDA含量也更低，表觀量子效率(AQY)、(最大)凈光合速率(Pn和Pnmax)更低，表明深播不利于玉米出苗，但有利于增強其苗后期的抗逆性和光合性能。