不同水肥管理模式對(duì)糯玉米葉片抗氧化酶及產(chǎn)量的影響

李若帆，馬娟娟，孫西歡，2，郭向紅，段 勇，任 青

（1.太原理工大學(xué)，太原030024；2.晉中學(xué)院，山西晉中030600）

水肥是影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的兩大可控因素，肥料與灌水量的合理配施是提高產(chǎn)量和水肥利用效率的關(guān)鍵[1,2]，與普通玉米相比，糯玉米由于其廣闊的市場(chǎng)需求和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值在我國(guó)發(fā)展?jié)摿薮?。根?jù)糯玉米不同生育期對(duì)水肥的需求，科學(xué)調(diào)控水肥措施，避免“大水高肥”的粗放型水肥管理模式對(duì)于增加糯玉米產(chǎn)量，提高糯玉米品質(zhì)至關(guān)重要。當(dāng)前許多學(xué)者研究了覆膜條件下水肥對(duì)作物根系[3?5]、器官[6]、產(chǎn)量[7]、生理代謝[8]、土壤硝態(tài)氮[9]等方面的影響，對(duì)覆膜條件下水肥耦合機(jī)理進(jìn)行了闡釋，有助于提高土壤水肥利用率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)。

已有研究明確了水分脅迫下玉米根系、葉片抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性及MDA 積累量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及相互影響[10?13]，但對(duì)等施肥量水平下不同生育時(shí)期分次施肥與不同灌水量、灌水次數(shù)的耦合條件下糯玉米葉片抗氧化酶活性、產(chǎn)量、水分利用率的研究鮮有報(bào)道。該研究可以明確糯玉米酶促反應(yīng)及其對(duì)不同水肥條件的響應(yīng)機(jī)制，為進(jìn)一步探索農(nóng)業(yè)生產(chǎn)閾值提供依據(jù)，指導(dǎo)糯玉米生產(chǎn)對(duì)策，具有重要實(shí)際意義。因此，本研究在山西省晉中地區(qū)進(jìn)行全膜雙壟溝播條件下的水肥試驗(yàn)，試圖從機(jī)理上研究糯玉米酶促反應(yīng)對(duì)水肥的響應(yīng)，探索較優(yōu)的水肥組合，為華北半干旱地區(qū)糯玉米農(nóng)田水肥優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉中市榆次區(qū)東陽(yáng)試驗(yàn)示范基地（37°32'44.28″N，112°37'26.78″E）進(jìn)行，該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫9.3 ℃，年均降雨量430 mm，無(wú)霜期154 d，表層土壤質(zhì)地為中壤土，土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)材料及方案

供試糯玉米品種為晉糯41 號(hào)，2018年5月27日播種，8月12日采收，小區(qū)種植方式為全膜雙壟溝播，種植密度6 萬(wàn)株/hm2，具體田間布置見圖1。試驗(yàn)設(shè)灌水和施肥兩因素，共6 個(gè)處理，具體處理見表2。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)為6行區(qū)，行長(zhǎng)6 m，4次重復(fù)。施氮量為180 kg/hm2，N、P、K三要素的比例約為3∶1∶2，各處理的施肥總量相同。生育期內(nèi)每7 d 監(jiān)測(cè)一次土壤含水率，根據(jù)灌溉制度確定灌溉與否及補(bǔ)灌量。2018年糯玉米生育期內(nèi)降雨量情況如表3所示。

表3 2018年度糯玉米各生育期降雨量Tab.3 Rainfall during the growth period of waxy corn in 2018

圖1 田間布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of field arrangement

表2 全膜雙壟溝播糯玉米水肥管理措施表Tab.2 Irrigation and fertilization treatments of waxy corn planted in double ridge and furrow with full film

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1 糯玉米各生育期葉片酶活性的測(cè)定

分別在6月10日、6月30日、7月18日和8月8日進(jìn)行采樣，對(duì)糯玉米苗期、拔節(jié)期、孕穗期和成熟期的葉片抗氧化酶活性進(jìn)測(cè)定和分析。SOD 活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法；POD 活性采用愈創(chuàng)木酚比色法；CAT 活性采用碘量法；MDA積累量采用雙組分光光度法[14]。

1.3.2 測(cè)產(chǎn)及室內(nèi)考種

在糯玉米采收期選取各小區(qū)連續(xù)隨機(jī)20 株糯玉米穗進(jìn)行考種并計(jì)算籽粒產(chǎn)量、耗水量（ET） 及水分利用效率（WUE）。

耗水量（ET）按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[15]：

式中：P為生育期降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為試驗(yàn)初期和末期土壤儲(chǔ)水量變化，mm。

水分利用效率（WUE）按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[16]：

式中：Y為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對(duì)糯玉米各生育期葉片抗氧化酶活性的影響

2.1.1 不同水肥處理對(duì)糯玉米各生育期葉片SOD活性的影響

不同生育期各處理葉片SOD 活性如圖2所示。由圖2可以看出，各處理葉片SOD 活性在生育期內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，均從苗期開始增加至孕穗期達(dá)到最大而后下降，相同灌水水平下不同施肥處理苗期、拔節(jié)期差異均不顯著，孕穗期、成熟期F0葉片SOD 活性高于F1、F2，I1達(dá)到顯著水平，說(shuō)明減少灌水對(duì)于F0在生育中后期影響更大；相同施肥水平下I1相比I0葉片SOD 活性高，在拔節(jié)期和成熟期均顯著，說(shuō)明土壤含水量低會(huì)促進(jìn)葉片SOD 活性升高。從各生育期來(lái)看，拔節(jié)期F0I0葉片SOD活性最小，F(xiàn)2I1葉片SOD活性最大，相差6.3%，達(dá)到顯著水平，其余四組處理間無(wú)顯著差異，表明F2由于苗期至拔節(jié)前期不施肥不灌水，這一階段水分養(yǎng)分虧缺誘導(dǎo)了葉片SOD 的基因表達(dá)，使其活性短期內(nèi)明顯高于其余處理，協(xié)助清除多余活性氧；孕穗期各處理間差異進(jìn)一步擴(kuò)大，F(xiàn)0I1達(dá)到最大，且與其余的各處理之間差異顯著，F(xiàn)1I0、F1I1，F(xiàn)2I0、F2I1之間差異均不顯著，結(jié)果表明水分適宜時(shí)，等量氮鉀肥基施追施相結(jié)合較全部基施可以顯著降低葉片SOD 活性；成熟期F0I1葉片SOD 活性最大，F(xiàn)2I0最小，相差8.8%，均與其余四組差異顯著，F(xiàn)0I0、F1I0，F(xiàn)1I1、F2I1間差異不顯著，表明水分適宜時(shí)，F(xiàn)0與F1對(duì)于葉片SOD 活性影響無(wú)顯著差異，處理間存在水分虧缺時(shí)，分次施肥對(duì)葉片SOD活性影響無(wú)顯著差異。

圖2 2018年不同處理對(duì)葉片SOD活性的影響Fig.2 Effects of Different Treatments on SOD Activity of Leaves in 2018

2.1.2 不同水肥處理對(duì)糯玉米各生育期葉片POD活性的影響

各處理對(duì)糯玉米生育期葉片POD 活性的影響如圖3所示。由圖3可以看出，各處理葉片POD活性在生育期內(nèi)變化趨勢(shì)基本相同，從苗期到成熟期均逐漸增大。相同施肥水平下葉片POD 活性均從孕穗期開始由前期I1高于I0轉(zhuǎn)而低于I0，在孕穗期達(dá)到顯著水平，這是由于I1在孕穗期的灌水水平較I0高從而使I0葉片POD活性高于I1，而在成熟期I0葉片POD活性高于I1，或與I1組拔節(jié)期輕度水分虧缺得到鍛煉有關(guān)；在相同灌水水平下，I1組內(nèi)除苗期差異不顯著外，從拔節(jié)期開始F1、F2葉片POD 活性均高于F0，并達(dá)到顯著水平，表明基施追施相結(jié)合的施肥方式更有利于提高糯玉米葉片POD活性。

圖3 2018年不同處理對(duì)葉片POD活性的影響Fig.3 Effects of Different Treatments on POD Activity of Leaves in 2018

2.1.3 不同水肥處理對(duì)糯玉米各生育期葉片CAT活性的影響

不同處理對(duì)糯玉米各生育期葉片CAT 活性影響如圖4所示，由圖4可以看出，各處理葉片CAT活性在生育期內(nèi)變化趨勢(shì)基本相同，均從苗期開始平穩(wěn)增加至拔節(jié)期后快速增長(zhǎng)，于孕穗期達(dá)到最大后下降，各處理對(duì)苗期、拔節(jié)期葉片CAT活性影響均不顯著，水量適宜條件下施肥方式不同對(duì)于葉片CAT 活性影響不顯著，成熟期F2I1顯著高于其余處理；I1由于拔節(jié)前期存在水分虧缺導(dǎo)致孕穗期不同施肥水平下葉片CAT活性差異顯著，F(xiàn)0I1最高，F(xiàn)1I1最低，相差達(dá)28%，成熟期F2I1顯著高于F0I1與F2I1，F(xiàn)0I1與F1I1差異不顯著。相同施肥水平下，除孕穗期外，灌水對(duì)于CAT 活性影響不顯著，F(xiàn)0組灌水與否對(duì)于全生育期葉片CAT活性影響不顯著，F(xiàn)1、F2組灌水可以顯著提高葉片CAT活性。

圖4 2018年不同處理對(duì)葉片CAT活性的影響Fig.4 Effects of Different Treatments on CAT Activity of leaves in 2018

2.2 不同水肥處理對(duì)糯玉米各生育期丙二醛（MDA）含量的影響

本試驗(yàn)不同處理對(duì)糯玉米各生育期葉片MDA 含量影響如圖5所示，由圖5可知，不同水肥處理對(duì)苗期葉片MDA含量影響不顯著，相同灌水處理下，I0施肥方式不同葉片MDA 含量的顯著不差異，I1組拔節(jié)期和成熟期由于水分相對(duì)虧缺F0葉片MDA含量顯著高于F1、F2，在相同施肥水平下，F(xiàn)0無(wú)論灌水與否葉片MDA 含量均差異均不顯著，F(xiàn)1在拔節(jié)期和成熟期均存在顯著差異而F2只在成熟期存在顯著差異，這與F1在拔節(jié)期追肥有關(guān)，在成熟期I1葉片MDA 含量低于I0或與拔節(jié)期水分虧缺鍛煉有關(guān)。

圖5 2018年不同處理對(duì)葉片MDA含量的影響Fig.5 Effects of Different Treatments on MDA content of leaves in 2018

2.3 不同水肥處理對(duì)糯玉米產(chǎn)量及水分利用率的影響

由表4可知不同處理糯玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)差異均不顯著，分析可知，F(xiàn)0I1果穗突尖最長(zhǎng)，與其余處理間差異顯著；I0組百粒干重均比同肥料水平下的I1組高，F(xiàn)1I0、F2I0可以顯著增加百粒干重，相比F0I1最高增加7.7%，F(xiàn)0I0、F0I1、F1I1、F2I1間差異不顯著；F1、F2籽粒產(chǎn)量顯著高于F0，同肥料水平下I0組籽粒產(chǎn)量高于I1組，最高增產(chǎn)10.9%；F0I1水分利用率最低，與其余處理差異顯著，F(xiàn)0I0、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1間差異不顯著，最高增加水分利用率7.8%。

表4 不同水肥處理糯玉米產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用率Tab.4 Yield composition and water use efficiency of waxy maize under different treatments

對(duì)糯玉米生育期抗氧化酶活性與產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析，可以得出成熟期葉片SOD 活性與糯玉米百粒干重及籽粒產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)分別為?0.915、?0.814，均達(dá)顯著水平，表明孕穗至開花期土壤含水率低會(huì)導(dǎo)致葉片SOD 酶較高，而百粒干重及籽粒產(chǎn)量較低，影響糯玉米干物質(zhì)積累。

3 討 論

（1）不同水肥處理對(duì)糯玉米生育期保護(hù)酶活性的影響。本試驗(yàn)研究中，糯玉米葉片SOD 活性在生育期呈先升后降的趨勢(shì)，在孕穗期達(dá)到最大后快速下降，存在水分虧缺的試驗(yàn)組SOD 活性相對(duì)更高，此結(jié)論與前人研究結(jié)果一致[17,18]，前人研究表明，在輕度脅迫條件下，SOD 活性均表現(xiàn)為先升后降；在嚴(yán)重脅迫條件下，大部分供試品種SOD 活性表現(xiàn)為先輕微上升后劇烈下降或者直接下降，嚴(yán)重干旱、輕度干旱的影響力高于中等干旱。研究還表明在水分適宜時(shí)施肥方式對(duì)SOD活性的影響不大，不同水肥處理從拔節(jié)期開始隨著生育期的推進(jìn)其作用也更明顯，相同施肥量分次施入更有利于減輕水分虧缺對(duì)作物的影響，適當(dāng)?shù)乃收{(diào)控作用可加劇超氧化物陰離子自由基的歧化作用，保護(hù)植物的正常生長(zhǎng)，這與SOD能保護(hù)酶結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果相符[19]。

閻勇[20]等研究了不同品種SOD?POD 的變化趨勢(shì)，表明其變化是呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，而非單一上升，其防御作用有一定局限性，可能存在一個(gè)閾值。本試驗(yàn)POD 活性在糯玉米全生育期逐步增加，這與前人研究相悖，其原因可能與水分虧缺的程度有關(guān)，本試驗(yàn)中灌水水平或達(dá)不到POD 閾值的臨界值，也與品種有關(guān)，前人大多研究春玉米、夏玉米的POD活性在生育期的變化，而糯玉米生育期短且在本研究中由于采收時(shí)間較早，灌漿過(guò)程不完全也對(duì)POD 活性變化規(guī)律有影響；研究表明多次施肥有利于提高葉片POD 活性，并在除成熟期外保持較高的增長(zhǎng)速度，成熟期受孕穗施肥及葉片老化的影響，POD 活性增速較低，不同水肥調(diào)控措施對(duì)糯玉米全生育期POD活性均影響顯著。

CAT 活性在全生育期均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在孕穗期達(dá)到最大，這與前人研究一致[21]，研究表明在水分適宜的情況下，施肥對(duì)生育期CAT 活性的影響不大，不同的水肥處理在糯玉米生育中后期影響較大。

（2）不同水肥處理對(duì)糯玉米生育期滲透調(diào)節(jié)作用的影響。卜令鐸等[22]研究表明持續(xù)干旱會(huì)導(dǎo)致玉米葉片MDA 積累量不斷上升，劉樹堂等[23]對(duì)不同水肥調(diào)控對(duì)玉米逆境指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)不同水肥調(diào)控下MDA 隨生育期含量不斷上升，在一定范圍內(nèi)，灌水可降低玉米各生育期葉片MDA 含量，施肥處理MDA 含量顯著低于不施肥處理，施控釋肥MDA 含量低于常規(guī)施肥與復(fù)混肥。本研究中，MDA 含量逐漸升高與前人研究相符，在水分適宜時(shí)施肥對(duì)MDA 含量影響不大，水肥處理對(duì)拔節(jié)期、成熟期影響較大，其余時(shí)期影響不明顯。

（3）不同水肥處理對(duì)糯玉米產(chǎn)量及水分利用率的影響。王柏等[24]研究表明玉米苗期、拔節(jié)期適度的水分虧缺可以控制植株在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)冗余，減少玉米穗禿尖長(zhǎng)度，促進(jìn)生殖生長(zhǎng)，從而提高產(chǎn)量及水分利用效率；王增麗等[25]研究表明，不同灌溉定額對(duì)春玉米穗長(zhǎng)影響不顯著，但對(duì)百粒重影響顯著，與本研究結(jié)論相近，總體來(lái)看，F(xiàn)2I1可以在較少灌水量下水分利用率最高（提高7.8%），籽粒產(chǎn)量也較高（增產(chǎn)6.8%），是本年度試驗(yàn)?zāi)晷拖螺^推薦的水肥管理模式。

4 結(jié) 論

（1）不同水肥條件下糯玉米葉片SOD、CAT 活性變化趨勢(shì)均為先增大后減小，孕穗期達(dá)到最大，POD 活性全生育期逐步增加，I0灌水水平下不同施肥方式對(duì)SOD、CAT 活性影響不大，I1灌水水平下SOD、CAT 活性增加，這幾種酶對(duì)水肥處理的敏感程度為POD＞SOD＞CAT，且苗期SOD 與POD 顯著正相關(guān)；氮鉀肥基施追施相結(jié)合有利于減輕水分虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，相比氮磷鉀肥全部基施可以增加籽粒產(chǎn)量4.02%～8.37%，I0水平效果優(yōu)于I1水平。

（2）MDA 含量在糯玉米生育期逐步升高，水分虧缺會(huì)導(dǎo)致MDA 積累量增加，加重膜系統(tǒng)遭受活性氧毒害的程度，而水分條件適宜時(shí)施肥方式對(duì)MDA含量影響不大。

（3）葉片抗氧化酶活性對(duì)不同水肥水平響應(yīng)不同，且成熟期葉片SOD 活性與百粒干重及籽粒產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)，由此可得抽雄至采收土壤水分狀況影響糯玉米干物質(zhì)積累，這一時(shí)期灌水可以降低SOD活性，增加糯玉米籽粒產(chǎn)量。

（4）試驗(yàn)結(jié)果受到氣候影響較大，2018年降雨較多且和生育期同步，弱化了灌水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)增加種植年限以減少誤差影響。本試驗(yàn)?zāi)晷拖虏煌逝从衩姿腴L(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)差異均不顯著，F(xiàn)1、F2籽粒產(chǎn)量顯著高于F0，最高增產(chǎn)10.9%。綜合來(lái)看F2I1為本次糯玉米試驗(yàn)的節(jié)水效果最優(yōu)的水肥管理方案。