不同磷素用量對(duì)玉米光合特性及酶活性的影響

高文龍 張貴余 張贏心 崔浩 高占 賈志越 劉樹堂

摘要：本試驗(yàn)以玉米品種魯單818為材料，設(shè)置0（P1）、20kg/hm2（P2）、40kg/hm2（P3）、60kg/hm2（P4）、80kg/hm2（P5）、100kg/hm2（P6）共6個(gè)磷素（P2O5）水平處理，研究玉米光合特性及相關(guān)酶活性對(duì)不同磷素用量的響應(yīng)。結(jié)果表明，隨磷素用量的增加玉米葉片SPAD值、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)用量為100kg/hm2 時(shí)達(dá)到較高水平，較不施磷處理平均提高16.61%、29.01%、47.40%、30.96%、20.78%;玉米吐絲期前，葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合成酶活性均隨磷素用量的增加而逐漸增加，乳熟期不同磷素用量處理對(duì)玉米葉片酶活性影響不明顯，玉米生育期內(nèi)施用100kg/hm2的磷素較不施磷處理平均提高19.08%、65.50%、24.63%。綜上表明，施用適量磷肥可以有效提高玉米葉片SPAD值、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率和硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶活性，并且隨用量的增加而逐漸提高。本試驗(yàn)條件下，磷素用量100kg/hm2效果最好。

關(guān)鍵詞：磷素用量;玉米;光合指標(biāo);酶活性

玉米為我國(guó)主要糧食作物，對(duì)我國(guó)糧食安全至關(guān)重要[1]。施用化肥可以顯著提高玉米產(chǎn)量，其中磷素作為植物三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與植物細(xì)胞的構(gòu)成，并且直接參與光合作用和碳氮代謝等過(guò)程[2，3]。

氮磷不僅是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是產(chǎn)量提高的限制因子[4]。氮磷配比與施用方式對(duì)作物的光合效率以及生理代謝都有顯著影響[5-7]。盧闖等[8]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下施用磷肥可以提高玉米凈光合速率、植株氮磷含量以及抗逆性。彭濤濤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨磷肥用量的增加玉米葉片蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度逐漸增加。石博文等[10]研究發(fā)現(xiàn)，玉米葉綠素含量、光合速率等指標(biāo)隨磷肥用量的增加表現(xiàn)為先升高后降低趨勢(shì)。李萍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)视昧繛?50kg/hm2時(shí)，施用磷肥可以有效提高玉米葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率。Wu等[12]研究認(rèn)為低磷脅迫能夠影響玉米體內(nèi)NiR、GS、Fd-GOGAT等同化基因的表達(dá)，進(jìn)而影響擬南芥植株的氮代謝。羅鳳[13]研究發(fā)現(xiàn)，短期的磷脅迫會(huì)造成水稻根系GS活性顯著下降。

由上看出，前人主要從氮磷脅迫的角度研究氮磷養(yǎng)分對(duì)玉米苗期光合特性和相關(guān)酶活性的重要性，而對(duì)整個(gè)生育期內(nèi)玉米光合特性以及氮代謝相關(guān)酶活性的變化規(guī)律研究較少。因此，本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同的磷素用量水平，研究玉米不同生育期內(nèi)光合特性及其相關(guān)酶活性對(duì)磷素水平的響應(yīng)規(guī)律，以期為磷肥的合理施用提供技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況及材料

試驗(yàn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽(yáng)試驗(yàn)站栽培池（120.7°E，36.9°N）內(nèi)進(jìn)行。栽培池長(zhǎng)寬為2m×2m，深1.5m，栽培池之間用水泥層隔斷。試驗(yàn)土壤為棕壤，有機(jī)質(zhì)含量12.93g/kg、全氮0.77g/kg、有效磷30.52mg/kg、速效鉀112.60mg/kg，pH值6.5。供試玉米品種為魯單818。試驗(yàn)用肥料分別為尿素（N46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O514.5%）和氯化鉀（K2O62.67%）。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理（表1），隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次。玉米行距60cm，株距20cm。2020年6月28日播種，磷肥和鉀肥全部做基肥一次施入，氮肥分3次施入，分別在播種、大喇叭口、抽雄期施入總量的30%、30%和40%。玉米整個(gè)生育期內(nèi)其他管理方式相同。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

于大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期取各小區(qū)整株玉米，將根系和完全展開葉（大喇叭口期取最上部第三片葉，抽雄期取最上部第五片葉，吐絲期后取穗位葉）分開，鮮樣用液氮速凍，于-80℃冰箱保存。硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性測(cè)定參考文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行，GOGAT活性采用NADH還原比色法[15]，利用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

使用KONICAMINOLTASPAD-502便攜式葉綠素儀測(cè)定各時(shí)期完全展開葉（大喇叭口期取最上部第三片葉，抽雄期取最上部第五片葉，吐絲期后取穗位葉）中部的SPAD值。使用CIRAS-3便攜式光合儀測(cè)定其光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及水分利用效率。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用MicrosoftExcel2013和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同磷素用量對(duì)玉米光合指標(biāo)的影響

2.1.1對(duì)玉米葉片SPAD值的影響 由圖1看出，玉米生育期內(nèi)，葉片SPAD值表現(xiàn)為先增大后降低趨勢(shì)。其中P6處理葉片SPAD平均值最大，為62.48;其次是P5，為61.46;P2為56.89，較P1分別提高16.61%、14.71%、6.18%。大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期P6處理均有最大值，較P1分別提高11.00%、13.06%、23.11%、18.65%，P2較P1分別提高4.74%、6.17%、4.27%、9.56%。表明施用磷素對(duì)玉米吐絲期葉片葉綠素含量影響最顯著，并且隨磷素用量的增加而逐漸提高。

2.1.2對(duì)玉米葉片凈光合速率的影響 由圖2看出，整個(gè)生育期內(nèi)不同磷素用量處理玉米葉片的平均凈光合速率表現(xiàn)為P6>P5>P4>P2>P3>P1。其中P6處理最高，為44.07μmol/（m2·s）;其次是P5，為41.71μmol/（m2·s）;P2為38.40μmol/（m2·s），與P1相比分別提高29.01%、22.13%、12.43%。大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期P6處理的平均凈光合速率較P1分別高出19.89%、32.99%、33.22%、31.40%，P2較P1分別高出21.62%、0.68%、14.51%、14.49%。說(shuō)明施用磷素可以有效提高玉米葉片的凈光合速率，并且隨施用量的增加而逐漸提高。

2.1.3對(duì)玉米葉片氣孔導(dǎo)度的影響 由圖3看出，整個(gè)生育期內(nèi)玉米葉片氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)為先增加后降低趨勢(shì)，抽雄期達(dá)到最大值。各處理玉米葉片氣孔導(dǎo)度的平均值表現(xiàn)為P6>P5>P4>P3>P2>P1。P6處理最大，為0.255mmol/（m2·s）;其次是P5，為0.244mmol/（m2·s）;P2為0.201mmol/（m2·s），與P1相比分別增加47.40%、40.57%、15.74%。玉米大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期P6處理葉片氣孔導(dǎo)度較P1分別提高39.66%、70.06%、46.87%、25.25%，P2較P1分別增加19.85%、15.97%、21.34%、5.62%。說(shuō)明施用磷素能夠顯著提高玉米葉片氣孔導(dǎo)度，并且隨磷素用量增加而增大。

2.1.4對(duì)玉米葉片蒸騰速率的影響 從圖4看出，生育期內(nèi)玉米葉片蒸騰速率表現(xiàn)為先增加后降低趨勢(shì)，抽雄期達(dá)到最大值。P6處理各生育期均最高，平均為4.89mmol/（m2·s）;其次是P5，為4.54mmol/（m2·s）;P2為4.31mmol/（m2·s），較P1分別提高30.96%、21.57%、15.55%。不同生育期葉片蒸騰速率均隨磷素用量的增加而逐漸增大，大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期P6較P1分別提高24.72%、60.79%、25.10%、11.39%，P2較P1分別提高12.27%、28.95%、8.58%、12.17%。說(shuō)明施用磷素能夠有效提高玉米葉片蒸騰速率，并且對(duì)抽雄期的影響最為顯著。

2.1.5對(duì)玉米葉片水分利用效率的影響 從圖5看出，整個(gè)生育期內(nèi)玉米的水分利用效率呈現(xiàn)出逐漸降低趨勢(shì)，同一生育期內(nèi)，隨磷素用量的增加，水分利用效率逐漸升高。其中P6處理平均水分利用效率最高，為9.05μmol/mmol;其次是P5，為8.87μmol/mmol;P2為7.86μmol/mmol，較P1分別提高20.78%、18.34%、4.85%。大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期P6較P1分別提高13.72%、18.27%、35.86%、16.56%，P2較P1分別提高6.35%、4.78%、2.79%、5.16%。說(shuō)明，施用磷素能夠有效提高玉米葉片水分利用效率，并且隨用量增加而逐漸提高。另外，隨生育進(jìn)程，磷素對(duì)玉米葉片水分利用效率的影響也逐漸減小，這可能是由于磷素對(duì)玉米生育后期的影響程度減小所致。

2.2不同磷素用量對(duì)玉米葉片酶活性的影響

2.2.1對(duì)玉米葉片硝酸還原酶（NR）活性的影響

從圖6看出，整個(gè)生育期內(nèi)玉米葉片硝酸還原酶活性表現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，NR活性平均值表現(xiàn)為P6>P5>P4>P2>P3>P1。P6處理平均值最大，為34.74μg/（gFW·h）;其次是P5，為31.96μg/（gFW·h）;P2為31.86μg/（gFW·h），較P1分別提高19.08%、9.53%、9.21%。大喇叭口期和抽雄期，P6較P1分別顯著提高89.49%、20.02%，P2較P1分別提高6.46%、12.39%。表明這兩個(gè)時(shí)期施用磷素NR活性提高，并且隨磷用量增加總體呈增加趨勢(shì)。

2.2.2對(duì)玉米葉片谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影響 從圖7看出，整個(gè)生育期內(nèi)玉米葉片GS活性表現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)。其中P6處理的GS活性平均值最高，為16.81A/（mg·h）;其次為P5，為15.30A/（mg·h）;P2為13.96A/（mg·h），較P1分別高65.50%、50.65%、37.47%。大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期均以P6處理葉片GS活性最高，較P1分別高出90.96%、71.92%、50.50%、52.70%，P2較P1則分別高出70.06%、46.14%、19.85%、18.05%。說(shuō)明施用磷素能夠顯著提高玉米葉片GS活性，且大喇叭口期影響最顯著，但隨磷素用量的增加以及生育期的推進(jìn)，各處理間葉片GS活性差異逐漸減小。

2.2.3對(duì)玉米葉片谷氨酸合成酶（GOGAT）活性的影響 從圖8看出，玉米生育期內(nèi)不同磷素用量處理葉片GOGAT活性平均值表現(xiàn)為P6>P5>P3>P4>P2>P1。P6處理最高，為146.59μmol/（min·gFW）;其次是P5，為144.62μmol/（min·gFW）;P2為126.67μmol/（min·gFW），較P1分別高出24.63%、22.96%、7.69%。大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、乳熟期葉片GOGAT活性均以P6處理最高，較P1分別提高68.89%、22.70%、12.88%、11.17%，P2較P1分別提高22.64%、7.11%、4.99%、1.79%。說(shuō)明施用磷素可以有效提高葉片GOGAT活性，但隨著生育期的推進(jìn)以及磷素用量的增加，GOGAT活性差異逐漸減小。

3討論與結(jié)論

葉片SPAD值一定程度上反映了玉米葉片的光合作用的強(qiáng)弱[16]。楊玉玲等[17]認(rèn)為，施用磷肥可以提高玉米葉片葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用。本研究也表明，玉米葉片葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及水分利用效率均隨磷素用量的增加而逐漸提高，并在用量為100kg/hm2時(shí)達(dá)到最大值。王帥等[18]研究發(fā)現(xiàn)玉米葉片葉綠素含量、光合速率等指標(biāo)隨磷肥用量的增加表現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，并在150kg/hm2達(dá)到最大值。由于本試驗(yàn)未設(shè)置更高的磷素用量，所以當(dāng)磷素用量超過(guò)100kg/hm2后，葉綠素以及光合指標(biāo)的變化趨勢(shì)尚不明確。

硝酸還原酶可促進(jìn)植物體內(nèi)的氮代謝過(guò)程，促進(jìn)植物對(duì)硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化吸收[19]，GS-GOGAT循環(huán)作為植物體內(nèi)銨態(tài)氮同化的主要途徑[20]，其活性對(duì)玉米氮代謝能力及后期產(chǎn)量有至關(guān)重要的作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著生育期的推進(jìn)，玉米葉片NR、GS、GOGAT活性表現(xiàn)為先增加后降低趨勢(shì)，并且隨磷素用量的增加，NR、GS、GOGAT活性逐漸提高。齊炳林等[21]研究表明施用磷肥能夠提高豇豆幼苗NR活性;蔡柏巖等[22]研究表明施用磷素可以有效提高大豆功能葉GS活性;姜宗慶[23]研究發(fā)現(xiàn)施用磷肥可以有效提高小麥劍葉GS和GOGAT活性。本研究結(jié)果與上述結(jié)論基本一致。

綜合本試驗(yàn)結(jié)果看出，施用適量磷素能夠顯著提高玉米葉片SPAD值、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率和硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶活性，并且隨磷素用量的增加逐漸增大;隨玉米生育期推進(jìn)以及磷素用量增加，各處理間酶活性的差異逐漸減小。磷素用量100kg/hm2時(shí)各指標(biāo)值最大。至于在磷素繼續(xù)增加的情況下，玉米葉片光合指標(biāo)及其相關(guān)酶活性情況如何變化，還需要進(jìn)一步研究。