甘肅雨養(yǎng)區(qū)不同品種青貯玉米生理特性及水分利用率評價

齊 帥, 秦偉娜, 焦 婷, 師尚禮, 高永權(quán), 王虎寧, 李淑艷

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

我國是農(nóng)業(yè)大國，但與發(fā)達(dá)國家相比，草食畜牧業(yè)發(fā)展相對落后，優(yōu)質(zhì)飼草供應(yīng)不足是其主要原因之一[1]。青貯玉米由于其產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適口性好和易消化等特點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注[2-4]。玉米是甘肅的第一大糧食作物，也是種植面積最廣的糧飼兼用作物，2017年甘肅玉米種植面積達(dá)到9.667×105hm2，占全省糧食種植面積的35%[5]。然而，甘肅地形復(fù)雜，氣候條件差異較大，在中部及隴東雨養(yǎng)玉米區(qū)，干旱是限制該區(qū)青貯玉米生產(chǎn)安全的重要因素之一[6-7]。

研究表明，干旱脅迫下，玉米的光合作用減弱，蒸騰作用和作物產(chǎn)量也會受到影響[8]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，植物的生理對光、熱、水分等環(huán)境條件的變化比較敏感，在不利環(huán)境條件下，玉米植株內(nèi)部細(xì)胞會遭受不同程度的損傷，生理生化方面也會隨之變化，并最終作用于產(chǎn)量[9]。水分利用率是評價玉米耐旱能力的重要指標(biāo)之一，反映作物生產(chǎn)過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率[10-11]。為了適應(yīng)干旱逆境，玉米超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性增強(qiáng)，能有效清除一定量的活性氧，避免膜脂過氧化[12]。滲透調(diào)節(jié)也是玉米適應(yīng)干旱的一種重要方式，葉片細(xì)胞通過積累可溶性糖(soluble suger，SS)、可溶性蛋白(Soluble protein，SP)，維持較低的滲透勢，從而抵抗水分脅迫給細(xì)胞造成的傷害[13]。于文穎等[14]研究表明，水分脅迫提高了玉米的水分利用率，增強(qiáng)葉片對水分的利用能力。高杰等[15]研究表明，干旱脅迫下，玉米的SOD，POD活性顯著增加，保護(hù)酶對玉米抵御干旱脅迫起到了積極作用。李嬌等[16]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會提高玉米的POD和SOD活性及丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量，并且抗旱性好的玉米品種的POD活性、SOD活性變化幅度大于抗旱性差的玉米品種，抗旱性差的玉米品種的MDA含量變化幅度大于抗旱品種。

相比其它葉片，穗位葉因其葉面積大、功能期長、葉綠素含量高等特點(diǎn)對玉米雌穗發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響最為重要[17]。目前市場上青貯玉米品種較少，同一個品種玉米在不同水熱條件下對逆境反應(yīng)程度和產(chǎn)量差距較大，尤其是在干旱缺水地區(qū)在選擇青貯玉米品種時具有很大盲目性[18]。因此，本研究通過對種植在會寧20個青貯玉米品種乳熟末期穗位葉取樣，對其進(jìn)行相關(guān)生理參數(shù)比較，并在收獲后對比分析供試品種的水分利用率，為進(jìn)一步選取優(yōu)良抗旱的青貯玉米品種提供一定的理論依據(jù)，為選育栽培提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

白銀會寧縣位于甘肅中部(35°69′ N，105°09′ E)，溫帶季風(fēng)性氣候，年均降水量332.6 mm，蒸發(fā)量1 800 mm，年均氣溫7.9℃，無霜期155 d左右。該區(qū)水資源短缺，干旱是造成該區(qū)農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害。該地土壤以黃綿土、灰鈣土和黑轤土為主，土層深厚。其土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil in experimental areas

1.2 試驗(yàn)地降水量和氣溫概況

氣象數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貧庀笳?。白銀會寧縣2020年降水量主要集中在6，7，8月份，全生育期降水量為359.4 mm，全生育期日均氣溫為21.6℃，苗期遭遇冰雹。

1.3 供試材料

供試材料為20個專用型青貯玉米品種，其品種信息見表2。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計

本研究選用20個品種的青貯玉米種植于會寧地區(qū)，田間種植采用隨機(jī)區(qū)組排列，共20個處理，田間種植不設(shè)重復(fù)，即共20個小區(qū)采用分行種植，每個品種種植3行，行距為0.4 m，每個小區(qū)約100 m2，各小區(qū)間距為0.6 m。

表2 青貯玉米品種Table 2 Varieties of silage maize

于2020年的4月15日播種，采用覆膜栽培措施，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，播種前施基肥，拔節(jié)期追施磷肥1 800 kg·hm-2，不進(jìn)行灌水處理，其他管理方式均同大田管理。

在玉米乳熟末期，每個小區(qū)隨機(jī)取5株玉米的穗位葉，保存在液氮罐中，帶回實(shí)驗(yàn)室分析比較其生理參數(shù)。統(tǒng)一收獲后，分析比較其水分利用率。

1.5 測定項(xiàng)目及方法

1.5.1生理指標(biāo)測定 參考李仲芳《植物生理學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)》，用考馬斯亮藍(lán)法測定SP含量[19]，蒽酮比色法測定SS含量[20]，硫代巴比妥酸法測定MDA含量[21]；采用NBT(氮藍(lán)四唑)光化還原法測定SOD活性[22]；愈創(chuàng)木酚顯色法測定POD活性[23]。

1.5.2水分利用率測定 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，計算其當(dāng)年降雨量，并計算供水利用率，計算公式如下[24]：

WUE=Y/(P+I)

式中：I(mm)為全生育期灌水量；P(mm)為整個生育期降水量；當(dāng)Y(kg·m-2)為鮮重時，得到鮮重水分利用率(Fresh weight water use efficiency，WUEf)，Y(kg·m-2)為干重時，得到干重水分利用率(Dry weight water use efficiency，WUEd)。

1.6 綜合評價

首先對干旱脅迫下青貯玉米的 7個指標(biāo)變化進(jìn)行歸一化處理，然后比較各指標(biāo)間的相關(guān)性。最后利用主成分分析法對 20份青貯玉米材料的7個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。

不同青貯玉米材料指標(biāo)的歸一化處理：對與干旱脅迫呈正相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)采用公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)；對與干旱脅迫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)(MDA)采用公式Fij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中，F(xiàn)ij為i品種的j性狀測定的具體隸屬值；Xij為i品種j性狀測定值；Xjmin為j性狀中測定的最小值；Xjmax為j性狀中測定的最大值。

主成分分析的綜合評價參照何文鑄等[25]的方法。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2019處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，使用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析，差異顯著性用Dancan法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各青貯玉米生理指標(biāo)含量比較

由表3可知，品種對玉米穗位葉SS，SP，MDA含量和SOD，POD活性有顯著影響(P<0.05)。各品種SS含量為2.01%～3.42%，其中‘金穗715’SS含量為3.42%，‘延科288’SS含量為3.37%，較‘文玉3號’分別提高了70.27%和68.16%。各品種SP含量為5.09～6.29 mg·g-1，SOD活性為319.64～378.71 U·g-1，不同品種SP含量具有較大差異，但不同品種SOD活性差異較小，其中‘利農(nóng)368’具有高的SP含量和SOD活性，分別為6.29 mg·g-1和355.64 U·g-1。各品種的POD活性為13.76～25.50 U·(g·min)-1，不同品種POD活性存在較大差異，其中‘利農(nóng)368’POD活性最高，為25.50 U·(g·min)-1，其次為‘隴單339’和‘晉單73’，其POD活性均超過了23.00 U·(g·min)-1，但‘金凱3號’和‘豫青貯23’的POD活性均低于了15.00 U·(g·min)-1。各品種MDA含量為0.2～0.45 μmol·g-1，其中‘延科288’的MDA含量最高，為0.41 μmol·g-1，顯著高于其他品種(P<0.05)，較‘和盛5288’增加了103.77%。

表3 各青貯玉米品種生理指標(biāo)含量比較Table 3 Comparison of physiological indexes of silage maize varieties

2.2 各青貯玉米水分利用率比較

由表4可知，品種對WUEf和WUEd均有顯著影響(P<0.05)。各品種的WUEf為109.58～193.58 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’的WUEf最高，為193.58 kg·hm-2·mm-1，其次為‘隴單10號’‘屯玉168’‘桂青貯1號’和‘禾佳源鐵研53’，較‘晉單73’分別提高了76.66%，76.35%，66.43%，61.11%和49.24%。各品種WUEd為32.41～55.85 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’‘隴單10號’‘金穗715’‘豫玉22’‘利單295’和‘北農(nóng)青貯208’具有較高的WUEd，均超過了46.00 kg·hm-2·mm-1。

表4 各青貯玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of silage maize varieties

2.3 各青貯玉米品種指標(biāo)的相關(guān)性分析

對供試材料的7個抗旱性相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)性分析。由表5可知，SS含量與SP含量和SOD，POD活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(α=0.05)，與MDA含量，WUEf，WUEd呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(α=0.05)。即玉米中SS，SP含量和SOD，POD活性越高，WUEf與WUEd越低，MDA含量越小。由此可見，這些指標(biāo)之間聯(lián)系較為密切，也存在普遍的相關(guān)性和相對獨(dú)立性。

2.4 各青貯玉米指標(biāo)的主成分分析

通過主成分分析共提取了3個主成分，各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率見表6。所提取的3個主成分中所包含的信息可以反映出評價指標(biāo)總體信息的71%，滿足了進(jìn)行后續(xù)分析的要求。

表5 各青貯玉米品種指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 5 Correlations between indexes of silage maize varieties

表6 各青貯玉米品種指標(biāo)的主成分分析Table 6 Principal component analysis of silage maize varieties

由表7各特征向量值可以看出，決定第1主成分大小的主要指標(biāo)有WUEf，WUEd和MDA，因此第1主成分主要與水分利用率和膜脂過氧化物有關(guān)；決定第2主成分大小的主要指標(biāo)為SOD和SS，因此第2主成分主要與抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有關(guān)；決定第3主成分大小的主要指標(biāo)為MDA和SOD，因此第3主成分主要與膜脂過氧化物和抗氧化酶有關(guān)。另外水分利用率指標(biāo)和MDA在3個主成分中均有出現(xiàn)，表明水分利用率和膜脂過氧化物對評定玉米抗旱性具有十分重要的作用。

表7 各青貯玉米品種指標(biāo)3個主成分的成分矩陣Table 7 Component matrix of three principal components of indexes of silage maize varieties

2.5 各青貯玉米品種抗旱性綜合評價

根據(jù)各玉米品種各生理指標(biāo)和水分利用率的值與主成分1，2，3的特征向量的乘積累加，并用貢獻(xiàn)率與累加之和相乘進(jìn)行加權(quán)，將同一種植物的各個指標(biāo)加權(quán)值求和，就可得出各植物的主成分綜合得分，得分高的植物抗旱性強(qiáng)。由表8可知，干旱脅迫下會寧地區(qū)20 個玉米品種的抗旱性由強(qiáng)到弱依次為：‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’‘屯玉168’‘桂青貯1號’‘利單295’‘北農(nóng)青貯208’‘豫玉22’‘文玉3號’‘潞鑫66號’‘蜀玉201’‘和盛5288’‘寧單34號’‘金穗715’‘TW 268’‘隴單339’‘延科288’‘利農(nóng)368’‘晉單73’。

3 討論

3.1 干旱對各青貯玉米生理指標(biāo)的影響

研究表明，干旱脅迫對生理指標(biāo)的影響大于農(nóng)藝性狀[26]。在干旱脅迫時，植物代謝旺盛，細(xì)胞內(nèi)SS，SP等溶質(zhì)能主動積累，維持植物體較低的滲透勢，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分[27-28]。SOD可以通過歧化反應(yīng)使超氧陰離子轉(zhuǎn)化為無毒的氧氣和毒性較輕的過氧化氫，過氧化氫酶(Catalase,CAT)和POD共同作用能夠把CAT分解成氧氣和水，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧的傷害，維持正常的生命活動[29-32]。MDA是植物在逆境下遭受傷害脂膜過氧化最重要的產(chǎn)物之一，MDA含量的高低表現(xiàn)出質(zhì)膜的過氧化損傷程度[33]。

表8 各青貯玉米品種抗旱性排序Table 8 Order of drought resistance of silage maize varieties

莊克章等[34]研究表明，干旱脅迫能提高玉米SS，MDA含量，中度干旱處理下玉米主要通過SOD，POD和CAT的協(xié)同作用來清除活性氧。楊娟等[35]研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致玉米的MDA含量升高，玉米的SOD，POD活性提高，且抗旱性強(qiáng)的玉米品種SS，SP含量在干旱脅迫后變化不顯著，而抗旱性弱的玉米品種在后期才出現(xiàn)顯著變化。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫時，不同品種的生理水平存在響應(yīng)差異，強(qiáng)抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’和‘桂青貯1號’均具有較高的SS含量、SOD活性和較低的MDA含量，表明在玉米受到干旱脅迫時，葉片中會主動積累SS，降低細(xì)胞滲透勢，維持細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和膜的穩(wěn)定性。同時細(xì)胞內(nèi)的溶質(zhì)能主動積累，維持植物體較低的滲透勢，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分，并且較低的MDA含量也有效降低了膜脂過氧化對植物細(xì)胞的危害，這與杜彩艷[36]、王仲林[37]等人的研究結(jié)果一致。但本研究中強(qiáng)抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’和‘桂青貯1號’也表現(xiàn)出低的SP含量和低的POD活性，與王智威[28]、張旭東[38]等人研究結(jié)果不一致，其具體機(jī)理需進(jìn)一步研究論證。

3.2 干旱對各青貯玉米水分利用率的影響

作物水分利用率指消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量，它反映了作物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，是評價作物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)[39]。在干旱、半干旱地區(qū)保持土壤水分、提高水分利用效率是作物生產(chǎn)中的關(guān)鍵。本研究中‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’‘屯玉168’和‘桂青貯1號’均具有較高的WUEf和WUEd，表明高抗旱性的玉米品種，其水分利用率也高,可推薦作為該區(qū)域的主干型品種，在生產(chǎn)上進(jìn)一步驗(yàn)證和應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究采用主成分分析法篩選出影響植物抗旱性的主要生理指標(biāo)：WUEf，WUEd和MDA，根據(jù)各植物得分綜合評定出適宜干旱區(qū)種植的抗旱性青貯玉米品種有：‘豫青貯23’‘隴單10號’和‘禾佳源鐵研53’。