氮肥與澇漬脅迫時間對抽雄期夏玉米葉片生理特性的影響

王 帥，孫明馨，朱國良，秦糧朋，王鳳文

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036)

澇漬災(zāi)害是玉米生育期經(jīng)常發(fā)生的一種自然災(zāi)害。玉米受澇漬脅迫后，莖葉與根系生長緩慢，葉片氣孔暫時關(guān)閉，影響玉米的光合與呼吸作用[1]。抽雄期是玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，此階段玉米開始由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，對光照、溫度、水分和肥料的需求很大[2]。目前關(guān)于玉米澇漬脅迫和干旱脅迫復(fù)水的研究有很多，但是對于澇漬脅迫恢復(fù)的研究卻鮮有報道。何靜丹等研究廣西不同玉米品種在抽雄期對干旱脅迫及旱后復(fù)水的響應(yīng)，表明干旱脅迫對根、冠生長所受影響較小，且在復(fù)水后植株能夠有效地恢復(fù)生長[3]。柳燕蘭等以探討在干旱脅迫及復(fù)水的條件下，玉米生長發(fā)育及抗氧化酶的影響機制，干旱脅迫時具有較高的SOD 活性來減弱活性氧傷害，而復(fù)水后通過較高的SOD、POD 協(xié)同作用有效清除活性氧，避免對細胞膜造成傷害[4]。本試驗以抽雄期夏玉米為研究對象，通過人工模擬澇漬脅迫試驗，研究不同氮素水平、不同澇漬脅迫時長下，抽雄期夏玉米的適應(yīng)性以及生理特性，探究氮肥和脅迫時長對抽雄期夏玉米生理特性的影響，以揭示抽雄期夏玉米在氮肥脅迫和澇漬脅迫下的抗逆性，為玉米的逆境生長提供一定理論依據(jù)和技術(shù)支持[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020 年8 月在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)翠園（31°52′ N，117°15′ E）內(nèi)進行。該研究區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫在15.0 ～16.0 ℃之間，多年平均降水量為900 ～ 1 000 mm 之間，梅雨顯著。試驗小區(qū)土壤類型為黃褐土，面積500 m2，0 ～ 20 cm 土壤全氮為1.8 g·kg-1，有機質(zhì)21.0 g·kg-1，全鉀21.2 g·kg-1，全磷0.4 g·kg-1。

1. 2 供試材料及試驗設(shè)置

試驗玉米品種為裕豐333，播種株距30 cm，行距60 cm，種植密度為30 000 株·hm-2。本試驗設(shè)置澇漬脅迫-恢復(fù)組（YS）和空白對照組（CK），CK 保證正常供水。施氮量設(shè)置3 個水平處理，分別為不施氮（0 kg·hm-2）、中等氮素水平（180 kg·hm-2）和高氮素水平（300 kg·hm-2），記為N0、N1 和N2。共設(shè)置3 個脅迫時長處理，分別為3 、5 和7 d，記作S3、S5 和S7；3 個脅迫恢復(fù)時長2、4 和6 d，記作R2、R4 和R6。按照基追比3:7 施肥，在玉米的大喇叭口期進行追肥。玉米追肥后移栽至盆缽中（盆缽直徑26 cm，高21 cm）培養(yǎng)至抽雄期進行淹水-恢復(fù)試驗。2020 年6 月8 日播種，抽雄期澇漬脅迫-恢復(fù)處理于8 月3 日開始，8 月15 日結(jié)束。澇漬脅迫期間，將盆缽置于遮雨棚內(nèi)，每隔12 h，不停的對澇漬脅迫組進行補水，保證處理組土壤表面始終有3～5 cm 的水層。淹水7 d 結(jié)束后，將處理組土壤表層水分排出，解除澇漬脅迫，與空白對照組保持正常的土壤含水量。

1.3 測試項目與方法

分別在脅迫第3、第5 和第7 天及恢復(fù)第2、第4 和第6 天隨機選取玉米植株頂端第4 片葉片（完全展開葉），測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）、葉綠素等生化指標(biāo)的含量。超氧化物歧化酶活性測定采用氮藍四唑光化還原法[6]，過氧化物酶活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[7]，CAT 活性測定采用紫外吸收法[8]，MDA 含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[9]，葉綠素含量測定采用乙醇浸泡法[10]。

采用Excel 2007 對本試驗的所有數(shù)據(jù)進行錄入與整理，使用SPSS 25 對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對玉米SOD活性的影響

SOD 是清除活性氧過程中的第一種抗氧化酶，將澇漬脅迫中產(chǎn)生的超氧陰離子轉(zhuǎn)化為O2和H2O2。由表1 可知，澇漬脅迫期間，YS 處理組的施氮量為N0、N1 時，SOD 活性隨著澇漬脅迫時間的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，淹水5 d 時SOD 的活性最高。當(dāng)YS 處理組的施氮量為N2 時，SOD 活性隨著澇漬脅迫時間的增加而增加。在澇漬脅迫7 d時，SOD 活性隨著氮素水平的提高而顯著增加，并且中低氮素水平下（N0、N1），YS 處理組的SOD活性顯著低于CK 對照組，說明長時間的澇漬脅迫會使SOD 活性降低，高氮素水平可以緩解澇漬脅迫對SOD 活性下降的影響。

表1 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期夏玉米超氧化物歧化酶（SOD）活性Table 1 Effects of waterlogging stress-recovery on superoxide dismutase (SOD) activity in summer maize at tasseling stage under different water and nitrogen treatments U·g-1 (FW)

2.2 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對玉米POD 活性的影響

POD 可在澇漬脅迫過程中清除SOD 產(chǎn)生的H2O2，將H2O2還原為H2O。由表2 可知，澇漬脅迫-恢復(fù)過程中（除去S3），處理組YS 的POD 活性隨著氮素水平的提高而顯著增大。淹水5 d 以及恢復(fù)4 d 的高氮素水平組POD 活性顯著增加，比CK對照組高27.1%，其余組之間無顯著性差異，高氮素水平可以有效提高脅迫以及恢復(fù)后的POD 活性。

表2 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期夏玉米過氧化物酶（POD）活性Table 2 Effects of waterlogging stress-recovery on peroxidase (POD) activity in summer maize at tasseling stage under different water and nitrogen treatments U·g-1·min-1 (FW)

2.3 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對玉米CAT 活性的影響

CAT 的生理作用是協(xié)助SOD 清除活性氧代謝過程中產(chǎn)生的H2O2。由表3 可知，澇漬脅迫-恢復(fù)過程中（除去S3），處理組YS 的CAT 活性隨著氮素水平的提高而顯著增大。其中淹水7 d 與淹水5 d 經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，N0、N1、N2 的CAT 活性分別上升137.8%、24.7%和118.7%。高氮素水平N2 下，澇漬脅迫7 d，YS 處理組的CAT 活性顯著高CK 對照組，高氮素水平可以有效提高脅迫時CAT 活性?；謴?fù)6 d 時，較低氮素水平下（N0、N1），YS 處理組的CAT 活性顯著低于CK 對照組,表明低氮素水平下抗?jié)碀n的能力較弱，CAT 活性降低，不利于植物細胞的生長。

表3 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期夏玉米過氧化氫酶（CAT）活性Table 3 Effects of waterlogging stress-recovery on catalase (CAT) activity in summer maize at tasseling stage under different water and nitrogen treatments U·g-1·min-1 (FW)

2.4 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期玉米葉片MDA 含量的影響

植物器官衰老或在逆境條件下，會發(fā)生膜脂過氧化作用，MDA 是其產(chǎn)物之一，通?？捎盟鳛槟ぶ^氧化指標(biāo)，反映細胞膜脂過氧化程度和植物逆境條件反應(yīng)的強弱。由表4 可知，在澇漬脅迫-恢復(fù)期間，同一氮素水平下，YS 處理組與CK 對照組比較，MDA 含量無顯著性變化，說明澇漬脅迫及恢復(fù)過程中MDA 含量沒有顯著性增加或減少。YS 處理組在恢復(fù)4 d 時，MDA 含量隨著氮素水平的提高而顯著增加。在恢復(fù)6 d 時，MDA 含量隨著氮素水平的提高而顯著減少。

表4 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期夏玉米丙二醛（MDA）含量的影響Table 4 Effects of waterlogging stress-recovery on malondialdehyde (MDA) content in summer maize at tasseling stage under different water and nitrogen treatments μmol·g-1

2.5 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期玉米葉片葉綠素含量的影響

葉綠素存在于植物細胞中，是光合作用中最重要一種色素，其含量一定程度上可以用來表征植物體合成有機物的能力。由表5 可知，在澇漬脅迫期間，中高氮素水平下（N1、N2），YS 處理組的葉綠素含量在S3 時達到最大，較CK 對照組分別增加12.8%和13.8%，無氮素水平下N0，YS 處理組葉綠素含量在S5 達到最大，較CK 對照組增加了45.5%。這表明短時間適度過量的水分供應(yīng)有利于玉米葉片葉綠素的合成。在恢復(fù)之后，葉綠素的含量YS 處理組與CK 對照組無顯著性，此時澇漬脅迫對于玉米葉片葉綠素的含量影響較小。

表5 不同水氮處理下澇漬脅迫-恢復(fù)對抽雄期夏玉米葉綠素含量的影響Table 5 Effects of waterlogging stress-recovery on chlorophyll content of summer maize at tasseling stage under differentwater and nitrogen treatments mg·g-1

2.6 不同水氮處理澇漬脅迫-恢復(fù)下抽雄期玉米葉片各項生理指標(biāo)間的相關(guān)性

由表6 可知，澇漬脅迫-恢復(fù)后，玉米葉片中CAT 活性與SOD 活性呈極顯著負相關(guān)，與POD 活性呈極顯著正相關(guān)，MDA 含量與SOD 活性呈顯著負相關(guān)，與CAT 活性顯著負相關(guān)。說明抗氧化物酶活性、MDA、葉綠素含量都是評價植物體抗?jié)碀n能力的重要指標(biāo)，它們之間相互關(guān)聯(lián)，共同影響玉米葉片的生理特性。

表6 不同水氮處理澇漬脅迫-恢復(fù)下抽雄期玉米葉片各項生理指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of physiological indexes of maize leaves at tasseling stage under waterlogging stress and recovery and different water and nitrogen treatments

3 討論與結(jié)論

在不同水氮處理澇漬脅迫-恢復(fù)下，對抽雄期玉米葉片進行各項生理生化指標(biāo)的測定。結(jié)果表明，在澇漬脅迫期間，SOD 活性隨著澇漬脅迫時間的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。馬麗峰等[11]研究不同程度淹水對水稻生長及抗氧化酶活性的影響，結(jié)果顯示隨著澇漬脅迫時間的增加，SOD 活性呈先增大后減小的趨勢。姬靜華等[12]對抽雄吐絲期玉米進行淹水處理，研究表明超氧化物歧化酶SOD 活性升高，在恢復(fù)之后有明顯的回升。晏斌等[13]研究表明，在澇漬脅迫下玉米體內(nèi)超氧自由基的增加，導(dǎo)致正常的活性氧代謝平衡破壞。本研究中，在澇漬脅迫7 d 時，SOD 活性隨著氮素水平的提高而顯著增加，說明高氮素水平可以緩解澇漬脅迫對SOD 活性下降的影響；澇漬脅迫-恢復(fù)過程中（除去S3），POD 與CAT 活性都隨著氮素水平的提高而顯著增大；高氮素水平下，淹水5 d 以及恢復(fù)4 d 時，POD 活性顯著增加，比CK 對照組高27.1%，高氮素水平可以有效提高脅迫以及恢復(fù)后的POD 活性。甄城等[14]在研究拔節(jié)期淹水與不同施氮量對春玉米生長和產(chǎn)量的影響也得到相同的結(jié)論。澇漬脅迫過程中，淹水7 d 比淹水5 d 的CAT 活性分別上升137.8%、24.7%和118.7%；澇漬脅迫7 d，YS 處理組的CAT 活性顯著高CK 對照組，說明澇漬脅迫會使CAT 活性升高；恢復(fù)6 d 時，較低氮素水平下，玉米葉片的CAT 的活性更低，抗?jié)碀n的能力較弱，不利于植物細胞的生長。李昳樂等[15]對青竹復(fù)葉槭扦插苗人工水淹脅迫的研究中表明，CAT 的活性也有先上升后下降的規(guī)律。郝玉蘭等[16]認為澇漬脅迫下，細胞內(nèi)的抗氧化物酶使得活性氧的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，緩解因細胞內(nèi)活性氧過多積累對生物膜造成的破壞。這也間接說明玉米葉片內(nèi)發(fā)生的抗氧化物酶反應(yīng)是有一定相關(guān)性，共同參與調(diào)節(jié)植物的抗逆性。

前人研究顯示，在澇漬脅迫下，MDA 含量增加，會引起蛋白質(zhì)、核酸分子的變性與失活，從而破壞細胞膜的滲透性，MDA 含量快速累積，加快了細胞的衰老[17]。恢復(fù)4 d 和6 d 時MDA 含量的變化，是由于氮肥脅迫造成的。低氮素水平下，在恢復(fù)6 d 時，玉米體內(nèi)MDA含量超過植物體自身的抗逆反應(yīng)的限度，細胞膜脂過氧化程度不斷地加深，使得MDA 的含量增加。這表明長時間的低氮素水平脅迫會使玉米細胞膜脂過氧化，細胞結(jié)構(gòu)和功能受到損害，影響葉片正常的生理功能。葉綠素含量在澇漬脅迫期間，隨著澇漬脅迫時間的增加，葉綠素含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在澇漬脅迫期間，中高氮素水平下（N1、N2），YS 處理組的葉綠素含量在S3 時達到最大，較CK 對照組分別增加12.8%和13.8%，無氮素水平下N0，YS 處理組葉綠素含量在S5 達到最大，較CK對照組增加45.5%。這表明短時間適度過量的水分供應(yīng)有利于玉米葉片葉綠素的合成。在恢復(fù)之后，葉綠素的含量對比YS 處理組與CK 對照組無顯著性，澇漬脅迫7 d 對于葉綠素含量影響很小，這與張曉平等研究鵝掌楸屬植物葉片葉綠素的含量關(guān)系是一致的。葉綠素的合成和分解之間是動態(tài)平衡的關(guān)系，如果關(guān)系被打破，則光合能力會下降，這說明葉綠素含量的下降可以作為逆境傷害的指標(biāo)之一來研究，用來反應(yīng)植物的受損程度[18]。陳軍等研究澇漬脅迫后玉米葉片光合色素含量的降低的原因可能是CAT、SOD 和POD 三者的活性顯著下降，保護酶系統(tǒng)遭到破壞，MDA 含量升高，加劇膜脂過氧化作用，進而導(dǎo)致葉綠素被降解，葉片失綠，葉片衰老加速[19]。

在澇漬脅迫期間，高氮素水平下SOD 活性顯著低于CK 對照組，說明澇漬脅迫時長增加會減少SOD 活性；CAT 活性顯著高于CK 對照組，說明澇漬脅迫時長增加會增加CAT 活性，兩者表現(xiàn)為顯著負相關(guān)（P＜ 0.01）（表6）。相同的施氮水平下，MDA 含量沒有顯著性變化，說明澇漬脅迫下MDA含量沒有顯著性增加或減少。葉綠素的含量YS 處理組與CK 對照組無顯著性差異，此時澇漬脅迫對于玉米葉片葉綠素的含量影響較小。在澇漬脅迫與恢復(fù)期間，抗氧化酶活性隨著氮素水平的提高而顯著增大，其原因可能是抽雄期澇漬脅迫后，在恢復(fù)排水的過程中，有一部分的土壤表層氮素同水一起排出，使土壤肥力減弱，此外，玉米根系可吸收和利用的養(yǎng)分大大減少，導(dǎo)致無氮素處理下土壤氮供應(yīng)能力進一步降低，削弱作物對逆境脅迫的抗性[20]。在高氮素水平下，葉綠素含量在淹水3 d 達到最大，可見一定的施氮量可提高澇漬脅迫下植株葉片數(shù)、葉面積和SPAD值，從而使玉米光合能力的增加[21]。高氮素水平有利于改善抽雄期夏玉米生理特性。