施鋅對鹽堿地玉米生理特性及籽粒鋅含量的影響

楊茜，吳娜，趙匆，韓羽，麻仲花，楊永森，劉吉利

（1.寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021；2.寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院，銀川 750021）

玉米（Zea maysL）是我國重要的糧食作物、飼料作物和經(jīng)濟作物，據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2020年玉米總產(chǎn)量達2.61億t[1]，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。寧夏引黃灌區(qū)總面積達64.23萬hm2，該地區(qū)玉米種植面積約占全區(qū)總種植面積的75%，是全區(qū)玉米的主產(chǎn)區(qū)[2-3]。但因引黃灌區(qū)土壤母質(zhì)含鹽量較高，加之多年有灌無排，導致耕地鹽堿化程度加深，土壤鹽漬化面積已占該地區(qū)總面積的39.72%，嚴重限制了當?shù)剞r(nóng)作物的發(fā)展[4-5]。

鋅是作物生長發(fā)育必需的微量元素[6-8]，但全球50%農(nóng)田土壤存在缺鋅的情況[9]。鋅在植物光合作用、生長素代謝、維持生物膜穩(wěn)定性以及細胞分裂等方面發(fā)揮重要作用[10-11]。玉米是對鋅敏感的作物[12-13]，缺鋅時玉米的生長發(fā)育會受阻，出現(xiàn)植株叢生矮化，導致缺粒、癟粒、千粒重降低等現(xiàn)象，從而限制玉米產(chǎn)量[14]。寧夏土壤多為鋅有效性不高的石灰性土壤[15]，因此寧夏引黃灌區(qū)土壤速效鋅含量普遍較低[16]。研究表明，施鋅肥能有效提高玉米葉片的光合能力與氮同化力，顯著提高玉米葉片抗氧化酶系活性[17-18]；施用硫酸鋅能有效增加可溶性糖含量，提高抗氧化酶活性，增強植株抗旱性和抗高溫能力；適量增施鋅肥還可以提高玉米產(chǎn)量和玉米籽粒鋅含量[20]。目前對鋅肥的研究多傾向于對玉米生長及產(chǎn)量的影響，而對玉米生理特性、籽粒含鋅量及相關性的研究較少?；诖?，本研究通過施用不同的鋅肥處理，研究寧夏引黃灌區(qū)玉米在不同生育階段的生理特性及玉米籽粒鋅含量的變化，旨在確定該地區(qū)最佳鋅肥施用量，以期為該地區(qū)玉米合理施肥，提高玉米產(chǎn)量提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏大學西大灘鹽堿地試驗站（38°50′N，106°24′E），海拔1 150 m，年蒸發(fā)量1 875 mm，年均氣溫9.5℃，年均降水量205 mm，屬于典型的半干旱大陸性氣候。試驗地塊為中度鹽堿地，表層土壤（0—20 cm）有機質(zhì)含量17.65 g·kg-1，pH 8.8，全鹽含量3.71 g·kg-1，全氮含量0.57 g·kg-1，堿解氮17.89 mg·kg-1，全磷含量0.58 g·kg-1，速效磷含量17.66 mg·kg-1，速效鉀含量56.39 mg·kg-1，全鋅含量75.65 mg·kg-1，有效鋅含量1.05 mg·kg-1。

1.2 供試材料

玉米品種為科河699，由內(nèi)蒙古巴彥淖爾市科河種業(yè)有限公司生產(chǎn)；鋅肥為ZnSO4·7H2O，有效成分含量≥98%，由山東鄒平魯寶化工廠生產(chǎn)。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，根據(jù)不同施鋅肥量設置6個處理:T0（0 kg·hm-2）、T1（7.5 kg·hm-2）、T2（15 kg·hm-2）、T3（22.5 kg·hm-2）、T4（30 kg·hm-2）、T5（37.5 kg·hm-2）。每個處理重復3次，共計18個小區(qū)，每個小區(qū)面積60 m2（10 m×6 m），株行距為20 cm×60 cm；種植密度控制在83 000株·hm-2。各處理70%的鋅肥在玉米拔節(jié)期（6月15日）溝施，剩余30%的鋅肥在玉米孕穗期（7月5日）和灌漿期（8月15日）分2次葉面噴施。玉米播種前施入復合肥料（N+P2O5+K2O≥53%，山東鄒平魯寶化工廠）600 kg·hm-2，大喇叭口期追施尿素（N≥46.4%，山東鄒平魯寶化工廠）300 kg·hm-2，其他田間常規(guī)管理措施均與當?shù)卮筇镆恢?。玉米?020年4月19日種植，4月30日出苗，9月15日成熟，全生育期138 d。

1.4 指標測定方法

1.4.1 植株樣品采集 分別于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期（7月10日）、抽雄吐絲期（7月24日）、灌漿期與成熟期（9月10日）5個時期采集植株葉片樣品。每小區(qū)內(nèi)隨機選取3株生長健康、長勢均勻的玉米植株作為樣本，采集其功能葉片，立即放入冰盒保存并帶回實驗室進行生理特性的測定。

1.4.2 玉米籽粒Zn含量測定方法 成熟期進行收獲脫粒，每小區(qū)玉米籽粒混勻后稱取3份粉碎過篩，采用硝酸-高氯酸消化和原子吸收分光光度法[21]測定玉米籽粒Zn含量。

1.4.3 植株生理指標測定方法 參照《植物生理生化實驗原理和技術》[22]，利用硫代巴比妥酸（2-thiobarbituric acid，TBA）比 色 法 測 定 丙 二 醛（malondialdehyde，MDA）含量；采用電導儀法測定相對電導率；采用氯化硝基四氮唑藍（nitrotetrazolium bluechloride，NBT）光還原法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性；采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶（catalase dismutase，CAT）；采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（peroxidase dismutase，POD）活性；采用磺基水楊酸浸提法測定脯氨酸含量。

1.4.4 玉米莖葉鋅素轉運及貢獻率 在抽雄吐絲期與成熟期每個小區(qū)采集3株玉米植株的莖和葉混合樣品，采用硝酸-高氯酸消化和原子吸收分光光度法[21]測定莖葉鋅含量，并分別采用公式（1）（2）（3）計算鋅素轉移量、鋅素轉移率和鋅素貢獻率。

1.4.5 產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀測定方法 成熟期每個小區(qū)收獲4行玉米測產(chǎn)，并換算為每公頃產(chǎn)量，同時選取10個果穗調(diào)查玉米禿尖、穗粗、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重等產(chǎn)量性狀。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行分析，運用SPSS 23.0軟件進行不同處理間差異顯著性分析及對產(chǎn)量、相關性狀指標的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 施鋅對玉米生理特性的影響

2.1.1 施鋅對玉米葉片脯氨酸含量的影響 如圖1所示，除T2處理外，不同處理下玉米葉片脯氨酸含量均在拔節(jié)期最高，隨著生育期的推進，脯氨酸含量呈逐漸降低的趨勢。同一時期不同處理下，脯氨酸含量均呈先降低后升高的趨勢，且各生育期T3處理脯氨酸含量均最低，其中拔節(jié)期T3處理脯氨酸含量顯著低于T0、T1、T5處理（P＜0.05）；大喇叭口期T3處理脯氨酸含量顯著低于T0、T1處理（P＜0.05）；抽雄吐絲期T3處理脯氨酸含量顯著低于T0、T1、T5處理（P＜0.05）；灌漿期T3處理脯氨酸含量顯著低于T0、T1、T4、T5處理；成熟期各處理間脯氨酸含量差異不顯著（P＞0.05）。結果表明，適量施用鋅肥可以顯著降低鹽堿地玉米拔節(jié)期至灌漿期功能葉片的脯氨酸含量。

圖1 不同處理下玉米葉片脯氨酸含量Fig.1 Pro content in maize leaves under different treatment

2.1.2 施鋅對玉米葉片相對電導率的影響 由圖2可知，玉米葉片相對電導率隨著生育期的推進呈先降低后升高的趨勢。玉米拔節(jié)期相對電導率最高，各生育期T0處理相對電導率均最高，T3處理相對電導率均最低。拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期T3處理相對導率均顯著低于T0處理（P＜0.05），但與其他處理間差異不顯著（P＞0.05）；成熟期各處理相對電導率較灌漿期有一定程度的升高趨勢，但各處理間差異不顯著（P＞0.05）。結果表明，施用鋅肥能夠降低鹽堿地玉米葉片相對電導率，且在灌漿期降低效果最顯著。

圖2 不同處理下玉米葉片相對電導率Fig.2 Relative conductivity in maize leaves under different treatments

2.1.3 施鋅對玉米葉片丙二醛含量的影響 如圖3所示，玉米葉片中丙二醛含量隨著生育期的推進呈先升高后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在玉米灌漿期。各生育期T0處理丙二醛含量均最高，T3處理丙二醛含量均最低，其中抽雄期吐絲期T3處理丙二醛含量顯著低于T0處理（P＜0.05），但與其他處理差異不顯著（P＞0.05）；灌漿期T2、T3處理丙二醛含量顯著低于T0處理（P＜0.05），但與其他處理差異不顯著（P＞0.05）；拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期各處理間丙二醛含量差異不顯著（P＞0.05）。結果表明，施鋅處理能夠顯著降低鹽堿地玉米抽雄吐絲期和灌漿期葉片丙二醛含量。

圖3 不同處理下玉米葉片丙二醛含量Fig.3 MDA content in maize leaves under different treatments

2.1.4 施鋅對玉米葉片超氧化物歧化酶活性的影響 SOD是反映植物衰老與死亡的重要生理指標[23]。由圖4可知，玉米葉片中SOD活性隨著生育推進呈先升高后降低的變化趨勢。各生育期T3處理SOD活性均最高，T0處理SOD活性均最低，拔節(jié)期和大喇叭口期T3處理SOD活性均顯著高于其他處理（P＜0.05）；抽雄吐絲期與灌漿期T2和T3處理的SOD活性均顯著高于其他處理（P＜0.05）；成熟期T3處理SOD活性顯著高于T0、T1處理（P＜0.05），但T3、T4、T5處理差異不顯著（P＞0.05）。結果表明，與不施鋅相比，T3處理能顯著提高鹽堿地玉米葉片SOD活性，延緩葉片衰老。

圖4 不同處理下玉米葉片SOD活性Fig.4 SODactivity in maize leaves under different treatments

2.1.5 施鋅對玉米葉片過氧化氫酶活性的影響由圖5可知，玉米葉片CAT活性隨著生育期的推進呈先升高后降低的變化趨勢。各生育期T3處理CAT活性均最高，T0處理CAT活性均最低。拔節(jié)期各處理間差異均不顯著（P＞0.05）；大喇叭口期T3處理CAT活性顯著高于T0、T1、T5處理（P＜0.05）；抽雄吐絲期T3處理CAT活性顯著高于其他處理（P＜0.05）；灌漿期CAT活性達到整個生育期內(nèi)的峰值，其中T2、T3處理CAT活性顯著高于其他處理（P＜0.05）；成熟期T3處理CAT活性顯著高于T0、T1、T4、T5處理（P＜0.05），但與T2處理差異不顯著（P＞0.05）。結果表明，施鋅能顯著提高鹽堿地玉米大喇叭口期至成熟期葉片CAT活性。

圖5 不同處理下玉米葉片過氧化物酶活性Fig.5 CATactivity in maize leaves under different treatments

2.1.6 施鋅對玉米葉片過氧化物酶活性的影響玉米葉片POD含量隨著生育期的推進呈先升高后降低的趨勢（圖6）。拔節(jié)期各處理POD活性差異均不顯著（P＞0.05）；大喇叭口期T3處理POD活性最高，T0處理POD活性最低，且T3處理POD活性顯著高于T0、T1、T5處理（P＜0.05）；抽雄吐絲期T3處理POD活性顯著高于其他處理（P＜0.05）；灌漿期T3處理POD活性顯著高于T0、T1、T5處理（P＜0.05）；成熟期T3處理POD活性顯著高于T0、T1、T2、T5處理（P＜0.05）。結果表明，適量施鋅可以提高鹽堿地玉米大喇叭口期至成熟期葉片POD活性。

圖6 不同施鋅量下玉米葉片過氧化物酶活性Fig.6 PODactivity in maize leaves under different treatments

2.2 施鋅對玉米籽粒鋅含量的影響

如圖7所示，隨著施鋅量的增加，玉米成熟期籽粒含鋅量呈先上升后下降的趨勢，其中T3處理玉米籽粒含鋅量最高，為12.26 mg·kg-1，T0處理玉米籽粒含鋅量最低，為5.86 mg·kg-1；T1、T2、T3、T4、T5處理玉米鋅含量較T0顯著提高了49.2%、66.6%、109.2%、63.1%、14.0%（P＜0.05）。結果表明，施用鋅肥可在一定程度上顯著提高玉米籽粒含鋅量，但當施鋅量超過22.5 kg·hm-2時，玉米籽粒含鋅量不再上升而呈下降趨勢。

圖7 不同處理下玉米籽粒鋅含量Fig.7 Grain Zn content of maize under different treatments

2.3 不同施鋅量對玉米莖葉鋅素轉運及貢獻率的影響

由表1可知，不同處理鋅素轉移量均表現(xiàn)為葉＞莖。玉米葉和莖鋅素轉移量隨著施鋅量的增加呈先升高后降低的趨勢，且施鋅處理葉、莖鋅素轉移量均顯著高于T0處理（P＜0.05）；葉中鋅素轉移率為38.22%~42.06%，莖中鋅素轉移率為30.1%~32.78%，其中T3處理莖、葉轉移率均為最高，且均顯著高于T0處理（P＜0.05）；不同處理葉中鋅素的貢獻率為61.86%~72.67%，莖中鋅素貢獻率為43.06%~48.77%，其中T3處理葉、莖貢獻率均最高。結果表明，T3處理可以有效提高玉米葉片及莖稈中鋅素的轉移率及貢獻率。

表1 不同處理下玉米莖葉鋅素轉運及貢獻率Table 1 Zinc translocation and contribution rate in maize stems and leaves under different treatments

2.4 施鋅對玉米產(chǎn)量及構成因素的影響

如表2所示，T3處理玉米穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量均高于其他處理；T2、T3、T4處理玉米禿尖長顯著低于T0處理（P＜0.05）；施鋅處理行粒數(shù)和穗行數(shù)均高于T0處理，其中T3處理分別較T0處理顯著提高了12.6%和11.1%（P＜0.05）；各處理玉米穗數(shù)差異不顯著（P＞0.05）；T3處理穗粒數(shù)顯著高于T0、T5處理（P＜0.05）；隨著施鋅量的增加產(chǎn)量呈先升高后降低的趨勢，T3處理產(chǎn)量最高，T0處理產(chǎn)量最低，T3處理產(chǎn)量較T0處理顯著提高了11.94%（P＜0.05）。結果表明，適量施用鋅肥可以減少玉米禿尖，增加玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重，從而提高玉米籽粒產(chǎn)量。

表2 不同處理下玉米產(chǎn)量及構成因素Table 2 Maize yield and compose factor of maize yield under different treatment

2.5 玉米產(chǎn)量與構成因素相關性分析

如表3所示，玉米產(chǎn)量與相關構成因素之間均存在一定的相關性。玉米禿尖與行粒數(shù)、百粒重呈顯著負相關，與穗粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著負相關；玉米穗長與穗粗呈極顯著正相關，與百粒重呈顯著正相關，與產(chǎn)量無顯著相關性；穗粗與行粒數(shù)呈顯著正相關，與穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量呈極顯著正相關；玉米穗行數(shù)與穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈顯著正相關；玉米行粒數(shù)與穗粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著正相關；玉米穗數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關；玉米穗粒數(shù)與百粒重呈顯著正相關，與產(chǎn)量呈極顯著正相關；玉米百粒重與產(chǎn)量呈極顯著正相關。結果表明，不同施鋅處理下玉米果穗禿尖、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重等因素與產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著相關性。

表3 玉米產(chǎn)量與構成因素相關性分析Table 3 Correlation between maize yields and compose factors

3 討論

鋅素參與植物C2H2型鋅指蛋白的合成，該種蛋白在逆境條件下通過調(diào)控特定基因的表達增強植物的抗性[24]。蔡鑫鑫等[25]研究表明，適量施鋅可降低在逆境條件下氧自由基對玉米生長的傷害，并在一定程度上降低玉米葉片游離脯氨酸及丙二醛的含量，增強玉米抗性。本研究結果表明，鹽堿地施鋅量為22.5 kg·hm-2時玉米脯氨酸、MDA含量均低于不施鋅處理，即適量增施鋅肥對提高玉米的抗性有積極作用。黃偉東[26]研究表明，噴施鋅肥可顯著提高玉米SOD、CAT和POD活性，增強玉米抗氧化和清除自由基的能力，延緩葉片衰老。本研究結果顯示，適量施鋅可以顯著增強玉米關鍵生育時期葉片中SOD、CAT、POD活性。通過對比不同施鋅處理，發(fā)現(xiàn)施鋅量為22.5 kg·hm-2時玉米抗氧化酶活性增強的效果最佳；當鋅肥施用水平超過22.5 kg·hm-2時，鹽堿地玉米葉片中SOD、CAT、POD活性呈逐漸降低的趨勢，提示鋅肥對增強玉米抗逆性是有限的[27]。

作物籽粒中的鋅一部分來自于植株根系吸收，另一部分來自于莖、葉中鋅素的再轉運[28]，當鋅素供應充足時，作物籽粒中的鋅主要來源于灌漿期內(nèi)根系所吸收的鋅；而供鋅不充足時，籽粒鋅主要來源于其他營養(yǎng)器官的再轉移。大量研究表明，鋅素在作物韌皮部的移動性較強，施入一定鋅肥有利于鋅素在莖、葉中累積，從而促進鋅素從營養(yǎng)器官向籽粒中轉移[29-30]。本研究中，22.5 kg·hm-2鋅肥處理下的籽粒鋅含量均顯著高于其他處理，較不施鋅處理增加了6.4 mg·kg-1。李萌[27]研究表明，在玉米生長的關鍵時期進行葉面噴施鋅肥可以顯著增加玉米籽粒中鋅的積累，并且具有明顯的增產(chǎn)效果。毛暉[31]研究表明，玉米籽粒鋅含量隨著施鋅量的增加而呈先增加后降低的變化趨勢，本研究結果也顯示，當施鋅量超過22.5 kg·hm-2后，鹽堿地玉米的產(chǎn)量不再增加，說明鋅肥對玉米產(chǎn)量的提高是有限的?？等氐萚32]研究表明，施用鋅肥不僅可以提高玉米產(chǎn)量，還可以在一定程度上增加玉米穗長、減少禿尖。曹殿云[33]研究結果表明，適量的鋅肥能顯著提高玉米行粒數(shù)和百粒重，從而提高玉米產(chǎn)量。本研究結果顯示，22.5 kg·hm-2鋅肥處理下鹽堿地玉米果穗的穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重、百粒重均顯著高于不施鋅處理，而且適量施鋅對玉米果穗禿尖有明顯的改善作用。

綜上所述，合理的施用鋅肥可有效降低鹽堿地玉米葉片相對電導率，減少MDA和游離脯氨酸的積累，增強玉米葉片CAT及POD的活性，減弱膜脂過氧化程度，增強抵抗逆境脅迫的能力，同時促進了鋅的吸收與轉運，提高了籽粒中鋅含量和產(chǎn)量。鹽堿地改良與產(chǎn)能提升是當前研究的熱點，本研究表明，合理施用鋅肥有助于提高鹽堿地玉米耐鹽性，促進鋅素的吸收，進而提高鹽堿地玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，這對于鹽堿地玉米產(chǎn)能提升具有重要意義，但不同鹽堿脅迫條件下鋅肥對玉米生長生理及產(chǎn)量的調(diào)控效應存在差異。未來可針對不同鹽堿類型和鹽堿程度，進一步研究鋅肥提高玉米耐鹽堿性的生理和分子機制，為鹽堿地玉米科學施用鋅肥和產(chǎn)能提升提供理論依據(jù)。