李榮發(fā) 劉 鵬 楊清龍 任 昊 董樹亭 張吉旺 趙 斌

山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 / 作物生物學國家重點實驗室, 山東泰安 271018

玉米是我國第一大糧食作物, 在當前耕地面積有限的情況下提高單產(chǎn)是滿足玉米需求持續(xù)增長的唯一途徑[1]。當前, 提高玉米單產(chǎn)主要依賴于適當增加玉米種植密度, 而非單株產(chǎn)量[2-4]。葉片是玉米的主要光合器官, 灌漿期內(nèi)保持較長的光合高值持續(xù)期是獲得高產(chǎn)的必備條件[5-7]。隨種植密度增加, 群體光溫資源利用率提高[8], 但群體內(nèi)通風透光條件變差, 中下部葉片相互遮陰易早衰[9]。林同保等[10]研究認為, 玉米冠層不同層次在可見光范圍內(nèi)的吸收率是上層＞中層＞下層, 整個冠層吸收的光合有效輻射(PAR)占總?cè)肷涞?7.7%, 其冠層的下層吸收比例達到25%。不同層位的葉片對籽粒產(chǎn)量的貢獻率為中層＞上層＞下層,遮陰會顯著降低玉米產(chǎn)量, 影響其生育進程[11-12]。

玉米生長發(fā)育是地上部光合作用和地下根系吸收水分、養(yǎng)分的統(tǒng)一過程[13-14]。玉米地上部生長發(fā)育狀況和根系性能密切相關[15], 強大的根系是獲得高產(chǎn)的重要基礎[16]。根系活力高是維持玉米生育后期葉片高光合速率、獲得較高生物量和籽粒產(chǎn)量的保證[14,17]。在高等植物中, 20%～60%的光合產(chǎn)物分配到了地下部[18]。玉米開花后, 籽粒作為生長中心需要大量的光合產(chǎn)物和礦質(zhì)元素用以建成較大的籽粒庫容, 并保證籽粒庫容的充實。籽粒灌漿期, 增加根系的碳供應量可以提高氮攝取量[19]。籽粒發(fā)育與根系競爭碳水化合物, 如果向根系的碳供應量減少會加速根系衰老而影響氮素的吸收[20], 導致葉片衰老、光合速率下降[21]。

人們對玉米葉片衰老及其對籽粒產(chǎn)量的影響研究主要集中于對生育后期中上層葉片的衰老進程及其調(diào)控措施等方面[5,22-24], 而對花后下部葉片衰老對植株碳氮代謝、根系性能及產(chǎn)量形成的影響研究相對較少。本試驗以登海661 (DH661)和鄭單958(ZD958)為材料, 采用穩(wěn)定性同位素標記的方法, 通過大田和土柱栽培試驗, 研究密植群體下部葉片衰老對植株碳氮代謝及產(chǎn)量形成的影響, 為科學制定玉米高產(chǎn)栽培措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015—2016年在山東農(nóng)業(yè)大學黃淮海區(qū)域玉米技術(shù)創(chuàng)新中心(36°10′N, 117°9′E)進行。該區(qū)域?qū)儆诎霛駶櫯瘻貛Т箨懶约撅L氣候區(qū)。土壤類型為棕壤土, 兩年的基礎地力見表1。試驗材料為登海661 (DH661)和鄭單958 (ZD958)。大田試驗采用隨機區(qū)組設計, 小區(qū)面積120 m2(長20 m ×寬6 m), 重復4次。種植密度分別為67 500株 hm–2和 90 000株 hm–2, 行距60 cm。

表1 播種前0～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient content in 0-20 cm soil before sowing

土柱栽培以花后遮葉的方式模擬下部葉片早衰。采用直徑30 cm, 高1 m的土柱, 按照行距30.7 cm (柱中心)、間距30.0 cm (柱中心)的方式排列, 種植密度為90 000株 hm–2, 每個處理 60株, 土柱周圍種植保護行。將栽培基質(zhì)沙子(40%)、表層土(30%)、蛭石(15%)、珍珠巖(15%)混勻裝入土柱, 澆水使土柱中基質(zhì)沉實后距表層10 cm處施10 g底肥(N, P2O5, K2O含量均為15%)。遮葉處理于開花期開始, 采用自制的鋁箔袋(透氣但不進光)遮住棒三葉以下所有葉片的1/2 (S-1/2), 以不遮葉作為對照。

遮葉處理當天, 施入15N標記的尿素(豐度值為11.6)每株 5 g。

開花期選擇晴朗無云的天氣, 取每個處理代表性植株 6株, 對其穗位葉分別用透明的聚乙烯袋(0.09 mm厚)套袋。于上午10:00, 使用注射器將50 mL13CO2(豐度值≥99.9%)注入袋中, 維持光合作用1 h后, 用KOH溶液吸收袋內(nèi)剩余13CO2, 取下袋子。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 干物質(zhì)積累 分別于吐絲期(R1, 7月31日)和成熟期(R6, 10月7日)取樣, 每處理6株, 將根系、莖(莖稈、葉鞘、雄穗、穗軸、苞葉)、葉片、籽粒分開, 置105℃烘箱殺青30 min, 80℃烘至恒重, 測定干物質(zhì)積累量, 之后用粉碎機粉碎。

1.2.2 同位素和全氮的測定 于成熟期(R6)取13C和15N標記的植株樣品, 將根系、莖(莖稈、葉鞘、雄穗、穗軸、苞葉)、葉片、籽粒分開, 105℃烘箱殺青30 min后80℃烘至恒重。樣品經(jīng)粉碎機粉碎后用MM400型高效生物樣品制備儀(Retsch公司, 德國)再次研磨, 用Elementar vario MICRO cube元素分析儀(Elementar 公司, 德國)測定各器官氮素含量, 用Isoprime 100型質(zhì)譜儀(Isoprime, 英國)測定各器官的13C和15N豐度值。

作物由肥料中得來的N, 即Ndff (%) = 植物樣品中15N原子百分超(%)/肥料中15N原子百分超(%) × 100;

Ndff (mg) = 器官干重(g)×器官全 N 含量(%) × Ndff (%) × 1000 × 10–4;

13C分配率(%)=各器官 Ndff (mg)/植株 Ndff(mg) × 100

1.2.3 凈光合速率 分別于吐絲期(R1)、乳熟期(R3)和蠟熟期(R5), 選擇晴朗無云的天氣, 于上午10:00至 12:00用 Ciras-III型便攜式光合儀(PP-Systems, UK)測定穗位葉凈光合速率(Pn), 測定時使用 LED 光源, PAR=1600 μmol m2s–1, 瞬時大氣CO2濃度為(360±5) μmol mol–1。

1.2.4 單株葉面積 分別于吐絲期(R1)、乳熟期(R3)和蠟熟期(R5), 選取每處理4株長勢一致的植株,測量植株的葉片長和寬, 計算單株葉面積=葉長×葉寬×0.75。

1.2.5 穗位葉葉綠素含量 于吐絲期(R1)、乳熟期(R3)和蠟熟期(R5), 每處理選取4株長勢一致的植株, 取穗位葉鮮樣, 用直徑 0.7 cm打孔器打取葉圓片20個, 放入95%乙醇15 mL的提取液, 避光提取48 h至葉片全部變白, 之后于665、649和470 nm處測定吸光值, 計算葉綠素含量[25]。

1.2.6 根系形態(tài)指標 于吐絲期(R1)和成熟期(R6), 將土柱中完整的根系在低水壓下沖洗干凈,每個層次的根系分開保存, 之后將待測樣品均勻平鋪于長32 cm ×寬24 cm的儲水玻璃槽中, 使樣品漂浮在水面上, 用Epson Perection V700 Photo掃描儀(Epson, Perfection V700 Photo, Epson (China) Co.Ltd., China)掃描, 然后使用根系分析軟件(Win Rhizo Pro, Régent Instruments, Québec, Canada), 測定根系長度(cm)和根系表面積(cm2), 根長密度(cm cm–3)=根系長度(cm)/取樣土柱體積(cm3)。測定完各指標后將所有根系放入 80℃烘箱烘至恒重, 測定根系干重。

1.2.7 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 于成熟期(R6), 將大田試驗小區(qū)中央長度為5 m的3行果穗全部收獲、考種; 分別取土柱試驗 10穗, 曬干, 室內(nèi)考種, 調(diào)查穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重。單株產(chǎn)量(g)=穗粒數(shù)×千粒重(g)/1000×[1-含水量(%)]/(1-14%)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù), 以DPS16.05軟件統(tǒng)計分析, 其中處理間差異顯著性采用LSD法檢驗(P＜0.05)。采用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土柱試驗

2.1.1 不同處理對玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響 由表2可知, 年份、品種、處理、年份與品種互作對玉米單株籽粒產(chǎn)量、穗粒數(shù)的影響均達顯著水平(P＜0.01)。登海 661籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)均顯著高于鄭單 958 (P＜0.05), 而單株生物量則低于鄭單958。遮擋下部葉片均顯著降低夏玉米的單株生物量及籽粒產(chǎn)量。2015年和 2016年 S-1/2處理, 登海661單株生物量較CK分別降低10.96%和7.45%, 單株籽粒產(chǎn)量分別低9.91%和5.30%; 鄭單958的單株生物量較CK分別低9.15%和7.55%,單株籽粒產(chǎn)量分別低11.89%和5.38%。籽粒產(chǎn)量的降低主要源于穗粒數(shù)的降低, 登海 661和鄭單 958兩年較 CK分別降低 5.40%、5.41%和 14.02%、3.03%。

2.1.2 不同處理對夏玉米干物質(zhì)積累量的影響

由圖 1可知, S-1/2處理, 登海 661和鄭單 958花后生物量兩年平均值較 CK分別降低 15.49%和15.43%, 花后生物量所占百分比較 CK分別降低6.91%和7.47%?？梢? 遮下部葉片會顯著降低2個玉米品種花后干物質(zhì)的積累量?；ê蟾晌镔|(zhì)生產(chǎn)比例低對籽粒產(chǎn)量有重要影響(圖1)。

2.1.3 不同處理對夏玉米花后葉面積的影響 由圖2可知, 遮擋2個玉米品種下部葉片后, 單株葉面積顯著降低。2015年和2016年登海661的S-1/2處理, R3期較CK分別低7.92%、17.80%, R5期分別低9.45%、15.39%; 鄭單 958在 R3期較 CK分別低6.07%、17.57%, R5期分別低6.57%、17.57%。2016年 S-1/2處理, 登海 661和鄭單958在R3期和 R5期分別較CK低3.43%、6.70%和3.33%、5.26%, R6期分別低6.09%、6.13%。

2.1.4 不同處理對夏玉米穗位葉葉綠素含量的影響

作物葉片葉綠素含量的消長規(guī)律是反映葉片生理活性變化的重要指標, 也是葉片衰老進程的重要指標。由圖3可知, 2015年和2016年, 登海661的S-1/2處理, R3期較CK分別低8.15%、14.76%, R5期分別低9.49%、24.32%; 鄭單958在R3期較CK分別低5.86%、9.71%, R5期分別低9.21%、12.10%?？梢? 2個玉米品種遮擋下部葉片后, 花后穗位葉葉綠素含量與對照相比均顯著降低, 葉片衰老加快,持綠時間和功能持續(xù)期縮短。

2.1.5 不同處理對夏玉米凈光合速率的影響 遮擋2個玉米品種下部葉片后穗位葉凈光合速率均顯著降低(圖4)。2015年和2016年, 登海661的S-1/2處理, R3期穗位葉較CK分別低18.70%、7.67%, R5期分別低26.10%、11.72%; 鄭單958在R3期較CK分別低 14.17%、8.99%, R5期分別低 39.41%、15.68%。穗位葉光合速率下降會限制光合同化能力,進而影響產(chǎn)量。

表2 不同處理對玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of different treatments on grain yields and yield components of maize

圖1 不同處理對夏玉米干物質(zhì)積累量的影響Fig. 1 Dry matter accumulation of DH661 and ZD958 under different treatments縮寫同表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

圖2 不同處理對夏玉米花后葉面積的影響Fig. 2 Effect of different treatments on leaf area per plant

圖3 不同處理對夏玉米花后葉綠素含量的影響Fig. 3 Effect of different treatments on content of Chl a+b

圖4 不同處理對夏玉米花后凈光合速率的影響Fig. 4 Effect of different treatments on net photosynthetic rate

2.1.6 不同處理對夏玉米花后13C分配的影響

由表3可知, 遮擋2個玉米品種下部葉片會顯著降低花后13C向根系、葉片中的分配比例, 但向籽粒中的分配則顯著增加。S-1/2處理, 登海661兩年花后13C向根系、葉片中的分配較CK分別低8.85%和9.93%, 向籽粒的分配提高了 4.44%; 鄭單 958花后13C向根系、葉片中的分配較 CK分別低12.70%和17.56%, 向籽粒的轉(zhuǎn)運提高了3.69%。

表3 不同處理對夏玉米花后13C分配的影響Table 3 Distribution of 13C in different plant organs under different treatments after silking

2.1.7 不同處理對夏玉米根系生物量及形態(tài)特征的影響 由表4可知, 從R1至R6期, 不同處理的根系生物量、根長密度、根系表面積均顯著降低, 其中遮擋下部葉片處理的降幅顯著高于 CK。2015年和

2016年登海661的S-1/2處理, 根系生物量較CK分別低 17.14%、16.51%, 根長密度和根系表面積分別低10.64%、6.40%和30.03%、16.83%; 鄭單958的根系生物量較CK低6.23%、12.90%, 根長密度和根系表面積分別低19.00%、13.00%和23.01%、11.08%。這說明遮葉顯著加速了根系衰老, 降低了根系性能。

表4 不同處理對夏玉米根系生物量及形態(tài)的影響Table 4 Morphological and dry weight of roots at harvest under different treatments

2.1.8 不同處理對夏玉米各器官15N積累量的影響

由表5可知, 遮擋下部葉片會顯著降低2個玉米品種完熟期各器官及整株的氮素積累量, 鄭單958的降幅明顯大于登海661。2015年和2016年登海661的S-1/2處理, 完熟期根系和莖中15N積累量較CK分別降低22.23%、17.37%和16.23%、16.31%, 葉片和籽粒較 CK分別低 22.52%、10.70%和 30.60%、4.82%; 鄭單 958根系和莖中15N積累量較 CK分別低 55.04%、24.12%和13.35%、10.95%, 葉片和籽粒較 CK分別低24.79%、11.06% 和31.29%、11.78%。2015年和2016年, S-1/2處理, 登海661花后整株15N積累量較CK分別低26.75%和7.54%, 鄭單958較CK分別低29.44%和9.42%。

表5 不同處理對夏玉米各器官15N積累量的影響Table 5 15N accumulation of different plant organs at harvest of DH661 and ZD958 under different treatments

綜合兩年數(shù)據(jù), 花后根系生物量、根長密度、根系表面積之間呈極顯著正相關, 且與葉綠素含量呈極顯著正相關; 花后干物質(zhì)與花后氮素積累量、葉面積呈極顯著正相關, 與花后根系生物量、光合速率顯著正相關(表6)。

2.2 大田試驗

表 7表明, 品種和種植密度對干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及各產(chǎn)量構(gòu)成因素均存在顯著的交互作用。同一處理, 登海 661的千粒重、產(chǎn)量、生物量顯著高于鄭單958。增加種植密度, 兩品種穗粒數(shù)和千粒重顯著降低。登海 661穗粒數(shù)的降幅顯著高于鄭單958, 而千粒重的降幅則相反。籽粒產(chǎn)量的顯著增加主要是由于增加種植密度后單位面積有效穗數(shù)增加引起的。鄭單958的增產(chǎn)效果要優(yōu)于登海661。不同處理間收獲指數(shù)無明顯差異。

表6 花后根系指標與其他生理指標的相關系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between root indexes and other indexes

表7 密度對玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 7 Effect of plant densities on grain yield and yield components of maize

3 討論

干物質(zhì)積累是玉米產(chǎn)量的物質(zhì)基礎, 增加干物質(zhì)積累量, 尤其是花后干物質(zhì)積累量對實現(xiàn)玉米高產(chǎn)具有重大意義[26]。葉片是玉米光合作用的主要器官, 葉面積和光合速率決定著同化物的生產(chǎn)能力。在籽粒灌漿中后期, 葉片衰老加速, 凈光合速率降低, 干物質(zhì)積累量及籽粒產(chǎn)量降低[27-30]。玉米產(chǎn)量主要來源于吐絲后葉片的光合同化物, 吐絲前同化物對籽粒產(chǎn)量的影響小于 10%[31], 花后的群體光合同化量直接決定著玉米籽粒的產(chǎn)量。玉米開花后葉片衰老和粒重增長是同步進行的, 因此在籽粒形成期保持較高的光合面積和光合速率有助于提高光合能力、增加花后干物質(zhì)生產(chǎn)和積累[32]。干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量呈顯著正相關, 籽粒產(chǎn)量隨干物質(zhì)增加而增加[33-35]。增加種植密度后的群體優(yōu)勢彌補了單株干物質(zhì)積累量的減少, 群體干物質(zhì)積累量隨密度增大而增加, 即在高產(chǎn)田條件下通過適當增加種植密度增加干物質(zhì)積累量, 進而獲得高產(chǎn)(表7)。種植密度通過對葉面積、單株攔截光量和單株籽粒數(shù)來影響花后源庫比, 所有這些特征值隨著種植密度的增加而減少[5]。本試驗表明, 加速下部葉片衰老使單株葉面積下降, 同時花后穗位葉葉綠素含量和凈光合速率降低, 縮短花后功能葉的光合期, 致使單株生物量降低(圖2、圖3、圖4和表2)。

玉米籽粒產(chǎn)量是由生育期內(nèi)光合同化物及養(yǎng)分的積累、分配和轉(zhuǎn)運特性所決定的, 尤其花后光合同化物的轉(zhuǎn)運對籽粒增產(chǎn)的貢獻較大[34]。莖、葉、鞘的干物質(zhì)積累與再分配是玉米籽粒產(chǎn)量形成的重要因素[33-34], 苞葉和莖鞘中干物質(zhì)向籽粒運轉(zhuǎn)率較高, 對玉米籽粒的貢獻率最大。加速下部葉片衰老,葉片中的13C分配顯著降低, 籽粒中13C分配比例顯著增加, 說明加大了花后葉片中的光合產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)運比例(表3)。進入生殖生長階段后, 玉米籽粒發(fā)育與根系生長競爭葉片的光合產(chǎn)物。由于籽粒成為開花后的生長中心, 光合同化物向根系轉(zhuǎn)運減少, 導致根系碳供應不足、加速衰老。在籽粒灌漿期, 限制地上部的光合產(chǎn)物向根系的供應, 會降低玉米的根系長度和活力[35-38]。本試驗表明, 增加種植密度加速下部葉片衰老, 光合產(chǎn)物向根系轉(zhuǎn)運量降低, 導致2個玉米品種的根系生物量、根長密度和根表面積在花后顯著降低, 而且鄭單958的降幅顯著大于登海661 (表3和表4)。氮吸收與葉片供給根系的光合產(chǎn)物密切相關[36]。籽粒發(fā)育與根系競爭碳水化合物, 會加速根系衰老而影響氮素的吸收, 而根系養(yǎng)分吸收減少, 又會加劇葉片中氮向外轉(zhuǎn)移[20],從而影響葉面積和單位葉面積光合速率, 引起花后光合同化物減少, 籽粒庫容縮小(表6)。

玉米籽粒中氮40%來自授粉后從土壤中的吸收,只有約 60%來自吐絲期營養(yǎng)體氮的轉(zhuǎn)移, 花后氮素吸收量對于產(chǎn)量的形成具有重要意義[30,37-38]。本試驗表明, 加速下部葉片衰老降低了玉米根長密度、根表面積, 根系吸氮能力(表4和表5)。下部葉片衰老降低地上部(尤其是籽粒庫)的庫容量, 降低對氮素的需求, 從而導致單株氮素積累量降低(表5)。與此同時, 還會加快營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒中的轉(zhuǎn)運,使完熟期葉片、莖、根系中氮含量顯著降低(表5)。

延緩玉米密植群體下部葉片的衰老可以提高根系碳的分配, 延長根系功能期, 為地上部提供更多的氮素, 使植株晚熟, 導致籽粒成熟時含水量較高,不能滿足機械收獲的需求[39-41]。因此, 實際生產(chǎn)中應選耐密植、下部葉片功能期長、籽粒后期脫水快的品種。

4 結(jié)論

增加種植密度使下部葉片衰老加速, 降低光合碳向根系的轉(zhuǎn)運量, 根系衰老加速、吸收性能下降,

減少對氮素的吸收和對地上部氮素的供給, 葉片中的氮素被迫向外轉(zhuǎn)運, 加速整株葉片的衰老, 降低光合產(chǎn)物供應能力, 最終導致干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量顯著降低。生產(chǎn)中如何延緩高密度種植條件下下部葉片的衰老需要進一步深入研究。