陈婷,谢孟河,梅沛沛,陈士林,高红梅,温智国

（1.河南科技学院生命科技学院/现代生物育种河南省协同创新中心,河南新乡453003;2.山东登海宇玉种业有限公司,山东济南250000;3.河南农业职业学院,河南郑州451450）

国家关于2022 年农村工作的会议强调农业要“稳口粮、稳玉米、扩大豆、扩油料”,确保粮食和重要农副产品供给安全[1].玉米不仅是重要口粮还是饲料的重要来源和许多工业品的原料,全国各地需要下大力气抓好玉米生产,把玉米面积和产量稳定在去年水平上.

玉米取得高产的决定性因素之一是光合速率,它对植物干物质积累起着重要的作用.有研究表明,作物的产量与叶片的光合速率紧密相关,提高并保持生育后期较高的叶片净光合速率、叶绿素含量,对获得高产十分重要[2].叶绿素是光合作用的主要色素之一,是反映光合强度的重要生理指标,叶绿素含量直接影响植物的光合作用能力[3],对玉米五大生育时期的净光合速率和叶绿素含量日变化特征进行研究对玉米高产具有指导性意义.

SPAD 仪可用于快速测量叶绿素含量,目前已有报道采用SPAD 仪对作物叶绿素含量进行测定,并在此基础上对作物营养诊断最佳测量叶位的选取方法进行研究[4].在近年来多项研究测定的植物中,SPAD值与叶绿素含量之间存在极显著水平.有研究表明,SPAD 与叶片光合及叶绿素荧光参数均存在较强的相关关系,可作为评价玉米叶片光合性能对干旱胁迫敏感性的指示性指标[5].SPAD 的观测值已经广泛应用于植物叶片叶绿素浓度的测量,SPAD 值与叶绿素有着很强的正相关,可以直接表现叶绿素的含量[6].在一定范围内,叶绿素含量与光合速率存在正相关[7].叶绿素含量在叶片光合效率和叶片光合氮利用效率中扮演重要的角色[8].

目前,有研究不同玉米品种光合速率的日变化比较[9]灌浆期光合速率的变化,表明郑单958 叶片的光合速率低于先玉335,同期叶片的叶绿素含量也低于先玉335,类胡萝卜素/叶绿素比值与光合速率没有呈现出有规律的一致性[10].灌浆期是玉米产量增加的关键时期,光合作用是作物物质生产的基础,已有研究结果表明,植物叶片光合性能与其生产能力呈正相关[11-14],在玉米生育中后期,较高的光合指标以及理想的干物质积累与分配能更好地提高产量[15].玉米品种不同,其光合速率也存在一定差异,生育后期非耐密品种穗位叶SPAD、Pn 较耐密品种下降幅度较大,且耐密品种保持较高的叶绿素含量,仍具有高的净光合速率[16].关于玉米Pn 日变化在不同条件下的日变化研究较多,但是对玉米叶片SPAD 值和光合速率在不同生育时期一日之内的变化特征规律及相关性研究相对较少.本研究主要探索不同密度条件下超高产玉米净光合速率Pn 和叶绿素含量SPAD 值的各生育时期的日变化特征, 并分析SPAD 值与Pn之间是否存在相关关系,为其高产栽培和科学管理提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2016—2017 年在河南浚县刘寨村高产田开展,供试材料为浚单29 和郑单958.采用区组试验设计,设置两个播种密度,高密度为8.25 万株/hm2,低密度为6.75 万株/hm2,重复三次,共12 个小区,每个小区长15 m,郑单958 品种高低密小区均宽5 m,浚单29 品种高低密小区均宽7.5 m.于2016 年6月11 日和2017 年6 月13 日播种,种植方式为宽窄行,宽行80 cm,窄行40 cm,底肥施入三元复合肥（15,15,15）45 kg/667 m2和硫酸锌2 kg/667 m2,拔节期和大喇叭口期分别追肥10 和15 kg/667 m2,生育后期在喷施农药时,加入了磷酸二氢钾（磷酸二氢钾质量分数为0.2%,每667 m2喷50 kg 肥液）,于2016年10 月11 日和2017 年10 月10 日收获.玉米全生育均按高产方式进行田间管理.

1.2 测定项目与方法

1.2.1 光合速率测定 在玉米的五个生育时期苗期（7 月2 日）、拔节期（7 月14 日）、抽穗期（8 月6 日）、灌浆期（9 月3 日）、成熟期（10 月1 日）采用LI-6400 型便携式光合仪测定一天中5 个时间点（8 点,10点,12 点,14 点,16 点）玉米叶片的光合指标.现穗前测定植株由上至下第一片叶光合速率,现穗后测定穗位叶的光合速率值,测定值重复三次.

1.2.2 SPAD 值测定 采用便携式SPAD 仪对玉米植株叶片进行测定,测定值重复三次.在拔节期测定一天中5 个时间点玉米植株的第六片和第八片叶的SPAD 值; 在抽穗期和灌浆期均测定每个小区随机3棵玉米植株的穗位叶在5 个时间点的SPAD 值;在成熟期测定一天中5 个时间点玉米植株的穗上叶,穗位叶,穗下叶的SPAD 值.

1.2.3 数据处理与分析 本研究试验数据包括光合速率和SPAD 值采用MicrosoftOffice2016 进行作图分析.

2 结果与分析

2.1 净光合速率日变化分析

由图1 可以看出,在玉米苗期（图1-a）一天内的变化趋势,高密下的郑单958 净光合速率大于低密,经光合作用产生的有机物较多,但高低密度间一日内存在差异,在16 点两者差异最大,P=0.075,但都未达到显著水平（P＜0.05）.浚单29 的净光合速率高密与低密趋势表现不同,低密下浚单29 Pn 呈现缓慢下降趋势,浚单29 高密下Pn 出现双峰曲线,大小高峰分别在10 点和14 点,8 点处,P=0.293 4,差异较大,后续差异性降低.峰值出现在早上,且10 点峰值处高密下的两品种光合速率均大于低密下的两品种.

图1 不同密度条件下各生育时期玉米植株净光合速率日变化Fig.1 Diurnal variation of net photosynthetic rate of maize plants at different growth periods under different density conditions

拔节期（图1-b）,两玉米品种在高密与低密条件下光合速率基本成上升趋势.高密下的郑单958 净光合速率最高点出现在12 点,为30.47 μmol/（m2·s）,而后下降,维持在29 μmol/（m2·s）左右,而低密下郑单958 净光合速率最高点出现在14 点,为32.11 μmol/（m2·s）,而后下降到29 μmol/（m2·s）左右.浚单29净光合速率趋势为先升后降再升,小高峰出现在12 点,为30.32 μmol/（m2·s）,大高峰出现在16 点之后,且Pn 在10 点后均大于低密,浚单29 Pn 则呈现一直上升,但上升幅度不大.经过T 测验,郑单958 品种8点差异较大（P=0.134 7）,浚单29 品种在16 点差异较大（P=0.088 4）.

在抽雄吐丝期（图1-c）,植株由营养生长转变为生殖生长,对N 肥需求量下降,植株整体基本定型.在高密下,浚单29 与郑单958 的表现出现分歧,浚单29 光合速率分别在10 点（26.82 μmol/（m2·s））和14 点（22.83 μmol/（m2·s））出现两个峰值,郑单958 则在中午12 点（27.15 μmol/（m2·s））出现一个峰值,Pn 值先增高后下降.在低密下,郑单958 与浚单29 的Pn 值日变化趋势表现一致,呈现先增高后降低趋势,且在中午12 点达到峰值.

穗位叶对籽粒的产量的形成非常重要,其光合速率直接影响有机物的积累.在灌浆期（图1-d）,郑单958 高密与低密下的光合速率变化为双峰线,高峰均在10 点和14 点.9 点之前郑单958 低密Pn 低于高密下Pn,之后到16 点前,均高于高密Pn,且在14 点,差异较大,14 点到16 点,Pn 差值逐渐减小.浚单29低密下净光合速率也表现大小双峰线,分别在14 点和10 点,Pn 最高为22.4 μmol/（m2·s）,高密下表现8点到12 点处于下降趋势,然后升高再降低,也有两个高峰,高峰出现在8 点之前和14 点.浚单29 高密的Pn 在一天之内均大于低密,且在8 点达到极显著水平P=0.006 8（P＜0.01）,午休现象表现尤为明显,两种密度下,玉米光合速率的趋势表现相对一致,光合速率高峰都出现在早上10 点和下午14 点.

在成熟期（图1-e）,午休现象并没有解除,郑单958 高密与低密下Pn 变化趋势基本一致,两个高峰都分别出现在10 点和14 点,两者存在差异,但都未达到显著水平.浚单29 高密的Pn 出现在10 点,另一个出现在16 点以后, 低密下Pn 高峰出现在8 点前和14 点, 在早上9 点20 分之前, 低密Pn 大于高密Pn,随后高密Pn 大于低密Pn,在14 点左右,低密Pn 值下降较快,于16 点下降到6.9,而高密则在12.1 之后还有小高峰,高密与低密在8 点和16 点差异较大,P 值分别为0.085 6,0.082 9.在玉米成熟期,无论哪个品种,无论哪个密度,玉米植株的各功能器官生理状况转入衰弱状态,叶片光合能力下降,净光合速率降低,最高值为17 μmol/（m2·s）.

2.2 SPAD 值日变化特征

不同密度下两种玉米各生育时期SPAD 值日变化特征见图2.

图2 不同密度下两种玉米各生育时期SPAD 值日变化Fig.2 SPAD duty changes of two maize species in different growth periods under different densities

SPAD 值的高低代表叶片叶绿素含量的高低.在拔节期（图2-a）,不同密度下玉米SPAD 值日变化总体趋势为早上先降低,并在10 点左右降到最低,然后开始呈上升趋势,并在下午16 点上升到一天内的较高值.郑单958 低密条件下SPAD 值在14 点到16 点有少许波动,波动在2 左右,两者在14 点达到显著差异,P=0.014 57,低密SPAD 值高于高密下.浚单29 高密与低密下SPAD 值日变化趋势均为降低升高,浚单29 低密下的SPAD 值大于高密下SPAD 值,且在12 点,两者差异最为显著,P=0.032 82.说明叶绿素在一日内的变化与品种没有明显关系,在同一品种的高、低密度之间存在差异.

在抽雄吐丝期,叶片的SPAD 值表现趋势基本为先降低再升高再降低.郑单958 高密与低密下的SPAD 值在早上10 点为一个低峰,随后上升,在下午14 点后低密下出现下降趋势.浚单29 高密下SPAD值也出现一致情况（图2-b）,而低密下的SPAD 值一天的变化情况幅度相对较小.郑单958 低密下SPAD值一日内整体大于高密下SPAD 值.

灌浆期（图2-c）,SPAD 值的变化趋势与前两个时期有些不同,郑单958 高密下SPAD 值表现先降再升趋势,低密SPAD 值表现先降再升再降.浚单29 高密与低密条件下SPAD 趋势一致,浚单29 高密下SPAD 变化幅度大于低密下的SPAD 值.郑单958 高密与低密下SPAD 值在12 点前变化趋势不大,在14点后出现的都开始出现不同程度的分歧, 浚单29 低密下和郑单958 低密下的SPAD 值下降, 郑单958高密下与浚单29 高密下的SPAD 值出现小幅度上升.

成熟期（图2-d）,叶片的SPAD 值整体下降,并且在一天内的变化幅度也比较小,同一个品种不同密度之间日变化表现相对一致.但是不同品种间却表现出差异,浚单29 的SPAD 值比郑单958 的SPAD 值高,也就是叶绿素含量较高,品种生育期长短也是导致成熟期叶绿素含量差异的原因之一,夏播浚单29品种成熟期比郑单958 晚一天.

2.3 玉米高密与低密条件下四个生育时期Pn 与SPAD 的相关性分析

对拔节至成熟四个时期的不同密度条件下玉米植株的净光合速率Pn 与SPAD 日变化值做了相关性分析,其相关系数r 如表1 所示.

表1 不同密度条件下玉米植株Pn 与SPAD 的相关性Tab.1 Correlation between Pn and SPAD of maize under different density treatments

在拔节期和抽穗期, 郑单958 和浚单29 无论在高密度与低密度条件下,Pn 与SPAD 值均表现出显著正相关关系,且两个品种均是在拔节期的相关性高于抽雄吐丝期,在低密度条件下高于高密度条件.有研究表明在玉米生育前期,叶片光合速率和叶绿素含量受种植密度的影响,表现差异不显著,高低密度影响的不仅是受光面积,还有土壤养分的供应,而品种习性也是另一方面的因素.另有研究表明,叶绿素含量和光合速率随密度增加而呈下降趋势[17],此结果与本文一致.在灌浆期和成熟期,Pn 与SPAD 值两者日变化的相关性发生较大转变,并且|r|也相对前两个时期有所减小,尤其到成熟期,郑单958 在高密度和低密度条件下出现负相关性.说明SPAD 与Pn 日变化在玉米生育前期,即抽雄吐丝期以前,两者间有较大的相关性,但在浚单29 上两者间的相关性平均高于郑单958.因此,在生产上可以通过测定SPAD 值推断植株的光合性能.

3 结论与讨论

3.1 玉米全生育期净光合速率日变化特征

在不同的生育时期,玉米净光合速率的日变化有着不同的特征.本试验表明,苗期和拔节期净光合速率日变化呈单峰曲线; 抽穗期净光合速率随品种和密度的变化在一天内呈现出不同曲线且部分组合玉米出现午休现象;灌浆期和成熟期,均出现不同程度的双峰曲线,且此时期玉米的午休现象较为明显.这与坚天才等[18]对于叶面积指数、叶绿素含量及净光合速率在不同生育时期内呈现单峰曲线,且均在灌浆初期出现较高值的研究结论略有不同.

苗期和拔节期时,植株生长对光的需求量比较大.这是因为玉米生长前期叶片较少,叶片光合速率较大幅度增加对幼苗形态建成极其重要[19].在日变化过程中,影响净光合速率的因素比较多,如光照强度,CO2,温度等.苗期玉米此时叶片小,植株也相对矮小,低密与高密下的玉米光合速率表现趋势相对一致,随着温度的升高,叶片抵抗力弱,受外界环境的影响较大,与光合有关的酶活性受到抑制,并且叶片的气孔逐渐关闭,对二氧化碳的吸收量下降,净光合速率则呈现出下降趋势.拔节期的玉米叶片逐渐变大,因生长需要对光的需求量也比较大,这个时期对氮肥吸收多,叶色加深,植株增高,叶片接受光的能力增加,在一天内净光合速率增加,呈单峰线变化,一天内净光合量大,对快速生长提供物质基础.

抽穗期净光合速率变化受品种和密度影响较大.崔月等[20]研究表明,品种间及同一品种内不同个体间存在净光合速率的差异.本试验表明,在抽穗期,净光合速率趋势有所变化,并且净光合速率的大小与品种密度有关,郑单958 高密下的Pn 峰值出现在下午,低密下Pn 峰值则相反.浚单29 低密下的Pn 值日变化幅度较小,高密下浚单29 出现短暂且较为平缓的午休现象,表现出双峰曲线.

在灌浆期和成熟期,玉米的午休现象较为明显.两个时期的净光合速率均出现不同程度的双峰曲线.这与张建英[21]的研究结果即玉米也有午休现象相符合.本试验表明,玉米为C4 植物,在一定范围内,光强加大时,光合速率在升高,但是因为高温影响,酶活性降低,光合速率呈现下降趋势,下午14 点后,光照强度逐渐降低,温度降低,酶的活性抑制解除,净光合速率又逐渐增加.同时,也有研究说玉米叶片光合速率日变化呈单峰线曲线变化趋势,只是达到峰值的时间存在一定差异[22].所以关于午休是否存在其他不同播期的玉米中,或者与品种及外界环境因子有关,还有待研究.

3.2 玉米全生育期SPAD 值日变化特征

拔节期和抽穗期,玉米SPAD 值都呈现出先降低后升高的变化,随后出现小幅度的波动.试验表明拔节期玉米表现出低密下的SPAD 值大于高密下的SPAD 值的现象,变化趋势线与品种关系不明显.对于这样的趋势,研究分析推断:抽穗前,营养生长停止,植株的功能叶基本稳定下来,影响叶绿素变化的因素有土地N 肥量,光照,温度,逆境等外界及基因内在因素的共同作用,N 肥对叶绿素影响在整个生育期会有变化,一日之内的变化基本很小.在外部因素中光对叶绿素的合成与分解起主导作用,植物体中叶绿素的合成和分解处于一个动态平衡,叶片光照后才能顺利合成叶绿素,但形成叶绿素所要求光照强度相对低,当然过弱也不利于叶绿素的生物合成,光过强反而会因发生光氧化而受到破坏.光照强度较弱时,叶绿素含量增加以吸收更多光进行光合作用.

灌浆期的叶绿素含量整体表现最大,而成熟期的叶绿素含量水平减小,SPAD 值日变化幅度降低.试验表明叶绿素含量水平品种间表现不同,浚单29 品种比郑单958 在灌浆和成熟期的叶绿素含量高,但郑单958 品种的净光合速率在灌浆和成熟期比浚单29 高.这符合许东恒[7]、陈传永[23]等人的研究结果,即叶绿素含量不是影响吐丝后期光合速率的主要因素,也不是造成光合速率降低的原因,氮素转移是光合速率降低的主要原因.

3.3 SPAD 值与Pn 的相关性

Pn 与SPAD 值在拔节期和抽穗期的日变化存在显著相关性, 在生产上可以对特定玉米品种测定SPAD 值来推断植株的光合性能,从而为高密度集约化生产中玉米高产栽培提供理论依据.前人研究发现SPAD 值与光合特性相关性不太显著[24],有的不同叶位SAPD 值与Pn 存在相关性[25].本试验表明SPAD值与Pn 日变化在玉米生育前期,即抽雄吐丝期以前,两者间有较大的相关性,且在低密度条件下高于高密度条件,在浚单29 上两者间的相关性平均高于郑单958.这与许东恒等[7]研究的关于氮肥运筹对春玉米光合特性的影响中,测定时间段为9 点至11 点,谈到SPAD 值与Pn 在8.5 万株/hm2的种植密度下在拔节期呈负相关,但不显著,其他时期呈正相关,在9.5 万株/hm2下均为正相关略有不同.这可能受不同试验地情况和种植模式等因素的影响,同时因为有关于玉米SPAD 值与Pn 的日变化关系相关性研究相对较少,本试验仅提供一些参考依据,要进一步探明两者关系还需要更多的研究.