多年秸秆还田后减追氮肥对玉米穗位叶光合特性和衰老生理的影响

段宏凯，王宏富，鱼冰星，王钰云，杨健，李卫东

(山西农业大学 农学院， 山西 太谷 030801)

玉米是我国种植面积最大的农作物[1]，而秸秆还田与施用氮肥对改善玉米品质与产量具有重要意义。多年秸秆还田对提高土壤肥力、改善土壤物理性状有显著的积极作用[2]。目前，农户常规玉米栽培技术中氮肥施用量严重过剩[3]，而过量的氮肥投入不仅不利于玉米生长发育，而且会造成诸多环境问题[4]。多年秸秆还田的土壤中减施氮肥可以在不影响玉米产量、品质的前提下减少对环境的影响方面有积极作用。玉米穗位叶的光合能力在很大程度上影响其产量建成[5]，其叶片的光合特性与衰老生理指标又可以反映出玉米光合能力大小[6]，因此研究多年秸秆还田后减追氮肥对玉米穗位叶光合特性与衰老生理的影响具有重要意义。前人在氮肥对植物生长发育方面已有不少探索，杨秀娟等[7]在研究氮肥对水稻苗POD、SOD活性影响时发现：苗期增施氮肥后能够显著增加SOD活性，降低POD活性。刘艳等[8，9]在研究发现随着施氮量的增加能显著提高玉米穗位叶中保护酶POD、SOD活性，降低MDA含量。王空军等[10]研究指出玉米中后期维持较高SOD浓度有利于产量的建成。而且秸秆还田与深翻土地的耕作制度能够显著提高玉米产量，提高玉米叶片光合能力，延缓后期叶片衰老[11]。氮肥也能够促进提高玉米穗位叶光合速率、增加叶面积、提高SPAD值等指标[12]。秸秆还田结合氮肥处理更能够显著增加作物光合能力，提高叶面积指数[13]。 刘剑钊等[14]研究发现氮肥用量为210 kg·hm-2时，叶面积指数和叶片SPAD值最高，但当施氮量为330 kg·hm-2时叶片净光合速率降低。诸多专家学者在研究中均发现合理的氮肥施入量能够通过协调植物体内各种酶的活性，延缓叶片衰老过程，增加光合作用量，最终提高作物产量[15，16]。

前人在氮肥对玉米生理指标方面已有许多研究结果，但其在山西中晚熟玉米种植区内的连续多年秸秆还田配合深翻土地的耕作制度下对比常规追氮量、减追25%氮肥、减追50%氮肥以及不追氮肥之间对多个玉米品种穗位叶生理指标的影响研究还鲜见报道。因此，本研究将着重探讨在连续多年秸秆还田配套深翻土地的耕作制度下减追氮肥对玉米穗位叶生理指标的影响，从生理指标角度判断这种耕作制度对减追氮肥的贡献大小，为玉米栽培的减氮增效模式提供生理指标方面的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验基本概况

试验于2018年在山西农业大学农作站试验基地进行，位于山西省中部(东经112°34′，北纬37°25′)平均海拔800 m左右，年平均降雨量475.9 mm左右，年平均气温9.4～10.5 ℃，无霜期176天左右。气候为典型的大陆性季风气候，土壤为轻度沙壤土，试验田已有8年连续的秸秆还田，且上茬作物收获后的休闲期内均进行深翻土地。于2017年4月测得土壤有机质含量24.88 g·kg-1，全氮1.93 g·kg-1，速效氮126.6 mg·kg-1，有效磷69 mg·kg-1，有效钾151 mg·kg-1，pH 7.74。

1.2 试验设计

试验采用9个玉米品种：A1‘协玉3号’、A2‘协玉4号’、A3‘先玉335’、A4‘协玉5号’、A5‘协玉6号’、A6‘大丰30’、A7‘协玉7号’、A8‘军玉288’、A9‘协玉8号’，在拔节期进行追肥处理试验，追肥为尿素(含氮量46%)，4种不同的追尿素量：B1：0 kg·hm-2(对照)；B2：300 kg·hm-2；B3：450 kg·hm-2；B4：600 kg·hm-2(常规)。随机区组设计，3次重复，共108个小区，每个小区行长15 m、宽2.5 m，面积37.5 m2，采用行距为50 cm的等行密植栽培技术。在2017年4月27日人工点播，播种前每公顷施三元复合肥(20-17-13) 600 kg·hm-2，播种后当天喷洒1 500 mL·hm-2250%乙草胺乳油，于拔节期、大喇叭口期、吐丝授粉后15天各浇一次水，并相应的做好田间管理工作。7月20日随机取样，随即放入冰箱中冷冻贮藏。

1.3 调查项目

在玉米灌溉期随机选取每个小区中间两行的3 片穗位叶为试验材料，用SPAD-502叶绿素计测其SPAD值。用LI-6400便携式光合仪测其净光合速率(Pn)。POD活性测定用0.1%愈创木酚和双氧水；SOD活性测定用NBT(氮蓝四唑)光还原法；MDA活性测定用TBA(硫代巴比妥酸)还原法[17]。

1.4 计算方法及统计方法

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和DPS 7.05对数据统计分析。差异显著性检验用Duncan法，显著性水平为0.05。

2 结果分析

2.1 不同减氮措施对玉米穗位叶光合特性的影响

2.1.1 不同处理对穗位叶光合速率的差异性分析

穗位叶光合速率是衡量穗位叶光合强度的重要指标。本试验中不同处理对玉米穗位叶光合速率有显著的影响(如图1)。B2、B3与B4追氮处理下各品种光合速率均显著高于B1处理下各品种平均光合速率(P<0.05)，说明追施氮肥能够显著增加穗位叶光合速率，B3处理下各品种平均光合速率显著高于B4处理下各品种光合速率，说明高追氮量对穗位叶光合速率有显著的抑制作用，反映出合理追氮量才能显著提高穗位叶光合速率。高追氮量对不同品种的穗位叶光合速率影响也不一致，除A2、A6、A7、A8与A9品种之外，其余品种的穗位叶光合速率随追氮量的增加呈先增加后降低的趋势，且在B3追氮量处理下达到最高值，说明这几个品种适宜通过提高追氮量增加穗位叶光合速率。

图1 不同减氮措施对玉米穗位叶光合速率的影响Fig.1 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on Pn in ear leaf of maize 注：图中不同小写字母表示5 %差异显著性。A1:协玉3号,A2:协玉4号,A3:先玉335,A4:协玉5号,A5:协玉6号,A6:大丰30,A7:协玉7号,A8:军玉288,A9:协玉8号。B1：0 kg·hm-2,B2：300 kg·hm-2,B3：450 kg·hm-2,B4：600 kg·hm-2。下同。Note:In the figure,different small letter superscripts mean significant(p<0.05).A1:Xieyu 3,A2:Xieyu 4,A3:Xianyu 335,A4:Xieyu 5,A5:Xieyu 6,A6:Dafeng 30,A7:Xieyu 7,A8:Junyu 288,A9:Xieyu 8.B1：0 kg·hm-2,B2：300 kg·hm-2,B3：450 kg·hm-2,B4：600 kg·hm-2.The same below.

2.1.2 不同处理对穗位叶SPAD值差异性分析

穗位叶SPAD是穗位叶叶绿素含量的重要指标，是影响穗位叶光合能力的重要参数。本试验中不同减氮措施显著影响玉米穗位叶SPAD值(如图2)。B2、B3与B4追氮处理下各品种平均穗位叶SPAD值均显著高于B1追氮处理下各品种平均穗位叶SPAD值，说明追施氮肥有利于提高穗位叶SPAD值；B3追氮处理下各品种平均穗位叶SPAD值显著高于B4追氮处理下各品种平均穗位叶SPAD值，说明高追氮量对穗位叶SPAD值有较强的抑制效应。但不同品种穗位叶SPAD值对高追氮量的响应也不一致，除A1、A3之外其余品种在B3追氮量处理下穗位叶SPAD值与B4追氮处理下穗位叶SPAD差异未达显著水平，说明B3处理能够在保证穗位叶SPAD不降低的前提下减施氮肥，从而提高氮肥利用率。

图2 不同减氮措施对玉米穗位叶SPAD的影响Fig.2 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on SPAD in ear leaf of maize

2.1.3 不同处理对穗位叶叶面积差异性分析

穗位叶叶面积是玉米截获光能的物质载体，其大小直接影响到玉米对光能的截获和经济产量的形成。本试验中各减氮处理下玉米穗位叶叶面积差异达到显著性水平(图3)，穗位叶叶面积随着追氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，B3追氮处理下各品种平均穗位叶叶面积显著高于其他追氮处理下各品种平均穗位叶叶面积(P<0.05)，且其余处理之间各品种平均穗位叶SPAD值差异未达显著水平，说明B3追氮量能够显著提高穗位叶叶面积；B3追氮量处理下各品种平均穗位叶叶面积显著高于B4追氮量处理下各品种平均穗位叶叶面积，说明高追氮量对穗位叶叶面积具有显著的抑制作用。除A2、A9品种之外，其余各品种均在B3追氮处理下穗位叶叶面积与B4追氮处理下穗位叶叶面积差异未达显著水平，说明B3处理相比B4处理能够在不降低穗位叶叶面积的前提下减追25%的氮肥，从而提高氮肥的利用率。而A2、A9品种的穗位叶叶面积在B3追氮处理下显著高于B4处理，说明减施25%氮肥反而有利于提高穗位叶叶面积。

图3 不同减氮措施对玉米穗位叶叶面积的影响Fig.3 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on ear leaf area of maize

2.2 不同减氮措施对玉米穗位叶衰老生理指标的影响

2.2.1 不同减氮措施对穗位叶POD酶活性差异性分析

过氧化物酶(POD)与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等过程有关，该酶活性可以反映某一时期植物体内的代谢及抗逆性的变化。本试验中不同处理之间玉米穗位叶POD的差异性达到显著水平(如图4)。B2、B3与B4追氮处理下各品种平均穗位叶POD酶活性显著高于B1处理下各品种平均穗位叶POD酶活性，说明追施氮肥有利于提高穗位叶POD酶活性；B4追氮处理下各品种平均穗位叶POD酶活性显著高于其他处理下各品种平均穗位叶叶面积且各处理之间穗位叶POD酶活性差异显著，说明高追氮量能够提高各品种穗位叶POD酶活性。除A1品种外，B4追氮处理下穗位叶POD酶活性显著高于B3处理下穗位叶POD酶活性，说明这些品种适宜通过增追氮肥来增加穗位叶POD酶活性，从而提高抗逆性。

图4 不同减氮措施对玉米穗位叶POD含量的差异Fig.4 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on POD in ear leaf of maize

2.2.2 不同减氮措施对穗位叶SOD酶活性差异性分析

超氧化物歧化酶(SOD)与植物的衰老及抗逆性密切相关，是植物体体内重要的保护酶之一，该酶活性在研究植物衰老及抗逆机制中有着重要的意义。本试验中不同减氮措施对玉米穗位叶SOD酶活性的差异性达到显著水平(图5)。B2、B3与B4追氮处理下各品种平均穗位叶SOD酶活性显著高于B1处理下各品种平均穗位叶SOD酶活性，说明追施氮肥有利于提高穗位叶SOD酶活性；B4追氮处理下各品种平均穗位叶SOD酶活性显著高于其他处理下各品种平均穗位叶叶面积且各处理之间穗位叶SOD酶活性差异显著，说明高追氮量能够提高各品种穗位叶SOD酶活性。除A3、A5及A6品种之外，其余品种在B3处理下穗位叶SOD酶活性与B4处理下穗位叶SOD酶活性的差异未达显著水平，说明B3处理可以在不降低穗位叶SOD酶活性的前提下减追25%氮肥，从而提高氮肥利用效率。

图5 不同减氮措施对玉米穗位叶SOD酶活性的影响Fig.5 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on SOD in ear leaf of maize

2.2.3 不同减氮措施对穗位叶MDA含量差异性分析

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化最重要的产物之一，该酶活性可以代表膜脂过氧化的程度，以间接表示膜系统受损程度以及植物的抗逆性。本试验中不同追氮处理对玉米穗位叶MDA含量的差异性达到显著水平(如图6)，B3处理下各品种平均穗位叶MDA含量显著低于其他处理下各品种平均穗位叶MDA含量，说明B3处理能够降低各品种穗位叶MDA含量；B4处理下各品种平均穗位叶MDA含量显著高于B3处理下各品种平均穗位叶MDA含量，说明高追氮量不利于提高穗位叶光合性能。除A3与A8品种之外，各品种均在B3处理下穗位叶MDA含量达到最小值且显著低于B4处理下穗位叶MDA含量，说明A3与A8品种不适宜通过调节追氮量来调节穗位叶MDA值，而其余品种可以通过减施氮肥降低穗位叶MDA含量，从而有利于提高这些品种的抗逆性。

图6 不同减氮措施对玉米穗位叶MDA含量的影响Fig.6 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on MDA in ear leaf of maize

3 讨论与结论

3.1 不同减氮措施对玉米穗位叶光合特性的影响

诸多研究表明秸秆还田处理在吐丝后20天左右能够较秸秆不还田处理显著提高玉米穗位叶光合速率、SPAD值、增加玉米群体叶面积，延缓叶片衰老[18]，段巍巍等[19]研究氮肥对玉米光合作用的影响时提出，氮肥能够提高穗位叶叶片的Pn值。有研究也提出叶面积指数会随施氮量的增加而增大[20]。本研究发现在秸秆还田配套深翻土地的耕作制度下，追施氮肥能够显著提高玉米穗位叶光合速率、SPAD与叶面积。但本试验中光合速率、SPAD值以及叶面积均在B4追氮量处理下出现下降趋势，可能是B4处理的追氮量过大(其他试验追氮量均未达这个水平)，结合秸秆还田可以显著提高土壤中氮含量，造成过高的氮投入从而抑制了穗位叶光合特性，这与刘剑钊[14]、李俊霞等[21]人的研究结果一致。由此可得出，秸秆还田配合深松土地的耕作措施能够减少氮投入，提高氮肥利用效率，减少氮排放,提高光合特性[22]。追氮量对玉米穗位叶其他光合性状的影响规律还需进一步研究。

3.2 不同减氮措施对玉米穗位叶衰老生理的影响

本研究发现在连续多年秸秆还田配套深翻土地的耕作制度下，追施氮肥能够显著增加玉米穗位叶POD、SOD酶活性，这与刘艳[9]试验结果一致。但数据大小上有一定的差异可能是由于试验是在多年秸秆还田配合深翻土地的耕作制度下进行，付国占等[23]研究结果证明了这一点。他们在研究小麦秸秆及耕作方式对后茬作物(夏玉米)生理指标的影响时发现，小麦秸秆覆盖搭配深松耕作措施能够显著提高夏玉米叶片的POD、SOD酶活性，降低MDA含量，维持叶片在后期保持一个较高的生理功能。本试验中MDA值随施氮量的增加而呈现先降低后升高的趋势，与王俊儒[24]的研究结果一致，说明高氮处理能够提高膜脂过氧化程度，而合理的施氮量能够降低此程度，提高细胞膜的完整性。结合三种叶片衰老生理指标的意义可得出：适量的施氮量能够兼顾提高POD、SOD、MDA活性。施氮量对玉米穗位叶其他生理指标的影响规律还待进一步探索。

综上所述，在连续多年的秸秆还田配合深翻土地的耕作制度下，从玉米灌浆期穗位叶光合性状角度出发，玉米拔节期的追肥量可以较常规(600 kg·hm-2)减施25%，即每公顷玉米地在拔节期追施尿素450 kg为适宜追氮量。但连续多年的减少追氮量是否对玉米生长及产量造成显著影响还有待进一步试验证明。