玉米-大豆带状套作高产玉米叶片的生理特征研究

马艳玮，蒲 甜，陈国鹏，李 丽，罗万宇，任永福，冯 骏，杨文钰，王小春*

（1.四川农业大学农学院，农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，作物生理生态栽培四川省重点实验室，成都 611130；2.成都市农林科学院，成都 611130）

玉米-大豆带状套作在传统间套作的基础上创新发展而来，充分利用边行优势，实现年际间交替轮作，是间套复种的重要模式[1-2]，在这种模式下选用适当的玉米品种实现双高产的基础。

作物产量的90%以上都来自光合作用的积累[3]，叶片是光合作用的主要器官，叶片的生理特性是影响产量形成的关键，因此是高产品种研究的重要内容。叶片是植物生长和进化过程中对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官，受不同的选择压力，已形成各种适应类型[4]，间套作模式由于其较单作特殊的光环境和农业小气候条件[5-6]，适宜种植的作物品种叶片应当有特有的结构和功能，目前，前人对高产玉米叶片的光合特性及生理指标研究较多[7-8]，但对于间套作条件下高产玉米叶片的生理特性还鲜为报道。本研究通过两年的大田试验，在供试的21 个玉米品种选出了在套作模式下产量超过7 500 kg/hm2的玉米品种，并研究了这些玉米品种的生理特性，为筛选适宜玉米-大豆带状套作的玉米品种提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

玉米品种：中单808、荣玉1210、登海605、仲玉3号、川单 428、川单 189、绵单 118、正红 505、德玉18、极峰 30、众望玉 18、正红 6 号、珍禾玉 1 号、中单901、绵单 581、川单 418、川单 25、成单 30、荃玉 9 号、登海618、川单 455。供试玉米品种的详细信息见表1。大豆品种为南豆12，由四川省南充农科院提供。

1.2 试验设计

试验于2014—2015年2 个生长季进行，大田试验，采用两因素随机区组设计，A 因素为种植模式，A1：净作，A2：套作；B 因素为玉米品种，B1-B21（21 个玉米品种），42 个处理，每个处理重复 3 次，共126 个小区。每个处理2 带，带长4 m，净作采用生产常规的70 cm 等行距种植，小区面积16.8 m2；套作玉米采用“40 cm+160 cm”的宽窄行种植模式，小区面积 16 m2，密度 60 000 株/hm2，穴距 33.3 cm，穴植双株；玉米全生育期共施氮肥240 kg/hm2，按照底肥：拔节肥：攻苞肥为3：2：5 的比例施。底肥每hm2另配施清粪水 600 担（40 kg/担，含 N 0.18%，P2O50.12%，K2O 0.08%），过磷酸钙 600 kg（含 P2O512%），氯化钾 150 kg（含 K2O 60%）。大豆于 6月 10日免耕直播，宽行内均种2 行，玉米大豆间距60 cm，大豆窄行行距40 cm，穴距25 cm，穴留3 株，种植密度为120 000 株/hm2，大豆基肥配施尿素75 kg/hm2，过磷酸钙600 kg/hm2，氯化钾60 kg/hm2，追肥为初花后施尿素75 kg/hm2，其它管理同大田。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 叶绿素含量

在玉米吐丝期，每小区选择有代表性的植株3株（叶片选取穗位叶）。取样后将叶片立即称重，并放于保鲜袋中，经液氮处理带回实验室，在低温冰柜（-29 ℃）中保存。叶绿素含量测定时，避开主叶脉，用打孔器在叶片中部切取1 cm2大小的叶片剪成细丝，采用无水乙醇和丙酮1 ∶1 混合液暗处提取，用美普达722 型紫外可见分光光度计测定在470、645 和 663 nm 处吸光度[9]，然后以 H.K.Lichtenthaler 等[10]法公式计算不同叶位叶片叶绿素a（Chla）、叶绿素 b（Chlb）、类胡萝卜素（Car）的含量和叶绿素总量。

1.3.2 叶片解剖结构

在玉米吐丝期，每小区选择有代表性的植株3株（叶片选取穗位叶）。取样后，避开叶片主脉取材，用70% FAA 固定液（50%酒精：甲醛：冰醋酸=39：5：6）保存，在实验室采用李芬[11]的方法石蜡切片制片，切片厚度8～10 μm，番红-固绿对染。切片利用LEICA 数字式生物显微镜（DM1600B）观察，通过FW400 图像分析软件分别测定叶片上表皮、下表皮厚度和叶片厚度。

1.3.3 碳氮比

总氮及总碳：在玉米灌浆期，每小区选择有代表性的植株3 株（叶片选取穗位叶）。在105 ℃下杀青1 h，80 ℃烘干至恒重，得到叶片干重，粉碎后过60 目筛，用自封袋密闭低温保存，供叶片碳、氮指标的测定。参考龚迎莉等[12]试验方法，利用美国加联仪器有限公司生产的CE-440 元素分析仪测得碳元素含量百分比和氮元素含量百分比，然后计算出碳氮比数据。

表1 试验玉米品种基本情况Table 1 The maize varieties basic situation

2 结果与分析

2.1 净套作种植模式下不同玉米品种产量差异及产量等级划分

由表2可知，净作和套作两种模式下品种间玉米产量存在较大差异。套作模式下的玉米产量与净作相比较均有所降低，但降低幅度品种间不同。方差分析结果表明，在0.05 水平下，除登海618 等6个品种2年的产量表现不一致外，其他15 个品种两年之间的净套作产量差异结果一致，说明这些品种在净套作条件下产量发挥较稳定。根据前人的研究[13]以及生产上的产量水平以7 500 kg/hm2为界限，把产量高于7 500 kg/hm2的品种确定为高产品种，反之则为低产品种。因为无套作条件下高产而净作条件下低产的品种，由此，将净套作种植模式下的玉米品种产量划分为3 个等级，分别为净套作均高产、净作高产套作低产以及净套作均低产。如表3所示，2年试验共有5 个品种属于净作高产套作高产品种，属于净作高产套作低产的品种的2年试验共有5 个品种，其余品种均为净作低产套作低产品种。

2.2 套作模式下不同玉米品种生理指标的基本参数估计

套作模式下不同玉米品种叶片生理特性的2年平均值统计结果表明（表4）：吐丝期叶片的叶绿素a、b、类胡萝卜素以及叶绿素的总含量的变异系数均大于10%，两年的规律一致；吐丝期叶片上表皮厚度和下表皮厚度的变异度均大于同时期叶片厚度的变异系数大于10%。说明套作条件下玉米品种间叶片叶绿素a、b、类胡萝卜素以及叶绿素的总含量、叶片的上表皮厚度、下表皮厚度品种间差异较大，这为筛选套作高产玉米品种的叶片生理指标创造了条件。

表2 净套作种植模式下不同玉米品种产量的差异Table 2 The difference of maize varieties yield between sole cropping system and intercropping system kg·hm-2

表3 净套作种植模式下不同玉米品种产量等级分布Table 3 The yield distribution of maize varieties under sole cropping system and intercropping system

2.3 不同产量水平套作玉米生理指标与产量相关性

不同产量水平下不同玉米品种叶片生理特性指标与产量的关系见表5。不同产量水平下不同玉米品种叶片的生理特性指标与产量呈二次函数关系。净作高产套作高产的玉米品种的产量与叶绿素a、叶绿素总量、叶片厚度呈显著的二次函数关系，R2值表现为叶绿素总量＞叶绿素a＞叶片厚度；净作高产套作低产的玉米品种的产量与碳氮比、叶绿素a、叶绿素a/b、叶绿素总量、叶片厚度二次函数关系，R2值表现为叶绿素总量＞叶片厚度＞叶绿素a＞碳氮比＞叶绿素a/b。说明不同产量水平的玉米限制其产量的生理特性不同，叶绿素总量、叶绿素a 含量和叶片厚度有利于套作玉米产量潜力的发挥。

2.4 不同产量水平下玉米品种生理特征差异

图1反映了 2014年和 2015年套作 2 个产量水平下玉米叶片各生理指标数据的分布情况，可以看出，2年净作高产套作高产群体的叶绿素a 含量、叶绿素总量和叶片厚度的最大值和最小值均大于净作高产套作低产群体，净作高产套作高产群体叶绿素 a 的变化范围 345.76～503.64 mg/m2，净作高产套作低产群体变化范围在340.37～479.96 mg/m2；2年吐丝期的高产玉米的叶绿素含量变化范围平均值为481.21～727.73 mg/m2；净作高产套作高产群体和净作高产套作低产群体的叶片厚度分别为143.18～163.43 m 和 114.37～150.54 m。这说明套作高产玉米群体需要维持较高的叶绿素a 含量、叶绿素总量以及较厚的叶片厚度，这为籽粒灌浆结实和获得较高产量奠定了基础。

表4 套作模式下不同玉米品种叶片生理特性的基本参数估计Table 4 The basic parameters estimates for the physiological characteristics of maize leaves under intercropping system

表5 套作模式下不同产量水平玉米品种叶片生理特性与产量的关系Table 5 The correlations between maize leaves physiological characteristics traits and yield of different maize yield levels under intercropping system

3 讨论与结论

在作物的叶面积系数和经济系数都难以再增加的现状下，光能利用率的增加成为产量提高的关键[14]。前人的研究认为，株型主要通过影响群体透光的性能来影响产量，最终的产量形成还是要取决于叶片对光能的吸收与转化，因此在形态特征上选取的同时，对高产性能的选择也需重视[15]。本研究表明，吐丝期叶片中的叶绿素a、叶绿素总量、叶片厚度，对玉米产量潜力的发挥具有显著作用。

叶绿素的多少反映了作物光合能力的大小，刘贞琦等[16]的研究表明，在一定范围内叶片中叶绿素含量和光合速率成正比。叶绿素含量的增加进而反映了作物体内对能量的吸收转化能力[17]。叶绿素a在光合作用中能吸收光能，且少数处于激发状态的叶绿素a 能转化光能，以获得更多的光合产物，并为后期向籽粒运输提供保障，因此在一定程度上叶绿素含量和叶绿素a 含量能够促进产量的提高。本研究与前人研究结果一致，套作玉米维持较高的叶绿素a 含量和叶绿素含量对于产量的发挥有促进作用。玉米叶片形态结构与光合作用有关[18]，而叶片厚度的大小，与叶肉细胞的多少有密切的关系，从而对植株的光合作用造成影响[19]，本研究中净作高产套作高产的玉米品种的叶片厚度高于净作高产套作低产的玉米品种。

图1 套作模式下不同产量水平玉米品种的生理特征差异Figure 1 The difference of maize leaves physiological characteristics between different yield levels under intercropping system

玉米-大豆带状复合种植系统采用宽窄行栽培，玉米处于窄行的一侧与等行距相比透光条件较差，窄行的叶片处于荫蔽环境中较高的叶绿素含量有利于提高植株对光的吸收和转化，有利于产量的提高。许多研究表明植株在荫蔽的环境中，叶片会变薄[20-21]，这会导致叶肉细胞的减少，从而影响光合作用[19]，因此较厚的叶片有利于叶片弱光条件下保障生理功能的进行。在本研究中套作高产的玉米品种相对于套作低产的玉米品种有较高的叶绿素a、叶绿素含量和较厚的叶片厚度，在吐丝期套作高产的玉米品种叶片叶绿素a 含量为345.76～503.64 mg/m2，叶绿素含量为481.21～727.73 mg/m2，叶片厚度为143.18～163.43 μm。