种子大小与播种深度对玉米出苗、苗期光合特性与保护酶活性的影响

刘斌祥，程秋博，周 芳，杜伦静，李小龙，孔凡磊，袁继超

(1.四川农业大学 农学院，作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 成都 611130； 2.苍溪县农业农村局，四川 苍溪 628400)

苗全、苗齐、苗壮是作物高产的基础，提高作物种子的出苗率和整齐度，促进幼苗生长是重要措施[1-2]。前人研究表明，种子大小和播种深度不仅会在一定程度上影响作物的出苗率[3-4]，苗期的光合特性和保护酶活性等也会受到一定的影响[5-8]，进而影响其生长发育，乃至产量[9-10]。玉米是我国第一大粮食作物，西南丘陵地区是我国玉米主要产区之一，在生产中占据举足轻重的地位[1]。目前，有关播种深度对玉米种子活力、幼苗形状和根系特性的影响已有报道[11-12]，但西南地区相关研究相对较少。

西南玉米区土层浅薄，季节性干旱频发，容易导致玉米出苗不好，缺窝缺苗较多，苗势较弱，从而影响其产量和质量。为此，本研究以当地主推品种为材料，采用盆栽和大田试验相结合，研究种子大小与播种深度对玉米萌发出苗和苗期光合特性及保护酶活性的影响，以期为川中丘区玉米种子精选与机械化播种技术的制定提供理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

盆栽试验于2016年4-5月在四川农业大学成都校区抗旱棚进行，土壤取自大田试验；大田试验于2015年5月-2016年6月在四川省德阳市中江县合兴乡新建村进行。2015年土壤基础肥力：有机质12.77 g/kg，全氮1.47 g/kg，碱解氮52.93 mg/kg，有效磷15.9 mg/kg，速效钾117.56 mg/kg；2016年土壤基础肥力：有机质9.44 g/kg，全氮1.01 g/kg，碱解氮45.30 mg/kg，有效磷4.4 mg/kg，速效钾86.17 mg/kg。

1.2 试验材料

玉米品种为当地主推品种正红505，用不同孔径的筛子分别筛选出大、中、小粒种子作为供试材料。大粒种直径≥9.3 mm，千粒质量349.16 g；中粒种直径7.5～7.7 mm，千粒质量266.53 g；小粒种直径≤6.0 mm，千粒质量171.40 g。

1.3 试验设计

大田试验采用两因素随机区组设计，A因素为种子大小，A1～A3分别为大、中、小粒种子；B因素为播种深度，B1～B3分别为2，6，10 cm，9个处理，3次重复，共27个小区，小区面积为17.6 m2(长5.5 m，宽3.2 m)，种植密度为50 000株/hm2。

盆栽试验设计同大田试验，用内径20 cm，高30 cm的塑料花盆，每个处理9盆，共81盆，先将采集的试验用土风干、整细、去杂物、过5 mm筛，装入塑料盆，装土至相应深度时均匀铺放20(长至三叶期)或8(长至七叶期)粒大、中、小粒种子，再盖土至相应播种深度，然后用喷壶喷水，每盆1.25 L，使土壤的相对含水量达到60%(称质量法测量)，试验期间视土壤墒情适量浇水，保持适度干旱(土壤相对含水量需40%～55%)，取样前3 d不再浇水。

1.4 测定指标

破土、出苗数：盆栽试验从播种之日起每天9：00定时调查各盆破土数(可见胚芽鞘)和出苗数(幼苗出土2 cm)，至出苗无变化为止，计算每天的破土率和出苗率：

田间试验在全部出土苗达到一叶一心时统计出苗数，计算出苗率。

出苗率=达一叶一心的出土苗数/播种粒×100%

叶绿素含量：三、五、七叶期取最上1片展开定型叶鲜样，采用丙酮提取法测定幼苗叶片叶绿素含量[13]。

光响应参数：五叶期时使用LI-6400便携式光合作用测定仪，在晴朗天气10：00-14：00，选取幼苗第3片全展叶测定，每个处理测3片。通过开放式气路，设定温度为25 ℃，大气CO2浓度(Ca)为400 μmol/mol，设定光强梯度0，50，100，200，250，500，1 000，1 500，2 000 μmol/(m2·s)，测定叶片在每一光强下的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等指标。利用软件Photosynthesis对不同光强下Pn进行曲线拟合，得到光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、表观量子效率(AQY)、最大净光合速率(Pnmax)等参数。

保护酶活性：五叶期取幼苗第3片全展叶，测定保护酶活性和MDA含量，每个处理测3片。参考植物生理生化实验指导[13]，采用氮蓝四唑光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性。

膜脂过氧化产物：采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量。

1. 5 数据处理

采用 Microsoft Excel 2017软件处理数据，SPSS 22.0软件进行统计分析，用SigmaPlot 10.0和Graph Pad Prism 5软件作图。

2 结果与分析

2.1 种子大小与播种深度对破土出苗的影响

对破土、出苗率及时间进行方差分析可得，种子大小、播种深度对破土率和出苗率的影响均达到显著水平(P<0.05)，对破土时间和出苗时间的影响均达到极显著水平(P<0.01)，但二者互作效应不显著。由表1可知，种子大小方面，中粒种子最早开始破土出苗，破土率(播后5,6 d)和出苗率(播后6,7 d)显著高于其他粒型种子，大粒种其次，小粒种最低，最终总体表现为中粒种与大粒种差异不显著，但均显著高于小粒种；与种子大小相比，播种深度对种子的破土和出苗率有更为显著的影响，浅播(2 cm)处理各粒型种子出苗时间较早，随播种深度增加，种子的破土、出苗时间延迟，破土、出苗率降低。

各处理的破土(t=5～9)、出苗(t=6～10)率(P)随播后天数的变化均符合Logistic函数(P=a/(1+be-kt)，回归方程见表2，均达到了极显著水平(n=5，P<0.01)。从表中可看出，中、大粒种与小粒种相比，其最终的最大破土、出苗率(a)较高；大粒种进入快速破土、出苗的时间(t1)略晚，但结束快速破土、出苗的时间(t2)则较早，其活跃破土、出苗时间(D)明显缩短，表明其破土、出苗较整齐一致；随播种深度增加，进入(t1)和结束(t2)快速破土、出苗的时间均推迟，因而达到50%破土、出苗率的时间(t0.5a)也较晚，最终的最大破土、出苗率(a)逐渐降低。

表1 种子大小与播种深度对玉米破土和出苗的影响(盆栽试验)Tab.1 Effect of kernel size and sowing depth on break ground and emergence of maize(pot experiment) %

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。表3同。

Note： The data with different little letters in same column show significantly different among treatments.The same as Tab.3.

表2 破土、出苗率的Logistic函数(P=a/(1+be-kt)回归方程及其相关参数Tab.2 Logistic function of soil breaking and emergence rate(P=a/(1+be-kt)regression equation and its related parameters

2.2 种子大小与播种深度对田间出苗率的影响

方差分析结果表明，种子大小和播种深度均显著影响田间出苗率(P<0.05)，且2015年二者互作效应显著(F=2.62，P<0.05)。由图1可知，种子大小方面，2015年，大粒种出苗最高，较中粒种和小粒种分别提高8.9%和11.3%；2016年中粒种出苗率较大粒种和小粒种分别提高2.6%和9.7%；2 a试验大、中粒种的出苗率差异不显著，但均高于小粒种。播种深度方面，田间出苗率随播种深度增加呈先升高后降低(2015年)和降低(2016年)趋势，其变化幅度在不同种子大小间存在一定差异，2 a平均，大粒种2 cm播深的出苗率分别较6 ，10 cm高1.33 %，11.77%，中、小粒种相应的为0.37%，13.18%和1.19%，18.99%，大粒种在10 cm播深处理中的降低幅度小于中、小粒种，表明大粒种更耐深播。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图3-4同。 The data with different little letters show significantly different among treatments. The same as Fig.3-4.

2.3 种子大小与播种深度对苗期光合性能的影响

2.3.1 种子大小与播种深度对玉米苗期叶片叶绿素含量的影响 如表3所示，随着玉米苗的生长，叶绿素含量逐渐升高，种子大小和播种深度对苗期叶片叶绿素含量均有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)影响，二者互作效应对五叶期叶绿素含量达极显著水平(P<0.01)，对七叶期叶绿素b含量达显著水平(P<0.05)。种子大小在不同时期叶绿素(含叶绿素a、b)含量存在差异，总体表现均为大粒种>中粒种>小粒种，且随着生育进程推进，含量差异逐渐缩小。3个播深平均，三叶期时，大粒种的叶绿素a、b含量较中粒种和小粒种分别提高17.2%，29.3%和41.5%，43.2%，七叶期时的相应提高幅度分别为10.6%，13.7%和17.3%，16.2%，远小于三叶期。随播种深度增加，三叶期时各种子大小处理的叶绿素a、b含量均降低，五叶期时大多数种子大小处理升高，七叶期除小粒种叶绿素b含量外，其余全部升高，三叶期时2 cm播深的平均叶绿素a、b含量分别较6 cm播深提高1.7%，0.0%，较10 cm播深提高15.1%,16.9%，七叶期是则分别降低15.7%，21.0%和25.7%，22.5%，其中以中、大粒种降低的幅度较大，表明出苗初期浅播苗生长较好，叶绿素含量较高，之后则深播的表现出一定优势，至七叶期时叶绿素含量均较大幅度超过浅播，尤其是中、大粒种。

表3 种子大小与播种深度对玉米幼苗叶片叶绿素含量的影响Tab.3 Effect of kernel size and sowing depth on chlorophyll content of maize seedling mg/g

注：*表示方差分析结果在P<0.05水平显著；**表示方差分析结果在P<0.01水平显著。

Note：*，**represent that the results of ANOVA is significant difference at theP<0.05 andP<0.01 level，respectively.

2.3.2 种子大小与播种深度对玉米苗期光合参数的影响 由图2可知，不同种子大小、播深处理的光照强度对苗期的影响也有差异。随光强上升，叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)上升，胞间二氧化碳浓度(Ci)降低，但上升或下降的幅度逐渐变小，表现为渐近(饱和)曲线。种子大小和播种深度对玉米叶片的光合特性有较大影响，总体表现为大粒种的Pn较小粒种高，在弱光(≤250 μmol/(m2·s))条件下浅播(2 cm播深)的Pn较高，而强光条件下，中、小粒在6 cm播深时的Pn较高，尤其是小粒种。

种子大小和播种深度对五叶期玉米叶片的光合性能也有一定影响(表4)，总体而言，大粒种与小粒种相比，具有更高的光饱和点、表观量子效率和最大净光合速率，3个播深平均，分别高50.8%，32.6%，21.8%，二者的光补偿点差异不大；中粒种的表观量子效率平均比小粒种高14.3%，随播种深度增加，光饱和点和最大净光合速率有增加的趋势；最大净光合速率在种子大小和播种深度之间还存在一定互作效应，大、中粒种以深播(10 cm播深)最大，但分别以中等(6 cm播深)和浅播(2 cm播深)最小，而小粒种则以播深中等(6 cm播深)最大，以浅播(2 cm播深)最小，表明大粒种更耐深播，中粒种次之，小粒种耐深播能力相对较弱。

图2 不同有效光照强度下各处理光合特性散点图Fig.2 Scatter plot of photosynthetic characteristics of each treatment under different PAR

表4 不同光强下各处理光合作用拟合参数
Tab.4 Fit parameters of photosynthesis of each treatment under different light intensity

处理Treatments光饱和点/(μmol/(m2·s))LSP光补偿点/(μmol/(m2·s))LCP表观量子效率/(μmol/μmol)AQY最大净光合速率/(μmol/(m2·s))PnmaxA1B11 848320.06730.03B21 828360.05926.45B33 132400.06936.04A2B1980280.05523.72B21 420400.05325.53B31 712360.05926.25A3B11 036320.05122.97B21 716360.04928.03B31 760360.04724.94平均A12 269360.06530.84AverageA21 371350.05625.17A31 504350.04925.31

2.4 种子大小与播种深度对苗期抗逆性的影响

2.4.1 种子大小与播种深度对幼苗保护酶活性的影响 SOD、POD和CAT等保护酶可以保护细胞膜、敏感分子等不受活性氧的伤害。方差分析结果表明，种子大小和播种深度对五叶期玉米苗叶片的保护酶活性的影响显著(P<0.05)，但二者互作效应不显著。由图3可以看出，3种保护酶的活性均随种子变小或播深增加而呈降低趋势，3个播深平均，大粒种的SOD、POD、CAT活性(以鲜质量计)分别较中粒和小粒种高8.34%和60.76%，1.74%和12.60%，14.76%和31.05%；3个种子大小平均，浅播(2 cm)处理的SOD、POD、CAT活性分别较6，10 cm播深处理高13.59%和40.47%，12.10%和31.65%，11.84%和29.26%，这可能与浅播处理较深播处理易遭受干旱胁迫有关。

图3 种子大小与播种深度对玉米幼苗保护酶活性的影响Fig.3 Effect of kernel size and seeding depth on protective enzyme activity of maize seedlings

2.4.2 种子大小与播种深度对幼苗丙二醛含量的影响 植物在逆境中遭受伤害将发生膜脂过氧化反应，最终生成丙二醛(MDA)，含量高低表示植株遭受逆境的严重程度。方差分析结果表明，种子大小和播种深度对幼苗丙二醛含量的影响达显著水平(P<0.05)，二者互作效应极显著(F=6.51，P<0.01)。从图4可知，增大粒型和增加播深将减小五叶期叶片的丙二醛含量。大种子幼苗的丙二醛含量(以鲜质量计)较中、小种子的分别降低7.12%和13.63%，表明小粒种较大粒种受干旱胁迫大、抗旱性弱；在不同播种深度处理中，3个种子大小平均，播深为10 cm处理幼苗的丙二醛含量较6，2 cm处理平均降低6.63%和18.36%，深播与浅播比，幼苗受干旱胁迫影响小，故丙二醛含量维持在较低水平。

图4 种子大小与播种深度对玉米幼苗丙二醛含量的影响Fig.4 Effect of kernel size and seeding depth on MDA content of maize seedlings

2.5 光合性能与叶绿素含量、保护酶活性和丙二醛含量的相关性分析

由表5可知，光饱和点、光补偿点与叶绿素含量呈正相关，与保护酶活性及丙二醛含量呈负相关，其中光饱和点与叶绿素及丙二醛含量、光补偿点与叶绿素及叶绿素a含量的相关系数达显著水平(P<0.05)。表观量子效率、最大净光合效率与叶绿素含量、保护酶活性呈正相关，与MDA含量呈负相关，其中表观量子效率与叶绿素b含量呈极显著正相关(P<0.01)。结果表明，提高玉米叶片的叶绿素含量，降低MDA含量有利于提高其光合性能。

表5 光合性能与叶绿素含量、保护酶活性和丙二醛含量的相关性Tab.5 Correlation of photosynthetic performance with chlorophyll content， protective enzyme activity and malondialdehyde content

注：*表示相关关系在P<0.05水平显著；**表示相关关系在P<0.01水平显著。

Note：*，**represent that the correlation is significant atP<0.05 andP<0.01 level，respectively.

3 结论与讨论

种子的萌发受其贮藏营养物质以及环境温度、土壤含水量等影响，前人研究表明，种子大小和播种深度也是影响种子萌发出苗的重要因素[14]。一般认为大粒种因贮藏营养物质较多，故种子越大，其活力指数较强，表现出较高的田间出苗率[15]。本试验结果也表明，大、中粒种不仅萌芽、出苗率高，而且活跃破土、出苗期短，出苗整齐度较高，为苗全、苗齐和苗匀奠定了良好基础。多数研究认为深播将延缓出苗时间、降低幼苗出苗率[16-18]。若播种深度过深，因土壤通气性差、氧气浓度过低、二氧化碳浓度过高等原因可能使种子进入次生休眠期[19-20]，即使种子能够正常萌发，也可能会因深度过深而导致无法破土出苗[21]。本研究也表明，深播会延缓破土、出苗时间，显著降低最终的破土、出苗率，但并不是在所有条件下均是播种越浅出苗率越高，在2015年的田间试验中，播种后因连续高温无雨，表层土壤干旱较为严重，2 cm播深的田间出苗率还略低于6 cm播深，而且深播对出苗率影响的程度因种子大小而异，其中大粒种受影响的程度较小，表明大粒种更耐深播。

光合作用是植物正常生长的生理基础，可以反映植株长势和抗旱性强弱[22]。叶绿素含量是重要生理指标之一，研究表明，叶绿素含量对光合及生理特性有显著影响[23]。王威等[24]研究表明，大种子的叶绿素含量始终高于小种子。本研究表明，大粒种三-七叶期的叶绿素a、b含量均较小粒种和中粒种高，表观量子效率、(最大)净光合速率(Pn和Pnmax)也较高，光合生产能力较强，为壮苗奠定了良好基础；播深对玉米苗叶绿素含量的影响在不同时期(叶龄)存在较大差异，三叶期时浅播的叶绿素含量较高，五、七叶期后深播的叶绿素含量较高，其相应的表观量子效率、(最大)净光合速率(Pn和Pnmax)也较高，光合生产能力较强，其主要原因可能是浅播因土壤温度较高，通气较好，出苗较快，初期生长较好，但土壤水分易散失，因而之后的生长逐渐受到干旱威胁，而深层土壤墒情相对较好，因而深播的优势逐渐得以体现，光合性能逐渐超过浅播处理。程秋博等[14]研究也证明适当深播情况下，幼苗后期表现出生长优势，且最终增产效果显著。

大、中粒种与小粒种相比，不仅破土、出苗率高，而且破土、出苗较整齐，幼苗生长更健壮，叶绿素a、b含量以及SOD、POD和CAT活性更高，表观量子效率(AQY)、(最大)净光合速率(Pn和Pnmax)更大，MDA含量更低；播种深度增加，破土、出苗时间推迟，破土、出苗率降低，特别是小粒种；浅播与深播相比，出苗初期(三叶期)的叶绿素含量较高，但五、七叶期后则降低，其SOD、POD和CAT活性和MDA含量也更低，表观量子效率(AQY)、(最大)净光合速率(Pn和Pnmax)更低，表明深播不利于玉米出苗，但有利于增强其苗后期的抗逆性和光合性能。