西北旱区制种玉米灌浆期气孔导度与叶水势对水氮胁迫的响应

邓 鑫，冉 辉，于庭高，彭雪莲，纪莎莎，胡笑涛

(1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083)

西北旱区光热资源丰富，是重要的制种玉米生产基地，但该地区长期面临着水资源短缺问题，农业用水供需矛盾尖锐[1]。覆膜灌溉是当地制种玉米生产的主要模式[2]，然而在制种玉米生产中普遍存在水分利用效率低与不合理施氮问题[3]。探究合理的制种玉米水氮管理模式，揭示不同水氮条件下制种玉米植株水分状况变化规律，阐明水氮胁迫对植株水分状况的影响机理，对该地区水分利用效率的提升具有重要意义。

叶水势与气孔导度是反映和调节植株水分状况的重要指标，对植株蒸发蒸腾量具有显著影响。黎明前叶水势反映植株水分亏缺的恢复状况，正午叶水势反映植株水分最大亏缺程度[4]，气孔导度控制植株蒸腾速率强弱[5]。叶片水势与气孔开闭有着密切联系，研究表明，随着植物叶片水分散失和水势下降，气孔阻力增加，气孔开度相应减小[6]。水氮状况对植株叶片水势与气孔导度的调控均有影响，充分供水条件下，叶片保卫细胞膨压增大，有利于气孔的开启[7]；水分胁迫条件下，大量施氮会显著降低叶水势，同时增大气孔导度，进而提高植株蒸腾速率[8]，但施氮的缓解效应具有局限性，随着水分亏缺程度加大，増施氮肥不能对植物生理特性起到调节作用[9]。目前，水分利用效率的提高逐渐趋向于挖掘作物生理节水潜力，叶水势与气孔导度是衡量植株水分状况的重要依据。然而叶水势与气孔导度研究大多集中在水分亏缺，水氮共同作用下叶水势与气孔导度变化规律的研究相对较少。因此，本研究拟在不同水氮处理下，探究制种玉米灌浆期叶水势及气孔导度变化规律，以期为西北旱区水分利用效率提升提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在甘肃省武威市石羊河农业与生态节水试验站大田试验区进行(东经102°52′，北纬37°51′，海拔高1 581 m)。该地区属典型的温带大陆性干旱荒漠气候，光热资源非常丰富，常年干旱少雨，多年平均蒸发量为2 000 mm左右，而多年平均降水量为164.4 mm，水资源相对紧张，地下水埋深在25 m以下[10-11]。全年日照时数达3 000 h以上，昼夜温差大，无霜期在150 d以上，年平均气温为8℃，大于0℃的积温为3 550℃以上，试验区土壤质地大部分为粉质壤土，土壤容重为1.45 g·cm-3。

1.2 试验设计

供试玉米母本品种为“天瑞丰-2018”。设置2个灌溉水平，即充分灌溉(FI) 和亏缺灌溉(DI)，2个施氮水平，即150 kg·hm-2(N150)和0 kg·hm-2(N0)，共4个处理。FI处理小区计划湿润层内土壤含水率保持在田间持水量的75%以上。FI灌水量计算采用灌水前FIN150处理土壤实际含水率与田间持水量的差值计算。DI处理灌水量为FI处理灌水量的一半。FI处理全生育期灌水量为460 mm，DI处理全生育期灌水量为230 mm。灌水方式为畦灌。氮肥施用分为基肥与追肥，追基比为1∶1，分别在玉米种植前与玉米母本拔节期施入。试验采用分区组随机排列，每个处理3个重复，共12个小区，每个小区宽4 m，长6 m。父母本种植比例为1∶5，行距为40 cm，株距为25 cm，母本于4月15日播种，两批父本分别于4月20日和4月25日种植，9月13日收获。母本在抽穗期前人工去雄，病虫害防治等田间管理措施均按当地生产管理方式进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象资料 降水量、太阳辐射、空气温度和相对湿度数据取自试验站内的自动气象站(Hobo,Onset Computer Corp,USA)。VPD、ET0采用FAO Penman-monteith公式计算[12]。具体气象数据见图1。

1.3.2 观测指标 叶水势(φL):在灌浆期每个小区中间位置随机选取1株母本玉米穗位叶，采用露点水势仪(WP4C, Decagon devices)测定。黎明前叶水势和正午叶水势分别在5∶00和13∶00取样观测。叶水势日变化从8∶00—20∶00每隔2 h测量1次。

气孔导度(GS):采用稳态气孔计(SC-1, Decagon devices)测定。选择晴朗天气，在11∶00测量气孔导度最大值，测量部位为叶片距离叶尖15～20 cm处区域。气孔导度日变化从8∶00—20∶00每隔2 h测量一次。

气孔特征：采用印迹法测定[13]。各处理随机选取长势一致的母本玉米2株，用火棉胶溶液均匀涂抹穗位叶叶尖相同位置下表皮，干透后用镊子撕取表面薄膜，将其放在载玻片上，盖上盖玻片，置于生物显微镜(Motic BA210)下观测气孔形态特征。每个样本随机选取2～3个视野，放大400倍进行拍照，用Motic Images Plus 2.0软件测定每个视野内的气孔数及每个气孔的长度和宽度。

叶片水势与气孔导度的观测均选在晴天无云，测定部位在大喇叭口期时为倒三、四叶(完全展开)，抽雄期和乳熟期均为穗位叶。

1.4 数据处理

本文采用Microsoft Office Excel 2010软件进行数据处理与绘图，方差分析采用SPSS 20.0 软件(IBM SPSS Statistics 20.0)完成。

图1 2019年制种玉米灌浆期气象数据Fig.1 The meteorological data during grain-filling period of hybrid seed maize in 2019

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对制种玉米气孔导度的影响

2.1.1 不同水氮处理下制种玉米气孔导度变化 制种玉米灌浆期气孔导度变化情况如图2所示。从图中可以看出，气孔导度变化趋势可分为3个阶段，灌浆中期呈下降趋势，灌浆中后期呈上升趋势，灌浆后期下降。在灌浆中后期，与不施氮处理相比，施氮在充分灌溉与亏缺灌溉处理条件下均显著提高了制种玉米气孔导度；与充分灌溉相比，亏缺灌溉显著降低叶片气孔导度。充分灌溉条件下施氮使气孔导度平均提高45.28%，而亏缺灌溉条件下施氮使气孔导度平均提高29.21%。结果表明，高灌溉定额和施氮均有利于气孔开放，并且施氮对气孔导度提升效应与土壤水分状况有关。

注：箭头表示降雨(P)或灌溉(I)，且总量大于3 mm。下同。Note: Arrows represents rainfall (P) or irrigation (I) with the amount greater than 3 mm. The same below.图2 制种玉米灌浆期不同水氮处理气孔导度变化Fig.2 The stomatal conductance changes underdifferent water and nitrogen treatmentsduring grain-filling period for hybrid seed maize

2.1.2 不同水氮处理下制种玉米气孔导度日变化 制种玉米灌浆期气孔导度日变化规律如图3所示。各处理气孔导度呈先上升后下降的单峰曲线，且气孔峰值均出现在12∶00—14∶00，但DIN0处理气孔导度峰值显著降低且提前至10∶00左右，因为此时太阳辐射相对较低，可以以较少的水分损伤获得玉米所需要的光合效益，使得亏缺条件下水分利用达到较高的效率。此外，FIN150、FIN0、DIN150和DIN0处理气孔导度日平均值分别为0.192、0.133、0.184 mol·m-2·s-1和0.101 mol·m-2·s-1，表明充分灌溉与亏缺灌溉条件下，施氮均有利于提高气孔导度；施氮与不施氮条件下，亏缺灌溉均显著降低气孔导度。在亏缺灌溉条件下，施氮显著提升了气孔导度峰值且高于FIN0处理的气孔导度峰值，说明由于干旱导致气孔导度的降低可以通过增施氮肥得到部分缓解。

2.1.3 不同水氮处理对叶片气孔特征的影响 灌浆前中期不同水氮处理对叶片气孔特征影响如表1和图4所示。亏水灌溉处理下施氮显著增大气孔长度，并且DIN150处理与充分灌溉处理气孔长度大小无明显差异，说明施氮有效地缓解了干旱造成的气孔长度降低。施氮与不施氮处理相比，充分灌溉下气孔宽度增加了19.46%，亏缺灌溉下降低了9.42%；与充分灌溉处理相比，亏缺灌溉下气孔宽度极显著降低，DIN150处理较FIN150处理降低了32.19%，DIN0处理较FIN0处理降低了10.57%，说明适当施氮植物生理活性较高，在水分充足的情况下，叶片气孔散失的水分就越多。此外，与不施氮处理相比，施氮有利于气孔数量的增加，充分灌溉下增加了8.46%，亏缺灌溉下增加了6.00%；与充分灌溉处理相比，亏缺灌溉下气孔数量显著增多，DIN150处理较FIN150处理增加了12.77%，DIN0处理较FIN0处理增加了15.38%。对比FIN0和FIN150，充分灌溉条件下施氮主要通过增加气孔开度和气孔数量提高气孔导度；对比FIN0和DIN0，亏缺灌溉下气孔数量提高，气孔长度和宽度均显著减小，通过增加单位面积气孔数量、减小气孔开度来应对水分损失，提高抗旱能力。

2.2 不同水氮处理对制种玉米叶水势的影响

2.2.1 不同水氮处理下制种玉米叶水势变化 灌浆期不同水氮处理下黎明前与正午叶水势如图5所示。从图中可以看出，黎明叶水势值在灌浆中期最高，在-1.0～-0.5 MPa之间。随着灌浆进程的推进，黎明叶水势呈下降趋势，水势值低于-1.00 MPa。

图3 制种玉米不同水氮处理下气孔导度日变化Fig.3 Diurnal variation of stomatal conductance for hybrid seedmaize under different water and nitrogen treatments

图4 制种玉米灌浆期不同水氮处理叶片气孔特征(2019-07-20)Fig.4 The stomatal characteristics of leaves under different water and nitrogen treatmentsduring grain-filling period for hybrid seed maize on July 20, 2019

充分灌溉条件下，施氮显著降低黎明叶水势，但总体上均高于亏缺灌溉处理；亏缺灌溉条件下，施氮提高了黎明叶水势，这意味着施氮有利于植株水分亏缺的夜间恢复，对白天水分胁迫具有一定的补偿作用。对于正午叶水势，充分灌溉条件下，施氮处理正午叶水势低于不施氮处理，而亏缺灌溉条件下，施氮有利于提高正午叶水势，说明施氮有利于抑制叶片水分进一步亏缺，增加植株耐旱能力。

黎明与正午叶水势之差反映植物体内水分亏缺程度，即蒸腾散失水分量。水势差越大，越有利于根系吸收水分以适应干旱环境，提高水分利用效率。灌浆中期各处理吸水能力均较强，随着灌浆进程推进，DIN150处理仍保持较高的吸水能力，而其他处理吸水能力有所减弱。说明制种玉米灌浆中后期，DIN150处理水分利用效率最高。

表1 不同水氮处理下制种玉米气孔特征变化

注：面积图上下边长分别表示黎明和正午叶水势。Note: The upper and lower side lengths of the area map represent the leaf water potentialbefore dawn and midday leaf water potential, respectively.图5 制种玉米灌浆期不同水氮处理叶水势变化Fig.5 The changes of leaf water potential of hybrid seed maize under different water and nitrogen conditions during grain-filling period

2.2.2 不同水氮处理下制种玉米叶水势日变化 制种玉米灌浆期叶水势日变化规律如图6所示。各处理叶片水势日变化呈倒U型，且叶水势峰值均出现在14∶00前后。相较气孔导度峰值，叶水势峰值有所延后，原因可能14∶00之前根系吸水速率小于叶片蒸腾速率，水分持续亏缺，14∶00之后，蒸腾速率随太阳辐射减弱而降低，根系吸水速率开始逐渐大于蒸腾速率。此外，充分灌溉处理叶水势整体高于亏缺灌溉(P<0.05)；亏缺灌溉条件下，施氮比不施氮叶水势值平均上升5.97%，并且FIN150、FIN0、DIN150和DIN0处理叶水势日平均值分别为-1.64、-1.66、-1.68 MPa和-1.78 MPa，说明干旱条件下施氮能有效抑制叶片水分亏缺。

3 讨 论

图6 制种玉米不同水氮处理下叶水势日变化Fig.6 Diurnal variation of leaf water potential of hybridseed maize under different water and nitrogen conditions

水氮调控作为减少作物水肥用量的方法之一，对西北旱区作物水肥利用效率的提高有重要意义[14-15]。叶水势、气孔导度是衡量植物水分胁迫的生理指标，反映并调节着植物体内水分状况[16-17]。本研究中，气孔导度和叶水势日变化分别呈先升后降单峰抛物线型和倒U型，与武志海等[18]、蔡太义等[19]的研究结果相似。上午随着太阳辐射增强，气孔开度增大同时有利于叶片水分逸出，叶水势逐渐降低，中午大气蒸发能力强，气孔“午休”减少水分消耗，但玉米根系吸水速率依旧小于叶片蒸腾速率，叶水势持续降低，下午太阳辐射减弱，气孔开度减小，根系吸水满足蒸腾需要，叶水势逐渐恢复。Greenwood等[7]研究得出高灌溉定额处理能显著提高气孔导度，石多琴等[20]研究得出叶水势随着灌水量增加而提高，均与本文的研究结果接近。

关于亏水灌溉下叶水势的变化规律，Marigo等[21]认为，干旱条件下叶片低水势能建立更高的土壤—植物—大气连续体的水势梯度，更有利于植物对水分的吸收从而保持自身水分平衡，本研究也得到了相似的结论。本研究发现，在亏缺灌溉下，施氮对干旱胁迫有补偿作用，可以抑制叶片水势的降低，同时促进气孔开放，随着灌水量增加，施氮对气孔开放的正效应越大，水氮之间存在着互作效应[22]。在微观气孔特征研究中，亏水灌溉处理下叶片气孔数量多、气孔宽度小，有利于减少水分逸出，同时施氮可以显著增大气孔长度，这与高志英等[23]研究结果一致。与FIN150处理相比，DIN150处理在灌浆中后期黎明与正午水势差较大，根系保持着较强的吸水能力，在气孔导度及叶水势日变化中，该处理气孔导度和叶水势日均值相比FIN150处理分别下降了4.09%和1.89%，但灌水量少了一倍，并且DIN150处理气孔长度长及气孔数量多对干旱胁迫有更强的调节能力，因此，在覆膜制种玉米灌浆期可以适度控水，有效控制植株蒸腾，减少水分散失，提高水分利用效率。

4 结 论

灌浆期制种玉米在不同水氮模式下叶水势和气孔导度的响应存在差异，充分灌溉处理黎明、正午叶水势值总体均高于亏缺灌溉处理；在亏缺灌溉处理下，叶片气孔数量多、气孔宽度小，有利于减少水分逸出，气孔导度和叶片水势的降低可以通过施氮得到部分补偿；与不施氮处理相比，施氮有利于增大气孔开度、气孔长度，从而提高气孔导度，并且水氮之间存在着互作效应。