弱光涝渍复合胁迫对夏玉米产量及光合特性的影响

2021-10-20于维祯张晓驰胡娟邵靖宜刘鹏赵斌任佰朝

中国农业科学 2021年18期

于维祯，张晓驰，胡娟，邵靖宜，刘鹏，赵斌，任佰朝✉

1山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018; 2山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安 271018

0 引言

【研究意义】目前，全球气候不断恶化，阴雨寡照、高温干旱等极端天气频繁发生。自20世纪60年代以来，日光减弱加剧，玉米产量潜力下降[1]。同时，全球约有 10%的土地会受到渍涝的影响，造成高达20%的农作物产量损失[2]。极端降水指数长期演变趋势存在一定的空间差异性，近50年来，虽然降雨量总数减少，但夏季大雨和暴雨日数以及平均日降水强度等极端降水指数呈增加的趋势，常造成农田积水，导致玉米涝害[3-4]。我国长江中下游地区和黄淮海平原受渍涝灾害影响的面积最大，大约占全国总受灾面积75%以上，由于降水时空分布不均和光辐射减少造成的阴雨寡照已成为玉米生长关键季节常发的隐性灾害之一[5]，受东亚大陆性夏季风影响，山东、河南等夏玉米主产区夏季降水占全年的60%—70%，且玉米播种后较短时间内降水相对集中，生育中后期也常遇多雨天气，极易发生弱光胁迫与涝渍胁迫，而在长江流域中下游地区，玉米苗期常遇低温春雨，花期易遇因梅雨引发的弱光涝渍胁迫[6-10]，各生育时期均可能受到弱光胁迫与涝渍胁迫的影响，从而导致产量的降低。苗期淹水对玉米产量影响最大，拔节期次之，花粒期影响最小[11]，三叶期淹水 6 d后产量下降幅度可达41.5%，拔节期淹水后产量降低26.5%，花后淹水产量降低 15.3%[9]；与自然光处理相比，全生育时期遮阴导致产量下降92.66%，花后遮阴对玉米的影响大于花前遮阴，拔节期至开花期遮阴产量下降36.05%，花后遮阴产量下降65.78%[12]。此外，在实际生产中，弱光胁迫与涝渍胁迫的发生形成常表现为弱光涝渍复合胁迫。因此，研究不同生育时期寡照涝渍复合胁迫对玉米产量和生长发育的影响具有重要意义。【前人研究进展】目前，关于弱光、涝渍单一胁迫对玉米生长发育的影响国内外学者已进行了大量报道。涝渍胁迫导致叶片SOD、POD、CAT等保护酶活性降低，丙二醛含量增加，加剧了膜脂过氧化作用，叶绿体膜结构破坏，导致叶片失绿早衰[13-14]。同时，淹水后叶面积指数和叶绿素相对含量显著降低，这些现象均损伤夏玉米光合性能，降低净光合速率，进而影响光合同化物积累量，导致干物质积累总量的降低以及向籽粒的分配受抑制，最终导致产量降低，且以苗期受淹水影响最为显著[15]。弱光胁迫也可显著降低玉米抗衰老酶活性，并降低抗氧化小分子含量，从而导致自由基含量上升，破坏细胞器与膜结构，降低叶绿素含量，导致净光合速率的降低，荧光特性受损，并最终导致灌浆紊乱，产量降低，但花粒期受影响最为显著[16-19]。也有部分学者对复合胁迫的作物影响进行研究，花后遭受遮阴淹水复合处理抑制小麦干物质向籽粒的分配，并导致茎秆中干物质分配比例上升[20-21]，棉花不同生育时期进行遮阴淹水复合处理以生育早期受影响最为显著，且淹水处理占据主导地位，其减产程度大于遮阴、淹水处理，小于二者之和[22]。【本研究切入点】目前，夏玉米响应弱光或涝渍单一胁迫的生理机制已有较为系统的研究，但不同生育时期弱光涝渍复合胁迫对夏玉米光合特性及干物质积累特征的影响机理及与单一胁迫差异尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究在夏玉米不同生育时期设置遮阴、淹水及遮阴淹水复合处理，研究不同生育时期遮阴淹水复合处理对夏玉米产量、光合特性和干物质积累特征的影响，阐明夏玉米产量响应弱光涝渍复合胁迫的生理机制，以期为夏玉米的抗逆稳产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

本试验于2018—2019年，在山东农业大学黄淮海玉米科技园栽培池（2.5 m×2.5 m）中进行，分别于三叶期（V3）、拔节期（V6）、开花期（VT），进行遮阴（S）、淹水（W）和遮阴淹水复合处理（S-W）。利用透光率为60%的黑色遮阴网与钢架搭建可拆卸式遮光棚进行遮阴处理（V3-S、V6-S、VT-S），每个小区中铺有水管, 通过水阀控制水流，使得淹水处理期间保持 2—3 cm 水层, 设置淹水处理（V3-W、V6-W、VT-W），并通过遮阴设施与淹水设施相组合的方式进行遮阴淹水复合胁迫的处理（V3-S-W、V6-S-W、VT-S-W），以自然光照及正常水分处理为对照（CK）。2018年处理持续时间为3 d，2019年处理持续时间为6 d。每个处理 3 次重复，随机排列。供试品种为登海605（DH605），播前精细整地，种植密度为67 500株/hm2。按照高产田水平进行田间管理，于播种当日一次性施入 N 210 kg·hm-2，P2O552.5 kg·hm-2，K2O 67.5 kg·hm-2，氮肥为尿素（含 46% N），磷肥为过磷酸钙（含17% P2O5），钾肥为氯化钾（含60% K2O），2018年和2019年玉米生长季气候条件如图1所示。

1.2 测定方法

1.2.1 田间小气候采用 TES-1332A 型数字照度计，于玉米冠层上部30 cm处测定5：00—18：00的光照强度，采用GSP-6温湿度记录仪测定群体温度及群体内相对湿度的日变化。所有指标均于 V3、V6、VT处理期间测定，结果如图2所示。

1.2.2 光合参数利用CIRAS-3光合作用测定系统，于乳熟期（R3）测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等光合参数。

1.2.3 叶面积指数（LAI）每个小区选择15株长势一致具有代表性的植株，分别在拔节期（V6）、小喇叭口期（V9）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）和成熟期（R6），进行每片叶的长度和最大叶宽值的测定，并计算叶面积指数。

单叶叶面积（cm2）=叶长（cm）×叶宽（cm）×0.75；

LAI=（单株叶面积×每个小区的植株数）/小区面积。

1.2.4 叶绿素相对含量通过测定叶绿素相对含量（SPAD值）反应穗位叶的叶绿素含量，使用SPAD-502便携式叶绿素仪（Soil-plant Analysis Development Section，MinoltaCameraCo.，Osaka，Japan）分别于VT、V9、V12、VT、R3和R6时期进行叶片SPAD值测定。

1.2.5 光合产物的积累与分配在玉米V6、V9、V12、VT、R3和R6时期，选取代表整体长势的3株植株，V6、V9、V12和VT时期将植株分为叶片和茎秆，R3和R6时期植株按茎、叶、穗轴和籽粒分样，置烘箱内105℃杀青30 min，然后80℃烘干至恒重，称重。

1.2.6 收获与考种于玉米生理成熟期进行收获，每个处理选取30个具有代表性的果穗自然风干，考种后计算产量。产量的计算方法如下：

产量（kg·hm-2）=（收获穗数（ears/hm2）×穗粒数×千粒重（g））/1000×（1-含水量（%））/（1-14%）。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 23.0 软件进行数据整理及相关分析，Sigmaplot12.5作图。

2 结果

2.1 弱光涝渍复合胁迫对玉米产量及其构成因素的影响

不同生育时期进行遮阴淹水复合处理后夏玉米产量显著降低，V3时期遮阴淹水复合胁迫对产量的影响最为显著，V6时期次之，VT时期遮阴淹水复合胁迫对产量的影响较小（表1）。2018年，V3-S-W、V6-S-W 和 VT-S-W 处理的产量较 CK分别降低19.4%、18.5%和15.9%，2019年则分别降低45.6%、38.0%和 33.5%。此外，遮阴淹水复合处理的产量低于遮阴、淹水等单一处理。V3时期，遮阴、淹水处理与复合处理差异均达到显著水平，V6时期，复合处理与遮阴处理差异显著，VT时期，复合处理与淹水处理差异显著。2018年，V3-S-W 处理的产量较V3-S和V3-W处理分别降低17.1%和6.7%；V6-S-W处理的产量较V6-S处理下降10.8%；VT-S-W处理的产量较VT-S和VT-W处理分别降低9.2%和5.5%。2019年，V3-S-W处理的产量较V3-S和V3-W处理分别降低39.2%和9.1%；V6-S-W处理的产量较V6-S处理下降27.1%；VT-S-W处理的产量较VT-W处理降低20.8%。

表1 遮阴、淹水及其复合处理对夏玉米产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on summer maize yield and its components

遮阴、淹水及其复合处理影响夏玉米产量的构成因素。2018年，遮阴淹水复合处理对玉米的穗粒数有显著影响，与CK相比，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的穗粒数分别下降17.3%、14.7%和11.8%。单一胁迫也可影响穗粒数，V3-W 处理的穗粒数下降12.3%；V6-W和V6-S处理的穗粒数分别下降10.5%，2.9%；VT-W 和 VT-S处理的穗粒数下降幅度均为4.8%。2019年，遮阴、淹水及复合处理导致夏玉米穗粒数与千粒重均显著降低，V3-W、V3-S和 V3-S-W处理的千粒重较CK分别下降11.7%、5.3%和12.6%；V6-W、V6-S和V6-S-W处理的千粒重较CK分别下降9.8%、6.3%和9.8%；VT-W、VT-S和VT-S-W处理的千粒重较 CK分别下降 7.6%、6.3%和 7.6%。V3-W、V3-S和V3-S-W处理的穗粒数较CK分别下降26.6%、3.2%和34.5%；V6-W、V6-S和V6-S-W处理的穗粒数较 CK分别下降 9.8%、6.3%和 9.8%；VT-W、VT-S和VT-S-W处理的穗粒数较CK分别下降7.6%、6.3%和7.6%。

2.2 弱光涝渍复合胁迫对夏玉米光合速率及气体交换参数的影响

遮阴、淹水及其复合处理导致夏玉米叶片净光合速率显著降低，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的Pn较CK分别下降43.7%、41.1%和35.1%（表2）。遮阴淹水复合处理对的Pn影响大于遮阴或淹水单一处理，但V3和V6时期复合胁迫处理与淹水处理的差异不显著，而与遮阴处理差异达到显著水平，VT时期复合胁迫与淹水处理差异达显著水平。V3-S-W 处理的Pn较V3-S处理下降40.9%，V6-S-W处理的Pn较V6-S处理下降38.1%，VT-S-W处理的Pn较VT-W处理下降30.6%。此外，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的Tr较CK分别下降39.1%、40.9%和21.5%；V3-S-W处理的Tr较V3-W和V3-S分别下降了11.2%和28.6%；V6-S-W处理的Tr较V6-W和V6-S处理分别下降了15.3%和29.9%；VT-S-W处理的Tr较VT-W处理下降了6.4%。V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的Gs较CK分别下降49.3%、47.1%和45.7%；V3-S-W处理的Gs较V3-W和V3-S处理分别下降了4.7%和45.2%；V6-S-W处理的Gs较V6-W和V6-S处理分别下降了4.1%和45.4%；VT-S-W处理的Gs较VT-W和 VT-S处理分别下降了 38.6%和 8.5%。同时，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的Ci较CK有所上升，分别提高51%、39%和4%。淹水或遮阴单一处理的Ci也较CK上升，V3-W、V6-W和VT-W处理的Ci较 CK分别上升 44.0%、38.0%和 10.0%，V3-S、V6-S和VT-S处理的Ci较CK分别上升8.0%、17.0%和6.0%。

表2 遮阴、淹水及其复合处理对玉米光合速率及气体交换参数的影响（2019）Table 2 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on photosynthetic rate and gas exchange parameters of maize (2019)

2.3 弱光涝渍复合胁迫对叶绿素相对含量（SPAD值）的影响

遮阴、淹水及复合处理导致玉米 SPAD值显著降低（图3）。2018年VT时期V3-S-W和V6-S-W处理的SPAD值较CK分别下降8.4%和6.9%， V3-W和 V6-W处理的 SPAD值较 CK分别下降 7.1%和5.1%，V3-S和V6-S处理的SPAD值较CK分别下降 1.2%和 2.8%。R3时期，V3-S-W、V6-S-W 和VT-S-W 处理的 SPAD值与 CK相比分别下降14.7%、10.0%和7.4%；V3-W、V6-W和VT-W处理的SPAD值较CK分别下降10.8%、6.8%和3.2%，V3-S、V6-S和VT-S处理的SPAD值较CK分别下降1.1%、5.2%和6.3%。2019年，VT时期V3-S-W和V6-S-W处理的SPAD值较CK分别下降10.9%和8.2%，V3-W和V6-W处理的SPAD值较CK分别下降10.8%和8.1%，V3-S和V6-S处理的SPAD值较CK分别下降 3.7%和 4.4%。R3时期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的SPAD值与CK相比分别下降12.4%、8.1%和5.3%，V3-W、V6-W和VT-W处理的 SPAD值较 CK分别下降 12.0%、6.6%和4.4%，V3-S、V6-S和VT-S处理的SPAD值较CK分别下降4.2%、4.7%和5.1%。

2.4 弱光涝渍复合胁迫对叶面积指数（LAI）的影响

由图4可知，LAI呈单峰曲线变化，VT时期达到最大值，遮阴淹水复合处理的玉米叶面积指数（LAI）下降显著。2018年，V3-S-W和V6-S-W处理的LAI较CK分别下降29.7%和13.4%，V3-S-W处理的 LAI较 V3-W 和 V3-S分别下降 10.4%和22.5%，V6-S-W处理的LAI较V6-W和V6-S分别下降1.1%和10.9%。R3时期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W 处理的 LAI与 CK相比分别下降 38.5%、6.6%和6.3%，V3-S-W处理的LAI较V3-W和V3-S处理分别下降 5.5%、25.6%，V6-S-W 处理的 LAI较 V6-W 和 V6-S处理分别下降 0.8%和 5.5%，VT-S-W处理的LAI较VT-W和VT-S处理分别下降3.8%和2.6%。2019年，VT时期V3-S-W和V6-S-W处理的LAI较CK分别下降60.7%和60.8%，V3-S-W处理的 LAI较V3-W和V3-S处理分别下降9.0和21.6%，V6-S-W处理的LAI较V6-W和V6-S处理分别下降4.3%和25.4%；R3时期，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的LAI较CK分别下降59.2%、37.3%和17.8%，V3-S-W处理的LAI较V3-W和V3-S处理分别下降 2.6%、35.4%，V6-S-W 处理的 LAI较V6-W和V6-S处理分别下降10.5%和13.8%，VT-S-W处理的LAI较VT-W和VT-S处理分别下降2.6%和0.3%。

2.5 弱光涝渍复合胁迫对夏玉米干物质的积累与分配的影响

各处理地上部干物质积累趋势大致相同，遮阴淹水复合处理使玉米干物质积累速率下降（图5）。遮阴淹水复合处理后成熟期的单株干物质重显著降低，2018年，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的单株干重较CK分别下降19.6%、16.5%和13.7%；2019年，V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的单株干重较CK分别下降82.6%、60.2%和28.1%。复合处理的单株干重低于单一胁迫，2018年，V3-S-W处理的单株干重较V3-W和V3-S处理分别下降0.6%和12.5%，V6-S-W处理的单株干重较V6-W和V6-S处理分别下降1.5%和8.3%，VT-S-W处理的单株干重较VT-W和VT-S处理分别下降4.0%和1.2%。2019年，V3-S-W处理的单株干重较V3-W和V3-S处理分别下降0.6%和36.6%，V6-S-W处理的单株干重较V6-W和V6-S处理分别下降1.5%和27.3%，VT-S-W处理的单株干重较VT-W和VT-S处理分别下降12.7%和1.5%。此外，遮阴、淹水及其复合处理后干物质向籽粒分配比例显著降低。2018年V3-S-W、V6-S-W和VT-S-W处理的干物质向籽粒分配比例较CK分别降低26.0%、21.0%和10.1%，V3-W、V6-W、VT-W处理较CK分别降低23.9%、15.3%和4.1%；V3-S、V6-S和VT-S处理较 CK分别降低 2.2%、3.2%和 9.9%。2019年V3-S-W、V6-S-W 和 VT-S-W 处理较 CK分别下降21.8%、17.5%和19.4%，V3-W、V6-W和VT-W处理较CK分别降低14.3%、21.5%和7.7%，V6-S和VT-S处理较CK分别降低3.6%和20.8%（表3）。

表3 遮阴、淹水及其复合处理对干物质的分配的影响Table 3 Effects of shading, waterlogging and their combined treatment on dry matter distribution

3 讨论

3.1 弱光涝渍复合胁迫对玉米光合特性的影响

叶片是玉米进行光合作用的主要器官，叶片的大小与玉米光合能力强度呈显著正相关[2]。三叶期、拔节期和花后淹水均可加速叶片衰老，降低绿叶总数[6,10,14-15]。穗期、花粒期遮阴也导致玉米的叶面积显著降低[11,19]。本研究表明，弱光涝渍复合胁迫后夏玉米LAI显著降低，后期衰老加速，光合叶面积减少，进而影响夏玉米光合同化物的积累。叶绿素是进行光化学反应的重要载体，其含量反应植株固定光能产生光合同化物的潜能[22-23]。涝渍胁迫导致根系无氧呼吸加剧，产生乙醇等代谢产物，对植株产生毒化作用，导致叶片失绿萎蔫，同时增加植物体内的活性氧含量，破坏活性氧清除机制，导致SOD、POD、CAT等保护酶活性下降，丙二醛（MDA）含量增加，膜脂过氧化加剧，叶绿体超微结构破坏，叶绿素加速降解，光合能力下降[6,10,14]；弱光胁迫后叶绿素合成受阻，叶绿体结构破坏，加速叶片失绿，进而影响光合作用[17,24-25]。本研究表明，弱光涝渍复合胁迫导致夏玉米叶片的叶绿素含量显著下降，LAI显著降低，进而影响夏玉米叶片的光合作用，且遮阴淹水复合胁迫的LAI与SPAD值较CK的下降比例均高于任一单一胁迫。同时，不同生育时期的遮阴淹水复合胁迫后LAI与SPAD下降幅度均表现为V3-S-W＞V6-S-W＞VT-S-W，淹水、遮阴及其复合处理后LAI和SPAD含量的降低导致玉米的光合性能受损，光合效率降低。前人研究表明，淹水降低了玉米的光能有效截获率，并导致玉米Pn、Gs、Ci等光合指标显著降低，且以生育早期淹水影响最为显著[6,15]。苗期遮阴可以导致叶片同化能力降低，Ci值上升，穗期与花粒期遮阴则显著降低了玉米的Pn、Gs与Tr，且花粒期遮阴引起的光合效率降低幅度更显著[11,18,26]。弱光淹水复合胁迫对作物各生理特性的损伤程度高于单一胁迫，棉花遭受弱光涝渍复合胁迫后净光合速率与棉铃产量显著低于遮阴处理及淹水处理[22,27-29]。本研究中，弱光涝渍复合胁迫导致Pn、Gs、Tr等光合指标显著降低，且下降幅度高于单一胁迫。可见，弱光涝渍复合胁迫对夏玉米光合特性的影响具有一定的叠加效应，导致光合同化生产能力减弱，进而会导致干物质积累量减少，向籽粒转移的光合同化物供给下降，影响灌浆进程[20]，最终导致籽粒产量降低。同时，遮阴淹水后，Ci上升，说明遮阴淹水复合胁迫对玉米光合效率的影响同时受到气孔限制与非气孔限制的影响。此外，V3时期遮阴淹水复合胁迫对夏玉米光合性能的影响最为显著，V6时期遮阴淹水复合胁迫次之，VT时期的影响最小。

3.2 弱光涝渍复合胁迫对干物质积累分配特性及产量构成的影响

干物质积累是玉米产量形成的基础，其积累总量与产量呈显著正相关，遮阴和淹水均可导致成熟期干物质积累总量的降低[6-7,11-12,18-19]。本研究表明，遮阴淹水复合处理后夏玉米的光合特性显著降低，且其下降幅度大于大一胁迫，进而导致夏玉米光合同化物的积累受阻，干物质积累总量显著降低。干物质积累总量的降低，导致穗发育所需光合同化物供应不足，籽粒充实度变差[8]，进而影响产量形成。淹水[6,12]和弱光[28,30]导致作物的穗分化和籽粒灌浆受阻导致籽粒败育粒数显著增多, 穗粒数下降，籽粒体积和干重显著降低, 最终导致减产。本研究表明，遮阴淹水复合处理后夏玉米的穗粒数和千粒重均有所降低，下降幅度表现为V3＞V6＞VT,且其下降幅度大于遮阴或淹水单一处理，进而导致夏玉米产量下降。此外，产量的形成与干物质在各器官的分配比例有关，非生物逆境胁迫可限制光合同化物向作物籽粒中分配，导致粒重降低[1,20,25,28,31]。本研究表明，各生育时期弱光涝渍复合胁迫均导致成熟期干物质向籽粒的分配比例降低，V3时期遮阴淹水复合处理的干物质积累总量及向籽粒的分配比例最小，V6时期遮阴淹水处理次之，开花期最大，且复合胁迫对其的影响大于单一胁迫。可见，弱光渍涝复合胁迫后夏玉米干物质积累总量降低，向籽粒的分配比例减少，导致籽粒发育受阻，千粒重显著降低，进而导致产量显著降低。V3时期遮阴淹水复合处理导致产量降低幅度最大，V6时期遮阴淹水复合胁迫次之，VT时期较小，且遮阴淹水复合胁迫后产量的下降幅度显著高于遮阴、淹水处理。