水肥耦合对玉米生理生化特性及产量的影响

杨锦越，赵晓燕，沈建华，刘君鹏，宋 碧*，张 军

(1.贵州省农业科学院 旱粮研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025)

0 引言

【研究意义】在农业生产中，水、肥、气、热适宜的相互协调是保证农作物高产高效生产的重要因素，其中，在大田生产中，水肥是可通过人工控制的重要农业资源，水是使肥效得到发挥的关键，肥是实现高产的重要前提。水肥不协调将影响玉米植株的总代谢水平及其对环境抗逆性，从而影响产量[1-3]。目前，季节性干旱和施肥量偏高是西南地区农业生产上存在的主要问题之一。因此，进一步研究水肥耦合理论和技术对玉米产业健康发展和提升竞争力具有重要意义。【前人研究进展】国内外就水肥耦合对农作物的生理生化特性及产量的影响已开展了一定的研究。刘树堂等[4]研究表明，全生育期玉米叶片SOD活性趋势一致，多在吐丝期达最高，随后急剧下降，POD活性趋势与之相近，但后期降幅较缓；相同灌水水平下，施控释肥的SOD活性显著高于常规施肥与自配复混肥，POD活性受施肥影响不显著。战秀梅等[5]研究表明，适宜的氮、磷、钾肥用量可明显提高玉米叶片SOD活性，降低POD活性，有效地延缓玉米生育后期叶片的衰老，从而提高产量。张立新等[6]研究表明，施用氮、钾肥和甜菜碱能不同程度地提高夏玉米SOD和POD活性，降低MDA含量，减缓水分胁迫下膜脂过氧化作用。【研究切入点】在前人关于水分胁迫和施肥量对玉米生理生化性状及产量的影响研究中，鲜见水分和施肥量两者耦合对生理生化特性和产量的影响报道，忽视了水肥协调对其生理生化和产量的作用。【拟解决的关键问题】以玉米品种中单808为试材，采用4因素(土壤持水量、施氮量、施磷量和施钾量)3水平正交试验，探明水肥耦合对玉米叶片的SOD酶活性、POD酶活性、可溶性蛋白含量及玉米经济产量的影响，弄清玉米高产栽培水肥的最佳配合，为大田栽培玉米提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在贵州大学教学实验农场塑料大棚内进行。玉米供式品种为中单 808，试验选用聚乙烯塑料桶为盆栽用桶，高45 cm、直径30 cm。肥料选用复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)为基肥，尿素为追肥。供试土样为取自贵州大学教学实验场大田耕层的黄壤土，pH 5.42，有机质21.34 g/kg，全氮3.56 g/kg，碱解氮94.24 mg/kg，速效磷22.16 mg/kg，速效钾150.53 mg/kg。土样风干过筛后装盆，每桶装土15 kg。盆土自然沉降15 d后取样测定土壤田间持水量，以确定保持不同调亏程度所需浇水的量。

1.2 试验设计

采用L9(34)正交试验设计，4个因素分别为土壤持水量(A)、施氮量(N)、施磷量(P)和施钾量(K)，每个因素各设置3个水平(表1)，每个处理10次重复，磷、钾肥和20%的氮肥作为基肥一次性施入，在拔节期和大喇叭口期以尿素追肥，施氮量各占总施氮量的40%。基肥与土壤混合均匀后一起装进试验桶。以育苗盘育苗，在2叶期选择长势相近的幼苗移栽，每桶栽1株，浇适量定根水。水分控制采用称重法，不同水分处理开始时期为玉米展4叶期，水分持续胁迫时间12 d，12 d后复水到田间最大持水量的70%～80%。除田间水分和施肥量按照上述处理实施以外，其余管理措施相对一致。

表 1 水肥耦合试验因素水平及L9(34)正交设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生理生化指标 在复水后5 d、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期分别取植株叶片测定生理生化指标。NBT光还原法测定SOD活性，愈创木酚法测定POD活性，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[7]。

1.3.2 测产与考种 玉米成熟后，采收完晾晒至安全含水量(14%)后计产，同时进行室内考种，考种内容包括穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、穗重及千粒重等指标。

1.4 数据分析

采用Excel 2007、DPS V 7.05、Minitab 19和SPSS 19.0进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合处理玉米叶片的SOD活性

由图1可知，在复水5 d时，T9(A3N3P2K1)玉米叶片的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明土壤持水量为70%～80%时，增加钾素营养可提高玉米叶片SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。在拔节期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明在土壤持水量为55%～65%时，氮素营养过高，不利于SOD合成。在大喇叭口期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T9(A3N3P2K1)最低；抽雄吐丝期以T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T2(A1N2P2K2)最低。表明，土壤持水量为40%～50%时，玉米生殖生长后期需大量的氮磷钾营养供应才可维持SOD活性。

图 1 不同处理各时期玉米叶片的SOD活性

通过各因素SOD活性极差分析可知(表2)，磷营养对POD活性的影响最大，其次钾和氮，土壤持水量影响最小。各因素对SOD活性的最佳组合为A1N2P1K1, 该组合并不在9个处理中，但与T1(A1N1P1K1)组合最接近，符合正交试验处理少的设计初衷,是统计学上筛选的结果。

表 2 各因素不同水平玉米叶片SOD活性及极差

2.2 水肥耦合处理玉米叶片的POD活性各时期

由图2看出，不同水分和氮磷钾含量的组合处理对玉米叶片POD活性的影响差异显著。复水5 d时，T3(A1N3P3K3)POD活性最高，T6(A2N3P1K2)最低，差异显著，说明土壤持水量为40%～50%条件下，减施氮磷钾肥可提高POD活性。拔节期和抽雄吐丝期分别以T8(A3N2P1K3)和T4(A2N1P2K3)的POD活性最高,均以T1(A1N1P1K1)POD活性最低，表明玉米生殖生长后期土壤持水量为40%～50%条件下，过量氮磷钾肥会降低玉米叶片POD活性，减弱组织防御活性氧伤害的能力。

图 2 不同处理各时期玉米叶片的POD活性

通过各因素POD活性极差分析(表3)可知，磷营养对POD活性的影响最大，其次钾、氮，土壤持水量的影响最小。各因素对POD活性影响的最佳组合为A2N1P3K3,与T4(A2N1P2K3)处理最接近。说明土壤持水量为55%～65%条件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)低钾(100 kg/hm2)，有助于提高玉米叶中的POD活性，从而提高作物抗氧化能力。

表 3 各因素不同水平玉米叶片的POD活性及极差

2.3 水肥耦合处理玉米叶片的可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是反映植物对环境抗逆性的重要指标[8]。由图3可知，可溶性蛋白含量在处理间均表现差异显著。复水5 d时，T9(A3N3P2K1)可溶性蛋白含量最高，T4(A2N1P2K3)最低，说明此时期土壤持水量为70%～80%时，低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高钾(300 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。拔节期以T7(A3N1P3K2)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，说明相较于复水5 d时，拔节期需氮量增大，需磷、钾量减少。大喇叭口期以T1(A1N1P1K1)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，说明此时期土壤持水量为40%～50%条件下，增施氮磷钾肥可提高可溶性蛋白含量。抽雄吐丝期以T8(A3N2P1K3)可溶性蛋白含量最高，T2(A1N2P2K2)最低，说明此时期土壤持水量为70%～80%条件下，中氮(350 kg/hm2)、高磷(150 kg/hm2)、低钾(100 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。

图 3 不同处理各时期玉米叶片的可溶性蛋白含量

通过各因素可溶性蛋白含量极差分析(表4)可知，磷营养对玉米叶片可溶性蛋白含量的影响最大，其次土壤持水量和氮营养，钾营养的影响最小。各因素对可溶性蛋白含量影响的最佳组合为A3N2P3K3，与T8(A3N2P1K3)处理最接近，说明土壤持水量70%～80%、中氮(300 kg/hm2)、高磷(100 kg/hm2)、低钾(100 kg/hm2)，有助于提高玉米叶中可溶性蛋白含量。

表 4 各因素不同水平玉米叶片的可溶性蛋白含量及极差

2.4 水肥耦合对玉米产量的影响

2.4.1 产量 由表5可知，不同土壤持水量和氮磷钾施肥量组合对玉米产量性状及产量有明显的影响。T9(A3N3P2K1)表现最优，玉米穗粒数、千粒重和产量分别为535.6粒/穗、375.65 g和9 943.48 kg/hm2。T2(A1N2P2K2)穗粒数最少，为175.3粒/穗；千粒重最小，为171.83 g；与T9的差异均达极显著水平。说明土壤持水量为70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高钾(300 kg/hm2)条件有利于玉米干物质的积累，更有利于提高产量。

表 5 不同处理玉米的产量性状及产量

2.4.2 玉米产量与水肥效应方程的构建根据土壤持水量(X1)和氮(X2)、磷(X3)、钾(X4)肥施用量与玉米的产量(Y)作回归分析，建立玉米产量的水肥效应方程：

Y=-3 115.665+2 789.182X1+1 016.210X2+97.582X3+431.887X4(R=0.948*)，不同水肥条件下所得到的水肥效应方程达显著水平。土壤持水量、氮磷钾肥施用量对产量的影响均表现为正效应，各因素效应系数为土壤持水量>氮>钾>磷，表明玉米产量对土壤持水量最为敏感，土壤含水量对玉米产量起主导性作用；其次是氮钾肥施用量，磷肥用量对玉米产量影响最小。

3 讨论

SOD是植物重要的保护酶之一，具有防御活性氧伤害和防止超氧自由基对生物膜系统的氧化作用，在细胞抗氧化和衰老方面，SOD活性的高低是植物细胞自身抗衰老能力强弱的重要标志[9]。前人研究表明[10-12]，缺氮或氮素营养过高均不利于SOD的合成，氧自由基的清除能力减弱，衰老进程加速；适量的氮素能提高保护酶活性，增强叶肉细胞对活性氧自由基的清除能力，有效控制膜脂过氧化水平，最大限度地维持细胞的稳定性，延缓衰老进程。适量的钾素供应能够使植物抵抗衰老的能力增强，清除活性氧的能力提高；缺钾或钾素供应过多，不能使钾的生理功能充分发挥，从而使 SOD 活性降低。张立新等[6]研究表明，水分胁迫下玉米SOD显著降低。本研究表明，在玉米不同生长时期，玉米叶片SOD活性含量变化与土壤持水量和施肥量有很大关系。土壤持水量为40%～50%时，过量的氮磷钾营养供应可维持SOD活性，提高植株的抗逆性；在土壤持水量为55%～65%时，氮素营养过高,不利于SOD的合成。拔节期前土壤持水量为70%～80%时，增加钾素营养可以提高SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。

POD是植物组织防御系统中的重要保护酶，可以消除细胞内活性氧对细胞膜的伤害，减少膜脂过氧化，稳定膜透性。在玉米衰老过程中，叶片可溶性蛋白含量可作为衡量叶片衰老程度的指标之一[13]。本研究表明，适量的氮磷钾肥条件下，水分是影响POD活性的重要原因，土壤持水量为55%～65%条件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、低钾(100 kg/hm2)，有助于提高玉米叶中的POD活性，从而提高作物抗氧化能力。在玉米生长不同时期，土壤持水量和氮、磷、钾肥施用量对可溶性蛋白含量的影响有差异，土壤持水量为40%～50%条件下，增施氮、磷肥可以提高可溶性蛋白含量。与前人研究结果相符[14-17]。

不同土壤持水量和氮磷钾施肥量组合对玉米产量性状及产量有明显的影响。土壤持水量为70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高钾(300 kg/hm2)条件对穗粒数及千粒重的效果更好，更有利于提高产量，与POD和可溶性蛋白含量在抽雄吐丝期上升有关。根据不同的土壤持水量和施肥量与玉米的产量效应方程可知，土壤持水量、氮磷钾肥施用量对产量的影响均表现为正效应，各因素效应系数为土壤持水量>氮>钾>磷；因此，土壤含水量对玉米产量起主导性作用，这是因为在一定范围内，土壤含水量的增加可以使土壤水势升高，土壤水势的升高对于养分向根系表面的流动具有明显的促进作用，而且加快了土壤中有机质和肥料的有效转化，从而提高了水肥利用率[18]。

4 结论

玉米产量与土壤持水量和氮、磷、钾肥的施用量表现为正的耦合效应，但是在3种土壤持水量条件下，磷对产量的耦合效应系数最低。本研究条件下，土壤持水量为70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高钾(300 kg/hm2)，能达到较高的产量效益。