土壤水分对玉米叶绿素荧光指标的影响研究

李 波 ，李 婷，王铁良，丰 雪(沈阳农业大学，沈阳 110866)

玉米是当今世界重要的粮食作物之一，如何提高玉米产量同时最大限度地节约灌水是人们研究的重点。玉米干物质产量的90%以上是由光合作用生产的[1,2]，在一定范围内叶绿素含量的高低则直接影响叶片的光合能力[3,4]。水分亏缺对植物的光合作用的影响是多方面的，不仅直接引发光合机构异常，同时也影响光合电子传递，而叶绿素荧光可用来评价光合机构的功能[5,6]。叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中，光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点，被称为测定叶片光合功能快速、无损伤的探针[7,8]。近年来，叶绿素荧光参数在国内外研究比较广泛。王建程等[9]研究认为叶绿素荧光参数对水分的响应非常显著，可作为判断玉米水分胁迫程度的理想指标；刘明等[10]研究认为不同品种玉米对叶绿素荧光指标变化规律不同，可以作为玉米抗旱鉴定指标；周祥利等[11]研究认为水分胁迫条件下，PSⅡ活性中心受到影响从而抑制光合作用的原初反应和光合电子的传递；Dodd等[12]研究在水分胁迫下，PSⅡ反应中心处于完全关闭时的量子产量下降，通过PSⅡ的电子传递量减少。水分是作物进行光合作用的必要原料之一，土壤水分状况直接影响作物的光合性能及产量水平。为了研究水分胁迫对作物叶片叶绿素荧光的影响机制，已有学者对小麦、茶树、葡萄等其他作物的水分亏缺对叶绿素荧光参数影响做出了大量的研究[13-16]，而针对玉米某生育期内叶绿素荧光指标与土壤水分关系研究较少。

本试验采用防雨棚设施，在玉米全生育过程控制不同土壤水分，监测并分析叶绿素荧光指标与土壤水分的相关关系，探索玉米生育期内叶绿素荧光指标在水分亏缺时所表现的规律，为指导玉米田间精准灌溉提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验概况

试验于2014年5-9月在辽宁省沈阳市沈阳农业大学试验场防雨棚内进行。试验区位于北纬41°44′，东经123°27′，海拔44.7 m。多年平均降水量716.2 mm，全年无霜期168 d。土壤为潮棕壤土。地表以下1 m内土层的平均土壤容重为1.38 g/cm3。田间持水率为0.32 cm3/cm3。

试验作物为玉米，品种为美津599。灌溉方式采用重力膜下滴灌。滴灌管直径16 mm，壁厚0.6 mm，滴头间距30 cm，流量2.4 L/h。试验区土壤的理化性质见表1。

表1 土壤理化性质Tab.1 Soil physical and chemical properties

1.2 试验小区布置

根据玉米膜下滴灌水肥管理技术规程[17]，试验设置为6个处理，每个处理3次重复，共18个试验小区。每个小区长1.7 m，宽1.3 m，深1.7 m。每小区设大垄双行，每行4株，株距325 mm，行距424 mm。坑内壁均用混凝土砌筑，以防不同水分处理间的土壤水分侧渗。试验小区采用随机排列，降雨时用防雨棚遮盖，防止雨水对试验的影响。试验布置情况如图1所示，小区布置如图2所示。各试验小区施相同基肥，基肥由KSO4、(NH3)2PO4和尿素组成，施肥量分别为450、600、300kg/hm2。

图1 试验布置情况Fig.1 Experiment arrangements

图2 小区布置图(单位：mm)Fig.2 Plot layout

1.3 玉米水分胁迫设计

玉米整个生育期划分为5个生育阶段：苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期。以土壤水分作为控制灌溉的灌水指标。以玉米抽雄期和灌浆期为主要研究时期。其具体设计方案见表2，表中数值为田间最大持水率(31%)的体积百分数。

表2 玉米各生育期土壤含水率控制范围 %θfTab.2 Soil moisture control all growth stages of maize

1.4 测定指标与方法

1.4.1土壤含水率

土壤水分采用TRIME-PICO64时域反射仪(TDR)对其每日观测，确保玉米各生育期的土壤水分保持在试验设计范围内，观测时间均在每日上午的8∶00-10∶00间，每个小区重复测2次，取其平均值进行数据分析，以确定供水量和实际的耗水量。若出现土壤水分低于设计下限，则采用下式进行灌水计算：

m=H(θs-θ0)ps

(1)

式中：θs为土壤含水量上限值，体积含水量；θ0为实测土壤含水量平均值，体积含水量；s为试验小区面积，本试验小区面积为1.3 m×1.7 m，m2；H为玉米计划湿润层深度。苗期：0.3 m，拔节、抽雄、灌浆、成熟期：0.6 m；P为滴灌湿润比，0.6(微灌工程技术规范SL103-95)；m为灌水定额，m3。

1.4.2叶绿素荧光指标

叶绿素荧光指标采用P-PEA便携式植物效率仪(英国Hansatech公司)测定。观测的叶绿素荧光指标主要为最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)。

选择晴朗的天气，在上午9∶00-10∶00期间进行观测，这段时间是植物体一天之中生理反应最活跃的时候，此时测叶绿素荧光参数比较稳定。分别在玉米抽雄期和灌浆期至少连续5 d进行观测。每次测定均在小区内随机取2株样本，每次选择植株顶部的第二片全展叶为观测对象，测定前，用特制的暗适应夹对叶片进行充分的暗适应20 min后，再用仪器测定，取其平均数。

1.4.3产量

玉米成熟时各测坑单独收获、脱粒并计产。每个处理的玉米产量均以重复小区产量的平均值来代表该处理的实际产量。

2 结果与分析

2.1 玉米抽雄期叶绿素荧光指标与土壤水分的关系

2.1.1土壤水分变化对叶绿素荧光指标的影响

在玉米抽雄期连续观测土壤含水率及其叶绿素荧光指标(7月8日下雨，没进行观测)，不同水分处理下的叶绿素荧光指标即最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性Fv/F0和PSⅡ光化学效率Fv/Fm变化不同，抽雄期玉米叶绿素荧光指标具体变化情况见图3。

由图3可知，玉米抽雄期的叶绿素荧光指标，在高水分处理下的叶绿素荧光指标均最大，其次依次分别为中、低水分处理。当土壤含水量达到85%θf～95%θf，其实测的土壤含水率均值为25.8%时，玉米叶绿素荧光强度最高，此时玉米的最大荧光Fm的均值为18 550.1，PSⅡ的潜在活性Fv/F0均值为2.99，PSⅡ光化学效率Fv/Fm均值为0.78，均高于其他水分处理，其测得的土壤含水量均值分别为22.5%、18.2%。由此可知，3个土壤水分处理中，玉米抽雄期土壤水分达到85%θf时，玉米叶绿素荧光强度最高，此时可最大限度地保证玉米营养生长和生殖生长并进。

图3 玉米灌浆期叶绿素荧光指标与土壤水分的关系Fig.3 Relationship in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of tasseling stage

2.1.2叶绿素荧光指标与土壤水分简单相关分析

试验选取连续观测的3个叶绿素荧光指标和及其当天测得的土壤含水率值，用SPSS软件对土壤水分和叶绿素荧光指标进行皮尔逊(Pearson)相关性检验分析。试验数据由表2可知，在玉米抽雄期，土壤含水率与最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性Fv/F0和PSⅡ光化学效率Fv/Fm的相关系数γ分别为0.696、0.633和0.827(当0.8<|γ|<1时，表示非常强的相关，当0.6<|γ|<0.8时表示强相关)，说明土壤含水率与Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈正相关关系。进一步对照其所对应的显著性p值分别为0.004<0.01、0.009<0.01和0<0.01(p值即sig小于0.01说明差异显著，接受原假设；大于0.01则不显著，拒绝原假设)，表明土壤含水率与最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性Fv/F0和PSⅡ光化学效率Fv/Fm的相关性显著。此外，由表2还可看出叶绿素荧光指标Fm、Fv/F0、Fv/Fm之间均有显著地相关性。

由此可知，在玉米抽雄期，土壤水分与叶绿素荧光指标Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈显著的相关性，其中PSⅡ光化学效率Fv/Fm与土壤水分的相关性最大，其显著性p值为0<0.01。

2.2 玉米灌浆期叶绿素荧光指标与土壤含水率的关系

2.2.1土壤水分变化对叶绿素荧光指标的影响

在玉米灌浆期连续观测土壤含水率及其叶绿素荧光指标(7月22日下雨，没进行观测)，不同水分处理下的叶绿素荧光指标变化不同，该时期玉米叶绿素荧光指标具体情况见图4。

表3 抽雄期叶绿素荧光指标与土壤含水率相关性分析Tab.3 Relative analysis in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of tasseling stage

注: *表示在P=0.05水平显著, ** 表示P=0.01水平显著。

由图4可知，玉米灌浆期的叶绿素荧光指标在高、中、低3个水分处理中的变化情况为：高水分处理下的叶绿素荧光指标均最大，其次依次分别为中、低水分处理。即当土壤含水量达到80%θf～90%θf，其实测的土壤含水率均值为23.6%时，叶绿素含量最高，此时玉米的最大荧光Fm的均值为21 194.04，PSⅡ潜在活性Fv/F0的均值为3.602，PSⅡ光化学效率Fv/Fm的均值为0.786，均高于其他处理，其测得的土壤含水量均值分别为20.2%、17.3%。因此，玉米灌浆期的土壤水分应达到80%θf。

2.2.2叶绿素荧光指标与土壤水分的简单相关分析

由表4可知，在玉米灌浆期，土壤含水率与Fm、Fv/F0和Fv/Fm的相关系数γ分别为0.666、0.884和0.843，说明土壤含水率与Fm、Fv/F0和Fv/Fm均呈正相关关系。进一步对照其所对应的显著性p值分别为0.007<0.01、0.001<0.01和0<0.01，表明土壤含水率与Fm、Fv/F0和Fv/Fm的相关性显著。此外，由表4还可知，Fm、Fv/F0和Fv/Fm相互之间均呈相关关系。

图4 玉米灌浆期叶绿素荧光指标与土壤水分的关系Fig.4 Relationship in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of filling stage

由此可知，在玉米灌浆期，土壤水分与叶绿素荧光指标均呈显著的相关性，其中PSⅡ潜在活性Fv/F0与土壤水分的相关性最大，其显著性p值为0<0.01。

表4 灌浆期叶绿素荧光指标与土壤含水率相关性分析Tab.4 Relative analysis in soil moisture and chlorophyll fluorescence index of filling stage

2.3 玉米叶绿素荧光指标与土壤水分的典型相关分析

2.3.1玉米抽雄期叶绿素荧光指标与土壤含水率的典型变量分析

典型相关分析：首先，在每组变量中找出变量的一个线性组合，使得两组的线性组合之间具有最大的相关系数。然后，选取相关系数仅次于第一对线性组合并且与第一对线性组合不相关的第二对线性组合，如此继续下去，直到两组变量之间的相关性被提取完毕为止。被选出的线性组合配对称为典型变量，它们的相关系数称为典型相关系数。典型相关系数度量了这两组变量之间的联系的强度。

玉米抽雄期叶绿素荧光指标数组与土壤水分呈显著的典型正相关(P<0.01)，也就是说当把最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性Fv/F0和PSⅡ光化学转化效率Fv/Fm看作一个整体的时候，这个整体与土壤水分的相关性极显著，与土壤水分的典型相关系数为0.832，其显著性为0.004。因各原始变量的量纲不同，故采用标准化的典型系数与原始变量的线性组合来表示典型变量，抽雄期用U来表示叶绿素荧光要素。

表5 抽雄期叶绿素荧光指标标准化的典型系数Tab.5 Chlorophyll fluorescence index standardization correlation coefficient of tasseling stage

从叶绿素荧光指标的典型变量的构成从表5来看，玉米抽雄期叶绿素荧光指标数组间线性关系为U=1.025x3-0.158x2+0.121x1，从该关系式中可以看出x3权重最大，其标准化系数为1.025，也就是说在叶绿素荧光指标数组中x3(PSⅡ光化学转化效率Fv/Fm)与土壤水分的关系最密切，而x2(PSⅡ潜在活性Fv/F0)与x1(最大荧光Fm)的系数虽然相对较小，但是也不容忽略。

2.3.2玉米灌浆期叶绿素荧光指标与土壤含水率的典型变量分析

玉米灌浆期叶绿素荧光指标数组与土壤水分呈显著的典型正相关，与土壤水分的典型相关系数为0.893，其显著性为0。采用标准化的典型系数与原始变量的线性组合来表示典型变量，灌浆期用V来表示叶绿素荧光要素。

表6 灌浆期叶绿素荧光指标标准化的典型系数Tab.6 Chlorophyll fluorescence index standardization correlation coefficient of filling stage

从叶绿素荧光指标的典型变量的构成从表6来看，玉米灌浆期叶绿素荧光指标数组间的典型变量为V=0.757x2+0.399x3-0.168x1，由此可知，PSⅡ潜在活性Fv/F0是叶绿素荧光指标与土壤水分相关关系中的主要变量，在玉米灌浆期，当土壤水分变化时，叶绿素荧光指标中受其影响最大的为x2(PSⅡ潜在活性Fv/F0)，而此时正是玉米植株生长与生殖生长并进的阶段。这一结果与简单相关结论一致。

2.3.3玉米抽雄期和灌浆期叶绿素荧光指标对比

由表7可知，比较玉米抽雄期与灌浆期这两个重要生长时期中的叶绿素荧光指标(最大荧光Fm、PSⅡ潜在活性Fv/F0、PSⅡ光化学效率Fv/Fm)均值，灌浆期均高于抽雄期，可见，在玉米灌浆期叶绿素荧光强度较高，该时期高水分处理更有利于玉米干物质产生。

表7 抽雄期与灌浆期叶绿素荧光指标及产量均值对比表Tab.7 chlorophyll fluorescence index average contrast in tasseling stage and filling stage

从对玉米抽雄期与灌浆期叶绿素荧光指标和土壤水分相关性分析可知，玉米在灌浆期叶绿素荧光强度要大于抽雄期，且玉米灌浆期叶绿素荧光指标与土壤水分的相关性比抽雄期更显著。在玉米抽雄期对各小区进行不同土壤水分处理时，随着各处理土壤水分下限的不同，叶绿素荧光指标也随之有显著不同，从典型相关和简单相关均可看出玉米叶绿素荧光指标与土壤水分呈显著的相关性，且在该时期，PSⅡ光化学转化效率Fv/Fm较其他叶绿素荧光指标与土壤水分的相关性更显著，其所占权重最大，受土壤水分影响最为敏感。

在玉米灌浆期对各小区进行不同土壤水分处理时，叶绿素荧光指标与土壤水分仍然呈显著的相关关系。在该时期与抽雄期不同的是，此时玉米PSⅡ潜在活性Fv/F0在整个指标与土壤水分的相关性中占主导地位，而不再是PSⅡ光化学转化效率Fv/Fm，在典型变量中x2(PSⅡ潜在活性Fv/F0)相对应的标准化系数达到了0.757，说明此时PSⅡ潜在活性Fv/F0受土壤水分影响最为敏感。

叶绿素荧光强度的高低在一定程度上代表了光合强度的高低，并且光合强度的高低也代表了干物质生产能力的大小，因此，叶绿素荧光指标与土壤水分状况密切相关。从表7可以看出，抽雄期和灌浆期采用不同的土壤水分控制下限，对玉米的产量有较显著影响。在玉米抽雄期和灌浆期两个关键需水期，当土壤水分分别达到85%θf和80%θf时，玉米荧光强度最高，玉米籽粒产量最大，其产量分别达到了13 993.05、14 768.25 kg/hm2。

3 结 语

通过小区试验以土壤水分作为控制灌溉指标研究土壤水分对玉米叶绿素荧光指标的影响，探索叶绿素荧光指标对土壤水分变化反应最敏感的指标。主要结论如下：

(1)在玉米抽雄期，当土壤水分达到85%θf时，玉米的叶绿素荧光强度达到最高。该时期土壤水分与叶绿素荧光指标呈显著的相关性，其典型相关系数为0.832，显著性为极显著(P<0.01)。在叶绿素荧光要素中，PSⅡ光化学效率Fv/Fm的权重最大，其标准化系数为1.025，说明此时PSⅡ光化学效率Fv/Fm受土壤水分变化的影响最为敏感。

(2)在玉米灌浆期，即当土壤水分达到80%θf时，玉米的叶绿素荧光强度达到最高，此时叶绿素荧光指标与土壤水分的典型相关系数为0.893，其显著性为极显著。在叶绿素荧光要素中，PSⅡ潜在活性Fv/F0的权重最大，其标准化系数为0.757，此时PSⅡ潜在活性Fv/F0成为受土壤水分变化影响最敏感指标。

(3)玉米灌浆期叶绿素荧光强度均大于抽雄期；两时期均在高水分处理时表现为叶绿素荧光作用强，产量高。在抽雄期高水分处理的玉米产量为13 993.05 kg/hm2在灌浆期高水分处理的玉米产量为14 768.25 kg/hm2，说明灌浆期土壤水分是决定玉米产量高产的关键因素之一。

通过研究说明，作物叶绿素荧光参数对于土壤水分变化反应敏感，可以很好地反映玉米的水分亏缺状态，可以作为指导玉米田间精准灌溉的指标。

4 讨 论

叶绿素荧光参数是灵敏、无机械损伤研究和评价逆境条件下植物光合系统的重要参考指标，比净光合速率更能反映光合作用的真实行为[18]。张石锐等[19]研究表明土壤水分与水稻叶片的激光诱导叶绿素荧光之间存在相关性，在测量条件相同的情况下，叶绿素荧光强度随水分胁迫的加剧而降低，与本实验结果相一致。蒲光兰等[20]研究表明叶绿素荧光参数间相关性随土壤相对含水量的下降而逐渐减弱，正常供水条件下，2/3以上荧光参数相关性达显著水平，胁迫至后期仅1/3显著相关，在本实验过程中，不同水分亏缺条件下，玉米叶片的叶绿素荧光参数对土壤水分敏感性是不同的，不同生育时期，叶绿素荧光的敏感指标也在变化。虽然叶绿素荧光动力学参数在测定玉米受亏缺程度方面有着独特的优势，但它们与水分亏缺的相关性还有待进一步研究。

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