行向和种植方式对生育后期玉米叶片衰老进程的影响

， ，

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；3.吉林省农业技术推广站，吉林 长春 130102)

0 引 言

玉米是我国第一大粮食作物，产量高于水稻和小麦。玉米增产潜力巨大，许多学者通过研究玉米的栽培途径来达到增产的目的。在作物的栽培过程中，生育后期叶片功能的过早衰退是影响产量的重要因素[1]。随着玉米籽粒和营养器官成熟发育同时进行，延长玉米叶片功能，防止其过早老化成为亟需解决的问题[2]。

玉米的行间距配置影响冠层结构，适宜的行向和行距配置可以构建良好的群体冠层结构，进而有利于提高冠层光、温度、湿度和CO2等微环境[3-6]。玉米南偏西 20°行向、160 cm+40 cm垄距种植模式通过定向、定距种植而改变植株田间配置，优化了群体结构，改善了群体内光照、温度、湿度和CO2等微环境，可能对玉米叶片生长和功能产生影响，从而在一定程度上减缓了玉米的衰老速度。

南偏西 20°行向是中国科学院东北地理与农业生态研究所研发的新型高光效种植垄向，这个角度是根据试验地处吉林省德惠市的纬度，通过公式计算得到。选择这样的种植垄向可以使种植行的水平投影最短，保证作物植株得到光照时间最长，再结合太阳辐射的日变化规律，确定南偏西 20°为新型种植模式的垄向[7-8]。

前人对传统种植方式和宽窄行不同种植方式下的玉米叶片生育后期的生理衰老影响差异研究较多，但是对南偏西 20°行向、160 cm+40 cm垄距种植的玉米不同叶位叶片生育后期的生理指标的变化规律研究较少。因此，通过大田试验，测定玉米开花期后一些与光合和衰老有关的生理指标，比较不同种植方式对玉米生理指标的影响差异，对揭示南偏西 20°行向、160 cm+40 cm垄距种植方式对玉米生育后期延缓衰老的机理提供理论依据和决策参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于吉林省德惠市米沙子镇晨光村6社的中国科学院东北地理与农业生态研究所德惠试验基地(125°33′28″E，44°12′21″N)，该基地属于中温带大陆气候，年平均气温4.4℃，年平均降水量520 mm，无霜期138 d。试验区土壤为中层黑土，耕层土壤(0～20 cm)基本理化性状为有机质26.9 g·kg-1，全N 1.20 g·kg-1，全P 1.06 g·kg-1，全K 16.9 g·kg-1，速效氮119 mg·kg-1，速效磷18.0 mg·kg-1，速效钾111 mg·kg-1，土壤容重1.12 g·cm-3，pH 6.6。

试验采用裂区设计，玉米种植行距为主区，玉米种植行向为副区。种植行距分为65 cm、160 cm+40 cm，种植行向分为东西向(EW)、南偏西20°(SW20)行向，共设计4个小区，每个小区面积600 m2，3 次重复。玉米品种为良玉99。试验采用手工点播，播种密度为6.50万株·hm-2。施肥量为N 240 kg·hm-2，P2O5和K2O为90 kg·hm-2。播种前施用磷肥，钾肥和40%氮肥，60%氮肥用于拔节期追肥。其他管理措施与当地相同。

分别在开花期，开花后15 d，开花后30 d和开花后60 d共取样4次。自地面以上最先生长出的叶片称为第一片叶，自基部向上，分别为第二片叶，第三片叶……。取第九片叶(记为9th leaf，代表下部叶片)、穗位叶(记为ear leaf，代表中部叶片)和第二十片叶(记为20th leaf，代表上部叶片)。在各小区按照“S”形选取生长状态一致3株有代表性的玉米植株进行测定。叶绿素含量用 SPAD-502 型叶绿素计测定，测定部位为每株玉米不同层次叶片的基部、中部和尖部主脉两侧，取不同部位SPAD的平均值作为该层叶片的SPAD值。

在测定完SPAD值后，避开主叶脉，用剪子分别在叶片中部剪取1 g左右的叶片迅速放入液氮中，带回实验室测定超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性。 SOD 酶活性测定采用氮蓝四唑光化还原法测定[9]，POD酶活性的测试采用愈创木酚法[9]测定。

于开花后60 d取全株叶片，棒三叶做为一组(记为中部叶片)，棒三叶以上作为一组(记为上部叶片)，棒三叶以下作为一组(记为下部叶片)，分别烘干粉碎后，测定N元素含量。

1.2 数据分析

用 Microsoft Excel 2003和SPSS16.0软件进行统计分析，Origin8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同行向和种植方式玉米生育后期不同叶位叶片SPAD值动态

穗位叶和下部叶片的SPAD值较高，而上部叶片的SPAD值最低，见图1。不同行向比较，开花后15 d，玉米的下部叶片和穗位叶受行向影响达显著水平，均为南偏西20°行向高于东西行向，分别提高9.15%和10.9%。开花后60 d，玉米的上部叶片的SPAD值受行向影响，程度达显著水平。不同时期比较，下部叶片和中部叶片前期的SPAD值高于后期，而上部叶片在前期SPAD值较低，而后升高，至后期又降低。在生育后期，东西行向种植的玉米穗位叶和上部叶片，160 cm+40 cm垄距比65 cm均匀垄分别高了4.21%和5.05%；南偏西20°种植的玉米上部叶片，160 cm+40 cm垄距比65 cm均匀垄高了13.1%。

图1 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片生育后期SPAD值Fig.1 SPAD value of leaves at different leaf positions of maize with different row orientations and planting patterns

2.2 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片氮含量

不同部位N含量的关系表现为(图2)：穗位叶>上部叶片>下部叶片。不同的行向比较，南偏西20°行向种植下的玉米上、中、下不同部位叶片中N含量均显著高于东西行向(P<0.05)，分别提高11.2%、13.0%和33.3%，不同的种植垄距下的玉米不同叶位叶片的N含量差异也达到了显著水平。在南偏西20°行向中，160 cm+40 cm垄距种植下的玉米下部叶片中N含量显著高于65 cm均匀垄，提高8.08%，上部、中部叶片分别高于65 cm均匀垄4.46%和2.16%，但未达到显著水平。

图2 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片生育后期N含量Fig.2 Nitrogen contents of maize leaves at different leaf positions with different row orientations and planting patterns

2.3 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片SOD酶活性动态变化

不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片生育后期SOD酶活性见图3。不同叶位比较，开花期和开花后15 d，玉米不同叶位的SOD酶活性相差不大，而开花后30 d和开花后60 d，玉米不同层位叶片SOD酶活性出现明显差异，表现为：下部叶<穗位叶<上部叶。不同行向比较，65 cm均匀垄中，南偏西20°种植的开花期玉米穗位叶和上部叶片、开花15 d玉米下部叶片以及开花30 d玉米穗位叶中SOD酶活性显著高于东西行向，分别高17.5%、67.3%、22.7%和79.1%。160 cm+40 cm垄距中，南偏西20°种植的开花30 d下部叶片和穗位叶中SOD酶活性显著高于东西行向，分别高72.4%和23.2%。不同行距比较，东西行向中，160 cm+40 cm垄距种植的开花期玉米穗位叶和上部叶片、开花15d玉米下部叶片和穗位叶、开花30 d玉米穗位叶中SOD酶活性显著高于65 cm均匀垄，分别高32.6%、47.1%、98.5%、96.3%和25.3%。南偏西20°中，160 cm+40 cm垄距种植的玉米开花15 d穗位叶和上部叶片、开花60 d玉米上部叶片中SOD酶活性显著高于65 cm均匀垄，分别高112.5%、24.4%和62.4%。不同时期比较，下部叶片和穗位叶的SOD酶活性呈下降趋势，上部叶片的SOD酶活性在各个时期保持平缓状态。

2.4 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片POD酶活性动态变化

不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片生育后期POD酶活性见图4。从不同时期来看，三种不同叶位的叶片POD酶活性呈先降低后增加的趋势。开花期玉米的下部叶片和上部叶片以及开花30d玉米上部叶片均受到不同行向和行距的影响(图4)，差异达到了显著。不同行向比较，65 cm均匀垄中，南偏西20°种植的开花期玉米的下部叶片和上部叶片以及开花30d玉米上部叶片POD酶活性显著高于东西行向，分别高215.8%、23.4%和31.3%。160 cm+40 cm垄距中，南偏西20°种植的开花期和开花30 d玉米的上部叶片POD酶活性显著高于东西行向, 分别高16.5%和15.4%。不同行距比较，东西行向中，160 cm+40 cm垄距种植的开花期玉米下部叶片和上部叶片POD酶活性显著高于65 cm均匀垄，分别高78.9%和25.4%。

图4 不同行向和种植方式玉米不同叶位叶片生育后期POD酶活性Fig.4 POD activity of maize leaves at different leaf positions with different row orientations and planting patterns

3 讨 论

叶片的叶绿素浓度下降可能是导致光合作用下降的重要原因，叶片变黄速率和持绿期等可作为衰老进程的度量指标[10-11]。另外，种植密度会显著改变群体内微气候环境，这可能导致玉米叶片衰老进程出现差异，所以本研究从个体层面着眼于叶片衰老与SPAD值的关系。因为叶绿素含量下降是植物衰老过程的标志[12]，所以本研究进一步对玉米不同部位叶片叶绿素含量进行比较，发现不同部位叶片衰老存在进度和程度上的明显差异，下部叶片和中部叶片前期的SPAD值高于后期，而上部叶片的SPAD值呈现先升高后降低的趋势。这是因为此时上部和中部叶片刚展开，处于生长发育的前期，叶绿素含量处于增长阶段，而下部叶片已经进入到衰老阶段，处于叶绿素含量由最高值下降的时期，所以此时叶绿素含量表现为下部叶片>中部叶片>上部叶片，这与高英波等[13]人的研究相同。罗瑶年等认为玉米叶片衰老是从基部叶开始，而后下部叶，转向上部叶再发展到中部穗三叶(穗位叶及穗位上、下2 叶) ，穗三叶的功能期最长，衰老发生最晚[14]，这与本文指出穗位叶的叶绿素含量高于其他部位的观点一致。在开花后15 d，南偏西20°行向种植下的玉米下部叶片和中部叶片，以及开花后60 d，玉米上部叶片中SPAD值显著高于东西向，说明南偏西20°行向有效减缓玉米叶片SPAD值下降，有利于延缓叶片衰老的速度。这是由于南偏西20°行向可以缩短作物的水平投影，使玉米得到的光照时间最长，所以叶片的叶绿素含量最高。并且在开花后15 d，南偏西20°、160 cm+40 cm种植方式玉米穗位叶叶绿素含量和传统种植方式相比有显著差异。氮素是植物生长不可或缺的大量营养元素，是构成生物体蛋白质、核酸、叶绿素及酶等的成分，是限制植物生长和形成产量的首要因素，对改善作物品质也有明显作用[15]。南偏西20°行向种植下的玉米上、中、下不同部位叶片中N含量均极显著高于东西行向，说明南偏西20°行向种植玉米叶片更易于进行光合作用。光合效果好，光合产物增加促进氮素积累，合成植物体必要组成成分。在南偏西20°行向中，160 cm+40 cm垄距种植下的玉米下部和上部叶片中N含量显著高于65 cm均匀垄，说明不同种植方式对玉米不同叶位叶片N含量影响不一样。在开花后60 d，南偏西20°、160 cm+40 cm种植方式下的玉米穗位叶N含量显著高于东西垄向、65 cm均匀垄，说明前者更有利于改善叶片营养状况，从而促进光合作用，增加营养物质的积累。

自Fridovich 提出生物自由基假说,许多学者已深入关注植物抗逆和衰老机制研究。大量研究已证明，叶片衰老过程是活性氧代谢紊乱的过程，SOD、POD和CAT是植物体内最重要的活性氧清除系统[16-17]。国内外学者一致认为,叶片中保护酶活性受干旱和营养缺乏的逆境影响升高，细胞膜脂过氧化程度降低[18-22]，但这些研究主要针对果穗叶。王空军等[20]则认为中下部叶片保护酶活性高和膜脂过氧化程度低是我国20世纪90年代玉米品种高产抗逆的有利因素。本研究以传统种植方式下的玉米为参照,比较我国东北地区160 cm +40 cm垄距种植的春玉米冠层不同部位叶片抗氧化酶活性,结果表明：SOD酶活性下降速度为：下部叶>穗位叶>上部叶；在开花后15 d和30 d，南偏西20°、160 cm+40 cm种植方式下的玉米穗位叶SOD酶活性显著高于东西垄向、65 cm均匀垄；在东西垄向中，160 cm+40 cm垄距种植的玉米不同时期的穗位叶均明显大于65 cm均匀垄，说明160 cm+40 cm垄距种植方式叶片有较强的活性氧和超氧物阴离子自由基的清除能力，这对于延缓衰老具有重要意义。这与宽窄行种植方式有关，与传统均匀垄种植相比较，功能叶片的光照条件得到了改善，提高了光合作用，叶片的衰老速度减慢。在整个生育期内，3种不同叶位的叶片POD酶活性呈先降低后增加的趋势，后期增加的原因可能是因为POD酶与SOD酶在清除活性氧的过程中起到协同作用，玉米在生育后期，群体密度加大，透光性下降，促使叶片功能期缩短，加快衰老进程，细胞中SOD和POD含量都很低时，植物体会增加POD酶来抵抗外界不良环境[23]。

综上所述，无论在何种行向下，160 cm+40 cm垄距对玉米上部叶片延缓衰老的效果显著，抗逆性显著增强；并且在相同的种植方式下，吉林省地区的玉米种植垄向以南偏西20°最佳。

4 结 论

玉米穗位叶的SPAD值较高，而上部叶片的SPAD值最低；南偏西20°行向中，前期的下部叶片和穗位叶，以及后期上部叶片中SPAD值显著高于东西行向。南偏西20°行向种植下的玉米上、中、下不同部位叶片中N含量均极显著高于东西行向。在南偏西20°行向中，160 cm+40 cm垄距种植下的玉米下部和上部叶片中N含量显著高于65 cm均匀垄。超氧化物歧化酶活性下降速度为：下部叶>穗位叶>上部叶，东西行向中，160 cm+40 cm垄距种植的玉米不同时期的穗位叶和上部叶片均明显大于65 cm均匀垄，说明160 cm+40 cm垄距种植方式下叶片有较强的活性氧和超氧物阴离子自由基的清除能力，这对于延缓衰老具有重要意义。在整个生育期内，3种不同叶位的叶片过氧化物酶活性呈先降低后增加的趋势。与传统种植方式下的玉米相比，160 cm+40 cm垄距种植的玉米叶片衰老进程延缓，且衰老程度明显较低。在吉林省粮食产区，行向为南偏西20°，行距为160 cm+40 cm的宽窄行种植方式可以优化玉米的生理特性，提高玉米产量。

不同种植方式和不同垄向处理对玉米种群环境条件的影响是不同的，这种影响对最终光合产物积累的影响值得进一步研究，这在一定程度上能为玉米高产栽培提供合理的理论支撑。

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