叶面喷施沼液对玉米叶片光合特性及产量的影响

孙小妹，陈思瑾，李翊华，高海宁，李金霞，陈年来

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070； 3.河西学院农业与生物技术学院，甘肃 张掖 734000)

河西走廊作为我国最大的玉米制种基地，其产值占全国玉米良种生产的70%.然而，在河西走廊制种玉米产业蓬勃发展的同时，存在化肥过施、肥料利用率低、土壤性状变差、生产成本增加的问题[1]，严重制约着制种玉米产业生产效益的提高[2]，且与农业部“十三五”规划中化肥使用量零增长的要求极不适宜(农业部制订“到2020年化肥使用量零增长行动方案”).

沼液作为沼气生产过程中的副产品，富含营养元素、氨基酸、维生素、植物激素等生理活性物质.研究表明沼液灌溉可提高土壤中有机质和速效氮的含量[3]，如果将沼液与减半的无机肥配施，可显著提高水稻籽粒产量[4]；在油桃中的研究也发现沼液灌溉是通过提高叶片净光合速率而达到增产的效果[5].因此，沼液灌溉不仅有利于增加农作物产出，还可提高农业废弃物资源的综合利用[6].

沼液在玉米上的应用研究主要涉及沼液浸种对发芽势的影响[7]、土壤的化学性质对沼液追施的响应[8]、沼液使用量对夏玉米源-库代谢过程中关键酶活性的影响等方面[9].在对产量方面的研究结果表明，单施沼液或沼液与化肥配施可显著提高甜玉米的产量和品质[10-11]，同时减轻沼液直接排放对环境的负面效应[12-13].然而，以上研究多采用随水灌施的方式，且关于沼液施用增加玉米产量的生理机制还缺乏必要的实证研究[14].

光合作用作为干物质生产过程的核心，植物间光合能力差异造成干物质累积代谢过程的差异，继而影响植物生长发育和经济产量的积累[15].大田条件下叶面沼液喷施对玉米叶片光合特性的研究，不仅能提高沼液利用对增产效应机理的全面认识，同时可促进沼液在玉米产业发展中的应用.因此，本研究拟通过田间试验，研究化肥减量条件下沼液喷施对制种玉米产量构成性状、品质、光合特性和叶绿素含量的影响，探讨沼液喷施影响玉米产量的生理机制，以期为玉米高产栽培和农业废弃物的资源化利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在张掖市高台县进行.供试玉米品种为‘先玉335’.沼液由甘肃省高台县方正节能科技服务有限公司提供，为连续发酵2个月的牛粪沼液，悬浮物1.19%，电导率 4813.75 mS/cm，pH 7.61，有机质0.29%，全氮 1261.34 mg/L，HN3-N 1 017.46 mg/L，全磷 128.00 mg/L，全钾 859.02 mg/L.

1.2 试验设计

于2017年4月10日播种，10月25日试验结束，大喇叭口期前的施肥用量按照田间管理实施，大喇叭口期后不再追肥，利用不同浓度的沼液喷施代替肥料.试验共设4个处理：喷施清水(对照，C)和沼液∶水分别为1∶1、1∶2和1∶4处理，每个处理重复3次.采用随机区组排列，共12个小区，小区面积15 m2(3 m×5m)，株间距20 cm，行间距50 cm，每小区种植玉米126株，处理间间隔100 cm，四周设保护行.分别在大喇叭口期、灌浆期、乳熟期叶面喷施沼液，3 d后测定叶绿素含量以及光合特性.于灌浆期喷施沼液后 4～7 d制作光合响应曲线.玉米成熟采收后统计株穗数、穗粒数和千粒质量，折算公顷籽粒产量，并分析籽粒蛋白质含量.

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶片光合色素含量测定 参照李合生《植物生理生化试验技术与方法》[16]进行.

1.3.2 各生育期叶片光合特性测定 于玉米大喇叭口期(7月9日)、灌浆期(7月27日)、乳熟期(8月8日)分别喷施沼液，3 d后开始测定光合特性.选择晴朗无云的天气，于早上9∶00～11∶00用便携式光合测定系统CIRAS-2(PP-system，英国)获取功能叶片光合参数，计算瞬时水分利用效率(WUE=Pn/Tr).每个小区选择5株长势相近的植株，每个时期选择各株同一位置的功能叶片，每个叶片记录5组稳定数据.

1.3.3 光合速率光响应 在灌浆期测定光响应曲线，选择晴天09∶00～11∶00进行.每个处理测定5株，每株选取中间部位的1个功能叶片，在各光强梯度下自动记录5组数据.光响应测定时，叶室温度21～21.45 ℃，CO2浓度为390 μL/L，湿度为空气相对湿度的95%，光照强度由高到低依次设为2 000、1 600、1 200、900、600、400、300、200、100、50、30、0 μmol/(m2·s)共12个梯度，相邻两个梯度之间等待2～3 min至数据稳定.

1.4 数据分析

1.4.1 光响应模拟 利用直角双曲线修正模型拟合光响应曲线：

式中：Pn为净光合速率，α为光响应曲线的初始斜率，I为光合有效辐射，β为修正系数，Rd为暗呼吸速率，γ=α/Pnmax.

1.4.2 方差分析 统计分析在SPSS 16.0中完成，方差分析(ANOVA)采用Duncan’s multiple range tests(Duncan 多重比较)比较不同处理间在光合特性和产量构成及品质指标的差异，RDA分析在Canoco for windows 4.5上运行，作图在GraphPad Prism上实现.

2 结果与分析

2.1 叶片光合色素含量

由图1可知，在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期，叶绿素a的浓度在清水喷施处理下均高于沼水1∶1处理(图1-A).而沼水1∶1处理下叶绿素b的浓度在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期均显著高于其他3个处理(图1-B).叶绿素总量的变化趋势跟叶绿素b浓度的变化趋势相似(图1-C).在沼水1∶1处理下叶绿素a/b分别在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期显著低于其他3个处理，而清水喷施处理下叶绿素a/b最大(图1-D).

2.2 光合特性生育期动态

大喇叭口期、灌浆期和乳熟期，沼水1∶1处理的Pn显著大于其他3个处理；其中，大喇叭口期沼水1∶1处理的Pn分别比沼水1∶2、1∶4和对照高32.2%、46.8%和48.3%；灌浆期的Pn在沼水1∶2和1∶4处理间差异不显著，但显著大于对照；乳熟期的Pn在沼水1∶2、1∶4和对照间差异不显著(图2).Tr对不同浓度沼液喷施的响应在3个关键时期的规律不一致.在大喇叭口期，沼水1∶1和1∶2处理的Tr显著大于沼水1∶4处理；在灌浆期沼水1∶1处理的Tr显著高于其他3个处理，分别比对照、沼水1∶2处理和1∶4处理高18.3%、15%、12.6%；在乳熟期沼液喷施对Tr的影响不显著(图3).利用净光合速率和蒸腾速率算得叶片WUE，在大喇叭口期沼水1∶1处理的WUE分别比对照、沼水1∶2和1∶4显著提高了34.8%、35.2%和29.3%，但是这3个处理间差异不显著；与对照相比，在灌浆期和乳熟期沼液喷施显著提高了叶片WUE(图4).

图1 沼液喷施对玉米关键期光合色素含量的影响Figure 1 Effects of different biogas slurry application on chlorophyll contents of maize at key growth stages

2.3 光合作用的光响应

不同浓度沼液喷施下灌浆期叶片光响应参数见表1.Pnmax随沼液喷施浓度升高而升高，排序为沼水1∶1>1∶2>1∶4>对照，其中沼水1∶1处理的Pnmax分别比沼水1∶2、1∶4和对照大21.7%、31.1%和47.2%.玉米达到Pnmax相对应的光饱和点(LSP)的排序为对照>沼水1∶1>1∶2>1∶4，对照处理的LSP分别比沼水1∶1、1∶2和1∶4处理高5.5%、16.4%和21.2%.光补偿点(LCP)是Pn为零时对应的光照强度，结果表明与对照相比沼液喷施降低了玉米关键期的LCP；相应沼液喷施后玉米叶片表观量子效率(AQY)在沼水1∶1、1∶2和1∶4处理分别比对照高47.1%、40.2%和36.2%.当光合有效辐射(PAR)为0时，与对照相比，沼液喷施使暗呼吸速率(Rd)降低，其中沼水1∶2处理的Rd值最低.

图2 沼液喷施对玉米光合速率的影响Figure 2 Effects of different biogas slurry application on Pn of maize

图3 沼液喷施对玉米蒸腾速率的影响Figure 3 Effects of different biogas slurry application on Tr of maize

图4 沼液喷施对玉米水分利用效率的影响Figure 4 Effects of different biogas slurry application on WUE of maize

2.4 品质及产量

在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期，沼液喷施对籽粒蛋白质含量的影响不显著(图5).

与清水喷施相比，沼液喷施提高了产量构成性状：株穗数(NGP)、穗粒数(NGE)和千粒质量(MG)的绝对值(表2).株穗数和穗粒数在沼水1∶1、1∶2、1∶4处理下分别比对照提高了8.9%、7.9%、2.9%和4.9%、3.8%、0.6%，其中沼水1∶1处理的株穗数和穗粒数显著高于对照.而千粒质量表现为沼水1∶1、1∶2和1∶4处理显著高于对照(P<0.05)，增幅分别为6.3%、6.3%和6.0%.随沼液喷施浓度的增加，产量显著增加，表现为沼水1∶1处理>1∶2处理>1∶4处理>对照，沼水1∶1、1∶2和1∶4处理的产量分别比对照高21.5%、15.3%和9.7%.

表1 玉米叶片灌浆期光合作用的光响应相关参数

表2 不同沼液追施处理下玉米产量构成性状

图5 沼液喷施对籽粒蛋白质含量含量的影响Figure 5 Effects of different biogas slurry application on protein content

2.5 产量与光合特性性状间的关系

冗余分析(RDA)分析表明产量构成性状中与产量相关性更强的性状为NGP和NGE，其中NGP对产量的影响强度要大于NGE(图6).分析光合特性性状间的关系，Pnmax、Pn与chlb三者间关联性很强，WUE与AQY和LSP与Rd分别显著正相关.分析产量与光合特性性状间的关系，对产量影响最为显著的性状为Pnmax、Pn和chlb，其次为WUE与AQY(图4).

农业生产的最终目的是优质高产低耗，产量是评价沼液喷施效果的最终衡量标准.利用产量做因变量，用灌浆期的光合特性性状做自变量，利用逐步线性回归，获得与产量关联性最强的指标为Pnmax和chlb(表3)，这与RDA分析所得结果一致.比较Pnmax与chlb的直接和间接通径系数，表明Pnmax对产量的直接作用大于chlb，而chlb通过Pnmax对产量的间接作用较大.比较决策系数发现Pnmax(0.772)对产量的影响作用要大于chlb(0.659，表3).

表3 产量积累相关功能性状与产量逐步回归的简单相关系数分解

Pnmax，最大净光合速率、chlb，叶绿素b.

Pnmax,Maximum net photosynthetic rate；chlb,chlorophyll b.

Pnmax：最大净光合速率；LSP：光饱和点；LCP：光补偿点；AQY：光补偿点量子效率；Rd：暗呼吸速率；Tr：蒸腾速率；Pn，净光合速率；WUE：水分利用效率；chla：叶绿素a；chlb：叶绿素b；Yield：产量；NGP：株穗数；NGE：穗粒数；MG：千粒重. Pnmax：Maximum net photosynthetic rate；LSP： Light saturation points；LCP： Light compensation points；AQY：quantum efficiency of the LCP；Rd：Dark respiration rate;Tr：transpiration rate；Pn：leaf photosynthesis；WUE：leaf water use efficiency；chla：chlorophyll a；chlb：chlorophyll b；NGP：Number of grains per plant；NGE：Number of grains per ear；MG：Mass per 1000 grains.图6 基于RDA分析产量与光合特性性状间的关联性Figure 6 The relationship between yield and photosynthetic traits based on redundancy analysis

3 讨论

徐田军等[17]研究表明玉米品种‘先玉335’的产量与净光合速率显著正相关.这与我们的研究结果一致，沼水1∶1喷施显著提高大喇叭口期、灌浆期、乳熟期的Pn、Tr和WUE(除乳熟期的Tr外).由于沼液中含有N、P、S、Mg等构成叶绿素、蛋白质和片层膜的主要元素[18].而叶绿素可促进电子传递与气孔开放，有利于提高光能捕获、转化效率和CO2固定速率[19-21].因此，推测沼液喷施可能作用于叶绿体，使光合利用能力增强，从而实现产量的提高.

分析沼液喷施对叶绿素含量的影响，结果表明沼液喷施显著提高了玉米大喇叭口期、灌浆期和乳熟期功能叶片单位质量的叶绿素含量.赵秀梅等[5]的研究也表明沼液喷施能够提高油桃叶片中叶绿素含量.其中叶绿素b有利于吸收弱光，低的叶绿素a/b对应着植物叶绿体中高的光系统Ⅱ捕光复合体，从而提高植株对生境中有限光资源的利用效率，适应弱光生境[22].本试验中，叶绿素b的浓度在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期随沼液喷施而显著增加，而叶绿素a/b则在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期随沼液喷施显著降低.说明沼液喷施，尤其在沼水1∶1处理下，提高了玉米叶片对弱光的利用能力.

光合参数是反映光能利用能力和效率的重要指标[23].叶子飘[24-25]通过分析多个植物光合作用对光响应模型的比较，发现直角双曲线修正模型的拟合结果最接近实测值.本研究利用直角双曲线修正模型拟合光响应曲线，得出不同处理下灌浆期玉米的AQY值在0.026 6～0.050 3之间.自然条件下一般植物的AQY范围为0.03～0.05[26]，表明试验的拟合结果是合理的.表观量子效率反映了植物在弱光下的光合能力，AQY越高，LCP越低，说明其对弱光的利用效率越高[27].本研究中沼水1∶1处理较其他处理，具有较低的LCP和较高的AQY，再次证明沼水1∶1喷施提高了玉米叶片对弱光的利用效率.

本研究中在沼水1∶1处理下，株穗数、穗粒数和千粒重显著高于对照，且产量在沼水1∶1处理下最高.这与Khan的研究结果一致，沼液喷施显著提高玉米的株高、叶面积、叶片数和产量构成等性状[28].利用RDA分析产量与光合特性性状间的关系：产量与Pnmax、Pn与chlb三者间关联性强.通径分析获得的结果与RDA分析结果相似：与产量关联性最强的指标为Pnmax和chlb；比较直接、间接通径系数：Pnmax对产量的直接作用大于chlb，而chlb通过Pnmax对产量的间接作用较大.即沼液喷施使叶绿素b含量升高，引起叶绿素a+b含量的增加，从而促进光能的传递和转化[29-30]，有利于提高CO2羧化固定能力.因此，本研究认为沼液喷施使玉米叶片叶绿素含量(尤其是chlb含量)升高，是增强对弱光的利用效率和Pn升高的影响因素，从而提高了经济产量.

综上所述，在大喇叭口期、灌浆期和乳熟期沼液喷施使叶绿素b和叶绿素a+b含量显著上升，其中叶绿素b的增幅大于叶绿素a.除乳熟期的Tr外，沼水1∶1喷施显著提高大喇叭口期、灌浆期、乳熟期的Pn、Tr和WUE.分析灌浆期的光合参数，沼水1∶1处理具有较低的LCP和较高的AQY，即沼水1∶1喷施提高了玉米叶片对弱光的利用效率，有利于提高CO2羧化固定能力.因此，沼水1∶1喷施使玉米叶片的叶绿素含量(尤其是chlb含量)升高，增强对弱光的利用效率(较低的LCP和较高的AQY)和Pn，从而显著提高玉米品种“先玉335”的产量.