锌对玉米光合特性及抗氧化体系的影响

黄伟东，杨克军

（1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江省红兴隆管理局曙光农场，黑龙江桦南 154451）

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物之一，其高产稳产对于保证粮食安全具有重大意义[1]。锌是植物体生长发育的必需营养元素，是植物体内300多种酶的重要组成成分[2]，并且参与到多种酶系统或代谢过程中，例如色氨酸合成酶、脱氢酶、磷酸二酯酶及碳酸酐酶（存在于叶绿体中）等酶系统以及生长素代谢、光合磷酸化及希尔反应等过程[3-5]，在增强植物光合作用、调控生长素合成、促进氮代谢、增强植物抗逆性、促进花粉成熟及提高花粉活力等生理过程中发挥重要作用[3，6]。因此，缺锌则会严重影响植物的生长发育。而玉米作为一种对锌敏感的作物[7]，缺锌一般是在3～5叶期[8]，缺锌导致植株下部叶片缺绿，叶片呈现浅白条纹，由基部向顶部扩张，植株生长缓慢，节间缩短且生长受阻，植株失绿，生长受抑制，严重时白化斑变宽，整株失绿变成白化苗[9]；从内部结构及生理过程来说，缺锌导致叶绿体数量减少，结构遭到破坏，干扰叶绿素合成，光系统电子传递受阻，希尔反应受抑制，光合效率下降，并且抑制核糖与蛋白质的合成[10-12]。

近年来，随着农作物从农田中获取的养分逐渐增加，耕地产出的持续提高，在重视大量元素肥料的同时，忽视了有机肥的投入及微量元素肥料的施肥结构，导致肥料施用不平衡、土壤养分不平衡，致使种植玉米的土壤缺锌时有发生，因此制约了玉米产量和品质的提高[13-16]。尤其在我国北方地区，缺锌现象很普遍，土壤中锌含量的范围是3～790 mg/kg，平均含量在100 mg/kg，有效态的锌含量常常低于缺锌的临界值，而低含量的有效态锌往往是造成植物缺锌的主要原因[6，17]。土壤有效锌含量主要受土壤pH值、温度、湿度及施肥种类等因素的影响，土壤酸碱度高、低温、湿度大、土壤或肥料含磷过多或有机肥施用少等均可导致土壤容易发生缺锌症[18-19]。而在曙光农场试验地，土壤pH为5.67，偏酸性，且目前玉米施肥量也呈现逐渐增加的趋势，因此很容易发生缺锌症状。可通过适量补充锌肥来缓解缺锌，这对当地玉米生产具有十分重要的意义。因此，本试验设置不同浓度的锌叶面肥进行喷施，为指导当地玉米生产提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于黑龙江省桦南县曙光农场试验站进行。曙光农场属于寒温带大陆性季风气候区，年平均气温2.7℃，有效积温2 400～2 500℃，全年平均降水量535.1 mm，无霜期125～135 d，平均日照数2 313.7 h。前茬作物为玉米，土壤类型为黑土，土壤取样层次为0～20 cm，有机质32.8 g/kg，碱解氮117.8 mg/kg，有效磷27.4 mg/kg，速效钾177.7 mg/kg，有效锌3.081 mg/kg，pH为5.67。

1.2 供试材料与试验方法

供试玉米品种为‘德美亚3 号’，生育期为115 d，需≥10℃活动积温2 300℃左右，由垦丰种业分公司提供。供试肥料为尿素、磷酸二铵、硫酸钾、硫酸锌。

试验采用随机区组设计，设置叶面喷施锌肥（ZnSO4·7H2O）4个处理水平，其中锌肥为2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L，分别以Z1、Z2、Z3、Z4 表示，于玉米拔节期开始，每隔7 天喷施一次，连续喷施3 次，以喷施清水为对照（CK），共计5 个处理，各处理重复3次。每个小区6行，行距0.65 m，行长10 m，小区面积39 m2。种植密度7.5万株/hm2。各小区均施用N 225 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，其中70%的N 肥和全部P、K肥以基肥形式一次性施入，剩余30%的N肥于拔节期追施。其他田间管理同当地大田生产。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合参数及叶绿素值（SPAD值）测定

在玉米大喇叭口期、抽雄吐丝期及灌浆期，选择晴朗无风的天气于上午9:00，用美国生产的Li-6400便携式光合仪，测定玉米穗位叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），每小区随机取10株长势均匀一致的玉米进行测定，测定时避开叶脉和有损伤的叶片。

测定光合参数后，立即使用SPAD502叶绿素仪测定叶片的SPAD值并记录。

1.3.2 抗氧化酶活性及丙二醛（MDA）含量测定

于玉米大喇叭口期、抽雄吐丝期及灌浆期，光合数据测定完毕之后，取测定光合相同部位的叶片包于锡纸迅速放入液氮中带回室内，置于-80℃冰箱中保存，用于测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性及MDA 含量，SOD、POD、CAT 活性分别采用氮蓝四唑法、愈创木酚法、紫外吸收法测定，MDA 含量采用TBA法测定[20]。

1.3.3 干物质积累测定

于玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期及成熟期，各小区选取均匀一致的植株3 株，用自来水和蒸馏水先后冲洗干净后，用滤纸吸干植株表面水分，称其鲜重，然后装入样品袋中，在鼓风干燥箱中105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，称量干重。

1.4 数据分析

利用Excel2007 进行数据整理并画图，方差分析用SPSS 19.0，Duncan 检验法进行差异显著性分析（P＜0.05）；图和表中的数据为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 锌对玉米叶片光合特性的影响

如图1-A所示，3个生育时期下的玉米叶片Pn随着Zn喷施量的增加而逐渐升高，其中大喇叭口期，各Zn处理的Pn比对照分别增加了16.55%、26.67%、37.17%、46.75%，Z3、Z4处理与CK 间差异显著；抽雄吐丝期，各Zn 处理的Pn 比对照分别增加了5.33%、10.55%、19.26%、25.37%，Z4 处理与CK 间差异显著；灌浆期，各Zn 处理的Pn仍比对照高，其中以Z3、Z4增加显著。

如图1-B所示，随着施Zn量的增加，3个生育时期下的Gs整体上均呈现出逐渐升高的趋势，其中大喇叭口期，各Zn 处理的Gs均高于对照，Z4 处理稍低于Z3，但二者间差异不显著；抽雄吐丝期和灌浆期下的Gs均呈现出递增趋势，抽雄吐丝期下各Zn处理的Gs分别较对照增加了3.23%、4.23%、10.60%、14.05%，灌浆期Zn处理的Gs分别较对照增加了3.40%、6.11%、10.80%、16.78%。

如图1-C 所示，在不同施Zn量处理下3 个生育时期的Ci大致上呈现出下降的趋势，其中大喇叭口期，各Zn量处理的Ci均比对照低，且分别降低了6.52%、14.26%、15.01%、16.75%，Z2、Z3、Z4处理与CK 间差异显著；抽雄吐丝期，Z1处理的Ci比对照稍高但差异不显著，之后呈下降趋势，Z4处理比对照下降8.12%，差异显著；灌浆期Ci变化趋势与大喇叭口期相类似，各Zn量处理的Ci分别较对照降低了2.60%、9.61%、9.87%、11.91%。

如图1-D 所示，在各施Zn量处理下3个生育时期的Tr表现出逐渐升高的趋势，其中大喇叭口期，Z1处理稍低于对照，但差异不显著，Z2、Z3、Z4处理分别较对照增加了5.28%、16.00%、20.11%，Z3、Z4处理与CK间差异显著；抽雄吐丝期Tr 的Zn 量处理分别比对照增加5.60%、11.69%、16.66%、21.72%，其中Z3、Z4 增加显著；灌浆期变化趋势与此相同，以Z2、Z3、Z4增加显著。

图1 锌对玉米叶片光合参数的影响Fig.1 Effects of zinc on photosynthetic parameters in leaves of maize

2.2 锌对玉米叶片SPAD值的影响

如图2 所示，3 个生育时期下的叶片SPAD 值随着施Zn 量的增加呈现出逐渐升高的趋势，其中大喇叭口期，各Zn 处理的SPAD 值分别比对照高11.48%、15.59%、16.81%、22.28%，与CK 间差异显著；抽雄吐丝期，Z1处理稍低于对照但差异不显著，其它Zn量处理的SPAD 值分别比对照高15.38%、20.51%、23.34%，与CK 间差异显著；灌浆期，各Zn量处理的SPAD 比分别对照高13.91%、16.54%、21.67%、23.09%，与CK间差异显著。

图2 锌对玉米叶片SPAD值的影响Fig.2 Effects of zinc on SPAD in leaves of maize

2.3 锌对玉米叶片抗氧化酶活性及MDA含量的影响

如图3-A 所示，3个生育时期下的叶片SOD活性随着施Zn量的增加表现出逐渐升高的趋势，其中大喇叭口期，各Zn 处理的SOD 活性均高于对照，分别较对照升高了9.36%、13.17%、16.08%、19.52%，Z2、Z3、Z4处理与CK 间差异显著；抽雄吐丝期，各Zn 处理的SOD 活性分别较对照显著升高了8.70%、12.82%、22.34%、30.90%；灌浆期，以Z3、Z4处理增加显著。

如图3-B所示，3个生育时期下的POD活性随施Zn量的增加基本呈现出逐渐升高的趋势，其中大喇叭口期和抽雄吐丝期的POD 活性变化相同，抽雄吐丝期POD 活性分别较对照升高了6.97%、11.26%、22.94%、25.65%，Z2、Z3、Z4 差异显著；灌浆期，Z2 稍低于Z1 且差异不显著，各Zn 量处理的POD 活性分别较对照升高了10.88%、9.78%、17.23%、19.48%，且与CK间差异均显著。

如图3-C 所示，大喇叭口期，Z1、Z2 处理的CAT 活性低于对照，Z3、Z4 高于对照，分别升高了2.29%、12.56%；抽雄吐丝期，各Zn 量处理的CAT 活性均高于对照，分别升高了6.66%、10.85%、16.15%、20.42%，Z3、Z4 处理与CK 间差异显著；灌浆期，各Zn量处理的CAT活性仍高于对照，但Z2处理稍低于Z1且差异不显著，之后表现出升高趋势，Z4处理最高且与CK间差异显著。

如图3-D 所示，3 个生育时期下的叶片MDA 含量随施Zn 量的升高呈现出逐渐下降的趋势，其中大喇叭口期，各Zn量处理的MDA含量分别较对照下降了4.98%、18.31%、23.28%、29.95%，Z2、Z3、Z4处理与CK间差异显著；抽雄吐丝期，Z3、Z4 处理的MDA 含量分别较对照显著下降了14.37%、21.18%；灌浆期，Z2、Z3、Z4 处理的MDA含量显著降低，分别较对照下降了18.49%、27.14%、30.07%。

图3 锌对玉米叶片抗氧化酶活性及MDA含量的影响Fig.3 Effects of zinc on activities of antioxidant enzymes and MDA content in leaves of maize

2.4 锌对玉米干物质积累的影响

由表1 可知，随施Zn量的增加，玉米各生育时期下的单株干物质积累大致呈现出升高的趋势，其中拔节期各Zn 处理的干物质积累分别较对照增加了9.27%、22.65%、39.46%、28.10%，Z4 处理稍低于Z3，且处理间差异均不显著；大喇叭口期的变化趋势与拔节期相类似；抽雄吐丝期，Z2稍低于Z1且差异不显著，之后呈递增趋势，Z4 处理显著高于对照，比对照增加了22.33%；灌浆期，干物质积累呈现递增趋势，各Zn 处理分别比对照增加了8.45%、16.41%、22.98%、29.72%，以Z2、Z3、Z4处理增加显著；成熟期，Z2稍低于Z1，Z4稍低于Z3，但二者间差异均不显著，Z3、Z4处理下干物质积累分别较对照显著增加了13.99%、9.63%。

表1 锌对玉米干物质积累的影响Table 1 Effects of zinc on dry matter accumulation of maize

3 讨论

玉米产量形成所需要的基础就是光合作用，光合作用可以促进有机物合成与积累，从而为植物生长发育提供物质基础和能量基础[21]。Zn 属于微量元素，虽然在植物体中的量不多，但若缺乏该种元素，就会表现出特定的缺素症，因此微量元素在植物体中也占有非常重要的地位。本试验研究发现，随着Zn喷施量的增加，Pn、Gs、Tr大致呈现出逐渐升高的趋势，Ci逐渐下降，这与李铁利[22]、戴志铖等[23]的研究结论一致，表明叶面喷施Zn 可以促进玉米生长发育，并提高光合作用。Zn是叶绿体碳酸酐酶的专性活化离子，是控制光合作用的关键点，此酶具有催化CO2和H2O 合成H2CO3的作用，并且在光呼吸过程中可捕捉植物释放的H2CO3，释放出CO2，为光合作用提供固定CO2时的底物[11]。同时，Zn也是醛缩酶的激活剂，而醛缩酶是光合作用的关键酶之一[24]。因此，Zn 处理可能是为光合作用提供固定CO2时的底物奠定了基础，或激活了醛缩酶，促进了光合作用。本试验中，叶片SPAD 值也呈现出逐渐升高的趋势，而Zn是合成叶绿素前身锌卟啉的合成物[11]，故Zn处理有利于促进叶绿素合成，而叶绿素对于光合作用发挥着至关重要的作用，因此推测施用Zn 促进叶绿素合成可能也是增强光合作用的原因之一。众所周知，干物质积累依赖于植物的光合作用。本试验发现，随着生育进程递进，干物质积累呈现递增趋势，并且随着Zn喷施量的增加，各个生育时期下干物质积累基本上呈现出逐渐升高的趋势，这与Zn处理增强光合作用有关。

SOD、POD、CAT 是氧代谢过程中的重要参与酶，SOD 具有清除活性氧，减轻活性氧对细胞膜系统伤害的作用，延缓植物衰老；POD 不但能够清除线粒体或胞浆中的H2O2，防止膜损伤，还参与叶绿素降解及活性氧产生；主要存在于过氧化物体中的CAT可以清除该细胞器中的H2O2，对保护细胞膜系统发挥重要作用，MDA是自由基进行膜质过氧化作用的产物之一，对蛋白质、酶及核酸等功能分子具有破坏作用，其含量高低反映了膜质过氧化的强弱程度[3]。本试验研究发现，随着Zn 喷施量的增加，SOD、POD、CAT 活性大致上呈现出升高的趋势，MDA 含量呈现下降的趋势，说明Zn 处理有助于提高玉米植株的抗氧化能力，从而降低MDA 带来的膜质过氧化损伤，有利于保护细胞膜结构。张玉琼等[25]在研究Zn营养对淹水玉米抗性的影响时也得出相类似的结论。吴志辉等[26]在研究微肥对作物产量和品质的影响时发现施用Zn肥可以提高作物抗性。

4 结论

综上所述，施用Zn 叶面肥通过提高SPAD 值促进了叶绿素合成，通过提高Pn、Gs、Tr，降低Ci，提高了玉米叶片固定CO2的能力，增强了光合作用，提高了光合能力，促进了植株干物质积累；同时，通过提高叶片抗氧化酶SOD、POD、CAT 活性，降低MDA 含量，增强了植株抗氧化、清除自由基的能力，缓解了细胞膜免受MDA伤害，延缓了叶片衰老，从而有利于玉米的生长发育。综合来看，Zn喷施以8 g/L处理效果最好。