不同栽培模式下半干旱区玉米籽粒形成和叶片对光与CO2响应特性

徐 晨，张丽华，赵洪祥，闫伟平，刘晓龙，孙 宁，李 斐，谭国波，李 前，边少锋，张治安

(1.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，吉林 长春 130033；2.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000；3.吉林农业大学农学院，吉林 长春 130118)

玉米是我国重要的粮食作物[1]，吉林省作为我国玉米的主产省之一，玉米产量的稳定提升对吉林省乃至国家的粮食安全稳定和经济快速发展具有重要意义。吉林省半干旱区多分布于吉林省西部，干旱影响着这一地区玉米的生长发育[2]。近年来，随着许多耐旱玉米品种的推广种植，这一地区玉米的产量在逐年稳定增加，但仍具有一定的生产潜力[3]。肥料与水是保证半干旱区玉米生长发育的重要因素，也是玉米产量形成的基础[4]。玉米生产中，各种植区域的玉米所处的环境各不相同，农户会根据当地气候环境形成一套固有的栽培模式，对玉米生产具有一定意义，但随着栽培技术模式的改进，某些地区利用固有栽培模式的作物产量、资源利用和经济效益之间的协同性不高，故研究适宜地区优化栽培模式是非常重要的。

玉米籽粒质量是产量构成中的关键因素，较大程度地影响着玉米产量的稳定提升[5]，在半干旱地区，土壤水分亏缺对玉米籽粒的影响主要体现在籽粒成分、淀粉含量和籽粒质量的变化，并最终会对籽粒形成造成影响[6]。土壤水分充足条件下适当增加肥料施用量可有效提高玉米的籽粒质量、籽粒灌浆速率和群体光合利用效率[7]，但当施肥量过大时，易遭受倒伏和病虫害，影响玉米的正常生长发育，进而导致玉米籽粒产量下降[8]。不合理施肥同样会造成土壤水分污染，影响地下水和大气环境。因此，研究半干旱区土壤水分和肥料施用量之间的互作关系就变得尤为重要。光合作用是影响作物生长发育的重要因素，作物叶片进行光合作用能力一方面取决于作物品种的遗传特性，另一方面则取决于作物所处的生态环境和栽培模式[9]。在干旱条件下玉米叶片的光合作用会受到抑制，其原因主要是来源于气孔性和非气孔性因素的共同限制[10]，通过合理施肥与灌溉可以维持玉米叶片的生理代谢并改善玉米叶片叶绿素含量，并使玉米叶片维持较高的光合作用能力[11]。通过测定植物叶片的光响应曲线，有助于探查植物叶片净光合速率与光量子密度之间的关系，并可计算获得对作物生理代谢有重要影响的响应曲线参数，该参数主要用于研究作物的生理进程和作物应对不同环境的响应机制[12]。Yadav等[13]研究发现，适宜的土壤水分和肥料施用量与作物的叶面积和叶片光吸收特性显著正相关，同时也会降低冠层的温度，提高核酮糖二磷酸羧化酶的活性和叶片的净光合速率。同时，还可以显著增加光系统II反应中心的电子供体和受体性质[14]，保持田间适宜作物生长的气候环境，可显著提高最大电子传输能力和Rubisco的羧化能力[15]。CO2响应曲线是判断植物光合能力的有效方法之一，反映了植物光合速率随CO2浓度变化的响应特征。过高或过低的土壤水分均会对玉米的光合作用造成影响，玉米生长发育对CO2的响应随土壤水分的变化而变化，气孔导度会随CO2浓度的增加而降低。

吉林省西部半干旱区玉米的种植方式较为粗放，灌溉存在着单次灌溉量大、灌溉次数少和灌溉方式落后等问题，同时，农民通过增加肥料施用量来提高玉米的产量。有学者曾对吉林省玉米在不同栽培因素的协同性上进行了产量和植株养分方面的研究[16-17]，但关于半干旱区玉米不同栽培模式下籽粒形成和叶片对光与CO2响应研究并不多见。本研究以吉林省西部半干旱区常规种植的玉米品种(华农887)为试验材料，对当地传统农户模式与优化栽培模式进行对比分析，研究不同栽培模式对玉米籽粒灌浆特性、叶片光合响应曲线及相关参数和产量形成的影响，探寻优化栽培模式与传统农户模式之间玉米籽粒形成和叶片对光合CO2的响应机制变化，以期为提高吉林省西部半干旱区玉米生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验2017—2018年在吉林省洮南市的中国东北早熟组玉米品种区域试验站(东经122.49°，北纬45.20°)进行，该站年均日照时数为3 000 h，无霜期约134 d，海拔157 m，属北温带大陆性季风气候，2017年和2018年≥10℃的有效积温分别为3 296.8℃和3 255.7℃，玉米全生育期的日均气温分别为20.52℃和20.17℃，全生育期降水量分别为197.7 mm和247.1 mm，试验地土壤为淡黑钙土，试验实施时0～20 cm土壤体积质量为1.48 g·cm-3，土壤有机质含量为12.57 g·kg-1，速效氮含量63.21 mg·kg-1，速效磷含量23.75 mg·kg-1，速效钾含量为100.24 mg·kg-1，pH值7.7，试验前茬作物为玉米。

1.2 试验设计

供试品种选择吉林省西部地区常规种植的玉米品种华农887，设置对照(CK)、当地农户栽培模式(T1)和优化栽培模式(T2)3种栽培模式，不同模式的灌溉方式、灌溉定额和施肥量见表1。播种日期分别为2017年5月3日和2018年5月5日，收获日期分别为2017年9月29日和2018年9月28日。试验采用常规垄作的种植方式，3个模式的种植密度均设置为6 5000株·hm-2。小区长度设置为20 m，宽度3.9 m,垄宽65 cm，小区面积78 m2，每种模式设置3次重复，采用随机区组排列，小区两侧设置保护行，共计9个小区。T1与T2处理在播种前统一灌溉50 mm，T1处理于拔节期(V8)与吐丝期(R1)分别灌溉100 mm，T2处理于V8期、大喇叭口期(V12)、R1期和灌浆期(R3)各灌溉30 mm。试验施用的氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵，钾肥为氯化钾，T1与T2处理在播种前基施50%的氮肥和全部磷钾肥，剩余50%氮肥在V8期追施，其他田间管理同当地生产田。

表1 试验处理方案Table 1 Experimental treatment scheme

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒灌浆特性 玉米吐丝前对小区内长势基本一致的50株玉米进行挂牌，于玉米开花后第5天进行第1次取样，取样间隔时间为10 d，取样时间为2017年8月2日—9月21日，2018年7月30日—9月18日，均取样6次，每次取样在各小区内选取5株植株，取穗中部籽粒，在80℃条件下烘干至恒重，使用电子天平称取100粒籽粒的干质量。

1.3.2 产量 收获期(R6)进行测产，使用谷物水分测定仪测定玉米籽粒的水分，按照文献[3]的方法计算产量。

1.3.3 光合响应相关参数 选择晴朗无云的天气，利用Li-6800光合荧光测量系统，分别于V12、R1和R3期进行测定。V12期选择玉米顶端第三片完全展开叶，在R1和R3期选择玉米穗部叶。在每个小区内选择3株长势基本一致的玉米，分别于2 600、2 400、2 200、2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、500、400、300、200、100、50 μmol·m-2·s-1和0 μmol·m-2·s-1光强度条件下测定净光合速率(Pn)。利用Photosynth-assistant软件计算获得光补偿点量子效率(AQE)、光饱和点时最大净光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)、光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)。采用2 200 μmol·m-2·s-1的固定光强测定CO2响应曲线，按CO2浓度为400、350、300、250、200、150、100、50、25、0、400、400、600、800 μmol·m-2·s-1的顺序测定Pn。利用Photosynth-assistant软件分析CO2补偿点(CCP)、CO2饱和点(CSP)、CO2饱和时最大净光合速率(CSPn)、羧化效率(CE)、Rubisco最大羧化效率(Vcmax)、磷酸丙糖利用率(TPU)和最大电子传递速率(Jmax)。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2016和SAS 9.0数据处理系统进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对玉米籽粒形成的影响

表2是不同栽培模式下玉米籽粒百粒质量的动态变化过程，可以看出，T1与T2处理的百粒质量在开花后各阶段均显著高于CK处理，T2处理的百粒质量均显著高于T1处理。说明采用T2处理的栽培模式更有利于玉米籽粒质量的增加，且从籽粒形成至完全生理成熟阶段，优化栽培模式显著提高玉米籽粒的干质量。

表2 不同栽培模式下玉米籽粒百粒质量/gTable 2 100 kernel weight of maize under different cultivation patterns

籽粒的平均灌浆速率反映了籽粒的生长发育情况，从表3中可以看出，与CK和T1处理相比，T2处理玉米籽粒的平均灌浆速率显著增加，2017年增加了31.58%和18.00%，2018年增加了30.77%和9.80%。

表3 不同栽培模式下玉米籽粒平均灌浆速率Table 3 Average grain filling rate of maize under different cultivation patterns

图1是不同栽培模式下玉米籽粒的灌浆速率的动态变化情况，可以看出，不同栽培模式处理玉米籽粒灌浆速率达到最大值的时间基本一致，均在吐丝后20～30 d，与CK处理相比，T1与T2处理在这一生育阶段的灌浆速率均显著增加，2017年和2018年分别增加了10.04%、33.91%和14.99%、26.28%。

图1 不同栽培模式下玉米籽粒灌浆速率Fig.1 Grain filling rate of maize under different cultivation patterns

图2是不同栽培模式对玉米产量的影响，可以看出，栽培模式对玉米产量的影响显著，T1与T2处理的玉米产量均显著高于CK处理，T2处理的玉米产量均显著高于T1处理，其中，2017年和2018年分别增加了15.67%和14.03%，说明优化栽培措施可以提高玉米产量。栽培模式和年份均对玉米的产量影响显著，栽培模式和年份的互作对产量的影响不显著，这说明不同栽培模式和不同年份对玉米产量的影响趋势相同，对其的调节反应是一致的。

图2 不同栽培模式下玉米的产量Fig.2 Yield of maize under different cultivation patterns

2.2 不同栽培模式下玉米叶片光响应曲线及相关参数

随着光照强度的增加，2017年和2018年玉米叶片净光合速率在3个栽培模式下的3个生育时期(V12，R1，R3)均快速增加(图3)。当光子密度较低时，玉米叶片净光合速率主要受光照强度的影响，随着光量子密度的增加，T1和T2处理的净光合速率迅速增加。当光量子密度超过300 μmol·m-2·s-1时，在相同光照条件下，2017年和2018年T2处理的净光合速率在3个生育时期均显著高于T1和CK处理。

图3 不同栽培模式下玉米不同生育期叶片光响应曲线Fig.3 Light response curve of maize leaves at different growth stage under different cultivation patterns

表4是2017年和2018年3个生育时期玉米叶片光响应相关参数的变化情况，可以看出，T1与T2处理的AQE在3个生育时期均显著高于CK处理，且均呈T2>T1>CK。随着生育时期的推进，R3期3个处理的AQE均降至最低值，CK处理的AQE在2017年和2018年仅为0.050 mol·mol-1和0.053 mol·mol-1，同时，T1处理的AQE在R3期均显著低于T2处理，2017年和2018年分别下降了17.35%和19.59%。当AQE过低时，会导致玉米很难利用弱光进行光合作用，进而导致整个植株的光合作用能力下降。

LCP反映了植物克服其自身同化阻力的能力，其值的高低反映了植物利用低光强的能力，LSP则反映了植物利用强光的能力，表明植物光合机构暗反应过程对同化力的需求量。从表4中可以看出，T2处理的LCP和LSP在3个生育时期均显著高于T1与CK处理，且均呈T2>T1>CK。用LSP与LCP的差值，可代表玉米叶片应对光响应适应范围能力，T1和T2处理的玉米叶片在3个生育时期的LSP与LCP的差值均高于CK处理，且T2处理的差值最大，2017年和2018年的3个生育时期分别达到1 871.6、1 914.4、1891.9 μmol·m-2·s-1和1 909.7、1 848.6、1 822.4 μmol·m-2·s-1。

作物在无光条件下会释放能量，Rd是反映作物在无光条件下的呼吸速率，2017年和2018年，T1和T2处理的Rd均显著高于CK处理(表4)，T2处理的Rd在R1和R3期显著高于CK处理。Amax是植物达到光饱和点时的净光合速率，也可反映植物在不受光强限制条件下自身能达到的最大光合能力，T1与T2处理3个生育时期的Amax均显著高于CK处理，均呈T2>T1>CK，T1与T2处理的Amax在3个生育时期均无显著性差异。

表4 不同栽培模式下玉米叶片的光响应相关参数Table 4 Correlation parameters of light response of maize leaves under different cultivation patterns

2.3 不同栽培模式下玉米叶片CO2响应曲线及相关参数

图4是不同栽培模式下玉米3个生育时期(V12，R1,R3)CO2响应曲线的变化情况，可以看出，当CO2浓度在0～200 μmol·mol-1时，随着CO2浓度的增加，各处理叶片的Pn会迅速增加，CK处理增加的速率比T1和T2处理小。当CO2浓度高于200 μmol·mol-1时，T2处理和T1处理的Pn继续缓慢增加，至CO2浓度高于环境CO2浓度后仍有增加的趋势。在同一CO2浓度条件下，CK处理的Pn会显著低于T1处理和T2处理。

图4 不同栽培模式下玉米V12，R1和R3期叶片CO2响应曲线Fig.4 CO2 response curve of maize leaves at V12,R1 and R3 stage under different cultivation patterns

CCP、CSP、CSPn和CE是判断作物对环境CO2浓度需求的重要指标，同时也可反应作物在不同CO2浓度条件下叶片的光合作用能力及不同CO2浓度对作物生长发育的影响。从表5可以看出，不同栽培模式下玉米的CCP、CSP、CSPn和CE在3个生育时期均呈T2>T1>CK，与CK处理相比，T1与T2处理的CCP均显著增加，T1与T2处理间无显著性差异。T2处理的CSP在3个生育时期均显著高于T1与CK处理，CSPn可以反映植物在CO2浓度饱和时的光合作用能力，T2处理的CSPn和CE在R1和R3期均显著高于T1和CK处理。通过CCP与CSP的差值，可发现玉米叶片应对CO2的响应能力，T1和T2处理的CCP与CSP的差值均高于CK处理，且T2处理的差值最大，2017年和2018年，3个生育时期CCP与CSP的差值分别达到540.06、558.87、561.19 μmol·mol-1和539.13、518.54、574.73 μmol·mol-1，这说明采用高效栽培模式可以促进玉米叶片很好地适应环境CO2浓度变化所带来的影响，能够持续有效地利用光能。

表5 不同栽培模式下玉米叶片的CO2响应相关参数Table 5 Correlation parameters of CO2 response of maize leaves under different cultivation patterns

Vcmax、Jmax和TPU是作物叶片达到光饱和光合速率的限制因子，也反应了作物叶片的固碳羧化能力。2017年和2018年，T1与T2处理的Vcmax、Jmax和TPU在3个生育时期均显著高于CK处理，且均呈T2>T1>CK，上述3个指标在T1与T2处理间无显著性差异，这说明随着CO2浓度的增加，T2处理玉米叶片获得更高净光合速率的限制因素少，且固碳羧化能力更强。

3 讨 论

灌浆期是积累籽粒质量的关键生育阶段，而籽粒质量则是玉米产量形成的关键[18]。本研究结果表明，与CK处理相比，T1与T2处理的玉米产量均显著增加，T2处理显著高于T1处理，T2处理在灌溉方式、灌溉量和灌溉次数上均进行了改进。有学者认为，适当增加灌溉次数可以增加玉米的产量[19]，本研究在农户模式的基础上，在玉米的V12和R3期各增加了一次灌溉，这使得玉米的需水得以满足，缓解了由于灌溉次数偏少、间隔时间过长而引发的玉米生长发育减缓现象。农户模式采用沟灌的方式，单次的灌溉量达到100 mm，使土壤表面水分瞬时趋于饱和，水分难以及时渗入土壤中，地表蒸发量增加，最终造成水资源浪费[20]，采用滴灌并减少每次的灌溉量可有效减少这种情况的发生[21]。朴琳等[22]研究发现，优化栽培模式所施用的肥料减少，但作物的产量和籽粒的灌浆过程未受影响，反而均呈增加的变化趋势，本研究结果与其基本一致。玉米籽粒灌浆特性的变化反映了玉米籽粒的生长发育状况，良好的灌溉和肥料施用对玉米籽粒的灌浆进程有着显著的促进作用[23-24]。本研究结果表明，T2处理的各生育阶段的百粒质量和平均灌浆速率均显著高于T1和CK处理，这说明采用优化栽培模式能够促进玉米籽粒灌浆和干物质积累。不同栽培模式下玉米籽粒的灌浆速率达到最大值时的时间基本一致，均在吐丝后20～30 d，T2处理的灌浆速率在这一生育阶段要显著高于T1和CK处理，采用优化栽培模式可以延长灌浆的时间和活跃度，这与李国红等[25]的研究结果基本一致。合理地施用肥料和灌溉不但可以节约资源，还可使玉米籽粒良好的生长发育，有利于玉米植株其他器官的干物质向穗部转运，从而促进玉米产量提高。

玉米光合作用的强弱与籽粒发育与产量形成密切相关，因此，研究不同栽培模式下玉米的光合作用也是挖掘玉米增产潜力的重要方面[26]，光响应曲线是判断植物叶片光合能力的重要参数，一般随光照强度的改变而发生变化[27]。本研究发现，3个处理玉米叶片的净光合速率随光照强度的增加均迅速增加，当光量子密度超过300 μmol·m-2·s-1时，T2处理的净光合速率要显著高于T1与CK处理，以上变化说明优化栽培模式(T2处理)可以维持玉米叶片的光合作用，减少气孔性限制因素，T1与CK处理由于肥料施用与水分因素的限制，可能要通过关闭一些气孔来减少因栽培模式不合理而受到的胁迫影响，也加速了玉米叶片的衰老进程。同时，通过光响应曲线可以得到表征植物光合能力的指标，如AQE、LSP、LCP、Amax和Rd，它们是反映作物生理特性的参数，常被应用于农业生产和作物生长发育的研究[28]。本研究发现，随着生育时期的推进，T2处理的AQE显著高于T1与CK处理，并在R3期降至3个生育时期的最低值，说明在玉米生育后期，优化栽培模式可以促进玉米利用弱光进行光合作用，从而维持玉米叶片的光合作用能力。T2处理的LCP和LSP在3个生育时期均显著高于T1与CK处理，且T2处理3个生育时期LSP与LCP的差值均为最大，优化栽培模式使玉米光适应的范围增加，当作物体内养分和水分不足时(CK处理)，Pn的下降主要是来自气孔性和非气孔性的共同限制作用，气孔关闭引起的CO2供应受阻是导致净光合速率下降的原因，而非气孔性限制因素中，叶肉细胞光合活性下降是净光合速率下降的主要原因。T2处理的玉米叶片受到胁迫的影响较小，当达到LSP时，Pn的下降主要是来自于光的抑制作用[29-30]，玉米在生长发育过程中，叶片受不同栽培因素的影响会逐渐显现，未灌溉和施用肥料的CK处理与灌溉和施肥不合理的T1处理，叶片的光适应范围较小，Pn下降较快，不合理的养分和水分条件不利于光合作用的正常进行。

空气中的CO2是植物在进行光合作用时碳的主要来源，研究不同CO2浓度条件下叶片光合特性的变化有助于判断植物适应CO2的能力[31]。本研究发现，CCP、CSP、CSPn和CE在3个生育时期均呈T2>T1>CK，T1与T2处理的CCP均显著高于CK处理，T2处理的CSP均显著高于T1与CK处理，T2处理的玉米叶片拥有着更大CCP与CSP的差值，说明优化栽培模式下的玉米叶片可在CO2浓度范围更广的条件下充分地利用光能，并更积极地响应CO2浓度的变化，对Pn的提高有着显著的效果[32]，CO2利用率的提高对玉米增产具有重要作用。CE对外界光照和CO2浓度的变化十分敏感，它也是光合作用碳同化的限制因子[33]。本研究发现，T2处理的CE在R1和R3期均显著高于T1和CK处理，说明灌溉增加了玉米对CO2的同化能力，增加了光合产物的运输能力，这与张向娟[33]的研究结果基本一致。本研究结果表明，T1与T2处理的Vcmax、Jmax和TPU均显著高于CK处理，且均呈T2>T1>CK，上述指标在T1与T2处理间无显著性差异，这说明T2处理的玉米固碳羧化能力较强，叶片对光辐射的利用能力会随着栽培模式的优化而逐渐增加[34]。

4 结 论

与传统农户栽培模式相比，优化栽培模式(T2处理)可维持叶片的光合作用能力，促进玉米利用弱光进行光合作用，增加玉米对光、CO2的适应范围，提高光合效率，增加光合产物的转运能力和叶片的固碳羧化能力，并通过延长灌浆时间和活跃度来促进籽粒灌浆，提高玉米籽粒质量，进而达到减少资源使用并提高产量的目的。本研究结果可为半干旱区玉米生产和优化栽培模式下玉米籽粒形成和光合响应特性研究提供理论依据。