楊錦越，趙曉燕，沈建華，劉君鵬，宋 碧*，張 軍

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 旱糧研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水、肥、氣、熱適宜的相互協(xié)調(diào)是保證農(nóng)作物高產(chǎn)高效生產(chǎn)的重要因素，其中，在大田生產(chǎn)中，水肥是可通過人工控制的重要農(nóng)業(yè)資源，水是使肥效得到發(fā)揮的關(guān)鍵，肥是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的重要前提。水肥不協(xié)調(diào)將影響玉米植株的總代謝水平及其對環(huán)境抗逆性，從而影響產(chǎn)量[1-3]。目前，季節(jié)性干旱和施肥量偏高是西南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上存在的主要問題之一。因此，進(jìn)一步研究水肥耦合理論和技術(shù)對玉米產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和提升競爭力具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】國內(nèi)外就水肥耦合對農(nóng)作物的生理生化特性及產(chǎn)量的影響已開展了一定的研究。劉樹堂等[4]研究表明，全生育期玉米葉片SOD活性趨勢一致，多在吐絲期達(dá)最高，隨后急劇下降，POD活性趨勢與之相近，但后期降幅較緩；相同灌水水平下，施控釋肥的SOD活性顯著高于常規(guī)施肥與自配復(fù)混肥，POD活性受施肥影響不顯著。戰(zhàn)秀梅等[5]研究表明，適宜的氮、磷、鉀肥用量可明顯提高玉米葉片SOD活性，降低POD活性，有效地延緩玉米生育后期葉片的衰老，從而提高產(chǎn)量。張立新等[6]研究表明，施用氮、鉀肥和甜菜堿能不同程度地提高夏玉米SOD和POD活性，降低MDA含量，減緩水分脅迫下膜脂過氧化作用?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】在前人關(guān)于水分脅迫和施肥量對玉米生理生化性狀及產(chǎn)量的影響研究中，鮮見水分和施肥量兩者耦合對生理生化特性和產(chǎn)量的影響報(bào)道，忽視了水肥協(xié)調(diào)對其生理生化和產(chǎn)量的作用?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以玉米品種中單808為試材，采用4因素(土壤持水量、施氮量、施磷量和施鉀量)3水平正交試驗(yàn)，探明水肥耦合對玉米葉片的SOD酶活性、POD酶活性、可溶性蛋白含量及玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響，弄清玉米高產(chǎn)栽培水肥的最佳配合，為大田栽培玉米提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。玉米供式品種為中單 808，試驗(yàn)選用聚乙烯塑料桶為盆栽用桶，高45 cm、直徑30 cm。肥料選用復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為基肥，尿素為追肥。供試土樣為取自貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場大田耕層的黃壤土，pH 5.42，有機(jī)質(zhì)21.34 g/kg，全氮3.56 g/kg，堿解氮94.24 mg/kg，速效磷22.16 mg/kg，速效鉀150.53 mg/kg。土樣風(fēng)干過篩后裝盆，每桶裝土15 kg。盆土自然沉降15 d后取樣測定土壤田間持水量，以確定保持不同調(diào)虧程度所需澆水的量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，4個(gè)因素分別為土壤持水量(A)、施氮量(N)、施磷量(P)和施鉀量(K)，每個(gè)因素各設(shè)置3個(gè)水平(表1)，每個(gè)處理10次重復(fù)，磷、鉀肥和20%的氮肥作為基肥一次性施入，在拔節(jié)期和大喇叭口期以尿素追肥，施氮量各占總施氮量的40%?；逝c土壤混合均勻后一起裝進(jìn)試驗(yàn)桶。以育苗盤育苗，在2葉期選擇長勢相近的幼苗移栽，每桶栽1株，澆適量定根水。水分控制采用稱重法，不同水分處理開始時(shí)期為玉米展4葉期，水分持續(xù)脅迫時(shí)間12 d，12 d后復(fù)水到田間最大持水量的70%～80%。除田間水分和施肥量按照上述處理實(shí)施以外，其余管理措施相對一致。

表 1 水肥耦合試驗(yàn)因素水平及L9(34)正交設(shè)計(jì)

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生理生化指標(biāo) 在復(fù)水后5 d、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期分別取植株葉片測定生理生化指標(biāo)。NBT光還原法測定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法測定POD活性，考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量[7]。

1.3.2 測產(chǎn)與考種 玉米成熟后，采收完晾曬至安全含水量(14%)后計(jì)產(chǎn)，同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)考種，考種內(nèi)容包括穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗重及千粒重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007、DPS V 7.05、Minitab 19和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合處理玉米葉片的SOD活性

由圖1可知，在復(fù)水5 d時(shí)，T9(A3N3P2K1)玉米葉片的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明土壤持水量為70%～80%時(shí)，增加鉀素營養(yǎng)可提高玉米葉片SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。在拔節(jié)期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T4(A2N1P2K3)最低，表明在土壤持水量為55%～65%時(shí)，氮素營養(yǎng)過高，不利于SOD合成。在大喇叭口期，T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T9(A3N3P2K1)最低；抽雄吐絲期以T1(A1N1P1K1)的SOD活性最高，T2(A1N2P2K2)最低。表明，土壤持水量為40%～50%時(shí)，玉米生殖生長后期需大量的氮磷鉀營養(yǎng)供應(yīng)才可維持SOD活性。

圖 1 不同處理各時(shí)期玉米葉片的SOD活性

通過各因素SOD活性極差分析可知(表2)，磷營養(yǎng)對POD活性的影響最大，其次鉀和氮，土壤持水量影響最小。各因素對SOD活性的最佳組合為A1N2P1K1, 該組合并不在9個(gè)處理中，但與T1(A1N1P1K1)組合最接近，符合正交試驗(yàn)處理少的設(shè)計(jì)初衷,是統(tǒng)計(jì)學(xué)上篩選的結(jié)果。

表 2 各因素不同水平玉米葉片SOD活性及極差

2.2 水肥耦合處理玉米葉片的POD活性各時(shí)期

由圖2看出，不同水分和氮磷鉀含量的組合處理對玉米葉片POD活性的影響差異顯著。復(fù)水5 d時(shí)，T3(A1N3P3K3)POD活性最高，T6(A2N3P1K2)最低，差異顯著，說明土壤持水量為40%～50%條件下，減施氮磷鉀肥可提高POD活性。拔節(jié)期和抽雄吐絲期分別以T8(A3N2P1K3)和T4(A2N1P2K3)的POD活性最高,均以T1(A1N1P1K1)POD活性最低，表明玉米生殖生長后期土壤持水量為40%～50%條件下，過量氮磷鉀肥會降低玉米葉片POD活性，減弱組織防御活性氧傷害的能力。

圖 2 不同處理各時(shí)期玉米葉片的POD活性

通過各因素POD活性極差分析(表3)可知，磷營養(yǎng)對POD活性的影響最大，其次鉀、氮，土壤持水量的影響最小。各因素對POD活性影響的最佳組合為A2N1P3K3,與T4(A2N1P2K3)處理最接近。說明土壤持水量為55%～65%條件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中的POD活性，從而提高作物抗氧化能力。

表 3 各因素不同水平玉米葉片的POD活性及極差

2.3 水肥耦合處理玉米葉片的可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是反映植物對環(huán)境抗逆性的重要指標(biāo)[8]。由圖3可知，可溶性蛋白含量在處理間均表現(xiàn)差異顯著。復(fù)水5 d時(shí)，T9(A3N3P2K1)可溶性蛋白含量最高，T4(A2N1P2K3)最低，說明此時(shí)期土壤持水量為70%～80%時(shí)，低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。拔節(jié)期以T7(A3N1P3K2)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，說明相較于復(fù)水5 d時(shí)，拔節(jié)期需氮量增大，需磷、鉀量減少。大喇叭口期以T1(A1N1P1K1)可溶性蛋白含量最高，T9(A3N3P2K1)最低，說明此時(shí)期土壤持水量為40%～50%條件下，增施氮磷鉀肥可提高可溶性蛋白含量。抽雄吐絲期以T8(A3N2P1K3)可溶性蛋白含量最高，T2(A1N2P2K2)最低，說明此時(shí)期土壤持水量為70%～80%條件下，中氮(350 kg/hm2)、高磷(150 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)有利于提高可溶性蛋白含量。

圖 3 不同處理各時(shí)期玉米葉片的可溶性蛋白含量

通過各因素可溶性蛋白含量極差分析(表4)可知，磷營養(yǎng)對玉米葉片可溶性蛋白含量的影響最大，其次土壤持水量和氮營養(yǎng)，鉀營養(yǎng)的影響最小。各因素對可溶性蛋白含量影響的最佳組合為A3N2P3K3，與T8(A3N2P1K3)處理最接近，說明土壤持水量70%～80%、中氮(300 kg/hm2)、高磷(100 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中可溶性蛋白含量。

表 4 各因素不同水平玉米葉片的可溶性蛋白含量及極差

2.4 水肥耦合對玉米產(chǎn)量的影響

2.4.1 產(chǎn)量 由表5可知，不同土壤持水量和氮磷鉀施肥量組合對玉米產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量有明顯的影響。T9(A3N3P2K1)表現(xiàn)最優(yōu)，玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別為535.6粒/穗、375.65 g和9 943.48 kg/hm2。T2(A1N2P2K2)穗粒數(shù)最少，為175.3粒/穗；千粒重最小，為171.83 g；與T9的差異均達(dá)極顯著水平。說明土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)條件有利于玉米干物質(zhì)的積累，更有利于提高產(chǎn)量。

表 5 不同處理玉米的產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量

2.4.2 玉米產(chǎn)量與水肥效應(yīng)方程的構(gòu)建根據(jù)土壤持水量(X1)和氮(X2)、磷(X3)、鉀(X4)肥施用量與玉米的產(chǎn)量(Y)作回歸分析，建立玉米產(chǎn)量的水肥效應(yīng)方程：

Y=-3 115.665+2 789.182X1+1 016.210X2+97.582X3+431.887X4(R=0.948*)，不同水肥條件下所得到的水肥效應(yīng)方程達(dá)顯著水平。土壤持水量、氮磷鉀肥施用量對產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為正效應(yīng)，各因素效應(yīng)系數(shù)為土壤持水量>氮>鉀>磷，表明玉米產(chǎn)量對土壤持水量最為敏感，土壤含水量對玉米產(chǎn)量起主導(dǎo)性作用；其次是氮鉀肥施用量，磷肥用量對玉米產(chǎn)量影響最小。

3 討論

SOD是植物重要的保護(hù)酶之一，具有防御活性氧傷害和防止超氧自由基對生物膜系統(tǒng)的氧化作用，在細(xì)胞抗氧化和衰老方面，SOD活性的高低是植物細(xì)胞自身抗衰老能力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志[9]。前人研究表明[10-12]，缺氮或氮素營養(yǎng)過高均不利于SOD的合成，氧自由基的清除能力減弱，衰老進(jìn)程加速；適量的氮素能提高保護(hù)酶活性，增強(qiáng)葉肉細(xì)胞對活性氧自由基的清除能力，有效控制膜脂過氧化水平，最大限度地維持細(xì)胞的穩(wěn)定性，延緩衰老進(jìn)程。適量的鉀素供應(yīng)能夠使植物抵抗衰老的能力增強(qiáng)，清除活性氧的能力提高；缺鉀或鉀素供應(yīng)過多，不能使鉀的生理功能充分發(fā)揮，從而使 SOD 活性降低。張立新等[6]研究表明，水分脅迫下玉米SOD顯著降低。本研究表明，在玉米不同生長時(shí)期，玉米葉片SOD活性含量變化與土壤持水量和施肥量有很大關(guān)系。土壤持水量為40%～50%時(shí)，過量的氮磷鉀營養(yǎng)供應(yīng)可維持SOD活性，提高植株的抗逆性；在土壤持水量為55%～65%時(shí)，氮素營養(yǎng)過高,不利于SOD的合成。拔節(jié)期前土壤持水量為70%～80%時(shí)，增加鉀素營養(yǎng)可以提高SOD活性，有利于提高植株的抗逆性。

POD是植物組織防御系統(tǒng)中的重要保護(hù)酶，可以消除細(xì)胞內(nèi)活性氧對細(xì)胞膜的傷害，減少膜脂過氧化，穩(wěn)定膜透性。在玉米衰老過程中，葉片可溶性蛋白含量可作為衡量葉片衰老程度的指標(biāo)之一[13]。本研究表明，適量的氮磷鉀肥條件下，水分是影響POD活性的重要原因，土壤持水量為55%～65%條件下，高氮(450 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、低鉀(100 kg/hm2)，有助于提高玉米葉中的POD活性，從而提高作物抗氧化能力。在玉米生長不同時(shí)期，土壤持水量和氮、磷、鉀肥施用量對可溶性蛋白含量的影響有差異，土壤持水量為40%～50%條件下，增施氮、磷肥可以提高可溶性蛋白含量。與前人研究結(jié)果相符[14-17]。

不同土壤持水量和氮磷鉀施肥量組合對玉米產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量有明顯的影響。土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)條件對穗粒數(shù)及千粒重的效果更好，更有利于提高產(chǎn)量，與POD和可溶性蛋白含量在抽雄吐絲期上升有關(guān)。根據(jù)不同的土壤持水量和施肥量與玉米的產(chǎn)量效應(yīng)方程可知，土壤持水量、氮磷鉀肥施用量對產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為正效應(yīng)，各因素效應(yīng)系數(shù)為土壤持水量>氮>鉀>磷；因此，土壤含水量對玉米產(chǎn)量起主導(dǎo)性作用，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，土壤含水量的增加可以使土壤水勢升高，土壤水勢的升高對于養(yǎng)分向根系表面的流動具有明顯的促進(jìn)作用，而且加快了土壤中有機(jī)質(zhì)和肥料的有效轉(zhuǎn)化，從而提高了水肥利用率[18]。

4 結(jié)論

玉米產(chǎn)量與土壤持水量和氮、磷、鉀肥的施用量表現(xiàn)為正的耦合效應(yīng)，但是在3種土壤持水量條件下，磷對產(chǎn)量的耦合效應(yīng)系數(shù)最低。本研究條件下，土壤持水量為70%～80%、低氮(150 kg/hm2)、中磷(100 kg/hm2)、高鉀(300 kg/hm2)，能達(dá)到較高的產(chǎn)量效益。