不同水氮管理下玉米叶片衰老对氮转移效率的影响

张忠学 尚文彬 齐智娟 郑恩楠 刘 明

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物之一，截止2016年，玉米的播种面积及产量占粮食作物的比例分别达到了32.53%和35.63%。施用氮肥是促进玉米增产的重要措施[1-2]，然而，过量施用氮肥不仅达不到增产的效果还会造成诸如温室气体排放、农田土壤酸化、淡水资源退化等环境问题[3-5]。为保障粮食安全和农业可持续发展，减少氮肥损失、提高氮肥利用率具有重要意义。

施入的氮肥主要流向土壤、作物、大气3个系统中[6-7]。其中，氮素在作物体系内的转移直接影响着作物产量及氮肥利用率。相关研究表明：玉米籽粒含氮量的60%～70%源自开花前氮的再转移[8]，灌浆后玉米叶中氮对籽粒的贡献最高可达90%[9]。因此，提高作物同化产物的累积量和花后叶片氮转运量是获得玉米高产的关键。作物同化产物的积累源自于叶片对光能截获和利用，关于提升作物同化产物累积量已有大量报道。刘洋等[10]研究表明，覆膜处理可以促进玉米生育前期叶片生长，增强光合作用，使成熟期玉米干物质量和氮素含量较不覆膜处理提高9%～22%和12%～27%。张富仓等[11]通过2年试验得出，适当提升春玉米施肥量可以明显增加叶面积指数和地上部分干物质累积量。进入生育后期叶片逐渐衰老，光合作用减弱，植株同化产物量减少。与叶片衰老同时进行的是籽粒灌浆，籽粒灌浆的速度和时间直接决定玉米品质与产量[12]。

目前关于玉米叶片衰老的研究多集中于不同种植密度[13]、不同品种[14]等方面，且多数为叶片衰老的生理机制探究，而在覆膜不同水氮管理模式下玉米叶片衰老过程对籽粒灌浆速率的影响及叶片衰老过程与氮素转移效率间的关系尚不明确。基于此，本文以玉米为研究对象，应用Logistic模型描述叶片衰老的动态过程，并结合花后叶片氮素积累量和比叶重等指标，探究叶片衰老过程对玉米中氮素转移效率的影响。通过合理的水肥调控延缓叶片衰老时间，提高叶片氮转移效率，进而达到高产、高效、节水、节肥的目的。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年在黑龙江省肇州县水利科学试验站(45°17′N，125°35′E)进行，该站位于黑龙江省西南部，属典型的旱作物试验区，主要进行玉米、大豆等旱田作物的试验研究。平均海拔150 m，属于大陆性温寒带气候，大于等于10℃有效积温2 845℃，无霜期138 d，属于第一积温带，地下水深度在7 m左右。多年生育期平均降雨量约为390 mm，平均蒸发量1 733 mm。试验土壤为碳酸盐黑钙土(土壤物理性质)，容重1.21 g/cm3。土壤基础肥力：有机质质量比28.20 g/kg、全氮质量比1.41 g/kg、全磷质量比0.88 g/kg、全钾质量比19.86 g/kg、碱解氮质量比0.13 g/kg、速效磷质量比0.04 g/kg、速效钾质量比0.21 g/kg。

1.2 试验设计

试验采用灌水量和施氮量2因素试验。灌水量设置3个水平，W1(150 m3/hm2)、W2(300 m3/hm2)、W3(450 m3/hm2)，施氮量设置4个水平，N0(不施氮)、N1(180 kg/hm2)、N2(220 kg/hm2)、N3(260 kg/hm2)，12个处理，每个处理重复3次，共计36个处理小区。小区采用随机区组布置，每个小区面积62.4 m2(8 m×7.8 m)。采用大垄双行种植，垄宽130 cm，垄上行距40 cm，株距23 cm，种植密度为67 500株/hm2。整个试验小区设置保护区和保护行，各小区之间设置隔离带。保护区宽度为5 m，保护行宽度为1 m，隔离带宽度为1.5 m。试验于2018年4月27日施基肥，5月2日播种，供试玉米品种为“稷秾108”，为当地高产品种。播种后覆膜前在土壤表面喷洒除草剂灭草。覆膜的同时铺设滴灌带，滴灌带为内镶片式，滴头间距20 cm，滴头工作压力0.1 MPa，滴头流量2 L/h，每条滴灌带控制2行玉米。播种后5 d进行保苗灌水。生育期内共灌水2次，分别在拔节期及灌浆期灌水，每次灌水定额比例为1∶1。磷肥和钾肥作为基肥施入(磷肥、钾肥的施用量均为90 kg/hm2)，氮肥40%作为基肥施入，60%作为追肥于拔节期与灌浆期随灌水按1∶1施入。试验所选用的氮肥为尿素(含N质量分数46%)，磷肥为磷酸二铵(含N质量分数18%，P2O5质量分数46%)，钾肥为硫酸钾(含K2O质量分数54%)。

1.3 测定项目与方法

1.3.1叶面积

每个小区选取吐丝期长势一致的玉米标记，从吐丝期开始每隔10 d选取被标记玉米中的3株，测量其每片叶的叶长及叶宽，计算玉米叶面积(0.75乘叶长再乘叶宽)，共计测量6次(即吐丝后50 d)。

1.3.2叶片、籽粒含氮量

在测量叶面积同时取植株叶片及籽粒置于105℃干燥箱中杀青30 min，而后在65℃条件下干燥至恒质量并称量。将称量后的样品各部分混匀并进行研磨，过0.15 mm筛后装入样品袋中密封保存。植株全氮含量采用浓H2SO4-H2O2消解，AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度 0.001 AUFS)测定。

1.4 叶片衰老过程拟合

采用Logistic方程对叶片衰老过程进行拟合，其函数形式为

y=aeb-cx/(1+eb-cx)×100%

(1)

式中y——某一时刻相对绿叶面积，%

x——吐丝后时间，d

a、b、c——大于0的待定参数

其中参数a为拟合方程的理论初始值(根据文献[13]在拟合时设置为1)。b与叶片衰老启动时间相关，c与叶片衰老的速度相关。根据张仁和等[13]的方法可以求出叶面积最大衰老速率Vmax及最大绿叶衰减速率出现时间(吐丝后天数)Tmax，分别为

Vmax=c/4×100%

(2)

Tmax=b/c

(3)

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007对数据进行初步整理，使用SPSS 16.0统计分析数据，LSD法进行显著性检验(显著水平为P<0.05)，Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 玉米吐丝后相对绿叶面积变化

相对绿叶面积(Relative green leaf area)是指吐丝后某一时刻的叶面积与吐丝期叶面积的比值[14]。图1为吐丝后玉米相对绿叶面积动态变化。由图1分析知，随生育期的进行，各处理相对绿叶面积均单调递减，且呈“慢—快—慢”的变化趋势。吐丝后0～10 d、10～20 d、20～30 d、30～40 d、40～50 d叶片平均衰老速率分别为0.09%～0.55%、0.41%～0.82%、1.21%～2.25%、1.33%～2.42%、0.62%～1.95%。吐丝后10、20 d灌水和施氮对相对绿叶面积影响均不显著(P>0.05)。吐丝后30 d灌水对相对绿叶面积影响不显著(P>0.05)，施氮对相对绿叶面积影响显著(P<0.05)。吐丝后40、50 d灌水和施氮均对相对绿叶面积影响显著(P<0.05)。施氮量相同时W3处理成熟期相对绿叶面积较W1、W2处理分别高了14.99%～91.90%、11.90%～44.40%，表明适度增加灌水可以提高相对绿叶面积。灌水量相同时，施氮可以提高相对绿叶面积，N1、N2、N3处理成熟期相对绿叶面积分别较N0高出14.95%～21.24%、18.22%～53.93%、4.45%～71.65%。除W1条件下N0、N3处理差异不显著，其余均达到P<0.05水平。

图1 不同处理下玉米相对绿叶面积动态变化曲线Fig.1 Dynamic changing curves of relative green leaf area of maize under different treatments

2.2 玉米叶片衰老参数

水氮耦合下玉米相对绿叶面积动态变化采用Logistic方程进行拟合，所得方程参数如表1所示。由表1可知，各处理拟合方程相关系数R均不小于0.927 9，拟合效果较好，表明可以采用Logistic方程模拟玉米叶片衰老的动态过程。叶片衰老启动时间Ts、平均衰老速率Vm、最大衰老速率Vmax及最大绿叶衰减速率出现时间Tmax如表1所示。其中叶片衰老启动时间Ts是指相对绿叶面积达到95%所需的时间[14]。由表1可知，不同处理叶片衰老启动时间为6.36～10.72 d。除W1处理叶片衰老启动时间随施氮量的增加而延后外，其余处理无明显规律。水氮耦合下叶片平均衰老速率、最大衰老速率变化规律一致。灌水量为W1时，叶片平均衰老速率、最大衰老速率随施氮量的增加呈先降低后升高趋势，在N2处理时达到最低。叶片平均衰老速率和最大衰老速率分别较N0、N1、N3处理降低21.45%、13.82%、19.97%和21.61%、13.48%、15.75%。灌水量为W2和W3时，叶片平均衰老速率和最大衰老速率随施氮量的增加呈持续下降趋势，在N3处理达到最低。灌水量为W2时，叶片平均衰老速率和最大衰老速率最高可降低30.74%和26.14%。灌水量为W3时，叶片平均衰老速率和最大衰老速率最高可降低27.56%和22.20%。最大绿叶衰减速率出现时间与叶片平均衰老速率、最大衰老速率变化呈相反趋势。在灌水量为W1时随施氮量的增加呈先增加后减小趋势，在N2处理时最大绿叶衰减速率出现时间最高可延长10.90 d。在灌水量为W2、W3时随施氮量的增加呈持续增加趋势，在N3处理时最大绿叶衰减速率出现时间最高可延长11.97 d和11.20 d。表明水氮处理主要通过影响叶片平均衰老速率、最大衰老速率及最大绿叶衰减速率出现时间进而影响叶片衰老过程，对于叶片衰老启动时间影响不大。

表1 不同处理下叶片衰老特征参数Tab.1 Leaf senescence parameters under different treatments

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

2.3 叶片衰老过程中叶片氮素积累量及比叶重变化

叶片衰老过程中叶片氮素积累量变化如图2所示，不同处理叶片氮含量在吐丝期或吐丝后10 d达到最大。其中W1N0、W1N3、W2N0处理叶片氮含量在吐丝期达到最大，之后呈一直下降趋势，更早地启动了氮转移。吐丝后20～40 d叶片氮含量下降速率最快，与相对绿叶面积变化规律一致，说明叶片衰老对叶片氮素转运有一定的影响。施氮可以显著提升玉米吐丝期叶片含氮量，较不施氮处理提高77.78%～162.44%。生育末期叶片含氮量受吐丝期叶片氮素积累量和吐丝后氮素转运量共同影响。在施氮量为N1时，W3处理叶片氮素转运量分别较W2处理和W1处理提高7.52%和48.41%；在施氮量为N2、N3时，W2处理叶片氮素转运量较W3处理提高25.55%、36.55%，表明在施氮量较低时灌水有助于提高叶片氮素转运量，而施氮量较高时，灌水反而抑制叶片氮素转运量。

图2 叶片衰老过程中氮素积累量变化曲线Fig.2 Changing curves of nitrogen accumulation during leaf senescence process

比叶重(Specific leaf weight)指单位叶面积的叶片干质量，与叶片寿命相关[15]。叶片衰老过程中比叶重变化如图3所示，吐丝期开始时不同处理比叶重差异显著，W2N3处理比叶重最高达到4.75 mg/cm2，较最低处理W1N0提高39.30%(P<0.05)。吐丝后10 d各处理比叶重逐渐降低，且在吐丝后10～30 d比叶重下降最快。至成熟期时，不同处理比叶重之间的差距缩小，其他处理成熟期比叶重较最低处理W1N0提高0.63%～13.21%。成熟期不同处理比叶重较吐丝期下降5.04%～29.06%，其中W2N2、W2N3处理比叶重下降高达28.29%、29.06%，说明其叶片发生更多的物质转运。

图3 叶片衰老过程中比叶重变化曲线Fig.3 Changing curves of specific leaf weight during leaf senescence process

2.4 叶片衰老过程对籽粒灌浆的影响

籽粒灌浆速率对籽粒库容的充实程度有影响，百粒质量是构成玉米产量要素之一[16]。不同处理叶片衰老过程中百粒质量变化如图4所示，由图4可知，不同处理玉米籽粒灌浆速率呈单峰曲线变化，最大灌浆速率均出现在吐丝后30～40 d。在灌浆初期(吐丝后10～20 d)，不同处理百粒质量差异不显著，籽粒灌浆速率较慢，吐丝后30 d，各处理百粒质量开始出现差异，籽粒灌浆速率增加。其中W2N3处理平均籽粒灌浆速率最高达到2.01 g/d，较其他处理最高可提升117.15%。灌浆结束后所达到的最大百粒质量受灌水和施氮共同影响。不同灌水条件下，随着施氮量的增加百粒质量呈不同变化趋势。W1处理下，随着施氮量的增加百粒质量呈先增加后减小趋势，由大到小依次为N2、N1、N3、N0。其中施氮处理百粒质量均显著高于不施氮处理(P<0.05)，分别较N0高28.69%、18.25%、12.79%。W2、W3处理下，随着施氮量的增加百粒质量呈持续增加趋势。施氮处理百粒质量较N0处理分别高19.19%、29.73%、37.92%(W2处理)和13.15%、22.80%、28.21%(W3处理)。在施氮量相同时(N1～N3)，W2处理百粒质量较W3处理提高1.03%～3.16%。可见，施氮可以显著提升玉米百粒质量，但灌水不足时，过量施氮反而会降低百粒质量。而灌水量过高又会影响氮肥效果，降低百粒质量。

图4 叶片衰老过程中百粒质量变化曲线Fig.4 Changes of 100-grain quality during leaf senescence process

图5 不同处理叶片氮素转移效率Fig.5 Leaf nitrogen remobilization efficiency under different treatments

2.5 叶片衰老过程对氮素转运效率的影响

叶片氮素转移是玉米叶片衰老过程中的重要生理过程之一，与籽粒灌浆同时进行，叶片的氮转移效率反映了叶片对籽粒含氮量的贡献率[17-18]。叶片氮转移效率是指吐丝期与成熟期叶片氮素含量的差值与吐丝期叶片氮素含量的比值[13]。不同处理下叶片氮转移效率如图5(图中不同小写字母表示不同处理叶片氮转移效率在0.05水平差异显著)所示，由图5可知，不同处理叶片氮转移效率为14.15%～39.93%。W1N3处理氮转移效率最低，仅为14.15%，表明灌水不足施氮过高时叶片吸收同化的氮素更多用于维持自身生长，向籽粒等生殖器官转运较少。在灌水量为W2、W3时，施氮处理叶片氮转移效率均显著高于不施氮处理。W2处理下，施氮量为N3时叶片氮转移效率最高，与不施氮相比提高93.37%(P<0.05)，W3处理下，施氮量为N1时叶片氮转移效率最高，与不施氮相比提高56.26%(P<0.05)。

叶片氮素转运效率与最大绿叶衰减速率出现时间呈显著正相关，相关系数为0.65，与叶片平均衰老速率呈显著负相关，相关系数为0.676，与叶片最大衰老速率呈极显著负相关，相关系数为0.753。叶片氮素转运和叶片快速衰老时期均发生在吐丝20 d后，此时叶面积急剧减小会使叶片同化光合产物能力减弱，无法满足自身生长需求，减少向籽粒的氮素转运量。

3 讨论

玉米叶片在玉米生长发育的各个阶段都具有重要作用，是作物进行光合作用的主要场所，为籽粒灌浆提供氮源。叶片衰老是作物生长过程中的常见现象，具有重要的生物学意义[19]。延缓叶片衰老时间并提高叶片衰老过程中氮素转运效率可以显著提高作物产量和氮肥利用率。因此，本试验在覆膜水氮管理的条件下探究不同处理叶片衰老的启动时间、叶片衰老速率、最大绿叶衰减速率出现时间及叶片衰老过程对籽粒灌浆速率及氮素转移效率的影响。研究结果表明，不同处理玉米叶片衰老启动时间为6.36～10.72 d，受灌水和施氮影响不大。CHEN等[14]对不同杂交玉米品种研究表明，不同品种玉米叶片衰老启动时间差异显著，说明玉米叶片衰老启动时间与玉米的基因型有关，而与灌水和施氮等外加条件无关。增加灌水量可以降低玉米叶片衰老速率，延缓最大绿叶衰减速率出现时间，王国栋等[20]对控墒条件下玉米叶片衰老规律探究，也得到类似的结论。吕丽华等[21]对不同施氮量下玉米叶片性状研究表明，施氮量超过180 kg/hm2会使叶片提早衰老。而本研究表明，在灌水量为W1时，施氮超过220 kg/hm2会使叶片提前衰老，在灌水量为W2、W3时，增加施氮量可以延缓叶片衰老。其原因可能是本试验玉米种植密度较低，为67 500株/hm2，而前者种植密度较高，为82 500～125 000株/hm2。种植密度过高会加剧作物对光照资源的竞争，增加施氮量会使叶片前期长势较好，使冠层内光照条件变差，导致叶片提前衰老。此外，在灌水充足的条件下，适量的施加氮肥既可以保证作物的氮素营养又可以保持作物合理的碳氮比，延缓叶片的衰老[22]。

叶片衰老过程中，叶片中的蛋白质被降解成谷氨酸、赖氨酸、天冬氨酸等各种氨基酸[23]，产生的氨基酸通过一系列的转氨反应进行作物体内氮的再转移[17]。本研究表明，吐丝后20～40 d，叶片氮素转运量最高，达到3.93～27.67 kg/hm2，占总转运量的50.45%～95.28%，在此期间叶片衰老速率也达到最大。相关性分析也表明叶片氮转移效率与叶片最大衰老速率呈极显著负相关。YANG等[24]利用15N示踪技术探究玉米叶片氮素转移规律也得出了类似结论。在一定程度上，叶片氮转移效率随着最大绿叶衰减速率出现时间增加而升高，相关系数达到0.65，呈显著正相关。但最大绿叶衰减速率出现时间过晚反而会造成叶片氮素转运量和氮素转移效率降低。本研究中W3N2、W3N3处理最大绿叶衰减速率出现时间最晚分别为吐丝后49.06 d和吐丝后52.75 d。但其叶片氮转运量和氮素转移效率为22.39、25.42 kg/hm2和28.92%、30.04%，与最高氮转运量和氮转移效率处理W2N3相比，叶片氮转运量和氮素转移效率分别下降35.49%、26.76%和27.58%、24.78%。过度持绿可能会使更多的氮素残留在叶片中导致叶片氮转运量过低[18]。本试验中W3N2处理和W3N3处理成熟期叶片含氮量分别较高氮转运处理W2N3提高5.42%和13.41%。

灌浆期是玉米产量形成的关键时期。提高灌浆结束后籽粒的质量可以提高玉米产量[25-26]。玉米叶片的衰老与籽粒的形成发生在同一时期。玉米叶片的衰老过程会通过影响玉米籽粒质量等影响玉米产量。国内外许多学者[27-28]都认为叶片早衰、绿叶面积减小会降低作物产量，需要通过延迟叶片衰老来解决。本试验探究了叶片衰老过程与籽粒灌浆过程间的关系，结果表明，叶片衰老速率与籽粒灌浆速率都呈先慢后快，最后趋于平缓的“S” 形曲线变化规律。各处理百粒质量在灌浆开始时相差不大，灌浆结束后差异显著。灌浆结束后百粒质量整体上随最大绿叶衰减速率出现时间延长而提高，生育后期叶片能保持较长的功能期是玉米获得高产的前提。同时，成熟期相对绿叶面积与灌浆结束后百粒质量也具有一定相关性，具体表现为成熟期相对绿叶面积越大百粒质量越大。玉米光合作用主要通过叶片完成，光合特性主要受叶面积影响[29]。籽粒干物质量主要源于吐丝后光合同化物积累[30]。吐丝后30 d相对绿叶面积开始急剧减小，叶面积衰减速率快的处理有效光合面积、光合时间都因叶面积的减小而减小，导致光合同化产物减小、干物质积累量减小，不同处理籽粒百粒质量差异开始显现。

4 结论

(1)在水分不足的条件下不施氮或过量施氮都会引起膜下滴灌玉米叶片早衰，而在灌水充分的条件下增加施氮量可以降低叶片衰老速率，延长绿叶面积持续时间从而延缓叶片衰老。与其他处理相比，W3N3处理叶片衰老速率降低了34.41%，最大绿叶衰减速率出现时间延长了17.52 d，成熟期相对绿叶面积最高提升1.003倍。

(2)膜下滴灌玉米叶片衰老过程对叶片氮素转移效率和籽粒灌浆速率均有影响。在一定范围内，降低叶片衰老速率、延长绿叶面积持续时间有助于增加叶片氮素转运量，提高叶片氮转移效率和百粒质量。但过度持绿会导致叶片生长旺盛，氮素更多残留在叶片中，不易向籽粒等器官转运，降低籽粒质量。

(3)灌水量为300 m3/hm2、施氮量为260 kg/hm2时，绿叶面积持续时间较长，花前叶片氮素积累量和花后叶片氮转移效率均达到最高，籽粒质量也达到最大，是本试验最佳的灌水和施氮组合。从农业水肥资源高效利用的角度考虑，灌水300 m3/hm2、施氮260 kg/hm2是黑龙江省西部地区玉米灌水、施氮的最佳组合方式。