铁肥浸种对玉米发育前期生长及光合荧光特性的影响

时间：2024-05-25

王兴义,左冰云，韩清芳,邬小春,丁瑞霞,崔雯雯,贾志宽

(1.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

王兴义1,2,左冰云1,2，韩清芳1,2,邬小春1,丁瑞霞1,2,崔雯雯1,贾志宽1,2

以‘郑单958’为材料，研究铁肥(FeSO4·7H2O)浸种对玉米发育前期生长和光合荧光特性的影响。设置3个铁肥质量分数水平(0.05%、0.075%、0.125%)，以清水为对照(CK)。结果表明：随着浸种质量分数的增加，玉米干物质积累、叶面积、株高和茎粗先升高后降低，0.075%处理的干物质积累和叶面积显著高于CK；铁肥浸种提高了叶绿素相对含量(SPAD值)，其中0.075%处理显著高于CK，0.075%处理的玉米叶片净光合速率(Pn)在七叶期、拔节期较CK分别提高24.1%和20.7%，0.075%处理的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(Yield)和相对电子传递速率(ETR)均高于CK，非光化学猝灭(qN)相反。综合分析各生长指标与光合荧光参数，0.075%的FeSO4·7H2O为关中平原夏玉米铁肥浸种处理的适宜质量分数。

玉米；铁肥；浸种；干物质积累；叶面积；光合荧光特性

植物缺铁失绿是世界性的营养失调问题，尤其是在石灰性土壤上，多种农作物和果树常因发生缺铁失绿导致生长不良而产量下降[1]，全世界约有40%的土壤缺铁[2]。中国南起四川盆地，北至东北平原，东至淮北平原，西到黄土高原及甘肃、青海、新疆，都有缺铁现象的发生[3]，尤以西北干旱地区为重。铁在植物体内参与叶绿素合成、氧化还原反应和电子传递以及呼吸作用等多种生理作用，而土壤中铁对植物的有效性取决于土壤pH及植物的种类。植物体内许多含铁的化合物都参与光合作用过程中的一些反应，如细胞色素氧化酶复合体，铁氧还蛋白、血红素等。缺铁时，这些物质含量及含铁酶的活性都降低[4]，使光合作用中电子传递链受阻，从而阻断光合作用的正常进行，进而影响到植物体内同化产物的合成。植物一般所需铁浓度约为1.0×10-6～1.0×10-5mol·L-1，而在石灰性土壤上，可溶性铁的浓度约为1.0×10-10mol·L-1[5]，有效铁浓度较低。在缺铁胁迫下，叶绿素含量减少[6]，叶绿素含量可作为玉米早期潜在性缺铁诊断的指标[7]，可能造成光合效率降低和叶面积、生物量下降[8-10]，产量及品质都有所下降[11-12]。研究发现在关中土娄土上长期氮磷肥配施，土壤有效铁质量分数下降，应适当补充铁肥和锰肥以保证作物需求[13]。前人研究发现无机铁肥的种子处理(浸种、拌种)和根外营养(喷施)等直接向植物施用的方法可避免不良的土壤条件的影响，效果常超过向土壤施肥[14]。尽管玉米属于机理Ⅱ作物，通过分泌麦根酸类物质来降低根际土壤pH，并对难溶性铁进行活化形成Fe3+螯合物(Fe3+-Mas)，根际通过对该螯合物的专一性吸收以适应缺铁胁迫环境[15]，然而在干旱半干旱的石灰性土壤中，玉米的缺铁问题依然严重[16]。前人研究大多集中在室内培养液中缺铁或高铁对植物生理指标或大田条件下铁肥的喷施、基施对作物产量及品质的影响。关于在石灰性土壤上，铁肥浸种对玉米发育前期的形态指标和光合荧光特性的研究未见报道。鉴于此，本试验通过设置不同质量分数的铁肥浸种处理，以测定玉米发育前期生长及光合生理特性指标，探讨铁肥浸种对玉米发育前期的光合生理机制，以期为西北石灰性土壤上旱地玉米的铁肥施用方式和质量分数提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验设在西北农林科技大学农作试验一站(108°04′E，34°20′N)，试验田为旱平地，土壤类型为土娄土，前茬作物为小麦，耕层(0～20 cm)土壤有机质11.53 g·kg-1，全氮1.31 g·kg-1，全磷0.88 g·kg-1，全钾6.25 g·kg-1，碱解氮52.12 mg·kg-1，速效磷21.34 mg·kg-1，速效钾94.37 mg·kg-1，有效铁(DTPA-Fe) 3.77 mg·kg-1，土壤pH为8.3。

设3个铁肥质量分数水平 (0.05%、0.075%、0.125%)，蒸馏水浸种为对照(CK)，共4个处理。玉米品种为‘郑单958’，铁肥为七水硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)。浸种方法：玉米种子先用蒸馏水洗去包衣，吸水纸吸附种子表面多余的水分，种子置于w=0.3%次氯酸钠溶液中消毒5 min后用蒸馏水冲洗2次，将种子浸没在配制好的不同质量分数的FeSO4·7H2O溶液中，25 ℃下浸种12 h后，在室内25 ℃条件下自然阴干后备用；CK为蒸馏水浸种，其他步骤相同。播种前1 d进行浸种。

浸种阴干备用的种子于2014-07-14播种，采用人工点播。行距60 cm，株距25 cm，密度67 500 hm-2，小区面积24 m2，每处理重复3次，采用随机区组排列，小区四周种植保护行。氮磷肥基施，施肥量分别为N 112.5 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2；氮肥为尿素，磷肥为磷酸二氢铵，折合具体肥料用量。

1.2 测定指标与方法

播后15 d，玉米进入三叶期，从三叶期开始每隔1周取1次样，在每个小区选取3株有代表性、长势一致的植株，带回实验室，测量株高、茎粗、单株叶片面积(长×宽×系数，展开叶系数为0.75，未展开叶系数为0.5)，然后将植株于烘箱中105 ℃杀青，75 ℃烘干至恒质量，称量获得玉米单株干物质积累量。

于七叶期(2014-08-17)和拔节期(2014-08-28)，每处理选取3株具有代表性的植株分别测定光合荧光和叶绿素相对含量等指标。用美国LI-COR公司生产的便携式LI-6400型光合测定仪，分别于晴天9:00-11:30测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，测定部位为玉米上部第一展开叶的中上部，避开叶脉；用SPAD-502型叶绿素仪测定玉米叶绿素相对含量(SPAD值)；用德国WALZ公司生产PAM-2000荧光仪，在七叶期、拔节期测定玉米光系统Ⅱ(PSⅡ)的最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(Yield)、光合电子传递速率(ETR)、非光化学猝灭(qN)等参数，测定部位为玉米上部的第一展开叶中上部，避开叶脉。

1.3 数据分析

用Excel 2010进行数据处理并作图，用DPSv7.05软件进行数据分析并进行Duncan’s新复极差检验。

2 结果与分析

2.1 铁肥浸种对玉米发育前期株高、茎粗的影响

株高与茎粗可以间接衡量作物的生长发育状况。由图1可知，在发育前期，随着铁肥浸种处理质量分数的增大，玉米株高呈现先升高后降低的趋势。播后15 d，铁肥浸种处理的株高均较CK提高，其中0.075%处理最高，较CK增长11.4%(P<0.05)。播后22 d，株高亦表现为0.075%处理>0.05%处理>0.125%处理>CK，但处理间无显著差异。播后29～43 d，0.075%铁肥处理株高均显著高于CK(P<0.05)，分别增长11.3%、15.9%、5.4%，其他2个处理铁肥处理和CK均无显著差异。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

由图2可知，铁肥浸种处理同样对玉米发育前期的茎粗生长有促进作用，播后29 d内的3次取样，各处理茎粗均无显著差异。播后36 d和43 d，处理间茎粗大小趋势为0.075%处理>0.125%处理>0.05%处理>CK，且0.075%处理显著高于其他处理(P<0.05)。玉米发育前期茎粗表现为：随着铁肥浸种质量分数的提高，茎粗先升高后降低。

图2 不同铁肥处理下玉米茎粗随玉米生长的变化

2.2 铁肥浸种对玉米发育前期叶面积的影响

在发育前期，随着浸种浓度的提高，玉米单株叶面积也表现为先升高后降低的趋势(图3)。播后15 d，处理间单株叶面积大小为0.075%处理>0.125%处理>0.05%处理>CK；播后22 d至36 d，处理间单株叶面积大小为0.075%处理>0.05%处理>0.125% 处理>CK。0.075%处理的叶面积始终显著大于CK(P<0.05)，较CK分别增长16.3%、13.2%、17.4%、22.6%和17.9%；播后36 d，0.05%处理和CK差异达到显著(P<0.05)，且单株叶面积较CK增长12.4%；0.125%处理在玉米发育前期叶面积和CK均差异不显著。

2.3 铁肥浸种对玉米发育前期干物质积累的影响

随着玉米生长发育时间的推移，玉米干物质积累逐渐增加。由图4可知，随着铁肥浸种质量分数的增加，干物质积累呈先升高后降低的趋势。在玉米发育前期，浸种处理的干物质积累量均较CK有提高，且0.075%处理与CK差异达到显著水平(P<0.05)，播后15 d和43 d，较CK分别增长22.8%和50.6%；播后15 d和43 d，0.05%处理与CK差异达到显著水平(P<0.05)，分别较CK增长7.9%、24.2%；0.125%处理在播后15 d时显著高于CK(P<0.05)，之后两者均无显著差异。

图3 不同铁肥处理下单株叶面积随玉米生长的变化

图4 不同铁肥处理下玉米干物质

2.4 铁肥浸种对玉米光合特性和叶绿素相对含量的影响

在七叶期和拔节期，铁肥浸种处理均提高叶绿素相对含量(SPAD值)，其中0.075%处理的SPAD值与CK差异达到显著(P<0.05)；随着铁肥浸种质量分数的增加，叶片Pn表现为先升高后降低的趋势(表1)，处理0.05%和0.075%均显著高于CK(P<0.05)，0.125%和CK无显著差异，在七叶期0.05%处理、0.075%处理的Pn分别较CK增长22.5%和24.1%，在拔节期分别较CK增长15.6%和20.7%。在七叶期，Gs和Tr均随着浸种质量分数增加先升高后降低，其中0.05%处理和0.075%处理的Gs显著高于CK(P<0.05)，与叶片Pn一致；但处理间Tr差异不显著。在拔节期，各处理的Gs和Tr均随着浸种质量分数增加先升高后降低，但处理间差异不显著。

表1 不同处理在不同发育时期的玉米叶绿素SPAD值和光合特性参数

注：数据为“平均数±标准差”。同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

Note:The data is “ average±standard error”. In the same column,the different small letters mean significant difference at the 0.05 level. The same hereinafter.

2.5 铁肥浸种对玉米叶绿素荧光的影响

由表2可知，在七叶期，铁肥浸种0.075%处理提高玉米叶片PSⅡ、实际光化学效率(Yield)较CK增长5.6%，处理间无显著差异。0.05%处理和0.075%处理均降低玉米的非光化学猝灭(qN)，且0.075%处理与CK差异达显著水平(P<0.05)，铁肥浸种处理的相对电子传递速率(ETR)均显著大于CK，各铁肥浸种处理间差异不显著。

在拔节期，0.075%处理的Fv/Fm显著高于CK和其他浸种处理(P<0.05)，较CK增长3.8%，0.075%处理的Yield显著高于CK(P<0.05)，提高玉米叶片PSⅡ的Fv/Fm和Yield，0.05%处理和0.075%处理的qN均低于CK，其中处理0.075%处理与CK差异达显著水平(P<0.05)铁肥浸种均提高ETR，但与CK差异不显著。

表2 不同处理在不同发育时期的玉米叶片叶绿素荧光参数

3 讨论

石灰性土壤中有效铁质量分数不足，作物多存在潜在性缺铁，作物叶片没有可见的缺素症状，施用铁肥仍有一定的效果[17]。研究表明，供铁不足会降低玉米的株高、茎粗、地上部干物质和叶面积，使作物生长受阻[7,18-19]。本试验铁肥浸种0.075%处理较CK能提高玉米株高、茎粗并显著提高干物质积累和叶面积，这与前人研究结论相一致[7]。张健等[20]研究发现使用适量硫酸亚铁包衣的玉米种子能显著提高玉米株高和地上部干物质量，随着包衣剂量的加大对玉米生长促进作用较小。本试验中0.05%处理和0.075%处理对玉米干物质积累和叶面积的提高更明显，0.125%处理则对玉米地上部作用较小，与前人结论一致。

本试验中只有0.075%处理在七叶期和拔节期能显著提高叶片SPAD值，其他处理与CK差异不显著，与前人研究略有差异[21-22]，这可能受铁肥供应方式的影响，前人是在培养液中进行的供铁试验，而本试验在大田条件下，玉米根系合成和分泌可以鳌合高铁(Fe3+)载体来吸收土壤中的铁，减轻铁亏缺情况[23]。本试验中0.05%处理和0.075%处理在七叶期和拔节期均较CK提高玉米叶片Pn，这与陆海峰等[10]的研究一致，这可能是石灰性土壤上玉米吸收铁不足，影响植物体内与光合作用相关的含铁酶活性或含铁机构，光合效率不高，进而影响作物表观的形态指标，而补铁改善玉米的光合效率。本研究发现铁肥浸种处理均提高玉米叶片的Yield和相对ETR，并降低qN，其中0.075%浸种处理效果最好，而另2个铁肥浸种处理虽然较CK提高玉米叶片叶绿素相对含量和光合作用，但低于处理0.075%。其中0.05%处理可能还是存在一定程度的缺铁，这增强了作物体内依赖叶黄素循环的热耗散，减少叶片用于光化学反应的激发能，大部分激发能被耗散掉[24]；0.125%处理的Pn、PSⅡ的Fv/Fm、Yield和ETR均低于处理0.075%，qN则高于处理0.075%，这可能是供铁过多造成玉米PSⅡ活性中心受影响和抗氧化酶系统受损，使作物体内膜脂过氧化，光合电子传递受阻，进而影响玉米光合作用的正常进行[24-26]，使其光合作用略低于适量铁肥浸种质量分数0.075%。

综上所述，在石灰性土壤上，适量七水硫酸亚铁浸种能提高玉米发育前期的株高、茎粗、干物质积累和叶面积等形态指标，且通过提高玉米叶片叶绿素相对含量，促进光合作用，减少非荧光猝灭，提高作物光能利用效率，降低土壤有效铁质量分数不足而影响玉米发育前期正常生长，为作物后期生长打下基础。

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(责任编辑：成敏 Responsible editor:CHENG Min)

Effects of Seed Soaking with Iron Fertilizer on Growth and Photosynthetic Characteristics of Maize (ZeamaysL.) in Early Stage

WANG Xingyi1,2,ZUO Bingyun1,2,HAN Qingfang1,2,WU Xiaochun1, DING Ruixia1,2,CUI Wenwen1and JIA Zhikuan1,2

(1. Key Laboratory of Crop Physiological Ecology and Tillage in Northwestern Loess Plateau,Minister of Agriculture/College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China; 2. Institute of Water-Saving Agriculture in Arid Areas of China,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China)

In this experiment,‘Zhengdan 958’ was used to investigate the effects of seed soaking with iron fertilizer on growth,fluorescence efficiency and photosynthetic characteristics of maize during early stage. The treatments were three levels of FeSO4·7H2O mass fraction (0.05%,0.075%,0.125%),and water application served as control (CK). Plant height,stem diameter,dry matter accumulation and leaf area were measured at trifoliate stage,photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters measured at septfoliate stage and jointing stage,respectively. The results showed that, dry matter accumulation rate,leaf area,plant height and stem diameter increased first and then decreased with the increase of iron fertilizer mass fraction . Dry matter accumulation and leaf area were significantly higher at 0.075% mass fraction as compared to CK; seed soaking with iron fertilizer increased the relative chlorophyll content (SPADvalue),of which 0.075% significantly performed better than CK,net photosynthetic rate of 0.075% were 24.1% and 20.7% higher than that of CK at septfoliate stage and jointing stage. Maximum photochemical efficiency of PSⅡ after dark adaptation (Fv/Fm),actual photochemical efficiency of PSⅡin the light (Yield),and relative electron transport rate (ETR) of 0.075% were higher than that of CK,where as non-photochemical quenching (qN) was opposite. By comprehensive analysis of maize growth indexes and photosynthetic parameters,0.075% of iron fertilization with seed soaking is recommended as a proper mass fraction for enhancing maize quality in Shaanxi Guanzhong plain.

Maize; Iron fertilizer; Seed soaking; Dry matter accumulation; Leaf area; Photosynthetic fluorescence characteristics

WANG Xingyi,male,master student.Research area:efficient cultivation of crops. E-mail: xingyiok@163.com

HAN Qingfang,female,professor,doctoral supervisor.Research area:high efficient utilization of water in arid areas. E-mail:hanqf88@nwsuaf.edu.cn

日期：2017-05-22

2016-05-24

2016-07-18

国家“863”课题(2013AA102902)；公益性行业项目(201303104)；高等学校学科创新引智计划项目(B12007)。

王兴义，男，硕士研究生，从事作物高效栽培研究。E-mail：xingyiok@163.com

韩清芳，女，教授，博士生导师，从事旱区水分高效利用研究。E-mail: hanqf88@nwsuaf.edu.cn

S143.7+2

1004-1389(2017)05-0711-07

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170522.0857.020.html

Received 2016-05-24 Returned 2016-07-18

Foundation item National 12thFive-year “863” Project(No.2013AA102902);“12thFive-year” Public Welfare Project(No.201303104); Institutions of Higher Subject Innovation Program(No.B12007).