不同磷素用量对玉米光合特性及酶活性的影响

高文龙 张贵余 张赢心 崔浩 高占 贾志越 刘树堂

摘要：本试验以玉米品种鲁单818为材料，设置0（P1）、20kg/hm2（P2）、40kg/hm2（P3）、60kg/hm2（P4）、80kg/hm2（P5）、100kg/hm2（P6）共6个磷素（P2O5）水平处理，研究玉米光合特性及相关酶活性对不同磷素用量的响应。结果表明，随磷素用量的增加玉米叶片SPAD值、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率均呈增加趋势，当用量为100kg/hm2 时达到较高水平，较不施磷处理平均提高16.61%、29.01%、47.40%、30.96%、20.78%;玉米吐丝期前，叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合成酶活性均随磷素用量的增加而逐渐增加，乳熟期不同磷素用量处理对玉米叶片酶活性影响不明显，玉米生育期内施用100kg/hm2的磷素较不施磷处理平均提高19.08%、65.50%、24.63%。综上表明，施用适量磷肥可以有效提高玉米叶片SPAD值、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率和硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶活性，并且随用量的增加而逐渐提高。本试验条件下，磷素用量100kg/hm2效果最好。

关键词：磷素用量;玉米;光合指标;酶活性

玉米为我国主要粮食作物，对我国粮食安全至关重要[1]。施用化肥可以显著提高玉米产量，其中磷素作为植物三大营养元素之一，参与植物细胞的构成，并且直接参与光合作用和碳氮代谢等过程[2，3]。

氮磷不仅是作物生长发育的必需营养元素，也是产量提高的限制因子[4]。氮磷配比与施用方式对作物的光合效率以及生理代谢都有显著影响[5-7]。卢闯等[8]研究发现，干旱胁迫下施用磷肥可以提高玉米净光合速率、植株氮磷含量以及抗逆性。彭涛涛等[9]研究发现，随磷肥用量的增加玉米叶片蒸腾速率以及气孔导度逐渐增加。石博文等[10]研究发现，玉米叶绿素含量、光合速率等指标随磷肥用量的增加表现为先升高后降低趋势。李萍等[11]研究发现，当氮肥用量为150kg/hm2时，施用磷肥可以有效提高玉米叶片气孔导度、蒸腾速率。Wu等[12]研究认为低磷胁迫能够影响玉米体内NiR、GS、Fd-GOGAT等同化基因的表达，进而影响拟南芥植株的氮代谢。罗凤[13]研究发现，短期的磷胁迫会造成水稻根系GS活性显著下降。

由上看出，前人主要从氮磷胁迫的角度研究氮磷养分对玉米苗期光合特性和相关酶活性的重要性，而对整个生育期内玉米光合特性以及氮代谢相关酶活性的变化规律研究较少。因此，本试验通过设置不同的磷素用量水平，研究玉米不同生育期内光合特性及其相关酶活性对磷素水平的响应规律，以期为磷肥的合理施用提供技术参考。

1材料与方法

1.1试验地概况及材料

试验在青岛农业大学莱阳试验站栽培池（120.7°E，36.9°N）内进行。栽培池长宽为2m×2m，深1.5m，栽培池之间用水泥层隔断。试验土壤为棕壤，有机质含量12.93g/kg、全氮0.77g/kg、有效磷30.52mg/kg、速效钾112.60mg/kg，pH值6.5。供试玉米品种为鲁单818。试验用肥料分别为尿素（N46%）、过磷酸钙（P2O514.5%）和氯化钾（K2O62.67%）。

1.2试验设计

试验共设6个处理（表1），随机区组排列，重复4次。玉米行距60cm，株距20cm。2020年6月28日播种，磷肥和钾肥全部做基肥一次施入，氮肥分3次施入，分别在播种、大喇叭口、抽雄期施入总量的30%、30%和40%。玉米整个生育期内其他管理方式相同。

1.3测定项目及方法

于大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期取各小区整株玉米，将根系和完全展开叶（大喇叭口期取最上部第三片叶，抽雄期取最上部第五片叶，吐丝期后取穗位叶）分开，鲜样用液氮速冻，于-80℃冰箱保存。硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性测定参考文献[14]的方法进行，GOGAT活性采用NADH还原比色法[15]，利用紫外-可见分光光度计进行测定。

使用KONICAMINOLTASPAD-502便攜式叶绿素仪测定各时期完全展开叶（大喇叭口期取最上部第三片叶，抽雄期取最上部第五片叶，吐丝期后取穗位叶）中部的SPAD值。使用CIRAS-3便携式光合仪测定其光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及水分利用效率。

1.4数据统计分析

采用MicrosoftExcel2013和DPS软件进行数据处理与作图并进行统计分析。

2结果与分析

2.1不同磷素用量对玉米光合指标的影响

2.1.1对玉米叶片SPAD值的影响 由图1看出，玉米生育期内，叶片SPAD值表现为先增大后降低趋势。其中P6处理叶片SPAD平均值最大，为62.48;其次是P5，为61.46;P2为56.89，较P1分别提高16.61%、14.71%、6.18%。大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期P6处理均有最大值，较P1分别提高11.00%、13.06%、23.11%、18.65%，P2较P1分别提高4.74%、6.17%、4.27%、9.56%。表明施用磷素对玉米吐丝期叶片叶绿素含量影响最显著，并且随磷素用量的增加而逐渐提高。

2.1.2对玉米叶片净光合速率的影响 由图2看出，整个生育期内不同磷素用量处理玉米叶片的平均净光合速率表现为P6>P5>P4>P2>P3>P1。其中P6处理最高，为44.07μmol/（m2·s）;其次是P5，为41.71μmol/（m2·s）;P2为38.40μmol/（m2·s），与P1相比分别提高29.01%、22.13%、12.43%。大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期P6处理的平均净光合速率较P1分别高出19.89%、32.99%、33.22%、31.40%，P2较P1分别高出21.62%、0.68%、14.51%、14.49%。说明施用磷素可以有效提高玉米叶片的净光合速率，并且随施用量的增加而逐渐提高。

2.1.3对玉米叶片气孔导度的影响 由图3看出，整个生育期内玉米叶片气孔导度表现为先增加后降低趋势，抽雄期达到最大值。各处理玉米叶片气孔导度的平均值表现为P6>P5>P4>P3>P2>P1。P6处理最大，为0.255mmol/（m2·s）;其次是P5，为0.244mmol/（m2·s）;P2为0.201mmol/（m2·s），与P1相比分别增加47.40%、40.57%、15.74%。玉米大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期P6处理叶片气孔导度较P1分别提高39.66%、70.06%、46.87%、25.25%，P2较P1分别增加19.85%、15.97%、21.34%、5.62%。说明施用磷素能够显著提高玉米叶片气孔导度，并且随磷素用量增加而增大。

2.1.4对玉米叶片蒸腾速率的影响 从图4看出，生育期内玉米叶片蒸腾速率表现为先增加后降低趋势，抽雄期达到最大值。P6处理各生育期均最高，平均为4.89mmol/（m2·s）;其次是P5，为4.54mmol/（m2·s）;P2为4.31mmol/（m2·s），较P1分别提高30.96%、21.57%、15.55%。不同生育期叶片蒸腾速率均随磷素用量的增加而逐渐增大，大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期P6较P1分别提高24.72%、60.79%、25.10%、11.39%，P2较P1分别提高12.27%、28.95%、8.58%、12.17%。说明施用磷素能够有效提高玉米叶片蒸腾速率，并且对抽雄期的影响最为显著。

2.1.5对玉米叶片水分利用效率的影响 从图5看出，整个生育期内玉米的水分利用效率呈现出逐渐降低趋势，同一生育期内，随磷素用量的增加，水分利用效率逐渐升高。其中P6处理平均水分利用效率最高，为9.05μmol/mmol;其次是P5，为8.87μmol/mmol;P2为7.86μmol/mmol，较P1分别提高20.78%、18.34%、4.85%。大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期P6较P1分别提高13.72%、18.27%、35.86%、16.56%，P2较P1分别提高6.35%、4.78%、2.79%、5.16%。说明，施用磷素能够有效提高玉米叶片水分利用效率，并且随用量增加而逐渐提高。另外，随生育进程，磷素对玉米叶片水分利用效率的影响也逐渐减小，这可能是由于磷素对玉米生育后期的影响程度减小所致。

2.2不同磷素用量对玉米叶片酶活性的影响

2.2.1对玉米叶片硝酸还原酶（NR）活性的影响

从图6看出，整个生育期内玉米叶片硝酸还原酶活性表现出先升高后降低趋势，NR活性平均值表现为P6>P5>P4>P2>P3>P1。P6处理平均值最大，为34.74μg/（gFW·h）;其次是P5，为31.96μg/（gFW·h）;P2为31.86μg/（gFW·h），较P1分别提高19.08%、9.53%、9.21%。大喇叭口期和抽雄期，P6较P1分别显著提高89.49%、20.02%，P2较P1分别提高6.46%、12.39%。表明这两个时期施用磷素NR活性提高，并且随磷用量增加总体呈增加趋势。

2.2.2对玉米叶片谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影响 从图7看出，整个生育期内玉米叶片GS活性表现出先升高后降低趋势。其中P6处理的GS活性平均值最高，为16.81A/（mg·h）;其次为P5，为15.30A/（mg·h）;P2为13.96A/（mg·h），较P1分别高65.50%、50.65%、37.47%。大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期均以P6处理叶片GS活性最高，较P1分别高出90.96%、71.92%、50.50%、52.70%，P2较P1则分别高出70.06%、46.14%、19.85%、18.05%。说明施用磷素能够显著提高玉米叶片GS活性，且大喇叭口期影响最显著，但随磷素用量的增加以及生育期的推进，各处理间叶片GS活性差异逐渐减小。

2.2.3对玉米叶片谷氨酸合成酶（GOGAT）活性的影响 从图8看出，玉米生育期内不同磷素用量处理叶片GOGAT活性平均值表现为P6>P5>P3>P4>P2>P1。P6处理最高，为146.59μmol/（min·gFW）;其次是P5，为144.62μmol/（min·gFW）;P2为126.67μmol/（min·gFW），较P1分别高出24.63%、22.96%、7.69%。大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期叶片GOGAT活性均以P6處理最高，较P1分别提高68.89%、22.70%、12.88%、11.17%，P2较P1分别提高22.64%、7.11%、4.99%、1.79%。说明施用磷素可以有效提高叶片GOGAT活性，但随着生育期的推进以及磷素用量的增加，GOGAT活性差异逐渐减小。

3讨论与结论

叶片SPAD值一定程度上反映了玉米叶片的光合作用的强弱[16]。杨玉玲等[17]认为，施用磷肥可以提高玉米叶片叶绿素含量，增强光合作用。本研究也表明，玉米叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率均随磷素用量的增加而逐渐提高，并在用量为100kg/hm2时达到最大值。王帅等[18]研究发现玉米叶片叶绿素含量、光合速率等指标随磷肥用量的增加表现出先升高后降低趋势，并在150kg/hm2达到最大值。由于本试验未设置更高的磷素用量，所以当磷素用量超过100kg/hm2后，叶绿素以及光合指标的变化趋势尚不明确。

硝酸还原酶可促进植物体内的氮代谢过程，促进植物对硝态氮的转化吸收[19]，GS-GOGAT循环作为植物体内铵态氮同化的主要途径[20]，其活性对玉米氮代谢能力及后期产量有至关重要的作用。本试验结果表明，随着生育期的推进，玉米叶片NR、GS、GOGAT活性表现为先增加后降低趋势，并且随磷素用量的增加，NR、GS、GOGAT活性逐渐提高。齐炳林等[21]研究表明施用磷肥能够提高豇豆幼苗NR活性;蔡柏岩等[22]研究表明施用磷素可以有效提高大豆功能叶GS活性;姜宗庆[23]研究发现施用磷肥可以有效提高小麦剑叶GS和GOGAT活性。本研究结果与上述结论基本一致。

综合本试验结果看出，施用适量磷素能够显著提高玉米叶片SPAD值、净光合速率、气孔导度、水分利用效率和硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶活性，并且随磷素用量的增加逐渐增大;随玉米生育期推进以及磷素用量增加，各处理间酶活性的差异逐渐减小。磷素用量100kg/hm2时各指标值最大。至于在磷素继续增加的情况下，玉米叶片光合指标及其相关酶活性情况如何变化，还需要进一步研究。