玉米-大豆帶狀套作高產玉米葉片的生理特征研究

馬艷瑋，蒲 甜，陳國鵬，李 麗，羅萬宇，任永福，馮 駿，楊文鈺，王小春*

（1.四川農業大學農學院，農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室，作物生理生態栽培四川省重點實驗室，成都 611130；2.成都市農林科學院，成都 611130）

玉米-大豆帶狀套作在傳統間套作的基礎上創新發展而來，充分利用邊行優勢，實現年際間交替輪作，是間套復種的重要模式[1-2]，在這種模式下選用適當的玉米品種實現雙高產的基礎。

作物產量的90%以上都來自光合作用的積累[3]，葉片是光合作用的主要器官，葉片的生理特性是影響產量形成的關鍵，因此是高產品種研究的重要內容。葉片是植物生長和進化過程中對環境變化比較敏感且可塑性較大的器官，受不同的選擇壓力，已形成各種適應類型[4]，間套作模式由于其較單作特殊的光環境和農業小氣候條件[5-6]，適宜種植的作物品種葉片應當有特有的結構和功能，目前，前人對高產玉米葉片的光合特性及生理指標研究較多[7-8]，但對于間套作條件下高產玉米葉片的生理特性還鮮為報道。本研究通過兩年的大田試驗，在供試的21 個玉米品種選出了在套作模式下產量超過7 500 kg/hm2的玉米品種，并研究了這些玉米品種的生理特性，為篩選適宜玉米-大豆帶狀套作的玉米品種提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

玉米品種：中單808、榮玉1210、登海605、仲玉3號、川單 428、川單 189、綿單 118、正紅 505、德玉18、極峰 30、眾望玉 18、正紅 6 號、珍禾玉 1 號、中單901、綿單 581、川單 418、川單 25、成單 30、荃玉 9 號、登海618、川單 455。供試玉米品種的詳細信息見表1。大豆品種為南豆12，由四川省南充農科院提供。

1.2 試驗設計

試驗于2014—2015年2 個生長季進行，大田試驗，采用兩因素隨機區組設計，A 因素為種植模式，A1：凈作，A2：套作；B 因素為玉米品種，B1-B21（21 個玉米品種），42 個處理，每個處理重復 3 次，共126 個小區。每個處理2 帶，帶長4 m，凈作采用生產常規的70 cm 等行距種植，小區面積16.8 m2；套作玉米采用“40 cm+160 cm”的寬窄行種植模式，小區面積 16 m2，密度 60 000 株/hm2，穴距 33.3 cm，穴植雙株；玉米全生育期共施氮肥240 kg/hm2，按照底肥：拔節肥：攻苞肥為3：2：5 的比例施。底肥每hm2另配施清糞水 600 擔（40 kg/擔，含 N 0.18%，P2O50.12%，K2O 0.08%），過磷酸鈣 600 kg（含 P2O512%），氯化鉀 150 kg（含 K2O 60%）。大豆于 6月 10日免耕直播，寬行內均種2 行，玉米大豆間距60 cm，大豆窄行行距40 cm，穴距25 cm，穴留3 株，種植密度為120 000 株/hm2，大豆基肥配施尿素75 kg/hm2，過磷酸鈣600 kg/hm2，氯化鉀60 kg/hm2，追肥為初花后施尿素75 kg/hm2，其它管理同大田。

1.3 項目測定與方法

1.3.1 葉綠素含量

在玉米吐絲期，每小區選擇有代表性的植株3株（葉片選取穗位葉）。取樣后將葉片立即稱重，并放于保鮮袋中，經液氮處理帶回實驗室，在低溫冰柜（-29 ℃）中保存。葉綠素含量測定時，避開主葉脈，用打孔器在葉片中部切取1 cm2大小的葉片剪成細絲，采用無水乙醇和丙酮1 ∶1 混合液暗處提取，用美普達722 型紫外可見分光光度計測定在470、645 和 663 nm 處吸光度[9]，然后以 H.K.Lichtenthaler 等[10]法公式計算不同葉位葉片葉綠素a（Chla）、葉綠素 b（Chlb）、類胡蘿卜素（Car）的含量和葉綠素總量。

1.3.2 葉片解剖結構

在玉米吐絲期，每小區選擇有代表性的植株3株（葉片選取穗位葉）。取樣后，避開葉片主脈取材，用70% FAA 固定液（50%酒精：甲醛：冰醋酸=39：5：6）保存，在實驗室采用李芬[11]的方法石蠟切片制片，切片厚度8～10 μm，番紅-固綠對染。切片利用LEICA 數字式生物顯微鏡（DM1600B）觀察，通過FW400 圖像分析軟件分別測定葉片上表皮、下表皮厚度和葉片厚度。

1.3.3 碳氮比

總氮及總碳：在玉米灌漿期，每小區選擇有代表性的植株3 株（葉片選取穗位葉）。在105 ℃下殺青1 h，80 ℃烘干至恒重，得到葉片干重，粉碎后過60 目篩，用自封袋密閉低溫保存，供葉片碳、氮指標的測定。參考龔迎莉等[12]試驗方法，利用美國加聯儀器有限公司生產的CE-440 元素分析儀測得碳元素含量百分比和氮元素含量百分比，然后計算出碳氮比數據。

表1 試驗玉米品種基本情況Table 1 The maize varieties basic situation

2 結果與分析

2.1 凈套作種植模式下不同玉米品種產量差異及產量等級劃分

由表2可知，凈作和套作兩種模式下品種間玉米產量存在較大差異。套作模式下的玉米產量與凈作相比較均有所降低，但降低幅度品種間不同。方差分析結果表明，在0.05 水平下，除登海618 等6個品種2年的產量表現不一致外，其他15 個品種兩年之間的凈套作產量差異結果一致，說明這些品種在凈套作條件下產量發揮較穩定。根據前人的研究[13]以及生產上的產量水平以7 500 kg/hm2為界限，把產量高于7 500 kg/hm2的品種確定為高產品種，反之則為低產品種。因為無套作條件下高產而凈作條件下低產的品種，由此，將凈套作種植模式下的玉米品種產量劃分為3 個等級，分別為凈套作均高產、凈作高產套作低產以及凈套作均低產。如表3所示，2年試驗共有5 個品種屬于凈作高產套作高產品種，屬于凈作高產套作低產的品種的2年試驗共有5 個品種，其余品種均為凈作低產套作低產品種。

2.2 套作模式下不同玉米品種生理指標的基本參數估計

套作模式下不同玉米品種葉片生理特性的2年平均值統計結果表明（表4）：吐絲期葉片的葉綠素a、b、類胡蘿卜素以及葉綠素的總含量的變異系數均大于10%，兩年的規律一致；吐絲期葉片上表皮厚度和下表皮厚度的變異度均大于同時期葉片厚度的變異系數大于10%。說明套作條件下玉米品種間葉片葉綠素a、b、類胡蘿卜素以及葉綠素的總含量、葉片的上表皮厚度、下表皮厚度品種間差異較大，這為篩選套作高產玉米品種的葉片生理指標創造了條件。

表2 凈套作種植模式下不同玉米品種產量的差異Table 2 The difference of maize varieties yield between sole cropping system and intercropping system kg·hm-2

表3 凈套作種植模式下不同玉米品種產量等級分布Table 3 The yield distribution of maize varieties under sole cropping system and intercropping system

2.3 不同產量水平套作玉米生理指標與產量相關性

不同產量水平下不同玉米品種葉片生理特性指標與產量的關系見表5。不同產量水平下不同玉米品種葉片的生理特性指標與產量呈二次函數關系。凈作高產套作高產的玉米品種的產量與葉綠素a、葉綠素總量、葉片厚度呈顯著的二次函數關系，R2值表現為葉綠素總量＞葉綠素a＞葉片厚度；凈作高產套作低產的玉米品種的產量與碳氮比、葉綠素a、葉綠素a/b、葉綠素總量、葉片厚度二次函數關系，R2值表現為葉綠素總量＞葉片厚度＞葉綠素a＞碳氮比＞葉綠素a/b。說明不同產量水平的玉米限制其產量的生理特性不同，葉綠素總量、葉綠素a 含量和葉片厚度有利于套作玉米產量潛力的發揮。

2.4 不同產量水平下玉米品種生理特征差異

圖1反映了 2014年和 2015年套作 2 個產量水平下玉米葉片各生理指標數據的分布情況，可以看出，2年凈作高產套作高產群體的葉綠素a 含量、葉綠素總量和葉片厚度的最大值和最小值均大于凈作高產套作低產群體，凈作高產套作高產群體葉綠素 a 的變化范圍 345.76～503.64 mg/m2，凈作高產套作低產群體變化范圍在340.37～479.96 mg/m2；2年吐絲期的高產玉米的葉綠素含量變化范圍平均值為481.21～727.73 mg/m2；凈作高產套作高產群體和凈作高產套作低產群體的葉片厚度分別為143.18～163.43 m 和 114.37～150.54 m。這說明套作高產玉米群體需要維持較高的葉綠素a 含量、葉綠素總量以及較厚的葉片厚度，這為籽粒灌漿結實和獲得較高產量奠定了基礎。

表4 套作模式下不同玉米品種葉片生理特性的基本參數估計Table 4 The basic parameters estimates for the physiological characteristics of maize leaves under intercropping system

表5 套作模式下不同產量水平玉米品種葉片生理特性與產量的關系Table 5 The correlations between maize leaves physiological characteristics traits and yield of different maize yield levels under intercropping system

3 討論與結論

在作物的葉面積系數和經濟系數都難以再增加的現狀下，光能利用率的增加成為產量提高的關鍵[14]。前人的研究認為，株型主要通過影響群體透光的性能來影響產量，最終的產量形成還是要取決于葉片對光能的吸收與轉化，因此在形態特征上選取的同時，對高產性能的選擇也需重視[15]。本研究表明，吐絲期葉片中的葉綠素a、葉綠素總量、葉片厚度，對玉米產量潛力的發揮具有顯著作用。

葉綠素的多少反映了作物光合能力的大小，劉貞琦等[16]的研究表明，在一定范圍內葉片中葉綠素含量和光合速率成正比。葉綠素含量的增加進而反映了作物體內對能量的吸收轉化能力[17]。葉綠素a在光合作用中能吸收光能，且少數處于激發狀態的葉綠素a 能轉化光能，以獲得更多的光合產物，并為后期向籽粒運輸提供保障，因此在一定程度上葉綠素含量和葉綠素a 含量能夠促進產量的提高。本研究與前人研究結果一致，套作玉米維持較高的葉綠素a 含量和葉綠素含量對于產量的發揮有促進作用。玉米葉片形態結構與光合作用有關[18]，而葉片厚度的大小，與葉肉細胞的多少有密切的關系，從而對植株的光合作用造成影響[19]，本研究中凈作高產套作高產的玉米品種的葉片厚度高于凈作高產套作低產的玉米品種。

圖1 套作模式下不同產量水平玉米品種的生理特征差異Figure 1 The difference of maize leaves physiological characteristics between different yield levels under intercropping system

玉米-大豆帶狀復合種植系統采用寬窄行栽培，玉米處于窄行的一側與等行距相比透光條件較差，窄行的葉片處于蔭蔽環境中較高的葉綠素含量有利于提高植株對光的吸收和轉化，有利于產量的提高。許多研究表明植株在蔭蔽的環境中，葉片會變薄[20-21]，這會導致葉肉細胞的減少，從而影響光合作用[19]，因此較厚的葉片有利于葉片弱光條件下保障生理功能的進行。在本研究中套作高產的玉米品種相對于套作低產的玉米品種有較高的葉綠素a、葉綠素含量和較厚的葉片厚度，在吐絲期套作高產的玉米品種葉片葉綠素a 含量為345.76～503.64 mg/m2，葉綠素含量為481.21～727.73 mg/m2，葉片厚度為143.18～163.43 μm。