2012— 2013年在河南农业大学郑州科教园区内进行。盆栽试验, 选用塑料盆, 盆高30 cm, 内径38 cm, 试验用土为潮土, 经风干过1 cm × 1 cm方孔土筛后装盆。每盆装干土15 kg。土壤基础养分为有机质8.35 g kg^-1、碱解氮62.4 mg kg^-1、速效磷22.7 mg kg^-1、速效钾140.53 mg kg^-1。

采用二因素裂区设计, 主区因素为氮肥处理, 设置3个氮肥水平, 即N1 (0 kg hm^-2)、N2 (120 kg hm^-2)和N3 (240 kg hm^-2), 分基肥和大喇叭口期2次施用, 基追比均为1∶ 1, 所用氮肥为尿素(全氮46.4%); 副区为2个光照水平, 即L1 (自然光照)和L2 (50%遮光), 于抽雄前3 d在遮阴棚(钢架结构, 高4 m, 顶部及东西两侧均搭上透光率50%的遮阴网)中进行遮光处理, 吐丝后10 d恢复自然光照。供试材料为玉米单交种豫玉22 ^[20]。2012年6月11日播种, 9月28日收获, 2013年于6月16播种, 9月30日收获。每个处理50盆, 按品种适宜密度摆放(40 500株 hm^-2)。播种前每盆施氯化钾(K₂O 60%) 1.788 g、过磷酸钙(P₂O₅ 14%~15%) 16.875 g, 与土充分混匀并浇透水, 其他管理同一般大田。

1.2.1 田间小气候 使用光合测定系统LI-6400于每日上午11:00测定, 连续测定15 d, 计算平均值(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同光照处理下遮阴棚内外小气候比较 Table 1 Effect of shading on the microclimate 光照处理 Light treatment 光照强度 Light intensity (μ mol m-2 s-1) 气温 Air temperature (° C) 相对湿度 Relative humidity (%) CO2浓度 CO2 concentration (mol mol-1) L1 1146.51 a 30.97 a 72.54 a 352.62 a L2 581.64 b 28.21 b 75.12 a 346.54 a Value within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. L1: no shading; L2: shading 14 days from the third day before tasseling. 同一列中不同的小写字母表示0.05水平下差异的显著性。L1: 不遮光; L2: 抽雄前3 d开始遮光14 d。

表1 不同光照处理下遮阴棚内外小气候比较 Table 1 Effect of shading on the microclimate

1.2.2 干物质量和氮相关指标 于遮阴始期、吐丝期、吐丝后10 d、吐丝后20 d和成熟期从每个处理取3株, 将各株茎鞘、叶、雄穗、苞叶、穗轴、籽粒分开后于105℃下杀青30 min, 70℃烘干至恒重, 称取干物质重后磨粉过100目筛, 留样用于测量全氮含量。同时于遮阴始期、吐丝期、吐丝后10 d和20 d从每处理取3株, 穗位叶用液氮冷冻保存, 用于测定硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性。采用半微量凯氏定氮法^[21]测定全氮含量; 用活体法测定硝酸还原酶活性^[22], 以单位时间内产生的亚硝酸盐(NO2^-)的量表示酶活性; 参照王学奎^[23]的方法测定谷氨酰胺合成酶活性, 以540 nm处吸光度的上升值间接表示酶活性。

1.2.3 产量及其构成 玉米成熟收获后每个处理选取10穗测单株产量。穗样考种, 观测穗部性状。

两年试验结果趋势一致, 取部分两年数据合并分析。使用SPSS19.0分析数据, SigmaPlot 12.5软件绘制图表。

2.1.1 光、氮及其互作对玉米单株产量的影响 由表2可知, 氮肥水平间、光照处理间以及氮肥与光照互作间差异均达到显著水平。可以反映光、氮及其互作下玉米的产量差异。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同光氮处理对玉米单株产量影响的方差分析 Table 2 Variance analysis of interaction effects of light, nitrogen and their interaction on yield per plant of corn 变异来源 Source 平方和 SS 自由度 df 均方 MS F值 F-value 氮肥水平间 Nitrogen 16481.98 2 8240.99 199.81 * * 光照处理间 Light 27992.93 1 27992.93 678.71 * * 氮肥× 光照处理 Nitrogen × Light 1466.91 2 733.46 17.78 * * * , * * means significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. L1: no shading; L2: shading 14 days from the third day 3 before tasseling. * , * * 分别表示差异在0.05和0.01水平显著。L1: 不遮光; L2: 抽雄前3 d 开始遮光14 d。

表2 不同光氮处理对玉米单株产量影响的方差分析 Table 2 Variance analysis of interaction effects of light, nitrogen and their interaction on yield per plant of corn

由图1可知, 2012年L1下N1、N2和N3分别比L2下单株产量高96.46%、76.81%和70.95%, 2013年L1下N1、N2和N3分别比L2下单株产量高110.53%、96.47%和69.27%, 说明遮光处理使玉米产量显著下降。2012年, L1下N2和N3分别比N1增产26.34%、41.92%, L2下N2和N3分别比N1增产38.16%、63.10%; 2013年, L1下N2和N3分别比N1增产22.09%、28.58%, L2下N2和N3分别比N1增产30.83%、59.92%。两年产量均表现为N3L1> N2L1> N1L1> N3L2> N2L2> N1L2, 随施氮量的增多玉米产量显著提高, 并且在遮光下增产效果更为显著。

2.1.2 光、氮及其互作对玉米穗部性状的影响

由表3可知, 同一施氮量下穗粒数均为L1> L2。在L1下, N2和N3穗粒数分别比N1增加了23.94%、41.39%, L2下N3和N2穗粒数分别比N1增加了49.12%、65.71%。穗长和行粒数变化趋势一致, 同一施氮量下均表现为L1> L2, 同一光照下表现为N3> N2> N1, 但N3和N2间差异不显著。不同处理下穗行数、穗粗、秃尖长和百粒重没有明显的变化规律。以上表明, 弱光胁迫会使玉米穗粒数、穗长和行粒数下降; 但遮光下增施氮肥, 可以使穗粒数、穗长和行粒数增加。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 光、氮及其互作对玉米穗部性状的影响 Table 3 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on ear characteristics of maize 氮肥水平Nitrogen level 光照处理 Light treatment 穗粒数 Kernels per ear 穗长 Ear length (cm) 穗粗 Ear diameter (cm) 秃尖长 Bare top length (cm) 穗行数 Rows per ear 行粒数 Kernels per row 百粒重 100-kernel weight (g) N1 L1 565.33 c 19.79 ab 5.14 c 4.27 a 16.67 ab 34.00 b 28.44 b L2 301.33 e 17.34 bc 5.22 bc 4.14 a 14.67 b 20.67 d 29.31 ab N2 L1 700.67 b 21.23 a 5.33 ab 1.44 b 16.67 ab 42.00 a 32.02 ab L2 449.33 d 16.20 c 5.57 ab 1.95 b 16.67 ab 27.00 c 29.69 ab N3 L1 799.33 a 22.75 a 5.61 ab 1.34 b 19.33 a 41.67 a 33.49 a L2 499.33 d 19.90 ab 5.71 a 1.81 b 16.00 b 31.67 bc 33.65 a N1: 0 kg hm-2 N applied; N2: 120 kg hm-2 N applied; N3: 240 kg hm-2 N applied; L1: no shading; L2: shading 14 days from the third day before tasseling. Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments. N1: 0 kg hm-2纯氮; N2: 120 kg hm-2纯氮; N3: 240 kg km-2纯氮; L1: 不遮光; L2: 抽雄前3 d开始遮光14 d。同一列数字后不同小写字母表示不同处理差异达0.05显著水平。

表3 光、氮及其互作对玉米穗部性状的影响 Table 3 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on ear characteristics of maize

2.2.1 光、氮及其互作对穗位叶硝酸还原酶(NR)活性的影响 由图2可知, 不同处理下穗位叶NR活性均呈先升后降的趋势且均在吐丝期最大。吐丝期至吐丝后10 d, 相同施氮量下L2处理NR活性比L1下降更快, 恢复自然光照(吐丝后10 d)至吐丝后20 d NR活性较L1下降慢。同样施氮条件下L2处理各时期NR活性均小于L1, 且差异显著; 相同光照下随施氮量的增加NR活性升高, 且不同氮肥用量下差异显著。由此表明, 遮光使穗位叶NR活性降低, 但增施氮肥可以使NR保持较高的活性。

图2

Fig. 2

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图2 光氮互作下玉米穗位叶硝酸还原酶活性变化 TS3D: 抽雄前3 d; SS: 吐丝期; 10DSS: 吐丝后10 d; 20DSS: 吐丝后20 d; N1: 0 kg hm-2纯氮; N2: 120 kg hm-2纯氮; N3: 240 kg km-2纯氮; L1: 不遮光; L2: 抽雄前3 d 开始遮光14 d。Fig. 2 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on leaf NR activity of maize TS3D: 3 days before tasseling, SS: silking, 10DSS: 10 days after silking, 20DSS: 20 days after silking; N1: 0 kg hm-2 N applied; N2: 120 kg hm-2 N applied; N3: 240 kg hm-2 N applied; L1: no shading; L2: shading 14 days from the third day before tasseling.

2.2.2 光、氮及其互作对穗位叶谷氨酰胺合成酶活性(GS)的影响 由图3可知, 不同氮肥处理在L1下穗位叶GS活性均先升后降且于吐丝期达到最大。L2下穗位叶GS活性则一直下降, 并且在遮光期间下降较快, 恢复自然光照(吐丝后10 d)后下降变慢。同一施氮水平下, GS活性均表现为L1> L2, 且差异显著; 同一光照下均呈现出N3> N2> N1, 且差异显著。可见, 遮光使穗位叶GS活性降低, 但增施氮肥提高了GS活性。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 光氮互作下玉米穗位谷氨酰胺合成酶活性变化 缩写同图2。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2.Fig. 3 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on leaf GS activity of maize

由表4可知, 光照处理前玉米植株氮累积量受氮肥影响显著, 表现为N3> N2> N1。花粒期遮光后, 在相同光照下氮积累量均表现为N3> N2> N1, 且差异显著。同一施氮量下, L1均显著高于L2。L1下, 抽雄前3 d N1、N2和N3氮累积量占成熟期植株氮总累积量的51.54%、53.16%、51.67%, 而L2下则为86.45%、83.58%、77.61%。说明遮光严重限制玉米对氮的吸收, 而随施氮量的增加玉米在后期仍能积累较多的氮素。植株氮阶段累积量总体表现为3L1> N2L1> N1L1> N3L2> N2L2> N1L2。方差分析结果表明, 植株氮累积量在播种至抽雄前3 d主要受施氮量的影响, 抽雄前3 d至吐丝期受光照和氮肥水平影响显著, 之后受光照、氮肥水平及其互作影响显著。

由表4还可看出, 不同处理对成熟期籽粒氮积累量也有显著影响, 同一光照水平下均表现为N3> N2> N1, L1下N2和N3分别比N1高8.93%、39.28%, L2下N2和N3分别比N1高33.33%、80.56%; 同一施氮水平下L1均大于L2。植株含氮量变化与籽粒产量相似, L1下N2和N3分别比N1高21.54%、49.62%; L2下N2和N3分别比N1高29.68%、67.10%; 同一施氮水平下L1均大于L2。L1下氮素收获指数高于L2, 在L2下随施氮量增加氮收获指数呈现增加趋势。可见, 遮光使成熟期玉米籽粒产量和植株含氮量下降, 但增施氮肥可以提高籽粒产量和植株含氮量, 而且在弱光胁迫下提高更加明显。方差分析结果表明, 光照处理和氮肥水平对籽粒产量和植株含氮量都有显著影响, 但两者之间互作效应对籽粒含氮量的影响较小。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 光、氮及其互作对玉米氮阶段积累量和氮收获指数的影响 Table 4 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on periodical N accumulation and N harvest index per plant of maize (g plant-1) 氮肥水平Nitrogen level 光处理 Light treatment N阶段性积累量 N accumulation 成熟期 Maturity 播种至抽 雄前3 d Sowing to TS3D 抽雄前3 d 至吐丝期 SS3D to 10DSS 吐丝期至 吐丝后10 d SS to 10DSS 吐丝后10 d 至吐丝后20 d 10DSS to 20DSS 吐丝后20 d 至成熟期 20DSS to Maturity 植株总氮 N in plant 籽粒氮 N in grain 氮收获指数 N harvest index N1 L1 1.34 c 0.24 b 0.44 c 0.29 c 0.29 c 2.60 c 1.68 b 0.65 L2 1.34 c 0.03 d 0.11 f 0.03 f 0.03 e 1.55 e 0.72 e 0.47 N2 L1 1.68 b 0.29 ab 0.51 b 0.33 b 0.36 b 3.16 b 1.83 b 0.58 L2 1.68 b 0.06 d 0.16 e 0.06 e 0.05 e 2.01 d 0.96 d 0.48 N3 L1 2.01 a 0.32 a 0.57 a 0.45 a 0.54 a 3.89 a 2.34 a 0.60 L2 2.01 a 0.13 c 0.27 d 0.08 d 0.09 d 2.59 c 1.30 c 0.50 变异来源 Source of variation 氮肥 Nitrogen (N) * * * * * * * * * * * * * 光照 Light (L) * * * * * * * * * * * * 氮肥× 光照 N× L NS * * * * * * NS Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments.* , * * means significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. NS means no significance at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. 同一列数字后小写字母不同表示不同处理差异达0.05显著水平。* , * * 表示达到0.05和0.01水平差异显著。NS表示在0.05水平不显著。缩写同图2。

表4 光、氮及其互作对玉米氮阶段积累量和氮收获指数的影响 Table 4 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on periodical N accumulation and N harvest index per plant of maize (g plant-1)

2.4.1 光、氮及其互作对玉米干物质阶段积累量的影响 表5显示, 出苗至抽雄前3 d, 玉米单株干物质积累量N3和N2分别比N1高39.37%、20.64%。抽雄前3 d至吐丝期, 玉米单株干物质积累量在相同施氮量下均表现为L1> L2, 且差异显著; L1下不同氮肥处理间没有明显差异, L2下N2和N3均明显大于N1, 但两者间差异不显著。吐丝期至吐丝后10 d, 相同施氮量下均表现为L1> L2, 差异显著; 相同光照下均为N3> N2> N1。吐丝后10 d至吐丝后20 d, 相同施氮量下不同光照处理间表现不同, N1下为L1> L2, 但差异不显著; N2和N3下均表现为L1> L2, 差异显著; 相同光照处理下均表现为N3> N2> N1。吐丝后20 d至成熟期, 相同施氮量下不同光照处理间均表现为L1> L2, 且差异显著; 相同光照下均为N3> N2> N1, 差异显著。以上结果表明, 花粒期的遮光使玉米物质生产受到严重影响, 遮光后物质生产受阻, 干物质积累量显著下降, 但增施氮肥可以促进物质生产, 使干物质积累量增加。方差分析表明, 光处理和氮肥水平对玉米干物质各阶段的积累量影响达显著水平, 光氮互作对玉米吐丝10 d后的2个阶段影响显著, 说明光、氮及其互作效应不仅在弱光胁迫期间显著, 且在弱光胁迫解除后仍有显著影响。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 光、氮及其互作对玉米干物质阶段积累量的影响 Table 5 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on periodical dry matter accumulation per plant of maize (g plant-1) 氮肥水平 Nitrogen level 光处理 Light treatment 出苗至抽雄前3 d Seeding to TS3D 抽雄前3 d至 吐丝期 TS3D to SS 吐丝期至 吐丝后10 d SS to 10DSS 吐丝后10 d至 吐丝后20 d 10DSS to 20DSS 吐丝后20 d至 成熟期 20DSS to Maturity N1 L1 62.68 c 43.03 a 47.05 b 45.85 d 77.48 c L2 62.68 c 17.80 c 33.76 d 44.31 d 27.37 f N2 L1 75.62 b 45.75 a 56.90 a 64.90 ab 83.31 b L2 75.62 b 24.39 b 35.94 cd 51.76 c 39.10 e N3 L1 87.36 a 48.16 a 59.68 a 69.20 a 95.91 a L2 87.36 a 27.25 b 41.19 bc 60.67 b 45.06 d 变异来源 Source of variation 氮肥Nitrogen (N) * * * * * * * * * * 光照 Light (L) * * * * * * * * 氮肥× 光照 N× L NS NS * * * Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments. * , * * means significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. NS means no significance at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. 同一列数字后小写字母不同表示不同处理差异达0.05显著水平。* , * * 表示达到0.05和0.01水平差异显著。NS表示在0.05水平不显著。缩写同图2。

表5 光、氮及其互作对玉米干物质阶段积累量的影响 Table 5 Interaction effects of light intensity and nitrogen supply on periodical dry matter accumulation per plant of maize (g plant-1)

2.4.2 光、氮及其互作对成熟期玉米干物质积累与分配的影响 由表6可知, 不同处理下玉米干物质总量有显著的差异。N1、N2和N3干物质积累量L1分别比L2高51.41%、40.94%、28.16%。不同光照处理下N3获得最大生物量, L1下分别比N1和N2高20.80%、4.60%, L2下分别比N1和N2高42.72%、15.00%。说明遮光降低玉米干物质积累量, 增施氮肥可以增加玉米干物质积累量, 且弱光下干物质量随氮肥增加更为显著。

由表6还可以看出, 不同光照条件下, 成熟期干物质分配也存在差异。L1下干物质主要集中在籽粒中, N1、N2和N3下分别占总生物量的49.90%、49.60%和48.90%, 而L2下籽粒比重则分别为28.14%、30.12%和34.92%; L2下干物质主要分配在茎鞘中, N1、N2和N3下分别占总干重的41.67%、41.40%和38.00%, 而L1下茎鞘比重则分别为23.73%、23.54%和23.56%。可见, 遮光影响干物质在各器官的协调分配, 使大量的干物质积累在茎鞘中无法有效地运输到籽粒, 致使籽粒产量较低, 但随氮肥用量增加籽粒的比重提高。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 光、氮及其互作下成熟期玉米干物质分配 Table 6 Dry matter distribution at maturity of maize affected by light, nitrogen and their interaction (g plant-1) 氮肥水平 Nitrogen level 光处理 Light treatment 叶片 Leaf 茎鞘 Stem 雄穗 Tassel 苞叶 Bract 穗轴 Cob 籽粒 Grain 总重 Total weight N1 L1 31.33 ab 68.35 c 2.89 ab 13.02 bc 28.73 b 143.74 b 288.06 b L2 27.99 b 79.27 bc 2.19 b 10.32 c 16.94 c 53.54 e 190.25 d N2 L1 33.10 ab 78.34 bc 3.15 ab 19.94 a 32.70 ab 165.58 a 332.81 a L2 30.75 ab 97.76 bc 3.31 a 17.32 ab 15.85 c 71.13 d 236.13 c N3 L1 36.50 a 81.98 ab 3.48 a 19.22 a 36.35 a 170.45 a 347.98 a L2 33.80 ab 103.16 a 3.50 a 18.80 a 17.43 c 94.83 c 271.53 b 变异来源 Source of variation 氮肥 Nitrogen (N) * * * * * * * * * * * 光照 Light (L) NS * * NS NS * * * * * * 氮肥× 光照 N× L NS NS NS NS * * * * Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments. * , * * means significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. NS means no significance at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. 同一列数字后小写字母不同表示不同处理差异达0.05显著水平。* , * * 表示达到0.05和0.01水平差异显著。NS表示在0.05水平不显著。缩写同图2。

表6 光、氮及其互作下成熟期玉米干物质分配 Table 6 Dry matter distribution at maturity of maize affected by light, nitrogen and their interaction (g plant-1)

方差分析表明, 成熟期玉米叶片、雄穗和苞叶干物质积累量主要受氮肥水平的影响, 茎鞘干物质积累量受到氮肥水平和光照处理影响较大, 穗轴、籽粒和总干物质量受氮肥水平、光照处理及两者互作的影响显著。