甘肃雨养区不同品种青贮玉米生理特性及水分利用率评价

齐 帅, 秦伟娜, 焦 婷, 师尚礼, 高永权, 王虎宁, 李淑艳

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃 兰州 730070)

我国是农业大国，但与发达国家相比，草食畜牧业发展相对落后，优质饲草供应不足是其主要原因之一[1]。青贮玉米由于其产量高、营养丰富、适口性好和易消化等特点，近年来受到了广泛关注[2-4]。玉米是甘肃的第一大粮食作物，也是种植面积最广的粮饲兼用作物，2017年甘肃玉米种植面积达到9.667×105hm2，占全省粮食种植面积的35%[5]。然而，甘肃地形复杂，气候条件差异较大，在中部及陇东雨养玉米区，干旱是限制该区青贮玉米生产安全的重要因素之一[6-7]。

研究表明，干旱胁迫下，玉米的光合作用减弱，蒸腾作用和作物产量也会受到影响[8]。在生产实践中，植物的生理对光、热、水分等环境条件的变化比较敏感，在不利环境条件下，玉米植株内部细胞会遭受不同程度的损伤，生理生化方面也会随之变化，并最终作用于产量[9]。水分利用率是评价玉米耐旱能力的重要指标之一，反映作物生产过程中单位水分的能量转化效率[10-11]。为了适应干旱逆境，玉米超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性增强，能有效清除一定量的活性氧，避免膜脂过氧化[12]。渗透调节也是玉米适应干旱的一种重要方式，叶片细胞通过积累可溶性糖(soluble suger，SS)、可溶性蛋白(Soluble protein，SP)，维持较低的渗透势，从而抵抗水分胁迫给细胞造成的伤害[13]。于文颖等[14]研究表明，水分胁迫提高了玉米的水分利用率，增强叶片对水分的利用能力。高杰等[15]研究表明，干旱胁迫下，玉米的SOD，POD活性显著增加，保护酶对玉米抵御干旱胁迫起到了积极作用。李娇等[16]研究发现，干旱胁迫会提高玉米的POD和SOD活性及丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量，并且抗旱性好的玉米品种的POD活性、SOD活性变化幅度大于抗旱性差的玉米品种，抗旱性差的玉米品种的MDA含量变化幅度大于抗旱品种。

相比其它叶片，穗位叶因其叶面积大、功能期长、叶绿素含量高等特点对玉米雌穗发育及产量形成的影响最为重要[17]。目前市场上青贮玉米品种较少，同一个品种玉米在不同水热条件下对逆境反应程度和产量差距较大，尤其是在干旱缺水地区在选择青贮玉米品种时具有很大盲目性[18]。因此，本研究通过对种植在会宁20个青贮玉米品种乳熟末期穗位叶取样，对其进行相关生理参数比较，并在收获后对比分析供试品种的水分利用率，为进一步选取优良抗旱的青贮玉米品种提供一定的理论依据，为选育栽培提供实践指导。

1 材料与方法1.1 试验地概况

白银会宁县位于甘肃中部(35°69′ N，105°09′ E)，温带季风性气候，年均降水量332.6 mm，蒸发量1 800 mm，年均气温7.9℃，无霜期155 d左右。该区水资源短缺，干旱是造成该区农业减产的主要自然灾害。该地土壤以黄绵土、灰钙土和黑轳土为主，土层深厚。其土壤基础理化性质见表1。

表1 试验地基础理化性质Table 1 Basic properties of soil in experimental areas

1.2 试验地降水量和气温概况

气象数据来自于当地气象站。白银会宁县2020年降水量主要集中在6，7，8月份，全生育期降水量为359.4 mm，全生育期日均气温为21.6℃，苗期遭遇冰雹。

1.3 供试材料

供试材料为20个专用型青贮玉米品种，其品种信息见表2。

1.4 试验设计

本研究选用20个品种的青贮玉米种植于会宁地区，田间种植采用随机区组排列，共20个处理，田间种植不设重复，即共20个小区采用分行种植，每个品种种植3行，行距为0.4 m，每个小区约100 m2，各小区间距为0.6 m。

表2 青贮玉米品种Table 2 Varieties of silage maize

于2020年的4月15日播种，采用覆膜栽培措施，按当地农民习惯，播种前施基肥，拔节期追施磷肥1 800 kg·hm-2，不进行灌水处理，其他管理方式均同大田管理。

在玉米乳熟末期，每个小区随机取5株玉米的穗位叶，保存在液氮罐中，带回实验室分析比较其生理参数。统一收获后，分析比较其水分利用率。

1.5 测定项目及方法

1.5.1生理指标测定 参考李仲芳《植物生理学试验指导》，用考马斯亮蓝法测定SP含量[19]，蒽酮比色法测定SS含量[20]，硫代巴比妥酸法测定MDA含量[21]；采用NBT(氮蓝四唑)光化还原法测定SOD活性[22]；愈创木酚显色法测定POD活性[23]。

1.5.2水分利用率测定 根据当地气象资料，计算其当年降雨量，并计算供水利用率，计算公式如下[24]：

WUE=Y/(P+I)

式中：I(mm)为全生育期灌水量；P(mm)为整个生育期降水量；当Y(kg·m-2)为鲜重时，得到鲜重水分利用率(Fresh weight water use efficiency，WUEf)，Y(kg·m-2)为干重时，得到干重水分利用率(Dry weight water use efficiency，WUEd)。

1.6 综合评价

首先对干旱胁迫下青贮玉米的 7个指标变化进行归一化处理，然后比较各指标间的相关性。最后利用主成分分析法对 20份青贮玉米材料的7个指标进行综合评价。

不同青贮玉米材料指标的归一化处理：对与干旱胁迫呈正相关关系的指标采用公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)；对与干旱胁迫呈负相关关系的指标(MDA)采用公式Fij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中，Fij为i品种的j性状测定的具体隶属值；Xij为i品种j性状测定值；Xjmin为j性状中测定的最小值；Xjmax为j性状中测定的最大值。

主成分分析的综合评价参照何文铸等[25]的方法。

1.7 数据处理与分析

用Excel 2019处理数据并进行归一化处理，使用SPSS 26.0对数据进行单因素方差分析、相关性分析及主成分分析，差异显著性用Dancan法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析2.1 各青贮玉米生理指标含量比较

由表3可知，品种对玉米穗位叶SS，SP，MDA含量和SOD，POD活性有显著影响(P<0.05)。各品种SS含量为2.01%～3.42%，其中金穗715SS含量为3.42%，延科288SS含量为3.37%，较文玉3号分别提高了70.27%和68.16%。各品种SP含量为5.09～6.29 mg·g-1，SOD活性为319.64～378.71 U·g-1，不同品种SP含量具有较大差异，但不同品种SOD活性差异较小，其中利农368具有高的SP含量和SOD活性，分别为6.29 mg·g-1和355.64 U·g-1。各品种的POD活性为13.76～25.50 U·(g·min)-1，不同品种POD活性存在较大差异，其中利农368POD活性最高，为25.50 U·(g·min)-1，其次为陇单339和晋单73，其POD活性均超过了23.00 U·(g·min)-1，但金凯3号和豫青贮23的POD活性均低于了15.00 U·(g·min)-1。各品种MDA含量为0.2～0.45 μmol·g-1，其中延科288的MDA含量最高，为0.41 μmol·g-1，显著高于其他品种(P<0.05)，较和盛5288增加了103.77%。

表3 各青贮玉米品种生理指标含量比较Table 3 Comparison of physiological indexes of silage maize varieties

2.2 各青贮玉米水分利用率比较

由表4可知，品种对WUEf和WUEd均有显著影响(P<0.05)。各品种的WUEf为109.58～193.58 kg·hm-2·mm-1，豫青贮23的WUEf最高，为193.58 kg·hm-2·mm-1，其次为陇单10号屯玉168桂青贮1号和禾佳源铁研53，较晋单73分别提高了76.66%，76.35%，66.43%，61.11%和49.24%。各品种WUEd为32.41～55.85 kg·hm-2·mm-1，豫青贮23陇单10号金穗715豫玉22利单295和北农青贮208具有较高的WUEd，均超过了46.00 kg·hm-2·mm-1。

表4 各青贮玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of silage maize varieties

2.3 各青贮玉米品种指标的相关性分析

对供试材料的7个抗旱性相关指标，进行相关性分析。由表5可知，SS含量与SP含量和SOD，POD活性呈显著正相关关系(α=0.05)，与MDA含量，WUEf，WUEd呈显著负相关关系(α=0.05)。即玉米中SS，SP含量和SOD，POD活性越高，WUEf与WUEd越低，MDA含量越小。由此可见，这些指标之间联系较为密切，也存在普遍的相关性和相对独立性。

2.4 各青贮玉米指标的主成分分析

通过主成分分析共提取了3个主成分，各主成分的特征值、贡献率及累计贡献率见表6。所提取的3个主成分中所包含的信息可以反映出评价指标总体信息的71%，满足了进行后续分析的要求。

表5 各青贮玉米品种指标的相关性分析Table 5 Correlations between indexes of silage maize varieties

表6 各青贮玉米品种指标的主成分分析Table 6 Principal component analysis of silage maize varieties

由表7各特征向量值可以看出，决定第1主成分大小的主要指标有WUEf，WUEd和MDA，因此第1主成分主要与水分利用率和膜脂过氧化物有关；决定第2主成分大小的主要指标为SOD和SS，因此第2主成分主要与抗氧化酶和渗透调节物质有关；决定第3主成分大小的主要指标为MDA和SOD，因此第3主成分主要与膜脂过氧化物和抗氧化酶有关。另外水分利用率指标和MDA在3个主成分中均有出现，表明水分利用率和膜脂过氧化物对评定玉米抗旱性具有十分重要的作用。

表7 各青贮玉米品种指标3个主成分的成分矩阵Table 7 Component matrix of three principal components of indexes of silage maize varieties

2.5 各青贮玉米品种抗旱性综合评价

根据各玉米品种各生理指标和水分利用率的值与主成分1，2，3的特征向量的乘积累加，并用贡献率与累加之和相乘进行加权，将同一种植物的各个指标加权值求和，就可得出各植物的主成分综合得分，得分高的植物抗旱性强。由表8可知，干旱胁迫下会宁地区20 个玉米品种的抗旱性由强到弱依次为：豫青贮23陇单10号禾佳源铁研53金凯3号屯玉168桂青贮1号利单295北农青贮208豫玉22文玉3号潞鑫66号蜀玉201和盛5288宁单34号金穗715TW 268陇单339延科288利农368晋单73。

3 讨论3.1 干旱对各青贮玉米生理指标的影响

研究表明，干旱胁迫对生理指标的影响大于农艺性状[26]。在干旱胁迫时，植物代谢旺盛，细胞内SS，SP等溶质能主动积累，维持植物体较低的渗透势，利于植物体在干旱逆境下维持正常生长所需水分[27-28]。SOD可以通过歧化反应使超氧阴离子转化为无毒的氧气和毒性较轻的过氧化氢，过氧化氢酶(Catalase,CAT)和POD共同作用能够把CAT分解成氧气和水，保护细胞免受活性氧的伤害，维持正常的生命活动[29-32]。MDA是植物在逆境下遭受伤害脂膜过氧化最重要的产物之一，MDA含量的高低表现出质膜的过氧化损伤程度[33]。

表8 各青贮玉米品种抗旱性排序Table 8 Order of drought resistance of silage maize varieties

庄克章等[34]研究表明，干旱胁迫能提高玉米SS，MDA含量，中度干旱处理下玉米主要通过SOD，POD和CAT的协同作用来清除活性氧。杨娟等[35]研究表明，干旱胁迫导致玉米的MDA含量升高，玉米的SOD，POD活性提高，且抗旱性强的玉米品种SS，SP含量在干旱胁迫后变化不显著，而抗旱性弱的玉米品种在后期才出现显著变化。本研究发现，干旱胁迫时，不同品种的生理水平存在响应差异，强抗旱品种豫青贮23陇单10号禾佳源铁研53金凯3号和桂青贮1号均具有较高的SS含量、SOD活性和较低的MDA含量，表明在玉米受到干旱胁迫时，叶片中会主动积累SS，降低细胞渗透势，维持细胞内结构和膜的稳定性。同时细胞内的溶质能主动积累，维持植物体较低的渗透势，利于植物体在干旱逆境下维持正常生长所需水分，并且较低的MDA含量也有效降低了膜脂过氧化对植物细胞的危害，这与杜彩艳[36]、王仲林[37]等人的研究结果一致。但本研究中强抗旱品种豫青贮23陇单10号禾佳源铁研53金凯3号和桂青贮1号也表现出低的SP含量和低的POD活性，与王智威[28]、张旭东[38]等人研究结果不一致，其具体机理需进一步研究论证。

3.2 干旱对各青贮玉米水分利用率的影响

作物水分利用率指消耗单位水分所生产的同化物质的量，它反映了作物耗水与其干物质生产之间的关系，是评价作物生长适宜程度的综合生理生态指标[39]。在干旱、半干旱地区保持土壤水分、提高水分利用效率是作物生产中的关键。本研究中豫青贮23陇单10号禾佳源铁研53金凯3号屯玉168和桂青贮1号均具有较高的WUEf和WUEd，表明高抗旱性的玉米品种，其水分利用率也高,可推荐作为该区域的主干型品种，在生产上进一步验证和应用。

4 结论

本研究采用主成分分析法筛选出影响植物抗旱性的主要生理指标：WUEf，WUEd和MDA，根据各植物得分综合评定出适宜干旱区种植的抗旱性青贮玉米品种有：豫青贮23陇单10号和禾佳源铁研53。