减水条件下通过增密稳氮协同提升玉米光合生理特性以维持产量的研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Boosting maize yield under water reduction: synergistic effects of increased planting density and sustained nitrogen input on photo–physiological characteristics

本研究针对干旱灌溉区水资源短缺与氮肥过量使用的矛盾，通过长期田间试验探讨了减水20%(W1, 3240 m3 ha–1)条件下，维持常规氮量(N2, 360 kg ha–1)并增加种植密度30%(D2, 97500 plants ha–1)对玉米光合生理特性及产量的调控机制。结果表明该组合通过提升净光合速率(+12.7–28.6%)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性(+6.5–10.2%)及pepc基因表达(+11.3–19.9%)等途径，使产量提高12.9–15.4%，为旱区玉米绿色增产提供了理论依据。

　　

在全球人口持续增长和气候变化加剧的双重压力下，如何保障粮食安全已成为人类面临的重大挑战。玉米作为世界三大粮食作物之一，其高产稳产对维护全球粮食供应至关重要。然而在传统农业生产中，为了追求高产，农民往往采用大水大肥的种植模式，这不仅造成了水资源的浪费，还导致了氮肥过量施用引发的土壤酸化、温室气体排放等一系列环境问题。在干旱灌溉农业区，水资源短缺更是成为限制玉米生产的主要瓶颈。如何在减少水和氮肥投入的同时维持甚至提高玉米产量，成为农业科学家亟需解决的难题。

增加种植密度是提高作物群体产量的有效途径，但过高的密度会导致单株资源竞争加剧，造成光合能力下降，反而限制产量提升。那么，能否通过优化种植密度来补偿减水和减氮带来的产量损失？其背后的光合生理机制又是如何？为了回答这些问题，由Yao Guo、Wen Yin等来自西北师范大学生命科学学院的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》上发表了最新研究成果，通过长期田间试验系统研究了增密稳氮策略在减水条件下对玉米光合生理特性及产量的影响。

研究人员主要采用了田间裂区试验设计、光合气体交换参数测定、叶绿素含量分析、光合关键酶活性检测以及基因表达量分析等关键技术方法。试验在2016年启动于中国西北干旱灌溉区，采用裂区设计，设置2个灌溉水平、2个氮肥水平和3个种植密度，通过便携式光合测定系统(Li?6800)测量气体交换参数，使用分光光度法测定叶绿素含量，采用试剂盒测定Rubisco和PEPC酶活性，并通过实时荧光定量PCR技术分析rbc和pepc基因的相对表达量。

3.1. 增密稳氮对减水条件下玉米产量及收获指数的影响

研究表明，减水(W1)和减氮(N1)均降低了玉米籽粒产量，但增加种植密度30%(D2)可补偿这些损失。在减水20%并维持常规氮量条件下，D2处理使籽粒产量和生物量分别提高12.9–15.4%和4.0–13.3%。与常规水肥密度处理(W2N2D1)相比，W1N2D2处理的产量无显著差异，表明30%的增密策略有效抵消了减水带来的负面影响。

3.2. 增密对玉米叶片气体交换参数的影响

减水和减氮降低了玉米叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，而增密60%(D3)进一步加剧了这种下降。然而，在减水并维持常规氮量条件下，D2处理仍能保持较高的Pn和Tr，分别比W2N2D1提高12.7–28.6%和5.4–7.3%，且Gs无显著差异，表明30%的增密能在减水条件下维持较好的叶片气体交换能力。

3.3. 增密对玉米叶片叶绿素含量的影响

减水和减氮降低了叶绿素a和b含量，而增密处理提高了叶绿素a/b值。W1N2D2处理的叶绿素a/b比W2N2D1提高12.8–28.3%，表明该组合能优化叶绿素组成，有利于光能捕获和转化。

3.4. 增密对光合关键酶活性的影响

减水和减氮降低了Rubisco和PEPC酶活性，而D2处理在减水稳氮条件下使PEPC活性提高6.5–10.2%，且缓解了Rubisco活性的下降。这表明增密30%通过增强PEPC介导的碳同化途径来维持光合性能。

3.5. 碳同化关键酶基因相对表达对水氮减量及增密的响应

减水和减氮降低了rbc和pepc基因的相对表达，而D2处理在减水稳氮条件下使pepc基因表达提高11.3–19.9%，且维持了rbc基因表达水平，从分子水平证实了增密对光合碳同化的正向调控。

3.6. 玉米产量与光合生理指标的Mantel检验分析

Mantel检验显示，叶绿素含量和光合酶活性显著影响气体交换参数，进而影响生物量和籽粒产量。这表明增密稳氮策略通过改善光合生理特性来促进产量形成。

该研究通过多角度证据表明，在减水20%条件下，增加种植密度30%并维持常规氮量，能通过改善叶片气体交换参数、优化叶绿素组成、提高PEPC酶活性及基因表达等光合生理特性，缓解单株光合性能的下降，最终实现群体水平的产量提升。这一发现为干旱灌溉区玉米生产的资源高效利用提供了重要实践指导，通过简单的农艺措施调整即可实现节水减肥增产的多重目标，对推动农业绿色可持续发展具有重要意义。研究结果不仅适用于中国西北地区，也为全球类似生态区的玉米栽培提供了可借鉴的模式。未来研究可进一步探讨不同玉米品种对该策略的响应差异，以及更深层次的光合代谢分子调控机制。