半干旱区可降解膜覆盖滴灌施肥模式与种植策略协同调控玉米籽粒灌浆、内源激素变化及产量的效应

《Frontiers in Plant Science》：Drip fertigation technique with planting models strategies trigger grain filling, endogenous hormonal changes and maize productivity under semi-arid regions

　　

地膜滴灌施肥策略已广泛用于提升半干旱区玉米生产力，然而地膜滴灌施肥对作物内源激素动态与籽粒产量的影响尚未阐明，不同滴灌施肥策略下增产的生化机制仍不清楚。籽粒灌浆对玉米生产具有显著影响。本研究旨在探明滴灌施肥策略下塑膜覆盖材料对玉米籽粒灌浆的影响，及其与籽粒内源激素变化的关联。研究人员比较了高（H）、中（M）、低（L）滴灌水平下可降解膜覆盖（BM）与土壳垄（soil crust ridges, SR）处理，测定了玉米各生长阶段穗部不同部位籽粒灌浆特征及内源激素变化。结果表明，BMH处理下玉米籽粒灌浆速率、单株干物质、激素变化、产量构成、水分利用效率（WUE）及蒸散量（ET）均显著高于SR处理。BMH显著提高了土壤储水量，显著提升脱落酸（ABA）、吲哚-3-乙酸（IAA）、玉米素+玉米素核苷（Z+ZR）等植株激素含量，降低赤霉素类（GAs）与乙烯（ETH）释放速率，从而增产。结果显示BMH改善了玉米灌浆进程、土壤呼吸速率、WUE、产量及产量构成。高滴灌配BM或SR显著调控内源激素变化，进而调节活跃灌浆期（AGP）、最大灌浆速率（Gmax）、最大粒重（Wmax）、平均灌浆速率（Gmean）及最大灌浆速率出现时间（Tmax）。此外，高滴灌与BM策略显著提高了灌浆期土壤储水量与土壤呼吸速率。研究人员据此认为，BMH通过改善土壤储水量调控玉米籽粒灌浆速率，该速率与籽粒内源激素平衡显著相关。

研究背景方面，半干旱区降雨是玉米生产力的主要水源，但降水不足且不稳定常致干旱减产甚至绝收，因此开发节水农艺以最大化利用少量降雨并提升土壤储水量（SWS）十分必要。前期研究指出，可降解膜与土壳垄等覆盖材料可保蓄雨水、降低蒸散（ET）、改善土壤呼吸从而提高WUE；滴灌施肥结合覆盖能抑制土壤蒸发，而可降解膜还兼具改善土壤呼吸与SWS的优势，已在半干旱区广用。开花与灌浆期缺水会通过氧化损伤降低结实率与库容，覆盖滴灌可缓解此限制，但覆盖滴灌如何经内源激素调控籽粒灌浆及其生化机制仍有限。籽粒灌浆决定最终粒重，受ABA、IAA、Z+ZR、GAs、ETH等激素平衡影响，且穗上位粒与下位粒激素分布不均，但覆盖滴灌下穗位间激素差异与灌浆关联尚不明。为此，研究人员于内蒙古乌兰察布市察右前旗（半干旱区，40.848711°N, 113.124087°E）在2023—2024年开展田间试验，采用随机完全区组设计（RCBD）三重复，设BM与SR两种垄覆材料，配高（370 mm）、中（75%H）、低（50%H）滴灌施肥，共6处理（BMH、BMM、BML、SRH、SRM、SRL），供试品种大丰30，行距60 cm、密度7.5万株 ha^-1，播后统一灌50 mm，生育期H/M/L各滴水5次（单次64/45/27 mm），氮160 kg ha^-1分拔节与开花期随水施入，测定SWS、ET、WUE、土壤呼吸、Richards模型拟合灌浆参数（W_max、G_mean、G_max、T_max、AGP）、籽粒ABA/IAA/Z+ZR/GAs/ETH（ELISA与气相法）、干物质与产量构成。

关键技术方法概括：研究人员在内蒙古半干旱区连续两年（2023—2024）布置RCBD田间试验，样本为当地主栽玉米品种大丰30的田间群体；以BM与SR为覆盖因子、H/M/L为滴灌施肥因子构成双因素处理；采用0–200 cm土层重力法测SWS，水量平衡法算ET、Y/ET算WUE，LI-8100自动土壤CO₂通量系统测土壤呼吸；以花后3 d间隔采样将籽粒分上位/中位/基位，用Richards方程拟合灌浆过程并求导得G_max等参数；籽粒激素经80%甲醇提取、C18柱纯化、ELISA定量ABA/IAA/Z+ZR/GAs，ETH以释放速率表示；数据用SPSS 13.0做双因素ANOVA与LSD_0.05检验，Pearson相关分析变量关联。

研究结果部分，3.1 土壤储水量（SWS）与ET速率显示，两年度BMH在各生育期（除播种期）0–200 cm SWS均最高，随滴灌水平提升SWS递增，BM优于SR；ET则BMH最低，随BM覆盖与高滴灌组合显著降低，表明可降解膜高滴灌最利保水减排。3.2 籽粒灌浆特征表明，W_max、G_mean、G_max随滴灌水平升高而增，BMH与BMM无显著差异但均高于低水与SR对应处理，T_max在BMH/BMM推迟，AGP随水或膜升级而延长，说明高滴灌配BM延长活跃灌浆期并提升速率。3.3 土壤呼吸速率显示，BMH在开花期（FS）、灌浆期（GFS）、成熟期（MS）均最高，两年度均值较BML高22.8%/37.2%/52.1%，SRH较SRL高42.1%/41.6%/55.6%，高水与BM协同促进根际呼吸。3.4 激素变化中，3.4.1 Z+ZR与IAA在花后18 d达峰后降，BMH峰值最高且与SRH同步早于低水处理；3.4.2 ABA花后3–24 d上升，BMH早期显著高于BML/SRL；3.4.3 GAs与ETH全程递减，低水SR（SRL）最高、BMH最低，高水中BM较同水SR降低二者释放。3.5 干物质与产量构成显示，BMH单株总干物质、花后干物质、穗长、穗粗、穗粒数、穗粒重、千粒重均最高，籽粒产量较SRL高约54.0%、WUE高60.7%；Pearson相关表明GY与IAA/SR/SWS/TGW/WUE/Z+ZR极显著正相关，与ETH/ET/GAs/ABA极显著负相关（ABA与GY仍正关），印证激素平衡介导增产。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出干旱限制半干旱区玉米生产力，BMH全期SWS最高、ET最低，可降解膜减蒸保墒优于土壳垄；高滴灌配BM延长AGP、推后T_max、提升G_max，并通过上调ABA/IAA/Z+ZR、下调GAs/ETH优化激素谱；土壤呼吸增强反映根际代谢活跃，与SWS和灌浆速率协变。结论为：BMH（可降解膜覆盖+高滴灌施肥）显著改善0–200 cm SWS与土壤呼吸，调控籽粒内源激素平衡（升ABA/IAA/Z+ZR、降GAs/ETH），从而延长活跃灌浆期、提高G_max与W_max，最终使玉米籽粒产量与WUE较SRL分别提升约54.0%与60.7%；在半干旱区，以可降解膜替代土壳垄并配以高量滴灌施肥，是协同节水、调激素、促灌浆、增产增效的最优策略。该文发表于《Frontiers in Plant Science》。