叶面镍肥增强玉米光合作用并确立关键叶镍水平与最佳施用量

《Scientific Reports》：Foliar nickel fertilization enhances photosynthesis and defines critical leaf levels and optimal rate in maize

本刊推荐：为解决玉米生产中镍(Ni)营养标准缺失问题，研究人员开展叶面镍肥施用量研究，通过两年田间试验明确Ni对气体交换、叶绿素含量及产量的影响。结果表明适宜Ni用量(46.5–92.5 g ha-1)可提升光合速率达45%、增产5–15%，并首次界定玉米叶片Ni适宜范围(1.29–3.60 mg kg-1)与毒害阈值(>2.43 mg kg-1)，为玉米精准镍营养管理提供理论依据。

　　

在作物营养管理领域，镍(Ni)作为最新被确认的高等植物必需微量元素，其农业应用价值正逐渐受到关注。尽管已知镍是脲酶的关键辅因子，参与氮代谢并影响光合作用，但关于玉米生产中镍的适宜施用量、叶片临界浓度及生理响应机制的系统研究仍属空白。传统施肥策略往往忽视镍的精准调控，导致潜在营养效益未能充分发挥，或因过量施用引发毒性风险。特别是在沙质氧化土地区，镍的生物有效性较低，如何通过叶面施肥实现营养强化与安全生产的平衡，成为亟待解决的科学问题。

为明确镍肥在玉米生产中的效应阈值，研究团队在巴西马托格罗索多苏尔联邦大学实验站开展连续两年田间试验。研究采用随机区组设计，设置0、20、40、80和160 g ha^-1五个叶面镍肥用量（分两次施用），系统评估镍对玉米气体交换参数、光合色素含量、镍积累规律及籽粒产量的影响。通过建立剂量效应模型与判别分析，首次量化了玉米镍营养的适宜区间与毒害阈值。

关键技术方法包括：1）田间试验设计（随机区组，四重复）；2）气体交换测量（便携式光合作用系统LI-6400XT）；3）光合色素测定（丙酮提取-分光光度法）；4）镍含量分析（原子吸收光谱法）；5）统计建模（回归分析与典型判别分析）。所有生理测量均在吐丝期统一进行，叶片采样标准为穗位叶。

光合色素与气体交换响应

叶面镍肥呈现典型的双相响应特征：中等用量（70–80 g ha^-1）显著提升叶绿素含量（第一年38%，第二年44%）和净光合速率（两年均约45%），而160 g ha^-1高用量则引发衰退。结果表明镍通过调节Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）等光合关键酶活性，优化碳同化效率，但过量镍会诱发氧化应激导致色素降解。

组织镍积累规律

叶片镍浓度随施用量线性增加，两年最高值分别达3.35 mg kg^-1和6.32 mg kg^-1；籽粒镍积累幅度较小（0.13–1.05 mg kg^-1），均低于动物饲料安全限值。结果证实叶面施肥可高效调控植株镍分配，且籽粒镍积累风险可控。

产量形成与诊断阈值

产量响应受年际气候调控：干旱年份（年Ⅰ）最佳用量为46.5 g ha^-1（增产15.6%），多雨年份（年Ⅱ）提高至92.5 g ha^-1（增产5%）。通过洛伦兹模型确立叶片镍临界范围：适宜区间为1.29–3.60 mg kg^-1，毒害阈值分别为2.43 mg kg^-1（年Ⅰ）和5.80 mg kg^-1（年Ⅱ），显著低于文献通用毒性阈值（10 mg kg^-1），表明玉米对镍胁迫更为敏感。

生理响应模式解析

典型判别分析揭示镍肥处理的响应分化：80 g ha^-1处理与光合参数密切关联，160 g ha^-1处理则集中于镍积累特征，证实中低用量主要通过生理优化促进产量形成，而高用量引发金属积累与生理抑制的脱钩。

本研究通过多指标联动分析，阐明叶面镍肥在玉米生产中的“营养-毒害”窗口受水分条件显著调控。在干旱胁迫下，镍的助益区间收窄，植物对毒性更敏感；而水分充足时，镍的生理效益可延展至更高用量。这一发现突破传统单一剂量推荐模式，强调镍肥管理需结合环境适应性调整。尽管籽粒镍含量未超出安全标准，但连续监测仍必要以防食物链累积风险。研究成果发表于《Scientific Reports》，为玉米镍营养精准管理提供首个田间实证框架，推动微量元素管理从通用策略向环境智能型决策转变。