不同氮效率玉米品種籽粒灌漿特性研究

呂靜瑤，申麗霞，晁曉樂(lè)

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

不同氮效率玉米品種籽粒灌漿特性研究

呂靜瑤，申麗霞*，晁曉樂(lè)

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

為明確不同氮效率玉米品種籽粒灌漿特性的差異，從而有針對(duì)性地指導(dǎo)合理施用氮肥，在大田試驗(yàn)條件下，選用屯玉99（高氮高效型）、潞玉19（低氮高效型）和先玉335（雙高效型）3個(gè)不同氮效率玉米品種為供試材料，設(shè)置0（N0）、80（N1）、160（N2）、240（N3）kg/hm24個(gè)不同施氮水平，測(cè)定授粉后玉米不同部位籽粒的干、鮮質(zhì)量，采用回歸分析方法研究授粉后時(shí)間（d）與籽粒干質(zhì)量、含水率及灌漿速率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，4個(gè)施氮水平下，不同玉米品種不同部位籽粒干質(zhì)量增長(zhǎng)速率峰值拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間不同，屯玉99、潞玉19、先玉335分別在N3、N1、N2處理下拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間最早，且屯玉99拐點(diǎn)出現(xiàn)的最早時(shí)間早于潞玉19、先玉335，干物質(zhì)積累增速最快。屯玉99和先玉335分別在N3、N2處理下籽粒含水率下降最快，而潞玉19在N1處理下籽粒含水率下降最迅速。屯玉99和潞玉19籽粒灌漿速率峰值出現(xiàn)時(shí)間集中在授粉后25～30 d，而先玉335籽粒灌漿速率峰值集中在授粉后20～25 d。頂部籽粒和中下部籽粒的干質(zhì)量、含水率和灌漿速率均存在差異，而不同氮效率玉米籽粒干質(zhì)量和灌漿速率的最佳施氮水平與產(chǎn)量最高的施氮水平保持一致。3個(gè)玉米品種產(chǎn)量形成都與其氮效率特性密切相關(guān)。

施氮水平；灌漿速率；含水率；擬合曲線；產(chǎn)量

目前，氮肥投入是玉米生產(chǎn)中最基本的增產(chǎn)措施，因玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)與小麥、水稻等有所不同，一般不會(huì)因?yàn)槭┑^(guò)量而引起倒伏減產(chǎn)，所以過(guò)量施氮現(xiàn)象尤為嚴(yán)重［1］。氮肥投入過(guò)量，不僅導(dǎo)致產(chǎn)量不再增加甚至有所下降（倒伏或病蟲害增加），而且氮素在土壤中的殘留量以及損失到環(huán)境（大氣和水體）中的量也會(huì)顯著增加［2］。農(nóng)田氮素的損失，不僅使化肥利用率降低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本上升，還對(duì)農(nóng)田土壤和生態(tài)環(huán)境造成污染［3］，導(dǎo)致地下水、河流和湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化［4］。協(xié)調(diào)好玉米產(chǎn)量和氮素利用率之間的關(guān)系，減少氮肥投入，提高氮素利用率，是減輕面源污染、解決經(jīng)濟(jì)與環(huán)境矛盾的根源所在。

眾多研究表明［5-7］，不同基因型玉米的氮效率存在一定的差異，不同氮效率玉米因各自的基因?qū)傩詫?duì)氮的需求不盡相同。篩選或培育氮高效型玉米品種，是玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)、減輕環(huán)境污染的關(guān)鍵。玉米產(chǎn)量高低與籽粒發(fā)育密切相關(guān)，氮素在玉米灌漿期對(duì)籽粒發(fā)育起著關(guān)鍵作用，不同玉米品種在相同施氮水平下的灌漿特性差異已有較多研究報(bào)道［8-10］，但不同施氮水平下不同氮效率玉米灌漿特性的差異比較鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，在前期試驗(yàn)確立不同玉米品種氮效率差異［11］的基礎(chǔ)上，對(duì)不同氮效率玉米在不同施氮水平下的灌漿特性差異進(jìn)行對(duì)比研究，探討氮素對(duì)不同氮效率玉米籽粒發(fā)育的影響，以期為生產(chǎn)中合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年5—10月在山西省陽(yáng)曲縣凌井店鄉(xiāng)河村旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)研究與示范區(qū)進(jìn)行。該地區(qū)氣候?qū)儆诖箨懠撅L(fēng)性氣候，是典型的半干旱地區(qū)。年平均降水量為434.7 mm，年平均蒸發(fā)量為328.9 mm，年平均溫度為6.86℃。

于2009—2011年對(duì)山西省生產(chǎn)中國(guó)家玉米良種補(bǔ)貼主導(dǎo)的50個(gè)春玉米品種進(jìn)行了氮效率篩選試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)參試品種大致可以分為3種基本類型：雙高效型（不施氮時(shí)產(chǎn)量較高，施氮后產(chǎn)量增加明顯）、低氮高效型（不施氮時(shí)產(chǎn)量較高，施氮后產(chǎn)量增加不明顯）、高氮高效型（不施氮時(shí)產(chǎn)量較低，施氮后產(chǎn)量增加明顯）。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選擇具代表性的雙高效型、低氮高效型和高氮高效型玉米品種各1個(gè)，分別為先玉335（XY）、潞玉19（LY）、屯玉99（TY），作為本試驗(yàn)的供試材料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 田間試驗(yàn)為施氮水平和品種二因素，裂區(qū)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。施氮水平為主處理，品種為副處理。主處理設(shè)4個(gè)施氮水平，施純氮量分別為0、80、160、240 kg/hm2，分別用N0、N1、N2、N3表示。N1、N2、N3處理基施純氮80 kg/hm2，N2、N3處理在大喇叭口期分別追施純氮80 kg/hm2和160 kg/hm2；各處理均施用磷肥（P2O5）27 kg/hm2，鉀肥（K2O）103 kg/hm2，其他管理同田間常規(guī)管理。小區(qū)面積36 m2，等行種植，行距60 cm，每區(qū)10行。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)及方法 在玉米抽絲前，分別在各小區(qū)中選取有代表性的植株60～70株掛牌標(biāo)記；然后分別在授粉后5、10、15、20 d從掛牌植株中選取有代表性的果穗3穗，取穗頂部（以A表示）與中下部籽粒（以B表示）。頂部籽粒取樣部位為3～13環(huán)，中下部籽粒取樣部位為23～33環(huán)。

將頂部、中下部籽粒樣品分別充分混合后隨機(jī)取樣，以100粒為單位稱量籽粒的鮮質(zhì)量；在105℃烘箱中烘15～20 min殺青，然后于80℃烘干至恒質(zhì)量，稱籽粒干質(zhì)量。計(jì)算籽粒灌漿速率和籽粒含水率。

籽粒灌漿速率=（后一次取樣百粒干質(zhì)量-前一次取樣百粒干質(zhì)量）/取樣時(shí)間間隔［12］；

籽粒含水率=（百粒鮮質(zhì)量-百粒干質(zhì)量）/百粒鮮質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 22.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮效率玉米品種籽粒干質(zhì)量變化

曹彩云等［13］在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒干質(zhì)量積累的變化曲線呈S型曲線，且用Logistic模型進(jìn)行模擬，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99以上。本研究對(duì)3種不同氮效率玉米品種的籽粒干質(zhì)量變化同樣采用Logistic模型進(jìn)行模擬。由于S型增長(zhǎng)曲線為“慢—快—慢”的變化趨勢(shì)，其增長(zhǎng)速率為先增后減，本研究取增長(zhǎng)速率峰值唯一的臨界點(diǎn)為其拐點(diǎn)，而拐點(diǎn)在數(shù)學(xué)上指改變曲線方向向上或向下的點(diǎn)，根據(jù)物理意義可知其代表干質(zhì)量的變化趨勢(shì)發(fā)生改變，拐點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間反映了干質(zhì)量曲線凹凸性開(kāi)始發(fā)生變化的時(shí)間。干質(zhì)量變化曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間越早，籽粒干物質(zhì)積累越快，越有利于玉米籽粒生長(zhǎng)發(fā)育。

由表1可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335的籽粒干質(zhì)量變化所擬合的方程相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明擬合程度高，Logistic模型較準(zhǔn)確，適用于3個(gè)玉米品種籽粒干質(zhì)量變化曲線。

屯玉99籽粒在灌漿期干質(zhì)量積累呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的趨勢(shì)，但不同處理其增速出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間不同，表明不同施氮量下授粉后不同部位籽粒有著不同的增長(zhǎng)速率變化時(shí)間。在同一施氮水平下，相對(duì)于中下部籽粒，頂部籽粒干質(zhì)量積累增速出現(xiàn)拐點(diǎn)較晚，表明頂部籽粒初期干質(zhì)量積累較慢，這可能與頂部籽粒灌漿初期含水率較高有關(guān)，而中下部籽粒在灌漿初期干質(zhì)量積累速率較快。頂部籽粒和中下部籽粒干質(zhì)量積累增速拐點(diǎn)均在N3水平下出現(xiàn)最早，分別為授粉后29 d和17 d，可見(jiàn)N3處理明顯促進(jìn)屯玉99籽粒干物質(zhì)的積累。屯玉99頂部和中下部籽粒干質(zhì)量積累增長(zhǎng)速率在不同施氮水平下依次表現(xiàn)為N3＞N2＞N1＞N0。

在同一施氮水平下，潞玉19頂部籽粒干質(zhì)量積累增速拐點(diǎn)出現(xiàn)晚于中下部籽粒。同一部位不同施氮水平比較，N1處理拐點(diǎn)出現(xiàn)最早，頂部籽粒和中下部籽粒干質(zhì)量積累增速拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間分別為授粉后33 d和21 d，相對(duì)于屯玉99推遲了4 d，表明潞玉19籽粒干物質(zhì)積累的速率慢于屯玉99。潞玉19在不同施氮水平下籽粒干質(zhì)量積累優(yōu)勢(shì)依次表現(xiàn)為N1＞N2＞N3＞N0。相對(duì)于屯玉99，潞玉19對(duì)氮素較為敏感，即使在低氮水平（N1）下籽粒干質(zhì)量積累優(yōu)勢(shì)也尤為明顯。

在同一施氮水平下，先玉335中下部籽粒干質(zhì)量積累增速出現(xiàn)拐點(diǎn)較早，干物質(zhì)積累增速更為明顯。不施氮時(shí)，玉米籽粒干質(zhì)量積累增速的拐點(diǎn)相比施氮處理出現(xiàn)較晚，表明施氮可明顯促進(jìn)干物質(zhì)的積累；N2處理玉米籽粒干質(zhì)量增速出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間較早，頂部籽粒和中下部籽粒分別為授粉后32 d和22 d，相對(duì)于屯玉99頂部籽粒干質(zhì)量增速拐點(diǎn)最早出現(xiàn)時(shí)間推遲了3 d，而相對(duì)于中下部籽粒推遲了5 d；相對(duì)于潞玉19頂部籽粒干質(zhì)量增速拐點(diǎn)最早出現(xiàn)時(shí)間提前了1 d，而相對(duì)于中下部籽粒推遲了1 d。先玉335中下部籽粒較頂部籽粒生長(zhǎng)發(fā)育優(yōu)勢(shì)明顯，頂部籽粒對(duì)氮素較為敏感，過(guò)量施氮會(huì)導(dǎo)致頂部籽粒發(fā)育受限。

2.2 不同氮效率玉米品種籽粒含水率變化

籽粒含水量是描述籽粒水分變化動(dòng)態(tài)最直接的指標(biāo)［14］。由表2可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒的含水率在籽粒發(fā)育至成熟過(guò)程中均呈降低趨勢(shì)，并均可用一次函數(shù)進(jìn)行擬合。采用SPSS進(jìn)行顯著性分析可知，屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒含水率與授粉后時(shí)間（d）的R2分別為0.969、0.953、0. 958，均大于0.9，表明擬合效果較好，回歸模型比較準(zhǔn)確。施氮后3個(gè)玉米品種中下部籽粒含水率變化曲線的斜率均大于頂部籽粒，說(shuō)明施氮后3個(gè)玉米品種中下部籽粒在授粉后脫水速率快，更有利于中下部籽粒的干物質(zhì)積累，但也可能會(huì)對(duì)頂部籽粒干物質(zhì)積累造成抑制作用［15］。在授粉后初期，3個(gè)玉米品種不施氮處理的籽粒含水率明顯高于其他處理，說(shuō)明不施氮處理造成籽粒發(fā)育緩慢。就頂部籽粒和中下部籽粒而言，屯玉99 N3處理籽粒含水率變化曲線的斜率高于其他處理，說(shuō)明N3處理可明顯促進(jìn)屯玉99籽粒脫水；在N1處理下，潞玉19頂部和中下部籽粒含水率斜率最大，說(shuō)明N1處理可以有效促進(jìn)潞玉19的籽粒發(fā)育；先玉335頂部和中下部籽粒含水率變化曲線的斜率在N2處理下最高。

2.3 不同氮效率玉米品種籽粒灌漿速率變化

玉米籽粒每日每粒增加的干質(zhì)量，稱為籽粒灌漿速率［16］。灌漿速率是反映玉米籽粒營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累快慢的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，灌漿速率越大，表明玉米籽粒干物質(zhì)積累越快。灌漿速率可用一元二次函數(shù)進(jìn)行較好地?cái)M合，擬合方程通式為Y=a X2+b X+c，其中X為授粉后時(shí)間（d），Y為灌漿速率，且通式中a＜0。根據(jù)二項(xiàng)式數(shù)學(xué)意義可知，a的絕對(duì)值越大，曲線開(kāi)口越窄，變化速率越快；c值越大，其峰值越高。

由表3可以看出，灌漿前期，屯玉99施氮處理的灌漿速率相對(duì)于不施氮處理更高，并且N3處理的灌漿前期灌漿速率最高。在同一施氮水平下，中下部籽粒較頂部籽粒灌漿速率更高，干質(zhì)量積累較為迅速。對(duì)擬合方程進(jìn)行求導(dǎo)可得出，灌漿速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本出現(xiàn)在授粉后25～30 d，其中峰值最高的處理為N3，且中下部籽粒灌漿速率峰值最大，為2.696 g/d。

潞玉19在灌漿初期時(shí)，N1處理的灌漿速率略高于其他處理，并且求導(dǎo)后的斜率最大，說(shuō)明灌漿速率增加最快，更有利于玉米籽粒干質(zhì)量的積累；中下部籽粒灌漿速率大于頂部籽粒，說(shuō)明中下部籽粒營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累高于頂部籽粒。籽粒灌漿速率峰值出現(xiàn)時(shí)間集中在25～30 d，峰值最高的處理為N1，且中下部籽粒灌漿速率峰值最大，為2.193 g/d。

在灌漿初期，先玉335籽粒灌漿速率在N2處理下較高，且求導(dǎo)后的斜率增長(zhǎng)最大，說(shuō)明先玉335在N2水平下籽粒干物質(zhì)積累速度最快，其中，中下部籽粒峰值為3.165 g/d。在同一施氮水平下，中下部灌漿速率大于頂部籽粒。先玉335籽粒灌漿速率的峰值出現(xiàn)時(shí)間集中在授粉后20～25 d，相對(duì)于屯玉99出現(xiàn)時(shí)間較早。

2.4 不同氮效率玉米品種產(chǎn)量分析

由表4可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335分別在N3、N1、N2處理下產(chǎn)量最高，分別較不施氮處理增加17.7%、1.4%、12.9%，這與3個(gè)不同氮效率玉米品種干質(zhì)量積累速度最快的最佳施氮水平保持一致。3個(gè)不同氮效率玉米品種中，潞玉19增產(chǎn)幅度最小，這與其低氮高效型的氮效率特征有關(guān)，該品種即使在不施氮時(shí)產(chǎn)量仍較高；屯玉99增產(chǎn)幅度最大，且在3種不同氮效率玉米品種中產(chǎn)量也為最高。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，不論頂部籽粒和中下部籽粒，干質(zhì)量隨授粉后時(shí)間的推進(jìn)都呈S型曲線增長(zhǎng)，這與溫大興等［17］的研究結(jié)果一致，但是不同氮效率玉米品種所擬合的Logistic方程存在差異。屯玉99是在最佳施氮水平下籽粒干質(zhì)量增長(zhǎng)速率峰值拐點(diǎn)出現(xiàn)最早的品種，這與屯玉99屬于高氮高效型玉米有關(guān)，盡管該品種在不施氮時(shí)產(chǎn)量較低，但在施氮后產(chǎn)量大幅增加。不論是頂部籽粒還是中下部籽粒，施氮處理較不施氮處理能明顯促進(jìn)其干物質(zhì)的積累。

含水率是玉米籽粒發(fā)育過(guò)程中的重要指標(biāo)，本試驗(yàn)中3個(gè)不同氮效率玉米品種表現(xiàn)出不同的籽粒含水率變化曲線，這與喬江方等［18］認(rèn)為的玉米籽粒含水率變化存在基因型差異保持一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一施氮水平下，玉米頂部和中下部籽粒含水率均表現(xiàn)為持續(xù)降低的趨勢(shì)，但中下部籽粒含水率下降速率整體高于頂部籽粒；3個(gè)品種中，潞玉19籽粒含水率在N1處理下下降最快，干質(zhì)量與鮮質(zhì)量之間的相對(duì)差異比例最大，干物質(zhì)積累更為迅速。

灌漿速率的大小影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)［19］。楊鐵釗［20］提出，通過(guò)提高玉米籽粒灌漿速率增加單株產(chǎn)量比延長(zhǎng)灌漿有效期更為有效。本試驗(yàn)通過(guò)比較不同氮效率玉米品種的灌漿速率大小以確定各玉米品種的最佳施氮水平。3個(gè)不同氮效率玉米品種籽粒灌漿速率都可以用二次曲線進(jìn)行擬合。在同一施氮水平下，頂部籽粒積累干物質(zhì)的能力不如中下部籽粒，這可能與籽粒含水率迅速下降有關(guān)［21］。屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒灌漿速率分別在N3、N1、N2水平下增速最快，這與3個(gè)品種產(chǎn)量最高的施氮水平保持一致，也與王俊強(qiáng)等［22］籽粒灌漿速度的快慢決定玉米最終產(chǎn)量的結(jié)論保持一致。

不同氮效率玉米品種籽粒在不同施氮水平下的灌漿特性不同。3個(gè)不同氮效率玉米品種頂部籽粒的發(fā)育慢于中下部籽粒，尤其表現(xiàn)在籽粒干物質(zhì)積累速度上。屯玉99作為高氮高效型玉米，在高施氮量區(qū)間對(duì)氮的吸收較好，并且在高氮水平下籽粒生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯；潞玉19作為低氮高效型玉米，在低施氮量區(qū)間對(duì)氮較為敏感，且低施氮量區(qū)間適當(dāng)提高施氮水平可以增加產(chǎn)量，而在高氮水平下玉米增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)并不明顯，過(guò)高的氮肥量可能會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)；先玉335作為雙高效型玉米，在低施氮量和高施氮量區(qū)間均可促進(jìn)玉米籽粒的發(fā)育，且高氮水平下玉米籽粒生長(zhǎng)發(fā)育及最終產(chǎn)量形成均較其他2種氮效率品種更具優(yōu)勢(shì)。籽粒干質(zhì)量、含水率和灌漿速率在不同施氮水平下均可影響玉米產(chǎn)量，高施氮量對(duì)屯99玉和先玉335均可起到明顯的促進(jìn)作用，而施氮量過(guò)多對(duì)潞玉19發(fā)育是不利的；潞玉19在施氮量較低時(shí)發(fā)育最好，而屯玉99和先玉335更易受到低氮脅迫。本試驗(yàn)中設(shè)置的低施氮量只有80 kg/hm2，關(guān)于低施氮量還需進(jìn)一步細(xì)化分析。

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Research on Grain Filling Characteristics of Different Nitrogen Efficiency Genotypes of Maize

LüJingyao，SHEN Lixia*，CHAO Xiaole
（College of Hydraulic Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to guide the application of nitrogen fertilizer，the difference of grain filling characteristics of different nitrogen efficiency genotypes ofmaize was explored.Under field experiment condition，Tunyu 99，Luyu 19 and Xianyu 335 were used as the testmaterials，four app lication levels of nitrogen were designed，which were 0（N0），80（N1），160（N2），240（N3）kg/ha，the maize grain dry weight and fresh weight after pollination were measured，the relationship of time after pollination time，grain dry weight，moisture content and filling rate were discussed using regression analysis.The results showed that the dry kernels quality growth rate peak inflection point of different parts of different varieties appeared at different time，Tunyu 99，Luyu 19 and Xianyu 335 gained inflection point appeared most early in N3，N1and N2 treatment，and Tunyu 99 grain inflection point appeared most earlycompared with Luyu 19 and Xianyu 33，the increase of dry matter accumulation of Tunyu 99 was the most quick ly.The grain moisture content of Tunyu 99 and Xianyu 335 decreased most quickly under N3，N2 treatment，respectively，the moisture content of Luyu 19 decreased most rapid ly under N1 treatment.The peak value of grain filling rate of Tunyu 99 and Luyu 19 appeared on 25—30 d after pollination，which of Xianyu 335 appeared on20—25 d after pollination.The top and m idd le lower grain were different in dry weight，water content and grain filling rate，but the optimal nitrogen app lication rate of grain dry weight and grain filling rate of three maize varieties was consistent with the nitrogen app lication of the highest yield.The final yields of three maize varieties were closely related to the characteristics of nitrogen efficiency.

nitrogen app lication levels；filling rate；moisture content；curve fitting；yield

S513

A

1004-3268（2017）01-0007-06

2016-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31271645）；山西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20140311007-4）

呂靜瑤（1991-），男，山西永濟(jì)人，在讀碩士研究生，研究方向：水肥資源高效利用。E-mail：605337625@qq.com

*通訊作者：申麗霞（1968-），女，山西長(zhǎng)子人，教授，博士，主要從事水肥資源高效利用研究。E-mail：shenlixia919@sohu.com