氮肥用量對(duì)玉米籽粒主要礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

黃玉芳，葉優(yōu)良，陳文莉，任 寧，趙亞南，汪 洋

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/河南省農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展工程技術(shù)研究中心，鄭州 450002；2.新鄉(xiāng)縣朗公廟鎮(zhèn)人民政府，河南新鄉(xiāng) 453700)

玉米作為中國(guó)第一大糧食作物，種植面積占全國(guó)糧食作物的35.93%、總產(chǎn)量占全國(guó)糧食作物的39.16%[1]。玉米是食品、飼料和工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)原料，對(duì)保障中國(guó)糧食安全有著重要的意義。隨著生活水平的提高，中、微量元素與人體健康的關(guān)系越來(lái)越受重視，中、微量元素對(duì)人類(lèi)的生命活動(dòng)起著調(diào)控作用，與健康、疾病、長(zhǎng)壽、智力和美容等密切相關(guān)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有超過(guò)15億成年人和約2.5億兒童表現(xiàn)出不同程度地缺鐵、鋅，人體缺銅也很普遍。大宗作物籽粒中的一些重要微量營(yíng)養(yǎng)元素(如Fe、Mn、Zn、I、Se)經(jīng)常缺乏或質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，亦或其生物有效性低。潛在性營(yíng)養(yǎng)元素缺乏癥—“隱性饑餓”的威脅，增加了社會(huì)醫(yī)療保健的開(kāi)支，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)[3]。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷攀升必然造成人們對(duì)于糧食直接消費(fèi)的下降，轉(zhuǎn)而提升對(duì)畜禽產(chǎn)品的需求量，這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與食品結(jié)構(gòu)變化的客觀規(guī)律[4]。飼料生產(chǎn)成為目前玉米加工轉(zhuǎn)化的重要途徑，2010年，飼料工業(yè)對(duì)玉米需求量達(dá)到1.53億t，飼料玉米占玉米總量87%；研究預(yù)測(cè)至2020年，飼料玉米應(yīng)用比例將達(dá)到89.6%[5]。礦質(zhì)元素作為動(dòng)物體所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，直接參與機(jī)體幾乎所有的生理和生化活動(dòng)，對(duì)動(dòng)物的新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育及生產(chǎn)性能均起著極其重要的作用[6]。飼料配方中通過(guò)添加各類(lèi)礦質(zhì)元素以達(dá)到動(dòng)物體的需要量標(biāo)準(zhǔn)，提高飼料原料中的礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于降低營(yíng)養(yǎng)元素添加成本，提升飼料安全性[7]。

合理施用氮肥是禾谷類(lèi)作物生產(chǎn)中提高產(chǎn)量的關(guān)鍵措施，也是影響籽粒中、微量元素營(yíng)養(yǎng)的重要因素。前人研究表明，小麥上提高氮肥投入能顯著增強(qiáng)籽粒中的Fe、Zn、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但對(duì)籽粒Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不顯著[8]。韓證仿等[9]田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，施用氮肥可以增加玉米籽粒中Fe、Mn、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)，過(guò)量施氮籽粒中Zn和Fe則不再增加。也有研究認(rèn)為增施氮肥并不能顯著影響谷物籽粒Fe、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10-11]。在低、中肥力水平下，小麥籽粒中Zn、Mn和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加反而降低[12]。以上研究對(duì)于施氮影響籽粒微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的結(jié)論并不一致，主要與試驗(yàn)環(huán)境和作物品種不同有關(guān)。

河南省是中國(guó)重要的糧食大省，玉米種植面積和總產(chǎn)量均居全國(guó)第二位，其玉米籽粒中礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低對(duì)中國(guó)群眾和動(dòng)物的飲食健康產(chǎn)生重大影響。本試驗(yàn)選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N‘博農(nóng)118’‘浚單22’和‘鄭單958’，對(duì)氮肥用量影響玉米籽粒礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行研究，旨在探討不同品種玉米營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定性以及氮肥的調(diào)控效應(yīng)，以期為生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良和食用安全的玉米提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2017—2018年在河南省焦作市溫縣祥云鎮(zhèn)大尚村(34°92′ N，112°99′ E)進(jìn)行，土壤為潮土，質(zhì)地為粘土，播前取0～30 cm耕層土壤測(cè)試基本理化性狀，具體參數(shù)見(jiàn)表1。前茬作物為小麥，秸稈全部還田。

表1 耕層土壤基本理化性狀Table 1 Physicochemical characters of 0-30 cm in soil of field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用3個(gè)當(dāng)?shù)刂髟杂衩灼贩N：‘博農(nóng)118’‘浚單22’‘鄭單958’；5個(gè)施氮水平，純氮施用量分別為0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、180 kg/hm2(N180)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)。重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積30 m2，共計(jì)45個(gè)小區(qū)。氮肥為尿素(含純氮46%)，1/3氮肥作基施，2/3大喇叭口期開(kāi)溝追施。磷鉀肥全部一次性基施，磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)，用量為90 kg/hm2；鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，用量為90 kg/hm2。田間管理與當(dāng)?shù)乇３忠恢?，依?jù)墑情灌溉，3～5葉期進(jìn)行化學(xué)除草，拔節(jié)期防治病蟲(chóng)害。

1.3 樣品采集與測(cè)定

成熟期選取各處理中間4行人工連續(xù)收獲40株玉米，曬干后脫粒稱(chēng)量，籽粒含水量均以國(guó)家商品糧貯藏標(biāo)準(zhǔn)含水量13%折算。采用濃HNO3-HClO4混合酸液(體積比4∶1)進(jìn)行聯(lián)合消煮，消煮至白色透明狀。溶液定容過(guò)濾后，用ICP-OES(Optima 2100DV)測(cè)定待測(cè)液中各種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥用量對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同品種玉米產(chǎn)量對(duì)氮肥的響應(yīng)不一致，‘博農(nóng)118’在施氮量達(dá)180 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高值，繼續(xù)增施氮肥產(chǎn)量開(kāi)始降低；‘浚單22’和‘鄭單958’的籽粒產(chǎn)量在各施氮處理下差異不顯著(圖1)。相比不施氮處理，施氮后3個(gè)玉米品種的籽粒產(chǎn)量均顯著增加，其中‘博農(nóng)118’增幅最大為84.8%，其次為‘鄭單958’達(dá)到 33.1%，‘浚單22’的增幅最小為31.2%。

2.2 氮肥用量對(duì)玉米籽粒大量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

不同玉米品種，其籽粒中N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致。隨施氮量增加，玉米籽粒中N質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之上升，高氮下玉米產(chǎn)量難以繼續(xù)提高，但并不影響籽粒中N的積累(圖2)。與N質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，籽粒中P質(zhì)量分?jǐn)?shù)在品種‘浚單22’和‘鄭單958’上表現(xiàn)為隨施氮量增加而降低的趨勢(shì)，‘博農(nóng)118’籽粒的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加變化并不顯著。同一玉米品種，籽粒的K質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不受施氮量的影響。

2.3 氮肥用量對(duì)玉米籽粒中、微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

隨施氮量增加，籽粒中Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之上升，相比N0處理，施氮后最大增幅為13.6%；另一個(gè)中量元素Mg則不受施氮量的影響。籽粒中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮肥用量響應(yīng)不同，F(xiàn)e、Cu、Zn和B隨施氮量增加呈上升趨勢(shì)，施氮后最大增幅分別達(dá)到35.5%、37.6%、18.3%和 98.8%；與其他微量元素不同，籽粒Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)受氮肥投入量影響較小(表2)。

不同玉米品種間籽粒中、微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異很大，以籽粒含F(xiàn)e量變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)最高，達(dá)到14.2%，其后依次為Cu(13.9%)、B(13.7%)、Mn(11.7%)、Ca(6.6%)、Zn (6.3%)，Mg(1.7%)的變異系數(shù)最低?！?2’籽粒中Ca、Mg、Fe、Mn都顯著高于‘鄭單958’和‘博農(nóng)118’，此外‘博農(nóng)118’籽粒中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于‘鄭單958’。

同一品種不同字母表示在0.05水平上差異顯著(LSD)，下同

圖2 不同施氮水平下3個(gè)玉米品種籽粒的N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 N,P,K mass fractions of three maize cultivars under different nitrogen levels

2.4 玉米籽粒中礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性分析

玉米籽粒產(chǎn)量與其體內(nèi)N、B質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與P、K、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。籽粒中各微量及常量礦物質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間存在一定的相關(guān)性和依存關(guān)系，不同礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間多表現(xiàn)為不相關(guān)或者正相關(guān)，只有N與K、Mn，P與Cu、B質(zhì)量分?jǐn)?shù)間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。除N、P、Mg外，籽粒中Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他元素均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。

2.5 氮肥用量對(duì)玉米籽粒Ca、Mg、Fe、Zn生物有效性的影響

P素與籽粒中Ca、Mg、Fe和Zn易形成植酸鹽，P/Ca、P/Mg 、P/Fe、P/Zn值越高則表明人體可吸收利用的元素有效性越低。隨氮肥用量增加，不同玉米品種其籽粒P/Ca、P/Mg、P/Fe和P/Zn值均表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)。相比N0處理，N360處理下P/Fe值的降幅最大，達(dá)到 31.9%；其次為P/Zn、P/Ca降低了21.8%、 18.3%；P/Mg值的降幅最小，僅為6.3%(表4)?！崋?58’籽粒P/Ca、P/Fe、P/Zn值顯著高于‘浚單22’；‘博農(nóng)118’籽粒P/Fe值顯著高于‘浚單22’；品種間P/Mg值無(wú)明顯差異。

表2 不同施氮水平下3個(gè)玉米品種籽粒的中、微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Medium and trace element mass fractions of three maize cultivar under different nitrogen levels mg/kg

表3 玉米籽粒中礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與產(chǎn)量間相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients between mineral elements mass fraction and yield of maize grains

表4 不同施氮水平下3個(gè)玉米品種籽粒中P/Ca、P/Mg、P/Fe和P/Zn值Table 4 Ratios of P/Ca, P/Mg, P/Fe and P/Zn in grains of three maize cultivars under different nitrogen levels

3 討 論

施用氮肥提高了玉米籽粒產(chǎn)量，本研究中，施氮量超過(guò)180 kg/hm2之后，繼續(xù)增施氮肥則產(chǎn)量增加不明顯，品種‘博農(nóng)118’甚至表現(xiàn)出減產(chǎn)。施氮在提高玉米籽粒產(chǎn)量同時(shí)加強(qiáng)了植株對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，但并不一定會(huì)提高籽粒中該礦質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與不同元素在植株體內(nèi)的分配與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制差異有關(guān)[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，大量元素N，中量元素Ca，以及微量元素Fe、Cu、Zn、B在籽粒中都表現(xiàn)為隨施氮量增加而上升，F(xiàn)e、Cu、Zn等對(duì)氮肥的響應(yīng)與李峰等[15]在小麥上的研究結(jié)果一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)玉米中P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加而呈下降趨勢(shì)，這與周樺等[16]的研究結(jié)果是一致的，楊夢(mèng)雅等[17]研究則認(rèn)為籽粒P質(zhì)量分?jǐn)?shù)受氮肥用量影響不大；籽粒中、微量元素Mg和Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮肥施用不敏感，這與郝虎林等[18]結(jié)果不同?？梢?jiàn)，除施肥外籽粒中礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)受作物基因型影響也很大。本研究中，除大量元素(N、P、K)和微量元素B外，‘浚單22’籽粒的Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于‘鄭單958’。不同品種間籽粒Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)(14.2%)最高，其次為Cu(13.9%)、B(13.7%)、Mn(11.7%)、Mg(1.7%)的變異系數(shù)最低，這與張勇等[13]通過(guò)分析240個(gè)北方小麥籽粒礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到的排序結(jié)果高度吻合。未來(lái)，選擇推廣和種植籽粒微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的糧食作物可能是解決地區(qū)性居民微量元素缺乏癥最經(jīng)濟(jì)、健康的有效途徑。

本研究中，籽粒N、B質(zhì)量分?jǐn)?shù)與產(chǎn)量間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，而K、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)與產(chǎn)量間呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明籽粒干物質(zhì)增加對(duì)K、Mn的稀釋效應(yīng)要大于對(duì)它們的吸收。此外，各礦質(zhì)元素間存在一定的相關(guān)性，表明元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間可能存在著某種程度的依存關(guān)系，這與Graham等[19]的研究結(jié)果一致。除礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低外，元素的生物有效性亦是決定食用者吸收養(yǎng)分的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，禾谷類(lèi)籽粒中全磷的65%～90%是以植酸磷形態(tài)存在，植酸與谷類(lèi)作物中Ca、Mg、Fe和Zn有著較高的親和力，形成不能被人和非反芻動(dòng)物吸收利用的植酸鹽，因此P/Zn、P/Fe等常作為評(píng)價(jià)這些元素有效性的標(biāo)志[20]。本研究中，施氮提高玉米籽粒Ca、Fe和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí)，降低了P/Ca、P/Mg、P/Fe、P/Zn的值，比值越低則表明微量元素的生物有效性越高。與本研究結(jié)果不同，韓證仿等[9]的研究結(jié)果顯示籽粒Zn、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加而上升，P/Zn、P/Fe值隨施氮量增加也在升高(即Zn、Fe的生物有效性在不斷降低)，該比值的升高可能與施氮后玉米籽粒P素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加有關(guān)。

中國(guó)玉米應(yīng)用于飼料產(chǎn)業(yè)的比例已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了做口糧的需求，與表5畜禽營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)微量元素日需要量相比，本試驗(yàn)條件下玉米籽粒中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于產(chǎn)奶牛需要量的168.7%、產(chǎn)蛋雞需要量的42.2%、生長(zhǎng)豬需要量的50.6%；籽粒中Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于產(chǎn)奶牛需要量的 32.5%、 產(chǎn)蛋雞需要量的6.5%、生長(zhǎng)豬需要量的195.0%；玉米中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于產(chǎn)奶牛需要量的26.0%、產(chǎn)蛋雞需要量的32.5%、生長(zhǎng)豬需要量的74.2%；玉米中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于產(chǎn)奶牛需要量的46.8%、產(chǎn)蛋雞需要量的23.4%、生長(zhǎng)豬需要量的37.4%。本研究中，玉米籽粒Fe、Mn、Cu、Zn 4種微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，除個(gè)別情況外，大部分相當(dāng)于畜禽營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中需要量的30%～40%，甚至有些情況已經(jīng)超過(guò)其需要量。通過(guò)氮肥提高玉米籽粒礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，可以有效減少外源礦質(zhì)元素添加劑的使用，進(jìn)而保證飼料安全性，降低飼料成本，提高養(yǎng)殖效益[7]。

表5 畜禽日糧中微量元素需要量Table 5 Trace element requirements in livestock and poultry diets mg/kg

4 結(jié) 論

‘浚單22’籽粒中各種礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高，適合于微量元素缺乏癥多發(fā)地區(qū)推廣種植。籽粒中各微量及常量礦物質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間都存在一定的相關(guān)性和依存關(guān)系，且多表現(xiàn)為不相關(guān)或者正相關(guān)。施氮不僅可以提高玉米籽粒產(chǎn)量，同時(shí)改善了籽粒多種礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。籽粒中Ca、Mg、Fe和Zn生物有效性的增強(qiáng)進(jìn)一步說(shuō)明了合理施氮的必要性。