施氮量對(duì)春玉米籽粒脫水特性與灌漿特性的影響

姚丹丹，韓金玲,楊 敏,王 健,武寶悅,高素紅,周印富,楊 晴,王文頗

(河北科技師范學(xué)院，農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北 秦皇島 066600)

冀東地區(qū)位于河北省東部的華北平原，光熱資源豐富，為春玉米生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境條件。玉米是冀東地區(qū)重要的糧食作物，氮是影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的重要元素。研究表明，合理施用氮肥能夠顯著提高玉米籽粒的最大灌漿速率，有效延長(zhǎng)灌漿漸增期、速增期和緩增期的持續(xù)時(shí)間，從而促進(jìn)籽粒干物質(zhì)的形成和積累[1-3]。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，玉米全程機(jī)械化的普及，玉米籽粒直收技術(shù)對(duì)玉米品種的選擇提出了新的要求。研究表明，玉米收獲時(shí)籽粒含水率高是影響玉米機(jī)械粒收技術(shù)發(fā)展的重要限制性因子[5-7]，而生理成熟前后籽粒含水率的大小和脫水速率的快慢決定著玉米籽粒收獲時(shí)的最終含水率[8]。研究表明，籽粒含水量是環(huán)境和基因共同作用的結(jié)果，溫度、濕度、風(fēng)速、降水、日照時(shí)數(shù)等是影響籽粒含水量的重要的環(huán)境因素[9-10]；郭亞南等[11]利用鄭單958、先玉335等9個(gè)春玉米品種為材料對(duì)籽粒脫水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明授粉后積溫是籽粒含水率的重要影響因子。李璐璐等[12]研究表明，授粉至生理成熟期積溫與脫水速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，即生育期間積累的積溫越少，脫水速率越快。

目前研究在選擇適宜施氮量時(shí)僅僅從灌漿特性、氮肥利用率、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量等方面考慮，而施氮量對(duì)春玉米籽粒含水率，脫水速率的影響鮮有報(bào)道。因此，本研究在不同施氮量下探討2個(gè)主栽春玉米品種籽粒含水率隨積溫的演變特征，構(gòu)建籽粒脫水所需有效積溫模型并進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)對(duì)籽粒脫水速率與灌漿速率進(jìn)行相關(guān)分析，以期為冀東地區(qū)春玉米施氮量的合理調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5月-10月在河北省秦皇島市昌黎縣龍家店試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，依次為N 1(120 kg·hm-2，較NCK減氮66.66%)、N 2(180 kg·hm-2，較NCK減氮50%)、N 3(240 kg·hm-2，較NCK減氮33.33%)、N 4(300 kg·hm-2，較NCK減氮16.66%)、NCK(360 kg·hm-2，本地生產(chǎn)施氮量)。供試材料為低氮型玉米品種京農(nóng)科728和高氮型玉米品種先玉335，不同氮高效型品種的選取參考周培祿等[13]和王榮煥等[14]的方法。于5月22日播種，9月21日收獲。試驗(yàn)選用氮肥為普通尿素(N 46%)，施磷(P2O546%)和鉀(K2O 60%)均120 kg·hm-2，其中磷肥、鉀肥與各處理氮肥作為底肥于播前一次性施入。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)南北長(zhǎng)9 m，東西寬3.6 m，小區(qū)面積32.4 m2，種植密度為60 000株·hm-2。試驗(yàn)前對(duì)供試土壤的基本理化進(jìn)行了測(cè)定，0～20 cm土層土壤pH值為7.73，有機(jī)質(zhì)19.08 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，堿解氮102.35 mg·kg-1，速效磷23.59 mg·kg-1，速效鉀74.10 mg·kg-1。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1籽粒、苞葉和莖稈含水率測(cè)定

在吐絲前，選擇各小區(qū)生長(zhǎng)一致、健康無病蟲害的代表性植株套袋、標(biāo)記，進(jìn)行統(tǒng)一授粉。自吐絲后5 d開始取樣，每7 d取樣1次，直至籽粒生理成熟，生理成熟后每4 d取樣1次，取4次。取樣時(shí)每小區(qū)選取3個(gè)果穗，每穗各取中部籽粒100粒，稱鮮重后將籽粒置于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重。苞葉和莖稈含水率測(cè)定方法同籽粒。

含水率(%)=[(鮮重-干重)/鮮重]×100%。

1.2.2籽粒脫水速率和灌漿速率計(jì)算[15]

生理成熟前籽粒脫水速率[%·(℃·d)-1]=(90%-生理成熟期籽粒含水率)/授粉至生理成熟積溫(℃·d)；

生理成熟后籽粒脫水速率[%·(℃·d)-1]=(生理成熟期籽粒含水率-收獲期籽粒含水率)/生理成熟后積溫(℃·d)；

圖1 不同玉米品種籽粒含水率擬合模型

表1 不同供氮水平下兩品種籽粒含水率擬合模型參數(shù)與下降至目標(biāo)含水率所需授粉后積溫

籽粒脫水速率(%·(℃·d)-1)=(90%-收獲期籽粒含水率(%))/總積溫(℃·d)；

平均灌漿速率(g·℃-1)=生理成熟期百粒干重/灌漿期有效積溫

苞葉和莖稈脫水速率的計(jì)算方法同籽粒。

1.2.3籽粒含水率預(yù)測(cè)模型

本研究對(duì)授粉后活動(dòng)積溫(10 ℃)和籽粒含水率進(jìn)行分析，選擇 Logistic Power 非線性增長(zhǎng)模型[12]建立回歸模型，以授粉后積溫估算籽粒含水率。模型形式為：

式中：a、b、c 為模型參數(shù)；a 為模型極值，即籽粒初始含水率，本研究將a設(shè)定為 90。T(℃·d)為自變量，即授粉后積溫；MC(%)為因變量，即籽粒含水率。利用該模型獲得兩品種籽粒含水率的特征參數(shù)和預(yù)測(cè)模型，并估算出兩品種籽粒含水率降至28%、25%、20%需要的有效積溫。

由于Logistic Power 非線性增長(zhǎng)模型對(duì)積溫與含水率之間有較好的模擬效果，故將苞葉和莖稈與積溫之間的關(guān)系也進(jìn)行擬合。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作圖，Curve Expert Professional 2.6軟件進(jìn)行籽粒含水率動(dòng)態(tài)變化的曲線擬合與參數(shù)估計(jì)，使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平下各品種籽粒含水率與授粉后積溫的關(guān)系

兩品種籽粒含水率均隨著授粉后活動(dòng)積溫的增加呈先快速下降后緩慢下降的變化趨勢(shì)，不同處理下的籽粒含水率差異顯著。利用Logistic Power非線性增長(zhǎng)模型可以較好地反映不同供氮水平下各玉米品種籽粒含水率與授粉后積溫的關(guān)系。在收獲期，京農(nóng)科728在N 1水平下籽粒含水率最低，為15.08%，先玉335在NCK水平下最低，為20.57%，其次為N 4(21.53%)、N 1(21.54%)(圖1)。

京農(nóng)科728的擬合度(R2)在0.987 8～0.998 1，先玉335的擬合度在0.985 5～0.994 6，均達(dá)到了極顯著水平。京農(nóng)科728籽粒含水率降至28%、25%和20%所需要的授粉后積溫平均值分別為1 310、1 407 ℃·d和1 606 ℃·d；先玉335籽粒含水率降至28%、25%和20%所需要的授粉后積溫平均值分別為1 331、1 484 ℃·d和1 814 ℃·d。京農(nóng)科728在NCK水平下，含水率下降所需積溫最少，其次是在N 1水平下，與NCK相比，含水率下降至28%、25%和20%所需積溫僅多出40.15、32.6 ℃·d和15.31 ℃·d；先玉335在N 1水平下籽粒含水率下降至28%和25%所需授粉后活動(dòng)積溫(10 ℃·d)比對(duì)照施氮量分別減少34.66 ℃·d和14.31 ℃·d(表1)。

圖2 不同玉米品種苞葉含水率擬合模型

圖3 不同玉米品種莖稈含水率擬合模型

2.2 不同玉米品種苞葉、莖稈含水率與授粉后積溫的關(guān)系

由表2可以看出，兩品種苞葉含水率的擬合度在0.924 5～0.990 4之間，莖稈含水率的擬合度在0.917 9～0.972 2之間，均達(dá)到了極顯著水平。

由圖2和圖3可知，隨著授粉后活動(dòng)積溫的增加，兩品種苞葉含水率均呈先緩慢下降后快速下降的趨勢(shì)，京農(nóng)科728在N 1水平下苞葉含水率最低，為5.47%，比對(duì)照施氮量低67.80%；先玉335在N 3水平下苞葉含水率最低，為17.28%，比對(duì)照施氮量低22.20%。莖稈含水率則是隨著積溫的增加一直緩慢下降，京農(nóng)科728在N 1水平下莖稈含水率最低，為67.63%，比對(duì)照施氮量低5.31%；先玉335在NCK水平下莖稈含水率最低，為68.81%，其次是N 3水平下(69%)，各處理間差異不顯著。Logistic Power模型能夠很好地反映苞葉和莖稈含水率與授粉后積溫的關(guān)系。

表2 不同供氮水平下兩品種苞葉和莖稈含水率擬合模型參數(shù)

2.3 玉米籽粒脫水特性與灌漿特性的相關(guān)關(guān)系

由表3可知，京農(nóng)科728在N 2水平下生理成熟前籽粒平均脫水速率最高，在N 1水平下生理成熟后籽粒平均脫水速率和籽粒平均脫水速率最高，分別比對(duì)照高2.65%、13.64%和3.18%；先玉335在NCK水平下生理成熟前籽粒平均脫水速率和籽粒平均脫水速率最高，在N 4水平下生理成熟后籽粒平均脫水速率最高，在N 3水平下籽粒灌漿速率最高，比對(duì)照高4.10%。

表3 籽粒脫水速率與灌漿速率

表4 玉米籽粒脫水與灌漿速率相關(guān)分析

表6 籽粒脫水不同性狀的相關(guān)分析

對(duì)籽粒脫水與灌漿參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，生理成熟前籽粒平均脫水速率與平均灌漿速率呈負(fù)相關(guān)，說明平均灌漿速率越高，生理成熟前籽粒平均脫水速率越慢；生理成熟期籽粒含水率與生理成熟前籽粒平均脫水速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明生理成熟前籽粒脫水速率越快，生理成熟期含水率越低；收獲期籽粒含水率與生理成熟后籽粒平均脫水速率呈負(fù)相關(guān)，其中京農(nóng)科728呈顯著負(fù)相關(guān)，與籽?？偯撍俾食蕵O顯著負(fù)相關(guān)，說明生理成熟后籽粒平均脫水速率和籽?？偯撍俾实目炻饕绊懯斋@期含水率的高低，其中，生理成熟后籽粒平均脫水速率和籽粒總脫水速率也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；籽粒平均灌漿速率與生理成熟期百粒干重呈極顯著正相關(guān)，說明灌漿速率越高越利于籽粒干物質(zhì)的積累。

2.4 籽粒含水率與其他主要性狀關(guān)系

京農(nóng)科728在N 1水平下苞葉和莖稈的脫水速率均達(dá)到最高，比NCK分別高出15.84%和28.05%；先玉335在N 4水平下苞葉脫水速率最快，NCK水平下莖稈脫水速率最快，但各處理間差異不顯著(表5)。

表5 苞葉和莖稈脫水速率 單位：%·(℃·d)-1

苞葉含水率與籽粒含水率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.712 5；苞葉脫水速率與籽粒含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.646 4。籽粒脫水速率與苞葉、莖稈的含水率呈負(fù)相關(guān)，與脫水速率呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平(表6)。

3 討 論

籽粒含水率高低是影響機(jī)械粒收質(zhì)量、制約機(jī)械粒收技術(shù)推廣的重要因素[16]。適宜機(jī)械粒收的玉米籽粒含水率應(yīng)降到28%或25%以下[17-18]。大量研究表明，溫度是影響玉米脫水過程最主要的環(huán)境因素?；羰似絒19]研究表明，高溫將加快玉米生育后期籽粒脫水和影響脫水干燥進(jìn)程；Schmidt 等[20]研究表明，當(dāng)玉米籽粒含水率≥30%時(shí)，溫度是籽粒脫水的主要限制性因子。

本研究利用Logistic Power 模型擬合不同施氮量下兩品種含水率與授粉后積溫的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著授粉后活動(dòng)積溫的增加，籽粒含水率呈先快速下降后緩慢下降的趨勢(shì)，這與郭亞南等[11]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，兩品種的籽粒、苞葉和莖稈含水率均有不同程度的下降，灌漿速率提高。這與于寧寧等[21]研究結(jié)果一致。其中，低氮型玉米品種京農(nóng)科728在低氮條件N 1處理下籽粒、苞葉和莖稈含水率最低，脫水速率均達(dá)到最高，且下降時(shí)所需的積溫少；高氮型玉米品種先玉335在高氮條件N 4處理下籽粒、苞葉和莖稈含水率低、脫水速率快，籽粒灌漿速率最高。說明不同基因型玉米品種對(duì)氮素響應(yīng)差異顯著。

兩品種收獲期籽粒含水率與生理成熟后籽粒脫水速率呈負(fù)相關(guān)，其中京農(nóng)科728達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)，說明生理成熟后籽粒脫水速率的快慢主要影響收獲期含水率的高低。京農(nóng)科728到達(dá)目標(biāo)含水率的日期早于先玉335，并且各處理下的脫水速率均高于先玉335，說明生育時(shí)期短但脫水速率高的品種在收獲時(shí)籽粒含水率低，這與王克如等[16]研究結(jié)果一致。呂香玲等[22]以不完全雙列雜交組配的20個(gè)雜交組合及其親本為試材，結(jié)果表明，較高莖稈含水率的基因型有助于果穗快速脫水。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，莖稈含水率與籽粒含水率呈正相關(guān)但未達(dá)到顯著水平。KANG等[23]認(rèn)為，苞葉含水率與收獲時(shí)籽粒含水率呈顯著正相關(guān)，本研究結(jié)果與之一致，并且苞葉脫水速率與籽粒含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，說明苞葉和莖稈的脫水特性對(duì)籽粒含水特性有顯著影響。在生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮穗部其他形狀對(duì)籽粒脫水特性的影響，進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié) 論

玉米籽粒脫水過程是受多基因控制的復(fù)雜農(nóng)藝性狀，受環(huán)境影響較大，影響因素眾多。低氮型玉米品種京農(nóng)科728施氮量為120 kg·hm-2時(shí)，收獲時(shí)籽粒、苞葉和莖稈含水率最低，脫水速率最快，灌漿速率較高；高氮型玉米品種先玉335施氮量為300 kg·hm-2時(shí)，收獲時(shí)籽粒含水率最低，生理成熟后脫水速率最快，籽粒灌漿速率也較高。