不同熟期玉米品種和氮肥種類對植株鋅營養(yǎng)和籽粒鋅累積的影響

薛艷芳，蔣麗萍，2，張慧，張春艷，高英波，錢欣，崔振嶺，王慧敏，李宗新，劉開昌

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所/小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；3.臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 臨沂 276012）

鋅是動(dòng)植物和人體必需的微量元素。飲食中鋅攝取量不足和飲食結(jié)構(gòu)單一化是引起人體鋅缺乏的主要原因，尤其是以谷類作物為主要飲食來源的低收入國家。據(jù)報(bào)道，全球的鋅缺乏風(fēng)險(xiǎn)為16%，約11億人口受到鋅缺乏的影響［1］。我國約1億人口受到鋅缺乏影響，尤其是生活在農(nóng)村的大部分婦女和兒童［2］。

玉米在粗糧食用及養(yǎng)殖飼用方面具有不可替代的作用。對我國7個(gè)省份約400多份玉米籽粒樣品分析發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒平均鋅濃度僅為11.9 mg/kg［3］，遠(yuǎn)低于美國農(nóng)業(yè)部推薦的玉米鋅營養(yǎng)目標(biāo)強(qiáng)化值22.1 mg/kg［4］。此外，由于玉米籽粒中含有較高的植酸等抗?fàn)I養(yǎng)化合物，而人和動(dòng)物體內(nèi)缺乏植酸酶，從而導(dǎo)致鋅的生物有效性較低。因此，提高玉米籽粒鋅濃度和鋅生物有效性，促進(jìn)人和動(dòng)物對鋅的攝入，對于改善和解決敏感人群鋅缺乏的健康問題具有重要意義。

在實(shí)際玉米生產(chǎn)中，氮肥仍是最主要的肥料并且是提高作物產(chǎn)量最主要途徑之一。玉米對鋅缺乏非常敏感［5］。隨著作物產(chǎn)量不斷提高，若再不配施鋅肥，則在高氮營養(yǎng)條件下會(huì)嚴(yán)重誘發(fā)作物缺鋅［6，7］。因此氮肥和鋅肥配合施用開始受到人們的高度重視。我們前期研究表明，玉米總鋅累積量（根系和地上部鋅累積量之和）、地上部植株鋅累積量和冠根鋅濃度比均隨尿素供應(yīng)增加而增加，表明尿素供應(yīng)能有效促進(jìn)根系鋅吸收以及鋅從根系向地上部的轉(zhuǎn)移［8，9］。但是目前大多數(shù)研究主要關(guān)注氮鋅施用水平及其交互作用對作物產(chǎn)量和鋅營養(yǎng)的影響［7-13］，很少關(guān)注氮肥的施用形態(tài)。早期研究報(bào)道，不同氮素形態(tài)氮肥對玉米鋅的吸收效果為硝酸銨＞硫酸銨＞尿素［14］。而Gupta等［15］指出，不同形態(tài)氮肥對玉米生物學(xué)產(chǎn)量和鋅吸收量的效果表現(xiàn)為硫酸銨高于硝酸銨和尿素。何忠俊等［16］研究表明，土壤足鋅供應(yīng)條件下，土壤pH值隨銨態(tài)氮肥施用量增加而顯著降低，根際酸化有利于提高土壤有效鋅含量（交換態(tài)鋅和松結(jié)有機(jī)態(tài)鋅含量）。因此能否通過施用銨態(tài)氮肥提高土壤有效鋅（DTAP-Zn）含量來改善植株鋅營養(yǎng)并提高籽粒鋅濃度需要深入研究。

Guo等［17］對1930—2010年間選育的24個(gè)玉米品種產(chǎn)量和籽粒養(yǎng)分濃度進(jìn)行評價(jià)表明，隨著玉米育種進(jìn)程的推進(jìn)，盡管玉米產(chǎn)量呈增加趨勢，但籽粒氮（N）、鋅（Zn）、錳和銅濃度顯著下降，有明顯的稀釋效應(yīng)。前人研究表明，我國玉米品種的保綠度隨著育種進(jìn)程推進(jìn)顯著增加，表現(xiàn)出黃熟型向綠熟型品種的更替，增加保綠度能夠顯著提高現(xiàn)代玉米品種的產(chǎn)量，但過度保綠導(dǎo)致氮轉(zhuǎn)移效率下降，阻礙玉米高產(chǎn)和氮高效轉(zhuǎn)移的協(xié)同提高［18，19］。我們前期研究［20］也表明，對于早熟/黃熟品種魯單981（LD981）來說，灌漿期葉片迅速衰老，此期具有較高的氮素再轉(zhuǎn)運(yùn)能力和較低的花后氮吸收能力；相反登海605（DH605）為晚熟/綠熟品種，灌漿期具有較低的氮素再轉(zhuǎn)運(yùn)能力和較高的花后氮吸收能力。但不同熟期玉米品種對植株鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒鋅累積如何影響需要進(jìn)一步研究。

在前期研究［20］基礎(chǔ)上，本研究選擇上述2個(gè)不同熟期/熟相（DH605為晚熟/綠熟品種，LD981為早熟/黃熟品種）玉米品種，選用3種氮肥類型（尿素、硫酸銨和硝酸銨鈣），在田間條件下研究不同熟期玉米品種和氮肥種類對植株鋅營養(yǎng)和籽粒鋅累積的影響，以期為實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)富鋅的氮鋅肥調(diào)控提供重要的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2016年6—10月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所章丘龍山試驗(yàn)基地（117°32′E，36°43′N）進(jìn)行。該地年均降水量693.4 mm，年均氣溫13.6℃，年均日照時(shí)數(shù)2 558.3 h，無霜期209 d，具有黃淮海區(qū)域典型氣候特點(diǎn)。試驗(yàn)地為棕壤土，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量15.4 g/kg、全氮0.62 g/kg、堿解氮76.7 mg/kg、有效磷45.9 mg/kg、速效鉀68.5 mg/kg、有效鋅（DTPA-Zn）0.99 mg/kg，pH值7.9。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為三種氮素形態(tài)，分別為尿素、硫酸銨和硝酸銨鈣；副處理為DH605和LD981兩個(gè)玉米品種。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次。小區(qū)面積為15 m×6 m=90 m2。試驗(yàn)區(qū)周圍布設(shè)2.5 m保護(hù)帶。氮肥（N）用量為220 kg/hm2，各處理基追比為2∶3，追肥在玉米10葉期開溝施入；各處理磷肥（P2O590 kg/hm2）和鉀肥（K2O 100 kg/hm2）全部作基肥一次性施入。磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。生育期內(nèi)無明顯病蟲害和雜草發(fā)生。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 植株干物質(zhì)累積量與氮鋅含量測定 在玉米吐絲期和成熟期，每個(gè)小區(qū)取長勢均勻一致的植株3株，分成莖、葉、穗（包括穗軸和苞葉）和粒（僅成熟期）四部分取樣。將樣品用去離子水洗凈后105℃殺青30 min，然后70℃烘干后記錄干物重。用不銹鋼磨樣機(jī)（RT-02B，Taiwan，China）將烘干樣品磨碎，置入密閉的微波消解爐（CEM，Matthews，NC，USA）中用HNO3-H2O2消煮，消煮液的鋅含量用ICP-AES（OPTIMA 7300 DV，Perkin-Elmer，USA）測定。每批次中加標(biāo)準(zhǔn)樣品（IPE556和IPE883，荷蘭Wageningen大學(xué)）校驗(yàn)操作流程。樣品氮濃度用H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法測定。

1.3.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算 參照我們以前報(bào)道的方法［21］，計(jì)算公式如下：

地上部植株鋅累積量=秸稈鋅累積量+籽粒鋅累積量；

花后鋅吸收量=成熟期地上部植株鋅累積量-開花期地上部植株鋅累積量；

灌漿期內(nèi)鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量=開花期地上部植株鋅累積量-成熟期秸稈鋅累積量；

鋅轉(zhuǎn)移效率（%）=灌漿期內(nèi)鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量/開花期地上部植株鋅累積量×100；

花前地上部植株鋅累積比例（%）=開花期地上部植株鋅累積量/成熟期地上部植株鋅累積量×100；

花后地上部植株鋅累積比例（%）=花后鋅吸收量/成熟期地上部植株鋅累積量×100；

鋅輸出量對籽粒鋅累積的表觀貢獻(xiàn)率（%）=灌漿期內(nèi)鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量/籽粒鋅累積量 ×100；

花后鋅吸收量對籽粒鋅累積的表觀貢獻(xiàn)率（%）=（成熟期籽粒鋅累積量-灌漿期內(nèi)鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量）/成熟期籽粒鋅累積量×100；

鋅（氮）收獲指數(shù)（%）=成熟期籽粒鋅（氮）累積量/成熟期地上部植株鋅（氮）累積量×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，兩因素ANOVA法和5%水平下的LSD比較法進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種和氮肥種類對玉米干物質(zhì)累積的影響

由圖1看出，在不同氮肥種類處理下吐絲期兩個(gè)玉米品種的莖干物質(zhì)重差異不顯著；葉干物質(zhì)重僅在尿素處理下差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為DH605顯著高于LD981；穗干物質(zhì)重僅在硝酸銨鈣處理下差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為DH605顯著低于LD981。總體上，品種和氮肥種類對玉米地上部干物質(zhì)重均無顯著影響。

成熟期，各氮肥種類處理下的穗干物質(zhì)重均表現(xiàn)為LD981高于DH605，且在硫酸銨條件下差異達(dá)到顯著水平，品種和氮肥種類對玉米莖、葉、籽粒及地上部干物質(zhì)重均無顯著影響。

2.2 不同玉米品種和氮肥種類對玉米氮鋅累積的影響

試驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，不同氮肥種類對兩個(gè)玉米品種籽粒和秸稈的氮鋅濃度和累積量均無顯著影響。玉米籽粒氮濃度、籽粒和秸稈鋅濃度均表現(xiàn) 為 LD981 顯 著 高 于 DH605，分 別 高 出10.3%、10.1%和11.9%；兩個(gè)品種籽粒、秸稈及地上部氮鋅累積量均表現(xiàn)為LD981高于DH605，但差異未達(dá)到顯著水平。此外，NHI和ZnHI在兩個(gè)品種間的差異不顯著，平均值分別為56.9%和52.9%。

圖1 不同生育期玉米干物質(zhì)累積動(dòng)態(tài)

表1 不同玉米品種和氮肥種類對玉米成熟期植株和籽粒氮鋅累積的影響

2.3 不同玉米品種和氮肥種類對玉米花后鋅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，不同氮肥種類對植株吐絲前和吐絲后鋅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)均無顯著影響，但不同玉米品種對植株吐絲前和吐絲后鋅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)有顯著影響。例如LD981吐絲前地上部鋅累積量較DH605低17.7%，而吐絲后鋅吸收量較DH605高出110.7%，最終導(dǎo)致成熟期鋅累積量較DH605高出18.2%。DH605和LD981兩個(gè)品種，吐絲前鋅累積量占成熟期鋅累積量的比例分別為72.0%和50.1%，吐絲后鋅累積量占成熟期鋅累積量的比例分別為28.0%和49.9%。

籽粒灌漿期，DH605的鋅轉(zhuǎn)移量為0.97 mg/株，鋅轉(zhuǎn)移效率平均為35.2%，鋅輸出量對籽粒鋅累積的表觀貢獻(xiàn)率為51.4%。相反，早熟品種LD981，灌漿期內(nèi)鋅轉(zhuǎn)移量僅為0.03 mg/株，鋅幾乎沒有從營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移，而花后鋅吸收量對籽粒鋅累積表觀貢獻(xiàn)率高達(dá)95.4%（即籽粒高達(dá)95.4%的鋅累積來自吐絲后鋅吸收）。

表2 不同玉米品種和氮肥種類對玉米花后鋅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.4 籽粒干重與鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)性分析

由表3看出，對于品種DH605，籽粒干重與各參數(shù)均無顯著關(guān)系；成熟期鋅累積量與籽粒鋅濃度（r=0.657*）、花后鋅吸收量（r=0.685*）呈顯著正相關(guān)。對于品種LD981，成熟期鋅累積量與籽粒干重（r=0.668*）、籽粒鋅濃度（r=0.761***）尤其是花后鋅吸收量（r=0.879***）呈顯著正相關(guān)，與花后鋅轉(zhuǎn)移量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.611*）。

表3 籽粒干重與鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)研究了不同熟期玉米品種和氮肥種類對玉米植株鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積的影響。早期研究報(bào)道，不同氮肥種類對玉米鋅吸收效果為硝酸銨＞硫酸銨＞尿素［14］。而Gupta等［15］指出，不同氮肥種類對玉米生物學(xué)產(chǎn)量和鋅吸收量的效果表現(xiàn)為硫酸銨高于硝酸銨和尿素。Siam等［22］大田試驗(yàn)表明，與土施尿素相比，土施硫酸銨使玉米葉片和籽粒鋅濃度分別提高15.4%和12.9%。Ma等［23］盆栽試驗(yàn)也表明，與不施氮和施尿素相比，施用硫酸銨可使玉米產(chǎn)量增加10%～25%，地上部植株鋅累積量在苗期和成熟期分別提高30% ～50%和22% ～36%，籽粒鋅濃度提高18%～27%。其可能的原因是施用銨態(tài)氮使土壤pH值下降，促進(jìn)土壤中鋅的溶解并提高土壤有效鋅含量，進(jìn)而有利于鋅的吸收及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)［16］。但本研究結(jié)果表明，不同氮肥種類對玉米籽粒干重、玉米生育期鋅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及籽粒鋅累積均無顯著影響。這可能因?yàn)楸狙芯慷ㄎ辉囼?yàn)周期較短（第2年），不同氮肥種類對土壤pH值及土壤DTPA-Zn含量影響較小，進(jìn)而對根系鋅吸收及其向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)無顯著影響。

許多研究結(jié)果表明，黃熟型玉米老品種花后葉片衰老快，秸稈中氮素轉(zhuǎn)移效率高，從而實(shí)現(xiàn)高的籽粒氮濃度，而當(dāng)前的高產(chǎn)品種都是綠熟型品種，雖然花后氮素吸收能力強(qiáng)，但是秸稈中氮素轉(zhuǎn)移效率低，導(dǎo)致更多的氮素累積在秸稈中，從而降低了收獲期的籽粒氮濃度［17-19］。與此觀點(diǎn)一致，我們前期研究結(jié)果表明，LD981（早熟、黃熟）籽粒氮濃度顯著高于DH605（晚熟、綠熟）的主要原因之一是LD981生育后期葉片迅速衰老，灌漿期內(nèi)營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量及轉(zhuǎn)移效率高［20］。本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，LD981的籽粒鋅濃度顯著高于DH605。籽粒養(yǎng)分累積主要來源于兩部分，一部分是花前營養(yǎng)器官中的養(yǎng)分向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，另一部分是花后養(yǎng)分的持續(xù)吸收［19，21］。對于早熟/黃熟品種LD981來說，盡管成熟期穗位葉下部葉片基本全部變黃且保綠度僅為48%［20］，但灌漿期內(nèi)隨植株葉片衰老鋅基本沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移（鋅從營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移量僅為0.03 mg/株），鋅輸出量對籽粒鋅累積的表觀貢獻(xiàn)率平均僅為4.6%；相反，花后鋅吸收量高達(dá)2.17 mg/株，花后鋅吸收比例高達(dá)49.9%，花后鋅吸收量對籽粒鋅累積的貢獻(xiàn)率平均高達(dá)95.4%，且不受氮肥種類的影響。這說明不管哪種氮素供應(yīng)形態(tài)，LD981籽粒鋅累積的95.4%均來自花后根系鋅的持續(xù)吸收。此外，LD981籽粒干重、籽粒鋅濃度均與成熟期鋅累積量（r=0.668*和r=761***）及花后鋅吸收量（r=0.583*和r=0.649*）均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明提高其花后鋅的持續(xù)吸收能力是同步提高籽粒產(chǎn)量和籽粒鋅濃度的重要措施。我們前期研究結(jié)果也表明，盡管玉米營養(yǎng)器官主要是莖稈有部分轉(zhuǎn)移，但玉米籽粒鋅累積主要來自花后根系鋅的吸收［9］。相似地，Jiang等［24］研究結(jié)果表明旱稻籽粒鋅累積主要來自花后根系鋅的持續(xù)吸收而不是葉片的再轉(zhuǎn)移。最新大田試驗(yàn)結(jié)果表明，與不施鋅肥相比，施用鋅肥可使玉米產(chǎn)量增加4.2%～16.7%，主要是因?yàn)殇\肥施用提高了玉米吐絲期花粉活力，進(jìn)而提高穗粒數(shù)及穗上部籽粒干重［25］。對于晚熟/綠熟品種DH605來說，盡管成熟期葉片保綠度高達(dá)73%［20］，但花后鋅吸收量為1.03 mg/株，占成熟期鋅累積量的比例僅為28.0%，相反籽粒灌漿期內(nèi)鋅從營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移量為0.97 mg/株，鋅轉(zhuǎn)移效率為35.2%，鋅輸出量對籽粒鋅累積的表觀貢獻(xiàn)率為51.4%，而花后鋅吸收對籽粒鋅累積貢獻(xiàn)率為48.7%。這表明灌漿期鋅從營養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移和花后鋅的持續(xù)吸收對籽粒鋅累積同等重要。

綜上所述，盡管DH605為綠熟品種，但灌漿期營養(yǎng)器官鋅轉(zhuǎn)移效率較高（35.2%），灌漿期鋅從營養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移和花后鋅的持續(xù)吸收對籽粒鋅累積貢獻(xiàn)率同等重要。相反，盡管LD981在生育后期葉片迅速衰老，但營養(yǎng)器官中鋅幾乎沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，籽粒中高達(dá)95.4%的鋅均來自花后的持續(xù)吸收。因此，在玉米生產(chǎn)中，氮鋅配施或者施用尿素鋅等肥料有利于維持整個(gè)生育期玉米對鋅的需求，對于鋅轉(zhuǎn)移效率較高的品種DH605，土施鋅結(jié)合花后葉面噴施鋅肥是提高玉米籽粒鋅濃度的重要措施。短期內(nèi)不同氮肥種類對玉米植株鋅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒鋅累積均無顯著影響，但長期定位條件下不同氮肥種類能否通過影響土壤pH值進(jìn)而影響土壤DTPA-Zn濃度及植株鋅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)需要進(jìn)一步研究。