氮肥減施下不同基因型玉米氮效率差異及生理特性研究

張盼盼，張桂堂，黃 璐，喬江方，李 川，張美微，趙 霞，劉京寶

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002;2.安陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 安陽 455000)

玉米是我國重要的糧食作物，在耕地面積有限的情況下，滿足持續(xù)增長的玉米需求的唯一途徑是提高單產(chǎn)。改良玉米品種和優(yōu)化栽培技術(shù)，是提高玉米產(chǎn)量的重要措施[1]。氮是作物生長的必需元素，增施氮肥是提高糧食作物產(chǎn)量最有效的方法之一[2-3]。2010年以來，我國氮肥生產(chǎn)量年均4 395.58萬t，農(nóng)用氮肥施用量年均2 320.15萬t[4]，單位面積施用量遠(yuǎn)高于美國和歐盟水平，但氮素利用效率低于世界平均水平。過量施用氮肥會造成氮肥利用率下降、土壤酸化和板結(jié)、水體和大氣污染等一系列土壤與生態(tài)環(huán)境問題[5]。為此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部明確提出化肥使用量零增長的目標(biāo)，以解決化肥過量施用等問題[6]。在玉米生產(chǎn)中減少氮肥的施用，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

氮肥減施條件下，選育氮高效作物品種，對于維持作物產(chǎn)量穩(wěn)定有著重要作用。MOLL等[7]首次提出氮效率是土壤中單位數(shù)量有效氮所產(chǎn)生的籽粒產(chǎn)量，并將其分為氮吸收效率和氮利用效率，分別表示植物對土壤中氮素的吸收能力和利用氮素產(chǎn)生籽粒的能力。二者對氮效率的決定程度取決于土壤氮素含量、施氮水平、作物類型和植株的根系、冠層特性等方面[8-12]。玉米不同基因型對氮素的吸收和利用存在較大差異，根據(jù)這些差異可以劃分為不同類型玉米[13-18]。針對我國玉米生產(chǎn)中的氮肥施用情況，同步選擇低氮高效和高產(chǎn)高效類型的玉米品種，對我國玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

作物的氮高效不僅表現(xiàn)在對不同施用量氮素的高效吸收上，也表現(xiàn)在作物內(nèi)部對氮素的合理分配和高效利用上。氮高效作物一般具有較發(fā)達(dá)的根系形態(tài)和根系活力，能吸收較多的氮素，作物生長后期根系相對生長能力對氮素的吸收也有重要影響[19-20]。植株內(nèi)部對氮素的利用和代謝，與葉片葉綠素?zé)晒夂凸夂咸匦砸约暗卮x關(guān)鍵酶活性有較大關(guān)系。氮高效作物表現(xiàn)出較高的葉綠素含量、最大熒光產(chǎn)量和凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)等，同時氮代謝酶如硝酸還原酶(Nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)和谷氨酸合成酶(Glutamate synthase，GOGAT)活性也相對穩(wěn)定[21-22]。除此以外，氮高效品種還具有較高的氮素再循環(huán)效率[23-24]。目前，關(guān)于氮肥減施后不同基因型玉米氮效率差異以及與之相對應(yīng)的生理特性變化規(guī)律尚不清楚。為此，采用大田試驗，選取在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有代表性的5個玉米主栽品種，研究其在不同減施氮肥處理下的產(chǎn)量和氮效率變化，并在功能葉片葉綠素含量、熒光特性和氮素代謝酶活性等生理水平上探討不同基因型氮代謝的差異，為玉米高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點(diǎn)

大田試驗在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地(河南省原陽縣，35°0′16″N、113°42′6″E)進(jìn)行。供試土壤為黃褐土，土壤pH值8.4，含有機(jī)質(zhì)49 g/kg、全氮0.42 g/kg、堿解氮55.3 mg/kg、速效磷69.6 mg/kg、速效鉀175.2 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用兩因素裂區(qū)設(shè)計，主因素為4個施氮水平，分別是0、157.5、180、225 kg/hm2，命名為不施氮(N0)、正常施氮量下減施30%(N1)、正常施氮量下減施20%(N2)、正常施氮量(N3)處理；副因素為5種基因型玉米，分別是澤玉8911(ZY8911)、偉科518(WK518)、鄭單958(ZD958)、農(nóng)大108(ND108)和先玉508(XY508)。共20個處理，每個處理重復(fù)3次，共60個小區(qū)，小區(qū)為8行區(qū)，行長5 m，行間距0.6 m，小區(qū)間隔1.2 m，種植密度為67 500株/hm2。

磷、鉀肥的施用量均為120 kg/hm2。氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 52%)，其中，尿素按5∶5進(jìn)行基施和大喇叭口期追施，磷、鉀肥均基施。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)保持一致，每項管理措施必須在同一天內(nèi)完成。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氮含量 在成熟期，每小區(qū)取3株長勢一致的植株，取地上部樣品，分為莖、葉、鞘和籽粒等部分，殺青，85 ℃烘至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后粉碎，裝入自封袋中，室內(nèi)凱氏定氮法測定樣品氮含量。

1.3.2 葉片SPAD值和熒光參數(shù) 分別在吐絲期及吐絲后10、20、30、40 d和成熟期，選取有代表性的長勢一致的5株植株，分別利用SPAD-502 Plus(KONICΛ MINOLTΛ生產(chǎn))和Pocket PEA(Hansatech生產(chǎn))測定穗位葉的SPAD值和熒光參數(shù)[初始熒光(Original fluorescence,Fo)、最大熒光(Maximum fluorescence,Fm)、最大光化學(xué)效率(Maximum photochemical efficiency,Fv/Fm)、PSⅡ綜合性能指數(shù)(PSⅡ composite performance index,PI)]。

1.3.3 葉片NR和GS活性 分別在吐絲期及吐絲后10、20、30、40 d和成熟期，選取有代表性的3株長勢一致的植株，取穗位葉中間避開葉脈部分，置于液氮中帶回室內(nèi)，采用α-萘胺-磺酸活體法測定NR活性，按照林振武等[25]的方法測定GS活性。

1.3.4 產(chǎn)量 取小區(qū)中間2行玉米全部收獲，隨機(jī)選取15穗進(jìn)行考種，曬干脫粒，稱籽粒質(zhì)量，并按含水率14%計算產(chǎn)量。

1.3.5 氮效率 計算氮吸收效率、氮利用效率及氮效率。其中，氮吸收效率=植株氮吸收量/氮供應(yīng)量，氮利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株氮吸收量，氮效率=籽粒產(chǎn)量/氮供應(yīng)量=氮吸收效率×氮利用效率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 22統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施下不同基因型玉米的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析

氮肥減施對不同基因型玉米穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的影響見表1。對于穗粒數(shù)，N3處理為546粒，N2處理為556粒，與N3處理無顯著差異，N1和N0處理均較N3處理顯著下降；不同基因型之間，以ND108最高，平均為593粒，顯著高于其他基因型，XY508、ZD958次之，WK518最低。對于千粒質(zhì)量，N3處理最高，N2處理次之，兩者無顯著差異，N1和N0處理均顯著低于N3處理，以N0處理最低，為369 g，較N3處理顯著降低7.5%；不同基因型之間，WK518最高，顯著高于其他基因型，ZD958和ZY8911次之。對于產(chǎn)量，N3處理最高，為12.12 t/hm2，氮肥減施后籽粒產(chǎn)量顯著下降，N0、N1、N2處理產(chǎn)量分別較N3處理顯著下降24.1%、16.5%、6.8%；不同基因型之間，ZD958最高，WK518次之，分別為11.47、11.21 t/hm2，兩者差異不顯著，均顯著高于ND108和XY508，ZY8911與其他基因型之間差異均不顯著?？傮w來看，穗粒數(shù)以N2處理下ND108最高，為629粒，N1處理下ND108次之，二者差異不顯著，N0處理下WK518最低；千粒質(zhì)量以N3處理下WK518最高，為441 g，N3處理下ZD958和N2處理下WK518次之，三者差異不顯著，N0處理下ND108最低；產(chǎn)量以N3處理下WK518和ZD958最高，均為13.09 t/hm2， N2處理下ZY8911、N3處理下XY508、N1處理下ZD958次之，另外，N3處理下ND108、ZY8911和N2處理下WK518、ZD958也較高，它們之間均無顯著差異，N0處理下ND108最低，為8.33 t/hm2。

表1 氮肥減施下不同基因型玉米的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Tab.1 Yield and its components in the different maize genotypes under N fertilization reduction

2.2 氮肥減施下不同基因型玉米的氮效率分析

由表2可知，施氮對玉米氮吸收效率影響顯著。N3處理氮吸收效率最低，為0.67 kg/kg；氮肥減施后，N0、N1、N2處理分別增至1.67、0.73、0.75 kg/kg。不同基因型之間，ZD958氮吸收效率最高，為0.99 kg/kg，WK518、ND108次之，三者間差異不顯著，XY508最低,為0.90 kg/kg?？傮w來說，N0處理下WK518、ND108、ZD958氮吸收效率較高，分別為1.73、1.72、1.71 kg/kg；氮肥減施后，N1處理下ZD958，N2處理下WK518、ZY8911、XY508，N3處理下ZD958氮吸收效率也均較高(>0.75 kg/kg)， N3處理下XY508最低，為0.60 kg/kg。

施氮對氮利用效率影響顯著(表2)。N0處理氮利用效率最高，為55.11 kg/kg；N3處理最低，為49.89 kg/kg；N1、N2處理差異不顯著，但均顯著低于N0處理。不同基因型間， ZY8911、ZD958、WK518氮利用效率較高，且三者之間差異不顯著，但均顯著高于ND108、XY508?？傮w而言，N0處理下ZY8911氮利用效率最高，為61.53 kg/kg；N1處理下WK518、ZD958和N2處理下ZY8911、ZD958也均較高，高于55 kg/kg；以N0處理下ND108和N1處理下XY508較低。

施氮對氮效率影響顯著(表2)。N3處理氮效率最低，為34.37 kg/kg；氮肥減施后氮效率顯著提高，以N0處理最高，為96.10 kg/kg，N1和N2處理差異不顯著，但均顯著低于N0處理。不同基因型之間，以ZD958、WK518較高，分別為56.07、55.00 kg/kg，ND108和XY508較低?？傮w而言，N0處理下WK518和ZD958氮效率較高，平均為101.72 kg/kg；N1處理下ZD958、WK518和N2處理下ZY8911也較高；N3處理下ZY8911和ND108較低。

2.3 氮肥減施下不同基因型玉米的穗位葉SPAD值和熒光參數(shù)分析

玉米吐絲后，穗位葉SPAD值總體上有下降趨勢，尤其是從吐絲后20 d至成熟期下降較明顯(圖1)。N3處理下，穗位葉SPAD值平均為57.4；氮肥減施后，穗位葉SPAD值降低，且不同基因型間差異變大。不同基因型玉米穗位葉SPAD值總體表現(xiàn)為ZD958、WK518、ZY8911>ND108、XY508。總體來看，N3處理下各基因型之間穗位葉SPAD值無明顯差異；N2處理下，吐絲后10 d—吐絲后40 d XY508穗位葉SPAD值較其他基因型下降幅度大；N1處理下各基因型在吐絲后30 d—成熟期差異明顯，ZD958和WK518穗位葉SPAD值高于ND108和XY508；N0處理下，吐絲期至成熟期各基因型穗位葉SPAD值總體表現(xiàn)為ZY8911、WK518、ZD958>ND108、XY508，這種趨勢在吐絲后20～40 d表現(xiàn)更明顯。

表3顯示了氮肥減施下吐絲期至成熟期不同基因型玉米穗位葉的熒光參數(shù)。從表3可以看出，對于Fo，總體以N3處理最高、N0處理最低，平均值分別為40.0、38.5；各基因型總體上表現(xiàn)為ZD958、ZY8911、ND108高于WK518、XY508；在生育后期，大致表現(xiàn)為N3處理下ZD958和ZY8911稍高。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，F(xiàn)m總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，吐絲后30 d左右較高；施氮處理Fm以N3處理最高，N0處理最低；各基因型Fm表現(xiàn)為ND108、ZY8911較高，ZD958最低。吐絲期，穗位葉Fv/Fm平均為0.76，至成熟期降至0.62；各施氮處理下的Fv/Fm以N1和N2處理較高，N0處理最低；不同基因型間，以ZD958 Fv/Fm最低，其他基因型間差異不顯著；總體來看，以N1處理下ND108 Fv/Fm最高。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，穗位葉PI逐漸下降；施氮處理PI表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0；不同基因型間以ZY8911和XY508較低。

續(xù)表3 氮肥減施下不同基因型玉米穗位葉熒光參數(shù)Tab.3(Continued) Fluorescence parameters of ear leaf of different maize genotypes under N fertilization reduction

2.4 氮肥減施下不同基因型玉米的穗位葉NR和GS活性分析

圖2顯示了氮肥減施下各基因型玉米的穗位葉NR活性變化。從圖2可以看出，吐絲后20 d穗位葉NR活性最高，之后下降。不同施氮處理間表現(xiàn)為N2>N3>N1>N0。各基因型表現(xiàn)為WK518、ZD958、ZY8911>ND108、XY508，吐絲后20 d差異最大。具體來說，N3處理下，WK518和ND108穗位葉表現(xiàn)出較高的NR活性，而XY508穗位葉NR活性最低，氮肥減施后，ND108優(yōu)勢消失，N2和N0處理下總體以ZD958穗位葉NR活性最高，而XY508最低。

氮肥減施下各基因型玉米的穗位葉GS活性變化如圖3所示。由圖3可知，穗位葉GS活性在吐絲后20 d最高，為69.7 U/L，其次是吐絲后30 d，成熟期最低，為37.1 U/L。各施氮處理穗位葉GS活性表現(xiàn)為N2處理最高，為61.2 U/L，其次是N3處理，N0處理最低?？傮w上，WK518和ZD958穗位葉GS活性較高， ZY8911和XY508較低。N3處理下，ND108穗位葉GS活性最高，氮肥減施后，ZD958和WK518穗位葉GS活性較高。

3 結(jié)論與討論

3.1 氮肥減施下不同基因型玉米的產(chǎn)量和氮效率的變化

氮肥減施是玉米生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢。本試驗條件下，與正常施氮量相比，氮肥減施20%時，玉米籽粒產(chǎn)量顯著下降，減施30%和不施氮肥時，產(chǎn)量持續(xù)下降，表明在該地區(qū)若達(dá)到玉米減氮不減產(chǎn)的目標(biāo)，經(jīng)初步篩選，氮肥減施量應(yīng)控制在20%以內(nèi)。為探究產(chǎn)量不顯著降低的最佳施氮水平，可進(jìn)一步分梯度設(shè)置正常氮和減氮20%范圍內(nèi)的施氮量處理，針對籽粒產(chǎn)量分析出氮肥最佳施用量。玉米產(chǎn)量是穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等構(gòu)成因素協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，氮肥減施后，尤其是減施30%時，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量明顯下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。對不同基因型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，氮肥減施后，ND108和XY508產(chǎn)量下降的更明顯，其產(chǎn)量顯著低于ZD958、WK518和ZY8911。因此，在玉米生產(chǎn)中，可根據(jù)氮肥施用情況，針對性地選擇ZD958、WK518和ZY8911低氮高效類型或相似的高產(chǎn)高效類型品種，這不僅能在較高施氮量下保證產(chǎn)量，高效吸收利用氮素，減少氮素?fù)p失和地下水污染，還可以在氮肥減施下充分利用氮素達(dá)到較高產(chǎn)量水平，從而增加玉米生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。

氮效率是氮素吸收、同化、運(yùn)轉(zhuǎn)和再利用等多個生理過程綜合作用的結(jié)果，增加氮效率，一方面要求提高作物對氮素的吸收能力即提高氮吸收效率，另一方面要求氮素得以高效利用即增強(qiáng)氮利用效率。氮效率、氮吸收效率和氮利用效率具有基因型差異。本研究條件下，不同基因型玉米的氮效率表現(xiàn)為ZD958和WK518顯著高于ND108和XY508，氮吸收效率表現(xiàn)為ZD958和WK518顯著高于XY508，氮利用效率表現(xiàn)為ZY8911、ZD958和WK518顯著高于ND108、XY508。正常施氮量處理下，以ZD958和WK518的氮效率較高，二者的氮吸收效率和氮利用效率也均較高。氮肥減施后，各基因型氮效率、氮吸收效率和氮利用效率均顯著增加，氮效率表現(xiàn)為ZD958、WK518和ZY8911較高，三者的氮利用效率也均較高，氮吸收效率除WK518和ZD958較高外，ND108也較高，尤其是不施氮下表現(xiàn)得更明顯。由此可以推測，本研究條件下，在低氮水平下，不同基因型玉米的氮利用能力對氮效率的影響可能更大。

3.2 氮肥減施下不同基因型玉米的生理指標(biāo)變化

不同基因型玉米氮高效的生理特性是源庫流的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[26-27]。氮素被作物吸收之后，在植株體內(nèi)進(jìn)行同化、運(yùn)轉(zhuǎn)和再利用。研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期葉片中氮素的生理代謝對籽粒灌漿有較大的影響[28-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減施30%后，玉米灌漿期穗位葉SPAD值、PI、NR和GS活性下降，此結(jié)論與前人的研究結(jié)果相似[33-34]。對于不同基因型來說，正常施氮量處理下，各基因型穗位葉SPAD值無明顯差異，氮肥減施后各基因型穗位葉SPAD值均下降，而XY508和ND108下降更迅速，尤其是在吐絲后30 d。穗位葉熒光參數(shù)總體表現(xiàn)為ND108高于ZD958，表明氮肥減施后ND108葉片光合物質(zhì)的合成及代謝急速減弱，這可能會影響到光合產(chǎn)物的生成及轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而影響籽粒灌漿。NR是硝態(tài)氮同化步驟的第一個酶，是同化過程和蛋白質(zhì)合成的限速酶，GS也是調(diào)節(jié)銨態(tài)氮向氨基酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶之一，二者活性的降低，會引起氮素代謝緩慢，向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，進(jìn)而引起氮利用效率下降。正常施氮量處理下，ND108穗位葉NR和GS活性均較高；氮肥減施后，NR和GS活性迅速下降導(dǎo)致這種優(yōu)勢消失，甚至在不施氮處理下ND108 GS活性最低。以上結(jié)果表明，ND108對氮素供應(yīng)最敏感，屬于低氮敏感型品種。蔡紅光[35]也發(fā)現(xiàn)，ND108在低氮條件下對氮素的吸收和利用能力較差，影響后期籽粒灌漿，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量迅速下降。

綜上，氮肥減施條件下，與農(nóng)大108和先玉508相比，鄭單958、偉科518和澤玉8911穗位葉有較高的葉綠素含量和熒光特性，以及氮素代謝相關(guān)酶活性，進(jìn)而保證了植株物質(zhì)積累和氮素同化能力，維持氮代謝過程中較高的氮利用效率，保證了在低氮條件下具有較高的產(chǎn)量。