春玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)對減量施氮的響應

陳妮娜 紀瑞鵬 米娜 張淑杰 于文穎 方緣 張玉書

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)氣象災害重點實驗室，遼寧 沈陽 110166;3.中國氣象局干部培訓學院遼寧分院，遼寧 沈陽 110166)

引言

玉米具有較高的單位面積產(chǎn)量和巨大的增產(chǎn)潛力，是僅次于小麥和水稻的世界第三大糧食作物[1]，在解決人類糧食安全保障方面具有重要作用。氮素是玉米生長發(fā)育不可缺少的元素，也是影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)最重要的礦質(zhì)元素[2]。玉米產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善的一項重要栽培措施就是施氮[3]，合理施氮，不僅能促進玉米植株的生長發(fā)育，還能增加產(chǎn)量，提高品質(zhì)，獲得較高的經(jīng)濟效益。但是為了追求高產(chǎn)，中國農(nóng)田氮肥用量不斷攀升，而當玉米產(chǎn)量達到一定水平，過量施氮造成了氮肥利用率低下，不僅不能持續(xù)提高玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟效益，而且也造成資源的嚴重浪費，污染大氣、土壤、水體生態(tài)環(huán)境及降低生物多樣性[4-7]。因此，合理減量施氮，優(yōu)化氮肥的科學管理技術(shù)逐漸成為近年來中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中的熱點問題[8]。

目前國內(nèi)外很多專家對減量施氮進行了研究。梁二等[9]針對氮減量施用對旱作玉米生產(chǎn)的影響研究發(fā)現(xiàn)，氮減量15%施用后，玉米產(chǎn)量無顯著減少；位高生等[10]對琯溪蜜柚進行氮減量施肥試驗表明，減少氮用量不會導致琯溪蜜柚減產(chǎn)，反而具有增產(chǎn)和明顯改善果實品質(zhì)的效果；韓瑞蕓等[11]發(fā)現(xiàn)東北坡崗地上氮肥減量25%，玉米產(chǎn)量最高。由此可見，減量施氮是可行的。有關(guān)玉米減量施氮方面的研究主要集中在氮利用率、土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量[9,11-12]等方面，對生長發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成、籽粒含水量及品質(zhì)的影響有較少報道。

東北地區(qū)是中國春玉米的主產(chǎn)區(qū)和重要的商品糧基地，在中國的糧食生產(chǎn)中占有重要地位[13]。近30 a來該地區(qū)春玉米產(chǎn)量不斷提高的重要措施就是增施氮肥，為獲得高產(chǎn)，過量施氮的現(xiàn)象普遍存在[14]。目前，春玉米的氮肥施用量約為240—280 kg·hm-2，有的已超過300 kg·hm-2，遠超當前產(chǎn)量水平的需求量和專家推薦量[15]，氮肥利用率僅為19%—28%[16]，遠低于30%—51% 的全國平均水平[17]。因此，減少氮肥施用量，改善作物的生長環(huán)境，提高氮肥利用效率，實現(xiàn)作物的無公害生產(chǎn)已成為亟待解決的問題。目前，減量施氮對春玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成、籽粒含水量及品質(zhì)的影響規(guī)律尚不明確。因此，研究春玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)對減量施氮的響應，可為氮肥的區(qū)域合理調(diào)控與配置提供理論依據(jù)。本研究以遼寧錦州雨養(yǎng)農(nóng)田玉米農(nóng)民習慣性施氮量為對照，分析不同程度減量施氮對春玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的影響，以期為減少氮肥施用投入提供科學依據(jù)，為減緩中國東北地區(qū)環(huán)境風險提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗地點位于遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測站(41°08′N，121°10′E，海拔高度為27.4 m)，所在區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛Ъ撅L型氣候，年平均氣溫為9.5℃，年均降水量為565.9 mm，主要作物玉米的生育期為5—9月。試驗地土壤為棕壤，容重為1.61 g·cm-3，有機質(zhì)為1.8%，0—100 cm 土壤田間持水量平均值為21.6%，其初始肥力見表1。觀測時間為2019年，年平均氣溫為11.5 ℃，年降水量為607.7 mm。選用玉米品種丹玉405為供試材料，采用東西行向種植，行株距為50 cm×35 cm，種植密度為5.7 株·m-2，小區(qū)面積為15 m2(長5 m、寬3 m)。土壤相對濕度為75%±5%，以氮肥施用數(shù)量為調(diào)控因素，有機肥及磷、鉀肥用量均一致(商品有機肥1.5 t·hm-2，P2O590 kg·hm-2+K2O 80 kg·hm-2)，氮肥為尿素(含氮46%)，玉米栽種及其他田間管理措施一致。試驗共設(shè)4個處理，每個處理3個重復，具體如下：

表1 2019年遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測站試驗地土壤初始肥力情況Table 1 The initial soil fertility of the experimental site at Jinzhou agroecological observation station in Liaoning province in 2019

T1：N 0 kg·hm-2，農(nóng)民習慣性施氮量基礎(chǔ)上減少100%；T2：N 120 kg·hm-2，農(nóng)民習慣性施氮量基礎(chǔ)上減少55.5%；T3：N 240 kg·hm-2，農(nóng)民習慣性施氮量基礎(chǔ)上減少11.1%；T4：N 270 kg·hm-2，農(nóng)民習慣性施氮量，CK。

各處理有機肥及磷、鉀肥全部作基肥；氮肥20%作基肥，40%作普遍拔節(jié)期(6月17日)追肥，40%作普遍抽雄期(7月15日)追肥，均施于0—20 cm土層。

1.2 觀測項目與方法

1.2.1 土壤濕度觀測

采用時域反射儀(德國TRIME-IPH)在春玉米全生育期(播種—成熟)內(nèi)每3 d 分5層(每層20 cm)測定土壤含水量，用于計算補水量，以控制試驗過程中的土壤濕度。

1.2.2 生長發(fā)育觀測

從三葉普遍期開始，每個發(fā)育期每小區(qū)選3株，分別觀測記錄試驗區(qū)不同處理的玉米發(fā)育期、株高、葉面積、生物量，觀測按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[18]進行。

1.2.3 產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析

玉米成熟后，各小區(qū)分別取樣30株，自然風干后進行產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析，分別測定各小區(qū)果穗長、果穗粗、禿尖長、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成要素，并計算經(jīng)濟產(chǎn)量(g·m-2)。

1.2.4 品質(zhì)測定

主要測蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、氨基酸四個指標。蛋白質(zhì)含量用k氏定氮法測定[19]，脂肪含量用油重法測定，淀粉含量用HCL—銅還原直接測定法測定[20]，氨基酸含量用“日立—853”型氨基酸自動分析儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計及作圖采用Microsoft Excel 2010，方差分析采用SPSS17。

2 結(jié)果分析

2.1 減量施氮對春玉米地上部生長的影響

2.1.1 株高

減量施氮后，不同處理玉米各發(fā)育期株高的變化不同(圖1和表2)。三葉到抽雄期，減氮導致株高降低，降低程度隨減氮量的增加而增加。而乳熟期，減氮11.1%和55.5%處理下，株高不但未降低，反而略微增加；減氮100%，僅造成株高減少4.4%。由此可見，雖然在株高迅速發(fā)展的時期(尤其是三葉期)，減氮的負影響較為明顯，但株高基本穩(wěn)定后，減氮的影響減弱。

表2 2019年不同程度減氮對不同發(fā)育期春玉米株高影響較對照變化量Table 2 Variations of plant height of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

圖1 2019年不同處理春玉米各發(fā)育期株高Fig.1 Plant heights at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

2.1.2 葉面積指數(shù)

拔節(jié)前，玉米處于營養(yǎng)生長階段，葉面積指數(shù)迅速增加，減氮造成葉面積指數(shù)明顯減少，到拔節(jié)普遍期，減氮11.1%、55.5%和100%處理分別減少葉面積指數(shù)5.1%、14.4%和23.3%，隨著減氮量增加，葉面積指數(shù)減少程度增加。玉米進入生殖生長階段(抽雄期)后，減氮對葉面積指數(shù)的影響不明顯，減氮11.1%和55.5%處理下，葉面積指數(shù)略微增加(圖2和表3)。

圖2 2019年不同處理春玉米各發(fā)育期葉面積指數(shù)Fig.2 Leaf area index at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表3 2019年不同程度減氮對不同發(fā)育期春玉米葉面積指數(shù)較對照影響變化量Table 3 Variations of leaf area index of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.1.3 生物量

拔節(jié)期前，減氮后，玉米生物量鮮重和干重均減少(表4和表5)，且隨著減氮量的增加，減少程度增加。進入抽雄期后，減氮11.1%生物量干重不但不減少反而增加，進入乳熟期后，減氮11.1%生物量鮮重增加。說明減氮對生物量的影響在拔節(jié)前玉米營養(yǎng)生長階段較大，進入生殖生長后，影響減小。

表4 2019年不同處理各發(fā)育期春玉米生物量干、鮮重及葉片干、鮮重占地上生物量的比例Table 4 Dry and fresh weights of biomass，the percentage of dry and fresh leaf weight to above-ground biomass at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表5 2019年不同減氮處理對各發(fā)育期春玉米地上生物量及葉片占比較對照變化量Table 5 Variations of above-ground biomass and leaf proportions at different growth stages of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

葉片的比重在玉米整個發(fā)育期呈拋物線型，先增加后減少，七葉期最高，乳熟期最低。拔節(jié)期以前，玉米發(fā)育以營養(yǎng)生長為主，營養(yǎng)器官葉、莖的比例較高，進入抽雄期后，玉米發(fā)育以生殖生長為主，干物質(zhì)對器官的分配轉(zhuǎn)向生殖器官。減氮對葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例的影響與其對生物量鮮重和干重的影響類似，在玉米苗期，減氮導致葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例明顯下降，苗期過后，減氮11.1%的處理，葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例變化不明顯，減氮55.5%的處理，葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例反而增加。說明玉米苗期，減氮不利于玉米地上部的生長，株高、莖粗、葉面積指數(shù)和生物量等生物學性狀均明顯減少。玉米苗期以后，適量減氮促進玉米地上部的生長，株高、莖粗、葉面積指數(shù)和生物量等生物學性狀有增加趨勢。

另外本研究發(fā)現(xiàn)減氮后葉片占比和葉面積指數(shù)也出現(xiàn)了上述相似規(guī)律。說明玉米營養(yǎng)生長階段(苗期)，減氮不利于干物質(zhì)向葉片分配，隨著減氮量增加玉米生長發(fā)育變化增大；進入生殖生長階段，減氮導致干物質(zhì)向葉片的分配增加。

2.2 減量施氮對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

減量施氮對玉米產(chǎn)量的影響通過果穗長、果穗粗、百粒重、禿尖比等產(chǎn)量構(gòu)成因素來體現(xiàn)。春玉米產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)性狀對減量施氮的響應見表6和表7。適量減氮導致果穗長、果穗粗增加。減氮11.1%二者增加幅度最大，分別增加1.9%和3.7%。隨著減氮量的增加，增加幅度減小。同樣的規(guī)律，適量減氮導致百粒重和理論產(chǎn)量增加。三個減氮水平(減氮11.1%、55.5%、100%)導致百粒重的變化量分別為2.8%、2.6%和-0.1%；導致理論產(chǎn)量的變化量分別為11.5%、10.2%和0.5%。隨著減氮量的增加，百粒重和理論產(chǎn)量變化幅度減少，說明減氮量為11.1%時，對玉米產(chǎn)量增加最明顯。從不同程度減氮對籽粒含水量的影響來看，減氮導致玉米籽粒含水量增加，三個施氮水平分別增加14.3%、33.8%、56.7%。由此可見，隨著減氮量的增加，玉米籽粒含水量所受影響程度增大。

表6 2019年不同減氮處理下春玉米產(chǎn)量和構(gòu)成Table 6 Yields and its components of spring maize under different degrees of nitrogen reduction in 2019

表7 2019年不同減氮處理春術(shù)米產(chǎn)量和構(gòu)成較對照變化量Table 7 Variation of yield and its components of spring maize under different degree of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.3 減量施氮對春玉米籽粒品質(zhì)的影響

玉米籽粒品質(zhì)是決定玉米品種優(yōu)劣的重要指標，是玉米作為加工原材料的重要參考要素，它的形成與土壤養(yǎng)分供應狀況有密切聯(lián)系。氮肥通過玉米籽粒淀粉、脂肪、氨基酸、粗蛋白等物質(zhì)的含量來影響品質(zhì)。減量施氮對春玉米籽粒品質(zhì)的影響見圖3和表8。

表8 2019年不同程度減氮對春玉米品質(zhì)影響較對照變化量Table 8 Variations of grain quality of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

圖3 2019年不同處理春玉米籽粒品質(zhì)脂肪(a)、淀粉(b)、氨基酸(c)、粗蛋白(d)Fig.3 Grain quality fat (a),starch (b),amino acid (c) and crude protein (d) of spring maize under different treatments in 2019

2.3.1 脂肪

脂肪含量占籽粒重的2.9%，減量施氮導致玉米籽粒脂肪含量呈減少趨勢。三種減氮水平對脂肪含量的減少量分別為27.3%、18.2%和6.1%，說明隨著減氮量的增加，脂肪含量減少幅度減小。減氮11.1%時，玉米籽粒脂肪含量最少，為2.4 g·100 g-1。

2.3.2 淀粉

淀粉是細胞中碳水化合物最普遍的儲藏形式，是反映玉米等糧食作物質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一。本研究中淀粉含量占籽粒重的73.6%，是玉米籽粒中最主要的組成成分，這與Nuss和Tanumihardjo[21]的研究結(jié)果基本一致。

減氮導致玉米籽粒淀粉含量不同程度的增加。三種減氮水平對淀粉含量的增加量分別為13.4%、17.5%和30.0%，可見隨著減氮量的增加，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。

2.3.3 氨基酸

氨基酸的合成與氮密切相關(guān)，減氮導致玉米籽粒氨基酸含量先增加后減少。三種減氮水平對氨基酸含量的影響量分別為15.9%、2.5%和-8.8%。減氮11.1%時，玉米籽粒氨基酸含量最大，為83.9 μmol·g-1。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的合成也與氮密切相關(guān)，其含量占籽粒重的6.2%。減氮導致玉米籽粒粗蛋白含量先增加后減少。三種減氮水平對粗蛋白含量的影響量分別為5.9%、-12.5%和-7.0%。減氮11.1%時，玉米籽粒粗蛋白含量最高，為6.8%。

3 結(jié)論與討論

(1)從2019年遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測站玉米生長發(fā)育來看，玉米苗期，減氮導致生長發(fā)育指標(株高、莖粗、葉面積指數(shù)、生物量干、鮮重、葉片比重等)均減少，不利于地上部的生長和干物質(zhì)向葉片分配，隨著減氮量的增加，減少幅度增加。苗期以后，適量減氮促進玉米地上部的生長，株高、莖粗、葉面積指數(shù)、生物量和葉片占比等生物學性狀有增加趨勢。也有研究指出，株高等生長指標隨著減氮量的增加而減少[17-20]，這與本研究結(jié)果一致。

(2)從產(chǎn)量構(gòu)成及籽粒含水量來看，適量減氮導致果穗長、果穗粗、百粒重、理論產(chǎn)量和籽粒含水量增加。隨著減氮量的增加，果穗長、果穗粗、百粒重和理論產(chǎn)量增加幅度均減小，籽粒含水量增加幅度增大。減氮11.1%時，果穗長、果穗粗和理論產(chǎn)量增加幅度最大，分別為1.9% 、3.7%和11.5%。當減氮11.1%(施氮量為240 kg·hm-2)時，玉米產(chǎn)量達到最大，為945.4 g·m-2。大量的研究表明，施氮可以增加玉米穗粒數(shù)、果穗長、果穗粗、百粒重，從而增加產(chǎn)量。隨著施氮量的增加，果穗長、果穗粗及產(chǎn)量增加[22-25]，過高的施氮量并不會立即表現(xiàn)為倒伏和產(chǎn)量下降[26]。本研究結(jié)果與一些學者的觀點一致[14,27-28]。當施氮量為240 kg·hm-2時，本研究地區(qū)春玉米產(chǎn)量達到最大值。品種、種植條件和土壤條件不同，合理的施氮量也有所差異[29]。草甸土春玉米的合理施氮量為200 kg·hm-2左右[30]；黑土地春玉米的推薦施氮量為165 kg·hm-2以內(nèi)[31]。由此可見，氮肥施用過多并不能有效的促進產(chǎn)量的形成，而適宜的氮肥施用量可以在降低氮肥投入的同時保證產(chǎn)量的穩(wěn)定提高。

(3)從籽粒品質(zhì)來看，減氮導致玉米丹玉405籽粒脂肪含量減少，淀粉含量增加，氨基酸和粗蛋白含量呈先增加后減少趨勢。隨著減氮量的增加，脂肪含量減少幅度減小，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。減氮11.1%時，玉米籽粒脂肪含量最少，為2.4 g·100 g-1；氨基酸含量最大，為83.9 μmol·g-1；粗蛋白含量最高，為6.8%。安江勇等[32]發(fā)現(xiàn)，減氮減少玉米淀粉和粗蛋白含量。這可能是由于不同玉米品種的基因型以及某些酶的影響，籽粒品質(zhì)是由基因型和外界環(huán)境條件等諸多因素共同決定的[33]。已有大量研究表明[34-35],適量減氮能提高玉米品質(zhì)，過量施氮玉米品質(zhì)會下降。為了進一步探究減量施氮對玉米品質(zhì)的影響機理，需要對不同品種的情況進行全面研究。