施用氮鋅肥對(duì)不同夏玉米品種干物質(zhì)和氮鋅元素累積分配的影響

張盼盼，邵運(yùn)輝，劉京寶，喬江方，李 川，張美微，趙 霞，黃 璐

(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.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

鋅是人、動(dòng)物和植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素之一，人體缺鋅會(huì)降低免疫功能，影響身體發(fā)育，導(dǎo)致視力下降和加速衰老等。通過現(xiàn)代生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)措施來增加糧食作物中可食用部分的鋅含量，是改善作物鋅營養(yǎng)和人體營養(yǎng)的有效方法之一[1-2]。我國是世界上第二大玉米生產(chǎn)國，目前國內(nèi)約有51.5%的土壤存在缺鋅問題[3-4]，玉米籽粒鋅含量普遍偏低。張躍強(qiáng)[5]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒中鋅含量平均僅為11.8 mg/kg，遠(yuǎn)低于玉米籽粒鋅的生物強(qiáng)化目標(biāo)值38 mg/kg[6]。施用鋅肥被認(rèn)為是一個(gè)在短期內(nèi)能夠有效提高玉米籽粒鋅含量和有效性、改善人體鋅營養(yǎng)狀況的可行措施[7]。

葉面噴施鋅肥是一種直接、高效的方法。在玉米拔節(jié)期、大口期和吐絲期等關(guān)鍵時(shí)期，噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%內(nèi)的七水硫酸鋅，效果較為明顯[8]。研究發(fā)現(xiàn)，噴施鋅肥后，玉米植株花期葉片保護(hù)酶活性提高，植株的抗旱性增強(qiáng)，對(duì)鋅素的吸收和向籽粒的分配增加，果穗凸尖長(zhǎng)降低，籽粒鋅含量顯著增加，氮、磷的吸收利用能力增強(qiáng)，玉米的營養(yǎng)品質(zhì)得以改善[9-10]。施用氮肥是提高玉米產(chǎn)量的重要措施，氮鋅肥配施對(duì)玉米生長(zhǎng)有顯著的影響[11]。一般認(rèn)為，氮鋅配施能夠顯著增加植株地上部和籽粒中的鋅累積量，其效果大于單施氮肥或鋅肥。株高、果穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量隨氮、鋅肥用量的增加而增加。但當(dāng)施氮量過多時(shí)，籽粒中的鋅含量顯著降低[12-13]。

黃淮海地區(qū)是我國重要的玉米生產(chǎn)區(qū)，提高該區(qū)夏玉米籽粒的鋅含量和生物有效性對(duì)于我國夏玉米品質(zhì)的改善具有重要意義。目前，關(guān)于施用氮鋅肥對(duì)黃淮海地區(qū)玉米影響的研究，大多集中于籽粒產(chǎn)量和氮、鋅含量及累積量方面，對(duì)于植株各部位氮、鋅含量和累積分配及其在不同氮鋅條件下的變化規(guī)律研究鮮見報(bào)道。為此，本研究采用大田試驗(yàn)，選取在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有代表性的2個(gè)玉米品種，研究其在不同氮、鋅條件下植株干物質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化，植株各器官的氮、鋅含量和累積分配規(guī)律，分析籽粒產(chǎn)量差異，探討籽粒產(chǎn)量和植株各部位氮、鋅含量間的關(guān)系，以期為改善玉米鋅營養(yǎng)品質(zhì)和優(yōu)化生物強(qiáng)化措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在河南省原陽縣河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范基地(35°0′17″N，113°42′4″E)進(jìn)行。供試土壤為黃褐土，玉米播種前，采用S形五點(diǎn)取樣法取耕層土壤基礎(chǔ)樣品，充分混合后測(cè)定基本化學(xué)性質(zhì)：全氮0.67 g/kg，堿解氮44.2 mg/kg，速效磷36.1 mg/kg，速效鉀161.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)21.6 g/kg，pH值8.84，DTPA-Zn 1.29 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用再裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為3個(gè)施氮水平，分別為90，180，225 kg/hm2，設(shè)定為N1、N2、N3處理；副因素為2個(gè)噴施鋅肥處理，包括0，4.5 kg/hm2ZnSO4·7H2O，設(shè)定為Zn0和Zn1；副副因素為2個(gè)玉米品種，分別為鄭單958和谷神玉66，設(shè)定為ZD958和GSY66。共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共36個(gè)小區(qū)，每小區(qū)為6行，行長(zhǎng)5 m。種植密度為7.5 萬株/hm2。試驗(yàn)時(shí)間為2020年6月14日至10月10日。

氮、磷、鉀肥分別為尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P2O5含量12%)、硫酸鉀(K2O含量52%)，磷、鉀肥施肥量均為折純后100 kg/hm2。尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期2次追施，磷、鉀肥均基施，ZnSO4·7H2O為噴施，噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，分別在玉米苗期、拔節(jié)期和吐絲期各噴施1次，每次按600 L/hm2噴施，對(duì)照噴施相同量的蒸餾水，時(shí)間選擇在無雨的下午或傍晚，以保證噴施效果。

玉米生育期內(nèi)的其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)保持一致，每項(xiàng)管理措施需在同一天內(nèi)完成。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氮、鋅含量 于玉米吐絲期，吐絲后10，20，30，40 d和成熟期，分別在每小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的有代表性植株，取地上部樣品，分為莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒等部分，殺青后85 ℃烘至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。將成熟期樣品粉碎，裝入自封袋中，室內(nèi)采用凱氏定氮法測(cè)定樣品氮含量，原子吸收法測(cè)定樣品鋅含量。

1.3.2 產(chǎn)量 每小區(qū)取中間2行玉米全部收獲，隨機(jī)選取15穗進(jìn)行考種，曬干后脫粒，測(cè)定籽粒含水量和質(zhì)量，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

器官元素累積量=器官干物質(zhì)量×元素含量

①

器官養(yǎng)分比例=器官養(yǎng)分累積量/植株元素總累積量×100%

②

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法和Duncan′s法進(jìn)行方差分析和多重比較，顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用氮鋅肥對(duì)夏玉米籽粒產(chǎn)量的影響

施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種籽粒產(chǎn)量的影響如圖1所示。從圖1可以看出，N2和N3處理下玉米籽粒產(chǎn)量平均分別為9.77，10.42 t/hm2，二者差異不顯著，但較N1平均增加18.0%。施鋅處理對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響不顯著，GSY66籽粒產(chǎn)量為9.40 t/hm2，較ZD958降低3.7%。對(duì)于各處理來說，除N3 Zn1 GSY66外，N2和N3下各處理的籽粒產(chǎn)量之間差異不顯著，以N1Zn0GSY66和N1Zn1GSY66產(chǎn)量最低，平均約為8.35 t/hm2。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。The different lower alphabet means significant difference at 0.05 level.

2.2 施用氮鋅肥對(duì)植株干物質(zhì)累積和分配的影響

從圖2可以看出，灌漿期各處理干物質(zhì)累積量的變化，結(jié)果表明，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，植株干物質(zhì)累積量顯著增加，吐絲期干物質(zhì)量平均約為5.8 t/hm2，在吐絲后30 d迅速增加至16.9 t/hm2，成熟期高達(dá)19.9 t/hm2。3個(gè)施氮處理間差異明顯，其中N3處理在整個(gè)灌漿期的干物質(zhì)量較高，與N1、N2間的差異分別在吐絲后20 d和30 d達(dá)最大。Zn0和Zn1處理間的干物質(zhì)量無明顯差異；2個(gè)品種間，以ZD958干物質(zhì)量較高，成熟期ZD958較GSY66高出29.2%。各個(gè)處理間，以N3Zn1ZD958的干物質(zhì)量較高，尤其是在灌漿中后期表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

圖2 施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種灌漿期干物質(zhì)累積量的影響Fig.2 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter accumulation of different maize cultivars in the grain filling stage

從圖3可以看出，成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒的干物質(zhì)量分別占植株的17.5%，12.5%，6.1%，6.5%，4.5%和52.9%。N2處理下莖和苞葉的干物質(zhì)量分配比例較N1和N3高，N1處理的鞘、穗軸和籽粒的干物質(zhì)量分配比例相對(duì)較高。不同器官的干物質(zhì)量分配比例在2個(gè)施鋅處理間的差異不明顯；2個(gè)品種間則表現(xiàn)為ZD958莖和苞葉的干物質(zhì)分配比例較GSY66低，而籽粒則相對(duì)較高。各個(gè)處理間，莖的干物質(zhì)分配比例在N2 Zn0 GSY66下最高為27.0%，籽粒分配比例則以N3 Zn0 ZD958最高，為62.8%，以N2 Zn1 ZD958最低，為41.9%。

圖3 施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種成熟期各器官干物質(zhì)分配比例的影響Fig.3 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.3 施用氮鋅肥對(duì)成熟期植株氮鋅元素累積和分配的影響

由表1可知，成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中氮含量平均分別為4.6，13.0，4.6，2.9，3.8，13.4 g/kg，各器官的氮含量在施氮處理下表現(xiàn)為N3、N2>N1，ZD958的莖和穗軸中氮含量平均值均高于GSY66，而葉、鞘和籽粒中的平均氮含量則均低于GSY66，其中ZD958籽粒平均氮含量為12.3 g/kg，較GSY66低8.9%。各處理表現(xiàn)為N3 Zn1 ZD958處理下葉和苞葉中氮含量最高，而N2 Zn1 GSY66下籽粒氮含量最高，為17.1 g/kg。成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中鋅含量平均分別為27.4，41.6，25.4，31.2，24.6，25.6 mg/kg，施氮處理表現(xiàn)為N3處理下莖中鋅含量較高，為33.9 mg/kg，葉中鋅含量表現(xiàn)為N2、N3>N1，鞘、苞葉和籽粒中的鋅含量以N1處理最高。除莖外，其他各器官中鋅含量在施鋅處理下均表現(xiàn)為Zn0

表1 施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種成熟期各器官氮鋅含量的影響Tab.1 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc concentration in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

圖4顯示了施用氮鋅肥對(duì)成熟期各器官氮、鋅累積量的影響。由圖4-A可知，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒氮素累積量平均分別為17.04，33.28，5.40，3.86，3.44，138.60 kg/hm2，施氮處理以N2處理下的莖、鞘和苞葉中氮累積量最高，N3處理下葉和籽粒中氮累積量最高分別為41.32，163.50 kg/hm2；Zn1處理下莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中氮累積量分別為20.66，35.71，6.16，4.67，4.23，138.33 kg/hm2，均高于Zn0處理；2個(gè)品種間以ZD958中各器官氮累積量最高。圖4-B顯示，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒鋅累積量平均分別為84.84，101.35，30.34，40.28，21.59，264.60 g/hm2。施氮處理以N2處理下莖、穗軸和苞葉鋅累積量最高，N3處理下葉和籽粒中鋅累積量較高；各器官鋅累積量在不同施鋅處理下均表現(xiàn)為Zn1>Zn0，其中以穗軸和苞葉的增幅較大；GSY66的莖、葉和苞葉中鋅累積量較高，而ZD958鞘、穗軸和籽粒中的鋅素累積量較高。

圖4 施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種成熟期各器官氮鋅累積量的影響Fig.4 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc accumulation in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

不同處理下各器官氮鋅分配比例結(jié)果如圖5所示。從圖5-A可以看出，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒氮分配比例分別為7.94%，15.95%，2.72%，1.97%，1.72%，69.69%，施氮處理以N2處理下莖和苞葉中氮分配比例最高，而N1處理中穗軸和籽粒氮分配比例較高。Zn1下籽粒氮分配比例為67.32%，較Zn0處理降低6.93百分點(diǎn)，而其他各器官中氮分配比例則以Zn1處理較高；2個(gè)品種比較，ZD958莖和穗軸中氮素分配比例較高，而GSY66葉中氮素分配比例較高。圖5-B顯示，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒鋅素分配比例分別為15.68%，18.33%，5.45%，7.35%，3.87%，49.31%。施氮處理以N3處理莖和葉中鋅素分配比例較高，而N1處理下籽粒中鋅素分配比例較高為56.19%；Zn1下籽粒鋅素分配比例為45.58%，較Zn0降低6.86百分點(diǎn)，其他器官中鋅素分配比例均表現(xiàn)為Zn1>Zn0；2個(gè)品種間比較，ZD958籽粒鋅分配比例為55.07%，較GSY66增加8.02百分點(diǎn)，莖和葉中鋅素分配比例則表現(xiàn)為ZD958小于GSY66。

圖5 施用氮鋅肥對(duì)不同玉米品種成熟期各器官氮鋅分配比例的影響Fig.5 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.4 籽粒產(chǎn)量和各器官氮鋅含量相關(guān)性

玉米籽粒產(chǎn)量和植株各器官中氮、鋅含量的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。籽粒產(chǎn)量和莖、葉、籽粒中的氮含量呈顯著正相關(guān)(r值分別為0.655，0.617，0.424)，葉片中鋅含量和鞘、籽粒中的氮含量相關(guān)關(guān)系也分別達(dá)顯著(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01)，苞葉中氮含量與鞘、穗軸和苞葉中鋅含量的正相關(guān)關(guān)系達(dá)顯著或極顯著水平，r值分別為0.597，0.744，0.791，穗軸中的氮、鋅含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而籽粒中氮、鋅含量的相關(guān)性不顯著。

表2 玉米籽粒產(chǎn)量和植株各器官中氮鋅含量的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between the grain yield，N and Zn concentration in each organ of maize

3 結(jié)論與討論

3.1 施鋅對(duì)玉米植株鋅累積分配的影響

研究表明，玉米籽粒中的鋅累積主要來源于花后鋅吸收和再轉(zhuǎn)移，不同基因型間存在差異[14-16]。隨著土壤鋅肥施用量的增加，土壤中有效鋅濃度增加，根系對(duì)鋅的吸收和累積顯著增加，此時(shí)地上部各器官鋅累積的主要限制因素是鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)和再轉(zhuǎn)移。隨鋅肥的施入，地上部鋅累積量顯著增加，但各器官的增加幅度不一致，其中莖和葉中鋅累積量的增幅更明顯[17-18]。本研究中采用噴鋅的方式進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)與不施鋅相比，施鋅后穗軸和苞葉中鋅累積量的增幅較為明顯，這可能是與施鋅方式有關(guān)，葉面施鋅后鋅很快通過韌皮部的裝載后運(yùn)輸至穗柄，進(jìn)一步向穗軸和苞葉中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，最終累積至籽粒。鋅向籽粒卸載時(shí)存在障礙[19]，因此，穗柄和苞葉中的累積量增加較為明顯。

對(duì)鋅的分配比例來說，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施鋅后籽粒中鋅的平均分配比例從52.44%顯著降至45.58%，而莖、葉和鞘中的鋅分配比例則顯著增加。劉敦一[20]通過連續(xù)2 a的大田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，籽粒中鋅所占比例隨鋅肥的施入而減少，從約70%降至40%左右，但莖、葉和穗軸中鋅的分配比例逐漸升高。孟祥齊等[21]在春玉米上也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。這種現(xiàn)象叫鋅的“奢侈吸收”。這表明，當(dāng)鋅供應(yīng)充足時(shí)，鋅在莖、葉和鞘中的運(yùn)輸和累積要比向籽粒轉(zhuǎn)移更容易，但鋅從營養(yǎng)器官向籽粒進(jìn)行再轉(zhuǎn)移時(shí)受到限制，鋅在韌皮部的運(yùn)輸和卸載至籽粒的過程仍需進(jìn)行深一步的研究。

3.2 施鋅對(duì)玉米植株各器官中氮含量的影響

孫建華等[22]研究了不同鋅肥施用量對(duì)玉米各個(gè)生育時(shí)期植株養(yǎng)分吸收和累積的影響，發(fā)現(xiàn)施鋅后玉米各生育時(shí)期植株和籽粒氮含量顯著增加，在一定施鋅范圍內(nèi)，隨施鋅量的增加，植株氮累積量顯著提高，但繼續(xù)增加施鋅量則呈降低趨勢(shì)。扶海超等[23]研究發(fā)現(xiàn)，施鋅顯著影響了玉米幼苗的生長(zhǎng)，一定施氮條件下，施鋅能夠調(diào)節(jié)根系和地上部的關(guān)系，促進(jìn)根系發(fā)育和地上部生長(zhǎng)，提高植株對(duì)氮素的吸收。楊利華等[8]研究也發(fā)現(xiàn)，施用4.2 kg/hm2ZnO能夠明顯促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收和利用，同時(shí)提高氮肥利用率35.84%。與普通尿素相比，含鋅尿素能夠明顯促進(jìn)玉米植株對(duì)氮素的吸收和利用，促進(jìn)莖葉中的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移[18]。本研究也發(fā)現(xiàn)，施鋅后，籽粒中氮含量和累積量顯著增加。因此，一定試驗(yàn)條件下，施用鋅肥后，能夠增強(qiáng)玉米植株對(duì)氮素的吸收和利用，促進(jìn)氮素在籽粒中的累積，這對(duì)于提高籽粒氮含量和提高籽粒蛋白品質(zhì)具有重要的意義。

本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米植株葉片鋅含量與籽粒氮含量呈極顯著正相關(guān)。這表明，本試驗(yàn)條件下，葉片噴施適宜的鋅肥，有利于提高籽粒中氮素含量，可達(dá)到籽粒氮鋅同步提高的目的。穗軸中鋅含量和氮含量的相關(guān)性也達(dá)顯著水平，表明在氮、鋅向籽粒累積過程中，在穗軸部位，可能存在氮鋅協(xié)同運(yùn)輸?shù)耐緩剑@為進(jìn)一步研究植株中氮鋅協(xié)同運(yùn)輸機(jī)制提供了可參考的思路和依據(jù)。

3.3 結(jié)論

施用氮鋅肥可提高夏玉米籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)量，促進(jìn)植株對(duì)氮、鋅的吸收，提高籽粒中氮、鋅含量和累積量。但隨著施氮量的增加和鋅肥的施用，籽粒中氮、鋅累積量占整個(gè)植株中的比例均顯著下降。夏玉米葉片中的鋅含量和籽粒氮含量呈極顯著正相關(guān)。因此，土施氮肥配合葉面噴施鋅肥，在提高籽粒產(chǎn)量的同時(shí)，能促進(jìn)植株對(duì)氮、鋅的吸收和利用，提高籽粒中氮、鋅的累積量，以期作為一項(xiàng)夏玉米高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)推廣使用。