不同氮效率玉米品种籽粒灌浆特性研究

吕静瑶，申丽霞，晁晓乐

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024）

不同氮效率玉米品种籽粒灌浆特性研究

吕静瑶，申丽霞*，晁晓乐

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024）

为明确不同氮效率玉米品种籽粒灌浆特性的差异，从而有针对性地指导合理施用氮肥，在大田试验条件下，选用屯玉99（高氮高效型）、潞玉19（低氮高效型）和先玉335（双高效型）3个不同氮效率玉米品种为供试材料，设置0（N0）、80（N1）、160（N2）、240（N3）kg/hm24个不同施氮水平，测定授粉后玉米不同部位籽粒的干、鲜质量，采用回归分析方法研究授粉后时间（d）与籽粒干质量、含水率及灌浆速率之间的关系。结果表明，4个施氮水平下，不同玉米品种不同部位籽粒干质量增长速率峰值拐点出现的时间不同，屯玉99、潞玉19、先玉335分别在N3、N1、N2处理下拐点出现时间最早，且屯玉99拐点出现的最早时间早于潞玉19、先玉335，干物质积累增速最快。屯玉99和先玉335分别在N3、N2处理下籽粒含水率下降最快，而潞玉19在N1处理下籽粒含水率下降最迅速。屯玉99和潞玉19籽粒灌浆速率峰值出现时间集中在授粉后25～30 d，而先玉335籽粒灌浆速率峰值集中在授粉后20～25 d。顶部籽粒和中下部籽粒的干质量、含水率和灌浆速率均存在差异，而不同氮效率玉米籽粒干质量和灌浆速率的最佳施氮水平与产量最高的施氮水平保持一致。3个玉米品种产量形成都与其氮效率特性密切相关。

施氮水平；灌浆速率；含水率；拟合曲线；产量

目前，氮肥投入是玉米生产中最基本的增产措施，因玉米的氮素营养特点与小麦、水稻等有所不同，一般不会因为施氮过量而引起倒伏减产，所以过量施氮现象尤为严重［1］。氮肥投入过量，不仅导致产量不再增加甚至有所下降（倒伏或病虫害增加），而且氮素在土壤中的残留量以及损失到环境（大气和水体）中的量也会显著增加［2］。农田氮素的损失，不仅使化肥利用率降低，农业生产成本上升，还对农田土壤和生态环境造成污染［3］，导致地下水、河流和湖泊的富营养化［4］。协调好玉米产量和氮素利用率之间的关系，减少氮肥投入，提高氮素利用率，是减轻面源污染、解决经济与环境矛盾的根源所在。

众多研究表明［5-7］，不同基因型玉米的氮效率存在一定的差异，不同氮效率玉米因各自的基因属性对氮的需求不尽相同。筛选或培育氮高效型玉米品种，是玉米高产高效生产、减轻环境污染的关键。玉米产量高低与籽粒发育密切相关，氮素在玉米灌浆期对籽粒发育起着关键作用，不同玉米品种在相同施氮水平下的灌浆特性差异已有较多研究报道［8-10］，但不同施氮水平下不同氮效率玉米灌浆特性的差异比较鲜见报道。鉴于此，在前期试验确立不同玉米品种氮效率差异［11］的基础上，对不同氮效率玉米在不同施氮水平下的灌浆特性差异进行对比研究，探讨氮素对不同氮效率玉米籽粒发育的影响，以期为生产中合理施用氮肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验于2014年5—10月在山西省阳曲县凌井店乡河村旱作节水高效农业综合技术研究与示范区进行。该地区气候属于大陆季风性气候，是典型的半干旱地区。年平均降水量为434.7 mm，年平均蒸发量为328.9 mm，年平均温度为6.86℃。

于2009—2011年对山西省生产中国家玉米良种补贴主导的50个春玉米品种进行了氮效率筛选试验。通过试验比对，发现参试品种大致可以分为3种基本类型：双高效型（不施氮时产量较高，施氮后产量增加明显）、低氮高效型（不施氮时产量较高，施氮后产量增加不明显）、高氮高效型（不施氮时产量较低，施氮后产量增加明显）。

根据上述试验结果，选择具代表性的双高效型、低氮高效型和高氮高效型玉米品种各1个，分别为先玉335（XY）、潞玉19（LY）、屯玉99（TY），作为本试验的供试材料。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 田间试验为施氮水平和品种二因素，裂区设计，3次重复。施氮水平为主处理，品种为副处理。主处理设4个施氮水平，施纯氮量分别为0、80、160、240 kg/hm2，分别用N0、N1、N2、N3表示。N1、N2、N3处理基施纯氮80 kg/hm2，N2、N3处理在大喇叭口期分别追施纯氮80 kg/hm2和160 kg/hm2；各处理均施用磷肥（P2O5）27 kg/hm2，钾肥（K2O）103 kg/hm2，其他管理同田间常规管理。小区面积36 m2，等行种植，行距60 cm，每区10行。

1.2.2 测定指标及方法 在玉米抽丝前，分别在各小区中选取有代表性的植株60～70株挂牌标记；然后分别在授粉后5、10、15、20 d从挂牌植株中选取有代表性的果穗3穗，取穗顶部（以A表示）与中下部籽粒（以B表示）。顶部籽粒取样部位为3～13环，中下部籽粒取样部位为23～33环。

将顶部、中下部籽粒样品分别充分混合后随机取样，以100粒为单位称量籽粒的鲜质量；在105℃烘箱中烘15～20 min杀青，然后于80℃烘干至恒质量，称籽粒干质量。计算籽粒灌浆速率和籽粒含水率。

籽粒灌浆速率=（后一次取样百粒干质量-前一次取样百粒干质量）/取样时间间隔［12］；

籽粒含水率=（百粒鲜质量-百粒干质量）/百粒鲜质量。

1.3 数据处理

采用Excel和SPSS 22.0软件对试验数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮效率玉米品种籽粒干质量变化

曹彩云等［13］在长期定位试验的基础上研究发现，玉米籽粒干质量积累的变化曲线呈S型曲线，且用Logistic模型进行模拟，相关系数达0.99以上。本研究对3种不同氮效率玉米品种的籽粒干质量变化同样采用Logistic模型进行模拟。由于S型增长曲线为“慢—快—慢”的变化趋势，其增长速率为先增后减，本研究取增长速率峰值唯一的临界点为其拐点，而拐点在数学上指改变曲线方向向上或向下的点，根据物理意义可知其代表干质量的变化趋势发生改变，拐点发生的时间反映了干质量曲线凹凸性开始发生变化的时间。干质量变化曲线拐点出现时间越早，籽粒干物质积累越快，越有利于玉米籽粒生长发育。

由表1可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335的籽粒干质量变化所拟合的方程相关系数均大于0.9，表明拟合程度高，Logistic模型较准确，适用于3个玉米品种籽粒干质量变化曲线。

屯玉99籽粒在灌浆期干质量积累呈现出“慢—快—慢”的趋势，但不同处理其增速出现拐点的时间不同，表明不同施氮量下授粉后不同部位籽粒有着不同的增长速率变化时间。在同一施氮水平下，相对于中下部籽粒，顶部籽粒干质量积累增速出现拐点较晚，表明顶部籽粒初期干质量积累较慢，这可能与顶部籽粒灌浆初期含水率较高有关，而中下部籽粒在灌浆初期干质量积累速率较快。顶部籽粒和中下部籽粒干质量积累增速拐点均在N3水平下出现最早，分别为授粉后29 d和17 d，可见N3处理明显促进屯玉99籽粒干物质的积累。屯玉99顶部和中下部籽粒干质量积累增长速率在不同施氮水平下依次表现为N3＞N2＞N1＞N0。

在同一施氮水平下，潞玉19顶部籽粒干质量积累增速拐点出现晚于中下部籽粒。同一部位不同施氮水平比较，N1处理拐点出现最早，顶部籽粒和中下部籽粒干质量积累增速拐点出现时间分别为授粉后33 d和21 d，相对于屯玉99推迟了4 d，表明潞玉19籽粒干物质积累的速率慢于屯玉99。潞玉19在不同施氮水平下籽粒干质量积累优势依次表现为N1＞N2＞N3＞N0。相对于屯玉99，潞玉19对氮素较为敏感，即使在低氮水平（N1）下籽粒干质量积累优势也尤为明显。

在同一施氮水平下，先玉335中下部籽粒干质量积累增速出现拐点较早，干物质积累增速更为明显。不施氮时，玉米籽粒干质量积累增速的拐点相比施氮处理出现较晚，表明施氮可明显促进干物质的积累；N2处理玉米籽粒干质量增速出现拐点的时间较早，顶部籽粒和中下部籽粒分别为授粉后32 d和22 d，相对于屯玉99顶部籽粒干质量增速拐点最早出现时间推迟了3 d，而相对于中下部籽粒推迟了5 d；相对于潞玉19顶部籽粒干质量增速拐点最早出现时间提前了1 d，而相对于中下部籽粒推迟了1 d。先玉335中下部籽粒较顶部籽粒生长发育优势明显，顶部籽粒对氮素较为敏感，过量施氮会导致顶部籽粒发育受限。

2.2 不同氮效率玉米品种籽粒含水率变化

籽粒含水量是描述籽粒水分变化动态最直接的指标［14］。由表2可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒的含水率在籽粒发育至成熟过程中均呈降低趋势，并均可用一次函数进行拟合。采用SPSS进行显著性分析可知，屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒含水率与授粉后时间（d）的R2分别为0.969、0.953、0. 958，均大于0.9，表明拟合效果较好，回归模型比较准确。施氮后3个玉米品种中下部籽粒含水率变化曲线的斜率均大于顶部籽粒，说明施氮后3个玉米品种中下部籽粒在授粉后脱水速率快，更有利于中下部籽粒的干物质积累，但也可能会对顶部籽粒干物质积累造成抑制作用［15］。在授粉后初期，3个玉米品种不施氮处理的籽粒含水率明显高于其他处理，说明不施氮处理造成籽粒发育缓慢。就顶部籽粒和中下部籽粒而言，屯玉99 N3处理籽粒含水率变化曲线的斜率高于其他处理，说明N3处理可明显促进屯玉99籽粒脱水；在N1处理下，潞玉19顶部和中下部籽粒含水率斜率最大，说明N1处理可以有效促进潞玉19的籽粒发育；先玉335顶部和中下部籽粒含水率变化曲线的斜率在N2处理下最高。

2.3 不同氮效率玉米品种籽粒灌浆速率变化

玉米籽粒每日每粒增加的干质量，称为籽粒灌浆速率［16］。灌浆速率是反映玉米籽粒营养物质积累快慢的一个标准，灌浆速率越大，表明玉米籽粒干物质积累越快。灌浆速率可用一元二次函数进行较好地拟合，拟合方程通式为Y=a X2+b X+c，其中X为授粉后时间（d），Y为灌浆速率，且通式中a＜0。根据二项式数学意义可知，a的绝对值越大，曲线开口越窄，变化速率越快；c值越大，其峰值越高。

由表3可以看出，灌浆前期，屯玉99施氮处理的灌浆速率相对于不施氮处理更高，并且N3处理的灌浆前期灌浆速率最高。在同一施氮水平下，中下部籽粒较顶部籽粒灌浆速率更高，干质量积累较为迅速。对拟合方程进行求导可得出，灌浆速率峰值出现的时间基本出现在授粉后25～30 d，其中峰值最高的处理为N3，且中下部籽粒灌浆速率峰值最大，为2.696 g/d。

潞玉19在灌浆初期时，N1处理的灌浆速率略高于其他处理，并且求导后的斜率最大，说明灌浆速率增加最快，更有利于玉米籽粒干质量的积累；中下部籽粒灌浆速率大于顶部籽粒，说明中下部籽粒营养物质的积累高于顶部籽粒。籽粒灌浆速率峰值出现时间集中在25～30 d，峰值最高的处理为N1，且中下部籽粒灌浆速率峰值最大，为2.193 g/d。

在灌浆初期，先玉335籽粒灌浆速率在N2处理下较高，且求导后的斜率增长最大，说明先玉335在N2水平下籽粒干物质积累速度最快，其中，中下部籽粒峰值为3.165 g/d。在同一施氮水平下，中下部灌浆速率大于顶部籽粒。先玉335籽粒灌浆速率的峰值出现时间集中在授粉后20～25 d，相对于屯玉99出现时间较早。

2.4 不同氮效率玉米品种产量分析

由表4可以看出，屯玉99、潞玉19、先玉335分别在N3、N1、N2处理下产量最高，分别较不施氮处理增加17.7%、1.4%、12.9%，这与3个不同氮效率玉米品种干质量积累速度最快的最佳施氮水平保持一致。3个不同氮效率玉米品种中，潞玉19增产幅度最小，这与其低氮高效型的氮效率特征有关，该品种即使在不施氮时产量仍较高；屯玉99增产幅度最大，且在3种不同氮效率玉米品种中产量也为最高。

3 结论与讨论

本研究表明，不论顶部籽粒和中下部籽粒，干质量随授粉后时间的推进都呈S型曲线增长，这与温大兴等［17］的研究结果一致，但是不同氮效率玉米品种所拟合的Logistic方程存在差异。屯玉99是在最佳施氮水平下籽粒干质量增长速率峰值拐点出现最早的品种，这与屯玉99属于高氮高效型玉米有关，尽管该品种在不施氮时产量较低，但在施氮后产量大幅增加。不论是顶部籽粒还是中下部籽粒，施氮处理较不施氮处理能明显促进其干物质的积累。

含水率是玉米籽粒发育过程中的重要指标，本试验中3个不同氮效率玉米品种表现出不同的籽粒含水率变化曲线，这与乔江方等［18］认为的玉米籽粒含水率变化存在基因型差异保持一致。本试验结果表明，在同一施氮水平下，玉米顶部和中下部籽粒含水率均表现为持续降低的趋势，但中下部籽粒含水率下降速率整体高于顶部籽粒；3个品种中，潞玉19籽粒含水率在N1处理下下降最快，干质量与鲜质量之间的相对差异比例最大，干物质积累更为迅速。

灌浆速率的大小影响玉米的产量和品质［19］。杨铁钊［20］提出，通过提高玉米籽粒灌浆速率增加单株产量比延长灌浆有效期更为有效。本试验通过比较不同氮效率玉米品种的灌浆速率大小以确定各玉米品种的最佳施氮水平。3个不同氮效率玉米品种籽粒灌浆速率都可以用二次曲线进行拟合。在同一施氮水平下，顶部籽粒积累干物质的能力不如中下部籽粒，这可能与籽粒含水率迅速下降有关［21］。屯玉99、潞玉19、先玉335籽粒灌浆速率分别在N3、N1、N2水平下增速最快，这与3个品种产量最高的施氮水平保持一致，也与王俊强等［22］籽粒灌浆速度的快慢决定玉米最终产量的结论保持一致。

不同氮效率玉米品种籽粒在不同施氮水平下的灌浆特性不同。3个不同氮效率玉米品种顶部籽粒的发育慢于中下部籽粒，尤其表现在籽粒干物质积累速度上。屯玉99作为高氮高效型玉米，在高施氮量区间对氮的吸收较好，并且在高氮水平下籽粒生长优势明显；潞玉19作为低氮高效型玉米，在低施氮量区间对氮较为敏感，且低施氮量区间适当提高施氮水平可以增加产量，而在高氮水平下玉米增产优势并不明显，过高的氮肥量可能会导致减产；先玉335作为双高效型玉米，在低施氮量和高施氮量区间均可促进玉米籽粒的发育，且高氮水平下玉米籽粒生长发育及最终产量形成均较其他2种氮效率品种更具优势。籽粒干质量、含水率和灌浆速率在不同施氮水平下均可影响玉米产量，高施氮量对屯99玉和先玉335均可起到明显的促进作用，而施氮量过多对潞玉19发育是不利的；潞玉19在施氮量较低时发育最好，而屯玉99和先玉335更易受到低氮胁迫。本试验中设置的低施氮量只有80 kg/hm2，关于低施氮量还需进一步细化分析。

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Research on Grain Filling Characteristics of Different Nitrogen Efficiency Genotypes of Maize

LÜJingyao，SHEN Lixia*，CHAO Xiaole
（College of Hydraulic Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to guide the application of nitrogen fertilizer，the difference of grain filling characteristics of different nitrogen efficiency genotypes ofmaize was explored.Under field experiment condition，Tunyu 99，Luyu 19 and Xianyu 335 were used as the testmaterials，four app lication levels of nitrogen were designed，which were 0（N0），80（N1），160（N2），240（N3）kg/ha，the maize grain dry weight and fresh weight after pollination were measured，the relationship of time after pollination time，grain dry weight，moisture content and filling rate were discussed using regression analysis.The results showed that the dry kernels quality growth rate peak inflection point of different parts of different varieties appeared at different time，Tunyu 99，Luyu 19 and Xianyu 335 gained inflection point appeared most early in N3，N1and N2 treatment，and Tunyu 99 grain inflection point appeared most earlycompared with Luyu 19 and Xianyu 33，the increase of dry matter accumulation of Tunyu 99 was the most quick ly.The grain moisture content of Tunyu 99 and Xianyu 335 decreased most quickly under N3，N2 treatment，respectively，the moisture content of Luyu 19 decreased most rapid ly under N1 treatment.The peak value of grain filling rate of Tunyu 99 and Luyu 19 appeared on 25—30 d after pollination，which of Xianyu 335 appeared on20—25 d after pollination.The top and m idd le lower grain were different in dry weight，water content and grain filling rate，but the optimal nitrogen app lication rate of grain dry weight and grain filling rate of three maize varieties was consistent with the nitrogen app lication of the highest yield.The final yields of three maize varieties were closely related to the characteristics of nitrogen efficiency.

nitrogen app lication levels；filling rate；moisture content；curve fitting；yield

S513

A

1004-3268（2017）01-0007-06

2016-07-27

国家自然科学基金项目（31271645）；山西省农业科技攻关项目（20140311007-4）

吕静瑶（1991-），男，山西永济人，在读硕士研究生，研究方向：水肥资源高效利用。E-mail：605337625@qq.com

*通讯作者：申丽霞（1968-），女，山西长子人，教授，博士，主要从事水肥资源高效利用研究。E-mail：shenlixia919@sohu.com