不同夏玉米品种氮素积累利用的差异及其水氮调控效应

张美微,刘京宝,乔江方,李 川,黄 璐,张盼盼,赵 霞,刘卫星,牛 军

(1.河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002； 2.河南省科学技术发展战略研究所，河南 郑州 450002)

品种改良和水肥资源投入已经成为提高玉米产量的主要途径[1-2]。灌溉和施肥是调控夏玉米生长发育和提高产量的重要措施。黄淮海平原农业生产中常采用传统的地面灌溉、大量施肥等粗放的水肥管理措施，导致农业水肥资源利用效率低下；同时也增加了氮肥通过土壤径流、氨挥发和硝化作用等方式进入农田生态系统的风险，造成大气和农田土壤污染以及水体富营养化等一系列环境污染问题[3-4]。据统计，黄淮海平原年均施氮量为550 kg/hm2，夏玉米灌溉水和氮肥的利用效率分别为45%和26%，均远低于其他农业发达国家[5-6]。研究表明，氮肥过量施用对增产并无益处，反而会导致作物贪青晚熟、倒伏以及产量下降[7-10]。因此，如何协调资源投入与作物产出之间的关系成为农业发展亟需解决的一个重要问题。

夏玉米籽粒中的氮素一方面来源于根系吸收，另一方面来源于营养器官中氮素的再分配[11]。植株各器官氮素积累与分配的协调有序配合是保障夏玉米生长发育的基础[12]。前人研究显示，水分和氮肥管理措施对夏玉米氮素积累与转运均有显著影响，且二者存在显著的互作效应[13-15]。黄淮海平原是我国夏玉米的主产区，存在品种更替快、水资源短缺等问题，节水减肥、提高水肥资源利用效率成为该地区发展生态农业的重要方向。鉴于此，以黄淮海平原11个主栽夏玉米品种为材料，研究不同水氮配施对夏玉米氮素吸收、积累、转运和利用的影响，探讨不同氮效型夏玉米品种的氮素吸收利用特征，明确水氮配施在夏玉米氮素吸收利用方面的调控效应，为黄淮海平原夏玉米水氮高效利用提供理论和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2018年在河南省农业科学院河南现代农业研究开发基地(原阳，北纬35°0′16.03″、东经113°42′6.60″)进行。试验地土壤类型为砂壤土，0～30 cm土层土壤pH值为8.78，有机质含量为0.36 g/kg，全氮含量为0.42 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为49.13、51.80、151.56 mg/kg。夏玉米全生育期内日平均气温和降雨量见图1，全生育期总降水量为325.4 mm。试验采用黄淮海地区大面积推广种植的11个夏玉米品种为材料，具体信息见表1。

图1 玉米生育期内的日平均气温和降雨量Fig.1 Mean air temperature and precipitation during the maize growth stage

表1 供试黄淮海夏玉米品种信息Tab.1 Cultivar information of summer maize in Huang-Huai-Hai region in the experiment

1.2 试验设计

试验采取裂区试验设计，主区为灌水处理，副区为氮肥处理。灌水设置2个处理，分别为自然降雨(W0)和灌水处理(W1)，其中，W0处理不进行灌溉，W1处理分别在大喇叭口期(7月26日)和吐丝散粉期(8月10日)按照灌水量75 mm进行灌溉。灌水方式为微喷+喷淋，采用水表控制灌水量。此外，为保证出苗，各处理于播种后统一按照60 mm灌水量进行灌溉。氮肥处理设置3个水平，分别为不施氮(不施氮，N0)、低氮水平(150 kg/hm2N，N1)和正常施氮(225 kg/hm2N，N2)。各处理施用P2O5128 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。采取开沟施肥方式，基肥为复合肥(14-16-15)，追肥为尿素(N 46%)，N1、N2处理在拔节期，氮肥按照基追比1∶1进行追施。磷、钾肥全部基施，为保证各处理磷、钾肥施用量一致，以N2处理基施复合肥中含有的磷、钾量为标准，N0、N1处理分别采用过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)进行补施。

11个夏玉米品种均于2018年6月14日播种，密度均为67 500株/hm2(行距60 cm，株距24.7 cm)，10月2日收获。小区为4行区，行长5 m，各处理重复3次。为防止不同处理间水分和氮肥渗漏漂移，不同灌水处理间设置垄高30 cm，垄2侧各种植2行玉米；不同肥料处理间隔1.2 m且种植2行玉米作为隔离带。除施肥和灌水措施外，其他田间管理同一般高产田进行。

1.3 样品采集与测定分析

分别于夏玉米吐丝散粉期和成熟期采集植株样品，每个小区选取有代表性的植株3株，每株分为叶片、茎鞘、穗轴和苞叶、籽粒(成熟期)。各样品于105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒质量。称量干质量后，将样品全部粉碎过筛(孔径0.15 mm)，混匀后用四分法取样测定氮素含量。植株氮素含量采用全自动智能化学分析仪Smart Chem 200测定，利用测定结果计算氮素积累转运及利用的相关指标。

氮素积累量(Nitrogen accumulation,kg/hm2)=干物质积累量×氮素含量；

营养器官氮素转运量(Nitrogen remobilization amount,NRA,kg/hm2)=吐丝期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

氮素转运效率(Nitrogen translocation efficiency,NTE)=营养器官氮素转运量/吐丝期营养器官氮素积累量×100%；

氮素转运对籽粒的贡献率(Nitrogen translocation contribution proportion,NTCP)=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素收获指数(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒氮素积累量/地上部植株氮素总积累量×100%；

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=地上部植株氮素总吸收量/施氮量；

氮肥利用效率(Nitrogen fertilizer use efficiency,NUE,kg/kg)=(施氮处理氮素吸收量-不施氮处理氮素吸收量)/施氮量。

1.4 数据分析

收集的数据使用SPSS 20.0进行整理分析，不同处理间差异性分析采用Duncan’s多重比较进行。图表绘制使用Excel 2013完成。

2 结果与分析

2.1 不同夏玉米品种各器官的氮素积累量

从表2可以看出，夏玉米不同器官氮素积累量表现为籽粒(成熟期)>叶片>茎鞘>穗轴和苞叶。11个夏玉米品种吐丝期叶片、茎鞘、穗轴和苞叶的平均氮素积累量分别为48.71、37.14、12.78 kg/hm2，极差分别为13.22、14.24、4.64 kg/hm2；成熟期叶片、茎鞘、穗轴和苞叶、籽粒的氮素积累量分别为27.50、17.62、3.43、115.50 kg/hm2，极差分别为15.73、11.86、3.05、34.94 kg/hm2。不同夏玉米品种吐丝期叶片、茎鞘以及成熟期各器官的氮素积累量均存在显著差异。吐丝期先玉335和新单68叶片、郑单958和桥玉8号茎鞘的氮素积累量显著较高；成熟期伟科702的籽粒氮素积累量最高，新单68、郑单958、郑单1002和郑单309也获得了较高的籽粒氮素积累量。

表2 不同夏玉米品种吐丝期和成熟期各器官的氮素积累量 Tab.2 Nitrogen accumulation amount of different organs of summer maize cultivars at silking and maturity stages kg/hm2

注：同列不同小写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference among cultivars at the 5% level,the same below.

2.2 夏玉米茎叶氮素转运和氮素利用的品种间差异

从表3可以看出，11个夏玉米品种营养器官氮素转运量、氮素转运效率、氮素转运对籽粒的贡献率平均值分别为40.73 kg/hm2、41.82%、36.20%，极差分别为12.26 kg/hm2、16.18%、17.16%。不同夏玉米品种在营养器官氮素转运量、氮素转运效率以及氮素转运对籽粒的贡献率方面均存在显著差异，其中，桥玉8号、迪卡517、德单5号分别比其他品种具有较高的氮素转运量、氮素转运效率、氮素转运对籽粒的贡献率。在氮素吸收和利用方面，11个夏玉米品种的氮素收获指数、氮素吸收效率、氮肥利用效率分别为70.64%、0.96 kg/kg、0.16 kg/kg，极差分别为10.75%、0.28 kg/kg、0.12 kg/kg。不同品种间氮素吸收和利用特征存在显著差异，其中，迪卡517、新单68、农大372分别获得了较高的氮素收获指数、氮素吸收效率、氮肥利用效率。此外，通过分析各指标在品种间的变异系数可以看出，氮肥利用效率的变异系数最大，为20.97%；而氮素收获指数的变异系数最小，为3.81%。

表3 不同夏玉米品种茎叶氮素转运和氮素利用Tab.3 Nitrogen translocation from stem and leaf to grain and nitrogen use efficiency of summer maize cultivars

2.3 不同水氮处理对夏玉米植株氮素积累的影响

为了更清晰地分析不同类型夏玉米品种氮素积累和转运对灌水和氮肥的响应特征，以变异系数最大的氮肥利用效率对11个夏玉米品种进行聚类分析。从聚类分析产生的树状图(图2)可以看出，11个夏玉米品种被分为3类，分别为高、中、低氮肥利用效率品种(下文简称高、中、低氮效型,表示为H、M、L型)，其中，H型品种有4个，分别为ZD958、XY335、XD68、ND372，平均氮肥利用效率为0.19 kg/kg；M型品种共6个，分别为WK702、ZD309、QY8、ZD1002、DK517、XD29，平均氮肥利用效率为0.15 kg/kg；L型品种1个，为DD5，氮肥利用效率为0.09 kg/kg。

图2 11个夏玉米品种基于氮肥利用效率的聚类分析Fig.2 Clustering analysis of nitrogen use efficiency for 11 maize cultivars

进一步分析不同氮效型夏玉米品种对水氮处理的响应(图3)可以看出，水氮处理均显著增加不同氮效型夏玉米品种吐丝期和成熟期植株的氮素积累量。与W0处理相比，W1条件下H、M、L型夏玉米品种在3个N处理下吐丝期植株氮素积累量平均值分别增加了14.99%、15.68%、33.67%，成熟期植株氮素积累量分别相应增加21.33%、17.63%、28.87%，可见，低氮效型夏玉米品种对灌水处理响应最大。无论灌水与否，随施氮量增加，吐丝期和成熟期植株氮素积累量均增加。W0条件下，N1和N2处理吐丝期植株氮素积累量无显著差异，但较N0处理分别增加了26.36%和39.29%(H型)、14.65%和21.94%(M型)、28.05%和42.64%(L型)；而W1条件下，N1和N2处理吐丝期植株氮素积累量差异显著，且较N0处理分别增加了17.27%和34.09%(H型)、10.89%和29.82%(M型)、8.31%和22.25%(L型)，说明灌水有利于增加植株对氮素的吸收利用，进而增加吐丝期植株的氮素积累量。在各水氮处理中，成熟期植株氮素积累量以W1N2处理(H、M型)和W1N1处理(L型)最高，较W0N0处理分别增加56.15%、45.05%、49.21%，但各类品种W1N2和W1N1处理间均无显著差异。

不同小写字母表示同一类型品种同一时期不同水氮处理在0.05水平上差异显著

2.4 不同水氮处理对夏玉米氮素转运和利用的影响

由表4可见，在氮素转运特征方面，施氮或灌水总体上增加了夏玉米营养器官的氮素转运量，而降低了氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率。其中，W1N2处理下H、M、L型夏玉米的氮素转运量分别较W0N0处理增加了11.99%、15.57%、39.03%，转运效率分别降低了29.41%、21.42%、24.15%。H和M型夏玉米品种的营养器官氮素转运量和氮素转运对籽粒的贡献率以及M型夏玉米品种的氮素转运效率在各水氮处理间的差异均不显著。W1N2处理下H、M、L型夏玉米的氮素收获指数分别较W0N0处理降低了9.66%、5.68%、15.28%。在氮素吸收利用方面，各水氮处理显著影响夏玉米的氮素吸收效率，且H、M、L 3种类型夏玉米均以W1N1处理最高，分别较W0N1处理增加19.98%、16.64%、36.73%，以W0N2处理最低，较W0N1处理分别降低了29.86%、29.85%、21.91%；H、M型夏玉米品种的氮肥利用效率在不同水氮处理间差异未达显著水平，L型夏玉米品种的氮肥利用效率在各水氮处理间差异显著，分别在W0N2和W1N2处理下达到最大值和最小值。

表4 水氮处理对不同夏玉米品种氮素转运和利用的影响Tab.4 Effect of irrigation and nitrogen fertilizer on nitrogen translocation and nitrogen use efficiency of summer maize cultivars

注：同列不同小写字母表示同一类型夏玉米品种不同水氮处理在0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 probability level of the same cultivar type.

3 结论与讨论

作物产量主要来源于花后干物质的积累，而植株氮素积累以及营养器官氮素向籽粒的转运是干物质积累的前提[16-17]。品种类型、水肥措施等对作物氮素积累和利用均有显著影响[18]。在夏玉米品种更替过程中，其干物质和氮素的积累、分配已发生变化，新老品种植株器官氮素积累存在显著差异[19]。此外，申丽霞等[20]研究认为，不同玉米品种在氮素吸收利用方面也存在显著差异。本研究结果表明，不同器官氮素积累量表现为籽粒(成熟期)>叶片>茎鞘>穗轴和苞叶，且品种间植株茎叶氮素积累量在吐丝期和成熟期均存在显著差异，这与前人研究结果一致[21]。前人研究表明，玉米在氮素转运和利用方面存在显著的基因型差异[19,21-22]。本研究结果也显示，不同夏玉米品种在植株氮素转运、吸收和利用方面也存在显著差异，其中，桥玉8号、迪卡517、德单5号在11个供试品种中分别获得最高的氮素转运量、氮素转运效率、氮素转运对籽粒的贡献率，而迪卡517、新单68、农大372分别获得了最高的氮素收获指数、氮素吸收效率、氮肥利用效率。此外，通过比较夏玉米植株氮素转运、吸收和利用指标在品种间的变异可以看出，氮肥利用效率的变异系数最大，为20.97%，是其他氮素转运和利用指标的1.4～5.5倍。因此，选育和筛选氮高效型夏玉米品种是提高氮肥利用效率的有效手段。

黄淮海平原水资源紧缺，夏玉米生育期降雨分布不均，合理的灌溉是该地区实现高产高效的重要手段，但生产上长期过量施用肥料已对该地区农田土壤造成了一定的污染[23]。因此，研究控水节肥条件下夏玉米氮素积累与分配特征对提高夏玉米水肥利用效率、减少农田土壤污染具有重要意义。大量研究显示，适度的水分供给和合理的氮肥施用有利于夏玉米营养器官的氮素积累，促进氮素向籽粒的转运[15,24-25]。营养生长期土壤缺水会阻碍植株对硝态氮的吸收，降低其氮素积累[26]。本研究为明确不同类型夏玉米品种对水氮调控的响应特征，将11个夏玉米品种分为高(H)、中(M)、低(L)氮肥利用效率3类。结果表明，灌水和施氮均显著提高了3类品种吐丝期和成熟期的植株氮素积累量，且L型品种对灌水的响应最大；在各水氮组合中，成熟期植株氮素积累量以W1N2处理(H和M型)和W1N1处理(L型)最高，但各类品种W1N2与W1N1处理均无显著差异。施用氮肥虽然有利于植株氮素积累，但降低了氮素吸收和利用效率[27]。本研究在氮素转运和利用方面的结果显示，灌水和施氮总体上增加了夏玉米营养器官的氮素转运量，降低了氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率；L型品种的各氮素转运参数在不同水氮处理间差异显著。氮素收获指数随灌水和施氮量增加总体呈下降趋势，且以L型品种最为敏感，W1N2处理较W0N0处理的降幅最大，为15.28%，这显示了L型品种的不稳定性。不同氮效型夏玉米氮素吸收效率在各水氮处理间差异显著，分别在W1N1和W0N2处理下获得最高值和最低值；而氮肥利用效率则仅在L型品种中表现出显著差异，分别在W0N2和W1N2处理下达到最大值和最小值，这说明H型和M型品种较L型品种对水氮环境具有更强的稳定性。在当前黄淮海平原农业生产条件下，减少化肥施用量是降低农田温室气体排放、减少农田水体污染的有效方法[28]。综合考虑玉米植株氮素积累、转运、吸收和利用等方面，在合理的灌溉条件下，适当减少氮肥的施用(W1N1)并不会显著降低夏玉米氮素积累转运，并且有利于提高氮素吸收效率。因此，适当减少氮肥施用并配以合理的灌溉，是实现黄淮海区域夏玉米水肥资源高效利用的有效方法。