川中丘区玉米氮高效品种筛选及增产潜力分析

郭 松 曾祥忠 陈 琨 卢庭启 上官宇先 周子军 涂仕华 秦鱼生,*

(1 四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066；2 绵阳市农业科学研究院，四川 绵阳 621023)

玉米是我国第一大粮食作物，西南地区又是我国玉米的主要产区之一，因此，维持该区的玉米高产对我国粮食安全举足轻重[1-2]。以氮肥施用为主的生产管理措施的改进和玉米品种遗传改良是增加玉米产量的决定性因素[3]。我国作为世界上最大的氮肥生产国和使用国，氮肥平均利用率只有30%～40%，远低于同期世界平均水平[4]，四川地区的玉米氮肥农学效率仅为9.7 kg·kg-1[1-2]。选育和推广高产氮高效的作物品种是提高我国氮肥利用率，维护粮食安全和生态可持续发展的一项重要措施[5]。针对西南地区特定生态条件下玉米高产氮高效的研究是该区域乃至全国实现化肥零增长的重要技术保障。

Chen等[3]通过对我国东北、华北地区40个商业品种的研究，将玉米品种分为四种不同类型：高氮和低氮均高产的双高效型(efficient-efficient，EE)、高氮高产的高氮高效型(HN-efficient，HNE)、低氮高产的耐低氮型(LN-efficient，LNE)、高氮和低氮均低产的双低效型(nonefficient-nonefficient，NN)，认为培育高产氮高效(双高效型和高氮高效型)的玉米新品种是可行的途径。对黄淮海区域夏玉米的研究发现，高产氮高效型具有较高的籽粒氮素和干物质分配比例[6]，此类型玉米品种在低氮或高氮条件下，其花后氮素积累能力均强于低效型玉米品种[7]。有研究发现粒重和植株氮含量可作为双高效型和高氮高效型选育的参考指标[8]，而穗长、穗粗、行粒数等指标可用于耐低氮型玉米品种的筛选[9]。

我国玉米氮效率研究工作已经开展了较长一段时间。在东北和华北大面积推广的高产氮高效品种先玉335和郑单958，在高产栽培条件下可以增产8%～10%，节氮16%～21%[3]。由于川中丘陵区高温、高湿和寡照的气候条件，北方高产氮高效品种不适宜在此地区推广[10-11]。因此，筛选适合西南地区高产氮高效的玉米品种，对其在不同氮水平下产量和增产潜力的研究有助于维护西南地区的粮食安全和生态环境，提高对西南地区高产氮高效玉米品种的推广使用。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

田间试验于2016年4月至8月，在四川省简阳市芦葭镇英明村(30°16.921′N，104°30.187′E)和中江县仓山镇响滩村(30°36.784′N，105°1.322′E)两地同时进行。供试土壤类型为紫色土，玉米生长季的土壤基础理化性质、播种收获时间和气候条件如表1所示。供试玉米品种共11个，为四川省近十年主推品种，具体信息如表2所示。

1.2 试验设计

试验采用裂区区组设计，以施氮量作为主处理，品种作为副处理。共设3个氮肥用量处理，分别为0 kg·hm-2(LN)、150 kg·hm-2(MN)、300 kg·hm-2(HN)。每个处理3次重复，小区长5 m，宽4 m，面积20 m2。种植密度为50 000株·hm-2。氮肥为普通尿素(N，46.3%)；磷肥为过磷酸钙(P2O5，12%)，P2O5施用量为90 kg·hm-2；钾肥为氯化钾(K2O，60%)，K2O施用量为150 kg·hm-2。磷肥在播前作为基肥一次施用，氮肥和钾肥在播前和拔节期分两次施用(基∶追=1∶1)，除试验设计的肥料外，不施用其他任何肥料，其他田间管理措施与当地高产栽培一致。

表1 试验前的土壤基础理化性质和气候条件Table 1 Soil physical and chemical properties and agricultural climatic conditions at two locations

表2 供试玉米品种编号及来源Table 2 Code of tested maize varieties and their origins

1.3 测定项目与方法

于成熟期取小区的一半面积进行测产，之后每个小区选取10个长势一致的玉米穗进行考种分析，测定穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、行粒数和百粒重。

根据Chen等[3]的方法计算相关参数：

增产潜力=(某品种产量-供试品种平均产量)/供试品种平均产量×100%

(1)

节氮量=施氮量-(供试所有品种平均产量-某品种的空白产量)/[(某品种的产量-某品种的空白产量)/施氮量]

(2)

节氮潜力=节氮量/施氮量×100%

(3)。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理，采用SAS 8.1软件进行三因素试验方差分析，采用IBM SPSS 23软件进行相关性分析，采用SigmaPlot 10.0和Adobe Illustrator CS11软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮对玉米产量的影响

由表3可知，地点、基因型、氮处理以及三者之间的互作显著影响玉米产量。穗长受地点、氮处理以及地点×氮处理和地点×基因型的互作影响显著。穗粗受地点、基因型、氮处理以及三者之间的互作影响显著。穗行数受地点、基因型和二者之间互作的影响显著。行粒数受地点、氮处理、基因型以及地点×氮处理和地点×基因型互作的显著影响。百粒重受氮处理、基因型及二者之间互作和二者分别与地点互作的影响显著。

由图1可知，增施氮肥可以显著提高玉米产量，但过量施氮(HN)不能进一步增加产量，甚至还会导致产量降低(图1-A)。在简阳试验点，LN、MN和HN所有试验玉米品种的平均产量分别为6 935、7 822和7 395 kg·hm-2，其中MN和HN较LN分别增产12.78%和6.63%。在中江试验点，LN、MN和HN玉米平均产量分别为4 638、6 480和6 609 kg·hm-2，MN和HN较LN分别增产39.71%和42.48%。

在同一处理下，11个玉米品种之间的产量差异较大。在简阳试验点LN、MN和HN各处理中，产量范围分别为6 101～7 815、7 009～8 511和6 572～8 040 kg·hm-2， 产量最高品种较产量最低品种分别高28.09%、21.43%和22.33%。在中江试验点LN、MN和HN各处理中，产量范围分别为3 921～5 610、5 964～6 983和5 878～7 448 kg·hm-2，产量最高品种较产量最低品种分别高43.07%、17.08%和26.71%。以上结果表明玉米品种对氮肥的响应有差异。2个试验点的产量差异，可能与试验点间的土壤和气候条件差异较大有关(表1)。

表3 产量与产量性状方差分析Table 3 Analysis of variance in yield and yield characteristics

注：不同小字母表示处理间差异显著(P<0.05)。A：简阳；B：中江。Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatmengs at 0.05 level. A: Jianyang. B: Zhongjiang.图1 不同氮肥水平下玉米产量的变化Fig.1 Maize yield of different N treatments

2.2 高产氮高效玉米品种的筛选

根据Chen等[3]的方法，以不同氮水平下的平均产量为对照，将川中丘陵区的玉米品种划分为双高效型、高氮高效型、耐低氮型和双低效型四种类型。由图2可知，在简阳试验点，双高效型(EE)品种有4个，占总数量的36.4%，分别为正红311、正红505、川单455和绵单1256；高氮高效型(HNE)只有川单189，占9.1%；双低效型(NN)有6个，占54.5%，分别为雅玉30、荃玉9号、仲玉998、成单30、仲玉3号和荣玉1210。在中江试验点，仲玉998、正红311和川单189为双高效型(EE)，占总品种数量的27.3%；荃玉9号和绵单1256为高氮高效型(HNE)，占18.2%；正红505和仲玉3号为耐低氮型(LNE)，占18.2%；雅玉30、成单30、川单455和荣玉1210为双低效型(NN)，占36.4%。本研究中，不同玉米品种的产量受气候、氮水平和基因型等多重因素的影响(表3)，同一品种在2个地点的表现也存在一定的差异。在11个参试品种中，正红311在2个试验点均为双高效型，而成单30和荣玉1210号均为双低效型。

注：A：简阳；B：中江。图中数字编号与表2相同。Note: A: Jianyang. B: Zhongjiang. The number are the same as table 2.图2 高产氮高效品种筛选Fig.2 Screening of high yield and efficient varieties

2.3 高产氮高效品种的增产潜力和节氮潜力

由表4可知，不同类型玉米品种对氮肥的响应不同。双高效型在低氮和高氮条件下均有较高的产量，其在低氮和高氮下的增产潜力分别为9.88%～13.45%和6.74%～7.54%。高氮高效型在高氮条件下的产量与双高效型相当，但在低氮条件下的产量显著低于双高效型，其在高氮下的增产潜力为6.42%～8.38%。耐低氮型在低氮条件下有较高的产量，高于整体平均水平，增产潜力为1.94%左右，是耐低氮品种。双低效型在高氮和低氮条件下的产量均低于平均水平，其增产潜力为负值。在适量氮肥条件下(MN)，简阳试验点的双高效型产量和高氮高效型显著高于双低效型，而中江试验点的4种类型之间无显著差异。

由于土壤肥力的不同，在等量施肥条件下，同一类型在2个试验点的节氮潜力不同。在高肥力的简阳试验点，双高效型在HN的节氮潜力可达78.15%，在MN的节氮潜力为59.57%；高氮高效型在HN和MN的节氮潜力分别是48.17%和16.13%。在肥力较低的中江试验点，双高效型在HN的节氮潜力为25.88%，在MN的节氮潜力为-2.57%；高氮高效型在HN和MN

表4 不同类型玉米品种的产量分析及氮肥利用特征Table 4 Yield and nitrogen use of efficicency responsiveness of different type vairieties

的节氮潜力分别为19.18%和11.30%；耐低氮型和双低效型在2个试验点的节氮潜力均为负值。

2.4 影响玉米产量和增产潜力的因素分析

由产量与穗部性状的相关性分析可知，产量与穗长、穗粗、行粒数、百粒重、增产潜力和节氮潜力呈显著正相关，2个试验点的结果一致(表5)。在简阳试验点，增产潜力与产量、穗粗呈显著正相关；在中江试验点，增产潜力与产量、穗粗和百粒重呈显著正相关。在简阳试验点，节氮潜力与产量、百粒重呈显著正相关；在中江试验点，节氮潜力与产量、百粒重、穗粗呈显著正相关。结果表明玉米基因型的高产氮高效潜力受穗粗和百粒重等性状的影响。

由表6可知，不同类型玉米品种的产量性状有所不同。与其他类型相比，双高效型的穗长、穗粗、穗行数和百粒重均较高。其中在2个试验点和3个氮水平下，双高效型的穗粗显著高于双低效型。双高效型在LN、MN和HN的百粒重较双低效型分别提高6.56%、8.50%、3.10%(简阳)和3.14%、1.63%、5.12%(中江)。高氮高效型在HN的穗粗较双低效型提高0.54%(简阳)和8.10%(中江)；百粒重较双低效型提高2.72%(简阳)和1.33%(中江)。耐低氮型在LN的穗粗较双低效型提高3.65%(中江)。

表5 产量与穗部性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis between maize yield and ear characteristics

表6 不同类型玉米品种的产量性状分析Table 6 Yield characteristics analysis of different maize varieties

3 讨论

玉米氮高效与遗传改良密不可分，有研究表明，育种过程中抗逆性的增强使新品种更容易在低氮或者高氮条件下均获得高产[12]。而氮肥的投入与作物增产具有显著的相关性，说明育种家在育种过程中重点选择了对氮响应强的种质材料[13]。但现代品种之间也存在氮效率的差异[14]。由于对玉米氮效率的研究方法不同，导致对玉米基因型的分类结果不同[15]。如不同类型氮效率品种可以通过在低氮条件下产量的基因型与氮的互作效应进行筛选[3]。由此发现，川中丘陵区近十年主推的玉米杂交种存在氮效率的基因型差异，且同一个品种在不同地点表现不一致，说明氮效率受环境条件影响较大(图2)。这与前人研究结果一致，同时一个品种是否属于养分高效品种，也与所选择的对照品种有直接关系[3,15]。

氮高效品种在不同供氮水平下均有较高的产量[16]。本研究中，高产氮高效玉米在HN(双高效型和高氮高效型)和LN(双高效型)的增产潜力分别是6.42%～8.38%和9.88%～13.45%。东北、华北地区高产氮高效型玉米在高氮条件下可增产8%～10%，节氮潜力为16%～21%，低氮条件下可增产12%[3]。由于川中丘陵区高温、高湿和寡照的气候条件以及低密度种植方式(约50 000株·hm-2)，较东北、华北地区种植密度在60 000株·hm-2以上的种植方式，其高产栽培条件下的增产幅度比北方地区低。然而低氮条件下，本研究的氮高效品种增产潜力与北方地区基本相同，说明其耐低氮性能较好，更适应低氮环境。

川中丘陵区地形复杂，土壤肥力差异较大，氮肥是影响该区域玉米增产的首要因素，目前四川地区的施氮量在179.5～286.5 kg·hm-2之间[2]。依据Chen等[3]对玉米基因型节氮潜力的方法分析，常规施氮量减去节氮量即为推荐施氮量。在本研究中，简阳试验点的土壤肥力高于中江试验点，其产量对氮肥的响应不及中江地区敏感，在HN的节氮潜力在48%以上(表4)。从长期保持土壤养分平衡的角度出发，推荐施肥量应与当地生产实际相结合，不至于消耗地力。较高的节氮潜力是因为农田中含有较多的氮素，因而提出的推荐施肥量只能用于当年或者较短年限[17]。有研究表明提高土壤地力可以提高西南地区玉米产量的稳定性和持续性[2]。因此建议在中高肥力的土壤上选择种植高产氮高效品种，可增产2.3%～6.1%，建议施氮量为79～150 kg·hm-2，因为施氮量过高不能增产，甚至会造成产量降低(图1)。在低肥力土壤上有两种选择，一种是适宜施氮条件下的玉米稳产，目前四川地区主推品种均可达到此类效果(表4)，建议施氮量为118～197 kg·hm-2；另一种是在稳产的基础上进一步高产，种植高产氮高效品种可增产6.7%～8.4%，建议施氮量为204～265 kg·hm-2。不过在本研究的中江试点，可以通过增施54～115 kg·hm-2来增产600 kg·hm-2(双高效型)和400 kg·hm-2(高氮高效型)，需要考虑增施氮肥的增产效益和环境风险。目前在华北地区产量为12 000 kg·hm-2的生产水平下，适宜施氮量为150～180 kg·hm-2；在东北地区产量为12 000～14 000 kg·hm-2的生产水平下，推荐施氮量为180～240 kg·hm-2[17-18]。 而四川地区的玉米产量在5 900～8 900 kg·hm-2之间[2, 19]，玉米增产潜力和节氮潜力仍需进一步提升。

双高效型在低氮和高氮2种环境下均能达到高产和高氮利用效率。米国华等[20]认为玉米氮高效品种应具有较强的穗结实能力以保持籽粒库容、发达的根系以促进氮素的获取、保绿性好的叶片性状以保证碳水化合物的供应。本研究结果表明，穗部和籽粒的发育对产量的形成起着关键作用，穗长、穗粗、行粒数和百粒重等性状受到氮肥显著影响(表3)。有研究发现从1992年至2017年我国玉米品种改良过程中，千粒重、穗粗、百粒重和行粒数等改良较快的性状对玉米产量的增产作用影响较大[21-22]。在西南地区，玉米穗长、穗粗、百粒重和行粒数等指标均随着年代的推进而提高[11]。而低氮胁迫会降低穗长、穗粗和百粒重等[23]。灌浆期是玉米产量形成和氮肥利用的关键时期，合理的氮肥投入可延缓植株衰老，保持叶片较高的光合速率，从而优化籽粒灌浆进程，提高氮素利用效率[24-26]。而本研究中，在不同环境和施氮水平下，双高效型品种的穗长、穗粗、穗行数和百粒重整体高于双低效型(表6)。氮高效型的穗粒发育显著优于氮低效型，即随施氮量增加，高产高效型品种的籽粒发育速率加快，其结实率、穗粒数和单穗质量也较高，产量和氮效率明显增加[27-29]。针对氮高效玉米品种的筛选和遗传改良指标较多，如吐丝期穗位叶叶绿素含量、叶面积、株高、粒重、植株氮含量、穗长、穗粗、行粒数等，但随环境条件及品种本身的特性而不同[7-9, 30-31]。在西南地区选育氮磷钾高效利用的品种是工作重点[10]。本研究发现川中丘陵区玉米的增产潜力与穗粗、百粒重等产量性状呈显著正相关(表5)，因此，对高产氮高效品种的选育应重点关注。此外，未来还需对玉米氮效率的生理基础和分子机制进行深入研究。

4 结论

本研究结果表明，川中丘陵区玉米品种存在氮效率的基因型差异。双高效和高氮高效型如正红311、川单189和绵单1256 具有较高的增产潜力，适合在丘陵区大面积推广种植。耐低氮型如正红505和仲玉3号种植在土壤肥力较低的土壤仍能保证稳产。因此，在不同肥力条件的土壤上，选择合适的玉米基因型，进行科学施肥，可以实现川中丘陵区玉米的高产和氮肥高效。