施氮对不同氮效率类型玉米自交系产量、干物质及氮素积累的影响

常 晓，王小博，吴 嫚，杨兆生，李 健

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000）

玉米是我国种植面积第一的粮食作物，产量居世界第二［1］。增施氮肥可以有效提高玉米产量，但在生产中氮肥经常过量施用，不仅造成玉米减产，氮肥利用效率降低，也造成了环境污染等问题［2-5］。因此，合理施氮，提高氮肥利用效率，平衡氮肥投入和氮肥吸收之间的关系，对玉米的增产增效具有重要意义。

前人对不同氮效率玉米的研究大多集中在物质生产、氮素吸收利用和氮素代谢相关酶等方向。马晓君等［6］认为氮高效品种较氮低效品种具有较高的物质生产能力，在低氮下具有较高的产量优势。崔文芳等［7］发现高产氮高效型自交系生育后期植株氮积累量高于低产氮低效型自交系，氮积累量的差异主要来自于吐丝后氮的积累，高产氮高效型自交系植株生育后期根系吸收能力较强。吴雅薇等［8］研究表明，耐低氮品种在生育后期氮代谢关键酶（硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶）活性均显著高于低氮敏感品种，具有较高的氮素代谢关键酶活性是其耐低氮能力强的重要生理机制。由于不同玉米品种对氮肥的响应差异显著［9-10］，同一玉米品种在不同氮处理下干物质和氮素积累也存在差异［11-12］，因此研究玉米干物质积累和氮素利用的特性对氮肥的合理利用有重要的意义。本试验拟研究不同供氮水平对玉米产量、干物质、氮素积累及氮素代谢相关酶的影响，以期为不同氮效率类型玉米实现高产高效，合理施用氮肥提供科学依据，并对氮高效玉米品种的筛选和选育提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017～2018年在中国农业科学院棉花研究所安阳试验站开展。试验地土壤为潮土，地力均匀一致，0～20 cm土层理化性质分别为：碱解氮33.28 mg/kg，全氮0.96 g/kg，有效磷11.53 mg/kg，速 效 钾139.24 mg/kg，pH值7.67。试验采取随机区组排列裂区试验设计，以4种不同氮肥处理为主区，以2份玉米自交系材料为副区，其中施氮水平设置N0（0 kg/hm2）、N90（90 kg/hm2）、N180（180 kg/hm2）和N360（360 kg/hm2）4个处理方式，2份玉米自交系为前期试验筛选出的低氮高效型自交系（PH6WC）和低氮低效型自交系（ZY118），3次重复。每个玉米自交系种植3行，行长5 m，行距60 cm，小区面积9 m2，种植密度75000株/hm2。在2017年6月10日和2018年6月7日播种，氮肥处理以40%氮肥作为底肥，60%氮肥在7叶展时作为追肥追施，浇水等管理措施与一般大田一致，分别在2017年10月3日和2018年10月1日收获。

1.2 测定项目与方法

植株干物质：于吐丝期和成熟期，每个小区选取具有代表性植株3株，将植株分为叶片、茎鞘、籽粒分别称量鲜重，放在干燥箱内105℃杀青30 min，然后80℃烘至恒重，分别称干重。

植株氮含量测定：将称重后的样品粉碎用于测定植株的氮含量，计算公式如下［13-14］。植株和籽粒的氮含量用Kjeltec 8200全自动凯氏定氮仪进行测定。

叶片氮素代谢相关酶活性的测定：硝酸还原酶活性测定参照文献［15］的方法；叶片谷胺酰氨合成酶活性参照Oneal等［16］的方法；叶片谷氨酸合成酶活性参照Singh等［17］的方法。

产量及产量构成：于成熟期，收获中间两行全部果穗带回室内进行考种，测定行数、行粒数、千粒重和含水量，用PM-8188测定籽粒含水量，按标准含水量14%计算产量。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行整理，SigmaPlot 14.0进行作图，DPS 7.5和SPSS 20.0进行方差分析和回归分析。图表数据为平均值±标准误，*和**分别表示在5%和1%水平上差异显著。

2 结果与分析

2.1 玉米产量及产量构成

不同氮处理下高效型和低效型玉米自交系的产量及产量构成见表1。从表1可知，随施氮水平的增加，高效型和低效型自交系的群体产量、单穗粒重、千粒重和行粒数均表现出先增加而后降低的趋势，均可用二次函数关系模型进行拟合，结果表明高效型玉米自交系获得最高群体产量、行粒数及千粒重时所需最适宜的氮浓度均低于低效型玉米自交系。以群体产量为例，高效型自交系回归方程为y1=-3×10-5x2+0.0179x+4.5225，R12=0.9031；低效型自交系回归方程为y2=-2×10-5x2+0.0152x+2.9314，

R2

2=0.8965。高效型玉米自交系能够获得的最高群体产量高于低效型玉米自交系，而其需要的施氮量（298.33 kg/hm2）低于低效型（380.00 kg/hm2）自交系，说明高效型自交系有较高的氮肥利用效率，可以在较低的氮水平下保持较高的产量。在不同氮处理下，高效型自交系的群体产量均显著高于低效型自交系，从N0到N360分别高51.99%、46.27%、32.43%和19.86%，且在氮处理间差异显著。高效型和低效型自交系的行数和收获穗数在不同氮处理下无显著差异；除N0处理下高效型和低效型自交系的行粒数无差异外，两者的行粒数和千粒重在不同氮处理下均差异显著。玉米群体产量是单穗粒重与收获穗数共同作用的结果，而单穗粒重是穗粒数与单粒重共同作用的结果，由于施氮浓度对收获穗数没有影响，由此推断，施氮浓度对玉米群体产量的影响主要通过影响玉米千粒重和行粒数来实现，由于高效型自交系的千粒重和行粒数（除NO）显著高于低效型自交系，因此高效型自交系的群体产量显著高于低效型玉米自交系。

表1 不同氮浓度对不同氮效率玉米自交系产量及其构成的影响

2.2 干物质积累与转运

不同氮效率玉米自交系在吐丝期的干物质分配见图1，随施氮水平的增加，高效型和低效型自交系的茎鞘、叶片和单株干物质积累量均表现出先增加而后降低的趋势，且吐丝期和成熟期的变化一致。吐丝期不同氮处理下高效型自交系各器官干物质和总干物质重均显著高于低效型自交系，从N0到N360茎鞘干物质高9.11%、12.20%、11.06%和2.02%，叶干物质高35.63%、38.37%、35.69%和19.02%，总干物质高18.04%、21.19%、19.60%和8.07%，茎鞘干物质占总干物质的比例高于叶干物质。成熟期不同施氮量下高效型自交系茎鞘、叶和总干物质均显著高于低效型自交系，从N0到N360茎鞘干物质高15.41%、18.04%、11.96%和4.77%，叶干物质高48.36%、50.15%、41.49%和23.05%，总干物质高26.12%、28.80%、21.80%和11.26%。

不同氮处理下不同氮效率玉米自交系各器官转运量及对籽粒的贡献率见表2。从表2可知，高效型自交系各器官转运量均显著低于低效型自交系，且转运量对籽粒的贡献率低于低效型自交系；在N0和N90处理下，高效型自交系的收获指数显著高于低效型自交系，随着施氮量增加，N180和N360处理下两者的收获指数无显著差异；说明高效型自交系各器官转运量和转运量对籽粒的贡献率均低于低效型自交系，而收获指数高于低效型自交系。

表2 不同氮处理下玉米各器官转运量及对籽粒贡献率

2.3 氮素积累与转运

如图2所示，施氮量影响玉米植株及不同器官氮素积累量，其变化规律与干物质积累变化规律一致，即随施氮浓度的增加，茎鞘、叶片及单株氮素积累量均表现出先增加而后降低的趋势，且吐丝期和成熟期的变化一致。吐丝期不同氮处理下高效型自交系各器官氮素积累和单株氮积累量均显著高于低效型自交系，从N0到N360茎鞘氮积累量高53.06%、53.51%、54.29%和20.00%，叶氮积累量高81.68%、81.82%、65.28%和33.03%，植株氮积累量高69.43%、69.78%、60.66%和27.56%，茎鞘氮积累量占总氮积累量的比例高于叶。成熟期氮积累量变化规律与吐丝期一致，从N0到N360成熟期高效型自交系植株氮积累量比低效型高103.25%、89.31%、64.22%和24.25%。施氮量影响玉米氮素转运量及单株氮肥利用效率（表3），随施氮浓度的增加，茎鞘、叶片和单株氮素转运量及单株氮肥利用效率均表现出逐渐降低的趋势。在N0和N90处理下，高效型自交系的茎鞘氮素转运量显著低于低效型自交系，其他氮处理差异不显著；在N180处理下，高效型自交系的叶氮素转运量显著低于低效型自交系，其他氮处理无显著差异；在N0、N90和N180下，高效型自交系的氮肥利用效率显著高于低效型自交系，随着施氮量的增加，在N360处理下两者差异不显著；说明在不同氮处理下，高效型自交系的茎鞘和叶氮素转运量均低于低效型自交系，而氮肥利用效率高于低效型自交系。

图2 不同施氮水平对玉米各器官氮素积累与分配的影响

表3 不同施氮水平对玉米各器官氮素转运及氮素利用效率的影响

2.4 氮素代谢相关酶活性的变化

由表4可知，除了吐丝期高效型自交系谷氨酸合成酶活性随着施氮水平的升高而上升，在吐丝期和成熟期，高效型自交系的氮素代谢相关酶活性随着施氮水平的升高呈先升高后降低的趋势；低效型自交系氮素代谢相关酶活性随着施氮水平的升高而升高。随着施氮水平的升高，吐丝期高效型自交系硝酸还原酶活性显著高于低效型自交系，从N0到N360比低效型自交系高41.88%、17.65%、11.93%和3.30%，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性与其变化规律一致，说明高效型自交系叶片氮素代谢相关酶活性均高于低效型自交系。从吐丝期到成熟期，高效型自交系硝酸还原酶活性从N0到N360降低27.50%、23.82%、21.95%和23.58%，而低效型自交系降低62.56%、58.62%、55.18%和48.41%，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性与其变化规律一致，说明从吐丝期到成熟期高效型自交系的氮素代谢相关酶活性降低幅度低于低效型自交系。

表4 不同施氮水平对玉米氮素合成有关酶活性的影响

2.5 各因子之间的相关分析

由干物质积累量与产量及氮素积累量的相关分析可知，产量与吐丝期及成熟期单株干物质重呈极显著正相关关系，而与单株物质转运量呈极显著负相关，说明群体产量与花前和花后物质的积累紧密相关。物质积累量与氮素积累量和氮肥利用效率呈极显著和显著正相关，与氮素转运量呈极显著负相关，物质转运量与氮素转运量呈极显著的正相关关系，说明玉米物质积累和转运量的高低与玉米氮素积累及转运量的大小密切相关，且物质积累量显著影响氮肥利用效率。

硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性与产量和氮素积累量呈极显著的正相关关系，而与氮素转运量呈极显著的负相关关系，另外，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性与氮肥利用效率呈极显著的正相关关系，说明提高氮素代谢相关酶活性利于提高玉米的产量和氮素积累。

表5 玉米干物质积累量和氮代谢相关酶与产量及氮素积累量的相关分析

3 讨论

玉米产量是划分不同玉米自交系氮效率和氮响应度的主要指标［18］，也是衡量玉米氮高效利用的重要指标［6］。研究认为玉米的收获指数一般稳定在50%左右，通过一定的栽培措施（如密度、氮肥、灌溉等），可以增加玉米干物质积累，是提高玉米产量的一个重要途径。施氮作为玉米增产的一项关键栽培技术，一直是农业领域研究热点，前人对施氮与干物质积累及产量形成的关系做了大量研究，马晓君等［6］研究发现，在0、150和300 kg/hm2氮处理下，玉米产量和干物质积累量随施氮量的增加而增加，尤其是花后干物质的积累；而李文龙等［19］研究认为，物质积累与产量的增加是有范围的，当施氮量超过260 kg/hm2后，不利于玉米物质积累和产量的形成；这一研究与本研究一致，本研究结果表明，在0、90、180、360 kg/hm2氮处理下，不同氮效率类型玉米自交系的产量和干物质积累量随施氮浓度的变化，呈先增加后降低的趋势，可用二次函数模型拟合，在氮不足（或氮过多）的条件下，玉米植株为完成生长发育的需要，植株先前积累的干物质会向籽粒中转移，但这部分转移量对籽粒的贡献率小于30%。李强等［20］研究了氮肥对产量及其构成的影响，指出氮高效品种较氮低效品种的产量优势主要来自于其较高的穗粒数。本研究发现，植株干物质转运及其贡献率影响产量及产量构成，产量构成因子中行粒数及千粒重对施氮浓度的响应有差异，高效型玉米自交系拥有较高的产量和穗粒数，与李强等［20］研究结果类似。因此，合理施肥、提高氮肥利用效率是当前玉米获得高产的一项关键措施。

前人对玉米氮肥利用的研究发现，不同玉米品种对氮素的吸收能力有差异，而且氮素在植株体内转运和分配也存在差异［21-23］；玉米氮高效品种在各阶段均有较高的干物质生产和氮素同化能力，能有效地延缓其光合器官的衰老，保持较高的花后干物质生产和氮素合成能力［20］，且夏玉米生育后期干物质和氮素的转移直接决定着玉米的收获指数和氮利用效率［24-25］。在本研究中，氮素积累量与干物质积累量的规律一致，即在不同氮处理下，高效型自交系的茎鞘和叶氮素转运量均低于低效型自交系，说明高效型自交系在生育后期仍有较高的氮素合成能力，在籽粒灌浆期不依赖营养器官的氮素转运，这与前人的结论一致［20］。因此，提高花后干物质积累和氮素合成能力是提高氮肥利用效率、实现高产的有效措施。

前人提高氮肥利用效率途径的研究包括合理密植、最适施氮量及选育氮高效品种等。氮高效品种的选育多集中在产量、干物质和氮素积累上，对氮素代谢相关酶筛选的研究较少，而氮代谢存在于植物生长和发育的整个生命历程，对提高氮肥利用效率意义重大。重要的氮素代谢相关酶包括硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶，其中硝酸还原酶是植物氮代谢的关键酶和限速酶，与植物的氮同化能力密切相关［26］；谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶是氮代谢中的多功能酶，参与多种氮代谢调节［27］。有研究表明，氮高效品种在不同的氮水平下有较高的氮代谢酶活性，这有利于氮肥的转化、吸收和利用，从而有利于植株生长和物质积累［19，28］。本研究发现，随着施氮水平的升高，吐丝期和成熟期高效型自交系的氮素代谢相关酶活性（硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶）显著高于低效型自交系，与前人发现的规律一致［8，19，28］；对氮素代谢相关酶活性的降低幅度而言（从吐丝期到成熟期），高效型自交系要低于低效型自交系。吴雅薇等［8］研究发现，较高的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性使耐低氮品种具有较强的氮代谢能力，调节体内碳氮循环并保证籽粒的蛋白质含量和籽粒产量。本研究中，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性与氮肥利用效率呈极显著的正相关关系，说明高效型玉米自交系具有较高的氮肥利用效率主要得益于具有较高的谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性。因此，筛选谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性高的玉米自交系，可以提高花前和花后氮素同化能力，从而促进干物质积累，以实现高产高效，为氮高效玉米品种的选育提供理论支持。

4 结论

高效型自交系（PH6WC）的群体产量显著高于低效型自交系（ZY118），且行粒数和千粒重是影响产量构成的关键因子。高效型自交系在吐丝期和成熟期的干物质、氮积累量和氮素代谢相关酶活性均显著高于低效型自交系，而氮素转运量及干物质转运量对籽粒的贡献率低于低效型自交系。相关分析表明，干物质积累量、谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性与产量和氮素积累呈显著正相关，可作为玉米氮高效自交系的筛选指标。因此，高效型玉米自交系（PH6WC）在不同氮处理下具有较高的产量、物质积累、氮素积累及氮素代谢相关酶活性，可以在低氮水平下达到稳产高产，对玉米增产增效有重要意义。