氮锌配施对不同玉米品种灌浆期生理特性和籽粒氮锌含量的影响

张盼盼 邵运辉 刘京宝 乔江方 李 川 张美微 黄 璐

(1 河南省农业科学院粮食作物研究所，河南 郑州 450002；2 河南省农业科学院小麦研究所，河南 郑州 450002)

锌是人体必需的微量营养元素，缺锌会导致免疫功能障碍、智力发育迟缓和认知障碍等，影响人体生长发育[1-2]。锌摄取量不足和饮食结构单一化是引起人体锌缺乏的主要原因，尤其是在以谷物为主食的地区。据研究，谷类作物可食部分的锌含量一般为20～35 mg·kg-1[3]，远低于人体正常生命活动的需求。玉米(ZeamaysL.)是我国第一大粮食作物，人体所需的玉米籽粒锌生物强化目标值为38 mg·kg-1[4]，而目前玉米籽粒锌含量仅为13.0～16.5 mg·kg-1[5-8]。因此，提高玉米籽粒锌浓度和锌生物有效性，促进人体对锌的摄入和吸收，对解决人体锌缺乏问题具有重要意义。锌肥施用是提高玉米籽粒锌营养品质最直接有效的方法。叶面喷施可以保持叶片中大量的生理有效锌向籽粒转移，是提高玉米籽粒锌浓度的重要手段，在作物生育后期，七水硫酸锌浓度为0.2%～0.4%时喷施效果较为明显[9-12]。玉米对锌肥的响应较高，施锌后玉米果穗秃尖降低，穗粒数增加，产量和锌含量增幅较大。此外，施锌能提高玉米叶片叶绿素含量和保护酶活性，提高叶片气孔导度、蒸腾速率和光合作用速率，在一定程度上提高玉米的抗逆性[13-15]。

不同玉米品种对锌肥的响应不同，耐低锌型玉米品种植株根系吸收的锌能更多地再转移至地上部，使植株地上部含锌量显著提高[16-17]。玉米生产中，施用氮肥是提高玉米产量最主要的途径之一。氮锌配施对作物生长存在交互作用。研究发现，低氮条件有利于植物对锌的吸收转运，高氮则容易造成缺锌现象[18-19]。玉米生长初期，氮锌之间有拮抗作用，氮锌配施降低了玉米对氮锌的吸收和生物学产量，而在生育后期，氮锌之间呈现协同效用，氮锌配施促进了玉米生长[20-23]。目前，对玉米氮锌配施的研究多集中于单一玉米品种籽粒产量、氮锌含量上，而对不同品种间生育后期功能叶片的生理特性研究较少，尤其是对氮锌代谢相关酶活和衰老特性的研究鲜见报道。为此，本研究在大田条件下，研究氮锌肥配施对不同玉米品种籽粒产量和氮锌元素累积的影响，分析玉米品种间灌浆期功能叶片的叶绿素值和荧光特性，探讨灌浆期氮锌代谢关键酶和叶片保护酶活性等生理指标的变化，以期为实现玉米的锌生物强化和高产高效技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验设置在河南省原阳县河南省农业科学院现代农业研究开发基地(35°0′17″N，113°42′4″E)，供试土壤为黄褐土，玉米播种前，按“S”五点取样法取0～30 cm的土壤基础样品，充分混合后测定基本化学性质：全氮0.67 g·kg-1，碱解氮44.20 mg·kg-1，速效磷36.10 mg·kg-1，速效钾161.00 mg·kg-1，有机质21.60 g·kg-1，pH值8.84，二乙烯三胺五乙酸螯合锌(DTPA-Zn)1.29 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用再裂区设计，主因素为施氮水平，分别为90、180 和225 kg·hm-2，设定为N1、N2和N3；副因素为喷锌处理，包括0和4.5 kg·hm-2ZnSO4·7H2O(分析纯)，设定为Zn0和Zn1，副副因素为不同基因型玉米，分别为郑单958(ZD958)和谷神玉66(GSY66)，共12个处理，每个处理3次重复，6行区，行长5 m，行间距0.6 m，小区面积18 m2，种植密度为75 000株·hm-2。

肥料分别以尿素(N含量46%)，过磷酸钙(P2O5含量12%)，氯化钾(K2O含量60%)为氮、磷、钾源肥料，尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期追施2次施用，磷、钾肥全部基施(施肥量均为100 kg·hm-2)。锌肥为喷施，分别在玉米苗期、拔节期和开花期各喷施1次共3次，喷施量为每次600 L·hm-2(浓度为0.25%)，对照为喷施等量的蒸馏水，时间选择在下午或傍晚，以保证喷施效果。郑单958(ZD958)为锌高效品种[24]，本研究中作为对照品种；谷神玉66(GSY666)为国审机收新品种，适宜黄淮海地区种植。

玉米生育期内的其他田间管理措施与当地大田生产管理保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 穗位叶SPAD和荧光参数 在吐丝期及吐丝后10、20、30、40 d和籽粒完熟期，选取连续5株长势一致的有代表性植株，利用SPAD-502 Plus(KONICΛ MINOLTΛ生产，上海)和荧光仪Pocket PEA(Hansatech生产，香港)分别测定穗位叶的相对叶绿素值(soil and plant analyzer development, SPAD)和荧光特性。

1.3.2 穗位叶氮锌代谢酶活性 在吐丝期和吐丝后10、20、30、40 d和籽粒完熟期，于晴天上午8:30—10:30，选取连续3株长势一致的有代表性植株，取穗位叶中间避开叶脉部分，置于液氮中带回室内，采用文献[25]的方法测定硝酸还原酶(nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)和碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)活性。

1.3.3 穗位叶保护酶活性和丙二醛含量 在吐丝期和吐丝后28 d，选取连续3株长势一致的代表性植株，取穗位叶中间避开叶脉部分，置于液氮中带回实验室，采用NBT光氧化还原法测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶(peroxidase，POD)活性，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(catalase，CAT)活性，采用TBA双组分分光光度法测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量[26]。

1.3.4 氮、锌含量 在玉米成熟期，每小区取3株长势一致的植株，取地上部样品，分为茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒等部分，105℃杀青2 h，85℃烘至恒重，称重后粉碎，装入自封袋中，采用室内凯氏定氮法测定样品氮含量，原子吸收法测定样品锌含量，并计算器官元素累积量：器官干物质量×元素含量。

1.3.5 产量 取小区中间2行玉米全部收获，随机选取15穗进行考种，晒干脱粒，测定含水量和籽粒重量，并折合含水率14%计算产量。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 22软件进行统计与分析，用LSD法和Duncan进行方差分析和多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 氮锌配施下玉米吐丝后穗位叶SPAD值的变化

由图1可知，吐丝期植株穗位叶SPAD值平均为60.0，随生育期的推进，穗位叶SPAD值呈下降趋势，尤其是吐丝后20 d至籽粒完熟期更为明显，至完熟期降至35.9。吐丝后，穗位叶SPAD值在不同施氮处理下表现为N1较低，N2和N3间差异不明显，两个施锌处理在灌浆后期(40 d～完熟期)表现为Zn1>Zn0，灌浆后期GSY66穗位叶SPAD值高于ZD958。各处理在灌浆后期差异较为明显，总体来说，在吐丝期至完熟期过程中，N2 Zn1 GSY66处理下穗位叶SPAD值优势明显，而N1下ZD958的SPAD值最小。

图1 氮锌配施对玉米植株穗位叶SPAD值的影响

2.2 氮锌施用下玉米吐丝后穗位叶荧光参数的变化

由表1可知，施氮对穗位叶吐丝期和完熟期初始荧光(minimal fluorescence，Fo)、灌浆前期(10～20 d)最大光化学效率(maximum photochemical efficiency，Fv/Fm)，灌浆中后期(20 d～完熟期)光合系统Ⅱ(photosythetic systemⅡ, PSⅡ)PSⅡ综合性能指数(performance index, PI)的影响达显著或极显著水平。施锌对灌浆后期(40 d～完熟期)Fo和PI有显著或极显著影响。品种对灌浆后期Fo、最大荧光(maximum fluorescence，Fm)和灌浆前期PI影响显著或极显著，而对Fv/Fm的影响未达显著水平。三者交互作用对完熟期Fo、Fm和Fv/Fm有显著或极显著影响，对吐丝后20和40 d的PI的影响分别达极显著和显著水平。

表1 氮锌配施对玉米植株穗位叶荧光参数的影响

吐丝后穗位叶Fo总体呈现先增加后降低的趋势，在吐丝后30～40 d达最高，吐丝期施氮处理以N2最高，为36.95，完熟期N1处理则表现最高，为44.01，灌浆后期，施锌处理表现为Zn0>Zn1，品种间为GSY66>ZD958。Fm在吐丝后30 d出现小高峰，平均为183.82，至完熟期降至160.33，灌浆前期N3显著高于N1，施锌处理对Fm无影响，灌浆后期GSY66显著高于ZD958，完熟期GSY66穗位叶Fm为172.00，较ZD958高15.7%。吐丝期，穗位叶Fv/Fm平均为0.81，至完熟期降至0.75，在灌浆前期，与N1相比，N2和N3处理显著较高，之后优势消失。随着生育进程的推进，吐丝后穗位叶PI逐渐降低，其中在吐丝后20 d降幅最大。吐丝后20 d至完熟期，N2和N3下PI较N1高，吐丝后20 d Zn1下PI为6.22，极显著高于Zn0，这种趋势持续至完熟期，吐丝期ZD958穗位叶PI为12.41，极显著高于GSY66，至灌浆后期二者差距缩小至无显著差异。

2.3 氮锌配施对玉米吐丝后叶片氮锌代谢关键酶活的影响

随生育期推进，吐丝后穗位叶NR活性升高，至吐丝后30 d平均达最高(62.89 U·L-1)后持续降低(图2)。吐丝后，不同施氮处理间大致表现为N3>N2>N1，在吐丝后10 d差异达最大，灌浆期ZD958的NR活性高于GSY66，其中花后30 d表现最为明显，ZD958的NR活性较GSY66高约4.1%。具体来说，玉米植株吐丝期以N3 Zn1 ZD958处理下的穗位叶NR活性最高，之后N3 Zn0 ZD958下NR活性优势明显。

由图3可知，吐丝后穗位叶GS活性在吐丝后30 d出现小高峰，为69.58 U·L-1，之后迅速下降。吐丝期，N2和N3下GS活性高于N1，这种趋势持续至完熟期。吐丝期GSY66的GS活性为32.17 U·L-1，较ZD958高13.0%，各处理间以N3 Zn1 GSY66在吐丝期和吐丝后10 d表现较高，之后N3 Zn0 GSY66处理下GS活性最高。

图3 氮锌配施对玉米植株穗位叶GS活性的影响

氮锌配施下玉米植株穗位叶CA活性的变化如图4所示。随生育期的推进，吐丝后穗位叶CA活性呈先增后降趋势，在吐丝后30 d达到最高，平均为30.69 U·L-1。N1处理下CA活性较N2和N3低，花后40 d时Zn1处理下CA活性平均为24.73 U·L-1，较Zn0提高5.9%。从吐丝期至完熟期，ZD958的CA活性较GSY66高，在花后40 d两品种间差异达最大，在灌浆中后期，N3 Zn1 ZD958表现出明显优势，N1 Zn0 GSY66的CA活性则明显较低。

图4 氮锌配施对玉米植株穗位叶CA活性的影响

2.4 氮锌配施下玉米穗位叶保护酶活性的变化

由图5-A可知，吐丝期穗位叶SOD活性平均为35.92 U·mg-1，吐丝后28 d平均降低35.5%，两个时期施氮处理均表现为N2、N3>N1，施锌后SOD活性平均提高了10.6%，ZD958穗位叶SOD活性较GSY66平均高10.6%。各个处理在吐丝期以N2 Zn0 ZD958和N3 Zn1 GSY66较高，平均为49.19 U·mg-1，吐丝后28 d则以N2 Zn1 ZD958和N3 Zn1 ZD958为较高，平均为36.48 U·mg-1。

注：*表示同一处理下吐丝期和吐丝后28 d在P<0.05水平下差异显著，**表示在P<0.01水平下差异显著。

吐丝期穗位叶POD活性平均为31.77 U·mg-1，吐丝后28 d降低至22.59 U·mg-1(图5-B)。吐丝期施氮处理以N2最高，为38.36 U·mg-1，高于其他施氮处理，吐丝后28 d施氮处理间差异不明显，吐丝期和吐丝后28 d施锌后POD活性分别平均提高了29.3%和40.5%，而GSY66较ZD958则分别降低了7.2%和8.5%。吐丝期各个处理的POD活性表现为N2 Zn1 ZD958最高为45.70 U·mg-1，吐丝后则N2 Zn0 GSY66、N3 Zn0 GSY66和N3 Zn0 ZD958较低，平均约为16.37 U·mg-1。

吐丝后28 d穗位叶CAT活性较吐丝期平均降低29.0%(图5-C)。施氮处理在吐丝期表现为N2>N3>N1，吐丝后28 d以N3最高，平均值分别较N1和N2提高9.0%和3.6%，吐丝期Zn1下CAT活性平均为14.46 U·mg-1，较Zn0提高25.7%，吐丝后28 d二者差异更明显，两品种间CAT活性相近。各处理在吐丝期和吐丝后28 d均表现为N2 Zn1 GSY66最高，分别为17.88和3.14 U·mg-1。

吐丝期穗位叶MDA平均含量为2.57 nmol·mg-1，吐丝后28 d提高了23.3%(图5-D)。在吐丝期和吐丝后28 d，施氮处理均表现为N1>N2>N3，与Zn0相比，Zn1分别降低了9.9%和11.3%，吐丝期ZD958

2.5 氮锌配施对玉米籽粒产量和氮、锌含量的影响

由表2可知，玉米籽粒产量平均为9.58 t·hm-2，N1下籽粒产量为8.55 t·hm-2，较N2和N3分别降低了14.2%和21.9%，ZD958平均产量为9.76 t·hm-2，较GSY66提高3.8%，各处理以N3 Zn1 ZD958最高为11.01 t·hm-2，N1 Zn0 GSY66和N1 Zn1 GSY66较低，平均约为8.35 t·hm-2。

表2 氮锌配施对玉米籽粒产量和氮、锌含量的影响

籽粒氮含量平均为13.44 g·kg-1，施氮处理以N2下籽粒氮含量最高，为14.85 g·kg-1。Zn1处理下籽粒平均氮含量为14.18 g·kg-1，较Zn0提高11.7%，GSY66籽粒氮含量为14.29 g·kg-1，较ZD958高13.6%，各处理以N2 Zn1 GSY66和N3 Zn1 GSY66较高，平均为17.00 g·kg-1，以N1 Zn0 ZD958最低，为11.25 g·kg-1。籽粒锌含量平均为25.63 mg·kg-1，N1和N2下籽粒锌含量高于N3，Zn1下籽粒锌含量平均为27.8 mg·kg-1，较Zn0提高18.0%。两品种以GSY66较高，平均为26.3 mg·kg-1，各处理以N2 Zn1 ZD958最高(31.6 mg·kg-1)，以N3 Zn1 ZD958最低，为20.4 mg·kg-1。

籽粒氮素累积量平均为129.39 kg·hm-2。N2和N3下籽粒氮累积量平均约为143.21 kg·hm-2，较N1提高40.7%，Zn1下籽粒氮累积量整体上高于Zn0，GSY66中籽粒氮累积量平均为135.53 g·kg-1，较ZD958高10.0%，各处理以N3 Zn1 GSY66最高，为183.50 kg·hm-2，以N1下各个处理最低，平均为101.77 kg·hm-2。籽粒锌累积量平均为244.6 g·hm-2，施氮处理以N2最高，平均为262.92 g·hm-2，Zn1处理下籽粒锌累积量平均为268.31 g·hm-2，较Zn0处理增加21.5%。各处理以N2 Zn1 ZD958最高，为320.39 g·hm-2，其次是N3 Zn1 GSY66，为309.76 g·hm-2。

3 讨论

3.1 籽粒锌含量

我国玉米籽粒锌含量普遍偏低，张跃强[27]对我国约400多份玉米籽粒样品进行锌含量分析发现，籽粒平均锌浓度仅为11.9 mg·kg-1。施锌是提高籽粒锌含量的一种有效方法。本试验发现，与不施锌肥相比，喷锌后玉米籽粒锌含量提高了18.0%，高达27.8 mg·kg-1，表明在本地区喷锌是一项能显著提高籽粒锌含量的农艺措施(表2)。前人研究表明，不同品种间锌含量存在差异，郑单958为高锌品种[24]，而本研究发现，谷神玉66的锌含量显著高于郑单958，也可作为高锌品种推广使用。然而，与锌生物强化目标值相比，本研究中的玉米籽粒中锌含量仍然偏低，因此需通过培育富锌品种和优化栽培措施，进一步提高玉米籽粒锌含量和锌生物有效性。

本研究还发现，在施氮量为90和180 kg N·hm-2时，玉米籽粒平均锌含量分别为27.2和26.9 mg·kg-1，二者之间差异不明显(表2)。这可能是因为，与小麦和豆类相比，玉米籽粒中蛋白质含量较低，蛋白质库相对较小，所以氮素供应对玉米籽粒锌浓度影响较小。而随着施氮量的增加，在施氮量为225 kg N·hm-2时，玉米籽粒锌含量显著下降。小麦等作物上也有类似现象[28-29]。这可能是由于在高氮条件下籽粒产量显著增加，籽粒锌浓度被稀释，产生产量的“稀释效应”，导致籽粒锌含量明显下降。

3.2 氮锌施用对叶片生理特性的影响

施氮量过低会导致穗位叶的叶肉细胞叶绿体结构性差，碳水化合物累积减少，营养体中氮肥分配比例过大而引起叶片早衰，随着施氮量的增加，叶片中叶绿素和可溶性蛋白含量、SOD、POD、CAT和APC活性均升高，MDA和H2O2含量与氧自由基产生速率降低，叶片衰老进程延缓，而施氮量过高也会引起氮素代谢过旺，维管束鞘细胞淀粉粒消耗过多，叶片叶绿素含量下降，光合能力降低导致早衰[30-33]。本研究中所处试验点，大田生产中习惯施氮量为225 kg N·hm-2，与之相比，施氮量减少至180 kg N·hm-2时，氮素代谢酶GS活性未显著下降，NR活性也较高，氧自由基清除系统相关保护酶SOD、POD和CAT活性略有增加，而当施氮量减少至90 kg N·hm-2时，这些酶的活性则显著降低(图4、5)，表明本研究条件下，施氮量为180 kg N·hm-2时，能够防止玉米生长后期叶片早衰，这对于维持灌浆期植株叶片生理代谢和物质积累，达到玉米节本、稳产目的具有重要意义。

锌具有增加作物抗逆性的功能。李萌[34]发现，随着供锌浓度的增加，玉米幼苗的根活性、SOD活性、CAT活性及叶片含锌量有不同程度地增加，MDA含量降低，锌在玉米受到碳酸氢根胁迫时可以达到较好的抗逆性效果。在玉米受到淹水涝害时，施锌能使叶绿素降解和叶片MDA累积减慢，可溶性蛋白质含量的下降和过氧化物酶活性的升高均受到抑制，可明显减轻淹水涝害[35]。在玉米生长后期，施用锌肥能够显著减缓衰老进程，如高质等[36]利用田间试验发现施锌有利于提高春玉米生长后期穗位叶SOD活性，降低MDA含量，从而降低氧自由基的伤害。黄伟东等[37]发现，在玉米拔节期喷施锌叶面肥，能有效增强叶片光合作用，提高SOD、POD和CAT活性，降低MDA含量，缓解MDA带来的膜脂过氧化伤害，延缓叶片的衰老。本研究也发现，与不施锌相比，喷施锌肥4.5 kg·hm-2后，玉米灌浆期叶片SPAD和叶片PSⅡ综合性能指数PI显著增加(图1、表1)，穗位叶SOD、POD和CAT活性增加，MDA含量显著下降(图5)。表明施锌后玉米灌浆期叶片氧自由基清除系统的保护酶活性提高，细胞中活性氧产生与清除保持平衡，细胞内过氧化物积累减少，膜脂过氧化作用伤害减弱，叶片衰老速率延缓，这对于维持玉米灌浆期植株物质积累具有重要的意义。

4 结论

本研究结果表明，施氮量180 kg N·hm-2和七水硫酸锌喷施量4.5 kg·hm-2配合，能够提高玉米植株灌浆期叶片的SPAD值和荧光性能，提高氮锌代谢关键酶和氧自由基清除系统酶活性，维持植株生长后期对氮、锌元素的代谢能力，显著增加玉米籽粒中的氮锌含量，促进氮、锌元素在籽粒中的累积，达到玉米籽粒高产和锌营养价值的同步提高。郑单958在籽粒灌浆期间的氮锌代谢较为活跃，但由于产量的稀释作用而表现为籽粒氮、锌含量较低，谷神玉66可以作为锌高效品种推广种植。