西北地区制种玉米产量及氮素吸收对供氮水平的响应

2023-03-07刘丹安雨丽陶笑笑王孝忠吕典秋郭彦军陈新平张务帅

中国农业科学 2023年3期

刘丹，安雨丽，陶笑笑，王孝忠，吕典秋，郭彦军，陈新平，张务帅

刘丹1,2,4，安雨丽1,3，陶笑笑5，王孝忠1,3，吕典秋4，郭彦军4，陈新平1,3，张务帅1,3

1西南大学资源环境学院/土肥资源高效利用重庆市重点实验室，重庆 400715；2新疆农业职业技术学院，新疆昌吉 831100；3西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心，重庆 400715；4西南大学农学与生物科技学院，重庆 400715；5新疆昌吉州气象局，新疆昌吉 831100

【目的】针对我国制种玉米氮素吸收与累积规律不明确的问题，研究制种玉米生物量累积、产量形成和氮素吸收对供氮水平的响应，旨在为制种玉米高产高效绿色生产提供理论依据。【方法】以大面积制种的品种组合为试验材料，于2019—2020年开展田间定位试验。采用完全随机区组设计，共设置4个供氮水平，分别为只施底肥对照（CK）、168 kg N·hm-2、240 kg N·hm-2和320 kg N·hm-2，研究不同供氮水平对制种玉米父母本生物量、杂交种产量和氮素吸收累积的影响。【结果】制种玉米父母本生物量累积随供氮水平的提高而提高，产量随供氮水平的提高先增加后保持稳定，N240处理同时实现了较高的产量、氮肥利用率和籽粒氮浓度，两年结果较为一致。N168处理在试验第2年达到较高产量，但氮浓度低于N240处理。母本秸秆及父本整株氮浓度均为高氮处理高于低氮处理；灌浆期母本实现最大生物量的临界氮浓度为15.08 g·kg-1，收获期母本生物量与氮浓度呈线性相关。各追施氮肥处理的花后生物量两年间均大于花前，且随供氮水平的提高而提高，花后氮吸收比例随供氮水平的变化规律与生物量一致。N320处理与N240处理的产量水平、生物量累积和氮吸收均无显著差异。综合考虑产量与制种玉米品质时，N240可作为该区域制种玉米生产的推荐施氮量。【结论】优化施氮通过调控制种玉米父母本花前花后氮吸收比例实现增产增效。本研究揭示了优化施氮量稳定花前氮吸收，保障花后氮供应是制种玉米高产高效的关键，为制种玉米绿色生产提供了理论依据。

制种玉米；生物量；产量；临界氮浓度；氮吸收

0 引言

【研究意义】玉米是重要的粮食、饲料及能源作物，我国是世界第二大玉米生产国，2020年全国播种面积为4 126万hm2[1]。杂交玉米种子生产是保障国家粮食安全的重要基础，近年来我国杂交玉米制种面积不断扩大，其中新疆和甘肃是最主要的生产基地[2-3]。制种玉米较高的经济价值导致了种植户常为确保产量而不合理地增施氮肥，进而造成氮素利用率低[4]，产量不稳定[5-6]，土壤退化及水体污染越来越严重[7]。本团队前期调研结果表明，制种玉米氮肥用量达395 kg·hm-2[8]，是普通玉米优化施氮量的近两倍[9]，但产量远低于普通籽粒玉米，投入产出极不平衡。因此，对制种玉米农学及肥料效应开展研究，阐明其生物量和氮素累积规律，对提高制种玉米氮素利用率、精准氮素调控的产量预测、降低环境风险具有重要意义。【前人研究进展】不合理的氮肥管理会降低氮肥有效性，导致作物减产和大量氮素损失至环境中造成潜在的环境风险[10-11]。制种玉米田间管理过程复杂、繁琐，针对制种玉米氮素吸收规律和供氮水平的影响研究较少。前期研究表明，氮肥优化管理能够提高普通玉米干物质累积和氮浓度，同时提高产量和氮肥利用率[12-13]。制种玉米对优化氮肥管理的响应是否与普通玉米一致尚不明确。辽宁地区制种玉米产量随施氮量增加而增加，在225 kg N·hm-2施氮量下多个制种组合的产量达到最高[14]。甘肃河西走廊地区，推荐施氮量范围在225 kg N·hm-2至450 kg N·hm-2[15-17]，各主产区推荐施肥量范围跨度较大且不十分确切。此外，氮肥用量对制种玉米产量的增益效果会因气候、土壤类型及农艺措施不同会有所不同[18]。【本研究切入点】目前，针对供氮水平如何影响制种玉米父母本的生物量累积、杂交种产量和植株氮吸收的理论研究十分缺乏，限制了制种玉米的氮肥优化管理与产量提升。【拟解决的关键问题】本研究以试验区域大面积制种的品种组合京045×京MT028为供试材料，研究制种玉米产量、氮浓度和氮吸收对供氮水平的响应，阐明供氮水平对花前花后氮素累积比例的影响，明确本研究条件下的优化施氮量，以期为制种玉米高产高效及绿色生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年4月至9月在新疆昌吉州昌吉市榆树沟镇勇进村三队（44°4′N，87°0′E）进行，该区域海拔522 m，属于温带大陆性干旱气候，年平均气温6.8℃，≥10℃积温3 450℃，多年平均降水量190 mm，年蒸发量1 760 mm，年均日照2 700 h，无霜期160—190 d，试验年份主要气象资料见图1。2019年制种玉米生育期4—9月降雨量为88.5 mm，2020年生育期降雨量为51.1 mm。0—30 cm土壤pH为8.6，有机质含量为13.8 g·kg-1，全氮0.66 g·kg-1，有效磷12.4 mg·kg-1，速效钾342 mg·kg-1。

图1 2019—2020年试验地点制种玉米生育期日气温及日降水

1.2 试验设计

本试验采用完全随机区组设计，共设置4个试验处理，分别为施氮量36（CK），168（N168），240（N240），320 kg N·hm-2（N320），每个处理3次重复，每个小区面积100 m2。在播前施入底肥N-P2O5-K2O用量为 36-92-60 kg·hm-2，底肥选用磷酸二铵和硫酸钾。除CK外，各处理剩余氮肥作为追肥，氮肥种类为尿素，在第1次灌溉（播种后第45天）至第6次灌溉（播种后第87天）施用，施肥方式滴灌施肥，各处理的施肥用量和施肥次数见表1。

表1 不同处理的氮肥用量与施肥次数

试验材料选用大面积制种品种，为京045×京MT028的制种组合，该组合所育品种在西北春玉米区、内蒙古部分地区广泛种植。定植密度为85 000株/hm2，田间管理及病虫害防治措施按照种子公司要求，由农户统一管理。在母本雄蕊散粉前按照摸苞去雄的方法，将未展开的2—4片叶与雄蕊一并拔除，并在授粉结束后（吐丝后30 d左右，此时母本处于R4蜡熟期）将全部父本砍除，并测算父本生物量。

1.3 植株及土壤样品采集

试验于2019年播前用土钻采集5点土壤样品作为基础土样，取土深度为0—90 cm，自然风干后，过2 mm和0.25 mm筛，用于测定土壤基本理化性质。

在2019和2020年制种玉米父母本生育期，以母本生育时期为参照进行取样，在拔节期、抽雄期和吐丝期采集各处理父本、母本样品，每个小区母本和父本分别随机选取连续的3株；在灌浆期、蜡熟期以及成熟期进行母本植株样品的采集。植株样品采集后在105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，然后用凯氏定氮法测定植株全氮含量。收获期，选取12 m2样方进行测产，同时在样方内取6株母本地上部样品进行生物量测算。

1.4 氮素吸收和氮肥利用率

按照以下公式计算各处理的氮肥偏生产力、氮肥利用率、氮肥农学效率以及氮收获指数：

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=母本籽粒产量/施氮量；

氮肥利用率（%）=（施氮区氮素吸收量-对照区氮素吸收量）/施氮量×100；

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮区母本籽粒产量-对照区母本籽粒产量）/施氮量；

氮收获指数=收获期母本籽粒氮吸收/母本氮吸收

花前生物量（kg·hm-2）=吐丝期母本秸秆生物量+果穗生物量；

花后生物量（kg·hm-2）=收获期母本生物量-吐丝期母本生物量；

花前氮吸收（kg N·hm-2）=吐丝期母本秸秆氮吸收+果穗氮吸收；

花后氮吸收（kg N·hm-2）=收获期母本氮吸收-吐丝期母本氮吸收。

1.5 数据处理与统计分析

采用SPSS 19.0（IBM Statistic）进行统计分析，采用Duncan法进行显著性检验，显著水平为＜0.05。采用Microsoft Excel 2016进行数据处理，Sigmaplot 12.5作图。

2 结果

2.1 供氮水平对制种玉米产量及氮素利用效率的影响

2019—2020年，制种玉米产量随着施氮量的增加均呈先增加后保持稳定的趋势（表2）。2019年和2020年制种玉米产量分别在N240和N168处理达到最高产量，继续提高供氮水平对产量无额外获益。方差分析表明，制种玉米产量受供氮水平及其与年份交互作用的显著影响，但无年际间差异。氮肥偏生产力两年均以N168处理为最高，且均随着供氮水平的提高而降低，2019年N240处理的氮肥偏生产力与N168处理无显著差异。N240处理在2019年的氮肥利用率、氮肥农学效率和氮收获指数均最高，较N168处理和N320处理分别高59%—120%和9%—16%。2020年N240处理仍具有最高的氮肥利用率，但氮肥农学效率和氮收获指数均以N168处理最高。各氮肥追施处理的氮肥农学效率和氮收获指数的变化趋势相近。整体来说，N240处理的产量和各项氮肥利用效率的年际间波动较小，能够较好地实现产量稳定及较高的氮肥效率和氮收获指数。N320处理虽然也有较高的产量，但由于过高的施氮量导致其各氮肥效率指标均较低。

2.2 不同供氮水平下制种玉米父母本生物量累积规律

两年田间试验结果均表明，随着氮肥用量的增加制种玉米父母本生物量的累积速率逐渐增加（图2）。除CK和N168处理外，其他氮肥处理母本生物量在第1次追肥（播种后第45天左右）后即呈现出较快的增长趋势，生物量迅速累积。父本生物量较母本生物量积累缓慢，授粉结束后，父本全部砍除，生物量不再继续累积。播种后第70天至播种后第100天为父母本生殖生长、母本授粉和产量形成的关键时期，该时期母本生物量迅速增加。收获期母本和父本的两年平均生物量分别为17.2和2.3Mg·hm-2（2019年）、19.2和2.0 Mg·hm-2（2020年），两年的生物量及其累积规律基本一致。N320处理收获期/移除期父母本生物量均高于其他处理，母本的两年平均生物量分别较N168和N240处理提高17%和7%，父本生物量分别提高9%和16%。

表2 不同处理制种玉米产量、氮素利用效率和氮收获指数

**表示差异较显著（＜0.01），NS表示差异不显著，数据后带有相同的小写字母表示无显著差异（＜0.05）。下同

** indicated extremely significant difference (＜0.01), NS indicated insignificant difference, and same lowercase letters after data indicated no significant difference (＜0.05). The same as below

A—D和E—H分别依次为2019年和2020年的CK、N168、N240和N320处理

2.3 不同供氮水平下父母本及籽粒氮浓度变化

母本秸秆氮浓度和父本整株氮浓度均随着生育期的延长而逐渐降低，同一时期植株氮浓度随着氮梯度的升高而升高（图3）。同一取样时期，由于父本比母本播期晚，父本的整株氮浓度高于母本的秸秆氮浓度。各供氮水平下，母本秸秆和父本整株氮浓度的两年变化范围分别为24.8—8.9 g·kg-1，28.6—9.0 g·kg-1（2019年）和25.0—8.2 g·kg-1，30.1—9.0 g·kg-1（2020年）。

图3 不同供氮水平下母本秸秆氮浓度及父本整株氮浓度变化

2019年和2020年从灌浆期开始监测母本籽粒氮浓度变化（图4）。结果表明，灌浆期籽粒氮浓度均以N320处理最高，两年结果一致。2019年，灌浆期籽粒氮浓度随供氮水平的提高而升高；2020年，CK的灌浆期籽粒氮浓度低于N320处理，但显著高于N168和N240处理。蜡熟期平均籽粒氮浓度在试验开展的两年间均低于灌浆期，但整体仍保持高氮处理籽粒氮浓度也高的趋势。两年田间试验制种玉米成熟期的籽粒氮浓度均以N240或N320处理最高，在2019年与N168处理无显著差异，但在2020年显著高于CK和N168处理。2019年CK和N168处理的成熟期籽粒氮浓度无显著差异，2020年CK显著低于N168处理。

2.4 母本生物量与氮浓度的关系

两年田间试验表明，线性加平台模拟是拟合制种玉米灌浆期母本生物量和氮浓度之间关系的最佳模型（图5-A）。母本灌浆期可达到的最高生物量为12.08 Mg·hm-2，此时对应的临界氮浓度为15.08 g·kg-1。收获期母本生物量与氮浓度之间呈显著正相关，即收获期母本生物量随着氮浓度的提高而提高（图5-B）。

柱形图上方带有不同字母的表示处理间差异显著（P＜0.05）

***代表在P＜0.001水平上显著相关，**代表在P＜0.01水平上显著相关

2.5 不同供氮水平下制种玉米父母本氮素吸收规律

随着制种玉米的生长进程，父本和母本的氮吸收量均呈不断增加趋势（图6）。母本自拔节期（播种后50 d）开始氮吸收迅速增加，各追施氮肥处理母本收获期氮吸收随氮肥投入量的增加而增加，较CK分别增加27%—84%（2019年）和40%—71%（2020年）。父本氮吸收随生育期的延长不断增加，播种后60 d开始，氮吸收迅速增加。不同处理氮吸收随氮肥用量的增加而增加，N240和N320处理氮吸收在灌浆期结束后趋于稳定。播种后60—80 d是父本雄蕊生长及花粉散粉的关键时期，也是父本氮吸收的高峰期。

图6 不同供氮水平下父母本的氮素吸收规律

2.6 制种玉米母本生物量累积与氮素吸收规律

各供氮水平下制种玉米花前生物量累积量总体低于花后，花前氮素吸收均大幅高于花后氮素吸收（表3）。2019年，各供氮水平间制种玉米花前生物量累积无显著差异，花前生物量占比随供氮水平提高而降低，依次为49%、45%、44%和40%，花后生物量占比随氮肥用量增加而升高，N320处理显著高于N168处理和CK，但与N240处理间无显著差异。2020年，除CK外，仍表现为花后生物量大于花前，花后生物量占比随供氮水平的提高而提高，依次为49%、57%、55%和63%。N168和N240处理的花后生物量与CK和N320处理均无显著差异，但N320处理花后生物量显著高于CK。制种玉米花前生物量累积不受供氮水平、年份以及两者交互作用的影响，花后生物量累积仅受供氮水平的影响。

2019年和2020年花前氮吸收均随氮肥用量的增加而增加，且CK与N168处理间无显著差异，但均显著低于N240和N320处理。2019年各供氮水平下制种玉米花后生物量变化规律与花前生物量相同，2020年N168处理和N320处理的花后氮吸收较高且两处理间无显著差异，N240处理显著低于N320处理，但与CK和N168处理间无显著差异。制种玉米花前花后的氮吸收主要受供氮水平的影响。2019年，生产每吨籽粒的需氮量以CK最低，与N168和N240处理无显著差异，但显著低于N320处理。2020年，生产每吨籽粒的需氮量随供氮水平增加，N168处理显著低于N240和N320处理。生产每吨籽粒的需氮量在两年间具有较大差异，以N168处理的变化最为显著。制种玉米生产每吨籽粒的需氮量主要受供氮水平和年份变化的影响，对两者的交互作用不敏感。

表3 母本花前花后生物量累积与氮素吸收

3 讨论

3.1 供氮水平对生物量累积及产量的影响

生物量的累积是产量形成的基础[19]，制种玉米生物量累积及产量对供氮水平的响应较为显著。相比于普通籽粒玉米，制种玉米的种植管理模式等会影响生物量和产量对供氮水平的响应。首先，制种玉米播种后60 d左右进行母本去雄时未进入生殖生长阶段，同时去除了母本顶端2—4片未展开叶，造成母本光合面积减少，降低光能截获能力，导致光合产物合成受阻影响生物量累积[20]。其次，制种玉米授粉结束后的15 d左右砍除父本，其生物量不再累积，只有母本继续生长，并最终形成产量，单位面积的生产群体规模小于普通籽粒玉米。通常情况下，制种玉米从母本去雄前开始追肥至授粉结束，水肥一体化的全生育期根层氮素管理既可促进母本尽快修复因抽雄造成的损伤，又能够满足玉米开花后籽粒形成的养分需求，使土壤中的氮供应和母本氮需求同步[21]。然而，养分供应不足时会严重限制制种玉米父母本生物量的累积和产量的形成，尤其是花后氮素亏缺导致籽粒氮素吸收不足[22]。但过量的氮肥施用会导致营养器官对氮素的奢侈吸收，从而导致制种玉米贪青晚熟，降低养分向籽粒的转移比例。本研究中N320处理虽然父母本生物量高于N240处理，但两年的产量均低于N240处理。过量施用氮肥未获得额外的产量增益，却降低了氮肥偏生产力、氮肥利用率和氮肥农学效率。N168处理在第二年产量虽较高，但籽粒氮浓度有所降低，每吨籽粒吸氮量显著低于N240处理，这势必影响杂交种子的品质。因此，不能单纯把产量作为氮肥优化管理的指导性指标，而要综合考虑对杂交种品质影响较大的氮浓度和氮吸收等指标。

3.2 供氮水平对制种玉米氮浓度的影响

植株氮浓度的监测能够为氮素供应及氮肥管理决策提供依据。制种玉米父母本营养器官氮浓度的变化反映了植株的养分供应状况。临界氮浓度被用作氮管理效果反馈的重要指标来评估作物需氮状况[21]，用以表征植株获得最大生物量所需的最低氮浓度[23]。前人研究表明，在玉米V12—VT（十二叶期—抽雄吐丝期）时期拟合的临界氮浓度稀释曲线更稳定，更有利于对作物生长和产量的准确预测[24]。制种玉米由于在V12期时去雄，导致母本营养生长在开花后10 d左右才达到最大生物量，导致制种玉米实现植株临界氮浓度的时期较普通玉米延迟。此外，实现最大生物量的植株临界氮浓度与品种、氮肥用量等有紧密的关系[25]。华北地区夏玉米在与本试验相同生育期时，临界氮浓度范围在14.9—15.5 g·kg-1之间[26]，与本研究中的15.08 g·kg-1较为接近，但其取得最大生物量的临界氮浓度对应的施氮量却大幅低于本研究结果（240 kg N·hm-2），这可能与制种玉米更低的氮素吸收能力有关。玉米花前的氮素亏缺会影响果穗对氮的吸收继而影响产量[27]，临界氮浓度对于判断玉米氮素状况，指导花后施肥及预估产量具有重要指导意义。

3.3 供氮水平对制种玉米氮素吸收的影响

制种玉米籽粒氮吸收有两个来源，即花前氮转移和花后氮吸收[28]。制种玉米籽粒形成前期，花前氮转移对籽粒的贡献率大于花后氮的吸收，但随着灌浆的进行，花后氮吸收的贡献也逐渐加大，而花后氮吸收增加是高产玉米的主要特征[29-30]。基于15N示踪的研究结果表明，吐丝前植株吸收的氮有60%转移到籽粒中，而花后吸收的氮有65%转移到籽粒中[31]。玉米生长中后期生物量和氮素累积率随产量的增加而增加[32]。因此，通过优化供氮水平提高花后生物量生产能力和向籽粒转移同化物的能力是获得高产的重要途径。制种玉米产量的提高同样依赖于花后对氮素的吸收，本研究中产量较高的优化施氮量处理（N240）其花后氮吸收平均为母本总吸氮量的32%—35%，较其他处理占比较高，但相较于普通玉米仍有进一步提升的潜力。通过两年田间定位试验开展供氮水平调控研究可知，单纯地提高花后氮吸收而不能兼顾花前氮吸收作为产量形成的基础作用，或是花后氮吸收亏缺使得花前氮吸收只占比例上的优势，均不能达到较高的产量水平。因此，通过保证制种玉米开花前的营养生长来构建群体基础，并满足花后籽粒吸收的肥料供给，协调花前花后的氮素吸收比例，是实现制种玉米高产稳产的关键。

4 结论

制种玉米父母本生物量累积及产量随供氮水平先上升后保持稳定。供氮水平为240 kg N·hm-2同时实现了较高的产量、氮肥利用率和籽粒氮浓度，两年结果较为一致。收获期母本生物量与氮浓度呈线性相关。各氮肥处理的花后生物量两年均大于花前，花后氮吸收比例随供氮水平的变化规律与生物量一致。优化施氮通过调控制种玉米母本和父本生物量累积、氮浓度、花前花后氮吸收比例，协同实现了增产和提高氮肥利用率。本研究首次明确了制种玉米关键生育期实现最大生物量的临界氮浓度，揭示了通过优化供氮水平稳定制种玉米花前生物量累积，并增加花后氮素供应是制种玉米高产高效的关键，为制种玉米绿色增产增效提供了理论依据。

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Effects of Different Nitrogen Gradients on Yield and Nitrogen Uptake of Hybrid Seed Maize in Northwest China

LIU Dan1, 2, 4, AN Yuli1, 3, TAO Xiaoxiao5, WANG Xiaozhong1, 3, LÜ Dianqiu4, GUO Yanjun4, CHEN Xinping1, 3, ZHANG Wushuai1, 3

1College of Resources and Environment, Southwest University/Key Laboratory of Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Chongqing 400715;2Xinjiang Agricultural Vocational Technical College, Changji 831100, Xinjiang;3Interdisciplinary Research Center for Agriculture Green Development in Yangtze River Basin, Southwest University, Chongqing 400715;4College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715;5Changji Prefecture Meteorological Bureau, Changji 831100, Xinjiang

【Objective】The law of nitrogen uptake and accumulation of maize in seed production in China is unclear. In view of this, the responses of biomass accumulation, yield formation, and the nitrogen uptake to nitrogen supply were studied in order to provide the theoretical basis for green and efficient hybrid maize seed production. 【Method】Taking the parent varieties combination of large area seed production as the experimental material, the on-site experiment was carried out from 2019 to 2020. A completely random block design was applied to study the effects of different nitrogen gradients on parental biomass, grain yield and nitrogen uptake and accumulation of maize seed production. Four nitrogen gradients were set up as basal fertilizer control (CK), 168, 240 and 320 kg N·hm-2, respectively. 【Result】The accumulation of parental biomass of hybrid maize seed production increased with the increase of nitrogen gradients. The yield of maize seed production increased at first and then remained stable with the increase of nitrogen gradients. N240 treatment achieved higher yield, nitrogen use efficiency and grain nitrogen concentration at the same time, which were consistent in the two years. The yield under N168 treatment was higher than that under N240 treatment in the second year, but the nitrogen concentration was lower than that under N240 treatment. The nitrogen concentration of the whole plant of female parent straw and male parent was higher in high nitrogen gradient treatment than that in low nitrogen gradient treatment. The critical nitrogen concentration of maximum biomass of female parent at filling stage was 15.08 g·kg-1, and there was a linear correlation between female parent biomass and nitrogen concentration at harvest stage. The post-silking biomass of each topdressing nitrogen fertilizer treatment was higher than that of pre-silking stages in two years, and increased with the increase of nitrogen gradients. The change rule of post-silking nitrogen uptake ratio with nitrogen gradients was consistent with the biomass. There was no significant difference in yield level, biomass accumulation, and nitrogen uptake between N320 treatment and N240 treatment. Under the premise of comprehensive consideration of yield and hybrid seed quality, N240 could be regarded as the recommended nitrogen application rate for hybrid maize seed production in this region. 【Conclusion】The optimal nitrogen application rate could increase yield and nitrogen use efficiency by regulating the ratio of nitrogen uptake for maize parents in pre- and post-silking in seed maize production. This study revealed that optimizing nitrogen application rate to stabilize nitrogen uptake in the pre-silking stage and ensure nitrogen supply after anthesis was the key to achieve high yield and nitrogen use efficiency of seed maize, and provided a theoretical basis for sustainable production of hybrid seed maize.

hybrid seed maize; biomass; yield; critical nitrogen concentration; nitrogen uptake