不同生态条件下氮肥对玉米干物质积累、氮素分配及产量的影响

杨绣娟,孙继颖,高聚林,刘 剑,孟繁盛,张悦忠,温晓亮,王志刚,于晓芳,刘文翔,王彦淇

(1.内蒙古农业大学 农学院,内蒙古 呼和浩特 010019;2.内蒙古农业大学 职业技术学院,内蒙古 土默特右旗 014109;3.赤峰市农牧科学研究院,内蒙古 赤峰 024031;4.内蒙古扎赉特旗农牧和科技事业发展中心,内蒙古 音德尔 137600;5.五原县农牧业技术推广中心,内蒙古 五原 015100)

玉米是世界上主要的三大粮食作物之一,也是我国种植面积最大的粮食作物[1],不仅可供人类食用,还能够作为动物饲料,同时在工业生产和医疗卫生方面也发挥着重要作用[2]。氮肥作为粮食的基本营养,对农作物产量有不可替代的贡献。氮是植物中氨基酸、蛋白质及核酸的重要组成部分,对农作物生长发育、叶片光合作用及产量形成影响显著[3]。研究表明,一定范围内,随施氮量增加,稻茬麦、玉米、冬小麦的干物质积累量、氮素积累量及产量均呈上升趋势[4-6]。干物质积累是玉米籽粒产量形成的基础,增加玉米干物质的积累,使其尽可能多地分配转运到籽粒中是获得高产的基本途径。生育期内干物质积累、分配与转移特性是决定玉米籽粒产量高低的重要因素之一[7]。受生态条件、土壤理化性质、栽培方式、品种、播种期等因素的综合影响,不同生态条件下玉米对氮肥的响应及干物质积累分配存在显著差异[8-10]。

内蒙古自治区(37°24′～53°23′N,97°12′～126°04′E)位于中国北部边疆,地势从东北向西南延伸,呈狭长形,东西直线距离可达2 400 km,南北直线距离可达1 700 km,是中国跨经度最大的省份,全区土地面积为1.183×106km2,约占全国土地总面积的12.3%[11]。生态条件的差异是造成不同区域玉米产量差异的主要因素。前人关于氮肥对玉米干物质积累与分配[12-14]、氮素吸收利用[15-16]的影响做了大量研究,但同时针对生态条件、氮肥及其互作效应对玉米生长发育、产量形成及氮素在不同器官分配利用的研究不足。因此,本研究以不同氮效率玉米品种先玉335、郑单958和京科968为试验材料,通过设置不同氮肥水平,比较研究不同生态条件下氮肥对玉米品种各器官干物质和氮素积累、分配、转运及产量形成的影响,旨在为改进玉米氮肥管理提供理论依据与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在内蒙古3个生态区——河套平原灌区(巴彦淖尔市五原县)、土默川平原灌区(包头市土默特右旗)和黄土沟壑灌溉区(赤峰市松山区喀喇沁旗)进行,试验区概况见表1,2021年生育期内气候条件见图1,2021年播种前试验田0～30 cm耕层土壤养分见表2。

图1 试验区生育期内平均气温与降雨量变化Fig.1 Change of average temperature and precipitation during the growth period in the test area

表1 试验区概况Tab.1 Overview of the test area

表2 试验区土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient content in the test area

1.2 试验材料与试验设计

选取低氮高效型玉米品种京科968 和高氮高效型玉米品种先玉 335、郑单958,不同氮高效型玉米品种的选取参考屈佳伟[17]和陈传永等[18]的研究结果。供试品种种植密度82 500株/hm2。底肥为P2O5105 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2,作为基肥在播种时一次性施入,氮肥为尿素(含氮量46%),施氮量为0,150,300 kg/hm2,分别记为N0、N1、N2。于拔节期和大喇叭口期以3∶7比例开沟追施。田间3次重复,9行区,行距60 cm ,行长10 m,小区面积54 m2。土默特右旗4月25日播种,10月7日收获;五原县4月28日播种,10月5日收获;喀喇沁旗4月30日播种,10月8日收获。其他管理措施与常规大田相同。

1.3 测定项目与方法

产量相关指标:玉米完全成熟后,各处理分别收获中间 2 行果穗,从中量取5 m长进行测产,并随机选取 10 穗进行考种。测定穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、千粒质量等。实际籽粒产量:各小区所收获的果穗全部脱粒后称质量,测定籽粒含水量,以14%含水量折算各小区玉米产量。

干物质及氮含量测定:于玉米主要的生育时期进行群体调查和取样。每小区选取3株具有代表性的植株,苗期(V3)取叶片,拔节期(V6)、大口期(V12)取叶片和茎秆,抽雄吐丝期(VT)取叶片、茎秆和苞叶+穗轴,灌浆期(R3)和成熟期(R6)取叶片、茎秆、苞叶+穗轴、籽粒。将玉米各器官置于105 ℃鼓风干燥箱中杀青30 min,80 ℃下烘干至恒质量,称其干质量,粉碎过0.5 mm的筛,用H2SO4-H2O2进行消煮,用凯氏定氮法测定植物样品氮含量、全氮浓度。

1.4 相关计算公式

花前干物质积累率=(吐丝期干物质积累量/收获时干物质积累量)×100%

花后干物质积累量=收获时干物质积累量-花前干物质积累量

花后干物质积累率=(花后干物质积累量/收获时干物质积累量)×100%

干物质转运量=吐丝期各器官干物质积累量-收获期相应器官干物质积累量

干物质转运率=(器官干物质转运量/吐丝期相应器官干物质积累量)×100%

花前干物质积累对产量的贡献率=(干物质转运量/籽粒产量)×100%

花后干物质积累对产量的贡献率=100%-花前干物质积累对产量的贡献率

氮肥偏生产力/(kg/kg)=施氮处理产量/总施氮量

氮肥农学利用效率/(kg/kg)=(施氮处理产量-空白处理产量)/总施氮量

1.5 数据统计与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0软件进行整理和分析,多重比较采用Duncan法,使用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 产量和氮肥利用效率地点和品种间的变异分析

由表3可知,不同地点、氮肥、品种对玉米穗数、穗粒数、千粒质量、产量和氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率均有极显著的影响,且存在极显著的互作效应。但地点×品种对穗数、氮肥农学利用效率互作效应显著,地点×氮肥×品种对产量、氮肥农学利用效率互作效应显著。此外,地点对玉米籽粒穗数的影响作用效应最大,而氮肥对氮肥偏生产力的影响作用最大。因此,对于3个不同氮效率玉米品种而言,地点对籽粒产量的影响作用大于品种。

表3 产量和氮肥利用效率在地点和品种间的方差分析Tab.3 Variance analysis of yield and nitrogen use efficiency between sites and varieties

2.2 氮肥水平对不同氮效率玉米品种产量及其构成的影响

由于地点和品种存在显著的互作效应,表4分析了内蒙古3个生态区玉米品种间产量及产量构成的差异。结果显示,不同氮效率玉米品种在3个生态区穗数、穗粒数、千粒质量与产量间均有显著差异。不同生态区玉米整体产量以喀喇沁旗产量最高,其次为五原县,土默特右旗产量较前2个生态区低。分析表明,喀喇沁旗的产量优势主要得益于较高的单位面积的穗数。同一地区不同品种间产量差异显著。土默特右旗在N0水平下,产量表现为先玉335>京科968>郑单958;在N1与N2水平下,产量表现为郑单958 >京科968>先玉335。五原县与喀喇沁旗在不同氮水平下,产量均表现为郑单958>京科968>先玉335。同一地区不同品种间穗数存在显著差异,是造成不同品种间产量差异的主要来源。不同地点玉米品种产量差异受热量资源的影响,在热量资源充沛的喀喇沁旗,晚熟品种郑单958有更优良的产量表现。

2.3 氮肥水平对不同生态区玉米品种的干物质积累与分配

不同生态区玉米品种花前、花后干物质积累量和积累率的差异均达到极显著水平,且存在极显著的互作效应(表5)。此外,地点、氮肥水平和品种类型均对花前干物质积累量的影响较大,且地点×品种的影响作用大于其他互作效应,说明不同玉米品种干物质积累过程中容易受地点影响。不同生态区和不同玉米品种的干物质积累量均随着施氮量的增加而增加,说明施用氮肥显著提高了干物质的积累(表6)。土默特右旗先玉335、京科968、郑单958花前干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了54.02%,26.61%,34.56%,N1水平比N0水平分别提高了40.55%,10.66%,6.92%;五原县先玉335、京科968、郑单958花前干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了36.84%,35.08%,24.19%,N1水平比N0水平分别提高了12.63%,21.25%,13.28%;喀喇沁旗先玉335、京科968、郑单958花前干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了31.05%,24.54%,26.18%,N1水平比N0水平分别提高了17.54%,12.52%,15.24%。土默特右旗先玉335、京科968、郑单958花后干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了8.13%,6.01%,11.31%,N1水平比N0水平分别提高了1.37%,10.87%,20.88%;五原县先玉335、京科968、郑单958花后干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了9.83%,0.41%,10.47%,N1水平比N0水平分别提高了9.77%,1.37%,5.74%;喀喇沁旗先玉335、京科968、郑单958花后干物质积累量N2水平比N0水平分别提高了13.02%,13.21%,7.82%,N1水平比N0水平分别提高了0.76%,11.42%,4.03%。这说明,在高氮水平下,先玉335具有较高的花前干物质积累量,郑单958具有较高的花后干物质积累量。

表5 不同生态区玉米品种花前、 花后干物质积累方差分析Tab.5 Variance analysis in dry matter accumulation before and after flowering of maize varieties in different ecological regions

表6 不同生态区玉米品种花前花后干物质积累Tab.6 Dry matter accumulation before and after flowering of maize varieties in different ecological regions

玉米干物质积累是产量形成的基础,干物质分配直接决定籽粒产量的高低。由图2—4可知,不同生态区玉米品种干物质积累量均随着生育期的推进呈现递增趋势。玉米苗期干物质主要集中在叶片。拔节期干物质主要分配在叶片,其次为茎秆。大口期干物质主要分配在茎秆,其次为叶片。吐丝期干物质主要分配在茎秆,其次为叶片,之后为苞叶+穗轴。吐丝期,土默特右旗先玉335干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的37.96%,48.48%,48.44%,京科968干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的46.42%,46.37%,50.85%,郑单958干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的44.11%,41.11%,48.83%;五原县先玉335干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的39.88%,45.24%,40.49%,京科968干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的43.28%,49.04%,51.98%,郑单958干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的47.58%,49.31%,50.51%;喀喇沁旗先玉335干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的44.42%,46.58%,46.07%,京科968干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的46.19%,46.44%,48.57%,郑单958干物质在N0、N1和N2水平下,分别占干物质积累量的47.79%,47.33%,48.71%。灌浆期和成熟期干物质主要分配在籽粒,各器官所占比重依次为籽粒>茎秆>苞叶+穗轴>叶片,不同生态区玉米品种各器官所占比重有差异,不同品种玉米在吐丝期前的干物质积累水平比较接近,差异主要表现在吐丝—成熟期阶段。

图2 土默特右旗各玉米品种干物质在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.2 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Tumed Right Banner

图3 五原县各玉米品种干物质在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.3 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Wuyuan County

图4 喀喇沁旗各玉米品种干物质在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.4 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Harqin Banner

2.4 不同生态区玉米品种的干物质转运

由表7可知,玉米各器官的干物质转运在不同生态区存在显著差异。不同生态区玉米品种茎秆与叶片有稳定的物质转运。土默特右旗,N0水平下不同氮效率玉米品种对于叶转运量、叶转运率、叶片贡献率、茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率均呈现出显著差异,表现为京科968高于先玉335、郑单958,花后物质积累贡献率表现为先玉335>郑单958>京科968;N1水平下不同氮效率玉米品种对于茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率呈现出显著差异,表现为先玉335> 京科968>郑单958,花后物质积累贡献率表现为郑单958 >京科968 >先玉335;N2水平下不同氮效率玉米品种对于叶转运量、茎秆转运量、叶转运率、茎秆转运率、叶片贡献率、茎秆贡献率、花后物质积累贡献率差异显著。五原县,N0水平下不同氮效率玉米品种对于叶转运量、叶转运率、叶片贡献率呈现出显著差异,表现为先玉335高于郑单958和京科968,茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率呈现出显著差异,表现为京科968显著高于郑单958、先玉335,花后物质积累贡献率郑单958与京科968差异不显著;N1水平下与N2水平下不同氮效率玉米品种对于茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率呈现出显著性差异,均表现为京科968和郑单958高于先玉335,花后物质积累贡献率表现为先玉335高于郑单958和京科968,不同氮效率玉米品种对于叶转运量、叶转运率、叶片贡献率差异显著。喀喇沁旗,N0水平下不同氮效率玉米品种茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率呈现出显著性差异,表现为京科968高于郑单958和先玉335,花后物质积累贡献率表现为先玉335>郑单958>京科968,不同氮效率玉米品种对于叶转运量、叶转运率、叶片贡献率差异显著;N1水平下不同氮效率玉米品种仅对叶转运量、叶转运率差异显著,表现为先玉335>京科968;N2水平下,先玉335与京科968的叶转运量、茎秆转运量、叶转运率、茎秆转运率、叶片贡献率、茎秆贡献率、花后物质积累贡献率差异显著。不同氮效率玉米品种干物质转运对产量的贡献在不同生态区表现不同,但在低氮水平下,京科968茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率表现较好。

表7 不同生态区玉米品种干物质转运及对产量的贡献Tab.7 Dry matter transport and its contribution to yield of different maize varieties ecological regions

2.5 不同生态区玉米品种的氮素积累分配

表8结果显示,地点、氮肥、品种对不同生态区玉米品种单株氮素积累影响达极显著水平,互作效应亦达到极显著水平。

表8 施氮量对不同生态区玉米品种单株氮素积累阶段的变化Tab.8 Changes of nitrogen application rate on nitrogen accumulation stage per plant of different maize varieties ecological regions

不同生态区玉米品种氮素积累量随着生育期的推进呈现递增趋势(图5—7)。玉米苗期氮素主要分配在叶片;拔节期氮素主要分配在叶片,其次为茎秆,这与生育期干物质变化一致;大口期氮素主要分配在叶片,其次为茎秆;吐丝期氮素主要分配在叶片,其次为茎秆,之后为苞叶+穗轴;灌浆期和成熟期氮素主要分配在籽粒,成熟期氮素在各器官分布表现为籽粒>叶片>苞叶+穗轴>茎秆。成熟期,土默特右旗先玉335籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高15.50%,31.58%,京科968籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高22.17%,18.52%,郑单958籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高13.68%,30.61%;五原县先玉335籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高13.13%,26.06%,京科968籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高37.79%,27.11%,郑单958籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高36.71%,35.68%;喀喇沁旗先玉335籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高11.31%,16.47%,京科968籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高20.36%,23.78%,郑单958籽粒氮素积累量N1和N2水平比N0水平分别提高15.98%,26.66%。

图5 土默特右旗各玉米品种氮素在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.5 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Tumed Right Banner

图6 五原县各玉米品种氮素在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.6 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Wuyuan County

图7 喀喇沁旗各玉米品种氮素在叶片、茎秆、苞叶+穗轴和籽粒中的分配情况Fig.7 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Harqin Banner

3 结论与讨论

农作物的干物质生产是光合产物在植株不同器官中积累与分配的结果,而生态条件和施氮水平及二者间的互作效应对玉米的干物质积累与分配影响显著[19]。戴明宏等[20]、李梁等[21]研究表明,生态条件对玉米干物质积累与分配影响显著。Chen 等[22]和 Teixeira 等[23]研究表明,施氮对玉米干物质的积累和分配有重要影响。本研究在内蒙古3个生态区通过不同氮效率玉米品种叶片干物质积累变化上来看,施用氮肥一定程度上可以促进玉米叶片干物质积累量的增加,这与张吉立[24-25]在早熟禾上的研究结果相似,说明玉米施用氮肥对于改善营养状况,促进叶片生长具有显著作用;从不同施氮量的影响上来看,N2处理促进效果优于其他处理,由此表明,增加氮肥施用量对促进玉米叶片干物质积累量增加具有较好的作用。从茎秆干物质积累变化上来看,增加氮肥施用量对促进茎秆干物质积累量增加效果显著,其中吐丝期 N2处理与 N1、N0 处理相比差异显著,这与叶片干物质积累变化存在差异,表明氮肥对玉米茎干物质的影响效果大于叶片;苞叶+穗轴干物质积累变化在成熟期均表现出降低的变化趋势,这可能与干物质在成熟期转移至籽粒中有关,同时 N2处理干物质积累量最高,其次为N1处理,2个处理均高于N0处理。灌浆期和成熟期干物质主要分配在籽粒,各器官所占比重依次为籽粒>茎秆>苞叶+穗轴>叶片,总干物质积累量表现为随着生育时期延后一直增加的变化趋势,这与叶片、茎秆的变化趋势不同,其原因可能与叶片、茎秆内部分营养成分在成熟期转移至籽粒内有关[26]。从不同施氮量对玉米总干物质积累变化上来看,增加氮肥施用量效果较好[27]。本研究证明,在高氮水平下,先玉335具有较高的花前干物质积累量,郑单958具有较高的花后干物质积累量。但在低氮水平下,京科968茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率表现较好。

氮素是影响农作物产量及品质最重要的营养元素之一,农作物对其吸收及利用受生态条件和氮肥的影响显著[13]。戴明宏等[20]研究表明,不同生态条件下植株氮素的积累、分配和转运存在明显差异。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[28];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[29],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[30]。本研究表明,不同生态区玉米品种氮素积累量均随着生育期的推进呈现递增趋势,成熟期氮在各器官分布表现为籽粒>叶片>苞叶+穗轴>茎秆,且植株含氮量随着生育进程的增加而增加。

干物质是玉米产量形成的基础,施氮量对玉米干物质积累、分配和转运影响显著,并且氮肥能增加玉米穗数和千粒质量[31]。徐建亭等[32]研究表明,低氮高效夏玉米品种登海605和金海604在施氮和不施氮水平下均能保持高产。氮是玉米生长发育过程中的主要肥料因子,有研究表明[33],随着施氮量的增加玉米花后的干物质积累显著提高,从而使玉米产量提高。本研究结果表明,玉米产量随施氮量的增加而增加,这与李佳等[34]的研究结果一致。玉米的产量取决于单位面积穗数、穗粒数和千粒质量的协调作用,但对玉米产量影响最大的是单位面积穗数,其次是穗粒数,而千粒质量对玉米产量的贡献相对最低[21]。本研究结果表明,地点、氮肥、品种对玉米穗数、穗粒数、千粒质量和产量影响显著,且地点对玉米籽粒穗数的影响作用最大。不同生态区玉米整体产量表现为喀喇沁旗>五原县>土默特右旗,喀喇沁旗的产量优势主要得益于较高的单位面积的穗数。

本研究通过在内蒙古不同生态条件下设置不同的氮肥水平,比较先玉335、郑单958和京科968的产量及其干物质积累、分配与转运,发现高氮高效品种郑单958具有更优良的产量表现,且具有较高的花后干物质积累量;而在低氮水平下,京科968茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率表现较好。