滴灌水肥一体化下施氮量和追氮时期对夏玉米籽粒品质及淀粉糊化特性的影响

刘帅 徐学欣 孟繁港 徐宇凡 郝天佳 贾靖 张玉璐 赵长星

摘 要 为探究黄淮海平原东部地区滴灌水肥一体化条件下，不同施氮量及追氮时期组合对夏玉米籽粒品质、淀粉糊化特性和产量的影响，选用玉米主推品种‘郑单958为试验材料，设置施氮量180 kg/hm2（N1）和 210 kg/hm2（N2）两个氮肥处理水平及拔节期+大喇叭口期（W1）、拔节期+开花期（W2）、拔节期+大喇叭口期+开花期（W3）3个不同追肥时期组合。结果表明：拔节期+大喇叭口期+开花期追肥处理（N1W3、N2W3）籽粒淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量和产量显著高于其他处理，籽粒粗脂肪含量显著低于其他处理。相关性分析表明：籽粒支链淀粉含量与峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回复值、粗蛋白含量、可溶性糖含量呈显著正相关，与糊化溫度、峰值时间、粗脂肪含量呈显著负相关。增加追氮频次改善籽粒直链淀粉与支链淀粉的比例和淀粉的糊化特性，提高了籽粒品质。N1W3与N2W3相比，籽粒品质与淀粉糊化特性差异不显著，但是N1W3处理减少氮肥的投入，节约投入成本，为本试验的推荐处理。

关键词 滴灌水肥一体化；夏玉米；施氮量；追氮时期；籽粒；品质；糊化特性；产量

玉米已连续多年作为中国第一大粮食作物，约占粮食种植总面积的35%，其产量接近全年粮食总产量的40%，在中国农业生产、食品、饲料加工中占有十分重要地位[1-2]。氮肥对夏玉米籽粒品质有着显著的影响，适量增加施氮量能够显著增加玉米籽粒的粗蛋白含量和产量[3]，但是关于氮肥对玉米籽粒淀粉含量的作用存在不同观点，有研究表明氮肥对玉米籽粒淀粉含量作用不显著[4]，也有研究表明在一定范围内，增加氮肥施用量能够显著增加玉米籽粒的淀粉含量[5-6]。不少学者研究认为在一定范围内增加施氮量能够提高玉米籽粒可溶性糖含量，降低粗脂肪含量，但是过量施氮不但不会提高玉米籽粒的品质，还会造成玉米贪青晚熟，造成资源浪费[6-8]。淀粉糊化特性决定玉米籽粒淀粉的应用品质，对玉米淀粉加工利用非常重要[9]。有研究表明玉米籽粒淀粉糊化特性与淀粉含量相关[10]，在一定范围内增加氮肥使用可以改善玉米籽粒淀粉糊化特性，改善品质[5，11]。为此，品质改善已成为玉米研究的一项重要内容。

黄淮海地区是中国重要的玉米种植区，该地区全年降雨分布不均，要保证玉米籽粒品质仍需一定灌溉[12]，分次追肥能够显著改善玉米籽粒品质，但是与该地区劳动力紧张问题冲突[13]。目前，为提高产量，过度施用氮肥在农业生产中已经非常普遍，黄淮海地区夏玉米田平均施氮量已接近300 kg/hm2，但其氮肥利用率仅为 16%～40%，这导致了资源的浪费，造成了环境污染 [14-16]。滴灌水肥一体化技术能够将水分和养分直接输送至作物根区，是提高养分和水分利用效率，减少资源浪费的有效方法[17]。玉米作物对肥料需求量大，目前传统的施肥方式费时、费工、低效、污染，因此，寻求适于该地区夏玉米高产优质高效的合理施肥技术与方法具有重要的意义。

前人研究主要侧重于黄淮海平原冬小麦-夏玉米轮作区传统的施氮方式对夏玉米籽粒品质的影响，但是在滴灌追肥条件下，施氮量和追氮时期组合对夏玉米籽粒品质及淀粉糊化特性的研究鲜见报道。本试验基于滴灌水肥一体化技术条件下，采用田间试验，设置两个氮肥梯度、3个不同追肥时期，系统探究不同施氮量和施氮时期组合对夏玉米籽粒品质的影响，以期为黄淮海平原东部夏玉米生产区滴灌水肥一体化高效调控与应用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年6月至2021年10月两个玉米生长季在青岛农业大学胶州现代农业示范园（35.53° N，119.58° E）进行，该地属半湿润季风气候，土壤类型为砂姜黑土。2020年土壤基本理化性质为：有机质17.0 g/kg，土壤pH 7.7，碱解氮122.5 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效钾134 mg/kg；2021年土壤基本理化性质为：有机质16.7 g/kg，土壤pH 7.6，碱解氮117.3 mg/kg，速效磷16.7 mg/kg，速效钾133 mg/kg。2020年玉米全生育期降雨量为638.2 mm（丰水年），2021年玉米全生育期降雨量为387.8 mm（平水年），2020年和2021年玉米生育期降雨量分布见图1。

1.2 试验设计

选用夏玉米品种‘郑单958为试验材料， 试验氮肥处理设置180 kg/hm2（N1）、210 kg/hm2（N2）两个水平；追肥时期设置拔节期+大喇叭口期（W1）、拔节期+开花期（W2）和拔节期+大喇叭口期+开花期（W3）3个不同时期组合；设置施氮量240 kg/hm2，传统畦灌为对照处理CK1、CK2，CK1处理在拔节期一次性追施氮肥，CK2在拔节期和大喇叭口期追施氮肥，共计8个处理，具体设计见表1。试验地每小区长60 m，宽5.2 m，小麦收获后进行贴茬直播，夏玉米行距60 cm，种植密度均为75 000株/hm2，滴灌带一管一行铺放。试验田采用复合肥（N∶P∶K=15∶  15∶15）底施纯氮、K2O和P2O5各90 kg/hm2，肥料随播种错行施入，其余追施氮肥为普通尿素（含氮46%），氮肥随灌水等量分次追施，每小区定量灌溉5 mm，灌水量以水表记录。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 籽粒品质测定 玉米粉的制备：将筛选除杂好的玉米籽粒放入小型高速粉碎机（RT02B型）中，磨碎后过100目筛得玉米粉。淀粉含量及其组成的测定：参照北京索莱宝科技有限公司直链淀粉、支链淀粉测定试剂盒中的相关方法，采用可见光分光光度法[18]测定玉米籽粒中直链淀粉和支链淀粉含量，总淀粉含量=直链淀粉含量+支链淀粉含量。粗蛋白含量的测定：参照何照范[18]方法，采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量，粗蛋白含量=籽粒全氮含量×6.25。可溶性糖含量的测定：参照刘新等[19]的方法，采用蒽酮-硫酸比色法测定玉米籽粒可溶性糖含量。粗脂肪含量的测定：参照朱新产等[20]的方法，采用索氏提取法测定玉米籽粒粗脂肪含量。

1.3.2 籽粒淀粉糊化特性的测定 取成熟期籽粒50 ℃烘干磨碎，过100目筛，称取3 g玉米面粉（根据样品的实际水分，按14%水分校正以确定样品用量），放入快速黏度分析仪 （RVA-TM型）的铝盒中，再加入25 mL的蒸馏水，用搅拌器搅拌均匀，旋入仪器进行测定。采用Std 1升温程序测定，开始10 s内搅拌器转速为960 r/min，之后保持160 r/min；铝盒内温度开始时为50 ℃，在3.7 min内上升至95 ℃，并保持2.5 min，然后在3.8 min内下降至50℃，在13 min结束程序。

1.3.3 籽粒产量及其构成要素测定 于玉米成熟期采用人工收获的方式，每个重复选取5 m均匀的玉米3行（9 m2）果穗，每个处理重复3次，自然干燥用于室内考种，主要测定穗数、穗行数、  行粒数、百粒质量，产量按照籽粒14 %含水量  计算。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019对数据进行计算，用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析，Origin 2021软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米籽粒品质的影响

由表2可知，追氮频次对夏玉米籽粒品质有显著影响。增加追氮频次可以显著增加玉米籽粒支链淀粉、总淀粉、粗蛋白、可溶性糖含量，改善玉米籽粒直链淀粉/支链淀粉，降低籽粒粗脂肪含量，提高籽粒品质。在滴灌相同追氮时期条件下，两种氮肥梯度差异并不显著，两年规律一致。2020年，N1W3、N2W3处理籽粒总淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量较CK1处理分别增加6.42%、6.88%，25.07%、24.79%，20.00%、  19.55%，N1W3、N2W3处理粗脂肪含量、直链淀粉/支链淀粉较CK1处理均降低12.76%和  27.78%；2021年，N1W3、N2W3处理籽粒总淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量较CK1处理分别增加  6.34%、6.43%、15.49%、11.28%、  19.67%、20.15%，N1W1、N2W2处理粗脂肪含量、直链淀粉/支链淀粉较CK1处理分别降低14.74%、14.94%和  20.41%、20.41%。表明增加追氮频次可以满足玉米不同生育期对氮肥的需求，维持籽粒较高地合成淀粉和蛋白质，改善了籽粒淀粉构成因素，从而改善夏玉米籽粒品质；增加追氮频次还能减少氮肥的投入，避免大水大肥，实现玉米高效生产。

2.2 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米籽粒淀粉糊化特性的影响

如表3所示，在拔节期、大喇叭口期和开花期追施氮肥可以显著增加玉米籽粒淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回复值，显著降低糊化温度和峰值时间，两年变化趋势相同。说明分次追施氮肥能够增加玉米籽粒淀粉的峰值黏度，增加淀粉的粘滞性；增加玉米籽粒淀粉的崩解值和回復值，使籽粒淀粉在高温和室温下更加稳定；降低糊化温度，加快达到峰值黏度所需时间，使玉米淀粉更容易糊化，改善了玉米籽粒淀粉糊化性质。

2.3 相关性分析

相关性分析（表4和表5）表明：玉米籽粒中直链淀粉含量与峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回复值、粗蛋白含量、可溶性糖含量成显著负相关，与糊化温度、峰值时间、粗脂肪含量成显著正相关；支链淀粉含量与峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回复值、粗蛋白含量、可溶性糖含量成显著正相关，与糊化温度、峰值时间、粗脂肪含量成显著负相关，两年规律一致。说明玉米籽粒中支链淀粉含量越高，玉米籽粒淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度和回复值就越高，糊化温度越低，峰值时间越短。

2.4 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米籽粒产量及其构成因素的影响

夏玉米籽粒产量及其构成因素如表6所示，在相同施氮量下，增加追氮时期能够提高夏玉米籽粒穗行数、行粒数、百粒质量和产量。进一步分析表明：N1W3、N2W3处理穗行数、行粒数高于其他处理，但二者差异不显著；增加追氮时期能够显著提高玉米籽粒百粒质量和产量，N1W3、N2W3处理籽粒百粒质量和产量最高且显著高于其他处理，表明增加追氮时期可以维持较高的玉米籽粒百粒质量，达到节约氮肥的目的，增加追氮时期能够增加籽粒的穗行数和行粒数，进而增加产量。

3 讨  论

3.1 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米籽粒品质的影响

氮肥对玉米籽粒品质有显著影响，前人研究表明玉米籽粒粗蛋白含量随施氮量的增加而增加[21]，吴元奇等[1]研究表明适量减氮缓控释氮肥可以增加玉米籽粒粗蛋白的含量，达到节约氮肥的目的，但施氮量对玉米籽粒淀粉和脂肪含量结果存在争议[3，6，22-24]。这可能是氮素影响植株内化合物的合成有关，减少施氮量导致植株体内碳氮代谢减弱，蛋白质合成途径受阻，降低蛋白质的含量[25]，蔗糖是合成籽粒蛋白质和淀粉的原料，蛋白质合成受阻会减少蔗糖的消耗，从而增加籽粒淀粉的含量[23]，而过量施氮并不利于增加玉米籽粒蔗糖和淀粉含量，反而增加粗脂肪含量[26]。本研究发现：在滴灌条件下，适量减氮增加追氮频次可以满足玉米对氮素的需求，提高籽粒粗蛋白、淀粉和可溶性糖含量，优化直链淀粉和支链淀粉的比例，降低直/支和粗脂肪含量，达到节水节肥改善品质的目的，但减少追氮频次籽粒品质略有下降，这支持了前人研究的观点。

3.2 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米籽粒淀粉糊化特性的影响

糊化特性影响着玉米籽粒的稳定性和加工的方向，前人研究表明玉米籽粒淀粉糊化特性受氮肥调控影响，玉米籽粒淀粉糊化特性与淀粉粒大小有关，追氮和补灌可以增加大淀粉粒所占体积，籽粒支链淀粉和总淀粉含量越多[5，27]。本研究表明增加追氮频次可以增加玉米籽粒支链淀粉和总淀粉含量，改善玉米籽粒淀粉的糊化特性，降低糊化温度，缩短糊化时间；滴灌条件下，两次追肥处理籽粒淀粉的糊化特性差异并不显著。N1W3、N2W3处理与CK1相比，玉米籽粒淀粉的粘滞性增加，增加了玉米籽粒的冷热稳定性，改善了籽粒淀粉的糊化特性。

3.3 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米产量及其构成因素的影响

产量构成因素之间的协调发展是实现玉米高产高效的基础，前人研究表明适量增施氮肥和氮肥后移能够提高玉米产量，氮肥对作物的增产主要表现在作物的有效穗数、穗粒数和千粒质量上[28-29]。本研究发现：在滴灌水肥一体化条件下，增加追氮时期可以显著提高玉米籽粒的穗行数和行粒数，提高籽粒百粒质量，这与前人研究规律一致。本研究还发现：在滴灌水肥一体化条件下，适量减氮、增加追氮时期可以维持较高的穗行数、行粒数和百粒质量，满足玉米不同生育期对氮肥的需求，达到节约氮肥、稳产增产的目的。

4 结  论

与传统畦灌常规施肥处理相比，在滴灌水肥一体化条件下，拔节期、大喇叭口期、开花期分次追施氮肥处理（N1W3、N2W3）通过增加追肥频次，提高了籽粒淀粉、粗蛋白、可溶性糖含量，降低籽粒粗脂肪含量，改善籽粒直/支和淀粉的糊化特性，降低籽粒淀粉的糊化温度和峰值时间，使玉米粉更容易糊化。相关性分析表明：玉米总淀粉和支链淀粉含量增加，籽粒淀粉更容易糊化且更加稳定。增加追氮频次可以显著提高玉米籽粒的穗行数和行粒数，维持籽粒较高的百粒质量，从而增加玉米籽粒产量。N1W3与N2W3相比各指标差异并不显著，但N1W3减少了氮肥的投入，维持了较高的籽粒品质与产量，本研究结果为黄淮海平原东部夏玉米生产区滴灌水肥一体化高效调控与应用技术提供理论依据。

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Effects of  Nitrogen Fertilization Application and Topdressing Period on Grain Quality and Starch Pasting Properties of Summer Maize under Drip Irrigation

Abstract The effects of nitrogen fertilization application and topdressing period on grain quality and starch pasting properties of summer maize under drip irrigation were investigated.Variations in maize grain quality and pasting properties arise from differences in amino acid supply，protein synthesis capacity，and starch content resulting from different fertilization methods.In this study，multiple combination of nitrogen fertilization application and topdressing period were applied to explore the its effects on grain quality，starch pasting properties and yield of summer maize under drip irrigation with water-and-fertilizer integration in the eastern part of Huanghuaihai plain.An elite maize hybrid ‘Zhengdan 958   was treated with two nitrogen levels of 180 kg/hm2 （N1） and 210 kg/hm2 （N2） at three combinations of different topdressing periods，namely，jointing stage + belling stage （W1），jointing stage + flowering stage （W2），jointing stage + belling stage + flowering stage （W3）.The results showed that the kernel starch content，crude protein content，soluble sugar content and grain yield of the topdressing treatments （N1W3，N2W3） were significantly higher than those of other treatments，while the crude fat content of the grain was significantly lower than that of the other treatments.Correlation analysis showed that amylopectin content was positively correlated with peak viscosity，trough viscosity，breakdown，final viscosity，setback，crude protein content and soluble sugar content，but negatively correlated with pasting temperature，peak time and crude fat content.The ratio of amylose to amylopectin and pasting properties of starch were improved by increasing the frequency of nitrogen chasing，and grain quality was improved sequentially.Furthermore，N1W3 is recommended due to the lower cost with the reduction of nitrogen fertilizer application and comparable significant impacts on grain quality and starch gelatinization with N2W3.

Key words Water and fertilizer integration under drip irrigation; Summer corn; Nitrogen fertilization application;Topdressing period；Grain; Quality; Pasting  properties; Yield