氮肥用量對玉米籽粒主要礦質元素質量分數的影響

黃玉芳，葉優良，陳文莉，任 寧，趙亞南，汪 洋

(1.河南農業大學 資源與環境學院/河南省農業綠色發展工程技術研究中心，鄭州 450002；2.新鄉縣朗公廟鎮人民政府，河南新鄉 453700)

玉米作為中國第一大糧食作物，種植面積占全國糧食作物的35.93%、總產量占全國糧食作物的39.16%[1]。玉米是食品、飼料和工業等產業的生產原料，對保障中國糧食安全有著重要的意義。隨著生活水平的提高，中、微量元素與人體健康的關系越來越受重視，中、微量元素對人類的生命活動起著調控作用，與健康、疾病、長壽、智力和美容等密切相關[2]。據統計，全球有超過15億成年人和約2.5億兒童表現出不同程度地缺鐵、鋅，人體缺銅也很普遍。大宗作物籽粒中的一些重要微量營養元素(如Fe、Mn、Zn、I、Se)經常缺乏或質量分數較低，亦或其生物有效性低。潛在性營養元素缺乏癥—“隱性饑餓”的威脅，增加了社會醫療保健的開支，給國民經濟發展帶來沉重負擔[3]。

中國經濟的不斷攀升必然造成人們對于糧食直接消費的下降，轉而提升對畜禽產品的需求量，這是經濟發展與食品結構變化的客觀規律[4]。飼料生產成為目前玉米加工轉化的重要途徑，2010年，飼料工業對玉米需求量達到1.53億t，飼料玉米占玉米總量87%；研究預測至2020年，飼料玉米應用比例將達到89.6%[5]。礦質元素作為動物體所必需的營養元素，直接參與機體幾乎所有的生理和生化活動，對動物的新陳代謝、生長發育及生產性能均起著極其重要的作用[6]。飼料配方中通過添加各類礦質元素以達到動物體的需要量標準，提高飼料原料中的礦質元素質量分數有利于降低營養元素添加成本，提升飼料安全性[7]。

合理施用氮肥是禾谷類作物生產中提高產量的關鍵措施，也是影響籽粒中、微量元素營養的重要因素。前人研究表明，小麥上提高氮肥投入能顯著增強籽粒中的Fe、Zn、Cu質量分數，但對籽粒Mn質量分數的影響不顯著[8]。韓證仿等[9]田間試驗數據顯示，施用氮肥可以增加玉米籽粒中Fe、Mn、Zn質量分數，過量施氮籽粒中Zn和Fe則不再增加。也有研究認為增施氮肥并不能顯著影響谷物籽粒Fe、Zn的質量分數[10-11]。在低、中肥力水平下，小麥籽粒中Zn、Mn和Cu的質量分數隨施氮量增加反而降低[12]。以上研究對于施氮影響籽粒微量元素質量分數變化的結論并不一致，主要與試驗環境和作物品種不同有關。

河南省是中國重要的糧食大省，玉米種植面積和總產量均居全國第二位，其玉米籽粒中礦質元素質量分數高低對中國群眾和動物的飲食健康產生重大影響。本試驗選用當地主栽品種‘博農118’‘浚單22’和‘鄭單958’，對氮肥用量影響玉米籽粒礦質營養元素質量分數的變化進行研究，旨在探討不同品種玉米營養元素質量分數的穩定性以及氮肥的調控效應，以期為生產品質優良和食用安全的玉米提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2017—2018年在河南省焦作市溫縣祥云鎮大尚村(34°92′ N，112°99′ E)進行，土壤為潮土，質地為粘土，播前取0～30 cm耕層土壤測試基本理化性狀，具體參數見表1。前茬作物為小麥，秸稈全部還田。

表1 耕層土壤基本理化性狀Table 1 Physicochemical characters of 0-30 cm in soil of field

1.2 試驗設計

試驗選用3個當地主栽玉米品種：‘博農118’‘浚單22’‘鄭單958’；5個施氮水平，純氮施用量分別為0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、180 kg/hm2(N180)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)。重復3次，隨機區組排列，小區面積30 m2，共計45個小區。氮肥為尿素(含純氮46%)，1/3氮肥作基施，2/3大喇叭口期開溝追施。磷鉀肥全部一次性基施，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，用量為90 kg/hm2；鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，用量為90 kg/hm2。田間管理與當地保持一致，依據墑情灌溉，3～5葉期進行化學除草，拔節期防治病蟲害。

1.3 樣品采集與測定

成熟期選取各處理中間4行人工連續收獲40株玉米，曬干后脫粒稱量，籽粒含水量均以國家商品糧貯藏標準含水量13%折算。采用濃HNO3-HClO4混合酸液(體積比4∶1)進行聯合消煮，消煮至白色透明狀。溶液定容過濾后，用ICP-OES(Optima 2100DV)測定待測液中各種礦質營養元素質量分數[13]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件對數據進行處理統計分析，通過Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 氮肥用量對玉米籽粒產量及其構成因素的影響

不同品種玉米產量對氮肥的響應不一致，‘博農118’在施氮量達180 kg/hm2時，產量達到最高值，繼續增施氮肥產量開始降低；‘浚單22’和‘鄭單958’的籽粒產量在各施氮處理下差異不顯著(圖1)。相比不施氮處理，施氮后3個玉米品種的籽粒產量均顯著增加，其中‘博農118’增幅最大為84.8%，其次為‘鄭單958’達到 33.1%，‘浚單22’的增幅最小為31.2%。

2.2 氮肥用量對玉米籽粒大量元素質量分數的影響

不同玉米品種，其籽粒中N、P、K質量分數基本一致。隨施氮量增加，玉米籽粒中N質量分數也隨之上升，高氮下玉米產量難以繼續提高，但并不影響籽粒中N的積累(圖2)。與N質量分數不同，籽粒中P質量分數在品種‘浚單22’和‘鄭單958’上表現為隨施氮量增加而降低的趨勢，‘博農118’籽粒的P質量分數隨施氮量增加變化并不顯著。同一玉米品種，籽粒的K質量分數并不受施氮量的影響。

2.3 氮肥用量對玉米籽粒中、微量元素質量分數的影響

隨施氮量增加，籽粒中Ca質量分數也隨之上升，相比N0處理，施氮后最大增幅為13.6%；另一個中量元素Mg則不受施氮量的影響。籽粒中微量元素質量分數對氮肥用量響應不同，Fe、Cu、Zn和B隨施氮量增加呈上升趨勢，施氮后最大增幅分別達到35.5%、37.6%、18.3%和 98.8%；與其他微量元素不同，籽粒Mn質量分數受氮肥投入量影響較小(表2)。

不同玉米品種間籽粒中、微量元素質量分數差異很大，以籽粒含Fe量變異系數(標準差/均值)最高，達到14.2%，其后依次為Cu(13.9%)、B(13.7%)、Mn(11.7%)、Ca(6.6%)、Zn (6.3%)，Mg(1.7%)的變異系數最低。‘浚單22’籽粒中Ca、Mg、Fe、Mn都顯著高于‘鄭單958’和‘博農118’，此外‘博農118’籽粒中Cu質量分數明顯高于‘鄭單958’。

同一品種不同字母表示在0.05水平上差異顯著(LSD)，下同

圖2 不同施氮水平下3個玉米品種籽粒的N、P、K質量分數Fig.2 N,P,K mass fractions of three maize cultivars under different nitrogen levels

2.4 玉米籽粒中礦質元素質量分數相關性分析

玉米籽粒產量與其體內N、B質量分數呈顯著正相關關系，而與P、K、Mn質量分數呈顯著負相關關系(表3)。籽粒中各微量及常量礦物質元素質量分數間存在一定的相關性和依存關系，不同礦質元素質量分數間多表現為不相關或者正相關，只有N與K、Mn，P與Cu、B質量分數間呈顯著負相關關系。除N、P、Mg外，籽粒中Ca質量分數與其他元素均呈顯著正相關關系，表現出良好的協同效應。

2.5 氮肥用量對玉米籽粒Ca、Mg、Fe、Zn生物有效性的影響

P素與籽粒中Ca、Mg、Fe和Zn易形成植酸鹽，P/Ca、P/Mg 、P/Fe、P/Zn值越高則表明人體可吸收利用的元素有效性越低。隨氮肥用量增加，不同玉米品種其籽粒P/Ca、P/Mg、P/Fe和P/Zn值均表現為逐漸下降的趨勢。相比N0處理，N360處理下P/Fe值的降幅最大，達到 31.9%；其次為P/Zn、P/Ca降低了21.8%、 18.3%；P/Mg值的降幅最小，僅為6.3%(表4)。‘鄭單958’籽粒P/Ca、P/Fe、P/Zn值顯著高于‘浚單22’；‘博農118’籽粒P/Fe值顯著高于‘浚單22’；品種間P/Mg值無明顯差異。

表2 不同施氮水平下3個玉米品種籽粒的中、微量元素質量分數Table 2 Medium and trace element mass fractions of three maize cultivar under different nitrogen levels mg/kg

表3 玉米籽粒中礦質元素質量分數與產量間相關性分析Table 3 Correlation coefficients between mineral elements mass fraction and yield of maize grains

表4 不同施氮水平下3個玉米品種籽粒中P/Ca、P/Mg、P/Fe和P/Zn值Table 4 Ratios of P/Ca, P/Mg, P/Fe and P/Zn in grains of three maize cultivars under different nitrogen levels

3 討 論

施用氮肥提高了玉米籽粒產量，本研究中，施氮量超過180 kg/hm2之后，繼續增施氮肥則產量增加不明顯，品種‘博農118’甚至表現出減產。施氮在提高玉米籽粒產量同時加強了植株對礦質元素的吸收，但并不一定會提高籽粒中該礦質元素的質量分數，這與不同元素在植株體內的分配與轉運機制差異有關[14]。本試驗結果表明，大量元素N，中量元素Ca，以及微量元素Fe、Cu、Zn、B在籽粒中都表現為隨施氮量增加而上升，Fe、Cu、Zn等對氮肥的響應與李峰等[15]在小麥上的研究結果一致。此外，本研究發現玉米中P質量分數隨施氮量增加而呈下降趨勢，這與周樺等[16]的研究結果是一致的，楊夢雅等[17]研究則認為籽粒P質量分數受氮肥用量影響不大；籽粒中、微量元素Mg和Mn質量分數對氮肥施用不敏感，這與郝虎林等[18]結果不同。可見，除施肥外籽粒中礦質元素質量分數受作物基因型影響也很大。本研究中，除大量元素(N、P、K)和微量元素B外，‘浚單22’籽粒的Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等礦質元素質量分數均高于‘鄭單958’。不同品種間籽粒Fe的質量分數變異系數(14.2%)最高，其次為Cu(13.9%)、B(13.7%)、Mn(11.7%)、Mg(1.7%)的變異系數最低，這與張勇等[13]通過分析240個北方小麥籽粒礦質元素質量分數得到的排序結果高度吻合。未來，選擇推廣和種植籽粒微量元素質量分數較高的糧食作物可能是解決地區性居民微量元素缺乏癥最經濟、健康的有效途徑。

本研究中，籽粒N、B質量分數與產量間表現出顯著正相關關系，而K、Mn質量分數與產量間呈顯著負相關，說明籽粒干物質增加對K、Mn的稀釋效應要大于對它們的吸收。此外，各礦質元素間存在一定的相關性，表明元素質量分數間可能存在著某種程度的依存關系，這與Graham等[19]的研究結果一致。除礦質元素質量分數高低外，元素的生物有效性亦是決定食用者吸收養分的關鍵因素。研究發現，禾谷類籽粒中全磷的65%～90%是以植酸磷形態存在，植酸與谷類作物中Ca、Mg、Fe和Zn有著較高的親和力，形成不能被人和非反芻動物吸收利用的植酸鹽，因此P/Zn、P/Fe等常作為評價這些元素有效性的標志[20]。本研究中，施氮提高玉米籽粒Ca、Fe和Zn質量分數的同時，降低了P/Ca、P/Mg、P/Fe、P/Zn的值，比值越低則表明微量元素的生物有效性越高。與本研究結果不同，韓證仿等[9]的研究結果顯示籽粒Zn、Fe的質量分數隨施氮量增加而上升，P/Zn、P/Fe值隨施氮量增加也在升高(即Zn、Fe的生物有效性在不斷降低)，該比值的升高可能與施氮后玉米籽粒P素質量分數大幅增加有關。

中國玉米應用于飼料產業的比例已經遠遠超過了做口糧的需求，與表5畜禽營養標準微量元素日需要量相比，本試驗條件下玉米籽粒中Fe質量分數相當于產奶牛需要量的168.7%、產蛋雞需要量的42.2%、生長豬需要量的50.6%；籽粒中Mn質量分數相當于產奶牛需要量的 32.5%、 產蛋雞需要量的6.5%、生長豬需要量的195.0%；玉米中Cu質量分數相當于產奶牛需要量的26.0%、產蛋雞需要量的32.5%、生長豬需要量的74.2%；玉米中Zn質量分數相當于產奶牛需要量的46.8%、產蛋雞需要量的23.4%、生長豬需要量的37.4%。本研究中，玉米籽粒Fe、Mn、Cu、Zn 4種微量元素的質量分數，除個別情況外，大部分相當于畜禽營養標準中需要量的30%～40%，甚至有些情況已經超過其需要量。通過氮肥提高玉米籽粒礦質元素質量分數后，可以有效減少外源礦質元素添加劑的使用，進而保證飼料安全性，降低飼料成本，提高養殖效益[7]。

表5 畜禽日糧中微量元素需要量Table 5 Trace element requirements in livestock and poultry diets mg/kg

4 結 論

‘浚單22’籽粒中各種礦質元素質量分數都較高，適合于微量元素缺乏癥多發地區推廣種植。籽粒中各微量及常量礦物質元素質量分數間都存在一定的相關性和依存關系，且多表現為不相關或者正相關。施氮不僅可以提高玉米籽粒產量，同時改善了籽粒多種礦質元素質量分數。籽粒中Ca、Mg、Fe和Zn生物有效性的增強進一步說明了合理施氮的必要性。