施用氮鋅肥對不同夏玉米品種干物質和氮鋅元素累積分配的影響

張盼盼，邵運輝，劉京寶，喬江方，李 川，張美微，趙 霞，黃 璐

(1.河南省農業科學院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002；2.河南省農業科學院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

鋅是人、動物和植物生長發育必需的微量元素之一，人體缺鋅會降低免疫功能，影響身體發育，導致視力下降和加速衰老等。通過現代生物技術和農業措施來增加糧食作物中可食用部分的鋅含量，是改善作物鋅營養和人體營養的有效方法之一[1-2]。我國是世界上第二大玉米生產國，目前國內約有51.5%的土壤存在缺鋅問題[3-4]，玉米籽粒鋅含量普遍偏低。張躍強[5]研究發現，籽粒中鋅含量平均僅為11.8 mg/kg，遠低于玉米籽粒鋅的生物強化目標值38 mg/kg[6]。施用鋅肥被認為是一個在短期內能夠有效提高玉米籽粒鋅含量和有效性、改善人體鋅營養狀況的可行措施[7]。

葉面噴施鋅肥是一種直接、高效的方法。在玉米拔節期、大口期和吐絲期等關鍵時期，噴施質量分數控制在0.4%內的七水硫酸鋅，效果較為明顯[8]。研究發現，噴施鋅肥后，玉米植株花期葉片保護酶活性提高，植株的抗旱性增強，對鋅素的吸收和向籽粒的分配增加，果穗凸尖長降低，籽粒鋅含量顯著增加，氮、磷的吸收利用能力增強，玉米的營養品質得以改善[9-10]。施用氮肥是提高玉米產量的重要措施，氮鋅肥配施對玉米生長有顯著的影響[11]。一般認為，氮鋅配施能夠顯著增加植株地上部和籽粒中的鋅累積量，其效果大于單施氮肥或鋅肥。株高、果穗長、穗粒數、千粒質量和籽粒產量隨氮、鋅肥用量的增加而增加。但當施氮量過多時，籽粒中的鋅含量顯著降低[12-13]。

黃淮海地區是我國重要的玉米生產區，提高該區夏玉米籽粒的鋅含量和生物有效性對于我國夏玉米品質的改善具有重要意義。目前，關于施用氮鋅肥對黃淮海地區玉米影響的研究，大多集中于籽粒產量和氮、鋅含量及累積量方面，對于植株各部位氮、鋅含量和累積分配及其在不同氮鋅條件下的變化規律研究鮮見報道。為此，本研究采用大田試驗，選取在農業生產中具有代表性的2個玉米品種，研究其在不同氮、鋅條件下植株干物質量動態變化，植株各器官的氮、鋅含量和累積分配規律，分析籽粒產量差異，探討籽粒產量和植株各部位氮、鋅含量間的關系，以期為改善玉米鋅營養品質和優化生物強化措施提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在河南省原陽縣河南省農業科學院現代農業科技示范基地(35°0′17″N，113°42′4″E)進行。供試土壤為黃褐土，玉米播種前，采用S形五點取樣法取耕層土壤基礎樣品，充分混合后測定基本化學性質：全氮0.67 g/kg，堿解氮44.2 mg/kg，速效磷36.1 mg/kg，速效鉀161.0 mg/kg，有機質21.6 g/kg，pH值8.84，DTPA-Zn 1.29 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用再裂區設計，主因素為3個施氮水平，分別為90，180，225 kg/hm2，設定為N1、N2、N3處理；副因素為2個噴施鋅肥處理，包括0，4.5 kg/hm2ZnSO4·7H2O，設定為Zn0和Zn1；副副因素為2個玉米品種，分別為鄭單958和谷神玉66，設定為ZD958和GSY66。共12個處理，每個處理重復3次，共36個小區，每小區為6行，行長5 m。種植密度為7.5 萬株/hm2。試驗時間為2020年6月14日至10月10日。

氮、磷、鉀肥分別為尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P2O5含量12%)、硫酸鉀(K2O含量52%)，磷、鉀肥施肥量均為折純后100 kg/hm2。尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期2次追施，磷、鉀肥均基施，ZnSO4·7H2O為噴施，噴施質量分數為0.25%，分別在玉米苗期、拔節期和吐絲期各噴施1次，每次按600 L/hm2噴施，對照噴施相同量的蒸餾水，時間選擇在無雨的下午或傍晚，以保證噴施效果。

玉米生育期內的其他田間管理措施與當地大田生產保持一致，每項管理措施需在同一天內完成。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 氮、鋅含量 于玉米吐絲期，吐絲后10，20，30，40 d和成熟期，分別在每小區選取3株長勢一致的有代表性植株，取地上部樣品，分為莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒等部分，殺青后85 ℃烘至恒質量，稱質量。將成熟期樣品粉碎，裝入自封袋中，室內采用凱氏定氮法測定樣品氮含量，原子吸收法測定樣品鋅含量。

1.3.2 產量 每小區取中間2行玉米全部收獲，隨機選取15穗進行考種，曬干后脫粒，測定籽粒含水量和質量，計算籽粒產量。

1.4 數據處理

器官元素累積量=器官干物質量×元素含量

①

器官養分比例=器官養分累積量/植株元素總累積量×100%

②

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22統計分析軟件對數據進行處理與統計分析，采用LSD法和Duncan′s法進行方差分析和多重比較，顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 施用氮鋅肥對夏玉米籽粒產量的影響

施用氮鋅肥對不同玉米品種籽粒產量的影響如圖1所示。從圖1可以看出，N2和N3處理下玉米籽粒產量平均分別為9.77，10.42 t/hm2，二者差異不顯著，但較N1平均增加18.0%。施鋅處理對籽粒產量的影響不顯著，GSY66籽粒產量為9.40 t/hm2，較ZD958降低3.7%。對于各處理來說，除N3 Zn1 GSY66外，N2和N3下各處理的籽粒產量之間差異不顯著，以N1Zn0GSY66和N1Zn1GSY66產量最低，平均約為8.35 t/hm2。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。The different lower alphabet means significant difference at 0.05 level.

2.2 施用氮鋅肥對植株干物質累積和分配的影響

從圖2可以看出，灌漿期各處理干物質累積量的變化，結果表明，隨著生育時期的推進，植株干物質累積量顯著增加，吐絲期干物質量平均約為5.8 t/hm2，在吐絲后30 d迅速增加至16.9 t/hm2，成熟期高達19.9 t/hm2。3個施氮處理間差異明顯，其中N3處理在整個灌漿期的干物質量較高，與N1、N2間的差異分別在吐絲后20 d和30 d達最大。Zn0和Zn1處理間的干物質量無明顯差異；2個品種間，以ZD958干物質量較高，成熟期ZD958較GSY66高出29.2%。各個處理間，以N3Zn1ZD958的干物質量較高，尤其是在灌漿中后期表現出明顯優勢。

圖2 施用氮鋅肥對不同玉米品種灌漿期干物質累積量的影響Fig.2 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter accumulation of different maize cultivars in the grain filling stage

從圖3可以看出，成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒的干物質量分別占植株的17.5%，12.5%，6.1%，6.5%，4.5%和52.9%。N2處理下莖和苞葉的干物質量分配比例較N1和N3高，N1處理的鞘、穗軸和籽粒的干物質量分配比例相對較高。不同器官的干物質量分配比例在2個施鋅處理間的差異不明顯；2個品種間則表現為ZD958莖和苞葉的干物質分配比例較GSY66低，而籽粒則相對較高。各個處理間，莖的干物質分配比例在N2 Zn0 GSY66下最高為27.0%，籽粒分配比例則以N3 Zn0 ZD958最高，為62.8%，以N2 Zn1 ZD958最低，為41.9%。

圖3 施用氮鋅肥對不同玉米品種成熟期各器官干物質分配比例的影響Fig.3 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.3 施用氮鋅肥對成熟期植株氮鋅元素累積和分配的影響

由表1可知，成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中氮含量平均分別為4.6，13.0，4.6，2.9，3.8，13.4 g/kg，各器官的氮含量在施氮處理下表現為N3、N2>N1，ZD958的莖和穗軸中氮含量平均值均高于GSY66，而葉、鞘和籽粒中的平均氮含量則均低于GSY66，其中ZD958籽粒平均氮含量為12.3 g/kg，較GSY66低8.9%。各處理表現為N3 Zn1 ZD958處理下葉和苞葉中氮含量最高，而N2 Zn1 GSY66下籽粒氮含量最高，為17.1 g/kg。成熟期莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中鋅含量平均分別為27.4，41.6，25.4，31.2，24.6，25.6 mg/kg，施氮處理表現為N3處理下莖中鋅含量較高，為33.9 mg/kg，葉中鋅含量表現為N2、N3>N1，鞘、苞葉和籽粒中的鋅含量以N1處理最高。除莖外，其他各器官中鋅含量在施鋅處理下均表現為Zn0

表1 施用氮鋅肥對不同玉米品種成熟期各器官氮鋅含量的影響Tab.1 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc concentration in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

圖4顯示了施用氮鋅肥對成熟期各器官氮、鋅累積量的影響。由圖4-A可知，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒氮素累積量平均分別為17.04，33.28，5.40，3.86，3.44，138.60 kg/hm2，施氮處理以N2處理下的莖、鞘和苞葉中氮累積量最高，N3處理下葉和籽粒中氮累積量最高分別為41.32，163.50 kg/hm2；Zn1處理下莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒中氮累積量分別為20.66，35.71，6.16，4.67，4.23，138.33 kg/hm2，均高于Zn0處理；2個品種間以ZD958中各器官氮累積量最高。圖4-B顯示，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒鋅累積量平均分別為84.84，101.35，30.34，40.28，21.59，264.60 g/hm2。施氮處理以N2處理下莖、穗軸和苞葉鋅累積量最高，N3處理下葉和籽粒中鋅累積量較高；各器官鋅累積量在不同施鋅處理下均表現為Zn1>Zn0，其中以穗軸和苞葉的增幅較大；GSY66的莖、葉和苞葉中鋅累積量較高，而ZD958鞘、穗軸和籽粒中的鋅素累積量較高。

圖4 施用氮鋅肥對不同玉米品種成熟期各器官氮鋅累積量的影響Fig.4 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc accumulation in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

不同處理下各器官氮鋅分配比例結果如圖5所示。從圖5-A可以看出，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒氮分配比例分別為7.94%，15.95%，2.72%，1.97%，1.72%，69.69%，施氮處理以N2處理下莖和苞葉中氮分配比例最高，而N1處理中穗軸和籽粒氮分配比例較高。Zn1下籽粒氮分配比例為67.32%，較Zn0處理降低6.93百分點，而其他各器官中氮分配比例則以Zn1處理較高；2個品種比較，ZD958莖和穗軸中氮素分配比例較高，而GSY66葉中氮素分配比例較高。圖5-B顯示，莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒鋅素分配比例分別為15.68%，18.33%，5.45%，7.35%，3.87%，49.31%。施氮處理以N3處理莖和葉中鋅素分配比例較高，而N1處理下籽粒中鋅素分配比例較高為56.19%；Zn1下籽粒鋅素分配比例為45.58%，較Zn0降低6.86百分點，其他器官中鋅素分配比例均表現為Zn1>Zn0；2個品種間比較，ZD958籽粒鋅分配比例為55.07%，較GSY66增加8.02百分點，莖和葉中鋅素分配比例則表現為ZD958小于GSY66。

圖5 施用氮鋅肥對不同玉米品種成熟期各器官氮鋅分配比例的影響Fig.5 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.4 籽粒產量和各器官氮鋅含量相關性

玉米籽粒產量和植株各器官中氮、鋅含量的相關性分析結果如表2所示。籽粒產量和莖、葉、籽粒中的氮含量呈顯著正相關(r值分別為0.655，0.617，0.424)，葉片中鋅含量和鞘、籽粒中的氮含量相關關系也分別達顯著(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01)，苞葉中氮含量與鞘、穗軸和苞葉中鋅含量的正相關關系達顯著或極顯著水平，r值分別為0.597，0.744，0.791，穗軸中的氮、鋅含量之間存在顯著正相關關系，而籽粒中氮、鋅含量的相關性不顯著。

表2 玉米籽粒產量和植株各器官中氮鋅含量的相關性分析Tab.2 Correlation analysis between the grain yield，N and Zn concentration in each organ of maize

3 結論與討論

3.1 施鋅對玉米植株鋅累積分配的影響

研究表明，玉米籽粒中的鋅累積主要來源于花后鋅吸收和再轉移，不同基因型間存在差異[14-16]。隨著土壤鋅肥施用量的增加，土壤中有效鋅濃度增加，根系對鋅的吸收和累積顯著增加，此時地上部各器官鋅累積的主要限制因素是鋅的轉運和再轉移。隨鋅肥的施入，地上部鋅累積量顯著增加，但各器官的增加幅度不一致，其中莖和葉中鋅累積量的增幅更明顯[17-18]。本研究中采用噴鋅的方式進行處理，發現與不施鋅相比，施鋅后穗軸和苞葉中鋅累積量的增幅較為明顯，這可能是與施鋅方式有關，葉面施鋅后鋅很快通過韌皮部的裝載后運輸至穗柄，進一步向穗軸和苞葉中進行轉運，最終累積至籽粒。鋅向籽粒卸載時存在障礙[19]，因此，穗柄和苞葉中的累積量增加較為明顯。

對鋅的分配比例來說，本試驗發現，施鋅后籽粒中鋅的平均分配比例從52.44%顯著降至45.58%，而莖、葉和鞘中的鋅分配比例則顯著增加。劉敦一[20]通過連續2 a的大田試驗也發現，籽粒中鋅所占比例隨鋅肥的施入而減少，從約70%降至40%左右，但莖、葉和穗軸中鋅的分配比例逐漸升高。孟祥齊等[21]在春玉米上也發現類似結果。這種現象叫鋅的“奢侈吸收”。這表明，當鋅供應充足時，鋅在莖、葉和鞘中的運輸和累積要比向籽粒轉移更容易，但鋅從營養器官向籽粒進行再轉移時受到限制，鋅在韌皮部的運輸和卸載至籽粒的過程仍需進行深一步的研究。

3.2 施鋅對玉米植株各器官中氮含量的影響

孫建華等[22]研究了不同鋅肥施用量對玉米各個生育時期植株養分吸收和累積的影響，發現施鋅后玉米各生育時期植株和籽粒氮含量顯著增加，在一定施鋅范圍內，隨施鋅量的增加，植株氮累積量顯著提高，但繼續增加施鋅量則呈降低趨勢。扶海超等[23]研究發現，施鋅顯著影響了玉米幼苗的生長，一定施氮條件下，施鋅能夠調節根系和地上部的關系，促進根系發育和地上部生長，提高植株對氮素的吸收。楊利華等[8]研究也發現，施用4.2 kg/hm2ZnO能夠明顯促進植株對氮素的吸收和利用，同時提高氮肥利用率35.84%。與普通尿素相比，含鋅尿素能夠明顯促進玉米植株對氮素的吸收和利用，促進莖葉中的氮素向籽粒中轉移[18]。本研究也發現，施鋅后，籽粒中氮含量和累積量顯著增加。因此，一定試驗條件下，施用鋅肥后，能夠增強玉米植株對氮素的吸收和利用，促進氮素在籽粒中的累積，這對于提高籽粒氮含量和提高籽粒蛋白品質具有重要的意義。

本研究還發現，玉米植株葉片鋅含量與籽粒氮含量呈極顯著正相關。這表明，本試驗條件下，葉片噴施適宜的鋅肥，有利于提高籽粒中氮素含量，可達到籽粒氮鋅同步提高的目的。穗軸中鋅含量和氮含量的相關性也達顯著水平，表明在氮、鋅向籽粒累積過程中，在穗軸部位，可能存在氮鋅協同運輸的途徑，這為進一步研究植株中氮鋅協同運輸機制提供了可參考的思路和依據。

3.3 結論

施用氮鋅肥可提高夏玉米籽粒產量和干物質量，促進植株對氮、鋅的吸收，提高籽粒中氮、鋅含量和累積量。但隨著施氮量的增加和鋅肥的施用，籽粒中氮、鋅累積量占整個植株中的比例均顯著下降。夏玉米葉片中的鋅含量和籽粒氮含量呈極顯著正相關。因此，土施氮肥配合葉面噴施鋅肥，在提高籽粒產量的同時，能促進植株對氮、鋅的吸收和利用，提高籽粒中氮、鋅的累積量，以期作為一項夏玉米高產和優質栽培技術推廣使用。