不同氮素水平對夏玉米生理參數及產量品質的影響

董偉欣 李東曉 張月辰

摘要：合理施用氮素可提高氮素利用效率，并最終影響玉米的產量和品質。為研究不同氮素水平對玉米生理參數及產量品質的影響，以‘ 先玉335和‘ 京農科728為試驗材料，分別設N1（150 kg·hm-2）、N2（210 kg·hm-2）、N3（270 kg·hm-2）和N4（330 kg·hm-2）4種施氮水平，分析不同氮素水平對玉米生長、生理參數、產量和籽粒品質的影響。研究表明，2個玉米品種的株高、葉面積和地上部干重隨著施氮量的增加而升高，而莖粗從N1至N3處理不斷增大，到N4處理降低，另外葉面積指數和葉片夾角同樣表現為隨著施氮量的增加而升高，京農科728的葉面積指數高于先玉335，且各個處理之間的差異未達到顯著水平；葉綠素含量均表現出從吐絲期至灌漿期升高，到成熟期又降低的趨勢，施氮量從N1至N3處理逐漸升高，到N4處理又降低；可溶性蛋白和可溶性糖含量隨著生育進程的推進而升高，且‘京農科728略高于‘先玉335，此外，可溶性蛋白在3個時期均隨著施氮量的增加而不斷升高，而可溶性糖含量從N1至N2處理升高，到N3和N4處理又降低；超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性隨著施氮量的增加而呈現升高趨勢，丙二醛含量呈現相反的變化趨勢；2個品種均在N2處理下的產量最高，施氮量超過210 kg·hm-2產量卻降低，因此，N2（210 kg·hm-2）處理為最佳的施氮量。由此可見，適量增加氮素可促進玉米干物質和碳水化合物的積累，并最終提高產量和品質，為河北省山前平原區減氮栽培提供了參考。

關鍵詞：玉米；不同氮素水平；生理參數；產量品質doi：10.13304/j.nykjdb.2021.0630

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）01014211

玉米作為我國重要的多用途糧食作物，其高產、穩產對于保障我國糧食安全及國際民生起著關鍵性作用，河北是玉米種植大省，玉米單產達6 647 kg·hm-2[1]，與發達國家相比較，還有很大的提升空間。氮肥作為玉米生長發育的主要營養物質，對產量提高和保障糧食安全起著重要作用，隨著施氮量的逐漸增加，氮素對玉米的貢獻率從40%～50%下降到14.7%～24.7%，不僅造成環境污染且氮素利用率也在連年下降[23]。因此，在保障糧食產量和安全的前提下，肥料高效利用是目前農業高質量發展的趨勢。

減氮栽培是玉米生產的必然趨勢，不同氮素水平對玉米的生長發育、生理參數和產量品質均有不同程度的影響。王晨光等[4]研究發現，隨著施氮水平的增加，玉米葉面積指數、SPAD值和生物量均增加；也有研究發現，隨著施氮量的增加，玉米的株高、穗位高、穗粗、穗長均逐漸增加且明顯高于對照，說明適量氮素可以促進玉米生長發育[5]。氮素對植物體內酶活性變化起著重要調節作用[6]，周青云等[7]設置了5種氮素水平，發現穗位葉的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）活性和碳水化合物積累在施氮量90～270 kg·hm-2 時逐漸升高，到360 kg·hm-2 時又顯著降低，說明氮素并非越高越好，氮素過高會影響植株光合產物的重新分配和酶活性的變化。氮素同樣是植物葉綠素、氨基酸和蛋白質合成的重要元素，在產量和品質提升方面發揮著重要作用[89]。合理的施氮量可以提高產量并增加籽粒的蛋白質、淀粉含量，降低脂肪含量，改善籽粒品質[1011]；有研究發現，施氮量過高會影響籽粒的碳同化過程，氮素轉運率和氮素在籽粒中所占比例都會下降，進而導致籽粒敗育，降低玉米籽粒產量[12-14]。以上說明，合理的施氮量通過調節玉米的生長、生理，從而影響玉米的產量和品質。

目前，對于氮素的研究多集中于產量、氮素利用效率、干物質積累等方面，而對于葉片生理代謝變化影響產量和品質方面缺乏系統的研究。本研究以先玉335和京農科728為材料，研究了不同氮素水平對不同玉米品種生理參數及產量品質的影響，篩選出最適宜玉米生長的氮素水平，以期為玉米生產中氮素合理施用、玉米減氮高效栽培提供實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

播種前試驗田0 —20 cm的土壤養分含量分別為：土壤有機質17.76 g·kg-1，全氮含量1.47 g·kg-1，堿解氮含量83.95 mg·kg-1，有效磷含量36.73 mg·kg-1，速效鉀含量135.82 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為‘先玉335和‘京農科728，由河北省新樂市種子公司提供；所用肥料為復合肥（N∶P2O5∶K2O=28∶4∶8），拔節期補充的磷肥和鉀肥為46%的過磷酸鈣和52%的硫酸鉀。

1.3 試驗設計

試驗于2019 —2020年在河北省新樂市試驗田進行，本試驗結果以2020年數據為主，分別設置4種氮素處理：N1 （150 kg·hm-2）、N2 （210 kg·hm-2）、N3 （270 kg·hm-2）和N4 （330 kg·hm-2），磷肥和鉀肥均為102 kg·hm-2，氮素在播種前一次性施入，試驗采用隨機區組設計，每個處理3次重復，共24個試驗小區。

本試驗6月25日播種，基本苗為6.75萬株·hm-2，分別在出苗期、開花期和灌漿期澆水，每次澆水量為600 m3·hm-2，試驗小區面積為60 m×2.5 m，前茬作物為小麥，生育期間的管理同大田生產。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 玉米生長指標及地上部干物重測定 在吐絲期（開花期）、灌漿期和成熟期，每個處理選取3株玉米（3次重復，共9株），分別測定其株高（地上部至頂端）、莖粗（游標卡尺測，日本三豐，Mitutoyo）、葉面積（LI-3000C便攜式葉面積儀，美國LI-COR公司生產）和地上部干重（鼓風干燥箱LX-9075A）。

1.4.2 玉米葉面積指數和葉片夾角測定 在吐絲期、灌漿期和成熟期的15：00 —17：00，采用植物冠層儀TOP-1000（浙江拖普云農科技有限公司生產）測定玉米的葉面積指數（leaf area index，LAI）和葉片夾角（mean tilt angle of the leaves，MTA）。

1.4.3 玉米穗位葉葉綠素含量測定 參照鄒琦[15]的方法，稱取0.1 g葉片，用95%乙醇避光提取48h后，使用RGF-6300原子熒光分光光度計（杭州俊升科學器材有限公司）分別在470、649、665 nm波長下測定葉綠素含量。

1.4.4 玉米穗位葉可溶性蛋白和可溶性糖含量測定 可溶性蛋白含量參照曲春香等[16]的方法測定；可溶性糖含量采用李合生[17]的方法測定。

1.4.5 玉米穗位葉超氧化物歧化酶、過氧化物酶酶活性和丙二醛含量的測定 超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）采用SOD 和PODElisa試劑盒測定（上海臻科生物科技有限公司）。丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量采用植物丙二醛比色法檢測試劑盒（武漢伊萊瑞特生物科技股份有限公司）測定。

1.4.6 玉米產量構成因素及產量的測定 在成熟期測定玉米10 m雙行穗數，之后再折算成每公頃穗數，統計每穗粒數，對單穗和穗粒進行稱重并記錄，每個處理3次重復，根據下面公式計算產量。

產量=穗數× 穗粒數× 百粒重× （100% - 含水量）／（100% - 14%） × 100 × 1 000?（1）

1.4.7 玉米籽粒品質的測定 玉米籽粒充分成熟后及時收獲，晾干后脫粒，用1241型近紅外谷物品質分析儀（丹麥FOOS公司產）測定玉米籽粒的蛋白質、淀粉、脂肪和氨基酸含量，每個處理3次重復。

1.5 數據分析

所有數據采用Excel 2013 整理，使用SPSS17.0和SAS 9.4軟件在P<0.05水平上進行方差分析及多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平對玉米生長及地上部干物質積累的影響

不同氮素處理會影響玉米生長和地上部干物質積累，從表1可以看出，2個品種的株高、莖粗、葉面積和地上部干重從吐絲期至成熟期呈現增加的趨勢，其中，株高、葉面積和地上部干重在吐絲期、灌漿期和成熟期均表現出隨著施氮量增大而增大的趨勢；而莖粗卻表現出從N1至N3增大，到N4處理卻降低的趨勢。不同氮素處理在吐絲期和灌漿期對2個品種株高和莖粗的影響較大，到成熟期幾乎沒有明顯的差異性，而對葉面積的影響在灌漿期較大，在吐絲期和成熟期的影響不明顯，地上部干重在灌漿期和成熟期隨施氮量的增加而明顯增大。說明氮素增加在吐絲期和灌漿期可以促進株高和莖粗的增長，灌漿期葉面積增大可以吸收較多光能，促進籽粒干物質積累，灌漿期和成熟期地上部干重隨施氮量增加而增加主要是穗部籽粒干物質積累的結果，不同氮素處理對玉米生長指標的改變在不同時期發揮的作用不同。

2.2 不同氮素水平對玉米葉面積指數和葉片夾角的影響

由圖1可知，2個玉米品種的葉面積指數（LAI）和葉片夾角（MTA）會隨著氮素水平的升高總體呈現變大的趨勢，葉面積指數從吐絲期至灌漿期升高，到成熟期稍有降低，從數值大小來看，‘京農科728的葉面積指數高于‘先玉335，但2個品種各個處理之間的差異性未達到顯著水平；2個品種的葉片夾角相差不大，且在吐絲期、灌漿期和成熟期的數值大小也比較接近，‘先玉335的3個時期各個處理之間的差異性未達到顯著水平，而‘京農科728在吐絲期和灌漿期各個處理之間無顯著性差異，但在成熟期N4處理較N1和N2處理分別顯著升高21.69%和15.55%。說明施氮量增大可增加灌漿期玉米葉面積，而使葉面積指數和葉片夾角稍有增大，但未達到顯著水平，總體影響不大。

2.3 不同氮素水平對玉米穗位葉葉綠素含量的影響

由圖2可見，2個玉米品種的穗位葉葉綠素含量相差不大，均呈現從吐絲期至灌漿期升高、到成熟期又降低的趨勢，另外，葉綠素含量隨著施氮量的增加而升高，但在N4處理下卻降低。‘先玉335在吐絲期、灌漿期和成熟期各個處理之間葉綠素含量的差異未達到顯著水平；‘京農科728在3個時期均在N3處理下的葉綠素含量最高，吐絲期N3處理較N4處理顯著升高24.31%，而灌漿期N3處理較N1處理顯著升高12.61%，成熟期各個處理之間的差異不顯著。這表明氮素增多可以促進玉米穗位葉葉綠素含量的增加，但超過270 kg·hm-2卻抑制葉綠素的合成，因此，270 kg·hm-2 的施氮量可以促進葉綠素的合成，在灌漿期保持較高的葉綠素含量，促進玉米籽粒充分灌漿，對于粒重增加具有重要作用。

2.4 不同氮素水平對玉米穗位葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

由圖3可見，2個品種的可溶性蛋白和可溶性糖含量從吐絲期至成熟期不斷升高且‘京農科728略高于‘先玉335，2個品種的可溶性蛋白在吐絲期、灌漿期和成熟期隨著施氮量的增加而不斷升高，而可溶性糖含量從N1處理至N2處理升高，到N3處理和N4處理又降低。2個品種在各個時期的表現不同，‘先玉335的可溶性蛋白在吐絲期和成熟期的各個處理之間的差異不明顯，而灌漿期N4處理較N1處理和N2處理分別顯著升高21.91%和13.84%，‘京農科728吐絲期和灌漿期的各個處理之間無顯著差異，而在成熟期N4處理較其他3個處理均顯著升高；‘先玉335的可溶性糖含量在N2處理下最高，只在灌漿期較N4處理顯著升高43.73%，吐絲期和成熟期差異均不顯著，‘京農科728在吐絲期和灌漿期的各個處理之間差異不明顯，但在成熟期N2處理較N4處理顯著升高21.14%。說明后期穗位葉片保持較高的碳水化合物可促進玉米籽粒充分灌漿和成熟。

2.5 不同氮素水平對玉米穗位葉酶活性的影響

不同施氮量處理與酶活性變化密切相關，從表2可以看出，2個品種的SOD活性從吐絲期至灌漿期逐漸升高，到成熟期又降低，而POD活性和MDA 含量從吐絲期至成熟期不斷升高。‘先玉335吐絲期各個處理的SOD活性無明顯變化，但灌漿期和成熟期N4處理較N1處理分別顯著升高36.78%和25.41%，而‘京農科728在3個時期的N4 處理較N1 處理分別顯著升高23.52%、18.35%和32.11%；2個品種各個處理的POD活性在吐絲期無顯著差異性，而在灌漿期N4處理較N1處理和N2 處理分別顯著升高7.96%、6.32% 和6.85%、5.24%，在成熟期‘先玉335除N4處理較N1處理顯著升高9.10% 外，其余處理的差異性均不明顯，‘京農科728各個處理之間的差異性均不明顯；‘先玉335各個處理的MDA含量在3個時期均無明顯的差異性，而‘京農科728吐絲期的N1處理較N4處理顯著升高32.96%，灌漿期和成熟期各處理之間無明顯差異性。可以看出，隨著施氮量的增加，SOD和POD酶活性升高，MDA含量降低，說明施氮量從N1到N4可以提高玉米對自由基的清除能力，降低膜脂過氧化的程度，保持玉米后期較高的葉片酶活性，提高光合速率。

2.6 不同氮素水平對玉米產量構成因素及產量的影響

從表3可以看出，不同氮素處理顯著影響玉米的產量構成因素及產量形成，2個品種的產量均在N2處理下最高，且‘京農科728較‘先玉335升高7.39%。2個品種的穗數在N2處理下最高，且‘京農科728高于‘先玉335，‘先玉335的N2處理較其他3個處理分別顯著升高6.97%、6.47%和11.11%，而‘京農科728的各個處理之間無顯著差異性；2個品種的穗粒數、單穗重和穗粒重同樣在N2 處理下最高，但‘先玉335卻高于‘京農科728，‘京農科728的3個指標各個處理之間的差異均未達到顯著水平，而‘先玉335在N2處理下的穗粒數和單穗重較N1 處理分別顯著升高10.22%和15.01%，與其他2個處理的差異不明顯，且N2處理的穗粒重較N1和N4處理分別顯著升高15.28%和8.31%。可見，2個品種通過產量構成因素增加來提高產量，但‘京農科728的產量高于‘先玉335主要是通過增加穗數來實現的。2個品種的產量在N2處理下最高，但施氮量超過210kg·hm-2 卻降低，因此，N2 處理（210 kg·hm-2）是最佳的施氮量處理。

2.7 不同氮素水平對玉米籽粒品質的影響

不同氮素處理對玉米籽粒品質有明顯的影響，從表4可見，2個玉米品種籽粒的蛋白質和淀粉含量從N1處理至N3處理不斷升高，到N4處理又顯著降低，‘先玉335籽粒的蛋白質含量略高于‘京農科728，而2個品種籽粒的淀粉含量差異不大；2個品種的脂肪和氨基酸含量在N2處理下最高，并呈現出從N1處理至N2處理顯著升高，之后又逐漸降低的趨勢，N2處理較N1、N3、N4處理均顯著升高，‘ 先玉335升高幅度分別為13.46%、8.35%、9.05% 和18.08%、16.46%、22.30%，‘ 京農科728升高幅度分別為19.69%、14.96%、20.67%和18.11%、20.75%、25.69%，2個品種相比較，‘京農科728的脂肪含量明顯高于‘先玉335，而氨基酸含量卻呈現相反的變化趨勢，說明N2處理和N3處理均有利于玉米籽粒品質的提升，且同一指標在不同品種之間的變化不一致。

3 討論

3.1 合理氮素水平調控玉米生長和生理參數變化

氮素是作物生長的物質基礎，合理施用氮素可以促進玉米生長和干物質積累[18]。有研究發現，隨著施氮量的增加，玉米株高、莖粗、單株綠葉數和葉面積等農藝性狀逐漸增加，但當施氮量達到360 kg·hm-2時不再增加[19]，姚丹丹[20]也發現，隨著施氮量的增加，春玉米的株高、莖粗、穗位高均有不同程度的增加，當超過適宜施氮量時，各性狀出現降低趨勢。本研究結果表明，‘先玉335和‘京農科728的干物質積累隨著施氮量的增加表現為先升后降，且均在210 kg·hm-2處理下達到最高值；且株高、葉面積、葉面積指數和地上部干重從N1處理至N4處理逐漸升高，而莖粗卻在N4處理下降低。這與前人研究趨勢相一致，不同之處是不同試驗設置的施肥范圍不同，導致有的指標隨施氮量增加而升高，有的到達一定范圍卻降低，但總體趨勢一致。不同氮素含量會影響玉米的物質代謝和酶活性，張盼盼等[21]發現，隨著施氮量的增加，玉米穗位葉的SPAD值、SOD和POD酶活性逐漸升高。本研究發現，玉米穗位葉的葉綠素含量和可溶性糖含量隨施氮量增加而升高，到N4處理卻降低，而可溶性蛋白含量和酶活性卻呈現升高趨勢，這與前人[22-24]的研究結果相一致，隨施氮量的增加，玉米穗位葉酶活性不斷升高。說明施入不同氮素后，會破壞玉米體內抗氧化防御系統的平衡，誘導植株體內SOD和POD活性升高，減輕活性氧對玉米的傷害，不同的是‘京農科728較‘先玉335具有較高的碳水化合物含量和酶活性，既保證了植株的物質積累和氮素同化能力，又提高了氮素利用效率，保證了減氮條件下產量提高。

3.2 合理氮素水平可提高玉米產量和籽粒品質

氮肥是玉米產量形成和品質提升的重要因素，但過量施氮不但不能增加作物產量，而且導致氮肥大量損失，造成資源浪費。張吉旺等[25]發現，過量施氮對產量提高沒有明顯影響，劉瑀等[26]的研究也發現，施氮量在0～288 kg·hm-2范圍內，施氮量越大，產量越高，當施氮量超出這一范圍，產量降低。本研究表明，‘京農科728和‘先玉335在N2處理下的產量最高，且‘京農科728的產量高于‘先玉335，本試驗是在河北省山前平原區試點（新樂及周邊地區）進行的，該地區屬于砂壤土，土質疏松，漏水漏肥現象嚴重，選取當地大面積推廣的高氮高效品種‘先玉335和低氮高效品種‘京農科728進行試驗，本試驗材料中，同樣的減氮處理下，低氮高效品種‘京農科728的產量高于高氮高效品種‘先玉335，表明‘京農科728在較低的氮素水平下能提高氮素利用效率且能產生較高的經濟產量，相對減少氮肥用量，達到高產優質高效的生產目的，產量的增加主要是通過增加每hm2穗數來實現的，但施氮量超過210 kg·hm-2產量卻降低，認為210 kg·hm-2是較佳的施氮量，氮素過多會導致植株營養器官生長過旺，不利于籽粒干物質積累，只有適宜的施氮量才能提高氮肥利用率進而提高產量，這可為品種推廣或品種引進提供實踐參考。蛋白質、淀粉和脂肪作為玉米籽粒的重要組成部分，受氮素的影響較大。于寧寧等[10]發現，‘登海518和‘鄭單958在施氮量184.5 kg·hm-2時較不施氮和施氮129 kg·hm-2處理下的粗蛋白、可溶性糖和總淀粉含量顯著升高，當施氮量達到300 kg·hm-2時，其產量和品質都會降低；姜濤[27]研究發現，玉米籽粒的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪含量會隨著氮肥量的增加而提高，當施氮量達到一定量時，則不會升高反而有所下降。本研究發現，N2處理可提高玉米籽粒的蛋白質和淀粉含量，N3處理可提高玉米籽粒的脂肪和氨基酸含量，說明N2處理和N3處理均能提高籽粒品質，與前人研究結果相一致。說明氮素不足會影響玉米籽粒干物質積累，進而影響產量，然而氮素過量，會導致玉米籽粒中的蛋白質、淀粉、脂肪和氨基酸含量降低，粒重減少，產量降低，本研究表明210 kg·hm-2處理能顯著提高玉米產量和籽粒品質。

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（責任編輯：胡立霞）