不同生態條件下氮肥對玉米干物質積累、氮素分配及產量的影響

楊繡娟,孫繼穎,高聚林,劉 劍,孟繁盛,張悅忠,溫曉亮,王志剛,于曉芳,劉文翔,王彥淇

(1.內蒙古農業大學 農學院,內蒙古 呼和浩特 010019;2.內蒙古農業大學 職業技術學院,內蒙古 土默特右旗 014109;3.赤峰市農牧科學研究院,內蒙古 赤峰 024031;4.內蒙古扎賚特旗農牧和科技事業發展中心,內蒙古 音德爾 137600;5.五原縣農牧業技術推廣中心,內蒙古 五原 015100)

玉米是世界上主要的三大糧食作物之一,也是我國種植面積最大的糧食作物[1],不僅可供人類食用,還能夠作為動物飼料,同時在工業生產和醫療衛生方面也發揮著重要作用[2]。氮肥作為糧食的基本營養,對農作物產量有不可替代的貢獻。氮是植物中氨基酸、蛋白質及核酸的重要組成部分,對農作物生長發育、葉片光合作用及產量形成影響顯著[3]。研究表明,一定范圍內,隨施氮量增加,稻茬麥、玉米、冬小麥的干物質積累量、氮素積累量及產量均呈上升趨勢[4-6]。干物質積累是玉米籽粒產量形成的基礎,增加玉米干物質的積累,使其盡可能多地分配轉運到籽粒中是獲得高產的基本途徑。生育期內干物質積累、分配與轉移特性是決定玉米籽粒產量高低的重要因素之一[7]。受生態條件、土壤理化性質、栽培方式、品種、播種期等因素的綜合影響,不同生態條件下玉米對氮肥的響應及干物質積累分配存在顯著差異[8-10]。

內蒙古自治區(37°24′～53°23′N,97°12′～126°04′E)位于中國北部邊疆,地勢從東北向西南延伸,呈狹長形,東西直線距離可達2 400 km,南北直線距離可達1 700 km,是中國跨經度最大的省份,全區土地面積為1.183×106km2,約占全國土地總面積的12.3%[11]。生態條件的差異是造成不同區域玉米產量差異的主要因素。前人關于氮肥對玉米干物質積累與分配[12-14]、氮素吸收利用[15-16]的影響做了大量研究,但同時針對生態條件、氮肥及其互作效應對玉米生長發育、產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種先玉335、鄭單958和京科968為試驗材料,通過設置不同氮肥水平,比較研究不同生態條件下氮肥對玉米品種各器官干物質和氮素積累、分配、轉運及產量形成的影響,旨在為改進玉米氮肥管理提供理論依據與技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在內蒙古3個生態區——河套平原灌區(巴彥淖爾市五原縣)、土默川平原灌區(包頭市土默特右旗)和黃土溝壑灌溉區(赤峰市松山區喀喇沁旗)進行,試驗區概況見表1,2021年生育期內氣候條件見圖1,2021年播種前試驗田0～30 cm耕層土壤養分見表2。

圖1 試驗區生育期內平均氣溫與降雨量變化Fig.1 Change of average temperature and precipitation during the growth period in the test area

表1 試驗區概況Tab.1 Overview of the test area

表2 試驗區土壤養分含量Tab.2 Soil nutrient content in the test area

1.2 試驗材料與試驗設計

選取低氮高效型玉米品種京科968 和高氮高效型玉米品種先玉 335、鄭單958,不同氮高效型玉米品種的選取參考屈佳偉[17]和陳傳永等[18]的研究結果。供試品種種植密度82 500株/hm2。底肥為P2O5105 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2,作為基肥在播種時一次性施入,氮肥為尿素(含氮量46%),施氮量為0,150,300 kg/hm2,分別記為N0、N1、N2。于拔節期和大喇叭口期以3∶7比例開溝追施。田間3次重復,9行區,行距60 cm ,行長10 m,小區面積54 m2。土默特右旗4月25日播種,10月7日收獲;五原縣4月28日播種,10月5日收獲;喀喇沁旗4月30日播種,10月8日收獲。其他管理措施與常規大田相同。

1.3 測定項目與方法

產量相關指標:玉米完全成熟后,各處理分別收獲中間 2 行果穗,從中量取5 m長進行測產,并隨機選取 10 穗進行考種。測定穗長、穗粗、禿尖長、穗行數、行粒數、千粒質量等。實際籽粒產量:各小區所收獲的果穗全部脫粒后稱質量,測定籽粒含水量,以14%含水量折算各小區玉米產量。

干物質及氮含量測定:于玉米主要的生育時期進行群體調查和取樣。每小區選取3株具有代表性的植株,苗期(V3)取葉片,拔節期(V6)、大口期(V12)取葉片和莖稈,抽雄吐絲期(VT)取葉片、莖稈和苞葉+穗軸,灌漿期(R3)和成熟期(R6)取葉片、莖稈、苞葉+穗軸、籽粒。將玉米各器官置于105 ℃鼓風干燥箱中殺青30 min,80 ℃下烘干至恒質量,稱其干質量,粉碎過0.5 mm的篩,用H2SO4-H2O2進行消煮,用凱氏定氮法測定植物樣品氮含量、全氮濃度。

1.4 相關計算公式

花前干物質積累率=(吐絲期干物質積累量/收獲時干物質積累量)×100%

花后干物質積累量=收獲時干物質積累量-花前干物質積累量

花后干物質積累率=(花后干物質積累量/收獲時干物質積累量)×100%

干物質轉運量=吐絲期各器官干物質積累量-收獲期相應器官干物質積累量

干物質轉運率=(器官干物質轉運量/吐絲期相應器官干物質積累量)×100%

花前干物質積累對產量的貢獻率=(干物質轉運量/籽粒產量)×100%

花后干物質積累對產量的貢獻率=100%-花前干物質積累對產量的貢獻率

氮肥偏生產力/(kg/kg)=施氮處理產量/總施氮量

氮肥農學利用效率/(kg/kg)=(施氮處理產量-空白處理產量)/總施氮量

1.5 數據統計與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行整理和分析,多重比較采用Duncan法,使用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 產量和氮肥利用效率地點和品種間的變異分析

由表3可知,不同地點、氮肥、品種對玉米穗數、穗粒數、千粒質量、產量和氮肥偏生產力、氮肥農學利用效率均有極顯著的影響,且存在極顯著的互作效應。但地點×品種對穗數、氮肥農學利用效率互作效應顯著,地點×氮肥×品種對產量、氮肥農學利用效率互作效應顯著。此外,地點對玉米籽粒穗數的影響作用效應最大,而氮肥對氮肥偏生產力的影響作用最大。因此,對于3個不同氮效率玉米品種而言,地點對籽粒產量的影響作用大于品種。

表3 產量和氮肥利用效率在地點和品種間的方差分析Tab.3 Variance analysis of yield and nitrogen use efficiency between sites and varieties

2.2 氮肥水平對不同氮效率玉米品種產量及其構成的影響

由于地點和品種存在顯著的互作效應,表4分析了內蒙古3個生態區玉米品種間產量及產量構成的差異。結果顯示,不同氮效率玉米品種在3個生態區穗數、穗粒數、千粒質量與產量間均有顯著差異。不同生態區玉米整體產量以喀喇沁旗產量最高,其次為五原縣,土默特右旗產量較前2個生態區低。分析表明,喀喇沁旗的產量優勢主要得益于較高的單位面積的穗數。同一地區不同品種間產量差異顯著。土默特右旗在N0水平下,產量表現為先玉335>京科968>鄭單958;在N1與N2水平下,產量表現為鄭單958 >京科968>先玉335。五原縣與喀喇沁旗在不同氮水平下,產量均表現為鄭單958>京科968>先玉335。同一地區不同品種間穗數存在顯著差異,是造成不同品種間產量差異的主要來源。不同地點玉米品種產量差異受熱量資源的影響,在熱量資源充沛的喀喇沁旗,晚熟品種鄭單958有更優良的產量表現。

2.3 氮肥水平對不同生態區玉米品種的干物質積累與分配

不同生態區玉米品種花前、花后干物質積累量和積累率的差異均達到極顯著水平,且存在極顯著的互作效應(表5)。此外,地點、氮肥水平和品種類型均對花前干物質積累量的影響較大,且地點×品種的影響作用大于其他互作效應,說明不同玉米品種干物質積累過程中容易受地點影響。不同生態區和不同玉米品種的干物質積累量均隨著施氮量的增加而增加,說明施用氮肥顯著提高了干物質的積累(表6)。土默特右旗先玉335、京科968、鄭單958花前干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了54.02%,26.61%,34.56%,N1水平比N0水平分別提高了40.55%,10.66%,6.92%;五原縣先玉335、京科968、鄭單958花前干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了36.84%,35.08%,24.19%,N1水平比N0水平分別提高了12.63%,21.25%,13.28%;喀喇沁旗先玉335、京科968、鄭單958花前干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了31.05%,24.54%,26.18%,N1水平比N0水平分別提高了17.54%,12.52%,15.24%。土默特右旗先玉335、京科968、鄭單958花后干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了8.13%,6.01%,11.31%,N1水平比N0水平分別提高了1.37%,10.87%,20.88%;五原縣先玉335、京科968、鄭單958花后干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了9.83%,0.41%,10.47%,N1水平比N0水平分別提高了9.77%,1.37%,5.74%;喀喇沁旗先玉335、京科968、鄭單958花后干物質積累量N2水平比N0水平分別提高了13.02%,13.21%,7.82%,N1水平比N0水平分別提高了0.76%,11.42%,4.03%。這說明,在高氮水平下,先玉335具有較高的花前干物質積累量,鄭單958具有較高的花后干物質積累量。

表5 不同生態區玉米品種花前、 花后干物質積累方差分析Tab.5 Variance analysis in dry matter accumulation before and after flowering of maize varieties in different ecological regions

表6 不同生態區玉米品種花前花后干物質積累Tab.6 Dry matter accumulation before and after flowering of maize varieties in different ecological regions

玉米干物質積累是產量形成的基礎,干物質分配直接決定籽粒產量的高低。由圖2—4可知,不同生態區玉米品種干物質積累量均隨著生育期的推進呈現遞增趨勢。玉米苗期干物質主要集中在葉片。拔節期干物質主要分配在葉片,其次為莖稈。大口期干物質主要分配在莖稈,其次為葉片。吐絲期干物質主要分配在莖稈,其次為葉片,之后為苞葉+穗軸。吐絲期,土默特右旗先玉335干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的37.96%,48.48%,48.44%,京科968干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的46.42%,46.37%,50.85%,鄭單958干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的44.11%,41.11%,48.83%;五原縣先玉335干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的39.88%,45.24%,40.49%,京科968干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的43.28%,49.04%,51.98%,鄭單958干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的47.58%,49.31%,50.51%;喀喇沁旗先玉335干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的44.42%,46.58%,46.07%,京科968干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的46.19%,46.44%,48.57%,鄭單958干物質在N0、N1和N2水平下,分別占干物質積累量的47.79%,47.33%,48.71%。灌漿期和成熟期干物質主要分配在籽粒,各器官所占比重依次為籽粒>莖稈>苞葉+穗軸>葉片,不同生態區玉米品種各器官所占比重有差異,不同品種玉米在吐絲期前的干物質積累水平比較接近,差異主要表現在吐絲—成熟期階段。

圖2 土默特右旗各玉米品種干物質在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.2 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Tumed Right Banner

圖3 五原縣各玉米品種干物質在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.3 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Wuyuan County

圖4 喀喇沁旗各玉米品種干物質在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.4 Dry matter distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Harqin Banner

2.4 不同生態區玉米品種的干物質轉運

由表7可知,玉米各器官的干物質轉運在不同生態區存在顯著差異。不同生態區玉米品種莖稈與葉片有穩定的物質轉運。土默特右旗,N0水平下不同氮效率玉米品種對于葉轉運量、葉轉運率、葉片貢獻率、莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率均呈現出顯著差異,表現為京科968高于先玉335、鄭單958,花后物質積累貢獻率表現為先玉335>鄭單958>京科968;N1水平下不同氮效率玉米品種對于莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率呈現出顯著差異,表現為先玉335> 京科968>鄭單958,花后物質積累貢獻率表現為鄭單958 >京科968 >先玉335;N2水平下不同氮效率玉米品種對于葉轉運量、莖稈轉運量、葉轉運率、莖稈轉運率、葉片貢獻率、莖稈貢獻率、花后物質積累貢獻率差異顯著。五原縣,N0水平下不同氮效率玉米品種對于葉轉運量、葉轉運率、葉片貢獻率呈現出顯著差異,表現為先玉335高于鄭單958和京科968,莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率呈現出顯著差異,表現為京科968顯著高于鄭單958、先玉335,花后物質積累貢獻率鄭單958與京科968差異不顯著;N1水平下與N2水平下不同氮效率玉米品種對于莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率呈現出顯著性差異,均表現為京科968和鄭單958高于先玉335,花后物質積累貢獻率表現為先玉335高于鄭單958和京科968,不同氮效率玉米品種對于葉轉運量、葉轉運率、葉片貢獻率差異顯著。喀喇沁旗,N0水平下不同氮效率玉米品種莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率呈現出顯著性差異,表現為京科968高于鄭單958和先玉335,花后物質積累貢獻率表現為先玉335>鄭單958>京科968,不同氮效率玉米品種對于葉轉運量、葉轉運率、葉片貢獻率差異顯著;N1水平下不同氮效率玉米品種僅對葉轉運量、葉轉運率差異顯著,表現為先玉335>京科968;N2水平下,先玉335與京科968的葉轉運量、莖稈轉運量、葉轉運率、莖稈轉運率、葉片貢獻率、莖稈貢獻率、花后物質積累貢獻率差異顯著。不同氮效率玉米品種干物質轉運對產量的貢獻在不同生態區表現不同,但在低氮水平下,京科968莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率表現較好。

表7 不同生態區玉米品種干物質轉運及對產量的貢獻Tab.7 Dry matter transport and its contribution to yield of different maize varieties ecological regions

2.5 不同生態區玉米品種的氮素積累分配

表8結果顯示,地點、氮肥、品種對不同生態區玉米品種單株氮素積累影響達極顯著水平,互作效應亦達到極顯著水平。

表8 施氮量對不同生態區玉米品種單株氮素積累階段的變化Tab.8 Changes of nitrogen application rate on nitrogen accumulation stage per plant of different maize varieties ecological regions

不同生態區玉米品種氮素積累量隨著生育期的推進呈現遞增趨勢(圖5—7)。玉米苗期氮素主要分配在葉片;拔節期氮素主要分配在葉片,其次為莖稈,這與生育期干物質變化一致;大口期氮素主要分配在葉片,其次為莖稈;吐絲期氮素主要分配在葉片,其次為莖稈,之后為苞葉+穗軸;灌漿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現為籽粒>葉片>苞葉+穗軸>莖稈。成熟期,土默特右旗先玉335籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高15.50%,31.58%,京科968籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高22.17%,18.52%,鄭單958籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高13.68%,30.61%;五原縣先玉335籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高13.13%,26.06%,京科968籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高37.79%,27.11%,鄭單958籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高36.71%,35.68%;喀喇沁旗先玉335籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高11.31%,16.47%,京科968籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高20.36%,23.78%,鄭單958籽粒氮素積累量N1和N2水平比N0水平分別提高15.98%,26.66%。

圖5 土默特右旗各玉米品種氮素在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.5 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Tumed Right Banner

圖6 五原縣各玉米品種氮素在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.6 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Wuyuan County

圖7 喀喇沁旗各玉米品種氮素在葉片、莖稈、苞葉+穗軸和籽粒中的分配情況Fig.7 Nitrogen distribution in leaf blade,stalk,cob+bract and grain of different maize varieties in Harqin Banner

3 結論與討論

農作物的干物質生產是光合產物在植株不同器官中積累與分配的結果,而生態條件和施氮水平及二者間的互作效應對玉米的干物質積累與分配影響顯著[19]。戴明宏等[20]、李梁等[21]研究表明,生態條件對玉米干物質積累與分配影響顯著。Chen 等[22]和 Teixeira 等[23]研究表明,施氮對玉米干物質的積累和分配有重要影響。本研究在內蒙古3個生態區通過不同氮效率玉米品種葉片干物質積累變化上來看,施用氮肥一定程度上可以促進玉米葉片干物質積累量的增加,這與張吉立[24-25]在早熟禾上的研究結果相似,說明玉米施用氮肥對于改善營養狀況,促進葉片生長具有顯著作用;從不同施氮量的影響上來看,N2處理促進效果優于其他處理,由此表明,增加氮肥施用量對促進玉米葉片干物質積累量增加具有較好的作用。從莖稈干物質積累變化上來看,增加氮肥施用量對促進莖稈干物質積累量增加效果顯著,其中吐絲期 N2處理與 N1、N0 處理相比差異顯著,這與葉片干物質積累變化存在差異,表明氮肥對玉米莖干物質的影響效果大于葉片;苞葉+穗軸干物質積累變化在成熟期均表現出降低的變化趨勢,這可能與干物質在成熟期轉移至籽粒中有關,同時 N2處理干物質積累量最高,其次為N1處理,2個處理均高于N0處理。灌漿期和成熟期干物質主要分配在籽粒,各器官所占比重依次為籽粒>莖稈>苞葉+穗軸>葉片,總干物質積累量表現為隨著生育時期延后一直增加的變化趨勢,這與葉片、莖稈的變化趨勢不同,其原因可能與葉片、莖稈內部分營養成分在成熟期轉移至籽粒內有關[26]。從不同施氮量對玉米總干物質積累變化上來看,增加氮肥施用量效果較好[27]。本研究證明,在高氮水平下,先玉335具有較高的花前干物質積累量,鄭單958具有較高的花后干物質積累量。但在低氮水平下,京科968莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率表現較好。

氮素是影響農作物產量及品質最重要的營養元素之一,農作物對其吸收及利用受生態條件和氮肥的影響顯著[13]。戴明宏等[20]研究表明,不同生態條件下植株氮素的積累、分配和轉運存在明顯差異。前人對玉米氮肥利用的研究發現,不同玉米品種對氮素的吸收能力有差異,而且氮素在植株體內轉運和分配也存在差異[28];玉米氮高效品種在各階段均有較高的干物質生產和氮素同化能力,能有效地延緩其光合器官的衰老,保持較高的花后干物質生產和氮素合成能力[29],且夏玉米生育后期干物質和氮素的轉移直接決定著玉米的收獲指數和氮利用效率[30]。本研究表明,不同生態區玉米品種氮素積累量均隨著生育期的推進呈現遞增趨勢,成熟期氮在各器官分布表現為籽粒>葉片>苞葉+穗軸>莖稈,且植株含氮量隨著生育進程的增加而增加。

干物質是玉米產量形成的基礎,施氮量對玉米干物質積累、分配和轉運影響顯著,并且氮肥能增加玉米穗數和千粒質量[31]。徐建亭等[32]研究表明,低氮高效夏玉米品種登海605和金海604在施氮和不施氮水平下均能保持高產。氮是玉米生長發育過程中的主要肥料因子,有研究表明[33],隨著施氮量的增加玉米花后的干物質積累顯著提高,從而使玉米產量提高。本研究結果表明,玉米產量隨施氮量的增加而增加,這與李佳等[34]的研究結果一致。玉米的產量取決于單位面積穗數、穗粒數和千粒質量的協調作用,但對玉米產量影響最大的是單位面積穗數,其次是穗粒數,而千粒質量對玉米產量的貢獻相對最低[21]。本研究結果表明,地點、氮肥、品種對玉米穗數、穗粒數、千粒質量和產量影響顯著,且地點對玉米籽粒穗數的影響作用最大。不同生態區玉米整體產量表現為喀喇沁旗>五原縣>土默特右旗,喀喇沁旗的產量優勢主要得益于較高的單位面積的穗數。

本研究通過在內蒙古不同生態條件下設置不同的氮肥水平,比較先玉335、鄭單958和京科968的產量及其干物質積累、分配與轉運,發現高氮高效品種鄭單958具有更優良的產量表現,且具有較高的花后干物質積累量;而在低氮水平下,京科968莖稈轉運量、莖稈轉運率、莖稈貢獻率表現較好。