滴灌水肥一體化下施氮量和追氮時期對夏玉米籽粒品質及淀粉糊化特性的影響

劉帥 徐學欣 孟繁港 徐宇凡 郝天佳 賈靖 張玉璐 趙長星

摘 要 為探究黃淮海平原東部地區滴灌水肥一體化條件下，不同施氮量及追氮時期組合對夏玉米籽粒品質、淀粉糊化特性和產量的影響，選用玉米主推品種‘鄭單958為試驗材料，設置施氮量180 kg/hm2（N1）和 210 kg/hm2（N2）兩個氮肥處理水平及拔節期+大喇叭口期（W1）、拔節期+開花期（W2）、拔節期+大喇叭口期+開花期（W3）3個不同追肥時期組合。結果表明：拔節期+大喇叭口期+開花期追肥處理（N1W3、N2W3）籽粒淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量和產量顯著高于其他處理，籽粒粗脂肪含量顯著低于其他處理。相關性分析表明：籽粒支鏈淀粉含量與峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值、粗蛋白含量、可溶性糖含量呈顯著正相關，與糊化溫度、峰值時間、粗脂肪含量呈顯著負相關。增加追氮頻次改善籽粒直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例和淀粉的糊化特性，提高了籽粒品質。N1W3與N2W3相比，籽粒品質與淀粉糊化特性差異不顯著，但是N1W3處理減少氮肥的投入，節約投入成本，為本試驗的推薦處理。

關鍵詞 滴灌水肥一體化；夏玉米；施氮量；追氮時期；籽粒；品質；糊化特性；產量

玉米已連續多年作為中國第一大糧食作物，約占糧食種植總面積的35%，其產量接近全年糧食總產量的40%，在中國農業生產、食品、飼料加工中占有十分重要地位[1-2]。氮肥對夏玉米籽粒品質有著顯著的影響，適量增加施氮量能夠顯著增加玉米籽粒的粗蛋白含量和產量[3]，但是關于氮肥對玉米籽粒淀粉含量的作用存在不同觀點，有研究表明氮肥對玉米籽粒淀粉含量作用不顯著[4]，也有研究表明在一定范圍內，增加氮肥施用量能夠顯著增加玉米籽粒的淀粉含量[5-6]。不少學者研究認為在一定范圍內增加施氮量能夠提高玉米籽粒可溶性糖含量，降低粗脂肪含量，但是過量施氮不但不會提高玉米籽粒的品質，還會造成玉米貪青晚熟，造成資源浪費[6-8]。淀粉糊化特性決定玉米籽粒淀粉的應用品質，對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與淀粉含量相關[10]，在一定范圍內增加氮肥使用可以改善玉米籽粒淀粉糊化特性，改善品質[5，11]。為此，品質改善已成為玉米研究的一項重要內容。

黃淮海地區是中國重要的玉米種植區，該地區全年降雨分布不均，要保證玉米籽粒品質仍需一定灌溉[12]，分次追肥能夠顯著改善玉米籽粒品質，但是與該地區勞動力緊張問題沖突[13]。目前，為提高產量，過度施用氮肥在農業生產中已經非常普遍，黃淮海地區夏玉米田平均施氮量已接近300 kg/hm2，但其氮肥利用率僅為 16%～40%，這導致了資源的浪費，造成了環境污染 [14-16]。滴灌水肥一體化技術能夠將水分和養分直接輸送至作物根區，是提高養分和水分利用效率，減少資源浪費的有效方法[17]。玉米作物對肥料需求量大，目前傳統的施肥方式費時、費工、低效、污染，因此，尋求適于該地區夏玉米高產優質高效的合理施肥技術與方法具有重要的意義。

前人研究主要側重于黃淮海平原冬小麥-夏玉米輪作區傳統的施氮方式對夏玉米籽粒品質的影響，但是在滴灌追肥條件下，施氮量和追氮時期組合對夏玉米籽粒品質及淀粉糊化特性的研究鮮見報道。本試驗基于滴灌水肥一體化技術條件下，采用田間試驗，設置兩個氮肥梯度、3個不同追肥時期，系統探究不同施氮量和施氮時期組合對夏玉米籽粒品質的影響，以期為黃淮海平原東部夏玉米生產區滴灌水肥一體化高效調控與應用技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年6月至2021年10月兩個玉米生長季在青島農業大學膠州現代農業示范園（35.53° N，119.58° E）進行，該地屬半濕潤季風氣候，土壤類型為砂姜黑土。2020年土壤基本理化性質為：有機質17.0 g/kg，土壤pH 7.7，堿解氮122.5 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效鉀134 mg/kg；2021年土壤基本理化性質為：有機質16.7 g/kg，土壤pH 7.6，堿解氮117.3 mg/kg，速效磷16.7 mg/kg，速效鉀133 mg/kg。2020年玉米全生育期降雨量為638.2 mm（豐水年），2021年玉米全生育期降雨量為387.8 mm（平水年），2020年和2021年玉米生育期降雨量分布見圖1。

1.2 試驗設計

選用夏玉米品種‘鄭單958為試驗材料， 試驗氮肥處理設置180 kg/hm2（N1）、210 kg/hm2（N2）兩個水平；追肥時期設置拔節期+大喇叭口期（W1）、拔節期+開花期（W2）和拔節期+大喇叭口期+開花期（W3）3個不同時期組合；設置施氮量240 kg/hm2，傳統畦灌為對照處理CK1、CK2，CK1處理在拔節期一次性追施氮肥，CK2在拔節期和大喇叭口期追施氮肥，共計8個處理，具體設計見表1。試驗地每小區長60 m，寬5.2 m，小麥收獲后進行貼茬直播，夏玉米行距60 cm，種植密度均為75 000株/hm2，滴灌帶一管一行鋪放。試驗田采用復合肥（N∶P∶K=15∶ ?15∶15）底施純氮、K2O和P2O5各90 kg/hm2，肥料隨播種錯行施入，其余追施氮肥為普通尿素（含氮46%），氮肥隨灌水等量分次追施，每小區定量灌溉5 mm，灌水量以水表記錄。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 籽粒品質測定 玉米粉的制備：將篩選除雜好的玉米籽粒放入小型高速粉碎機（RT02B型）中，磨碎后過100目篩得玉米粉。淀粉含量及其組成的測定：參照北京索萊寶科技有限公司直鏈淀粉、支鏈淀粉測定試劑盒中的相關方法，采用可見光分光光度法[18]測定玉米籽粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量，總淀粉含量=直鏈淀粉含量+支鏈淀粉含量。粗蛋白含量的測定：參照何照范[18]方法，采用凱氏定氮法測定粗蛋白含量，粗蛋白含量=籽粒全氮含量×6.25。可溶性糖含量的測定：參照劉新等[19]的方法，采用蒽酮-硫酸比色法測定玉米籽粒可溶性糖含量。粗脂肪含量的測定：參照朱新產等[20]的方法，采用索氏提取法測定玉米籽粒粗脂肪含量。

1.3.2 籽粒淀粉糊化特性的測定 取成熟期籽粒50 ℃烘干磨碎，過100目篩，稱取3 g玉米面粉（根據樣品的實際水分，按14%水分校正以確定樣品用量），放入快速黏度分析儀 （RVA-TM型）的鋁盒中，再加入25 mL的蒸餾水，用攪拌器攪拌均勻，旋入儀器進行測定。采用Std 1升溫程序測定，開始10 s內攪拌器轉速為960 r/min，之后保持160 r/min；鋁盒內溫度開始時為50 ℃，在3.7 min內上升至95 ℃，并保持2.5 min，然后在3.8 min內下降至50℃，在13 min結束程序。

1.3.3 籽粒產量及其構成要素測定 于玉米成熟期采用人工收獲的方式，每個重復選取5 m均勻的玉米3行（9 m2）果穗，每個處理重復3次，自然干燥用于室內考種，主要測定穗數、穗行數、 ?行粒數、百粒質量，產量按照籽粒14 %含水量 ?計算。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2019對數據進行計算，用SPSS 26.0軟件對數據進行統計分析，Origin 2021軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米籽粒品質的影響

由表2可知，追氮頻次對夏玉米籽粒品質有顯著影響。增加追氮頻次可以顯著增加玉米籽粒支鏈淀粉、總淀粉、粗蛋白、可溶性糖含量，改善玉米籽粒直鏈淀粉/支鏈淀粉，降低籽粒粗脂肪含量，提高籽粒品質。在滴灌相同追氮時期條件下，兩種氮肥梯度差異并不顯著，兩年規律一致。2020年，N1W3、N2W3處理籽粒總淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量較CK1處理分別增加6.42%、6.88%，25.07%、24.79%，20.00%、 ?19.55%，N1W3、N2W3處理粗脂肪含量、直鏈淀粉/支鏈淀粉較CK1處理均降低12.76%和 ?27.78%；2021年，N1W3、N2W3處理籽粒總淀粉含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量較CK1處理分別增加 ?6.34%、6.43%、15.49%、11.28%、 ?19.67%、20.15%，N1W1、N2W2處理粗脂肪含量、直鏈淀粉/支鏈淀粉較CK1處理分別降低14.74%、14.94%和 ?20.41%、20.41%。表明增加追氮頻次可以滿足玉米不同生育期對氮肥的需求，維持籽粒較高地合成淀粉和蛋白質，改善了籽粒淀粉構成因素，從而改善夏玉米籽粒品質；增加追氮頻次還能減少氮肥的投入，避免大水大肥，實現玉米高效生產。

2.2 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米籽粒淀粉糊化特性的影響

如表3所示，在拔節期、大喇叭口期和開花期追施氮肥可以顯著增加玉米籽粒淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值，顯著降低糊化溫度和峰值時間，兩年變化趨勢相同。說明分次追施氮肥能夠增加玉米籽粒淀粉的峰值黏度，增加淀粉的粘滯性；增加玉米籽粒淀粉的崩解值和回復值，使籽粒淀粉在高溫和室溫下更加穩定；降低糊化溫度，加快達到峰值黏度所需時間，使玉米淀粉更容易糊化，改善了玉米籽粒淀粉糊化性質。

2.3 相關性分析

相關性分析（表4和表5）表明：玉米籽粒中直鏈淀粉含量與峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值、粗蛋白含量、可溶性糖含量成顯著負相關，與糊化溫度、峰值時間、粗脂肪含量成顯著正相關；支鏈淀粉含量與峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值、粗蛋白含量、可溶性糖含量成顯著正相關，與糊化溫度、峰值時間、粗脂肪含量成顯著負相關，兩年規律一致。說明玉米籽粒中支鏈淀粉含量越高，玉米籽粒淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度和回復值就越高，糊化溫度越低，峰值時間越短。

2.4 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米籽粒產量及其構成因素的影響

夏玉米籽粒產量及其構成因素如表6所示，在相同施氮量下，增加追氮時期能夠提高夏玉米籽粒穗行數、行粒數、百粒質量和產量。進一步分析表明：N1W3、N2W3處理穗行數、行粒數高于其他處理，但二者差異不顯著；增加追氮時期能夠顯著提高玉米籽粒百粒質量和產量，N1W3、N2W3處理籽粒百粒質量和產量最高且顯著高于其他處理，表明增加追氮時期可以維持較高的玉米籽粒百粒質量，達到節約氮肥的目的，增加追氮時期能夠增加籽粒的穗行數和行粒數，進而增加產量。

3 討? 論

3.1 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米籽粒品質的影響

氮肥對玉米籽粒品質有顯著影響，前人研究表明玉米籽粒粗蛋白含量隨施氮量的增加而增加[21]，吳元奇等[1]研究表明適量減氮緩控釋氮肥可以增加玉米籽粒粗蛋白的含量，達到節約氮肥的目的，但施氮量對玉米籽粒淀粉和脂肪含量結果存在爭議[3，6，22-24]。這可能是氮素影響植株內化合物的合成有關，減少施氮量導致植株體內碳氮代謝減弱，蛋白質合成途徑受阻，降低蛋白質的含量[25]，蔗糖是合成籽粒蛋白質和淀粉的原料，蛋白質合成受阻會減少蔗糖的消耗，從而增加籽粒淀粉的含量[23]，而過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]。本研究發現：在滴灌條件下，適量減氮增加追氮頻次可以滿足玉米對氮素的需求，提高籽粒粗蛋白、淀粉和可溶性糖含量，優化直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，降低直/支和粗脂肪含量，達到節水節肥改善品質的目的，但減少追氮頻次籽粒品質略有下降，這支持了前人研究的觀點。

3.2 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米籽粒淀粉糊化特性的影響

糊化特性影響著玉米籽粒的穩定性和加工的方向，前人研究表明玉米籽粒淀粉糊化特性受氮肥調控影響，玉米籽粒淀粉糊化特性與淀粉粒大小有關，追氮和補灌可以增加大淀粉粒所占體積，籽粒支鏈淀粉和總淀粉含量越多[5，27]。本研究表明增加追氮頻次可以增加玉米籽粒支鏈淀粉和總淀粉含量，改善玉米籽粒淀粉的糊化特性，降低糊化溫度，縮短糊化時間；滴灌條件下，兩次追肥處理籽粒淀粉的糊化特性差異并不顯著。N1W3、N2W3處理與CK1相比，玉米籽粒淀粉的粘滯性增加，增加了玉米籽粒的冷熱穩定性，改善了籽粒淀粉的糊化特性。

3.3 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米產量及其構成因素的影響

產量構成因素之間的協調發展是實現玉米高產高效的基礎，前人研究表明適量增施氮肥和氮肥后移能夠提高玉米產量，氮肥對作物的增產主要表現在作物的有效穗數、穗粒數和千粒質量上[28-29]。本研究發現：在滴灌水肥一體化條件下，增加追氮時期可以顯著提高玉米籽粒的穗行數和行粒數，提高籽粒百粒質量，這與前人研究規律一致。本研究還發現：在滴灌水肥一體化條件下，適量減氮、增加追氮時期可以維持較高的穗行數、行粒數和百粒質量，滿足玉米不同生育期對氮肥的需求，達到節約氮肥、穩產增產的目的。

4 結? 論

與傳統畦灌常規施肥處理相比，在滴灌水肥一體化條件下，拔節期、大喇叭口期、開花期分次追施氮肥處理（N1W3、N2W3）通過增加追肥頻次，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溫度和峰值時間，使玉米粉更容易糊化。相關性分析表明：玉米總淀粉和支鏈淀粉含量增加，籽粒淀粉更容易糊化且更加穩定。增加追氮頻次可以顯著提高玉米籽粒的穗行數和行粒數，維持籽粒較高的百粒質量，從而增加玉米籽粒產量。N1W3與N2W3相比各指標差異并不顯著，但N1W3減少了氮肥的投入，維持了較高的籽粒品質與產量，本研究結果為黃淮海平原東部夏玉米生產區滴灌水肥一體化高效調控與應用技術提供理論依據。

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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