春玉米生长发育、产量和籽粒品质对减量施氮的响应

陈妮娜 纪瑞鹏 米娜 张淑杰 于文颖 方缘 张玉书

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166; 2.辽宁省农业气象灾害重点实验室，辽宁 沈阳 110166;3.中国气象局干部培训学院辽宁分院，辽宁 沈阳 110166)

引言

玉米具有较高的单位面积产量和巨大的增产潜力，是仅次于小麦和水稻的世界第三大粮食作物[1]，在解决人类粮食安全保障方面具有重要作用。氮素是玉米生长发育不可缺少的元素，也是影响玉米产量和品质最重要的矿质元素[2]。玉米产量增加和品质改善的一项重要栽培措施就是施氮[3]，合理施氮，不仅能促进玉米植株的生长发育，还能增加产量，提高品质，获得较高的经济效益。但是为了追求高产，中国农田氮肥用量不断攀升，而当玉米产量达到一定水平，过量施氮造成了氮肥利用率低下，不仅不能持续提高玉米产量及经济效益，而且也造成资源的严重浪费，污染大气、土壤、水体生态环境及降低生物多样性[4-7]。因此，合理减量施氮，优化氮肥的科学管理技术逐渐成为近年来中国农业生产研究中的热点问题[8]。

目前国内外很多专家对减量施氮进行了研究。梁二等[9]针对氮减量施用对旱作玉米生产的影响研究发现，氮减量15%施用后，玉米产量无显著减少；位高生等[10]对琯溪蜜柚进行氮减量施肥试验表明，减少氮用量不会导致琯溪蜜柚减产，反而具有增产和明显改善果实品质的效果；韩瑞芸等[11]发现东北坡岗地上氮肥减量25%，玉米产量最高。由此可见，减量施氮是可行的。有关玉米减量施氮方面的研究主要集中在氮利用率、土壤养分、产量[9,11-12]等方面，对生长发育、产量构成、籽粒含水量及品质的影响有较少报道。

东北地区是中国春玉米的主产区和重要的商品粮基地，在中国的粮食生产中占有重要地位[13]。近30 a来该地区春玉米产量不断提高的重要措施就是增施氮肥，为获得高产，过量施氮的现象普遍存在[14]。目前，春玉米的氮肥施用量约为240—280 kg·hm-2，有的已超过300 kg·hm-2，远超当前产量水平的需求量和专家推荐量[15]，氮肥利用率仅为19%—28%[16]，远低于30%—51% 的全国平均水平[17]。因此，减少氮肥施用量，改善作物的生长环境，提高氮肥利用效率，实现作物的无公害生产已成为亟待解决的问题。目前，减量施氮对春玉米生长发育、产量构成、籽粒含水量及品质的影响规律尚不明确。因此，研究春玉米生长发育、产量和籽粒品质对减量施氮的响应，可为氮肥的区域合理调控与配置提供理论依据。本研究以辽宁锦州雨养农田玉米农民习惯性施氮量为对照，分析不同程度减量施氮对春玉米生长发育、产量和籽粒品质的影响，以期为减少氮肥施用投入提供科学依据，为减缓中国东北地区环境风险提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验地点位于辽宁省锦州市农业生态观测站(41°08′N，121°10′E，海拔高度为27.4 m)，所在区域属于典型温带季风型气候，年平均气温为9.5℃，年均降水量为565.9 mm，主要作物玉米的生育期为5—9月。试验地土壤为棕壤，容重为1.61 g·cm-3，有机质为1.8%，0—100 cm 土壤田间持水量平均值为21.6%，其初始肥力见表1。观测时间为2019年，年平均气温为11.5 ℃，年降水量为607.7 mm。选用玉米品种丹玉405为供试材料，采用东西行向种植，行株距为50 cm×35 cm，种植密度为5.7 株·m-2，小区面积为15 m2(长5 m、宽3 m)。土壤相对湿度为75%±5%，以氮肥施用数量为调控因素，有机肥及磷、钾肥用量均一致(商品有机肥1.5 t·hm-2，P2O590 kg·hm-2+K2O 80 kg·hm-2)，氮肥为尿素(含氮46%)，玉米栽种及其他田间管理措施一致。试验共设4个处理，每个处理3个重复，具体如下：

表1 2019年辽宁省锦州市农业生态观测站试验地土壤初始肥力情况Table 1 The initial soil fertility of the experimental site at Jinzhou agroecological observation station in Liaoning province in 2019

T1：N 0 kg·hm-2，农民习惯性施氮量基础上减少100%；T2：N 120 kg·hm-2，农民习惯性施氮量基础上减少55.5%；T3：N 240 kg·hm-2，农民习惯性施氮量基础上减少11.1%；T4：N 270 kg·hm-2，农民习惯性施氮量，CK。

各处理有机肥及磷、钾肥全部作基肥；氮肥20%作基肥，40%作普遍拔节期(6月17日)追肥，40%作普遍抽雄期(7月15日)追肥，均施于0—20 cm土层。

1.2 观测项目与方法

1.2.1 土壤湿度观测

采用时域反射仪(德国TRIME-IPH)在春玉米全生育期(播种—成熟)内每3 d 分5层(每层20 cm)测定土壤含水量，用于计算补水量，以控制试验过程中的土壤湿度。

1.2.2 生长发育观测

从三叶普遍期开始，每个发育期每小区选3株，分别观测记录试验区不同处理的玉米发育期、株高、叶面积、生物量，观测按照《农业气象观测规范》[18]进行。

1.2.3 产量结构分析

玉米成熟后，各小区分别取样30株，自然风干后进行产量结构分析，分别测定各小区果穗长、果穗粗、秃尖长、百粒重等产量构成要素，并计算经济产量(g·m-2)。

1.2.4 品质测定

主要测蛋白质、脂肪、淀粉、氨基酸四个指标。蛋白质含量用k氏定氮法测定[19]，脂肪含量用油重法测定，淀粉含量用HCL—铜还原直接测定法测定[20]，氨基酸含量用“日立—853”型氨基酸自动分析仪测定。

1.3 数据处理

数据统计及作图采用Microsoft Excel 2010，方差分析采用SPSS17。

2 结果分析

2.1 减量施氮对春玉米地上部生长的影响

2.1.1 株高

减量施氮后，不同处理玉米各发育期株高的变化不同(图1和表2)。三叶到抽雄期，减氮导致株高降低，降低程度随减氮量的增加而增加。而乳熟期，减氮11.1%和55.5%处理下，株高不但未降低，反而略微增加；减氮100%，仅造成株高减少4.4%。由此可见，虽然在株高迅速发展的时期(尤其是三叶期)，减氮的负影响较为明显，但株高基本稳定后，减氮的影响减弱。

表2 2019年不同程度减氮对不同发育期春玉米株高影响较对照变化量Table 2 Variations of plant height of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

图1 2019年不同处理春玉米各发育期株高Fig.1 Plant heights at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

2.1.2 叶面积指数

拔节前，玉米处于营养生长阶段，叶面积指数迅速增加，减氮造成叶面积指数明显减少，到拔节普遍期，减氮11.1%、55.5%和100%处理分别减少叶面积指数5.1%、14.4%和23.3%，随着减氮量增加，叶面积指数减少程度增加。玉米进入生殖生长阶段(抽雄期)后，减氮对叶面积指数的影响不明显，减氮11.1%和55.5%处理下，叶面积指数略微增加(图2和表3)。

图2 2019年不同处理春玉米各发育期叶面积指数Fig.2 Leaf area index at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表3 2019年不同程度减氮对不同发育期春玉米叶面积指数较对照影响变化量Table 3 Variations of leaf area index of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.1.3 生物量

拔节期前，减氮后，玉米生物量鲜重和干重均减少(表4和表5)，且随着减氮量的增加，减少程度增加。进入抽雄期后，减氮11.1%生物量干重不但不减少反而增加，进入乳熟期后，减氮11.1%生物量鲜重增加。说明减氮对生物量的影响在拔节前玉米营养生长阶段较大，进入生殖生长后，影响减小。

表4 2019年不同处理各发育期春玉米生物量干、鲜重及叶片干、鲜重占地上生物量的比例Table 4 Dry and fresh weights of biomass，the percentage of dry and fresh leaf weight to above-ground biomass at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表5 2019年不同减氮处理对各发育期春玉米地上生物量及叶片占比较对照变化量Table 5 Variations of above-ground biomass and leaf proportions at different growth stages of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

叶片的比重在玉米整个发育期呈抛物线型，先增加后减少，七叶期最高，乳熟期最低。拔节期以前，玉米发育以营养生长为主，营养器官叶、茎的比例较高，进入抽雄期后，玉米发育以生殖生长为主，干物质对器官的分配转向生殖器官。减氮对叶鲜重、叶干重占地上生物量的比例的影响与其对生物量鲜重和干重的影响类似，在玉米苗期，减氮导致叶鲜重、叶干重占地上生物量的比例明显下降，苗期过后，减氮11.1%的处理，叶鲜重、叶干重占地上生物量的比例变化不明显，减氮55.5%的处理，叶鲜重、叶干重占地上生物量的比例反而增加。说明玉米苗期，减氮不利于玉米地上部的生长，株高、茎粗、叶面积指数和生物量等生物学性状均明显减少。玉米苗期以后，适量减氮促进玉米地上部的生长，株高、茎粗、叶面积指数和生物量等生物学性状有增加趋势。

另外本研究发现减氮后叶片占比和叶面积指数也出现了上述相似规律。说明玉米营养生长阶段(苗期)，减氮不利于干物质向叶片分配，随着减氮量增加玉米生长发育变化增大；进入生殖生长阶段，减氮导致干物质向叶片的分配增加。

2.2 减量施氮对春玉米产量及其构成的影响

减量施氮对玉米产量的影响通过果穗长、果穗粗、百粒重、秃尖比等产量构成因素来体现。春玉米产量及结构性状对减量施氮的响应见表6和表7。适量减氮导致果穗长、果穗粗增加。减氮11.1%二者增加幅度最大，分别增加1.9%和3.7%。随着减氮量的增加，增加幅度减小。同样的规律，适量减氮导致百粒重和理论产量增加。三个减氮水平(减氮11.1%、55.5%、100%)导致百粒重的变化量分别为2.8%、2.6%和-0.1%；导致理论产量的变化量分别为11.5%、10.2%和0.5%。随着减氮量的增加，百粒重和理论产量变化幅度减少，说明减氮量为11.1%时，对玉米产量增加最明显。从不同程度减氮对籽粒含水量的影响来看，减氮导致玉米籽粒含水量增加，三个施氮水平分别增加14.3%、33.8%、56.7%。由此可见，随着减氮量的增加，玉米籽粒含水量所受影响程度增大。

表6 2019年不同减氮处理下春玉米产量和构成Table 6 Yields and its components of spring maize under different degrees of nitrogen reduction in 2019

表7 2019年不同减氮处理春术米产量和构成较对照变化量Table 7 Variation of yield and its components of spring maize under different degree of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.3 减量施氮对春玉米籽粒品质的影响

玉米籽粒品质是决定玉米品种优劣的重要指标，是玉米作为加工原材料的重要参考要素，它的形成与土壤养分供应状况有密切联系。氮肥通过玉米籽粒淀粉、脂肪、氨基酸、粗蛋白等物质的含量来影响品质。减量施氮对春玉米籽粒品质的影响见图3和表8。

表8 2019年不同程度减氮对春玉米品质影响较对照变化量Table 8 Variations of grain quality of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

图3 2019年不同处理春玉米籽粒品质脂肪(a)、淀粉(b)、氨基酸(c)、粗蛋白(d)Fig.3 Grain quality fat (a),starch (b),amino acid (c) and crude protein (d) of spring maize under different treatments in 2019

2.3.1 脂肪

脂肪含量占籽粒重的2.9%，减量施氮导致玉米籽粒脂肪含量呈减少趋势。三种减氮水平对脂肪含量的减少量分别为27.3%、18.2%和6.1%，说明随着减氮量的增加，脂肪含量减少幅度减小。减氮11.1%时，玉米籽粒脂肪含量最少，为2.4 g·100 g-1。

2.3.2 淀粉

淀粉是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，是反映玉米等粮食作物质量优劣的重要指标之一。本研究中淀粉含量占籽粒重的73.6%，是玉米籽粒中最主要的组成成分，这与Nuss和Tanumihardjo[21]的研究结果基本一致。

减氮导致玉米籽粒淀粉含量不同程度的增加。三种减氮水平对淀粉含量的增加量分别为13.4%、17.5%和30.0%，可见随着减氮量的增加，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。

2.3.3 氨基酸

氨基酸的合成与氮密切相关，减氮导致玉米籽粒氨基酸含量先增加后减少。三种减氮水平对氨基酸含量的影响量分别为15.9%、2.5%和-8.8%。减氮11.1%时，玉米籽粒氨基酸含量最大，为83.9 μmol·g-1。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的合成也与氮密切相关，其含量占籽粒重的6.2%。减氮导致玉米籽粒粗蛋白含量先增加后减少。三种减氮水平对粗蛋白含量的影响量分别为5.9%、-12.5%和-7.0%。减氮11.1%时，玉米籽粒粗蛋白含量最高，为6.8%。

3 结论与讨论

(1)从2019年辽宁省锦州市农业生态观测站玉米生长发育来看，玉米苗期，减氮导致生长发育指标(株高、茎粗、叶面积指数、生物量干、鲜重、叶片比重等)均减少，不利于地上部的生长和干物质向叶片分配，随着减氮量的增加，减少幅度增加。苗期以后，适量减氮促进玉米地上部的生长，株高、茎粗、叶面积指数、生物量和叶片占比等生物学性状有增加趋势。也有研究指出，株高等生长指标随着减氮量的增加而减少[17-20]，这与本研究结果一致。

(2)从产量构成及籽粒含水量来看，适量减氮导致果穗长、果穗粗、百粒重、理论产量和籽粒含水量增加。随着减氮量的增加，果穗长、果穗粗、百粒重和理论产量增加幅度均减小，籽粒含水量增加幅度增大。减氮11.1%时，果穗长、果穗粗和理论产量增加幅度最大，分别为1.9% 、3.7%和11.5%。当减氮11.1%(施氮量为240 kg·hm-2)时，玉米产量达到最大，为945.4 g·m-2。大量的研究表明，施氮可以增加玉米穗粒数、果穗长、果穗粗、百粒重，从而增加产量。随着施氮量的增加，果穗长、果穗粗及产量增加[22-25]，过高的施氮量并不会立即表现为倒伏和产量下降[26]。本研究结果与一些学者的观点一致[14,27-28]。当施氮量为240 kg·hm-2时，本研究地区春玉米产量达到最大值。品种、种植条件和土壤条件不同，合理的施氮量也有所差异[29]。草甸土春玉米的合理施氮量为200 kg·hm-2左右[30]；黑土地春玉米的推荐施氮量为165 kg·hm-2以内[31]。由此可见，氮肥施用过多并不能有效的促进产量的形成，而适宜的氮肥施用量可以在降低氮肥投入的同时保证产量的稳定提高。

(3)从籽粒品质来看，减氮导致玉米丹玉405籽粒脂肪含量减少，淀粉含量增加，氨基酸和粗蛋白含量呈先增加后减少趋势。随着减氮量的增加，脂肪含量减少幅度减小，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。减氮11.1%时，玉米籽粒脂肪含量最少，为2.4 g·100 g-1；氨基酸含量最大，为83.9 μmol·g-1；粗蛋白含量最高，为6.8%。安江勇等[32]发现，减氮减少玉米淀粉和粗蛋白含量。这可能是由于不同玉米品种的基因型以及某些酶的影响，籽粒品质是由基因型和外界环境条件等诸多因素共同决定的[33]。已有大量研究表明[34-35],适量减氮能提高玉米品质，过量施氮玉米品质会下降。为了进一步探究减量施氮对玉米品质的影响机理，需要对不同品种的情况进行全面研究。