不同氮素水平对夏玉米生理参数及产量品质的影响

董伟欣 李东晓 张月辰

摘要：合理施用氮素可提高氮素利用效率，并最终影响玉米的产量和品质。为研究不同氮素水平对玉米生理参数及产量品质的影响，以‘ 先玉335和‘ 京农科728为试验材料，分别设N1（150 kg·hm-2）、N2（210 kg·hm-2）、N3（270 kg·hm-2）和N4（330 kg·hm-2）4种施氮水平，分析不同氮素水平对玉米生长、生理参数、产量和籽粒品质的影响。研究表明，2个玉米品种的株高、叶面积和地上部干重随着施氮量的增加而升高，而茎粗从N1至N3处理不断增大，到N4处理降低，另外叶面积指数和叶片夹角同样表现为随着施氮量的增加而升高，京农科728的叶面积指数高于先玉335，且各个处理之间的差异未达到显著水平；叶绿素含量均表现出从吐丝期至灌浆期升高，到成熟期又降低的趋势，施氮量从N1至N3处理逐渐升高，到N4处理又降低；可溶性蛋白和可溶性糖含量随着生育进程的推进而升高，且‘京农科728略高于‘先玉335，此外，可溶性蛋白在3个时期均随着施氮量的增加而不断升高，而可溶性糖含量从N1至N2处理升高，到N3和N4处理又降低；超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性随着施氮量的增加而呈现升高趋势，丙二醛含量呈现相反的变化趋势；2个品种均在N2处理下的产量最高，施氮量超过210 kg·hm-2产量却降低，因此，N2（210 kg·hm-2）处理为最佳的施氮量。由此可见，适量增加氮素可促进玉米干物质和碳水化合物的积累，并最终提高产量和品质，为河北省山前平原区减氮栽培提供了参考。

关键词：玉米；不同氮素水平；生理参数；产量品质doi：10.13304/j.nykjdb.2021.0630

中图分类号：S512.1 文献标志码：A 文章编号：10080864（2023）01014211

玉米作为我国重要的多用途粮食作物，其高产、稳产对于保障我国粮食安全及国际民生起着关键性作用，河北是玉米种植大省，玉米单产达6 647 kg·hm-2[1]，与发达国家相比较，还有很大的提升空间。氮肥作为玉米生长发育的主要营养物质，对产量提高和保障粮食安全起着重要作用，随着施氮量的逐渐增加，氮素对玉米的贡献率从40%～50%下降到14.7%～24.7%，不仅造成环境污染且氮素利用率也在连年下降[23]。因此，在保障粮食产量和安全的前提下，肥料高效利用是目前农业高质量发展的趋势。

减氮栽培是玉米生产的必然趋势，不同氮素水平对玉米的生长发育、生理参数和产量品质均有不同程度的影响。王晨光等[4]研究发现，随着施氮水平的增加，玉米叶面积指数、SPAD值和生物量均增加；也有研究发现，随着施氮量的增加，玉米的株高、穗位高、穗粗、穗长均逐渐增加且明显高于对照，说明适量氮素可以促进玉米生长发育[5]。氮素对植物体内酶活性变化起着重要调节作用[6]，周青云等[7]设置了5种氮素水平，发现穗位叶的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）活性和碳水化合物积累在施氮量90～270 kg·hm-2 时逐渐升高，到360 kg·hm-2 时又显著降低，说明氮素并非越高越好，氮素过高会影响植株光合产物的重新分配和酶活性的变化。氮素同样是植物叶绿素、氨基酸和蛋白质合成的重要元素，在产量和品质提升方面发挥着重要作用[89]。合理的施氮量可以提高产量并增加籽粒的蛋白质、淀粉含量，降低脂肪含量，改善籽粒品质[1011]；有研究发现，施氮量过高会影响籽粒的碳同化过程，氮素转运率和氮素在籽粒中所占比例都会下降，进而导致籽粒败育，降低玉米籽粒产量[12-14]。以上说明，合理的施氮量通过调节玉米的生长、生理，从而影响玉米的产量和品质。

目前，对于氮素的研究多集中于产量、氮素利用效率、干物质积累等方面，而对于叶片生理代谢变化影响产量和品质方面缺乏系统的研究。本研究以先玉335和京农科728为材料，研究了不同氮素水平对不同玉米品种生理参数及产量品质的影响，筛选出最适宜玉米生长的氮素水平，以期为玉米生产中氮素合理施用、玉米减氮高效栽培提供实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

播种前试验田0 —20 cm的土壤养分含量分别为：土壤有机质17.76 g·kg-1，全氮含量1.47 g·kg-1，碱解氮含量83.95 mg·kg-1，有效磷含量36.73 mg·kg-1，速效钾含量135.82 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试玉米品种为‘先玉335和‘京农科728，由河北省新乐市种子公司提供；所用肥料为复合肥（N∶P2O5∶K2O=28∶4∶8），拔节期补充的磷肥和钾肥为46%的过磷酸钙和52%的硫酸钾。

1.3 试验设计

试验于2019 —2020年在河北省新乐市试验田进行，本试验结果以2020年数据为主，分别设置4种氮素处理：N1 （150 kg·hm-2）、N2 （210 kg·hm-2）、N3 （270 kg·hm-2）和N4 （330 kg·hm-2），磷肥和鉀肥均为102 kg·hm-2，氮素在播种前一次性施入，试验采用随机区组设计，每个处理3次重复，共24个试验小区。

本试验6月25日播种，基本苗为6.75万株·hm-2，分别在出苗期、开花期和灌浆期浇水，每次浇水量为600 m3·hm-2，试验小区面积为60 m×2.5 m，前茬作物为小麦，生育期间的管理同大田生产。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 玉米生长指标及地上部干物重测定 在吐丝期（开花期）、灌浆期和成熟期，每个处理选取3株玉米（3次重复，共9株），分别测定其株高（地上部至顶端）、茎粗（游标卡尺测，日本三丰，Mitutoyo）、叶面积（LI-3000C便携式叶面积仪，美国LI-COR公司生产）和地上部干重（鼓风干燥箱LX-9075A）。

1.4.2 玉米叶面积指数和叶片夹角测定 在吐丝期、灌浆期和成熟期的15：00 —17：00，采用植物冠层仪TOP-1000（浙江拖普云农科技有限公司生产）测定玉米的叶面积指数（leaf area index，LAI）和叶片夹角（mean tilt angle of the leaves，MTA）。

1.4.3 玉米穗位叶叶绿素含量测定 参照邹琦[15]的方法，称取0.1 g叶片，用95%乙醇避光提取48h后，使用RGF-6300原子荧光分光光度计（杭州俊升科学器材有限公司）分别在470、649、665 nm波长下测定叶绿素含量。

1.4.4 玉米穗位叶可溶性蛋白和可溶性糖含量测定 可溶性蛋白含量参照曲春香等[16]的方法测定；可溶性糖含量采用李合生[17]的方法测定。

1.4.5 玉米穗位叶超氧化物歧化酶、过氧化物酶酶活性和丙二醛含量的测定 超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）采用SOD 和PODElisa试剂盒测定（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检测试剂盒（武汉伊莱瑞特生物科技股份有限公司）测定。

1.4.6 玉米产量构成因素及产量的测定 在成熟期测定玉米10 m双行穗数，之后再折算成每公顷穗数，统计每穗粒数，对单穗和穗粒进行称重并记录，每个处理3次重复，根据下面公式计算产量。

产量=穗数× 穗粒数× 百粒重× （100% - 含水量）／（100% - 14%） × 100 × 1 000 （1）

1.4.7 玉米籽粒品质的测定 玉米籽粒充分成熟后及时收获，晾干后脱粒，用1241型近红外谷物品质分析仪（丹麦FOOS公司产）测定玉米籽粒的蛋白质、淀粉、脂肪和氨基酸含量，每个处理3次重复。

1.5 数据分析

所有数据采用Excel 2013 整理，使用SPSS17.0和SAS 9.4软件在P<0.05水平上进行方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平对玉米生长及地上部干物质积累的影响

不同氮素处理会影响玉米生长和地上部干物质积累，从表1可以看出，2个品种的株高、茎粗、叶面积和地上部干重从吐丝期至成熟期呈现增加的趋势，其中，株高、叶面积和地上部干重在吐丝期、灌浆期和成熟期均表现出随着施氮量增大而增大的趋势；而茎粗却表现出从N1至N3增大，到N4处理却降低的趋势。不同氮素处理在吐丝期和灌浆期对2个品种株高和茎粗的影响较大，到成熟期几乎没有明显的差异性，而对叶面积的影响在灌浆期较大，在吐丝期和成熟期的影响不明显，地上部干重在灌浆期和成熟期随施氮量的增加而明显增大。说明氮素增加在吐丝期和灌浆期可以促进株高和茎粗的增长，灌浆期叶面积增大可以吸收较多光能，促进籽粒干物质积累，灌浆期和成熟期地上部干重随施氮量增加而增加主要是穗部籽粒干物质积累的结果，不同氮素处理对玉米生长指标的改变在不同时期发挥的作用不同。

2.2 不同氮素水平对玉米叶面积指数和叶片夹角的影响

由图1可知，2个玉米品种的叶面积指数（LAI）和叶片夹角（MTA）会随着氮素水平的升高总体呈现变大的趋势，叶面积指数从吐丝期至灌浆期升高，到成熟期稍有降低，从数值大小来看，‘京农科728的叶面积指数高于‘先玉335，但2个品种各个处理之间的差异性未达到显著水平；2个品种的叶片夹角相差不大，且在吐丝期、灌浆期和成熟期的数值大小也比较接近，‘先玉335的3个时期各个处理之间的差异性未达到显著水平，而‘京农科728在吐丝期和灌浆期各个处理之间无显著性差异，但在成熟期N4处理较N1和N2处理分别显著升高21.69%和15.55%。说明施氮量增大可增加灌浆期玉米叶面积，而使叶面积指数和叶片夹角稍有增大，但未达到显著水平，总体影响不大。

2.3 不同氮素水平对玉米穗位叶叶绿素含量的影响

由图2可见，2个玉米品种的穗位叶叶绿素含量相差不大，均呈现从吐丝期至灌浆期升高、到成熟期又降低的趋势，另外，叶绿素含量随着施氮量的增加而升高，但在N4处理下却降低。‘先玉335在吐丝期、灌浆期和成熟期各个处理之间叶绿素含量的差异未达到显著水平；‘京农科728在3个时期均在N3处理下的叶绿素含量最高，吐丝期N3处理较N4处理显著升高24.31%，而灌浆期N3处理较N1处理显著升高12.61%，成熟期各个处理之间的差异不显著。这表明氮素增多可以促进玉米穗位叶叶绿素含量的增加，但超过270 kg·hm-2却抑制叶绿素的合成，因此，270 kg·hm-2 的施氮量可以促进叶绿素的合成，在灌浆期保持较高的叶绿素含量，促进玉米籽粒充分灌浆，对于粒重增加具有重要作用。

2.4 不同氮素水平对玉米穗位叶可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响

由图3可见，2个品种的可溶性蛋白和可溶性糖含量從吐丝期至成熟期不断升高且‘京农科728略高于‘先玉335，2个品种的可溶性蛋白在吐丝期、灌浆期和成熟期随着施氮量的增加而不断升高，而可溶性糖含量从N1处理至N2处理升高，到N3处理和N4处理又降低。2个品种在各个时期的表现不同，‘先玉335的可溶性蛋白在吐丝期和成熟期的各个处理之间的差异不明显，而灌浆期N4处理较N1处理和N2处理分别显著升高21.91%和13.84%，‘京农科728吐丝期和灌浆期的各个处理之间无显著差异，而在成熟期N4处理较其他3个处理均显著升高；‘先玉335的可溶性糖含量在N2处理下最高，只在灌浆期较N4处理显著升高43.73%，吐丝期和成熟期差异均不显著，‘京农科728在吐丝期和灌浆期的各个处理之间差异不明显，但在成熟期N2处理较N4处理显著升高21.14%。说明后期穗位叶片保持较高的碳水化合物可促进玉米籽粒充分灌浆和成熟。

2.5 不同氮素水平对玉米穗位叶酶活性的影响

不同施氮量处理与酶活性变化密切相关，从表2可以看出，2个品种的SOD活性从吐丝期至灌浆期逐渐升高，到成熟期又降低，而POD活性和MDA 含量从吐丝期至成熟期不断升高。‘先玉335吐丝期各个处理的SOD活性无明显变化，但灌浆期和成熟期N4处理较N1处理分别显著升高36.78%和25.41%，而‘京农科728在3个时期的N4 处理较N1 处理分别显著升高23.52%、18.35%和32.11%；2个品种各个处理的POD活性在吐丝期无显著差异性，而在灌浆期N4处理较N1处理和N2 处理分别显著升高7.96%、6.32% 和6.85%、5.24%，在成熟期‘先玉335除N4处理较N1处理显著升高9.10% 外，其余处理的差异性均不明显，‘京农科728各个处理之间的差异性均不明显；‘先玉335各个处理的MDA含量在3个时期均无明显的差异性，而‘京农科728吐丝期的N1处理较N4处理显著升高32.96%，灌浆期和成熟期各处理之间无明显差异性。可以看出，随着施氮量的增加，SOD和POD酶活性升高，MDA含量降低，说明施氮量从N1到N4可以提高玉米对自由基的清除能力，降低膜脂过氧化的程度，保持玉米后期较高的叶片酶活性，提高光合速率。

2.6 不同氮素水平对玉米产量构成因素及产量的影响

从表3可以看出，不同氮素处理显著影响玉米的产量构成因素及产量形成，2个品种的产量均在N2处理下最高，且‘京农科728较‘先玉335升高7.39%。2个品种的穗数在N2处理下最高，且‘京农科728高于‘先玉335，‘先玉335的N2处理较其他3个处理分别显著升高6.97%、6.47%和11.11%，而‘京农科728的各个处理之间无显著差异性；2个品种的穗粒数、单穗重和穗粒重同样在N2 处理下最高，但‘先玉335却高于‘京农科728，‘京农科728的3个指标各个处理之间的差异均未达到显著水平，而‘先玉335在N2处理下的穗粒数和单穗重较N1 处理分别显著升高10.22%和15.01%，与其他2个处理的差异不明显，且N2处理的穗粒重较N1和N4处理分别显著升高15.28%和8.31%。可见，2个品种通过产量构成因素增加来提高产量，但‘京农科728的产量高于‘先玉335主要是通过增加穗数来实现的。2个品种的产量在N2处理下最高，但施氮量超过210kg·hm-2 却降低，因此，N2 处理（210 kg·hm-2）是最佳的施氮量处理。

2.7 不同氮素水平对玉米籽粒品质的影响

不同氮素处理对玉米籽粒品质有明显的影响，从表4可见，2个玉米品种籽粒的蛋白质和淀粉含量从N1处理至N3处理不断升高，到N4处理又显著降低，‘先玉335籽粒的蛋白质含量略高于‘京农科728，而2个品种籽粒的淀粉含量差异不大；2个品种的脂肪和氨基酸含量在N2处理下最高，并呈现出从N1处理至N2处理显著升高，之后又逐渐降低的趋势，N2处理较N1、N3、N4处理均显著升高，‘ 先玉335升高幅度分别为13.46%、8.35%、9.05% 和18.08%、16.46%、22.30%，‘ 京农科728升高幅度分别为19.69%、14.96%、20.67%和18.11%、20.75%、25.69%，2个品种相比较，‘京农科728的脂肪含量明显高于‘先玉335，而氨基酸含量却呈现相反的变化趋势，说明N2处理和N3处理均有利于玉米籽粒品质的提升，且同一指标在不同品种之间的变化不一致。

3 讨论

3.1 合理氮素水平调控玉米生长和生理参数变化

氮素是作物生長的物质基础，合理施用氮素可以促进玉米生长和干物质积累[18]。有研究发现，随着施氮量的增加，玉米株高、茎粗、单株绿叶数和叶面积等农艺性状逐渐增加，但当施氮量达到360 kg·hm-2时不再增加[19]，姚丹丹[20]也发现，随着施氮量的增加，春玉米的株高、茎粗、穗位高均有不同程度的增加，当超过适宜施氮量时，各性状出现降低趋势。本研究结果表明，‘先玉335和‘京农科728的干物质积累随着施氮量的增加表现为先升后降，且均在210 kg·hm-2处理下达到最高值；且株高、叶面积、叶面积指数和地上部干重从N1处理至N4处理逐渐升高，而茎粗却在N4处理下降低。这与前人研究趋势相一致，不同之处是不同试验设置的施肥范围不同，导致有的指标随施氮量增加而升高，有的到达一定范围却降低，但总体趋势一致。不同氮素含量会影响玉米的物质代谢和酶活性，张盼盼等[21]发现，随着施氮量的增加，玉米穗位叶的SPAD值、SOD和POD酶活性逐渐升高。本研究发现，玉米穗位叶的叶绿素含量和可溶性糖含量随施氮量增加而升高，到N4处理却降低，而可溶性蛋白含量和酶活性却呈现升高趋势，这与前人[22-24]的研究结果相一致，随施氮量的增加，玉米穗位叶酶活性不断升高。说明施入不同氮素后，会破坏玉米体内抗氧化防御系统的平衡，诱导植株体内SOD和POD活性升高，减轻活性氧对玉米的伤害，不同的是‘京农科728较‘先玉335具有较高的碳水化合物含量和酶活性，既保证了植株的物质积累和氮素同化能力，又提高了氮素利用效率，保证了减氮条件下产量提高。

3.2 合理氮素水平可提高玉米产量和籽粒品质

氮肥是玉米产量形成和品质提升的重要因素，但过量施氮不但不能增加作物产量，而且导致氮肥大量损失，造成资源浪费。张吉旺等[25]发现，过量施氮对产量提高没有明显影响，刘瑀等[26]的研究也发现，施氮量在0～288 kg·hm-2范围内，施氮量越大，产量越高，当施氮量超出这一范围，产量降低。本研究表明，‘京农科728和‘先玉335在N2处理下的产量最高，且‘京农科728的产量高于‘先玉335，本试验是在河北省山前平原区试点（新乐及周边地区）进行的，该地区属于砂壤土，土质疏松，漏水漏肥现象严重，选取当地大面积推广的高氮高效品种‘先玉335和低氮高效品种‘京农科728进行试验，本试验材料中，同样的减氮处理下，低氮高效品种‘京农科728的产量高于高氮高效品种‘先玉335，表明‘京农科728在较低的氮素水平下能提高氮素利用效率且能产生较高的经济产量，相对减少氮肥用量，达到高产优质高效的生产目的，产量的增加主要是通过增加每hm2穗数来实现的，但施氮量超过210 kg·hm-2产量却降低，认为210 kg·hm-2是较佳的施氮量，氮素过多会导致植株营养器官生长过旺，不利于籽粒干物质积累，只有适宜的施氮量才能提高氮肥利用率进而提高产量，这可为品种推广或品种引进提供实践参考。蛋白质、淀粉和脂肪作为玉米籽粒的重要组成部分，受氮素的影响较大。于宁宁等[10]发现，‘登海518和‘郑单958在施氮量184.5 kg·hm-2时较不施氮和施氮129 kg·hm-2处理下的粗蛋白、可溶性糖和总淀粉含量显著升高，当施氮量达到300 kg·hm-2时，其产量和品质都会降低；姜涛[27]研究发现，玉米籽粒的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪含量会随着氮肥量的增加而提高，当施氮量达到一定量时，则不会升高反而有所下降。本研究发现，N2处理可提高玉米籽粒的蛋白质和淀粉含量，N3处理可提高玉米籽粒的脂肪和氨基酸含量，说明N2处理和N3处理均能提高籽粒品质，与前人研究结果相一致。说明氮素不足会影响玉米籽粒干物质积累，进而影响产量，然而氮素过量，会导致玉米籽粒中的蛋白质、淀粉、脂肪和氨基酸含量降低，粒重减少，产量降低，本研究表明210 kg·hm-2处理能显著提高玉米产量和籽粒品质。

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（责任编辑：胡立霞）