張美微,劉京寶,喬江方,李 川,黃 璐,張盼盼,趙 霞,劉衛(wèi)星,牛 軍

(1.河南省農業(yè)科學院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南省科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究所，河南 鄭州 450002)

品種改良和水肥資源投入已經成為提高玉米產量的主要途徑[1-2]。灌溉和施肥是調控夏玉米生長發(fā)育和提高產量的重要措施。黃淮海平原農業(yè)生產中常采用傳統(tǒng)的地面灌溉、大量施肥等粗放的水肥管理措施，導致農業(yè)水肥資源利用效率低下；同時也增加了氮肥通過土壤徑流、氨揮發(fā)和硝化作用等方式進入農田生態(tài)系統(tǒng)的風險，造成大氣和農田土壤污染以及水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境污染問題[3-4]。據統(tǒng)計，黃淮海平原年均施氮量為550 kg/hm2，夏玉米灌溉水和氮肥的利用效率分別為45%和26%，均遠低于其他農業(yè)發(fā)達國家[5-6]。研究表明，氮肥過量施用對增產并無益處，反而會導致作物貪青晚熟、倒伏以及產量下降[7-10]。因此，如何協調資源投入與作物產出之間的關系成為農業(yè)發(fā)展亟需解決的一個重要問題。

夏玉米籽粒中的氮素一方面來源于根系吸收，另一方面來源于營養(yǎng)器官中氮素的再分配[11]。植株各器官氮素積累與分配的協調有序配合是保障夏玉米生長發(fā)育的基礎[12]。前人研究顯示，水分和氮肥管理措施對夏玉米氮素積累與轉運均有顯著影響，且二者存在顯著的互作效應[13-15]。黃淮海平原是我國夏玉米的主產區(qū)，存在品種更替快、水資源短缺等問題，節(jié)水減肥、提高水肥資源利用效率成為該地區(qū)發(fā)展生態(tài)農業(yè)的重要方向。鑒于此，以黃淮海平原11個主栽夏玉米品種為材料，研究不同水氮配施對夏玉米氮素吸收、積累、轉運和利用的影響，探討不同氮效型夏玉米品種的氮素吸收利用特征，明確水氮配施在夏玉米氮素吸收利用方面的調控效應，為黃淮海平原夏玉米水氮高效利用提供理論和技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗于2018年在河南省農業(yè)科學院河南現代農業(yè)研究開發(fā)基地(原陽，北緯35°0′16.03″、東經113°42′6.60″)進行。試驗地土壤類型為砂壤土，0～30 cm土層土壤pH值為8.78，有機質含量為0.36 g/kg，全氮含量為0.42 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為49.13、51.80、151.56 mg/kg。夏玉米全生育期內日平均氣溫和降雨量見圖1，全生育期總降水量為325.4 mm。試驗采用黃淮海地區(qū)大面積推廣種植的11個夏玉米品種為材料，具體信息見表1。

圖1 玉米生育期內的日平均氣溫和降雨量Fig.1 Mean air temperature and precipitation during the maize growth stage

表1 供試黃淮海夏玉米品種信息Tab.1 Cultivar information of summer maize in Huang-Huai-Hai region in the experiment

1.2 試驗設計

試驗采取裂區(qū)試驗設計，主區(qū)為灌水處理，副區(qū)為氮肥處理。灌水設置2個處理，分別為自然降雨(W0)和灌水處理(W1)，其中，W0處理不進行灌溉，W1處理分別在大喇叭口期(7月26日)和吐絲散粉期(8月10日)按照灌水量75 mm進行灌溉。灌水方式為微噴+噴淋，采用水表控制灌水量。此外，為保證出苗，各處理于播種后統(tǒng)一按照60 mm灌水量進行灌溉。氮肥處理設置3個水平，分別為不施氮(不施氮，N0)、低氮水平(150 kg/hm2N，N1)和正常施氮(225 kg/hm2N，N2)。各處理施用P2O5128 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。采取開溝施肥方式，基肥為復合肥(14-16-15)，追肥為尿素(N 46%)，N1、N2處理在拔節(jié)期，氮肥按照基追比1∶1進行追施。磷、鉀肥全部基施，為保證各處理磷、鉀肥施用量一致，以N2處理基施復合肥中含有的磷、鉀量為標準，N0、N1處理分別采用過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)進行補施。

11個夏玉米品種均于2018年6月14日播種，密度均為67 500株/hm2(行距60 cm，株距24.7 cm)，10月2日收獲。小區(qū)為4行區(qū)，行長5 m，各處理重復3次。為防止不同處理間水分和氮肥滲漏漂移，不同灌水處理間設置壟高30 cm，壟2側各種植2行玉米；不同肥料處理間隔1.2 m且種植2行玉米作為隔離帶。除施肥和灌水措施外，其他田間管理同一般高產田進行。

1.3 樣品采集與測定分析

分別于夏玉米吐絲散粉期和成熟期采集植株樣品，每個小區(qū)選取有代表性的植株3株，每株分為葉片、莖鞘、穗軸和苞葉、籽粒(成熟期)。各樣品于105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒質量。稱量干質量后，將樣品全部粉碎過篩(孔徑0.15 mm)，混勻后用四分法取樣測定氮素含量。植株氮素含量采用全自動智能化學分析儀Smart Chem 200測定，利用測定結果計算氮素積累轉運及利用的相關指標。

氮素積累量(Nitrogen accumulation,kg/hm2)=干物質積累量×氮素含量；

營養(yǎng)器官氮素轉運量(Nitrogen remobilization amount,NRA,kg/hm2)=吐絲期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

氮素轉運效率(Nitrogen translocation efficiency,NTE)=營養(yǎng)器官氮素轉運量/吐絲期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；

氮素轉運對籽粒的貢獻率(Nitrogen translocation contribution proportion,NTCP)=營養(yǎng)器官氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素收獲指數(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒氮素積累量/地上部植株氮素總積累量×100%；

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=地上部植株氮素總吸收量/施氮量；

氮肥利用效率(Nitrogen fertilizer use efficiency,NUE,kg/kg)=(施氮處理氮素吸收量-不施氮處理氮素吸收量)/施氮量。

1.4 數據分析

收集的數據使用SPSS 20.0進行整理分析，不同處理間差異性分析采用Duncan’s多重比較進行。圖表繪制使用Excel 2013完成。

2 結果與分析

2.1 不同夏玉米品種各器官的氮素積累量

從表2可以看出，夏玉米不同器官氮素積累量表現為籽粒(成熟期)>葉片>莖鞘>穗軸和苞葉。11個夏玉米品種吐絲期葉片、莖鞘、穗軸和苞葉的平均氮素積累量分別為48.71、37.14、12.78 kg/hm2，極差分別為13.22、14.24、4.64 kg/hm2；成熟期葉片、莖鞘、穗軸和苞葉、籽粒的氮素積累量分別為27.50、17.62、3.43、115.50 kg/hm2，極差分別為15.73、11.86、3.05、34.94 kg/hm2。不同夏玉米品種吐絲期葉片、莖鞘以及成熟期各器官的氮素積累量均存在顯著差異。吐絲期先玉335和新單68葉片、鄭單958和橋玉8號莖鞘的氮素積累量顯著較高；成熟期偉科702的籽粒氮素積累量最高，新單68、鄭單958、鄭單1002和鄭單309也獲得了較高的籽粒氮素積累量。

表2 不同夏玉米品種吐絲期和成熟期各器官的氮素積累量 Tab.2 Nitrogen accumulation amount of different organs of summer maize cultivars at silking and maturity stages kg/hm2

注：同列不同小寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference among cultivars at the 5% level,the same below.

2.2 夏玉米莖葉氮素轉運和氮素利用的品種間差異

從表3可以看出，11個夏玉米品種營養(yǎng)器官氮素轉運量、氮素轉運效率、氮素轉運對籽粒的貢獻率平均值分別為40.73 kg/hm2、41.82%、36.20%，極差分別為12.26 kg/hm2、16.18%、17.16%。不同夏玉米品種在營養(yǎng)器官氮素轉運量、氮素轉運效率以及氮素轉運對籽粒的貢獻率方面均存在顯著差異，其中，橋玉8號、迪卡517、德單5號分別比其他品種具有較高的氮素轉運量、氮素轉運效率、氮素轉運對籽粒的貢獻率。在氮素吸收和利用方面，11個夏玉米品種的氮素收獲指數、氮素吸收效率、氮肥利用效率分別為70.64%、0.96 kg/kg、0.16 kg/kg，極差分別為10.75%、0.28 kg/kg、0.12 kg/kg。不同品種間氮素吸收和利用特征存在顯著差異，其中，迪卡517、新單68、農大372分別獲得了較高的氮素收獲指數、氮素吸收效率、氮肥利用效率。此外，通過分析各指標在品種間的變異系數可以看出，氮肥利用效率的變異系數最大，為20.97%；而氮素收獲指數的變異系數最小，為3.81%。

表3 不同夏玉米品種莖葉氮素轉運和氮素利用Tab.3 Nitrogen translocation from stem and leaf to grain and nitrogen use efficiency of summer maize cultivars

2.3 不同水氮處理對夏玉米植株氮素積累的影響

為了更清晰地分析不同類型夏玉米品種氮素積累和轉運對灌水和氮肥的響應特征，以變異系數最大的氮肥利用效率對11個夏玉米品種進行聚類分析。從聚類分析產生的樹狀圖(圖2)可以看出，11個夏玉米品種被分為3類，分別為高、中、低氮肥利用效率品種(下文簡稱高、中、低氮效型,表示為H、M、L型)，其中，H型品種有4個，分別為ZD958、XY335、XD68、ND372，平均氮肥利用效率為0.19 kg/kg；M型品種共6個，分別為WK702、ZD309、QY8、ZD1002、DK517、XD29，平均氮肥利用效率為0.15 kg/kg；L型品種1個，為DD5，氮肥利用效率為0.09 kg/kg。

圖2 11個夏玉米品種基于氮肥利用效率的聚類分析Fig.2 Clustering analysis of nitrogen use efficiency for 11 maize cultivars

進一步分析不同氮效型夏玉米品種對水氮處理的響應(圖3)可以看出，水氮處理均顯著增加不同氮效型夏玉米品種吐絲期和成熟期植株的氮素積累量。與W0處理相比，W1條件下H、M、L型夏玉米品種在3個N處理下吐絲期植株氮素積累量平均值分別增加了14.99%、15.68%、33.67%，成熟期植株氮素積累量分別相應增加21.33%、17.63%、28.87%，可見，低氮效型夏玉米品種對灌水處理響應最大。無論灌水與否，隨施氮量增加，吐絲期和成熟期植株氮素積累量均增加。W0條件下，N1和N2處理吐絲期植株氮素積累量無顯著差異，但較N0處理分別增加了26.36%和39.29%(H型)、14.65%和21.94%(M型)、28.05%和42.64%(L型)；而W1條件下，N1和N2處理吐絲期植株氮素積累量差異顯著，且較N0處理分別增加了17.27%和34.09%(H型)、10.89%和29.82%(M型)、8.31%和22.25%(L型)，說明灌水有利于增加植株對氮素的吸收利用，進而增加吐絲期植株的氮素積累量。在各水氮處理中，成熟期植株氮素積累量以W1N2處理(H、M型)和W1N1處理(L型)最高，較W0N0處理分別增加56.15%、45.05%、49.21%，但各類品種W1N2和W1N1處理間均無顯著差異。

不同小寫字母表示同一類型品種同一時期不同水氮處理在0.05水平上差異顯著

2.4 不同水氮處理對夏玉米氮素轉運和利用的影響

由表4可見，在氮素轉運特征方面，施氮或灌水總體上增加了夏玉米營養(yǎng)器官的氮素轉運量，而降低了氮素轉運效率和氮素轉運對籽粒的貢獻率。其中，W1N2處理下H、M、L型夏玉米的氮素轉運量分別較W0N0處理增加了11.99%、15.57%、39.03%，轉運效率分別降低了29.41%、21.42%、24.15%。H和M型夏玉米品種的營養(yǎng)器官氮素轉運量和氮素轉運對籽粒的貢獻率以及M型夏玉米品種的氮素轉運效率在各水氮處理間的差異均不顯著。W1N2處理下H、M、L型夏玉米的氮素收獲指數分別較W0N0處理降低了9.66%、5.68%、15.28%。在氮素吸收利用方面，各水氮處理顯著影響夏玉米的氮素吸收效率，且H、M、L 3種類型夏玉米均以W1N1處理最高，分別較W0N1處理增加19.98%、16.64%、36.73%，以W0N2處理最低，較W0N1處理分別降低了29.86%、29.85%、21.91%；H、M型夏玉米品種的氮肥利用效率在不同水氮處理間差異未達顯著水平，L型夏玉米品種的氮肥利用效率在各水氮處理間差異顯著，分別在W0N2和W1N2處理下達到最大值和最小值。

表4 水氮處理對不同夏玉米品種氮素轉運和利用的影響Tab.4 Effect of irrigation and nitrogen fertilizer on nitrogen translocation and nitrogen use efficiency of summer maize cultivars

注：同列不同小寫字母表示同一類型夏玉米品種不同水氮處理在0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 probability level of the same cultivar type.

3 結論與討論

作物產量主要來源于花后干物質的積累，而植株氮素積累以及營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉運是干物質積累的前提[16-17]。品種類型、水肥措施等對作物氮素積累和利用均有顯著影響[18]。在夏玉米品種更替過程中，其干物質和氮素的積累、分配已發(fā)生變化，新老品種植株器官氮素積累存在顯著差異[19]。此外，申麗霞等[20]研究認為，不同玉米品種在氮素吸收利用方面也存在顯著差異。本研究結果表明，不同器官氮素積累量表現為籽粒(成熟期)>葉片>莖鞘>穗軸和苞葉，且品種間植株莖葉氮素積累量在吐絲期和成熟期均存在顯著差異，這與前人研究結果一致[21]。前人研究表明，玉米在氮素轉運和利用方面存在顯著的基因型差異[19,21-22]。本研究結果也顯示，不同夏玉米品種在植株氮素轉運、吸收和利用方面也存在顯著差異，其中，橋玉8號、迪卡517、德單5號在11個供試品種中分別獲得最高的氮素轉運量、氮素轉運效率、氮素轉運對籽粒的貢獻率，而迪卡517、新單68、農大372分別獲得了最高的氮素收獲指數、氮素吸收效率、氮肥利用效率。此外，通過比較夏玉米植株氮素轉運、吸收和利用指標在品種間的變異可以看出，氮肥利用效率的變異系數最大，為20.97%，是其他氮素轉運和利用指標的1.4～5.5倍。因此，選育和篩選氮高效型夏玉米品種是提高氮肥利用效率的有效手段。

黃淮海平原水資源緊缺，夏玉米生育期降雨分布不均，合理的灌溉是該地區(qū)實現高產高效的重要手段，但生產上長期過量施用肥料已對該地區(qū)農田土壤造成了一定的污染[23]。因此，研究控水節(jié)肥條件下夏玉米氮素積累與分配特征對提高夏玉米水肥利用效率、減少農田土壤污染具有重要意義。大量研究顯示，適度的水分供給和合理的氮肥施用有利于夏玉米營養(yǎng)器官的氮素積累，促進氮素向籽粒的轉運[15,24-25]。營養(yǎng)生長期土壤缺水會阻礙植株對硝態(tài)氮的吸收，降低其氮素積累[26]。本研究為明確不同類型夏玉米品種對水氮調控的響應特征，將11個夏玉米品種分為高(H)、中(M)、低(L)氮肥利用效率3類。結果表明，灌水和施氮均顯著提高了3類品種吐絲期和成熟期的植株氮素積累量，且L型品種對灌水的響應最大；在各水氮組合中，成熟期植株氮素積累量以W1N2處理(H和M型)和W1N1處理(L型)最高，但各類品種W1N2與W1N1處理均無顯著差異。施用氮肥雖然有利于植株氮素積累，但降低了氮素吸收和利用效率[27]。本研究在氮素轉運和利用方面的結果顯示，灌水和施氮總體上增加了夏玉米營養(yǎng)器官的氮素轉運量，降低了氮素轉運效率和氮素轉運對籽粒的貢獻率；L型品種的各氮素轉運參數在不同水氮處理間差異顯著。氮素收獲指數隨灌水和施氮量增加總體呈下降趨勢，且以L型品種最為敏感，W1N2處理較W0N0處理的降幅最大，為15.28%，這顯示了L型品種的不穩(wěn)定性。不同氮效型夏玉米氮素吸收效率在各水氮處理間差異顯著，分別在W1N1和W0N2處理下獲得最高值和最低值；而氮肥利用效率則僅在L型品種中表現出顯著差異，分別在W0N2和W1N2處理下達到最大值和最小值，這說明H型和M型品種較L型品種對水氮環(huán)境具有更強的穩(wěn)定性。在當前黃淮海平原農業(yè)生產條件下，減少化肥施用量是降低農田溫室氣體排放、減少農田水體污染的有效方法[28]。綜合考慮玉米植株氮素積累、轉運、吸收和利用等方面，在合理的灌溉條件下，適當減少氮肥的施用(W1N1)并不會顯著降低夏玉米氮素積累轉運，并且有利于提高氮素吸收效率。因此，適當減少氮肥施用并配以合理的灌溉，是實現黃淮海區(qū)域夏玉米水肥資源高效利用的有效方法。