孟 瑤，劉趙月，李 晶，顧萬(wàn)榮，魏 湜

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

【研究意義】玉米是我國(guó)第一大糧食作物，玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)維護(hù)國(guó)家糧食安全至關(guān)重要[1]。黑龍江省是我國(guó)主要的玉米產(chǎn)區(qū)之一，玉米產(chǎn)量約占全國(guó)產(chǎn)量的16 %。2017年我國(guó)玉米種植面積是美國(guó)的10.8倍。但在種植密度上，美國(guó)為85 500～109 500株·hm-2，我國(guó)普遍為50 000～67 500株·hm-2，而且我國(guó)玉米總產(chǎn)量?jī)H為美國(guó)的70 %，種植密度較低是限制我國(guó)玉米產(chǎn)量的主要原因之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】20世紀(jì)80年代以來(lái)，密植成為世界各地玉米實(shí)現(xiàn)大面積高產(chǎn)的關(guān)鍵措施和發(fā)展趨勢(shì)。玉米產(chǎn)量取決于群體產(chǎn)量，群體中光合作用與干物質(zhì)積累量密切相關(guān)。從資源利用的角度看，種植密度可以改變?nèi)后w的植物光合速率和碳同化能力，增加密度可以提高光合利用率，進(jìn)而提高群體增產(chǎn)潛力，獲得高產(chǎn)。但玉米種植密度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致群體內(nèi)光照條件差，田間郁閉，空氣光照匱乏，同時(shí)水分和養(yǎng)分資源競(jìng)爭(zhēng)加劇，致使個(gè)體貧弱，雌穗發(fā)育不良，不耐高氮，從而使玉米減產(chǎn)[2]。萇建峰等研究表明合理施氮能提高籽粒中可溶性蛋白含量[3]。何金明等表明玉米籽粒中代謝關(guān)鍵酶包括ADPG酶、淀粉合酶(GBSS酶和SSS酶)的活性都隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢(shì)[4]。玉米籽粒的產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增后降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵陔x體條件下施氮量過(guò)高會(huì)影響籽粒的碳同化過(guò)程，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率和氮素在籽粒中所占比例都會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致籽粒敗育，降低玉米籽粒產(chǎn)量[5-6]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前我國(guó)農(nóng)業(yè)仍將投入大量肥料仍作為提高產(chǎn)量的主要手段，氮肥過(guò)量會(huì)導(dǎo)致氮素利用率降低以及環(huán)境污染等問(wèn)題，增密減氮被認(rèn)為是提高玉米群體氮素利用和產(chǎn)量的重要途徑?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究設(shè)置高密度種植90 000株·hm-2，四個(gè)氮素處理水平，探討施氮量對(duì)高密度種植條件下春玉米籽粒代謝及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，以期為高密度玉米群體的氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2016-2017年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處東經(jīng)126°36′、北緯45°42′，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)2016-2017年平均溫度分別為18.1和24.7 ℃，總降水量分別為474.3和784.8 mm。試驗(yàn)田土壤肥力基礎(chǔ)情況為全氮1.78 g·kg-1、速效鉀183.49 mg·kg-1、速效磷66.23 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)26.32 g·kg-1、堿解氮122.35 mg·kg-1，pH 6.88。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)供試品種為東農(nóng)253，所施用氮肥為尿素(含N 35.9 %)，在前人研究基礎(chǔ)之上設(shè)置了4個(gè)氮肥處理，即純氮0-N、純氮70-N、純氮100-N、純氮130-N。玉米種植密度為90 000株·hm-2，采用人工點(diǎn)播方式。氮肥總量的1/3，以及P2O5150 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2作為種肥，氮肥總量的2/3作追肥于拔節(jié)期施入。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)共10行，壟長(zhǎng)8 m，行間距為0.7 m，每小區(qū)面積為56 m2，重復(fù)3次。其他栽培管理技術(shù)按大田玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 可溶性蛋白測(cè)定 分別在花后0、10、20、30、40和50 d選取籽粒樣品，采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定蛋白質(zhì)含量。

1.3.2 籽粒中焦磷酸化酶(ADPG)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)活性測(cè)定 分別在花后10、20、30、40和50 d取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株果穗中部的玉米籽粒進(jìn)行試驗(yàn)，用UV-2000型分光光度計(jì)測(cè)定340 nm OD值的變化。具體測(cè)定方法使用王燚的籽粒中焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶、束縛態(tài)淀粉合成酶活性測(cè)定方法[7]。

1.3.3 玉米籽粒粗淀粉含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量測(cè)定 在花后10、20、30、40和50 d分別取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株果穗上中部籽粒進(jìn)行試驗(yàn)，并使用Perten8620近紅外谷物分析儀(美國(guó)福布斯公司)測(cè)定粗淀粉、粗脂肪含量以及粗蛋白含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 2018作圖，用SPSS12.0作統(tǒng)計(jì)分析，LSD法(P<0.05)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)產(chǎn)量都具有重要的影響和意義，其在籽粒中的含量可以作為一個(gè)重要指標(biāo)以反應(yīng)植物的總體代謝水平。谷類(lèi)籽粒中大部分可溶性蛋白作為貯藏蛋白存在，這部分蛋白無(wú)明顯生理活性，主要作用是為種子萌發(fā)提供氮素和氨基酸。由圖1可見(jiàn)，2016-2017年，花后10 d，100-N處理與其他3個(gè)處理間差異顯著；花后20～50 d，處理間差異不顯著。綜上所述，100-N處理可溶性蛋白含量最高，適當(dāng)?shù)氖┑繒?huì)增加玉米可溶性蛋白含量，過(guò)量反而會(huì)抑制可溶性蛋白的產(chǎn)生。

圖1 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影響

2.2 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中ADPG酶活性的影響

ADPG酶催化1-磷酸葡萄糖與無(wú)機(jī)焦磷酸生成ADPG，ADPG是淀粉合成途徑中葡萄糖的直接供體，對(duì)淀粉的合成的開(kāi)始和速度有著重要的調(diào)節(jié)作用。如圖2所示，2016-2017年，花后10 d酶活性在4組氮素處理間差異不顯著；花后20、30和40 d，100-N和70-N處理間差異不顯著，70-N、100-N與0-N、130-N間差異顯著；花后50 d，4組氮素處理間酶活性差異不顯著。綜上所述，在4組氮素處理下，70-N和100-N處理都有利于提高花后20、30和40 d時(shí)的ADPG酶活性。

圖2 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中ADPG酶活性的影響

2.3 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中SSS酶活性和GBSS酶活性的影響

可溶性淀粉合成酶(SSS酶)位于造粉體中，起到誘導(dǎo)支鏈淀粉的合成，能夠催化一分子葡萄糖連接到引物淀粉上，從而延長(zhǎng)淀粉鏈。束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS酶)則主要催化直鏈淀粉的合成，在該途徑中ADPG作為葡萄糖供體，GBSS酶可以誘導(dǎo)一分子葡萄糖基轉(zhuǎn)移到淀粉引物上，但這個(gè)過(guò)程必須在淀粉內(nèi)部進(jìn)行。如圖3～4所示，2016-2017年，在花后10 d，SSS酶活性在4組氮素處理間差異不顯著，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間差異不顯著，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后20 d，SSS酶活性在100-N處理與70-N、130-N處理間差異不顯著，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間不顯著差異，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后30 d，SSS酶活性在100-N處理與另3組處理間顯著顯著，GBSS酶活性在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后40 d，SSS酶活性在100-N處理與另3組處理間差異顯著，GBSS酶活性在100-N與130-N處理間差異不顯著；花后50 d，SSS酶活性在4組處理下無(wú)差異，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間差異不顯著，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N處理優(yōu)于其他處理，最有利于發(fā)揮SSS酶活性和GBSS酶活性，施氮可以明顯促進(jìn)酶活性，但施氮過(guò)量會(huì)降低酶活性。

圖3 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中SSS酶活性的影響

2.4 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中粗蛋白含量的影響

粗蛋白包含蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)含氮物，為籽粒的發(fā)育提供各種必需氨基酸和其它含氮物質(zhì)，粗蛋白可以用來(lái)衡量植株體內(nèi)含氮量的水平，還能作為玉米飼用營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的基礎(chǔ)。如圖5所示，2016-2017年花后10 d，70-N處理粗蛋白含量高于130-N處理差異不顯著，70-N處理與100-N處理間差異極顯著；花后20、30、40和50 d，4組處理間粗蛋白含量差異不顯著。綜上所述，70-N處理有利于粗蛋白的積累，施氮過(guò)量會(huì)減少粗蛋白含量。

圖4 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中GBSS酶活性的影響

圖5 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中粗蛋白含量的影響

2.5 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的影響

淀粉是籽粒中貯存的糖類(lèi)，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，其含量比例對(duì)玉米籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量有著重要意義。如圖6～7所示，2016-2017，花后10 d，直鏈淀粉含量在4組處理間差異不顯著，支鏈淀粉含量在100-N處理下顯著最高；花后20 d，直鏈淀粉在0-N處理下含量最低，支鏈淀粉在100-N與70-N處理間差異不顯著，100-N與0-N、130-N處理差異顯著；花后30 d，直鏈淀粉在0-N處理下含量最低，支鏈淀粉在100-N和130-N處理間差異不顯著，100-N、130-N與70-N處理間差異不顯著；花后40 d，直鏈淀粉在100-N與另3組處理差異顯著，支鏈淀粉含量100-N和130-N處理間差異不顯著，100-N、130-N與0-N、70-N處理間差異顯著；花后50 d，直鏈淀粉含量在100-N與0-N、70-N處理間差異顯著，100-N與130-N處理間差異不顯著，支鏈淀粉含量在70-N、100-N和130-N處理間差異不顯著，在3個(gè)處理與0-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N處理可以增加淀粉含量，這表明在一定范圍內(nèi)氮素增加促進(jìn)淀粉含量增加，超過(guò)一定范圍則會(huì)降低淀粉含量。

圖6 施氮量對(duì)高密度春玉米不同時(shí)期籽粒中直鏈淀粉含量的影響

圖7 施氮量對(duì)高密度春玉米不同時(shí)期籽粒中支鏈淀粉含量的影響

2.6 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒中的粗脂肪的含量影響

粗脂肪是飼料中脂溶性物質(zhì)的總稱(chēng)，是主要的儲(chǔ)能物質(zhì)并決定營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的高低。如圖8所示，2016-2017年花后10、20、30、40 d，4個(gè)處理下粗脂肪含量無(wú)差異；花后50 d，粗脂肪含量在100-N、130-N與70-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N優(yōu)于其他氮肥處理。

圖8 施氮量對(duì)花后不同天數(shù)春玉米籽粒中粗脂肪含量的影響

2.7 施氮量對(duì)高密度下春玉米籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可見(jiàn)，5個(gè)施氮處理下，春玉米的籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素如下，2016-2017年，不同施氮處理下，穗粒數(shù)隨著施氮量的增加而逐漸增加，穗數(shù)和粒重則隨著施氮量呈先增后降的趨勢(shì)，穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量在100-N處理下均為最大值，不同施氮量下穗粒數(shù)無(wú)顯著差異，穗數(shù)、百粒重差異顯著。隨著施氮量的增加產(chǎn)量增加，在100-N處理下，產(chǎn)量與其他處理間的差異顯著，最高分別達(dá)到11 047.68和10 318.19 kg·hm-2，施氮量達(dá)到 130-N時(shí)，產(chǎn)量反而降低到9184.24和8792.30 kg·hm-2，100-N處理比0-N、70-N、130-N處理增產(chǎn)28.8 %、14.5 %、16.8 %和28.4 %、11.6 %、14.8 %。

表1 施氮量對(duì)高密度春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 討 論

3.1 高密度下合理氮素施用協(xié)調(diào)了春玉米籽粒代謝關(guān)鍵酶

玉米籽粒中ADPG酶、SSS酶和GBSS酶是調(diào)控淀粉合成的關(guān)鍵酶，ADPG酶調(diào)控淀粉合成途徑的開(kāi)始，SSS和GBSS酶調(diào)控直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成。植株個(gè)體需要在高密度條件下改善自身代謝調(diào)控以適應(yīng)外界環(huán)境才能獲得高產(chǎn)。施氮量影響籽粒中13C同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)分配，對(duì)調(diào)控植株酶代謝起著關(guān)鍵作用，高密群體間氮肥競(jìng)爭(zhēng)加劇，籽粒中的酶活性隨密度增高而降低[8]。相關(guān)研究表明適當(dāng)增密可以擴(kuò)大玉米群體，增強(qiáng)對(duì)氮素的吸收利用能力，但種植密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致供氮不足致使籽粒中同化物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)與積累能力降低，適量施氮能緩解群體生存壓力，增加植株氮素利用率[9-10]。玉米籽粒中ADPG、SSS和GBSS的酶活性受氮素調(diào)控，適當(dāng)施氮可以增加酶活性，過(guò)量施氮會(huì)抑制酶活性[11-12]。崔麗娜等研究結(jié)果表明適量的追氮有利于增加淀粉含量、提高淀粉相關(guān)酶活性(除SSS的活性外)[13]。本試驗(yàn)表明在高密度條件下100-N處理最佳，可以顯著提高ADPG酶、SSS酶和GBSS酶活性。

3.2 高密度下合理氮素施用改善了玉米籽粒相關(guān)品質(zhì)

玉米籽粒品質(zhì)性狀主要由可溶性蛋白、粗淀粉、粗蛋白和粗脂肪等物質(zhì)組成，其中蛋白質(zhì)是氮代謝途徑的最終產(chǎn)物，也是衡量玉米品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)[14]。種植密度過(guò)高，群體中資源競(jìng)爭(zhēng)劇烈，玉米籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉和粗脂肪等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累減少，導(dǎo)致籽粒品質(zhì)降低。氮素能維持蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)的合成，參與碳氮代謝，適宜供氮可以促進(jìn)同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。施氮量增加，玉米籽粒中粗蛋白質(zhì)含量也隨之增加[15]。適量施氮可有效提高植株對(duì)氮素的利用，隨著施氮量增加，可溶性蛋白含量隨之增加，但達(dá)到一定濃度后繼續(xù)施氮，蛋白質(zhì)含量反而降低[16]。個(gè)體植株中的粗脂肪含量隨著施氮量的增加呈先降后增的趨勢(shì)，這說(shuō)明施氮能促進(jìn)同化物質(zhì)在籽粒中的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響粗脂肪含量[17]。施氮可以通過(guò)影響直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例改善籽粒的品質(zhì)。相關(guān)研究表明籽粒淀粉形成與ADPG、SSS和GBSS等關(guān)鍵酶的酶活性呈顯著正相關(guān)，隨著施氮量增加，酶活性呈先增后降的趨勢(shì)，籽粒淀粉含量也呈先增后降的趨勢(shì)，因此合理施氮有利于淀粉的積累和品質(zhì)的改善[18-21]。本試驗(yàn)表明在高密度條件下100-N處理最佳，可以提高蛋白質(zhì)、淀粉和粗脂肪的含量，顯著改善玉米籽粒品質(zhì)。

3.3 高密度下合理氮素施用促進(jìn)了玉米群體籽粒產(chǎn)量的提高

玉米產(chǎn)量取決于群體的生產(chǎn)力，合理的密植可以構(gòu)建群體優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大庫(kù)容量，充分利用光熱資源，促進(jìn)同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)積累進(jìn)而提高產(chǎn)量。高密度會(huì)加劇群體資源競(jìng)爭(zhēng)，使單株個(gè)體的干物質(zhì)積累減少，相關(guān)研究表明，合理供氮可以緩解群體間競(jìng)爭(zhēng)壓力，使高密度下的群體優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)單株劣勢(shì)，從而提高單位面積產(chǎn)量。增密和施氮均是調(diào)控產(chǎn)量的重要途徑，玉米的產(chǎn)量由穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重組成并調(diào)控，其中粒重起著重要作用[22-23]。除了粒重外，穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加也對(duì)產(chǎn)量的增加有所影響[24]。李廣浩等研究表明施氮水平不變的條件下，增密會(huì)使千粒重降低而導(dǎo)致減產(chǎn)[25]。玉米高密度種植下施氮可以提高群體干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量和積累，使同化物質(zhì)合理分配到籽粒中，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量[26-27]。在高密度種植條件下玉米籽粒產(chǎn)量的高低受植株氮代謝水平的影響。綜上所述，高密度下玉米施氮不足會(huì)引起玉米籽粒減產(chǎn)，然而過(guò)量施氮，會(huì)導(dǎo)致玉米籽粒中淀粉和粗脂肪含量降低，粒重減少，影響產(chǎn)量。本試驗(yàn)研究表明在高密條件下100-N處理最佳，能顯著提高春玉米籽粒產(chǎn)量。