施氮對不同氮效率類型玉米自交系產量、干物質及氮素積累的影響

常 曉，王小博，吳 嫚，楊兆生，李 健

（中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

玉米是我國種植面積第一的糧食作物，產量居世界第二［1］。增施氮肥可以有效提高玉米產量，但在生產中氮肥經常過量施用，不僅造成玉米減產，氮肥利用效率降低，也造成了環境污染等問題［2-5］。因此，合理施氮，提高氮肥利用效率，平衡氮肥投入和氮肥吸收之間的關系，對玉米的增產增效具有重要意義。

前人對不同氮效率玉米的研究大多集中在物質生產、氮素吸收利用和氮素代謝相關酶等方向。馬曉君等［6］認為氮高效品種較氮低效品種具有較高的物質生產能力，在低氮下具有較高的產量優勢。崔文芳等［7］發現高產氮高效型自交系生育后期植株氮積累量高于低產氮低效型自交系，氮積累量的差異主要來自于吐絲后氮的積累，高產氮高效型自交系植株生育后期根系吸收能力較強。吳雅薇等［8］研究表明，耐低氮品種在生育后期氮代謝關鍵酶（硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶）活性均顯著高于低氮敏感品種，具有較高的氮素代謝關鍵酶活性是其耐低氮能力強的重要生理機制。由于不同玉米品種對氮肥的響應差異顯著［9-10］，同一玉米品種在不同氮處理下干物質和氮素積累也存在差異［11-12］，因此研究玉米干物質積累和氮素利用的特性對氮肥的合理利用有重要的意義。本試驗擬研究不同供氮水平對玉米產量、干物質、氮素積累及氮素代謝相關酶的影響，以期為不同氮效率類型玉米實現高產高效，合理施用氮肥提供科學依據，并對氮高效玉米品種的篩選和選育提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017～2018年在中國農業科學院棉花研究所安陽試驗站開展。試驗地土壤為潮土，地力均勻一致，0～20 cm土層理化性質分別為：堿解氮33.28 mg/kg，全氮0.96 g/kg，有效磷11.53 mg/kg，速 效 鉀139.24 mg/kg，pH值7.67。試驗采取隨機區組排列裂區試驗設計，以4種不同氮肥處理為主區，以2份玉米自交系材料為副區，其中施氮水平設置N0（0 kg/hm2）、N90（90 kg/hm2）、N180（180 kg/hm2）和N360（360 kg/hm2）4個處理方式，2份玉米自交系為前期試驗篩選出的低氮高效型自交系（PH6WC）和低氮低效型自交系（ZY118），3次重復。每個玉米自交系種植3行，行長5 m，行距60 cm，小區面積9 m2，種植密度75000株/hm2。在2017年6月10日和2018年6月7日播種，氮肥處理以40%氮肥作為底肥，60%氮肥在7葉展時作為追肥追施，澆水等管理措施與一般大田一致，分別在2017年10月3日和2018年10月1日收獲。

1.2 測定項目與方法

植株干物質：于吐絲期和成熟期，每個小區選取具有代表性植株3株，將植株分為葉片、莖鞘、籽粒分別稱量鮮重，放在干燥箱內105℃殺青30 min，然后80℃烘至恒重，分別稱干重。

植株氮含量測定：將稱重后的樣品粉碎用于測定植株的氮含量，計算公式如下［13-14］。植株和籽粒的氮含量用Kjeltec 8200全自動凱氏定氮儀進行測定。

葉片氮素代謝相關酶活性的測定：硝酸還原酶活性測定參照文獻［15］的方法；葉片谷胺酰氨合成酶活性參照Oneal等［16］的方法；葉片谷氨酸合成酶活性參照Singh等［17］的方法。

產量及產量構成：于成熟期，收獲中間兩行全部果穗帶回室內進行考種，測定行數、行粒數、千粒重和含水量，用PM-8188測定籽粒含水量，按標準含水量14%計算產量。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 2010進行整理，SigmaPlot 14.0進行作圖，DPS 7.5和SPSS 20.0進行方差分析和回歸分析。圖表數據為平均值±標準誤，*和**分別表示在5%和1%水平上差異顯著。

2 結果與分析

2.1 玉米產量及產量構成

不同氮處理下高效型和低效型玉米自交系的產量及產量構成見表1。從表1可知，隨施氮水平的增加，高效型和低效型自交系的群體產量、單穗粒重、千粒重和行粒數均表現出先增加而后降低的趨勢，均可用二次函數關系模型進行擬合，結果表明高效型玉米自交系獲得最高群體產量、行粒數及千粒重時所需最適宜的氮濃度均低于低效型玉米自交系。以群體產量為例，高效型自交系回歸方程為y1=-3×10-5x2+0.0179x+4.5225，R12=0.9031；低效型自交系回歸方程為y2=-2×10-5x2+0.0152x+2.9314，

R2

2=0.8965。高效型玉米自交系能夠獲得的最高群體產量高于低效型玉米自交系，而其需要的施氮量（298.33 kg/hm2）低于低效型（380.00 kg/hm2）自交系，說明高效型自交系有較高的氮肥利用效率，可以在較低的氮水平下保持較高的產量。在不同氮處理下，高效型自交系的群體產量均顯著高于低效型自交系，從N0到N360分別高51.99%、46.27%、32.43%和19.86%，且在氮處理間差異顯著。高效型和低效型自交系的行數和收獲穗數在不同氮處理下無顯著差異；除N0處理下高效型和低效型自交系的行粒數無差異外，兩者的行粒數和千粒重在不同氮處理下均差異顯著。玉米群體產量是單穗粒重與收獲穗數共同作用的結果，而單穗粒重是穗粒數與單粒重共同作用的結果，由于施氮濃度對收獲穗數沒有影響，由此推斷，施氮濃度對玉米群體產量的影響主要通過影響玉米千粒重和行粒數來實現，由于高效型自交系的千粒重和行粒數（除NO）顯著高于低效型自交系，因此高效型自交系的群體產量顯著高于低效型玉米自交系。

表1 不同氮濃度對不同氮效率玉米自交系產量及其構成的影響

2.2 干物質積累與轉運

不同氮效率玉米自交系在吐絲期的干物質分配見圖1，隨施氮水平的增加，高效型和低效型自交系的莖鞘、葉片和單株干物質積累量均表現出先增加而后降低的趨勢，且吐絲期和成熟期的變化一致。吐絲期不同氮處理下高效型自交系各器官干物質和總干物質重均顯著高于低效型自交系，從N0到N360莖鞘干物質高9.11%、12.20%、11.06%和2.02%，葉干物質高35.63%、38.37%、35.69%和19.02%，總干物質高18.04%、21.19%、19.60%和8.07%，莖鞘干物質占總干物質的比例高于葉干物質。成熟期不同施氮量下高效型自交系莖鞘、葉和總干物質均顯著高于低效型自交系，從N0到N360莖鞘干物質高15.41%、18.04%、11.96%和4.77%，葉干物質高48.36%、50.15%、41.49%和23.05%，總干物質高26.12%、28.80%、21.80%和11.26%。

不同氮處理下不同氮效率玉米自交系各器官轉運量及對籽粒的貢獻率見表2。從表2可知，高效型自交系各器官轉運量均顯著低于低效型自交系，且轉運量對籽粒的貢獻率低于低效型自交系；在N0和N90處理下，高效型自交系的收獲指數顯著高于低效型自交系，隨著施氮量增加，N180和N360處理下兩者的收獲指數無顯著差異；說明高效型自交系各器官轉運量和轉運量對籽粒的貢獻率均低于低效型自交系，而收獲指數高于低效型自交系。

表2 不同氮處理下玉米各器官轉運量及對籽粒貢獻率

2.3 氮素積累與轉運

如圖2所示，施氮量影響玉米植株及不同器官氮素積累量，其變化規律與干物質積累變化規律一致，即隨施氮濃度的增加，莖鞘、葉片及單株氮素積累量均表現出先增加而后降低的趨勢，且吐絲期和成熟期的變化一致。吐絲期不同氮處理下高效型自交系各器官氮素積累和單株氮積累量均顯著高于低效型自交系，從N0到N360莖鞘氮積累量高53.06%、53.51%、54.29%和20.00%，葉氮積累量高81.68%、81.82%、65.28%和33.03%，植株氮積累量高69.43%、69.78%、60.66%和27.56%，莖鞘氮積累量占總氮積累量的比例高于葉。成熟期氮積累量變化規律與吐絲期一致，從N0到N360成熟期高效型自交系植株氮積累量比低效型高103.25%、89.31%、64.22%和24.25%。施氮量影響玉米氮素轉運量及單株氮肥利用效率（表3），隨施氮濃度的增加，莖鞘、葉片和單株氮素轉運量及單株氮肥利用效率均表現出逐漸降低的趨勢。在N0和N90處理下，高效型自交系的莖鞘氮素轉運量顯著低于低效型自交系，其他氮處理差異不顯著；在N180處理下，高效型自交系的葉氮素轉運量顯著低于低效型自交系，其他氮處理無顯著差異；在N0、N90和N180下，高效型自交系的氮肥利用效率顯著高于低效型自交系，隨著施氮量的增加，在N360處理下兩者差異不顯著；說明在不同氮處理下，高效型自交系的莖鞘和葉氮素轉運量均低于低效型自交系，而氮肥利用效率高于低效型自交系。

圖2 不同施氮水平對玉米各器官氮素積累與分配的影響

表3 不同施氮水平對玉米各器官氮素轉運及氮素利用效率的影響

2.4 氮素代謝相關酶活性的變化

由表4可知，除了吐絲期高效型自交系谷氨酸合成酶活性隨著施氮水平的升高而上升，在吐絲期和成熟期，高效型自交系的氮素代謝相關酶活性隨著施氮水平的升高呈先升高后降低的趨勢；低效型自交系氮素代謝相關酶活性隨著施氮水平的升高而升高。隨著施氮水平的升高，吐絲期高效型自交系硝酸還原酶活性顯著高于低效型自交系，從N0到N360比低效型自交系高41.88%、17.65%、11.93%和3.30%，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性與其變化規律一致，說明高效型自交系葉片氮素代謝相關酶活性均高于低效型自交系。從吐絲期到成熟期，高效型自交系硝酸還原酶活性從N0到N360降低27.50%、23.82%、21.95%和23.58%，而低效型自交系降低62.56%、58.62%、55.18%和48.41%，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性與其變化規律一致，說明從吐絲期到成熟期高效型自交系的氮素代謝相關酶活性降低幅度低于低效型自交系。

表4 不同施氮水平對玉米氮素合成有關酶活性的影響

2.5 各因子之間的相關分析

由干物質積累量與產量及氮素積累量的相關分析可知，產量與吐絲期及成熟期單株干物質重呈極顯著正相關關系，而與單株物質轉運量呈極顯著負相關，說明群體產量與花前和花后物質的積累緊密相關。物質積累量與氮素積累量和氮肥利用效率呈極顯著和顯著正相關，與氮素轉運量呈極顯著負相關，物質轉運量與氮素轉運量呈極顯著的正相關關系，說明玉米物質積累和轉運量的高低與玉米氮素積累及轉運量的大小密切相關，且物質積累量顯著影響氮肥利用效率。

硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性與產量和氮素積累量呈極顯著的正相關關系，而與氮素轉運量呈極顯著的負相關關系，另外，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性與氮肥利用效率呈極顯著的正相關關系，說明提高氮素代謝相關酶活性利于提高玉米的產量和氮素積累。

表5 玉米干物質積累量和氮代謝相關酶與產量及氮素積累量的相關分析

3 討論

玉米產量是劃分不同玉米自交系氮效率和氮響應度的主要指標［18］，也是衡量玉米氮高效利用的重要指標［6］。研究認為玉米的收獲指數一般穩定在50%左右，通過一定的栽培措施（如密度、氮肥、灌溉等），可以增加玉米干物質積累，是提高玉米產量的一個重要途徑。施氮作為玉米增產的一項關鍵栽培技術，一直是農業領域研究熱點，前人對施氮與干物質積累及產量形成的關系做了大量研究，馬曉君等［6］研究發現，在0、150和300 kg/hm2氮處理下，玉米產量和干物質積累量隨施氮量的增加而增加，尤其是花后干物質的積累；而李文龍等［19］研究認為，物質積累與產量的增加是有范圍的，當施氮量超過260 kg/hm2后，不利于玉米物質積累和產量的形成；這一研究與本研究一致，本研究結果表明，在0、90、180、360 kg/hm2氮處理下，不同氮效率類型玉米自交系的產量和干物質積累量隨施氮濃度的變化，呈先增加后降低的趨勢，可用二次函數模型擬合，在氮不足（或氮過多）的條件下，玉米植株為完成生長發育的需要，植株先前積累的干物質會向籽粒中轉移，但這部分轉移量對籽粒的貢獻率小于30%。李強等［20］研究了氮肥對產量及其構成的影響，指出氮高效品種較氮低效品種的產量優勢主要來自于其較高的穗粒數。本研究發現，植株干物質轉運及其貢獻率影響產量及產量構成，產量構成因子中行粒數及千粒重對施氮濃度的響應有差異，高效型玉米自交系擁有較高的產量和穗粒數，與李強等［20］研究結果類似。因此，合理施肥、提高氮肥利用效率是當前玉米獲得高產的一項關鍵措施。

前人對玉米氮肥利用的研究發現，不同玉米品種對氮素的吸收能力有差異，而且氮素在植株體內轉運和分配也存在差異［21-23］；玉米氮高效品種在各階段均有較高的干物質生產和氮素同化能力，能有效地延緩其光合器官的衰老，保持較高的花后干物質生產和氮素合成能力［20］，且夏玉米生育后期干物質和氮素的轉移直接決定著玉米的收獲指數和氮利用效率［24-25］。在本研究中，氮素積累量與干物質積累量的規律一致，即在不同氮處理下，高效型自交系的莖鞘和葉氮素轉運量均低于低效型自交系，說明高效型自交系在生育后期仍有較高的氮素合成能力，在籽粒灌漿期不依賴營養器官的氮素轉運，這與前人的結論一致［20］。因此，提高花后干物質積累和氮素合成能力是提高氮肥利用效率、實現高產的有效措施。

前人提高氮肥利用效率途徑的研究包括合理密植、最適施氮量及選育氮高效品種等。氮高效品種的選育多集中在產量、干物質和氮素積累上，對氮素代謝相關酶篩選的研究較少，而氮代謝存在于植物生長和發育的整個生命歷程，對提高氮肥利用效率意義重大。重要的氮素代謝相關酶包括硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶，其中硝酸還原酶是植物氮代謝的關鍵酶和限速酶，與植物的氮同化能力密切相關［26］；谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶是氮代謝中的多功能酶，參與多種氮代謝調節［27］。有研究表明，氮高效品種在不同的氮水平下有較高的氮代謝酶活性，這有利于氮肥的轉化、吸收和利用，從而有利于植株生長和物質積累［19，28］。本研究發現，隨著施氮水平的升高，吐絲期和成熟期高效型自交系的氮素代謝相關酶活性（硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶）顯著高于低效型自交系，與前人發現的規律一致［8，19，28］；對氮素代謝相關酶活性的降低幅度而言（從吐絲期到成熟期），高效型自交系要低于低效型自交系。吳雅薇等［8］研究發現，較高的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性使耐低氮品種具有較強的氮代謝能力，調節體內碳氮循環并保證籽粒的蛋白質含量和籽粒產量。本研究中，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性與氮肥利用效率呈極顯著的正相關關系，說明高效型玉米自交系具有較高的氮肥利用效率主要得益于具有較高的谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性。因此，篩選谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性高的玉米自交系，可以提高花前和花后氮素同化能力，從而促進干物質積累，以實現高產高效，為氮高效玉米品種的選育提供理論支持。

4 結論

高效型自交系（PH6WC）的群體產量顯著高于低效型自交系（ZY118），且行粒數和千粒重是影響產量構成的關鍵因子。高效型自交系在吐絲期和成熟期的干物質、氮積累量和氮素代謝相關酶活性均顯著高于低效型自交系，而氮素轉運量及干物質轉運量對籽粒的貢獻率低于低效型自交系。相關分析表明，干物質積累量、谷氨酰胺合成酶及谷氨酸合成酶活性與產量和氮素積累呈顯著正相關，可作為玉米氮高效自交系的篩選指標。因此，高效型玉米自交系（PH6WC）在不同氮處理下具有較高的產量、物質積累、氮素積累及氮素代謝相關酶活性，可以在低氮水平下達到穩產高產，對玉米增產增效有重要意義。