引用本文
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ZHANG Panpan, SHAO Yunhui, LIU Jingbao, QIAO Jiangfang, LI Chuan, ZHANG Meiwei, ZHAO Xia, HUANG Lu. Effect of Nitrogen and Zinc Application on the Accumulation and Distribution of Dry Matter and Nitrogen and Zinc of Different Summer Maize Varieties[J].Geological Survey of China, 2022,37(2): 96-103.  
doi: 10.7668/hbnxb.20192579
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施用氮锌肥对不同夏玉米品种干物质和氮锌元素累积分配的影响
张盼盼1, 邵运辉2, 刘京宝1, 乔江方1, 李川1, 张美微1, 赵霞1, 黄璐1
1.河南省农业科学院 粮食作物研究所,河南 郑州 450002
2.河南省农业科学院 小麦研究所,河南 郑州 450002
通讯作者:刘京宝(1964—),男,河南商丘人,研究员,硕士,主要从事玉米耐低氮鉴定与评价研究。

作者简介:张盼盼(1987—),女,河南开封人,助理研究员,博士,主要从事玉米氮素营养管理研究。张盼盼、邵运辉为同等贡献作者。

收稿日期: 2021-12-09
基金资助: 河南省自然科学基金青年科学基金项目(202300410526); 河南省农业科学院基本科研业务费项目(2021ZC12)
摘要

研究施用氮锌肥下夏玉米植株干物质、氮锌元素累积和分配的变化,为锌肥的合理利用及肥料配施提供理论依据。采用再裂区设计,主因素为90,180,225 kg/hm2 3个施氮水平,副因素为0,4.5 kg/hm2 ZnSO4·7H2O 2个喷锌处理,副副因素为郑单958和谷神玉66 2个玉米品种,大田条件下研究施用氮锌肥对不同玉米品种籽粒产量、植株干物质累积动态和各器官氮锌元素吸收、累积、分配的影响。结果表明,施氮量为180,225 kg/hm2下夏玉米籽粒产量分别达9.77,10.42 t/hm2,较90 kg/hm2处理平均增加18.0%;吐丝后以施氮量225 kg/hm2下干物质量较高,成熟期以90 kg/hm2处理的穗轴和籽粒干物质量分配比例较高。成熟期施氮量225 kg/hm2处理各器官中氮含量、茎中锌含量以及叶和籽粒氮、锌累积量均表现出优势,而90 kg/hm2处理下鞘、苞叶、籽粒锌含量和籽粒氮、锌分配比例均较高。施锌处理对籽粒产量和干物质累积分配无显著影响,与不施锌相比,施锌显著提高了各器官中氮、锌含量和累积量,但分别降低籽粒中氮、锌分配比例6.93, 6.86百分点。郑单958籽粒产量和干物质占比较谷神玉66高,成熟期植株干物质量高出29.2%。郑单958籽粒氮、锌含量分别较谷神玉66低8.9%和5.3%,但籽粒累积量和分配比例均高于谷神玉66。相关分析表明,玉米籽粒产量和茎、叶、籽粒中氮含量呈显著正相关,叶片锌含量与鞘、籽粒氮含量也呈显著或极显著正相关,穗轴中锌含量与茎、穗轴和苞叶氮含量相关性达显著或极显著水平。因此,施用氮锌肥可以明显提高夏玉米产量和干物质累积量,促进植株各器官尤其是籽粒对氮、锌的吸收和累积,但同时降低籽粒中氮锌的分配比例。

关键词: 夏玉米; 氮锌施用; 产量; 干物质; 累积分配
中图分类号:S513.01;S143 文献标志码:A 文章编号:1000-7091(2022)02-0096-08
Effect of Nitrogen and Zinc Application on the Accumulation and Distribution of Dry Matter and Nitrogen and Zinc of Different Summer Maize Varieties
ZHANG Panpan1, SHAO Yunhui2, LIU Jingbao1, QIAO Jiangfang1, LI Chuan1, ZHANG Meiwei1, ZHAO Xia1, HUANG Lu1
1.Cereal Crops Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China
2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China
Abstract

This study investigated the accumulation and distribution of dry matter,nitrogen(N)and zinc(Zn)of summer maize under N and Zn fertilization,to provide a basis for reasonable application of zinc fertilizer and combined fertilization.Split-split design was used with three N rates(90,180,225 kg/ha N)as the main factor,two Zn rates(0,4.5 kg/ha ZnSO4·7H2O)as the second factor,two varieties(ZD958 and GSY66)as the third factor.The effect of N and Zn application on the grain yield,dry matter accumulation dynamic and N and Zn absorption,accumulation and distribution of each organ of different maize varieties by field experiment.The results showed that the grain yield achieved 9.77,10.42 t/ha under the N rates of 180,225 kg/ha,respectively,increased by 18.0% compared with 90 kg/ha.The treatment of 225 kg/ha N had the highest plant dry matter accumulation after silking,while the treatment of 90 kg/ha had higher ratio of cob and grain dry matter at the mature stage.Highest N concentration in each organ,Zn concentration in the stem and N and Zn accumulation in the leaf and grain were obtained in the treatment of 225 kg/ha,while highest Zn concentration in the sheath,bract and grain and ratio of grain N and Zn were found in the treatment of 90 kg/ha.No effect was found in the grain yield and dry matter accumulation and distribution under two Zn treatments.Zn application significantly increased N and Zn concentration and accumulation but decreased distribution ratio of grain N and Zn by 6.93,6.86 percentage points,respectively.Relative to GSY66,ZD958 had higher grain yield and dry matter ratio,and increased dry matter by 29.2% at maturity.Besides this,ZD958 decreased grain N and Zn concentration by 8.9% and 5.3%,respectively,but improved grain accumulation and distribution ratio.Correlation analysis showed that grain yield and N concentration in the stem,leaf and grain were significantly positively correlated.There was also a significantly or extremely significantly positive correlation between Zn concentration in the leaf and N concentration in the sheath and grain,between Zn concentration in the cob and N concentration in the sheath,cob and bract.These results suggested that combination of N and Zn fertilizers could increase yield and plant dry matter accumulation,enhance the N and Zn absorption and accumulation in each organ especially grain,but decrease distribution ratio of N and Zn in the grain.

Keyword: Summer maize; Combination of N and Zn fertilizers; Yield; Dry matter; Accumulation and distribution

锌是人、动物和植物生长发育必需的微量元素之一, 人体缺锌会降低免疫功能, 影响身体发育, 导致视力下降和加速衰老等。通过现代生物技术和农业措施来增加粮食作物中可食用部分的锌含量, 是改善作物锌营养和人体营养的有效方法之一[1, 2]。我国是世界上第二大玉米生产国, 目前国内约有51.5%的土壤存在缺锌问题[3, 4], 玉米籽粒锌含量普遍偏低。张跃强[5]研究发现, 籽粒中锌含量平均仅为11.8 mg/kg, 远低于玉米籽粒锌的生物强化目标值38 mg/kg[6]。施用锌肥被认为是一个在短期内能够有效提高玉米籽粒锌含量和有效性、改善人体锌营养状况的可行措施[7]。

叶面喷施锌肥是一种直接、高效的方法。在玉米拔节期、大口期和吐丝期等关键时期, 喷施质量分数控制在0.4%内的七水硫酸锌, 效果较为明显[8]。研究发现, 喷施锌肥后, 玉米植株花期叶片保护酶活性提高, 植株的抗旱性增强, 对锌素的吸收和向籽粒的分配增加, 果穗凸尖长降低, 籽粒锌含量显著增加, 氮、磷的吸收利用能力增强, 玉米的营养品质得以改善[9, 10]。施用氮肥是提高玉米产量的重要措施, 氮锌肥配施对玉米生长有显著的影响[11]。一般认为, 氮锌配施能够显著增加植株地上部和籽粒中的锌累积量, 其效果大于单施氮肥或锌肥。株高、果穗长、穗粒数、千粒质量和籽粒产量随氮、锌肥用量的增加而增加。但当施氮量过多时, 籽粒中的锌含量显著降低[12, 13]。

黄淮海地区是我国重要的玉米生产区, 提高该区夏玉米籽粒的锌含量和生物有效性对于我国夏玉米品质的改善具有重要意义。目前, 关于施用氮锌肥对黄淮海地区玉米影响的研究, 大多集中于籽粒产量和氮、锌含量及累积量方面, 对于植株各部位氮、锌含量和累积分配及其在不同氮锌条件下的变化规律研究鲜见报道。为此, 本研究采用大田试验, 选取在农业生产中具有代表性的2个玉米品种, 研究其在不同氮、锌条件下植株干物质量动态变化, 植株各器官的氮、锌含量和累积分配规律, 分析籽粒产量差异, 探讨籽粒产量和植株各部位氮、锌含量间的关系, 以期为改善玉米锌营养品质和优化生物强化措施提供理论依据。

1 材料和方法
1.1 试验地概况

试验在河南省原阳县河南省农业科学院现代农业科技示范基地(35° 0'17″N, 113° 42'4″E)进行。供试土壤为黄褐土, 玉米播种前, 采用S形五点取样法取耕层土壤基础样品, 充分混合后测定基本化学性质:全氮0.67 g/kg, 碱解氮44.2 mg/kg, 速效磷36.1 mg/kg, 速效钾161.0 mg/kg, 有机质21.6 g/kg, pH值8.84, DTPA-Zn 1.29 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用再裂区设计, 主因素为3个施氮水平, 分别为90, 180, 225 kg/hm2, 设定为N1、N2、N3处理; 副因素为2个喷施锌肥处理, 包括0, 4.5 kg/hm2 ZnSO4· 7H2O, 设定为Zn0和Zn1; 副副因素为2个玉米品种, 分别为郑单958和谷神玉66, 设定为ZD958和GSY66。共12个处理, 每个处理重复3次, 共36个小区, 每小区为6行, 行长5 m。种植密度为7.5 万株/hm2。试验时间为2020年6月14日至10月10日。

氮、磷、钾肥分别为尿素(N含量46%)、过磷酸钙(P2O5含量12%)、硫酸钾(K2O含量52%), 磷、钾肥施肥量均为折纯后100 kg/hm2。尿素按照2:1分基施和大喇叭口期2次追施, 磷、钾肥均基施, ZnSO4· 7H2O为喷施, 喷施质量分数为0.25%, 分别在玉米苗期、拔节期和吐丝期各喷施1次, 每次按600 L/hm2喷施, 对照喷施相同量的蒸馏水, 时间选择在无雨的下午或傍晚, 以保证喷施效果。

玉米生育期内的其他田间管理措施与当地大田生产保持一致, 每项管理措施需在同一天内完成。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 氮、锌含量 于玉米吐丝期, 吐丝后10, 20, 30, 40 d和成熟期, 分别在每小区选取3株长势一致的有代表性植株, 取地上部样品, 分为茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒等部分, 杀青后85 ℃烘至恒质量, 称质量。将成熟期样品粉碎, 装入自封袋中, 室内采用凯氏定氮法测定样品氮含量, 原子吸收法测定样品锌含量。

1.3.2 产量 每小区取中间2行玉米全部收获, 随机选取15穗进行考种, 晒干后脱粒, 测定籽粒含水量和质量, 计算籽粒产量。

1.4 数据处理

器官元素累积量=器官干物质量× 元素含量 ①

器官养分比例=器官养分累积量/植株元素总累积量× 100% ②

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22统计分析软件对数据进行处理与统计分析, 采用LSD法和Duncan's法进行方差分析和多重比较, 显著水平为P< 0.05。

2 结果与分析
2.1 施用氮锌肥对夏玉米籽粒产量的影响

施用氮锌肥对不同玉米品种籽粒产量的影响如图1所示。从图1可以看出, N2和N3处理下玉米籽粒产量平均分别为9.77, 10.42 t/hm2, 二者差异不显著, 但较N1平均增加18.0%。施锌处理对籽粒产量的影响不显著, GSY66籽粒产量为9.40 t/hm2, 较ZD958降低3.7%。对于各处理来说, 除N3 Zn1 GSY66外, N2和N3下各处理的籽粒产量之间差异不显著, 以N1Zn0GSY66和N1Zn1GSY66产量最低, 平均约为8.35 t/hm2。

图1 施用氮锌肥对不同玉米品种籽粒产量的影响
不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。Fig.1 Effect of nitrogen and zinc application on the grain yield of different maize cultivars
The different lower alphabet means significant difference at 0.05 level.

2.2 施用氮锌肥对植株干物质累积和分配的影响

从图2可以看出, 灌浆期各处理干物质累积量的变化, 结果表明, 随着生育时期的推进, 植株干物质累积量显著增加, 吐丝期干物质量平均约为5.8 t/hm2, 在吐丝后30 d迅速增加至16.9 t/hm2, 成熟期高达19.9 t/hm2。3个施氮处理间差异明显, 其中N3处理在整个灌浆期的干物质量较高, 与N1、N2间的差异分别在吐丝后20 d和30 d达最大。Zn0和Zn1处理间的干物质量无明显差异; 2个品种间, 以ZD958干物质量较高, 成熟期ZD958较GSY66高出29.2%。各个处理间, 以N3Zn1ZD958的干物质量较高, 尤其是在灌浆中后期表现出明显优势。

图2 施用氮锌肥对不同玉米品种灌浆期干物质累积量的影响Fig.2 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter accumulation of different maize cultivars in the grain filling stage

从图3可以看出, 成熟期茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒的干物质量分别占植株的17.5%, 12.5%, 6.1%, 6.5%, 4.5%和52.9%。N2处理下茎和苞叶的干物质量分配比例较N1和N3高, N1处理的鞘、穗轴和籽粒的干物质量分配比例相对较高。不同器官的干物质量分配比例在2个施锌处理间的差异不明显; 2个品种间则表现为ZD958茎和苞叶的干物质分配比例较GSY66低, 而籽粒则相对较高。各个处理间, 茎的干物质分配比例在N2 Zn0 GSY66下最高为27.0%, 籽粒分配比例则以N3 Zn0 ZD958最高, 为62.8%, 以N2 Zn1 ZD958最低, 为41.9%。

图3 施用氮锌肥对不同玉米品种成熟期各器官干物质分配比例的影响Fig.3 Effect of nitrogen and zinc application on the dry matter distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.3 施用氮锌肥对成熟期植株氮锌元素累积和分配的影响

由表1可知, 成熟期茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒中氮含量平均分别为4.6, 13.0, 4.6, 2.9, 3.8, 13.4 g/kg, 各器官的氮含量在施氮处理下表现为N3、N2> N1, ZD958的茎和穗轴中氮含量平均值均高于GSY66, 而叶、鞘和籽粒中的平均氮含量则均低于GSY66, 其中ZD958籽粒平均氮含量为12.3 g/kg, 较GSY66低8.9%。各处理表现为N3 Zn1 ZD958处理下叶和苞叶中氮含量最高, 而N2 Zn1 GSY66下籽粒氮含量最高, 为17.1 g/kg。成熟期茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒中锌含量平均分别为27.4, 41.6, 25.4, 31.2, 24.6, 25.6 mg/kg, 施氮处理表现为N3处理下茎中锌含量较高, 为33.9 mg/kg, 叶中锌含量表现为N2、N3> N1, 鞘、苞叶和籽粒中的锌含量以N1处理最高。除茎外, 其他各器官中锌含量在施锌处理下均表现为Zn0< Zn1, ZD958籽粒中锌含量为24.9 mg/kg, 较GSY66低5.3%, 但其他器官中的锌含量表现出相反趋势。具体来说, N3 Zn1 GSY66处理下茎、叶和鞘中的锌含量最高, 平均分别为45.8, 65.0, 44.4 mg/kg, 而N2 Zn1 ZD958的穗轴和籽粒中锌含量最高, 平均分别为45.3, 31.6 mg/kg。

表1 施用氮锌肥对不同玉米品种成熟期各器官氮锌含量的影响 Tab.1 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc concentration in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

图4显示了施用氮锌肥对成熟期各器官氮、锌累积量的影响。由图4-A可知, 茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒氮素累积量平均分别为17.04, 33.28, 5.40, 3.86, 3.44, 138.60 kg/hm2, 施氮处理以N2处理下的茎、鞘和苞叶中氮累积量最高, N3处理下叶和籽粒中氮累积量最高分别为41.32, 163.50 kg/hm2; Zn1处理下茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒中氮累积量分别为20.66, 35.71, 6.16, 4.67, 4.23, 138.33 kg/hm2, 均高于Zn0处理; 2个品种间以ZD958中各器官氮累积量最高。图4-B显示, 茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒锌累积量平均分别为84.84, 101.35, 30.34, 40.28, 21.59, 264.60 g/hm2。施氮处理以N2处理下茎、穗轴和苞叶锌累积量最高, N3处理下叶和籽粒中锌累积量较高; 各器官锌累积量在不同施锌处理下均表现为Zn1> Zn0, 其中以穗轴和苞叶的增幅较大; GSY66的茎、叶和苞叶中锌累积量较高, 而ZD958鞘、穗轴和籽粒中的锌素累积量较高。

图4 施用氮锌肥对不同玉米品种成熟期各器官氮锌累积量的影响Fig.4 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc accumulation in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

不同处理下各器官氮锌分配比例结果如图5所示。从图5-A可以看出, 茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒氮分配比例分别为7.94%, 15.95%, 2.72%, 1.97%, 1.72%, 69.69%, 施氮处理以N2处理下茎和苞叶中氮分配比例最高, 而N1处理中穗轴和籽粒氮分配比例较高。Zn1下籽粒氮分配比例为67.32%, 较Zn0处理降低6.93百分点, 而其他各器官中氮分配比例则以Zn1处理较高; 2个品种比较, ZD958茎和穗轴中氮素分配比例较高, 而GSY66叶中氮素分配比例较高。图5-B显示, 茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒锌素分配比例分别为15.68%, 18.33%, 5.45%, 7.35%, 3.87%, 49.31%。施氮处理以N3处理茎和叶中锌素分配比例较高, 而N1处理下籽粒中锌素分配比例较高为56.19%; Zn1下籽粒锌素分配比例为45.58%, 较Zn0降低6.86百分点, 其他器官中锌素分配比例均表现为Zn1> Zn0; 2个品种间比较, ZD958籽粒锌分配比例为55.07%, 较GSY66增加8.02百分点, 茎和叶中锌素分配比例则表现为ZD958小于GSY66。

图5 施用氮锌肥对不同玉米品种成熟期各器官氮锌分配比例的影响Fig.5 Effect of nitrogen and zinc application on the nitrogen and zinc distribution in each organ of different maize cultivars in the maturity stage

2.4 籽粒产量和各器官氮锌含量相关性

玉米籽粒产量和植株各器官中氮、锌含量的相关性分析结果如表2所示。籽粒产量和茎、叶、籽粒中的氮含量呈显著正相关(r值分别为0.655, 0.617, 0.424), 叶片中锌含量和鞘、籽粒中的氮含量相关关系也分别达显著(P< 0.05)和极显著水平(P< 0.01), 苞叶中氮含量与鞘、穗轴和苞叶中锌含量的正相关关系达显著或极显著水平, r值分别为0.597, 0.744, 0.791, 穗轴中的氮、锌含量之间存在显著正相关关系, 而籽粒中氮、锌含量的相关性不显著。

表2 玉米籽粒产量和植株各器官中氮锌含量的相关性分析 Tab.2 Correlation analysis between the grain yield, N and Zn concentration in each organ of maize
3 结论与讨论
3.1 施锌对玉米植株锌累积分配的影响

研究表明, 玉米籽粒中的锌累积主要来源于花后锌吸收和再转移, 不同基因型间存在差异[14, 15, 16]。随着土壤锌肥施用量的增加, 土壤中有效锌浓度增加, 根系对锌的吸收和累积显著增加, 此时地上部各器官锌累积的主要限制因素是锌的转运和再转移。随锌肥的施入, 地上部锌累积量显著增加, 但各器官的增加幅度不一致, 其中茎和叶中锌累积量的增幅更明显[17, 18]。本研究中采用喷锌的方式进行处理, 发现与不施锌相比, 施锌后穗轴和苞叶中锌累积量的增幅较为明显, 这可能是与施锌方式有关, 叶面施锌后锌很快通过韧皮部的装载后运输至穗柄, 进一步向穗轴和苞叶中进行转运, 最终累积至籽粒。锌向籽粒卸载时存在障碍[19], 因此, 穗柄和苞叶中的累积量增加较为明显。

对锌的分配比例来说, 本试验发现, 施锌后籽粒中锌的平均分配比例从52.44%显著降至45.58%, 而茎、叶和鞘中的锌分配比例则显著增加。刘敦一[20]通过连续2 a的大田试验也发现, 籽粒中锌所占比例随锌肥的施入而减少, 从约70%降至40%左右, 但茎、叶和穗轴中锌的分配比例逐渐升高。孟祥齐等[21]在春玉米上也发现类似结果。这种现象叫锌的“ 奢侈吸收” 。这表明, 当锌供应充足时, 锌在茎、叶和鞘中的运输和累积要比向籽粒转移更容易, 但锌从营养器官向籽粒进行再转移时受到限制, 锌在韧皮部的运输和卸载至籽粒的过程仍需进行深一步的研究。

3.2 施锌对玉米植株各器官中氮含量的影响

孙建华等[22]研究了不同锌肥施用量对玉米各个生育时期植株养分吸收和累积的影响, 发现施锌后玉米各生育时期植株和籽粒氮含量显著增加, 在一定施锌范围内, 随施锌量的增加, 植株氮累积量显著提高, 但继续增加施锌量则呈降低趋势。扶海超等[23]研究发现, 施锌显著影响了玉米幼苗的生长, 一定施氮条件下, 施锌能够调节根系和地上部的关系, 促进根系发育和地上部生长, 提高植株对氮素的吸收。杨利华等[8]研究也发现, 施用4.2 kg/hm2 ZnO能够明显促进植株对氮素的吸收和利用, 同时提高氮肥利用率35.84%。与普通尿素相比, 含锌尿素能够明显促进玉米植株对氮素的吸收和利用, 促进茎叶中的氮素向籽粒中转移[18]。本研究也发现, 施锌后, 籽粒中氮含量和累积量显著增加。因此, 一定试验条件下, 施用锌肥后, 能够增强玉米植株对氮素的吸收和利用, 促进氮素在籽粒中的累积, 这对于提高籽粒氮含量和提高籽粒蛋白品质具有重要的意义。

本研究还发现, 玉米植株叶片锌含量与籽粒氮含量呈极显著正相关。这表明, 本试验条件下, 叶片喷施适宜的锌肥, 有利于提高籽粒中氮素含量, 可达到籽粒氮锌同步提高的目的。穗轴中锌含量和氮含量的相关性也达显著水平, 表明在氮、锌向籽粒累积过程中, 在穗轴部位, 可能存在氮锌协同运输的途径, 这为进一步研究植株中氮锌协同运输机制提供了可参考的思路和依据。

3.3 结论

施用氮锌肥可提高夏玉米籽粒产量和干物质量, 促进植株对氮、锌的吸收, 提高籽粒中氮、锌含量和累积量。但随着施氮量的增加和锌肥的施用, 籽粒中氮、锌累积量占整个植株中的比例均显著下降。夏玉米叶片中的锌含量和籽粒氮含量呈极显著正相关。因此, 土施氮肥配合叶面喷施锌肥, 在提高籽粒产量的同时, 能促进植株对氮、锌的吸收和利用, 提高籽粒中氮、锌的累积量, 以期作为一项夏玉米高产和优质栽培技术推广使用。

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