精确施氮对超高产夏玉米产量形成的影响及机理

【摘要】为研明精确施氮对超高产夏玉米产量形成的影响及生理机制,在扬州大学农学院江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点试验田(江苏扬州)通过氮肥运筹试验,研究了超高产夏玉米群体质量,并探讨了超高产夏玉米产量形成的主要生理机制,研究结果如下：1.夏玉米超高产水平及其精确施氮参数实现了苏玉30、苏玉20及苏玉29等4个参试品种的籽粒产量分别达到13798、15455及16787kghm-2超高产目标,最佳施氮量分别为461.3、463.8和452.8kghm-2。在全氮含量1.08gkg-1、速效氮含量85.33mgkg-1的地力条件下,精确施氮参数1kg氮生产籽粒量、氮肥的利用率,苏玉20分别为44.0kg、38.63%。2.超高产夏玉米干物质生产及光合特性以≥15000kghm-2为超高产水平目标,以苏玉30、苏玉20及苏玉29三个玉米品种为材料,密度为82500株hm-2,设置6个施氮水平(0、360、405、450、495和540kgNhm-2),实验结果表明：450kgNhm-2促使玉米群体干物质积累速率在灌浆中前期大积累量多,且降低了后期光合速率下降幅度。对干物质积累的Richards方程解析表明,三个品种的干物质积累速率最大时的日期均在花后10d内,且越晚产量越高；生长活跃期越长(花后25d),实际和理论干物质积累量越大的品种,产量越高。对比三个品种的实际和理论干物质积累量的差值后知,苏玉20、苏玉29仍具有较大的增产潜力。3.超高产夏玉米灌浆期叶片光系统参数玉米产量与籽粒最大灌浆速率及达到最大灌浆速率的时间关系不明显。450kgNhm-2促使超高产玉米群体有着较大的开花期光合特性参数及较小的灌浆期光合特性参数的下降幅度,保证了灌浆后期叶片仍具有较强的捕获并转化光能的能力,籽粒产量与灌浆期光合特性参数多呈极显著相关关系,尤其与灌浆前期的Pn、φPSⅡ、NPQ,灌浆中期的产量Chla,Chlb和Car及灌浆后期的Car关系更为密切。表明超高产玉米群体的建立一定程度上决定于灌浆期群体强光合能力的持续时间。4.超高产夏玉米籽粒及植株形态学特征450kgNhm-2可显著增加穗粒重、粒长、粒宽及棒三叶叶夹角角度,增大茎秆第一、二、三节间长度及茎粗,缩短果穗位三节间(第七、八、九节间)的长度。氮肥水平对籽粒厚度影响不显著。产量和茎粗与第一、二、三节间长度表现显著正相关关系,与第七节间长度表现显著负相关关系,而二者与其他节间长度关系不显著。因此,育种上,可选育粒长和粒宽较大的品种作为玉米超高产育种的方向；生产上,可在第一、二、三、七节间伸长的关键时期,通过氮肥运筹调节其节间长度,达到“扩库、强源、畅流”的目的,建立玉米超高产群体。5.超高产夏玉米强、弱势籽粒及淀粉粒形态学特征以≥15000kghm-2为超高产水平目标,以苏玉30、苏玉20及苏玉29三个玉米品种为材料,密度为82500株hm-2,设置4个施氮水平(0、360、450和540kgNhm-2)实验结果表明：450kgNhm-2增大了籽粒长度和宽度,减小了强、弱势粒间的籽粒充实度及千粒重差异,增大了大淀粉粒的加权平均表面积和体积比例,增多了多面体淀粉粒。氮肥处理对玉米弱势粒的影响高于强势粒。强、弱势粒的籽粒及其淀粉粒形态特征均存在差异,强势粒淀粉粒峰值小,峰跨度大,即强势粒淀粉粒大小淀粉粒粒径差异小,且弱势粒的大淀粉粒体积所占比重降低,而产量与强势粒的淀粉粒体积分布关系更为密切。相对于小淀粉粒,大淀粉粒呈多面体状,空腔小,壁厚且呈片层状,这可能是高产玉米籽粒充实度高、千粒重大的原因。6.超高产夏玉米灌浆期强、弱势粒淀粉粒形态特征变化450kgNhm-2显著加速了淀粉粒的形成,延长了淀粉粒快速生长的时间,增大了大淀粉粒及多面体淀粉粒的比例。相同施氮处理下,弱势粒大淀粉粒优先生长,强势粒淀粉粒则均衡生长。淀粉粒形态发育方面,450kgNhm-2处理下强、弱势粒淀粉粒在花后20d时均出现明显的多面体结构,且强势粒淀粉粒大于弱势粒,而0kgNhm-2强、弱势粒淀粉粒均为球形；至花后25d时各处理均出现淀粉粒的多面体结构,且450kgNhm-2处理下强、弱势粒淀粉粒之间的差异远小于花后20d。说明0kgNhm-2强、弱势粒淀粉粒的快速增长期短而急促,450kgNhm-2显著延长了淀粉粒快速生长的时间,导致总产量的增加。7.超高产夏玉米灌浆期强、弱势粒淀粉分子量分布及淀粉合成关键酶活性随着灌浆进程,强、弱势4种淀粉合成关键酶[腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGP),可溶性淀粉合成酶(SSS),结合态淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)]活性在花后30d内均呈现单峰曲线变化,峰值出现在花后20-25d；强势粒淀粉小分子量侧枝比例随灌浆进程逐渐减少,大分子量淀粉链逐渐增多,而弱势粒增加的不明显。450kgNhm-2显著增大了4种淀粉合成关键酶的活性,降低了花后25d后的酶活性下降速度及幅度,推迟了酶活性峰值出现的时间；显著增大了GPC图谱中间峰区(B链和C链淀粉)的比例,同时加速了小分子量淀粉侧枝(A链淀粉)的形成。氮肥对淀粉分子链长度分布的影响弱势粒要大于强势粒,且主要集中在灌浆前期(花后25d前)；对直链淀粉长度影响较小,且直链长度在强、弱势粒淀粉之间区别也较小。8.超高产夏玉米灌浆期强、弱势粒内源激素含量变化密植条件(82500株hm-2)下,Z(玉米素)、ZR(玉米素核苷)、GA3(赤霉素)及IAA(3-吲哚乙酸)在花后30d内均表现出单峰曲线变化,峰值集中出现在花后20-25d内,对籽粒的灌浆具有促进作用,并与产量的变化特征相吻合,即浓度高的其产量就高；而乙烯及ABA(脱落酸)在花后30d内,随灌浆进程呈逐渐升高(ABA)或降低(乙烯)变化趋势,其浓度与产量表现出明显的负相关关系；这一现象在强、弱势粒间存在差异,弱势粒峰值较强势粒晚,一般推迟5d左右,且后期浓度下降较快。与对照(0kgNhm-2)相比,450kgNhm-2显著增大了玉米Z,ZR,GA3及IAA的浓度,降低了ABA和乙烯的浓度,过高过低施氮浓度值均发生变化。氮肥对弱势粒的影响要大于强势粒,且激素对氮肥敏感时期集中在花后20d前后。由此推测,对弱势粒及其花后20d时内源激素浓度的调控仍然是获得玉米超高产群体的一个重要途径。9.施氮水平、玉米产量及强、弱势粒间的关系施氮水平、籽粒产量及强、弱势粒及其淀粉粒存在密切相关关系。强、弱势粒差异越小；籽粒长度和宽度、淀粉粒加权平均表面积及体积越大；多面体淀粉粒结构出现的越早(花后20d前)越多；淀粉分子链越长且分支越多；4种淀粉合成关键酶(AGP、SSS、GBSS和SBE)活性越强；4种激素(Z、ZR、GA3和IAA)浓度越高；且灌浆中后期(花后20d后)酶活性和激素浓度下降越慢的品种或处理,其籽粒产量越高,且相对于强势粒,产量更决定于弱势粒的优劣。
【作者】景立权；
【导师】陆卫平；
【作者基本信息】扬州大学，农产品安全与环境，2014，博士
【关键词】夏玉米；超高产；群体质量；光合参数；强、弱势粒；淀粉合成关键酶；内源性激素；籽粒形态；淀粉粒形态；淀粉分子量；

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