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作物杂志, 2021, 37(4): 112-117 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.017

生理生化·植物营养·栽培耕作

叶面喷施硅肥对寒地玉米干物质积累分配及产量品质的调控效应

刘天昊,1, 张翼飞,1,2, 王怀鹏1, 杨克军,1,3, 张津松1, 孙逸珊1, 肖珊珊1, 徐荣琼1, 杜嘉瑞1, 李佳宇1, 彭程4, 王宝生5

1黑龙江八一农垦大学农学院,163319,黑龙江大庆

2黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室,163319,黑龙江大庆

3北大荒现代农业产业技术省级培育协同创新中心,163319,黑龙江大庆

4黑龙江省七星泡农场,161435,黑龙江黑河

5黑龙江省鹤山农场,161443,黑龙江黑河

Regulating Effects of Foliar Spraying Silicon Fertilizer on Dry Matter Accumulation and Translocation, Grain Yield and Quality of Maize in Cold Region

Liu Tianhao,1, Zhang Yifei,1,2, Wang Huaipeng1, Yang Kejun,1,3, Zhang Jinsong1, Sun Yishan1, Xiao Shanshan1, Xu Rongqiong1, Du Jiarui1, Li Jiayu1, Peng Cheng4, Wang Baosheng5

1College of Agriculture, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China

2Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Modern Agricultural Cultivation and Crop Germplasm Improvement, Daqing 163319, Heilongjiang, China

3Provincial Cultivating Collaborative Innovation Center for the Beidahuang Modern Agricultural Industry Technology, Daqing 163319, Heilongjiang, China

4Qixingpao Farm in Heilongjiang Province, Heihe 161435, Heilongjiang, China

5Heshan Farm in Heilongjiang Province, Heihe 161443, Heilongjiang, China

通讯作者: 杨克军,主要从事作物高产理论与栽培技术研究,E-mail：byndykj@163.com; 张翼飞为共同通信作者,主要从事作物高产理论与栽培技术研究,E-mail：byndzyf@163.com

收稿日期: 2020-11-27   修回日期: 2021-01-20   网络出版日期: 2021-06-29

基金资助: 国家重点研发计划(2017YFD0300302-04)
国家重点研发计划(2018YFD0300101-07)
黑龙江省自然科学基金(LH2019C051)
黑龙江省应用技术研究与开发计划(GA20B102)
黑龙江省农垦总局科技计划(HKKY190204-01)
黑龙江省农垦总局科技计划(2019HKQNJT)

Received: 2020-11-27   Revised: 2021-01-20   Online: 2021-06-29

作者简介 About authors

刘天昊,研究方向为作物高产理论与栽培技术,E-mail：liutianhao66666@163.com

摘要

针对松嫩平原西部半干旱区施肥方式单一、养分管理失衡等限制玉米丰产优质高效的问题,以先玉335为材料,设置5个喷施硅肥处理,分别为0（LCK）、4（LS1）、8（LS2）、12（LS3）和16g/L（LS4）,研究叶面喷施不同浓度硅肥对玉米干物质积累和转运及籽粒产量品质的影响。结果表明,喷施硅肥对植株干物质积累均有促进作用,其中LS3与LCK相比,显著增加花前营养体干物质转运量267.00kg/hm2,且2年的产量均最高（11 485.68和12 331.69kg/hm2）。随硅肥浓度的增加,玉米籽粒粗淀粉、粗蛋白、果糖、氮和钾含量显著增加,较LCK的增幅分别为1.88%~2.56%、5.64%~8.22%、20.00%~41.18%、6.56%~8.56%和11.57%~38.84%。综上所述,叶面喷施8和12g/L硅肥可实现玉米产量和品质的协同提高,可作为松嫩平原西部半干旱区叶面硅肥施用的最佳水平。

关键词： 玉米; 叶面硅肥; 干物质积累; 产量和品质

Abstract

Due to the simple fertilization method and unbalanced nutrient management for maize production in the western Songnen Plain of China, the improvements of maize grain yield, quality, and production efficiency are restricted. To solve these problems, maize variety ‘Xianyu 335’ was used as material and five levels of silicon fertilizer, 0 (LCK), 4 (LS1), 8 (LS2), 12 (LS3), and 16g/L (LS4), were set up under field conditions to study the effects of foliar spraying silicon fertilizer with different concentrations on the dry matter accumulation and translocation, and grain yield and quality of maize. The results showed that foliar spraying of silicon fertilizer had a promoting effect on the accumulation of plant dry matter. LS3 significantly increased the dry matter translocation of dry matter accumulation prior to anthesis by 267.00kg/ha and had the highest yield in two years (11 485.68 and 12 331.69kg/ha). In addition, with the increase of silicon fertilizer concentration, the contents of crude starch, crude protein, fructose sugar, nitrogen, and potassium of maize grain increased significantly. Compared with LCK, the increase ratios of four silicon fertilizer treatments were 1.88%-2.56%, 5.64%-8.22%, 20.00%-41.18%, 6.56%-8.56%, and 11.57%-38.84%, respectively. Generally, 8 and 12g/L foliar silicon fertilizer could achieve the synergistic improvement of maize grain yield and quality, and could be used as the levels of foliar silicon fertilizer in the semi-arid area of the western Songnen Plain.

Keywords： Maize; Foliar spraying silicon fertilizer; Dry matter accumulation; Yield and quality

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本文引用格式

刘天昊, 张翼飞, 王怀鹏, 杨克军, 张津松, 孙逸珊, 肖珊珊, 徐荣琼, 杜嘉瑞, 李佳宇, 彭程, 王宝生. 叶面喷施硅肥对寒地玉米干物质积累分配及产量品质的调控效应. 作物杂志, 2021, 37(4): 112-117 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.017

Liu Tianhao, Zhang Yifei, Wang Huaipeng, Yang Kejun, Zhang Jinsong, Sun Yishan, Xiao Shanshan, Xu Rongqiong, Du Jiarui, Li Jiayu, Peng Cheng, Wang Baosheng. Regulating Effects of Foliar Spraying Silicon Fertilizer on Dry Matter Accumulation and Translocation, Grain Yield and Quality of Maize in Cold Region. Crops, 2021, 37(4): 112-117 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.017

松嫩平原作为中国重要的玉米产区,耕地面积占全国耕地总面积的7.8%,在保障国家粮食安全和区域玉米精深加工产业发展发挥重要作用[1]。作物产量与品质既受遗传因素控制,也与栽培措施和环境条件等密切相关,其中养分管理对其影响很大[2]。然而,在松嫩平原特别是西部半干旱地区,受传统种植观念影响,玉米生产上普遍只关注氮磷钾大量元素的投入,忽视其他营养元素对玉米产量和品质的作用,导致施肥方式单一,养分管理不科学,使得土壤营养元素比例失衡,肥料利用率低,严重限制玉米丰产优质高效生产[3,4]。因此,开展玉米养分平衡施肥技术研究,不断提升区域资源利用效率和粮食生产能力,改善籽粒产品品质,对满足精深加工企业优质原料需求、促进玉米产业可持续发展以及助力质量兴农战略具有重要意义。

硅（Si）是组成作物体重要的营养元素,多以SiO2·nH2O形态分布于表皮细胞和细胞壁中,并在增加作物产量、改良品质和增强抗性中起重要作用[5]。尽管硅大量存在于自然界,在地壳中的含量位居第二,仅次于氧,但土壤中硅绝大多数以硅酸盐结晶或沉淀形式存在,只有少量硅能被作物直接吸收利用[6]。有研究证实,硅素营养充足有利于增加干物质积累,促进小麦[7]和玉米[8]幼苗生长,提高水稻产量和品质[9,10,11]。朱从桦等[12]研究表明,低磷土壤施用硅肥,可以提高成熟期玉米籽粒干物质分配比例和收获指数。Stamatakis等[13]研究认为,硅可显著提高番茄果实硬度以及Vc、β-胡萝卜素和番茄红素等含量。徐宁等[14]认为,拔节后追施叶面硅肥可显著改善夏玉米的株高、茎粗、穗长、穗粗和秃尖长等农艺性状,提高籽粒淀粉、蛋白质、油分及单宁含量,增强对病虫害的防控能力。

近年来,对玉米施用硅肥的研究主要集中在产量、品质和抗逆性等方面,但叶面喷施硅肥对寒地玉米干物质生产与分配、产量及品质等方面影响的研究还鲜有报道。鉴于此,本研究在松嫩平原西部半干旱区开展叶面喷施不同浓度硅肥对玉米干物质积累和转运及籽粒产量品质的影响研究,以期深入探讨叶面喷施硅肥对玉米干物质积累及产量品质形成的调控效应,明确硅肥喷施最佳水平,为松嫩平原半干旱区玉米优质高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017-2018年在黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学试验基地（46°37′N,125°11′E）进行。该区域气候类型为典型的北温带大陆性季风气候,多年平均降雨量427.00mm,年蒸发量1635.00mm,年均气温4.2℃,无霜期143d。试验地土壤类型为碱化草甸土,肥力均匀。耕层土壤（0~20cm）理化性质为有机质28.79g/kg、速效磷23.40mg/kg、速效钾205.00mg/kg、碱解氮150.30mg/kg、有效硅119.63mg/kg,pH 8.28。

1.2 试验设计

供试玉米品种为先玉335,肥料为尿素（N≥46%）、磷酸二铵（P2O5≥46%）、硫酸钾（K2O≥50%）和硅酸钠（SiO2≥21%）。采用随机区组设计,设置0（LCK）、4（LS1）、8（LS2）、12（LS3）和16g/L（LS4）5个硅肥用量（以SiO2计）处理,LCK为喷施同等体积清水,各处理3次重复。于玉米拔节期（30%叶龄指数时期）喷施1次,喷液量450L/hm2。选择在晴朗无风的天气,使用电动背负式喷雾器进行叶面喷施,处理前使用高度2m的聚乙烯塑料膜进行小区隔离,避免喷施过程中对相邻小区产生边际效应。每个小区6行,行距0.65m,行长20m,小区面积78m2。种植密度7.5万株/hm2,各小区均施用N 225kg/hm2、P2O5 120kg/hm2、K2O 90kg/hm2,其中70%氮肥和全部磷肥、钾肥以基肥形式一次性施入,剩余30%氮肥于拔节期追施。10月4日收获,其他田间管理同当地大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累量 分别于玉米苗期（VE）、拔节期（V5）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、灌浆期（R2）和成熟期（R6）,在各小区随机选取长势均匀具代表性的植株6株,将各器官拆分后分别装入牛皮纸袋中,置于烘箱中105℃杀青30min,80℃烘干至恒重并称重,计算单株干物质积累量（DMA）,参照谢祝捷等[15]的方法计算花前营养器官干物质转运量、干物质转运率、花后同化物输入籽粒量、花后同化物对籽粒的贡献率和收获指数等指标。

1.3.2 产量及其构成因素 在成熟期收获,每个小区收获中间2行测产（按14%含水率折算籽粒产量）,统计有效穗数,采用均值法随机选取20个果穗考种,测定百粒重、行粒数、穗行数和穗粒数。

1.3.3 籽粒品质 收获测产后,使用GHCS-1000型容重器测定籽粒样品容重;然后分别置于105℃杀青30min后80℃烘干至恒重。采用微量凯氏定氮法测定粗蛋白含量;采用索氏提取法测定粗脂肪含量;采用旋光法测定粗淀粉含量;采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量;采用间苯二酚法测定果糖和蔗糖含量[16]。采用H2SO4-H2O2消煮法[17]测定氮、磷、钾含量,其中采用凯氏定氮法测定氮含量,采用钼锑抗比色法测定磷含量,采用火焰光度法测定钾含量;采用原子吸收分光光度法测定钙、镁含量;采用ICP法测定锌含量。

1.4 数据处理与分析

由于数据量较大,且2年数据趋势相同,因此除产量及其构成因素外,其他数据取2年平均值进行分析。采用Microsoft Excel 2003整理数据和作图,使用SPSS 20.0进行方差分析,采用新复极差法（Duncan’s）进行差异显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施硅水平对玉米干物质积累、分配及转运的影响

从表1可以看出,叶面喷施不同浓度的硅肥对玉米VT、R2和R6期DMA有显著（P<0.05）影响,但对V12期影响不显著。在VT期,玉米DMA总体表现为LS2~LS4处理显著高于LCK,增幅达5.19%~12.29%。在R2和R6期,LS3处理DMA最大,分别为340.01和376.48g,显著高于LCK处理,增幅分别达11.15%和9.08%。

表1   叶面喷施不同浓度硅肥对玉米干物质积累与转运的影响

Table 1  Effects of foliar application of different concentrations of silicon fertilizer on dry matter accumulation and translocation of maize

处理
Treatment		DMA (g)TDMP
(kg/hm2)		TEDMP
(%)		TPAK
(kg/hm2)		CPAK
(%)		HI
V12VTR2R6
LCK72.13a163.47b305.91b345.14b1122.50b9.15a10 759.00a90.55a0.46a
LS172.51a171.96ab310.79b348.32b1171.75b9.09a10 739.00a90.15a0.46a
LS273.86a178.89a326.72ab365.81ab1253.50b9.37a10 864.25a89.67ab0.44a
LS373.09a183.56a340.01a376.48a1389.50a10.10a11 118.00a88.88b0.45a
LS472.70a177.63a325.58ab366.42ab1140.75b8.62a10 952.25a90.57a0.44a

DMA：单株干物质积累量;TDMP：花前营养体干物质转运量;TEDMP：花前营养体干物质转运效率;TPAK：花后同化物输入籽粒量;CPAK：花后同化物对籽粒的贡献率;HI：收获指数。同列不同字母表示差异达0.05显著水平,下同

DMA: dry matter accumulation per plant; TDMP: translocation of dry matter accumulation prior to anthesis; TEDMP: translocation efficiency of dry matter accumulation prior to anthesis; TPAK: translocation of post-anthesis assimilate matter to kernel; CPAK: contribution of post-anthesis assimilate matter to kernel; HI: harvest index. Different letters within a column indicate significant difference at the 0.05 level, the same below

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同时,叶面喷施不同浓度硅肥对玉米TDMP、CPAK有显著影响,对TEDMP、TPAK以及HI影响不显著。随着叶面喷施硅肥浓度的增加,TDMP呈现先上升后下降的变化趋势,LS3处理达到最大值1389.50g,显著高于其他处理10.85%~23.79%,其余各处理之间差异不显著。CPAK表现为先下降后上升的趋势,LS3处理达到最小值,且显著低于LCK处理（表1）。

2.2 不同施硅水平对玉米产量及其构成因素的影响

从表2可以看出,随处理硅浓度升高,玉米产量总体呈先上升再下降的变化趋势,2017和2018年均在LS3处理下达到最大值,分别为11 485.68和12 331.69kg/hm2,较LCK显著（P<0.05）高出24.95%和27.37%。从不同处理对产量构成因素的影响来看,尽管随着叶面施硅浓度增加,玉米有效穗数、行粒数和穗粒数有增加趋势,但除了2017年的行粒数以外,其他处理间差异均未达显著性水平,其中2017年行粒数表现为LS2>LS3>LS4>LS1>LCK,且LS2处理较LCK和LS1显著增加7.03%和6.52%。2年中百粒重均在LS3处理下达最大值（30.47和33.30g）,显著（P<0.05）高于LCK处理9.76%和12.12%。通过年份、施硅水平单一效应及交互效应分析可知,尽管百粒重、行粒数、穗粒数、产量在不同年份间的差异达极显著水平（P<0.01）,但叶面施硅处理总体上对百粒重、行粒数和产量影响趋势一致,且均达极显著或显著水平。

表2   叶面喷施不同浓度硅肥对玉米产量及其构成因素的影响

Table 2  Effects of different concentrations of silicon fertilizer on maize yield and yield composition factors

年份
Year		处理
Treatment		有效穗数（穗/hm2）
Effective ear number
(ears/hm2)		百粒重
100-grain
weight (g)		行粒数
Kernel number
per row		穗行数
Row number
per ear		穗粒数
Kernel number
per spike		产量
Yield
(kg/hm2)
2017LCK66 923.07a27.76c35.13b16.10a565.68a9 192.21c
LS166 667.67a28.73bc35.30b15.67a552.99a9 536.30c
LS267 692.31a29.51ab37.60a15.60a586.56a10 868.97b
LS367 820.50a30.47a36.85ab15.53a572.40a11 485.68a
LS468 076.92a28.49bc36.30ab15.70a569.65a10 658.79b
2018LCK65 134.62a29.65b30.17a16.33a492.47a9 681.84b
LS165 334.61a29.70b30.47a15.73a478.87a10 819.07ab
LS265 516.92a31.73ab31.93a15.50a495.49a11 393.68a
LS366 030.00a33.30a33.00a15.40a508.40a12 331.69a
LS467 173.84a30.93ab32.07a15.67a502.37a11 206.64ab
显著性 (F值) Significance (F-value)
年份Year (Y)3.02462.850**102.468**0.00017.810**10.460**
施硅浓度Si concentration (SC)0.43511.547**4.129*0.3970.26713.695**
年份×施硅浓度 (Y×SC)0.0578.409**0.4550.0250.0680.434

“**”代表0.01显著水平,“*”代表0.05显著水平

“**”indicates significant difference at the 0.01 level, “*”indicates significant difference at the 0.05 level

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2.3 不同施硅水平对玉米籽粒品质的影响

由图1可知,叶面喷施不同浓度的硅肥对玉米成熟期籽粒粗淀粉、粗脂肪、粗蛋白含量以及容重均呈现不同程度促进效应。粗淀粉含量表现为各处理均显著（P<0.05）高于LCK,较LCK增幅为1.88%~2.56%,且LS1~LS4处理间差异不显著。粗脂肪含量表现为LS4>LS3>LS1>LS2>LCK,其中,LS4处理显著高于LCK处理,LS4处理与LS1、LS2、LS3处理间差异不显著。各施硅处理的粗蛋白含量均显著高于LCK处理,较LCK增幅达5.64%~8.22%。而籽粒容重则表现为先上升后下降趋势,LS2和LS3处理显著高于LCK,较LCK提升了15.67和16.00g/L,LS1和LS4处理较LCK处理也有所增加,但差异不显著。

图1

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图1   叶面喷施不同浓度硅肥对玉米籽粒品质的影响

不同小写字母表示0.05水平上显著差异,下同

Fig.1   Effects of different concentrations of silicon fertilizer on grain quality of maize

Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level, the same below


由图2a可知,施硅处理下籽粒可溶性糖含量表现为LS3>LS4>LS2>LS1,其中LS3和LS4分别较LCK显著（P<0.05）增加,增幅达14.23%和12.97%,但与LS1和LS2之间无显著性差异。蔗糖含量在LS1处理表现最佳,且显著高于其他处理,增幅达13.19%~21.64%（图2b）。籽粒果糖含量随着叶面喷施硅肥浓度增加呈先升后降的变化趋势（图2c）,表现为LS2>LS3>LS4>LS1>LCK,喷硅处理均显著高于LCK处理,较LCK处理的增幅达20.00%~41.18%,其中LS2处理果糖含量最高,并显著高于LS1、LS3和LS4处理。

图2

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图2   不同施硅水平对籽粒糖分含量的影响

Fig. 2   Effects of different silicon application levels on sugar content in grains


由表3可知,籽粒氮含量表现为LS3>LS4>LS1>LS2>LCK,其中LS3处理较LCK和LS2处理显著（P<0.05）增加8.56%和1.88%;随着硅肥浓度增加,各处理籽粒钾含量逐渐上升,LS4处理最高,为3.36g/kg,除与LS3处理差异不显著外,较其他处理显著增加了12.75%~38.84%。叶面喷施硅肥对玉米籽粒磷、钙、镁、锌含量的影响整体呈增加趋势,但处理间无显著差异。

表3   叶面喷施不同浓度硅肥条件下玉米籽粒营养元素含量

Table 3  Contents of nutrient elements in maize grain by foliar spraying with different concentrations of silicon fertilizer

处理
Treatment		氮
Nitrogen (g/kg)		磷
Phosphorus (g/kg)		钾
Potassium (g/kg)		钙
Calcium (mg/kg)		镁
Magnesium (mg/kg)		锌
Zinc (mg/kg)
LCK12.96c4.77a2.42d78.76a90.36a13.62a
LS113.86ab4.74a2.70cd78.76a90.55a13.62a
LS213.81b4.77a2.98bc78.44a91.04a14.68a
LS314.07a5.08a3.17ab79.08a88.89a14.17a
LS414.01ab4.65a3.36a80.87a86.96a13.34a

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3 讨论

玉米植株较高的干物质积累量是获得高产的保证,干物质积累量越大,籽粒产量越高[18]。本试验中,叶面喷施适宜浓度硅肥对玉米VT、R2和R6期干物质积累有明显的促进作用。朱从桦等[12]研究同样表明,土壤施用硅肥可使玉米V5、吐丝期（R1）、R2和R6干物质积累量显著增加,且优化了生育中后期各器官干物质分配量。郝立冬等[19]研究发现,硅肥可通过增加穗粒数和穗粒重来增产。本研究中叶面喷施适宜浓度硅肥可改善玉米源库关系,且主要通过增加TDMP来显著提升百粒重和容重,产量增幅17.68%~27.37%。此外,氮、磷、钾在作物体内的积累、运输及分配也是决定作物产量品质的关键因素。研究[20]认为外源硅亦可影响玉米幼苗体内矿质营养积累与微量元素平衡,本研究发现,叶面施硅可以促进氮、钾元素更多地向籽粒中分配与转运,硅肥对氮、磷、钾大量元素的协同吸收与前人在玉米[21]、小麦[22]、甜瓜[23]基施硅肥及烟草叶面施硅[24]研究结果一致,但本研究中叶面喷施硅肥对磷、钙、镁、锌等元素的积累无显著影响。

陆福勇等[25]研究表明,增施硅肥后水稻籽粒直链淀粉、蛋白质含量显著增加。邵长泉[26]研究发现,土壤施用硅肥后糯玉米粗蛋白、赖氨酸、淀粉和可溶性糖含量都有不同程度的增加,明显提升了糯玉米的品质。本试验表明,叶面喷施不同浓度硅肥后,籽粒粗淀粉和粗蛋白含量均显著高于LCK,但粗脂肪含量变化不明显;同时,施硅处理均可提升籽粒果糖含量,而可溶性糖含量仅在较高的施硅水平下增加,可能是由于叶面施肥提高了玉米植株谷氨酸丙氨酸氨基转移酶等氮代谢关键酶活性,促进了氮素向籽粒的分配和蛋白质的合成[27];而适宜硅浓度也可加强运输到籽粒中蔗糖更多地向淀粉和单糖转化,但其对蔗糖合酶、ADPG焦磷酸化酶、淀粉合酶、淀粉分支酶与去分支酶等系列控制玉米胚乳淀粉和糖分积累的关键酶[28,29]的调控机制还需深入研究。

4 结论

叶面喷施8~12g/L、450L/hm2硅肥可影响玉米植株干物质积累与转运,有效调节植株花前营养体干物质转运量,提升百粒重和容重,产量增幅达17.68%~27.37%。同时,显著促进了氮、钾元素向籽粒分配与转运,增加了籽粒粗淀粉、粗蛋白和果糖含量,实现了玉米产量和品质协同提高,可作为松嫩平原西部半干旱区叶面喷施硅肥的最佳水平。

参考文献

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