不同氮肥管理模式下夏玉米氮素利用与代谢特征及其生理机制

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河北省是我国重要玉米产区,其玉米种植面积和总产量分别占全国的8.26%和7.67%。因此,该区域玉米高产稳产对于保障我国粮食和食品安全具有重要意义。目前,该区域玉米季生产中氮肥施用过量导致土壤营养失衡日益加剧,较低的肥料利用效率引发地下水污染和有害气体排放超量,引发系列环保问题。因此,本研究针对河北省低平原区玉米氮肥施用不合理、肥料利用低的问题,以氮肥管理模式和品种为切入点,在辛集市马庄河北农业大学试验站设置大田试验,以氮高效玉米品种先玉688(XY688)和氮低效玉米品种极峰2号(JF2)为试验材料,系统研究了不同氮肥管理模式下夏玉米植株氮素利用与代谢特征及其生理机制,旨在为确定夏玉米常规尿素和缓释尿素最佳配施比例提供科学依据,为河北省氮高效玉米品种遗传选育及优化氮肥管理提供理论支撑。主要研究结果如下:(1)两个玉米基因型产量和氮素利用具有显著差异。与氮低效品种JF2相比,氮高效品种XY688在不同氮肥种类施用下均能表现出更高的营养器官氮素转运量和转运效率,花后干物质同化量增加,成熟期植株可以积累更多的干物质,获得较高的籽粒产量和氮素利用效率,籽粒产量显著提高。2019年和2020年XY688的籽粒产量比JF2分别增加6.92%和18.27%,其中穗粒数是增产的主要因素;XY688在氮素吸收和利用效率上具有优势。(2)两个玉米基因型叶片氮代谢生理具有显著差异。与氮低效品种JF2相比,氮高效品种XY688在不同氮肥种类施用下花后均能表现出更高的叶片NR活性,GS、GOGAT、GOT及GDH等氮代谢关键酶活性增加,叶片IAA和GA等内源激素含量增加;在开花期和完熟期,XY688各处理平均叶面积指数比JF2分别提高22.79%和19.32%;XY688各处理的平均叶片光合速率分别比JF2分别提高12.64%和17.41%,保证了花后玉米可以积累更多的光合产物。与JF2相比,XY688在常规和缓释尿素配施下,XY688各处理各时期叶片平均IAA含量比JF高10.89%,平均GA含量比JF高5.63%。在开花期和在完熟期,XY688各处理平均叶面积指数分别比JF2分别提高9.13%和20.93%;XY688各处理平均叶片光合速率比JF2分别提高9.41%和16.84%。(3)聚天门冬氨酸螯合氮肥(PASPN)提高了玉米产量和氮素利用效率。PASPN处理能够保障氮高效品种XY688生育期对养分需求,提高氮素利用效率,增加地上部干物质积累量与氮素累积量。与FT和OPT处理相比,PASPN处理下XY688籽粒产量显著增加,与FT和OPT处理相比,XY688在PASPN处理下两年平均籽粒产量分别增加11.21%和21.83%。(4)聚天门冬氨酸螯合氮肥(PASPN)影响了花后叶片氮代谢酶活性和基因表达。PASPN处理增加了叶片GS、GOGAT、GOT及GDH等氮代谢关键酶活性,降低了玉米花后叶片NR活性,提高了花后叶片IAA和GA等内源激素含量增加,提升了花后玉米叶面积指数和光合速率。PASPN处理下,氮高效品种XY688花后叶片中ZmNR、ZmGAGOT、ZmAspAT和ZmGS、1.1ZmGS1.2、ZmGS1.3、ZmGS1.4和 ZmGS2的相对基因表达量上调表达,而对JF2相关基因的表达量影响较小。(5)常规和缓释尿素配施处理能调控玉米花后叶片氮代谢和内源激素平衡。常规和缓释尿素配施(US7)处理显著提高了玉米花后叶片NR、GS、GOGAT、GOT及GDH等氮代谢关键酶活性,增加了花后叶片IAA和GA等内源激素含量和花后叶片叶面积指数和光合速率,保证了花后玉米可以积累更多的光合产物。(6)常规和缓释尿素配施可降低肥料施用成本,实现肥料间养分供应持续接力,充分发挥控释尿素的养分控释增效性能。河北平原夏玉米常规尿素与缓释尿素最佳配施比例是3:7(US7)。综上,本研究通过系统解析不同氮效率玉米品种植株生育性状、氮素吸收和同化、生理参数、相关基因表达特征以及产量性状,揭示了常规和缓释尿素不同配施处理对玉米植株氮素分配与转运、花后叶片氮代谢的影响及生理机制,明确了河北平原区适宜夏玉米生产采用的常规尿素和缓释尿素最佳配施比例(3:7,US7);阐明了氮高效玉米品种(XY688)植株氮同化特性及其响应PASPN的生理机制,明确了河北平原区PASPN改善夏玉米氮效率和生产潜力的生物学基础。研究结果将为河北省太行山山前平原区域缓释氮肥示范和规模应用提供科学依据,并为河北省夏玉米减氮高效、全基施简化生产提供理论支撑。
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