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Study on the influencing mechanisms of nitrogen and phosphorus nutrients on maize yield and quality in rainfed lands of the Loess Plateau

氮、磷营养对黄土高原旱地玉米产量、品质的影响机理研究


The influences of nitrogen and phosphorus nutrients on seed yield and quality of maize were studied by using a split plot experiment in the rainfed lands of the Loess Plateau. The results show that crude protein, crude fat, lysine contents, seed bulk density, yield and water use efficiency (WUE) are increased with the application of nitrogen and phosphorus fertilizers, especially for the nitrogen fertilization, while crude starch content of maize seeds are decreased. The contents of soil alkalized-N and available P are also increased with the fertilizer application, which are useful for the nutrients’ uptake, root growth and biomass accumulation. The abilities of absorbing and transforming N and P nutrients in stalks and leaves are increased, and the nutrients’ transportation to spike axises and seeds are improved. The density of seed milking is significantly increased, which could enhance the accumulations of N and P in seeds, grain weight and grain quality during the middle and late milking period of maize.


全 文 :收稿日期:!""#$%!$!& 接受日期:!""&$"’$!&
基金项目:国家“十五”区域高效农业课题(!""%()’"&(%%)资助。
作者简介:李建奇(%*++—),男,山东菏泽人,博士,副教授,主要从事植物营养、作物优质高产栽培及种子产业化方面的研究。
,-.:"’/"$++"!&%*,01234.:5436741.8%!+9 :;2
氮、磷营养对黄土高原旱地玉米产量、品质
的影响机理研究
李建奇%,!
(% 山东省菏泽学院资源与环境系,山东菏泽 !#<"/";! 甘肃农业大学农学院,甘肃兰州 #/""#")
摘要:田间裂区试验研究了不同氮、磷施用水平对旱地玉米子粒产量和品质的影响。结果表明,增施氮、磷肥,能增
加子粒粗蛋白、粗脂肪、赖氨酸含量和子粒容重,降低粗淀粉的含量,提高玉米产量和水分利用效率,且氮肥效果优
于磷肥。施用氮、磷肥能够增加土壤碱解氮、速效磷的浓度,有利于玉米根系对氮、磷营养的吸收;在促进根系生长
的同时,提高玉米的生物产量,增加植株茎秆、叶片对氮素、磷素的吸收、转化以及向穗轴、子粒的输送,显著提高子
粒的灌浆强度,促进灌浆中后期子粒氮、磷的积累,增大粒重,改善子粒品质。
关键词:氮磷营养;玉米;产量;品质;机理
中图分类号:=’%/9"+! 文献标识码:) 文章编号:%""&$’"’>(!""&)"+$%"!"#$% &’ "() *’+,#)’-*’. /)-(0’*1/1 &+ ’*"2&.)’ 0’$ 3(&13(&2#1 ’#"2*)’"1
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EJ.4F J.;F -OJ-G42-6F 46 FB- G346C-I .36IE ;C FB- ?;-EE P.3F-3DQ ,B- G-ED.FE EB;M FB3F :GDI- JG;F-46,:GDI- C3F,.KE46- :;61
F-6FE,E--I ND.R I-6E4FK,K4-.I 36I M3F-G DE- -CC4:4-6:K(ST0)3G- 46:G-3E-I M4FB FB- 3JJ.4:3F4;6 ;C 64FG;H-6 36I JB;E1
JB;GDE C-GF4.4L-GE,-EJ-:43..K C;G FB- 64FG;H-6 C-GF4.4L3F4;6,MB4.- :GDI- EF3G:B :;6F-6F ;C 234L- E--IE 3G- I-:G-3E-IQ ,B-
:;6F-6FE ;C E;4. 3.R3.4L-I1U 36I 3V34.3N.- P 3G- 3.E; 46:G-3E-I M4FB FB- C-GF4.4L-G 3JJ.4:3F4;6,MB4:B 3G- DE-CD. C;G FB- 6D1
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近年来,我国作物种植结构和农业产业结构的
调整不断加深,玉米已成为我国仅次于水稻的第二
大作物,玉米的消费结构已由过去的口粮消费向饲
料、工业加工为主的多方向、多领域、多层次消费转
变。随着我国加入S,W和世界经济一体化的发展,
国内外市场对玉米子粒品质的要求不断提高。基于
人多地少的现状,我国的玉米生产只能是既要提高
单产,又要改善品质[%]。关于氮、磷营养对玉米子粒
产量及品质的影响,国内外学者分别就氮、磷单
施[!$%"]及配合施用[&,%%$%’]等方面进行了较为系统的
研究,但不同氮、磷施用量对玉米子粒产量、品质的
影响机理研究则鲜有报道。本研究以豫玉 !! 为试
植物营养与肥料学报 !""&,%<(+):%"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
P.36F UDFG4F4;6 36I X-GF4.4L-G =:4-6:-
材,分析了氮、磷营养对黄土高原旱地玉米产量、品
质、根系及其子粒灌浆等的影响,揭示氮、磷营养对
旱作玉米品质、产量及相关生理活动的影响效应,旨
在为旱作玉米的高产栽培和品质改良提供依据。
! 材料与方法
!"! 试验区概况
试验于 !""!年 #月至 !""$年 %"月在甘肃省农
科院镇原旱农试验基地(农业部镇原黄土旱塬生态
环境野外观测试验站)实施。试验区属半湿润偏旱
区,海拔 %!&’ (,年日照时数 !##&)! *,太阳辐射总
量 +,!)! -. / 0(!,年均气温 1)$2,作物活跃生长期
%’! 3。多年平均降水量 +#1)& ((,’!& 月降水量
占年降水量的 +%)#4,季节分布不均。土壤为覆盖
黑垆土,肥力中等,有机质含量 %%)% 5 / -5,全氮 ")1,
5 / -5,碱解氮 1! (5 / -5,速效磷 %" (5 / -5,速效钾 !!1
(5 / -5。
试验区玉米生育期间多年年均降水量为 $’!)&
((。!""!年春玉米生育期间降水 !1%)% ((,较历
年平均降水量减少 !#)#4,属欠水年份,但有限降
水在玉米生长的关键时期适时供给,, 月下旬到 ’
月初的玉米拔节至大喇叭口期降水是历年的 %)%
倍,抽雄与吐丝期间土壤水分适宜,灌浆期降水充
沛,日照充足,授粉良好。!""$ 年玉米生育前期降
雨量仅为 ,’)% ((,虽利于根系生长,但玉米植株生
长迟缓;玉米生育后期降水量较多,导致收获期延
后。
!"# 试验设计
田间试验采用裂区设计,以氮肥为主处理,设施
6(-5 / *(!):"(6")、%+"(6%+")、!!+(6!!+);磷肥为
副处理,设 7!8+(-5 / *(!):"(7")、’+(7’+)、!!+
(7!!+)$个水平。小区面积 !$)$# (!,$次重复,随机
排列。供试玉米品种为豫玉 !!。#月 !%日播种,种
植密度为 +1!""株 / *(!。全部磷肥和 +"4的氮肥作
基肥,另外 +"4的氮肥于大喇叭口期作追肥施用。
其他田间管理同常规。
!"$ 测定项目及方法
土壤水分的测定:采用土钻法在玉米播种、拔
节、抽雄、吐丝、灌浆及收获期分别测定地表下 !""
0(土层的土壤含水量,每 !" 0(为 %层,共分 %"个
土层取样,每次只测定 % 个重复。所取土样在 %"+
!%%"2烘箱中烘 ,!1 *至恒重后称重。土壤含水
量(4)9[湿土重(:%); 干土重(:)]< %"" /干土
重(:)。
植株、根系干重的测定:玉米吐丝期测定根系
数量及地上部生物量。每小区选择有代表性的植株
!株,挖直径 ," 0(、深 %"" 0(的圆柱体土坑,分 "—
!"、!"—#"、#"—%"" 0( $层取样,重复 $次。将根系
放入尼龙网内冲洗干净,用吸水纸吸干表面附着的
水分后放入 %"+2烘箱 ")+!!)" *,之后在 ,"!’"2
下烘干称重。
将测定根系的玉米植株地上部洗净后,用吸水
纸吸干表面水分,称鲜重。将装有样品的纸袋放入
%"+2的烘箱中,高温烘 ")+!! *,然后在 ’"!1"2
下烘干至恒重,称干重。
子粒灌浆的测定:各小区于 ’月上旬选取具有
代表性的 %"株为标准株,选其第一果穗套袋,雌穗
吐丝 ! 3后剪花丝,人工授粉,挂牌定穗,收获时作
为样本株。对于选好的标准株,从授粉之日起,每隔
%# 3取不同品种果穗中部子粒混匀,测定其鲜重及
风干重。
土壤、植株样品的采集与分析:播种时取 "—,"
0(的土样,每 !" 0(为一层,测定基础肥力;在收获
时用相同的方法采集土样,用于土壤养分(有机质、
碱解氮、速效磷)的测定。
玉米收获时,将样本株单独收获、考种,各小区
单打单收计实产。采集不同部位的叶片、穗轴、子
粒、秸秆等分析植株吸收氮、磷营养情况,子粒用于
品质分析。
植株样品全氮测定采用凯氏法;叶片、穗轴、植
株的全磷测定用钼蓝比色法;子粒全磷用钒钼黄比
色法。
子粒品质分析:!""!年,子粒粗蛋白、粗淀粉、
粗脂肪、赖氨酸含量、直链淀粉含量及其子粒容重由
农业部谷物测试中心(北京)测定;!""$ 年,子粒的
粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪、赖氨酸含量及其子粒容重,
由甘肃农科院农产品测试中心测定。
# 结果与分析
#"! 氮、磷营养对玉米品质、产量的影响
!)%)% 对玉米品质的影响 施肥可以改善玉米的
营养条件,影响玉米子粒的化学成分和营养品质。
由表 %、表 !可看出,施氮能显著改善玉米子粒中粗
蛋白的含量,!""! 年 6!!+比 6" 相对提高 ’)$+4,差
异达显著水平;!""$年 6!!+比 6" 相对增加 !#)%4,
差异达极显著水平。增施氮肥能够提高子粒粗脂
肪、赖氨酸含量和子粒容重,粗脂肪表现为 !""! 年
处理间差异显著;赖氨酸含量、子粒容重在 !""$年
$#"%,期 李建奇,等:氮、磷营养对黄土高原旱地玉米产量、品质的影响机理研究
处理间差异分别达极显著、显著水平。增施氮肥降
低了子粒粗淀粉的含量,!""!年 #" 与 #!!$的差异达
极显著水平;表明施氮对粗脂肪、粗淀粉、赖氨酸含
量和子粒容重的影响年际间不稳定性。
子粒各品质成分施磷处理间差异均不显著,表
明施磷对玉米子粒营养品质的影响不大。
表 ! 不同施肥水平下玉米粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量(" # $")
%&’() ! %*) +,-(.),/)0 1- 2*) -)32+(+4&2+1, 1, 5312)+,,-&2 &,6 02&3/* /1,2),2 +, 0))60
处理 粗蛋白 %&’() *&+,)-. 粗脂肪 %&’() /0, 粗淀粉 %&’() 1,0&23
4&)0,5)., !""!6& !""76& !""!6& !""76& !""!6& !""76&
#" 89:; < 98:= > 78:7 < =9:= 0 8=$:= 0? 87@:A 0
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B!!$ 88:; 0 @!:A 0 =A:8 0 =9:7 0 8!@:" 0 879:! 0
注:数据后不同大小写字母分别表示不同施氮或施硅水平间差异达 AC和 $C显著水平,下同。
#+,):D0E’)1 /+EE+F)( <6 (-//)&)., 20*-,0E 0.( E+F)&201) E),,)&1 5)0. 1-G.-/-20., 05+.G (-//)&)., # +& B ,&)0,5).,1 0, AC 0.( $C E)H)E1,&)1*)2,-H)E6I 43)
105) <)E+FI
表 7 不同施肥水平下玉米赖氨酸、直链淀粉含量及子粒容重
%&’() 7 %*) +,-(.),/)0 1- 2*) -)32+(+4&2+1, 1, (80+,),&98(10) /1,2),2 &,6 0))6 ’.($ 6),0+28
处理 赖氨酸 J61-.)(G K LG) 子粒容重 M))( <’EL ().1-,6(G K J) !""!年直链淀粉 ?56E+1) -. !""!6&
4&)0,5)., !""!6& !""76& !""!6& !""76& 含量 %+.,).,(G K LG) 占总淀粉比例 N0,-+(C)
#" !:9" 0 7:A" > 9;8:7 0 9;$:" < A8;:! 0 !=:"= 0
#A$" !:8" 0 7:78 ? 8"A:7 0 8!!:8 0 A8A:! 0 !7:=9 0
#!!$ !:9" 0 7:78 ? 9;=:8 0 8!A:8 0 A9;:9 0 !7:=7 0
B" !:$7 0 7:!8 0 9;8:8 0 8A8:" 0 A8=:= 0 !7:8" 0
B8$ !:98 0 7:!8 0 9;;:" 0 8A=:" 0 A89:= 0 !7:;; 0
B!!$ !:8" 0 7:7" 0 9;9:8 0 8"@:7 0 A9;:! 0 !7:!= 0
!:A:! 对玉米产量及水分利用效率的影响 增施
氮、磷肥均有提高玉米产量,降低水分消耗系数、提
高水分利用效率的作用,但氮肥作用明显大于磷肥
(表 7)。增施氮肥,可提高玉米的子粒产量和 OPQ,
!""!、!""7 年的 #!!$与 #" 相比,产量分别增加
A;:!AC 和 ;!:$@C,OPQ 分 别 提 高 A;:!"C、
$8:$$C;处理间差异均达极显著水平。玉米产量
和 OPQ 均随磷肥施用量的增加而提高,但只有
!""!年的产量处理间差异达显著水平。表明施用
氮肥、磷肥能够增加玉米子粒的产量和 OPQ,但氮
肥的影响远大于磷肥。同时,!""7年施氮的增产效
应远高于欠水年份 !""!年,说明水分能促进氮肥的
吸收和利用,有“以水调肥”的效果。
7:7 氮、磷营养对玉米根系及根冠比的影响
!:!:A 对玉米根重及其分布的影响 增施氮、磷肥
增加了 "—A"" 25土层根系重量,其中,#"B!!$、#!!$
B"分别比 #"B" 增加 !9:==C、A;:@!C,处理间差异
达极显著水平(表 =)。从各土层根系分布来看,表
表 ; 不同施肥水平下玉米产量和水分利用效率
%&’() ; %*) +,-(.),/)0 1- 2*) -)32+(+4&2+1, 1, 9&+4) 8+)(6 &,6 <&2)3 .0) )--+/+),/8
年份 R)0& 项目 S,)5 #" #A$" #!!$ B" B8$ B!!$
!""! 产量 R-)E(( LG K 35!) ;==" > A";"$ ? AA!$7 ? A"A;" < A"9;= 0 A"8"7 0
OPQ[LG K(55·35!)] !":9! > !7:@! ? !=:$@ ? !!:!9 0 !7:79 0 !7:7@ 0
!""7 产量 R-)E(( LG K 35!) =;9A > ;A@" ? ;$$= ? 89@; 0 8;A" 0 @";9 0
OPQ[LG K(55·35!)] A9:=; > !=:;9 ? !$:;@ ? !":;A 0 !A:$A 0 !!:"! 0
=="A 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 A=卷
土层(!—"! #$)的根量以施磷处理最高,%!&""’、%""’
&!分别比 %!&! 增加 (’)**+、"!),-+;!—*! #$土
层的根量 %!&""’比 %""’ &!、%!&! 分别提高 ,).-+、
"’)!/+;而 *!—0!! #$土层根系重量和所占比例,
以施氮处理(%""’&!)最高。说明施肥促进了玉米根
系的生长发育,提高 0 $土层的根量,但主要是通过
增加 !—*! #$土层的根量来实现,且增施磷肥的效
果优于增施氮肥。同时,增施氮肥,根系增深效果明
显,特别能提高 *!—0!! #$ 土层根系的数量及比
例,这有利于玉米植株对深层水分、养分的吸收、利
用,提高玉米的抗旱能力。
表 ! 不同施肥水平下不同土层根系的重量及其分布
"#$%& ! "’& ()*%+&),&- .* /’& *&0/(%(1#/(.) .) 0../ 2&(3’/ #)4 (/- 4(-/0($+/(.) () 4(**&0&)/ -.(% %#5&0-
处理
12345$365
!—"! #$ "!—*! #$ *!—0!! #$ !—*! #$ !—0!! #$
根量
7885 95 :
(; < =>465)
比例
7453
(+)
根量
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比例
7453
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根量
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比例
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根量
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比例
7453
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根量
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%""’&! 0.)"0 @A -/)’( 4 ’)(. 4 0,),’ @ ()(. 4A 0")’" 4 "()’, @A? ./)*. 4 "-),/ A
")")" 对玉米地上部生物量及根冠比的影响 根
冠比是指地下部分生物量与地上部生物量之比,根
冠比大的植物,根系相对发达,根冠比反映出地上和
地下部分的关系。表 ’显示,施肥促进了玉米地上
部生物量的增加,%""’ &!、%!&""’分别比 %!&! 增加
-’)."+、*,)("+,且施用氮效果优于施磷。同时,
处理间根冠比差异也很明显,说明施用氮、磷肥促进
了玉米植株的生长,且对地上部生长的促进作用大
于根系,因而使玉米的根冠比降低。
表 6 不同施肥水平下玉米的生物量、根冠比
"#$%& 6 "’& ()*%+&),&- .* /’& *&0/(%(1#/(.) .) 7#(1&
$(.7#-- #)4 8 9 :
处理
12345$365
生物量
?B8$4CC
(; < =>465)
百分率
&32#3654;3
(+)
根冠比
7< D
百分率
&32#3654;3
(+)
%!&! /-)/ ? 0!!)!! !)", 4A 0(.)0!
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;<= 氮、磷营养对植株养分含量的影响
据报道,玉米授粉期氮素在各器官的分配是叶
片氮素约占 ’!+,茎秆中氮素 *!+左右,余下的氮
分配在雌穗中;叶片中的氮素在抽雄期主要保持在
果穗叶及其上下叶片,这几片叶中保持较高的含氮
量,能提高叶片光合效能,为子粒合成更多的光合产
物[0-]。玉米营养生长期植株体内的养分状况不仅
影响到玉米的生长发育、产量形成,而且对玉米子粒
品质产生不同程度的影响。表 -可以看出,增施氮
肥能够显著增加植株全氮含量,其中茎秆、叶片和子
粒全氮含量处理间差异均达极显著水平,穗轴全氮
含量处理间差异显著;增施磷肥对植株全氮含量的
影响不明显。表明增施氮肥,提高了土壤中碱解氮
的浓度,有利于根系对氮素的吸收,增加植株茎秆、
叶片的全氮含量及向穗轴、子粒的输送,从而增加子
粒中氮的积累,提高子粒中氮的浓度,有利于增加粒
重和提高子粒粗蛋白的含量。
玉米授粉以后,磷向发育子粒中输送十分强烈,
从果穗形成到成熟期间,根部对磷的吸收仍十分活
跃。如表 -所示,子粒全磷含量随着施氮水平的提
高而增加,%0’!比 %!相对增加 (")-/+;但对玉米叶
片、茎秆、穗轴全磷含量的影响不大。增施磷肥,提
高了玉米叶片、穗轴、子粒全磷含量,其中子粒全磷
含量 &""’比 &!提高 0-)""+;叶片、穗轴分别增加了
’")"!+、--)".+。表明增施磷肥,提高了土壤中速
效磷的浓度,有利于植株叶片对磷素的吸收转化并
向子粒中输送,增加子粒中磷素的积累,有利于粒重
的增加和蛋白质含量的提高。
;与 %!&!相比,%""’&! 授粉后 0!*" E子粒的鲜
重、干重和收获期粒重分别增加 "")("+、",),(+、
"/)-,+,表明增加氮肥,能极显著提高子粒干物重
积累量。其中授粉后 0!0*、0’!". E的子粒鲜重、
干重差异极显著;授粉后 ",!*" E子粒的鲜重、干
重积累也分别达显著、极显著水平(表 /)。
’*!0-期 李建奇,等:氮、磷营养对黄土高原旱地玉米产量、品质的影响机理研究
增施磷肥与不施肥相比,授粉后 !!"# $子粒
鲜重、干重积累和收获期粒重的增加量,只有子粒鲜
重 %&’##(与 %&’& 的差异显著。从各灌浆阶段来看,
增施磷肥主要提高了子粒灌浆前、中期的鲜重和干
重积累,%&’##(与 %&’& 授粉后 !!!"、!(!#) $的鲜
重、干重积累差异显著。
表 ! 不同施肥水平下收获期植株的氮、磷含量(" # $")
%&’() ! %*) +,-(.),/)0 1- 2*) -)32+(+4&2+1, 1, 5 &,6 7 /1,2),20 1- 8(&,2 &2 *&39)02 02&")
处理
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茎秆
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表 : 不同施肥水平下玉米子粒的灌浆积累(;" # "3&+,)
%&’() : %*) +,-(.),/)0 1- 2*) -)32+(+4&2+1, 1, 2*) ;+($+," 1- ;&+4) 0))6
处理
*+,-. B
授粉后天数 C-D9 -5.,+ 6E2270-.7E0($) 收获时
粒重
F+-70 G.B
-. H-+I,9.
!!!" !(!#) #鲜重
J+,9H G.B
干重
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< 小结与讨论
!)增施氮、磷肥能够显著提高玉米的子粒产量
和水分利用效率,其效果表现为 #&&:年大于欠水年
份 #&&#年,这与张福锁等[!?]关于氮肥施用量已在
很大程度上决定了玉米子粒产量高低的结果相近。
增施氮、磷肥能增加子粒粗蛋白的含量,这也与 L+-M
/-+,I["]、李建奇[!!]等研究的结果相同。增施氮、磷
肥对子粒粗脂肪、赖氨酸含量和子粒容重的增加具
有积极作用,但降低了粗淀粉的含量。这可能是由
于增施磷、氮肥,特别是增施氮肥,能够促进根系下
扎,提高 "&—!&& K/土层根量占 &—!&& K/总根量
的比例,有利于玉米植株对深层水分、养分的吸收、
利用,在一定程度上可缓解干旱对玉米的胁迫伤害,
实现“以水调肥”的目的。施肥玉米的植株发育好,
生物量大,郁闭度高,田间散失水分量减少,从而提
高玉米的水分利用效率。本试验还表明,增施氮、磷
肥均能增加 &—!&& K/土层的根量,但在 &—"& K/
土层磷肥效果优于氮肥,"&—!&& K/土层氮肥效果
好于磷肥,表明氮、磷配合施肥对玉米非常重要。这
与孙志强等[!<]在小麦上关于氮肥促进 &—"& K/土
层根量,磷促进深层土壤根量增加的结论有所不同。
#)增施氮、磷肥,能够增加土壤中碱解氮、速效
磷的供应浓度,促进根系的生长发育,有利于植株对
养分的吸收、转化及向穗轴、子粒的输送,促进灌浆
中后期子粒氮素、磷素积累[!<];并使不同时期子粒
鲜重、干重的积累和收获期粒重显著增加,有利于增
加粒重,改善子粒品质。本研究结果也看出,增施氮
肥能极显著提高整个灌浆期子粒干重的积累量,但
增施磷肥仅能增加 &!#) $内子粒干重的积累,对
灌浆后期 #)!"# $内子粒干重的影响不显著。
:)有报道认为,增施氮、磷肥,特别是施用氮肥,
能够增大玉米的叶面积系数,延长叶片的功能期,保
持花后有更大的叶面积持续期和光合势,有利于干
物质的生产。施氮量的增加促进了花丝期前后植株
各部分氮和干物质的累积,提高了子粒的灌浆速率,
最大灌浆速率出现日期提前;土壤肥力的提高增强
了子粒的灌浆强度,推迟灌浆高峰期的出现,延长有
效灌浆时间,明显地促进了灌浆中后期子粒氮素、磷
素及同化物的积累,从而提高粒重和玉米产量,有利
>"&! 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 !"卷
于子粒品质的形成和蛋白质含量的提高[!"]。本试
验 !""!年施氮处理的子粒容重与不施氮处理的容
重差异不显著,主要是由于玉米遭受冰雹袭击,致使
玉米叶片受损害,“叶”源受到影响,向子粒输送的同
化物供应不足,使粒重降低。
参 考 文 献:
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