杂交种、气候变异性和耕作方式对东南欧罗马尼亚喷灌条件下玉米籽粒品质的影响

《Agronomy》：Hybrid, Climatic Variability, and Tillage Effects on Maize Grain Quality Under Sprinkler Irrigation in South-Eastern Romania

　　

本研究评估了2023-2025年期间东南欧罗马尼亚喷灌条件下杂交种、气候变异性和耕作系统对玉米籽粒品质和抗氧化成分的影响。研究了三个玉米杂交种（P0900、P0937和P1441）和三种耕作系统（常规、最小和保护性耕作）的田间表现。籽粒品质通过容重、蛋白质、淀粉和水分含量评估，而抗氧化成分通过生育酚（tocopherols）和β-胡萝卜素（β-carotene）评估。杂交种是影响籽粒品质和抗氧化成分的主要因素。P0900记录了最高的容重（74.13 kg hL^?1），P1441显示出最高的蛋白质含量（9.14% DM）、α-生育酚（α-tocopherol）浓度（9.18 μg g^?1 DW）和β-胡萝卜素含量（4.41 μg g^?1 DW），而P0937表现出最高的淀粉含量（74.39% DM）。观察到蛋白质和淀粉积累之间的强烈负相关关系（r = ?0.84, p < 0.01）。气候变异性显著影响籽粒品质，从2024年到2025年，蛋白质含量增加了28.9%，籽粒水分增加了7.1%，容重增加了1.9%，而淀粉含量下降了1.6%。耕作系统的影响相对较小，减少土壤干扰增加了蛋白质和水分含量，同时略微降低了淀粉浓度。这些发现强调了在灌溉条件下杂交种选择在决定玉米籽粒品质和抗氧化成分中的主导作用。

玉米是全球粮食、饲料和 agro-industrial 系统中的核心作物，种植面积约2.1亿公顷，年产量超12亿吨。然而，气候变化导致的热应激事件频发，尤其在生殖和灌浆阶段，对玉米产量和品质构成严重威胁。尽管灌溉能缓解水分亏缺，但无法消除高温对生理过程的限制，现有研究多聚焦于产量响应，而对籽粒品质（如蛋白质、淀粉、抗氧化成分）的综合评估不足。此外，耕作方式（如传统耕翻、最小耕翻和免耕）可能通过改变土壤结构、水分和养分动态来影响作物对热应激的响应，但在灌溉条件下，耕作、杂交种与年际气候变异性对品质的联合效应尚缺乏田间尺度的系统研究。为此，研究人员在东南欧罗马尼亚的喷灌条件下，开展了为期三年的田间试验，旨在评估杂交种、耕作系统和年际气候变异性对玉米籽粒品质及抗氧化成分的影响，并基于热应激指标（>30°C、>35°C、>40°C的天数）量化热胁迫与品质性状的关系，为气候适应性管理提供依据。该论文发表在《Agronomy》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：田间试验设计（2023-2025年，罗马尼亚Buz?u County G?lbina?i，45°05′32.88″ N, 26°57′10.99″ E，海拔74 m，土壤为石灰性黑钙土），采用随机完全区组设计，3个重复，3×3因子组合（3种耕作系统：常规耕翻CT、最小耕翻MT、免耕NT；3个杂交种：P1441、P0937、P0900，来自PIONEER/Corteva Agriscience），每个处理小区约1公顷。喷灌采用中心支轴系统，均匀灌溉，每季6次，总灌溉量约4800 m3 ha?1。气候数据来自田间气象站，计算6-8月累积热应激指标（Tmax >30、35、40°C的天数）。籽粒品质分析：容重（hectoliter weight）用标准容量天平测定；蛋白质和淀粉含量用近红外反射光谱法（NIR）测定，结果以干物质（DM）为基准；生育酚（α-, β-, γ-, δ-）和β-胡萝卜素分别用高效液相色谱法（HPLC）和超高效液相色谱法（UHPLC）测定，结果以干重（DW）为基准。统计方法：线性混合效应模型（LMM），固定效应为耕作、杂交种、年份及交互作用，随机效应为重复；热应激指标作为协变量引入；事后多重比较采用Tukey HSD检验（p ≤ 0.05）；相关性采用Pearson相关系数。

**3.1. 灌浆期热条件**：通过比较2023-2025年6-8月气候数据，发现平均气温（22.27°C vs 26.67°C）显著高于长期正常值（t=?12.10, p<0.01），且Tmax>30°C、>35°C和>40°C的天数逐年变化显著，其中2024和2025年Tmax>35°C天数显著高于2023年（p=0.03和0.02），表明后期生长季节热应激强度增加，但极端高温（>40°C）年份间无显著差异。

**3.2. 耕作系统对玉米籽粒品质的影响**：通过LMM分析，耕作系统对容重无显著影响（F=0.08, p=0.92），但显著影响蛋白质、淀粉和水分含量。NT下蛋白质含量最高（8.90%），其次为CT（8.58%），MT最低（8.31%）；淀粉含量CT最高（74.17%），NT最低（73.65%）；水分含量NT最高（12.70%），CT最低（12.32%）。表明减少土壤干扰可提高蛋白质和水分，但略微降低淀粉。

**3.3. 杂交种对籽粒品质性状的影响**：通过LMM分析，杂交种显著影响所有品质参数（容重F=114.61, p<0.01；蛋白质F=115.24, p<0.01；淀粉F=45.89, p<0.01）。P0900容重最高（74.13 kg hL?1），P1441蛋白质含量最高（9.14% DM），P0937淀粉含量最高（74.39% DM）。杂交种对水分无显著影响。

**3.4. 耕作、杂交种和年份的LMM分析**：年份对容重、水分、蛋白质和淀粉均有极显著影响（F值分别为254.49、222.30、684.47、85.02, p<0.01），为最强变异源。蛋白质含量从2024到2025年增加28.9%，淀粉下降1.6%，容重和水分分别增加1.9%和7.1%。耕作与杂交种对容重有显著交互作用（F=3.14, p=0.02），但对其他品质无交互。杂交种效应一致强于耕作效应。

**3.5. 热条件与籽粒品质的关系**：Pearson相关分析显示，蛋白质与降水正相关（r=0.84, p<0.01），与淀粉强负相关（r=?0.84, p<0.01）；容重与蛋白质正相关（r=0.82, p<0.01），与淀粉负相关（r=?0.79, p<0.01）；水分与平均温度（r=0.73, p<0.01）和Tmax>35°C天数（r=0.65, p<0.01）正相关。热应激指标间高度共线性（r=0.89-0.99），但累积热指标与多数品质性状的直接相关性较弱，表明年份效应反映整体气候变异性而非单纯温度。

**3.6. 玉米抗氧化成分的决定因素**：耕作系统对生育酚和β-胡萝卜素无显著影响。杂交种显著影响所有抗氧化成分，P1441的β-胡萝卜素（4.41 μg g?1 DW）、α-生育酚（9.18 μg g?1 DW）和δ-生育酚（1.52 μg g?1 DW）最高；P0937的γ-生育酚显著低于其他。年份对α-生育酚和γ-生育酚有显著影响（2025年最高），但对β-胡萝卜素、β-和δ-生育酚无影响。相关性分析显示β-胡萝卜素与δ-生育酚高度正相关（r=0.973, p<0.001），γ-生育酚与β-生育酚负相关（r=?0.506, p<0.01）。

**讨论部分**：研究确认杂交种选择是决定籽粒品质和抗氧化成分的主导因素，气候变异性（年份效应）次之，耕作系统影响相对较小。热应激指标与品质的弱相关提示热胁迫的时机比累积量更重要。蛋白质-淀粉的负相关反映了籽粒中同化物分配的权衡，受遗传和环境的共同调控。免耕系统下蛋白质和水分升高，可能与土壤保水性和氮素动态改善有关，但未直接测量生理过程。研究局限性包括未直接评估土壤氮素和植物氮吸收，以及年份效应不能仅归因于温度。结论强调，在灌溉条件下，杂交种P1441适合追求高蛋白和抗氧化营养，P0937适合高淀粉，P0900适合高容重；免耕虽影响较小，但需注意收获时水分偏高。综合杂交种选择与保护性耕作是维持气候变异性下玉米品质的有效策略。