控失肥与普通化肥对夏玉米养分积累与生长发育的影响

蒋　迁,李　磊,张凤路,袁柳柳,王聚辉,吴瑞娟

(河北农业大学 农学院,河北 保定　071001)



控失肥与普通化肥对夏玉米养分积累与生长发育的影响

蒋迁,李磊,张凤路,袁柳柳,王聚辉,吴瑞娟

(河北农业大学 农学院,河北 保定071001)

为了比较研究控失肥和普通化肥对夏玉米养分累积与生长发育的影响,于2014-2015年在河北农业大学辛集试验站进行了大田试验。采用玉米杂交种郑单958为试材,测定了不同时期玉米形态和生理性状及其养分吸收效率。结果表明:在施入相同养分含量(N 144 kg/hm2,P2O572 kg/hm2,K2O 72 kg/hm2)的控失肥和普通肥料后,玉米生长发育、干物质积累和营养元素累积量均发生了显著的变化,控失肥处理玉米产量显著高于普通肥料。与普通肥料相比,控失肥可提高玉米千粒质量、干物质和产量分别为12.3%,12.8%和6.9%;控失肥处理的器官营养元素含量高于对照肥料。 控失肥处理提高了玉米灌浆期叶面积指数和光合强度。同时,控失肥处理增加了基部茎秆粗度和抗穿刺强度,抗倒伏性大为提高。控失肥作为一种新型肥料将对提高玉米产量、提高施肥效益和保护资源环境起到重要作用。

玉米;控失肥;养分累积;生长发育;产量;养分吸收效率

我国是世界上最大的化肥生产国和消费国,施用化肥可使农作物增产40%～60%[1]。我国肥料利用率较低,这不仅直接引起经济损失,而且因施肥不当引起环境污染[2]。前人研究表明,干物质积累量与产量呈正相关关系[3-4],高生物量是高产的物质基础,因此,增强玉米生育期内干物质的积累能力是提高籽粒产量的有效途径[5]。而施肥技术直接影响着植株干物质积累与分配,进而影响产量[6-8]。玉米对氮素吸收量最多,钾次之,磷最少[9-10];随着玉米产量的提高,氮、磷、钾的吸收量增加[11]。拔节至吐丝期是养分吸收的关键阶段,养分吸收速率高、积累量大,吐丝后植株仍能吸收较多的氮、磷[12-13]。本试验以我国首家通过环保生态肥料认证的“六国网”控失肥为试材,在大田条件下比较研究控失肥与普通化肥对玉米的产量形成与养分累积动态,对探明该新型肥料的增产、增效机理,提高玉米产量、保障粮食安全和减少面源污染具有重要意义。

1　材料和方法

1.1试验材料

田间试验于2014-2015年在河北农业大学教学科研基地辛集试验站进行。供试品种为郑单958。土壤为壤土,土壤各肥力指标:0～20 cm土层有机质含量为14.79 g/kg,全N含量为1.2 g/kg,碱解氮含量为82.7 mg/kg,速效钾含量为109.8 mg/kg,速效磷含量为30.7 mg/kg。大田玉米采用单粒精量播种机于6月14日播种。行距60 cm,种植密度7.5万株/hm2。10月5日收获。

1.2试验设计

采用三因素随机区组设计,小区面积5 m×20 m。处理1为安徽铜陵六国化工生产的控失复合肥(FC)48%(24-12-12),施用量为600 kg/hm2,即：N 144 kg/hm2,P2O572 kg/hm2,K2O 72 kg/hm2。在播种时一次施用;处理2为普通施肥区(FN),采用尿素、磷酸二铵和氯化钾肥料混合肥,调整为和处理1相同的氮、磷和钾养分含量,但全部磷、钾肥和40% N肥在播种时施用,剩余的60%的N肥在玉米大喇叭口期施用;处理3为不施肥对照(CK)。3次重复。除施肥外,其他灌水、植保和收获管理一致。

1.3测定项目与方法

分别于拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)、腊熟期(R5)和完熟期(R6)取样,取样时每小区取有代表性的植株3株,完熟期取6株。将地上部按照叶片(含苞叶)、茎秆(含雄穗、叶鞘、穗轴和地下茎)、籽粒分开,105 ℃杀青30 min,之后在80 ℃烘至恒重,测定地上部干物质积累量。

根系取样采用田间挖掘法。取长60 cm(垂直于行向,以植株为中心)×宽20 cm(沿行向,以植株为中心)的面积,取样深度150 cm。土壤挖出后装入网袋,在水池冲洗根系,剔除杂质后置于80 ℃烘箱中烘至恒重,测定根系干质量。

养分含量测定:在成熟期对称重后的各器官粉碎,以H2SO4-H2O2消煮后用BRAN+LUEBBE 3型连续流动分析仪测定全氮、全磷含量,用FP6410型火焰光度计测定全钾含量。

按照下列公式计算氮磷钾养分吸收利用效率[8,14]:

氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)= 植株地上部氮素累积量/施氮量;

氮素(或磷钾)吸收指数(HI)=玉米籽粒吸N(P2O5或K2O)量/玉米地上部植株总吸N(P2O5或K2O)量×100%;

氮肥(磷钾肥)偏生产力(PFP,kg/kg)=籽粒产量(kg/hm2)/施N(P2O5或K2O)量(kg/hm2)。

叶面积测定:采用定株观测,记载连续5株玉米的叶面积。单叶面积的测量采用系数法:叶面积=长度×宽度×0.75(未展开叶片校正系数为0.5)。

叶片光合强度:采用CID-340光合测定系统进行。

茎秆穿刺强度:每个小区选取3株具有代表性的植株,剥去叶和鞘,用YYD-1型茎秆强度测定仪将一横截面积为0.01 cm2探测头沿茎秆中部垂直缓慢匀速插入,读取穿刺茎秆表皮的最大值。

小区产量和果穗性状考种:在预留的测产区进行测产,将区域内全部果穗收获、脱粒并晒干至籽粒含水量14%时,测定籽粒的产量。并取连续15～20穗玉米进行果穗性状考察,获得穗行数、行粒数、千粒质量等指标。

1.4数据处理

2年间试验结果有类似的结果,本研究以分析2015年数据为主。数据均采用Microsoft Excel(2003版)和SAS软件(SAS Institute,2009)进行方差统计分析,利用邓肯多重比较进行差异显著性分析。

2　结果与分析

2.1夏玉米产量及其构成因子

比较了不同处理玉米产量及其构成要素情况,由表1可见,控失肥处理玉米穗行数不及对照肥料,其穗粒数为578.9,比常规施肥低3%,但比对照高6.7%;千粒质量以控失肥处理最高,为374.7 g,分别比不施肥空白和对照肥料增加14.7%和12.3%。因此,控失肥处理的玉米产量达到14.0 t/hm2,分别比不施肥和常规施肥增产30.8%和6.9%。

表1　不同肥料处理玉米产量及其构成要素

注:CK.对照,FN.常规肥料,FC.控失肥;同列数据后不同小写字母表示肥料间差异达5%显著水平。表2-3,图3-5同。

Note:CK.Contrast,FN.Normal fertilizer,FC.Loss control fertilize;Values followed by different letters in a column are significant difference at 5% level.The same as Tab.2-3,Fig.3-5.

2.2不同施肥处理的干物质积累

表2列出了不同施肥处理植株在不同生育时期干物质积累情况。在拔节期施肥处理的茎秆干物质积累量显著高于空白处理,但不同肥料处理间无显著差异。控失肥处理玉米茎秆质量在乳熟期达到最高,之后逐渐降低。对照肥和空白处理的茎秆在蜡熟期达到高峰,之后降低,但均显著低于控失肥处理。对叶片质量而言,在大喇叭口期之前不同施肥处理均大于不施肥空白对照,但施肥处理间差异不显著。施肥处理叶片质量在乳熟期达到高峰,之后降低,但控失肥处理自乳熟期至蜡熟期一直显著高于其他处理,在完熟期处理间叶片质量无显著差异。

在乳熟期控失肥处理籽粒质量低于对照肥料,但之后快速增重,在蜡熟期达到144.8 g,显著高于其他处理,在完熟期控失肥处理比空白和常规肥籽粒质量分别提高23.4%和11.1%。从不同处理玉米的收获指数看,变动在52%～54%，未达显著差异。从根系质量看,各处理均在乳熟期达到最大,且控失肥处理一直高于其他处理。在完熟期控失肥处理比空白和常规肥根重分别提高33.4%和60.3%，控失肥的整株干物质量比对照肥料处理增加12.8%。

表2　不同生育时期干物质积累

注:V6.拔节期;V12.大喇叭口期;R1.吐丝期;R3.乳熟期;R5.蜡熟期;R6.完熟期。图2同。

Note:V6.Jointing stage;V12.Large bell shaped stage;R1.Silking stage；R3.Milk stage;R5.Dough stage;R6.Full ripe stage.The same as Fig.2.

2.3不同施肥处理养分积累

图1 显示了不同施肥处理氮磷钾在不同器官的累积情况。氮素累积在茎秆和叶片中有类似的变化规律,呈单峰曲线变化,但在茎秆中峰值出现在吐丝期,而在叶片中则出现在乳熟期,且累积量表现为控失肥>常规肥>空白。氮素在籽粒中均呈增高趋势,控失肥和常规肥之间差异不明显,但各时期空白处理籽粒的氮素累积量均低于施肥处理。在根系中施肥处理的峰值出现在吐丝期,之后逐渐降低,而空白处理峰值出现在乳熟期。在后期控失肥处理根系的氮累积量低于空白和常规肥处理。

磷素的累积量在茎秆和叶片中呈相似的单峰曲线变化,峰值均出现在乳熟期。在籽粒中磷素含量呈相似的快速升高趋势,各处理间差异不明显。在根系中,磷素峰值出现在乳熟期,但控失肥处理根中磷素含量快速降低,与其他处理间差异明显。

在茎秆和叶片中钾素的累积量较多,均在乳熟期达到峰值,之后降低。钾素累积量表现为控失肥>常规肥>空白。在籽粒中均呈增高趋势,控失肥和常规肥之间差异不明显。在根系中控失肥处理在吐丝期钾含量达到峰值,之后降低,而常规施肥和空白处理峰值出现在乳熟期。

控失肥、常规肥和空白处理植株的总氮素累积量分别为3.94,3.54,3.06 g;总磷素累积量分别为1.58,1.51,1.38 g;总钾素累积量分别为3.41,3.24,2.91 g。因此,植株对三要素的吸收量表现为N>K>P。

图1　不同生育阶段N、P和K的积累量

2.4氮、磷、钾养分利用效率

比较了不同肥料处理养分利用效率(表3),不同肥料对氮钾的吸收效率相对较高,而对磷的吸收相对较低;控失肥氮磷钾养分吸收效率显著高于对照常规肥料。从养分收获指数看,对氮磷的养分收获指数较高,平均在56.1%;对钾的收获指数较低,平均在30.6%,不同处理间收获指数差异未达显著水平。从肥料的偏生产力看,氮肥和磷钾肥的偏生产力均值分别为19.3,38.6 kg/kg,控失肥的偏生产力平均比常规施肥高39%。

2.5玉米叶面积及光合性能

2.5.1不同肥料处理的叶面积情况比较了不同肥料处理下植株叶面积的变化情况,由图2可见，不同处理叶面积有着相同的变化趋势,随着生育进程叶面积逐渐增大,在乳熟期前后达到峰值,之后逐渐下降。不同肥料处理在吐丝前差异不明显。控失肥处理在乳熟期后仍保持较高绿叶面积,而普通肥料和空白处理则下降趋势明显。在完熟期控失肥处理叶面积分别比对照和普通肥料处理高35%,19%。控失肥在后期的叶面积系数(LAI)仍高达6.1,而普通肥料和空白处理分别为5.1,4.5。控失肥处理较大的光合势为干物质生产奠定基础。

注:UPE.吸收效率;HI.收获指数;PFP.偏生产力。

Note:UPE.Uptake efficiency;HI.Harvest index;PFP.Partial factor productivity.

图2　植株叶面积变化

2.5.2不同肥料处理的叶片光合强度变化比较了不同处理玉米穗位叶的光合速率(Pn)变化(图3)。在乳熟期控失肥处理的Pn为31.6 μmol/(m2·s),普通肥料和空白处理的相应值为29.1,28.0 μmol/(m2·s),但处理间差异未达显著水平。在蜡熟期各处理光合速率显著降低,控失肥处理Pn为17.2 μmol/(m2·s),普通肥料和空白处理的相应值为13.6,9.3 μmol/(m2·s),处理间差异达到显著水平。说明控失肥处理穗位叶仍保持了较高的光合能力,为籽粒灌浆增重打下基础。

图3　穗位叶片光合速率变化

2.6玉米的茎秆粗度与抗倒伏性能

2.6.1玉米的茎秆粗度图4显示了不同处理玉米茎秆基部1-6节节间粗度在乳熟期和完熟期的变化情况,由图4可见,完熟期茎秆粗度均有不同程度降低,可能与物质的调运和含水量的变化有关。在乳熟期控失肥处理茎秆粗度在2.36 cm,高于普通肥料的2.28 cm,但差异未达显著水平。与空白处理相比施肥的茎粗显著大于空白处理(2.08 cm)。在完熟期,控失肥茎粗为2.3 cm显著高于普通肥料的2.00 m和空白处理的1.89 cm。普通肥料与空白处理的茎粗无显著差异,且后期茎粗的缩减带来严重的倒伏风险。

图4　茎秆粗度变化

2.6.2玉米茎秆的抗穿刺力比较了乳熟期不同处理玉米基部2-5节的抗穿刺能力,由图5可见，控失肥的茎秆抗穿刺能力较强,抗折力为135 N,显著高于普通肥料处理的109 N,空白处理茎秆抗穿刺力较弱，为95.7 N。

图5　玉米茎秆的抗穿刺力

3　讨论

早在 20 世纪 60年代,美国、日本等发达国家已开始研制并推出缓控释肥料产品,明显地提高了肥料利用率[15-20]。控失肥是国内新一代缓控释肥的更新换代产品,是一种新的肥料品类。其针对化肥施用中养分迁移问题,原理为固定养分、控制流失,其中控失剂是其关键因素。控失剂是通过对天然矿物材料用高能离子束进行辐射改性,并与多种辅配材料精准配制而成的高科技产品。其遇水后自组织成微纳互穿网络,“网捕”并固定住化肥养分,减少其在土壤中的渗漏、径流和挥发,达到控制化肥养分损失的目的。从本试验看,采用600 kg/hm2控失肥一次基施,可比相同养分的常规肥料增产6.9%,具有广泛的应用价值。

从玉米对氮、磷、钾元素的吸收量看，以氮钾较多、磷素较低,这与前人结果一致[9]。与常规肥料相比,控失肥的供肥能力持久且流失少,因此表现出较好的增产效果。在根系中控失肥处理其氮磷钾的峰值出现早,之后快速降低,可能与向籽粒转移有关。从本试验结果看,植株对氮磷钾养分的吸收效率均是控失肥大于常规肥料。营养元素的收获指数在不同肥料处理中未达显著差异,说明植株对营养向籽粒的分配有其固有规律。钾素在秸秆中占的比例较高,秸秆还田是补充土壤有机质和钾素的重要途径。控失肥的偏生产力平均比常规施肥高39%,增产效果十分显著。

在玉米品种更替过程中,产量的提高是生物量和收获指数协同提高的结果[21-22]。从本试验结果看，玉米的收获指数变动在52%～54%,不同肥料处理间未达显著差异。因此,生物量的提高是高产的重要前提。茎秆、叶和根系的干物质积累与分配是玉米籽粒产量形成的重要因素[23]。

叶片作为光合源对干物质累积起着至关重要的作用[21],本试验中控失肥从吐丝期开始到完熟期一直保持了相对较高的光合势,这与其充足而持久的营养供应有关,延缓了叶片衰老进程。控失肥处理在吐丝至完熟阶段穗位叶仍保持了较高的光合能力,为籽粒灌浆增重打下基础。因此,控失肥处理较高的千粒质量是其高产的重要原因。玉米茎秆作为光合支持系统和光合产物暂存场所,其对吐丝后物质生产和运输起着重要作用[24]。从本试验看,玉米茎秆有逐渐增粗又缓慢变细的过程,但控失肥处理茎秆直径一直高于其他处理,且完熟期茎秆直径显著大于普通肥料处理,这为后期粒重增加和抗倒伏提供保障。控失肥处理根系干物质分配比例高于常规肥料,这对后期根系活力具有重要意义,前人研究也证实保持生育后期根系活力高，利于吸收土壤中较多的水分和养分而获得高产[25]。

由于本试验是在高产栽培条件下进行的,土壤的基础地力较高,使得施肥的效果受到一定影响,但对供肥形式不同的2种肥料而言,通过比较矿质养分吸收、玉米干物质生产与分配、叶片光合性能和根系与茎秆支持抗倒伏功能来研究网状控失肥的增产作用和内在机理是适当的。研究结果对普及网状控失肥应用、提高作物产量和减少农业污染具有重要意义。

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Effects of Loss Control and Conventional Fertilizer on Nutrient Accumulation and Growth and Development of Summer Maize

JIANG Qian,LI Lei,ZHANG Fenglu,YUAN Liuliu,WANG Juhui,WU Ruijuan

(College of Agronomy,Agricultural University of Hebei,Baoding071001,China)

In order to study the effects of loss control and ordinary fertilizers on nutrient accumulation and growth and development of summer maize,field experiments were conducted at the Xinji experimental station of Agricultural University of Hebei during 2014-2015.Maize morphology and physiology characters and nutrient uptake efficiency were studied using maize hybrid Zhengdan 958 as material.The results showed that with the same nutrient amount (N 144 kg/ha,P2O572 kg/ha,K2O 72 kg/ha) of loss control and ordinary fertilizer applied,there were significant changes on maize growth and development,dry matter accumulation and nutrient accumulation,and the effects of loss control fertilizer treatment were significantly better than those of ordinary fertilizer.Compared with ordinary fertilizer,the 1 000 grains weight,dry matter and yield of maize of loss control fertilizer could be increased by 12.3%,12.8% and 6.9%,respectively.The content of nutrient elements in organs of loss control fertilizer treatment was higher than that of the ordinary fertilizer.Maize leaf area index and photosynthetic rate at kernel filling stage were enhanced by loss control fertilizer treatment.Stalk thickness and puncture resistance of basal internodes of loss control fertilizer treatment maize were also enhanced,so the lodging resistance ability was increased.As a new type of fertilizer,loss control fertilizer would play an important role in improving the yield of maize,increasing the efficiency of fertilization and protecting the environment.

Maize;Loss control fertilizer;Nutrient accumulation;Growth and development;Yield;Nutrient uptake efficiency

2016-06-14

安徽铜陵六国化工资助项目(2015);河北省自然科学基金项目(C2013204002)

蒋迁(1982-),女,河北满城人,硕士,主要从事作物栽培研究。

张凤路(1965-),男,河北临城人,教授,博士,主要从事作物生理研究。

S143;S 513.01

A

1000-7091(2016)04-0199-07

10.7668/hbnxb.2016.04.031