北疆滴灌玉米施氮量估算及减氮增铵效应

夏文豪，刘涛，唐诚，王进，褚贵新

（1.石河子大学农学院，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点试验室，新疆石河子832003；2.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子832003）

北疆滴灌玉米施氮量估算及减氮增铵效应

夏文豪1，刘涛1，唐诚1，王进2，褚贵新1

（1.石河子大学农学院，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点试验室，新疆石河子832003；2.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子832003）

根据产量与施氮量函数模型计算滴灌玉米施氮量，并通过减氮增铵改善滴灌玉米氮素营养，探索滴灌水氮一体化下优化施氮策略。2013—2014年两年田间试验表明：玉米产量、干物质量及氮素吸收量均随施氮量的增加显著升高，当施氮量大于435 kg·hm－2时，则呈下降趋势，表现为N435＞N540＞N330＞N225＞N0；减氮增铵处理的上述指标表现为N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0，当施氮量在330～435 kg·hm－2时，不同处理的玉米氮素吸收量与氮素收获指数差异均不显著，说明在此范围内减氮增铵对玉米干物质积累、玉米氮素营养及产量无负面影响；根据产量与施氮量间函数关系可得天山北坡滴灌玉米经济最佳产量17 049 kg·hm－2下的施氮量为402.5 kg·hm－2；施氮和增铵处理可显著增加玉米穗粒数、单穗重；氮肥偏生产力和氮肥利用率均随施氮量增加而下降，氮肥利用率表现为N225（46.6%）＞N330（45.8%）＞N435（43.6%）＞N540（34.6%）；滴灌玉米氮肥偏生产力和氮肥利用率均以75% N375＋CP处理最高，分别比施氮量在330～435 kg·hm－2之间其他处理的平均值增加了31.4%、27.9%和5.8%、6.4%，说明减氮增铵可显著提高滴灌玉米氮素养分利用效率；天山北坡滴灌玉米优化施氮量为402.5 kg·hm－2，通过施用硝化抑制剂与尿素水氮一体化分次施入可实现减氮93.8 kg·hm－2，并显著提高氮肥利用率。

水氮一体化；施氮量；增铵营养；氮肥利用率；滴灌玉米

作为最普遍应用的农业化学品，氮肥在改善作物产量与品质方面发挥重要作用［1］。然而，近年来氮肥过量施用也是不争事实。过量施氮不仅大大增加了生产投入，降低了肥料利用效率，同时也带来了一系列环境问题［2－3］。据FAO统计数据，到2013年中国已经成为全球化肥消费排名第一的国家。其中氮肥用量已经占全世界氮肥用量的35%以上［4］，这已引起各界深切关注。2015年初农业部制订了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》将在全国范围内启动实施化肥、农药使用量零增长行动，中国农业“减肥”势在必行［5］。

滴灌水氮一体化施肥技术可使作物水分利用率和氮肥利用率由传统灌溉施肥条件下的1.1 kg·m－3和30%～35%分别提高到1.3～1.65 kg·m－3和47.8%～53.2%［6－8］。虽然滴灌显著提高了氮肥利用率，但近20年以来滴灌施肥量并未因氮肥利用率的升高而减少。如19世纪80年代玉米在传统淹灌条件下施氮量为141.4 kg·hm－2，到了90年代施氮量为192.1 kg·hm－2，而到了21世纪大部分滴灌条件下的施氮量高达238.2 kg·hm－2［9］。赵靓［10］研究确定了北疆石河子垦区滴灌高产玉米适宜施氮量为300～375 kg·hm－2，明显高于国际上普遍认为的化肥警戒上限225 kg·hm－2［11］。增铵营养有利于维持土壤较高的铵态氮，改善作物氮素营养和提高氮肥吸收利用效率［12－13］。Gentry［14］、Heberer［15］和Schroder［16］等研究表明，在整个生长期内维持EAN（增铵营养）比单一NO3－营养可提高玉米籽粒产量10%～11%。田秀英和王正银［17］研究发现，尿素全量配施氮肥增效剂，能显著提高氮素的农学效率和氮素利用率。利用氮肥增效剂与减量尿素配施可视为促进作物高产与节肥增效的施肥策略。

玉米作为我国第一大粮食作物［18］，其高产潜力挖掘可为我国保障粮食安全、饲料安全等方面发挥重要作用。本研究在新疆北部绿洲干旱区高密度栽培条件下（≥105 000株·hm－2），于2013—2014年进行了两年的田间试验，研究了水氮一体化条件对玉米干物质积累、氮素吸收及产量的影响，并在此基础上通过减氮增铵（减施氮肥同时配施硝化抑制剂／CP）优化滴灌玉米施氮策略，达到滴灌玉米高产稳产和兼顾提高玉米养分利用效率的目的，为新疆滴灌玉米优化施氮策略提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013—2014年在新疆沙湾县乌兰乌苏气象站进行（44°17′N，85°51′E），平均海拔450m，年降雨量约为187.7 mm。试验区土壤类型为灌溉灰漠土（Calcaric Fluvisal），质地为壤土，耕层（0～20 cm）土壤pH 8.52，有机质18.73 g·kg－1，全氮0.96 g·kg－1，速效磷23.87mg·kg－1，速效钾340.95 mg·kg－1。供试作物为玉米，品种为春玉米“良玉66号”。

1.2 田间试验设计

（1）采用滴灌小区试验，2013年试验设计5个氮肥（N）用量水平，分别为N0（0 kg·hm－2）、N225（225 kg·hm－2）、N330（330 kg·hm－2）、N435（435 kg·hm－2）、N540（540 kg·hm－2），共5个处理，3次重复，田间随机区组排列。供试氮肥为尿素（含N质量分数46.6%），磷肥为磷酸一铵（含N质量分数12%；含P2O5质量分数61%），钾肥为硫酸钾（含K2O质量分数51%）。

4月27—28日播种，5月5—6日出苗。40＋80 cm宽窄行覆膜种植，膜宽70 cm，膜间距60 cm，株距14.5 cm，1膜2行，铺设1条滴灌带，种植密度为114 945株·hm－2。每小区4膜，小区面积38.4 m2（4.8m×8.0m）。灌水量为6 750m3·hm－2，磷肥用量为P2O590 kg·hm－2，钾肥用量为K2O 90 kg·hm－2，氮肥、磷肥和钾肥全部作追肥随水滴施，生育期内滴水10次，施肥8次，各生育期田间管理措施等同当地大田。玉米不同生育期具体滴水施肥分配比例如表1所示。

表1 滴灌玉米不同生育时期水肥分配比例Table 1 Proportion ofwater and urea distribution during differentmaize growth stages

（2）2014年的滴灌小区试验设置：N0（CK）、N375（当地滴灌高产玉米常规施氮量）、75%N375＋CP（减氮增铵处理，即减少（375×25%）kg·hm－2纯氮，同时加入硝化抑制剂）、N375＋CP。CP即硝化抑制剂，是氯甲基吡啶乳油（Nitrapyrin，2－氯－6－（三氯甲基）吡啶有效含量为24%），由浙江奥复托公司提供。氯甲基吡啶用量为纯氮用量的1%。各处理重复3次，随机区组排列。灌水量为6 750 m3·hm－2，磷肥用量为P2O590 kg·hm－2，钾肥用量为K2O 90 kg·hm－2。滴水施肥方案和大田管理措施等同于2013年试验设计。4月25日播种，10月2日收获。

1.3 样品采集与测定

分别在玉米拔节期、抽雄吐丝期、籽粒形成期、乳熟期、成熟期滴水施肥前取植株样，每小区取3株，测定植株干物质重（105℃杀青30min，再以75℃烘至恒重，称干重），将以上植株干物质样品粉碎后用H2SO4－H2O2消解，用海能K9840半自动凯氏定氮仪测定玉米植株全氮含量。在成熟期取样进行考种，并实收测定小区产量。

1.4 计算方法

1.5 数据分析

数据的统计分析和绘图运用Excel 2013、SPSS 20.0。采用单因素方差分析法（one－way ANOVA）及LSD多重比较法分析处理间差异显著性，均用观测值进行变量相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理玉米干物质积累动态变化

由图1可知，2013年玉米干物质随氮素水平增高而增加，各施氮处理间差异随生育期不断增大，其中以N435处理干物质积累量最大，继续增大氮肥施用量反而不利于干物质积累。在灌浆期（DAE 80 d）各施氮处理干物质积累量较对照分别提高了17.6%（225 kg·hm－2）、29.6%（330 kg·hm－2）、55.0%（435 kg·hm－2）、44.3%（540 kg·hm－2）。成熟期（DAE 129 d）各施氮处理干物质积累量分别比对照提高了19.9%（225 kg·hm－2）、35.8%（330 kg·hm－2）、51.2%（435 kg·hm－2）、44.8%（540 kg·hm－2）。用Logistic方程拟合，不同氮肥用量下干物质最大积累速率出现的时间为78.3～79.8 d，施氮量435 kg·hm－2（N435）处理的干物质最大积累速率出现时间最早（DAE 78.3 d），较其他施氮处理提前0.5～3.1 d。各施氮处理干物质快速增长持续期（Δt）随施氮量的增加而延长，以N540处理持续时间最长。2014年3个处理N375、75%N375＋CP和N375＋CP的干物质积累量均显著（P＜0.05）高于N0处理，各施氮处理之间差异不显著。成熟期N375、75%N375＋CP和N375＋CP处理的玉米干物质积累量（DAE 140 d）分别比N0处理增加了8 288、7 205 kg·hm－2和10 372 kg·hm－2，增幅分别为28.0%、24.3%和35.0%。用Logistic方程拟合各个处理干物质最大积累量顺序为N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0，不同施氮增铵处理以N375＋CP处理的干物质积累量和最大积累速率最高，分别为41 845 kg·hm－2和785.9 kg·hm－2·d－1。表明增加施氮量和增铵有益于延长玉米的旺盛生长期。

图1 不同施氮处理下玉米干物质积累动态Fig.1 Dynamics of biomass production ofmaize in different N treatments

2.2 不同施氮处理对玉米氮素营养与收获指数的影响

2.2.1 不同生育时期玉米氮素积累量的变化从图（2a）可以看出，抽雄吐丝期和乳熟期的玉米氮素积累量均表现为N435＞N540＞N330＞N225＞N0，两个时期均以N435处理氮素积累量最高，分别达到229 kg·hm－2和437 kg·hm－2。乳熟期各施肥处理的氮素积累量较CK分别提高了30.2%（225 kg·hm－2）、47.1%（330 kg·hm－2）、69.6%（435 kg·hm－2）、66.6%（540 kg·hm－2），N0、N225、N330、N435处理间差异显著（P＜0.05），但N435和N540处理的氮素积累量差异不显著。从图（2b）可知，玉米抽雄吐丝期和乳熟期各施氮增铵处理的氮素积累量均表现为N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0。如抽雄吐丝期各施肥处理的氮素积累量较CK分别提高了35.0%（N375）、21.0%（75%N375＋CP）和42.8%（N375＋CP），但75% N375＋CP与N375处理的氮素积累量并无明显差异。在2013年的基础上，经过减氮增铵（75%N375＋CP）处理后植株氮素积累量比N375处理有所下降，但差异不显著。表明在优化施氮量375 kg·hm－2基础上，减氮25%（93.8 kg·hm－2）不会显著影响玉米氮素营养。

2.2.2 不同施氮处理对玉米收获指数和氮素收获指数的影响2013年玉米收获指数变化范围为49.1%～52.7%，且随氮素水平表现为N330＞N435＞N540＞N225＞N0（图3a），N540、N435、N330处理间的差异不显著。2014年各处理收获指数表现为N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0，变化范围为48.8%～51.9%。各施氮增铵处理的收获指数相比于对照分别提高了2.8%（N375）、2.2%（75%N375＋CP）和3.1%（N375＋CP），减氮增铵（75%N375＋CP）处理的收获指数低于N375处理，但处理间无显著性差异，说明减氮增铵不会降低玉米的收获指数。玉米氮素收获指数随氮素水平升高先增加后降低（图3b）。2013年各氮肥处理的氮素收获指数变化范围为58.6%～62.6%，且表现为N435＞N330＞N540＞N225＞N0。N435处理氮素收获指数达到最高62.6%。2014年玉米各施氮增铵处理下氮素收获指数大小表现为N375＋CP＞N375≈75%N375＋CP＞N0（图3b），变化范围为58.4%～62.5%。合理增加施氮量可提高玉米收获指数和氮素收获指数，过量施用氮肥则降低收获指数和氮素收获指数。

图2 不同施氮处理对玉米氮素积累量的影响Fig.2 The influence of different N treatments on N accumulation ofmaize

图3 不同施氮处理对玉米收获指数（HI）及氮素收获指数（NHI）的影响Fig.3 Effects of different N treatments on harvest index（HI）and nitrogen harvest index（NHI）ofmaize

2.3 施氮量和增铵营养对玉米产量的影响

2013年玉米产量随施氮量的增加而升高，在N435处理最高，再继续增加施氮量产量有下降的趋势（图4a）。通过方程拟合，得到施肥量与玉米产量的回归方程为y＝－0.0462x2＋39.422x＋8665.9（P＜0.001，R2＝0.8838；n＝15），按纯氮3.91元·kg－1（尿素1.8元·kg－1）、玉米1.75元·kg－1的市场价格，可得最高产量（17 076 kg·hm－2）和经济最佳产量（17 049 kg·hm－2）对应的施氮量分别为426.7 kg·hm－2和402.5 kg·hm－2。在2013年数据基础上，进行减氮与增铵，由图（4b）所示，各处理产量表现为N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0。与对照（N0）相比，施氮与增铵可以显著提高玉米产量。75%N375＋CP、N375、N375＋CP处理玉米产量较N0处理分别增加了6 352、6 034 kg·hm－2和7 243 kg·hm－2，增幅分别为55.2%、52.4%和62.9%。75%N375＋CP与其他氮肥处理（N375、N375＋CP）产量的差异未达到显著水平，说明减氮增铵并不会降低滴灌玉米产量。

2.4 不同施氮处理对氮素养分利用效率的影响

由图（5a）可看出，2013年氮肥偏生产力在29～61.2 kg·kg－1之间，并随氮肥水平升高而下降，具体表现为N225（61.2 kg·kg－1）＞N330（52.7 kg·kg－1）＞N435（42.3 kg·kg－1）＞N540（29 kg·kg－1），处理间差异显著（P＜0.05）。2014年减氮增铵（75%N375＋CP）处理显著高于N375与N375＋CP处理。表明减氮增铵可显著提高玉米偏生产力。施氮对滴灌玉米氮肥利用率的影响见图（5b），2013年随着氮肥施入量的增加氮肥利用率逐渐降低，表现为N225＞N330＞N435＞N540。2014年的氮肥利用率以减氮增铵（75%N375＋CP）处理最高（47.3%），显著高于其他处理（P＜0.05）。说明减氮增铵措施能显著提高玉米氮肥利用率。

3 讨论与结论

我国粮食生产中由于氮肥过量施用导致氮素利用效率普遍降低［19］。本试验研究中玉米实际产量在一定范围随施氮量升高而增加，这与高亚军［20］研究得出玉米产量随肥料投入的增加显著提高结论一致。本研究表明玉米施氮量与产量关系呈抛物线形，当施氮量超过435 kg·hm－2时，产量反而会下降，这与游福欣［21］研究得出呈线形关系不一致，可能因为其氮肥施用量范围（0～192 kg·hm－2）偏低。本研究结果表明北疆地区不同氮素水平下获得最高产量对应施氮量为426.7 kg·hm－2左右，此推荐施肥量高于中国其他地区施氮水平，其原因是在新疆干旱区玉米产量普遍单产过15 000 kg·hm－2的高产出下需要氮肥的高投入。较高施氮（N435、N540）下，氮肥利用率和偏生产力反而降低，说明过量的施氮会降低氮肥利用率，与侯云鹏等［22］研究相一致。曾艳等［23］认为在常规施肥的基础上增施肥料增效剂能有效促进玉米生长及生物量的形成。本研究在2014年加入Nitrapyrin的施氮增铵处理（75%N375＋CP、N375＋CP）较N0处理，玉米干物质最大吸收速率时间得到提前，同时延长了快速生长时期。在增铵处理下，玉米穗粒数、千粒重、单穗重、产量均以N375＋CP处理最高，减氮增铵（75%N375＋CP）处理与N375处理相比，千粒重、穗粒数和单穗重均无显著性差异，表明减氮增铵不会导致玉米减产。此外本研究还发现化肥尿素配施硝化抑制剂有利于玉米植株对肥料氮素的吸收利用，并显著提高玉米的氮肥利用率，这与田秀英［24］及孙传范等研究结果一致［25］。本研究在2013年试验中确定了滴灌玉米的经济最佳施氮量，2014年试验表明在施氮375 kg·hm－2基础上加入硝化抑制剂可节约氮肥93.8 kg·hm－2。说明在最佳施氮量的基础上通过硝化抑制剂可实现玉米增铵营养，达到改善植株氮素营养水平，节肥增效的目的。因此，高效硝化抑制剂的应用对今后滴灌农业生态系统中实现作物不减产的前提下降低氮肥使用量及减氮增效起到有力的技术支撑。

图4 不同施氮处理对玉米产量的影响Fig.4 The response ofmaize yield to different N treatments

图5 不同施氮处理对玉米氮素利用效率的影响Fig.5 Effects of different N treatments on nitrogen use efficiency ofmaize

通过2013—2014年的肥效与增铵营养试验，可得出：（1）天山北坡石河子垦区滴灌玉米最佳施氮量为402.5 kg·hm－2，对应经济最佳产量为17 049 kg·hm－2，氮肥偏生产力和氮肥利用率随着施氮量的增加而下降。（2）尿素与氯甲基吡啶配合滴施（75%N375＋CP）可使施氮量比常规推荐量（375 kg·hm－2）减少25%（93.8 kg·hm－2），减氮增铵措施可显著提高滴灌玉米氮素养分利用效率，降低氮肥施量不会导致玉米减产。

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N recommendation and decreasing usage of nitrogen and enhanced ammonium for maize under drip irrigation condition

XIAWen-hao1，LIU Tao1，TANG Cheng1，WANG Jin2，CHU Gui-xin1
（1.College of Agronomy，Shihezi University／Key Lɑborɑtory of Oɑsis Ecologicɑl Agriculture of Xinjiɑng Productionɑnd Construction Group，Shihezi，Xinjiɑng 832003，Chinɑ；2.Wulɑnwusu Agro-meteorologicɑl Experiment Stɑtion，Shihezi，Xinjiɑng 832003，Chinɑ）

In order to put forward an optimizing N fertilizer application strategy that achieves highermaize production aswell as N utilization efficiency synchronously，two-year field plotexperimentwas carried out in crop growth season of 2013 and 2014.The amountof N was calculated according to the response curve of corn yield to N rates.Meanwhile，the influence of enhanced ammonium nutrition on maize dry weight accumulation，N uptake and maize production were also determined under fertigation condition.Results showed thatmaize yield，drymatter quantity and N uptakewere significantly increased with nitrogen rate increasing from 225 kg·hm－2to 435 kg·hm－2，and then decreased when N fertilizer application rate beyond 540 kg·hm－2.Generally，these traits variation order as N435＞N540＞N330＞N225＞N0.Furthermore，based on the obtained reasonable N recommendation rate in 2013，nitrapyrin was added with urea to regulate the supply ratio of NH4＋／NO3－（i.e.enhanced ammonium nutrition），itwas found thatallabovementioned traits variation trend as N375＋CP＞N375＞75%N375＋CP＞N0in 2014.When nitrogen rate was at 330～435 kg·hm－2，there were no significant differences across all N treatments for bothmaize N uptake and N harvest index，indicating no negative influence either on drymater，N uptake ormaize yield even if the N recommendation rate reduced by 25%and plus nitrapyrin.According to the response curve ofmaize yield to N application rates，the optimizing economic yield of17 049kg·hm－2was achieved at N application rate of 402.5 kg·hm－2.Moreover，Grains per spike and single panicle weight were significantly increased by N fertilizer and nitrapyrin amendment.N fertilizer partial productivity and N using efficiency were decreased with increasing N application rates，and the order of nitrogen use efficiency in deferent treatments was N225（46.6%）＞N33045.8%）＞N435（43.6%）＞N540（34.6%）.The greatest values for N partial productivity and N using efficiency were observed for 75%N375＋CP treatment，and these increased by 31.4%and 27.9%for N partial productivity，increased by 5.8%and 6.4%for N using efficiency，respectively，compared with the N application rates ranges from 330～435 kg·hm－2，supporting thatmaize nitrogen use efficiency could be significantly improved by reducing N recommendation rate by 25%coupling with enhancing ammonium via nitrapyrin in drip irrigated condition.Overall，the optimizing N recommendation ratewas402.5 kg·hm－2in drip irrigation agriculture in the area of northern Tianshan mountain.Moreover，through urea in combination with nitrapyrin repeated supply，significantly higher N using efficiency could be obtained and the amount of93.8 kg·hm－2could be saved，and thus，this fertilization pattern could regarded as an optimizing strategy for Nmanagement in fertigation system.

water and nitrogen integrated management；N application rate；decreasing usage of nitrogen and enhanced ammonium；nitrogen use efficiency；maize under drip irrigation

S143.1；S143.1＋6

：A

1000-7601（2017）01-0079-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.12

2016-01-10

国家“十二五”科技支撑项目（2012BAD42B02）

夏文豪（1991—），男，新疆阿克苏人，硕士，主要从事作物养分资源高效利用研究。E-mail：xiawenhaohh＠163.com。

褚贵新（1969—），男，新疆霍城人，教授，博士生导师，主要从事植物营养生理生态研究。E-mail：chuguixinshzu＠163.com。