不同生态条件下氮肥对玉米氮素吸收利用及产量的影响

李 强，马晓君，豆 攀，程秋博，余东海，袁继超，孔凡磊

(1.农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川农业大学 农学院，四川 成都 611130； 2.眉山市东坡区农业技术推广站，四川 眉山 620032)

玉米是世界上主要的三大粮食作物之一，也是我国种植面积最大的粮食作物[1]，其高产稳产是保证我国粮食安全的重要组成。氮是植物中氨基酸、蛋白质及核酸的重要组成，对作物生长发育、叶片光合及产量形成影响显著[2]。大量研究表明，一定范围内，随施氮量增加，作物干物质积累量、氮素积累量及产量均呈上升的趋势[3-5]。受生态条件、土壤理化性质、栽培方式、品种、播期等因素的综合影响，不同生态条件下玉米对氮肥的响应及氮素利用效率存在显著差异[6-9]。

生态条件的差异是造成不同区域玉米产量差异的主要因素，西南地区作为我国第二大玉米主产区，幅员辽阔，不同生态区间生态条件差异大[10-12]。简阳地处川中丘陵山区，属亚热带季风气候，气候温和，雨量充沛，耕层浅薄，土壤贫瘠；双流位于成都平原，属亚热带季风湿润气候，常年降水丰富，光热水集中，耕层深厚，土壤肥沃，两生态点的土壤理化性质差异造成玉米生产潜力差异很大[13]。前人关于氮肥对玉米干物质积累与分配[14-17]、氮素吸收利用[18-20]的影响做了大量研究，但同时针对生态条件、氮肥及其互作效应对玉米生长发育、产量形成及氮素吸收利用的研究不足，而关于川中丘陵区和成都平原玉米氮效应差异的比较研究更是鲜见。因此，本研究选取四川地区大面积推广种植的玉米杂交种正红311和先玉508为试验材料，在典型的川中丘陵区简阳和成都平原双流研究不同生态条件下施氮量变化对玉米生长发育、产量形成及氮素吸收利用的影响，以期为四川不同生态条件下玉米生产氮肥的高效合理施用提供理论与实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为四川大面积推广种植的玉米杂交种正红311 (ZH 311)和先玉508 (XY 508)，两品种生育期均为120 d 左右。

1.2 试验时间和地点

2011年3-8月分别在四川双流和简阳两试验点实施。试验地点分布情况及气象资料见表1； 土壤(0～30 cm)基础肥力见表2。

表1 试验点分布情况及气象资料

表2 生态点土壤理化性状

1.3 试验设计

两试验点均采用裂区试验设计，主区为品种，正红311和先玉508；副区为施氮水平，共设6个处理，分别是 0，90，180，270，360，450 kg/hm2。小区面积均为5 m×4 m(双流前茬作物为蔬菜，简阳前茬作物为小麦)，试验重复3次，共36个小区。玉米采用宽窄行单株栽培，宽行行距1.5 m，窄行行距0.5 m，株距为0.2 m，密度为50 000 株/hm2。简阳玉米生育期3月31日-7月31日，双流玉米生育期4月12日-8月14日。氮肥选择尿素，基肥和穗肥各50%，另施过磷酸钙600 kg/hm2、氯化钾150 kg/hm2作底肥。其他栽管措施按当地高产要求进行，小区间保持一致。注意抗旱、防病虫，保证全苗、匀苗及正常生长发育。

1.4 测定项目和方法

1.4.1 生长指标测定 于玉米吐丝期每小区取代表性植株4株，分别测定玉米株高和叶片长宽，叶面积=长×宽×0.75。

1.4.2 干物质和氮素积累分配特性 于玉米成熟期每小区取代表性植株4株，分成叶片、茎鞘、苞叶+穗轴和籽粒四部分，于105 °C下杀青30 min，再经80 °C烘干至恒重，测定各处理植株干物质积累。测定样品干质量后，粉碎过0.25 mm筛，采用凯式定氮法测定各器官样品氮含量[21]。

1.4.3 产量及其构成 玉米完全成熟后各小区选取连续20株，调查穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数、百粒质量等，后将玉米晒干脱粒称重，以14%含水量折算各小区玉米产量。

1.4.4 相关计算公式 氮素吸收效率[22](NAE， %)=植株氮素积累量/土壤总氮素供给量×100 (土壤总氮素供给量为耕层土壤氮与施氮量之和)；氮素利用效率[22-24](NUE， %)=(施氮区植株氮积累量-空白区植株氮积累量)/氮肥施用量×100；氮肥农学效率[23-24](NGE)=(施氮区籽粒产量-空白区籽粒产量)/氮肥施用量；氮素产谷效率[23-24](NPE， kg/kg) = 籽粒产量/成熟期总氮积累量；氮肥偏生产力[23](NPFP， kg/kg) = 施氮区籽粒产量/氮肥施用量。

1.5 数据分析

采用Excel 2007进行数据处理和图表的绘制，SPSS 20.0统计软件进行数据的统计分析，用LSD法进行差异显著性检测。

2 结果与分析

2.1 玉米株高和叶面积指数差异

两生态点玉米株高和叶面积指数差异显著(图1)。双流试验点正红311和先玉508株高分别较简阳高出17.32%和12.41%，而叶面积指数分别高出91.92%和102.00%。施氮对玉米株高和叶面积指数影响显著，但不同生态点差异较大。与0 N相比，施氮处理正红311和先玉508株高在简阳试验点平均分别升高了6.09%和4.62%，而在双流施氮处理正红311株高平均下降了0.16%，先玉508则升高了2.58%；两品种叶面积指数在简阳分别升高了27.28%和33.20%，而在双流仅分别提高了1.85%和3.30%。表明氮肥对简阳玉米生长的促进作用显著大于双流，而双流玉米生长显著优于简阳，尤其在低氮条件下。

同组数据上不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。Bars superscripted by different letters in the same group mean significant difference at 0.05 levels.

2.2 生态条件和氮肥对玉米干物质积累与分配的影响

成熟期干物质积累高低及其在各器官的分配决定玉米产量的高低。表3结果表明，生态条件对玉米干物质积累及分配影响达显著水平，而氮肥对干物质积累也具有显著影响，且生态条件和氮肥对单株干物质积累影响的互作效应达极显著水平。玉米成熟期干物质积累量双流高于简阳，正红311高出40.48%，先玉508高出45.33%。施氮显著提高了两生态点玉米成熟期干物质积累量，与0 N相比，施氮处理正红311和先玉508干物质积累在简阳试验点平均提高了28.03%和48.87%；在双流则分别提高了13.55%和10.43%，表明施氮对简阳玉米干物质积累的促进作用高于双流，而双流干物质积累量高于简阳且在低氮条件下优势更明显。

表3结果表明双流玉米成熟期叶片、茎鞘和苞叶+穗轴干物质分配高于简阳，而籽粒分配比例则低于简阳。正红311和先玉508成熟期叶片分配比例双流较简阳分别高14.50%和16.36%，茎鞘分别高15.06%和11.54%，苞叶+穗轴分别高12.03%和15.71%；而籽粒分配比例则是简阳较双流分别高出16.89%和13.65%。氮肥对玉米成熟期干物质分配比例的影响小于生态条件，仅对两品种的苞叶+穗轴及正红311的籽粒分配比例影响显著；与0 N相比，施氮处理叶片干物质分配比例正红311和先玉508在简阳试验点分别升高了1.66%和11.36%，茎鞘分别升高了1.65%和24.44%；而在双流试验点则是苞叶+穗轴分别上升了17.13%和53.04%，其他各器官(除正红311叶片)干物质分配比例均下降。表明施氮有利于简阳玉米营养器官(叶片、茎鞘)的建成，为提高产量奠定物质基础，而双流则是显著提高了苞叶+穗轴的物质分配比例使籽粒分配比例大幅下降。

表3 不同生态条件和氮水平下玉米成熟期干物质积累及干物质在各器官中的分配Tab.3 Dry matter accumulation and allocation in different organs of maize in maturity stage underdifferent ecological conditions and nitrogen levels

注：同列中不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著；**.P<0.01，*.P<0.05。表4-6同。

Note：Means followed by different letters are significantly different among treatments atP<0.05；**.P<0.01，*.P<0.05.The same as Tab.4-6.

2.3 生态条件和氮肥对玉米氮素积累与分配的影响

表4结果表明，不仅生态条件和氮肥(除先玉508苞叶+穗轴)对玉米成熟期氮素积累与分配影响达显著水平，其互作效应影响亦达到显著水平。成熟期玉米籽粒氮素分配比例最高，正红311和先玉508分别达53.35%～63.35%和54.10%～72.82%；而以叶片氮素分配比例最低，仅为10.89%～15.25%和9.05%～12.89%。双流玉米成熟期氮积累量高于简阳，正红311和先玉508分别高出43.07%和49.59%；且双流叶片、茎鞘和苞叶+穗轴氮素分配比例也高于简阳，而籽粒氮素分配比例低于简阳。双流较简阳叶片氮素分配比例正红311和先玉508分别高20.30%和25.96%，茎鞘分别高19.40%和24.68%，苞叶+穗轴分别高10.40%和20.35%；而籽粒氮素分配比例则是简阳较双流高11.60%和13.02%。表明双流玉米氮素积累高于简阳，但成熟期非收获器官过高的氮素分配比例使其籽粒氮素分配比例过低。

氮肥对玉米成熟期氮积累量和各器官(除苞叶+穗轴)氮分配比例影响显著。与0 N相比，施氮处理单株氮积累量正红311和先玉508在简阳平均分别升高了35.27%，82.55%，而双流分别升高了14.41%，15.60%。简阳正红311和先玉508叶片氮素分配比例分别变化了-7.86%，8.26%，茎鞘变化了17.26%，17.15%，苞叶+穗轴变化了-6.16%，53.13%，籽粒变化了0.34%，-9.38%；双流分别变化了-7.32%，6.54%，13.09%，13.12%，0.15%，3.19%和-1.18%，-4.47%。表明施用氮肥对简阳玉米成熟期各器官氮素分配比例的影响较双流更大，但对两生态点各器官氮素分配比例变幅差异影响不显著。

表4 不同生态条件和氮水平下玉米成熟期氮积累及其在各器官中的分配Tab.4 Nitrogen accumulation and allocation in different organs of maize in maturity stage under different ecological conditions and nitrogen levels

2.4 生态条件和氮肥对玉米产量及其构成的影响

表5表明，双流玉米产量高于简阳，正红311和先玉508分别高20.79%和17.33%。双流玉米较简阳高产，主要是由于双流试验点正红311穗粒数和千粒质量较简阳分别高6.30%和5.89%；而先玉508则是由穗粒数差异引起的，其穗粒数较简阳高22.99%。导致两生态点穗粒数差异原因不同，正红311由行粒数差异决定，双流行粒数较简阳高9.31%；而先玉508则是穗行数和行粒数共同引起，穗行数和行粒数双流转简阳分别高5.76%和16.74%，表明不同品种高产原因差异较大。施氮提高了玉米产量及其构成，与0 N相比，施氮处理穗行数正红311和先玉508在简阳试验点分别提高了9.00%，9.24%，行粒数提高了14.89%，20.52%，穗粒数提高了25.25%，31.66%，千粒质量提高了3.20%，5.83%，产量提高了39.26%，38.22%；双流分别提高了-0.04%，2.92%，5.09%，2.54%，5.15%，2.74%，3.19%和14.55%，10.35%，表明氮肥对双流玉米产量及其构成的促进作用显著低于简阳。

表5 不同生态条件和氮水平下玉米产量及其构成Tab.5 Yield and its components of maize under different ecological conditions and nitrogen levels

2.5 生态条件和氮肥对玉米氮素利用的影响

生态条件和施氮均对玉米的氮素吸收及利用有显著影响(表6)。简阳玉米氮素吸收效率和氮肥偏生产力低于双流，但氮素利用效率、农学效率和产谷效率则高于双流。双流较简阳氮素吸收效率分别高8.94%和6.26%，氮肥偏生产力分别高16.06%和15.73%；简阳较双流氮素利用效率分别高86.85%和170.04%，农学效率分别高117.92%和164.53%，产谷效率分别高18.40%和29.03%。表明双流较高的土壤肥力促进了玉米的生长，使其较简阳具有更高的氮素吸收能力和生产潜力，而使其氮素利用效率、农学效率和产谷效率均较低。

氮肥对玉米氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥农学效率、氮素产谷效率和氮肥偏生产力均具有显著影响，但不同生态条件下其变幅差异明显。随施氮量增加正红311和先玉508在简阳试验点的氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥农学效率、氮素产谷效率和氮肥偏生产力的变化幅度均高于双流试验点，表明氮肥对简阳玉米氮素的吸收贡献更大。

3 讨论与结论

3.1 生态条件和氮肥水平对玉米干物质积累与分配的影响

作物的干物质生产是光合产物在植株不同器官中积累与分配的结果，而生态条件和施氮水平及二者间的互作效应对玉米的干物质积累与分配影响显著。戴明宏等[25]、李梁等[26]研究表明生态条件对玉米干物质积累与分配影响显著，本试验结果表明双流地区降水丰富，光热水集中，耕层深厚，土壤肥沃使其玉米株高、叶面积指数、干物质积累量和营养器官干物质分配比例均高于简阳，且在中低氮处理下优势更明显。Chen等[27]和Teixeira等[28]研究表明，施氮对玉米干物质的积累和分配有重要影响，本试验结果表明施氮显著增加了玉米的株高、叶面积指数和干物质积累，而对玉米成熟期营养器官干物质分配比例影响不大，且氮肥对简阳玉米株高、叶面积及干物质积累的促进作用高于双流。双流玉米生育后期较高的营养器官干物质分配比例有利于其生育后期保持较高的物质生产能力，为生殖器官提供更多的干物质及养分，从而获得高产；而成熟期较低的籽粒干物质分配比例是影响双流生态点玉米产量进一步提高的关键因子，因此在后面的研究中可以在适当降低施氮量的基础上，如何提高玉米收获指数获得高产方面进行进一步研究。

表6 不同生态条件下氮肥对玉米氮素吸收效率、利用效率、农学效率、产谷效率和氮肥偏生产力的影响Tab.6 Effects of ecological conditions and nitrogen on nitrogen absorption efficiency， utilization efficiency， agronomicefficiency，grain production efficiency and partial factor productivity

3.2 生态条件和氮肥对玉米氮素吸收利用的影响

氮素是影响作物产量及品质最重要的营养元素之一，作物对其吸收及利用受生态条件和氮肥的影响显著[15,29]。戴明宏等[25]研究表明不同生态条件下植株氮素的积累、分配和转运存在明显差异。本研究结果表明，玉米在不同生态环境下具有不同的氮素吸收利用特性。双流玉米成熟期氮积累量，茎鞘、叶片、苞叶+穗轴氮素分配比例及氮素吸收效率、氮肥偏生产力均高于简阳，而成熟期籽粒氮素分配比例、氮素利用效率、农学效率和产谷效率则均是简阳生态点更高。曹胜彪等[30]研究得出增施氮肥可以显著增加玉米单株氮素积累量和转运量，且随施氮量增加氮肥偏生产力、农学效率和利用效率均呈下降趋势。本试验结果表明施氮对玉米成熟期氮素积累量和各器官中氮素的分配比例具有显著的影响，且生态条件和氮肥的互作效应对玉米氮素积累的影响显著。随着施氮量的提高，玉米氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥农学效率、氮素产谷效率以及氮肥偏生产力均明显下降，但双流玉米对氮素的吸收利用受施氮水平影响的变化幅度低于简阳。表明在简阳等土壤肥力较低的地区，其氮素利用效率、农学效率和产谷效率显著高于其他地区，且增施氮肥对其玉米生产的增产作用更大，这与邓飞等[7]和王月福等[31]在水稻和小麦上研究的结果一致。双流地区较高的土壤肥力促进了玉米植株的营养生长，提高了其氮素积累和氮素在营养器官中的分配比例，但抑制了氮素从营养器官到生殖器官的转运，造成成熟期非收获器官的大量无效生长、贪青晚熟浪费养分，从而导致其成熟期籽粒干物质和氮素分配比例较低。

3.3 生态条件和氮肥水平对玉米产量特征的影响

玉米的产量取决于单位面积穗数、穗粒数和千粒质量的协调作用，但对玉米产量影响最大的是单位面积穗数，其次是穗粒数，而千粒质量对玉米产量的贡献相对最低[26，32]。在种植密度一定的情况下，穗粒数和千粒质量就成为影响玉米产量高低最直接的因素。本试验结果表明，生态条件对玉米穗行数、行粒数、穗粒数、千粒质量(除先玉508)和产量的影响显著，两玉米品种产量双流较简阳均高出20%左右，但不同品种增产的途径不同。正红311是通过穗粒数和千粒质量的协同增长来实现增产的，而先玉508则是在维持千粒质量的情况下，较大幅度增加穗粒数来获得高产。施氮显著提高了玉米穗粒数、千粒质量和产量，但不同生态条件下玉米增产幅度差异明显。双流玉米生长旺盛时期干物质和氮素积累均高于简阳，使其产量及产量构成优于简阳；但氮肥对简阳玉米生长、干物质和氮素积累的促进作用更大，且其收获指数和氮收获指数均高于双流，因此在保证一定施氮量的前提下，简阳玉米也能获得较高产量。

3.4 结论

生态条件和氮肥水平对玉米的生长发育、产量形成及氮素的吸收利用影响显著。成都平原降水丰富，光热水集中，耕层深厚，土壤肥沃使其玉米植株高大，叶片繁茂，干物质和氮素积累以及籽粒产量均高于川中丘陵区，而无效生长过多，收获指数较低，氮素利用效率、农学效率及产谷效率不高是限制该区域玉米产量进一步提高的主要因素；而川中丘陵区气候温和，雨量充沛，耕层浅薄，土壤贫瘠使其玉米前期生长不足，后期养分不足，从而不利于高产，但氮肥增产幅度较大，收获指数及氮素利用效率、农学效率、产谷效率较高使其在一定的施氮水平下仍能获得较高产量。因此，在双流等成都平原地区种植玉米可以适当降低施氮量以充分利用土壤中充足的养分，促进氮素的转运，减少无效生长，提高收获指数来获得高产；而在简阳等川中丘陵区，则可适当增加施氮量以促进玉米前期的营养生长，保证生育后期的养分供应，提高玉米的干物质和氮素积累来获得高产。