氮磷钾减量配施硅肥对玉米养分吸收、利用及产量的影响

朱从桦，李其勇，程明军，李星月，郭 展，张 鸿*

(1.四川省农业科学院植物保护研究所，农业部西南作物有害生物综合治理重点实验室，四川 成都 610066；2.四川省草原工作总站，四川 成都 610041)

玉米作为我国主要的粮食、经济、饲料作物，其稳产和高产备受重视。为追求高产，氮肥、磷肥、钾肥等化肥被大量施用，容易引发环境污染、生态环境破坏和温室气体排放增加等问题[1-4]。针对四川丘陵区玉米生产，有研究[5]提出中等地力田块氮、磷和钾肥推荐用量分别为200～260、100～120和80～100 kg/hm2，氮、磷和钾肥回收率分别为23.4%～35.1%、13.8%～18.7%和48.6%～59.6%，为进一步探索减少该区氮、磷、钾肥用量提供基础数据支撑。玉米作为喜硅植物，会主动从外界环境吸收硅，进而提高自身抵御生物或非生物胁迫的能力[6-7]。施硅肥能提高土壤供硅能力，减少土壤对磷的吸附，增加植株关键生育期的氮、磷和钾积累量[8-10]，改善植株根系、叶片和茎秆生长[11]，提高植株抗旱[12-13]、抗盐胁迫[14]、耐重金属[15]和抗倒伏能力[16]，增加植株物质生产能力[12-13,17]、提高水分利用效率[12]、增加穗长和穗粒数、提高作物经济产量[16,18-19]。以往研究侧重于硅促进作物生长发育及缓解逆境胁迫方面，然而在氮、磷和钾肥减施条件下，增施硅肥能否改善玉米对氮、磷、钾的吸收利用，提高玉米产量却鲜见报道。为此，本研究以玉米正红505为材料，选择中等地力田块，研究氮、磷和钾肥常规用量、减施20%和40%条件下，增施硅肥对玉米氮、磷和钾素吸收、产量及产量构成的影响，比较分析玉米生产中增施硅肥的效益，探明四川丘陵区玉米生产中可持续的化肥减施途径，为本区玉米节肥、增效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2016年4月至9月，在四川省农业科学院简阳试验基地(30°34′N，104°32′E)进行大田试验，土壤类型为紫色土。0～25 cm土层pH值为7.52，有机质36.36 g/kg，碱解氮38.5 mg/kg、有效磷15.96 mg/kg、速效钾118.33 mg/kg，有效硅206.58 mg/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种：正红505，四川省农业厅推荐的主导品种。试验采用2因素裂区设计。主区因素为氮、磷和钾肥用量，设置3种氮、磷、钾肥施用量组合：F100—常规用量，N、P2O5和K2O用量分别为225、90和90 kg/hm2；F80—等比减施20%，N、P2O5和K2O用量分别为180、72和72 kg/hm2；F60—等比减施40%，N、P2O5和K2O用量分别为135、54和54 kg/hm2。副区因素为硅肥用量，设置2种硅肥用量：S3—施硅(SiO2)37.5 kg/hm2；S7—施硅(SiO2)75 kg/hm2。重复3次，共18个小区，小区面积为6.5 m×4 m=26.0 m2。

4月8日育苗、整地并起垄(垄高12 cm)，各小区全部肥料均做基肥，撒施于窄行，浇透底水，最后覆膜。2叶1心单株移栽，采用宽窄行栽培，宽行1.6 m，窄行0.4 m，株距0.2 m。试验中氮肥为尿素(N 46.4%)，磷肥为过磷酸钙(P2O512%)，钾肥为氯化钾(K2O 60%)，硅肥为硅钙镁钾复合肥(SiO220%，Ca 16%，K2O 5%，Mg 4%)，氮、磷、钾和硅肥全做底肥，其中施用硅肥带入的钙和镁，用氯化钙和氯化镁等量补充，带入的钾从钾肥中等量扣除。其余田间管理同当地高产田块。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质重

于拔节期和成熟期，按平均株高，选取5株植株，拔节期分为茎和叶，成熟期分为叶(含苞叶)、茎鞘(雄穗)、穗轴、籽粒，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，再称重。

1.3.2 植株氮、磷、钾和硅素积累量

将1.3.1干样粉碎过0.25 mm筛，采用浓H2SO4+H2O2消煮，用FOSS Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪测定氮含量；用FP 6410型火焰光度计测定钾含量，用钼锑抗比色法测定磷含量；采用强碱高温高压消化，用硅钼蓝分光光度法测定硅含量；并计算氮、磷、钾、硅积累量。

1.3.3 考种与计产

收获时，随机采集20个果穗，调查穗粒数、穗行数、行粒数、千粒重、穗长、穗粗和秃尖长，按实收株数计产(含水量以14.0%计)。

1.4 参数计算

氮(磷、钾)素干物质生产效率(kg/kg)=单位面积植株干物质积累量(kg/hm2)/单位面积植株氮(磷、钾)积累量(kg/hm2)；

氮(磷、钾)素籽粒生产效率(kg/kg)=单位面积籽粒产量(kg/hm2)/单位面积植株氮(磷、钾)积累量(kg/hm2)；

氮(磷、钾)肥偏生产力(kg/kg)=施氮(磷、钾)区产量(kg/hm2)/施纯氮(P2O5、K2O)量(kg/hm2)。

1.5 数据分析

用DPS 14.50和SPSS 19.0软件分析数据，用最小显著差法LSD(P=0.05)检验平均数。

2 结果与分析

2.1 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米穗部性状、产量及产量构成的影响

从表1可知，氮、磷、钾肥用量对穗部性状、产量及产量构成影响显著，而硅肥用量影响次之。与常规施肥F100处理相比，化肥减施处理F80和F60秃尖长分别增加20.96%和25.33%，行粒数、穗粒数、籽粒产量分别下降11.57%和11.28%、11.60%和10.52%、10.77%和17.77%。在常规施肥F100条件下，S7处理秃尖长显著短于S3处理，S7处理显著提高了穗粒数；在化肥减施处理F60条件下，增施硅肥对玉米穗部性状、产量及产量构成的影响不显著。可见，氮、磷、钾肥减施后玉米穗长变短，秃尖长变长，穗粒数及行粒数降低，最终导致产量降低；在氮、磷和钾肥供给处于非严重缺乏时，增施硅肥能缩短秃尖长度，增加穗粒数，提高玉米籽粒产量。

2.2 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米干物质积累量和分配比例的影响

从表2可知，氮、磷和钾肥减量施用后玉米拔节期、成熟期干物质积累量下降4.53%～11.91%；化肥减施后拔节期干物质分配比例无显著影响，但是会降低成熟期干物质在籽粒中的分配比例；增施硅肥能够显著提高植株拔节期和成熟期的干物质积累量，但是对成熟期干物质的分配比例影响不显著。F100、F80、F60中，与S3处理相比，S7处理拔节期和成熟期植株干物质分别提高14.99%、3.94%、5.87%和3.34%、12.88%、2.96%。可见，玉米植株成熟期干物质积累及各器官分配受氮、磷和钾肥施用量的影响远大于硅肥，在氮、磷、钾肥供应充足时增施硅肥，能够提高物质在籽粒的分配比例，为高产提供充足的物质保障。

表1 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米穗部性状、产量及产量构成的影响

注：同列不同大写字母表示不同氮、磷和钾肥施用量间差异显著(P<0.05)，同列不同小写字母表示相同氮、磷和钾肥用量下不同硅肥用量间差异显著(P<0.05)。下同。

表2 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米干物质积累量及分配比例的影响

2.3 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米氮、磷、钾和硅素积累量的影响

从表3可知，化肥减施后植株拔节期和成熟期的氮、磷、钾和硅素积累量显著下降，而增施硅肥可以促进植株对上述元素的吸收。在拔节期，相比于F100处理，F80、F60处理植株氮素积累量分别减少2.32%、13.85%，磷积累量相应减少7.75%、20.16%，钾积累量相应减少22.95%、29.43%，硅积累量相应减少12.05%、17.97%；在成熟期，相比于F100处理，F80、F60处理植株氮积累量分别减少13.33%、29.86%，磷积累量相应减少13.55%、35.35%，钾积累量相应减少17.44%、30.94%，硅积累量相应减少25.37%、41.73%。在常规用量F100条件下，与S3处理相比，S7处理植株拔节期和成熟期氮、磷、钾、硅积累量两个时期平均分别增加16.85%、16.84%、15.90%、12.05%；在化肥减施F80条件下，与S3处理相比，S7处理植株拔节期和成熟期氮、磷、钾、硅积累量两个时期平均分别增加13.02%、12.12%、17.02%、11.14%；在化肥减施F60条件下，与S3处理相比，S7处理植株拔节期和成熟期氮、磷、钾、硅积累量两个时期平均分别增加5.53%、6.77%、7.24%、2.68%。由此可见，化肥减施后植株氮、磷、钾和硅积累量显著下降，硅促进植物吸收氮、磷和钾素的效应大小受限于生育进程和土壤养分供应情况；在化肥减施不超过20%时，玉米生产中可以增施硅肥来改善植株的氮、磷和钾素营养。

表3 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米氮、磷、钾和硅素积累量的影响 (kg/hm2)

2.4 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米各器官氮、磷、钾和硅分配的影响

从图1可知，拔节期，氮、磷、钾、硅在茎鞘中分配比例均低于叶片，上述4种元素在叶片中分配比例排序为硅>氮>磷>钾，氮和硅在叶片中分配率超过60%；在处理F100和F80中，与S3处理相比，S7处理能提高叶片中氮和磷的分配比例，显著增加茎鞘中硅的分配比例。从图2可知，在成熟期，植株养分中大约50%氮、80%磷、38%钾和7%硅被分配到籽粒中；植株成熟期超过80%的硅被分配在茎、叶中。在处理F100中，与S3处理相比，S7处理能提高籽粒中氮和钾的分配比例，显著降低茎鞘中氮和钾的分配比例；在处理F80中，与S3处理相比，S7处理能提高茎鞘中磷和硅的分配比例，降低籽粒中磷素的分配比例；在处理F60中，与S3处理相比，S7处理能显著降低茎鞘和籽粒中硅肥的分配比例。综上所述，化肥减施后植株氮、磷、钾和硅在植株各器官的分配比例变化显著，尤其是籽粒中氮和钾素明显降低；在化肥常规用量条件下，增施硅肥能够进一步增加氮、钾在籽粒中的分配比例。

图1 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米拔节期各器官氮、磷、钾和硅素分配的影响注：柱上不同小写字母表示不同施肥组合间差异显著(P<0.05)。下同。

图2 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米成熟期各器官氮、磷、钾和硅素分配的影响

2.5 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米氮、磷和钾肥利用率的影响

从表4可知，氮、磷和钾肥等比例减施后，氮、磷、钾和硅素干物质生产效率和肥料利用率显著增加，氮、磷和钾肥的偏生产力显著增加。在处理F100和F80中，与S3处理相比，S7处理能提高氮、磷和钾肥的偏生产力，还能显著提高磷素利用率；在处理F60中，与S3处理相比，S7处理能显著提高氮肥偏生产力。综上所述，氮、磷和钾肥减施量≤20%，施用硅肥能够一定程度上提高氮、磷和钾肥的利用效率。

表4 氮、磷和钾减量配施硅肥对玉米氮、磷和钾肥利用效率的影响 (kg/kg)

3 讨论

玉米生产中氮、磷和钾肥施用措施不断改进和发展，肥料利用率和产量不断提高。有研究表明：常规施肥减氮15%配合增施3 000 kg/hm2腐植酸，玉米植株氮素积累量、籽粒含氮量和产量显著增加[20]；磷肥用量从农民习惯(P2O5187.5 kg/hm2)减少至150和112.5 kg/hm2，玉米产量、根长和根系直径、土壤有效磷含量也不会显著变化[21]；与常规施肥处理(N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2)相比，减氮控磷稳钾处理(N 225 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2)能显著增加水稻秸秆生物量、千粒重和产量[22]；在非严重缺磷或正常磷水平下，外源加硅可显著提高玉米产量[18]。综上可知：在一定范围内减少氮、磷和钾肥用量，搭配合理的施肥措施或添加有机无机类增效物质，能够增加玉米产量。本研究中，氮、磷和钾常规用量减施20%～40%，玉米干物质积累量减少13.98%～17.14%，产量下降10.77%～17.77%。其主要原因是：氮、磷和钾等比例减施后整个生育期氮、磷和钾素营养供给缺乏，干物质生产积累下降，灌浆结实期茎、叶物质向籽粒输送受阻，导致成熟期茎、叶干物质分配比例增加，穗长、穗粗、穗粒数、行粒数及千粒重显著下降，最终产量大幅下降。有研究证实：施硅能增加玉米穗长、穗粗、穗粒数、百粒重，提高玉米产量[16,18]。本研究中，氮、磷和钾肥常规用量和减施20%处理下，增施硅肥(75 kg/hm2)后穗粒数显著增加，秃尖长降低，产量增加5.83%～8.35%；减施40%条件下，施硅肥对穗粒数、穗行数、行粒数、千粒重均无显著影响；这一方面丰富前文[18]的结论，一方面也可以推测：充足的氮、磷和钾素供应是保障玉米高产、稳产的先决条件，施用硅肥只能间接减少土壤对磷素的吸附，增加土壤速效磷含量，促进玉米植株对氮、磷和钾素的协同吸收，进而改善其物质合成能力，增加籽粒产量；此外，氮、磷、钾肥减量过大施硅的增益作用会被掩盖，并且硅肥用量过少不利于发挥硅肥增益作用。

低磷胁迫减少玉米硅积累量，改变硅在玉米各器官的分配比例[10,23]。玉米植株硅含量变化符合“末端分布现象”，硅大量分布在茎鞘、叶片等部位，籽粒中硅含量最低[6]。本研究表明，在成熟期，籽粒氮、磷、钾和硅分别约占总量的50%、80%、38%和7%；超过80%的硅被分配在茎、叶中。玉米对氮的吸收量多于磷、钾，也会主动从土壤中吸收大量的硅，并且这4个元素的吸收积累过程高度同步[6]；施硅可促进玉米植株各关键生育时期对氮、磷、钾的吸收，并优化其在茎、叶、籽粒中分配比例，提高氮、磷和钾肥利用效率[18]。本研究中，氮、磷和钾肥减施降低了拔节期和成熟期植株氮、磷、钾和硅积累量；增施75 kg/hm2硅肥促进植株对氮、磷和钾素的积累，但其促进效应因生育阶段不同而存在差异。在拔节期，常规用量下，增施75 kg/hm2硅肥会显著增加植株氮、磷和钾积累量，提高了氮、钾在籽粒中的分配，而对磷、硅影响很小；化肥减量20%下，增施75 kg/hm2硅肥显著增加氮和钾积累量，降低了磷、硅在籽粒中分配，而对氮、钾无显著影响；常规用量减施40%，增施75 kg/hm2硅肥对氮、磷、钾、硅对籽粒分配影响小，主要调整氮、磷、钾和硅在茎、叶中分配。玉米生长前期吸硅量少，氮、磷和钾肥减施将直接影响植株的正常生长，施硅的增益作用难以发挥；拔节期至抽雄初期[6,24]植株开始大量快速吸收硅，常规用量和化肥减施20%条件下植株从土壤中吸收氮、磷和钾仍较为充裕，施硅促进植株对氮、磷和钾素的协同吸收，生育中后期物质生产能力增强，产量显著提高，氮、磷和钾肥利用率增加；但化肥减施40%，植株生长所需氮、磷和钾素营养亏缺严重，增施硅肥也无法补偿其亏缺量所带来的负面效应。

4 结论

四川丘陵区玉米生产中，在氮、磷和钾肥常规用量基础上，减施比例超过20%，植株氮、磷和钾积累量会显著下降，干物质积累量显著降低，秃尖长度显著增加，减产超过10.77%。

氮、磷和钾肥常规用量或减施比例≤20%，增施75 kg/hm2硅肥，提高玉米拔节期、成熟期干物质积累量以及氮、磷、钾、硅的积累量，增加氮、磷和钾在籽粒中的分配比例，产量增加5.82%～8.35%。

中、高肥力土壤条件下，为持续减少玉米生产中氮、磷和钾肥用量，还需结合土壤自身氮、磷和钾素供应特性、品种特性及目标产量，合理制定氮、磷和钾肥减施比例及硅肥用量。

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