单株限域定量施肥实现夏玉米一次性施肥的可行性

冀保毅， 程 琴， 李跃伟， 卫云飞， 雷振山， 李传保

(1.信阳农林学院，河南信阳 464000； 2.豫南植物有害生物绿色防控院士工作站，河南信阳 464000)

玉米是中国主要粮食作物之一，2007年玉米播种面积超过稻谷成为中国播种面积最大的粮食作物。氮素是玉米生长必需营养元素之一，施用氮素能够提高玉米产量。在一定的施氮量范围内，随着氮肥用量的增加玉米的产量会随之增加[1]，但是施氮量过高将会降低氮素利用率和产量[2]。若盲目提高施氮量会造成氮素大量流失，这种做法不仅浪费农业资源，也会污染环境[3]。中国黄淮海地区，夏玉米生长季相对较短，氮肥分次施用技术在实施过程中将会伤害玉米植株并增加用工成本。农民倾向于一次性将整个玉米生长季所需肥料作为基肥结合播种施入土壤中，这会导致氮肥利用率低下[4]。因此，在农学领域中如何提高氮肥的利用效率成为一个研究热点[5]。前人研究结果表明，在肥料剂型方面将尿素用难溶性物质进行包裹[6]或在尿素中添加脲酶抑制剂[7]均能够有效提高氮肥利用效率；在施肥技术方面通过分次施肥[8]、氮肥深施[9]、水肥一体化[10]等技术也能够提高氮肥的利用效率。然而这些技术仍然难以满足人们不断提升的施肥技术需求。以往施肥技术均没有考虑作物根系在吸收土壤养分方面的主动性。作物的根系在耕层土壤中呈上高下低不均匀分布状态，在0～20 cm耕层土壤中作物的根量占其总根量的70%～90%[11]。玉米的根系长度和伸展空间与肥料利用效率关系密切[12]，玉米能够改变根系构型来吸收土壤中分布不均匀的养分以满足个体生长需要[13]。因此，在肥料施用技术上，我们可以在满足玉米个体需肥量的前提下，调控肥料施用空间和位置来改进当前的施肥方法。本试验假设将肥料的施用空间限定起来，相对封闭的空间能够保证玉米全生育期内足够的养分供应，同时限制氮肥淋失，而玉米能够改变其根系的形态结构来吸收被限制的肥料养分，从而提高肥料利用效率，降低施肥量。为此，本研究开展单株限域定量施肥对夏玉米产量和养分利用效率影响的试验，以期为开发新型施肥技术和实现玉米生产中减肥增效目标提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年在河南省邓州市罗庄镇肖营村试验田进行。该试验田土壤质地为粉质黏壤土(m沙粒∶m粉粒∶m黏粒=24 ∶52 ∶24)。试验田耕层土壤有机质含量为16.62 g/kg，全氮含量为1.13 g/kg，速效磷含量 14.05 mg/kg，速效钾含量135.71 mg/kg。试验田所在地的气候属于亚热带季风气候，年降水量为723 mm，降水季节分布不均。

1.2 试验设计

试验设3个处理，分别为T1：不施氮肥(对照)，T2：单株限域定量施肥，T3：常规分次施肥。不施氮肥处理将磷肥和钾肥作为底肥结合耕作一次性施入土壤中，不施氮肥。常规施肥处理氮肥的40%、磷肥、钾肥作为底肥结合耕作一次性施入土壤中，剩下60%的氮肥在玉米拔节后作为追肥沟施。单株限域定量施肥处理的肥料采用侧下方施基肥方式，将每株玉米所需的肥料全部装入塑料杯中，用细土填满塑料杯，把塑料杯中肥料和土壤混匀。在将要播种玉米的位置开挖 20 cm 深的穴，把装满土壤和肥料的塑料杯口向上垂直放入穴中，用土壤填满塑料杯周围并在塑料杯上方覆盖3 cm厚的土壤。玉米种子的播种深度在3～5 cm，玉米种子放置在横向距离塑料杯口边沿大于 2 cm 处，然后用土壤填满整个土穴。除对照处理不施氮肥外，单株限域定量施肥处理和常规施肥处理的氮、磷、钾施用量分别为N 240 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。试验为随机区组设计，小区面积为 56 m2，3次重复。玉米品种为郑单958，分别于2014年6月5日、2015年6月8日播种，播种行距为60 cm，株距为25 cm，种植密度为 60 000株/hm2，分别于2014年10月2日、2015年10月7日收获。

1.3 测定项目及方法

播前在试验田用5点取样法采集0～20 cm耕层混合土壤样品，风干后混匀过20目、60目筛，用于测定土壤常规养分。土壤有机质含量用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤速效磷含量用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定；土壤速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤全氮用凯氏定氮法测定。玉米成熟期在每个小区采集有代表性的玉米植株样品3株，分根、茎、叶和穗烘干称质量，在105 ℃下杀青15 min，接下来在75 ℃下烘干至恒质量。将烘干后样品粉碎用于测定不同器官养分含量。植株全氮用H2SO4-H2O2消煮-蒸馏定氮法测定；植株全磷用钼黄比色法测定；植株全钾用火焰光度计法测定[14]。

在玉米吐丝期采集每个小区有代表性植株的穗位叶，去除叶片主脉后用锡箔纸包好，迅速用液氮冷冻用于测定酶活性。硝酸还原酶活性采用磺胺比色法测定，以30 ℃下1 h内NO3-经还原形成NO2-的量作为1个酶活性单位。谷氨酰胺合成酶活性采用比色法测定，以30 ℃下1 h内形成 1 μmolγ-谷氨酰基羟肟酸的量作为1个酶活性单位[15]。

1.4 考种与测产

每个小区随机收获玉米50穗，装入网袋带回实验室，晒干后考种并折算产量。随机从50穗玉米中取10穗用于考种，调查千粒质量、穗粒数，然后将每个小区的玉米籽粒干质量以14%的含水量折算玉米产量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理，平均值和标准误由每个处理的3个重复数据计算而来。利用SPSS 19.0软件进行方差分析和显著性检验。

氮肥农学效率=(施氮肥区产量-不施氮肥区产量)/施氮肥量×100%；

氮肥利用率=(施氮肥区植株地上部氮素积累量-不施氮肥区植株地上部氮素积累量)/施氮肥量×100%。

2 结果与分析

2.1 单株限域定量施肥对夏玉米产量及构成因素的影响

从表1可以看出，施用氮肥能够显著增加夏玉米的千粒质量、穗粒数、干物质量和产量，与对照相比T2处理夏玉米的千粒质量、穗粒数、干物质量、产量分别增加6.1%、8.7%、21.3%、17.1%，T3处理比对照分别增加4.5%、8.5%、15.3%、15.4%。T2处理的夏玉米产量各项指标略高于T3处理，与T3处理相比T2处理的夏玉米产量和氮肥的农学利用效率分别增加1.7百分点、0.5 kg/kg，但处理间差异不显著。表明与分次施肥技术相比，单株限域定量施肥处理没有导致夏玉米产量下降，但能实现减少夏玉米施氮次数。

表1 不同施肥方式对夏玉米产量及其构成因素的影响

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，表2、表3同。

2.2 单株限域定量施肥对夏玉米植株养分积累量的影响

从表2可以看出，施用氮肥能够显著增加夏玉米植株体内氮磷钾的积累量，与对照相比，T2处理夏玉米植株氮磷钾的积累量分别增加47.8%、38.4%、29.6%，T3处理夏玉米植株氮磷钾的积累量分别增加44.3%、36.0%、26.9%。与T3处理相比T2处理的氮肥利用率增加2.1百分点，而T2、T3处理间夏玉米植株的氮素积累量差异不显著。表明单株限域定量施肥与分次施肥技术同样能够促进夏玉米对肥料养分的吸收。

表2 不同施肥方式对夏玉米植株氮磷钾积累量的影响

2.3 单株限域定量施肥对夏玉米叶片谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶活性的影响

从表3可以看出，与对照相比，施用氮肥T2、T3处理夏玉米吐丝期的叶片硝酸还原酶活性、谷氨酰胺合成酶活性均显著提高，与T1处理相比，T2处理夏玉米叶片的硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性分别提高 29.6%、17.9%，T3处理分别提高20.0%、14.1%。单株限域定量施肥能够满足夏玉米生育后期的氮素需求，与T3处理相比，T2处理在夏玉米生育后期叶片的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性分别提高8.0%、3.4%，但2处理间2个指标间差异均不显著。表明施氮能够促进吐丝期夏玉米叶片的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性，单株限域定量施肥处理与常规分次施肥处理同样能使夏玉米植株在生育后期的氮代谢维持在一个较高的水平。

表3 不同施肥方式对夏玉米叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性的影响

3 讨论与结论

作物生长所需的矿质养分主要来自于农田土壤矿化和施肥，科学的施肥技术是将肥料的特点和作物需肥规律结合起来，使作物在生长过程中能够从耕层土壤中持续获得能够满足自身生长发育所需的养分，最终实现作物的高产优质和成本低廉[16]。黄淮海地区夏玉米在小麦收获后播种，在播种前将氮磷钾肥料结合旋耕一次施入农田土壤，或是将氮肥分为基肥和追肥两部分施用。夏玉米生育期气温较高，氮肥被施入农田土壤后容易通过硝态氮淋失和氨挥发等方式损失掉，土壤中的尿素、碳酸氢铵、硫酸铵和硝酸铵等肥料均容易流失，从而降低其利用效率。不同的施肥方法对氮肥利用率的影响程度不一致。氮肥作为基肥一次性施入土壤常常导致玉米在生育后期氮素缺乏影响其生长和产量形成。习惯上将氮肥分为基肥和追肥2次施用，虽然能够提高基肥中氮肥的利用率，但是在玉米生长期内的开沟追肥过程往往会增加施肥成本并给夏玉米植株带来机械损伤。在夏玉米生产上甚至有农民直接将尿素在降雨前后直接撒在农田表面作为追肥。考虑到作物根系在土壤中分布不均匀，能够在土壤养分不均的环境找到并吸收自身所需的养分，本研究结合氮肥在土壤中淋溶损失的特点和作物根系特性，合理配置每株玉米生长所需的氮磷钾肥料，将其置入塑料杯连同杯子施入土中，用塑料杯内空间将非气态氮素限制起来，塑料杯内尿素所形成的硝态氮在随雨水下渗和侧向流动受阻，将溶于水的养分储存起来持续为夏玉米生长提供养分，从而实现减少夏玉米生长过程中的施肥次数。试验结果表明，单株限域定量施肥处理夏玉米产量和氮肥利用率均略高于常规分次施肥处理，表明该技术思路能够实现维持夏玉米高产并减少施肥次数的目标。

硝酸还原酶是作物进行氮代谢的关键酶之一，该酶参与催化作物体内NO3-转化为氨基酸的过程，作物体内该酶活性的高低与植株体内氮素同化速度快慢相关[17]。谷氨酰胺合成酶是一种参与作物体内各种氮代谢过程的调节酶[18]。前人研究表明，在玉米生育后期养分充足的条件下，高产田中夏玉米叶片内的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶将保持较高活性，确保其生育后期的氮代谢过程维持在一个较高的水平[19]。本研究结果表明，单株限域定量施肥技术处理处于吐丝期的夏玉米叶片内硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性均比常规施肥方式略有提高，表明该技术能够促进夏玉米生育后期植株体内的氮素吸收和氮同化能力，这对夏玉米产量和氮素利用率的提高有重要作用。

单株限域定量施肥技术能够显著提高夏玉米的氮肥利用率及生育后期叶片的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，同时显著提高玉米穗粒数、千粒质量和产量。单株限域定量施肥处理夏玉米的各项指标均略高于分次施肥处理，表明该技术在一定程度上能够促进夏玉米对肥料养分的吸收和利用。本试验为验证单株限域定量施肥技术思路在玉米生产上是否可行，因此暂用塑料杯作为限制可溶性肥料在土壤中随水运移的容器对该思路开展初步验证试验。鉴于在夏玉米生产实践中要考虑环境污染、材料成本和农业机械化等因素，将来需要对该技术开展进一步的研究，使之能够满足当前农村劳动力缺乏、简化施肥过程、减少施肥量和环保等需求，如用能够改良土壤的材料研制能够代替塑料杯的容器、将玉米播种施肥程序合二为一和开发能够机械化掩埋限域容器的机械等。

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