单株限域定量施肥条件下施氮量对夏玉米产量及氮效率的影响

冀保毅，李传保，雷振山，李跃伟，卫云飞，胡汉升

(信阳农林学院，河南信阳 464000)

玉米是我国的主要粮食作物之一，自2007年起玉米播种面积超过水稻成为我国播种面积最大的粮食作物。中国种植业信息网农作物数据库中的信息表明，2015年我国玉米播种面积为3 811.9万hm2，总产量达22 463.16万t。在中国粮食生产面临生产和环境双重成本约束的条件下，种植户亟需新型夏玉米高效施肥技术来实现当前的“减肥减药”行动目标。夏玉米产量高低与施氮量多少相关[1]，随着施氮量的增加，其产量会随之增加[2]。但是施氮量过高，夏玉米的氮素利用率和产量将会降低[3]，甚至带来环境污染[4]。为提高氮素利用效率，前人提出了分次施肥[5]、氮肥深施[6]、水肥一体化[7]等氮肥施用方法。但是在玉米生产上，多数种植户仍然采用一次性施肥方式。吉林省62.5%的玉米田均采用一次性施肥方式，虽然这种施肥方式会导致玉米在生育后期因氮素缺乏而产量降低[8]。便于操作的分次施肥方式能够提高氮肥的利用率，但是在玉米生长季节开沟追肥有时会给玉米带来机械损伤[9]。玉米生长季节气温较高，可能是个别种植户将尿素在降雨前后直接撒在农田表面的一个不可忽略的因素。因此，在玉米施肥上，种植户需要的是一种一次施肥并能够减少大田工作量的施肥方式。考虑到玉米的根系在耕层土壤中分布不均匀，并且能够在土壤养分不均的环境中找到并吸收自身所需养分[10]的特点，笔者根据玉米的需肥特点提出了单株限域定量施肥技术思路。单株限域定量施肥技术即根据作物根系向肥性特点，将施入农田的肥料限定在一定的空间内，限制氮肥随水下渗，以相对封闭的空间确保玉米在全生育期内能够吸收到足够的养分，从而实现提高肥料利用效率、降低施肥量的目标。当前玉米生产的最高或最佳施肥量多与氮肥深施和分次施肥等施肥技术相配套。在单株限域定量施肥条件下，关于夏玉米适宜施肥量的研究尚未见报道。本研究在单株限域定量施肥条件下，开展长期定位试验，探索夏玉米的适宜施氮量，以期为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 材料与试验地概况

本试验所用玉米品种为浚单20，由鹤壁市农业科学院提供。试验于2015―2016年在河南省邓州市罗庄镇肖营村玉米种植基地进行。该区属于亚热带季风气候，年降水量为723 mm，降水季节分布不均。本试验田土壤的沙粒、粉粒和黏粒含量分别为24%、52%和24%，依照国际制土壤质地分类标准，该土壤质地为粉质黏壤土。耕层土壤的有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别为6.62 g/kg、1.13 g/kg、14.05 mg/kg 和135.71 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验设6个处理，分别为N0(含氮0 kg/hm2)、N1(含氮60 kg/hm2)、N2(含氮120 kg/hm2)、N3(含氮180 kg/hm2)、N4(含氮240 kg/hm2)、N5(含氮300 kg/hm2)，其中不施氮肥处理作为对照。各处理均用单株限域定量施肥方法施肥，首先将每株玉米所需的肥料全部装入塑料杯中，然后往塑料杯内装入80 mL细土，将细土和肥料混匀，再用适量土壤将塑料杯填满。在农田中将要播种玉米的位置开挖土穴，土穴的长、宽、深分别为10、10、18 cm。把装满土壤和肥料的塑料杯垂直向上放入土穴中，用土壤填满塑料杯周围并在塑料杯上方覆盖约3 cm厚的土壤。玉米种子的播种深度为3～5 cm，在横向距离塑料杯口边沿大约2～3 cm处，然后用土壤填满整个土穴。播种时行距为60 cm，株距为25 cm，种植密度为 67 500株/hm2。除氮肥外各处理中磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量分别为100、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，每个处理设3次重复，小区面积为7 m×8 m=56 m2。试验期间夏玉米分别于2015年6月5日和2016年6月8日播种，于2015年10月2日和2016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目和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；土壤速效钾含量用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤全氮含量用凯氏定氮法测定。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，再于75 ℃烘干至恒质量。将烘干后的样品粉碎，用于测定不同器官养分含量。植株全氮含量用H2SO4-H2O2消煮-蒸馏定氮法测定；植株全磷含量用钼黄比色法测定；植株全钾含量用火焰光度计法测定[11]。

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，调查千粒质量和穗粒数，然后将每个小区的玉米籽粒干质量按14%的含水量折算玉米产量。

1.5 试验数据处理

养分吸收利用的相关计算公式如下：氮肥农学利用效率(AE)=(施氮肥区产量-不施氮肥区产量)/施氮肥量；氮肥利用率(NRE)=(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产量)/施氮肥量×100%；氮素积累量=干物质质量×植株地上部氮含量；氮肥偏生产力(NPFP)=籽粒产量/氮素投入量；氮肥生理利用率(PE)=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区氮积累量-不施氮区氮积累量)[12]。采用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(ANOVA)和处理间显著性检验(Duncan′s)，差异显著性分析均在0.05水平。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对夏玉米产量及其构成因素的影响

表1结果表明，施氮能显著改变果穗的穗粒数、千粒质量、籽粒产量和干物质量，该结果受年份因素影响较大。从2016年的试验数据可以看出，在施氮量0～180 kg/hm2范围内，夏玉米产量及其构成因素均随着施氮量的增加而增加，最高产量比不施氮处理产量增加18.0%；在施氮量180～300 kg/hm2范围内，夏玉米产量及其构成因素随着施氮量的增加，增加不显著或略有下降。表明施氮量过低，穗粒数和千粒质量下降使夏玉米的库容量受限，施氮量过高也会带来库容量下降的结果。在单株限域施肥条件下，夏玉米产量随着施氮量的增加而逐步提高，施氮量达到240 kg/hm2时夏玉米的产量最高，继续增加施氮量，夏玉米产量将会降低。2015年各处理夏玉米产量和干物质量均高于2016年。

表1 不同施氮量对夏玉米产量及其构成因素的影响

注：同列数据后标有不同小写字母表示在0.05水平上具有显著差异。下表同。

2.2 不同施氮量对夏玉米植株养分积累量的影响

从表2可以看出，在磷肥和钾肥用量相同的条件下，施用氮肥能够显著增加夏玉米植株体内的氮磷钾养分的积累量，年份对夏玉米植株养分积累量影响明显。从2016年的试验数据可以看出，随着施氮量的增加，夏玉米植株体内氮素养分的积累量逐渐增加。玉米整株氮素积累量与施氮量符合一元二次函数关系(Y=-0.000 6X2+0.323 8X+119.23，r2=0.982 2)。根据该函数可知，当施氮量达到 269.83 kg/hm2时，夏玉米植株体内氮素养分的积累量最高，为162.91 kg/hm2。

2.3 不同施氮量对夏玉米氮肥利用率的影响

从表3可以看出，不同施氮处理的氮肥农学利用效率、氮肥利用率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率变化范围分别为3.42～15.07 kg/kg、14%～33%、22.3～109.6 kg/kg和 26.75～50.93 kg/kg，同时这些指标基本上随着施氮量的增加而下降。从提高氮肥利用效率考虑，在单株限域定量施肥条件下，夏玉米的施氮量以180～240 kg/hm2为宜。

2.4 施氮量对夏玉米产量的关系

由图1可知，在单株限域定量施肥条件下，夏玉米产量与施氮量的关系符合一元二次函数关系。在氮磷养分施用量不变的条件下，当施氮量在0～210 kg/hm2范围内时，夏玉米产量随着施氮量的增加而增加；当施氮量在210～300 kg/hm2范围内时，夏玉米的产量随着施氮量的继续增加而下降。当施氮量为210 kg/hm2时，夏玉米理论产量的最高值可达 6 817.64 kg/hm2。因此，在单株限域定量施肥技术条件下，夏玉米适宜的施氮量范围在180～240 kg/hm2。与当地 300 kg/hm2的习惯施氮量相比，采用单株限域定量施肥技术可将夏玉米生产中的氮肥用量降低20%～40%。由此可见，在单株限域施肥条件下，施氮量为240 kg/hm2是获得夏玉米高产的最佳施肥量，该施肥量比当地300 kg/hm2的夏玉米习惯施氮量低20%。

表2 不同施氮量对夏玉米植株氮磷钾积累量的影响

表3 不同施氮量对夏玉米氮肥利用效率的影响

3 讨论

关于施氮量对夏玉米产量、成产因素和氮素利用率的影响，前人的研究结果不尽一致。在适宜的范围内增施氮肥能够提高玉米的产量及其产量构成因素，而施氮量超过 270 kg/hm2后，继续增加施氮量不利于玉米产量及其成产因素的提高[13]。不同生态条件下，玉米适宜的施氮量不同。有研究表明，玉米的施氮量超过240 kg/hm2后，继续增加施氮量时玉米的籽粒产量不再增加，而玉米秸秆的生物量将开始下降[2]。施肥方式不同影响玉米产量及其氮素利用率，分次施肥方式处理的玉米产量和氮素利用率高于一次性施肥方式处理[14]。本试验中，单株限域定量施肥方式下夏玉米适宜的施氮量为210.11 kg/hm2。与2016年的试验结果相比，2015年的试验数据变化规律不明显。这是因为试验田所在区域，以往农田施肥量均较大，农田土壤基础肥力对第1年试验结果的干扰较大。在第2年试验期间，对照处理玉米的产量才明显低于其他处理。

本试验中，笔者用塑料杯营造一个相对封闭的施肥空间，目的是探索单株限域定量施肥方式是否能够提高氮肥利用率和减少施氮量。试验结果表明，与当地习惯施氮量相比，单株限域定量施肥方式下玉米的施氮量降低了20%～40%。因此，需要进一步开展的工作是将塑料杯用有机肥等物质代替，最终实现降低肥料施用量的目标。

4 结论

在单株限域定量施肥条件下，夏玉米植株的氮素积累量随施氮量增加而符合一元二次方程曲线关系。2016年，在施氮量为0～180 kg/hm2范围内，随着施氮量增加，夏玉米产量、千粒质量、穗粒数和氮积累量呈上升趋势；在施氮量为180～300 kg/hm2范围内，继续增加施氮量，夏玉米产量和氮肥利用效率略有降低。随着施氮量增加，夏玉米的氮素农学利用效率、氮素利用率和氮素生理利用率均随施氮量的增加而下降。本试验条件下，夏玉米产量和施氮量的肥料效应方程如下：y=-0.022 7x2+9.539 1x+5 815.5(r2=0.862 5)，根据方程计算出单株限域定量施肥条件下夏玉米的经济施氮量为210.11 kg/hm2。与习惯施肥方式相比，单株限域定量方式可为种植户节约20%～40%的施氮量。