不同施氮量对玉米产量及各器官养分积累的影响

刘志恒，徐开未，王科，解晋，王佳锐，赵亚妮，陈远学*

（1.四川农业大学资源学院，成都611130；2.四川省乐山市五通桥区农业局，四川乐山614800）

氮素是玉米生长发育所必需的营养元素之一，也是最重要的产量限制因子，因此，合理施用氮肥，做好氮素管理在玉米生产中具有十分重要的意义[1]。长期施用氮肥对玉米产量及土壤养分均有一定的影响[2]。朱兆良[3]认为，除作物吸收及在转化过程中的损失外，化学氮肥主要以无机态氮的形态存在于土壤中[4]，玉米对氮肥较为敏感，施氮后增产效果明显[5]。同时，由于玉米的耐肥性较强，近年来玉米氮肥超量施用问题突出，因而造成氮肥利用率显著下降，对生态环境构成潜在威胁，这不仅是农业生产的经济效益问题，也是生态环境安全问题[6-8]。基于此，玉米生产注重土壤质量培育和可持续利用，玉米高产及其可持续性的研究越来越受到人们重视；对玉米产量的研究不再局限于当季或单季，还需要研究连续多年产量的变化[9]。近年来研究不同氮肥处理对玉米产量、养分吸收及氮素平衡的报道也较多[10]，但缺乏多年定位定量施肥对玉米产量、各器官氮磷钾养分累积、氮素平衡的研究。本研究通过田间定位试验，研究长期定量施用不同量的氮肥对玉米产量、各器官养分积累量、肥料利用率及收获期耕层土壤铵态氮、硝态氮含量的影响，从而为提高玉米产量和氮肥利用率、减少氮肥污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地位于四川省雅安市雨城区四川农业大学农场，土壤类型为紫色土，土壤质地为黏质重壤土，耕种前耕层（0～20 cm）混合土样的基本理化指标为pH 6.1、有效磷19.4 mg/kg、速效钾76.3 mg/kg、有机质35.6 g/kg、全氮2.23 g/kg、碱解氮116 mg/kg。

1.2 试验材料

玉米品种选用四川省及农业部主推优良品种“川单418”。试验施用氮肥为尿素（含N 46%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），均购自四川省雅安市农贸市场。

1.3 试验设计

本试验为多年田间定位试验，时间从2009—2014年，期间各处理施肥量不变。试验设计为5个氮水平处理，施氮（N）量分别为 0、90、180、270、390 kg/hm2，依次记为 N0、N1、N2、N3、N4。所有处理统一施底肥（P2O575 kg/hm2，K2O 105 kg/hm2），氮肥用量按底肥、拔节肥、穗肥分别为30%、30%、40%施用。为便于长期定位和氮肥管理，试验采用裂区设计，5个大区分别设置5个氮处理，每个大区长8 m、宽10 m，大区之间间隔2 m；每个大区再划分为4个小区作为4次重复，小区面积为18 m2（2 m×9 m）。

1.4 试验实施

玉米于2014年3月25日育苗，4月13日（二叶一心期）移栽。玉米采用宽窄行种植，宽行1.5 m，窄行0.5 m，穴距0.38 m，每穴植苗2株，种植密度为5.7万株/hm2。试验田间管理同当地高产地。

1.5 测定项目及方法

在玉米吐丝期和收获期分别从每个小区随机采集5株作为样品，分根、茎、叶鞘、叶、苞叶、玉米芯和籽粒制样，105℃杀青30 min，75℃烘干至恒量，测定玉米各器官干物质量；粉碎过0.25 mm筛用于测定全氮、磷、钾含量[11]。采样后全部实收计产。

1.6 各指标计算公式及数据处理

植株氮积累量=根生物量×根氮含量＋∑（地上部各器官生物量×各器官氮含量）；

氮肥农学利用率=（施氮区籽粒产量－不施氮区籽粒产量）/氮肥施用量；

氮素收获指数=籽粒吸氮量/地上部总吸氮量×100%；

氮肥当季利用率=（施氮区植株吸氮量－无氮区植株吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥偏生产力（PFP-N）=籽粒产量/氮肥施用量。

所有数据用Excel 2010作图，DPS 9.50统计分析，用最小显著差异法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对玉米农艺性状及产量构成的影响

由表1可知，施氮处理（N1、N2、N3、N4）的各项指标都显著高于N0，并在N2水平达到最大。相对于N0水平，N1、N2、N3和N4的增产率分别为83.8%、116.1%、109.7%和69.4%，其中N4相对于N2、N3产量下降明显。从产量构成来看，玉米在不同氮处理下的穗粒数、千粒质量表现为 N2＞N3＞N4＞N1＞N0，这说明适宜的施氮量有益于玉米穗粒数的提高和灌浆，不施或过多施氮均会抑制玉米穗粒形成。从农艺性状来看，施氮处理的玉米株高、穗位高、穗长和穗粗均明显高于不施氮（N0）处理，表明施氮有利于玉米植株的生长和穗的发育。

2.2 不同施氮水平对吐丝期和收获期玉米生物量的影响

如图1所示，相对于不施氮处理（N0），施氮处理玉米吐丝期及收获期的植株生物量均显著增加。随施氮量增加，玉米吐丝期和收获期的植株生物量均表现为先显著增加后又显著降低的趋势，在N2处理达最大值，分别比N0、N1、N3、N4处理高出197.5%、23.0%、9.4%、9.6%。这说明适量施用氮肥有利于玉米的生长，不施或施用过多均会产生抑制作用。此外，本研究表明，从吐丝期到收获期，N0、N1、N2、N3、N4处理的花后干物质积累量分别为3 096、9 155、12 112、10 667、10 173 kg/hm2，其中N0处理的最小，N2处理的最大，且N2处理的收获指数（籽粒占植株总生物量的比例）也最高，表明N2处理水平最有利于玉米花后干物质积累和向籽粒转运。此外，施氮处理的玉米根系生物量均高于N0处理，且随施氮量的增加呈先增加后有所下降的趋势，表明施适量氮肥有利于玉米根部生长。吐丝期 N0、N1、N2、N3、N4处理的根冠比分别为0.14、0.14、0.15、0.14、0.13，也是N2处理的最大，说明适宜的施氮处理有利于增大根/冠比，促进根的生长，从而更有效地吸收土壤中的水分和养分以供应玉米生长，而高氮处理更大地促进了冠层生长，从而降低了根/冠比。

2.3 不同施氮水平对玉米籽粒养分含量及氮肥农学效应的影响

如表2所示，随着施氮量的增加，玉米籽粒含氮磷钾量均有增加趋势，且N2、N3、N4处理的籽粒含氮量显著高于N0和N1，表明施氮肥对玉米的氮磷钾养分吸收具有一定促进作用。收获指数是经济产量占生物量的百分比，在本试验中，N0、N1、N2、N3、N4处理的氮收获指数分别为57.7%、61.1%、63.8%、66.7%、51.9%，N2和N3处理显著高于N0和N4处理，说明氮收获指数在一定程度上受施肥量的影响，适量施氮有利于提高氮收获指数。此外，玉米氮肥偏生产力、氮肥利用率、氮肥农学效率均随施氮量的增加而不断降低，表明中氮处理（N2）基本能够满足玉米生长的需求，氮利用效率相对较高，高氮处理（N4）的氮肥利用率最低（29.9%），而低氮不能满足玉米的需氮量。综合产量、氮肥利用率等指标，N2处理的玉米氮收获指数、氮肥农学效率、氮肥利用率相对较高，因此本研究认为，在这5个处理中多年合理施氮量应控制在N2水平，即180 kg/hm2为最佳。

表1 不同施氮水平对玉米农艺性状及产量构成的影响Table 1 Effects of different nitrogen application levels on agronomic traits and yield components of maize

图1 吐丝期（A）和收获期（B）玉米干物质积累量Fig.1 Biomass acquisition of maize at tasseling stage(A)and harvesting stage(B)

2.4 不同施氮水平对玉米各器官养分积累及分配的影响

如表3所示，在不同的施氮水平下，玉米各器官的氮积累量均表现为籽粒＞叶＞茎＞叶鞘＞玉米芯＞苞叶＞根，总氮平均积累量为163.6 kg/hm2，其中籽粒、叶、茎、叶鞘、玉米芯、苞叶、根分别占61.6%、20.6%、5.8%、4.6%、3.8%、2.2%和1.2%；磷平均积累量表现为籽粒＞茎＞叶＞根＞叶鞘＞玉米芯＞苞叶；钾平均积累量表现为籽粒≈茎＞叶＞叶鞘＞苞叶＞玉米芯＞根。表明氮主要积累在籽粒中，其次是叶片中；磷主要积累在籽粒中，其次是茎叶中；钾主要积累在籽粒和茎中。

表2 玉米籽粒养分含量及氮肥利用效率Table 2 Nutrient content of maize kernel and nitrogen use efficiency

玉米各器官对氮磷钾的吸收量都是施氮处理显著高于不施肥处理。与不施氮(N0)相比，N1、N2、N3、N4处理籽粒吸氮量分别增加1.16倍、2.19倍、2.17倍、1.72倍，全株吸氮量分别增加1.08倍、1.87倍、1.86倍、1.63倍；磷、钾也有相近的变化趋势。随施氮量增加，籽粒和叶片吸氮量是先增加后降低，在N2处理达最大值，而茎、叶鞘、苞叶、芯和根的吸氮量呈持续增加趋势；全株吸氮量呈先增加后降低的趋势，在N2处理达最大。玉米籽粒和茎对P、K的吸收量随施氮量增加呈先增加后降低，而叶、叶鞘、苞叶、芯和根的P、K吸收量随施氮量增加而持续增加。全株吸收N、P、K的量都是呈先增加后降低的趋势，基本都在N2处理水平达最大。总体表明，适宜的氮肥处理（180 kg/hm2）才有利于玉米的生长和对N、P、K养分的吸收。玉米同一器官对N、P、K的吸收差异明显，籽粒是N＞P＞K，茎和苞叶是K＞N＞P，叶片、叶鞘和芯都是N＞K＞P，根中虽是K＞N＞P，但N、P、K较均衡（表3）。

表3 玉米各器官养分积累及分配Table 3 Nutrient accumulation and distribution in different organs of maize kg/hm2

2.5 玉米收获期土壤无机氮含量

如表4所示，玉米收获后土壤表层铵态氮、硝态氮含量都是施氮处理高于不施氮处理，并随施氮量的增加而增加。在相同条件下，土壤硝态氮含量均高于铵态氮含量，随施氮量增加土壤铵态氮的变化程度比土壤硝态氮的大。相对于不施氮处理（N0），N1、N2、N3、N4处理的土壤硝态氮含量分别增加30.6%、36.8%、67.5%、87.6%，土壤铵态氮含量分别增加41.8%、69.0%、96.3%、98.0%。

表4 土壤无机态氮含量Table 4 Soil mineral nitrogen content mg/kg

3 讨论

3.1 不同氮用量下玉米生长的响应

玉米属C4植物，生长需求较多的养分供应，而氮是主要的营养要素之一。有关玉米氮营养的研究已有很多[12-15]。本研究是在田间定位试验条件下，研究不同施氮量的效应。结果表明，玉米株高、穗位高、穗长、穗粗、吐丝期及收获期植株生物量，以及穗粒数、千粒质量、籽粒产量均是施氮处理显著高于不施氮处理，随施氮量增加均呈先增加而后降低的变化趋势，基本都在N2处理达最大。根冠比和收获指数也是在N2处理最高。说明施氮有利于玉米植株的生长和穗粒的发育，但施氮量要适宜，适量施氮最有利于根冠协调，利于玉米花后干物质积累及向籽粒转运，不施或施用过多均会产生抑制作用[16]。本研究还发现，多年大量施氮肥并不会使玉米产量持续增加，超过合理水平反而会降低，因此在实际应用中若过多施肥后可考虑减少施肥以防止玉米产量的下降。本研究认为，长期施氮量保持在180 kg/hm2最有利于玉米生物量的积累和籽粒产量的稳定。

3.2 玉米各器官的养分吸收特征及氮肥利用率

玉米不同器官吸收同一养分或同一器官吸收不同养分均有明显差异，这是由玉米的营养特性决定的。本研究中，养分吸收（含量）的差异表现为：籽粒是N＞P＞K，茎和苞叶是K＞N＞P，叶片、叶鞘和芯都是N＞K＞P，根中N、P、K较均衡。玉米各器官的氮积累量为籽粒＞叶＞茎＞叶鞘＞玉米芯＞苞叶＞根，氮主要积累在籽粒中（占61.6%），其次是叶片中（占20.6%）；玉米各器官的磷积累量为籽粒＞茎＞叶＞根＞叶鞘＞玉米芯＞苞叶，磷主要积累在籽粒中（占59.4%），其次是茎（占16.7%）和叶（占11.9%）中；玉米各器官的钾积累量是籽粒≈茎＞叶＞叶鞘＞苞叶＞玉米芯＞根，钾主要积累在籽粒（占26.2%）和茎（占26.0%）中，其次在叶片和叶鞘中（共占27.7%）。明了这些营养特性有助于对玉米进行合理的营养调控与管理。

据报道，我国玉米的氮肥利用率自20世纪80年代以来呈下降趋势，平均只有26.1%，远低于国际水平[6]。何萍等[17]研究表明，适宜氮素用量能提高营养体及籽粒对氮素的再分配率，有利于经济产量的形成。长期不施肥会严重影响玉米产量，而长期过量施肥会显著提高土壤中硝态氮的浓度，增加氮素淋失的威胁[18-19]。玉米收获期土壤铵态氮与硝态氮含量过高会对环境产生污染，保持适量的无机态氮能维持土壤肥力，因此，适量施用氮肥使收获期土壤硝态氮与铵态氮含量相对较低，从而减少硝态氮对环境的污染[20-22]。本研究中，随施氮量增加，玉米籽粒和叶片吸氮量是先增加后降低，在N2处理达最大值，而茎、叶鞘、苞叶、芯和根的吸氮量呈持续增加趋势；玉米籽粒和茎对P、K的吸收量随施氮量增加呈先增加后降低，而叶、叶鞘、苞叶、芯和根的P、K吸收量随施氮量增加而持续增加；全株吸收N、P、K量都是呈先增加后降低的趋势，基本都在N2处理水平达最大。玉米氮肥偏生产力、农学利用效率、氮肥利用率均随施氮量的增加而不断降低，中氮处理（N2）的氮利用率和利用效率都较高，而高氮处理（N4）的氮肥利用率只有29.9%，土壤无机氮有一定积累。表明只有适量施用氮肥才能兼顾玉米高产、高效及环境保护。

4 结论

本试验结果表明，施氮肥能够提高玉米农艺性状和植株养分积累量，长期不施氮肥会严重降低玉米产量，长期施用180 kg/hm2的氮肥能够最好地保持土壤供氮能力，维持土壤无机态氮在相对较低水平而减少污染，促进玉米生长并获得高产。

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(2)对样本库中数据进行PCA方法降维。对上浆浓度、上浆流量、清水加入量、浆厚度、洗涤水温度、纸浆硬度进行主元分析，得到载荷矩阵和特征值矢量。寻找第一个载荷矢量中绝对值最大的系数对应的变量，并剔除。再次进行主元分析。

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