化肥减量对玉米农田土壤氮分布及作物氮吸收的影响

尚 辉

[江苏省沿海开发(东台)有限公司，江苏东台 224200]

氮元素是植物发育和生长的必需养分，也是许多化学肥料的重要成分。化肥尤其是氮肥的大量施用，虽然在一定程度上有助于提高作物产量，但也增加了农业生产成本，而过量地施用不仅造成肥料浪费，引起土壤酸化地力退化，而且污染环境，破坏生态系统的平衡[1-7]。相关专家表示，目前的农业污染绝不小于工业生产造成的污染[8]，其中很大一部分是源于化肥尤其是氮肥的滥用。据此，本试验通过田间试验分析了化肥减量处理下土壤氮素分布和玉米器官氮素含量的变化，以此研究氮素在土壤-植物系统中的分布及其相互关系。研究结果将为玉米生产中的化肥减施提供一定的借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2011年夏季在西北农林科技大学三原试验站玉米生育期进行。该地区年平均气温13.4 ℃，降水517.7 mm，平均无霜期215 d，太阳总辐射47.375亿J/m2，长期进行冬小麦—夏玉米轮作。供试土壤为棕黄壤，是关中地区代表性黄色土，试验开始前采集耕层(0～20 cm)基础混合土样，进行其基本理化性质分析，基础土壤pH值(去离子水与土比 1 ∶1)为8.41，全氮量1.52 mg/g，速效磷含量 20.35 mg/kg，速效钾含量130.50 mg/kg，碱解氮含量 40.00 mg/kg，有机碳含量14.45 g/kg。

1.2 试验材料与田间设计

供试肥料为尿素(U)(总氮含量为46%)、磷酸二铵(D)(五氧化二磷含量为46%)，设置了氮磷肥(NP)、70%氮磷肥(70%NP)、50%氮磷肥(50%NP)、30%氮磷肥(30%NP)及不施肥(NF)5个处理(表1)，完全随机区组设计，3次重复。种植时一次性施肥，免耕，其他农事操作均按常规耕作进行。供试玉米为郑单958，于2011年6月20日人工播种，密度为6.75万株/hm2，行距60 cm，小区面积为15 m×26 m。

表1 试验处理

1.3 取样与分析方法

1.3.1 取样时间及方法 于2012年6—9月，在玉米苗期、拔节期、灌浆期、成熟收获期用S形布点法进行取样，每个土壤样品由5点采样混合而成，采样深度分为0～20、20～40、40～60、60～100 cm 4层。土壤样品自然风干后，过0.25 mm筛备用。在玉米苗期、拔节期、灌浆期、成熟期分别取代表性的植株10株，所有植株样品采回后，将植株各器官分开，然后在105 ℃下杀青30 min，再在80 ℃下烘至恒质量，然后粉碎，经粉碎的样品过200目筛后装自封袋，备用。

1.3.2 玉米根茎叶及土壤全氮含量分析 样品氮含量用丹麦FOSS公司的Kjeltec 8400凯氏定氮仪测定。

1.3.3 考种与测产 在夏玉米收获时，每小区随机取20个植株考种，测定植株的株高，果穗行数、穗粒数、百粒质量等。产量为每小区单收单打(单独采收试验小区所有果穗脱离、烘干)的实测结果。

1.4 数据处理

数据分析采用Excel和SPSS 17.0软件，方差分析采用Duncan’s新复极差法。

2 结果与分析

2.1 化肥减量对玉米产量的影响

株高、穗行数、行粒数、百粒质量是玉米产量的主要构成因素[9]，本试验调查了不同施肥条件下玉米的株高、穗行数、行粒数及百粒质量(表2)。可见在化肥减量条件下，各处理间玉米穗行数差异不显著，但随着施肥量的减少，穗行数有逐渐增加的趋势，由此可见穗行数不是玉米产量的决定因素。除穗行数外，株高、行粒数、百粒质量均以不施肥处理(NF)最小，如行粒数和百粒质量，NF较其他处理相比分别减小 5.34～10.33粒和2.54～7.84 g；其中NP、70%NP处理与NF各产量构成因素(株高、行粒数、百粒质量)差异显著。由此可见，适当地施肥在一定程度上有利于玉米生长和产量的提高。减量施肥处理下，70%NP、50%NP、30%NP、NF处理的玉米产量分别为9.47、8.47、8.17、6.29 t/hm2，与NP处理的玉米产量(9.71 t/hm2)相比分别降低了2.47%、12.77%、15.86%、35.22%，在化肥减量的情况下，70%NP与常规施肥(NP)产量差异不显著，其他减量施肥处理都表现出显著性降低。

表2 化肥减量对玉米主要产量构成因素的影响

2.2 化肥减量对玉米根、茎、叶氮含量的影响

由图1可知，各处理从玉米的苗期到拔节期，玉米根、茎、叶中氮含量均呈现出降低的趋势；不同处理下根、茎、叶中，叶中的氮含量最高，但是茎中各时期氮含量变化最大，它们之间呈现出较大差异。随着施肥量的减少，玉米根、茎、叶中氮含量有明显的降低趋势；所有处理的氮含量在苗期最大，最大值为37.65 mg/g，在成熟期最低，最小值为14.23 mg/g。玉米前期主要是营养生长，养分大多集中在作物的营养器官中，到了玉米的生殖生长期，随着作物的生长，养分开始向玉米生殖器官转移，因此根、茎、叶的氮含量随着生长期的延长逐渐降低。

作物中氮素主要来源于土壤，根是作物从土壤中获取必需养分的器官，其氮素含量的高低不仅能反映出根的活力，也将决定作物生长的好坏。由图1-a可以看出，与NP处理相比，30%NP、NF处理的玉米根中氮含量在玉米各生育时期均显著降低，而70%NP、50%NP处理下的玉米根氮含量只是在玉米拔节期和成熟期比NP处理玉米根氮含量显著减少了，在玉米的苗期及灌浆期并没有呈现出显著性差异。由此可以看出，拔节期玉米进入快速生长期，此时是玉米对氮肥需求量最大的时期，土壤含氮量势必会影响根对氮素的吸收及根本身的氮含量。

茎作为植株连接地上部分、地下部分的纽带，是植株营养最主要的运输枢纽。作物茎中的氮含量一方面可以反映作物转运系统，同时也会影响到作物的生长。由图1-b可知，随着施肥量的减少，玉米根的氮含量在各个时期均有逐渐降低的趋势，在苗期和灌浆期30%NP、NF处理与NP处理氮含量均显著降低。

叶是植物进行光合作用最主要的器官，它的生长状况不仅决定了植物干物质的积累，同时叶片外观及其养分含量亦是作为植物是否缺素的重要依据[10]。由图1-c可知，随着玉米的生长，玉米叶中氮含量明显降低。在不同的生育时期，与NP处理相比，不施肥处理玉米叶的氮含量均显著降低；30%NP处理在玉米苗期和成熟期时叶中氮含量显著降低；50%NP处理玉米叶的氮含量只在成熟期显著降低；70%NP处理各生育期均无显著性差异。

2.3 化肥减量对土壤氮分布的影响

由图2可以看出，在玉米的不同生育时期，各处理的土壤氮含量均随着土壤深度的增加逐渐降低，且在玉米的整个生育时期，各处理在60～100 cm土层的氮含量均没有出现明显差异，而土壤氮含量有较大变化的主要是在0～60 cm的土层，特别在0～40 cm的土壤中。

从玉米苗期到灌浆期，与NF处理相比，施肥处理后的 0～20 cm土壤中氮含量增加了，且各处理之间20～100 cm土壤中氮含量没有明显差异。值得注意的是在玉米苗期40～60 cm土壤中氮含量低于60～100 cm土壤。NF处理0～20 cm 土壤的氮含量随着玉米生长逐渐增加，且在成熟期高于其他处理。由此可以看出，施肥处理一方面促进作物对土壤中的养分吸收，利于作物的生长，但另一方面却可能影响土壤养分的积累，促进土壤养分的流失。

3 讨论

3.1 氮肥对夏玉米产量的影响

氮肥的施用量对作物产量有显著影响。适量地施用氮肥可以提高籽粒灌浆速率，增加粒质量，而缺氮或过量地施用氮肥都会降低粒质量[11]。但也有学者认为，施用氮肥对夏玉米籽粒有显著的增产作用，但随施氮量的增加，产量变化不大[12]。郭红梅等研究表明，氮肥运筹对春玉米产量和经济效益有显著影响[13]。本试验结果表明，玉米产量在施氮量减少到70%(70%NP)时，产量与常规施肥(NP)差异不显著，但若施氮量继续减少则会使产量显著降低。由此可以看出，针对常规的氮肥施入，适当地减少氮肥的施用量可能会取得更好的经济效益和农田生态效益。

3.2 化肥减量下玉米根茎叶氮含量与土壤氮分布的相互影响分析

土壤中氮素可以以多种形式被植物吸收利用，土壤氮含量是影响作物根吸收氮素并转化利用的重要因素。本试验中化肥减量(主要是氮肥的减量)造成玉米产量不同程度地降低，一方面化肥减量影响到土壤中氮素含量，造成土壤氮素含量在不同处理间差异显著，影响到玉米根对氮的吸收。观测玉米根、茎、叶及各层土壤氮含量，发现玉米根、茎、叶中氮含量随着玉米的生长表现出逐渐降低的趋势，而土壤氮含量却有一定程度的增加。玉米根、茎、叶中氮含量的减少主要是由于有机物质向玉米穗转移，而土壤中氮含量的增加可能是由于玉米根系残留或其分泌物的影响。综合分析玉米根、茎、叶氮含量与土壤氮含量，不难看出化肥减量对玉米氮吸收产生一定的影响，不同处理下0～20 cm土壤氮含量均有一定增加。由此可以看出，化肥减量虽然会影响作物对氮的吸收，但可能有利于表层土壤对氮的固定，适当的化肥减量具有一定的生态经济意义。

3.3 根、茎、叶及0～20 cm土壤氮含量与玉米产量的相关性

由表3可知，根、茎、叶氮含量在灌浆期与玉米产量显著相关，而叶片的氮含量与玉米产量在灌浆期和成熟期均呈现极显著相关性；而在苗期和拔节期0～20 cm土壤氮含量与玉米产量显著相关。苗期和拔节期是玉米生长最快的时期，这2个时期也是玉米对养分需求最多的时期，而土壤养分含量直接影响到玉米叶片有机物质的积累；灌浆期是决定玉米产量最关键的时期，叶片在前期积累的有机物质经过转运枢纽——茎转移到籽粒中，所以这一生育期根、茎、叶的作用极其重要。因此，化肥减量在玉米营养生长期影响了玉米根、茎、叶的生长后，在灌浆期势必会影响玉米籽粒对有机物质的积累。

表3 玉米产量与氮含量的相关分析

注：*、**分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。

4 结论

在大田试验条件下，70%NP处理玉米产量与常规施肥(NP)无显著差异。化肥减量条件下玉米根、茎、叶的氮含量存在显著差异，化肥减量会影响作物对氮的吸收。玉米收获后，0～20 cm土壤氮含量较苗期均呈现不同程度的增加。由此可见，化肥减量有利于土壤对氮素的固定。鉴于减量施肥30%在保持土地的高生产力前提下，能降低氮肥的使用量，节约成本，减少环境污染，因此这一处理在夏玉米种植化肥的高效利用中具有一定的可行性。