覆膜和控/缓释肥互作对春玉米生长与氮素利用的影响

2019-09-09何建强

农业机械学报 2019年8期

周翔陈上何川徐芳冯浩何建强

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100； 3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

0 引言

陕西渭北旱塬地处黄土高原南部半湿润易旱区，年降水量在500～650 mm，降雨主要集中在7—9月。降水不足、早春低温、土地贫瘠是限制渭北旱塬玉米生产的重要原因[1]。研究表明，使用地膜覆盖、制定合理的施肥制度、增加种植密度、降低无效蒸发等措施是改善玉米生产和提高水氮利用效率的重要途径[2-3]。覆膜具有明显的增温保墒效果，在早春低温和干旱半干旱地区得到了广泛推广，使得作物生产潜力得到极大发挥[4]。但是，在覆膜条件下，传统的尿素一次性基施的施肥方式，使得玉米前期生长过快，而后期氮素供应不足，造成氮素供需错位，肥料利用率降低[5-6]。因此，改进覆膜条件下的氮肥施用技术、提高氮肥利用效率，对渭北旱塬玉米高产、高效和安全生产具有重要意义。

近年来，控/缓释肥的研发和应用成为解决上述问题的有效途径。控/缓释肥通过包膜材料和抑制硝化反应等方法，可以有效控制氮素的释放速率，促进作物生育后期的氮素积累，促进氮素转运和分配，提高作物产量和肥料利用效率[12]。ZHAO等[13]研究表明，作物对氮素吸收曲线与缓释肥的释放曲线相对应，由此得到缓释肥能很好地满足作物生长所需氮素的结论。目前，对控/缓释肥的研究大都集中在不同肥料类型、尿素与缓释肥料掺混等单因素对玉米生长、产量和氮素吸收利用的影响[9-10,14-15]。周宝元等[16]研究不同耕作方式下控/缓释肥对夏玉米产量以及氮素利用的影响，得出条带深松耕作下，控/缓释肥施用的作物产量和氮素利用效率最高，也由此证明种植方式能够显著影响不同类型肥料的施用效果。

控/缓释肥与覆膜、起垄等栽培方式结合，可以较好地发挥技术之间的耦合效应，使得覆膜的效应最大化[10]。控/缓释肥可以与地膜覆盖协同调控土壤氮素供给[17-18]，改善作物氮素积累条件和干物质转移“源”—“库”过程的影响，对提高作物产量和水氮利用效率具有重要意义[9,18-19]。

本文通过在陕西渭北旱塬地区开展不同栽培方式和氮肥施用类型条件下春玉米生长大田试验，研究地膜覆盖措施和控/缓释肥互作对玉米生长和氮素吸收利用的影响，以期进一步优化渭北旱塬地区春玉米种植的高效水肥利用方案，揭示地膜覆盖和控/缓释肥互作的增产机制。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验于2017年在陕西省永寿县渡马镇(34°42′N，108°8′E，海拔985 m)和中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站(35°14′N，107°41′E，海拔1 220 m)两地进行。永寿试验站年平均气温10.8℃，多年平均降水量580 mm(主要集中在7—9月)。长武试验站年平均气温9.5℃，多年平均降水量为578 mm(主要集中在7—9月)。两个试验站土壤初始理化性质如表1所示，2017年春玉米生育期内逐日气温和降雨量如图1所示。

表1 永寿和长武试验站土壤初始理化性质Tab.1 Initial soil properties of experimental sites in Changwu and Yongshou

注：田间持水量、凋萎系数和容重为0～100 cm土层平均值；pH值、有机碳、全氮、碱解氮含量为0～20 cm土层平均值。

图1 永寿和长武试验站2017年春玉米生育期内逐日气温和降雨量Fig.1 Daily temperature and precipitation during growing seasons of spring maize in Yongshou and Changwu in 2017

1.2 试验设计

两个试验站玉米种植为雨养模式，无灌溉措施。试验设置双垄沟全膜覆盖(M)和平作不覆膜(F)2种栽培方式，同时设置3种氮肥类型：尿素(U)、包膜控释肥(CU)、尿素和双氰胺硝化抑制剂(DCD)配施(SU)，总体施氮水平皆为本地推荐施氮量225 kg/hm2，共6个处理，每个处理3个重复(表2)。供试玉米为“先玉335”。平作处理采用宽窄行播种方式，宽行60 cm，窄行40 cm，株距30 cm；覆膜采用双垄沟全膜栽培方式，大垄宽60 cm，小垄宽40 cm，株距30 cm，播种密度为67 000株/hm2。供试玉米于每年4月底播种(人工点播)，9月中下旬收获。

如表2所示，试验所用的肥料为尿素(含N大于等于46%)、包膜控释肥(含N 40%，史丹利公司生产，由有机高分子材料作为包膜材料对颗粒尿素进行包裹，氮素释放曲线为S型，属控释肥料，释放期为90 d)和双氰胺硝化抑制剂(用量一般是10%的施肥纯氮量，属缓释肥)，磷肥为过磷酸钙(含P2O5大于等于16%)，钾肥为硫酸钾(含K2O大于等于50%)，肥料全部以一次性基施的方式施入，不设置追肥处理。

表2 春玉米不同栽培方式和不同氮肥类型施用试验处理Tab.2 Treatments of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer in spring maize experiment

1.3 试验测定项目和方法

1.3.1土壤硝态氮累积量

玉米生育期内，用土钻法采集土样，每个小区随机选取3个样点，每个土层混合采样，平作处理采样分别是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，而全膜双垄沟的土壤采样则先取垄上土样(高垄15 cm，低垄10 cm)，再取垄下0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm处土样。永寿试验站在玉米苗期(47 d)、拔节期(69 d)、开花期(85 d)、灌浆期(112 d)、收获期(150 d)；长武试验站在玉米拔节期(55 d)、开花期(84 d)、灌浆期(119 d)、收获期(146 d)每个生育期采集土样一次，每次取完土样用干燥法进行土壤含水率的测定。采用2 mol/L氯化钾溶液浸提新鲜土样，浸提液用连续流动分析仪(AUTO Analysis-Ⅲ型，德国Bran Luebbe公司)测定，并根据各层土壤的容重换算成土壤硝态氮累积量[20]

(1)

式中M——土壤硝态氮累积量，kg/hm2

C——土壤硝态氮质量比，mg/kg

H——土层深度，cm

Y——土壤容重，g/cm3

1.3.2叶面积、生物量、产量和植株氮素含量

图2 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对玉米叶面积指数的影响Fig.2 Effects of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer on leaf area index of spring maize in Yongshou and Changwu

永寿试验站在玉米苗期(47 d)、拔节期(69 d)、开花期(85 d)、灌浆期(112 d)、收获期(150 d)；长武试验站在玉米拔节期(55 d)、开花期(84 d)、灌浆期(119 d)、收获期(146 d)每个生育期每个小区取3株玉米，测量叶面积。并且在各个生育期每个小区随机取样3株玉米，鲜样在105℃下杀青30 min，75℃下干燥至质量恒定后测定干物质量。植株样品粉碎后，过1 mm筛，采用H2SO4-H2O2法消煮，凯氏定氮法测定茎秆和籽粒氮素含量。在玉米成熟期各小区随机选取10 株玉米风干脱粒测定籽粒的总质量，最终折算成含水率14%的产量，并折算成公顷产量。

1.3.3氮素吸收、转运及利用效率相关指标

春玉米生产过程中氮素吸收、转运和利用效率相关的指标定义如下[21]：

植株氮素吸收量(kg/hm2)为植株氮素含量与干物质量的乘积，营养器官氮素转移量(kg/hm2)为开花期营养器官氮素吸收量与成熟期营养器官氮素吸收量的差值，开花期后氮素吸收量(kg/hm2)为成熟期氮素吸收总量与开花期营养器官氮素吸收量的差值。

营养器官氮素转移率(%)为营养器官氮素转移量与开花期营养器官氮素吸收量比值的百分数，氮素吸收效率(kg/kg)为植株氮素累积量与施氮量的比值，氮素利用效率(kg/kg)为籽粒产量与植株氮素累积量的比值，氮肥利用效率(kg/kg)为籽粒产量与施氮量的比值，氮素收获指数为籽粒氮素吸收量与植株氮素吸收量的比值。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理汇总，使用SPSS 19.0对栽培方式和肥料类型两个因素进行显著性方差分析(LSD，P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 覆膜和控/缓释肥互作对叶面积指数的影响

随着生育期进程的推进，春玉米叶面积指数(LAI)呈现先增大后减小的趋势(图2)。生育前期，M处理叶面积指数高于F处理38.4%～240.4%，有显著性差异(P<0.01)，覆膜可以较好促进玉米生育前期叶面积生长。两个试验站6个处理LAI的峰值没有显著性差异(P>0.05)，但是叶面积衰减速率有显著性差异(P<0.05)。MU处理叶面积指数比其他5个处理提前产生衰减。永寿试验站，M处理条件下，U处理LAI衰减速率高于CU处理和SU处理42.0%～51.6% 和55.4%～66.3%，U处理与CU和SU处理有显著性差异(P<0.05)，控/缓释肥有效地减缓了LAI的衰减速率(图2a)。但在长武试验站，M处理条件下，不同肥料类型的叶面积衰减速率没有显著性差异(P>0.05)，但是与尿素基施相比控/缓释肥延缓了叶面积衰减的时间，并且长武试验站玉米收获期的LAI在2.2～3.0之间，保持较高的数值。F处理条件下，U处理叶面积指数衰减速率比CU处理快27.2%～42.0%，比SU处理快15.1%～66.3%，F处理条件下U处理叶面积指数衰减速率显著快于CU处理和SU处理(P<0.05)(图2b)。

2.2 覆膜和控/缓释肥互作对春玉米干物质累积的影响

全生育期M处理干物质累积量与F处理相比有显著的提高(P<0.01)(图3)。在全生育期M处理干物质累积量比F处理高77.8%～200.0%。M处理条件下，成熟期CU处理干物质累积量高于U处理10.7%～19.7%；成熟期SU处理干物质累积量高于U处理3.1%～6.1%。控/缓释肥基施和尿素基施相比显著提高了成熟期玉米的干物质累积量，且SU处理比CU处理更显著。M处理条件下，开花期到成熟期CU处理干物质累积速率高于U处理112.7%～155.2%；开花期到成熟期SU处理干物质累积速率高于U处理30.3%～44.7%，U处理开花期到成熟期干物质累积速率显著低于SU和CU处理(P<0.05)。开花期及之前，控/缓释肥基施处理干物质累积量低于尿素基施处理，因此控/缓释肥基施对开花期到成熟期干物质累积速率有显著促进作用。

如图3所示，F处理条件下，除了永寿试验站CU处理成熟期干物质累积量高于U处理15.8%(P<0.05)，其他肥料类型对干物质累积量的影响有差异但是并不显著(P>0.05)，F处理条件下，CU处理干物质累积量比SU处理高。F处理条件下，CU和SU处理干物质累积速率高于U处理5.3%～19.2%，控/缓释肥基施对开花期到成熟期干物质累积速率有促进作用，但是并不显著(P>0.05)。

图3 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对地上部干物质累积量的影响Fig.3 Effects of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer on dry biomass accumulation of maize in Yongshou and Changwu

图4 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对玉米产量的影响Fig.4 Effects of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer on grain yield of spring maize in Yongshou and Changwu

2.3 覆膜和控/缓释肥互作对产量的影响

相同栽培方式下，U处理产量与CU处理和SU处理有显著性差异(图4，图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))。相同肥料类型条件下，M处理产量高出F处理40.0%～64.8%。永寿试验站相同栽培方式，CU处理产量高出U处理14.0%～34.2%，长武试验站为7.0%～8.5%；SU处理产量高出U处理8.5%～19.9%，长武试验站为5.6%～6.6%。其中无论是M处理还是F处理条件下，CU处理产量都最高，SU处理次之，且两种肥料类型在M处理产量增长率更高，即M处理条件下，控/缓释肥对产量的提升作用更显著。

2.4 覆膜和控/缓释肥互作对开花期前后氮素累积及转运的影响

栽培方式相同的情况下，CU和SU处理营养器官向籽粒转运量和转运效率高于U处理4.2%～78.1%，CU和SU处理与U处理相比提高了营养器官向籽粒氮素转运量和转运效率(表3)。MCU和MSU处理营养器官氮素转运量和转运效率最高。M处理条件下，控/缓释肥处理高于尿素处理开花期后氮素吸收量43.6%～54.7%。控/缓释肥显著增加了玉米生育后期氮素吸收量。相同肥料类型处理下，M处理开花期后氮素吸收量大于F处理12.3%～185.5%。相同肥料类型处理下，M处理营养器官氮素转运量和转运效率大于F处理21.7%～217.7%。覆膜显著提高营养器官氮素转运量、转运效率和开花期后氮素吸收量。由此可见，控/缓释肥和覆膜都有利于开花期后氮素吸收和营养器官氮素向籽粒转移。

表3 永寿和长武试验站不同栽培方式和不同氮肥类型处理对玉米开花期前后氮素累积和转运的影响Tab.3 Effects of different cropping patterns and different types of nitrogen fertilizer on pre- and post-flowering N accumulation and remobilization of spring maize in Yongshou and Changwu

注：表中数值为平均值(n=3)，同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.5 玉米收获期土壤硝态氮分布和累积

双垄沟覆膜条件下，由于玉米种植是先施肥再起垄，导致大量的肥料堆积到垄上，并且覆膜显著增加了有机氮的矿化[22-23]，使垄上的硝态氮累积量很高(图5)。在M处理条件下，U处理垄上土层氮素累积量高于CU和SU处理44.2%～106.4%，U处理显著高于CU和SU处理(P<0.05)。控/缓释肥可以有效缓解覆膜条件下土壤氮素在表面“集聚”，并且垄上的氮素很难被玉米直接吸收利用。如图6所示，相同肥料类型情况下，M处理条件下，0～40 cm土层的硝态氮含量所占0～100 cm土层硝态氮含量比例高于F处理7.0%～303.5%，有显著性差异(P<0.05)。覆膜能够增加0～40 cm土层氮素所占的比例，减少土壤氮素向更深土层淋失，显著提高氮素利用效率和氮肥利用效率。

相同栽培条件下，U处理收获期土壤氮素累积量高于CU和SU处理33.9%～100.0%，U处理收获期土壤氮素累积量显著高于CU和SU处理(P<0.05)，说明控/释肥有利于作物吸收氮素，从而减少土壤中硝态氮残留[14]。而且CU和SU处理与U处理相比，U处理的累积峰已经下移，说明控/缓释肥可以有效减缓硝态氮随下渗水的运移速度，并且使更多的土壤硝态氮留在0～40 cm的土壤根层，提高氮素吸收效率，降低其对深层地下水的污染潜势[23-25]。

图5 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对玉米收获期垄上和0～100 cm土层硝态氮累积量的影响Fig.5 Effects of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer on accumulation amount at ridge and 0～100 cm soil layer during post-harvest period of spring maize in Yongshou and Changwu

图6 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对玉米收获期0～100 cm土层硝态氮分布的影响Fig.6 Effects of different cropping patterns and types of nitrogen fertilizer on distribution of in 0～100 cm soil layer during post-harvest period of spring maize in Yongshou and Changwu

2.6 覆膜和控/缓释肥互作对氮肥利用效率的影响

M处理条件下，CU和SU处理成熟期氮素积累量高于U处理9.5%～23.7%，而在F处理条件下，CU和SU处理成熟期氮素积累量与U处理相比没有显著差异(表4)。地膜覆盖条件下，控/缓释肥显著提高氮素累积量，与干物质累积量有相同趋势。M处理条件下，CU和SU处理氮素吸收效率和氮肥利用效率高于U处理6.6%～24.2%，CU和SU处理氮素吸收效率和氮肥利用效率与U处理相比有显著提高。相同栽培方式条件下，不同肥料类型氮收获指数没有显著差异。F处理条件下，CU和SU处理氮素利用效率和氮肥利用效率高于U处理5.6%～54.0%。相同肥料类型条件下，除了永寿试验站U处理，M处理各种氮素吸收利用指标高于F处理5.1%～51.6%。双垄沟覆膜与平作处理相比对各种氮素吸收利用指标都有显著提高。

表4 永寿和长武试验站不同栽培方式和氮肥类型处理对玉米氮素吸收利用的影响Tab.4 Effects of different cropping patterns and different types of nitrogen fertilizer on nitrogen uptake and use efficiency of spring maize in Yongshou and Changwu

3 讨论

3.1 覆膜和控/缓释肥互作对春玉米生长和产量的影响

控/缓释肥的作用在于缓慢释放养分，使得整个生育期土壤中有足够的养分，增大玉米生育后期叶面积指数及光合生产能力[26]。本研究中，覆膜条件下，CU和SU处理与U处理相比，生育后期的叶面积衰减速率明显放缓，干物质积累速率也有所提升。M处理条件下，尿素一次性基施使得玉米前期生长速率过快，后期土壤有效氮含量降低，出现后期脱肥现象，影响植株后期氮素吸收和向籽粒的转运，从而降低了玉米氮肥利用率[27]。本研究发现覆膜可显著提高玉米的生物量和产量，其原因是控/缓释肥导致氮素后移，保证土壤氮素的供应，有效协调生育后期氮素，增大了开花期以后叶片净光合速率和蒸腾速率，促进光合同化物向籽粒进行转移[26,28-29]。本研究中玉米收获时，控/缓释肥处理下玉米叶面积指数还保持较高数值，籽粒还处于灌浆阶段，可以将玉米收获期适当延后，更好地发挥控/缓释肥对玉米产量和干物质累积的促进作用。

3.2 覆膜和控/缓释肥互作对玉米氮素转运和利用的影响

作物氮素的吸收和转运是植株利用氮素的主要形式，明确作物氮素吸收转运的动态过程是提高氮肥利用效率的关键[28,30]。氮肥后移较传统一次性基施能延迟玉米植株氮素累积活跃的时间，使玉米代谢酶活性保持较高水平[28]，并且能显著提高玉米植株氮素积累量，尤其是玉米生育后期的氮素积累量[31]。前人研究表明，控/缓释氮肥在对作物生长和产量方面与氮素后移相比有接近或显著增加的效果[32]。覆膜条件下，控/缓释肥处理成熟期植株含氮量较尿素基施处理提高9.5%～23.7%，且开花期后氮素吸收量控/缓释肥处理高于尿素基施43.6%～54.7%。本研究中相同栽培方式下，不同肥料类型的氮收获指数没有显著性差异，氮收获指数是籽粒氮素吸收量和植株氮素吸收量的比值，因为不同肥料类型的施氮量相同，即使尿素基施条件下玉米出现氮素亏缺的情况，植株吸收到的土壤中氮素会优先满足籽粒的氮素积累[33]。

控/缓释肥处理既保持了较高的碳、氮运转率，又避免生育后期叶片早衰，从而维持了生长中后期叶片的高光合能力，为产量与氮肥利用效率提高奠定了基础[34-35]。本研究中，相同种植条件下，CU和SU处理营养器官向籽粒转运量和转运效率高于U处理4.2%～78.1%，但是丁民伟等[36]研究表明，施氮量是植株氮素累积量的决定因素，花粒期追肥导致营养器官氮素转运量显著降低。这也说明，在光照和降雨充足的地区，控/缓释肥氮素后移效应可能不再显著，在本研究中已经得到一部分验证，2017年永寿和长武试验站玉米生育期降雨量为381.6 mm和481.3 mm，控/缓释肥的效应使永寿试验站的各个指标的响应程度明显高于长武试验站。

3.3 覆膜和控缓释肥互作对土壤氮素残留的影响

因为控/缓释肥本身缓慢释放氮素，相比一次性基施尿素降低了向深层次淋溶的风险[37]，能够更多地让作物吸收，因此收获后缓释肥处理土壤硝态氮累积明显低于尿素处理[26]，本研究结果表明，成熟期CU和SU处理垄上和0～100 cm硝态氮累积量明显低于U处理。说明控/缓释肥有利于作物对土壤氮素的吸收，显著提高了玉米生育期的氮素吸收效率[38]，减少了土壤硝态氮的残留和土壤硝态氮的无效损失[26,39]。但是邵蕾等[40]研究指出，控/缓释肥表层的氮素残留量显著增加，增加幅度为6.4%～20.9%，可能是因为区域气候、栽培方式和施肥量不同对氮素残留的规律不同。