不同施肥模式对春玉米生长特性及氮素利用率的影响

王国伟，李 阳，王嘉欣

(1.吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130118；2.吉林省生物信息学研究中心，吉林 长春 130000)

【研究意义】我国人口众多，粮食安全必须给予足够的重视，其中小麦、水稻等是我国最主要的粮食作物，玉米也是粮食作物的重要组成部分，不仅具有较强的生长适应性，还能够提供较为丰富的营养，在我国的粮食生产安全中发挥着不可忽视的作用，关乎我国的民生问题，因此研究玉米的生长特性对我国农业生产具有重要的现实意义[1-3]。近年来，随着玉米品种的不断改良优化，加之种植技术的不断提升，玉米产量不断上升，但对于化肥等养料的依赖也在不断加强[4-5]。就春玉米种植而言，施用的化肥主要是氮、磷肥等，这些肥料存在着明显的不合理问题，氮、磷肥料施用过多，钾肥却相对缺乏，导致施肥不均匀而影响作物生长，不利于土壤肥力的保持及作物产量的提升，同时施肥期难以充分与作物生长周期相匹配[6-8]，也就是施肥粗放，肥料的作用没有充分发挥出来，不利于作物的生长，导致单产和质量下降[9]，关于玉米的种植而言，施肥的合理性对于肥料利用非常关键，需要综合多方面进行考虑。【前人研究进展】对于春玉米，对肥料的吸收利用不仅与施肥种类息息相关，同时更受到施肥方式的直接影响，作物生长不仅需要有机肥料，同时还需要无机肥料，二者的合理结合才能使得肥料充分发挥应有的作用，这也是合理利用肥料的关键环节，对于提升肥料效率和作物产量起着关键作用[10]。在东北地区具有大量的春玉米种植区，但是对于东北地区而言，其典型的黑土特性直接影响作物生长，其土壤不仅具有浅、薄的特点[11-13]，同时酸性小、粘性大，具有相对较高的肥力，同时对于肥料及水分的吸收利用水平较高，因此该地区土地利用效率较高，这样自然会产生较高水平的作物产量[14]。但是近年来该地区深受季节性干旱的影响，这对于其农业生产产生了严重的不利影响，对于春玉米而言，其对肥料的需求相对较大，如何合理施肥成为玉米生产的关键之一[15-16]；就肥料和作物而言，二者是互惠互利，肥料的合理使用能够有效促进作物生长和产量提升，作物生长发育健康能够利于肥料的高效吸收，植物成为肥料发挥其功能和作用的载体[17]；合理、适时的施肥能够为作物生长提供所需的氮、磷、钾等养分，同时对于土壤肥力和活力的保持具有重要现实意义，此外，合理施肥能够将作物抗逆性得到有效提升，对于其新陈代谢活动起到明显促进作用，对于作物产量的提升作用显著。大量的研究发现，氮、磷、钾等肥料对于玉米生长尤为重要，且能够促进干物质积累量的提升，增强作物对养分的吸收利用能力，更大程度上降低肥力淋失等[18-19]。【本研究切入点】以往的研究更多的关注的是肥料的搭配等对作物生长的影响，对于施肥模式对作物影响的研究相对较少。【拟解决的关键问题】有鉴于此，本研究从不同的施肥模式开展施肥对作物生长的影响研究，为春玉米作物产量和质量的提升提供有益借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本实验的时间为2015-2017年，所选择的实验基地位于吉林农业大学，实验区域土壤为黑土，实验之前该地区0～20 cm土壤耕层的特点如下：有机质、全氮的含量分别为23.03、2.52 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾的含量分别为95.16、23.36、75.15 mg/kg，pH值达到6.1。本实验区域利用田间定位小区，并根据施肥状况进行3个处理分区：第一是不施肥处理分区CK，第二是优化施肥处理分区OPT，第三是生物有机肥分区FP；对于OPT施肥而言，氮、磷、钾施用量分别要求达到200、80、120 kg/hm2，其中分3次施氮肥，并在播种前施用30 %，然后在玉米拔节期施用50 %，在抽雄期施用20 %，而磷肥、钾肥直接在初次施肥时一次性施用。对于FP而言，在实地调查后确定施用量，氮、磷、钾施用分别是260、140、100 kg/hm2，该肥料在玉米播种之前一次性施用。对于氮肥而言，采用含N为46 %的尿素；对于钾肥而言，K2O含量为60 %。本实验中采用先玉335，要求其密度达到50 000株/hm2，在每年的5月播种，于10月初收割，每个小区的种植面积达到30 m2，种植小区属于随机，为提升实验准确性，共分3次重复。

1.2 实验设置

1.2.1 玉米生长指标的测定 为了了解施肥带来的作物生长情况，在抽穗时期就测量各个分区植株的生长特性，尤其是株高和茎粗等，首先在各区选择10株玉米，要求其长势基本一致，通过卷尺及游标卡尺对株高等进行测量，并做好记录；然后对根系长度等进行测量，利用挖掘法进行，首先将根系挖出，借助于40目筛进行冲洗干净，然后镊子拉直后测定其根长，然后在65 ℃温度下将根系烘干，对生物量干重测量；之后进行根系形态测定，要求范围为田间长宽均为60 cm的范围之内，至地下30 cm处将根系连土挖出，自来水冲洗之后，将根系的水分吸干，在扫描后利用WinRHIZO 4.2计算根系总长；利用烘干法对地上、地下部分进行干重测定，对于叶面积的处理借助于数字图像处理技术，其中叶面积的处理包括叶柄。

1.2.2 玉米叶片生理指标的测定 在各小区采取叶片，要求玉米上、中、下部分的叶片均要足够多，混合均匀后洗净，并在80℃下烘干、粉碎，过1.5 mm筛后测定相应的碳、氮、磷、钾等含量，其中对碳、氮的测定利用元素分析仪，用光度法测定磷、钾含量；此外，还要进行新鲜叶片的叶绿素等含量测定，首先要去除叶脉的新鲜叶片研磨，并在80 %的丙酮溶液之中进行长达一天一夜的浸提处理，借助于叶绿素仪计算叶绿素a、b值，分别借助于染色法、比色法对可溶性蛋白、糖含量进行测定，对游离脯氨酸含量的测定通过比色法，为提升实验准确性，以上测定均进行3次重复测定[20]。

1.2.3 玉米产量及构成的测定 在实验过程中对玉米的拔节等各个生长期准确时间做好记录，并通过 3 种处理分区加以区分；对于其不同的成熟期，在各个小区抽取玉米50株，并对穗数和千粒重进行计算，同时记录好成穗率，待成熟后收割。

为测定土壤的硝态氮含量，需要从地表向下30 cm深度采集土壤样品，要求每隔10 cm进行一次采样，首先在分化期、抽穗期进行土壤采集，然后在成熟期也要进行土壤采集，各小区随机选取5个样点，之后将采集到的土壤置于-18 ℃保存，以备后续开展指标测定等分析[21]。

2 结果与分析

2.1 施肥模式对春玉米生长发育的影响

2.1.1 生长特性 由表1可以看出，玉米生长受到施肥模式的明显影响，尽管其生长周期不同，但是在FP处理条件下，不仅其株高、茎粗达到最高水平，而且其叶面积、比叶重、生物量也达到了最大水平，其次是OTP处理下，而CK处理下这些指标最低。而CK处理下的R/S指标最高，其次是OTP，而FP最低。随着玉米生长的进行，3种施肥处理下R/S均逐渐降低；在作物生长过程中，OTP、FP与CK之间的差异越来越明显，且在成熟期其差异达到0.01的显著水平，其中差异最大的是FP处理分区。综合来讲，OTP、FP对于玉米生长起到了明显的促进作用，利于其生物量积累。

2.1.2 生理生化特性 从表2可以看出，对于叶绿素a和b、碳水化合物、蛋白质而言，OTP、FP条件下其含量相对较高，且在有机施肥模式下达到了最高，其次是优化施肥处理。随着玉米生长的进行，其含量不断增加；但是OTP、FP与CK之间的差异也越来越明显，在成熟期的差异最大。而就蛋白质而言，在玉米分化期，OTP、FP施肥模式与CK之间的差异并不显著，综合来说，OTP、FP施肥模式均促进了玉米对肥料的吸收利于，利于作物生长，其中效果较为明显的有机施肥FP。

2.1.3 叶片酶活性 由表3可以看出，对于歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶而言，虽然玉米生长时期不同，但是其活性均在有机施肥FP条件下达到最高，其次是优化施肥，随着生长周期的进行，酶活性也相应增加，但是优化施肥和有机施肥与不施肥之间的差异也更为明显，在分化期达到0.05的显著性水平。而对于丙二醛来讲，随着作物生长，其含量不断降低，在分化期呈现显著差异。整体而言，施肥利于酶活性的提升，促进了丙二醛的合成，其中作用最大的有机施肥，且在各个时期作用显著。

2.2 不同施肥方式对春玉米产量及构成因素的影响

由表4可知，2016和2017年2年春玉米产量结果趋势保持一致。其中2017年产量、穗粒数和千粒重均低于2016年，说明长期的施肥对春玉米产量、穗粒数和千粒重有所抑制。对于2016年，与CK相比，春玉米产量、穗粒数和千粒重均表现为FP>OTP>CK，且三者之间差异均显著(P<0.05)，与CK相比，FP和OTP产量分别提高了61.65 %和85.24 %、穗粒数分别提高了了17.59 %和21.99 %、千粒重分别提高了12.84 %和17.01 %。对于2017年，与CK相比，春玉米产量、穗粒数和千粒重均表现为FP>OTP>CK，且三者之间差异均显著(P<0.05)，与CK相比，FP和OTP产量分别提高了39.08 %和48.08 %、穗粒数分别提高了14.69 %和31.14 %、千粒重分别提高了13.38 %和18.15 %。综合分析可知，FP和OTP处理增产的原因促进穗粒数和千粒重的提高，从而提高产量。

表1 施肥模式对春玉米植株生长特性的影响

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05), the same as below.

表2 施肥模式对春玉米植株生理生化特性的影响

表3 施肥模式对春玉米植株叶片酶活性的影响

表4 不同施肥方式对春玉米产量及构成因素的影响

2.3 不同施肥模式对土壤中硝态氮分布和累积的影响

从图1可以看出，土壤硝态氮的累积主要集中在0～10 cm土层，各处理0～10 cm土层中硝态氮的含量占土壤硝态氮含量(0～30 cm土层)的15.32 %～35.64 %，这说明土壤硝态氮具有表聚性；20～30 cm土层中硝态氮含量无明显变化。在春玉米分化期内，不同施肥模式0～30 cm土层中硝态氮含量随着生长期的延长而降低。春玉米不同生育时期表层土壤中硝态氮的含量均高于CK，说明施肥影响土壤中硝态氮的含量。抽穗期到成熟期，0～30 cm土层中硝态氮含量基本表现为FP>OTP>CK，其中FP硝态氮含量最高；在垂直分布，土壤硝态氮含量随着土层深度的增加呈逐渐降低趋势，在20～30 cm土层，不同处理间的土壤硝态氮含量基本保持一致。与CK相比，氮肥施入量的减少，一定程度上降低了土壤中硝态氮的含量，既减少了肥料的浪费，又降低环境污染风险。

图1 不同施肥模式对硝态氮的影响

图2 不同施肥模式对氮素利用率

2.4 不同施肥模式对春玉米氮肥利用率的影响

由图2可以看出，施氮肥对春玉米均有增产作用，其中总氮吸入量表现为FP>OTP>CK，不同处理间差异均显著(P<0.05)。与CK相比，FP和OTP处理下春玉米总氮吸入量分别提高了58.9和82.9 kg/hm2，其中FP处理下氮肥利用率最高。由此可以得出，施用缓控释肥比习惯施肥方式增产作用大。

3 讨论与结论

整体而言，无论是优化施肥还是有机施肥，均对于植株养分的提升起到显著作用，说明施肥能够为玉米生长提供较为充足的养分，改善土壤肥力和活性，为植物生长创造更为有利的条件，促进养分累积和土壤有机质分解，提升植株养分来促进其生长，同时利于作物吸收利用土壤养分[10,22]。对于玉米生长而言，其在各个生长周期都需要大量的养分，仅仅依赖土壤养分难以充分满足其生长需要，必须通过施肥等来增加外界养分供给，这样作物能够从土壤及肥料中吸收所需大量营养，此外，养分的淋失也是必须要考虑的[23]。因此，在根据玉米的生长周期和特点，合理控制施肥量，注重施肥的时机，在合适的时候施用适量的、正确的肥料，从而利于玉米吸收利用，最终提供作物产量和质量，提高肥料利用效率，保障作物肥料均衡。无论是优化施肥还是有机施肥，均能促进玉米生长，不仅带来了较多的分蘖，同时叶面积也较大，对于光合作用起到促进作用，生长状况优于非施肥条件下作物[24]。植株光合作用对其产量产生直接而重要的影响，在叶面积更大的情况下，植株的光合作用会相应增强，对光能的利用水平也更高，而发达的根系、较低的R/S，均利于植株的新陈代谢活动[21]，通过实验发现，施肥处理下促进了春玉米的光合作用，进而提升了其新陈代谢活动，最终促进了玉米生长。

温度在作物生长过程中起着关键作用之一，无论是各个生长周期均是如此，随着玉米生长的不断进行，对于叶绿素、碳水化合物及蛋白质而言，在同一时期其最高的是有机施肥FP，其次是优化施肥OTP，而非施肥CK水平最低，施肥促进了叶绿素含量的提升，这对于玉米光合作用的增强起到了关键作用，因此施肥能够促进作物生长。膜脂过氧化最终能够产生丙二醛MDA，而该产物能够有效反映膜结构的稳定性，代表着过氧化强度，在该含量较高的情况下，说明种子具有较强的受膜透性，发生了氧化胁迫[25]。通过本实验研究发现，玉米的MDA含量降低，说明在施肥影响下细胞膜透性增强，细胞的盐类等物质渗出，形成了细胞活性氧，进而导致叶片生理功能下降。

对于谷类产量而言，穗数、千粒重等直接制约着产量，可以说在种植密度基本一致的情况下，该指标就是产量的体现[26]。通过研究发现，对于优化施肥而言，该施肥不仅控制了施肥量，还对施肥周期进行了把控，对于玉米花后养分的提升作用明显，使得穗数、千粒重得以提高，最终促进了玉米产量和质量。在农民以往的习惯施肥条件下，玉米的花前氮积累得到了一定的提升，但是花后该含量未得到有效提升，且养分积累并不明显提升，其作用弱于优化施肥[27-28]。在优化施肥作用下，施肥量和施肥时机得到了控制，花后光合作用增强、根系生长加强，使得玉米对养分的吸收利用能力增强，光合作用显著提升，最终促进其产量和质量提升。而以往传统的习惯性施肥，仅仅促进前期的作物生长，却导致后期养分不足的问题，且容易导致前期生长过旺，使得营养不均衡，不利于作物生长。

综合来看，施肥能够利于春玉米生长发育，对于其产量提升具有明显作用，施肥控制了肥料投入量，使得施肥时机更为合理，能够促进植株光合作用，增强其吸收利用养分的效率，同时对于调节玉米激素平衡具有重要作用[29-30]，说明施肥在玉米生长过程中调节作用明显。