氮肥减施对玉米机收品种产量和生物量分配的影响

张盼盼, 刘京宝, 黄璐, 乔江方, 李川, 张美微

(河南省农业科学院粮食作物研究所, 郑州 450002)

玉米是我国三大粮食作物之一，2010年以来，我国玉米平均种植面积和产量分别为0.361亿hm2和2.13亿t，占全国粮食总种植面积和产量的32.2%和35.4%。在耕地面积有限的情况下，满足玉米持续增长需求的唯一途径是提高单产。改良玉米品种和优化栽培技术是提高玉米产量的重要措施[1-3]。

机收是玉米生产发展的方向，推广玉米全程机械化操作是节约成本增加效益的有效手段。机收品种后期脱水快、综合性状表现好、产量高，能较快地推进玉米机械籽粒机收技术，解决农村新型经营主体劳动力不足等问题[4]。而目前机收品种较多，在不同生态条件下的产量差异也较大，针对不同种植区域选择相应的机收品种就显得尤为重要[5]。增施氮肥是提高玉米产量最有效的方法之一，目前氮肥投入过量，氮肥利用率下降，土壤氮素污染对生态环境和人类健康的危害也日趋严重[6-7]。因此，选择适宜品种，推进玉米产区氮肥减量、提质增效是协调玉米稳产高产、氮肥高效利用和生态保护的重要途径[8-9]。

黄淮海地区是玉米优势产区之一，占我国玉米种植面积的三分之一。氮肥过量施用给本地区带来较多的资源浪费和环境破坏等问题。因此，研究黄淮海地区氮肥减施下机收品种产量和生物量的变化，筛选氮肥减施下绿色优异机收品种，对我国玉米产业的发展有着重要的意义。为此，本研究在黄淮海地区的河南省郸城和陕西省户县两种不同的生态环境下，以已经或待审定的机收品种为研究对象，基于正常施氮水平(240 kg N·hm-2)设置不同的减施氮肥处理，比较减氮条件下品种间的产量和生物量分配的差异，分析产量和生物量之间的关系，以期为筛选适宜的机收品种和评价氮肥减施下玉米高产高效优质生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年6—10月分别在黄淮海玉米产区河南省周口市郸城县(N33°40′34″，E115°12′53″)和陕西省户县区域试验站(N34°6′31″，E108°32′57″)进行，河南郸城点为砂浆黑土，属于内陆季风型气候，年均气温为14.6 ℃，年活动积温4 565 ℃，年平均降水量738 mm，全年光照2 259 h，无霜期223 d。陕西户县点为耧土，属于暖热带半湿润大陆性季风气候，年均气温为13 ℃，年活动积温4 689 ℃，年平均降水量879 mm，全年光照1 782 h，无霜期219 d。两试验点在玉米播前取基础土壤样品，分别采用凯氏定氮法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法、乙酸铵浸提火焰光度法、重铬酸钾容量法-外加热法和水土比2.5∶1.0电位法等方法[10]测定土壤中全氮(土壤氮素丰缺指标)、碱解氮(土壤氮素水平供应指标)、速效磷(土壤磷素水平供应指标)、速效钾(土壤钾素水平供应指标)、有机质(土壤肥力和碳库指标)和pH(土壤酸度指标)等项目。检测结果见表1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主因素为施氮量，分别为0(不施氮，N0)、120 kg N·hm-2(较正常施氮量减少1/2，N1)、160 kg N·hm-2(减氮1/3，N2)、200 kg N·hm-2(减氮1/6，N3)和240 kg N·hm-2(正常施氮量，N4)共5个处理；副因素为20个已经或待审定的玉米机收品种，分别是NK916、鲁单608(LD608)、郑单309(ZD309)、郑单326(ZD326)、郑单317(ZD317)、德单179(DD179)、登海528(DH528)、隆平381(LP381)、K6961、丰德存玉22(FDCY22)、金海3318(JH3318)、百玉393(BY393)、科玉153(KY153)、泽玉8911(ZY8911)、伟玉178(WY178)、伟科518(WK518)、先达724(XD724)、谷神玉66(GSY66)、丰大668(FD668)、博奥408(BA408)。共100个处理，每个处理重复3次，共300个小区，每小区长6 m，宽4.8 m，种植密度为75 000株·hm-2。

表1 试验点播前土壤基础化学性质Table 1 Initial chemical characteristics of soil before sowing in two localities

供试氮肥为尿素，按5∶5分基施和大喇叭口期追施两次施用，磷、钾肥为过磷酸钙(12%)和硫酸钾(52%)，播前一次施用，田间管理措施与当地大田生产一致，每项田间管理措施均在同一天内完成。

1.3 测定项目与方法

1.3.1产量测定 在成熟期，收获每小区内中间两行的所有果穗，风干后脱粒，称重并同时测定籽粒含水量，折算出籽粒产量(14%含水量)。

1.3.2生物量测定 在每个小区测产区以外取3株具有代表性的地上部植株样品，分为茎、叶、鞘、苞叶、穗轴和籽粒，杀青(105 ℃)后烘干(75 ℃)至恒重，称重。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件整理，用SPSS 22统计软件进行方差分析和聚类分析，不同处理间的多重比较采用Duncan新复极差法(P<0.05)。采用组之间的链接和欧氏距离平方法对机收品种产量进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量

试验点、施氮水平和品种对机收品种籽粒产量的影响结果(表2)显示，各个因素及其两两交互作用对籽粒产量的影响均达显著或极显著水平，而三者的交互作用未达显著水平。从表3可以看出，本研究中籽粒产量平均为9.11 t·hm-2，N0处理下产量为8.31 t·hm-2，N2、N3和N4分别较N0提高13.8%、12.7%和17.8%，三者之间差异不显著，但显著高于N1处理。各机收品种产量分析结果表明，品种WY178和WK518产量最高，二者无显著差异，其次是K6961、ZY8911、DD179、DH528、BA408、LD608、LP381、BY393、FD668、XD724和KY153，其他品种的产量较低且之间无显著差异。具体来说，河南郸城点，N2、N3和N4处理间差异不明显，平均为8.97 t·hm-2，较N0处理显著增加18.0%；品种间产量结果表现为，各施氮处理下均以WY178产量最高，在N0、N1、N2、N3和N4处理下，分别为10.19、10.65、12.27、12.57和13.06 t·hm-2；N0处理下，LD608和DH528的产量较低，分别为5.56 和6.24 t·hm-2，二者之间差异不明显；N1下，以GSY66的产量最低，为5.77 t·hm-2，而FDCY22在N2、N3和N4处理下的产量均较低，分别为5.76、6.42和7.18 t·hm-2。陕西户县点，各施氮处理以N4和N3处理的产量较高，较N0处理分别增加了15.6%和10.8%，为10.43和9.99 t·hm-2，二者无显著差异。不同施氮处理下，WK518均表现出较高的产量优势，除此以外，LD608在N0、K6961和WY178在N2和DH528在N4处理下的产量也相对较高，平均分别为9.59、10.42、10.33和11.61 t·hm-2；在各个施氮处理下，ZD326和JH3318的产量均较低，二者无显著差异，两个品种在N0、N1、N2、N3和N4处理下产量分别为8.24、8.18、8.54、8.54、9.58 t·hm-2和7.81、8.56、8.15、8.21、8.97、8.58 t·hm-2。总的来说，黄淮海地区使用WK518和WY178等高产品种，采取减施氮肥1/6～1/3等措施(N2、N3处理)，能够保证玉米达到高产高效的目的。

表2 不同试验点、施氮量和品种对籽粒产量影响的方差分析Table 2 Variance analysis of effects of different localities, nitrogen applications and varieties on grain yield

2.2 聚类分析

不同试验点，各机收品种对不同供氮水平的响应不同。以不施氮(N0)、减氮1/3(N2)和正常氮(N4)3个氮水平为例，对2个试验点各机收品种的产量进行聚类分析，将20个品种分为低产、中产和高产品种。结果(图1)显示，在河南郸城点，N0条件下，WY178和WK518 表现为高产，N2下WY178为高产，ZD317、FDCY22和XD724为低产，其余品种为中产，N4下WY178表现为高产，ZD309、FDCY22、NK916和KY153为低产，其余品种为中产。在陕西户县点，N0下除LP381、JH3318和ZD326表现为低产外，其余品种均表现为中、高产，N2下除ZD326、JH3318、NK916、GDY66和FD668外，其余则均表现为高产，N4下，WK518和DH528 表现为高产，JH3318为低产，其余均属于中产品种。依据此结果，根据黄淮海地区的施氮水平，可有针对性的选择使用WK518、WY178等高产品种，达到玉米高产高效栽植。

2.3 地上部生物量

河南郸城点氮肥减施对机收品种地上部生物量分配的影响结果(图2A～E)显示，各机收品种的地上部生物量平均为18.12 t·hm-2，茎、叶、鞘、苞叶、穗轴和籽粒平均分别占19.0%、12.2%、6.9%、6.1%、8.8%和47.0%。统计分析表明，N4下XD724的地上部生物量最高，为26.07 t·hm-2。随施氮量增加，地上部生物量呈先增后降趋势，在N2处理下达最高为19.12 t·hm-2，各机收品种平均生物量以WY178和WK518最高，分别为21.93和21.40 t·hm-2，二者之间差异不明显，NK916和LP381最低，分别为15.25和16.16 t·hm-2，两品种间无显著差异。除以上品种外，GSY66在N2处理下、XD724在N3和N4下地上部生物量也相对较大，而LD608在N0和N4以及ZD317在N2和N3下生物量相对较低。不同施氮处理下各机收品种生物量的差异主要来源于籽粒和茎，N2处理下籽粒和茎重均达最高，平均分别为9.17和3.71 t·hm-2，N2处理下茎重占地上部生物量比例最高，N4下籽粒所占比例为最高，分别为18.1%和54.0%。不同品种以WK518和WY178籽粒、XD724茎重为最高，平均分别为10.60、10.49和5.12 t·hm-2。

陕西户县点氮肥减施对机收品种地上部生物量分配的影响(图2F～J)显示，各机收品种的地上部生物量平均为19.64 t·hm-2，茎、叶、鞘、苞叶、穗轴和籽粒平均分别占19.9%、11.6%、6.2%、5.1%、7.8%和49.4%。统计分析表明，N4下WK518的地上部生物量最高，为25.18 t·hm-2。施氮处理对地上部生物量的影响未达显著水平，各品种地上部生物量以WK518最高为22.18 t·hm-2，以JH3318和LP381最低，分别为16.66和16.99 t·hm-2，二者之间差异不明显。除这4个品种外，ZY8911在N0、KY153和ZD317在N1、XD724在N2和ZD309在N4下生物量也相对较高，而NK916在N0、DH5286在N2以及FD668和ZD326在N3下生物量相对较低。施氮处理对茎、叶、鞘、苞叶和穗轴的重量影响不显著，各品种表现为WK518籽粒和XD724茎重为最高，分别为10.61和5.84 t·hm-2。

表3 不同试验点和施氮量对机收品种籽粒产量的影响Table 3 Effects of different localities and nitrogen applications on the grain yield of different mechanized harvesting maize varieties (t·hm-2)

图1 不同机收品种的产量聚类分析树状图Fig.1 Dendrogram of grain yield of different mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南郸城；B: N2-河南郸城；C: N4-河南郸城；D: N0-陕西户县；E: N2-陕西户县；F: N4-陕西户县A: N0 in Dancheng, Henan; B: N2 in Dancheng, Henan; C: N4 in Dancheng, Henan; D: N0 in Huxian, Shaanxi; E: N2 in Huxian, Shaanxi; F: N4 in Huxian, Shaanxi.

图2 不同处理机收品种各器官的生物量Fig.2 Dry matter content of different organs of 12 mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南郸城；B: N1-河南郸城；C: N2-河南郸城；D: N3-河南郸城；E: N4-河南郸城; F: N0-陕西户县；G: N1-陕西户县；H: N2-陕西户县；I: N3-陕西户县；J: N4-陕西户县。A: N0 in Dancheng, Henan; B: N1 in Dancheng, Henan; C: N2 in Dancheng, Henan; D: N3 in Dancheng, Henan; E: N4 in Dancheng, Henan; F: N0 in Huxian, Shaanxi; G: N1 in Huxian, Shaanxi; H: N2 in Huxian, Shaanxi; I: N3 in Huxian, Shaanxi; J: N4 in Huxian, Shaanxi.

2.4 相关性分析

对施氮量、茎重、叶重、鞘重、苞叶重、穗轴重、产量和总生物量进行相关性分析，结果(表4)表明，施氮量和产量、地上部总生物量显著正相关，除产量和鞘重、苞叶重、穗轴重的相关性不显著外，茎重、叶重、鞘重、苞叶重、穗轴重、产量和总生物量之间正相关性达显著水平，P值最大为0.781。总生物量和产量的回归分析结果(图3)表明，二者的关系表现为y=0.368 1x+2.163 1，其中，R2为0.470 3，P<0.01，表明生物量和产量之间存在显著的回归关系，可用收获期机收品种的生物量估测产量数值。

表4 施氮量和各器官生物量间的相关性分析Table 4 Correlation analysis between nitrogen application and dry matter contents of different organs

图3 籽粒产量和总生物量的回归分析Fig.3 Regression analysis of grain yield and dry matter content

3 讨论

3.1 氮肥减施对机收品种产量的影响

不同的生态条件对玉米机收品种的产量影响不同。研究发现(表3)，河南郸城点的产量平均为8.52 t·hm-2，而陕西户县点的玉米产量平均高达9.71 t·hm-2，这种差异主要与试验地的土壤地力高低有关(表1)。减少氮肥施用量、提高氮肥效率是降低玉米种植成本，提高玉米竞争力的重要措施[11-12]。段然等[13]连续两年开展玉米油菜田间轮作试验后发现，与常规施肥处理相比，减氮15%和减氮30%时对洞庭湖旱地玉米和油菜产量均无显著影响。董强等[14]连续3年研究了不同减氮模式对黄土高原南部的春玉米产量的影响，结果表明，与传统施氮模式相比，减氮20%模式下的玉米产量均未有显著变化。李恩尧等[15]发现，与常规施肥量相比，减少20%处理对坡地红壤的玉米产量无显著影响，而在减施量达30%时产量显著下降。本研究结果也显示，与正常施氮量相比，河南郸城点氮肥减施1/3处理(N2)和陕西户县点氮肥减施1/6处理(N3)下机收玉米品种的产量无显著下降，持续减氮后产量显著下降(表3)。这表明与传统习惯性施肥相比，合理减少施氮量，玉米产量未有明显变化，这可能由于减施氮肥的土壤中仍然能够维持玉米生长中对氮素的吸收，保证玉米植株对氮素的利用，减少了氮素的损失，进而达到减氮不减产的目标[16-17]。然而，本研究仅为一年试验，连续多年的持续性减氮1/6～1/3情况下，本地区夏玉米是否依然保持高产，仍需进一步研究。

由于机收品种对气候环境及施氮水平的适应力不同，其高产优势发挥程度也存在差异[18-21]，本研究中对2个试验点的20个机收品种按照施氮水平进行聚类分析(图1)，发现在河南郸城点，WY178在各个施氮水平下均属于高产品种，因此在此点可以优先种植WY178，发挥其高产性好和稳定性高的优势。在陕西户县点，大多品种均能表现出高产优势，在氮肥减施情况下，可以选用WK518、WY178和K6961等品种，以达到高产的目的。

3.2 玉米产量和生物量的关系

玉米生产是群体的生产，干物质积累是玉米产量的物质基础，增加干物质积累量对实现玉米高产具有重大意义[22]。随着生育期的推进，植株生物量的增加呈先快后慢的趋势[23]，其变化还受品种、施肥、灌水、种植密度和间套作方式等因素的影响[24-28]。本研究中，在河南郸城点，随着施氮量的增加，地上部生物量呈先增后降趋势，这表明在施氮量为160 kg N·hm-2时，即可满足植株对氮素吸收和利用的需求，持续增氮则无显著变化，这与陶静静等[29]的研究结果一致。研究还发现，对高产机收品种如WY178来说，随施氮量的增加，生物量在茎和叶中所占的比例呈先增后减趋势，在正常氮水平下减至较低水平，生物量在籽粒中的分配则达较高水平(图2)，这表明高产品种能够根据生长条件协调配置营养器官和生殖器官中资源的积累和分配，降低营养器官对光合产物的消耗比例，提高光合产物向籽粒的转移和累积，实现对有限资源的高效利用，进而获得高产。本研究仅研究了玉米成熟期生物量在各个器官的分配，其花前花后干物质积累量对地上部生物量的贡献以及营养器官和生殖器官对光合产物的竞争机制仍有待深入探索。

对于玉米生物量和产量的关系，前人研究结果表明，在营养生长和生殖生长阶段玉米总生物量和产量是光合有效辐射、辐射截获率以及辐射利用率的函数[25]，玉米籽粒产量与吐丝期和成熟期根系和地上部生物量及成熟期的根冠比呈显著相关[30-31]。综合试验中所有因素，本研究(表4和图4)也发现，成熟期玉米植株地上部生物量和籽粒产量存在显著的正相关，回归方程也达显著水平，这对于进一步深入研究产量形成机制和推求玉米产量生产函数提供了一定的参考依据。