不同氮素形态及配比对玉米生长、氮素利用及产量的影响

2020-05-26王玉凤张翼飞陈天宇王怀鹏尹雪巍张继卫菅立群宋梦琪张津松薛盈文杨克军

中国土壤与肥料 2020年2期

武鹏，王玉凤，张翼飞，陈天宇，王怀鹏，尹雪巍，杨丽，张继卫，菅立群，李庆，宋梦琪，张津松，薛盈文，杨克军

（黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江大庆 163319）

玉米是我国第一大粮食作物，其产量高低对于国家粮食安全具有重要意义。玉米生育过程中氮是被吸收最多的元素，其对玉米光合作用、干物质积累、器官建成和源库关系等影响显著［1-3］，由于土壤自身氮素含量较低，因此必须通过施用氮肥来满足作物生育对氮素的需求。但是由于施肥方式不当导致氮素释放时间和强度与作物需氮规律不吻合，施入土壤中的氮素经过硝化-反硝化、淋溶流失等途径损失［4］，最终产生一系列环境问题，对农田生态系统构成威胁［5］。同时随着社会发展，传统精耕细作栽培方式已不能满足社会的需求，目前农民生产中常用的“一炮轰”施肥方式造成前期营养过量和后期营养不足问题，拔节期和大喇叭口期分期追肥又造成人工浪费，增加经济投入等问题，氮肥利用率也仅有30%左右［6］。因此，玉米轻简化栽培和改变施肥方式提高氮肥利用率势在必行。目前有效增加玉米产量、提高氮素利用效率的方式主要有两种，一是改变氮素施用方式，二是施用新型缓/控释尿素［7］。缓释尿素的发展使得玉米生育期内对氮素需求与土壤中氮素供应相一致，普通速溶性尿素施入土壤后快速释放，造成作物生育前期氮素过剩，后期氮素不足，而缓释尿素则能维持作物中后期的氮素需求，增产的同时减少投入成本［8-9］。目前氮素深施的研究及缓释尿素与普通尿素配施于玉米上的研究均较为普遍，姜超强等［10］、刘威等［11］研究发现尿素通过深施可以提高作物产量，促进叶片光合作用来提高肥料利用效率；多位学者研究［12-16］发现缓释尿素与普通尿素配施通过提高土壤中无机氮（NO3--N和NH4+-N）含量来提高玉米穗位叶光合能力，延缓植株衰老，促进生长发育和植株氮素吸收、提高产量和氮肥利用效率。但是由于地区环境不同和缓释尿素类型不同，导致缓释尿素与普通尿素最佳配施比例一直无统一的标准，衣文平等［17］将树脂包膜尿素与普通尿素以不同比例配施一次施入土壤研究发现，配施比例为3∶7时显著提高玉米产量，金容等［18］发现缓释尿素与普通尿配施施比例为75%：25%时效果最佳，本实验室前期研究结果表明配施比例为3∶7和5∶5时效果较好，因此探究氮素一次深施模式下的最佳缓释尿素与普通尿素配施比例仍是重要研究课题。现阶段把缓释尿素与普通尿素配施后再分层施入土壤作为基肥一次施用的研究鲜见报道，本研究通过松嫩平原半干旱区2年大田试验，选用“庆单3号”玉米品种，将缓释/普通尿素在不同土层深度进行多种方式配施做基肥一次施入土壤，深入研究缓释尿素不同基施方式对玉米生长发育关键节点的影响，旨在找到适宜的配施方式，为当地玉米生产过程中缓释尿素的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2017～2018年在黑龙江八一农垦大学现代农业栽培技术与作物种质改良重点试验室试验基地（46°37′N、125°11′E）进行，试验基地日降水量、蒸发量和平均气温见图1。供试土壤为盐化草甸土，基础肥力见表1。供试玉米品种为“庆单3号”，供试肥料为树脂包膜尿素（PCU，N 45%），普通尿素（PU，N 46%），硫酸钾（K2O 50%），过磷酸钙（P2O512%）。

图1 玉米生育期间降水量、蒸发量和日平均气温

表1 土壤基础地力

1.2 试验设计

本研究采用大田随机区组设计，共设置8个处理，3次重复，所有处理进行分层设置，小区面积52 m2（10 m行长，8行区，0.65 m行距）。各处理均施用磷、钾肥按纯量为P2O5120 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，在种下5～10 cm作为种肥与此层尿素同时一次施入。氮肥纯量为N 220 kg·hm-2，CK为不施氮肥对照；PU1为普通尿素作为种肥一次施入种下5～10 cm（当地农户“一炮轰”施肥模式）；PU2为普通尿素，其中60%作种肥施入种下5～10 cm，剩余40%在拔节期作追肥（当地农户传统追肥模式）；PU3为普通尿素，PCU1～PCU4为缓释尿素与普通尿素配施，PU3和PCU1～PCU4处理在种下5～10、15～20、25～30 cm分别施氮用量的20%、30%和50%。PCU1～PCU4在种下15～20和25～30 cm土层根据本实验室前期研究结果选用缓释尿素与普通尿素以3∶7和5∶5的比例配施，具体配施方式见表2。施肥方式为人工开沟，每施入一层肥料后人工覆一层土，最后坐水播种，坐水量为50 m3·hm-2、覆土和人工踩压。种植方式为传统垄作，播种时间为2017年5月9日和2018年4月28日，收获时间为2017年10月7日和2018年10月4日，株距20.5 cm，种植密度75 000株·hm-2，田间管理同当地大田生产。

表2 各处理具体氮肥配方与施用方法

1.3 采集与测定

1.3.1 土样采集与测定

整地前取0～30 cm土层土壤，按常规法测定土壤基本理化性质［19-20］。玉米生育期的拔节期、吐丝期和灌浆期在种植玉米的垄上两株植株之间取地下0～10、10～20、20～30 cm土层土样，每小区5个样点混合均匀，带回实验室测定硝态氮和铵态氮含量［19］。

1.3.2 植株采集与测定

分别于玉米各生育时期在每个小区采集有代表性的植株样品3株，带回实验室擦洗干净，按叶、茎、鞘、籽粒等器官分解植株，在105℃下杀青30 min，80℃下烘干至恒重，将称重后的样品磨碎后充分混合，采用H2SO4-H2O2消煮处理样品，用凯氏定氮仪（KjelFlex K-360，BÜCHI）测定全氮含量，计算植株吸氮量［21］。并参照Cox等［22］和Moll等［23］的方法计算干物质和氮素相关指标。

氮积累总量（g·株-1）=植株含氮量（%）×生物量；

花前营养体干物质转运量（DMT，kg·hm-2）=开花期营养体干物质积累量-成熟期营养体干物质积累量；

花前营养体干物质转运率（DMTE，%）=花前营养体干物质转运量/开花期营养体干物质积累量×100；

营养器官氮素转移率（NRE，%）=营养器官氮素转移量/吐丝期营养器官氮素吸收量×100

氮素吸收效率（UPE，kg·kg-1）=植株氮素积累量/施氮量；

氮收获指数（%）=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量×100；

氮肥偏生产力（PEPN，kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量；

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量）/施氮量×100；

土壤氮依存率（SNDR，%）=不施氮区植株氮素积累量/施氮区植株氮素积累量×100。

1.3.3 植株叶绿素含量及光合指标测定

在玉米吐丝期和灌浆期选取晴天的9：30至12：00之间使用Li-6400便携式光合仪（Li-Cor.Inc，美国），在各小区的中间条带，选取3株生育进程一致、具有代表性、光照均匀的植株（穗位叶完全展开前选取顶部第一片完全展开叶，穗位叶完全展开后选取穗位叶，且避开叶脉）循环测定自然光源下叶片蒸腾速率（Tr）、净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs），同时将穗位叶剪下带回实验室用95%乙醇法测定叶绿素含量。

1.3.4 籽粒产量及构成因素的测定

玉米成熟期，收获各小区中间两垄，连续5 m长的所有果穗，统计有效穗数，计算平均穗重，选取具代表性的20个果穗，进行室内考种，记录穗粒数及百粒重，计算14%含水率下的玉米产量。

产量（kg·hm-2）=有效穗数×穗粒数×百粒重/105×（1-含水率%）/（1-14%）。

1.4 数据处理与分析

数据处理采用软件Excel 2003，方差分析采用统计软件DPS 7.05，多重比较采用LSD检验法。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮素运筹对土壤无机氮含量的影响

如表3所示，拔节期0～10 cm土层PU2处理无机氮含量显著高于其他处理，10～20和20～30 cm均是PU3最大，分别为48.76和26.57 mg·kg-1。吐丝期普通尿素分层基施PU3在10～20和20～30 cm土层无机氮含量显著高于PU1和PU2处理；缓释/普通尿素分层掺混基施处理（PCU1、PCU2、PCU3、PCU4）较PU1、PU2、PU3处理的无机氮含量在10～20和20～30 cm分别增加了3.35～8.90和14.38～21.77 mg·kg-1，20～30 cm土层PCU4最大，为37.48 mg·kg-1。灌浆期PU3处理无机氮含量在10～20和20～30 cm均显著高于PU1和PU2处理；缓释/普通尿素分层掺混基施处理（PCU1、PCU2、PCU3、PCU4）较PU1、PU2、PU3处理无机氮含量在10～20和20～30 cm分别增加了1.03～3.61和0.47～ 7.88 mg·kg-1，10～ 20 cm土层PCU4最大，为6.24 mg·kg-1，显著高于除PCU2以外的其他处理。

表3 不同形态氮素运筹对各土层土壤无机氮含量的影响（mg·kg-1）

表4 不同形态氮素运筹对玉米叶片光合参数的影响

2.2 不同形态氮素运筹对功能叶片光合特性的影响

从表4可以看出，各施氮处理间的净光合速率无显著差异，叶绿素、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等指标有明显差异。PU1、PU2、PU3相比较可以发现，在吐丝期和灌浆期均是PU3的叶绿素含量、蒸腾速率和气孔导度最高，胞间CO2浓度最低。吐丝期缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）处理较PU1、PU2、PU3处理蒸腾速率和气孔导度分别提高14.29%～24.72%和8.67%～15.11%，PCU1、PCU4最大，分别为9.89 mmol H2O·m-2·s-1、449.52 mmol H2O·m-2·s-1；灌浆期分别提高13.24%～35.89%和2.50%～14.53%，均是PCU4最大，分别为4.96 mmol H2O·m-2·s-1和242.08 mmol H2O·m-2·s-1；与不施氮对照（CK）相比较，施氮处理降低了吐丝期和灌浆期叶片的胞间CO2浓度，PCU2和PCU4最低，分别为64.19 μ mol CO2·mol-1和 104.24 μmol CO2·mol-1。

2.3 不同形态氮素运筹对玉米干物质和氮素积累利用的影响

2.3.1 不同形态氮素运筹对玉米干物质积累与转运的影响

从表5可以看出，PU3处理较PU1和PU2处理干物质积累量显著提高了5.48%～12.40%，分层掺混基施（PCU1～PCU4）较其他施氮处理提高了3.56%～32.18%，成熟期干物质积累量和收获指数均是PCU4处理最高，分别为23.55×103kg·hm-2和0.50，PCU4的干物质积累量显著高于除PCU2处理外的所有处理。从花后干物质积累量来看，PU3较PU1和PU2提高14.47%～32.12%；缓释/普通尿素掺混分层基施处理（PCU1、PCU2、PCU3、PCU4）比PU1、PU2、PU3增加（0.46～5.21）×103kg·hm-2；PCU4处理最大，为10.28×103kg·hm-2，显著高于除PCU2外的其他处理。从花后干物质积累对籽粒干物质贡献率来看，PCU4处理最高，为87.63%，显著高于PU1、PU2和PU3。

2.3.2 不同形态氮素运筹对玉米吐丝期后氮素转运的影响

从表6可以看出，吐丝期后各施氮处理氮素吸收量为38.08～64.69 kg·hm-2，PU3显著高于PU1，缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）较其他施氮处理（PU1、PU2、PU3）提高8.06%～69.88%，PCU4最大，为64.69 kg·hm-2。吐丝期后各施氮处理营养器官氮素转运量为24.94～37.89 kg·hm-2，普通尿素分层基施PU3处理比PU1和PU2高11.42%～20.53%，缓释/普通尿素分层掺混基施处理（PCU1～PCU4）较其他施氮处理（PU1、PU2、PU3）高7.09%～51.92%，PCU4最大，为37.89 kg·hm-2。从氮素转运效率来看PCU4最高为30.08%，显著高于PU1、PU2、PU3处理。

2.3.3 不同形态氮素运筹对玉米氮素利用率的影响从表7中可以看出，施氮显著提高成熟期植株氮素积累量，PU3显著高于PU1和PU2，提高8.50%～20.00%，缓释/普通尿素分层掺混基施处理（PCU1～PCU4）较其他施氮处理（PU1、PU2、PU3）提高4.76% ～ 31.58%，PCU4最高，为190.85 kg·hm-2，显著高于其他处理。从氮素吸收速率、氮收获指数、氮肥偏生产力、氮肥利用率来看，均是PCU4处理表现最佳，分别比其他施氮处理高5.06%～31.82%、3.92%～25.58%、10.50%～91.68%和4.54%～20.36%；土壤氮依存率显著降低，降低了4.54%～20.36%。与PU1和PU2相比，普通尿素分层基施（PU3）和缓释/普通尿素分层掺混基施均显著提高氮肥利用率，分别达到35.89%和39.66%～43.53%，PCU4的氮肥利用率（43.5 3 kg·kg-1）最大，显著高于其他处理。说明普通尿素分层基施和缓释/普通尿素分层掺混基施能够提高肥料利用率，降低土壤氮依存率。

表6 不同形态氮素运筹对玉米吐丝期后氮素积累与转运的影响

表7 不同形态氮素运筹对玉米氮素吸收及利用率的影响

2.4 不同形态氮素运筹对玉米产量构成要素和经济效益的影响

从产量来看（表8），2017和2018两年产量变化趋势基本一致，试验结果表明，普通尿素分层基施（PU3）与普通尿素一次基施（PU1）和传统追肥（PU2）间产量差异不显著，缓释/普通尿素分层掺混基施提高玉米产量，PCU4最高，分别为13 899.1和 12 439.3 kg·hm-2。与 PU1、PU2、PU3处理相比，缓释/普通尿素分层掺混基施处理玉米产量分别提高2.32%～24.56%和1.32%～16.51%；PU1、PU2、PU3间产量差异不显著。两年比较发现2018年产量较2017年有所降低，这可能是由于试验地区2018年夏季降雨过量产生轻微涝害导致减产所致。

从经济效益来分析，2017和2018年缓释/普通尿素分层掺混基施较其他施氮处理分别增加净收入219.33～4 111.02和41.94～3 197.85元·hm-2，提高了1.67%～31.84%和3.38%～27.49%，均是PCU4净利润最高，为17 022.25和14 832.65元·hm-2；PU1、PU2、PU3间经济效益差异不显著；2017年PCU4处理的净收入显著高于除PCU2和PCU3外的其他处理。

表8 不同形态氮素运筹对玉米产量和经济效益的影响

3 讨论

土壤无机氮是土壤氮素的供应来源，能直接被植物吸收利用，主要由NO3--N和NH4+-N构成［24］，其含量能直接反映出土壤的供氮水平。本试验结果表明，与PU1和PU2相比，普通尿素分层基施（PU3）和缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）均能增加吐丝期和灌浆期10～20和20～30 cm土层无机氮含量，缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）处理无机氮含量更高。这可能是拔节期土壤温度较低缓释尿素膜上的微孔和裂隙控制养分释放速率较慢，而普通尿素为速溶性肥料施入土壤后释放较快，拔节期后土壤温度不断升高，普通尿素分层施肥（PU3）仍能保持较高无机氮含量，但是树脂包膜尿素由于内部渗透压不断增大，促进氮素不断释放［25］，其无机氮含量高于普通尿素分层基施（PU3）。也可能是由于树脂包膜尿素的膜材料使土壤中脲酶活性较为稳定，增加了土壤中亚硝化细菌数量，显著降低了反硝化细菌数量，使得玉米生育中后期土壤中无机氮（NO3--N和NH4+-N）含量在较长时间内保持较高水平［26］，还可能是由于缓释/普通尿素分层掺混基施通过把肥料施在玉米根系活跃生长区域，使得玉米养分的释放与玉米养分的吸收相匹配，延长土壤氮素供应周期，维持且提高土壤供氮能力，起到“氮素供给后移”作用，满足作物整个生育时期对氮素的需求。在各缓释/普通尿素分层掺混基施处理中PCU4处理的无机氮含量在10～20和20～30 cm土层始终稳定，处于较高水平，说明PCU4处理能够稳定保证生育后期高水平无机氮含量。

前人研究［27-29］认为缓释尿素与普通尿素相比，能维持作物生育后期叶片中叶绿素含量，延缓叶片的衰老。本试验结果表明，在吐丝期和灌浆期普通尿素分层基施（PU3）和缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）处理较其他施氮处理提高功能叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，降低胞间CO2浓度，缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）效果更明显。这是由于缓释尿素养分逐渐释放，高水平的氮素供应保证玉米生育后期对氮素的需求，促进根系运输养分至地上器官，提高其抗逆能力［30］，氮素含量的提高促进了叶片中叶肉细胞的光合作用，引起净光合速率升高消耗叶片细胞内部大量的CO2，此时气孔导度增大胞外CO2随之进入细胞内补充进行光合作用，导致胞外CO2浓度降低和蒸腾速率升高［31-32］。说明缓释/普通尿素分层掺混基施具有提高玉米的光合特性，延缓器官衰老，促进玉米增产的作用。

氮肥的施肥深度和缓释尿素与普通尿素的配施比例通过调控氮素的养分释放最终显著影响作物干物质和氮素积累与转运［33］，促进灌浆和增加籽粒重量［34］。王玉雯等［35］指出作物花后氮素积累对作物产量影响显著。本研究中，普通尿素分层基施（PU3）和缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）促进了吐丝期后干物质的积累和氮素的阶段吸收量，并有效促使其转运到籽粒中，提高籽粒的干物质积累量和氮素吸收量，最终提高整个植株的干物质和氮素吸收量，缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率达到74.60%～87.63%，这与前人研究认为禾谷类作物经济产量的73.93%以上来自于花后光合代谢产物的结论一致［36-38］，说明缓释/普通尿素分层掺混基施处理有较高的花后干物质和氮素积累优势，提高了花后干物质和氮素积累量、营养器官氮素转运量和氮素转运效率，为植株后期吸氮奠定了良好的基础，有利于吐丝后氮素的积累，这与郭金金等［39］的研究观点一致，也可能是由于缓释/普通尿素分层掺混基施一次性把肥料施在种子正下方的不同部位，缓速结合，更加有利于玉米根系不同生育期对氮素的吸收。本试验中缓释/普通尿素分层掺混基施比其他施氮处理氮肥利用率提高了3.77%～20.82%，说明充足的氮素供应有效提高玉米氮收获指数、氮肥偏生产力和氮肥利用率，降低了土壤氮依存率，这是由于缓释/普通尿素分层掺混基施既能满足玉米生育前期对氮素的需求，又能通过缓慢释放满足生育后期对氮素的需求，其氮素释放高峰期与作物吸氮高峰期基本吻合，促进作物生长，最终达到提高氮肥利用率的目的［40-41］，这与王晓琪等［8］的研究结果一致，但李伟波等［42］认为分层施肥将氮肥深施入适宜深度，土壤也能提高肥料利用率，因此具体机理还有待进一步分析探究。

农业生产上通过多种栽培技术来提高肥料利用率和增加作物产量，目的是减少氮素的浪费，同时提高农户收入。本研究结果表明，与一炮轰施肥（PU1）和传统拔节期追肥（PU2）方式相比较，缓释/普通尿素分层掺混基施（PCU1～PCU4）通过两种肥料不同释放速率优劣互补、缓急并重、供肥平衡，有效增加玉米产量和提高经济收入。这是由于缓释尿素价格虽然高于普通尿素，但是施用缓释尿素后减少了后期在拔节期追肥所投入的人力成本和机械成本，并且有效提高产量，总体经济效益高于传统施肥模式，这与徐钰等［43］的研究结果一致。说明缓释/普通尿素掺混分层基施能够增加玉米产量和提高经济效益，提高肥料利用率，这是一种节肥高效的施肥方式，值得进一步研发施肥机械和推广。

本试验中，各缓释/普通尿素分层掺混基施处理中以PCU4的效果最好，这是由于PCU4处理的氮素释放效果最好，其在整个生育时期均保持较高水平的无机氮含量，良好的氮素供应满足了玉米植株不同生育时期对氮素的需求，促进根系对氮素的吸收，营养元素从根系通过系列过程转移到叶片，提高了叶片的生理活性，延缓其衰老，促使其在生育后期仍可以高效地进行光合作用，制造更多生物量，并且促进了干物质和氮素的积累与转运，最终提高玉米产量，增加经济效益。