分层施肥对玉米产量及氮肥利用率的影响

李国生　吴小宾　魏建林　李燕　郑福丽　崔荣宗　刘兆辉　谭德水

摘要：采用大田试验法，设置CK（对照：不施氮）、OPT（两次施肥：基、追肥均沟施尿素）、OPT1（分层施肥：上、下层均施尿素，全部一次性基施）和OPT2（分层施肥：上层尿素，下层腐植酸复合肥，全部一次性基施）4个处理，研究不同优化施氮处理对玉米氮养分吸收与利用、植株生长和产量及土壤氮素累积的影响。结果表明：与CK相比，OPT、OPT1和OPT2处理的氮素吸收、生物量干重及产量均显著提高，各优化施肥处理的氮肥表观回收率、农学利用率和偏生产力分别达到37.4%～39.4%、8.3～8.5 kg/kg和39.0～39.1 kg/kg，收获期玉米的氮吸收、生物量干重和产量分别提高68.6%～72.4%、43.4%～51.3%和27.2%～27.7%;与OPT处理相比，OPT1、OPT2处理能够使生长季0～30、30～60 cm土层的氮维持较高浓度，从而保证玉米氮素吸收和产量不降低，同时节省了玉米生育期追肥用工。分层施肥兼顾氮肥利用效率及作物产量、收益，同时节约了劳动力，在不使用缓控释肥条件下也可实现一次性施肥。

关键词：分层施肥;氮肥效应;产量;施肥位置;土壤氮

中图分类号：S513.01：S147.24文献标识号：A文章编号：1001-4942（2020）03-0066-06

AbstractDifferent treatments including CK（no nitrogen fertilizer）， OPT（urea as nitrogen fertilizer and applied in 10-cm soil layer at sowing stage and jointing stage by ditch application）， OPT1（stratified fertilization， one-time basal application of urea in 10-cm and 25-cm soil layers respectively） and OPT2（stratified fertilization， urea and humic acid compounded fertilizer applied in 10-cm and 25-cm soil layers one-time respectively at sowing stage as basal application） were set in fields， and their effects on nitrogen absorption and utilization amounts， growth and yield of corn and soil nitrogen accumulation were compared in the study. The results showed that compared with CK， the nitrogen absorption amount， biomass dry weight and yield of corn in OPT， OPT1 and OPT2 treatments were significantly improved， and the nitrogen recovery use efficiency （NRE）， nitrogen agronomic efficiency （NAE） and nitrogen partial factor productivity （PFPN） were up to 37.4%～39.4%， 8.3～8.5， 39.0～39.1 kg/kg， respectively;the nitrogen absorption amount， biomass dry weight and yield increased by 68.6%～72.4%， 43.4%～51.3% and 27.2%～27.7%， respectively. Compared with OPT treatment， OPT1 and OPT2 treatments could maintain higher concentration of soil N content in 0～30-cm and 30～60-cm soil layers in growing season， so as to ensure the N absorption amount and yield of corn， and save labor use of topdressing fertilizer at growth stage. Stratified fertilization could not only improve the NUE， crop yield and benefits， but also save labor force， and realize one-off fertilization without controlled-release fertilizers in corn production.

KeywordsStratified fertilization; Nitrogen fertilizer effect; Yield; Fertilizer application position; Soil nitrogen concentration

玉米作为第一大粮食作物在我国粮食生产中占有重要地位，玉米的高效生产对保障国家粮食安全至关重要。氮肥合理运筹是实现玉米高产、优质和高效的重要手段，是提高玉米氮肥利用率和产量的关键。当前，我国玉米生产中传统的施肥模式仍然是以分次施氮为主，即在播种时施用基肥，在拔节期进行一次追肥，这种基、追相结合的氮肥施用方法不仅费时、费力，而且由于农民追肥时普遍采用地表撒施的方式，易造成肥料浪费和利用率低的问题。以往很多研究表明，生产中不合理的施肥会导致一系列的资源浪费和环境污染，如氨挥发[1，2]、温室气体排放[3，4]、硝酸盐淋洗[5]以及水体富营养化[6]等。科学合理的施肥方式能够实现土壤养分供应与作物养分需求在数量上匹配、时间上同步和空间上一致，因而能提高养分利用效率和产量以及协调作物高产与环境保护[7]。因此，施肥作為作物生产的关键环节，肥料类型、施用量、施用比例和施肥深度等都会关系到作物对养分的利用以及最终产量[8，9]。

随着我国社会经济的发展，农村劳动力向城市转移，农业劳动力成本逐渐增加，进一步限制了玉米产量的提升。生产中由于玉米生育期追肥困难，农民采用“一炮轰”（一次性施用速效氮肥，后期不再追肥）的现象较为普遍。对我国北方5个玉米主产省的调查发现，采用“一炮轰”施肥的农户平均比例为50%，吉林省和山东省的比例更是高达78.3%和54.5%[10]。“一炮轰”施肥虽然能有效地节约农业劳动力，但作物产量难以保证，肥料利用率也有较大的提升空间[11]。研究发现，“一炮轰”施肥易造成玉米生育期内的氮素分配不均衡，前期氮素供应过剩易发生挥发和淋洗损失，后期氮素供应较少易出现脱氮现象，进而导致产量和氮肥利用效率降低[12]。“一炮轰”施肥对作物产量和氮肥利用率的负作用主要是肥料剂型或施肥位置不合理导致。前人研究表明，缓控释肥较传统速效肥料具有明显的优势，能够根据作物生长需求而选择性地释放养分[13]，因而能够实现一次性施肥[14]，但由于缓控释肥的价格是普通肥料的3～8 倍，大大限制了其在经济价值较低作物上的应用。因此，在使用普通肥料的条件下，肥料的施用技术在作物高产高效种植过程中更为关键，尤其是肥料的施用位置直接影响作物的养分利用率和产量[15，16]。据报道，肥料深施可以提高肥料利用率，延长肥效，有利于促进作物后期生长[17，18]，分层施肥能够改变传统施肥模式造成的土壤“上肥下瘦”的现象，促进根系生长发育，增加作物吸收养分和提高产量[19]，而且相比深施，分层施肥的增产增效效果更好[20，21]。综上所述，分层施肥为玉米生育期内只进行一次性施肥提供了技术条件。为合理应用一次性分层施肥技术，本试验比较两种分层施肥与传统施肥模式（基肥+追肥）对玉米生长、氮肥利用率和产量的影响，以明确分层施肥的农学效应和生产效益，为玉米的轻简化高效施肥技术提供参考。

1材料与方法

1.1试验地概况及材料

试验于2014年在山东省泰安市农业科学研究院科研基地——肥城市安驾庄镇综合试验场进行。该区属于温带季风气候，年均日照时数2 607 h，年平均气温12.9℃，年平均降水量659 mm。供试土壤为砂姜黑土，0～30 cm土层基础理化性状：pH值7.5（水土比1∶5），有机质含量16.9 g/kg，NO-3-N含量31.1 mg/kg，NH+4-N含量4.7 mg/kg，速效磷14.3 mg/kg，速效钾176 mg/kg。

供试肥料：尿素（N 46%），腐植酸复合肥（N 28%、K2O 7.0%），重过磷酸钙（P2O5 44%），氯化钾（K2O 60%）。

1.2试验设计及方法

试验设置4个处理，完全随机区组排列，重复3次，小区面积37.4 m2（8.5 m × 4.4 m）。4个处理分别为：（1）对照（CK），不施氮肥;（2）优化施肥（OPT），施氮量240 kg/hm2 ，分2次施用，基追比为3∶7，基肥在种下10 cm处均匀沟施，追肥在行间沟施（大喇叭口期），深度10 cm，追肥后覆土，所施氮肥为尿素;（3）优化施肥1（OPT1），施氮量同OPT，氮肥全部基施，分10、25 cm土层种下沟施，两层施氮量比例为4∶6，均施尿素;（4）优化施肥2（OPT2），施氮量同OPT，氮肥全部基施，分10、25 cm土层种下沟施，两层施氮量比例为4∶6，上层施尿素，下层施腐植酸复合肥。除氮肥外，所有处理的磷、钾肥均作基肥在土壤10 cm处一次性沟施，且各处理的磷、钾肥总量相同，P2O5用量105 kg/hm2，K2O用量75 kg/hm2（OPT2处理中减去腐植酸复合肥中带入的钾含量）。

供试玉米品种为杂交种郑单958（ZD958），前茬作物小麦收获后于2014年6月18日直播，每公顷播种密度为57 750株。

1.3田间取样及测定

分别在玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期采集植株样品，于105℃下杀青30 min，然后在70℃烘箱中烘干72 h至恒重。将烘干的植株样品研磨成粉末（<0.5 mm）后，用H2O2-H2SO4消煮，采用凯氏定氮法测定氮含量。在玉米成熟期，每小区收获10 m2，按14%水分折算产量，并调查穗粒数、百粒重等。

1.4数据统计与分析方法

植株吸氮量= 植株干重×氮含量[22];

氮肥表观回收率（%）=（施氮区地上部分吸氮量-不施氮区地上部分吸氮量）/施氮量×100[22];

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量[23];

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮区产量/施氮量[9， 24]。

采用Microsoft Excel 2010、SigmaPlot 10.0软件进行数据处理和作图，采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1不同氮肥处理对玉米各生育期生长的影响

由表1可知，与不施氮处理（CK）相比，分次施肥（OPT）和分层施肥（OPT1、OPT2）处理均显著提高了玉米各生育期地上部生物量，拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期的提高幅度分别为28.6%～42.9%、53.3%～60.0%、21.1%～39.5%、31.7%～39.4%和43.4%～51.3%。与OPT处理相比，OPT1、OPT2处理的地上部生物量在不同生育期均未显著降低，表明在播种时一次性分层施氮，后期不再进行追肥，可以满足玉米全生育期养分的需求。OPT1与OPT2处理相比玉米各生育期地上部生物量无差异，表明分层施氮处理间底层施用尿素與腐植酸复合肥对玉米地上部生长无显著影响。

2.2不同氮肥处理对玉米产量及构成因素的影响

由表2看出，不同优化氮肥处理均显著提高了玉米产量，OPT、OPT1和OPT2分别较CK提高27.7%、27.2%和27.3%，但不同优化氮肥处理间无显著差异。OPT、OPT1和OPT2处理的穗粒数较对照显著提高10.0%、6.3%和5.7%。与OPT处理相比，OPT1、OPT2处理的穗粒数显著降低，分别减少3.3%、3.9%。千粒重的变化趋势与产量一致，OPT、OPT1和OPT2处理的千粒重分别较CK显著提高9.7%、10.8%和11.5%，但不同优化施肥处理间千粒重变化无显著差异。

2.3不同氮肥处理对玉米植株氮素吸收及氮肥利用率的影响

随着生育期的延长，玉米植株体内的氮浓度逐渐降低（图1）。拔节期不同优化施肥处理显著提高了植株的氮浓度，OPT、OPT1和OPT2处理分别较CK提高23.2%、28.8%和35.2%;与OPT处理相比，分层施肥（OPT1、OPT2）提高了玉米植株氮浓度，OPT2处理提高9.7%，OPT1处理提高4.5%，但二者差异不显著。大喇叭口期不同优化施肥处理增加了植株氮浓度，与CK相比，OPT1处理显著提高12.5%;与OPT处理相比，OPT1处理显著提高9.8%。吐丝期，不同优化氮肥处理均增加植株氮浓度，其中OPT1处理显著提高24.7%，OPT、OPT2处理与对照差异不显著。灌浆期OPT1处理植株氮浓度显著高于CK和OPT2处理，分别增加11.0%和9.5%，与OPT处理无明显差异。成熟期OPT、OPT2处理的植株氮浓度均较对照显著提高18.0%，OPT1处理与对照无显著差异。

由表3可见，与CK相比，不同优化氮肥处理显著提高了玉米各生育期的氮素累积量，拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期氮素累积量的增幅分别达69.3%～75.4%、45.8%～56.7%、31.6%～46.0%、67.2%～78.8%和68.6%～72.4%。与OPT相比，一次性分层施用尿素（OPT1）的氮肥表观回收率显著降低5.1%，但氮肥农学利用率和氮肥偏生产力没有明显差异。一次性分层施用腐植酸复合肥（OPT2）处理的氮肥表观回收率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力分别为39.4%、8.4 kg/kg和39.0 kg/kg，较OPT处理均无显著差异。2.4不同氮肥处理对玉米灌漿期土壤无机氮含量的影响

不同优化氮肥处理显著提高了玉米灌浆期各土层无机氮含量（图2）。0～30 cm土层，OPT、OPT1和OPT2处理分别比CK提高46.6%、67.2%和46.6%，OPT1处理的无机氮含量较OPT、OPT2分别提高14.1%、14.0%。30～60 cm土层，与CK相比，OPT、OPT1和OPT2处理的无机氮含量分别提高113.8%、160.8%和139.0%，OPT1较OPT处理无机氮含量显著提高22.0%，OPT1与OPT2无机氮含量无显著差异。60～90 cm土层，OPT、OPT1和OPT2处理较CK分别提高124.3%、108.7%和120.9%，不同优化氮肥处理之间无显著差异。

2.5不同氮肥处理经济效益比较

由表4看出，不同优化氮肥处理的收益较CK均显著提高，OPT、OPT1和OPT2处理分别提高19.8%、22.3%和18.4%。与OPT处理相比，OPT1处理每公顷收益增加362 元，主要原因是由于OPT1处理只进行一次性施肥，不用追肥，因而较OPT处理可节约450 元的追肥劳动力成本。虽然OPT2处理同样只进行一次性施肥，但由于腐植酸复合肥的购买成本较普通尿素高860 元，因而OPT2处理的收益较OPT处理降低203 元 。不同优化氮肥处理的收益由高到低依次为OPT1>OPT>OPT2，但三者之间差异不显著。

3讨论与结论

氮是玉米生长所必需的大量营养元素[25]，同时也是影响玉米生长发育和产量形成的重要限制因子[26-27]。氮肥的施用方法对玉米生长和产量形成起决定性作用，适宜的施肥位置对提高玉米产量和肥料利用率具有重要的意义。研究表明，肥料的施用方法和深度对玉米产量有显著影响[28]。化党领等[29]研究发现，基肥的施用位置可显著影响玉米对氮和磷的吸收。氮肥深施可促进玉米苗期的生长，增加根干重和株高，提高叶片叶绿素含量以及增加地上部干物质积累量[30]。本研究中不同优化施肥处理的氮肥施用位置在土层10 cm或25 cm，试验结果表明各优化施肥处理在氮肥深施条件下，均明显改善了玉米植株对土壤氮素的吸收，玉米生长季内氮素累积量增加31.6%～78.8%。养分累积有利于促进玉米干物质的形成，本研究中不同优化施肥处理玉米地上部生物量干重增幅高达21.1%～60.0%。干物质积累是作物产量形成的基础，干物质积累水平决定了籽粒的最终产量[31-33]。本试验氮肥深施条件下，不同优化施肥处理不仅促进了玉米的氮素吸收和干物质累积，而且最终使玉米产量增加27.2%～27.7%。

施肥时期与施肥方法是影响施肥效果最直接和最有影响的两个因素[29]。在我国农村劳动力短缺的现状下，农民普遍在玉米播种或整地时只进行一次性施肥，因而在此情况下，施肥方法对肥效的影响更加重要。施肥效应与作物种类、肥料形态、土壤特性及地理位置等因素有关，施肥位置的不同直接关系到肥效的发挥和作物产量的高低[15-16]。宋献礼[34]研究表明，施肥位置在玉米种子侧下方10～15 cm处为宜。郭新送等[35]研究认为，氮肥深施位置在地表下20 cm处的应用效果最好，并可作为氮肥施用的推广应用模式。徐桂玲等[36]研究认为，氮肥深施有利于玉米增产，并且随着施氮深度的增加，产量逐渐增加。本研究结果发现，一次性分层施氮OPT1（上、下两层均施尿素）处理的植株氮浓度从玉米拔节期至灌浆期均维持或高于分层深施尿素（OPT）处理，一次性分层施氮OPT2（上层尿素、下层腐植酸复合肥）处理的植株氮浓度在玉米整个生育期内均维持或高于OPT处理;此外，OPT1、OPT2处理的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力以及玉米产量与OPT处理均无显著差异，表明在玉米播种时分层施用尿素或者分层施用尿素、腐植酸复合肥与分次深施尿素相比均能维持玉米的氮肥利用率和产量不降低，从而实现玉米的一次性施肥。本研究结果与闫恒辉等[37]在小麦上应用分层施肥技术促进肥料高效利用及小麦产量的结论一致。进一步研究发现，灌浆期OPT1、OPT2处理0～30、30～60 cm土层的氮素较OPT处理仍能维持较高浓度，表明一次性分层施肥可以满足玉米整个生长季内的氮素供应。OPT1、OPT2处理促进玉米氮素吸收及增产，也可能与分层深施氮肥有利于玉米根系下扎，增加深层根系的活力和分布比例，提高玉米吸收能力，进而有利于肥效的发挥有关[29]。此外，由于分层施肥可以节省生长后期的追肥劳动力，因而在玉米整个生长季内只进行一次施肥的情况下仍能够维持甚至提高生产效益，表明分层施肥可在不使用缓控释肥的条件下实现一次性施肥。

本研究结果表明，一次性分层施肥能较好地满足生长季内玉米对氮的需求，提高氮肥利用率和产量，与分次施氮相比表现出较好的稳产增产效果，同时避免了玉米生育期追肥，节约了用工成本，协同实现了玉米的轻简化生产及养分高效利用的农业生产目标。

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