宁南旱区春玉米生物量、氮素利用及产量对常规/控释尿素配施的响应

马雪莹，康建宏，梁 熠，马 钰

(宁夏大学 农学院，银川 750021)

氮素是作物生长的营养来源之一，对作物的生长发育及产量形成具有重要影响。玉米是宁夏南部旱区重要的粮食作物，随着传统氮肥大量施用，玉米的增产幅度得到不同程度提升[1]。但普通尿素过量施用，在土壤中经过挥发、淋溶和反硝化等一系列反应，其氮素损失率达14%～45%[2]；若一次性基施普通尿素，会造成玉米生育后期脱肥、早衰等。控释肥作为一种新型肥料，能提高施用效率，同时节省用量及人工[3]，可根据作物需肥曲线来调控养分释放周期。但施氮时控释肥配比不同，氮素的释放周期和释放量相应改变，从而影响玉米的生物量积累、养分积累和最终产量形成。因此，研究春玉米干物质积累、产量及氮素利用率对不同控释尿素配施比例的响应，有利于优化旱区雨养条件下的栽培技术。国内外学者对不同控释肥掺混比例、类型及在不同生态环境下玉米的产量构成因素、养分吸收速率等进行了大量研究，郭萍等[4]研究发现，普通尿素配比75%的控释尿素一次性基施不但能促进干物质积累和分配，又可增产；但是随控释尿素比例的增加，穗长、穗粗、穗粒数和百粒质量等均表现出先升后降的趋势。尹彩侠等[5]研究表明，与单施普通尿素相比，单施控释尿素能够提高植株的吸氮量，促进氮素向籽粒转移，并且氮肥的表观利用率提高5.21%。李前等[6]的研究表明，相较施用普通尿素，盆栽试验中施用缓/控释肥延缓或控制了氮素释放，明显提高叶绿素含量。Liu 等[7]发现，黄土高原地区耕作时，将控释肥料与黑色覆膜技术相结合，可以提高水分利用效率并适当满足玉米的氮素需求，从而提高春玉米产量。上述研究多集中在控释肥种类和氮肥施用比例方面，对控释肥不同配施比例在宁南旱作地区的研究相对较少。因此，本试验设置不同控释肥配比处理，研究不同控释与普通尿素配施处理下春玉米的干物质积累动态变化、氮素利用效率和玉米产量，以期获得最佳配比方案，为黄土沟壑区旱地春玉米持续高产稳产的栽培管理技术提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏固原市彭阳县城阳乡旱作节水农业技术示范园进行。该地区海拔1 660 m，年平均气温7.4 ℃～8.5 ℃，无霜期140～170 d，年平均日照时数为2 518.1 h，降水量350～550 mm。试验地前茬作物为传统旱地地膜玉米，土壤类型为黄绵土，耕层土壤(0～20 cm)理化性质见表1。

1.2 试验区降雨量

试验区2016和2017年玉米生育期内的降雨量存在较大差异(图1)。玉米生育期内总降雨量，2016年为327.3 mm，2017年为270.4 mm；降雨量差异最明显的为7月，正值玉米需水关键期，2016年高达123.3 mm，而2017年仅62.5 mm。

图1 生育期内降雨量Fig.1 Rainfall in growth period

表1 土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.3 供试材料

供试玉米选用该地区主推的紧凑耐密型品种‘先玉698’。供试氮肥类型2种：控释尿素(聚氨酯包膜尿素，总氮量≥43.20%，控释期60～65 d，由宁夏农林科学院农业资源与环境研究所提供)和常规尿素(总氮量≥46.4%，中国石油宁夏石化分公司生产)。

1.4 试验设计

采用随机区组设计，各处理氮磷钾统一用量，除供试氮肥及施肥方法以外，其他管理均与当地田间栽培方式保持一致。选择2个氮肥种类(控释尿素和常规尿素，纯氮量均225 kg·hm-2)，设置4个处理，以不施肥为对照(CK)，具体见表2。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 植株的干物质量 在玉米生育关键时期(拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期及成熟期)，每小区选3株生长发育一致、比较具有代表性的植株取样，将植株洗净后用滤纸吸干，按茎、叶、穗分解，烘干法(先105 ℃杀青30 min，然后在 80 ℃烘至恒量)测定玉米的干物质量。

1.5.2 植株的全氮含量 在玉米的拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期及成熟期，按小区选择3株代表性植株，按茎鞘、叶片和穗部分解后装袋烘干，采用H2SO4-H2O2消煮半微量凯氏定氮法测定全氮含量[8-9]。

1.5.3 测产和考种 在春玉米成熟期，取每试验小区中间 4 行测定玉米穗数、鲜穗质量及含水量[10]，于田间测定出籽率；取20穗玉米风干后在室内进行考种，测定穗粗、穗长及穗行数，手动脱粒且利用自动数粒机计数穗粒数，得出平均每穗穗粒数和平均百粒质量，测定含水量后折合14%含水量计算单位面积产量。

表2 氮肥种类及施用量Table 2 Nitrogen fertilizer types and different application rates

1.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和作图，使用SPSS 23.0软件进行统计分析，在α=0.05水平下进行显著性检验；采用 Origin 2018软件对数据进行干物质量积累过程的拟合。相关计算公式为：氮素养分利用效率(Nitrogen utilization efficiency, NUE)=籽粒产量/地上部分氮素积累量；氮肥偏生产力(Partial factor productivity from applied N,PFPN)=施氮区籽粒产量/氮肥施用量；氮肥农学利用率(Nitrogen agronomic efficiency,NAE)=(施氮区籽粒产量/空白对照区籽粒产量)/氮肥施用量；肥料贡献率(Fertilizer contribution rate,FCR)=(施肥区产量-无肥区产量)/施肥区产量。数据以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 干物质积累量

2.1.1 春玉米干物质积累对不同氮肥处理的响应 不同控释尿素配比对春玉米的干物质积累有显著影响(表3)，2016与2017年玉米整个生育期内均表现为控释尿素配施常规尿素处理的干物质积累量较高，2016年为T3>T4>T2>T1>CK，2017年为T2>T3>T4>T1>CK；2016年T3处理干物质积累量明显高于其他处理，较T1、T2和T4分别提高17.33%、8.60%和4.94%；2017年T2处理玉米全生育期及花后的干物质积累量较T1、T3和T4分别提高7.77%、4.90%、 3.08%和39.90%、13.09%、19.82%。2016年T3处理的控释尿素配施比例有利于花后干物质的积累，2017年单施常规尿素(T1)仅使花前干物质积累增加，而T2处理的控释尿素配施比例在玉米生长中后期保持较高的干物质积累速率，从而明显提高花后干物质积累量。表明控释尿素配施常规尿素(T2、T3)较单施常规尿素(T1)显著增加玉米全生育期尤其是花后的干物质积累量，有利于籽粒的灌浆，增加粒质量，这是控释尿素配施最终获得高产的基础。2 a间各处理干物质积累总量有差异，表现为2016年干物质总量高于2017年，可能是年际间降水差异导致。

2.1.2 干物质积累参数 利用Logistic方程拟合不同条件处理下玉米干物质积累过程，2016年和2017年玉米生长的干物质积累均呈现“S”型变化增长趋势，通过计算得到相关参数(表4)。拟合方程的R2均大于0.99，表明玉米干物质积累量与生育期时间符合Logistic方程，可以用方程参数准确描述积累过程，比较不同处理的差异。由表4可知，常规与控释尿素不同配比下，对干物质积累的最大干物质积累速率(Gmax)、干物质积累速率达到最大值时的生长量(Wmax)有较大影响。2016年与2017年的最大干物质积累速率(Gmax)分别为T3、T2最大，且T3>T4>T2> T1>CK(2016)，T2>T3>T4>T1>CK(2017)；2016年T3的干物质最大积累速率较T1、T2和T4分别提高8.81%、4.24%、4.77%，2017年较T1、T3和T4提高44.72%、22.74%和37.67%；因此，与干物质积累动态联合分析来看，单施常规尿素(T1)导致群体的最大干物质积累速率出现过早，最大干物质积累速率下降较快，导致成熟期群体总干物质积累量降低。控释尿素配施处理的Wmax和Gmax都较高，最终干物质积累量增多。2016与2017年Wmax均以控释尿素配施常规尿素处理(T2、T3)最大，2016年较T1提高 24.65%，2017年提高 35.11%。干物质最大积累速率高有利于获得更多的干物质积累。常规与控释尿素不同配比对玉米达到最大干物质积累速率的时间(Tmax)和干物质持续期也有较大影响，2016年T3处理达到最大灌浆速率需要的时间最长，分别比CK、T1、T3和T4延长0.75、2.32、 0.98和1.01 d，干物质持续积累达135.93 d；2017年T2处理较其他处理的Tmax分别延长 20.77、13.67、5.11和18.12 d, 干物质持续积累达143.92 d，干物质积累持续期较其他处理平均提高11.02%。常规与控释尿素配施处理(T2、T3)较单施控释尿素或单施常规尿素延长最大干物质积累速率出现的时间，提高干物质积累持续期，最终积累更多的光合产物。

表3 不同氮肥处理下春玉米的干物质积累Table 3 Dry matter accumulation of spring maize under different nitrogen applications

表4 不同氮肥处理下春玉米干物质积累参数Table 4 Dry matter accumulation parameters of spring maize under different nitrogen applications

2.2 不同氮肥处理对春玉米氮素吸收、积累与分配的影响

2.2.1 春玉米各器官氮素积累及分配的变化 由图2可知，玉米营养器官氮素转移分配，2 a均表现为前期占比大，至后期逐渐减小，而籽粒氮素积累占比逐渐增大。各处理氮素积累总量，2016年表现为T3>T4>T2>T1>CK，T3处理较CK和T1分别提高38.64%、18.71%；2017年为T2>T3>T4>T1>CK；T2处理较CK和T1分别提高77.3%，40.46%。灌浆期籽粒氮素占氮素积累总量的45.01%～47.99%(2016)、 48.51%～53.10%(2017)，其中T2、T3处理的籽粒氮素积累量最大，分别较T1显著增加16.26%(2016)、40.01%(2017)。即2 a中T3处理和T2处理的氮素吸收量及籽粒的氮素分配量达最大，平均高于其他处理12.76%～51.36%和 1.17%～50.54%，说明控释尿素配施处理的玉米氮素积累量较高。控释尿素配施处理中，2016年以T3处理氮素总积累量和籽粒积累量最多，2017年以T2处理的氮素总积累量和籽粒积累量最多。说明T2、T3处理既能保证植株总氮吸收，又能获得较多籽粒氮素积累。

2.2.2 春玉米花后氮素的运转及贡献率 由表5可知，春玉米花后氮素转移量及其对籽粒的贡献率在2016及2017年均表现为叶片高于茎鞘，且以T2处理较高，不同处理叶片氮素转移量和贡献率表现为T3>T4>T2>T1>CK(2016)、T2>T3>T4>T1>CK(2017)，叶片在氮素转移及贡献中占比较大，为籽粒的形成做出主要贡献，T3较T1处理氮素转移量和贡献率分别显著增加4.75%和13.82%(2016)、22.49%和4.57%(2017)。2016、2017年控释尿素配施处理(T2、T3)的籽粒氮素积累量较单施常规尿素(T1)分别平均增加28.83%、27.51%。2 a数据表明，合理配施控释肥能有效提高叶片和茎鞘的氮素转移量及对籽粒的贡献率，尤其是叶片，从而使籽粒氮素积累量得到较高提升，为产量的增加提供基础。

不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05)

表5 不同氮肥处理下春玉米花后氮素的运转及贡献率Table 5 Nitrogen transfer and contribution rate of spring maize under different nitrogen applications

2.2.3 春玉米氮素利用效率的变化 2 a数据表明(表6)，控释/常规尿素不同配施下，玉米氮素利用效率具有显著差异。2016年、2017年控释尿素配比处理(T2、T3、T4)的氮肥农学利用效率较T1平均提高39.42%、1.63%；不同处理氮肥偏生产力和氮肥贡献率的变化也表现出相同趋势，使用控释尿素配比处理，T2、T3较控释尿素一次性基施(T4)平均增加8.64%、39.43%(2016)和19.24%、43.43%(2017)。2 a内，氮肥农学利用效率增幅为20.26%～60.15%，肥料贡献率增长12.29%～49.15%。因此，相较于传统单施常规氮素，控释尿素配比处理(T2、T3、T4)能够提高氮素利用效率，同时，使用控释尿素处理之间，又以控释与常规尿素配施(T2、T3)处理的氮素利用效率更高，增产潜力更大。

表6 不同氮肥处理下春玉米氮素利用效率Table 6 Nitrogen use efficiency of spring maize under different nitrogen fertilizers

2.3 春玉米产量形成对不同氮肥处理的响应

施用控释尿素较传统单施常规尿素能显著增加春玉米产量(表7)，2016、2017年均为施用控释尿素处理(T2、T3、T4)产量较高；且常规尿素配施控释肥处理(T2、T3)具更高产量。T2、T3处理较T1分别平均增加7.59%和8.82%。控释尿素配施处理下，2016年T3处理产量最高，较T1、T4提高12.53%和 6.25%；2017年T2处理产量最高，较T1、T4提高11.82%和7.36%。常规、控释尿素配施(T2、T3)明显提高春玉米的产量，2 a的平均产量较施常规尿素和控释肥一次性基施分别提高7.59%，1.58%(T2)和8.82%， 4.48%(T3)。

同时，施用控释尿素能显著提高玉米百粒质量和穗粒数，穗行数和出籽率差异未达到显著水平，百粒质量和穗粒数均表现为T3>T2>T4>T1>CK(2016)、T2>T1>T3>T4>CK(2016)。由此可知，不同处理春玉米产量的差异可能是百粒质量和穗粒数的差异形成的。

如表8所示，在2016年，百粒质量(X1)、穗粒数(X2)及秃尖率(X4)决定产量形成的 99.99%，其中，百粒质量(X1)对产量形成的直接作用最大。由通径分析结果可以看出，百粒质量(X1)和穗粒数(X2)对产量形成表现为正向效应，而秃尖率(X4)为负向效应。进一步分析间接通径作用发现，百粒质量(X1)通过穗粒数(X2)及秃尖率(X4)对产量形成具有正向效应分别为(X1→X2→Y=1.052；X1→X4→Y=1.006)，穗粒数(X2)通过百粒质量(X1)和秃尖率(X4)对产量形成的影响为(X2→X1→Y=0.559；X2→X4→Y=0.535)，虽也表现为正向效应，但间接作用不明显。而秃尖率(X4)通过百粒质量(X1)和穗粒数(X2)对产量形成为负向作用，分别为(X4→X1→Y=-0.630，X4→X1→Y=-0.631)，2个间接负向作用较接近，说明秃尖率的减小有利于百粒质量和穗粒数的增多。分析2017年数据可知，百粒质量(X1)、穗粒数(X2)及穗粗(X3)决定产量形成的99.92%，其中百粒质量(X1)对产量形成的直接作用最大，2 a结果相同。通径分析可得，百粒质量(X1)、穗粒数(X2)及穗粗(X3)均对产量具有正向作用；由间接通径作用可看出，X1通过X2和X3对产量形成具有促进效应，分别为(X1→X2→Y=0.182；X1→X3→Y=0.199)，X2和X3通过X1对产量形成也具有促进效应，分别为(X2→X1→Y=0.048；X3→X1→Y=0.017)正向作用相对较小；而穗粒数(X2)通过穗粗(X3)和穗粗(X3)通过穗粒数(X2)对产量形成的影响均为负向效应，分别为(X2→X3→Y=-0.055； X3→X2→Y=-0.018)。综合分析得出，2 a内均以百粒质量(X1)对产量形成的作用最显著，穗粒数(X2)其次，且其他构成因素相互作用，均对产量形成具有一定的影响。

表7 不同氮肥处理下春玉米产量及产量性状Table 7 Yield of spring maize and yield traits under different nitrogen fertilizer treatments

表8 不同氮肥处理春玉米产量形成因素与产量的通径分析Table 8 Path analysis of yield formative factors and yield of spring maize under different nitrogen fertilizer treatments

3 讨 论

干物质积累量被认为是产量形成的另一种体现，干物质积累量的高低决定了作物产量的多少[11]。有研究表明[12-13]，普通尿素与控释尿素配施能够提高单株玉米的干物质积累量，明显促进吐丝期及吐丝后干物质积累。魏延邦等[14]研究发现后移氮素供应使干物质积累速率在抽雄后增加，同时延缓抽雄至灌浆期积累速率的下降。适当控释尿素掺混施用可促进叶片生长，增加叶片氮素转移量，获得更多干物质累积[15]。但干物质积累不会随施氮增加而无限增长[16]。本研究结果表明，各处理的干物质积累量随生育时期的推进呈典型的“S”型积累曲线[17-18]，用logistic方程拟合度较高，与侯玉虹等[19]研究结果一致；控释与常规尿素配施处理(T2、T3)的干物质积累总量显著高于常规尿素单施和控释尿素单施，尤其能够提高花后物质积累量，常规与控释尿素配施处理花后积累量及最大积累速率显著高于其他处理。由玉米干物质积累变化模型参数可知，控释肥配施处理明显提高模拟方程参数，2 a中T2和T3处理干物质速率达到最高值时的生长量(Wmax)较其他处理平均提高29.88%，干物质积累时间和活跃期等也得到延长。2016年生物量较2017年高，可能是由于2016年7月降水充沛；降水充沛为控释肥释放提供了适宜条件[20]。因此认为T2、T3处理能够增加花后干物质积累速率和积累持续期，从而获得更高的物质生产能力。

植株氮素积累对籽粒形成至关重要，在玉米生育前期适时控氮能够增加后期籽粒中的干物质和氮素，既能在整个生育期高效利用氮素又可后期增产[21]。张总正等[22]研究发现，缓释尿素作为底肥施用可以显著提高夏玉米植株对氮素的吸收，增加营养器官氮素运移量和籽粒的氮素吸收累积。衣文平等[23]研究了不同比例的树脂包膜尿素与普通尿素对春玉米的影响，认为在等氮量情况30%控氮比处理的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均明显优于其他处理。利用15N追踪法寻查肥料去向的结果表明，新型包膜控释肥的施入明显降低肥料氮素的损失和土壤残留，侧面说明其肥料利用的高效，与本研究结果相似[24]。本研究结果显示，控释尿素处理全氮积累量显著高于单施常规尿素(T1)，其中以T2(2017年)、T3(2016年)处理效果最好，与大多数研究结果一致[25]，说明控释尿素配施能增加玉米植株的全氮积累量；各处理不同器官的氮素分配在各时期呈动态变化，氮素分配中心在吐丝期前分布在茎鞘和叶片，生长后期直至成熟期转移至籽粒，T2和T3处理能显著提高营养器官氮素转移量，且叶片较茎鞘氮素转移量更高。另外，本研究中，控释尿素配施处理明显提高氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，有利于氮素营养向籽粒转移，籽粒氮素总积累量较高[26]。年际间以2016年氮素利用效率较高，且2016年降水较2017年充沛，说明等氮肥条件下，充沛的降雨结合控释尿素缓慢释放肥效特性，使肥效得到充分发挥[27]。可见施用控释尿素相比单施常规尿素明显提高玉米氮素利用效率，与单施控释尿素相比，T2和T3配施比例最好，可作为宁南旱区合理的氮肥配施 方案。

春玉米产量与控释肥配施比例密切相关，在不同控释肥配比下产量性状表现也不同。由于土壤条件、年际间降雨量条件等差异，需根据当地耕作制度、气候条件等因素决定控释氮肥配比[28]。朱宝国[29]研究发现，一次性基施90%控释尿素能够最大限度提高不同时期玉米地上部干物质量，穗粒数是决定产量的主要因素。郑雨等[30]研究表明，控释尿素与普通尿素6∶1配合基施处理可提产68.1%。姜秀芳等[31]发现施氮量210 kg·hm-2时40%控释尿素比例能提高产量，原因是其穗粒数和百粒质量得到显著提升[32]。黄土高原地区缓释肥配施普通尿素时，在纯氮225 kg·hm-2基础减氮1/5和不减氮处理，较单施普通尿素均显著增加穗粒数，这与本研究结果相似[33]。本研究得出，2 a不同氮肥配比处理中，施用控释尿素处理较单施常规尿素产量升高，同为控释尿素施用处理间，2016年以基施控释尿素150 kg·hm-2处理产量最高，2017年以基施控释尿素75 kg·hm-2处理获得最高产量。通径分析表明，百粒质量对产量形成的直接作用最大，穗粒数其次，控释尿素与常规尿素配施处理较其他处理明显提高了玉米的穗粒数和百粒质量，进而获得较高的籽粒产量。另有研究表明，不同降水年型对施氮的响应也具差异[34]，2016年7月降水高于2017年，产量也较2017年高，2 a间的产量差异可能是由于玉米生长需水关键期降雨量差异导致。水分对产量的多方面因素影响，包括生育期内降水量分布及水分敏感期等，也受农田年际间耗水量的影响[35]。2 a中控释氮素配施处理表现出较大增产优势；分别以T3、T2处理获得较高产量，因此获得高产必须在合理的控释肥配施比例下，减少秃尖的发生，增加百粒质量、穗粒数，以达到提产目标。

此外，轻简化栽培措施研究中，除了物质生产能力、产量及氮素利用效率对不同控释尿素配施方案的差异评价，还受到底墒、不同降水年型及施氮用量的影响[36]。本研究结果表明，年际间相同施氮量条件下，得到的推荐常规尿素与控释尿素配施比例方案不同，这可能是降雨量差异导致。

4 结 论

在宁夏南部旱区，控释尿素和常规尿素配施显著提升春玉米收获期及花后干物质量，提高干物质积累参数和氮素利用效率，同时增加百粒质量，获得较高产量，以控释尿素基施N 75 kg·hm-2+常规尿素基施N 75 kg·hm-2+小口期追施常规尿素N 75 kg·hm-2(2016)和控释尿素基施N 150 kg·hm-2+常规尿素N 75 kg·hm-2(2017)2种处理可作为宁南旱区实际可行的施肥措施。