不同氮肥基追比对玉米氮素吸收利用、土壤氮素供应及产量的影响

刘昕萌，陈 庚，王志国，贺韵涵，李 威，吴 玥，杨德光

(1.东北农业大学 农学院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

玉米是国内种植面积最大，产量最高的重要粮食作物[1]。氮肥施用对玉米生长发育和产量形成都有非常显著的影响，但同时速效氮肥尿素等会受到挥发及淋失的影响限制了其利用效率[2]。据调查显示，传统玉米栽培模式多采用以基施为主的施氮方式，并未根据玉米的氮素需求规律科学追肥[3-5]。氮肥施用不合理会造成土壤无机氮的淋失，导致资源浪费和环境污染特别是地下水污染，对生态环境产生严重破坏[6-7]。目前大量研究表明，提高玉米生育后期的氮肥施用量可以显著影响玉米开花期-灌浆期的土壤耕层无机氮含量及玉米地上部氮素积累[8]。李强等[9]研究表明，在225 kg/hm2氮肥施用量下，氮肥运筹显著提高了玉米花后干物质积累量，由此显著提高了玉米产量及产量构成。吴永成等[10]研究表明，在相同施氮量下氮肥运筹处理较100%基肥处理相比显著提高了玉米生育后期土壤氮素含量并有效降低了土壤氮素表观损失。曹玉军等[11]认为，玉米生育后期氮素吸收积累量占全生育期总积累量的一半左右，所以通过氮肥后移增强玉米生育后期氮素供应对玉米高产稳产至关重要。张吉旺等[12]研究发现, 于玉米拔节期后施氮2～3次可以显著提高玉米的营养价值和品质。前人研究多侧重于不同氮肥施用时期及比例对玉米产量、氮素吸收、土壤氮素积累等指标的影响及氮肥运筹对玉米光合作用的影响，而对氮肥运筹与玉米产量及产量构成、土壤氮素积累、玉米氮素积累及吸收利用率的关系还有待进一步研究[13]。本研究以玉米品种先玉335和天农9为材料，探究了在施氮量相同条件下不同氮肥基追比对玉米不同生育时期产量和干物质积累的影响、植株氮素积累特征、土壤剖面无机氮含量变化、土壤-作物氮素平衡的关系，以便为东北地区玉米栽培提供更加合理的氮肥后移方案。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于东北农业大学农学院阿城实验基地进行，土壤基本理化性质：pH值6.768，全氮含量1.47 mg/kg，有机质含量29.8 mg/kg，有效磷29.1 mg/kg，速效钾122.5 mg/kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种为先玉335和天农9，供试肥料为重过磷酸钙(P2O5：46%)80 kg/hm2、尿素(N： 46%)210 kg/hm2、硫酸钾(K2O：50%)48 kg/hm2。

1.3 试验设计

播种时间为2018年4月28日，小区采用随机区组排列，每小区长8 m、宽5.2 m，小区面积约41 m2，每个处理3次重复。玉米植株行距66 cm、株距25 cm，栽培密度为60 600株/hm2。磷钾肥一次施用。氮肥施用方法：CK,空白对照；T1,50%基肥+50%开花肥；T2,30%基肥+40%拔节肥+30%开花肥；T3,20%基肥+60%拔节肥+20%开花肥；T4,10%基肥+60%拔节肥+30%开花肥。

1.4 样品采集及指标测定

于玉米苗期-成熟期采集不同氮肥运筹处理玉米植株样品, 每个小区取植株5株, 于105 ℃杀青30 min后, 70 ℃烘干至恒质量并粉碎, 称质量计算不同处理植株生物量。植株样本粉碎后采用H2SO4-H2O2法进行消煮,凯氏定氮法测定植株氮含量；于玉米苗期采集0～40 cm土壤样品，拔节期-成熟期采集0～100 cm土壤样品，每20 cm分别取样，用KCl溶液浸提振荡1.5 h后过滤，采用分光光度计法分别测定土壤中硝态氮和铵态氮含量，最后加和为土壤无机氮含量。于玉米成熟期选用小区第3，4行进行测产并计算收获指数。并选取有代表性的30个果穗测定产量及产量构成因素。

1.5 数据处理与分析

收获指数(%)=籽粒产量/总生物量×100%；

氮素吸收利用率(%)=(施氮区作物总吸氮量-不施氮区作物总吸氮量)/施氮量×100%；

氮素农学利用率(kg/kg)=(施氮区作物产量-不施氮区玉米产量)/施氮量；

氮素偏生产力(kg/kg)=施氮区作物产量/施氮量；

土壤无机氮含量(mg/kg)=硝态氮含量+铵态氮含量；

土壤氮素净矿化量(kg/hm2)=不施氮肥区作物地上部分氮积累量+不施氮肥区土壤残留无机氮量-不施氮肥区起始无机氮量；

氮素表观损失量(kg/hm2)=施氮量+土壤起始无机氮积累量+土壤氮素净矿化量-作物氮携出量-土壤无机氮残留量[2]。

试验数据采用IBM SPSS Statistics 22 进行单因素方差分析和相关分析, 用 Sigma Plot 14.0制图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥基追比对玉米各生育期土壤无机氮含量的变化

由图1可知，不同氮肥基追比对不同玉米品种0～20 cm土壤无机氮含量有显著影响。先玉335和天农9的土壤无机氮含量均随着生育期的推进基本上呈降低的趋势。与传统施氮模式T1相比，不同氮肥基追玉米除灌浆期外的其他生育期土壤无机氮含量有显著影响(P<0.05)。对于苗期-大喇叭口期，土壤无机氮含量表现为T1最高。在苗期，不同玉米品种T1处理土壤无机氮含量较T2、T3、T4显著提高了17.07%～53.57%(先玉335)和11.19%～32.64%(天农9)；在拔节期，不同玉米品种T1处理土壤无机氮含量较T2、T3、T4显著提高了4.23%～28.26%(先玉335)和11.74%～43.90%(天农9)；在大喇叭口期，不同玉米品种T1处理土壤无机氮含量较T2、T3、T4显著提高了9.15%～12.31%(先玉335)和5.59%～11.31%(天农9)。对于开花期-成熟期，T4的土壤无机氮含量最高。在开花期，不同玉米品种T4处理土壤无机氮含量较T1、T2、T3分别提高了10.59%～39.36%(先玉335)和7.18%～24.81%(天农9)；在灌浆期，不同玉米品种T4处理土壤无机氮含量较T1、T2、T3分别提高了2.32%～10.82%(先玉335)和0.97%～9.81%(天农9)；在成熟期，不同玉米品种T4处理土壤无机氮含量较T1、T2、T3分别提高了3.24%～50.03%(先玉335)和1.16%～55.10%(天农9)。

相同生育期内的不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。图2同。 Different lowercase letters in the same growth period indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level. The same as Fig.2.

2.2 不同氮肥基追比对不同品种玉米氮素平衡的影响

由表1可知，在相同氮肥施用量下，降低氮肥基追比对先玉335和天农9品种的玉米氮素平衡影响显著(P<0.05)。与传统施氮模式T1相比，T2、T3、T4的作物携出和土壤残留无机氮分别提高了21.58%～32.43%，5.8%～13.61%(先玉335)和23.8%～43.97%，5.88%～12.73%(天农9)；对于氮素表观损失量，T1较T2、T3、T4分别增加了41.10%～91.18%(先玉335)和42.41%～129.41%(天农9)。

2.3 不同氮肥基追比对玉米氮素吸收及氮素利用效率的影响

由表2可知，不同氮肥基追比对先玉335和天农9拔节期后的氮积累量及氮素利用效率有显著影响(P<0.05)。与传统施氮模式T1相比，降低氮肥基追比显著增加了玉米花后氮积累量(P<0.05)。不同氮肥基追比间苗期氮积累量差异不显著(P>0.05)；对于拔节期和大喇叭口期，T1的氮积累量最高，较T2、T3、T4、T5提高9.5%～20.08%和8.21%～13.83%(先玉335)、13.10%～23.73%和6.4%～12.21%(天农9)。对于开花期、灌浆期和成熟期，T4的氮积累量最高，较T1、T2、T3提高2.88%～6.20%，2.50%～17.28%和6.58%～39.91%(先玉335)以及2.12%～6.10%，5.34%～20.2%，2.52%～26.85%(天农9)。此外，不同氮肥基追比显著影响了玉米的氮素吸收利用率、氮素农学利用率和氮素偏生产力(P<0.05)。较传统施氮模式T1相比，T2、T3、T4的氮素吸收利用率、氮素农学利用率和氮素偏生产力依次提高了16.66%～22.47%，17.80%～35.76%，4.93%～9.90%(先玉335)和6.55%～24.46%，8.23%～36.94%，2.02%～5.44%(天农9)，其中，T4的氮素吸收利用率最高，T3的氮素农学利用率和氮素偏生产力最高。

表1 不同氮肥基追比对不同品种玉米氮素平衡的影响Tab.1 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen balance of different varieties of maize kg/hm2

表2 不同氮肥基追比对玉米氮素吸收及氮素利用效率的影响Tab.2 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen uptake and nitrogen use efficiency in maize

2.4 不同氮肥基追比对玉米收获后0～100 cm土壤剖面无机氮的影响

由图2可知，0～20 cm土壤的无机氮含量最高，随着土壤深度的增加土壤无机氮含量随之降低。与CK相比，不同氮肥基追比处理显著提高了0～100 cm土壤无机氮含量(P<0.05)，其中T2、T3、T4较T1存在显著差异，但T2、T3和T4之间差异不显著(P>0.05)。在相同氮肥施用量下，不同氮肥基追比后T2、T3、T4的0～20 cm和20～40 cm土壤无机氮含量较T1显著提高16.95%～24.41%和27.22%～32.83%(先玉335)、20.56%～24.62%和21.18%～32.21%(天农9)(P<0.05)；而在40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤无机氮含量以T1最高，较T2、T3、T4处理分别提高21.83%～31.72%，31.08%～49.58%，45.78%～52.92(先玉335)和15.03%～31.24%，32.08%～49.81%，38.59～53.08%(天农9)。在土壤深度40～100 cm，降低氮肥基追比处理中T1的无机氮含量最高，且T2、T3、T4处理间无机氮含量无显著差异(P>0.05)。

2.5 不同氮肥基追比对不同品种玉米产量及产量构成因素的影响

由表3可知，与空白对照(CK)相比，不同品种各氮肥基追比处理产量分别提高了38.28%～51.97%(先玉335)和32.02%～45.04%(天农9)，增产显著，其中，T3产量最高，较T1分别增产9.90%(先玉335)和8.86%(天农9)，其后依次为T4和T2。此外，氮肥后移对玉米穗行数的影响不显著(P>0.05)但对行粒数、百粒质量和收获指数影响显著。与空白对照(CK)相比，不同氮肥处理行粒数分别提高了0.55%～10.11%(先玉335)和1.12%～10.64%(天农9)；百粒质量分别提高了2.79%～9.24%(先玉335)和2.08%～9.90%(天农9)；收获指数分别提高了3～9百分点(先玉335)和1～10百分点(天农9)。

图2不同氮肥基追比对玉米收获后0～100 cm土壤剖面无机氮的影响Fig.2 Effect of different nitrogen fertilizer base ratio on inorganic nitrogen in 0-100 cm soil profile after corn harvest

表3 不同氮肥基追比对不同品种玉米产量及产量构成因素的影响Tab.3 Effects of different nitrogen fertilizers on yield and yield components of different varieties of maize

2.6 玉米不同生育时期氮素积累对产量及产量构成因素的影响

相关分析(表4)表明，对于先玉335和天农9，不同氮肥基追比下玉米产量及产量构成因素与玉米不同生育期氮素积累量间均表现为正相关，开花期-成熟期的氮积累量与产量及产量构成因素呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关；不同氮肥基追比下玉米的氮素吸收利用率、氮素农学利用率和氮素偏生产力在拔节期-大喇叭口期与氮素积累量呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关，而在其他生育期则与氮素积累量呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关。

表4 玉米不同生育时期氮素积累对产量及产量构成因素的影响Tab.4 Effect of nitrogen accumulation on yield and yield components in different growth stages of maize

3 讨论与结论

施用氮肥能显著提高土壤无机氮含量，而土壤无机氮是玉米等作物从土壤中吸收氮素的主要形式[13-15]。前人研究指出，优化施氮模式能显著提高作物全生育期土壤无机氮含量[16-18]。孙文涛等[19]研究指出，在相同条件下，提高氮肥施用量，虽然土壤无机氮含量明显提高，但土壤氮素盈余量及氮素淋洗量也会随之增加。赵士诚等[20]指出, 基施氮肥比例过大会造成无机氮淋洗至深层土壤；而提高追肥比例并将氮肥后移施用可以提高作物生育后期土壤耕层氮素有效供给。本研究结果表明，在相同条件下，与传统施氮处理相比，降低氮肥基追比显著增加了不同品种玉米灌浆期-成熟期的0～20 cm土壤无机氮含量，同时降低了收获后40～100 cm深度的土壤无机氮含量；此外，氮肥基追比通过增加氮素作物携出并减少土壤残留无机氮来降低玉米的氮素表观损失。由此可知，氮肥后移可以显著提升玉米生育期后半段的土壤供氮能力，减少氮素损失，为提高玉米产量提供充足的氮素供给。

氮肥在玉米不同生育时期不同比例施用会导致氮素吸收的差异，从而影响玉米生长发育和产量。前人研究表明，玉米取得高产既需要保证花前营养器官吸收氮素建立高效的群体结构来保证花后物质生产，又需要满足花后籽粒灌浆和穗部发育的氮素需求[21-23]；而氮肥后移能显著增加玉米开花后氮素向籽粒运输的效率，从而提高玉米产量和氮素利用效率[24-26]。本研究结果表明，在玉米苗期-大喇叭口期，不同氮肥基追比间传统施氮模式T1的氮素积累量最高，但在对于玉米产量最为关键的开花期-灌浆期氮素积累量低于氮肥基追比T2、T3、T4。由此可知，相同施氮量下玉米生育前期施氮过多会导致生育后期氮素供给不足，加速玉米生育后期的衰老，以至玉米成熟期氮素积累量较低。同时不同氮肥基追比在不同生育时期的氮素积累量表现不同。对于玉米拔节期-大喇叭口期，T2的氮素积累量优于T3、T4，但对于玉米产量形成的关键生育时期灌浆期-成熟期，T4氮素积累量优于T2。因此，在保证玉米生育前期氮素需求的情况下将氮肥后移，既能保证玉米营养生长时期较高的氮素积累，又能满足玉米花后的氮素吸收能力，从而达到提高玉米灌浆期-成熟期的氮素积累氮肥和利用效率的目标。相关分析结果表明，玉米生育后期(开花期-成熟期)氮素积累与玉米产量及产量构成因素和氮素利用率及偏生产力呈显著或极显著相关，因此，在相同施氮量下提高氮肥后移比例从而增加玉米开花期-成熟期的氮素积累不仅可以提高玉米产量及产量构成因素，还对提高玉米氮素利用率及氮素偏生产力具有积极意义。

玉米在不同生育时期对氮素利用的效率具有明显差异。优化氮肥施用方法，不仅能满足玉米在各生育时期的生长发育需求，还能提高玉米对氮肥的利用效率，是提升玉米产量及品质最有效的方法之一。前人研究表明，施用氮肥可以显著增强玉米光合产物的制造、转运以及运输能力，提高百粒质量和行粒数，进而提高玉米产量[27-28]。在玉米的生育时期中，开花期-灌浆期是玉米氮素积累中最关键的时期，同时也是玉米穗粒数和百粒质量形成的关键时期，提高此时期的氮肥供应可以明显改善玉米氮素积累，加快玉米灌浆速率，促进玉米穗部生长发育，最终提高玉米的氮素利用效率。但同时玉米生育前期的氮肥施用同样对玉米生长发育起关键作用，所有氮肥后移均应在保证玉米前期生长发育和氮素积累的前提下进行。本研究结果表明，传统施氮模式T1 由于玉米苗期氮肥施用比例过大，导致养分集中于玉米前期的营养生长，消耗了大量的光合产物用于蛋白质的合成，导致生殖生长时期碳水化合物向玉米穗部的转运能力下降，使玉米的产量和氮素利用效率较低。氮肥基追比T4则由于后移比例过大基肥施用不足，阻碍了玉米前期营养生长阶段的生长发育，同时影响了玉米的光合产物积累和冠层发育，使玉米产量和氮素利用效率没有得到充分挖掘，而T3既满足了玉米营养生长阶段的养分供给，也补充了玉米生殖生长阶段的养分需求，最终获得较高的玉米产量和氮素农学利用率及氮素偏生产力。

相同氮肥施用量下，提高氮肥追肥比例显著提高了玉米生育后期氮素积累量和氮肥利用效率。同时，降低氮肥基追比可以显著提高玉米行粒数、百粒质量和玉米产量。对于玉米开花期-成熟期，降低氮肥基追比显著提高了土壤0～20 cm无机氮含量和玉米地上部氮素积累量，并在显著提高作物氮素携出量和土壤残留无机氮的情况下降低了氮素表观损失。在不同氮肥基追比中，20%基肥+60%拔节肥+20%开花肥对提高玉米产量和氮素利用率、降低氮素表观损失等方面效果最佳。综上所述，在施氮量为210 kg/hm2时，20%基肥+60%拔节肥+20%开花肥为该地区最佳氮肥基追比。