控释氮肥和尿素配比对不同品种夏玉米氮素累积、转移及其利用效率的影响

郭家萌，何灵芝，闫东良，李卓，王泳超，邵瑞鑫，杨青华

（河南农业大学农学院，河南 郑州450046）

玉米（Zea mays）作为中国第一大粮食作物［1］，其持续稳产、高产关系到国家粮食安全。黄淮海区域作为我国主要的夏玉米产区，种植面积达0.15 亿hm2，占全国玉米总播种面积的33%，产量占全国总产量的35%［2］，因此该区域的玉米稳产增收对全国玉米生产有着举足轻重的作用。氮素在玉米生长发育过程中起着重要作用，能够促进其器官建成，并且整个生长发育过程也对其有较大需求［3］。但近年来，随氮肥投入量的增加，增产能力与氮肥利用率降低已成为普遍现象［4］。同时过量施用氮肥也会对环境造成一定压力，因此合理施用氮肥对提高玉米产量和氮肥利用率及减轻环境压力具有重要意义［5］。

当前农业生产中氮肥多以普通尿素等速效肥为主，肥效快但氮肥损失严重，导致后期养分供应不足，需要进行追肥［6］，而目前劳动力价格上涨，这势必会造成生产成本增加［7］。控释氮肥肥效期长，通过调节养分释放，能供应植株生育后期的氮素，减少氮肥损失，提高氮素利用率［8−11］，进而实现高产。但是目前控释氮肥一次性基施也会造成玉米植株前期生长缓慢，吸氮量和干物质累积较低，并且单独施用控释肥生产成本较高，影响最终的经济效益［11］。因此采用普通尿素与控释尿素配施的方法，既可以实现玉米整个生育期内氮素均衡供应，又能降低生产成本，实现降支增收的目的［12］。纪洋等［13］研究结果表明，在240 kg·hm−2的施氮水平下，控释肥与尿素按4.5∶5.5的比例混施能够显著提高水稻产量并降低综合温室效应。金容等［14］研究结果表明，相同施氮量下，控释肥与尿素按比例掺混施用能够使玉米中后期氮素累积量增加，提高氮肥利用率，产量相比尿素施用提高8.3%～21.6%。姬景红等［15］和李伟等［16］研究发现，控释肥与尿素掺混能提高玉米氮素的吸收能力，维持良好的光合性能，增加玉米籽粒产量，提高氮素利用率，降低硝态氮向土壤深层的流失，具有良好的经济和环境效益，综合考虑掺混比例在50%掺混条件下效果最好。郭金金等［17−18］认为控释肥和尿素按7∶3 掺混更有利于提高耕作层土壤养分，促进氮素吸收和玉米产量的提高。因此，由于玉米所处生态环境和其品种特性的不同，控释肥与尿素最优掺混配比也有所差异。

不同玉米品种对氮素响应差异较大，体现在其氮素累积及氮素利用效率方面，有学者［19］据此将玉米品种划分为双高效型、中氮高效型、双低效型和高氮高效型。其中双高效品种在中高氮条件下具有较高的氮素利用率，而双低品种则相反。不同氮效率玉米品种的主要区别在于氮素的吸收和转运规律不同，进而影响最终产量［20］。控释氮肥和尿素配施可以在玉米生长发育过程中匹配作物需求，但是对于不同氮效率玉米品种，其氮素供应和品种的互作机理也不尽相同。以往研究大都集中在单独品种的研究上，而针对不同品种玉米对控释氮肥和尿素配比选择的差异，以及干物质和氮素累积与花前花后分配规律鲜有报道。因此，本试验通过分析控释氮肥与尿素配比对不同品种玉米干物质和氮素累积转运分配规律及产量的影响，探索黄淮海地区不同氮效率品种条件下控释尿素与普通尿素的合理配比，以及花前花后氮素需求规律特征，为该区域夏玉米生产氮肥施用提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018−2019 年在河南农业大学原阳科教园区（34°55′N，113°36′E）进行，该区域地处黄淮海平原，属温带季风气候。年均气温16.8 ℃（玉米生长季6−9 月平均气温为23.9 ℃），年均降水量435.9 mm（降水集中在6−9 月，约占70%左右），平均日照时长12 h。试验地土壤为砂质潮土（sandy soil），土壤有机质含量10.57 g·kg−1，全氮含量1.08 g·kg−1，速效磷含量80.3 mg·kg−1，速效钾含量129.5 mg·kg−1。2018 和2019 年玉米生育期内日平均气温和日降水量具体情况见图1，两年玉米生育期内总降水量为305.4 和256.5 mm。

图1 2018-2019 年夏玉米生育期间日平均气温和日降水量Fig.1 The average temperature and daily precipitation of the experiment site during the growth period of maize in 2018 and 2019

1.2 供试材料

供试品种为氮低效品种豫禾988（YH988）与氮高效品种郑单958（ZD958）［19］。所用种子均为河南秋乐种业公司提供。供试肥料为普通尿素（含N 46%）与安徽茂施公司生产的控释氮肥（含N 45%），实验室释放周期为60 d（即25 ℃泡水实验法60 d 释放氮素的80%）［21］。

1.3 试验设计

本试验采用裂区设计，重复3 次。以品种（YH988、ZD958）作为副区，以施氮处理为主区，设置6 个氮肥处理，分别为∶N0、N180U、N180C、N180C1、N180C2、N300U，其中0、180、300 表示施氮水平，分别为0、180（黄淮海区域推荐氮肥用量［22］）、300 kg·hm−2（该区域生产上农户常规施氮量），U 表示全尿素处理，C 为全控释氮肥，C1、C2分别表示控释肥∶尿素=1∶2 与2∶1，以N0处理为对照。常规尿素按当地习惯分2 次施入，分别在基肥与拔节期追肥，基肥与追肥比例为1∶2，含控释肥的处理进行一次性基肥施入。各施肥处理均施用磷肥和钾肥，用量为P2O590 kg·hm−2，K2O 90 kg·hm−2，与基施氮肥同时施入。冬小麦（Triticum aestivuml）收获进行灭茬处理后开始玉米季试验。2018年6 月10 日播种，7 月9 日拔节，8 月4 日吐丝，9 月29 日收获；2019 年6 月7 日播种，7 月8 日拔节，8 月3 日吐丝，9月26 日收获。两年均按60 cm 等行距种植，密度为75000 株·hm−2，小区面积为8.4 m×4.8 m。其他田间栽培管理按照当地习惯进行。

1.4 项目测定及方法

1.4.1 干物质 于拔节期（V6）、吐丝期（R1）、完熟期（R6），每小区选取具有代表性、长势均匀一致的植株3株，按不同器官（吐丝期按照茎秆、叶片、穗；完熟期按茎秆、叶片、苞叶、穗轴、籽粒）分开，150 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后进行称重。

1.4.2 植株氮含量 将植株样品烘干称重后，经粉碎机粉碎后过0.2 mm 筛，用催化剂（硫酸铜∶硫酸钾=1∶10）与H2SO4消煮后用K9840 凯氏定氮仪（济南）测定氮含量。相关计算参考张福锁等［23］、颜鹏［24］和李文娟等［25］的方法：

氮肥利用效率包括氮肥农学效率（agronomic nitrogen use efficiency，ANUE）、氮肥回收效率（nitrogen recovery efficiency，NRE）和氮肥偏生产力（partial factor productivity of nitrogen，PFPN），计算公式如下：

1.4.3 产量及其构成因素 成熟期调查每个小区的实际穗数，并收取3.6 m2（2.0 m×1.8 m）样方的所有穗，小区实收穗数计产，并折算成14%含水量产量。同时按照平均穗重选取20 穗的果穗进行室内考种，测定穗粒数和百粒重，其中穗粒数=穗行数×行粒数。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2016 对数据进行统计计算，SPSS 25.0 进行方差分析，新复极差法（Duncan’s method）多重比较，Graph Pad Prism 6 作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥处理对不同品种玉米产量及其构成因素的影响

2018−2019 年的产量及其构成因素表现基本一致（表1），氮肥施用能够显著提高玉米产量。YH988 和ZD958 均在180 kg·hm−2施氮水平下表现出较高的产量水平，其中YH988 和ZD958 分别在控释氮∶尿素氮=1∶2（N180C1）和2∶1（N180C2）的配比下产量最高，YH988 在N180C1下相较于N180U、N180C、N180C2、N300U 分别增长11.0%、4.3%、6.1%和25.1%（2018）；ZD958 在N180C2下相较于N180U、N180C、N180C1、N300U 分别提高11.1 %、12.8%、6.1 %、9.1%（2018）。从产量构成因素分析，两年试验结果均表明，YH988 在N180C1处理中有效穗数较多，同时在该处理中，穗粒数和百粒重也相对较高，可见，该处理中控施氮比尿素氮为1∶2，前期的速效氮能促进YH988 的群体构建，促进玉米成穗，而控释氮肥在后期又能保证玉米有效灌浆。对于ZD958 来说，N180C2处理虽然有效穗数较低，但是由于氮肥处理中增加了控释氮的比例，增加了花后籽粒灌浆时期的氮素供应，增加了籽粒的饱满度，进而提高了穗粒数和百粒重，产量最高。

施氮处理与试验年份显著影响夏玉米产量，而品种对玉米产量无显著影响。在产量构成因素中，施氮处理显著影响穗数和百粒重，且施氮处理与年份和施氮处理、年份与品种的交互效应对百粒重的影响也达到显著水平。对玉米穗数而言，试验年份对其具有显著影响，且年份与品种之间的交互效应也对其有显著影响。

2.2 氮肥处理对不同品种玉米干物质累积的影响

由图2 可知，随玉米生育期的推进，各施氮处理的干物质累积量呈现出不断增加的趋势，拔节期至吐丝期增长速度最快，并且各阶段干物质累积量均高于不施氮处理，但玉米干物质累积量并不会随施氮量的不断增加而增加，较高施氮量（N300U）反而会抑制玉米干物质的累积。同产量趋势相同，2018 和2019 年，氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 分别在N180C1和N180C2处理下实现了干物质累积的最大值，与不施氮处理相比，YH988 干物质累积量在N180C1下提高33.8%（2018）和62.1%（2019）；ZD958 在N180C2下干物质累积量提高27.9%（2018）和41.7%（2019）。相较于N180U、N180C、N180C2，YH988 干物质累积量在N180C1下分别提高14.1%、9.1%、7.9%（2018）和29.5%、21.8%、6.4%（2019）；相较于N180U、N180C、N180C1，ZD958 在N180C2下干物质累积量分别提高7.9%、10.6%、3.0%（2018）和14.5%、13.9%、9.9%（2019）。

2.3 氮肥处理对不同品种玉米花前花后干物质累积分配的影响

由图3 可以看出，施氮能显著提高花后干物质累积量和占比。对氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 而言，2018 和2019 年均是不施氮处理花后干物质累积量和占比最低，而产量水平最高的N180C1和N180C2处理，花后干物质累积量最高，分别达到了10.3（2018）、13.6 t·hm−2（2019）和10.0（2018）、14.0 t·hm−2（2019）（图3），分别占比52.6%（2018）、59.4%（2019）和50.7%（2018）、55.0%（2019）（图4），均高于该区域农户常规施氮N300U处理。

表1 氮肥处理对不同品种夏玉米产量及产量构成因素的影响Table 1 Effects of nitrogen treatments on yield and yield components of different maize varieties

图2 氮肥处理对不同品种夏玉米全生育期干物质累积的影响Fig.2 Effects of nitrogen treatments on dry matter accumulation during the whole growth period of different maize varieties

图3 氮肥处理对不同品种玉米花前花后干物质累积的影响Fig.3 Effects of nitrogen treatments on dry matter accumulation during pre-and post-silking stage of different maize varieties

2.4 氮肥处理对不同品种玉米植株全生育期吸氮量的影响

不同氮肥处理下植株全生育期植株吸氮量与干物质累积动态趋势一致，施氮处理植株吸氮量显著高于不施氮处理。拔节期至吐丝期的植株吸氮量呈快速上升的趋势，随后增长幅度变缓。由图5 可知，2018 和2019 年，氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 在N180C1和N180C2处理下分别实现了氮素累积的最大值。对比N180U 处理，YH988 在N180C1下植株吸氮量上 升23.0%（2018）和20.5%（2019）；ZD958 在N180C2下上升21.4%（2018）和14.5%（2019）。与此同时，YH988 在N180C1处理下植株吸氮量也高于N180C，增幅达5.4%（2018）和6.8%（2019）；ZD958 在N180C2下与N180C 相比，增长15.8%（2018）和6.7%（2019）（图5）。

图4 氮肥处理对不同品种玉米花前花后干物质分配的影响Fig.4 Effects of nitrogen treatments on dry matter distribution during pre-and post-silking stage of different maize varieties

图5 氮肥处理对不同品种夏玉米全生育期植株吸氮量的影响Fig.5 Effects of nitrogen treatments on nitrogen uptake during the whole growth period of different maize varieties

2.5 氮肥处理对不同品种玉米花前花后植株吸氮量及分配的影响

图6 表明，与干物质花前花后累积规律一样，施氮能显著提高玉米花前花后的植株吸氮量，但是花前各施氮处理间差异不显著，而花后各施氮处理间达到显著水平。对于氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 而言，2018 年和2019 年，均是不施氮处理花后氮素累积和占比最低（图6）。YH988 在产量水平最高的N180C1，ZD958 在产量水平最高的N180C2处理下，花后氮素累积最高，分别达到了64.5（2018）、48.8 kg·hm−2（2019）和52.7（2018）、51.5 kg·hm−2（2019）（图6），分别占31.7%（2018）、37.8%（2019）和31.5%（2018）、33.3%（2019）（图7）。

图6 氮肥处理对不同品种夏玉米花前花后植株吸氮量的影响Fig.6 Effects of nitrogen treatments on nitrogen uptake at pre-and post-silking stage of different maize varieties

图7 氮肥处理对不同品种夏玉米花前花后植株吸氮量分配的影响Fig.7 Effects of nitrogen treatments on nitrogen distribution at pre-and post-silking stage of different maize varieties

2.6 氮肥处理对不同品种玉米氮素转移的影响

2018 和2019 年两年试验结果（表2）表明，施氮会提高秸秆氮素表观转移量，但较高的施氮量会影响氮素转移，与不施氮相比，YH988 在N180C1下氮素表观转移量提高43.0%（2018）和44.8%（2019）；ZD958 在N180C2下提高27.4%（2018）和3.3%（2019）（表2）。YH988 和ZD958 的花后根系吸氮转移量分别在N180C1和N180C2显著高于其他处理，达到最大值。综合比较秸秆氮素表观转移量和花后根系吸氮转移量可以发现，氮低效品种YH988 的秸秆氮素表观转移量高于氮高效品种ZD958，而ZD958 的花后根系吸氮转移量显著高于YH988，由此可以推测，YH988 籽粒中的氮素累积是依赖于前期植株营养体中的氮素转移，ZD958 籽粒中的氮素更多的是依赖于后期植株根系对土壤中氮素的吸收。收获期籽粒氮含量和氮收获指数，YH988 和ZD958 也分别在N180C1和N180C2较高，且ZD958 的氮收获指数总体高于YH988.

表2 不同氮肥处理下吐丝期和收获期秸秆氮含量、秸秆表观转移量、收获期籽粒氮含量、花后根系氮吸收及转移量和氮收获指数Table 2 Differences in stover N content at silking and harvesting stage，apparent amount of N remobilization，grain N content at harvest stage，N from root absorption and transfer after flowering and N harvest index under different nitrogen treatments

品种、年份和施氮处理显著影响吐丝期秸秆氮含量、秸秆氮素表观转移量、收获期籽粒氮含量、花后根系吸氮转移量。品种与施氮处理的交互效应对收获期秸秆氮含量和花后根系吸氮转移量的影响达到显著水平，品种与年份的交互效应对吐丝期秸秆氮含量与秸秆氮素表观转移量具有显著影响，施氮处理与年份之间的交互效应对收获期秸秆氮含量和氮收获指数的影响均达到显著水平，品种、施氮处理与年份之间的交互效应对秸秆氮素表观转移量和氮收获指数有显著影响。

2.7 氮肥处理对不同品种玉米氮素利用效率的影响

由表3 可知，氮低效品种YH988 氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥回收效率均在N180C1下显著高于其他处理，并且在高氮条件下氮肥回收效率最低。氮高效品种ZD958 氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥回收效率均在N180C2处达到最大，其中氮肥偏生产力、氮肥农学效率在N300U 处理下最低，氮肥回收效率在N180C 处理下最低。由此可见，与速效氮肥和全控释肥相比，控释肥与尿素掺混能显著提高氮肥利用效率，且YH988 和ZD958 分别在N180C1和N180C2下实现了氮素利用效率的最大化。

综合分析，施氮处理显著影响氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥回收效率，品种对氮肥回收效率的影响达到显著水平，试验年份显著影响氮肥偏生产力，品种与施氮处理的交互效应显著影响氮肥回收效率。

2.8 氮肥处理对不同品种玉米经济效益的影响

表4 结果表明，玉米纯收益受氮肥处理和年份影响较大，差异达到极显著水平。2018 和2019 年，氮低效品种YH988 在N180C1处纯收益最大，达到11149.5（2018）和14099.0 元·hm−2（2019）。对氮高效品种ZD958 而言，纯收益在N180C2处理下达到最大值，为10545.2（2018）和11721.5 元·hm−2（2019）。

3 讨论

3.1 氮肥类型对不同品种玉米产量及其构成因素的影响

控释氮肥与尿素掺混可以优化夏玉米氮肥的持续供应，协调玉米产量构成因素之间的关系，尿素与控释肥掺混施用在一定程度上能增加百粒重和穗粒数，促进果穗增粗增长［26−27］。Zheng 等［28−29］的研究结果表明，控释肥与尿素掺混施用能改善产量构成因素，使产量提高6.8%～9.8%。本研究选取了黄淮海区域主栽的两个品种，氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958。通过对不同氮素类型和比例对两个品种玉米的产量及其构成因素的分析发现，YH988 在180 kg·hm−2的施氮水平，控释氮∶尿素氮=1∶2（N180C1）情况下，增产效果最为显著。同时，该处理下，其有效成穗数显著增加，百粒重也高于其他处理（表1）。说明YH988 产量增加的主要原因在于穗数和百粒重的提高，即在植株的营养生长期需要适量氮素供应促进其群体构建，保证成穗率；而在后期又需要一定养分的持续供给来提高穗部的籽粒灌浆速率，促进其粒重增加。而对于ZD958 而言，产量最高出现在180 kg·hm−2的施氮水平，控释氮∶尿素氮=2∶1（N180C2）处理中，其产量提高主要得益于穗粒数和百粒重的增加。因此说明ZD958产量的提高更重要的是依赖玉米生殖生长期籽粒的灌浆，因此增加控释氮肥的比例，有利于其开花后氮素的持续供应，保证穗粒数和籽粒灌浆，进而提高产量。因此，从产量角度分析，针对不同的品种YH988 和ZD958，均是在180 kg·hm−2的施氮水平下实现最优，继续提高氮肥施用量并不会使产量有显著的提升，而两个品种在180 kg·hm−2的推荐施氮水平下又需要不同的氮肥类型和比例的搭配，对于YH988 来说，前期的群体建成和后期灌浆需要协同关注，因此控释氮∶尿素氮=1∶2 最佳；对于ZD958 而言，重点要关注的是花后的氮素持续供应，因此控释氮∶尿素氮=2∶1 最佳。

表3 不同氮肥处理下玉米的氮肥利用效率Table 3 Nitrogen use efficiency of maize under different nitrogen treatments of different maize varieties

3.2 氮肥类型对不同品种玉米花前花后干物质、氮素累积分配以及氮肥利用率的影响

干物质累积是作物产量形成的物质基础［30］，而同步氮素供应和作物需求是实现玉米高产高效互相反馈的关键［31］。随着玉米籽粒产量水平的提高，花后干物质和氮素的累积比例也在提高，数据显示，玉米产量由7.0 t·hm−2提高到13.0 t·hm−2时，花后干物质累积比例从47%提高到60%，氮素累积由12%提高到32%［32］。本研究两年试验结果表明，YH988 和ZD958 分别在N180C1和N180C2处理下实现了干物质和氮素累积的最高值，这与产量结果相统一。在花前花后干物质和氮素累积分配规律上，YH988 在N180C1，ZD958 在N180C2的花后累积比例最高，也促进了籽粒氮素的累积。籽粒中的氮主要有2 个来源：一是花后的直接吸收；二是营养器官的氮素向籽粒中的再转移［33−34］。何萍等［35］研究发现，39.2%～52.9%的玉米籽粒氮素是来自营养体的氮素转移。但不同品种玉米籽粒氮素来源有所不同。本试验结果证明，YH988 在N180C1处理下收获期秸秆氮含量较高，氮素表观转移量较低，说明其虽然前期由于速效氮的比例较高，营养群体构建较好，但是由于其品种特性导致氮转移效率低（表2），后期仍然需要持续的氮素供应才能保证其产量；ZD958 在N180C2处理下秸秆氮素转移效率较低，而收获期籽粒含量较高，说明该品种更加需要花后土壤供氮，因此需要在氮肥配比中增加控释氮肥的比例以增加花后的氮素供应。比较两品种的花后根系吸氮转移量发现（表2），ZD958 根系在花后有着较强的吸氮能力，而这也是氮高效品种较为重要的特征之一，这与李文娟等［25］的研究结果相一致。在对氮肥利用效率的比较上，选取氮肥偏生产力、氮肥农学效率和当季利用率作为衡量的指标。数据表明，2018 和2019 年，两个品种均在180 kg·hm−2的施氮水平下实现了氮肥效率的较高值，其中YH988 在N180C1处理氮肥偏生产力（PFPN）和氮肥回收效率（NRE）分别为54.74、65.11 kg·kg−1和30.63%、24.37%，ZD958 在N180C2处 理 分 别 为55.71、59.85 kg·kg−1和35.07%、34.35%。这与国内和国际报道的高产高效体系的氮肥利用效率相近，在中国集约农业的土壤−作物综合系统的试验中得出的PFPN 值为56 kg·kg−1［36］，而在美国中部高产玉米带PFPN 和NRE 值分别为60 kg·kg−1和40%［37］。因此，YH988 在N180C1处理及ZD958 在N180C2处理中均达到了国际上对于高产高效玉米氮肥利用效率的要求。

表4 氮肥处理对不同品种夏玉米经济效益的影响Table 4 Effects of nitrogen treatments on economic benefits of different maize varieties

3.3 氮肥类型对不同品种玉米经济效益的影响

对于农民来说劳力成本的节省和经济效益的提高仍然是具体生产中需要去重点考虑的问题，所以在考虑控释肥使用过程中必须进行经济效益的核算［38］。本研究结果表明，虽然控释氮肥单价高于普通尿素，但由于节省了一次田间劳动力投入，并且增加了后期的籽粒产出，进而使控释氮肥和尿素掺混处理最终的经济效益仍然较高。其中，氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 分别在N180C1和N180C2处理下实现了最大收益。因此，该试验结果有利于针对不同氮效率玉米品种进行合理的氮肥类型选择，进一步节约生产成本，提高经济效益。

4 结论

2018−2019 年试验结果表明，在黄淮海潮土区夏玉米种植体系中，控释肥与尿素合理配比一次性施用能够显著提高玉米籽粒产量，但不同氮效率玉米品种对掺混比例要求有所不同。氮低效品种YH988 和氮高效品种ZD958 分别在控释氮∶尿素氮=1∶2（N180C1）和控释氮∶尿素氮=2∶1（N180C2）氮肥处理下实现了产量最高，并实现了较高的干物质和氮素累积，同时提高了花后干物质和氮素的累积分配，进而提高了氮素利用率和经济效益。本试验结合不同氮效率玉米品种与控释氮肥和尿素的合理配比，为未来黄淮海夏玉米区实行轻简和集约化的施肥方式提供了理论和技术依据。