供氮量对春玉米产量和氮素利用的影响

王怡针 苏港 臧凤艳 李子芳 吴锡冬 于美荣

摘    要：為探究不同供氮量对春玉米产量和氮素利用的影响，以‘郑单958为试验材料，设置5个供氮水平0，135，270，405，540 kg·hm-2，以期为春玉米的减氮增效提供理论依据。结果表明，当供氮量增至405 kg·hm-2时春玉米产量和行粒数不再显著提高，最高分别为10.69×103 kg·hm-2和37.05;但供氮量增至270 kg·hm-2时穗行数和穗粒数不再显著增加;而百粒质量在不同供氮处理间无显著差异。与0 kg·hm-2相比，供氮显著提高春玉米干物质积累及转运量，吐丝期和成熟期干物质积累量显著提高23.29%～62.29%和20.91%～49.42%，花后干物质转运量、转运率和转运对籽粒的贡献率分别显著提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%;供氮量为405 kg·hm-2吐丝期和成熟期干物质积累量、干物质转运与籽粒贡献率有最大值，比供氮135 kg·hm-2显著提高27.76%，23.58%，162.98%，62.07%，82.56%。供氮能显著影响玉米氮素积累及转运分配效率，供氮条件下玉米吐丝期和成熟期的地上部植株氮素积累量比0 kg·hm-2显著提高39.65%～98.72%，38.90%～83.19%，吐丝期和成熟期的氮素积累量均随供氮量增加呈增加趋势，分别在540，405 kg·hm-2达峰值;营养器官氮素转运量随施氮量增加呈增加趋势，增幅26.47%～75.42%，但供氮540，405 kg·hm-2间无差异，比135 kg·hm-2分别提高36.76%～38.70%。此外，施肥处理间氮素转运率无显著差异。综上所述，在405 kg·hm-2供氮水平下，春玉米通过提高行粒数、增强干物质积累、氮素积累能力和转运效率从而实现产量突破10.5×103 kg·hm-2，同时氮素利用率、氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力分别达44.53 kg·kg-1，26.17%，9.07 kg·kg-1，26.4 kg·kg-1，实现氮素优化利用。

关键词：供氮量;产量;干物质积累;氮素利用

中图分类号：S531         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.11.004

Effects of Nitrogen Supply on Spring Maize Yield and Nitrogen Utilization

WANG Yizhen1， SU Gang1， ZANG Fengyan1， LI Zifang1， WU Xidong1， YU Meirong2

（1.College of Agronomy & Resources and Environment，Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China;2. Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin 300061， China）

Abstract： In order to investigate the effect of nitrogen supply on yield and nitrogen utilization of spring maize， the maize' Zhengdan 958 were supplied 0， 135， 270， 405 and 540 kg·hm-2 nitrogen， respectively. We expect to provide a theoretical basis for reducing nitrogen usage and improving its efficiency in spring maize. The results showed that the yield and grains per row increased significantly with increasing nitrogen supply until 405 kg·hm-2， the maximums were 10.69×103 kg·hm-2 and 37.05 respectively; while the rows per ear and grain number per ear didnt increase significantly until 270 kg·hm-2， and the hundred - grain weigh didnt show significant differences between any two treatments. Compared with 0 kg·hm-2 treatment， nitrogen supply could significantly improve the dry matter accumulation and transportation of spring maize， the indices increased by 23.29%-62.29% and 20.91%-49.42% in the silking and maturing periods， respectively. In addition， after anthesis， the amounts of dry matter transportation， rates of transportation and contribution of transportation to grains had increased by 51.62%-162.98%， 23.13%-62.07%23.13%-62.07% and 25.75%-82.56%， respectively. In the silking and maturing periods， the accumulation and transportation of dry matter and contribution of transportation to grains in 405 kg·hm-2 nitrogen supply reached the highest， which significantly increased by 27.76%， 23.58%， 162.98%， 62.07%， 82.56%， respectively， as compared to those in 135 kg·hm-2 nitrogen supply. Nitrogen application could affect significantly nitrogen accumulation and efficiency of transportation and distribution of maize. In the silking and maturity stages， with nitrogen application， the amounts of the aboveground nitrogen accumulation were significantly increased as much as 39.65%-98.72% and 38.90%-83.19%， compared with 0 kg·hm-2 nitrogen application. In addition， the amounts of nitrogen accumulation showed an uptrend with increasing nitrogen supply in above two stages， and peaked in 540 and 405 kg·hm-2 treatments， respectively. The amounts of nitrogen transportation in vegetative organs showed an uptrend with the increase of nitrogen application， with the increase of 26.47%-75.42%， however， there was no difference between 540 and 405 kg·hm-2 treatments， and higher than 36.76%-38.70% as compared to that in 135 kg·hm-2 treatments. Furthermore， different nitrogen supply didnt have significant influence on the transportation rate of nitrogen. Overall， under the condition of 405 kg·hm-2 nitrogen supply， a breakthrough of yield in spring maize was achieved and the yield reached 10.5×103 kg·hm-2 by improving the grain number per row， enhancing dry matter accumulation， nitrogen accumulation capacity and transportation efficiency. Meanwhile， the nitrogen and nitrogen fertilizer use efficiency， nitrogen agronomic efficiency and nitrogen partial factor productivity were 44.53 kg·kg-1， 26.17%， 9.07 kg·kg-1 and 26.4 kg·kg-1， respectively， which formed an optimal utilization of nitrogen.

Key words： nitrogen supply level; yield; dry matter accumulation; nitrogen utilization

玉米生产对我国粮食安全具有重要意义[1]。氮素是玉米生长过程中被吸收最多的营养元素，能够显著影响玉米光合产物的积累、器官发育及源库构建[2-3]。施用氮肥是满足作物氮素需求，实现增产的有效途径。但是生产上因施用方式不合理，氮肥不能被作物充分吸收利用，通过硝化-反硝化、淋溶流失等途径造成环境面源污染[4]。北京、河南、山东等华北地区因单位农田面积氮肥施用量过大，氮肥利用率低，而造成一系列环境问题。因此，明确合理施氮量，是华北地区农业生产急需解决的问题[5]。

有机无机配施可减少化肥投入，提高肥料利用率，有利于土壤地力的恢复[6-7]，朱浩宇等[8]研究发现有机替代减施化肥比常规施肥玉米产量略有增长，原因可能是有机无机配施提高了土壤微生物的活性和多样性，进而改善了土壤微生态环境[9]。生物炭是生物质在无氧高温下裂解得到富含稳定有机质碳的物质，生物炭的施用可以增加土壤微生物多样性和活性[10-11]，提高土壤酶活性;同时其孔隙结构和高阳离子交换量可以增加作物对氮素吸附利用进而减少淋溶损失，在改善土壤理化性质、固碳减排等方面发挥重要作用[12]。但也有研究发现，生物炭C/N较高，会降低土壤养分有效性[13]，在养分供应能力较差或含氮较低土壤中，生物炭虽能起到改善土壤理化性质效果，但也会抑制作物对氮素吸收利用，影响作物生长和产量形成，且生物炭浓度越高抑制作用越明显[14]。生物质炭基肥是以生物炭为基质与化肥经过特殊工艺制备而来，通过弥补生物炭低有效养分缺点[15]，而提高肥料利用能力。已有研究针对不同基质如猪粪、秸秆及生活废弃物的炭基肥做了大量研究，得出炭基肥能改善肥效，通过提高作物对氮素吸收利用能力而实现增产[16-19]的结论。但关于不同供氮量下炭基肥作底肥和尿素作追肥配合施用对玉米氮素转运及分配的影响报道较少。为此，本研究通过研究不同供氮处理炭基肥作底肥尿素作追肥配合施用对玉米干物质积累与分配、产量及其因素及氮素转运利用的调控效应，以此确定春玉米生产适宜的氮素施用量，为春玉米减氮增效提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2019年5—10月在天津市优质农产品开发示范中心（119.47′E，31.89′N）进行，属于大陆性季风气候，全年平均气温11.2 ℃，年平均降水量642 mm，70%降水量集中在6—8月，无霜期240 d。试验地0～20 cm土壤的基本理化性质为有机质13.4 g·kg-1、全氮1.39 g·kg-1、全磷0.96 g·kg-1、全钾24.5 g·kg-1、碱解氮118.1 mg·kg-1、有效磷153.9 mg·kg-1、速效钾 273.7 mg·kg-1。

1.2 试验设计

选用‘郑单958为试验材料。

试验采用单因素随机区组设计，供氮量设置0，135，270，405，540 kg·hm-2五个水平，分别记为N0、N135、N270、N405和N540，基施炭基肥和拔节期追施尿素按照供氮量7∶3比例施用，炭基肥养分含量N-P2O5-K2O∶24-10-10（沈阳隆泰生物工程有限公司），尿素N含量46%。全生育期P2O5和K2O施用量均为157.5 kg·hm-2，以炭基肥含量为基础，不足部分由含12%P2O5的过磷酸钙和50%K2O的硫酸鉀配平，作为底肥一次性施用。小区长6.5 m，宽3.6 m，等行距种植，行距为60 cm，定苗密度67 500 株·hm-2，每处理小区重复3次。田间管理措施按照玉米高产田管理措施进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株干物质及全氮的测定 玉米吐丝期及成熟期，每小区取代表性植株3株，按叶、茎部（包括茎秆、叶鞘、苞叶和穗轴）、籽粒分装，于105 °C下杀青60 min，在85 °C下烘干至恒质量后称质量。样品经微型植物粉碎机粉碎后过100目筛，硫酸消煮后凯氏定氮仪测含氮量，根据干质量计算氮素积累量。

1.3.2 考种及测产 成熟期小区中间两行连续收取20个果穗，背阴处风干考种后脱粒，测定穗行数、行粒数、百粒质量，穗粒数、穗长、秃尖长、穗粗。籽粒取200 g于鼓风干燥箱85 ℃烘干至恒重测定含水量，按照14%安全含水量计算百粒质量和产量。

1.4 数据分析与统计

1.4.1 同化物转运 营养器官干物质转运量（kg·hm-2）=吐丝期营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量;

营养器官干物质转运率（%）=[营养器官干物质转运量/吐丝期营养器官干物质积累量]×100;

营养器官干物质转运对籽粒的贡献率（%）=[营养器官干物质转运量/籽粒干物质量]×100;

1.4.2 氮素转运与利用率 营养器官氮素转运量（kg·hm-2）=吐丝期营养器官氮积累量-成熟期营养器官氮积累量;

营养器官氮素转运率（%）=[营养器官氮转运量/吐丝期营养器官氮积累量]×100;

营养器官氮素转运贡献率（%）=[氮转运量/籽粒氮积累量]×100;

吐丝后氮积累量（kg·hm-2）=籽粒氮积累总量-氮素转运量;

吐丝后氮籽粒贡献率（%）=[吐丝后氮积累量/籽粒氮积累量]×100

氮素利用率（%）=籽粒产量/植株氮总积累量×100;

氮肥农学效率（%）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量×100;

氮肥利用率（%）= [（施氮区植株氮总积累量-无氮空白区植株氮总积累量）/氮肥施用量]×100;

氮肥偏生产效率（%）=施氮区产量/施氮量×100。

1.4.3 数据统计分析 采用Microsoft Excel 2017进行数据计算，SPSS16.0 统计软件进行方差和相关性分析，Origin 2018作图软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 产量、产量构成因素及穗部农艺性状

由表1可知，供氮条件下春玉米产量（GY）较N0增产22.13%～52.60%（P<0.05），行粒数和穗粒数显著增加17.88%～30.76%和21.84%～51.29%，穗长增长7.86%～15.37%，且秃尖长缩短22.95%～51.29%（P<0.05），穗行数和穗粗增至N270差异显著，百粒质量无明显影响。与N135相比，供氮量增加促使GY显著提高11.15%～24.94%，在增至N405增产不显著，产量达10.69×103 kg·hm-2;N135和N270间行粒数无差异，但显著少于N405和N540;穗粒数随供氮量增加，比N135增加13.82%～24.17%，但N270、N405和N540之间无差异;供氮量对穗长无显著影响，但N405和N540比N135秃尖显著缩短;同穗粒数一致，N135处理穗粗显著低于N270、N405和N540。

2.2 干物质积累及分配

图1表明，与N0相比，施氮能够显著提高春玉米吐丝期（R1）和成熟期（R6）干物质积累量（DM）23.29%～62.29%，20.91%～49.42%;R1期叶片和茎部DM分别增加17.20%～45.30%，25.58%～68.68%，R6期叶、茎部、籽粒DM分别增加12.15%～36.31%，24.24%～61.84%，20.80%～44.16%。与N135相比，R1期和R6期DM随供氮量增加而显著增加，在N405后增加趋势不明显，分别提高27.76%，23.58%;R1期叶和茎部DM增长4.95%～23.98%，12.77%～34.32%，R6期叶、茎部、籽粒DM分别增长4.16%～21.54%，11.03%～30.27%，8.24%～19.34%。

2.3 吐丝前干物质转运对产量影响

表2表明，吐丝前不同器官干物质转运量（DMR）和干物质转运对籽粒贡献率（DMRCG）均表现为茎部大于叶片，叶片和茎部DMR分别占营养器官DMR的30.97%～38.60%，61.40%～69.03%，叶和茎部DMRCG表现为3.15%～5.00%，5.66%～11.10%。各施氮量下叶片干物质转运率（DMRE）叶大于茎部，分别为9.72%～15.29%，6.59%～10.99%。与N0相比，供氮条件下玉米营养器官DMR、DMRE、DMRCG分别提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%;叶和茎部DMR增长64.21%～129.06%，44.65%～181.76%，DMRE分别增长39.75%～57.30%，14.85%～66.79%，而DMRCG分别增长36.05%～58.59%，20.02%～95.90%。与N135相比，玉米营养器官DMR、DMRE、DMRCG随供氮量增加呈先提高后降低的趋势;N405和N540间DMR、DMRCG差异不显著，分别提高73.44%，45.18%，N270和N405处理DMRE间差异不显著;供氮量低于N405，供氮量增加叶和茎部DMR分别显著增长9.96%～39.49%，33.99%～94.79%;叶片DMRE和DMRCG在处理间无差异;茎部在N405显著高于N135，但与N270差异不显著。

2.4 氮素积累、轉运及利用效率

由图2可知，R1期各器官氮素积累量（NM）表现为茎部高于叶，占比分别为53.24%～57.06%，42.94%～46.76%;R6期NM器官间表现为籽粒>茎部>叶，占比分别为56.63%～64.78%，17.31%～25.10%，16.76%～19.49%。与N0相比，供氮条件下R1期总NM提高39.65 %～98.72%（P<0.05），其中叶片提高41.98%～91.11%，茎部提高37.66%～109.95%;R6期总NM提高38.90%～83.19%（P<0.05），叶、茎部、籽粒分别提高40.54%～94.77%，69.69%～165.61%，30.22%～60.12%。N270、N405和N540处理R1期NM比N135显著增长11.95%～42.30%，叶和茎部NM分别增长7.08%～34.60%，16.21%～52.51 %，但供氮量达到N405后NM增幅不显著;R6期NM增长10.99 %～31.88 %，叶、茎部、籽粒NM显著提高2.69%～38.59%，18.59%～56.52%，10.82%～22.96%，当供氮量达405 kg·hm-2时叶、籽粒及营养器官NM增幅不再显著。氮素收获指数随供氮量增加呈逐渐降低趋势，在N135和N270处理之间差异不显著。

由表3可知，玉米吐丝后茎部氮素转运量（NR）大于叶片，茎部NR占营养器官NR的52.60%～58.23%，叶NR占41.77%～47.40%。较N0，供氮能显著提高玉米叶、茎部、营养器官NR43.50%～87.25%，14.25%～69.25%，26.47%～75.42%;叶、茎部和营养器官NR随供氮量增加逐渐增加，但达N405后增幅不显著，较N135分别增长11.62%～30.48%，13.64%～48.14%，12.68%～38.70%。茎部氮素转运对籽粒贡献率（NRCG）为32.13%～38.61%、叶片为26.24%～30.97%。N405和N540营养器官NRCG比N135显著增长12.26%，12.63%，其中茎部NRCG增长16.84%，20.16%，而叶NRCG间无显著差异。较N0，供氮能明显提高（R1）后NAPS 34.19%～47.35%，N405和N540处理NCPS较N135显著降低19.21%，19.79%，而N270与N135间差异不显著。

由表4知，供氮條件下玉米氮素利用率（NUE）较N0显著降低11.97%～16.69%，但各供氮处理间差异不显著。与N135相比，N270、N405、N540处理玉米氮肥利用率（NRE）、氮肥农学效率（ANUE）和氮肥偏生产力（PFPN）显著降低30.38%～46.54%，19.25%～40.59%，44.43%～68.76%。

3 讨 论

在一定范围内，玉米产量随供氮量增加而增加[20-21]。玉米生产中适宜施氮量促进果穗顶部籽粒发育，减少秃尖，扩大籽粒库容，提高产量[22-23]，施用氮肥籽粒养分积累能力提高[24]，增加穗粒数和百粒质量而增产[25]。本研究结果表明，穗行数和百粒质量随供氮量增加但并不显著，在供氮条件（N405）下显著增加行粒数（N135和N270），供氮量超N270穗粒数不再增加，随供氮量增加至N405时春玉米产量达到高效峰值，这与郭凯杰等[26]在研究氮肥对‘豫单916、‘浚单29及‘洛玉3号三种玉米品种产量构成要素影响上发现合理供氮能有利于玉米顶部籽粒发育从而实现产量提高的结果一致。但董环等[27]研究表明增施氮肥可显著提高了玉米的百粒质量，且玉米籽粒产量与百粒质量呈显著正相关，受试验地养分状况和降雨等的差异，玉米产量对施氮量的响应规律也不同。此外，玉米的基因型差异也对产量构成因素产生不同影响。

本研究表明，随供氮量增加玉米吐丝期及成熟期的干物质积累量分别增加23.29%～62.29%，20.91%～49.42%，其中以N405处理干物质积累能力表现最优，比低供氮处理N135显著增加27.76 %，23.58 %;供氮量增加可提高玉米营养器官干物质转运量、干物质转运率和干物质转运对籽粒的贡献率，分别提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%，其中供氮量增至N405后，干物质转运量及转运对籽粒的贡献率不再增加，比低供氮处理N135显著提高73.44%，45.18%。这与隋阳辉[28]和樊叶[29]等人关于氮肥运筹对玉米干物质积累的影响试验中得出的研究结果一致。分析其原因可能由于干物质积累是籽粒产量形成的基础[30]，营养器官干物质转运和吐丝后干物质同化积累是籽粒产量的主要来源，提高营养器官干物质转运能力和吐丝后干物质积累量是作物增产有效途径[31-33]。施氮能明显提高营养器官干物质积累能力，且在一定范围内随供氮量增加呈先增后减趋势[32，34]。但吴雅薇等[35]在不同耐低氮玉米品种的生育后期干物质积累对氮肥响应的试验中得出增施氮肥显著降低了花前干物质转运量、转运率及其对籽粒的贡献率，但花后转运量和对籽粒的贡献率随着氮肥施用量的增加而显著增加。分析其原因，吴雅薇等人选用的是低氮高效品种‘正红311和低氮低效品种‘先玉508，而‘郑单958属于高氮高效品种，品种间的差异对玉米籽粒源库流的构成产生不同影响，且本试验中玉米全生育期内采用生物质炭基肥作基肥，尿素作追肥的供氮方式，生物质炭基肥与普通尿素间的供氮差异对玉米干物质积累与转运的影响机理还有待于进一步验证。

氮素是影响籽粒的重要因子，高效氮素积累转运对协调源库关系、提高玉米产量具有重要作用[32]。营养器官氮素转运量、转运效率及吐丝后氮素同化积累量能反映出籽粒氮素积累情况，并直接影响植株对氮素的吸收利用[37-39]。本研究结果表明，玉米61.04%～68.75%籽粒氮素来自于吐丝前茎鞘、叶等营养器官的氮素再转移，31.25%～38.96%籽粒氮素来源于吐丝后氮素同化积累，这与前人的研究结果相同[40]。供氮能使玉米吐丝期和成熟期地上部植株氮素积累量分别提高39.65%～98.72%，38.90%～83.19%，但在供氮量增至N405后，玉米成熟期的氮积累量不再显著增加，较低供氮处理提高了28.84%。供氮能显著影响吐丝后营养器官向籽粒转运分配的效率。较低供氮处理N135，随供氮量增加营养器官氮素转运量和氮素转运对籽粒的贡献率总体上呈逐渐增加趋势，但达N405后增幅不再显著，分别增长36.76%，12.26%，但供氮量对氮素转运率无显著影响。在N405水平下，吐丝前玉米植株地上部能积累充足氮素，即能满足生育后期叶等光合器官转运需求，还能为玉米叶片光合能力正常发挥提供保证，确保玉米全生育期仍能保持较高同化力。施氮量增加作物氮素吸收利用效率和氮肥偏生产力呈降低趋势[41-43]。本试验表明，随供氮量增加，玉米氮素吸收利用能力呈逐渐下降趋势，这与已有研究结果一致。N270和N405处理间氮肥利用率和氮肥农学效率间差异不大，但显著高于N540;供氮量对氮素利用率影响并不显著。适量供氮量能促进玉米对氮素吸收利用，从而提高产量，而过量施用并未表现出进一步增产效果。

4 结 论

综上所述，华北平原春玉米生产中增施氮肥干物质积累与转运及干物质转运对籽粒贡献率均显著增加，植株氮素积累量、氮素转运量、氮素转运率、氮素利用效率均显著提高，春玉米行粒数和穗粒数增加，产量提高。当春玉米施氮量为405 kg·hm-2时，通过行粒数增加，干物质积累及氮素积累能力和转运效率提高，实现产量突破10.5×103 kg·hm-2，实现氮素最优化利用，利用率和农学效率可达26.17%，9.07 kg·kg-1。

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收稿日期：2021-06-04

基金项目：国家重点研发计划课题（2017YFD0200808）

作者简介：王怡针（1996—），男，浙江温州人，在读硕士生，主要从事玉米栽培生理方面研究。

通讯作者简介：于美荣（1965—），女，山东龙口人，高级工程师，主要从事农作物土壤肥料技术与推广方面研究。