化肥减氮配施氨基酸肥料对春玉米生产的影响

胡开博，杨清夏，李 扬，吴开贤，赵 平，*，龙光强

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201； 2.农业农村部云南耕地保育科学观测实验站，云南 昆明 650201； 3.云南农业大学 农学与生物技术学院，云南 昆明 650201)

玉米是我国主要的粮食作物，其平均施氮量高达231 kg·hm。氮肥的过量施用或不合理施用，不仅会造成巨大的资源浪费，降低种植玉米的经济效益，还会带来一系列的土壤问题，如土壤酸化、土壤板结、次生盐渍化等，以及温室气体排放等环境问题；因此，控制氮肥施用并提高氮肥利用效率对我国玉米种植的绿色发展来说具有重要意义。许多研究表明，适量减肥对玉米产量的提升效果不显著，但能提高肥料利用率，改善玉米品质，可达到节肥增效的目的。

氨基酸肥料是以各种海鱼加工厂下脚料、蒸煮浆水为原料，经微生物发酵、酸碱水解处理后，喷雾干燥加工而成的一类肥料，具有分子量小、容易被植物直接吸收的特性。氨基酸作为一类肥料增效物质，具有提高作物产量、改善作物品质、调节作物生长发育、提高作物抗病性和抗逆性、降低环境风险等多重功效。氨基酸肥料应用于土壤，可提高土壤的铵态氮和硝态氮含量，促进作物对氮的吸收，提高氮肥利用率。相较于单施化肥，氨基酸肥料配施化肥的增产效果更优，且可减少植株对硝酸盐的积累，提高植株可溶性蛋白的含量。在玉米种植中，氨基酸液肥的应用可以大幅度改善玉米的穗部性状，增加穗长、穗粗、穗行数、百粒重，缩短秃尖，提高出籽率，还能不同限度地增加玉米株高和地上部、地下部干重，提高玉米根系活力。此外，氨基酸肥料还被报道可以有效提高玉米叶片中的叶绿素含量和净光合速率。然而，前人的研究主要关注常规施氮量下氨基酸肥料的作用和机理，关于减氮条件下配施氨基酸肥料能否维持甚至提高玉米产量的研究还相对较少。

本文通过田间小区试验，以常规施氮量为对照，研究减氮20%和40%水平下，配施氨基酸肥料对春玉米产量和氮肥利用率的影响，并从土壤氮素供应和春玉米生理变化层面探讨其影响机制，以期为春玉米种植的减氮增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2019年5—10月在云南农业大学寻甸大河桥农场(23°32′N，103°13′E)进行，当地海拔1 953.5 m，5—10月的平均降水量为811.7 mm，平均气温为25.3 ℃。土壤类型为山地红壤，供试土壤的基本理化性质如下：pH值7.78，有机质12.07 g·kg，速效磷5.10 mg·kg，速效钾132.33 mg·kg，铵态氮0.86 mg·kg，硝态氮1.72 mg·kg，全氮1.16 g·kg，全磷0.14 g·kg，全钾12.39 g·kg。

1.2 供试品种与肥料

供试玉米品种为华单1号。供试氮肥为普通尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(PO14%)，钾肥为硫酸钾(KO 50%)。供试氨基酸肥料为农用蛋白粉氨基酸原粉，其中，氨基酸含量35%，有机质含量40%，氮磷钾总养分(折纯)含量22%，由山东绿陇生物科技有限公司提供。

1.3 试验设计

试验采取完全随机设计，共设置6个处理：N0，不施氮；U100，常规施氮量，化肥氮投入量(折纯)250 kg·hm；U80，氮肥减量20%，即较U100的化肥氮投入量减少20%，化肥氮投入量(折纯)200 kg·hm；U60，氮肥减量40%，即较U100的化肥氮投入量减少40%，化肥氮投入量(折纯)150 kg·hm；A80，在U80的基础上配施氨基酸肥料；A60，在U60的基础上配施氨基酸肥料。

每个处理设置3次重复。每个小区面积27.5 m(5.5 m×5 m)，小区周边设1 m保护行。玉米种植株距为0.25 m，行距为0.5 m，每小区种植189株(种植密度合80 000株·hm)。各处理的磷钾肥用量一致，养分(折纯)投入量均为75 kg·hm，均以基肥施入。氮肥分基肥(40%)、第一次追肥(25%)和第二次追肥(35%)3次施入，其中，基肥施肥深度6 cm，追肥方式为撒施。氨基酸肥料仅作基肥施用，添加比例为相应处理下所有施用的化肥质量总和的6%，经折算，A80和A60处理下每小区的施用量分别为183 g和165 g。

供试玉米于2019年5月1日播种，10月1日收获，其间，按照当地习惯进行水分、杂草和病虫害的田间管理。

1.4 样品采集与测定

于玉米种植前采集0～20 cm耕层土壤，测定其土壤理化性质。在玉米的各生育期(苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、成熟期)，在每小区内随机采集耕层混合土样，测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

在抽雄期，选定若干植株测定叶片净光合速率()、胞间CO浓度()、蒸腾速率()、气孔导度()、叶绿素含量(SPAD值)和氮同化酶[谷氨酸脱氢酶(GDH)、谷草转氨酶(GOT)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)]的活性。同时，选取3株玉米不同方位的健康叶片，测量叶面积，然后置于60 ℃烘箱中烘干48 h至质量恒定，称取干重，测定叶片全氮含量。另外，在每小区内随机取3株植株，经洗净、杀青、烘干，测定其地上部全氮含量，计算光合氮利用效率(PNUE)。

在成熟期，在每小区采集5株植株，测定玉米穗长、穗行数、行粒数、秃尖长、百粒重，并按根、秸秆(茎叶)、籽粒分别测定各部分的氮含量，同时，收获小区中间两行玉米植株，用于产量(籽粒烘干干重)和地上部生物量(烘干干重)测定。

植物样品经浓HSO-HO消煮后，采用Kjeltec8400型全自动凯氏定氮仪(丹麦FOSS)测定植株氮含量。土壤硝态氮和铵态氮含量用1 mol·L氯化钾浸提，用AA3型全自动连续流动分析仪(德国SEAL)测定。净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、叶面积与胞间CO浓度采用LI-6400便携式光合测定仪(美国LI-COR)测定。氮同化酶(GDH、GOT、GS、GOGAT)活性采用相关试剂盒(苏州格锐思生物科技有限公司)，按照说明书方法进行测定。

1.5 数据处理

用Excel 2010软件整理数据，用SPSS 20.0软件进行方差分析(显著性水平选定为α=0.05)和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 对春玉米产量和产量构成的影响

与常规施氮量(U100)相比，减氮20%的处理(U80、A80)显著(<0.05)增加了穗行数和收获指数，显著(<0.05)降低了秃尖长，但对穗长、产量并无显著影响，同时，U80处理还显著(<0.05)增加了地上部生物量，而A80处理显著(<0.05)增加了百粒重；减氮40%的条件下，U60处理的玉米穗长、产量显著(<0.05)下降(表1)。

2.2 对土壤氮供应、植株氮吸收利用和分配的影响

整体来看，各处理下土壤铵态氮和硝态氮的含量均随着生育期的推进呈现先上升后下降的趋势，于大喇叭口期达到最大值。大喇叭口期是玉米生长发育最旺盛的阶段，此阶段土壤氮的供应水平对春玉米产量的形成至关重要。

表1 不同处理对春玉米产量、地上部生物量、收获指数和产量构成的影响

与U100相比，减氮20%的处理(U80、A80)在苗期、抽雄期和成熟期显著(<0.05)增加了土壤铵态氮含量；减氮40%条件下，U60处理在苗期、抽雄期和成熟期显著(<0.05)增加了土壤铵态氮含量，但A60处理在小喇叭口期、大喇叭口期和抽雄期显著(<0.05)降低了土壤铵态氮含量。在相同的减氮水平上，A80处理比U80处理显著(<0.05)降低了大喇叭口期的土壤铵态氮含量，A60处理比U60处理显著(<0.05)降低了各生育期的土壤铵态氮含量。

同一时期柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05 at the same growth period.图1 不同生育期各处理的土壤铵态氮、硝态氮含量Fig.1 Soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content under different treatments at different growth periods

与U100相比，减氮20%条件下，A80处理显著(<0.05)增加了大喇叭口期、抽雄期和成熟期的土壤硝态氮含量，U80处理显著(<0.05)增加了成熟期的土壤硝态氮含量；减氮40%的处理(U60、A60)在抽雄期显著(<0.05)降低了土壤硝态氮含量。在相同的减量水平上，A80处理较U80处理显著(<0.05)增加了大喇叭口期和抽雄期的土壤硝态氮含量，A60处理较U60处理显著(<0.05)增加了大喇叭口期和成熟期的土壤硝态氮含量。

在春玉米的各部位中，籽粒吸氮量最高，占氮吸收总量的68.3%～79.2%，其次是茎秆，根系吸氮量占比最低(表2)。与U100相比，减氮配施氨基酸的处理(A80、A60)可显著(<0.05)提高春玉米的氮吸收总量，但仅进行减氮处理(U80和U60)的春玉米氮吸收总量与U100相比并无显著差异。此外，相较于U100，A80处理显著(<0.05)提高了秸秆吸氮量，U60处理显著(<0.05)降低了秸秆吸氮量。在相同减氮水平上，A80处理较U80处理显著(<0.05)提高了秸秆的吸氮量，A60处理较U60处理显著(<0.05)提高了籽粒和秸秆的吸氮量。相较于U100处理，除U60外，其他处理均显著(<0.05)提高了春玉米的氮肥利用率。

2.3 对叶片光合生理与氮同化酶活性的影响

相较于U100处理，U80处理显著(<0.05)降低了，A80处理显著(<0.05)提高了SPAD值、、和PNUE，显著(<0.05)降低了；减氮40%的处理(U60、A60)显著(<0.05)增加了，但显著(<0.05)降低了、、SPAD值和与U100处理相比，减氮20%的处理(U80、A80)显著(<0.05)降低了GDH的活性，A80处理显著(<0.05)提高了GOT的活性，但显著(<0.05)降低了GS的活性；减氮40%的处理(U60、A60)显著(<0.05)降低了GDH、GOT和GOGAT的活性，U60处理还显著(<0.05)降低了GS的活性(表4)。在相同减氮水平上：A80处理的GDH和GOT活性较U80处理显著(<0.05)升高，但其GS活性显著(<0.05)降低；A60处理的GS和GOGAT活性较U60处理显著(<0.05)提高。

表2 不同处理对收获期春玉米氮素分配和利用率的影响

表3 不同处理对叶片部分生理指标的影响

2.4 产量、氮肥利用率的相关性分析

相关性分析的结果(表5)显示，春玉米产量与土壤硝态氮含量、叶绿素含量(SPAD值)呈极显著(<0.01)正相关，与氮吸收总量、、PNUE，及GOT、GOGAT活性呈显著(<0.05)正相关。氮肥利用率(NUE)与土壤铵态氮(抽雄期)含量呈极显著(<0.01)正相关，与地上部全氮含量呈极显著(<0.01)负相关。

以产量和NUE作为响应变量，其他指标作为环境解释变量进行冗余分析，结果可累计解释响应变量变异的82.8%(图2)。通过蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)评估环境因子对产量和NUE的贡献率，发现叶绿素含量(SPAD值)是造成产量和NUE发生变化的主要因素(32.7%)。此外，NUE还主要受土壤铵态氮含量的影响。

表4 不同处理对氮同化酶活性的影响

表5 各指标的相关性

TNU，氮吸收总量；Pn，净光合速率；SPAD，叶绿素含量(SPAD值)；PNUE，光合氮利用效率；GOGAT，谷氨酸合成酶；GOT，谷草转氨酶；Yield，玉米产量；NUE，氮肥利用率；TNS，地上部全氮含量(抽雄期)；土壤铵态氮含量(抽雄期)；土壤硝态氮含量(抽雄期)。TNU， Total nitrogen uptake; Pn， Net photosynthetic rate; SPAD， Chlorophyll content(SPAD value); PNUE， Photosynthetic nitrogen utilization efficiency; GOGAT，Glutamate synthetase; GOT， Glutamic oxaloacetic transaminase; Yield， Yield of maize; NUE， Nitrogen use efficiency; TNS， Total nitrogen content in aboveground part (at tasseling period); nitrate nitrogen content (at tasseling period).图2 春玉米产量与氮素利用率的冗余分析Fig.2 Redundancy analysis of spring maize yield and nitrogen use efficiency

3 讨论

3.1 化肥减氮配施氨基酸肥料对土壤氮供应、春玉米氮吸收和氮肥利用率的影响

氨基酸肥料可显著提高土壤的铵态氮、硝态氮含量，从而增加作物的氮素吸收和干物质积累，进而提高作物产量。本研究中，减氮20%的U80处理与常规施氮量(U100)相比，增加了土壤中的铵态氮含量，维持了土壤硝态氮含量。相较于U100处理，A80处理能显著增加春玉米抽穗期和成熟期的土壤硝态氮和铵态氮含量，能够持续为春玉米供应氮素，可为春玉米增产提供营养基础。

研究显示，水稻地上部对N的吸收量随氮用量的减少而显著降低，但添加氨基酸会增加水稻对N的吸收量。赵士诚等研究发现，氮肥减量有利于植株干物质的积累和氮素的吸收，氮肥利用率显著增加。狄雅莉研究发现，在玉米季减氮10%配施5%的氨基酸可使玉米的氮素累积量提高7.16%，氮肥利用率提高3.36%～9.66%。本研究发现，相比于常规施氮量，A80和A60处理下，玉米的氮吸收总量增加了16.3%和15.3%，氮肥利用率提高了38.8%和30.0%。张健等研究指出，向水溶肥中添加氨基酸可提高植株各部位对氮的积累量和总氮吸收量，有效提高作物对氮素的吸收利用和叶、籽粒的氮素分配。本研究中，在40%的减氮水平上，配施氨基酸肥料可更有效地提高玉米秸秆吸氮量、籽粒吸氮量和氮吸收总量，增加氮素在地上部的分配，这与前人的研究一致。从氮肥增效的角度来看，氨基酸中仅有1%的氮量，并不足以影响普通尿素减氮20%或40%的氮量，本研究在计算氮肥利用率时并不将其考虑在内。在相同的减氮水平上，配施氨基酸肥料还有效提高了肥料利用率，且A60处理的秸秆、籽粒氮吸收利用和分配较常规施氮量并未显著变劣，甚至还有提高，说明适量减氮配施氨基酸肥料能提高作物对氮的吸收利用，暗示氨基酸肥料在春玉米减氮增效上具有较大的应用潜力。

3.2 光合特征和氮同化酶活性对化肥减氮配施氨基酸肥料的响应

研究指出，氨基酸能提高植物生理活性、光合速率和气孔导度，进而促进植物光合作用，增加干物质的积累速率，为玉米增产提供营养基础。氨基酸类肥料可以提高植物叶片的叶绿素含量和光合能力，其主要机理是提高叶片PSⅡ反应中心的光化学效率，使得反应中心受体侧的活性得到明显刺激。在合理的种植模式下，适宜的施氮量可以改善夏玉米群体的光合条件，通过提高叶片净光合速率和气孔导度，进而提高玉米产量。在本研究中，A80处理较U100显著提高了气孔导度和叶绿素含量(SPAD值)，进而提高了光合氮利用效率。减氮40%条件下，U60处理的光合参数指标较U100大幅降低，导致PNUE显著降低；与U100相比，A60处理的PNUE虽无显著差异，但其净光合速率显著下降，这可能与过低的氮素用量难以满足植株光合作用的需求有关。

氨基酸是有机化合物，是蛋白质的组成部分，在植物中发挥代谢和运输的功能，可促进酶的同化、转移和利用，提高氮的同化。陆景陵发现，在氮代谢的整个过程中，硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NR)、GS、GOGAT、GDH起到了非常关键的作用。本研究发现，A80处理相较于U100和U80处理有效提高了GOT活性，促进了春玉米对氮素的同化和利用，进而保证了春玉米的产量。减氮导致GDH的活性显著下降，暗示GDH对氮素的变化更为敏感。减氮40%后，氮同化酶活性大幅降低，而A60处理较U60处理显著提高了GS和GOGAT的活性，有利于改善氮素同化。吴良欢等发现，氨基酸态氮可提高水稻体内氨基酸转氨酶和脱氢酶的活性。GOT虽不是植物氮代谢的关键酶，但可以促进氮素转化。本研究结果也显示，减氮20%时，氨基酸肥料可促进春玉米体内GDH和GOT活性的提高。

3.3 春玉米产量对化肥减氮配施氨基酸肥料的响应

在测土配方施肥条件下，氨基酸水溶性肥配合减量氮肥施用，有利于作物增产并改善种植环境。本研究中，减氮20%的U80和A80处理可有效保障春玉米产量，提高收获指数。减氮40%大幅度降低了春玉米的穗长和百粒重，导致春玉米减产14.4%～20.6%，但配施氨基酸肥料的A60处理下，春玉米产量与U100并无显著差异。在减氮20%的水平下，配施氨基酸肥料的处理提高了春玉米的百粒重，降低了秃尖长。吴玉群等也指出，植物氨基酸液肥有增加玉米穗长、缩短秃尖、增加穗粗和穗行数的作用。

由相关分析和冗余分析可知，影响春玉米产量的主要因素是氮吸收利用、光合作用和氮同化酶的活性。与常规施氮量相比，U80处理的氮吸收总量、光合氮利用速率和谷草转氨酶活性并无显著差异；A80处理显著提高了氮吸收总量、叶绿素含量(SPAD值)和谷草转氨酶活性，有利于保障春玉米产量。影响氮肥利用率的主要因素是土壤铵态氮含量(抽雄期)，与常规施氮量相比，U80和A80处理提高了土壤铵态氮含量和氮肥利用率。

综上，本研究证实，在常规施氮量的基础上减氮20%配施氨基酸肥料具有不减产并提高肥料利用率的优势。但当减氮量增加至40%时，即使配施氨基酸肥料，虽然肥料利用率可有显著提高，但由于氮素供应不足，春玉米仍将大幅度减产。也就是说，减氮配施氨基酸肥料有保障玉米产量不下降的可能，但具体能够实现的减氮幅度及其带来的生态效益和经济效益等，仍需进一步探讨。