不同氮用量对四川春玉米光合特性、氮利用效率及产量的影响

2022-05-17熊伟仡徐开未刘明鹏肖华裴丽珍彭丹丹陈远学

中国农业科学 2022年9期

熊伟仡，徐开未，刘明鹏，肖华，裴丽珍，彭丹丹，陈远学

熊伟仡，徐开未，刘明鹏，肖华，裴丽珍，彭丹丹，陈远学

四川农业大学资源学院，成都 611130

【】明确不同施氮量下春玉米产量形成的光合机制，分析不同施氮量对氮肥利用率、土壤氮素盈余量等的影响，为当地合理施用氮肥，促进春玉米高产高效提供理论参考。以玉米品种仲玉3号为试验材料，分别于2019、2020年在四川农业大学雅安试验农场的肥效长期定位试验地进行田间试验，设置5个供氮水平，分别为0（不施氮）、90 kg·hm-2（低氮）、180 kg·hm-2（适量氮）、270 kg·hm-2（农民习惯施氮）、360 kg·hm-2（高氮），记为N0、N1、N2、N3、N4。于拔节期、吐丝期和灌浆期测定叶面积，分别计算叶面积指数、光合势；于灌浆期测定穗位叶净光合速率等光合参数以及吐丝期、灌浆期测定叶绿素含量；吐丝期、灌浆期、收获期测定地上部群体干物质积累量，收获时测定产量，分析各部位氮含量，计算土壤氮素盈余量、春玉米氮素利用效率和施氮经济效益。（1）春玉米产量随施氮量增加先升后持平，2019、2020两年都是N2处理的产量最高，平均为9 746 kg·hm-2，相较于N0、N1处理分别增产179%、28.7%（＜0.05），而N2与N3、N4处理间产量无显著差异。两年产量经线性+平台拟合，平台施氮量为134.8 kg·hm-2，平台产量为9 604 kg·hm-2，此时产投比也最高（12.6）。（2）适量施氮（N2）相比不施氮均显著提高穗位叶叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及叶面积指数和光合势等，继续增施氮肥上述指标无显著差异甚至显著降低。（3）结合光合特性与收获期产量的相关性分析及偏最小二乘法分析表明，春玉米光合势、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、叶面积指数、叶绿素a+b与产量均呈极显著正相关关系（＜0.01），且影响春玉米产量的主导因素是叶绿素a+b。（4）收获期籽粒氮素积累量和地上部氮总积累量两年都是随施氮量增加先显著上升，在N2处理后（超过180 kg·hm-2）微弱上升或基本持平；经拟合表明土壤氮素盈余量为0时施氮量为139 kg·hm-2；春玉米氮肥表观利用率两年都是N2处理最高，平均达73.7%，较N1处理提高10.8%（＜0.05），继续增施氮肥，氮肥表观利用率则显著下降，N3、N4处理氮肥表观利用率相较于N2处理分别降低32.9%和48.1%（＜0.05）。适量施氮能明显提高春玉米叶片光合性能，延缓穗位叶总叶绿素的降解，延长光合作用持续期，优化总叶绿素、叶面积指数和光合势在春玉米产量形成中的作用。同时，适量施氮能显著增加地上部群体干物质积累量和籽粒产量，促进玉米对氮素的吸收与积累，降低土壤氮素残留，提高氮肥表观利用率。综合产量、施肥经济效益、氮肥表观利用率和氮素盈余量等因素，试验区（四川雅安）氮素投入量为139—180 kg·hm-2能维持春玉米的高产高效目标。

春玉米；氮用量；光合特性；产量；氮肥表观利用率；氮素盈余量

0 引言

【研究意义】自2013年起，玉米成为我国第一大粮食作物，对维护国家粮食安全具有重要作用[1]。但当前我国玉米平均亩产只有416.7 kg，仅相当于美国的57.9%[2]。四川省旱耕地以紫色土为主，玉米生育期内降雨频繁，土壤易遭受冲刷，易导致土壤氮素淋失[3]，以四川雅安为例，氮肥表观淋失率可达17.8%[4]。同时该地区玉米生产普遍存在氮素过量施用和氮肥利用率低等问题。陈尚洪等[5]调研四川丘陵地区玉米种植户发现氮素过量施入的比例为71.9%；徐春丽等[6]分析了在西南地区开展的508个玉米田间试验，表明四川省玉米氮肥利用率仅为33.3%。过量或不合理施氮易导致土壤氮素盈余量较高，造成氮素面源污染[4]，不利于玉米生产；且玉米作为高光效C4植物，叶片光合作用对于产量形成具有重要作用[7]。因此，研究氮素合理投入（施肥经济效益）、氮肥利用率、土壤氮素盈余量与玉米光合和氮营养效率特征对于理解玉米光合机制，指导合理施氮和玉米高产高效具有重要意义。【前人研究进展】叶片是玉米主要的营养器官和光合器官[8]，叶片叶绿素含量对玉米等作物的生长发育和产量均至关重要[9]；同时氮素是限制玉米生长的重要因素，其通过参与玉米体内多种生物化学反应进而直接或间接影响整个光合作用环节[10]，且光合作用是玉米生长发育的基础，因此对于其光合性能方面的研究一直备受关注。关于不同生态区、土壤类型下施氮对玉米光合特性及生长的影响，前人已有许多研究。李强等[11]在四川简阳紫色土上研究发现，相较于不施氮，施氮量为180—270 kg·hm-2可以显著提高玉米地上部群体干物质积累量、叶面积指数和叶片净光合速率，并显著提高吐丝后叶绿素含量，从而提高玉米产量。SU等[12]在陕西黑垆土上研究发现，氮素投入量为225 kg·hm-2时玉米生育后期功能叶仍能维持较高的净光合速率和叶面积指数，并能延缓叶片衰老，提高玉米地上部群体干物质积累量以促进籽粒增产。LIU等[13]在山东棕壤土上研究发现，施氮185 kg·hm-2左右可通过增强玉米净光合速率，提高叶绿素含量，增加穗粒数和千粒重以使玉米籽粒增产。关于长期施氮对玉米光合特性及生长的影响，前人也有相关研究。王帅等[14]依托沈阳农业大学棕壤土进行的长期施肥定位试验研究表明，长期适量施用氮肥可以显著提高玉米叶绿素含量、蒸腾速率和净光合速率，在花后仍能维持较高的叶面积指数，促进籽粒增产。曹彩云等[15]在河北潮土上进行的长期肥料定位试验研究表明，施秸秆9 000 kg·hm-2配施360 kg·hm-2氮素能显著改善玉米光合性能，促进叶面积指数增大，延长穗位叶花后持绿时间，延缓叶片衰老，为后期干物质积累提供大而长的产出源，进而促进玉米籽粒产量提升。可见前人关于施氮对玉米光合特性及生长的影响研究较为深入，不同生态区不同土壤类型上玉米功能叶延缓衰老、促进增产的适宜施氮量差异较大[11-15]，且在不同施氮量对玉米光合特性影响结合施肥经济效益[16]、氮素吸收利用[17-18]的响应也有较多研究。【本研究切入点】四川雅安位于四川盆地西缘，土壤以紫色土为主，玉米生育期内寡照多雨，年降雨量可达1 800 mm左右，土壤氮素易发生淋失，影响氮肥肥效和玉米生产。为监测氮肥效应，于2010年开始设置的5个氮水平试验，至2019年已连续定位了10年，先后进行了大量的玉米生长发育、农艺性状、干物质积累等内容的研究，但是，不同氮营养条件下玉米的光合特性，氮肥利用效率及土壤氮素盈余表观平衡尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究基于10年氮肥效应长期定位试验，研究长期不同施氮量下春玉米叶面积指数、叶绿素含量、相关光合参数及干物质积累的变化特征，分析不同施氮量对春玉米氮素吸收利用、土壤氮素盈余量及施肥经济效益等的影响，解析影响产量形成的光合机制，分析提出该地区维持春玉米高产高效的适宜施氮量区间。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于四川农业大学雅安校区漬江试验农场（29°58′54″N，102°59′09″E，海拔595 m），是开始于2010年并一直持续至今的施氮肥效长期定位试验地，本试验于2019、2020年进行了2年（长期定位试验的第10、11年）。该地属亚热带季风气候，2019年，年均温21℃，年日照时数722 h，春玉米季降雨量达1 561 mm；2020年，年均温16.8℃，年日照时数721 h，春玉米季降雨量达1 328 mm。

试验地土壤类型为紫色土，质地为黏质重壤土，俗称“紫色大土”，定位试验前（2010年）的土壤基础理化性质为pH 6.33，有机质34.9 g·kg-1，碱解氮61.1 mg·kg-1，有效磷40.5 mg·kg-1，速效钾73.1 mg·kg-1。2019年春玉米播种前土壤基本理化性质如表1。

表1 2019年耕种前土壤基础理化性质

供试玉米品种为仲玉3号，由四川省南充市农业科学院玉米研究所选育。

试验所用肥料为尿素（N：46.4%）、过磷酸钙（P2O5：12%）、氯化钾（K2O：60%），均采购于当地农资市场。

1.2 试验设计、实施与田间管理

为方便长期定位施氮管理，试验采用单因素大区设计，即以5个氮处理为大区，每个大区面积为79.8 m2（8.4 m×9.5 m），大区之间设2 m间隔，再在大区内划分3个小区作为3次重复，小区面积26.6 m2（9.5 m×2.8 m）；试验区周围设保护行，大区之间2 m间隔带中种一行玉米作为隔离保护行。

2019、2020年继续执行定位施用5个氮水平，分别为0（不施氮）、90 kg·hm-2（低氮）、180 kg·hm-2（适量氮）、270 kg·hm-2（农民习惯施氮）、360 kg·hm-2（高氮），分别以N0、N1、N2、N3、N4表示（表2）。另外，一致施用磷钾肥，用量为P2O575 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2。玉米播种前打窝，窝深20 cm左右，将30%的氮和全部磷、钾肥施于窝内作底肥，然后覆土；另在玉米拔节期追施30%的氮肥，12叶期追施剩余40%的氮肥（表2），均兑清水冲施于玉米植株旁。不施氮处理以等量清水浇灌。

玉米采用宽窄行种植，宽行距0.9 m，窄行距0.5 m，每个小区内有两个玉米带幅，共4行。玉米实行点播，每窝播种4—5粒种子，于4叶期每窝定壮苗2株，种植密度为6.75×104株·hm-2；2019年4月4日播种，2020年4月3日播种。整个玉米生育期内做好防虫除草防病工作，按照当地高产栽培方法进行田间管理。分别于2019年8月24日和2020年9月6日收获。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 产量测定收获时实收小区中的一个2行带幅，现场脱粒称重，用上海绿洲LDS-IG谷物水分测量仪测定籽粒含水量，以14%标准含水率计算产量。

表2 试验各处理氮素投入量

1.3.2 地上部群体干物质积累量测定 2019年和2020年于玉米吐丝期、灌浆期每小区随机选4株，收获期每小区随机选5株，从茎秆基部砍下，带回实验室后分茎秆、叶鞘、叶片、穗轴、苞叶、籽粒分开制样，立即105℃杀青30 min，再在75℃下烘干至恒重称量，折算各时期单位面积玉米的地上部干物质积累量。

1.3.3 光合指标测定 2019、2020年于吐丝期、灌浆期（吐丝后20 d）每小区随机选取10片玉米穗位叶，并用剪刀剪取穗位叶中部叶脉一侧的叶片5 cm长左右，混合均匀后放入自封袋于冰盒中保存，带回实验室采用丙酮提取法[19]测定叶绿素含量。

2019、2020年于拔节期、吐丝期、灌浆期每小区选取4株，使用浙江托普云农YMJ-B活体叶面积测量仪测定植株叶面积。

2019、2020年于灌浆期每小区随机选取10株，使用LI-6800型光合仪（LI-COR，美国）于晴天上午9：00—12：00在田间原位测定穗位叶的净光合速率（n）、气孔导度（s）、胞间二氧化碳浓度（i）和蒸腾速率（r）。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021软件对数据进行初步统计与分析，SPSS 25.0软件进行单因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）和Pearson相关分析，用LSD法对数据平均值进行显著性检验（=0.05），用Origin 2021软件进行偏最小二乘法分析及作图，用SAS 9.4和Microsoft Excel 2021软件进行不同变量间的模拟分析。

2 结果

2.1 不同施氮量对春玉米地上部群体干物质积累量的影响

随生育期的推进，长期定位施氮至10、11年，即2019、2020两年间春玉米地上部群体干物质积累量均随生育进程呈逐渐升高趋势，表现为收获期＞灌浆期＞吐丝期。吐丝期、灌浆期和收获期地上部群体干物质积累量N2（适量氮）处理两年平均分别为7 078、12 035和18 158 kg·hm-2，较N0（不施氮）处理分别增加103%、172%和147% （＜0.05），较N1（低氮）处理分别增加26.3%、26.2%和29.9%（＜0.05）。当施氮量达180 kg·hm-2（N2）后再继续增施氮肥，春玉米地上部群体干物质积累量并无显著提升（图1）。

2.2 不同施氮量对春玉米叶面积指数、穗位叶叶绿素含量的影响

不同施氮量下叶面积指数（LAI）、叶绿素含量差异见表3。从中可知年份和施氮量互作对吐丝期、灌浆期穗位叶叶绿素a（Chl a）含量、吐丝期LAI、叶绿素b（Chl b）含量和叶绿素a+b（Chl a+b）含量的影响均达到显著水平（＜0.05）。LAI两年变化趋势一致，都是吐丝期大于灌浆期；吐丝期LAI N2（180 kg·hm-2，适量氮）处理较N0（不施氮）、N1（低氮）处理两年平均分别增加132%和27.3%（＜0.05）；灌浆期LAI N2处理较N0、N1处理两年平均分别增加136%和23.5%（＜0.05）；施氮超过180 kg·hm-2后两年灌浆期及2019年吐丝期LAI无显著差异，2020年吐丝期LAI甚至显著降低。

不同施氮量显著影响穗位叶叶绿素含量。除Chl b外，两年吐丝期和灌浆期Chl a、Chl a+b含量变化趋势一致；除N0处理外，Chl a+b含量在生育期间均表现为灌浆期＞吐丝期，吐丝期N2处理Chl a+b含量相较于N0、N1处理，两年平均分别增加78.2%和17.9%（＜0.05），灌浆期N2处理Chl a+b含量相较于N0、N1处理，两年平均分别增加113%和19.1%（＜0.05）；施氮量超过180 kg·hm-2后两年吐丝期和灌浆期Chl a和Chl a+b含量无显著差异，2020年灌浆期Chl b显著降低。说明适量施氮可通过在花后维持较高的光合色素含量，增加玉米叶片的持绿时间以延长光合作用持续期。

误差线为标准误，柱上不同小写字母表示同年度同一生育期不同处理间差异显著（P＜0.05）。下同

表3 不同施氮量下春玉米叶面积指数、穗位叶叶绿素含量的差异

同列数据后不同小写字母表示同年度同一生育期不同处理间差异显著（＜0.05）；*表示在0.05水平上相关性显著，**表示在0.01水平上相关性显著，ns表示0.05水平上相关性不显著。下同

Different small letters after values mean significant difference (＜0.05) among different treatments at the same year and growth period; * indicates significantly different at 0.05 probability level, ** indicates significantly different at 0.01 probability level, and ns indicates no significant correlation at 0.05 probability level. The same as below

2.3 不同施氮量对春玉米光合势的影响

从图2可知，2019、2020年拔节期—吐丝期和吐丝期—灌浆期春玉米光合势（LAD）变化趋势一致，相较于不施氮（N0处理），施氮均显著增加穗位叶LAD，拔节期—吐丝期穗位叶LAD N2处理相较于N0（不施氮）、N1（低氮）处理两年平均分别增加102%、21.7% （＜0.05），吐丝期—灌浆期N2处理相较于N0、N1处理两年平均分别增加124%、24.1% （＜0.05）；N2（适量氮）、N3（农民习惯施氮）、N4（高量氮）处理间差异均不显著。说明适量施氮能显著增加LAD。

图2 不同施氮量对春玉米光合势的影响

2.4 不同施氮量对春玉米穗位叶光合作用的影响

不同施氮量下春玉米穗位叶净光合速率（n）、胞间二氧化碳浓度（i）、蒸腾速率（r）、气孔导度（s）差异见表4。可知年份和施氮量互作对n、r的影响均达到显著水平（＜0.05）。2019年和2020年N2处理n均达到最高，分别为17.2 μmol·m-2·s-1和19.7 μmol·m-2·s-1，显著高于N1（低氮）和N0（不施氮）处理；施氮量高于180 kg·hm-2（N2）后，2019年n在N2—N4处理间差异未达显著水平，而2020年nN4（360 kg·hm-2）处理较N2、N3处理显著降低；两年N2处理r、s均达到最高，施氮量超过180 kg·hm-2后均显著下降；i随着施氮量的增加而逐渐下降。

2.5 春玉米光合特性与收获期产量的相关性分析和偏最小二乘法分析

由表5可知，春玉米LAD、n、r、s、i、LAI、Chl a+b与收获期产量相关性显著（＜0.01），且通过偏最小二乘法分析得知，影响产量的核心因素是Chl a+b，其次是LAI和LAD，与气体交换参数（n、r、i、s）的关系相对较小，说明可以通过增加春玉米的Chl a+b含量及潜在光合面积来提高其籽粒产量。

2.6 不同施氮量对春玉米产量的影响

由图3所示，春玉米产量随施氮量增加先显著增加，至N2（适量氮）处理达最高，两年平均为9 746 kg·hm-2，相较于N0、N1处理分别增产179%、28.7%（＜0.05），而施氮量超过180 kg·hm-2后，N2、N3、N4处理的产量基本持平，之间无显著差异。使用SAS软件对两年产量进行“线性+平台”拟合，拟合方程为=3 488+ 45.4（＜134.8），=9 604 （≥134.8），2=0.872**，表明该区域春玉米平台施氮量为134.8 kg·hm-2，平台产量为9 604 kg·hm-2。

表4 不同施氮量下春玉米穗位叶光合特性比较

表5 春玉米光合特性与收获期产量相关分析及偏最小二乘法分析

LAD：光合势；n：净光合速率；r：蒸腾速率；i：胞间二氧化碳浓度；s：气孔导度；LAI：叶面积指数；Chl a+b：叶绿素a+b

LAD: Leaf area duration;n: Net photosynthetic rate;r: Transpiration rate;i: Intercellular CO2concentration;s: Stomatal conductance; LAI: Leaf area index; Chl a+b: Chlorophyll a+b

2.7 不同施氮量经济效益分析

在农业生产中产投比是衡量种植收益的静态指标[23]。从表6可知施氮处理相较于不施氮处理均显著增加产值，增加范围为8 983—13 767元·hm-2。随着施氮量的增加肥料成本在不断增加，但是净收入并不完全是随施氮量的增加而增加。平台施氮量（134.8 kg·hm-2）时的产值（21 129元·hm-2）与N2（180kg·hm-2）处理产值（21 441元·hm-2）无显著差异，继续增施氮肥产值并无显著变化。平台施氮量的净收入（19 458元·hm-2）与N2处理（19 515元·hm-2）无显著差异，较N0（0 kg·hm-2）、N1（90 kg·hm-2）处理分别增加188%和27.7%（＜0.05），施氮超过180kg·hm-2后净收入显著降低，N3（农民习惯施氮，270 kg·hm-2）、N4（高量氮，360 kg·hm-2）处理净收入较N2处理分别降低6.00%和6.61%（＜0.05）。产投比以平台施氮量最高（12.6），较N0、N1处理分别增加49.3%和6.78%（＜0.05），施氮超过139 kg·hm-2后产投比显著降低，N2（180 kg·hm-2）、N3（270 kg·hm-2）、N4（360 kg·hm-2）处理产投比相较于施氮量为139 kg·hm-2时的产投比（12.5）分别下降11.2%、31.8%、42.5%（＜0.05）。产值增产率以N2处理最高（179%）。另外，经曲线拟合，土壤氮素盈余量为0时的施氮量为139 kg·hm-2（图4），此时产值、净收入和产投比与产量平台施氮量均无显著差异。综上所述，产量平台施氮量能获得最高产投比，氮肥施用量为180 kg·hm-2能获得最大产值增产率。

图中产量数据为2019、2020两年平均值；误差线为标准误，柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P＜0.05）

2.8 不同施氮量对春玉米氮素吸收利用及氮素平衡的影响

如表7所示，年份和施氮量互作对籽粒氮素累积量、春玉米氮肥表观利用率（NARE）、氮素农学利用效率（NAE）、氮肥偏生产力（NPFP）和土壤氮素盈余量的影响均达到显著水平（＜0.05）。地上部氮素积累量和籽粒氮素积累量均随施氮量的增加先显著上升，施氮量超过180 kg·hm-2后，籽粒和地上部氮素积累量均无显著差异。NARE随施氮量的增加先增后降，两年均在N2处理达到峰值，平均达73.7%，2019年NARE N1和N2处理间无显著差异，而2020年NARE N2处理相较于N1处理增加12.4%（＜0.05）；继续增施氮肥NARE则显著降低，N3、N4处理相较于N2处理两年平均分别降低32.9%和48.1%（＜0.05）。NAE、NPE和NPFP均随施氮量的增加呈逐渐下降趋势。当施氮量为180 kg·hm-2时，两年土壤氮素盈余量分别为15.7 kg·hm-2和18.8 kg·hm-2，继续增施氮肥氮素盈余量显著提高，说明过量施氮（大于180 kg·hm-2）会增加土壤氮素残留[4]，加大氮素面源污染。

表6 不同施氮量的经济效益

净收入指除劳动成本外的净收入，净收入=产值-肥料成本，产值=玉米产量×玉米价格（玉米产量为2019、2020两年的平均产量，当地市场价格玉米为2.2元/kg），肥料成本=肥料用量×肥料价格（尿素价格为2.6元/kg，过磷酸钙为0.81元/kg，氯化钾为2.3元/kg）；134.8 kg·hm-2为平台施氮量（图3），139 kg·hm-2为土壤氮素盈余量为0时的施氮量（图4）

The profits refers to profits excluding labor costs, profits = output value - fertilizer input, output value = maize yield × maize price(maize yield is the average value of 2019 and 2020, the local market price of maize is 2.2 yuan/kg), fertilizer input = fertilizer level × fertilizer price (the price of urea, superphosphate, potassium chloride is 2.6, 0.81, 2.3 yuan/kg, respectively); 134.8 kg·hm-2is the platform nitrogen application level (Fig. 3), and 139 kg·hm-2is the nitrogen level when the soil nitrogen surplus reach to zero (Fig. 4)

图4 不同施氮量对土壤氮素盈余量的影响

表7 不同施氮量对春玉米氮素吸收利用及氮素平衡的影响

GNA：籽粒氮素积累量；ANA：地上部氮素积累量

GNA: Grain nitrogen accumulation; ANA: Aboveground nitrogen accumulation

3 讨论

3.1 不同施氮量对春玉米产量、氮素吸收利用、氮素平衡及施氮经济效益的影响

适量施氮可显著提高春玉米产量。本研究中适量施氮处理（N2）的籽粒产量显著高于不施氮（N0）和低氮（N1）处理，施氮量高于180 kg·hm-2（N2）时产量无显著差异，这与前人研究结果一致[24]，可能是由于过量施用氮肥会导致更多的氮素损失，吸收的氮也大量在营养器官中累积，向籽粒转移的比例降低，造成库源平衡失调，不利于籽粒产量升高，甚至会造成产量下降。赵营等[25]研究也表明，过量增施氮肥的增产效果并不显著，甚至会降低产量。巨晓棠等[26]研究表明高量施氮、氮肥施用方法不合理等会显著降低玉米氮肥利用率。本研究中当施氮量为180 kg·hm-2时，两年氮肥表观利用率均最高，最高氮肥表观利用率平均为73.7%，高于西南地区玉米生产平均水平[6]。施氮量为180 kg·hm-2时显著促进春玉米地上部群体干物质积累量（图1）和籽粒氮素积累量的增加（表7），继续增施氮肥则无显著差异。对两年土壤氮素盈余量进行拟合，得知氮素盈余量为0时施氮量为139 kg·hm-2（图4），说明当氮素投入量多于139 kg·hm-2时土壤氮素开始残留。

结合春玉米地上部氮素总积累量和土壤氮素盈余量来看，施氮量超过180 kg·hm-2，春玉米地上部吸氮量达173 kg·hm-2后增加不显著（表7），继续增施氮肥则会导致多余氮素在土壤中累积（表7）。本试验地位于有“天漏”之称的雅安市，2019、2020年春玉米生育期降雨量分别高达1 561 mm和1 328 mm，土壤中累积的氮素大量淋失，导致氮素淋失量呈指数上升[4]，威胁地下水水质安全。本试验建立在10年长期定位施氮的研究基础上，前期研究发现，在定位至9、10年时施氮量为180 kg·hm-2处理的氮肥表观淋失率最低，为10.9%，当施氮量为360 kg·hm-2时氮淋失量和淋失率均达到最大，分别为70.5 kg·hm-2和17.8%[4]。因此，适量施氮（180 kg·hm-2左右）较农民习惯施氮大大降低了氮肥用量，同时也明显降低了氮素在土壤中的残留和氮肥表观淋失率，减轻氮肥面源污染，氮肥利用率明显提高，验证了合理施氮的重要性。

本研究中，玉米产量与施氮量为“线性+平台”关系（图3）,平台氮肥用量为134.8 kg·hm-2，平台产量为9 604 kg·hm-2。另从经济效益角度分析，施氮量为134.8 kg·hm-2（平台氮肥用量）时春玉米产投比最高（12.6），继续增施氮肥导致N2（180 kg·hm-2）处理产投比显著下降，且平台氮肥用量的净收入和N2处理无显著差异，在180 kg·hm-2基础上继续增施氮肥净收入显著降低，说明氮肥投入量为134.8 kg·hm-2时能够节约种植成本，获取最大种植收益。根据产量拟合方程（图3）显示，当施氮量为134.8 kg·hm-2和139 kg·hm-2时产量基本一致，而氮肥投入量为139 kg·hm-2时土壤氮素盈余量为0（图4），且此时（139 kg·hm-2）产投比（12.5）与平台施氮量（134.8 kg·hm-2）产投比（12.6）无显著差异（表6），其种植收益均显著高于其余处理（N0、N1、N2、N3和N4）。

因此，该地区投入氮肥总量为139—180 kg·hm-2可以促进春玉米地上部群体干物质积累量及籽粒氮素积累量的增加，在节肥、控制氮肥投入成本和减少氮素在土壤中残留的情况下提高氮肥表观利用率，并维持春玉米高产高效，实现减氮增效目标。

3.2 不同施氮量下影响春玉米产量形成的光合机制

干物质积累量是玉米产量的主要决定因素之一[27]，玉米作为高光效C4植物，前人研究表明玉米干物质的形成主要通过光合作用实现[28]，保持较高的光合效率有助于玉米籽粒增产。景立权等[27]研究表明，净光合速率（n）、蒸腾速率（r）、气孔导度（s）随着施氮量的增加呈逐渐上升趋势，超过一定施氮阈值后逐渐下降，过量施氮不利于叶片光合性能的提升。本研究结果与其基本一致，与不施氮（N0）相比，适量施氮（N2）均显著促进春玉米穗位叶n、r、s的增加，施氮高于180 kg·hm-2后两年灌浆期r、s及2020年灌浆期n均显著降低。胞间二氧化碳浓度（i）变化趋势则相反，低氮甚至不施氮反而促进i的提升，这与朱晓军等[29]研究结果一致。说明本试验中在180 kg·hm-2基础上继续增施氮肥导致n和r显著降低的原因是非气孔因素引起的，可能是过量施氮导致光合作用关键酶活性降低而抑制了n和r的提高[30]。

前人研究表明，玉米叶面积指数和光合势能直接反应植株叶片的生长发育、营养状况和潜在的光合面积[31]。蔡晓等[32]研究证实，叶面积指数随施氮量的增加呈逐渐上升趋势，但高于某一施氮量后增加效果不显著。曹彩云等[15]研究认为施氮均促进玉米叶面积指数，叶绿素含量的提高，能延缓玉米叶片衰老，延长其光合作用时间，促进玉米产量提升。本研究中与不施氮（N0）相比，适量施氮（180 kg·hm-2）均显著促进叶面积指数、光合势和叶绿素含量的增加，继续增施氮肥上述指标无显著差异甚至显著降低；其中除N0处理外，N1、N2、N3和N4处理叶绿素a+b含量灌浆期＞吐丝期，且适量施氮处理（180 kg·hm-2）相较于N0、N1处理均显著提高春玉米穗位叶的叶绿素a+b含量。表明适量施氮能延长叶片的持绿时间和光合作用持续期，延缓总叶绿素分解，显著促进干物质积累（图1）和籽粒氮素积累（表7），进而促进春玉米产量提升。

分析不同施氮量下春玉米光合特性与产量之间的关系后发现，春玉米叶面积指数、光合势、叶绿素a+b、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度与收获期产量显著正相关（＜0.01）（表5），且上述指标按照对产量的重要性大小排序为：叶绿素a+b＞叶面积指数和光合势＞净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度。说明影响春玉米产量的核心因素是叶绿素a+b，其次是叶面积指数和光合势，气体交换参数对玉米产量的影响相对较小。生产中可通过适量施氮（180kg·hm-2）强化春玉米叶片光合能力，提高光合面积，增加总叶绿素含量以延缓叶片总叶绿素的降解和延长光合作用持续期，并有助于协调总叶绿素、叶面积指数和光合势在春玉米产量形成中的关系，从而积累更多光合产物以促进籽粒增产。

4 结论

适量施氮可显著提高春玉米叶片光合能力，并延缓叶片总叶绿素的降解和延长叶片持绿时间，有助于优化总叶绿素、叶面积指数和光合势在春玉米产量形成中的作用。同时，适量施氮能显著增加地上部群体干物质积累量和籽粒产量，促进玉米对氮素的吸收与积累，降低土壤氮素残留，提高氮肥表观利用率。综合产量、施肥经济效益、氮肥表观利用率和土壤氮素盈余量等因素，施氮量为139—180 kg·hm-2能维持当地春玉米高产高效目标。

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Effects of Different Nitrogen Application Levels on Photosynthetic Characteristics, Nitrogen Use Efficiency and Yield of Spring Maize in Sichuan Province

XIONG WeiYi, XU KaiWei, LIU MingPeng, XIAO Hua, PEI LiZhen, PENG DanDan, CHEN YuanXue

College of Resource Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130

【】In order to clarify the photosynthetic mechanism affecting the yield formation of spring maize under different nitrogen application levels, the effects of different nitrogen application levels on nitrogen use efficiency and soil nitrogen surplus were analyzed, so as to provide the theoretical reference for rational application of nitrogen fertilizer and promoting high yield and high efficiency of spring maize.【】Using the maize of variety Zhongyu 3 as experimental material, the field experiments were carried out in 2019 and 2020 at the long-term fertilizer effect experimental site of Ya’an Experimental Farm of Sichuan Agricultural University. Nitrogen supply included five levels, such as 0 (no nitrogen application), 90 (low nitrogen), 180 (appropriate amount of nitrogen), 270 (farmers’ habitual nitrogen application), and 360 kg·hm-2(high nitrogen), which were marked as N0, N1, N2, N3, and N4, respectively. The leaf area was measured at jointing period, silking period and grain-filling period, and the leaf area index and leaf area duration were calculated, respectively. The photosynthetic parameters, such as net photosynthetic rate of ear leaves were measured at grain-filling period, and chlorophyll content was measured at silking period and grain-filling period. The dry matter accumulation of aboveground population was measured at silking period, grain-filling period, and harvest period, the yield was measured at harvest, the nitrogen content of each part was analyzed, and the soil nitrogen surplus, nitrogen use efficiency of spring maize and economic benefit of nitrogen application were calculated.【】(1) The spring maize yield increased first and then remained flat with the increase of nitrogen application levels. In 2019 and 2020, the yield under N2 treatment was the highest, with an average of 9 746 kg·hm-2, which was 179% and 28.7% higher than that of N0 and N1 treatments (＜0.05), respectively, but there was no significant difference among N2, N3, and N4 treatments. 2-year yield was fitted by linear + platform fitting, the platform nitrogen application level was 134.8 kg·hm-2, the platform yield was 9 604 kg·hm-2, and the output-input ratio of platform nitrogen fertilizer (134.8 kg·hm-2) was the highest (12.6). (2) Compared with no nitrogen application, the appropriate amount of nitrogen application (N2) significantly increased chlorophyll content, net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate of ear leaves, leaf area index and leaf area duration. However, with the increase of nitrogen fertilizer application, there was no significant difference or even decreased significantly in the above indexes. (3) Combined with the correlation analysis and partial least square analysis of photosynthetic characteristics and harvest yield, the yield was significant positively correlated with leaf area duration, net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate, leaf area index, chlorophyll a+b of spring maize (＜0.01), and the main factor affecting spring maize yield was chlorophyll a+b. (4) During the harvest period, the grain nitrogen accumulation and total aboveground nitrogen accumulation increased significantly with the increase of nitrogen application level, and increased slightly or basically flat after N2 treatment (more than 180 kg·hm-2) in the two years. The fitting results showed that the nitrogen application level was 139 kg·hm-2when the soil nitrogen surplus was 0 kg·hm-2; The nitrogen apparent recovery efficiency of spring maize under N2 treatment was the highest in the two years, with an average of 73.7%, which was 10.8% higher than that under N1 treatment (＜0.05), the nitrogen apparent recovery efficiency decreased significantly with the continuous application of nitrogen fertilizer. Compared with N2 treatment, the nitrogen apparent recovery efficiency of N3 and N4 treatments decreased by 32.9% and 48.1%, respectively (＜0.05).【】The proper amount of nitrogen application could obviously improve the photosynthetic performance of spring maize leaves, delay the degradation of total chlorophyll in ear leaves, prolong the duration of photosynthesis, and optimize the role among total chlorophyll, leaf area index and leaf area duration in the yield formation of spring maize. At the same time, the proper amount of nitrogen application could significantly increase the dry matter accumulation of aboveground population and grain yield, promote the absorption and accumulation of nitrogen to maize, reduce nitrogen residue in soil, and improve the nitrogen apparent recovery efficiency. Considering the factors such as yield, economic benefit of fertilization, apparent nitrogen use efficiency and nitrogen surplus, the nitrogen input of 139-180 kg·hm-2could maintain the goal of high yield and high efficiency of spring maize in the experimental area (Ya’an, Sichuan).

spring maize; amount of nitrogen; photosynthetic characteristics; yield; nitrogen apparent recovery efficiency; nitrogen surplus