控释尿素一次性施用的玉米减氮增效研究

杨清夏，龙光强，吴开贤，何澍然，李 扬，赵 平

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

玉米是中国的第一大粮食产物，播种面积占三大粮食作物播种面积的43.6%[1]。提高或维持玉米产量对中国粮食作物的安全生产具有重要作用。玉米对氮肥很敏感，在整个生育期内需氮量很大。为追求玉米的高产，中国玉米生产中的氮肥常采用大量施用、多次追施的方式，且氮肥大多以普通尿素等速效氮肥为主，肥效快但氮素很容易损失。长期不合理施用氮肥对农田造成很大的影响，出现诸如土壤酸化、硝化淋洗严重等问题[2]，玉米的氮肥利用率也仅为28%～41%[3-4]。有研究发现，玉米在减氮20%时，控释氮肥一次性基施仍比普通氮肥增产18.3%[5]，表明合理施用氮肥对玉米有很大增产潜力。因此，合理施用氮肥实现玉米的减氮增效是中国农业可持续发展的重要途径，而改变氮肥类型是合理施氮的关键技术。

控释氮肥作为一种新型氮肥，具有延缓养分释放速度的特点，可以有效平衡养分释放和作物吸收，促进作物生育后期的氮素供应，从而提高氮素利用率，实现作物的高产与稳产[6-8]。目前研究的控释氮肥多采用一次性基施，可以有效节省劳动力，成为当前氮肥研究的热点。由于控释氮肥价格偏高，施用后还可能出现前期缺氮后期贪青的现象[9]，中国农业生产中经常采用控释尿素和普通尿素配合施用的方法，既能防止控释尿素前期释放速率过慢，又能满足玉米生育后期对氮肥的需求。前人对控释氮肥一次性基施在中国农业生产中的应用进行了文献综述，发现与农民传统施氮相比，控释氮肥一次性基施可将三大粮食作物的产量和氮肥利用率分别提高3.1%～31.7%、6.2%～86.6%，同时还能显著减少农田氨挥发等氮素损失[10]。也有研究报道，控释氮肥的施用能有效延缓叶片衰老[11]，提高作物光合特征和氮素转化相关的酶活性[12]，还能提高作物生育后期根系的活力，促进根系对氮素的吸收，从而提高氮素吸收效率[13-14]。此外，控释尿素与普通尿素按照一定比例配施还可以提高土壤耕层的土壤硝态氮累积[15]，减少硝态氮向深层土壤的淋溶。与施用普通尿素相比，施用控释尿素可有效减少深层土壤的硝态氮含量达44.2%～82.9%[16]，有效降低了氮素在农田中的损失。

前人对控释氮肥的研究多集中国在中北方平原地区，而且主要集中在不同控释氮肥的比较和选择以及控释氮肥对作物产量的影响，对玉米减氮潜力的报道较少，西南地区更为少见。本试验通过研究控释氮肥减量施用对玉米产量和产量构成、氮素吸收和利用效率的影响，结合土壤养分变化和植株光合特征、氮同化酶活性的测定，探索控释氮肥的减氮潜力及机理，为玉米的减氮增效提供理论依据和指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5月—9月于云南农业大学现代农业教育实践基地进行，地处北纬23°32′、东经103°13′，年降水量1 040 mm，集中分布在7- 9月。供试土壤基础性状见表1。

表1 试验地土壤基础性状Table 1 Basic nutrient characters of tasted soil

1.2 试验材料

玉米供试品种为‘华单1号’， 氮肥为普通尿素(N：46%)和树脂包膜控释尿素(N：44%)，磷钾肥分别选用普钙(P2O5：16%)和硫酸钾(K2O：52%)。普通尿素分3 次施入，其中基肥40%，小喇叭口期追肥25%，大喇叭口期追肥35%。控释尿素(35%普通尿素+65%控释尿素)和磷钾肥作为基肥一次性施用。

1.3 试验设计

试验采取完全随机设计，共设置6个处理，每个处理3 次重复。试验小区面积5.5 m×5 m=27.5 m2，小区周边设1 m保护行，种植玉米。玉米种植株距为0.25 m，行距为0.5 m，种植密度为80 000株/hm2。试验的6个处理分别是不施氮(N0)、常规施氮(U100)、普通尿素减量20%(U80)、控释尿素(35%普通尿素+65%控释尿素)减量20%(C80)、普通尿素减量40%(U60)、控释尿素(35%普通尿素+65%控释尿素)减量40%(C60)。各处理养分施用量详见表2 。

表2 试验处理及其养分投入量Table 2 Experimental treatment and its nutrient input

1.4 样品采集与分析

1.4.1 土壤样品采集和指标测定 基本理化性质：玉米种植前，采集0～20 cm土壤，参照鲍士旦[17]的方法测定土壤的pH 、有机质、速效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮、全氮的含量。

速效磷钾和硝铵态氮：玉米5个生育时期(苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期、成熟期)每小区各采集0～20的土壤混合样品1个。测定土壤速效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮的含量。速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定，速效钾用NH4OAc 浸提-火焰亮度法测定，硝态氮和铵态氮经1 mol/L氯化钾浸提后用流动分析仪测定。

1.4.2 植株样品采集和指标测定 玉米成熟期采集各小区中间2行玉米，测定产量和产量构成；在玉米5个生育期每小区选择有代表性的玉米5株按根、茎、籽粒分开，称鲜质量后于105 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，称质量测定生物量并粉碎过筛，用于测定植株各部位的全氮、全磷、全钾含量。植株用浓H2SO4-H2O2消煮后，全氮采用全自动蒸馏定氮仪测定，全磷用钒钼黄比色法测定，全钾用火焰亮度计测定。

玉米抽穗期，剪切穗位叶叶片中部并去除叶脉，用液氮速冻，置于-80 ℃冰箱保存。测定玉米的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(Fd-GOGAT)、谷草转氨酶(GOT)、谷氨酸脱氢酶(NADH-GDH)的活性。测定方法参照试剂盒(苏州格锐思生物科有限公司)说明方法。采用LI-6400便携式光合测定仪(LI-COR,Lincoln,USA)测定玉米抽穗期的光合指标(净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素、光合氮利用利率)。

1.5 有关指标计算方法

收获指数(Harvest index,HI,%)=产量/生物量；养分积累量( Total accumulation amount,TAA,kg/hm2) = 干质量 ×养分含量(%)/100；氮肥利用率(N use efficiency,NUE,%)=(施氮区作物氮素积累量-不施氮区作物氮素积累量)/施氮量。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 软件处理数据和作图，运用SPSS 20.0在0.05水平上对玉米产量及产量构成、氮素吸收和利用效率、光合特征、氮同化酶和土壤养分进行显著性差异分析和相关分析，用Canoco 5.0对玉米产量、氮素利用率和抽穗期的氮素积累、光合特征、氮同化酶和土壤养分进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 玉米产量与养分吸收利用

氮肥减量20%(U80、C80)处理的产量达到常规施氮水平，且C80较U80提高14.5%；氮肥减量40%(U60、C60)后产量下降11.5%～ 23.6%，U60与C60处理无显著差异(表3)。与U100相比，普通尿素减量40%(U60)后玉米收获指数有所下降，其余处理的收获指数均达到常规施氮水平，C80较U80有提高收获指数的优势，收获指数提高10.5%。

与U100处理相比，减氮20%对玉米穗长、行粒数和百粒质量均没有显著影响。同时，C80较U80处理玉米穗长提高20.6%。减氮40%后，U60的玉米穗长和百粒质量与U100相比下降29.6%和10.2%，而C60的穗长达到常规施氮水平。此外，控释尿素(C80、 C60)处理较U100有效降低秃尖长17.1%和32.6%。

表3 玉米产量及产量构成Table 3 Yield and yield components of maize

玉米全氮积累量在玉米整个生育期呈逐渐递增的趋势(表4)。在小喇叭至成熟期，氮肥减量20%(U80、C80)的全氮积累量均达到常规施氮水平；C80较U100和U80处理均有提高玉米全氮的趋势，在成熟期全氮显著提高16.2%和 10.8%。U60较U100处理全氮积累量整体呈下降趋势，而C60处理的全氮积累量均达到常规施氮水平。玉米的氮肥利用率最高的是C80处理，其余处理间无显著差异，较U100氮肥利用率显著提高22.4%。

表4 不同处理下的氮素积累量和氮素利用率Table 4 Total N accumulation and N use efficiency under different treatments

2.2 叶片光合特征与氮同化酶活性

与U100处理相比，U80的各项光合指标降低均不显著；配施控释尿素(C80)后叶片光合指标整体均表现为增加，净光合速率和光合氮利用效率显著提高15.0%和24.8%，且C80较U80叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值显著提高(表5)。与U100相比，U60处理的各项光合指标除比叶质量外均有所下降；配施控释尿素(C60)后蒸腾速率和光合氮利用效率达到常规施氮水平，且C60有提高蒸腾速率和光合氮利用效率的优势，较U60显著提高35.3%和36.4%。

表5 不同处理下的光合特征Table 5 Photosynthetic characteristics under different treatments

与U100处理相比，U80的NADH-GDH和GOT活性均显著降低；C80有效维持NADH-GDH、GS和Fd-GOGAT活性，且C80较U80处理差异显著，NADH、GOT、GS、Fd-GOGAT提高17.4%、10.4%、16.2%、16.5%(图1)。与U100相比，U60处理4 种酶活性平均降低 31.5%。C60 4种酶活性均降低，但较U60处理提高，GS和Fd-GOGAT活性分别显著提高 17.9%和51.9%。

图中不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同

2.3 土壤养分

土壤硝态氮在玉米整个生育期呈先上升后下降的趋势，在大喇叭口期达到最高(图2)。

与U100相比，减氮20%处理(U80、C80)的硝态氮在玉米整个生育期都没有显著降低，C80在小喇叭至成熟期硝态氮提高10.4%～27.7%，同时较U80提高7.0%～13.0%。U60较U100处理在玉米大喇叭口期至成熟期硝态氮均有降低，而C60处理在整个生育期中均达到了常规施氮水平。铵态氮在玉米苗期较低，小喇叭至抽穗期均保持较高水平，到成熟期略有下降。与U100相比，减氮20%处理(U80、C80)硝态氮均未显著下降。在大喇叭和成熟期，C80较U80处理显著提高6.1%～11.1%；在大喇叭口期至成熟期，C60均达到或超过常规施氮的铵态氮水平，与U80相比有提高硝态氮的优势。

图2 不同施肥处理下玉米各生育时期的土壤养分Fig.2 Soil nutrients at different growth stages of maize under different fertilization treatments

土壤速效磷在玉米生育期呈逐渐递减的趋势。U80与U100相比无显著差异；C80较U100和U80处理整体表现为增加的趋势。C60在玉米整个生育期都维持常规施氮的速效磷含量，在苗期、小喇叭口期和成熟期，比U60提高12.1%，24.5%和37.0%。速效钾在玉米整个生育期保持较稳定的水平，在成熟期略有下降。C80较U100整体表现为增加的趋势，在小喇叭口和成熟期，比U100显著提高8.7%和7.3%。

2.4 影响玉米产量和氮肥利用率的关键因子分析

相关分析结果表明，产量与GOT、GS、Fd-GOGAT活性、植株总氮、净光合速率、蒸腾速率、速效磷、速效钾、硝态氮、SPAD呈极显著相关关系(P<0.01，表6)，与NADH-GDH活性、铵态氮为显著相关关系(P<0.05)。氮肥利用率与植株总氮、比叶质量和土壤速效钾呈显著相关关系(P<0.05)。冗余分析(RDA) 表明，在玉米抽穗期，轴1和轴2分别解释处理各因素变异的 67.08% 和23.08%(图3)。各指标与产量均呈正相关，除GOT外，各指标与氮肥利用率均呈正相关。通过冗余分析中的蒙特卡罗置换检验各指标对产量和氮肥利用率的贡献率可知，SPAD是影响产量和氮肥利用率的关键因子 (60.4%)，其他指标贡献率大小依次为硝态氮、Fd-GOGAT活性、植株全氮、净光合速率、蒸腾速率、GOT活性、铵态氮、GS活性、比叶质量、NADH-GOGAT活性、速效磷、速效钾。

表6 玉米产量、氮肥利用率与抽穗期间各指标之间的相关性Table 6 Correlation between maize yield,N use efficiency and various indicators during heading period

TN.总氮；NPR.净光合速率；TR.蒸腾速率；SC.气孔导度；SLQ.比叶质量；PNUE.光合氮利用效率；AK.速效钾；AP.速效磷；NN.硝态氮；AN.铵态氮

3 讨 论

3.1 氮肥减量对玉米产量的影响

合理施用氮肥是玉米高产、稳产的重要途径。本研究表明，维持玉米不减产的减氮幅度是20%。与常规施氮相比，氮肥减量20%能维持玉米产量不下降；氮肥减量40%后，玉米减产 11.5%～23.6%。控释尿素减量20%较普通尿素减量20%玉米产量提高14.5%，较常规施氮的氮肥利用率提高22.4%。可见控释尿素有很大的增产潜力。有研究表明，控释氮肥与等氮条件的常规施氮相比，对玉米均有不同程度的增产作用，增产率为5%～20%，同时可提高氮肥利用率达4%～19%[18]。前人研究表明，控释氮肥减量20%仍能有效提高玉米产量和氮肥利用率，达到氮肥的高效利用[19-20]，这与本研究的结果一致。然而，减氮20%～40%，是否存在更合理的减氮幅度，尚需进一步的研究探索。

3.2 氮肥减量20%维持玉米产量的机制

氮素供应对玉米产量的形成至关重要。本研究中，与常规施氮相比，氮肥减量20%处理的氮素积累量在玉米小喇叭口期至成熟期均未显著降低，进而保证氮肥利用率达到或超过常规施氮水平，最终保证玉米不减产。此外，土壤养分的供应对玉米产量也很重要， 0～20 cm土层对于施氮措施尤其敏感，该土层的土壤养分供应强度对玉米的氮素吸收和产量形成高度相关。而硝态氮对于旱地作物的氮素供应尤为关键。本研究中冗余分析(RDA)也表明，硝态氮是影响玉米产量的关键因子。氮肥减量20%的土壤硝态氮均达到或超过常规施氮水平，这也是氮肥减量20%未减产的原因。

玉米的光合特征和酶活性与氮素的吸收利用密切相关。本研究结果表明，氮肥减量20%的净光合速率、光合氮利用效率和叶绿素等光合指标均达到或超过常规施氮水平，其将光合氮利用效率显著提高17.5%～24.8%，进而促进玉米对氮素的吸收与利用，最终保证玉米不减产。这与相关分析中，玉米产量与植株氮素积累量、净光合速率、GOT、GS、Fd-GOGAT之间均呈显著正相关关系的结果一致。在4种酶中，谷氨酸合成酶对产量的相关性最高。谷氨酸合成酶多存在于叶片的叶绿体中，是作物氮代谢的主要途径之一，对氮素的同化有着关键的作用[21-22]，冗余分析(RDA)结果也表明，谷氨酸合成酶(Fd-GOGAT)是驱动产量的关键因子。有研究表明，玉米产量与氮代谢关键酶活性呈正相关[23]，这与本研究的结果 一致。

3.3 氮肥减量40%导致玉米减产的原因

氮肥减量40%时，普通尿素和控释尿素较常规施氮玉米产量分别下降23.6%和11.5%。结合当前施肥现状和众多研究报道，施氮量150 kg/hm2可能是维持玉米产量的最低施氮量[24]。而造成玉米减产的原因可能是氮肥前期养分供应不足。玉米对氮素比较敏感，前期的氮素供应对玉米的生长发育也很重要。氮肥减量20%时氮素供应不足的生理基础主要表现为净光合速率、蒸腾速率、叶绿素均下降，同时降低酶活性，影响玉米对氮素的同化和吸收，造成百粒质量降低 7.0%～10.2%，最终导致玉米减产。而控释尿素的养分释放受土壤温度等多种环境因子影响[25-26]，可能会导致养分在生育前期不能全部释放，最终使控释尿素的增产效果受限。郭萍等[27]提出50%～75%缓释尿素与 25%～50%普通尿素掺混，能满足玉米整个生育期的氮素供应，可以使作物获得高产水平。所以推测可以适当提高普通尿素的掺混比例，以保证玉米前期养分的有效供应，实现控释尿素更大减氮增效的潜力。

3.4 控释尿素在玉米减氮增效中的优势

氮肥减量20%时，控释尿素较普通尿素在提高土壤硝态氮、光合指标、酶活性和氮素吸收方面更具优势。本研究中，在小喇叭至成熟期，控释尿素减量20%的硝态氮较常规施氮平均提高 16.8%，同时较普通尿素减量20%平均提高 10.4%。可见，控释尿素对于提高土壤硝态氮表现出优势。与普通尿素相比，控释尿素减量20%提高了叶片多项光合特征(净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、SPAD)和酶活性，4种酶活分别提高17.4%、10.4%、16.2%、16.5%。在氮肥减量20%时，控释尿素较普通尿素有更好的增产效果，还与控释尿素释放规律有关。控释尿素可以较好地平衡氮素释放和玉米需求的同步性，进而保证玉米对氮素的吸收与利用。本研究中，在小喇叭口至大喇叭口期，玉米进入旺盛营养生长期，植株氮素累积量开始增高，在抽穗期至成熟期显著提高，较普通尿素减量20%处理提高10.8%～ 16.6%，有效维持玉米中后期的氮素供应。这也意味着，施用控释尿素可减少氮素损失，对环境污染的威胁减小。同时也证明玉米产量与生育前期和后期的氮素积累量都有很大的关系[28]。而普通尿素养分释放过早，造成植株前期营养生长过快，后期氮素养分供应不足，加速玉米生育后期的衰老，使灌浆速率降低[29]，造成玉米成熟期氮积累量较低，氮素吸收不足，导致产量相较控释尿素处理有所下降。

以上结果表明，控释尿素与普通尿素相比，提高玉米产量的生理基础是提高土壤硝态氮的供应，同时提高功能叶的光合特征、氮代谢关键酶活性，促进植株对氮素的同化能力，从而增加氮素吸收。同时，控释尿素也促进玉米生育后期干物质向籽粒的转移，有利于百粒质量的提高，最终提高玉米产量[30-32]。本研究中，与普通尿素减量20%相比，控释尿素减量20%处理的百粒质量显著提高9.9%，这也是控释尿素减量20%不减产的 原因。

控释尿素减量40%处理的产量有所下降，氮肥利用率却达到常规施氮水平。从土壤养分看，常规施氮和普通尿素处理的土壤速效磷钾在成熟期均有所下降，而控释尿素处理从大喇叭口期到成熟期均保持稳定水平，有效维持土壤的速效养分。与相同施氮量的普通尿素相比，控释尿素处理的硝铵态氮在玉米大喇叭口期至成熟期均有所增加，有效维持玉米中后期的土壤氮素供应。同时，控释尿素减量40%处理的硝铵态氮在小喇叭至成熟期均达到常规施氮水平。这也说明，控释尿素有望实现减量40%不减产。此外，控释尿素一次性施用还可以有效节省劳动力，达到节肥高效的目的。因此，控释尿素的增产和减氮潜力值得进一步探究。

4 结 论

氮肥减量20%可以有效维持玉米产量和氮肥利用率，且控释尿素增产效果更佳，较普通尿素产量提高14.5%。氮肥减量20%时，控释尿素在提高氮素吸收总量、氮利用率、收获指数、光合氮利用率、酶活性和维持籽粒百粒质量等方面更具优势，值得推广应用。氮肥减量40%导致玉米减产11.5%～23.6%，但与相同施氮量的普通尿素相比，控释尿素减量40%提高玉米的穗长、光合氮利用效率和SPAD等指标，且玉米的收获指数、氮肥利用率和光合氮利用效率等达到常规施氮水平，有望实现玉米减氮40%不减产。