覆盖及配施控释尿素对玉米氮素利用及产量的影响

2022-07-04于祥梁熠王浩代晓华马琨马瑞萍

甘肃农业大学学报 2022年2期

于祥，梁熠，王浩，代晓华，马琨，马瑞萍

(宁夏大学农学院，宁夏银川 750021)

宁夏南部山区是典型的半干旱雨养农业区，年均降水450 mm左右，微效降水次数多，时空分布极为不均，土壤水分蒸发量大[1]，且该地区农民为简化施肥和追求高产一次性基施过量氮肥，致使氮肥利用效率较低。因此，针对宁南旱区玉米生产现状，研究如何提高氮肥利用效率对该地区玉米高效生产具有重要意义。

控释尿素作为一种新型肥料，通过减缓或控制氮素在土壤中释放速率，使供氮时间和强度与作物需氮规律相一致，实现作物高产和养分高效吸收利用[2-3]。前人研究表明，控释尿素一次性基施可显著提高生育中后期土壤硝态氮含量[4]，有效提高花后植株对土壤氮素的吸收利用，提高花后叶片光合速率及延迟后期叶片衰老，促进花后干物质积累及转运[5]，显著提高作物产量和氮素利用效率[6-7]。但也有研究表明，控释尿素由于其生产工艺及应用环境存在差异，致使其受应用成本高、氮素释放不稳定等因素限制[8-9]。为此，有学者提出将控释和普通尿素按不同比例配施，既能降低应用成本，又能满足不同生育时期作物对土壤氮素的需求[10-11]。李伟等[12]研究表明，缓释氮肥与普通尿素以1∶1比例掺混可提高各生育时期耕层土壤的氮素供应能力。郭金金[13]和姬景红等[14]研究结果表明，控释氮素和普通尿素按不同比例配施可增加地上部各器官对土壤氮素的吸收利用，增加玉米穗位叶的叶绿素浓度和净光合速率，延缓叶片衰老。解文艳等[15]研究结果表明，当控释尿素配比为60%～70%可显著提高春玉米产量、氮素利用效率和经济效益。

近年来，本课题组在宁南旱区就控释与普通尿素不同掺混比例对干物质积累运移及产量等方面开展了大量研究，初步得出在施氮量225 kg/hm2，控释氮素和普通尿素掺混比例为2∶1一次性基施可有效提高玉米产量及经济效益[4,16-17]。而关于不同覆盖模式和控释尿素互作对土壤供氮能力、植株氮素吸收利用及产量的研究还不系统。本研究综合前人研究结果通过大田试验，开展不同覆盖条件下控释尿素配施对土壤硝态氮、玉米植株氮素吸收利用及产量影响的研究，旨在探索宁夏南部山区高效施氮模式，为该区春玉米高产高效栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4月17日至10月3日在宁夏固原市彭阳县城阳乡长城村(N 35°51′42″，E 106°40′ 27″)进行。该区域位于宁夏南部边缘，海拔高度为1 660 m，属黄土高原半干旱雨养农业区，年降水量350～500 mm，7～9月降水占全年60 %以上，无霜期140～170 d，年平均气温8.0 ℃，≥10 ℃的积温约2 700 ℃。供试土壤为黄绵土，0～25 cm耕层土壤基础肥力状况：有机质14.91 g/kg，碱解氮88.25 mg/kg，速效磷43.91 mg/kg，速效钾129.11 mg/kg。试验区玉米生育期(4月～9月)总降水量为613 mm，降雨量较高的月份为7～8月分别为119.4 mm、221.2 mm，占整个生育期降雨量的55.56%。最高气温在7月份，平均温度为19.7 ℃。

1.2 试验设计

1.2.1 供试材料供试品种：先玉698。

供试肥料：普通尿素(N:46.4%)，由中国石化宁夏分公司生产；聚氨酯包膜控释尿素(N:43.2%)，由宁夏荣和绿色科技有限公司提供，释放期为70 d。

1.2.2 试验设计试验采用裂区试验设计，设置覆盖方式为主区，分别为二元覆盖A1(垄上覆膜，沟内覆盖整株玉米秸秆，覆盖量为4 500 kg/hm2)，全膜覆盖A2(垄上沟内均覆盖地膜)，4种施肥方式为副区，分别为不施肥处理(T1)，普通尿素一次性基施(T2)，普通尿素2/3基施+1/3小喇叭口期追施(T3)，2/3控释尿素+1/3普通尿素掺混全部基施(T4)，各处理3次重复，共24个小区。各施氮处理在整个生育期施用总量一致(N:225 kg/hm2)，各处理磷钾肥用量相同，其中施磷量(P2O5)120 kg/hm2，施钾量(K2O)60 kg/hm2，在普通尿素与控释尿素作基肥时与磷钾肥一起深施。采用宽窄行起垄种植模式，宽行距60 cm，窄行距40 cm，株距29.6 cm，垄高25 cm，种植密度为67 500株/hm2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤硝态氮测定在玉米拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、吐丝期后25 d(R1+25 d)、生理成熟期(R6)，共取5次，每次用土钻于沟内分4层，每层20 cm，取至80 cm深度，带回实验室进行风干，过16目风干土样称取5 g于塑料瓶中，加入0.5 mol/L的硫酸钾30 mL，振荡1 h，用滤纸过滤到干燥洁净的三角瓶中，利用紫外分光光度计法测定土壤硝态氮含量。

1.3.2 植株氮素测定在玉米吐丝期(R1)和生理成熟期(R6)，按小区选取代表性植株5株，将单株每样分成茎鞘、叶、籽粒和苞叶，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒质量，测定干物质量后粉碎，采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量。

1.3.3 产量构成因素玉米成熟后，收获每处理的3个非破坏性小区中间4行，在大田直接测定其果穗总鲜质量，并用美国帝强Mini GAC水分仪对鲜玉米脱粒进行水分测定，换算成14%含水率的产量，测取5组求其平均值，按平均穗质量从收获的玉米穗中选取10穗带回实验室进行考种。

1.4 数据统计与分析

相关计算参照Moll等[18]的方法。

各器官氮素积累量(kg/hm2)=每公顷各器官干物质质量×各器官氮素百分比含量

氮素转运量(NT，kg/hm2)=吐丝期氮素累积量-成熟期营养器官氮素累积量

氮素转运对籽粒的贡献率(GCR，%)=氮素转运量/成熟期籽粒氮素累积量×100%

花后氮素积累量(PNA，kg/hm2)=成熟期地上部植株氮素累积量-吐丝期地上部植株氮素累积量

氮素收获指数(NHI)=籽粒含氮量(GN，kg/hm2)/植株总吸氮量(NT，kg/hm2)

氮肥利用率(NUE，%)=(施氮区地上部植株氮素累积量-不施氮区地上部植株氮素累积量)/施氮量×100%

氮肥农学利用率(AEN，kg/kg)=(施氮区玉米产量-对照区玉米产量)/施氮量

氮肥偏生产力(PFPN，kg/kg)=施氮区产量/施氮量

1.5 数据处理

试验数据用Excel 2016整理，用SPSS 20.0软件在α=0.05水平上进行最小显著极差(LSD)显著性检验，用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤硝态氮时空变化的影响

由表1可知，覆盖、施氮模式及二者交互效应极显著影响不同生育时期土壤硝态氮含量。其中大喇叭口期，全膜覆盖土壤硝态氮含量较二元覆盖高23.95%，而吐丝期和成熟期二元覆盖处理土壤硝态氮含量略占优势。就不同土层来说，二元覆盖显著增加了吐丝后25天40～80 cm土层土壤硝态氮占比，而成熟期二元覆盖和全膜覆盖差异不显著。同为二元覆盖，不同施氮处理对不同土层土壤硝态氮亦有显著影响。不同施氮模式下，控释尿素配施(T4)显著提升了吐丝期0～60 cm土壤硝态氮含量，分别较普通尿素一次性基施(T2)和基追施(T3)提高31.20%和52.05%。吐丝期全膜覆盖条件下各氮肥处理0～60 cm土壤硝态氮含量与二元覆盖表现出相同趋势。在两因素共同作用下，拔节期到大喇叭口期以A2T2处理0～80 cm土壤硝态氮含量最高，大喇叭口期A2T2较A2T4处理提高49.75%，成熟期以A2T4处理0～80 cm土壤硝态氮含量最高，分别较A1T3和A2T3提高3.67%和51.96%。

表1 不同处理对不同生育时期0～80 cm土壤硝态氮影响

2.2 不同处理对玉米器官氮素积累和运转的影响

2.2.1 对吐丝期及成熟期植株氮素积累的影响由图1可知，覆盖和施氮两因素交互显著影响植株吐丝期和成熟期氮素积累量。吐丝期两种覆盖条件下，皆表现为控释尿素配施后营养器官的氮素积累量显著增加，其中A1T4和A2T4处理植株氮素积累总量较A1T2、A1T3、A2T2和A2T3高22.55%、10.05%、30.78%和19.48%。两种覆盖模式下均表现为叶片的氮素积累量高于茎鞘，且在A2处理下，控释尿素配施显著提升了叶片和茎鞘的氮素积累量，分别较T2和T3提高41.59%、20.05%和17.36%、18.63%，而T2和T3之间茎鞘氮素积累量差异未达到显著水平。成熟期不同覆盖条件下，与普通尿素相比，控释尿素配施显著提高茎鞘、叶片及籽粒氮素积累量，其中A1T4和A2T4处理植株氮素积累总量较A1T3和A2T3显著提高14.32%和16.95%。各器官氮素积累量在相同施氮模式下均表现为A2处理高于A1，且在A2下，控释尿素配施显著提升了营养器官的氮素积累量，T4处理籽粒氮素积累量分别较T2和T3显著提高32.50%和18.35%。可见，全膜覆盖和控释尿素配施交互对玉米各器官氮素累积影响最显著。

图1 不同处理对春玉米吐丝期和成熟期各器官氮素积累量的影响

2.2.2 不同处理对成熟期各器官干物质及全氮含量的影响由表2可知，覆盖模式极显著影响成熟期叶片干物质量，显著影响籽粒干物质量，施氮模式极显著影响成熟期叶片、籽粒干物质量、茎鞘及叶片含氮量，两因素交互显著影响成熟期籽粒含氮量。在两种覆盖模式下，A2处理成熟期叶片及籽粒干物质较A1分别显著提高17.61%、8.39%。4种施氮模式下T4处理成熟期叶片、籽粒干物质量、茎鞘及叶片含氮量分别较T3显著提高35.99%、6.84%、17.11%、4.77%；在两因素交互作用下，A2T4、A1T4分别较A2T3、A1T3显著提高7.87%、5.80%，成熟期籽粒含氮量以A2T4处理最高，较A2T3显著提高7.56%。

表2 不同处理对成熟期各器官干物质及全氮含量的影响

2.2.3 不同处理对植株氮素转运的影响由表3可知，覆盖模式显著影响氮素收获指数，施氮模式对氮素转运量、花后氮素积累量及氮素收获指数影响达到极显著水平，两因素互作显著影响氮素转运量、花后氮素积累量及氮素收获指数。在两种覆盖模式下，A2处理氮素转运量和氮素转运对籽粒贡献率均高于A1处理，而在花后氮素积累量和收获指数表现为A2处理低于A1。A2处理施氮模式氮素转运量表现以T4最高，其中T4较T3显著提高19.18%；4种施氮模式下花后氮素积累量以T4最高，分别较T2、T3显著提高31.20%和17.41%，而氮素收获指数以A1T3最高。在两因素交互作用下，氮素转运量和花后氮素积累量均以A2T4最高，氮素收获指数以A1T3最高。

表3 不同处理对氮素转运的影响

2.3 不同处理对春玉米产量的影响

由表4可知，与A1相比，A2处理显著增加了玉米产量，增幅达25.47%。在不同覆盖模式下，控释氮素配施均显著提升了玉米的产量。A1和A2条件下，T4处理产量分别较T3显著提高了10.22%和9.39%。分析增产原因，A1T4处理穗粒数和千粒质量显著高于A1T3，说明A1处理下穗粒数和千粒质量的增加是控释尿素配施后产量增加的主因，而A2处理下控释尿素配施较常规尿素基追处理(T3)显著增加了籽粒千粒质量，增幅为4.49%，故粒质量的增加是该覆盖条件下控释尿素配施产量增加的主因。

表4 不同处理对春玉米产量及产量构成因素的影响

2.4 不同处理对春玉米氮肥利用效率的影响

氮素利用效率是指导农业生产及作物适宜生长的重要指标。由表5可知，不同处理对其有显著影响。在不同覆盖模式下，氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均表现为A2处理高于A1处理；在不同施氮模式下，控释尿素配施显著提高了植株氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，分别较T3显著提高32.40%、39.80%和8.56%。在两因素交互作用下，A2T4处理氮肥利用率和氮肥偏生产力分别较A1T4显著提高了10.35%和21.30%。

表5 不同处理对氮肥利用效率的影响

3 讨论

3.1 覆盖及配施控释尿素对土壤硝态氮累积的影响

不同覆盖模式及控释尿素配施对土壤水分和氮素影响效果受区域气候、土壤条件及种植模式等多种因素共同影响[10]。前人研究表明，地膜覆盖和秸秆覆盖在不同降水年份均可提高0～200 cm土层土壤贮水量，在低降水年份下地膜覆盖处理0～60 cm土壤贮水量高于秸秆覆盖，随着不同年际间生育期降水量的增加，地膜覆盖和秸秆覆盖0～200 cm土壤贮水量也随之增加，高降水年份下二者0～60 cm土壤贮水量差异低于低降水年份，且地膜覆盖处理0～60 cm土壤贮水量仍高于秸秆覆盖，说明在低降水条件下地膜覆盖蓄水保墒的能力更明显[19-20]。宁夏南部旱区2019年在春玉米生育期内降水613 mm，属于丰水年。该区域七月和八月降水占整个生育期的55.56%，本研究结果表明在花后25 d全膜覆盖处理0～40 cm土层土壤硝态氮含量高于二元覆盖，说明高降水促进了二元覆盖土壤硝态氮向深层淋失。前人就不同覆盖模式对土壤硝态氮含量影响研究表明，与不覆盖相比，秸秆覆盖虽在短期内对土壤硝态氮含量提升效果不及地膜覆盖，但可显著改善长期土壤供氮水平[21]。本研究结果表明，玉米拔节期和大喇叭口期全膜覆盖处理硝态氮含量高于二元覆盖，而吐丝期和灌浆期硝态氮含量低于二元覆盖，分析原因是全膜覆盖处理前期较高的土壤水分和温度有利于土壤有机质分解及速效养分的释放，进而促进了各土层硝态氮含量[22]，而二元覆盖下玉米前期长势较弱，对土层氮素吸收利用能力有限，进而促进吐丝后土壤硝态氮积累。但也有研究表明，秸秆覆盖在生育中后期腐熟过程中对土壤氮素的消耗近一步降低土壤氮素的供应能力[23]，这可能与秸秆还田量及氮肥施用量等条件差异有关。

施肥方式及类型也会对土壤硝态氮产生显著影响。控释与常规氮肥配施可有效提高玉米生育中后期土壤氮素供应，但氮肥配施模式对前期土壤硝态氮含量影响存在差异[24]。本研究结果显示，拔节期到大喇叭口期土壤硝态氮以普通尿素一次性基施为优，而吐丝到成熟期均以控释与常规尿素配施最高。由此可见，控释尿素配施有效保证了玉米生殖阶段土壤硝态氮供应，但对吐丝前土壤硝态氮影响不显著。两因素共同影响下，在拔节到大喇叭口期以全膜覆盖与普通尿素全部基施土壤硝态氮含量较高，花期到灌浆期以二元覆盖与控释与普通尿素配施土壤硝态氮含量较高。分析原因可能由于前期全膜覆盖处理下土壤水热较好，促进了普通尿素释放，进而提高了生育前期土壤0～40 cm硝态氮含量；而生殖阶段由于控释尿素氮素逐步释放促进0～60 cm土壤硝态氮含量显著提升，且二元覆盖前期对土壤氮素利用有限，两因素互作进一步提高了吐丝后二元覆盖处理下控释尿素配施后土壤硝态氮含量。就年际间不同降水量来说，本课题组前人研究表明，2017到2018春玉米生育期内降水为337、478 mm，分别为欠水年和丰水年，2 a内控释尿素和普通尿素2∶1配施在生育中后期0～40 cm土壤硝态氮高于均高于普通尿素[4]，与本研究结果一致，说明该区域全膜覆盖处理下控释尿素配施氮素规律受降水变化影响较小，符合作物需肥规律。

3.2 覆盖及配施控释尿素对春玉米氮素吸收利用的影响

覆盖模式对植株不同器官氮素吸收利用影响不同。本研究表明，吐丝和成熟期全膜覆盖植株氮素积累量均高于二元覆盖，说明全膜覆盖较二元覆盖处理更有利于植株对土壤氮素的吸收利用。氮素收获指数反映了收获后籽粒氮素占植株总氮素积累量的比例，而籽粒氮素主要来源于吐丝前营养器官的累积和吐丝后植株对氮素的吸收[25]。本研究表明二元覆盖氮素收获指数和吐丝后氮素积累量略高于全膜覆盖，说明二元覆盖较全膜覆盖更有利于吐丝后植株吸收氮素向籽粒转运，其原因是二元覆盖较全膜覆盖提高了吐丝后土壤硝态氮的供应，促进了花后地上部植株对土壤氮素对吸收利用。虽然二元覆盖较全膜覆盖在生育中后期促进了植株对土壤氮素的吸收利用，但全膜覆盖有效提升了植株总氮素积累量及籽粒氮素积累量，提高了氮素利用效率，这与李华等[26]研究结果相似。

有研究表明，控释与普通尿素配施可显著提高耕层土壤无机氮含量，减少氮素向深层淋失[27]，显著增加花后干物质积累量、籽粒吸氮量及花后吸氮量比例[10]，提高了氮素利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力[28]。本研究表明，与单施普通尿素相比，控释与普通尿素配施显著增加了吐丝后氮素积累量及花后氮素转运量，提高了氮素利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，这与前人研究结果相同。前人研究[29]表明，覆膜与缓控释肥互作可有效缓解地膜覆盖条件下春玉米生长早衰的现象，促进玉米生长发育，提高氮肥利用效率。本研究结果表明，不同覆盖条件下控释尿素配施均可显著促进吐丝和成熟期各器官氮素积累及氮肥利用效率，且全膜覆盖与控释尿素交互表现更佳，分析其原因可能是二者有机结合提高生育后期根系数量及活性，促进了地上部对土壤硝态氮吸收和利用[30]。

3.3 覆盖及配施控释尿素对春玉米产量的影响

前人就不同覆盖模式对产量影响的研究较多，但结果存在差异。冯良山等[31]研究结果表明，全膜覆盖处理玉米产量高于二元覆盖，但二者差异不显著。李荣等[32]研究结果表明随秸秆还田年限的增加，二元覆盖玉米的增产幅度要高于全膜覆盖。也有研究表明，秸秆还田短期内对作物产量无明显影响甚至减产，且随还田量增加作物有效穗数、穗粒数和千粒质量皆降低[33]。本研究结果表明，2种覆盖模式下全膜覆盖处理产量高于二元覆盖，千粒质量的增加是产量增加的主要原因。分析千粒质量增加的原因是地膜覆盖提高了干物质积累及干物质向籽粒转移的能力，进而增加了籽粒千粒质量。对于秸秆覆盖在该区域玉米增产机制可能与施氮量、秸秆覆盖量及覆盖年限等因素相关，本课题组会就此在今后作进一步研究。

氮素是影响作物产量及其构成的主要因素。张玉凤等[34]研究表明，控释氮肥与普通尿素不同掺混比例对籽粒千粒质量影响不显著，但控释与普通尿素掺混比例为7∶3时可显著提高籽粒穗粒数。刘诗璇等[35]研究表明，控释与普通尿素掺混比例为3∶7时可显著提高籽粒百粒重而对穗粗、穗长及穗粒数影响不显著。更多学者研究表明，控释与普通尿素配施显著促进生育中后期土壤氮素供应，提高花后干物质积累和转运，最终显著影响籽粒穗粒数和粒质量[28,36]。本研究也得出相似结论，控释尿素配施可显著提高玉米穗粒数和千粒质量进而提高作物产量。研究年际间不同降水量对产量影响结果表明，作物产量整体表现为丰水年>平水年>欠水年[20]，分析原因是生育期内高降水条件促进了耕层根系的生长发育，进而促进作物对耕层水分和养发的吸收利用，最终增加了作物产量[37]。与本课题组前人研究结果相比，2018年和2019年均为丰水年，2018年七月八月降水分别为203.6、195.3 mm，占整个生育降雨量的59.45%，高于2019年七月八月降水，全膜覆盖处理下控释尿素和普通尿素2:1配施产量两年分别为14.62 t/hm2和14.80 t/hm2，2018年产量略低于2019年，二者差异不显著但均显著高于2017年欠水年控释尿素和普通尿素2∶1配施处理春玉米产量(12.06 t/hm2)，2017年处理产量最高为12.09 t/hm2，与控释尿素和普通尿素2∶1配施处理产量差异不显著，进一步说明在不同降水年份全膜覆盖下控释尿素和普通尿素2∶1配施处理均可明显提高玉米产量[4]，适合在该区域应用推广。