氮肥施用深度对夏玉米氮素利用、产量及根系生理的影响

杜 红， 张亚菲

(河南农业职业学院农业工程学院，河南中牟 451450)

氮是植物生长发育必需的常量矿质养分，充足的氮供应对于作物产量及品质形成至关重要。然而，作物对氮的利用效率较低，研究指出，目前我国粮食作物的氮肥当季利用率约为35%，其中玉米的氮肥利用率仅为32%。此外，为保证玉米产收及追求更高产量，种植者往往倾向于以超出推荐施肥量施用化学氮肥。合成氨工艺是目前生产化学氮肥的主要途径，人类年均将1.19×10t的气态N通过合成氨工艺转化为固体氮，造成生态系统氮循环失衡。此外，高氮施用及作物氮肥利用率较低，使得氮大量流失，是造成水体富营养化、土壤酸化及耕作层贫瘠的重要因素。因此，提高氮肥利用效率已成为维持全球粮食安全和刺激经济发展的关键性问题。

施肥深度对植物根系的生长及空间分布具有显著影响。前人研究表明，适度深施氮肥可增加棉花冠层横向、纵向的有效光合辐射截获率、生物量及产量；提高小麦拔节至开花期和开花至成熟期的耗水量，且增加40～120 cm土层土壤贮水量，能促进开花后的干物质积累。玉米(L.)长期以来被认为是一种具有强大根系吸收能力的作物类型，目前关于玉米作物相关的肥料施用深度已研究了磷的深度优施措施。且已表明磷深施5～24 cm可促进根系向下生长，提高玉米干物质累积、磷吸收效率、磷利用率以及籽粒产量。然而关于适度深施氮肥对玉米根系分布、养分获取及产量的影响鲜有报道。基于此，本研究探索了氮肥不同施用深度对玉米根系生长、氮素利用及产量的影响，以期为玉米施肥措施及可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019—2020年6—9月于河南省中牟县现代高新农业科技示范区(114°11′E，34°73′N)同一地块中进行。供试玉米品种为登海605，为深根系品种，种子来自河南省农业科学院粮食作物研究所。供试氮、磷、钾肥分别为控释尿素[(N)=46%]、过磷酸钙[(PO)=16%]、硫酸钾[(KO)=50%]，均购自河南兴发昊利达肥业有限公司。

试验地土壤类型为沙壤土，试验地2019、2020年土壤肥力基本相当。2019年试验地表层(0～30 cm)土壤理化性质：pH值7.23、有机质含量20.51 g/kg、全氮含量1.22 g/kg、铵态氮含量 11.96 mg/kg、硝态氮含量82.48 mg/kg、速效磷含量22.05 mg/kg、速效钾含量145.42 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2019、2020年夏季阶段(6—9月)进行。试验采用随机区组设计，设置4个施氮深度：5、10、15、20 cm，分别记为N5、N10、N15、N20，此外，设置不施氮处理，记为CK。各处理重复3次，共15个小区。小区为长方形，小区间被60 cm宽的水泥过道拦隔。每个小区面积为80 m(长10 m、宽8 m)，种植密度为6.5万株/hm，玉米株距为60 cm。

播种前条施过磷酸钙和硫酸钾[含PO120 kg/hm，(PO) ∶(KO)=12 ∶25]，采用综合旋转耕茬机，以10 cm的耕作深度耕作土壤。采用双印牌玉米免耕深松全层施肥精播机(2BYFSF-3，河北双印农业机械制造有限公司)对不同深度施氮处理进行准确深度施入，纯氮用量为250 kg/hm。种子施入深度为5 cm。土柱试验采用原位土柱进行，每小区随机选取6株玉米种植点，采用液压设备(QYB-55，济宁鑫宏机械设备股份有限公司)将直径为25 cm、高50 cm且底部镶嵌不锈钢刀具的硬质聚氯乙烯(PVC)管压入土壤，管壁为1 mm尼龙纱网衬托，试验过程中按照科技园内玉米常规灌溉、除草及病虫害防治方法进行。

1.3 样品采集及测定分析

1.3.1 玉米干物质、氮含量及叶面积指数(LAI)测定 分别在抽雄期(VT)收获玉米植株，根系、地上部分离置于烘箱中105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量并称量记录。将完熟期的玉米根系、茎秆、叶部、穗轴、籽粒分离置于烘箱105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，采用Bran Luebbe连续流分析仪(德国布朗卢比公司)测定各部位氮浓度。

于大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)以及完熟期(R6)采用LI-3000C叶面积仪(美国Li-Cor Biosciences公司)测定叶面积。叶面积指数(LAI)=(单株叶面积×每块地种植数)/地块面积。

1.3.2 玉米产量测定 产量测定在每个小区中心收获5 m×5 m谷物，室内风干后考种，记录产量构成因子，包括单株穗粒数和千粒质量等，以14%的水分含量采用电子天平称质量记录玉米籽粒质量，每公顷产量由取样面积产量折算。产量收获指数=籽粒产量/干物质累积量。

1.3.3 玉米根系性状测定 在玉米抽雄期(VT)去除玉米地上部，将PVC管挖出后剖开，保留完整土柱，按照10 cm一层取样，将根系与土壤一同切段，总计4层。采用小刀小心剖开表层土壤，小心清洗根系以获得完整根系，采用爱普生Perfective V700 photo扫描仪对根系进行扫描，根系分析系统(WinRHIZO)分析根系表面积、根长及分枝数，重复3次。

1.4 数据处理与统计分析

氮肥相关利用指标根据以下公式计算：

植株氮素总吸收量(kg/hm)=∑植株各器官干物质量 × 氮养分含量；

氮肥利用率=(施氮处理植株氮总吸收量 - 不施氮处理植株氮总吸收量)/施氮量 × 100%；

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮处理产量/施氮量；

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/整株氮素积累量×100%；

氮素吸收效率(kg/kg)=植株地上部分氮素积累量/施氮量；

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮处理籽粒产量-不施氮籽粒产量)/施氮量。

采用Excel 2013进行数据整理，采用DPS 7.5软件进行双因素方差分析(two-way ANOVA)和邓肯氏新复极差法统计分析(<0.05)，采用Origin 8.0软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 氮肥施用深度对夏玉米生物量累积及叶面积指数的影响

由图1-a、图1-b可知，生物量中，2年的田间试验无论在抽雄期(VT)还是完熟期(R6)中各处理差距皆较小，且2019、2020年整体皆表现为CK

叶面积指数(LAI)中，LAI随着生育期推进呈“先升后降”趋势。从大喇叭口期(V12)开始，LAI开始增加，在VT达到最高，从VT至R6逐渐下降，在R6期最低，此时V12的LAI与R6基本相等。就施氮处理(N5、N10、N15、N20)而言，在VT及R6中，2019、2020年的LAI皆以N15处理最高。

2.2 氮肥施用深度对夏玉米根系性状及其分布的影响

由图2可知，2019、2020年根系性状差距较小，N肥施入深度在一定程度上改变了根系干质量、根长、根表面积及侧根分枝密度在不同土层中的分布，且就根系分布而言，根系干质量、根长、根表面积及侧根分枝密度主要分布于0～20 cm，其中以 0～10 cm分布最为显著。对0～10、10～20 cm土层而言，在2019、2020年2年的试验中，N15处理的根系干质量、根长及根表面积皆具有较大值；此外，整体以N10处理大于N20、N5处理。而在20～30、30～50 cm土层中，整体上仍以N15处理的根系干质量、根长及根表面积最大，但此时整体上N20处理大于N10、N5处理。由图2-d可知，侧根分枝密度中，在2019、2020年2年的试验数据表明，在0～10 cm 中各处理均呈N20

2.3 氮肥施用深度对夏玉米氮累积与分布的影响

由表1可知，2019、2020年的田间试验中，N肥施入深度显著影响着玉米氮的累积与分布，且2019、2020年各处理氮累积分布规律基本一致。就器官氮素累积量而言，2019、2020年各器官氮累积整体皆呈穗轴<叶部<茎秆<根系<籽粒，表明氮素更倾向累积于籽粒，2019、2020年各处理籽粒氮含量分别占总累积量的48.93%～53.61%、47.84%～55.44%。就处理氮累积而言，2019、2020年中根系、茎秆、叶部及穗轴中均以N15处理累积量最大，在籽粒中各处理表现为CK

表1 施氮深度对玉米各器官氮累积与分布的影响

2.4 氮肥施用深度对夏玉米产量及其构成因子的影响

由表2可知，2019，2020年2年中的产量及其构成因子差距较小，各处理规律基本一致。玉米穗数中，2019年表现为CK

表2 施氮深度对玉米产量的影响

2.5 氮肥施用深度对夏玉米氮素吸收利用的影响

由表3可知，氮收获指数中，2019年各氮肥施用深度处理表现为N20

表3 施氮深度对玉米氮素利用的影响

3 讨论与结论

氮是土壤中最活跃的矿质养分之一，施用尿素是玉米种植过程中常规的养分补给措施。尿素施入土壤后会在土壤脲酶的作用下水解成不稳定的碳酸铵、碳酸氢铵和氢氧化铵进而转化为氨气溢出，是尿素损失的主要途径；尿素施用适度深施处理可有效减少氮损失及激发根系纵向发育。良好的根系发育是保证植株正常生长及产量收获的基础，其中氮肥施用措施是介导根系发育的重要因素之一。前人研究表明，深施氮肥处理的小麦植株具有更大更深的根系，其在深土层(30～40 cm)的根系干质量和根长更高。孙明德等研究表明，在土壤20 cm处施用氮肥可促进梨树的根系生长，扩大根系吸收的空间范围。本研究表明，适当增加氮肥的施用深度提高了表土的根系干质量、根表面积及总根长，同时在30～50 cm土层氮肥深施处理间的根系干质量、根表面积及总根长仍存在一定差异，表明氮肥施用深度可促使根系生长发育且可诱导根系向更深的土壤层生长。侧根的形成可将主要的根系觅食方式从小面积的富集缠绕转变为根系分散式增殖，使植物能够在现有的主根位置附近探索新的土壤区域。本研究中，各深施氮肥处理在同一土层中存在显著差异，其中在 0～10 cm土层中，N5和N10处理的植物侧根分枝密度高于N15和N20处理，但在更深的土层(20～50 cm)中则以N15和N20处理较高。

抽雄期强大的根系是获得高产的重要因素，据报道，根系干质量、地上干质量皆与叶面积和产量呈正相关。本研究表明，适度深施提高了VT和完熟期玉米的生物量积累，这与在小麦、油菜相关的深层施肥研究中的结论基本趋于一致。本研究中，N15处理在VT、R6生育期中比其他深施处理具有更高的生物量；此外，在VT生育期之后N15处理的叶面积指数皆高于其他氮肥施用深度处理。这些结果表明，15 cm深度的氮肥施用深度延缓了玉米植株地上部的衰老，使其能够在后期生长阶段中保持较高的生物量，从而促进根系横向及纵向生长发育，为提高植物干物质积累和产量形成提供可能。

许多研究表明，氮肥适度深施对植物氮素利用及有效穗数、穗粒数等产量因子皆具有重要影响。本研究表明，适度深施氮肥显著提高了玉米植株总氮素累积及产量，其中N15处理主要通过提高穗粒数和千粒质量，从而提高玉米的籽粒产量，该研究结果与前人研究结果：耕种深度主要通过提高穗粒数和粒质量的结论基本一致。在氮素累积分布中，2年的田间试验皆表明各器官氮累积整体均呈穗轴<叶部<茎秆<根系<籽粒，表明氮素更倾向累积于籽粒。而在氮总量中，本研究发现随着氮放置深度的增加，总氮积累量呈先增加后降低趋势，即以N15处理具有最大值，2019、2020年累积量分别为205.55、202.62 kg/hm，其他氮肥施用深度处理分别显著低于N15处理14.67%～41.99%、11.34%～42.37%。而不同年份各处理在氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮吸收效率及氮肥农学效率与氮养分积累趋势相似。N15处理产量、氮素吸收及利用效率最佳的原因可能是由于较深层水氮含量较高，适度深层根系的增殖有利于提高根系与土壤中水氮肥的接触面积，从而为提高氮肥高效利用提供了有效途径。

综上所述，适度深施氮肥对可显著改善玉米根系发育、氮素吸收和产量形成。前人研究表明，浅层施氮的土壤与根系接触面积有限，使得氮素气态损失严重，无法被根系最大化吸收，从而影响根系生长，导致玉米过早衰老。增加氮肥施入深度则会导致根系向下生长，但深度过大时则会限制根系的早期生长，并降低生长早期根系对养分的吸收。本研究中，当氮肥施入20 cm土壤深度时(N20处理)，植物在生长早期表现出一定的生长缺陷，而VT阶段的根系干质量、根长、根表面积及分枝数皆显著低于N10、N15处理，在大喇叭口期(V12)N20处理的LAI也低于N10、N15处理，这最终导致其生物量累积、氮素利用及产量减少。综合来看，夏玉米种植中15cm氮肥深施可有效提高玉米氮素养分利用及产量。