浅埋滴灌下不同施氮量对玉米产量和花后氮代谢的影响

葛选良，杨恒山，张雨珊，张瑞富，刘 晶，李维敏，刘欣博

（内蒙古民族大学农学院 / 内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，内蒙古通辽 028043）

西辽河平原是我国为数不多的井灌玉米区，玉米年产量占内蒙古自治区玉米总产量的近1/3。目前，西辽河平原玉米氮肥施用量保持在纯氮 300 kg/hm2左右，过量施氮导致氮肥利用率明显偏低。此外，在干暖化气候变化的大背景下，西辽河平原玉米生产灌溉用水主要依靠地下水资源，地下水支出量巨大，导致区域地下水位下降明显。因此，发展节水农业，提高氮肥利用效率是西辽河平原灌区玉米生产发展的必然选择。

目前，滴灌水肥一体化技术因兼具节水、减肥、增效及环境友好等特点而被广泛应用于旱地农业生产[1–2]。膜下滴灌是覆膜种植和滴灌节水技术的有机结合，现已在玉米[3]、小麦[4]和棉花[5]等大田作物种植中被广泛应用。研究表明，膜下滴灌水肥一体化下施氮量和灌水量及其交互作用对玉米产量的影响均表现为正效应，且以施氮量为主效应[6]。增加施氮次数能显著增加玉米产量，干物质质量和氮素吸收量随施氮量提高呈增加趋势，尤以生育后期更为明显[7]。浅埋滴灌是在膜下滴灌技术基础上进行去膜覆土的新型节水灌溉技术，兼具环保、节水、减肥、增效的优势[8–9]。课题组前期调研亦发现，由于西辽河平原光热充足，膜下滴灌玉米不同程度存在生育后期早衰现象，在偏砂型土壤上表现的更为明显[10]。由于地表无膜覆盖，浅埋滴灌相对膜下滴灌可延缓生育后期玉米根冠衰老，提高氮素吸收利用效率[9,11]；同时，浅埋滴灌土壤水、热变化规律与膜下滴灌亦有较大差异，这亦会影响玉米氮素利用效率、氮代谢运转和氮素光合生产能力，进而影响籽粒产量的形成[12]。

基于浅埋滴灌形成的水肥一体化高产栽培模式对玉米节水节肥增产提效具有显著效果，前人对此做了大量的研究工作，但以往的研究主要针对浅埋滴灌下施肥措施对产量形成[13]、干物质积累转运[14]和水氮利用效率[15]的影响进行了阐述，而对浅埋滴灌下不同施氮量对玉米产量和花后氮代谢的影响尚缺乏深入的研究。本研究在西辽河平原灌区开展大田试验，研究浅埋滴灌下不同施氮量对玉米产量、氮素利用效率和花后氮代谢酶活性、光合氮素利用效率及非结构性碳水化合物含量的影响，以期探明浅埋滴灌下玉米产量和花后氮代谢对不同施氮量的响应特征，为西辽河平原玉米丰产和氮素资源高效管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在内蒙古自治区通辽市科尔沁区农业高新科技示范园区 (43°36′N，122°22′E)进行，试验地点海拔180 m，年平均气温6.8℃，≥10℃的活动积温3200℃，无霜期154天，试验年份生育期内降水量及温度见表1和表2。试验地土壤为灰色草甸土，pH为8.25，试验实施前耕层 (0—20 cm)土壤基础养分如下：有机质含量18.5 g/kg，碱解氮含量52.3 mg/kg，有效磷含量11.4 mg/kg，速效钾含量111 mg/kg。

表2 试验地点玉米生长季平均气温(℃)Table 2 Average temperature during maize growing season at the experimental site

1.2 试验设计

试验设施氮0、150、210、300 kg/hm24个处理，分别记为N0、N150、N210 和N300，3次重复，共12个小区，小区面积72 m2(10 m×7.2 m)。浅埋滴灌采用内镶片式滴灌管，滴头相距20 cm，滴头流量为2.7 L/h，滴灌管浅埋于小垄中间距地表3～5 cm 处，各处理单独配置18 L压差式施肥罐和水表控制施肥量和滴灌量。整个玉米生长期进行7次灌溉，总灌溉定额为2400 m3/hm2，具体时期及灌溉量为：播种期550 m3/hm2、拔节期425 m3/hm2、大喇叭口期385 m3/hm2、抽雄期385 m3/hm2、吐丝期275 m3/hm2、灌浆期190 m3/hm2、乳熟期190 m3/hm2。N0处理底施过磷酸钙 (P2O518%) 498 kg/hm2、硫酸钾 (K2O 50%) 90 kg/hm2；N150、N210和N300处理底施磷酸二铵 (N 18%、P2O546%) 195 kg/hm2、硫酸钾 (K2O 50%) 90 kg/hm2，结合滴灌在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3∶6∶1比例追施尿素，具体施肥方案见表3。供试玉米品种为农华101，宽窄行种植(40 cm+80 cm)，播种–施肥–铺带–覆膜一体机单粒精量播种，出苗后不间苗，补苗、定苗，小区留苗648株，折合为大田种植密度9.0万株/hm2。2018年4月28日播种，10月2日收获测产；2019年5月1日播种，10月4日收获测产；2020年5月2日播种，10月4日收获测产。

表3 不同处理施肥 (kg/hm2) 方案Table 3 The N application schemes of different treatment

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素 2018—2020年成熟期，各处理小区选择24 m2，调查总株数、空秆数，实收测定产量。随机取30个果穗，脱粒测定含水量，调查穗行数和行粒数，随机取1000粒籽粒，测定千粒重，平行测定3次，重复间差异小于0.5 g，同时折算成标准含水量 (14%) 的产量。

1.3.2 氮素积累转运 2018—2020年于开花期和完熟期，各处理小区选取长势一致、有代表性的连续5株玉米，按茎鞘、叶片、穗轴、苞叶和籽粒分开，在烘箱内105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，测定干物质重，粉碎后，参照邹琦[16]的方法测定各器官氮含量，计算花后氮素积累量和转运量。具体计算公式如下：

氮素积累量 (kg/hm2) =完熟期干物质积累量×完熟期植株氮含量 (%)；

氮素转运量 (kg/hm2) =开花期植株氮素积累量-完熟植株氮素积累量。

1.3.3 氮素利用效率 根据2018—2020年各处理产量和成熟期植株器官氮含量，参照Hou等[17]的方法计算2018年各处理的氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥生理利用率、氮素吸收效率，计算2019、2020年各处理的氮素累积效率。具体计算公式如下：

式中，i表示第i年 (i=1、2、3)，CK代表对照，Y、F和D分别代表产量、施氮量和地上部氮素吸收量。

1.3.4 氮代谢相关酶活性 2020年于开花后至成熟期，每10天取样1次 (0及10、20、30、40、50和60分别代表开花期及花后10、20、30、40、50天和完熟期，下同)，各处理选取长势一致、可代表小区平均长势的连续3株玉米，剪取穗位叶叶片，擦干净表面并去除叶脉，之后用液氮速冻处理，带回实验室放入-80°C低温冰箱保存。采用相应酶联免疫吸附测定实验 (ELISA) 试剂盒测定硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性。

1.3.5 光合氮素利用效率 取样时间同1.3.4，各处理选取长势一致、可代表小区平均长势的连续3株玉米，利用Li-6400便携式光合仪测定穗位叶净光合速率 (Pn)；测定植株单叶叶面积，计算单株叶面积；分别剪取穗位叶、穗位上第1片叶、穗位上第2片叶、穗位上第3片叶、穗位下第1片叶、穗位下第2片叶和穗位下第3片叶，在105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，测定单叶干质量，计算比叶质量(LMA)。将烘干叶片样品混合粉碎、过筛后，测定叶片中氮含量 (Nleaf)，计算单位干质量叶片含氮量(Nmass)、单位面积叶片含氮量 (Narea) 和光合氮素利用效率 (PNUE)。具体计算公式如下：

完全展开叶叶面积 (cm2) =长×宽×0.75；

不完全展开叶叶面积 (cm2) =长×宽×0.50；

比叶质量 (LMA，g/m2) =叶干质量/叶面积；

单位干质量叶片含氮量 (Nmass，g/kg) =叶片氮含量/叶干质量；

单位面积叶片含氮量 (Narea，mg/cm2) = Nmass×LMA；

光合氮素利用效率 [PNUE，CO2μmol/(g·s)] =Pn/Narea。

1.3.6 非结构性碳水化合物含量 取样时间和方法同1.3.4，淀粉含量参照门福义等[18]的方法测定，蔗糖含量参照Qi等[19]的方法测定，可溶性糖含量参照李合生[20]的方法测定。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据整理和制表，使用Origin 2019作图，采用SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对玉米产量和产量构成因素的影响

由表4可知，2018、2019、2020年产量N300与N210处理相当，但均显著高于N150处理，3年N300处理较N150处理分别增产26.27%、17.49%和12.96%，N210处理较N150处理分别增产20.70%、13.07%和9.44%。单位面积有效穗数不同处理间差异均不显著。穗粒数2018年N300、N210和N150处理差异不显著；2019、2020年N300与N210处理差异不显著但均显著高于N150处理，2019年N300、N210处理分别较N150处理是增加16.86%、11.02%，2020年分别增加18.92%、13.81%，3年平均N300、N210处理较N150处理分别提高15.70%、10.85%。千粒重3年N300处理均与N210处理相当，但显著高于N150处理，N300、N210处理较N150处理分别提高9.78%、5.82%，而N210处理只在2020年显著高于N150处理。可见，穗粒数和千粒重是产量差异的主要影响因素，N210与N300处理产量、穗粒数和千粒重的差异均不显著。

表4 不同施氮量对玉米产量和产量构成因素的影响Table 4 Effects of different N application rates on maize yield and yield components

2.2 不同施氮量对玉米氮素利用效率的影响

由表5可知，氮肥偏生产力2018—2020年N210处理均显著高于N300处理，3年N210处理分别较N300提高36.55%、37.01%和37.48%，平均提高37.01%；氮肥农学效率2018年不同处理间的差异不显著；2019—2020，N210处理均显著高于N300处理，2年N210处理分别较N300处理提高30.15%、33.18%，3年平均提高29.84%；氮肥生理利用率2018—2020年均为N210处理与N300处理的差异不显著，且二者显著低于N150处理，3年N210处理分别较N300处理提高6.65%、13.10%和10.54%，平均提高10.10%；氮素吸收效率2018—2020年N210处理均显著高于N300处理，3年N210处理分别较N300处理提高31.25%、27.00%和28.43%，平均提高28.89%。可见，年际间N210处理氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥生理利用率和氮素吸收效率均高于N300处理，N210处理氮素利用效率优于N300处理。

表5 不同施氮量对玉米氮素利用效率的影响Table 5 Effects of di different N application rates on nitrogen utilization efficiency of maize

2.3 不同施氮量对玉米花后氮素积累转运的影响

由图1可知，随着施氮量的增加，不同处理玉米花后氮素积累量和转运量均逐渐增加。氮素积累量2018年N300与N210处理差异不显著，且二者显著高于N150处理，N300、N210处理分别较N150处理提高55.18%、42.73%；2019、2020年3个N处理间差异均达显著水平，2年N300、N210处理分别较N150处理提高85.41%、59.28% (2019年)和105.34%、89.49% (2020年)。氮素转运量N300与N210处理差异不显著，且二者均显著高于N150处理，3年N300、N210处理分别较N150处理提高62.92%、47.31% (2018年)，29.67%、33.65% (2019年)和57.57%、50.49% (2020年)。可见，年际间N210与N300处理氮素积累量的差异较大，但二者转运量的差异均不显著。

图1 不同施氮量对玉米花后氮素转运和积累的影响Fig.1 Effects of different N application rates on nitrogen translocation and accumulation of maize after anthesis

2.4 不同施氮量对玉米花后氮代谢酶活性的影响

由图2可知，硝酸还原酶活性开花期至花后10天N210与N150处理差异不显著，且二者显著低于N300处理；花后20天至成熟期N300与N210处理差异不显著，且N300处理显著高于N150处理，其中除花后50天外N210与N150处理的差异亦未达显著水平，开花期至成熟期N300、N210处理分别平均较N150处理增高22.92%、10.09%。谷氨酸脱氢酶活性开花期至花后50天N300与N210处理差异不显著，且N300处理显著高于N150处理，其中花后20天至花后30天N210处理亦显著高于N150处理；成熟期各处理差异不显著，开花期至成熟期N300、N210处理平均分别较N150处理增高11.18%、6.64%。谷氨酰胺合成酶活性花后至成熟期的差异性变化与谷氨酸脱氢酶相似，开花期至成熟期N300、N210处理平均分别较N150处理增高7.10%、3.90%。谷氨酸合成酶活性开花期N210与N150处理差异不显著，且二者显著低于N300处理；花后10天至成熟期N300与N210处理差异均不显著，且N300处理显著高于N150处理，除花后10天和花后40天外N210处理亦均显著高于N150处理，开花期至成熟期N300、N210处理平均分别较N150处理增高10.38%、6.35%。可见，与N150处理相比，N300与N210处理均能保持花后氮代谢的正常运转，且二者花后氮代谢酶活性的差异不显著。

图2 不同施氮量下玉米花后氮代谢酶活性随生育期的变化 (2020年)Fig.2 Dynamics of enzyme activities related to N metabolism of maize with growing days after anthesis as affected by N application rate in 2020

2.5 不同施氮量对玉米花后光合氮素利用效率的影响

光合氮素利用效率表示单位面积叶片氮素的光合生产能力。由表6可知，单位面积叶片含氮量开花期至花后30天不同施氮处理差异均不显著；花后40天至成熟期N300与N210处理差异不显著，且二者显著高于N150处理，N300、N210处理平均分别较N150处理增加10.32%、5.69%。净光合速率开花期不同处理间差异显著；花后10天至成熟期N300与N210处理差异均不显著，且N300处理显著高于N150处理，除花后20天和成熟期外N210处理亦显著高于N150处理，N300、N210处理平均分别较N150处理增加25.94%、14.33%。光合氮素利用效率开花期至成熟期N300与N210处理差异不显著，且N300处理均显著高于N150处理，其中除花后40天至花后50天N210与N150处理差异不显著外，N210处理亦均显著高于N150处理，N300、N210处理平均较N150处理增高21.34%、15.14%。可见，与N150处理相比，N300与N210处理均能保持花后氮素正常的光合生产能力，且二者花后光合氮素利用效率的差异不显著。

表6 不同施氮量对玉米花后光合氮素利用效率的影响 (2020年)Table 6 Photosynthetic nitrogen utilization efficiency of maize after anthesis as affected by N application rate in 2020

2.6 不同施氮量对玉米花后非结构性碳水化合物含量的影响

由表7可知，蔗糖含量开花期至花后20天N300处理显著高于N210、N150处理，其中开花期N210处理亦显著高于N150处理，花后10天至花后20天N210与N150处理差异均不显著；花后30天至成熟期N300与N210处理差异不显著，且N300处理显著高于N150处理，N300、N210处理分别平均较N150处理增加15.73%、6.00%。可溶性糖含量开花期至花后20天N300处理均显著高于N210、N150处理，其中开花期N210与N150处理差异不显著，花后10天至20天N210处理亦均显著高于N150处理；花后30天至成熟期N300与N210处理差异均不显著，且N300处理显著高于N150处理，其中除花后50天外N210处理亦均显著高于N150处理，N300、N210处理平均分别较N150处理增加41.92%、26.05%。淀粉含量开花期至成熟期N300与N210处理均差异不显著，且N300处理显著高于N150处理，其中除开花期和花后30天N210处理显著高于N150处理外，其它时期二者差异均不显著，N300、N210处理平均较N150处理增加26.89%、13.78%。可见，与N150处理相比，N300与N210处理花后穗位叶非结构性碳水化合物含量均较高，且花后30天开始二者差异均不显著。

表7 不同施氮量下玉米非结构性碳水化合物含量随生育期的变化 (2020年)Table 7 Dynamics of non-structural carbohydrate content of maize with growing days after anthesis as affected by N rate in 2020

3 讨论

3.1 浅埋滴灌下不同施氮量对玉米产量和氮素积累转运的影响

土壤水分是土壤养分释放的基础，施肥能提高作物的水分利用效率，适宜的水肥供应对作物的生长和增产具有显著的正耦合效应[21]，前人对玉米[22]、棉花[23]、小麦[24]的滴灌水肥耦合研究结果表明，适宜的水肥条件下作物产量最高，当水肥供应超过一定阈值时，产量则呈下降趋势。本研究结果表明，浅埋滴灌下玉米产量随着施氮量的增加均呈上升趋势，当施氮量高于210 kg/hm2时，产量未呈下降趋势但增产效果不显著，同时产量与施氮量的回归模拟 (y=–0.0003x3+0.072x2+31.26x+5830.00，P＜0.01，R2=0.891)表明，在施氮量0～300 kg/hm2范围内，以N 283 kg/hm2的玉米产量最高，2018—2020年N300处理分别较N210处理增产4.62%、3.91%和3.22%，这与前人的研究结果有所不同。干物质积累和转运是决定玉米籽粒产量高低的主要因素[25]，花后干物质积累转运量是籽粒产量形成的主要物质来源[26]。滴灌条件下增加施氮量可提高花后氮素积累量与氮素转运效率，促进植株营养器官的氮素向籽粒转移，进而实现增产[27]。从前人研究结果可以看出，滴灌条件下适宜的施氮水平是维持玉米花后较强的氮素同化作用和提高产量的关键因素。本研究结果表明，2018—2020年N300处理花后氮素积累量均显著高于N150处理，且2019—2020年N300处理花后氮素积累量亦均显著高于N210处理，但不同年份N300处理氮素转运量与N210处理的差异均未达到显著水平；N210处理2018—2020年氮肥偏生产力、2019—2020年氮肥农学效率和2018—2020年氮素吸收效率均显著高于N300处理。从本研究结果可以看出，N300与N210处理均能满足该地区玉米生育后期对氮素的吸收利用，且N210处理花后氮素的吸收与利用效率均高于N300处理。因此，本研究中当施氮量达到300 kg/hm2时，浅埋滴灌玉米产量进一步增加但其增产效果不显著。与N300处理相比，N210处理在减氮30%的条件下可保证玉米丰产性，同时减少因氮肥过量施用导致的地下水污染和N2O排放，兼顾了玉米生产的经济效益和生态效益，实现了玉米绿色丰产增效。

3.2 浅埋滴灌下不同施氮量对玉米花后氮代谢酶活性的影响

土壤氮素供应水平是影响作物氮代谢的关键因素之一，氮素进入植物体内都会经过谷氨酸或谷氨酰胺的转氮作用形成不同的氨基酸，进而合成蛋白质，蛋白质含量直接影响植物体内各种酶的合成，从而影响植物体氮代谢[28]。前人关于施氮量对玉米[29]、水稻[30]、小黑麦[31]叶片氮代谢酶活性的影响已有许多研究，不同生育期花生叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性均随施氮量的增加而提高，但施氮量过高会导致氮代谢酶活性的下降[32]。本研究结果表明，浅埋滴灌下不同施氮量显著提高花后玉米叶片氮代谢相关酶活性，随着生育进程的推进，花后10天开始至成熟期N300和N210处理谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶活性的差异均不显著，这可能与N300处理营养器官氮素转运受抑制和N210处理花后氮素吸收与转运效率高有关。前人研究表明，施氮可显著提高膜下滴灌玉米花后叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，其中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性分别在花后20天、花后30天与其它处理差异最显著，施氮量300 kg/hm2可保证叶片氮代谢酶机制的畅通和高效运转，可有效提高氮肥利用效率[33]。这与本研究结果有所不同，可能是由于膜下滴灌玉米花后生育进程加快，根冠衰老加剧，氮素吸收效率下降，进而影响氮素的积累与转运，从而需要较多的氮素维持其花后叶片氮代谢酶活性，保证叶片氮代谢正常运转。

3.3 浅埋滴灌下不同施氮量对玉米花后氮素光合生产能力的影响

氮素是作物光合作用以及有机物生成与积累的限制因素，合理增施氮肥可提高作物叶片氮含量，有利于提高叶绿素含量及与光合有关的酶活性，进而提高光合速率[34]。研究表明，叶片净光合速率一般随叶片氮含量增加而增加，二者在叶片氮含量较低时呈线性关系，而叶片氮含量较高且变化范围较广时，二者则呈指数增长到最大值的曲线关系[35]。滴灌水肥一体化下，增施氮肥可提高温室番茄叶片光合速率、气孔导度和水分利用率，而过量增氮将抑制其光合作用[36]；充分滴灌条件下，增施氮肥能延长小麦旗叶光合功能持续期，提高最大光合速率和表观光量子效率[37]；氮肥后移可延长花后玉米叶片光合有效时间，提高氮素吸收能力，增加叶片氮素含量[38]。光合氮素利用效率是叶片净光合速率与叶氮含量的比值，可充分反映植物氮分配及其对光合作用的影响[39]，叶片氮素参与光合作用的比例和光合酶活性大小均影响光合氮素利用效率[40]，光合氮素利用效率越高表明产生单位干物质所需的氮素越少，氮素利用率越高[41]。本研究表明，玉米花后单位面积叶片含氮量、净光合速率和光合氮素利用效率均随施氮量的增加而增加，花后N300、N210处理光合氮素利用效率分别较N150处理提高了21.34%、15.14%，但开花期至成熟期N210与N300处理光合氮素利用效率的差异均不显著。可见，浅埋滴灌下N300与N210处理均能满足该地区玉米生育后期光合物质生产对氮素的需要，且N210处理花后氮素光合生产能力优于N300处理。

4 结论

西辽河平原浅埋滴灌水氮一体化下，施氮量在210～300 kg/hm2范围内，玉米花后氮代谢酶活性、氮素光合生产能力较强，非结构性碳水化合物含量均较高，利于氮素积累转运，进而促进产量的提高，且氮肥用量间的差异不显著。然而，低施氮量下玉米氮素利用效率明显提高。因此，西辽河平原井灌区应用浅埋滴灌技术种植玉米，施氮量210 kg/hm2更为合理，既可保持现有产量不降低，还可增加植株氮素吸收转运，提高氮素利用效率。