控释尿素与普通尿素配施对糯玉米产量和氮素吸收利用的影响

2022-10-14高雪健李广浩陆卫平陆大雷

植物营养与肥料学报 2022年9期

高雪健，李广浩，陆卫平，陆大雷

（江苏省作物遗传生理重点实验室 / 江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心 / 扬州大学农学院，江苏扬州 225009）

肥料精准施用是实现玉米优质、高效生产的关键栽培措施之一[1–2]。经过多年发展，我国采用树脂包膜、硫包膜等技术生产的新型肥料可大幅降低生产成本，广泛应用于玉米生产，我国也成为世界上生产使用缓/控释肥料规模最大的国家[3]。以新型高效生态肥料研发推广为切入点，持续推动新型肥料的新技术新成果应用，实现肥料结构转化优化，是推动中国农业绿色发展，加快农业现代化进程的一条新途径[4–5]。糯玉米籽粒淀粉几乎是由100%支链淀粉组成，独特的胚乳淀粉组成和优异的食用品质使其成为最好的食用玉米[6]。课题组前期调查发现，江苏省糯玉米生产中氮肥施用量的均值为260 kg/hm2，50%以上的农户施肥量超过300 kg/hm2，且半数以上农户施肥次数在3次以上[7]。过量施肥增加肥料成本，降低谷物品质，并易引起农业面源污染，多次施肥增加劳力成本，不符合农业轻简、绿色、优质的发展方向。合理的施氮方式是提高玉米单产、减少资源浪费、提高氮素利用率的有效途径之一[8–10]。控释尿素的氮素释放特征与作物需肥规律基本一致，国内外大量研究均表明其在玉米生产中能够实现高产高效节本生态协同[11–13]。近年来，关于控释尿素与传统氮肥配施应用于普通玉米生产的研究也表明，在不同施氮量与掺混比例下玉米的产量与肥效差异较大[14–17]。因此，探究江苏省糯玉米生产中控释尿素与普通尿素的适宜掺混比例，对其优质高效生产至关重要。

在保证施氮量适宜的条件下，合理的施肥方式可显著提高玉米的产量。普通尿素是农业生产中最常用的氮肥，占全球施氮量的73.4%，然而普通尿素养分释放快速，导致氮素供应不能与作物的需求同步，导致作物产量与预期不一致，氮素利用效率低下，此外氮素快速释放会导致温室气体排放增多和硝酸盐淋溶到土壤和水中等一系列的环境问题[18]。研究表明“一炮轰”施肥方式虽然提高了劳动效率，但并没有显著提高玉米产量，严重时还会出现前期烧苗后期脱肥早衰的现象[19]。分次追施氮肥虽然比一次性施肥显著提高玉米产量和肥料利用效率[9,20]，但分次施肥劳动成本加大，生产效益降低。研究发现，控释尿素一次性施用可以减少施肥次数，达到省工、节肥、增效的目的[21–22]，可满足当前农村劳动力转移、简化生产的需求[23]。但是，大部分控释尿素前期养分从聚合物涂层中释放太慢[24]，不能成为玉米生育前期的有效氮源，而且比传统氮肥价格更贵。以往对于缓/控释氮肥的研究主要集中在不同类型以及不同品牌掺混的控释氮肥对玉米生长及氮素在土壤和植株中的运移、分配的影响等方面，关于控释尿素的大田生产应用也以普通玉米为主，而对于控释尿素与普通尿素配施对糯玉米产量及氮素吸收利用影响的研究相对较少。为此，本研究通过两年大田试验，与单施尿素或控释氮肥比较，研究普通尿素与控释尿素不同比例配施对糯玉米籽粒产量、物质积累与转运规律以及氮素吸收利用的影响，为江苏省糯玉米的高产高效施肥提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2019—2020年在江苏省连云港市连云港农业科学院实验基地进行，选用连云港市推广种植面积较大的糯玉米品种连花糯2号为试验材料。供试土壤为沙壤土，0—20 cm土壤基础地力状况为：2019年土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为13.6 g/kg、1.23 g/kg、82.4 mg/kg、5.21 mg/kg和136 mg/kg，2020年分别为12.3 g/kg、1.16 g/kg、77.6 mg/kg、7.87 mg/kg 和 124 mg/kg。2019和2020年试验地玉米生育期内总积温为2570.5℃和2520.5℃，日照时数分别为617.6和514.5 h，降雨量分别为303.9 和723 mm (图1)。

图1 2019和2020年试验地气温、降水量和日照时数Fig.1 Air temperature, precipitation, and sunlight hours at the experimental site in 2019 and 2020

采用随机区组试验设计，设置6个处理，N0：不施氮肥，N1：100%为普通尿素，N2：100%为控释尿素，N3：普通尿素∶控释尿素=1∶2，N4：普通尿素∶控释尿素=1∶1，N5：普通尿素∶控释尿素=2∶1，每个处理3次重复，所有处理施氮量均为225 kg/hm2，P2O5和K2O均为90 kg/hm2，种植密度60000株/hm2，大小行种植，行距为80 cm×40 cm，小区面积为60 m2。普通尿素含氮量46%，控释尿素采用山东农业大学资源与环境学院研制的包膜控释尿素(氮素含量42%，控释期为90天)。两年均在6月19日播种，9月27日收获。田间管理参照高产田进行。

1.2 测定项目及方法

每个处理分别在开花期和成熟期选取长势均匀且具有代表性的植株3株，开花期分茎秆和叶片两部分，成熟期分茎秆、叶片、苞叶、穗轴和籽粒五部分装袋，放置烘箱内，105℃杀青30 min，然后80℃烘干至恒重，称重后磨粉，使用凯氏定氮仪测定植株各器官的全氮含量。成熟期收获，每个处理分别取30个果穗晒干后考种测产。

1.3 相关参数计算

产值 (元/hm2)=产量 (kg/hm2) × 玉米单价 (元/kg)化肥投入(元/hm2)=肥料成本(其中，普通尿素1.80元/kg，控释尿素5.0元/kg，过磷酸钙2.0元/kg，氯化钾4.0元/kg) ×施肥量(kg/hm2)

种子、农机和人工投入(元/hm2)=种子成本(600元/hm2)+耕整地(750元/hm2)+播种(750元/hm2)+打药(750元/hm2)+施肥(一次600元/hm2)+收获(750元/hm2)

收益 (元/hm2)=产值 (元/hm2)–化肥投入 (元/hm2)–种子、农机和人工投入(元/hm2)

营养器官干物质(氮素)转运量(kg/hm2)=开花期营养器官干物质(氮素)积累量–成熟期营养器官干物质(氮素)积累量

营养器官干物质(氮素)转运率(%)=营养器官干物质(氮素)转运量/开花期干物质(氮素)积累量×100

干物质(氮素)对籽粒贡献率(%)=干物质(氮素)转运量/成熟期籽粒干物质(氮素)积累量×100

收获指数(%)=籽粒干重/地上部分植株干重×100

氮素回收率(NRE，%)=(施氮区氮素吸收量–不施氮区氮素吸收量)/施氮量×100

氮素偏生产力(NPFP，kg/kg)=施氮区产量/施氮量

氮素农学效率(NAE，kg/kg)=(施氮区产量–不施氮区产量)/施氮量[15,25]

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2013处理数据。用DPS 7.05软件统计分析，在0.05水平进行显著性检验(LSD，least significant difference test)。

2 结果与分析

2.1 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米产量的影响及经济效益分析

从表1中可以看出，氮肥处理对糯玉米的千粒重、穗粒数和产量具有显著影响。年度、年度与氮肥互作对产量及其构成因素影响不显著。施用控释尿素处理的产量均高于单施普通尿素处理，2019与2020年N2、N3和N4处理的穗粒数均显著高于N1处理，但N2和N3处理间差异不显著；2019和2020年N3处理的千粒重显著高于N1处理，但N2、N4和N5处理的千粒重差异不显著；与N1处理相比，N2、N3、N4和N5处理的产量分别平均提高20.1%、30.0%、14.1%和8.4%，差异显著；配施处理中以N3处理的穗粒数、千粒重和产量最高。年度间产量差异不显著。

表1 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of mixing controlled-release and normal urea on yield and yield components in waxy maize

玉米种植收益主要受玉米单价、产量和前期投入影响。2019和2020年，江苏连云港玉米收购价格分别为1.986和2.530元/kg，普通尿素价格为1.8元/kg，控释尿素价格为5.0元/kg，过磷酸钙价格为2.0元/kg，氯化钾价格为4.0元/kg。氮肥价格的差异导致不同处理下玉米收益差异显著，两年均以N3处理的玉米种植收益显著高于其他处理，2019年N2、N4和N5处理之间差异不显著；2020年N2处理和N4、N1和N5处理收益差异不显著。与单施普通尿素相比，普通尿素与控释尿素配施增收10.7%～51.4%。因价格影响，2020年玉米收益显著高于 2019年(表2)。

表2 不同施氮处理下经济效益分析 (元/hm2)Table 2 Economic benefit analysis of waxy maize under different nitrogen applications

2.2 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米干物质积累与转运的影响

由图2可看出，2年不同施氮处理下糯玉米群体干物质积累变化趋势基本一致，年份对吐丝前后干物质积累影响不显著，施氮方式对吐丝前后以及总干物质积累量有极显著影响 (表3)。相同N水平下N3处理的干物质积累总量最高，与单施普通尿素处理N1相比，N2、N3和N4处理的干物质积累总量分别显著提高了14.2%、20.3%和9.9%，N5与N1差异不显著。从图2还可以看出，吐丝前N2、N3、N4和N5处理的干物质积累量差异不显著，表明吐丝后干物质积累差异是导致成熟期干物质积累量差异的主要原因。

表3 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米干物质积累影响的方差分析Table 3 AVOVA of mixing controlled-release and normal urea on dry matter accumulation in waxy maize

图2 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米干物质积累的影响Fig.2 Effects of mixing controlled-release and normal urea on dry matter accumulation in waxy maize

年份和施氮处理对糯玉米干物质总转运量和转运率无显著影响，干物质转运对籽粒的贡献率和收获指数受年份影响不显著，但氮肥处理对其有极显著影响 (表4)。2019年，N1、N4和N5处理的干物质转运量显著高于N2和N3处理，且三者间差异不显著，2020年N1和N2处理的干物质转运量最高；2019和2020年N0和N1处理的干物质转运率和对籽粒贡献率均高于其他处理，且两指标N3处理最低。施氮处理的收获指数显著高于不施氮处理，2019年N3处理的收获指数最高，且N2、N4和N5处理间差异不显著，2020年N2、N3和N4处理的收获指数最高，但三者差异不显著。

表4 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米干物质转运的影响Table 4 Effects of mixing controlled-release and normal urea on dry matter translocation in waxy maize

2.3 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米氮素积累、转运与分配的影响

由表5可看出，年份对吐丝前后氮素积累与总的植株氮素积累量影响不显著，施氮处理对其影响极显著。2年不同施氮处理间变化趋势一致，相同N水平下N3处理的氮素积累总量高于其他处理，其次为N2处理，N4和N5处理间差异不显著且显著高于N1 (图3)。从图3中还可看出，吐丝前N2、N3、N4和N5处理的氮素积累量差异不显著，表明吐丝后氮素积累差异是成熟期氮素积累量差异显著的主要原因。

图3 不同控释尿素与普通尿素配施比例下糯玉米吐丝前后的氮素积累量Fig.3 Effects of mixing controlled-release and normal urea on N accumulation in waxy maize at pre-and post-silking stages

表5 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米氮素积累影响的方差分析Table 5 AVOVA of mixing controlled-release and normal urea on N accumulation in waxy maize

糯玉米氮素总转运量、转运率和对籽粒的贡献率受年份影响不显著，氮肥处理对氮素转运量和转运率有显著影响 (表6)。2019年，N2、N3和N4处理的氮素转运量和转运率显著高于其他处理，但三者间差异不显著，2020年N3和N4处理的氮素转运量最高，但各施氮处理的氮素转运率差异不显著；2019和2020年均以N4处理对籽粒贡献率最高。糯玉米成熟期各器官氮素分配中籽粒占比最大(图4)，占全株的50%以上，其次是茎秆、叶片部分占比10%～20%左右；施氮处理的籽粒氮素含量占比明显高于不施氮处理，2年均以N3处理的籽粒氮素含量占比最高(57.5%)，其次为N2处理(56.5%)。

图4 不同控释尿素与普通尿素配施比例下糯玉米成熟期各器官的氮素分配率Fig.4 Effects of mixing controlled-release and normal urea on N distribution in different organs of waxy maize at maturity

表6 不同控释尿素与普通尿素配施比例下糯玉米氮素转运及其对籽粒的贡献率Table 6 Effects of mixing controlled-release and normal urea on N translocation in waxy maize

2.4 控释尿素与普通尿素配施对糯玉米氮素利用的影响

由表7可知，年份和施氮处理对糯玉米氮素偏生产力、氮素农学效率、氮素回收率具有显著影响。与N1处理相比，N2、N3和N4处理的氮素偏生产力分别提高5.3、7.9和3.7 kg/kg，N5与N1差异不显著；两年均以N3处理氮素农学效率最高；N2、N3、N4和N5处理的氮素回收率比N1分别提高约12.0、18.6、6.2和5.2个百分点，差异显著，其中N3处理的增加幅度最大，表明配施处理中以N3处理的氮素偏生产力、氮素农学效率、氮素回收率最高，其次为N2和N4处理，两年结果变化趋势基本一致。

表7 控释尿素与普通尿素配施比例对糯玉米氮素利用的影响Table 7 Effects of controlled-release and normal urea ratio on N utilization in waxy maize

3 讨论

合理的氮肥运筹是实现玉米高产高效的重要栽培技术途径[25–26]。赵斌等[27]和 Zhang 等[28]研究表明，控释尿素能够显著提高夏玉米产量，相同施肥量情况下比普通尿素增产13.2%～18.5%，而且控释尿素在减少氮素流失、提高经济效益方面表现出了比普通尿素分次施肥更好的效果。本研究2年结果也表明单独施用控释尿素处理比普通尿素处理的糯玉米产量平均增加20.0%。张杰等[18]研究表明适宜施氮量下与普通尿素处理比较，普通尿素掺混控释尿素(比例为1∶2)显著提高了春玉米产量、经济效益和肥料利用率。本试验中控释尿素与普通尿素配施处理均不同程度实现了糯玉米产量及其构成、经济效益的提高，增产8.4%～30.0%，增收10.7%～51.4%，这与郭金金等[16]在普通玉米研究中的结果相似。本研究中不同配施比例进行比较，以N3 (普通尿素与控释尿素配施比例为1∶2)增产增收效果最显著，主要原因可能是N3、N4与N5处理均保证了吐丝前玉米植株的养分供给，N3处理控释氮肥比例更大，在吐丝后比N4和N5处理更有利于发挥控释尿素的供氮优势，促进了植株的物质积累与向籽粒的转运。

作物干物质的积累是产量形成的基础，适宜的施氮方式可显著促进玉米植株地上部干物质积累量的增加[29–30]。控释氮肥比普通尿素更有利于玉米吐丝后植株干物质积累，从而提高成熟期干物质积累量及产量。本研究中各施肥处理间吐丝前的干物质积累量差异不显著，掺混控释尿素处理吐丝后的干物质积累量显著高于单施普通尿素处理。这与前人研究尿素掺混控释氮肥一次施用可提高吐丝后以及成熟期玉米干物质积累量的结果[31–32]一致。高产的基本途径是尽量增加干物质产量并使之尽可能多地分配到籽粒中去。本研究还表明普通尿素与控释尿素配施比例为1∶2时糯玉米总干物质积累量最高，其次为单施控释尿素处理，且N2与N3处理的平均收获指数高于其他处理，与Zheng等[31]研究结果基本一致：控释氮肥与尿素掺混比例为7∶3时玉米吐丝后及总干物质积累量显著增加。这可能与控释尿素氮素的释放比较缓慢保证了生育后期养分的供给有关，使干物质积累及向籽粒的转运量显著增加。

氮肥运筹与植株氮素运转与分配密切相关，研究表明吐丝后在保证土壤氮素吸收利用的基础上增加茎叶氮素积累，可进一步提高穗部氮素积累量有利于获得高产，提高氮素利用率[33]。研究表明，相同施氮量条件下控释尿素处理的玉米氮素积累总量及氮素利用效率显著高于普通尿素处理[34–35]。本研究中控释尿素处理的糯玉米氮素积累总量也高于单施普通尿素处理。尿素和控释氮肥按比例一次性施用是大田玉米生产中推广的一个方向，研究表明控释尿素与普通尿素配合施用可显著促进玉米吐丝后氮素积累与转运，氮素利用效率可显著提高17.1%～40.2%[18,36]。本研究普通尿素与控释尿素配施处理中以N3处理的氮素积累总量最高，且吐丝后氮素积累差异是成熟期氮素积累量差异显著的主要原因。N2、N3和N4处理的平均氮素转运量和转运率差异不显著，但是成熟期籽粒氮素含量以N3处理最高。表明普通尿素与控释尿素配施(比例1∶2)在保证玉米各器官养分需求的同时增加了茎叶氮素向籽粒的转运，有利于实现糯玉米高效生产。前人在西北旱作玉米区[16]、黄淮海夏玉米区[36]以及东北春玉米区[37]研究结果表明，由于气候特点、作物品种、种植模式以及产量水平的差异，不同地区玉米养分需求也不同，尿素与控释氮肥的最佳掺混比例也有所差异。本研究在江苏糯玉米上的试验结果表明，普通尿素与控释尿素配施比例1∶2时，能够保证糯玉米整个生育期氮素供给，促进吐丝后氮素吸收和转运，氮素回收率可提高到46.3%，比单施控释尿素处理增加6.6个百分点，稳产的同时提高氮素利用率，并提高了种植收益。