引黄灌区滴灌水肥一体化下氮磷肥配施对春玉米干物质转运及肥料利用率的影响

卢圆明,王科捷,杨乔乔,王 佳,康建宏

(1.宁夏大学农学院,银川 750000;2.平罗县红果子镇农技站,宁夏 平罗 753400)

【研究意义】玉米是我国产量最高的粮食作物,2021年种植面积约4.332×107hm2,是粮食增产的主力军,玉米的高产和稳定对我国的粮食安全起着重要作用[1]。在宁夏,玉米在粮食、经济、饲料等方面具有多种用途,宁夏引黄灌区的玉米产量高,增产潜力大,在种养方面具有重要地位[2]。磷是玉米生长发育不可或缺的营养元素,磷可以通过酶催化、能量代谢、信号转导等来控制叶绿素、蛋白质、碳水化合物的合成以及光合同化产物的生产及运输[3]。施用磷肥能有效提高作物产量和养分利用率[4]。玉米生长发育中吸收量最多的元素是氮素,适宜的氮肥可增加玉米的千粒重和穗粒重[5]。然而并非肥料施的越多作物产量就越高,超过一定限度的氮磷肥施入土壤中,不仅会导致作物减产,未被作物吸收的养分还会随着降雨或灌溉水进行下渗污染地下水;部分未被利用的氮素经过氨挥发、硝化进入大气,污染大气环境[6]。由于磷素在土壤中运动转移能力较弱,施入土壤的磷肥大部分以无效态残存,少部分与水溶解被植物吸收[7]。玉米产量随磷肥施用增加而增加,过量施用磷肥会造成玉米产量下降。【前人研究进展】肥料随水分次滴施的有效性、溶解性和移动性均高于一次性施入和随水直接施入[8],可以促进作物对肥料的吸收和肥料利用率[9],磷肥分次施入能够提高作物穗粒数和粒重,从而提高产量[10]。对引黄灌区玉米种植户进行调查访问,当地玉米常规施肥量为氮肥、磷肥、钾肥用量为417、142.50、43.50 kg/hm2。有学者研究表明,滴灌水肥一体化下农民一般施氮水平(228 kg/hm2)下减量30%氮肥不会显著影响玉米产量[11]。因此,在宁夏玉米生产区进行滴灌水肥一体化氮磷配施,是协调当地玉米稳产高产,保护生态环境的重要途径[12]。【本研究切入点】银川平原为宁夏地区的玉米主产区,土壤为淡灰钙土,有效氮磷含量低,一般种植措施为过量施用,从而导致肥料利用率低和增加种植成本。在往常施肥习惯与研究中,前人注重氮肥的施用,而忽视氮磷配施对玉米生长发育及产量的作用。【拟解决的关键问题】在滴灌水肥一体化条件下,明确滴灌条件下氮磷配施量对玉米产量、干物质积累量及各器官养分积累与分配的影响,确定银川平原引黄灌区水肥一体化氮磷配施的最佳施用比例,为当地玉米的高产高效栽培提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于宁夏农林科学院作物研究所望洪基地进行,平均海拔约1110 m;年平均降水量202.20 mm,全年≥10 ℃,积温3210 ℃,无霜期150～170 d,年均日照2897.50 h。前茬作物均为玉米。土壤类型为淡灰钙土,播种前测得耕层0～20 cm土壤2019年平均pH 8.33,有机质、碱解氮、全氮、速效磷、速效钾分别为16.42 g/kg、70.66 mg/kg、1.10 g/kg、42.83 mg/kg、173.25 mg/kg。2020年平均pH 8.49,有机质、碱解氮、全氮、速效磷、速效钾为17.16 g/kg、76.72 mg/kg、1.16 g/kg、43.80 mg/kg、175.48 mg/kg。

1.2 试验地玉米生育期降雨及温度

由图1可知,2019年和2020年玉米生育期的温度都是先升高后降低,满足玉米生长发育所需的积温。温度降雨表现为下降—上升—下降趋势,降雨量两年内均在7、8月较高,2019年全生育期降雨量范围在199.6～201.4 mm,2020年全生育期降雨量范围在201.0～205.3 mm。

图1 2019年和2020年玉米生育期降雨及温度Fig.1 Rainfall and temperature during the growing season of maize in 2019 and 2020

1.3 试验材料

供试玉米品种为自治区审定品种银玉274,为宁夏农林科学院农作物研究所新选育的杂交种,具有抗旱、耐密、倒伏率低、脱水快的特点。试验肥料:尿素(N≥46.4%)由中国石油天然气股份有限公司生产,磷酸一铵 (P2O5≥61%、N≥12%)由四川龙蟒磷化工有限公司生产,新境界牌硫酸钾(K2O≥52%),均为水溶性肥料。

1.4 试验设计

本试验以氮、磷为试验因子(处理中氮、磷、钾肥用字母N、P、K替代),采用随机区组试验设计。经调查研究,当地玉米常规氮、磷、钾施用量为417、142.50、43.50 kg/hm2,按照当地常规用量设为100%, 氮、磷肥常规施用量70%为291.90、99.75 kg/hm2。130%氮、磷肥施用量为542.10、185.25 kg/hm2。按比例设置6个氮、磷配施处理,T1 (N 0、P 0),T2 (N 100%、P 70%),T3 (N 100%、P 100%),T4 (N 70%、P 100%)、T5 (N 130%、P100%)、T6 (N 130%、P 130%)。每个处理重复3次,每小区长10 m,宽4.4 m,小区面积44 m2;每区组间设置1 m宽的走道,四周设保护行。玉米种植规格为宽窄行种植,宽行70 cm,窄行40 cm,平均行距55 cm,玉米株距18 cm,种植密度90 000株/hm2。钾肥施用量均为43.50 kg/hm2。按当地施肥习惯随滴灌(常规灌水量3300 m3/hm2)施入,滴灌带铺设在窄行。试验不施基肥,各处理全生育期氮、磷、钾肥均随水滴施,于苗期施肥1次、拔节期施肥3次、抽雄期施肥1次、灌浆期施肥3次,每次施入量均一致,为全生育期施用量的1/8。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 干物质积累测定 在玉米出苗后隔20 d取样1次直至收获,取样时随机挑选长势均匀的玉米全株3株,在试验室按照茎+鞘、叶片、穗部(籽粒+穗轴+苞叶)三部分装袋放入烘箱于105 ℃杀青30 min后再80 ℃烘干至恒重,称其干重。

1.5.2 土壤基本理化性质测定 碱解氮采用碱解扩散-标准酸滴定法测定,有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定[13]。

1.5.3 产量及其构成因素 各小区测产面积为24 m2,计算各测产区供测植株有效穗数、穗粒重、百粒重。人工脱粒后测鲜粒重和含水率,并折算成含水量为14%的产量。

1.5.4 干物质积累动态模拟 以出苗后天数(t)为自变量,出苗后40 d取玉米全株3株测干物质重作为因变量(w),用Logistic方程w=ae-exp(b-ct)对干物质积累动态进行模拟分析,通过Curve Expert 1.3软件对数据进行拟合,得到 Logistic方程参数a、b、c(a为终极生长量;b为初值参数;c为生长速率参数)。干物质积累高峰Tmax(干物质积累量达到50%时所需的时间)=(lnb)/c;干物质积累速率最大时的生长量Wmax=a/2;最大干物质积累速率Gmax=(cWmax)/2;达到活跃生长期时的天数P(大约完成总积累量的90%)=2×(3/c)。

1.5.5 植株养分测定 成熟期各小区取3株代表性植株,分为籽粒、叶片、茎、雄穗+穗轴,烘干后粉碎过筛,用H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定含氮量[13]。植株全钾含量采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法测定。土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定,土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮,钼锑抗比色法测定[14]。

1.5.6 相关指标的计算 参照隋鹏祥等[15]的方法,测定和计算下列指标。

花前营养器官干物质转运对籽粒干物质营养元素积累贡献率=(开花期营养器官干物质营养元素积累量-成熟期营养器官干物质营养元素积累量)/籽粒干物质营养元素积累量×100%

花后干物质营养元素积累量(g/株)=成熟期干物质营养元素积累量-开花期干物质营养元素积累量

花后干物质营养元素积累对子粒干物质营养元素积累贡献率=100%-花前积累干物质器官营养元素转运对籽粒干物质或器官营养

氮、磷肥料偏生产力(kg/kg) = 施氮、磷肥后作物产量/施氮、磷肥量[16]

氮肥利用率(%)=(施氮区植株地上部磷素累积量-不施氮区植株地上部磷素累积量)/氮肥施用量×100%[17]

磷肥利用率(%)=(施磷区植株地上部磷素累积量-不施磷区植株地上部磷素累积量)/磷肥施用量×100%[17]

1.6 数据处理及分析

采用 Microsoft Excel 2010软件进行数据整理;使用Origin 2021作图;使用SPSS 23.0软件和Curve Expert 1.3软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮磷配施对玉米干物质积累的影响

由图2可知,在出苗后40 d时,各处理间干物质无显著差异。出苗后60～100 d时,由于处于玉米抽雄至籽粒形成期,各处理干物质积累速率加快,此阶段,T4处理干物质积累速率显著高于其它处理(P<0.05)。出苗后100～140 d时,籽粒灌浆逐渐饱满,各部位向籽粒转移积累速率开始减慢,干物质积累量开始减缓。2019年T4处理此阶段减缓速率较快,可能由于2019年8月降雨增多,施肥时土壤含水量较高,肥料难以随水下渗,造成后期肥料供应不充足。2020年8月降水相对较少,施肥时土壤含水量较低,肥料随水下渗较快。T4处理在出苗后140 d干物质积累量显著高于其它处理,较其它处理干物质积累量增加6.28%～22.90%,T4处理可提高玉米干物质积累量。

图中同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。The representation of no same lowercase letters after the same column of data in the figure is significantly different (P<0.05).图2 2019年和2020年不同氮磷配施量对玉米干物质积累的影响Fig.2 Effects of different nitrogen and phosphorus compounding amounts on maize dry matter accumulation in 2019 and 2020

2.2 不同氮磷配施对玉米各器官干物质积累的影响

由表1可知,叶片和茎鞘干物质积累量在出苗后100 d内累计增长,出苗100 d后穗部干物质各器官干物质积累量持续增长,叶片和茎鞘由于向籽粒转移开始降低。在出苗100 d时T4处理叶片、茎鞘、穗部干物质积累量显著高于其它处理(P<0.05)。在出苗140 d时,叶片、茎鞘、穗部干物质积累量T4处理显著高于其它处理,叶片、茎鞘、穗部干物质积累量较常规配施量可平均提高20.32%、28.98%、10.27%。综上而言,T4处理氮磷配施比例可显著提高玉米各器官干物质积累量。

表1 玉米各器官干物质积累量Table 1 Accumulation of dry matter in various organs of maize (kg/hm2)

续表1 Continuedtable 1

2.3 不同氮磷配施对干物质积累参数的影响

使用Logistic方程模拟,由表2可知,T4处理较其它处理显著提高成熟生长量和玉米干物质最大积累速率。T1、T2处理干物质最大积累速率显著低于其它处理,氮、磷肥不足会降低干物质最大积累速率。T4处理达到最大积累速率天数,显著高于其它处理,说明T4处理氮磷配施可以延缓玉米干物质积累衰减。干物质积累速率最大时的生长量表现为T4>T3>T5>T6>T2>T1,T4处理的活跃累计天数显著高于其它处理,T4处理可以显著提高干物质积累时的活跃天数。

表2 不同氮磷配施对玉米总干物质积累参数的影响Table 2 Effects of different nitrogen and phosphorus mixed applications on dry matter accumulation parameters

2.4 不同氮磷配施对玉米干物质转运及贡献率的影响

由表3可知,T4处理较其它处理相比,可显著提高玉米叶片干物质转运量、干物质转运效率及对籽粒的贡献率。与常规施肥T3处理相比,叶片干物质转运量可提高4.47%～14.80%,干物质转运效率提高4.90%～28.20%,对籽粒的贡献率可提高7.60%～12.50%。T4处理对茎部的干物质转运及对籽粒的贡献率也有显著促进作用。T4处理茎和叶的干物质转运量、干物质转运效率及对籽粒的贡献率显著高于其它处理。与氮、磷肥常规施用处理T3相比,T4处理茎+叶干物质转运量和籽粒贡献率提高4.60%～8.60%、7.80%～11.10%,T1、T2、T5、T6处理显著低于T3处理对籽粒的贡献率及干物质转运量。

表3 不同氮磷配施对玉米干物质转运及贡献率的影响Table 3 Effects of different nitrogen and phosphorus on dry matter movement of various organs and their contribution

2.5 不同氮磷配施对植株养分积累及肥料利用率的影响

由表4可知,同施磷条件下,玉米磷素积累量随着施氮量增加呈先增加后减少趋势。同施氮条件下,植株氮含量随着施磷量增加先增加后减少。磷肥施用量一致,氮肥增施可提高磷肥偏生产力。T4处理氮磷配施下植株氮、磷元素吸收量显著高于其它处理吸收量,说明合理配施有助于植株对氮、磷元素的吸收。在两年间,T4处理平均氮肥利用率、磷肥利用率、氮肥偏生产力、磷肥偏生产力较T3处理显著提高52.23%、18.92%、57.07%、9.95%。氮与磷可互相促进,T4处理配施下为最优配比,可显著提高玉米磷素积累量、玉米氮素积累量、氮磷肥利用率和氮肥偏生产力。

表4 不同氮磷配施对玉米植株养分及养分利用率的影响Table 4 Effects of different nitrogen and phosphorus combinations on plant nutrients and soil availability nutrients

2.6 不同氮磷配施对玉米产量及其构成因素的影响

由表5可知,T4处理与常规施肥量下氮磷配施T3处理有效穗数无显著差异,较T1、T2、T5、T6处理有效穗数显著提高,说明T4处理氮磷肥配施可提高玉米成穗率。T4处理穗粒数显著高于其它处理,T4较T3处理相比,穗粒数增多2.20%～4.50%。T1处理显著低于其它处理百粒重,T4处理对玉米百粒重较其它处理有显著提高作用。T4处理产量显著高于其它处理,与T3处理相比,产量提高8.34%～9.95%。说明,与引黄灌区常规氮磷肥施用相比,通过滴灌水肥一体化氮291.90 kg/hm2、磷肥142.50 kg/hm2配施可显著提高玉米有效穗数、穗粒数,从而提高玉米产量,产量最高为21 916.39 kg/hm2。

表5 不同氮磷混施对玉米产量及其构成因素的影响Table 5 Effects of different levels of different factors on maize yield and its components

3 讨 论

春玉米产量易受生育期内干物质积累和分配的影响,产量形成的关键因素是茎、叶、鞘中的干物质积累向籽粒中转运量是否充足。作物光合作用的最高表现形式是其产生的干物质积累量,作物产量与其干物质积累量有着密切关系,干物质积累量会直接或间接影响作物产量[18]。玉米籽粒的形成一部分来源于花前营养器官的物质转运,大部分来自花后干物质积累。其转运量受多方面影响,例如环境、品种及栽培措施等[19]。张佳宝等[20]认为氮肥的增施对玉米花前干物质积累量、开花后贮藏和转运量有着促进作用。张磊等[21]研究表明当氮肥的施用超过范围,物质转运量、转运率以及转运贡献率都呈下降趋势。本研究表明在银川平原,施氮水平在0～291.90 kg/hm2范围内干物质转运量、转运率以及转运贡献率都会随着施氮水平的提高而提高,超过此范围则会下降,此结论与两位学者[20-21]研究结论一致。熊伟仡等[22]研究表明施氮量高于180 kg/hm2时,干物质积累量无显著增加,本试验发现氮肥施用量超过291.10 kg/hm2时,干物质积累量开始降低,造成此原因可能是本试验在银川平原进行,该地土壤养分含量较少,因此施肥量较高。

单纯施用一种元素肥料不能保证作物生长及产量,只有土壤中氮、碳、磷、钾等有机质比例适当时,作物才能正常生长[23]。滴灌水肥一体化可根据作物水肥需求规律进行适时供给,提高水肥利用效率[24]。有学者认为氮磷配施可促进作物对氮素的吸收,氮肥利用率提高4.50%～27.73%[25]。合理的氮磷配施还可以提高土壤中碱解氮和有效磷含量,但用量过高会造成一定负作用[26],本实验在引黄灌区滴灌水肥一体化下氮291.90 kg/hm2、磷142.5 kg/hm2配施与当地常规灌溉施肥量相比,可显著提高氮肥利用率,对玉米氮、磷元素的吸收利用有促进作用,超过此配施量,则开始降低。出现此结果可能由于滴灌水肥一体化是肥料与水混匀完全施入,这样会减少肥料的挥发和流失,从而提高水肥利用率。若按照漫灌施肥量在此条件下施用,会造成施肥过量,不利于土壤微生物分解和植株吸收利用。

玉米的高产离不开充足的氮肥供应[27],却忽视了各种肥料配比及过多施肥反而会抑制植株的生长[28],合理的氮磷配施对玉米的营养器官贮藏物质的转运起到十分重要的作用[29],也有助于春玉米对养分的吸收和生物量的积累[30],这可能受氮磷元素的交互作用影响。引黄灌区滴灌水肥一体化下氮291.90 kg/hm2、磷142.50 kg/hm2配施可显著提高玉米体内氮、磷元素的积累量,还可提升作物干物质最大积累速率及活跃天数,使干物质积累量显著高于其它处理干物质积累量,促进玉米各器官干物质对籽粒的转运及转运率的提高,使籽粒灌浆充足,百粒重、有效穗、穗粒重、产量显著高于其它处理,产量最高为21 916.39 kg/hm2。

4 结 论

T4处理较其它配施处理相比可显著提高春玉米花前与花后干物质积累量,并可以提高干物质转运量、转运率、作物氮、磷元素的及对籽粒的贡献率,从而增加产量。在引黄灌区滴灌水肥一体化施氮291.90 kg/hm2、磷142.50 kg/hm2配施为最佳配施比例,若在此区域内不同栽培地进行氮磷肥最优配施,还应根据土壤养分、气候条件和品种对施用量进行调整。