施氮和覆膜对陕北地区玉米生长及氮素转运的影响

密菲瑶 张 腾 李卓远 邢英英 王秀康

(延安大学 生命科学学院,陕西 延安 716000)

玉米(ZeamaysL.)是我国第一大粮食作物,在干旱半干旱地区有着不可替代的地位[1]。同时,玉米是畜牧业和养殖业的重要饲料来源,也是食品、卫生、化工业等不可或缺的原料。干旱半干旱地区粮食产量对于确保粮食安全和缓解人口增长带来的压力至关重要[2]。因此,开展干旱半干旱地区玉米高产研究是应对粮食安全挑战的有效途径。

在旱地农业系统中,土壤水分和养分短缺是限制作物生长和产量的主要因素。陕北位于黄土高原中部,属于典型的雨养旱作区,由于水资源短缺,农业的可持续发展面临巨大挑战,每年种植期土壤蒸发量大、气温低,导致玉米在生育期内遭受干旱和低温胁迫[3]。地膜覆盖作为一种重要的田间管理技术已广泛应用于农田和经济作物生产[4]。玉米在播种期和苗期因低温、干旱导致产量显著降低,覆膜提高了表层土壤温度,有利于作物发育早期的种子萌芽和根系生长[5]。此外,覆膜还通过调节土壤水分和温度提高了土壤的微生物丰富度、酶活性和土壤肥力[6]。Murungu等[7]研究表明,覆膜处理显著提高了土层无机氮浓度和籽粒产量。张哲等[8]研究证明,覆膜是改善土壤温度和湿度的有效措施,因此,田间管理中常采用覆膜来达到提质增效的目的。

氮素是作物生产中最重要的养分之一,为籽粒灌浆期提供碳水化合物,氮素缺乏会降低作物产量及其构成因素,氮素合理施用对作物生长及获得高产是至关重要的[9]。张馨月等[10]研究表明,施氮量显著影响玉米产量、植株干物质积累量以及氮素积累量。虽然氮素的施用可促进作物养分的吸收,但过量的氮肥会造成作物减产[11],且氮肥利用率降低;同时过量施氮还会导致土壤酸化,硝态氮淋溶[12],对土壤造成危害,不利于环境可持续发展。因此,研究作物对根层氮素吸收利用效率,确定氮肥合理施用量对提高作物产量和氮肥利用率都有重要的研究意义。

已有研究多是关于覆盖或施氮单因素对玉米生长、产量及氮素吸收利用的影响,然而关于两因素互作效应的研究鲜有报道。本研究以‘郑单958’玉米为试验对象,测定覆膜和施氮及两者互作下的生长、产量及其构成因素、氮素转运及氮肥利用效率,旨在探究覆膜与施氮对玉米生长特性及氮素转运的影响,以期为陕北地区夏玉米高产、高效的栽培模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在陕西省延安市安塞区高桥镇乡东沟门村普通农田进行,安塞区地处黄土高原腹地,鄂尔多斯盆地边缘,位于陕西省北部(36°39′ N,109°11′ E),海拔1 109 m,属中温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温8.8 ℃,年平均降雨量505.3 mm,降水主要集中在7—9月(图1)。试验土壤pH为8.6,容重为1.41 g/cm3,有机质为11.7 g/kg,全氮0.63 g/kg,速效磷45.7 m/kg,速效钾113.7 mg/kg。

图1 2021年试验地月均降水量和平均气温

1.2 试验设计

试验采用施氮量和种植模式2个因素,施氮设置5个水平,分别为80(N1)、120(N2)、160(N3)、200(N4)和240 kg/hm2(N5),种植模式设置为露地(M0)和覆膜(M1),以露地种植下不施氮作为对照(CK),共11个处理,磷肥和钾肥用量所有处理均一致,见表1。试验采用完全随机区组试验设计,各小区随机排列,重复5次,共计55个小区,试验小区面积为5 m×12 m。

表1 夏玉米不同种植方式和施氮量的试验方案

所选玉米品种为‘郑单958’,2021年5月3日播种,9月27日收获。玉米播种时等行距种植,行距为50 cm,株距为30 cm,种植密度为60 000株/hm2。施肥方式为播种前进行撒施,氮肥使用尿素(含N 46 g/100 g),磷肥采用过磷酸钙(含P2O516 g/100 g),施用量为150 kg/hm2,钾肥使用氯化钾(含K2O 60 g/100 g),施用量为100 kg/hm2,氮肥在播种前施入50%,于6月20日追施余下50%,磷肥和钾肥在翻耕和平整过程中作为基肥一次性施入。

1.3 测定项目及方法

1.3.1玉米生物学指标的测定

分别在玉米拔节期、吐丝期和成熟期进行取样,测定玉米株高、茎粗、叶面积。每个小区随机选取长势均匀的3株进行标记,在各个生育期使用卷尺测量玉米株高,抽穗前株高为植株基部至最高叶尖的高度,抽穗后为玉米植株基部到雄穗顶端的高度;使用游标卡尺在距离玉米植株基部3～5 cm处测定茎粗;叶面积通过米尺测定每片叶子的长(从叶枕到叶尖的长度)和宽(叶片最宽处长度),单叶面积=长×宽×系数K(K=0.75),叶面积指数=单株叶面积×种植密度/土地面积。

1.3.2玉米产量及其构成因素测定

不同生育阶段于每个小区随机选取3株具代表性玉米进行破坏取样,5次重复共计15株,每株玉米分为茎、叶、穗粒3个部分,于105 ℃杀青1 h,75 ℃烘干至恒重,测定其穗粒数和百粒重,结束后使用塑封袋保存样品,并进行籽粒产量(Grain yield,GY),kg/hm2和生物产量(Biological yield,BY),kg/hm2测定,小区边行植株除外。收获指数(Harvest index,HI)为籽粒产量与生物产量之比[13]。

1.3.3植株氮素吸收、转运相关指标测定和计算

将上述保存样品使用打粉机搅碎过筛,浓硫酸消煮。采用凯氏定氮法[14]进行植株全氮的测定。玉米氮素吸收及转运相关指标计算如下[14-15]:

氮素积累量=干物质量×氮素含量;

各器官氮素分配比例=各器官氮素积累量/总积累量×100%;

氮素转运量=吐丝期各器官氮素累积量-成熟期各器官氮素累积量;

氮素转运效率=氮素转运量/吐丝期氮素积累量×100%;

氮肥利用率=(施氮区氮素积累量-不施氮区氮素积累量)/施氮量×100%;

氮素收获指数=成熟期籽粒总氮积累量/成熟期地上部营养器官氮积累量;

氮肥偏生产力=施氮处理籽粒产量/氮肥施用量;

氮肥农学利用率=(施氮区产量-对照区产量)/氮肥施用量;

氮肥产量贡献率=(施氮区产量-对照区产量)/施氮区产量。

1.4 数据分析

运用Excel 2010软件对数据进行汇总整理,使用SPSS 20对数据进行方差分析,运用Excel 2010、Origin 2021进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 覆膜和施氮对玉米株高、茎粗及叶面积指数的影响

由表2可知,从拔节期到吐丝期玉米株高快速增长,吐丝期后玉米生长减慢甚至停止生长。拔节期,覆膜和施氮均对玉米株高有显著性影响,同时两者互作对玉米株高也具有显著性影响;玉米株高随施氮量的增加呈先增后降的趋势,露地(M0)种植下,N4的株高最高,覆膜(M1)条件下,N2的株高最高。玉米吐丝期,覆膜显著促进玉米株高的生长。玉米成熟期,施氮及二因素互作均显著影响玉米株高。

表2 不同施氮量和覆膜下玉米株高

表3 不同施氮量和覆膜下玉米茎粗

由图3可知,玉米茎粗随生育期的推进递增。各时期不同处理下的玉米茎粗变化趋势基本一致,都呈现出先增后减的趋势。在拔节期,施氮和覆膜都对植株茎粗具有显著性影响;随施氮量的增加,露地(M0)条件下的茎粗呈现上升趋势,覆膜(M1)条件下玉米茎粗先增后降。成熟期,施氮显著影响玉米茎粗;露地和覆膜处理下玉米茎粗分别在施氮量为200和160 kg/hm2时达到最大值。

研究区出露地层较为简单，以下石炭统大干沟组及上三叠统鄂拉山组地层为主，沿山麓沟谷地带分布有第四系(图1)。

由表4可知,随着生育期推进,叶面积指数先增后降,吐丝期达到最大值。拔节期露地种植(M0)下,叶面积指数随施氮量增加呈现出上升趋势;覆膜(M1)下,叶面积指数随施氮量的增加先增加后降低,且在施氮量为N2时达到最大值;覆膜显著增加叶面积指数,同时覆膜与施氮二者互作显著增加叶面积指数。覆膜和施氮对吐丝期玉米叶面积指数均无显著影响。在成熟期,随施氮量的增加叶面积指数先增加后降低,露地和覆膜均在N4施氮量下达到最大值,覆膜显著增加叶面积指数。

表4 不同施氮量和覆膜下玉米叶面积指数

2.2 覆膜和施氮对玉米产量及其构成因素的影响

由表5可得,在露地种植(M0)下,相较于N1处理,N5的单穗粒数降低14.01%。百粒重随施氮量的增加先增后降,覆膜对其影响显著。施氮量和覆膜对玉米产量均具显著性影响,籽粒产量随施氮量增加呈现先增后降的趋势,覆膜玉米籽粒产量相较于露地种植分别增加4.78%(N1)、7.41%(N2)、4.03%(N3)、14.46%(N4)和18.17%(N5)。

表5 玉米产量及其构成因素

2.3 玉米产量的相关性分析

由图2可知,籽粒产量随植株生物产量的增加而增加,相关系数(R2)为0.517,达到极显著水平(P<0.01)。玉米生物产量范围在15 866.70～28 371.30 kg/km2,籽粒产量范围为8 840.09～14 186.72 kg/km2。

图2 玉米生物产量和籽粒产量的相关性分析

2.4 覆膜和施氮对玉米氮素转运特征的影响

由图3可知,随着生育期的推进,叶片和茎秆氮素积累量呈现出先增后降的趋势,但玉米植株总氮素积累量呈现上升趋势。玉米拔节期和吐丝期,覆膜和施氮以及二者交互作用均对植株的氮素积累具有显著性影响。玉米成熟期,随着施氮量的增加,玉米籽粒表现出先增后降的趋势。

CK、T1、T2、T3、T4、T5分别代表露地(M0)种植模式下施氮量0、80、120、160、200、240 kg/hm2,T6、T7、T8、T9、T10分别代表覆膜(M1)种植模式下施氮量80、120、160、200、240 kg/hm2。小写字母表示不同处理下各器官氮素积累量的显著性差异(P<0.05),大写字母表示不同处理下植株总氮素积累量的显著性差异(P<0.05)。下同。 CK, T1, T2, T3, T4 and T5 represent N application rates of 0, 80, 120, 160, 200, 240 kg/hm2 for open field planting (M0), and T6,T7, T8, T9 and T10 represent N application rates of 80, 120, 160, 200, 240 kg/hm2 for mulch planting (M1), respectively. Lowercase letters indicate the significant difference (P<0.05) of nitrogen accumulation in various organs under different treatments, and capital letters indicate the significant difference (P<0.05) of total nitrogen accumulation in plants under different treatments. The same below.

由图4可知,随着生育期的推进,叶片氮素分配比例呈现先升高后下降的趋势,而茎秆氮素分配比例则呈现下降趋势。拔节期及玉米吐丝期植株各器官氮素积累量表现为:叶片>茎秆。玉米成熟期,植株氮素主要积累于籽粒中;各营养器官氮素分配比例由高到低为:籽粒>叶片>茎秆;随着施氮量的增加,籽粒氮素分配比例呈现先降后升的趋势,而叶片和茎秆表现出完全相反的趋势。

图4 不同处理下各器官拔节期(a)、吐丝期(b)和成熟期(c)氮素分配比例

由表6可知,不同施氮量下玉米植株叶片和茎秆的氮素转运特征存在差异。玉米营养器官氮素转运量随施氮量的增加呈现先降后增的趋势,覆膜显著增加植株总转运效率。随着施氮量的增加,氮肥利用率、氮肥偏生产力及氮肥农学利用率均呈现下降趋势。氮肥产量贡献率随施氮量的增加呈先增后降,覆膜显著增加氮肥产量贡献率,覆膜与施氮交互作用同样对其具有显著性影响。

2.5 综合评价

2.5.1相关性分析

由图5所示,各指标与GY的R2由大到小为GY>FYC>HGW>NAMS>NUE>PFP>NAE>NASS>NAJS>HI>NHI>LNTE>SNTE,其中,BY、FYC、HGW、NAMS、NUE、PFP、NAE、NASS与GY均呈极显著正相关(P<0.01),NAJS与GY表现出显著正相关(P<0.05),R2为0.402～0.876。

图5 玉米产量构成、氮素转运特征及肥料利用率之间的相关性分析

2.5.2主成分分析

由表7可知,主成分分析时,提取结果中特征值>1的主成分,前5个主成分的特征值>1,且累计贡献率达到80%以上。最终将14个相互独立的指标换算成5个相互独立的综合指标,累计贡献率达到83.030%,包含各个指标的绝大部分信息,表明这5个主成分已经能够代表所测指标的绝大部分信息。

表7 各主成分因子载荷矩阵、特征值及贡献率

将各个指标原始数据标准化后利用SPSS20.0对各组分进行主成分分析,对于分析所得的5个主成分计算其成分得分系数矩阵、特征值及贡献率,最终根据主成分综合评价模型得到如下线性关系,

P1=0.115x1+0.148x2+0.141x3+…+ 0.105x12+0.132x13+0.151x14P2=0.178x1+0.036x2+0.059x3+…- 0.207x12-0.111x13+0.046x14P3=-0.003x1+0.011x2-0.173x3+…+ 0.291x12+0.259x13+0.043x14P4=-0.139x1-0.062x2+0.007x3+…+ 0.263x12+0.209x13-0.053x14P5=0.015x1+0.189x2-0.135x3+…+ 0.0162x12-0.006x13+0.106x14P=0.387P1+0.193P2+0.111P3+ 0.083P4+0.072P5

式中:x1～x14分别为百粒重、籽粒产量、生物产量、收获指数、拔节期氮素积累量、吐丝期氮素积累量、成熟期氮素积累量、叶氮素转运效率、茎氮素转运效率、氮肥农学利用率、氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥利用率及氮肥产量贡献率14个指标原始数据的标准化数据,P1～P5代表5个主成分得分,P代表5个主成分得分之和。

其中,标准化数据与得分系数的乘积为各主成分得分,综合得分则为各个主成分得分之和。结果表明,T8处理在各处理中排名第一(表8),说明该处理相对较优,故陕北地区玉米的较优种植模式为覆膜种植下设置施氮量为160 kg/hm2。

表8 不同施氮量和覆膜下各处理的主成分分析

3 讨 论

3.1 覆膜和施氮对玉米株高、茎粗和叶面积指数的影响

株高是玉米植株相对稳定的形态之一,与自身遗传性状有较大关系,但同时也受外界环境影响[16];茎粗是玉米抗倒伏性的重要形态指标[17];叶片则是玉米进行光合作用形成产物的重要器官,叶面积大小是由遗传特性和生育环境两个因素决定的,而叶面积指数是反映作物群体大小的关键指标[18-19]。

本研究结果表明,覆膜和施氮促进了玉米株高和叶片的生长。在吐丝期以前,玉米快速增高,吐丝期后株高增加缓慢甚至停止增长,这与程倩等[20]研究结果一致,均表现出随生育期推进,株高先快速增长直至平稳。随着生育期的推进,玉米叶面积指数呈现出先增加后降低的趋势,吐丝期叶面积指数达到最大,这与郭金金等[21]研究结果一致。在玉米生育初期,覆膜和施氮对茎粗影响显著,不覆膜处理下玉米茎粗随施氮量的增加而增加,而覆膜则使茎粗随施氮量的增加呈先增加后降低,这是由于覆膜为玉米前期提供了较好的水热条件,加快了作物生长发育进程,加速了茎秆的积累,因此覆膜下的茎粗先一步达到峰值[22]。

3.2 覆膜和施氮对玉米产量的影响

Li等[23]研究表明,2年透明塑料薄膜覆盖玉米产量均显著高于无覆盖条件下的产量,2年分别提高28.1%和24.6%,与本研究中覆膜显著提高田间玉米籽粒产量这一结论一致,同时覆膜显著增加百粒重和籽粒产量,这是由于地膜覆盖可减少干旱期土壤水分蒸发量,提高水分利用率,促进作物生长,同时覆膜条件下土壤温度的升高也对作物早期发育至关重要[24],这表明覆膜可以作为一种关键的适应性管理措施,为作物生长提供更加优越的土壤水热条件,以提高玉米生产力。

陈小莉等[25]以典型半干旱区干湿砂质新成土为供试土壤研究覆膜、施氮及补充灌水对春玉米产量的影响,结果表明,相较于对照,施氮量90 kg/hm2时,籽粒增产40.1%,覆膜增产31.6%,施氮并覆膜增产81.5%,这与本研究结果中覆膜和施氮显著影响籽粒产量基本一致;但覆膜与施氮互作可显著提高玉米产量,与本研究结论不符,本研究结果显示施氮和覆膜的互作对玉米产量及其构成因素影响均不显著,这可能是由于玉米品种、气候条件、地理位置等因素的不同所导致的,虽两因素的互作效应不显著,但相较于氮肥这一单因素,覆膜与施氮交互作用使玉米产量分别增加4.78%(N1)、7.41%(N2)、4.03%(N3)、14.46%(N4)和18.17%(N5)。施氮对于生物产量也具有显著影响,但于粒数却无显著影响,这表明施氮可能是通过增加氮素在玉米各营养器官的吸收及转运来提高玉米产量,最终实现增产[26]。合理施用氮肥是提高作物产量的一项重要举措,但施氮量与作物吸收量并不呈现完全正相关,施氮量过高反而会导致作物减产,造成资源浪费和环境污染[27],其主要原因是农田氮素输入与输出间的不平衡[28]。已有研究结果也表明,籽粒产量随施氮量的增加呈先增后降的趋势,在一定的施氮量范围内增施氮肥对产量是显著促进的,当超过临界值时,会导致氮素利用效率降低,土壤中残留氮素造成环境污染[27]。

3.3 覆膜和施氮对玉米植株氮素转运特征及氮肥利用率的影响

氮素既是植物体内重要的营养元素,又是生理代谢中最活跃的成分,因此氮素对植物代谢和生长具有重要意义[28]。本研究结果表明,覆膜和施氮量均会显著影响作物各营养器官氮素积累量;随着施氮量的增加,营养器官氮素积累量呈现出先增加后下降的趋势,表明施氮量达到一定程度后作物地上部氮素积累将不会再有显著性变化。Liu等[29]研究结果表明,随施氮量增加,玉米地上部氮素积累量先增后降,在施氮量为250 kg/hm2时氮素积累达到最大值,与本研究结论一致。不同施氮量下,玉米植株茎叶在吐丝期的氮素积累量大于成熟期,表明吐丝期后营养器官中贮藏的氮素向籽粒中发生转移[30]。玉米吐丝—成熟期是氮素吸收转运分配的重要时期[31]。本研究表明,施氮量的增加使植株营养器官的氮素转运效率呈现出先降后增的趋势,露地种植(M0)和覆膜种植(M1)下分别在施氮量为160和120 kg/hm2时降到最低,与籽粒氮素积累量先增后降的趋势完全相反,这是由于籽粒中的氮素来源有两部分,一部分为吐丝期前吸收并贮存于植株营养器官中的氮素转移到籽粒中,另一部分则是吐丝期后植株吸收同化的氮素[32]。

氮肥利用率(NUE)、氮肥农学利用率(NAE)和氮肥偏生产力(PFP)是表征氮肥利用效率的重要定量指标,可从不同方向描述植株的氮肥利用效率[33]。本研究结果中,施氮显著影响氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和肥料产量贡献率,覆膜显著增加氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和肥料产量贡献率,二因素互作效应只体现在对产量贡献率的影响上;卢家柱等[34]研究结果显示氮肥利用率随施氮量的增加而降低,与本研究结果一致。本研究结果还显示,随施氮量的增加,氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥产量贡献率均呈下降趋势。石玉等[35]研究指出,随施氮量的增加小麦氮肥利用效率递减,与本研究结果相符。因此,在满足玉米氮素需求的前提下,适当降低氮肥施用量是提高氮肥利用效率的有效措施。

仅凭某一指标不能对试验结果进行系统的评价,而基于各指标的综合评价能有效地克服单一指标评价片面的问题,确保结果的科学性和客观性[36]。本研究通过主成分分析对试验中不同处理下玉米产量等指标进行综合评价与分析。结果表明,覆膜下施氮量为160 kg/hm2时,陕北地区大田玉米综合排名最高,可作为该地区夏玉米高产高效的栽培措施。但考虑到连作模式下长期施肥可能会造成土壤残留量过多[37],对玉米生长造成一定影响,需综合考虑产量、氮肥利用效率、经济效益和环境效应等进一步试验加以验证。

4 结 论

覆膜与施氮量对玉米株高、茎粗、叶面积指数和产量有显著或极显著影响,二者互作效应对株高具有极显著影响。覆膜下玉米增产4.78%～18.17%,施氮可使玉米增产2.00%～40.61%,而覆膜配合施氮使玉米增产32.72%～54.62%。为实现较高的氮肥利用效率和氮肥产量贡献率,应在高产稳产的前提下降低氮肥施用量。综上,陕北地区玉米较优种植模式为覆膜下施氮量160 kg/hm2。