氮肥类型与施氮量对玉米干物质及氮素积累的影响

2024-05-22杨奇闫泽川冯嘉李昊原张宇航王金龙

江苏农业科学 2024年7期

杨奇闫泽川冯嘉李昊原张宇航王金龙

杨奇，闫泽川，冯嘉，等. 氮肥类型与施氮量对玉米干物质及氮素积累的影响［J］. 江苏农业科学，2024，52（7）：86-93.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.012

（天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384）

摘要：为探究不同氮肥类型、不同施氮量对玉米干物质及氮素积累的影响，以期为天津地区炭基肥在玉米上的应用提供理论依据和实践指导，以郑单958作为试验材料，采用裂区设计，主区为肥料类型，分别为炭基肥和尿素；副区为玉米全生育期施氮量，分别为 0、135、270、405、540 kg/hm2，研究不同施氮量对玉米干物质及氮素积累、转运和吸收利用的影响。结果表明，施用炭基肥可以提高玉米干物质及氮素积累。施氮能够提高吐丝期和成熟期干物质积累量，炭基肥处理较尿素处理吐丝期叶、茎、总干物质积累量平均下降了11.14%、13.11%、12.67%，成熟期炭基肥处理总干物质积累量较尿素处理下降了6.72%。尿素处理较炭基肥玉米植株总干物质转运量均值提高了17.44%、对籽粒贡献率均值提高了16.89%，但干物质转运率没有显著差异。施氮能够显著提高玉米吐丝期和成熟期各器官氮素积累量（P<0.05），尿素处理较炭基肥处理提高了吐丝期总氮素积累量及成熟期茎、叶氮素积累量，但籽粒及总氮素积累量没有显著差异。在同一氮肥类型下，随着施氮量增加，氮肥偏生产效率均显著下降，氮肥农学效率和氮肥利用率整体也呈现下降趋势，但在施氮量405 kg/hm2时有所提高。尿素处理下的氮素吸收利用率随施氮量的提高而显著下降。不同氮肥类型下，炭基肥处理的氮素吸收利用率略高于尿素处理，而氮肥农学效率、氮肥偏生产效率、氮肥利用率均减小，尿素处理氮肥利用率较炭基肥处理增加了66.20%。

关键词：玉米；施氮量；氮肥类型；炭基肥；干物质积累；氮素积累

中图分类号：S513.06 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2024）07-0086-08

玉米是我国重要农作物，具有种植面积广、产量高等特点，在生产实践上确保其绿色、优质和高产对我国粮食安全有重要作用。氮素作为植物所必需的营养元素，是限制作物产量的主要因子。因此，在资源一定的情况下，如何满足作物生育期对氮素的需求，提高氮肥利用率是解决问题的关键，而适量施用氮肥能够提高作物产量，提高氮肥利用率，炭基肥具有缓释肥料的性质，可以使养分释放满足作物生育期需求。胡迎春等的研究表明，缓释肥与尿素配施能够显著提高氮肥偏生产力和氮肥利用率［1］。有研究表明，施氮量增加会导致夏玉米植株营养器官转运量降低，说明氮肥用量和玉米氮素转运量及转运率呈现负相关关系［2］。郭丙玉等研究发现，玉米最大氮素吸收速率与施氮量之间呈正相关关系，在一定施氮范围内，氮肥利用率会随施氮量的增加而增加，过量施用氮肥反而会使氮肥利用率降低［3］。张云舒等的研究表明，在干旱区棉田施用炭基肥与常规施肥相比，棉花氮素积累量显著增加，氮素利用率提高了11.9%［4］。乔志刚等在安徽地区水稻种植中的研究表明，施用生物质炭基肥，其氮素吸收利用率和氮肥偏生产力分别较复合肥提高了9.3%～10.2% 和 37.4%～54.7%，从而减少了氮肥用量和氮损失，提高了肥效［5］。熊淑萍等研究发现，小麦花前贮存氮素对籽粒的贡献率高达70%以上，而花后氮素积累量对籽粒的贡献率较低［6］。孙全平等的研究表明，同等氮输入条件下，减少化肥用量，使用生物炭与炭基肥混合可以提高氮素利用率［7］。陈懿等的研究表明，施用炭基肥与不施氮和常规施肥相比，烤烟吸氮量分别显著提高了35.06%和14.24%，且炭基肥处理降低了氮损失，提高了氮肥表观利用率［8］。陈子薇等在稻田中的研究表明，施用炭基肥可以显著降低稻田土壤氮素径流损失［9］。李大伟在辣椒和番茄上的研究表明，施用炭基肥处理的氮素农学利用率均高于复合肥处理［10］。

施氮量能够显著影响植物营养器官的物质积累及氮素的再分配，使作物形成产量差异。合理的施氮量能够有助于玉米干物质积累及其向籽粒转运，从而提高氮素收获指数［11］。施氮量对不同生长阶段植物的氮素吸收利用和积累也有影响。刘鹏对高粱的研究表明，缺氮条件下，植株和籽粒的氮素积累量均显著降低［12］。姜丽娜等对小麦的研究表明，不同施氮处理下，小麥干物质积累量、干物质转运量、干物质转运率和氮素积累量、氮素转运量、氮素转运率以及小麦产量存在显著差异，适当地增施氮肥能够增加植株干物质积累量，在施氮量为210 kg/hm2时，小麦的营养器官花前干物质积累量、氮素转运量、转运率以及干物质转运对子粒的贡献率均达到最大值［13］。石祖梁等的研究表明，在一定范围内增加施氮量，小麦的氮素积累量会随之增加，而氮素转运率及对籽粒氮素贡献率会降低［14］。刘志恒等通过田间定位试验表明，玉米氮肥偏生产力、农学利用效率、氮肥当季利用率均随施氮量的增加而呈现下降趋势，氮收获指数在 270 kg/hm2 时达到最大，为66.7%［15］。王宜伦等的研究表明，施氮量为300 kg/hm2时，能够提高蔗糖磷酸合成酶和硝酸还原酶的活性，从而促进氮素吸收积累，促进氮素吸收，减少氮肥损失，提高氮肥利用率［16］。已有学者对不同有机质转化为生物炭对作物生长的影响做了大量研究，但关于在天津地区，不同供氮量下，炭基肥作底肥对干物质及氮素积累影响的报道较少。因此，本试验以不同氮肥类型，研究不同施氮处理对玉米干物质积累、积累及氮素积累、转运和吸收利用的影响，以确定天津地区玉米生产最适宜的炭基肥施用量，以期为天津地区炭基肥在玉米上的应用提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2021年5—10月在天津市优质农产品开发示范中心展开，该示范中心位于天津市宁河区，地处119°47′E，31°89′N，属于温带大陆性气候，年平均温度11.2 ℃，年降水量180～300 mm，无霜期为204 d，雨热同期，降雨主要集中在6—8月，试验地土壤质地为壤土，0～20 cm土层土壤的基本理化性质：有机质含量9.62 g/kg，全氮含量 1.41 g/kg，全磷含量1.03 g/kg，全钾含量 19.78 g/kg，碱解氮含量87.36 mg/kg，有效磷含量105.30 mg/kg，速效钾含量302.77 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为肥料类型，炭基肥和尿素；副区为玉米全生育期施氮量，分别为 0、135、270、405、540 kg/hm2，共10个处理，分别为BN0、BN1、BN2、BN3、BN4、UN0、UN1、UN2、UN3、UN4。每个处理重复3次，共30个小区。玉米于5月22日播种，9月15日收获。其中炭基肥全部作为底肥施入，在拔节期追施尿素，二者按照供氮量 7 ∶3 比例施用，炭基肥购自沈阳隆泰生物工程有限公司，养分N、P2O5、K2O含量分别为24%、10%、10%，尿素氮含量为46%。磷、钾肥作为底肥一次性施入，全生育期各处理施用量均为157.5 kg/hm2。为保证P2O5和K2O小区平衡，使用过磷酸钙（P2O5含量12%）和硫酸钾（K2O含量50%）补足。每个小区长6.5 m，宽3.6 m，行距60 cm，株距24.7 cm，设定密度为67 500 株/hm2，设置2个保护行。其他田间管理措施同当地中高产田管理措施，定期浇水除草防治病虫害。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 玉米植株干物质积累量

于玉米吐丝期及成熟期每小区选取具有代表性植株3株，按叶、茎部（包括茎秆、叶鞘、苞叶和穗轴）、籽粒分装，于 105 ℃ 杀青60 min，在85 ℃烘干至恒重，冷却后称重。

1.3.2 玉米植株含氮量

玉米吐丝期及成熟期每个小区取具有代表性植株3株，按叶、茎部（包括茎秆、叶鞘、苞叶和穗轴）、籽粒分装，于105 ℃杀青 60 min，在85 ℃烘干至恒重，冷却后称取干物质量。将烘干样品粉碎后过100目筛，使用浓硫酸消煮，用凯氏定氮仪测含氮量，根据干重计算氮素积累量。

营养器官干物质转运量=吐丝期营养器官干物质积累量－成熟期营养器官干物质积累量；

营养器官干物质转运率=（营养器官干物质转运量/吐丝期营养器官干物质积累量）×100%；

营养器官干物质转运对籽粒的贡献率=（营养器官干物质转运量/籽粒干物质量）×100%；

营养器官氮素转运量=吐丝期营养器官氮积累量-成熟期营养器官氮积累量；

营养器官氮素转运率=（营养器官氮转运量/吐丝期营养器官氮积累量）×100%；

营养器官氮素转运贡献率=（氮转运量/籽粒氮积累量）×100%；

氮素吸收利用率=籽粒产量/植株氮总积累量；

氮肥农学效率=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量；

氮肥利用率=［（施氮区植株氮总积累量-无氮空白区植株氮总积累量）/氮肥施用量］×100%；

氮肥偏生产效率=施氮区产量/施氮量。

1.3.3 数据分析与统计

采用Microsoft Excel 2019进行数据计算，SPSS 25. 0 统计软件进行方差和相关性分析，Origin 2018作图软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥类型与施氮量对玉米干物质积累的影响

由表1可知，氮肥类型和施氮量均极显著影响玉米吐丝期各器官干物质积累（P<0.01），氮肥类型极显著影响成熟期玉米茎部、叶片及整株总干物质积累，但对籽粒干物质积累影响不显著，而施氮量极显著影响玉米成熟期各器官干物质积累。由图1可知，以尿素为供氮源，吐丝期各施氮处理干物质积累量均显著高于UN0处理，其中以UN4处理总量最高，UN2和UN3处理间差异不显著。成熟期各施氮处理干物质积累均显著高于UN0处理，以UN3处理最高，但与UN4处理差异不显著，可以看出，当施氮量达到405 kg/hm2后再增加施氮量，干物质积累不再随着施氮量的增加而显著增加。以炭基肥为供氮源，吐丝期各施氮处理干物质积累均显著高于BN0处理，其中以BN3处理总量最高，BN2和BN3处理间差异不显著。成熟期各施氮处理干物质积累均显著高于BN0处理，以BN3处理最高，但与BN4处理差异不显著，说明当施氮量达到 405 kg/hm2 后再增加施氮量，干物质积累量不再随着施氮量的增加而显著增加。不同氮肥类型之间，炭基肥处理较尿素处理吐丝期叶、茎、总干物质积累量平均下降了11.14%、13.11%、12.67%，成熟期炭基肥处理总干物质积累量较尿素处理下降了6.72%，但对籽粒干物质积累量没有明显影响。

2.2 氮肥类型与施氮量对玉米干物质转运的影响

由表2可知，氮肥类型能够显著或极显著影响玉米茎部和整株的干物质转运量、转运贡献率，但对于玉米叶片干物质转运量、干物质转运率、干物质转运贡献率的影響不显著；施氮量能够极显著影响玉米各营养器官干物质转运量、玉米茎部和整株干物质转运率、茎部和整株的干物质转运贡献率，但对于叶片的干物质转运率、干物质转运贡献率影响不显著。

由表3可知，以尿素为供氮源，施氮对玉米各营养器官干物质转运量增幅效果表现为茎部>叶片。

各施氮处理叶片、茎部和整株干物质转运量均高于UN0处理，均以UN4处理最高，尤其是叶片的干物质转运量显著高于其他处理，但UN1、UN2、UN4处理间茎部的转运量差异不显著；UN1与UN2处理的整株干物质转运量差异不显著。玉米叶片干物质转运率表现为UN4处理最高；各施氮处理茎部和整株的干物质转运率均显著高于UN0处理，均以UN1处理最高，但各施氮处理间差异不显著。玉米叶片干物质转运贡献率表现为各施氮处理均显著高于UN0处理，以UN4处理最高，但除UN4处理外，其他3个施氮处理间差异不显著；茎部和整株干物质转运贡献率表现为各施氮处理均显著高于UN0处理，以UN1处理最高。以炭基肥为供氮源，施氮对玉米各营养器官干物质转运量增幅效果表现为茎部>叶片，各施氮处理叶片、茎部、整株干物质转运量均高于BN0处理，其中叶片以BN1处理最高，但各施氮处理之间差异不显著；茎部和整株均以BN2处理最高，茎部各施氮处理间差异显著。玉米叶片干物质转运率表现为BN1处理最高，各处理间差异不显著；各施氮处理茎部和整株干物质转运率均显著高于BN0处理（整株的BN1处理除外），除BN1外各施氮处理间差异不显著，以BN2处理最高，各施氮处理茎部干物质转运率较BN0处理提高了43.16%～220.52%。玉米叶片干物质转运贡献率表现为各处理之间差异不显著，以BN1处理最高；茎部和整株干物质转运贡献率表现为各施氮处理均显著高于BN0处理，以BN2处理最高，整株的BN3与BN4处理间没有显著性差异。不同氮肥类型之间，尿素处理与炭基肥处理相比，叶片的干物质转运量、转运贡献率的均值差异不明显，茎部干物质转运量均值提高了20.88%、干物质转运贡献率均值提高了23.36%，整株干物质转运量均值提高了17.44%、干物质转运贡献率均值提高了16.89%。

2.3 氮肥类型与施氮量对玉米氮素积累的影响

由表4可知，氮肥类型和施氮量均极显著影响玉米吐丝期各器官氮素积累，氮肥类型极显著影响成熟期玉米茎部、叶片的氮素积累，但对籽粒和整株的氮素积累影响不显著，而施氮量均極显著影响玉米成熟期各器官氮素积累。

由图2可知，以尿素为供氮源，吐丝期各施氮处理各器官的氮素积累值均表现为茎部>叶片，吐丝期玉米叶片和茎部氮素积累各施氮处理均显著高于UN0处理，以UN4处理最高。成熟期各施氮处理氮素积累量均表现为茎部>叶片，各施氮量处理氮素积累均显著高于UN0，以UN4处理最大，当施氮量达到405 kg/hm2后再增加施氮量，氮素积累不再随着施氮量的增加而显著增加。以炭基肥为供氮源，吐丝期各施氮处理氮素积累量均表现为茎部>叶片，吐丝期玉米叶片、茎部氮素积累各施氮处理均明显高于BN0处理，以BN3处理最高。成熟期各施氮处理氮素积累量均表现为茎部>叶片，各施氮处理玉米植株氮素积累均显著高于BN0处理，以BN3处理最高，当施氮量达到405 kg/hm2后再增加施氮量，氮素积累随着施氮量的增加反而下降。不同氮肥类型之间，尿素较炭基肥提高了吐丝期玉米叶片、茎部、总氮素积累及成熟期玉米叶片、茎部氮素积累，但对籽粒氮素积累及总氮素积累没有明显影响。

2.4 氮肥类型与施氮量对玉米氮素转运的影响

由表5可知，氮肥类型与施氮量均能显著或极显著影响玉米各营养器官氮素转运量、氮素转运率以及氮素转运贡献率。

由表6可知，以尿素为供氮源，施氮对玉米各营养器官氮素转运量增幅效果表现为茎部>叶片，各施氮处理叶片和整株氮素转运量均显著高于UN0处理，其中以UN4处理最高；茎部氮素转运量均显著高于UN0处理，以UN2处理最高。各施氮处理玉米叶片、茎部和整株氮素转运率均显著高于UN0处理，其中叶片以UN4处理最高，茎部各施氮处理之间差异不显著，以UN2处理最高，整株以UN4处理最高，UN2处理次之，但二者之间没有显著性差异。玉米叶片、茎部和整株氮素转运贡献率表现为各施氮处理均显著高于UN0处理，其中叶片以UN4处理最高，茎部以UN2处理最高，整株以UN4处理最高，但除UN3处理外的各施氮处理间差异不显著。以炭基肥为供氮源，施氮对玉米营养器官氮素转运量增幅效果表现为茎部>叶片，各施氮处理叶片、茎部和整株氮素转运量均显著高于BN0处理，其中以BN3处理最高。玉米叶片氮素转运率表现为BN3处理最高；各施氮处理茎部和整株氮素转运率均显著高于BN0处理，以BN2或BN3处理最高，且BN2、BN3处理之间没有显著差异。玉米叶片、茎部和整株氮素转运贡献率表现为各施氮处理均显著高于BN0处理，其中叶片以BN3处理最高；茎部和整株以BN2处理最高，BN3处理次之。不同氮肥类型间，尿素处理与炭基肥处理相比，茎部氮素转运量均值提高了20.88%，叶片氮素转运量均值下降了2.51%，玉米整株氮素转运量均值提升了17.45%；茎部氮素转运率均值提高了11.67%，叶片氮素转运率均值下降了12.32%，玉米整株氮素转运率均值提高了7.28%；茎部氮素转运贡献率均值增加了21.36%，叶片氮素转运贡献率均值增加了7.76%，玉米整株氮素转运贡献率均值增加了16.89%。

2.5 氮肥类型与施氮量对玉米氮素吸收利用的影响

由表7可知，氮肥类型极显著影响氮肥利用率，而对氮素吸收利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产效率的影响未达到显著水平，而施氮量对氮素吸收率、氮肥农学效率、氮肥偏生产效率、氮肥利用率均具有极显著影响。

由表8可知，以尿素为供氮源，玉米氮素吸收利用率随施氮量增加而呈现逐渐减小的趋势，以UN0处理氮素吸收利用率最大；氮肥农学效率总体随施氮量的增加而减小，其他施氮处理较UN1处理下降了22.82%～44.45%；随着施氮量增加，玉米氮肥偏生产效率不断减小，各施氮处理较BN1处理下降了45.58%～66.72%，氮肥利用率以BN1处理最高。以炭基肥为供氮源，玉米氮素吸收利用率以BN2处理最高；氮肥农学效率随施氮量的增加总体呈降低趋势，各施氮处理较BN1处理下降了24.89%～42.65%；随着施氮量增加，玉米氮肥偏生产效率逐渐减小，各施氮处理较BN1处理显著下降了44.58%～66.52%，氮肥利用率以BN3处理最高。不同氮肥类型之间，尿素处理的平均氮肥利用率较炭基肥处理增加了66.20%，而氮素吸收利用率、氮肥农学效率、氮肥利用率均无明显影响。

3 讨论

干物质积累对于籽粒产量形成具有重要意义，增施氮肥能够显著提高营养器官干物质积累量，并在一定范围内随着施氮量的增加而增加［17-18］。孟令义等的研究表明，在开花期，相同施氮量下炭基肥与常规化肥相比，其叶片干物质积累量下降了27.60%，总干物质积累量下降了3.87%，在成熟期炭基肥处理总干物质积累量较常规化肥下降了17.46%［19］。本试验结果表明，施氮均能显著影响玉米吐丝期茎、叶、总干物质积累量及成熟期玉米茎、叶、籽粒、总干物质积累量，炭基肥处理较尿素处理吐丝期叶、茎、总干物质积累量平均下降了11.14%、13.11%、12.67%，成熟期炭基肥处理总干物质积累量较尿素处理下降了6.72%。进入灌浆期后，干物质积累再分配能够提高籽粒产量，农业上通过提高营养器官干物质转运能力和干物质积累量来实现作物增产［20］。适宜的施氮量能够促进玉米干物质向籽粒转运［21］。有研究表明，在一定范围内，玉米整株干物质转运量、转运率及籽粒贡献率逐渐提高［22］。本研究结果表明，施氮能够提高玉米干物质转运能力，在施氮量为0～270 kg/hm2时，玉米整株干物质转运量随着施氮量的增加而增加，而整株干物质转运率、干物质转运贡献率则是先显著增加后略微降低；尿素处理较炭基肥处理玉米整株总干物质转运量均值提高了17.44%，干物质转运贡献率均值提高了16.89%，但干物质转运率没有明显差异。

氮素对提高玉米产量具有重要作用，籽粒中的氮素来源于吐丝期营养器官中的氮素及吐丝后的氮素同化积累［23］。施氮量能够显著影响玉米氮素积累，有研究表明，适宜的施氮量能够提高玉米植株氮素积累和氮素转运量，提高氮素转运效率［24-26］。本试验表明，施氮量能够显著提高氮素积累量，尿素处理较炭基肥处理提高了吐丝期玉米叶片、茎部、总氮素积累量及成熟期玉米叶片、茎部氮素积累量，但对籽粒及总氮素积累量没有明显影响。在0～405 kg/hm2的范围内，各施氮处理的玉米各器官氮素转运率、氮素转运量、氮素转运对籽粒的贡献率均明显高于N0处理，尿素处理较炭基肥处理氮素转运量、氮素转运率及对籽粒的贡献率均有所提高。氮素吸收利用效率和氮肥偏生产力随施氮量的增加而下降［27］。孙全平等的研究表明，在同等施氮条件下，常规化肥氮素利用率最高，而适量减少氮素施用，增加生物炭可以提高氮素利用率［7］。本研究表明，在同一氮肥类型下，随着施氮量的增加，氮肥偏生产均显著下降，氮肥农学效率和氮肥利用率整体也呈现下降趋势但在施氮量 405 kg/hm2 时有所提高。尿素处理下的氮素吸收利用率随施氮量的提高而显著下降，但炭基肥处理下氮素吸收利用率并无明显规律。不同氮肥类型下，炭基肥氮素吸收利用效率略高于尿素处理，而氮肥农学效率、氮肥偏生产效率、氮肥利用率均减小，尿素较炭基肥氮肥利用率极显著增加了66.20%，而氮素吸收利用率、氮肥农学效率、氮肥利用率均无明显差异。

4 结论

炭基肥可以提高玉米干物质及氮素积累。施氮能够提高吐丝期和成熟期干物质积累量，炭基肥处理较尿素处理吐丝期叶、茎、整株平均干物质积累量分别下降了11.14%、13.11%、12.67%，成熟期炭基肥处理总干物质积累量较尿素处理下降了6.72%。尿素处理较炭基肥玉米植株总干物质转运量均值提高了17.44%、对籽粒贡献率均值提高了16.89%，但干物质转运率没有明显差异。施氮量能够显著提高玉米吐丝期和成熟期各器官氮素积累量，尿素处理较炭基肥处理提高了吐丝期总氮素积累量及成熟期茎、叶氮素积累量，但对籽粒及总氮素积累量没有明显影响。在同一氮肥类型下，氮肥偏生产效率随着施氮量的增加均显著下降，氮肥农学效率和氮肥利用率整体也呈现下降趋势但在施氮量405 kg/hm2时有所提高。尿素处理下的氮素吸收利用率随施氮量的提高而显著下降。不同氮肥类型下，炭基肥氮素吸收利用效率略高于尿素处理，而氮肥农学效率、氮肥偏生产效率、氮肥利用率均略有减小，尿素较炭基肥氮肥利用率极显著增加了66.20%。

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