深松配施氮肥对土壤微生物含量及玉米产量和氮素利用效率的影响

常青 周生 吴中凯

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.011

摘要：于2019—2020年开展2种耕作方式（深松、旋耕）和施氮水平（0、60、120、180、240 kg/hm2）试验，研究耕作方式和氮肥用量对玉米产量及氮肥利用效率的影响。结果表明，同一耕作方式下，玉米关键生育时期地上部生物量随施氮量的增加而升高，总体表现为N0＜N1＜N2＜N3≈N4。耕作方式和施氮量均显著影响玉米籽粒产量和氮素利用效率，且两者互作效应显著。2019年和2020年深松条件下玉米籽粒产量分别比旋耕高4.48%和5.25%；2019年、2020年深松条件下玉米的氮肥利用率比旋耕处理分别提高13.46%、12.87%。在相同耕作模式下，2个试验年份N3与N4处理的籽粒产量差异不显著，但与N0、N1、N2处理多呈显著性差异，各施氮处理表现为 N3>N4>N2>N1>N0。吐丝期各器官对氮素的吸收依次为叶片>籽粒>茎秆>穗轴，生理成熟期对氮素的吸收依次为籽粒>叶片>茎>穗轴。2种耕作方式的玉米氮素回收率相似，但深松条件下的氮肥偏生产力较旋耕处理提高14.10%。不同耕作方式和年份下，N3处理的氮素回收率分别比N1、N2、N4处理提高了132.81%、38.26%、11.84%。因此，深松条件下配施氮肥 180 kg/hm2 是提高华北地区玉米产量和氮素利用效率的最优组合。

关键词：玉米；耕作方式；施氮量；产量；氮肥利用效率

中图分类号：S513.06  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）10-0083-08

收稿日期：2023-07-22

基金项目：国家自然科学基金（编号：31700270）。

作者简介：常  青（1972—），女，河南南乐人，副教授，从事作物生物学研究。E-mail：13781377099@163.com。

土壤退化是全球范围内的主要环境问题之一［1］。土壤环境的恶化主要是由不利的自然因素和人类不合理的土地利用所引起的［2］，导致土壤质量和生产力下降［1］。随着人口不断增长，对粮食的需求将持续增加，土壤退化导致的生产力下降不利于粮食安全。耕作措施是构建合理耕层结构、提高土地生产力的重要举措［3］。合理耕作可以改善土壤结构和理化性质、提高土地生产力［4］。有关学者研究表明，深松可以显著提高耕层和根际微生物数量、微生物多样性和土壤储水能力［5］，为根系发育创造理想条件，有效延缓作物衰［6］，实现产量的提升。也有学者研究表明，以旋耕为代表的耕作技术因其操作简单、能耗低而大面积应用［7-8］，但长期旋耕会引起耕层变浅、深层土壤容重上升等问题［9］。 氮素是玉米生长发育的关键性元素，对其生理特性和产量形成有着很大的影响［10］。玉米是华北地区最重要的粮食作物之一，提高玉米产量的主要途径是依靠田间管理和化肥的施用，尤其是氮肥［11］。合理施氮在玉米产量构成因素中起着重要作用［12］。然而，种植户为提高玉米产量经常过量施用氮肥，导致氮肥利用效率低，生产成本高，环境污染严重［12］。在华北玉米主产区，尽管玉米的平均施氮量为263 kg/hm2［12］，远高于Liu等推荐的 180 kg/hm2［15-16］，而当氮肥用量大于240 kg/hm2时，玉米的氮肥利用率可降至14.4%［17］。农田过量施用化肥后，土壤会通过氨挥发、淋滤、硝化、反硝化等氮迁移和转化途径流失［13］。过度使用化肥会造成严重的负面影响，人们越来越关注最佳化肥施用量减少对环境的影响［18］。因此，探索合理的耕作措施和适宜的氮肥用量对作物高产稳产和耕地保护具有重要意义。

目前诸多学者针对单一耕作方式与施氮量对玉米产量形成的影响进行了研究，但对华北地区耕作方式与施氮量组合对土壤微生物量、玉米产量和氮素利用率影响的研究相对较少。因此，本研究开展2年田间定位试验，旨在探明耕作方式和施氮量对土壤微生物量、玉米产量和氮素利用效率的影响，以期对2种耕作方式的增产效应和合理的施用量做出客观评价，为华北地区玉米高产稳产和控释肥的应用提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验分别于2019年、2020年在河南省农业科学院试验基地（39°53′N，113°10′E）开展。该地区属于暖温带半湿润性季风气候，年平均日照时间为 2 331.8 h，日照充足；年平均温度为13.7 ℃；年平均降水量约为647.3 mm，主要集中在7—8月，占全年降水量的51.4%。试验地供试土壤为黄褐土，其试验地耕层0～20 cm初始土壤的理化性质详见表1。

1.2  试验设计

试验设置2种耕作方式和4个施肥水平。2种耕作方式为旋耕（R）和深松（S），深松耕作深度为35～40 cm，旋耕耕作深度为10～15 cm。氮肥施用量分别为60（N1）、120（N2）、180（N3）、240（N4）kg/hm2。以不施氮肥处理为对照（CK）。本试验共设9个处理：CK、RN1、RN2、RN3、RN4、SN1、SN2、SN3、SN4。小区面积为46 m2 （4.6 m×10 m），种植密度55 000株/hm2，重复3次。氮肥类型为树脂包膜缓释肥，100%包膜氮素含量为46.0%，磷肥为过磷酸钙（P2O5含量≥44%），钾肥为硫酸钾（K2O含量≥60%）。种植前所有处理氮肥、磷肥（150 kg/hm2）和钾肥（100 kg/hm2）全部基施。分别于2019年4月27日和2020年4月28日种植，于2019年10月12日和2020年10月14日收获。

1.3  测定指标与方法

1.3.1  土壤微生物数量

在玉米收获期采用土钻采集土壤深度0～40 cm的样品，将新鲜土壤样品装入无菌袋于4 ℃保存，用于微生物培养及计数。采用稀释平板涂布培养计数法对土壤中可培养微生物数量进行测定。其中，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马丁氏孟加拉红琼脂培养基，放线菌采用高氏Ⅰ号培养基，纤维素分解菌采用哈金森培养液平板计数法分析，每个处理重复3次。

1.3.2  植株氮浓度及产量

在玉米拔节期、抽雄期、吐丝期和生理成熟期，每个试验小区随机采集3株植株，分为茎（包括鞘、茎和苞片）、叶、穗轴和籽粒，采用干燥称重法对各器官干物质重进行测定，最后折算成玉米植株地上部干物重，即干物质积累量。将各处理的干样粉碎、研磨和过筛，采用微量凯氏定氮法测定各器官氮浓度，最后折算成玉米植株地上部氮浓度。在收获期，每个小区随机选取玉米果穗10个，带回实验室测定玉米产量构成因素（穗数、穗粒数和千粒重）。

1.4  统计分析

采用双因素方差分析（ANOVA）分析各指标间的差异。采用最小差异（LSD）检验在0.05显著水平上检验各处理间的差异。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）对每个指标进行比较。分别使用SPSS 22.0和Origin 2019软件进行统计分析和绘图。

2  结果与分析

2.1  耕作方式及施氮量对土壤微生物数量的影响

由表2可知，耕作方式对土壤真菌数量和放线菌数量均有极显著影响，对土壤细菌和纤维素菌数量无显著影响；施氮量对土壤微生物数量均有极显著影响；耕作方式和施氮量二者互作对土壤真菌数量和放线菌数量有极显著影响，而对土壤细菌和纤维素菌数量影响不显著。同一耕作方式下，土壤细菌数量随氮肥用量的增加呈先增后降的趋势。与N0相比，旋耕条件下N1、N2、N3和N4处理的年均土壤细菌数量分别增加了57.57%、85.75%、96.02%和91.08%。深松条件下N1、N2、N3和N4处理的年均土壤细菌数量比N0分别增加了40.41%、81.53%、104.40%和99.78%。从各施氮量的平均值来看，2年深松条件下土壤真菌数量分别比旋耕条件下平均增加24.05%和11.33%。与旋耕相比，深松条件下N1、N2、N3和N4处理的年均土壤真菌数量分别增加27.36%、14.82%、22.02%和10.55%。从各施氮量的平均值来看，2年深松条件下土壤放线菌数量分别比旋耕处理高20.46%和22.84%。与旋耕相比，深松条件下N1、N2、N3、N4处理的年均土壤放线菌数量分别增加15.61%、31.67%、19.48%和19.72%。与N0相比，深松条件下N1、N2、N3和N4处理的年均土壤纤维素菌数量分别增加91.99%、140.38%、149.68%和137.50%；旋耕条件下N1、N2、N3和N4处理的年均土壤纤维素菌数量分别增加78.14%、127.24%、161.65%和154.84%。

2.2  耕作方式及施氮量对玉米干物质积累的影响

由表3可知，耕作方式和施氮量对玉米全生育期干物质积累（DMA）均有极显著影响；但二者交互作用仅对抽雄期和吐丝期DMA产生显著或极显著影响。同一耕作方式下，玉米干物质积累量随着生育进程的推进呈逐渐上升趋势，但随施氮量的增加呈先增后减的趋势。不同耕作方式间DMA的差异在生理成熟期大于吐丝期。从各施氮量的平均值来看，2019年和2020年生理成熟期的DMA深松比旋耕高4.39%和6.27%。在相同耕作方式下，2年N3与N4处理的总生物量差异性不显著，但与N1、N2处理均呈显著性差异，说明过量施氮抑制了玉米群体干物质生产。

2.3  耕作方式及施氮量对玉米产量及构成因素的影响

由表4可知，耕作方式和施氮量对玉米产量、穗粒数、百粒重和收获指数均有极显著影响。耕作方式与施氮量二者交互作用对产量和百粒重也产生极显著的影响，而对穗粒数和收获指数无显著影响。所有施肥处理均能提高玉米籽粒产量，产量随氮肥施用量的增加呈先增加后降低的趋势。从各施氮量的平均值来看，2019年和2020年深松处理的籽粒产量分别比旋耕高4.48%和5.25%。在相同耕作方式下，2019年和2020年N3与N4处理的籽粒产量差异不显著，但多与N1、N2处理呈显著性差异，说明过量施氮抑制了玉米产量的形成。从各施氮量的平均值来看，2019年和2020年深松处理的穗粒数分别比旋耕提高5.01%和1.96%。与旋耕相比，深松处理N1、N2、N3和N4处理下年均穗粒数分别增加2.52%、5.94%、2.43%、3.13%。从各施氮量平均值来看，2019年和2020年深松处理的百粒重分别比尿素高0.92%和1.55%。与旋耕相比，深松处理N1、N2、N3和N4处理年均百粒重分别提高1.94%、0.45%、1.58%、1.02%。从各施氮量平均值来看，2019年和2020年深松处理的收获指数分别比旋耕处理高0.72%和0.91%。在相同耕作方式下，2年N3和N4处理的收获指数差异不显著。

2.4  耕作方式及施氮量对吐丝期和生理成熟期的氮素吸收的影响

由表5可知，耕作方式显著或极显著影响吐丝期和生理成熟期各器官（籽粒除外）对氮素的吸收；施氮量对各器官吐丝期和生理成熟期的氮素吸收均有极显著影响；耕作方式和施氮量二者交互作用仅对吐丝期穗轴氮素吸收有极显著影响，而对其他器官氮素吸收均无显著影响。吐丝期植株全氮吸收量随施氮量的增加而增加，相同施氮量下，深松处理植株全氮吸收量高于旋耕处理。就年均值而言，深松处理吐丝期植株氮素总吸收量为76～148 kg/hm2，旋耕处理为75～156 kg/hm2。同样，深松处理在生理成熟期的植株全氮吸收值（90～184 kg/hm2）比旋耕 （85～181 kg/hm2）高。吐丝期各器官对氮素的吸收依次为叶片>籽粒>茎秆>穗轴，生理成熟期对氮素的吸收依次为籽粒>叶片>茎>穗轴。

2.5  耕作方式及施氮量对氮素利用效率的影响

由表6可知，耕作方式对氮素利用率和氮肥偏生产力产生极显著影响，对氮素回收率无显著影响；施氮量对氮素利用效率、氮素回收率和氮肥偏生产力均有极显著影响；耕作方式和施氮量二者交互作用对氮素回收率无影响，但对氮素利用率和氮肥偏生产力产生显著或极显著影响。从各氮肥施用量和年份的均值来看，2019年、2020年深松处理的氮肥利用率比旋耕处理分别提高了13.46%和12.87%。在所有氮肥施用量中，N3处理的氮肥利用率最高。不同耕作方式和年份下，N3处理的氮肥利用率分别比N1、N2、N4处理提高了27.77%、109.63%、62.01%。从各氮肥施用量和年份的均值来看，深松和旋耕处理的氮素回收率相似，但氮肥偏生产力表现为深松处理高于旋耕处理。从不同耕作方式下各施氮量处理的平均值来看，深松条件的氮肥偏生产力较旋耕处理提高14.10%。不同耕作方式和年份下，N3处理的氮素回收率分别比N1、N2、N4处理提高了132.81%、38.26%、11.84%。

2.6  相关性分析

玉米干物质积累量、籽粒产量、产量组成、土壤微生物指标、植株不同器官氮素吸收与肥料利用效率的相关性如表7所示。生理成熟期干物质积累与籽粒产量关系的相关系数（r=0.97）大于吐丝期（r=0.88）。玉米籽粒产量与土壤细菌数量（r=0.89）、真菌数量（r=0.88）、放线菌数量（r=0.80）和纤维素菌数量（r= 0.74）均呈极显著相关。特别是玉米籽粒产量与植物各器官吐丝期和生理成熟期氮素吸收均呈极显著相关，其中，吐丝期氮素吸收以叶的相关性最强（r=0.93），而生理成熟期氮素吸收以籽粒的相关性最强（r=0.96）。产量与氮素回收率（r=0.95）和氮素偏生产率（r=0.76）均呈极显著相关，而与氮素利用率无相关性。在籽粒产量构成因素中也表现出类似的结果。植物各器官吐丝期和生理成熟期氮素吸收与土壤细菌、真菌、放线菌、纤维素菌数量均呈显著或极显著相关，其相关系数为0.53～0.89。

3  讨论

土壤微生物在农业可持续发展、土壤生态系统物质循环和能量转换中发挥着重要作用［19］。本研究结果表明，除细菌数量和纤维素菌数量外，耕作方式和氮肥施用量对土壤微生物群落结构均有显著影响。其中，土壤真菌和放线菌数量与耕作方式和施氮量之间存在极显著的交互作用。之前的研究也表明，深松有利于土壤微生物群落的发育［20］。本研究表明，玉米籽粒产量与土壤真菌数量和土壤放线菌数量呈极显著正相关，原因可能是深松通过增加土壤微生物数量来改善土壤结构和土壤生态系统的可持续性，从而提高作物产量［21］。

在农业生产中，耕作措施通过调节土壤通气性、孔隙度等物理性质来影响土壤养分状况和作物生境，最终影响作物产量［22］。在大量研究中，保护性耕作可以提高土壤肥力［23］，保持玉米产量［24］，并保证增产［25］。本研究表明，当氮肥用量相同时，深松处理的玉米干物质积累量、籽粒产量及其构成因素总体高于旋耕，这与前人的研究结果［26］一致，可能是由于深松提高了土壤团聚体有机碳含量和土壤肥力，改善土壤孔隙条件，增加渗透性，有利于作物根系在深层土壤中的分布，促进养分和水分的利用，有利于干物质的积累和作物产量的提高［24-25］。在本研究中，耕作方式与施氮量对玉米籽粒产量及百粒重具有极显著的双向交互作用。在相同施氮量下，深松处理玉米籽粒产量高于旋耕处理。

同一耕作类型下，施氮180、240 kg/hm2对玉米产量无显著影响，这一现象表明，当施肥量超过一定阈值时，玉米无法继续吸收和利用氮素［27］。耕作可影响土壤水分等生态环境，进而与氮肥互作影响玉米产量形成。在本研究中，深松条件下配施氮肥用量180 kg/hm2是提高玉米籽粒产量的最佳耕作与氮肥组合。其原因是深松配合树脂包膜缓释肥较翻耕改善了土壤生态环境，促进了作物根系和地上部生长发育，表现出显著的增产潜力，这些结果与前人的研究结论［26］一致。

在本研究中，玉米干物质积累量与籽粒产量呈极显著正相关，特别是生理成熟期干物质积累与籽粒产量关系的相关系数大于吐丝期。综上所述，生理成熟期干物质积累量对玉米产量的影响大于吐丝期前干物质积累对产量的影响，这一结论与前人研究结果不一致。相关研究表明，从拔节到吐丝阶段是玉米吸收水分和养分最敏感的时期［28］，这可能是因为本研究关注的是玉米的产量，而前人的研究关注的是玉米的生长，也可能与干物质积累在吐丝和生理成熟过程中的重要作用有关。干物质积累和氮素吸收从营养器官向籽粒转移的来源是拔节和吐丝期之间的干物质积累［29］。前人研究表明，植株氮素吸收与作物需水量之间存在高度相关性，植物氮素吸收与干物质积累之间也存在很强的相关性［30］。本研究结果表明，玉米籽粒产量与植株各器官氮素吸收量有较强的相关性（表6）。类似的结果表明，植株吸收和积累的氮越多，对籽粒产量的贡献就越大［31］。植株氮素吸收与籽粒产量的相关系数随营养器官的不同而不同，叶片和茎的相关系数高于穗轴（表6）。综上所述，通过基因筛选，在玉米成熟前筛选出叶片和秸秆中氮吸收较高的基因型可能是一种新的途径。

在本研究中，深松处理的氮肥利用率高于旋耕处理，并且同一耕作方式下，N4处理的氮肥利用率低于N3处理，但耕作方式与施氮量之间的互作效应显著，可有效提高氮肥利用率。这与前人研究结果一致，说明深松可以在一定施氮范围内减缓由于氮肥用量增加所引起的氮利用效率降低等问题。土壤微生物是土壤的重要特征，在土壤肥力和农业可持续发展中发挥着重要作用，被认为是影响土壤肥力和作物产量的决定性因素。本研究发现，植物各器官氮素吸收与土壤真菌数量呈显著或极显著相关。这可能与深松能提高土壤真菌数量，调控植物根系分泌物促进养分吸收和分子信号转导有关［32］。深松处理的根际土壤微生物数量比旋耕处理的土壤微生物数量更活跃［33-34］。根际微生物对植物营养和作物生产更为重要，因为它们会分解土壤有机质，释放可被植物吸收的无机氮、磷和硫［35］。植物根系与根际土壤微生物群落组成之间的关系仍然是研究的一个难点，因为在这个物理封闭、化学复杂和动态的微环境中很难精确量化。然而，了解这些机制对提高氮素吸收和利用具有重要意义。

耕作方式和施氮量不仅对玉米籽粒产量和氮素利用效率有显著影响，而且对植株各器官氮素吸收也有显著影响。深松能促进植株氮素吸收，增加玉米穗粒数，在施氮量相同的情况下，籽粒产量和氮肥利用率均较高。因此，从玉米产量和氮肥利用效率的综合效益考虑，深松条件下配施氮肥用量180 kg/hm2对华北地区玉米农田具有显著的增产稳产作用。

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