旱地農(nóng)田春玉米氮素吸收利用對栽培模式的響應

張洪培，陳迎迎，沈玉芳，李世清

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

旱地農(nóng)田春玉米氮素吸收利用對栽培模式的響應

張洪培1,2，陳迎迎1,2，沈玉芳1,2，李世清2

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

基于長期定位試驗，選取玉米6個關鍵生育期六葉期(V6)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)、生理成熟期(R6)，比較了高產(chǎn)高效栽培模式(HH)與當?shù)貍鹘y(tǒng)栽培模式(LT)之間春玉米氮素吸收利用的差異。結(jié)果表明：(1) HH模式的植株含氮量在V6期(39.3 g·kg-1)顯著高于LT模式(31.9 g·kg-1)，而在V10和R1期則顯著低于LT模式；(2) HH模式在各時期植株氮吸收量均顯著高于LT模式，在R1期前，各器官氮素累積量大小為葉片>莖，R1期后各器官氮素累積量大小為籽粒>葉片>莖>苞葉、穗軸；(3) 兩種栽培模式下，氮素轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移氮素貢獻率均表現(xiàn)為葉片>莖>穗軸>苞葉，但HH模式顯著高于LT模式；(4) HH模式的籽粒產(chǎn)量(15 326 kg·hm-2)和氮肥偏生產(chǎn)力(61.30 kg·kg-1)極顯著高于LT模式，但兩種模式間氮素收獲指數(shù)和氮素利用率差異不顯著。HH模式可促進干物質(zhì)生產(chǎn)和氮肥利用，是有效的黃土旱塬春玉米增產(chǎn)增效栽培模式。

春玉米；旱作農(nóng)田；栽培模式；生育期；氮素累積；氮利用效率

干旱是限制我國農(nóng)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的主要因子[1-2]。在我國北部和西北部，大約70%的農(nóng)田實行旱作雨養(yǎng)制度，有限的水資源嚴重限制了該區(qū)域的糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)[3]。地膜覆蓋能夠顯著降低土壤無效蒸發(fā)，提高植株蒸騰耗水量，還可以通過改變土壤環(huán)境[4]，來影響作物對養(yǎng)分的吸收利用。地膜覆蓋條件下土壤蒸發(fā)量較裸露地表降低24%[5]，而集合了起壟覆膜雙重作用的全膜雙壟集雨溝播種植方式，對降雨的有效截獲可高達85.1%～88.7%[6]，該技術能夠在持續(xù)獲得作物高產(chǎn)的情況下維持土壤水分平衡[7-8]，這對實現(xiàn)旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。

氮素是作物正常生長所必需的最重要的營養(yǎng)元素，氮肥的大量使用對保障世界糧食安全做出了重要貢獻。氮肥和有機肥相搭配可以提高春玉米氮素利用率、農(nóng)學效率[9]。氮肥利用效率表征了作物對由土壤以及肥料等提供的氮素的吸收利用能力。氮肥利用效率包括其它多個指標，每個指標的評價方法也不盡相同，主要有氮肥農(nóng)學效率、氮肥生理效率、氮素表觀回收率和氮肥偏生產(chǎn)力等[10]。氮素吸收累積是作物產(chǎn)量形成的基礎，理解其吸收累積規(guī)律，有助于明確在不同生長發(fā)育階段對氮素的需求[11]。了解春玉米氮素在不同生育期吸收累積規(guī)律是協(xié)同實現(xiàn)作物高產(chǎn)與養(yǎng)分高效利用的有效途徑。本研究以黃土旱塬旱作春玉米農(nóng)田為對象，通過田間試驗，研究不同種植模式下春玉米主要生育期不同器官氮素吸收利用狀況，以及不同栽培模式下土壤氮素平衡。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間定位試驗位于黃土高原中南部陜甘交界處(北緯35°12′，東經(jīng)107°40′，海拔1 200 m)，陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站，該地屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水為584 mm，年均氣溫為9.1℃，全年無霜期171 d，地下水埋深50～80 m，屬高原溝壑地貌，由塬面(占35%)和溝壑(占65%)兩大地貌單元組成，地帶性土壤為黑壚土，質(zhì)地均勻疏松，是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗從2009年開始，每年4月份播種春玉米，9月份收獲，至本研究樣品采集時，已經(jīng)連續(xù)5年[12-14]。本研究樣品采集于2013年春玉米生長季，2013年4月23日播種，9月12日收獲。玉米生育期期間實施定苗、除草及追肥等田間管理措施，不進行人為灌溉。

1.2 試驗設計

本試驗設置兩種栽培模式，高產(chǎn)高效栽培模式(HH)：玉米品種為先玉335，密度85 000 株·hm-2(株距24 cm)，水分管理為全膜雙壟溝(周年覆膜)，寬窄行高低壟(寬60 cm，高5 cm；寬40 cm，高15 cm)，施肥為尿素225 kg·hm-2+有機肥；當?shù)貍鹘y(tǒng)春玉米種植模式(LT)：玉米品種為榆單9號，密度48 000 株·hm-2(株距42 cm)，水分管理為半膜覆蓋(生育期覆膜)，平作，等行距(50 cm)，施肥為尿素200 kg·hm-2。小區(qū)面積：8 m×7 m=56 m2。有機肥采用農(nóng)家牛糞，施用量30 t·hm-2，C/N比20，含氮量為0.28%，相當于83 kg·hm-2，如果可供當季作物利用氮按30%計，相當于增加氮素25 kg·hm-2。LT模式氮肥(含氮量為46%的尿素為氮源)分兩次施用，基肥與種肥(65%)和抽雄期追肥(35%)；HH模式氮肥分三次施用，基肥與種肥(40%)，拔節(jié)期和抽雄期追肥(各30%)。磷肥和鉀肥均為一次施入，磷肥施用量40 kg·hm-2，過磷酸鈣(含P2O512%)為肥源，鉀肥施用量80 kg·hm-2，硫酸鉀(含K2O 45%)為肥源。

生育期采樣標準參考美國廣泛使用的玉米生育期觀測記錄標準[15]，在春玉米主要生育期取樣：六葉期(V6)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)以及完熟期(R6)。在取樣區(qū)中，隨機選取連續(xù)3株玉米，每個生育期交錯選取，取植株時采取整株取樣方式，所取植物樣帶回實驗室進行各項指標測定。

地上部分生物量測定采用烘干稱重法，不同生育期的分布不同，V6和V10期分莖、葉兩部分；R1期分莖、葉、穗三部分；R3、R5、R6期分莖、葉、苞葉、軸、籽粒五部分)。烘干后各部分樣品測定含氮量，計算植株氮素吸收量，生育期結(jié)束，收獲后計算氮肥利用效率。氮素收獲指數(shù)(NHI，%)=籽粒氮素累積量/地上部氮素累積量；氮素利用效率(NUE，kg·kg-1)=籽粒產(chǎn)量/地上部氮素累積量；氮肥偏生產(chǎn)力(PFP，kg·kg-1)=籽粒產(chǎn)量/施氮量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對春玉米含氮量的影響

由表1可以看出，兩種種植模式下，春玉米植株的總含氮量呈現(xiàn)從高到低的發(fā)展趨勢。V6時期HH模式種植的春玉米植株含氮量最高，為39.3 g·kg-1，極顯著高于LT種植模式；而在V10和R1時期，HH模式春玉米植株含氮量卻顯著低于LT模式；R3、R5和R6時期兩種種植模式之間春玉米植株含氮量差異不顯著。兩種種植模式下，春玉米的各主要器官含氮量的變化趨勢相似，均隨著春玉米的生長呈現(xiàn)下降趨勢(圖1)。春玉米葉片含氮量在V6時期最高(32.1～40.3 g·kg-1)，隨后呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，在R6時期含氮量下降到最低(17.7～18.2 g·kg-1)；莖稈的含氮量變化趨勢與葉片相似，在V6時期最高(31.5～37.6 g·kg-1)，在R6時期降低到最低(5.3～6.1 g·kg-1)。苞葉、穗軸及籽粒的含氮量在R3時期最高，分別是7.2～8.6 g·kg-1、12.3～13.6 g·kg-1、28.0～20.8 g·kg-1，到R5時期迅速下降，到R6時期下降緩慢或者基本不變?？偟膩砜矗诖河衩識1期前，各器官的含氮量大小為葉片>莖，在R1期后，春玉米各器官的含氮量大小依次為葉片>籽粒>莖、苞葉、穗軸，不同的栽培模式對春玉米各器官的含氮量影響不顯著。

表1 不同栽培模式對春玉米植株含氮量的影響/(g·kg-1)

注：不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著水平達到5%；LT—當?shù)貍鹘y(tǒng)栽培，HH—高產(chǎn)高效栽培；下同。

Note: in the same column different letters following the means indicate significant difference at 5%; LT—local traditional treatment, HH—high-efficiency treatment; the same below.

圖1 不同栽培模式對春玉米各器官含氮量的影響

Fig.1 Effect of different cultivation patterns on the nitrogen content of the spring maize organs

注：誤差棒表示平均值的標準差(n=3)，下同。 Note: error bars indicate deviations of the mean (n=3), the same below.

2.2 不同栽培模式對春玉米生育期氮素吸收轉(zhuǎn)移的影響

2.2.1 春玉米植株氮素吸收情況 從圖2可以看出，春玉米氮素吸收量隨著生育期的推進而增加。R1時期前增加迅速，而后增加速度減慢，其增長趨勢符合指數(shù)模型，HH模式指數(shù)曲線方程為y=152.9Ln(x)+22.33，R2=0.993，LT模式指數(shù)曲線方程為y=108.84Ln(x)-5.6418，R2=0.9575。

春玉米不同生育期HH模式的植株氮吸收量均高于LT模式，且均達到極顯著水平，V6時期HH春玉米氮素吸收量較LT模式高62.5%，R1時期春玉米氮素吸收量較LT高91.5%，R6時期春玉米氮素吸收量較LT高36.8%。可見，HH種植模式較LT種植模式能顯著促進春玉米對氮素的吸收。

圖2 不同栽培模式對春玉米植株氮素吸收量的影響

Fig.2 Effect of cultivation patterns on the nitrogen uptake of spring maize

2.2.2 春玉米各器官氮素累積與分配 圖3反映了不同栽培模式對春玉米各器官氮素累積與分配的影響。本試驗年兩種植模式下各器官氮素累積分配的規(guī)律基本一致。隨著春玉米的生長，各器官氮素累積量變化有差異。葉片和莖的氮素累積量先增加后降低，在R1期達到最大，LT和HH模式葉片氮素累積量分別為57.91、119.15 kg·hm-2，但不同生育期，兩個模式的葉片氮素累積量差異均達到顯著水平。R1時期莖的氮素累積量分別是37.03、64.92 kg·hm-2，差異顯著。苞葉和穗軸的氮素累積量在R3到R5時期迅速下降，R5到R6時期下降緩慢或者基本不變；不同處理間差異不顯著。籽粒的氮素累積量R6時期達到最大，分別為142.47、186.31 kg·hm-2，隨著春玉米的生長差異越來越顯著?？傮w看，在R1期前，各器官氮素累積量大小為葉片>莖，R1期后各器官氮素累積量大小為籽粒>葉片>莖>苞葉、穗軸。

圖3 不同栽培模式對春玉米各器官氮素累積與分配的影響

Fig.3 Effect of cultivation patterns on the nitrogen accumulation and partitioning of the spring maize organs

2.2.3 春玉米各器官氮素轉(zhuǎn)移和利用 如圖4所示，兩種種植模式下氮素轉(zhuǎn)移量在不同植株器官不同，從高到低依次為葉片>莖>穗軸>苞葉。葉片的氮素轉(zhuǎn)移量最高，LT和HH模式分別為25.32 kg·hm-2和69.05 kg·hm-2，莖的氮素轉(zhuǎn)移量分別為16.34 kg·hm-2和33.19 kg·hm-2，差異均顯著，總的氮素轉(zhuǎn)移量，LT模式是58.74 kg·hm-2，HH模式是116.62 kg·hm-2，差異極顯著。轉(zhuǎn)移氮素貢獻率從大到小依次為葉片>莖>穗軸>苞葉；LT和HH模式葉片的轉(zhuǎn)移氮素貢獻率分別為17.85%和37.07%，差異顯著；莖的轉(zhuǎn)移氮素貢獻率分別為11.66%和17.83%，處理間差異不顯著。HH模式的轉(zhuǎn)移氮素貢獻為62.66%，LT模式的為41.42%，兩者差異顯著。氮素轉(zhuǎn)移率各器官差異不大，兩處理間的差異也不顯著。

從表2可以看出，試驗HH模式的籽粒產(chǎn)量顯著高于LT模式；HH和LT模式的氮素生理效率和氮肥偏生產(chǎn)力也顯著高于LT模式；但兩種種植模式的氮素收獲指數(shù)和氮素利用率差異不顯著。

圖4 不同栽培模式對春玉米各器官氮素轉(zhuǎn)移的影響

Fig.4 Effect of cultivation patterns on the nitrogen translocation of the spring maize organs

注：NHI—nitrogen harvest index; NUE—nitrogen use efficiency; NPE—nitrogen physiological efficiency; PEP—partial factor productivity.

3 討論與結(jié)論

作物在不同器官含氮量不同，且受水分和養(yǎng)分條件的影響[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種栽培模式的春玉米植株總含氮量隨著生育期的推進呈現(xiàn)從高到低的發(fā)展趨勢。V6時期HH模式的植株含氮量極顯著高于LT模式；而到V10和R1時期HH模式植株含氮量反而顯著低于LT模式；R3～R6時期兩種模式植株含氮量差異不顯著。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能與這一年的氣候特征有關系。2013年苗期長武地區(qū)較往年干旱少雨，對春玉米的出苗和生長帶來了影響，是導致V6時期LT模式植株含氮量下降的原因，這與銀敏華等[17]的分析相一致。試驗HH模式的密度顯著高于LT模式，隨著玉米的生長，到作物迅速生長的營養(yǎng)生長階段，HH模式植株高的氮轉(zhuǎn)移也會導致植株含氮量降低較顯著。

單一增加氮肥用量，對于提高玉米產(chǎn)量的作用是有限的，靳立斌等[18]提出將種植模式中其它指標改良后配合施肥，則有可能實現(xiàn)作物產(chǎn)量及NUE的雙重提高。曹勝彪等[19]研究也表明，提高玉米氮素施用量同時增加種植密度，可以提高玉米的籽粒產(chǎn)量、氮素累積總量等與產(chǎn)量相關的指標。但是種植密度繼續(xù)升高，則有可能出現(xiàn)過密情況，造成玉米葉片受光不均勻，降低冠層內(nèi)的透光率和葉夾角，還將導致冠層光合性能下降[20]，最終影響玉米產(chǎn)量[21]。周婷婷等[22]在渭北旱原東部陜西省合陽縣的試驗表明，玉米品種先玉335在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的最佳密度為82 500 株·hm-2。這與本試驗的研究結(jié)果較一致。本試驗中，LT模式采用農(nóng)戶常用品種榆單9號種植密度為48 000 株·hm-2，HH模式則采用玉米新品種先玉335，種植密度也升高至85 000 株·hm-2，施氮量從200 kg·hm-2(LT模式)提高到250 kg·hm-2配施有機肥(HH模式)后，春玉米籽粒產(chǎn)量極顯著增加。

農(nóng)田覆蓋地膜能截獲降雨、降低水分無效蒸發(fā)，提高土壤水分利用率，最終促進玉米生長發(fā)育[23-24]。而在此基礎上，全膜雙壟溝播玉米與半膜平作相比，能使作物水分利用效率得到顯著提高[25]。起壟也能對植株的氮素吸收利用起到促進作用。本研究也發(fā)現(xiàn)，HH種植模式能顯著促進春玉米對氮素的吸收，且在不同器官氮素累積也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，對籽粒的氮素轉(zhuǎn)移量和氮素轉(zhuǎn)移貢獻率，均表現(xiàn)為葉片>莖>穗軸>苞葉。張宏等[26]在作物起壟種植試驗中發(fā)現(xiàn)，冬小麥葉片和籽粒的氮素累積量顯著提高。邱臨靜等[27]也發(fā)現(xiàn)，起壟并在壟上覆膜，能提高氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量。配合選擇寬窄行(60 cm、40 cm)種植玉米時，收獲時植株的氮素累積量比等行種植時有所增加[28]。本研究中的高產(chǎn)高效HH栽培模式，集中了全膜雙壟溝、寬窄行、有機無機肥料配施、高密度等優(yōu)化措施，重點優(yōu)化了水分、溫度及施氮量，溫度通過地表覆膜的措施加以優(yōu)化，水分通過地表覆膜和起壟兩個措施加以優(yōu)化，并選擇較佳的玉米品種和種植密度。試驗分析發(fā)現(xiàn)，籽粒產(chǎn)量、植株的氮素累積量、籽粒氮素累積量、營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)移量及轉(zhuǎn)移氮素貢獻率均顯著提高，氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)和氮素生理利用率(NPE)也顯著提高。但相較于傳統(tǒng)LT模式，HH模式對氮素利用效率(NUE)、氮素收獲指數(shù)(NHI)的影響不顯著，這可能與HH模式下高密度和高施氮量有關。NUE作為評價氮肥被作物吸收利用的常用指標，受作物品種、氮肥用量和土壤供肥能力等的綜合影響[29]。銀敏華等[17]在旱作農(nóng)田進行的兩年試驗發(fā)現(xiàn)，氮素利用效率并不隨著施氮量的增加而增加，施氮160 kg·hm-2時氮素利用效率最高。陳迎迎等[14]在不同氮水平覆膜旱作春玉米試驗中發(fā)現(xiàn)，施氮100 kg·hm-2時氮素利用效率最高。因此，不同種植模式、密度、玉米品種及施肥量等多種因素的綜合影響下，如何在提高籽粒產(chǎn)量的同時增加氮利用效率，還需要進一步深入研究。

優(yōu)化栽培模式后，還應該觀測農(nóng)田土壤中各營養(yǎng)元素尤其是氮素的變化狀況，了解其虧缺情況，注意保持土壤的肥力，本研究僅僅是核算了植株帶走的氮素量和肥料投入的氮素量。王激清等[30]綜合了國外養(yǎng)分平衡模型的優(yōu)點，結(jié)合我國特有的國情，依據(jù)物質(zhì)守恒定律，建立了適合我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡模型：輸入=輸出+盈余。輸入包括新投入的化肥、播前土壤中殘留的養(yǎng)分及土壤礦化養(yǎng)分；輸出包括作物吸收和表觀損失(氮素的損失主要是NH3揮發(fā)和硝態(tài)氮淋失[31])等；盈余則是指生育期結(jié)束后仍殘留在土壤中的養(yǎng)分。因此，有必要對于優(yōu)化后的栽培模式下土壤氮素輸入項和輸出項的具體情況作進一步的研究，這對于評估栽培模式的優(yōu)劣具有重要的意義，也是進一步完善栽培模式的一條途徑。

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Response of nitrogen accumulation and utilization to the cultivation mode in dryland spring maize field

ZHANG Hong-pei1,2, CHEN Ying-ying1,2, SHEN Yu-fang1,2, LI Shi-qing2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to improve crop yield and nitrogen use efficiency, the research on different water and nitrogen management is needed, which provide some scientific basis for the construction of the high-yield and high-efficiency spring maize cultivation system on the Loess Plateau. A long-term field experiment was designed and conducted in Changwu Agricultural and Ecological Experiment Station, and samples were taken at six key maize growing periods, namely, the 6th leaf stage (V6), the 10th leaf stage (V10), the silking stage (R1), the milk stage (R3), the dent stage (R5) and the physiological maturity stage (R6)). The study is to establish the relation of the nitrogen uptake and utilization in the high-yield and high-efficiency treatment (HH) in contrast with the local traditional treatment (LT). The results showed (1) Crop nitrogen content in HH (39.3 g·kg-1) was significantly higher than in LT (31.9 g·kg-1) at the V6 stage, but significantly lower at the R1 and V10 stages. (2) Nitrogen uptake at each growing stage in HH was significantly higher than that in LT, and the nitrogen accumulation in leaf was higher than that in stem before the R1 stage, while it was in the descending order of kernel>leaf>stem>bract and cob after this stage. (3) The nitrogen transfer amount and nitrogen transfer contribution rate in HH were significantly higher than those in LT, but the both management patterns showed similar trend, that is, leaf> stem> cob> bract. (4) The grain yield (15 326 kg·hm-2) and nitrogen partial factor productivity (PFP) (61.30 kg·kg-1) in HH was significantly higher than those in LT, but there was no significant difference in the nitrogen harvest index (NHI) and nitrogen use efficiency (NUE). Consequently, the HH was effective in improving the amounts of accumulated dry matter and the nitrogen utilization. HH could be a more effective approach to improving spring-sown maize yield on the Loess Plateau.

spring maize; dryland; cultivation patterns; growth stage; nitrogen accumulation; nitrogen utilization efficiency

1000-7601(2017)04-0205-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.31

2016-04-20

國家自然科學基金(31270553，51279197)；中央高校基本科研業(yè)務費專項(YQ2013009)；楊凌示范區(qū)科技計劃項目(2014NY-30)作者簡介：張洪培(1991—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事旱作農(nóng)田溫室氣體排放及效應方面的研究。 E-mail：hpzhp1991@163.com。通信作者：沈玉芳(1975—)，女，江蘇建湖人，副研究員，博士，主要研究方向為旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分養(yǎng)分動態(tài)過程及其環(huán)境效應。 E-mail：shenyufang@nwsuaf.edu.cn。

S513.04

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