單株限域定量施肥條件下施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及氮效率的影響

冀保毅，李傳保，雷振山，李躍偉，衛(wèi)云飛，胡漢升

(信陽農(nóng)林學(xué)院，河南信陽 464000)

玉米是我國的主要糧食作物之一，自2007年起玉米播種面積超過水稻成為我國播種面積最大的糧食作物。中國種植業(yè)信息網(wǎng)農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫中的信息表明，2015年我國玉米播種面積為3 811.9萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)22 463.16萬t。在中國糧食生產(chǎn)面臨生產(chǎn)和環(huán)境雙重成本約束的條件下，種植戶亟需新型夏玉米高效施肥技術(shù)來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的“減肥減藥”行動(dòng)目標(biāo)。夏玉米產(chǎn)量高低與施氮量多少相關(guān)[1]，隨著施氮量的增加，其產(chǎn)量會(huì)隨之增加[2]。但是施氮量過高，夏玉米的氮素利用率和產(chǎn)量將會(huì)降低[3]，甚至帶來環(huán)境污染[4]。為提高氮素利用效率，前人提出了分次施肥[5]、氮肥深施[6]、水肥一體化[7]等氮肥施用方法。但是在玉米生產(chǎn)上，多數(shù)種植戶仍然采用一次性施肥方式。吉林省62.5%的玉米田均采用一次性施肥方式，雖然這種施肥方式會(huì)導(dǎo)致玉米在生育后期因氮素缺乏而產(chǎn)量降低[8]。便于操作的分次施肥方式能夠提高氮肥的利用率，但是在玉米生長季節(jié)開溝追肥有時(shí)會(huì)給玉米帶來機(jī)械損傷[9]。玉米生長季節(jié)氣溫較高，可能是個(gè)別種植戶將尿素在降雨前后直接撒在農(nóng)田表面的一個(gè)不可忽略的因素。因此，在玉米施肥上，種植戶需要的是一種一次施肥并能夠減少大田工作量的施肥方式?？紤]到玉米的根系在耕層土壤中分布不均勻，并且能夠在土壤養(yǎng)分不均的環(huán)境中找到并吸收自身所需養(yǎng)分[10]的特點(diǎn)，筆者根據(jù)玉米的需肥特點(diǎn)提出了單株限域定量施肥技術(shù)思路。單株限域定量施肥技術(shù)即根據(jù)作物根系向肥性特點(diǎn)，將施入農(nóng)田的肥料限定在一定的空間內(nèi)，限制氮肥隨水下滲，以相對(duì)封閉的空間確保玉米在全生育期內(nèi)能夠吸收到足夠的養(yǎng)分，從而實(shí)現(xiàn)提高肥料利用效率、降低施肥量的目標(biāo)。當(dāng)前玉米生產(chǎn)的最高或最佳施肥量多與氮肥深施和分次施肥等施肥技術(shù)相配套。在單株限域定量施肥條件下，關(guān)于夏玉米適宜施肥量的研究尚未見報(bào)道。本研究在單株限域定量施肥條件下，開展長期定位試驗(yàn)，探索夏玉米的適宜施氮量，以期為實(shí)現(xiàn)玉米生產(chǎn)中減肥增效目標(biāo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)所用玉米品種為浚單20，由鶴壁市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。試驗(yàn)于2015―2016年在河南省鄧州市羅莊鎮(zhèn)肖營村玉米種植基地進(jìn)行。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為723 mm，降水季節(jié)分布不均。本試驗(yàn)田土壤的沙粒、粉粒和黏粒含量分別為24%、52%和24%，依照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，該土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土。耕層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量分別為6.62 g/kg、1.13 g/kg、14.05 mg/kg 和135.71 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，分別為N0(含氮0 kg/hm2)、N1(含氮60 kg/hm2)、N2(含氮120 kg/hm2)、N3(含氮180 kg/hm2)、N4(含氮240 kg/hm2)、N5(含氮300 kg/hm2)，其中不施氮肥處理作為對(duì)照。各處理均用單株限域定量施肥方法施肥，首先將每株玉米所需的肥料全部裝入塑料杯中，然后往塑料杯內(nèi)裝入80 mL細(xì)土，將細(xì)土和肥料混勻，再用適量土壤將塑料杯填滿。在農(nóng)田中將要播種玉米的位置開挖土穴，土穴的長、寬、深分別為10、10、18 cm。把裝滿土壤和肥料的塑料杯垂直向上放入土穴中，用土壤填滿塑料杯周圍并在塑料杯上方覆蓋約3 cm厚的土壤。玉米種子的播種深度為3～5 cm，在橫向距離塑料杯口邊沿大約2～3 cm處，然后用土壤填滿整個(gè)土穴。播種時(shí)行距為60 cm，株距為25 cm，種植密度為 67 500株/hm2。除氮肥外各處理中磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量分別為100、100 kg/hm2，其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為7 m×8 m=56 m2。試驗(yàn)期間夏玉米分別于2015年6月5日和2016年6月8日播種，于2015年10月2日和2016年10月7日收獲。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

播前在試驗(yàn)田用5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm耕層混合土壤樣品，風(fēng)干后混勻過20目和60目篩，用于測定土壤常規(guī)養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤速效磷含量用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測定；土壤速效鉀含量用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤全氮含量用凱氏定氮法測定。玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)采集有代表性的玉米植株樣品3株，分根、莖、葉和穗烘干稱質(zhì)量，在105 ℃下殺青15 min，再于75 ℃烘干至恒質(zhì)量。將烘干后的樣品粉碎，用于測定不同器官養(yǎng)分含量。植株全氮含量用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾定氮法測定；植株全磷含量用鉬黃比色法測定；植株全鉀含量用火焰光度計(jì)法測定[11]。

1.4 考種與測產(chǎn)

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)收獲玉米50穗，裝入網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室，曬干后考種并折算產(chǎn)量。隨機(jī)從50穗玉米中取10穗用于考種，調(diào)查千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)，然后將每個(gè)小區(qū)的玉米籽粒干質(zhì)量按14%的含水量折算玉米產(chǎn)量。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

養(yǎng)分吸收利用的相關(guān)計(jì)算公式如下：氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(AE)=(施氮肥區(qū)產(chǎn)量-不施氮肥區(qū)產(chǎn)量)/施氮肥量；氮肥利用率(NRE)=(施氮肥區(qū)植株地上部氮素積累量-不施氮肥區(qū)植株地上部氮素產(chǎn)量)/施氮肥量×100%；氮素積累量=干物質(zhì)質(zhì)量×植株地上部氮含量；氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)=籽粒產(chǎn)量/氮素投入量；氮肥生理利用率(PE)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)氮積累量-不施氮區(qū)氮積累量)[12]。采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤由每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)計(jì)算而來。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)和處理間顯著性檢驗(yàn)(Duncan′s)，差異顯著性分析均在0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表1結(jié)果表明，施氮能顯著改變果穗的穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)量，該結(jié)果受年份因素影響較大。從2016年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在施氮量0～180 kg/hm2范圍內(nèi)，夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均隨著施氮量的增加而增加，最高產(chǎn)量比不施氮處理產(chǎn)量增加18.0%；在施氮量180～300 kg/hm2范圍內(nèi)，夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素隨著施氮量的增加，增加不顯著或略有下降。表明施氮量過低，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量下降使夏玉米的庫容量受限，施氮量過高也會(huì)帶來庫容量下降的結(jié)果。在單株限域施肥條件下，夏玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加而逐步提高，施氮量達(dá)到240 kg/hm2時(shí)夏玉米的產(chǎn)量最高，繼續(xù)增加施氮量，夏玉米產(chǎn)量將會(huì)降低。2015年各處理夏玉米產(chǎn)量和干物質(zhì)量均高于2016年。

表1 不同施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母表示在0.05水平上具有顯著差異。下表同。

2.2 不同施氮量對(duì)夏玉米植株養(yǎng)分積累量的影響

從表2可以看出，在磷肥和鉀肥用量相同的條件下，施用氮肥能夠顯著增加夏玉米植株體內(nèi)的氮磷鉀養(yǎng)分的積累量，年份對(duì)夏玉米植株養(yǎng)分積累量影響明顯。從2016年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著施氮量的增加，夏玉米植株體內(nèi)氮素養(yǎng)分的積累量逐漸增加。玉米整株氮素積累量與施氮量符合一元二次函數(shù)關(guān)系(Y=-0.000 6X2+0.323 8X+119.23，r2=0.982 2)。根據(jù)該函數(shù)可知，當(dāng)施氮量達(dá)到 269.83 kg/hm2時(shí)，夏玉米植株體內(nèi)氮素養(yǎng)分的積累量最高，為162.91 kg/hm2。

2.3 不同施氮量對(duì)夏玉米氮肥利用率的影響

從表3可以看出，不同施氮處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥生理利用率變化范圍分別為3.42～15.07 kg/kg、14%～33%、22.3～109.6 kg/kg和 26.75～50.93 kg/kg，同時(shí)這些指標(biāo)基本上隨著施氮量的增加而下降。從提高氮肥利用效率考慮，在單株限域定量施肥條件下，夏玉米的施氮量以180～240 kg/hm2為宜。

2.4 施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量的關(guān)系

由圖1可知，在單株限域定量施肥條件下，夏玉米產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系符合一元二次函數(shù)關(guān)系。在氮磷養(yǎng)分施用量不變的條件下，當(dāng)施氮量在0～210 kg/hm2范圍內(nèi)時(shí)，夏玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加；當(dāng)施氮量在210～300 kg/hm2范圍內(nèi)時(shí)，夏玉米的產(chǎn)量隨著施氮量的繼續(xù)增加而下降。當(dāng)施氮量為210 kg/hm2時(shí)，夏玉米理論產(chǎn)量的最高值可達(dá) 6 817.64 kg/hm2。因此，在單株限域定量施肥技術(shù)條件下，夏玉米適宜的施氮量范圍在180～240 kg/hm2。與當(dāng)?shù)?300 kg/hm2的習(xí)慣施氮量相比，采用單株限域定量施肥技術(shù)可將夏玉米生產(chǎn)中的氮肥用量降低20%～40%。由此可見，在單株限域施肥條件下，施氮量為240 kg/hm2是獲得夏玉米高產(chǎn)的最佳施肥量，該施肥量比當(dāng)?shù)?00 kg/hm2的夏玉米習(xí)慣施氮量低20%。

表2 不同施氮量對(duì)夏玉米植株氮磷鉀積累量的影響

表3 不同施氮量對(duì)夏玉米氮肥利用效率的影響

3 討論

關(guān)于施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量、成產(chǎn)因素和氮素利用率的影響，前人的研究結(jié)果不盡一致。在適宜的范圍內(nèi)增施氮肥能夠提高玉米的產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素，而施氮量超過 270 kg/hm2后，繼續(xù)增加施氮量不利于玉米產(chǎn)量及其成產(chǎn)因素的提高[13]。不同生態(tài)條件下，玉米適宜的施氮量不同。有研究表明，玉米的施氮量超過240 kg/hm2后，繼續(xù)增加施氮量時(shí)玉米的籽粒產(chǎn)量不再增加，而玉米秸稈的生物量將開始下降[2]。施肥方式不同影響玉米產(chǎn)量及其氮素利用率，分次施肥方式處理的玉米產(chǎn)量和氮素利用率高于一次性施肥方式處理[14]。本試驗(yàn)中，單株限域定量施肥方式下夏玉米適宜的施氮量為210.11 kg/hm2。與2016年的試驗(yàn)結(jié)果相比，2015年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律不明顯。這是因?yàn)樵囼?yàn)田所在區(qū)域，以往農(nóng)田施肥量均較大，農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力對(duì)第1年試驗(yàn)結(jié)果的干擾較大。在第2年試驗(yàn)期間，對(duì)照處理玉米的產(chǎn)量才明顯低于其他處理。

本試驗(yàn)中，筆者用塑料杯營造一個(gè)相對(duì)封閉的施肥空間，目的是探索單株限域定量施肥方式是否能夠提高氮肥利用率和減少施氮量。試驗(yàn)結(jié)果表明，與當(dāng)?shù)亓?xí)慣施氮量相比，單株限域定量施肥方式下玉米的施氮量降低了20%～40%。因此，需要進(jìn)一步開展的工作是將塑料杯用有機(jī)肥等物質(zhì)代替，最終實(shí)現(xiàn)降低肥料施用量的目標(biāo)。

4 結(jié)論

在單株限域定量施肥條件下，夏玉米植株的氮素積累量隨施氮量增加而符合一元二次方程曲線關(guān)系。2016年，在施氮量為0～180 kg/hm2范圍內(nèi)，隨著施氮量增加，夏玉米產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和氮積累量呈上升趨勢；在施氮量為180～300 kg/hm2范圍內(nèi)，繼續(xù)增加施氮量，夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率略有降低。隨著施氮量增加，夏玉米的氮素農(nóng)學(xué)利用效率、氮素利用率和氮素生理利用率均隨施氮量的增加而下降。本試驗(yàn)條件下，夏玉米產(chǎn)量和施氮量的肥料效應(yīng)方程如下：y=-0.022 7x2+9.539 1x+5 815.5(r2=0.862 5)，根據(jù)方程計(jì)算出單株限域定量施肥條件下夏玉米的經(jīng)濟(jì)施氮量為210.11 kg/hm2。與習(xí)慣施肥方式相比，單株限域定量方式可為種植戶節(jié)約20%～40%的施氮量。