不同施肥模式對(duì)春玉米生長(zhǎng)特性及氮素利用率的影響

王國(guó)偉，李 陽(yáng)，王嘉欣

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林省生物信息學(xué)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130000)

【研究意義】我國(guó)人口眾多，糧食安全必須給予足夠的重視，其中小麥、水稻等是我國(guó)最主要的糧食作物，玉米也是糧食作物的重要組成部分，不僅具有較強(qiáng)的生長(zhǎng)適應(yīng)性，還能夠提供較為豐富的營(yíng)養(yǎng)，在我國(guó)的糧食生產(chǎn)安全中發(fā)揮著不可忽視的作用，關(guān)乎我國(guó)的民生問(wèn)題，因此研究玉米的生長(zhǎng)特性對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。近年來(lái)，隨著玉米品種的不斷改良優(yōu)化，加之種植技術(shù)的不斷提升，玉米產(chǎn)量不斷上升，但對(duì)于化肥等養(yǎng)料的依賴也在不斷加強(qiáng)[4-5]。就春玉米種植而言，施用的化肥主要是氮、磷肥等，這些肥料存在著明顯的不合理問(wèn)題，氮、磷肥料施用過(guò)多，鉀肥卻相對(duì)缺乏，導(dǎo)致施肥不均勻而影響作物生長(zhǎng)，不利于土壤肥力的保持及作物產(chǎn)量的提升，同時(shí)施肥期難以充分與作物生長(zhǎng)周期相匹配[6-8]，也就是施肥粗放，肥料的作用沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，不利于作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致單產(chǎn)和質(zhì)量下降[9]，關(guān)于玉米的種植而言，施肥的合理性對(duì)于肥料利用非常關(guān)鍵，需要綜合多方面進(jìn)行考慮。【前人研究進(jìn)展】對(duì)于春玉米，對(duì)肥料的吸收利用不僅與施肥種類息息相關(guān)，同時(shí)更受到施肥方式的直接影響，作物生長(zhǎng)不僅需要有機(jī)肥料，同時(shí)還需要無(wú)機(jī)肥料，二者的合理結(jié)合才能使得肥料充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，這也是合理利用肥料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于提升肥料效率和作物產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用[10]。在東北地區(qū)具有大量的春玉米種植區(qū)，但是對(duì)于東北地區(qū)而言，其典型的黑土特性直接影響作物生長(zhǎng)，其土壤不僅具有淺、薄的特點(diǎn)[11-13]，同時(shí)酸性小、粘性大，具有相對(duì)較高的肥力，同時(shí)對(duì)于肥料及水分的吸收利用水平較高，因此該地區(qū)土地利用效率較高，這樣自然會(huì)產(chǎn)生較高水平的作物產(chǎn)量[14]。但是近年來(lái)該地區(qū)深受季節(jié)性干旱的影響，這對(duì)于其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響，對(duì)于春玉米而言，其對(duì)肥料的需求相對(duì)較大，如何合理施肥成為玉米生產(chǎn)的關(guān)鍵之一[15-16]；就肥料和作物而言，二者是互惠互利，肥料的合理使用能夠有效促進(jìn)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提升，作物生長(zhǎng)發(fā)育健康能夠利于肥料的高效吸收，植物成為肥料發(fā)揮其功能和作用的載體[17]；合理、適時(shí)的施肥能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)提供所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，同時(shí)對(duì)于土壤肥力和活力的保持具有重要現(xiàn)實(shí)意義，此外，合理施肥能夠?qū)⒆魑锟鼓嫘缘玫接行嵘瑢?duì)于其新陳代謝活動(dòng)起到明顯促進(jìn)作用，對(duì)于作物產(chǎn)量的提升作用顯著。大量的研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷、鉀等肥料對(duì)于玉米生長(zhǎng)尤為重要，且能夠促進(jìn)干物質(zhì)積累量的提升，增強(qiáng)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用能力，更大程度上降低肥力淋失等[18-19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往的研究更多的關(guān)注的是肥料的搭配等對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，對(duì)于施肥模式對(duì)作物影響的研究相對(duì)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】有鑒于此，本研究從不同的施肥模式開(kāi)展施肥對(duì)作物生長(zhǎng)的影響研究，為春玉米作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升提供有益借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為2015-2017年，所選擇的實(shí)驗(yàn)基地位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤為黑土，實(shí)驗(yàn)之前該地區(qū)0～20 cm土壤耕層的特點(diǎn)如下：有機(jī)質(zhì)、全氮的含量分別為23.03、2.52 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別為95.16、23.36、75.15 mg/kg，pH值達(dá)到6.1。本實(shí)驗(yàn)區(qū)域利用田間定位小區(qū)，并根據(jù)施肥狀況進(jìn)行3個(gè)處理分區(qū)：第一是不施肥處理分區(qū)CK，第二是優(yōu)化施肥處理分區(qū)OPT，第三是生物有機(jī)肥分區(qū)FP；對(duì)于OPT施肥而言，氮、磷、鉀施用量分別要求達(dá)到200、80、120 kg/hm2，其中分3次施氮肥，并在播種前施用30 %，然后在玉米拔節(jié)期施用50 %，在抽雄期施用20 %，而磷肥、鉀肥直接在初次施肥時(shí)一次性施用。對(duì)于FP而言，在實(shí)地調(diào)查后確定施用量，氮、磷、鉀施用分別是260、140、100 kg/hm2，該肥料在玉米播種之前一次性施用。對(duì)于氮肥而言，采用含N為46 %的尿素；對(duì)于鉀肥而言，K2O含量為60 %。本實(shí)驗(yàn)中采用先玉335，要求其密度達(dá)到50 000株/hm2，在每年的5月播種，于10月初收割，每個(gè)小區(qū)的種植面積達(dá)到30 m2，種植小區(qū)屬于隨機(jī)，為提升實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，共分3次重復(fù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.2.1 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 為了了解施肥帶來(lái)的作物生長(zhǎng)情況，在抽穗時(shí)期就測(cè)量各個(gè)分區(qū)植株的生長(zhǎng)特性，尤其是株高和莖粗等，首先在各區(qū)選擇10株玉米，要求其長(zhǎng)勢(shì)基本一致，通過(guò)卷尺及游標(biāo)卡尺對(duì)株高等進(jìn)行測(cè)量，并做好記錄；然后對(duì)根系長(zhǎng)度等進(jìn)行測(cè)量，利用挖掘法進(jìn)行，首先將根系挖出，借助于40目篩進(jìn)行沖洗干凈，然后鑷子拉直后測(cè)定其根長(zhǎng)，然后在65 ℃溫度下將根系烘干，對(duì)生物量干重測(cè)量；之后進(jìn)行根系形態(tài)測(cè)定，要求范圍為田間長(zhǎng)寬均為60 cm的范圍之內(nèi)，至地下30 cm處將根系連土挖出，自來(lái)水沖洗之后，將根系的水分吸干，在掃描后利用WinRHIZO 4.2計(jì)算根系總長(zhǎng)；利用烘干法對(duì)地上、地下部分進(jìn)行干重測(cè)定，對(duì)于葉面積的處理借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)，其中葉面積的處理包括葉柄。

1.2.2 玉米葉片生理指標(biāo)的測(cè)定 在各小區(qū)采取葉片，要求玉米上、中、下部分的葉片均要足夠多，混合均勻后洗凈，并在80℃下烘干、粉碎，過(guò)1.5 mm篩后測(cè)定相應(yīng)的碳、氮、磷、鉀等含量，其中對(duì)碳、氮的測(cè)定利用元素分析儀，用光度法測(cè)定磷、鉀含量；此外，還要進(jìn)行新鮮葉片的葉綠素等含量測(cè)定，首先要去除葉脈的新鮮葉片研磨，并在80 %的丙酮溶液之中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)一天一夜的浸提處理，借助于葉綠素儀計(jì)算葉綠素a、b值，分別借助于染色法、比色法對(duì)可溶性蛋白、糖含量進(jìn)行測(cè)定，對(duì)游離脯氨酸含量的測(cè)定通過(guò)比色法，為提升實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，以上測(cè)定均進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定[20]。

1.2.3 玉米產(chǎn)量及構(gòu)成的測(cè)定 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)玉米的拔節(jié)等各個(gè)生長(zhǎng)期準(zhǔn)確時(shí)間做好記錄，并通過(guò) 3 種處理分區(qū)加以區(qū)分；對(duì)于其不同的成熟期，在各個(gè)小區(qū)抽取玉米50株，并對(duì)穗數(shù)和千粒重進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)記錄好成穗率，待成熟后收割。

為測(cè)定土壤的硝態(tài)氮含量，需要從地表向下30 cm深度采集土壤樣品，要求每隔10 cm進(jìn)行一次采樣，首先在分化期、抽穗期進(jìn)行土壤采集，然后在成熟期也要進(jìn)行土壤采集，各小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)，之后將采集到的土壤置于-18 ℃保存，以備后續(xù)開(kāi)展指標(biāo)測(cè)定等分析[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥模式對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 生長(zhǎng)特性 由表1可以看出，玉米生長(zhǎng)受到施肥模式的明顯影響，盡管其生長(zhǎng)周期不同，但是在FP處理?xiàng)l件下，不僅其株高、莖粗達(dá)到最高水平，而且其葉面積、比葉重、生物量也達(dá)到了最大水平，其次是OTP處理下，而CK處理下這些指標(biāo)最低。而CK處理下的R/S指標(biāo)最高，其次是OTP，而FP最低。隨著玉米生長(zhǎng)的進(jìn)行，3種施肥處理下R/S均逐漸降低；在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，OTP、FP與CK之間的差異越來(lái)越明顯，且在成熟期其差異達(dá)到0.01的顯著水平，其中差異最大的是FP處理分區(qū)。綜合來(lái)講，OTP、FP對(duì)于玉米生長(zhǎng)起到了明顯的促進(jìn)作用，利于其生物量積累。

2.1.2 生理生化特性 從表2可以看出，對(duì)于葉綠素a和b、碳水化合物、蛋白質(zhì)而言，OTP、FP條件下其含量相對(duì)較高，且在有機(jī)施肥模式下達(dá)到了最高，其次是優(yōu)化施肥處理。隨著玉米生長(zhǎng)的進(jìn)行，其含量不斷增加；但是OTP、FP與CK之間的差異也越來(lái)越明顯，在成熟期的差異最大。而就蛋白質(zhì)而言，在玉米分化期，OTP、FP施肥模式與CK之間的差異并不顯著，綜合來(lái)說(shuō)，OTP、FP施肥模式均促進(jìn)了玉米對(duì)肥料的吸收利于，利于作物生長(zhǎng)，其中效果較為明顯的有機(jī)施肥FP。

2.1.3 葉片酶活性 由表3可以看出，對(duì)于歧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶而言，雖然玉米生長(zhǎng)時(shí)期不同，但是其活性均在有機(jī)施肥FP條件下達(dá)到最高，其次是優(yōu)化施肥，隨著生長(zhǎng)周期的進(jìn)行，酶活性也相應(yīng)增加，但是優(yōu)化施肥和有機(jī)施肥與不施肥之間的差異也更為明顯，在分化期達(dá)到0.05的顯著性水平。而對(duì)于丙二醛來(lái)講，隨著作物生長(zhǎng)，其含量不斷降低，在分化期呈現(xiàn)顯著差異。整體而言，施肥利于酶活性的提升，促進(jìn)了丙二醛的合成，其中作用最大的有機(jī)施肥，且在各個(gè)時(shí)期作用顯著。

2.2 不同施肥方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表4可知，2016和2017年2年春玉米產(chǎn)量結(jié)果趨勢(shì)保持一致。其中2017年產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均低于2016年，說(shuō)明長(zhǎng)期的施肥對(duì)春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重有所抑制。對(duì)于2016年，與CK相比，春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為FP>OTP>CK，且三者之間差異均顯著(P<0.05)，與CK相比，F(xiàn)P和OTP產(chǎn)量分別提高了61.65 %和85.24 %、穗粒數(shù)分別提高了了17.59 %和21.99 %、千粒重分別提高了12.84 %和17.01 %。對(duì)于2017年，與CK相比，春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為FP>OTP>CK，且三者之間差異均顯著(P<0.05)，與CK相比，F(xiàn)P和OTP產(chǎn)量分別提高了39.08 %和48.08 %、穗粒數(shù)分別提高了14.69 %和31.14 %、千粒重分別提高了13.38 %和18.15 %。綜合分析可知，F(xiàn)P和OTP處理增產(chǎn)的原因促進(jìn)穗粒數(shù)和千粒重的提高，從而提高產(chǎn)量。

表1 施肥模式對(duì)春玉米植株生長(zhǎng)特性的影響

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05), the same as below.

表2 施肥模式對(duì)春玉米植株生理生化特性的影響

表3 施肥模式對(duì)春玉米植株葉片酶活性的影響

表4 不同施肥方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

2.3 不同施肥模式對(duì)土壤中硝態(tài)氮分布和累積的影響

從圖1可以看出，土壤硝態(tài)氮的累積主要集中在0～10 cm土層，各處理0～10 cm土層中硝態(tài)氮的含量占土壤硝態(tài)氮含量(0～30 cm土層)的15.32 %～35.64 %，這說(shuō)明土壤硝態(tài)氮具有表聚性；20～30 cm土層中硝態(tài)氮含量無(wú)明顯變化。在春玉米分化期內(nèi)，不同施肥模式0～30 cm土層中硝態(tài)氮含量隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)而降低。春玉米不同生育時(shí)期表層土壤中硝態(tài)氮的含量均高于CK，說(shuō)明施肥影響土壤中硝態(tài)氮的含量。抽穗期到成熟期，0～30 cm土層中硝態(tài)氮含量基本表現(xiàn)為FP>OTP>CK，其中FP硝態(tài)氮含量最高；在垂直分布，土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，在20～30 cm土層，不同處理間的土壤硝態(tài)氮含量基本保持一致。與CK相比，氮肥施入量的減少，一定程度上降低了土壤中硝態(tài)氮的含量，既減少了肥料的浪費(fèi)，又降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同施肥模式對(duì)硝態(tài)氮的影響

圖2 不同施肥模式對(duì)氮素利用率

2.4 不同施肥模式對(duì)春玉米氮肥利用率的影響

由圖2可以看出，施氮肥對(duì)春玉米均有增產(chǎn)作用，其中總氮吸入量表現(xiàn)為FP>OTP>CK，不同處理間差異均顯著(P<0.05)。與CK相比，F(xiàn)P和OTP處理下春玉米總氮吸入量分別提高了58.9和82.9 kg/hm2，其中FP處理下氮肥利用率最高。由此可以得出，施用緩控釋肥比習(xí)慣施肥方式增產(chǎn)作用大。

3 討論與結(jié)論

整體而言，無(wú)論是優(yōu)化施肥還是有機(jī)施肥，均對(duì)于植株養(yǎng)分的提升起到顯著作用，說(shuō)明施肥能夠?yàn)橛衩咨L(zhǎng)提供較為充足的養(yǎng)分，改善土壤肥力和活性，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造更為有利的條件，促進(jìn)養(yǎng)分累積和土壤有機(jī)質(zhì)分解，提升植株養(yǎng)分來(lái)促進(jìn)其生長(zhǎng)，同時(shí)利于作物吸收利用土壤養(yǎng)分[10,22]。對(duì)于玉米生長(zhǎng)而言，其在各個(gè)生長(zhǎng)周期都需要大量的養(yǎng)分，僅僅依賴土壤養(yǎng)分難以充分滿足其生長(zhǎng)需要，必須通過(guò)施肥等來(lái)增加外界養(yǎng)分供給，這樣作物能夠從土壤及肥料中吸收所需大量營(yíng)養(yǎng)，此外，養(yǎng)分的淋失也是必須要考慮的[23]。因此，在根據(jù)玉米的生長(zhǎng)周期和特點(diǎn)，合理控制施肥量，注重施肥的時(shí)機(jī)，在合適的時(shí)候施用適量的、正確的肥料，從而利于玉米吸收利用，最終提供作物產(chǎn)量和質(zhì)量，提高肥料利用效率，保障作物肥料均衡。無(wú)論是優(yōu)化施肥還是有機(jī)施肥，均能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，不僅帶來(lái)了較多的分蘗，同時(shí)葉面積也較大，對(duì)于光合作用起到促進(jìn)作用，生長(zhǎng)狀況優(yōu)于非施肥條件下作物[24]。植株光合作用對(duì)其產(chǎn)量產(chǎn)生直接而重要的影響，在葉面積更大的情況下，植株的光合作用會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，對(duì)光能的利用水平也更高，而發(fā)達(dá)的根系、較低的R/S，均利于植株的新陳代謝活動(dòng)[21]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施肥處理下促進(jìn)了春玉米的光合作用，進(jìn)而提升了其新陳代謝活動(dòng)，最終促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)。

溫度在作物生長(zhǎng)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用之一，無(wú)論是各個(gè)生長(zhǎng)周期均是如此，隨著玉米生長(zhǎng)的不斷進(jìn)行，對(duì)于葉綠素、碳水化合物及蛋白質(zhì)而言，在同一時(shí)期其最高的是有機(jī)施肥FP，其次是優(yōu)化施肥OTP，而非施肥CK水平最低，施肥促進(jìn)了葉綠素含量的提升，這對(duì)于玉米光合作用的增強(qiáng)起到了關(guān)鍵作用，因此施肥能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)。膜脂過(guò)氧化最終能夠產(chǎn)生丙二醛MDA，而該產(chǎn)物能夠有效反映膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，代表著過(guò)氧化強(qiáng)度，在該含量較高的情況下，說(shuō)明種子具有較強(qiáng)的受膜透性，發(fā)生了氧化脅迫[25]。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玉米的MDA含量降低，說(shuō)明在施肥影響下細(xì)胞膜透性增強(qiáng)，細(xì)胞的鹽類等物質(zhì)滲出，形成了細(xì)胞活性氧，進(jìn)而導(dǎo)致葉片生理功能下降。

對(duì)于谷類產(chǎn)量而言，穗數(shù)、千粒重等直接制約著產(chǎn)量，可以說(shuō)在種植密度基本一致的情況下，該指標(biāo)就是產(chǎn)量的體現(xiàn)[26]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于優(yōu)化施肥而言，該施肥不僅控制了施肥量，還對(duì)施肥周期進(jìn)行了把控，對(duì)于玉米花后養(yǎng)分的提升作用明顯，使得穗數(shù)、千粒重得以提高，最終促進(jìn)了玉米產(chǎn)量和質(zhì)量。在農(nóng)民以往的習(xí)慣施肥條件下，玉米的花前氮積累得到了一定的提升，但是花后該含量未得到有效提升，且養(yǎng)分積累并不明顯提升，其作用弱于優(yōu)化施肥[27-28]。在優(yōu)化施肥作用下，施肥量和施肥時(shí)機(jī)得到了控制，花后光合作用增強(qiáng)、根系生長(zhǎng)加強(qiáng)，使得玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收利用能力增強(qiáng)，光合作用顯著提升，最終促進(jìn)其產(chǎn)量和質(zhì)量提升。而以往傳統(tǒng)的習(xí)慣性施肥，僅僅促進(jìn)前期的作物生長(zhǎng)，卻導(dǎo)致后期養(yǎng)分不足的問(wèn)題，且容易導(dǎo)致前期生長(zhǎng)過(guò)旺，使得營(yíng)養(yǎng)不均衡，不利于作物生長(zhǎng)。

綜合來(lái)看，施肥能夠利于春玉米生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)于其產(chǎn)量提升具有明顯作用，施肥控制了肥料投入量，使得施肥時(shí)機(jī)更為合理，能夠促進(jìn)植株光合作用，增強(qiáng)其吸收利用養(yǎng)分的效率，同時(shí)對(duì)于調(diào)節(jié)玉米激素平衡具有重要作用[29-30]，說(shuō)明施肥在玉米生長(zhǎng)過(guò)程中調(diào)節(jié)作用明顯。