微噴水肥一體化氮肥后移對夏玉米氮素吸收及 籽粒產(chǎn)量品質(zhì)的影響

劉彩彩，張孟妮，武雪萍*，裴雪霞，黨建友，張永清*，奚雅靜，王碧勝，宋霄君，李生平，鄭鳳君，董 悅

（1．山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū) 劃研究所，北京 100081；3．山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000；4．首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

夏玉米是晉南地區(qū)重要的糧食作物，在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用［1］。夏玉米需水量在350 到425mm 之間［2-3］，并在大喇叭口期需水量最大。雖然晉南地區(qū)年降水量為450～580mm［4］，但玉米季降雨僅為330mm 左右，無法滿足夏玉米生育期內(nèi)的需水量。此外，該地區(qū)有78%以上的農(nóng)戶仍采用大水漫灌［5-6］，該方式無法有效解決降雨分布不均導(dǎo)致的夏玉米缺水和水肥嚴(yán)重浪費(fèi)問題［7］。因此，探尋一種適用于夏玉米的節(jié)水減肥生產(chǎn)模式迫在眉睫。

水肥一體化是提高水分、養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)的重要手段［8］。氮在冬小麥、夏玉米整個(gè)生育過程中起著至關(guān)重要的作用，可增加植物光合產(chǎn)物積累，從而增產(chǎn)［9］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥中重前期、輕后期的做法影響了增產(chǎn)潛力，而氮肥后移是保持總施氮量不變、調(diào)整作物施用氮肥時(shí)期及分次氮肥施用量的技術(shù)，該技術(shù)減少對作物生長前期的氮肥投入，將節(jié)省的氮肥重點(diǎn)施于作物生長后期［10］，減少作物脫氮現(xiàn)象。氮肥后移可優(yōu)化耕層無機(jī)氮供應(yīng)與作物吸收的需求關(guān)系，減少收獲期深層土體的硝態(tài)氮積累，提高籽粒灌漿速率，降低氮素的田間表觀損失，提高氮肥利用效率，最終提高產(chǎn)量［11］。此外，由于作物秸稈還田后土壤C/N 升高，秸稈氮對作物的有效性減弱，嚴(yán)重影響作物生長［12-13］，而合理的施氮模式可調(diào)節(jié)秸稈C/N，促進(jìn)秸稈腐熟分解，提高氮肥利用率［14-15］。

水肥一體化技術(shù)是指通過灌溉系統(tǒng)施肥，作物在吸收水分的同時(shí)吸收養(yǎng)分，通過控制灌溉水量，避免灌水過程中產(chǎn)生地面徑流和深層滲漏，通過氮肥分次施用來提高產(chǎn)量和水分利用效率［14］。研究表明，水肥一體化可直接將肥料運(yùn)送到作物根部，增加耕層土壤硝態(tài)氮含量，減少氮素的淋失，有利于氮肥吸收與利用［15-16］，其中微噴灌的節(jié)水增產(chǎn)效果優(yōu)于漫灌［17］。目前關(guān)于施氮量、灌溉方式、灌水頻次和施氮時(shí)期［18-21］等因素對夏玉米產(chǎn)量、水氮利用效率影響的研究較多，但在晉南地區(qū)近幾年剛剛開始大田應(yīng)用冬小麥-夏玉米微噴水肥一體化技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上關(guān)于施肥與灌水用量、次數(shù)及時(shí)間尚不明確，且研究多以農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，尚未形成一致性認(rèn)識，制約了技術(shù)推廣應(yīng)用規(guī)模與速度。本文通過大田試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同水氮處理對夏玉米產(chǎn)量品質(zhì)以及氮素利用效率的影響，探討晉南地區(qū)夏玉米最佳的水氮管理模式，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水減肥、穩(wěn)產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017 年6～10 月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所韓村基地（36°15.849′N，111°57.203′E）進(jìn)行，該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季氣溫回升快，降水較少；夏季天氣酷熱，多暴雨；秋季陰雨連綿，較涼爽；冬季寒冷干燥。年降水量小于蒸發(fā)量。試驗(yàn)期間降雨量為337mm，蒸發(fā)量723mm。試驗(yàn)地的土壤屬石灰性褐土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)。播前耕層0～20cm 土壤基本理化性狀：有機(jī)質(zhì)13.63g/kg，有效磷11.79mg/kg，速效鉀148.19mg/kg，pH 值8.15，全氮1.18g/kg，全磷0.47g/kg，全鉀29.18g/kg。試驗(yàn)地為冬小麥-夏玉米輪作模式，夏玉米在冬小麥?zhǔn)斋@后硬茬直播。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間試驗(yàn)，設(shè)置5 個(gè)處理：處理1 為對照CK（W0N1），大水漫灌、習(xí)慣施氮，基肥180kg/hm2+拔節(jié)肥120kg/hm2=300kg/hm2，灌水2次、灌水量為2025m3/hm2；處 理2（WN0）微噴灌溉、不施氮肥；處理3（WN1）微噴灌溉、習(xí)慣施氮量，基肥100kg/hm2+小喇叭口期200kg/hm2=300kg/hm2；處理4（WN2）微噴灌溉、減量施氮、追肥1 次，基 肥75.8kg/hm2+小喇叭口期151.7kg/hm2=227.5kg/hm2；處理5（WN3）微噴灌溉、氮肥后移、追肥2 次，基肥45.5kg/hm2+小喇叭口期136.5kg/hm2+抽雄肥45.5kg/hm2=227.5kg/hm2。其中處理1 為撒施肥料，處理3、處理4、處理5 均為微噴水肥一體化方式灌水施肥，微噴灌水4 次，其中處理5 與處理4 氮肥用量一致，處理5 追肥2 次、氮肥后移（詳見表1）。各處理磷、鉀用量一致，均施K2O90kg/hm2和P2O5135kg/hm2，作為底肥一次性施入，磷肥為磷酸二銨（N，18%；P2O5，46%），鉀肥為硫酸鉀（K2O，51%），氮肥為尿素（N，46.2%）。習(xí)慣施肥用量根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣用量調(diào)查確定、減量施肥量則是根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量法確定。每個(gè)處理3 次重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)。

每個(gè)小區(qū)長60m、寬2.3m，面積為138m2。每個(gè)小區(qū)等寬種植4 行玉米，行距為57cm，2 行之間沿玉米種植行向鋪設(shè)一條60m 的微噴帶。微噴帶進(jìn)水端裝有壓力表、水表和閘閥，進(jìn)水端水壓為0.02MPa。不同處理的各微噴帶帶長均為60m，噴孔采用每組5 孔單列斜布置，噴孔孔徑均為0.8mm。玉米于2017 年6 月12 日播種，種植密度67500 株/hm2，供試品種“先玉335”，2017 年9月29 日收獲。

表1 試驗(yàn)處理方案

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 計(jì)算公式［13］：

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮區(qū)吸氮量－不施氮區(qū)吸氮量）/施氮量×100

氮肥農(nóng)學(xué)效率（NAE，%）=（施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量

氮素收獲指數(shù)（NHI）=籽粒吸氮量/植株吸氮量土壤氮貢獻(xiàn)率（SNCR，%）=（不施肥區(qū)地上植株氮積累量/施肥區(qū)地上植株氮積累量）×100

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用Excel2007 進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)整理，用SPSS19 統(tǒng)計(jì)分析軟件中的ANOVA（單因素方差分析法）進(jìn)行顯著性分析比較，用LSD（最小顯著性差異法）進(jìn)行多重比較，顯著水平為0.05，最后使用Excel2007繪圖。若各處理間字母不同表示差異顯著（P＜5%），沒有標(biāo)字母或標(biāo)有相同字母均表示處理之間差異不顯著（P＞5%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴水肥一體化對夏玉米氮素積累量的影響

由表2 可知，不同水氮模式對夏玉米成熟期各器官氮素積累量有顯著的影響，微噴水肥一體化條件下，以氮肥后移處理WN3總氮素積累量最高，與其他處理間差異均達(dá)顯著水平。

施氮量不同時(shí)，葉氮素積累量、莖氮素積累量、總氮素積累量表現(xiàn)為WN2＞W(wǎng)N1＞W(wǎng)N0；相同施氮量（227.5kg/hm2）時(shí)，氮肥后移、追氮2 次模式的處理WN3籽粒氮素積累量、總氮素積累量均分別較追氮1 次的處理WN2增加6.8%、14.26%，因此，適宜的水氮運(yùn)籌模式可以提高葉氮素積累量、莖氮素積累量，從而增加總氮素積累量。

表2 微噴水肥一體化對夏玉米氮素積累量的影響（kg/hm2）

2.2 微噴水肥一體化對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3 可知，不同水氮處理對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著的影響，WN3組合處理的行粒數(shù)、百粒重最高，各處理間產(chǎn)量表現(xiàn)為WN3＞W(wǎng)N1＞W(wǎng)N2＞CK＞W(wǎng)N0。

微噴水肥一體化處理與傳統(tǒng)漫灌習(xí)慣施氮模式CK 相比，夏玉米籽粒產(chǎn)量提高12.05%～45.4%；相同氮用量下，微噴處理WN1比傳統(tǒng)漫灌處理CK 籽粒產(chǎn)量提高12.8%。微噴條件下，施氮處理比不施氮處理提高155.80%～229.78%，WN1與WN2間產(chǎn)量無顯著差異，可見，微噴水肥一體化減少氮用量24%，產(chǎn)量不受影響。WN3與WN2相比，施氮量相同，但產(chǎn)量增加了30%，說明夏玉米氮肥后移、追氮2 次可以顯著提高玉米產(chǎn)量。

表3 微噴水肥一體化對夏玉米產(chǎn)量的影響

2.3 微噴水肥一體化對夏玉米籽粒品質(zhì)的影響

由表4 可知，WN0、WN1、WN2相比，淀粉含量隨施氮量的增加先增加后減小，蛋白質(zhì)含量隨施氮量的增加而增加，賴氨酸含量隨施氮量的增加而減小，水分、脂肪含量隨施氮量的增加先減少后增加。各處理間WN3的蛋白質(zhì)含量最高。在相同氮用量條件下，傳統(tǒng)漫灌處理的淀粉、蛋白質(zhì)、賴氨酸含量均高于微噴水肥一體化處理，脂肪含量微噴優(yōu)于漫灌。微噴4 次時(shí)，相同氮用量條件下，淀粉、賴氨酸含量WN2高于WN3，WN3的蛋白質(zhì)、水分、脂肪含量高于WN2。

表4 微噴水肥一體化對夏玉米籽粒品質(zhì)的影響（%）

2.4 微噴水肥一體化對氮肥利用率的影響

相同施氮量（300kg/hm2）下，微噴水肥一體化與傳統(tǒng)漫灌習(xí)慣施氮（CK）相比，氮素收獲指數(shù)提高16%。減量施氮下，氮肥后移，追肥兩次（WN3）的氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率比追肥一次（WN2）分別提高23.14%、49.01%，均達(dá)顯著水平，土壤氮貢獻(xiàn)率較WN2顯著降低14.25%，氮素收獲指數(shù)降低6.98%。

以上結(jié)果表明，采用水肥一體化，氮肥后移，夏玉米小喇叭口期和抽雄期追施氮肥2 次，可以顯著提高氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率，降低土壤氮素的消耗，有利于維持土壤的氮素平衡。

表5 微噴水肥一體化對夏玉米氮肥利用率的影響

3 討論

3.1 不同水氮管理模式對玉米產(chǎn)量的影響

合理的施氮量及氮肥運(yùn)籌方式對玉米產(chǎn)量有提高作用。目前，在夏玉米生產(chǎn)中，氮肥施用過量，且多采取“一炮轟”，或基肥和大喇叭口期追肥按1∶1 的方式進(jìn)行施肥，這種方式易使氮肥以氣態(tài)形式損失，最終降低氮肥利用率［22］。在作物生長關(guān)鍵時(shí)期將氮肥分次施入能增加不同生育時(shí)期的作物氮素吸收量［23］，有效提高玉米地上部分生物量，并在灌漿期促進(jìn)各器官干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移［24］。馬劍等［25］研究表明，氮肥后移能提高玉米葉片中葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)碳水化合物的合成及其直接轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的能力，從而提高產(chǎn)量。茍志文等［26］研究表明，氮肥后移能通過促進(jìn)玉米光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移從而顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理中以WN3處理增產(chǎn)效果最顯著，說明根據(jù)作物需肥規(guī)律采用的水肥一體化技術(shù)，氮肥后移，夏玉米小喇叭口期和抽雄期追施氮肥2 次，能延緩葉片衰老，增大作物生長后期的光合速率，是提高夏玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵［27］。

水肥一體化有效協(xié)調(diào)了夏玉米關(guān)鍵生育期的氮素需求，提高生育中、后期葉面積指數(shù)，增大葉片的光合速率，提高干物質(zhì)向各營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，延緩植株葉片衰老［24］，提高成穗數(shù)、行粒數(shù)、百粒重并減少禿尖，從而在生育后期補(bǔ)充氮素，說明微噴水肥一體化可以通過優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成來提高產(chǎn)量［24，28］。產(chǎn)量構(gòu)成因素的提高對夏玉米產(chǎn)量提高有促進(jìn)作用，本研究表明水肥一體化能顯著提高夏玉米的成穗數(shù)、行粒數(shù)、百粒重，由此提高產(chǎn)量，說明提高產(chǎn)量構(gòu)成因素的任何一個(gè)組成部分都是提高產(chǎn)量的有效途徑［24］。

3.2 玉米氮肥利用率對水氮運(yùn)籌模式的響應(yīng)

水肥一體化技術(shù)通過精確控制不同生育期的施肥量，直接將肥料輸送到作物根部，保證了養(yǎng)分快速被根系吸收，改善了玉米氮素供需吻合度，提高了氮肥利用率［29］。傳統(tǒng)施氮制度下，重視對作物營養(yǎng)生長時(shí)期的氮肥投入，使作物營養(yǎng)生長速率過快，影響作物生殖生長時(shí)期其他器官向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)速率及轉(zhuǎn)運(yùn)量，最終降低氮肥利用率［30］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，微噴水肥一體化條件下，氮肥后移顯著提高了氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，氮肥后移的施氮模式較追氮1 次的施氮模式使氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率分別提高23.14%和49.01%，土壤氮貢獻(xiàn)率也顯著降低12%～25%。其主要原因是氮肥后移處理補(bǔ)充了作物旺盛生長后期的土壤有效氮，為灌漿期籽粒的吸氮提供了動(dòng)力［31］，促進(jìn)了作物氮素吸收以及向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，使得玉米籽粒吸氮量提高，從而減少土壤氮的貢獻(xiàn)率，提高了氮肥利用率［32］。所以，可通過使用微噴水肥一體化氮肥后移來實(shí)現(xiàn)晉南地區(qū)產(chǎn)量和氮肥利用率的提高，但具體的后移量需要更深入的量化研究。

4 結(jié)論

晉南地區(qū)夏玉米采用微噴水肥一體化技術(shù)進(jìn)行灌溉施肥有顯著的節(jié)水減肥增產(chǎn)效果，以WN3處理微噴4 次、氮肥后移為優(yōu)化組合處理，與微噴灌、習(xí)慣施氮（WN1）和微噴灌、減量施氮（WN2）相比，WN3處理顯著提高了氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，降低了土壤氮貢獻(xiàn)率，減少土壤氮的消耗；與漫灌、習(xí)慣施氮量（CK）相比，微噴灌溉優(yōu)化施氮組合處理（WN3）產(chǎn)量提高45.42%。因此，推薦微噴灌溉氮肥優(yōu)化處理（播種后基肥45.5kg/hm2+小喇叭口期追肥136.5kg/hm2+抽雄期追肥45.5kg/hm2）作為晉南地區(qū)夏玉米灌水施氮適宜的運(yùn)籌方式。