優(yōu)化施氮對夏玉米產(chǎn)量及水氮利用的影響

李升東，馮波，韓偉，李文杰，李宗新，王宗帥，李華偉，畢香君，司紀升，張賓

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東濟南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東濟南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，山東 濟南 250100）

玉米為中國的主要糧食作物，還是食品、飼料和工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的重要原料，在保障國家糧食安全中占有重要地位［1，2］。現(xiàn)今，由于受農(nóng)業(yè)從業(yè)人口素質(zhì)和農(nóng)田零碎度較高的影響，黃淮海地區(qū)作物生產(chǎn)過程中氮肥施用量變異較大［3］，農(nóng)戶主要通過增施肥料來提高產(chǎn)量，然而過量施肥不僅不能增產(chǎn)，而且形成農(nóng)業(yè)面源污染，威脅生態(tài)環(huán)境，這與玉米生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的發(fā)展方向不符，因而玉米合理施肥一直是研究熱點之一［4］。

近幾十年來，人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)高產(chǎn)目標，在很大程度上過量施用化肥，加上施用不合理等問題，造成產(chǎn)量和效率的不協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)量提升的同時肥料利用效率顯著下降，甚至已對環(huán)境產(chǎn)生不良影響［5-7］。目前，世界范圍內(nèi)氮肥的平均利用率約為33%［8］。張福鎖等［9］研究報道，我國主要農(nóng)作物水稻、小麥、玉米的氮肥利用率遠低于國際平均水平，其中玉米僅為26.1%。近年研究發(fā)現(xiàn)肥料運籌、種植密度、土壤條件以及其它農(nóng)業(yè)管理均可以縮減產(chǎn)量差距，提升肥料利用效率［10-12］。通過優(yōu)化施肥，能夠在提高氮素利用效率的同時增加 13% ～15%的產(chǎn)量［13］。夏來坤等［14］研究表明，在氮肥管理策略上既要保證前期氮素供給、確保植株健壯生長，又要保證后期植株生長所需氮素。夏玉米拔節(jié)以后進入快速生長階段，干物質(zhì)積累加快，對氮肥的需求量較大?？梢?，合理的施肥技術(shù)，仍是提高作物產(chǎn)量的重要手段。

目前，對于夏玉米施肥技術(shù)的研究較多，但大多數(shù)局限于單季施氮量和栽培措施對作物生理特性及干物質(zhì)積累的影響。而關(guān)于夏玉米氮肥施用方式對作物產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和水分利用率等綜合影響的研究相對較少。因此，本研究以鄭單958和登海618為試驗材料，從夏玉米種植大省——山東省境內(nèi)選取泰安和德州2個試驗點，探究農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮（FN）、專家施氮（SN）和優(yōu)化施氮（ON）3種施氮處理對夏玉米產(chǎn)量和水氮利用率的影響，以期為山東省夏玉米肥料的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2017—2018年分別在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)和德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗基地進行。供試土壤類型為棕壤，質(zhì)地壤土，各試驗點降水狀況和土壤基礎(chǔ)肥力見表1和表2。供試玉米品種為鄭單958（ZD958）和登海605（DH605）。供試氮磷鉀復(fù)合肥（N-P2O5-K2O＝26-11-11），簡寫為 FHF，含氮 26%；金正大緩控釋肥（N-P2O5-K2O ＝28-12-10），簡寫為 JZD，含氮28%；普通尿素，簡寫為NS，含氮46%。

表1 生育期進程及降水狀況

表2 兩試驗點土壤基礎(chǔ)肥力狀況

1.2 試驗設(shè)計

各試驗點采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，每個試驗點和品種均設(shè)置3種施氮處理：農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮（FN）、專家施氮（SN）和優(yōu)化施氮（ON），具體施肥量見表3。施肥方式為根部滴灌，不施肥處理以清水進行滴灌，每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積8.0m×4.5 m＝36 m2。播種和收獲時間如表1，其它田間管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。

表3 各處理施肥量 （kg／hm2）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質(zhì)累積量測定 在玉米大喇叭口期、授粉期和收獲期，分別從每小區(qū)選取3～5株長勢均勻的植株，放入105℃烘箱中殺青1 h，之后于80℃烘干至恒重，冷卻后用電子天平稱重，測定干物質(zhì)含量。

1.3.2 葉面積指數(shù)測定 分別于大喇叭口期、授粉期、灌漿期和收獲期每處理選取15株長勢一致的代表性植株，測其葉片長和寬，計算葉面積指數(shù)。單株葉面積＝葉長×葉寬×0.75；LAI（葉面積指數(shù)）＝（單株葉面積×小區(qū)株數(shù)）／小區(qū)面積。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定 玉米成熟后，按小區(qū)收獲、測產(chǎn)，并隨機選取20穗玉米考種，測定玉米群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

玉米產(chǎn)量 （kg／hm2）＝公頃收獲穗數(shù) ×穗粒數(shù) ×千粒重（g）×10-6×［1-子粒含水量（%）］／（1-14%）。

1.3.4 全生育期耗水量測定 根據(jù)下列公式［9］計算：

ETc＝P＋I＋ΔS-R-D 。

式中：ETc為作物騰發(fā)量即耗水量（mm）；P為降水量（mm）；I為全生育期灌水量（mm）；ΔS為0～100 cm土層播種前后土體貯水量的變化（mm）；R為地表徑流量（mm）；D為深層滲漏量（mm）。本試驗滴灌條件下不會形成地表徑流，而且灌水定額較低，不會形成深層滲漏，因此R和D忽略不計。

相關(guān)指標計算［15］如下：

水分利用效率（kg／m3）＝產(chǎn)量／作物全生育期耗水量；氮肥偏生產(chǎn)力 （PFPN，kg／kg）＝玉米產(chǎn)量／施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Microsoft Excel軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，利用SigmaPlot13.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥處理玉米干物質(zhì)積累的變化

由圖1可知，泰安和德州兩試驗點不同氮肥處理玉米的干物質(zhì)積累隨著生育進程均呈現(xiàn)增長趨勢，特別是授粉期至收獲期增長最迅速。大喇叭口期，泰安專家施氮處理的干物質(zhì)積累量最高，優(yōu)于農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和優(yōu)化施氮處理，德州3個處理的干物質(zhì)積累量基本相同；授粉期，泰安農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和優(yōu)化施氮處理的干物質(zhì)積累要優(yōu)于專家施氮處理，德州優(yōu)化施氮處理干物質(zhì)積累量最高，優(yōu)于專家施氮和農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理；收獲期，泰安和德州兩地干物質(zhì)積累量最高的均為優(yōu)化施氮處理。玉米干物質(zhì)積累最快的時間段是在授粉期與收獲期之間，而在這一時期最利于干物質(zhì)積累的是優(yōu)化施氮處理，所以整體來看，優(yōu)化施氮是玉米干物質(zhì)積累的最優(yōu)處理。

圖1 不同氮肥處理玉米干物質(zhì)積累的變化

2.2 不同氮肥處理玉米葉面積系數(shù)的變化

從圖2可以看出，鄭單958和登海605兩個品種的葉面積系數(shù)整體變化比較相似，大喇叭口期葉面積系數(shù)最低，之后迅速增長，授粉期達到最高，收獲期顯著降低，但仍明顯高于大喇叭口期。不同氮肥處理不同生育時期兩品種的葉面積系數(shù)也有差異，DH605生育前期FN和SN處理葉面積系數(shù)高于ON處理，授粉期之后則表現(xiàn)為ON處理明顯高于FN和SN處理；ZD958在生育前期3個處理的葉面積系數(shù)差異較小，授粉期后則表現(xiàn)為ON處理明顯高于FN和SN。整個生育期看，優(yōu)化施氮處理優(yōu)于傳統(tǒng)施氮和專家施氮處理。

圖2 不同氮肥處理玉米葉面積系數(shù)的變化

2.3 不同氮肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化

由表4看出，2017年兩試驗點不同品種的3個施氮處理中均為優(yōu)化施氮處理（ON）產(chǎn)量最高，ON處理氮肥施用量最少，群體穗數(shù)和千粒重也最高。2018年泰安，鄭單958專家施氮處理產(chǎn)量最高，但與ON處理差異不顯著，群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重也最高；登海605專家施氮和優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量基本一致，但優(yōu)化施氮處理的群體穗數(shù)和千粒重優(yōu)于專家施氮處理。2018年德州，鄭單958優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，但與SN處理差異不顯著，群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重也最高；登海605優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，但3個處理間差異不顯著。另外，試驗中產(chǎn)量超過10 000 kg／hm2的3個處理都在德州，其中優(yōu)化施氮處理占2／3，專家施氮處理占1／3?？傮w比較3個施氮處理的產(chǎn)量水平，優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，兩個品種平均比傳統(tǒng)施氮處理高9.8%，比專家施氮處理高3.3%。

2.4 不同氮肥處理夏玉米水分利用率的變化

從圖3可以看出，鄭單958，泰安和德州兩地都表現(xiàn)為優(yōu)化施氮處理的水分利用率最高，其中泰安水分利用率最低的是農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理，德州水分利用率最低的是專家施氮處理。登海605，泰安和德州兩地水分利用率最高的也都是優(yōu)化施氮處理。鄭單958的水分利用效率高于登海605，德州的水分利用率普遍高于泰安，優(yōu)化施氮條件下鄭單958在德州的水分利用率最高達21.4 kg／m3?？傮w來看，3個施氮處理中優(yōu)化施氮處理水分利用效率最高，兩個品種平均比農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理高12.0%，比專家施氮處理高8.3%。

表4 不同氮肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的差異

2.5 不同氮肥處理夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力的變化

由圖4可知，鄭單958，泰安和德州兩地都表現(xiàn)為優(yōu)化施氮處理氮肥偏生產(chǎn)力最高，農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理最低。登海605，泰安和德州兩地氮肥偏生產(chǎn)力最高的也都是優(yōu)化施氮處理。鄭單958的氮肥偏生產(chǎn)力稍優(yōu)于登海605，德州的氮肥偏生產(chǎn)力普遍高于泰安，優(yōu)化施氮條件下鄭單958在德州的氮肥偏生產(chǎn)力最高達66.7 kg／kg?？傮w來看，3個施氮處理中優(yōu)化施氮處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高，兩個品種平均比傳統(tǒng)施氮處理高31.0%，比專家施氮處理高24.0%。

圖3 不同氮肥處理夏玉米水分利用效率的差異

圖4 不同氮肥處理夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）的差異

3 討論與結(jié)論

氮素是植物必需的營養(yǎng)元素，對作物生長發(fā)育起關(guān)鍵性作用。研究表明，夏玉米生育期吸肥能力強，對肥料需求量大［2］，在一定范圍內(nèi)隨施氮量的增加夏玉米干物質(zhì)積累量增加，產(chǎn)量也隨之增加［16］。大面積作物生產(chǎn)上，后期追施氮肥大多依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗進行，缺少時效性和針對性，農(nóng)民無法確定準確的追肥時期和追肥量［17］。因此，采用科學(xué)簡便的施肥指導(dǎo)技術(shù)、合理運籌氮肥是實現(xiàn)玉米優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和減輕氮素環(huán)境污染的重要保障措施。楊國航等［18］研究表明，前期施肥能夠促進營養(yǎng)庫的建成，延后施肥對花后干物質(zhì)積累有利，因此，合理平衡玉米前后期肥料的供應(yīng)，才能發(fā)揮植株庫容和供給源的潛力，構(gòu)建良好的庫／源比達到高產(chǎn)。呂鵬等［19］研究認為，綜合考慮產(chǎn)量、植株和子粒對氮素的吸收利用及轉(zhuǎn)運，采用分次施肥、灌漿期適量施氮可以顯著提高產(chǎn)量和氮素利用率，促進花前氮素向子粒轉(zhuǎn)運和花后子粒氮素同化。本研究發(fā)現(xiàn)，降低前期基肥投入，大喇叭口期和吐絲期分別追施尿素的優(yōu)化施氮處理可以明顯提高玉米產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、水分利用率、干物質(zhì)積累和葉面積系數(shù)等。其具體施肥措施為：以氮磷鉀復(fù)合肥（26-11-11）300 kg／hm2為基肥，大喇叭口期追施尿素75 kg／hm2，吐絲期追施尿素120 kg／hm2，總施氮量為168.0 kg／hm2。本研究中降低氮肥用量的基礎(chǔ)與黃淮海地區(qū)農(nóng)田土壤無機氮含量較高有關(guān)［20］，土壤內(nèi)含有的無機氮足以供給玉米初期生長，而前期減少基肥用量，采用大喇叭口期和吐絲期追肥方式正好彌補土壤和基肥后期肥力不足問題，如果初期施氮過多，而此時玉米無法吸收，就造成肥料浪費。

不同施氮量對作物干物質(zhì)積累、葉面積系數(shù)和產(chǎn)量等的影響不同。郭占全等［21］研究表明，氮肥可增加玉米植株的干物質(zhì)積累量，但過量施氮則會抑制其干物質(zhì)積累生成。王進軍等［22］發(fā)現(xiàn)，氮肥可以通過延緩玉米葉片的衰老，進而提高葉面積指數(shù)，并且有助于玉米干物質(zhì)的形成，而干物質(zhì)正是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。吳亞男等［23］發(fā)現(xiàn)增施氮肥有利于提高葉面積，但氮肥過高則導(dǎo)致生育后期葉面積指數(shù)下降迅速，不利于干物質(zhì)的積累。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量較少的優(yōu)化施氮處理干物質(zhì)積累、葉面積系數(shù)和產(chǎn)量等優(yōu)于施氮量較多的農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和專家施氮處理。這與前人研究相似，表明施氮量過多可能會抑制玉米的生長發(fā)育，從而降低產(chǎn)量。

追氮時期是決定作物產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的重要因素。易鎮(zhèn)邪等［24］發(fā)現(xiàn)肥料氮主要在吐絲前發(fā)揮作用，基施氮主要在拔節(jié)至大喇叭口期發(fā)揮作用，追施氮主要在大喇叭口至吐絲期發(fā)揮作用，氮肥利用率隨追施氮量增大而提高。孫燕等［25］研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整中后期施氮量，更有利于咖啡果的增產(chǎn)，氮肥過量在咖啡結(jié)束一個生長周期后帶來的是氮素凈損失，且施肥量越高損失越大。孫占祥等［26］研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面硝態(tài)氮含量的變化因施氮量和玉米生育時期的不同而表現(xiàn)出差異，過量施氮不但影響土壤中硝態(tài)氮累積量，也影響其移動深度。本研究發(fā)現(xiàn)前期減少基肥用量，采用大喇叭口期和吐絲期追肥方式，可以提高玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力。這與前人的研究相似，表明合理的后期追肥有利于玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的提高。

另外，水分是作物生長發(fā)育的必要因素。施肥能提高土壤水分利用效率和保水力，提供植株更多的有效水［27］。而水分不足則會抑制植物根系的生長，降低根系的吸收面積和吸收能力，木質(zhì)部液流粘滯性增大，從而降低養(yǎng)分的吸收和運輸［28］，合理控制水肥用量，對指導(dǎo)作物生產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義［29］。本研究通過基施加大喇叭口期、吐絲期兩次追施，實現(xiàn)氮肥供給與玉米生長發(fā)育的精準匹配，為玉米水肥一體化的精準投入和水肥管理技術(shù)的提高提供了參考。