甜玉米產(chǎn)量和氮磷養(yǎng)分利用率對(duì)施氮量的響應(yīng)

崔玉濤 季貞希 張彪

摘要 [目的] 闡明甜玉米產(chǎn)量和氮磷養(yǎng)分利用效率對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)模式，從而為改善甜玉米的氮肥管理方案、提高養(yǎng)分利用效率提供支撐。[方法] 在云南省大理市的洱海流域開展田間試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)氮肥施用量處理（0、100、200、300、400 kg/hm2），測(cè)定鮮穗產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、地上部生物量產(chǎn)量，以及莖葉、苞葉、籽粒、穗軸等的氮磷含量;計(jì)算收獲指數(shù)、籽粒吸氮量和吸磷量、地上部吸氮量和吸磷量、氮肥和磷肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮和磷利用效率、氮和磷收獲指數(shù)及氮偏平衡。在此基礎(chǔ)上，分析以上指標(biāo)對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)模式。[結(jié)果] 鮮穗產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、籽粒吸氮量、籽粒吸磷量及磷肥偏生產(chǎn)力隨氮肥施用量的增加呈漸近增長(zhǎng)的模式，最大增長(zhǎng)幅度均為17.2%（與不施氮肥的對(duì)照相比）。地上部生物量產(chǎn)量、地上部吸氮量和吸磷量隨氮肥施用量的增加呈漸近增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但其統(tǒng)計(jì)模型不顯著。氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率及籽粒氮肥利用效率在施氮量為100 kg/hm2時(shí)最大，分別為27.20 、2.51 kg/kg 及3.2%，三者隨氮肥施用量的增加而指數(shù)下降，最大下降幅度分別為73.6%、59.8%及59.9%。收獲指數(shù)、氮肥回收率、籽粒氮利用效率、氮收獲指數(shù)、籽粒磷利用效率及磷收獲指數(shù)等指標(biāo)在處理間的變化范圍分別為22.9%～25.5%、5.5%～11.9%、22.3～25.1 kg/kg 、28.3%～31.9%、30.1～34.3 kg/kg 及20.2%～23.0%，且隨氮肥施用量的增加呈下降趨勢(shì)，但有關(guān)模型不顯著。施氮量為115 kg/hm2時(shí)，以地上部總吸氮量計(jì)算所得的氮平衡值等于1.0。[結(jié)論] 研究區(qū)域的土壤基礎(chǔ)肥力較高，導(dǎo)致在較低施氮量時(shí)有較高的氮肥偏生產(chǎn)力，以及較低的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率。莖葉吸收的氮向玉米穗和籽粒轉(zhuǎn)移效率較低，由此進(jìn)一步降低研究區(qū)域甜玉米的氮利用效率。增施氮肥能提高甜玉米對(duì)磷的利用效率。施氮量在115 kg/hm2左右是研究區(qū)域甜玉米施氮量的合理參考值。

關(guān)鍵詞 甜玉米;氮肥利用效率;氮偏平衡;磷肥利用效率;洱海流域

中圖分類號(hào) S513 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0157-09

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.042

Abstract [Objective] ?To elucidate the response patterns of yield and nitrogen （N） and phosphorus （P） use efficiency of sweet corn （Zea mays L. saccharata Sturt） to N input rate， and then provide scientific support for improving N fertilizer management programmes， and increasing nutrient use efficiency of sweet corn. [Method] A field experiment amended with five N fertilizer input rate （i.e. 0， 100， 200， 300， and 400 kg/hm2） at Erhai watershed， Dali， Yunnan， PR China was conducted. The yield of fresh ear， grain， and aboveground biomass， and N and P content in stalks and leaves， husk leaves， grains， and shanks were analyzed， and then harvest index （HI）， N and P uptake in grain， N and P uptake in aboveground biomass， partial factor productivity of N and P fertilizer （PFPNF and PFPPF）， agronomic use efficiency of N fertilizer （AUENF）， recovery efficiency of N fertilizer （RENF）， grain utilization efficiency of N fertilizer （GUENF）， N and P use efficiency of grain （NUEgrain and PUEgrain）， harvest index of N and P （HIN and HIP）， and partial N balance （PNB） were calculated， and thereafter exploring the response patterns of the above mentioned indices to N fertilizer input rate. [Result] ?Fresh ear yield， grain yield， N and P uptake in grain， and PFPPF response to N fertilizer input rate presented an asymptotic growth model， and the maximum increment extent was 17.2% when compared with the control. Aboveground biomass and N and P uptake in aboveground biomass tended to increase asymptotically with N input rate， the associated statistical models， however， were not significant. The maximum PFPNF， AUENF， and GUENF was observed at the N input rate of 100 kg/hm2， and with the value of 27.20 kg/kg， 2.51 kg/kg， and 3.2%， respectively. Increasing N input rate induced exponentially decrease of PFPNF， AUENF， and GUENF， and the maximum decrease extent was 73.6%， 59.8%， and 59.9%， respectively. HI， RENF， NUEgrain， HIN， PUEgrain， and HIP of the five treatments were within the range of 22.9%-25.5%， 5.5%-11.9%， 22.3-25.1 kg/kg， 28.3%-31.9%， 30.1-34.3 kg/kg， and 20.2%-23.0%， respectively， and these indices tended to decrease with N input rate， however， the associated models were not significant. PNB was 1.0 when N input rate was 115 kg/hm2 and when PNB was calculated with aboveground N uptake. [Conclusion] ?Taken together， the basic fertility of the soil in the study area was relatively high， which resulted in the high PFPNF and low AUENF， RENF， and GUENF at low N input rate. N utilization efficiency of the sweet corn in the study area was further reduced by the low efficiency of N transformation from stalks and leaves to ears and grains. Increasing N fertilizer input could enhance P use efficiency of sweet corn. The recommended N fertilizer rate for sweet corn of the study area was 115 kg/hm2.

Key words Sweet corn;Nitrogen fertilizer use efficiency;Partial nitrogen balance;Phosphorus fertilizer use efficiency;Erhai watershed

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41963007）;大理大學(xué)博士科研啟動(dòng)費(fèi)項(xiàng)目（KYBS2018028）。

作者簡(jiǎn)介 崔玉濤（1997—），女，重慶人，從事植物養(yǎng)分管理研究。*通信作者，講師，博士，從事作物養(yǎng)分管理與農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)研究。

收稿日期 2020-03-24;修回日期 2020-04-13

甜玉米（Zea mays L.saccharata Sturt）是兼具糧、果、蔬等三重用途的重要經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)內(nèi)外被廣泛種植[1]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，包括甜玉米在內(nèi)的鮮食玉米種植在2015年占全國(guó)玉米種植面積的3%[2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)甜玉米的需求量還將持續(xù)增長(zhǎng)，甜玉米的種植規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大[3]。氮肥是作物種植所需的最關(guān)鍵肥料，其對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量建成的促進(jìn)作用早已被廣泛認(rèn)知[4-6]。然而，由于缺乏科學(xué)的管理和對(duì)作物產(chǎn)量的盲目追求，氮肥不合理施用已成為國(guó)內(nèi)外普遍存在的現(xiàn)象，特別是偏施氮肥的現(xiàn)象更為突出，由此導(dǎo)致氮肥利用效率低、生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重負(fù)面影響等問題[7-9]。在此背景下，合理施用氮肥、提高氮肥利用效率、降低氮肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中最為關(guān)注的重大問題之一[10-13]。甜玉米作為需氮量很大的一類作物，研究其對(duì)氮肥的吸收和利用特征、提高氮肥利用效率，將對(duì)其生產(chǎn)提質(zhì)增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展有重要指導(dǎo)意義。

迄今，針對(duì)提高普通玉米的氮肥利用效率研究較多，研究者從土壤與植物營(yíng)養(yǎng)、農(nóng)學(xué)、育種等多學(xué)科角度著手，探索出系列管理技術(shù)，如確定合理的氮肥施用量和施用時(shí)間、配方施肥、優(yōu)化種植密度及播種時(shí)間、改善品種等[14-17]。在已有的所有技術(shù)中，確定氮肥的合理施用量是其中的核心之一，大多圍繞這一主題展開[5，18]。目前，研究表明，我國(guó)玉米生產(chǎn)的氮肥平均施用量應(yīng)控制在214～256 ?kg/hm2，此時(shí)可兼顧較高的產(chǎn)量和較高的氮肥利用效率，在保證糧食安全的同時(shí)有效降低氮肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響（產(chǎn)量為12 600～14 200 kg/hm2，氮肥偏生產(chǎn)力為56～59 kg/kg[18]。

相比之下，國(guó)內(nèi)外對(duì)甜玉米氮肥需求規(guī)律的研究則異常匱乏，與此有關(guān)的針對(duì)性研究?jī)H見少量報(bào)道。資料顯示，與普通玉米及北美地區(qū)的甜玉米種植相比，我國(guó)甜玉米的氮肥管理顯得較為粗放，有關(guān)研究也顯得較為薄弱。當(dāng)前，我國(guó)甜玉米的氮肥施用量普遍較高，大多數(shù)研究均超過250 kg/hm2，在一些研究中高達(dá)458～607 kg/hm2[19-23];而在一些農(nóng)技推廣指導(dǎo)中，除大量施用有機(jī)肥外，同時(shí)額外增施的化學(xué)氮肥用量甚至達(dá)345～500 kg/hm2[24-26]。然而，美國(guó)和加拿大的甜玉米施氮量基本在150 kg/hm2以下，只有個(gè)別研究中的施氮量達(dá)200 kg/hm2左右[27-32]。

造成我國(guó)甜玉米氮肥施用量偏高的一個(gè)主要原因是當(dāng)前的甜玉米種植以高產(chǎn)為主要目標(biāo)，很少考慮氮肥施用量對(duì)氮肥利用效率及生態(tài)環(huán)境的影響。迄今，僅發(fā)現(xiàn)4篇文獻(xiàn)對(duì)氮肥施用量與甜玉米產(chǎn)量間的關(guān)系做過較為細(xì)致的研究，而這其中僅有一篇文獻(xiàn)同時(shí)報(bào)道了氮肥利用效率對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)特征[33-36]。這4項(xiàng)研究表明，僅權(quán)衡產(chǎn)量和玉米穗農(nóng)藝性狀表現(xiàn)時(shí)，其中一項(xiàng)研究的甜玉米最佳施氮量為210 kg/hm2[36]，另外3項(xiàng)研究的甜玉米最佳施氮量可高達(dá)300～405 kg/hm2[33-35]。但如果同時(shí)權(quán)衡產(chǎn)量、氮肥利用效率及經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，甜玉米最佳施氮量需從400 kg/hm2下調(diào)到250 kg/hm2，下調(diào)幅度高達(dá)38%[34]。因此，在我國(guó)甜玉米生產(chǎn)中，關(guān)于氮肥施用量對(duì)甜玉米氮肥利用效率的影響亟待深入研究。

在評(píng)價(jià)玉米氮肥利用效率時(shí)，對(duì)普通玉米的有關(guān)研究已經(jīng)發(fā)展出系列指標(biāo)，包括氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity of nitrogen fertilizer，PFPNF）、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率（agronomic use efficiency of nitrogen fertilizer，AUENF）、氮肥回收率（recovery efficiency of nitrogen fertilizer，RENF）、籽粒氮肥利用效率（grain utilization efficiency of nitrogen fertilizer，GUENF）、籽粒氮利用效率（nitrogen use efficiency of grain，NUEgrain）、氮收獲指數(shù)（harvest index of nitrogen，HIN）及氮偏平衡（partial nitrogen balance，PNB）等[37-39]。對(duì)這些指標(biāo)分別進(jìn)行分析，能較為全面地認(rèn)識(shí)調(diào)控甜玉米氮肥利用效率的各內(nèi)外環(huán)節(jié)所起的作用，從而為改進(jìn)管理技術(shù)提供有針對(duì)性的指導(dǎo)[37]。當(dāng)前，在普通玉米的研究中，對(duì)這些指標(biāo)的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用已臻成熟，值得在甜玉米的研究中對(duì)其進(jìn)行借鑒和采納?；谝陨媳尘?，筆者通過在云南大理洱海流域開展田間試驗(yàn)，解析氮肥施用量對(duì)甜玉米產(chǎn)量和氮磷養(yǎng)分利用效率的影響規(guī)律，以期為改善區(qū)域甜玉米氮肥管理現(xiàn)狀提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于云南省大理市的大理大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站，地理坐標(biāo)為100°10′30″ E，25°41′3″ N，海拔2 002 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候類型，氣溫年較差小，日較差大，雨熱同季。近30年間，年均溫15.5 ℃，最暖月和最冷月分別為7月和1月（月均溫分別為20.1和8.6 ℃）;年降水量1 060 mm，6—10月為雨季（降水量占全年降水量的80.3%），11—次年5月為旱季。0～50 cm土層pH為5.3，容重為1.22～1.46 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為30～67 g/kg，速效磷含量為76.4～225.3 mg/kg（表1）。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)和管理

用耘甜8號(hào)（廣東現(xiàn)代金穗種業(yè)有限公司）作為供試甜玉米品種。研究因素為氮肥施用量，設(shè)置5個(gè)水平（0、100、200、300、400 kg/hm2）。所用氮肥為尿素（N含量46%），分3次施用，分別為基肥、六葉期及抽雄期3個(gè)階段各施入全生育期氮肥施用總量的30%、35%及35%。磷肥和鉀肥分別用過磷酸鈣（P2O5含量16%）和硫酸鉀（K2O含量50%），二者皆全部用作基肥，施用量均為100 kg/hm2（按P2O5和K2O計(jì)）?；视谡厍叭鍪┯诘乇?，整地時(shí)與表層30 cm土層混勻。作為追肥的氮肥先撒施于地表，之后澆水。試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)4次重復(fù)，小區(qū)面積為9.5 m×1.9 m=17.5 m2。2018年6月20日播種，乳熟期收獲（10月1日），共持續(xù)105 d。甜玉米株距和行距分別為25 cm和60 cm（66 667株/hm2）。田間試驗(yàn)期間為研究區(qū)域的雨季，除追施氮肥時(shí)進(jìn)行少量澆水外，其余時(shí)間未澆水，并做好排水工作。

1.3 樣品采集與測(cè)定

整地前采集土壤樣品，用于測(cè)定土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)及速效磷含量。采集土壤樣品時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)（即4次重復(fù)），對(duì)各采樣點(diǎn)的0～10、10～30及30～50 cm 3個(gè)土層土壤進(jìn)行分層采樣。

產(chǎn)量測(cè)定及玉米樣品采集于甜玉米達(dá)到最佳鮮食程度時(shí)進(jìn)行（乳熟期，10月1日）。測(cè)產(chǎn)時(shí)，在各小區(qū)內(nèi)部選取2行玉米，每行連續(xù)采玉米6株，2行共12株;在田間測(cè)定各株玉米的莖葉鮮重及對(duì)應(yīng)的穗鮮重（包括苞葉、籽粒及穗軸3個(gè)部分的總種）。然后從各小區(qū)的12株玉米中分別隨機(jī)采莖葉樣品1份，玉米穗樣品3穗，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定莖葉、籽粒、苞葉及穗軸等的水分含量、干物質(zhì)重量、氮磷養(yǎng)分元素含量及出籽率。

氣候數(shù)據(jù)源自附近的大理氣象觀測(cè)站。土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定;pH用pH計(jì)測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量用灼燒法測(cè)定[40];速效磷含量用NH4F-HCl溶液浸提-鉬銻抗顯色法測(cè)定[41]。田間試驗(yàn)期間的土壤溫度和體積含水量動(dòng)態(tài)變化用土壤溫濕度監(jiān)測(cè)儀EM50（Decagon Devices，Inc.USA）監(jiān)測(cè);在田間選取2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在10和30 cm深度土層安裝溫濕度探頭（即每個(gè)深度2次重復(fù)），每10 min采集一次土壤溫濕度數(shù)據(jù)。玉米樣品在60 ℃的烘箱中烘干至恒重后計(jì)算含水量。玉米莖葉、籽粒、苞葉及穗軸等用H2SO4-H2O2消煮，之后用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，用鉬銻抗顯色法測(cè)定磷含量[42]。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

土壤溫濕度各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一天當(dāng)中的溫度和水分含量日均值、最大值及最小值分別用各探頭一天中記錄的全部數(shù)據(jù)（144個(gè)數(shù)據(jù)/d）的均值、最大值及最小值表示;各土層2個(gè)重復(fù)一天中的溫濕度日均值、最大值及最小值的均值作為試驗(yàn)區(qū)相應(yīng)土層溫濕度的日均值、最大值及最小值。

鮮穗產(chǎn)量包括苞葉、籽粒及穗軸的總鮮重，以各小區(qū)12株玉米的鮮穗總重來換算成相應(yīng)小區(qū)的產(chǎn)量。籽粒、苞葉及穗軸的干物質(zhì)產(chǎn)量分別以他們各自占鮮穗的百分?jǐn)?shù)和鮮穗產(chǎn)量來計(jì)算。地上部生物量產(chǎn)量以干物質(zhì)計(jì)，包括莖葉、籽粒、苞葉、穗軸的干物質(zhì)總重。收獲指數(shù)（harvest index，HI）為籽粒產(chǎn)量占地上部總生物量的百分?jǐn)?shù)（均以干重計(jì)）[43]。籽粒吸氮量和吸磷量為籽粒干物質(zhì)產(chǎn)量分別乘以籽粒含氮量和含磷量;地上部吸氮量和吸磷量為地上部莖葉、籽粒、苞葉及穗軸各自的干物質(zhì)產(chǎn)量分別乘以他們各自的氮磷含量后相加取和。

氮利用效率用如下7項(xiàng)指標(biāo)表征：氮肥偏生產(chǎn)力（PFPNF）、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率（AUENF）、氮肥回收率（RENF）、籽粒氮肥利用效率（GUENF）、籽粒氮利用效率（NUEgrain）、氮收獲指數(shù)（HIN）、氮偏平衡（PNB）。

PFPNF=Ygrain/Nr。式中，PFPNF，氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg;Ygrain，籽粒產(chǎn)量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[39]。

AUENF=（YgrainN-Ygrain0）/Nr。式中，AUENF，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，kg/kg;YgrainN，施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，kg/hm2;Ygrain0，不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[44-45]。

RENF =（UNN-UN0）/Nr×100%。式中，RENF，氮肥回收率，%;UNN，施氮區(qū)玉米地上部吸氮總量，kg/hm2;UN0，不施氮區(qū)玉米地上部吸氮總量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[46-47]。

GUENF=（GNN-GN0）/Nr×100%。式中，GUENF，籽粒氮肥利用效率，%;GNN，施氮區(qū)籽粒吸氮總量，kg/hm2;GN0，不施氮區(qū)籽粒吸氮總量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[45，48]。

NUEgrain =Ygrain/UN。式中，NUEgrain，籽粒氮利用效率，kg/kg;Ygrain，籽粒產(chǎn)量，kg/hm2;UN，地上部吸氮總量，kg/hm2[49]。

HIN=GN/UN×100%。式中，HIN，氮收獲指數(shù)，%;GN，籽粒吸氮量，kg/hm2;UN，玉米地上部吸氮總量，kg/hm2[43]。

PNB=UN/Nr。式中，PNB，氮偏平衡，無量綱;UN，收獲物中帶走的氮養(yǎng)分量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[38]。該研究中，用籽粒吸氮量、玉米穗（包括苞葉、籽粒及穗軸）吸氮量及地上部（包括莖葉和玉米穗）吸氮量等3種方法分別計(jì)算收獲物中帶走的氮養(yǎng)分量，然后再分別計(jì)算氮偏平衡。

磷肥偏生產(chǎn)力（PFPPF）、籽粒磷利用效率（PUEgrain）及磷收獲指數(shù)（HIP）分別按氮肥偏生產(chǎn)力、籽粒氮利用效率及氮收獲指數(shù)的公式進(jìn)行計(jì)算，其中的磷肥施用量和玉米磷吸收量以P2O5計(jì)。

氮肥施用量與鮮穗產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、地上部生物量產(chǎn)量、籽粒吸氮量、地上部吸氮量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量、磷肥偏生產(chǎn)力之間的關(guān)系用漸近增長(zhǎng)模型擬合[50-51]：

y=α+δ（1-e-βx）

式中，y，應(yīng)變量;α，未施用氮肥時(shí)應(yīng)變量的取值;δ，應(yīng)變量對(duì)氮肥施用的最大響應(yīng)程度（即氮肥供應(yīng)充足時(shí)，應(yīng)變量的最大增加潛力）;β，應(yīng)變量對(duì)氮肥施用量增加的響應(yīng)速率;x，氮肥施用量。

氮肥施用量與收獲指數(shù)之間的關(guān)系用簡(jiǎn)單線性模型擬合。氮肥施用量與氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率、氮收獲指數(shù)、籽粒磷利用效率、磷收獲指數(shù)及氮偏平衡之間的關(guān)系用指數(shù)下降模型擬合[52]：

y=θe-kx

式中，y，應(yīng)變量;θ，擬合參數(shù)，相當(dāng)于應(yīng)變量可能達(dá)到的最大值;k，應(yīng)變量對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)速率;x，氮肥施用量。用SigmaPlot（version 12.0）軟件進(jìn)行模型的擬合，并在α=0.05的水平上檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫濕度狀況

田間試驗(yàn)期間，土壤溫度較高，水分充足。10和30 cm深度土層中，日均溫分別在19.2～25.1 ℃和19.8～23.6 ℃，瞬時(shí)最低溫分別為18.1和19.5 ℃，瞬時(shí)最高溫分別為29.7和24.1 ℃（圖1A和B）;水分含量日均值分別在0.19～0.39和0.20～0.43 m3/m3，瞬時(shí)最低含水量分別為0.18和0.19 m3/m3，瞬時(shí)最高含水量分別為0.48和0.44 m3/m3（圖1C和D）。

2.2 產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)

未施氮肥的處理鮮穗產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量分別為17 510和2 469 kg/hm2，二者均隨氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加幅度分別為3 015和425 kg/hm2（漸近增長(zhǎng)模型的參數(shù)δ），二者的增加量均為17.2%（圖2A和B）。地上部生物量產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加呈漸近增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但其模型不顯著。處理間地上部生物量產(chǎn)量的變異范圍為9 758～12 575 kg/hm2，最高產(chǎn)量的處理（400 kg/hm2處理）比最低產(chǎn)量的處理（0 kg/hm2處理）高28.9%（圖2C）。收獲指數(shù)在處理間的變異范圍為22.9%～25.5%，隨施氮量的增加呈下降趨勢(shì)，但其模型不顯著（圖2D）。

2.3 氮磷養(yǎng)分吸收對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)

未施氮肥的處理，籽粒吸氮量和吸磷量分別為31.36和16.57 kg/hm2，二者均隨氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量分別為5.40和2.85 kg/hm2（漸近增長(zhǎng)模型的參數(shù)δ），增加幅度均為17.2%（圖3A和C）。地上部吸氮總量和吸磷總量在處理間的變異范圍分別為99.2～129.2和72.7～95.6 kg/hm2，二者均隨氮肥施用量的增加呈上升趨勢(shì)，但統(tǒng)計(jì)模型不顯著（圖3B和D）。

2.4 氮利用效率對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)

施氮量為100 kg/hm2時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率及籽粒氮肥利用效率分別為27.20、2.51 kg/kg及3.2%，三者均隨氮肥施用量的增加而下降（P<0.05），最大下降幅度分別為73.6%、59.8%及59.9%（圖4A、B和D）。如果以鮮穗產(chǎn)量計(jì)，氮肥施用量為100、200、300、400 kg/hm2時(shí)，各自的氮肥偏生產(chǎn)力依次為193、100、68及51 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率依次為17.79、12.66、9.66及7.17 kg/kg。

氮肥回收率、籽粒氮利用效率及籽粒氮收獲指數(shù)在處理間的變異范圍分別為5.45%～11.87%、22.25～25.09 kg/kg及28.3%～31.9%，三者均隨氮肥施用量的增加呈下降趨勢(shì)，下降幅度分別為54.1%、11.3%及11.3%，但三者與氮肥施用量關(guān)系的模型不顯著（圖4C、E和F）。如果以全穗吸氮量（包括籽粒、穗軸、苞葉）計(jì)算，氮收獲指數(shù)隨氮肥施用量增加呈下降趨勢(shì)，但二者之間的線性模型不顯著，氮收獲指數(shù)在34.8%～39.2%，平均值為37.5%。

氮偏平衡在施氮量為100 kg/hm2時(shí)最高，此時(shí)以地上部總吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量來計(jì)，氮偏平衡的值分別為1.11、0.42及0.35。3種計(jì)算方法所得到的氮偏平衡值均隨施氮量的增加呈指數(shù)下降模式（P<0.05），在施氮量為400 kg/hm2時(shí)降到最低，此時(shí)以地上部總吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量計(jì)算所得的氮偏平衡值分別是0.32、0.11及0.09。根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型的計(jì)算結(jié)果，施氮量為115 kg/hm2時(shí)，以地上部總吸氮量計(jì)算所得的氮偏平衡值等于1.0（圖5）。

2.5 磷利用效率對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)

未施氮肥的處理磷肥偏生產(chǎn)力為24.69 kg/kg，且隨氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量為4.25 kg/kg（漸近增長(zhǎng)模型的參數(shù)δ），增加幅度為17.2%（圖6A）。籽粒磷利用效率和磷收獲指數(shù)的變異范圍分別為30.1～34.3 kg/kg和20.2%～23.0%，二者均隨氮肥施用量的增加呈下降趨勢(shì)，下降幅度均為12.2%，但二者與氮肥施用量關(guān)系的模型不顯著（圖6B和C）。

3 討論

3.1 甜玉米產(chǎn)量建成對(duì)氮肥的需求

該研究中，未施氮肥的處理甜玉米鮮穗產(chǎn)量為17 510 kg/hm2，施用氮肥最多使產(chǎn)量增加17.2%。這表明研究區(qū)域的土壤基礎(chǔ)肥力很高（包括有機(jī)質(zhì)和速效磷均處于較高水平），能夠供應(yīng)甜玉米所需氮素的82.8%。一項(xiàng)在江蘇2個(gè)甜玉米品種不施氮肥的處理鮮穗產(chǎn)量分別約為8 000和9 000 kg/hm2[53];在廣東的一項(xiàng)研究中，不施氮肥的鮮穗產(chǎn)量為8 500～10 000 kg/hm2[54];在廣東的另一項(xiàng)研究中，不施氮肥的鮮穗產(chǎn)量為5 432 kg/hm2，氮肥施用量在400 kg/hm2左右時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高值，約為18 031 kg/hm2，增產(chǎn)232%[34]。

與現(xiàn)有大多數(shù)研究結(jié)果相似，玉米產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加呈典型的漸近增長(zhǎng)模式，表明隨著施氮量的增加，單位質(zhì)量氮肥的增產(chǎn)效果將減弱[33，52，55]。但在不同研究中，達(dá)到最高產(chǎn)量所需的氮肥用量差異很大，在112～607 kg/hm2[21，29]。研究表明，甜玉米達(dá)到最高產(chǎn)量所需的氮肥施用量與該研究相近，約為400 kg/hm2[34-35]。但在江蘇的一項(xiàng)研究中，氮肥施用量在225 kg/hm2時(shí)，2個(gè)品種的甜玉米產(chǎn)量均達(dá)到最大值，分別約為14 500和16 500 kg/hm2，之后進(jìn)一步增施氮肥將導(dǎo)致產(chǎn)量下降[53]。在廣東的一項(xiàng)研究中，氮肥施用量為300 kg/hm2左右達(dá)到最高產(chǎn)量，此時(shí)的鮮穗產(chǎn)量約為16 300 kg/hm2[33]。此外，在一些追求高產(chǎn)的研究中，氮肥施用量最高可達(dá)458～607 kg/hm2[21]。在美國(guó)田納西州（Tennessee，USA）的一項(xiàng)研究表明，氮肥施用量在112 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高[29]。

掌握作物的產(chǎn)量潛力，從而為今后提高作物產(chǎn)量提供管理目標(biāo)，是糧食作物生產(chǎn)所關(guān)注的一個(gè)重要問題，這一問題在過去10年間已引起廣泛關(guān)注[5，55-58]。當(dāng)前，研究者普遍認(rèn)為糧食作物生產(chǎn)達(dá)到產(chǎn)量潛力的80%是未來二三十年的努力目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅能保障全球糧食安全，而且有希望通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[55]。該研究中，根據(jù)鮮穗產(chǎn)量對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)模型，施用氮肥最多使甜玉米鮮穗產(chǎn)量達(dá)20 525 kg/hm2，這基本能反映供試甜玉米品種在研究區(qū)域的產(chǎn)量潛力。因?yàn)橐环矫妫囼?yàn)期間的環(huán)境溫濕度狀況比較適宜，也未出現(xiàn)明顯的病蟲草害，這些外部條件不太可能成為產(chǎn)量形成的限制因子;另一方面，該研究的磷肥和鉀肥施用量均為100 kg/hm2（分別按P2O5和K2O計(jì)），二者的施用量及其施用方式應(yīng)該能夠滿足玉米對(duì)磷肥和鉀肥的需求，不太可能成為甜玉米產(chǎn)量對(duì)氮肥施用量響應(yīng)的限制因子[52，57]。在現(xiàn)有研究中，玉米磷肥施用量在45～135 kg/hm2[22，53，59-61]，鉀肥施用量在72～112 kg/hm2，僅個(gè)別研究可達(dá)200 kg/hm2[21-22，53，61]。

與已有的研究結(jié)果相比，該研究的產(chǎn)量潛力屬于較高水平。如2015年，全國(guó)甜玉米試驗(yàn)區(qū)區(qū)試研究的平均產(chǎn)量?jī)H為13 392 kg/hm2[1]。近幾年報(bào)道的一些甜玉米高產(chǎn)新品種的產(chǎn)量在14 782～19 200 kg/hm2[19，62-65]，僅個(gè)別研究中的甜玉米產(chǎn)量達(dá)28 206 kg/hm2[66]。除品種和氣候條件差異外[66]，導(dǎo)致該研究甜玉米產(chǎn)量潛力較高的一個(gè)可能主要原因是種植密度較大，達(dá)66 667株/hm2。這一種植密度與普通玉米相比屬于中等水平[67]，但在甜玉米中屬于較高水平。種植密度是玉米高產(chǎn)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通常情況下，在一定的范圍內(nèi)，增加種植密度能有效提高玉米產(chǎn)量[22，68-71]。在現(xiàn)有的甜玉米種植研究中，種植密度大多在45 000～60 000株/hm2[19，21，34，53，62-63]，僅個(gè)別研究中的種植密度與該研究相近（達(dá)67 500 株/hm2）[72]。美國(guó)的甜玉米種植密度為43 000～86 000株/hm2，平均為56 000株/hm2[73-74]。

3.2 甜玉米對(duì)氮的利用效率

氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率在一定程度上能反映土壤的基礎(chǔ)肥力及供氮水平，如果在較低施氮水平得到較高的氮肥偏生產(chǎn)力及較低的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，則表明土壤基礎(chǔ)肥力及供氮水平較高[38]。該研究中，施氮量為100 kg/hm2的處理，以鮮穗產(chǎn)量所計(jì)的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率分別為193和17.8 kg/kg。與相近施氮量的其他研究相比，該研究的氮肥偏生產(chǎn)力偏高，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率偏低。如在施氮量約為100 kg/hm2時(shí)，國(guó)內(nèi)4項(xiàng)研究的氮肥偏生產(chǎn)力為93～148 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率為30～43 kg/kg[33-34，36，66];北美3項(xiàng)研究的氮肥偏生產(chǎn)力為72～100 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率為22～57 kg/kg[27，29，32]。因此，該研究氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的結(jié)果也表明，研究區(qū)域的土壤基礎(chǔ)肥力及供氮能力處于較高水平。

該研究中，5個(gè)施氮量處理的甜玉米氮肥回收率為5.45%～11.87%。在已有的文獻(xiàn)中，其中1項(xiàng)研究的甜玉米氮肥回收率為11.6%～22.7%[54]，另1項(xiàng)研究的氮肥回收率在15.9%～31.6%[34]。因此，氮肥回收率的結(jié)果表明，對(duì)于該研究所在的區(qū)域而言，即使施氮量為100 kg/hm2，甜玉米也不能非常有效地吸收利用所施氮肥，同時(shí)也進(jìn)一步表明研究區(qū)域的土壤供氮能力較強(qiáng)。

目前，對(duì)甜玉米氮收獲指數(shù)的研究不僅較少，且計(jì)算方法也不統(tǒng)一，分別有用籽粒吸氮量和全穗（包括苞葉、籽粒、穗軸）吸氮量占地上部總吸氮量百分?jǐn)?shù)2種方法計(jì)算。該研究的5個(gè)施氮量處理中，以籽粒吸氮量和全穗吸氮量計(jì)算所得的氮收獲指數(shù)分別為28.3%～31.9%和34.8%～39.2%，與其他研究相比，這一結(jié)果處于較低水平。如在廣東的1項(xiàng)研究中，以籽粒吸氮量計(jì)算所得的氮收獲指數(shù)高達(dá)66%～82%[22];其他研究以全穗吸氮量計(jì)算所得的氮收獲指數(shù)為45%～76%[34，54，75]。因此，甜玉米地上部吸收的氮向籽粒及玉米穗轉(zhuǎn)移的效率較低也是限制該研究氮肥利用效率提升的一個(gè)重要因素。

與作物氮利用效率響應(yīng)施氮量增長(zhǎng)的典型模式一致，該研究的氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率及氮收獲指數(shù)等各項(xiàng)氮利用效率指標(biāo)均隨施氮量的增加而降低（或呈降低趨勢(shì)），表明隨著氮肥施用量的增加，單位質(zhì)量氮肥對(duì)甜玉米產(chǎn)量增加的促進(jìn)作用減弱，同時(shí)有更大比例的氮不能被玉米吸收利用而存留在環(huán)境中[27，29，32-34，36，52，54]。

與普通玉米相比，該研究中甜玉米氮利用效率的各項(xiàng)指標(biāo)都明顯偏低。如當(dāng)前我國(guó)普通玉米氮肥偏生產(chǎn)力的平均水平為40 kg/kg（平均施氮量為266 kg/hm2），而該研究中以甜玉米籽粒干重計(jì)算所得的氮肥偏生產(chǎn)力最高為27.20 kg/kg（施氮量為100 kg/hm2）。在我國(guó)華北地區(qū)的一項(xiàng)研究表明，通過優(yōu)化管理措施，河北、山東及河南（施氮量分別為270、150及240 kg/hm2）3個(gè)省的普通玉米氮肥農(nóng)學(xué)利用效率分別達(dá)3.9、9.5及3.2 kg/kg，氮肥回收率分別達(dá)18.0%、34.2%及20.1%[61];而該研究中，甜玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥回收率最高分別為2.51 kg/kg（施氮量為100 kg/hm2）和11.87%（施氮量為200 kg/hm2）。甜玉米氮利用效率嚴(yán)重偏低的一個(gè)重要原因是由甜玉米自身的商品特性所決定。由于甜玉米的收獲期是在乳熟期，而普通玉米的收獲期是在完熟期，乳熟期至完熟期是玉米籽粒干物質(zhì)積累及氮元素向籽粒轉(zhuǎn)移的重要時(shí)期，甜玉米在乳熟期進(jìn)行收獲必然降低其氮利用效率。如該研究中，甜玉米的收獲指數(shù)（以籽粒干重計(jì)）和籽粒氮收獲指數(shù)分別為22.9%～25.5%和28.3%～31.9%，而普通玉米的收獲指數(shù)和氮收獲指數(shù)分別約為50%和60%[67，76];該研究甜玉米收獲時(shí)的莖葉氮含量為1.13%，而普通玉米收獲時(shí)的莖葉氮含量?jī)H為0.80%左右，后者下降到僅為前者的71%[67，76]。

3.3 甜玉米對(duì)磷的利用效率

該研究中，增施氮肥通過促進(jìn)甜玉米生物量和籽粒產(chǎn)量的增加而增加對(duì)磷的吸收（圖3C和D），同時(shí)提升磷肥偏生產(chǎn)力（圖6A）。趙榮芳等[22]在廣東的1項(xiàng)研究中，甜玉米磷肥偏生產(chǎn)力（以籽粒干重計(jì)）為13～15 kg/kg，籽粒磷利用效率為99～130 kg/kg，磷收獲指數(shù)為48%～54%。與其相比，該研究的磷肥偏生產(chǎn)力高1倍，籽粒磷利用效率和磷收獲指數(shù)則分別僅為其25%～36%和41%～46%。與普通玉米相比，甜玉米的磷利用效率顯著偏低，如1項(xiàng)在河北、河南、山東、山西4省的研究表明，在優(yōu)化養(yǎng)分管理的條件下，磷肥偏生產(chǎn)力為92～171 kg/kg[61]，另1項(xiàng)在華北地區(qū)的研究表明，普通玉米的磷收獲指數(shù)約為70%[77]。

3.4 氮肥合理施用量的確定

包括氮肥管理在內(nèi)的作物養(yǎng)分管理中，存在增施氮肥提高作物產(chǎn)量，但同時(shí)又必然降低氮利用效率這一矛盾，在權(quán)衡二者的過程中如何確定合適的氮肥施用量則是今后研究重點(diǎn)關(guān)注的問題[52]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的科學(xué)平衡，當(dāng)前的普遍共識(shí)：以達(dá)到產(chǎn)量潛力的80%作為生產(chǎn)目標(biāo)，此時(shí)有希望通過優(yōu)化各種管理措施實(shí)現(xiàn)較高的養(yǎng)分利用效率[52，57]。該研究中，如果以最高產(chǎn)量作為研究區(qū)域的甜玉米產(chǎn)量潛力，即使不施氮肥的對(duì)照產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)量潛力的86%。然而，這表明研究區(qū)域土壤的短期基礎(chǔ)供氮能力高，對(duì)于集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，不施氮肥是不可持續(xù)的生產(chǎn)方式。因此，用氮偏平衡可作為氮肥施用量的有效參考指標(biāo)。在不進(jìn)行秸稈還田的情況下，該研究以地上部吸氮總量計(jì)算所得的氮偏平衡值在施氮量為115 kg/hm2時(shí)的氮平衡值等于1.0，表明施氮量高于這一水平才有可能維持土壤的持續(xù)供氮能力，且此時(shí)的產(chǎn)量已達(dá)到產(chǎn)量潛力的95%，進(jìn)一步增施氮肥將顯著降低產(chǎn)量增加對(duì)氮肥的響應(yīng)及氮利用效率。因此，115 kg/hm2左右是研究區(qū)域甜玉米施氮量的參考值。

4 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，研究區(qū)域的土壤基礎(chǔ)肥力較高，導(dǎo)致氮肥在較低施氮量時(shí)有較高的氮肥偏生產(chǎn)力，以及較低的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率。增施氮肥能提高甜玉米對(duì)磷的利用效率。115 kg/hm2左右是研究區(qū)域甜玉米施氮量的合理參考值。與普通玉米及北美地區(qū)的甜玉米相比，當(dāng)前我國(guó)的甜玉米不僅施氮量偏高，且氮利用效率嚴(yán)重偏低。因此，亟需對(duì)甜玉米的氮肥管理進(jìn)行更加廣泛深入的研究。

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