不同氮肥基追比對玉米氮素吸收利用、土壤氮素供應(yīng)及產(chǎn)量的影響

劉昕萌，陳 庚，王志國，賀韻涵，李 威，吳 玥，楊德光

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

玉米是國內(nèi)種植面積最大，產(chǎn)量最高的重要糧食作物[1]。氮肥施用對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成都有非常顯著的影響，但同時速效氮肥尿素等會受到揮發(fā)及淋失的影響限制了其利用效率[2]。據(jù)調(diào)查顯示，傳統(tǒng)玉米栽培模式多采用以基施為主的施氮方式，并未根據(jù)玉米的氮素需求規(guī)律科學(xué)追肥[3-5]。氮肥施用不合理會造成土壤無機氮的淋失，導(dǎo)致資源浪費和環(huán)境污染特別是地下水污染，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[6-7]。目前大量研究表明，提高玉米生育后期的氮肥施用量可以顯著影響玉米開花期-灌漿期的土壤耕層無機氮含量及玉米地上部氮素積累[8]。李強等[9]研究表明，在225 kg/hm2氮肥施用量下，氮肥運籌顯著提高了玉米花后干物質(zhì)積累量，由此顯著提高了玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成。吳永成等[10]研究表明，在相同施氮量下氮肥運籌處理較100%基肥處理相比顯著提高了玉米生育后期土壤氮素含量并有效降低了土壤氮素表觀損失。曹玉軍等[11]認(rèn)為，玉米生育后期氮素吸收積累量占全生育期總積累量的一半左右，所以通過氮肥后移增強玉米生育后期氮素供應(yīng)對玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要。張吉旺等[12]研究發(fā)現(xiàn), 于玉米拔節(jié)期后施氮2～3次可以顯著提高玉米的營養(yǎng)價值和品質(zhì)。前人研究多側(cè)重于不同氮肥施用時期及比例對玉米產(chǎn)量、氮素吸收、土壤氮素積累等指標(biāo)的影響及氮肥運籌對玉米光合作用的影響，而對氮肥運籌與玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成、土壤氮素積累、玉米氮素積累及吸收利用率的關(guān)系還有待進一步研究[13]。本研究以玉米品種先玉335和天農(nóng)9為材料，探究了在施氮量相同條件下不同氮肥基追比對玉米不同生育時期產(chǎn)量和干物質(zhì)積累的影響、植株氮素積累特征、土壤剖面無機氮含量變化、土壤-作物氮素平衡的關(guān)系，以便為東北地區(qū)玉米栽培提供更加合理的氮肥后移方案。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院阿城實驗基地進行，土壤基本理化性質(zhì)：pH值6.768，全氮含量1.47 mg/kg，有機質(zhì)含量29.8 mg/kg，有效磷29.1 mg/kg，速效鉀122.5 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為先玉335和天農(nóng)9，供試肥料為重過磷酸鈣(P2O5：46%)80 kg/hm2、尿素(N： 46%)210 kg/hm2、硫酸鉀(K2O：50%)48 kg/hm2。

1.3 試驗設(shè)計

播種時間為2018年4月28日，小區(qū)采用隨機區(qū)組排列，每小區(qū)長8 m、寬5.2 m，小區(qū)面積約41 m2，每個處理3次重復(fù)。玉米植株行距66 cm、株距25 cm，栽培密度為60 600株/hm2。磷鉀肥一次施用。氮肥施用方法：CK,空白對照；T1,50%基肥+50%開花肥；T2,30%基肥+40%拔節(jié)肥+30%開花肥；T3,20%基肥+60%拔節(jié)肥+20%開花肥；T4,10%基肥+60%拔節(jié)肥+30%開花肥。

1.4 樣品采集及指標(biāo)測定

于玉米苗期-成熟期采集不同氮肥運籌處理玉米植株樣品, 每個小區(qū)取植株5株, 于105 ℃殺青30 min后, 70 ℃烘干至恒質(zhì)量并粉碎, 稱質(zhì)量計算不同處理植株生物量。植株樣本粉碎后采用H2SO4-H2O2法進行消煮,凱氏定氮法測定植株氮含量；于玉米苗期采集0～40 cm土壤樣品，拔節(jié)期-成熟期采集0～100 cm土壤樣品，每20 cm分別取樣，用KCl溶液浸提振蕩1.5 h后過濾，采用分光光度計法分別測定土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，最后加和為土壤無機氮含量。于玉米成熟期選用小區(qū)第3，4行進行測產(chǎn)并計算收獲指數(shù)。并選取有代表性的30個果穗測定產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

收獲指數(shù)(%)=籽粒產(chǎn)量/總生物量×100%；

氮素吸收利用率(%)=(施氮區(qū)作物總吸氮量-不施氮區(qū)作物總吸氮量)/施氮量×100%；

氮素農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮區(qū)玉米產(chǎn)量)/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮區(qū)作物產(chǎn)量/施氮量；

土壤無機氮含量(mg/kg)=硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量；

土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)=不施氮肥區(qū)作物地上部分氮積累量+不施氮肥區(qū)土壤殘留無機氮量-不施氮肥區(qū)起始無機氮量；

氮素表觀損失量(kg/hm2)=施氮量+土壤起始無機氮積累量+土壤氮素凈礦化量-作物氮攜出量-土壤無機氮殘留量[2]。

試驗數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 22 進行單因素方差分析和相關(guān)分析, 用 Sigma Plot 14.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥基追比對玉米各生育期土壤無機氮含量的變化

由圖1可知，不同氮肥基追比對不同玉米品種0～20 cm土壤無機氮含量有顯著影響。先玉335和天農(nóng)9的土壤無機氮含量均隨著生育期的推進基本上呈降低的趨勢。與傳統(tǒng)施氮模式T1相比，不同氮肥基追玉米除灌漿期外的其他生育期土壤無機氮含量有顯著影響(P<0.05)。對于苗期-大喇叭口期，土壤無機氮含量表現(xiàn)為T1最高。在苗期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了17.07%～53.57%(先玉335)和11.19%～32.64%(天農(nóng)9)；在拔節(jié)期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了4.23%～28.26%(先玉335)和11.74%～43.90%(天農(nóng)9)；在大喇叭口期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了9.15%～12.31%(先玉335)和5.59%～11.31%(天農(nóng)9)。對于開花期-成熟期，T4的土壤無機氮含量最高。在開花期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了10.59%～39.36%(先玉335)和7.18%～24.81%(天農(nóng)9)；在灌漿期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了2.32%～10.82%(先玉335)和0.97%～9.81%(天農(nóng)9)；在成熟期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了3.24%～50.03%(先玉335)和1.16%～55.10%(天農(nóng)9)。

相同生育期內(nèi)的不同小寫字母表示不同處理間在P<0.05水平差異顯著。圖2同。 Different lowercase letters in the same growth period indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level. The same as Fig.2.

2.2 不同氮肥基追比對不同品種玉米氮素平衡的影響

由表1可知，在相同氮肥施用量下，降低氮肥基追比對先玉335和天農(nóng)9品種的玉米氮素平衡影響顯著(P<0.05)。與傳統(tǒng)施氮模式T1相比，T2、T3、T4的作物攜出和土壤殘留無機氮分別提高了21.58%～32.43%，5.8%～13.61%(先玉335)和23.8%～43.97%，5.88%～12.73%(天農(nóng)9)；對于氮素表觀損失量，T1較T2、T3、T4分別增加了41.10%～91.18%(先玉335)和42.41%～129.41%(天農(nóng)9)。

2.3 不同氮肥基追比對玉米氮素吸收及氮素利用效率的影響

由表2可知，不同氮肥基追比對先玉335和天農(nóng)9拔節(jié)期后的氮積累量及氮素利用效率有顯著影響(P<0.05)。與傳統(tǒng)施氮模式T1相比，降低氮肥基追比顯著增加了玉米花后氮積累量(P<0.05)。不同氮肥基追比間苗期氮積累量差異不顯著(P>0.05)；對于拔節(jié)期和大喇叭口期，T1的氮積累量最高，較T2、T3、T4、T5提高9.5%～20.08%和8.21%～13.83%(先玉335)、13.10%～23.73%和6.4%～12.21%(天農(nóng)9)。對于開花期、灌漿期和成熟期，T4的氮積累量最高，較T1、T2、T3提高2.88%～6.20%，2.50%～17.28%和6.58%～39.91%(先玉335)以及2.12%～6.10%，5.34%～20.2%，2.52%～26.85%(天農(nóng)9)。此外，不同氮肥基追比顯著影響了玉米的氮素吸收利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏生產(chǎn)力(P<0.05)。較傳統(tǒng)施氮模式T1相比，T2、T3、T4的氮素吸收利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏生產(chǎn)力依次提高了16.66%～22.47%，17.80%～35.76%，4.93%～9.90%(先玉335)和6.55%～24.46%，8.23%～36.94%，2.02%～5.44%(天農(nóng)9)，其中，T4的氮素吸收利用率最高，T3的氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏生產(chǎn)力最高。

表1 不同氮肥基追比對不同品種玉米氮素平衡的影響Tab.1 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen balance of different varieties of maize kg/hm2

表2 不同氮肥基追比對玉米氮素吸收及氮素利用效率的影響Tab.2 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen uptake and nitrogen use efficiency in maize

2.4 不同氮肥基追比對玉米收獲后0～100 cm土壤剖面無機氮的影響

由圖2可知，0～20 cm土壤的無機氮含量最高，隨著土壤深度的增加土壤無機氮含量隨之降低。與CK相比，不同氮肥基追比處理顯著提高了0～100 cm土壤無機氮含量(P<0.05)，其中T2、T3、T4較T1存在顯著差異，但T2、T3和T4之間差異不顯著(P>0.05)。在相同氮肥施用量下，不同氮肥基追比后T2、T3、T4的0～20 cm和20～40 cm土壤無機氮含量較T1顯著提高16.95%～24.41%和27.22%～32.83%(先玉335)、20.56%～24.62%和21.18%～32.21%(天農(nóng)9)(P<0.05)；而在40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤無機氮含量以T1最高，較T2、T3、T4處理分別提高21.83%～31.72%，31.08%～49.58%，45.78%～52.92(先玉335)和15.03%～31.24%，32.08%～49.81%，38.59～53.08%(天農(nóng)9)。在土壤深度40～100 cm，降低氮肥基追比處理中T1的無機氮含量最高，且T2、T3、T4處理間無機氮含量無顯著差異(P>0.05)。

2.5 不同氮肥基追比對不同品種玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，與空白對照(CK)相比，不同品種各氮肥基追比處理產(chǎn)量分別提高了38.28%～51.97%(先玉335)和32.02%～45.04%(天農(nóng)9)，增產(chǎn)顯著，其中，T3產(chǎn)量最高，較T1分別增產(chǎn)9.90%(先玉335)和8.86%(天農(nóng)9)，其后依次為T4和T2。此外，氮肥后移對玉米穗行數(shù)的影響不顯著(P>0.05)但對行粒數(shù)、百粒質(zhì)量和收獲指數(shù)影響顯著。與空白對照(CK)相比，不同氮肥處理行粒數(shù)分別提高了0.55%～10.11%(先玉335)和1.12%～10.64%(天農(nóng)9)；百粒質(zhì)量分別提高了2.79%～9.24%(先玉335)和2.08%～9.90%(天農(nóng)9)；收獲指數(shù)分別提高了3～9百分點(先玉335)和1～10百分點(天農(nóng)9)。

圖2不同氮肥基追比對玉米收獲后0～100 cm土壤剖面無機氮的影響Fig.2 Effect of different nitrogen fertilizer base ratio on inorganic nitrogen in 0-100 cm soil profile after corn harvest

表3 不同氮肥基追比對不同品種玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of different nitrogen fertilizers on yield and yield components of different varieties of maize

2.6 玉米不同生育時期氮素積累對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

相關(guān)分析(表4)表明，對于先玉335和天農(nóng)9，不同氮肥基追比下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素與玉米不同生育期氮素積累量間均表現(xiàn)為正相關(guān)，開花期-成熟期的氮積累量與產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)；不同氮肥基追比下玉米的氮素吸收利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏生產(chǎn)力在拔節(jié)期-大喇叭口期與氮素積累量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)，而在其他生育期則與氮素積累量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

表4 玉米不同生育時期氮素積累對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effect of nitrogen accumulation on yield and yield components in different growth stages of maize

3 討論與結(jié)論

施用氮肥能顯著提高土壤無機氮含量，而土壤無機氮是玉米等作物從土壤中吸收氮素的主要形式[13-15]。前人研究指出，優(yōu)化施氮模式能顯著提高作物全生育期土壤無機氮含量[16-18]。孫文濤等[19]研究指出，在相同條件下，提高氮肥施用量，雖然土壤無機氮含量明顯提高，但土壤氮素盈余量及氮素淋洗量也會隨之增加。趙士誠等[20]指出, 基施氮肥比例過大會造成無機氮淋洗至深層土壤；而提高追肥比例并將氮肥后移施用可以提高作物生育后期土壤耕層氮素有效供給。本研究結(jié)果表明，在相同條件下，與傳統(tǒng)施氮處理相比，降低氮肥基追比顯著增加了不同品種玉米灌漿期-成熟期的0～20 cm土壤無機氮含量，同時降低了收獲后40～100 cm深度的土壤無機氮含量；此外，氮肥基追比通過增加氮素作物攜出并減少土壤殘留無機氮來降低玉米的氮素表觀損失。由此可知，氮肥后移可以顯著提升玉米生育期后半段的土壤供氮能力，減少氮素?fù)p失，為提高玉米產(chǎn)量提供充足的氮素供給。

氮肥在玉米不同生育時期不同比例施用會導(dǎo)致氮素吸收的差異，從而影響玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量。前人研究表明，玉米取得高產(chǎn)既需要保證花前營養(yǎng)器官吸收氮素建立高效的群體結(jié)構(gòu)來保證花后物質(zhì)生產(chǎn)，又需要滿足花后籽粒灌漿和穗部發(fā)育的氮素需求[21-23]；而氮肥后移能顯著增加玉米開花后氮素向籽粒運輸?shù)男?，從而提高玉米產(chǎn)量和氮素利用效率[24-26]。本研究結(jié)果表明，在玉米苗期-大喇叭口期，不同氮肥基追比間傳統(tǒng)施氮模式T1的氮素積累量最高，但在對于玉米產(chǎn)量最為關(guān)鍵的開花期-灌漿期氮素積累量低于氮肥基追比T2、T3、T4。由此可知，相同施氮量下玉米生育前期施氮過多會導(dǎo)致生育后期氮素供給不足，加速玉米生育后期的衰老，以至玉米成熟期氮素積累量較低。同時不同氮肥基追比在不同生育時期的氮素積累量表現(xiàn)不同。對于玉米拔節(jié)期-大喇叭口期，T2的氮素積累量優(yōu)于T3、T4，但對于玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵生育時期灌漿期-成熟期，T4氮素積累量優(yōu)于T2。因此，在保證玉米生育前期氮素需求的情況下將氮肥后移，既能保證玉米營養(yǎng)生長時期較高的氮素積累，又能滿足玉米花后的氮素吸收能力，從而達(dá)到提高玉米灌漿期-成熟期的氮素積累氮肥和利用效率的目標(biāo)。相關(guān)分析結(jié)果表明，玉米生育后期(開花期-成熟期)氮素積累與玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素和氮素利用率及偏生產(chǎn)力呈顯著或極顯著相關(guān)，因此，在相同施氮量下提高氮肥后移比例從而增加玉米開花期-成熟期的氮素積累不僅可以提高玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，還對提高玉米氮素利用率及氮素偏生產(chǎn)力具有積極意義。

玉米在不同生育時期對氮素利用的效率具有明顯差異。優(yōu)化氮肥施用方法，不僅能滿足玉米在各生育時期的生長發(fā)育需求，還能提高玉米對氮肥的利用效率，是提升玉米產(chǎn)量及品質(zhì)最有效的方法之一。前人研究表明，施用氮肥可以顯著增強玉米光合產(chǎn)物的制造、轉(zhuǎn)運以及運輸能力，提高百粒質(zhì)量和行粒數(shù)，進而提高玉米產(chǎn)量[27-28]。在玉米的生育時期中，開花期-灌漿期是玉米氮素積累中最關(guān)鍵的時期，同時也是玉米穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量形成的關(guān)鍵時期，提高此時期的氮肥供應(yīng)可以明顯改善玉米氮素積累，加快玉米灌漿速率，促進玉米穗部生長發(fā)育，最終提高玉米的氮素利用效率。但同時玉米生育前期的氮肥施用同樣對玉米生長發(fā)育起關(guān)鍵作用，所有氮肥后移均應(yīng)在保證玉米前期生長發(fā)育和氮素積累的前提下進行。本研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)施氮模式T1 由于玉米苗期氮肥施用比例過大，導(dǎo)致養(yǎng)分集中于玉米前期的營養(yǎng)生長，消耗了大量的光合產(chǎn)物用于蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致生殖生長時期碳水化合物向玉米穗部的轉(zhuǎn)運能力下降，使玉米的產(chǎn)量和氮素利用效率較低。氮肥基追比T4則由于后移比例過大基肥施用不足，阻礙了玉米前期營養(yǎng)生長階段的生長發(fā)育，同時影響了玉米的光合產(chǎn)物積累和冠層發(fā)育，使玉米產(chǎn)量和氮素利用效率沒有得到充分挖掘，而T3既滿足了玉米營養(yǎng)生長階段的養(yǎng)分供給，也補充了玉米生殖生長階段的養(yǎng)分需求，最終獲得較高的玉米產(chǎn)量和氮素農(nóng)學(xué)利用率及氮素偏生產(chǎn)力。

相同氮肥施用量下，提高氮肥追肥比例顯著提高了玉米生育后期氮素積累量和氮肥利用效率。同時，降低氮肥基追比可以顯著提高玉米行粒數(shù)、百粒質(zhì)量和玉米產(chǎn)量。對于玉米開花期-成熟期，降低氮肥基追比顯著提高了土壤0～20 cm無機氮含量和玉米地上部氮素積累量，并在顯著提高作物氮素攜出量和土壤殘留無機氮的情況下降低了氮素表觀損失。在不同氮肥基追比中，20%基肥+60%拔節(jié)肥+20%開花肥對提高玉米產(chǎn)量和氮素利用率、降低氮素表觀損失等方面效果最佳。綜上所述，在施氮量為210 kg/hm2時，20%基肥+60%拔節(jié)肥+20%開花肥為該地區(qū)最佳氮肥基追比。