應用液體有機肥減施氮肥對玉米氮素利用效率及產(chǎn)量的影響

姜佰文，牛 煜，王春宏，李 威，邵 慧，席赫陽，李欣儒，楊浩楠

（東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

玉米是我國第一大糧食作物，其增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對于國家糧食安全具有重要意義。而氮素是玉米生育過程中所需最多元素，也是限制生長和產(chǎn)量的首要因素[1]。由于土壤中氮素含量較低，應通過施用氮肥滿足玉米對氮素需求。目前農(nóng)民生產(chǎn)中常用的“一炮轟”施肥方式存在前期氮素營養(yǎng)過量和后期氮素營養(yǎng)不足等問題，出現(xiàn)脫肥早衰現(xiàn)象[2]。因此，為追求高產(chǎn)，農(nóng)民開始過度投入化學氮肥，但產(chǎn)量增長速率相對平緩，并導致土壤板結(jié)、肥力減弱等嚴重后果[3]。大量研究表明，有機無機配施有利于改良土壤，協(xié)調(diào)玉米養(yǎng)分供需關系，提高玉米產(chǎn)量[4-5]。

據(jù)原農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，我國每年畜禽糞污產(chǎn)生量高達38 億t，但綜合利用率卻不足60%[6]。我國當前每年產(chǎn)生的動物有機肥（畜禽糞便）總量約為1 400 萬t 純氮，相當于化學氮肥年生產(chǎn)量一半，但收集還田率僅為40%左右[7]。使用畜禽糞污替代部分化學氮肥，我國三大主要糧食作物產(chǎn)量有效提高6.8%，氮素吸收量提高6.5%，氮肥利用率提高10.4%[8]。但黑龍江省有機糞肥以干清糞為主，其回收利用效率低，肥分以磷肥居多，養(yǎng)分釋放緩慢[9-10]。

利用液體有機肥可不施用種肥，并減少化學氮肥用量。采用液體有機肥可高效回收利用尿液糞水，其養(yǎng)分以氮素居多，并較快釋放養(yǎng)分。本研究通過田間大區(qū)試驗探究基施液體有機肥、減量追施化學氮肥的施肥模式對玉米氮素吸收利用效率及產(chǎn)量影響，了解玉米氮素積累動態(tài)，旨在為東北春玉米應用液體有機肥合理搭配氮肥施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2018～2019年在黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)長產(chǎn)村同一塊試驗田開展定位試驗，試驗區(qū)年均氣溫4.4 ℃，降水量615 mm，有效積溫2 700～2 900 ℃。供試玉米品種為金誠316，種植密度為6.1 萬株·hm-2。供試化學肥料：尿素（N：46%），重過磷酸鈣（P2O5：46%），氯化鉀（K2O：60%）。供試液體有機肥由哈爾濱丹青農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供，為無害化處理的養(yǎng)殖牛糞污（2018年養(yǎng)分含量：N：0.34%、P2O5：0.23%、K2O：0.26%、有機質(zhì)：2.91%、水不溶物含量：0.38%、干物質(zhì)＜12%；2019年養(yǎng)分含量：N：0.37%、P2O5：0.20%、K2O：0.24%、有機質(zhì)：3.03%、水不溶物含量：0.47%、干物質(zhì)＜12%）。供試土壤類型為草甸黑土，2018 年土壤基礎肥力為：有機質(zhì)22.46 g·kg-1，pH 6.41，堿解氮193.1 mg·kg-1，速效磷110.8 mg·kg-1，速效鉀227.5 mg·kg-1，全氮1.02 g·kg-1；2019 年土壤基礎肥力為：有機質(zhì)23.67 g·kg-1，pH 6.76，堿解氮216.4 mg·kg-1，速效磷111.7 mg·kg-1，速效鉀285.9 mg·kg-1，全氮1.35 g·kg-1。

1.2 方法

本試驗采取田間大區(qū)試驗，共設6個處理，每個處理播種8 壟，壟長500 m，壟寬0.65 m，采用精準機械作業(yè)播種施肥。在上一年秋季玉米收獲同時秸稈粉碎，馬斯奇奧滅茬機滅茬后，Tm、Tmf40、Tmf60 和Tmf80 處理采用丹麥Samson 液體施肥機（由哈爾濱丹青農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供） 將液體有機肥67.5 t·hm-2作為基肥噴灑地表，均采用五鏵翻轉(zhuǎn)犁將秸稈及有機肥翻至深度25～30 cm。每年5 月1 日前播種，6 月25 日拔節(jié)后追肥，其中種肥和追肥均為化肥。T0 處理為不施氮肥； Tf100 處理為雙城地區(qū)常規(guī)施肥量； Tm、Tmf40（減氮60%）、Tmf60（減氮40%）、Tmf80（減氮20%）處理均應用液體有機肥作基肥，且化學磷鉀肥追施量與Tf100總量相同，但化學氮肥追施量分別為Tf100總量0、40%、60%、80%。施肥方案如表1所示。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 玉米氮素含量測定

分別在拔節(jié)期（6 月17～20 日）、抽雄期（7 月20～25日）、灌漿期（9月1～5日）、成熟期（10月15～20 日），每處理3 次重復，每重復隨機抽選取9 株玉米，將植株按葉、莖、苞葉、穗軸、籽粒分開，洗凈后置于烘箱105 ℃殺青30 min，再調(diào)至65 ℃烘干至恒重，并測定各器官干物質(zhì)重。將器官粉碎后，經(jīng)H2SO4-H2O2方法消煮，AA3 雙通道流動分析儀測定植物氮含量。

1.3.2 玉米產(chǎn)量測定

每處理隨機選取3 處（10 m2）長勢一致玉米曬干后脫粒稱重，折算為14%含水率的產(chǎn)量；再隨機選取30 穗玉米考種，測定行粒數(shù)、穗行數(shù)和百粒重等指標。

表1 肥料運籌情況Table 1 Fertilizer operation situation （kg·hm-2）

1.4 計算公式

氮素積累量（kg·hm-2）=干物重×氮含量；

氮素吸收速率（kg·hm-2·d-1）=氮素積累量/天數(shù)；

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮積累量/植株氮積累量；

收獲指數(shù)=籽粒干物質(zhì)積累量/植株干物質(zhì)積累量；

增產(chǎn)率（%）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-Tf100施肥區(qū)產(chǎn)量）/Tf100施肥區(qū)產(chǎn)量×100%；

化肥氮利用率（%）=（施氮處理植株氮積累量-對照植株氮積累量）/化肥氮施用量×100%；

化肥氮農(nóng)學利用率（kg·kg-1）=（施氮處理籽粒產(chǎn)量-對照籽粒產(chǎn)量）/化肥氮施用量；

化肥氮偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/化肥施氮總量；

化肥氮貢獻率（%）=（施氮肥區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量）/施氮肥區(qū)產(chǎn)量×100%；

其中，Tf100處理的對照為T0，Tmf40、Tmf60、Tmf80處理的對照為Tm。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2013、Origin 8.5 和SPSS 19.0 軟件分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)。多重比較采用Duncan 法，在P＜0.05顯著水平下作相關性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 應用液體有機肥減施氮肥對玉米氮素積累及吸收速率的影響

2.1.1 液體有機肥減施氮肥對玉米葉片氮積累量的影響

玉米葉片氮積累見圖1，在拔節(jié)期上升，抽雄期氮積累達到最高，然后開始下降，成熟期最低。在拔節(jié)期，2018 和2019 年未施用種肥且應用液體有機肥在同一水平下Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 處理氮積累量均高于常規(guī)Tf100 處理。在抽雄期，葉片氮積累量迅速增加，兩年中Tmf60處理較Tf100 處理分別顯著提高9.76% 和3.36%（P＜0.05）， Tmf80 處理較Tf100 處理分別顯著提高7.62%和7.68%（P＜0.05）。在灌漿期，氮素逐漸向籽粒轉(zhuǎn)移，各處理葉片氮積累量均開始下降，Tf100、Tmf60、Tmf80 處理差異不顯著（P＞0.05）。在成熟期，玉米葉片氮積累量最低，葉片氮已完全向籽粒轉(zhuǎn)移，其中Tmf60、Tmf80 處理下降幅度較大，兩年中Tmf60 處理較Tf100 處理分別下降43.56%和18.34%，Tmf60 處理較Tf100 處理分別下降54.30%和24.68%。

2.1.2 液體有機肥減施氮肥對玉米莖稈氮積累量的影響

玉米莖桿氮積累見圖2。在拔節(jié)期，2018年和2019 年Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 處理莖稈氮積累均顯著高于Tf100處理。抽雄期莖稈氮積累量迅速增加，兩年中Tmf60 處理較Tf100 處理分別顯著提高4.70%和18.6%（P＜0.05），Tmf80 處理與Tf100處理相比分別顯著提高25.45%和28.4%（P＜0.05）。灌漿期莖稈氮積累量開始下降，Tmf60、Tmf80 處理下降幅度較大，說明Tmf60、Tmf80處理向籽粒轉(zhuǎn)移的氮素較多。成熟期植株莖稈氮積累量降至最低，兩年中從抽雄到成熟期Tmf60處理莖稈氮素積累量下降幅度分別是Tf100 處理的44.09%和1.4 倍，Tmf80處理較Tf100處理分別下降54.30%和1.3倍。

2.1.3 液體有機肥減施氮肥對玉米各器官氮素分配的影響

玉米生育期氮素分配如圖3 所示，在拔節(jié)期，2018 年和2019 年Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 處理植株總氮積累量顯著高于Tf100處理。抽雄期是植株營養(yǎng)生長旺盛階段，兩年中Tmf60、Tmf80 處理氮素積累量較快，Tmf60 處理植株總氮積累量較Tf100 處理分別顯著提高7.68%和8.82%（P＜0.05），Tmf80 處理較Tf100 處理分別顯著提高14.97%和15.1%（P＜0.05）。在灌漿期，兩年中Tmf60、Tmf80處理總氮積累量稍高于Tf100處理，但差異不顯著（P＞0.05）。灌漿期是植株生殖生長迅速時期，兩年中Tmf60、Tmf80 處理籽粒吸氮量分別占植株總氮量47.43%和46.90%、45.81%和46.79%，Tf100 處理為44.37%和43.16%。在成熟期，兩年中Tmf60處理總氮積累量較Tf100 處理分別顯著提高5.28%和10.0%（P＜0.05），Tmf80處理較Tf100處理分別顯著提高3.78%和2.95%（P＜0.05）。成熟期植株各器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，籽粒氮積累量達最大值，兩年中Tmf60 處理籽粒氮積累量較Tf100 處理分別提高11.67%和22.37%，Tmf80處理較Tf100處理分別提高13.19%和9.58%。

2.1.4 液體有機肥減施氮肥對玉米氮素吸收速率的影響

不同處理玉米氮素吸收速率及氮素收獲指數(shù)見表2。由表2 可知，播種-拔節(jié)期階段植株氮素吸收速率較為緩慢，應用液體有機肥且未施用種肥的Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 處理氮素吸收速率顯著高于常規(guī)處理，說明應用液體有機肥替代施用化肥種肥可滿足追肥前苗期玉米氮素營養(yǎng)需求。拔節(jié)期-抽雄期階段是植株營養(yǎng)生長旺盛階段，也是植株吸收氮素最為迅速時刻。2018 年和2019 年Tmf60處理氮素吸收速率較Tf100 處理分別提高7.11%（P＜0.05）和5.43%，Tmf80處理較Tf100處理分別顯著提高16.42%（P＜0.05）和12.97%（P＜0.05）。抽雄期-灌漿期植株從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L，營養(yǎng)器官氮素也逐漸向籽粒中轉(zhuǎn)移。兩年中Tmf60 處理籽粒氮素吸收速率較Tf100 處理分別顯 著 提 高7.58%（P＜0.05）和11.73%（P＜0.05），Tmf80 處理較Tf100 顯著提高4.50%和13.41%（P＜0.05）。灌漿期-成熟期階段植株氮素吸收速率最緩慢，籽粒對氮素吸收能力也開始減弱。兩年中Tmf60 處理植株氮素吸收速率均為最高，較Tf100處理分別顯著提高53.57%（P＜0.05）和1.07 倍（P＜0.05）。且Tmf60處理籽粒氮素吸收速率較Tf100處理分別顯著提高21.34%（P＜0.05）和38.18%（P＜0.05）。兩年中Tmf60處理氮素收獲指數(shù)較Tf100分別顯著提高7.24%（P＜0.05）和10.29%（P＜0.05），Tmf80處理與Tf100處理分別提高4.35%和5.88%。

2.2 應用液體有機肥減施氮肥對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子如表3 所示。由表3可知，在2018 年和2019 年Tmf60 處理百粒重較Tf100 處理分別提高5.17%和3.16%，Tmf80 處理較Tf100 處理分別提高2.55%和0.53%。兩年中Tmf60處理較Tf100 處理分別增產(chǎn)9.92%和8.42%，Tmf80處理較Tf100 處理分別增產(chǎn)6.36%與5.78%，且與其他處理產(chǎn)量均達顯著差異（P＜0.05）。兩年中Tmf60 處理收獲指數(shù)較Tf100 分別顯著提高6.17%（P＜0.05）和10.64%（P＜0.05），Tmf80 處理與Tf100處理分別提高4.03%和2.13%。本試驗中2018年和2019年應用液體有機肥減量施用40%、20%化學氮肥顯著提高玉米產(chǎn)量，以Tmf60處理產(chǎn)量最高，達12 097.34和11 057.35 kg·hm-2。

2.3 應用液體有機肥減施氮肥對玉米化學氮肥利用效率的影響

由表4 可知，在2018 年和2019 年Tmf60 處理化學氮利用率較Tf100 處理分別顯著提高9.9%（P＜0.05）和21.8%（P＜0.05）。兩年中Tmf60處理化學氮利用率較Tf100處理分別顯著提高10.6 kg·kg-1（P＜0.05）和9.3 kg·kg-1（P＜0.05），Tmf80 處理較Tf100處理分別提高2.5 kg·kg-1（P＜0.05）和2.7 kg·kg-1（P＜0.05）。兩年中Tmf60 處理化肥氮偏生產(chǎn)力較Tf100 處理分別顯著提高50.9 kg·kg-1（P＜0.05）和45.7 kg·kg-1（P＜0.05），Tmf80 較Tf100 處理分別提高20.2 kg·kg-1（P＜0.05）和18.3 kg·kg-1（P＜0.05）。兩年中Tmf60 處理化肥氮貢獻率較Tf100 處理分別顯著提高1.2%和1.5%（P＜0.05）。

表2 不同處理玉米氮素吸收速率及氮素收獲指數(shù)Table 2 Nitrogen uptake rate and nitrogen harvest index of maize at different treatments

表4 不同處理化學氮肥利用效率Table 4 Utilization efficiency of chemical nitrogen fertilizer at different treatments

3 討論與結(jié)論

有機肥和無機肥配合施用可提高土壤轉(zhuǎn)化酶活性以及有效營養(yǎng)成分，為作物提供良好生長環(huán)境[11-12]。本試驗研究表明，應用液體有機肥不施用種肥可在拔節(jié)期為玉米莖葉提供充足氮素，顯著提高植株氮素積累量。李前等研究也表明，施用基肥不施用種肥在拔節(jié)期促進玉米生長[13]。而劉占軍等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代30%化肥氮使玉米氮積累量在拔節(jié)期和抽雄期顯著低于習慣施肥[14]。因傳統(tǒng)糞肥在玉米生長前期仍有大部分養(yǎng)分需釋放礦化，消耗土壤中養(yǎng)分與能量，導致其與作物爭奪土壤中養(yǎng)分[15]。而液體有機肥具有較多速效養(yǎng)分，利于玉米生長前期養(yǎng)分吸收，從而提高拔節(jié)期和抽雄期氮積累量。

本研究表明，應用液體有機肥減施40%化學氮肥有效提高籽粒氮積累量。米國華等研究指出，籽粒灌漿的氮素主要來源，包括花后氮素貯藏與運輸及花前營養(yǎng)器官氮素積累向籽粒中轉(zhuǎn)移[16]。本研究表明，應用液體有機肥減施40%化學氮肥在生殖生長階段葉片與莖稈中氮素下降幅度較大，且籽粒氮素積累量較多，說明其更利于氮素向籽粒中富集，并合理分配氮素。高洪軍等也表明，施用農(nóng)家肥替代部分氮素使葉和莖鞘總的素轉(zhuǎn)移量增加11.8 kg·hm-2[17]。玉米產(chǎn)量受植株內(nèi)部氮素轉(zhuǎn)運與外部氮素吸收的雙重影響[18]，而如何調(diào)控花后從外部吸收的氮使其高效輸送至籽粒，是提高氮素利效率重要舉措[19]。本研究表明，在生殖期應用液體有機肥減施40%化學氮肥加快籽粒吸收氮素營養(yǎng)速率，且在抽雄-灌漿期控制營養(yǎng)生長，優(yōu)先籽粒吸收氮素。在灌漿-成熟期，此處理為植株提供充足氮素，延長生殖生長期，滿足籽粒充分發(fā)育的氮素吸收條件，提高氮素收獲指數(shù)。謝軍等[20]與劉斌祥等[21]也同樣發(fā)現(xiàn)，有機肥替代部分氮肥促進玉米對氮吸收累積和向籽粒轉(zhuǎn)運。

Wen 和Geng 等研究發(fā)現(xiàn)，有機無機配施可通過調(diào)控氮素的養(yǎng)分釋放最終顯著影響作物干物質(zhì)和氮素積累與轉(zhuǎn)運， 促進灌漿和增加籽粒重量[22-23]。因此在生育后期能否有充足氮素供應，對玉米高產(chǎn)增收具有決定性作用。本試驗同樣表明，應用液體有機肥減施40%化學氮肥在生殖生長期為籽粒提供充足氮素并顯著提高氮素積累量，進而優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因子，顯著提高玉米收獲指數(shù)，達到增產(chǎn)增效目的。Jat 等認為，有機肥投入刺激土壤微生物活動及作物對養(yǎng)分吸收，增加光合有機物和氮素向籽粒轉(zhuǎn)運，從而提高產(chǎn)量[24]。

朱菜紅等研究發(fā)現(xiàn)，配施有機肥提高化肥氮利用率，其機制為促進土壤微生物對化肥氮的有效調(diào)控，使化肥氮更好被轉(zhuǎn)化利用[25]。李孝良等研究表明，化肥減量20%配施有機肥具有較好化肥利用效率，化學氮利用率為39.4%、化肥氮農(nóng)學利用效率為12.2 kg·kg-1、化肥氮偏生產(chǎn)力為49.2 kg·kg-1[26]，而本研究經(jīng)兩年試驗發(fā)現(xiàn)，應用液體有機肥減施40%化學氮肥化學氮利用率最高達到54.0%、化肥氮農(nóng)學利用效率最高達到21.8 kg·kg-1、化肥氮偏生產(chǎn)力最高達到112.0 kg·kg-1。因本試驗采用未施用種肥并減量追施化學氮肥施肥模式，有效阻控化肥養(yǎng)分流失，進而提高化學氮肥利用效率，減緩化肥對生態(tài)環(huán)境污染的影響。

本試驗發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)施肥處理，基肥應用液體有機肥不施用種肥的施肥方式不僅利于玉米前期生長發(fā)育，還提高糞污資源利用效率和播種效率，且應用液體有機肥減施40%化學氮肥可在玉米生育后期保證充足氮素供應，增加氮素積累量及籽粒氮素吸收速率，提高化學氮肥利用效率，達到減肥增效目的。