減氮配施液體牛糞對寒地玉米花后期干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運規(guī)律的影響

姜佰文，董雯昕，王春宏，劉學(xué)生，邵 慧，王殿堯，遲海航，劉俊輝，梁 源

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

我國畜禽糞污養(yǎng)分資源數(shù)量大、分布廣，總體呈快速增長穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，但利用率低，若處置不當(dāng)會造成一系列環(huán)境問題[1-2]。近年來，為提高畜禽糞污養(yǎng)分資源利用率，畜禽養(yǎng)殖污染防治標準從注重達標排放向注重全量利用傾斜，為此農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“養(yǎng)分平衡，以養(yǎng)促種”的新思路，推進畜禽糞污養(yǎng)分還田利用，提高糞污資源化利用水平[3]。畜禽糞污養(yǎng)分還田可有效減少無機肥料施用，宋大利等統(tǒng)計得出，若將其養(yǎng)分全量還田，理論上每年氮、磷、鉀施用量可減少37.3%、87.6%和65.9%[4]。由此可見，畜禽糞污替代化肥空間巨大，充分高效利用畜禽糞尿養(yǎng)分資源是實現(xiàn)化肥減施增效重要途徑[5]。

傳統(tǒng)畜禽糞污還田多為固體形式，養(yǎng)分釋放緩慢，而液體畜禽糞污可有效利用尿液等以氮素居多的速效養(yǎng)分資源，滿足作物生長關(guān)鍵時期所需養(yǎng)分，肥效價值較高。研究發(fā)現(xiàn)，施用液體畜禽糞污可迅速向植物提供可溶性有機物質(zhì)、速效養(yǎng)分和水分，促進作物吸收養(yǎng)分，增加地上部生物量，更具生態(tài)效益[6-8]。發(fā)酵速度快，可縮短發(fā)酵時間，節(jié)約貯存成本。作物花后期養(yǎng)分供應(yīng)充足為干物質(zhì)積累、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供必要的養(yǎng)分保障[9-10]。因此，根據(jù)作物需肥規(guī)律，通過優(yōu)化施肥方案，充分利用液體畜禽糞污還田優(yōu)勢，促進作物干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運并減少化肥施用，可實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)種養(yǎng)平衡。本試驗為田間大區(qū)試驗，以發(fā)酵液體牛糞為原料，利用液體牛糞作為基肥可免種肥，但單施液體牛糞作為基肥可能導(dǎo)致作物花后期養(yǎng)分供應(yīng)不足。因此，本試驗充分考慮其肥料特性，采用無害化處理的發(fā)酵液體糞肥配施化肥的施肥方案，近一步探索應(yīng)用液體牛糞作為基肥，免種肥，拔節(jié)期追施化肥的新方案對寒地玉米花后期干物質(zhì)積累、養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運規(guī)律及產(chǎn)量形成的影響，以期促進農(nóng)牧循環(huán)、提高畜禽糞污養(yǎng)分資源利用效率，為寒地玉米黑土區(qū)有機養(yǎng)分資源合理利用和更新玉米施肥方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019~2020年在黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)長產(chǎn)村（126°38'E，45°48'N）開展定位試驗，海拔約為178 m。該地年平均氣溫4.4℃，年均降雨量615 mm，有效積溫2 700~2 900℃。供試土壤類型為草甸黑土，試驗前耕層土壤基礎(chǔ)肥力如下：有機質(zhì)23.67 g·kg-1，全氮1.35 g·kg-1，pH 6.76，堿解氮216.4 mg·kg-1，有效磷111.7 mg·kg-1，速效鉀285.9 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為金誠316。

供試氮磷鉀肥分別為普通尿素（N：46%），重過磷酸鈣（P2O5：46%），氯化鉀（K2O：60%）。

供試液體牛糞（N：0.37%，P2O5：0.20%，K2O：0.24%，有機質(zhì)：3.03%）由哈爾濱丹青農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用田間大區(qū)試驗，共5個處理，各處理地塊不變連續(xù)種植兩年。包括：①不施氮肥（CK）；②常規(guī)施肥（FP）；③67.5 t·hm-2液體牛糞（N0PKM）；④減氮40%配施67.5 t·hm-2液體牛糞（N1PKM）；⑤減氮20%配施67.5 t·hm-2液體牛糞（N2PKM）；減氮配施液體牛糞處理為在應(yīng)用液體牛糞基礎(chǔ)上，磷、鉀肥施用量保持不變，氮肥在拔節(jié)期后（約6月25日）采用精準機械減量追施40%、20%。其中各處理種肥追肥均為化肥，具體施肥方案如表1所示。

表1 不同施肥處理下肥料施用情況Table 1 Fertilizer application under different fertilization treatments (kg·hm-2)

在2018年10月玉米收獲同時粉碎秸稈，用馬斯奇奧滅茬機滅茬，液體牛糞處理N0PKM、N1PKM和N2PKM采用丹麥Samson液體施肥機將67.5 t·hm-2液體牛糞（折合純養(yǎng)分N 250 kg·hm-2；P2O5135 kg·hm-2；K2O 162 kg·hm-2）作為基肥施于地表，如圖1所示，經(jīng)五鏵翻轉(zhuǎn)犁將秸稈和液體牛糞一同翻耕后啟壟，壟長500 m，壟寬0.65 m。次年5月1日前后采用精準機械作業(yè)播種施肥，每處理播種8壟。兩年種植密度均為6.0萬株·hm-2。10月20日前后收獲，籽粒以14%水分標準計產(chǎn)。

圖1 丹麥滴流管式液體施肥車Fig.1 Danish drip-tube liquid fertilizer truck

1.4 樣品采集與測定

分別在拔節(jié)期V6（6月17~20日）、抽雄期VT（7月16~20日）、灌漿期R3（8月28日~9月1日）、成熟期R6（10月20~23日）采集植物樣品并測定指標，每處理設(shè)3次重復(fù)，每重復(fù)隨機選取3株具有代表性植株，將植株按莖稈和籽粒分開，洗凈、殺青、烘干至恒重，測定干物質(zhì)重，粉碎，采用H2SO4-H2O2法消煮，聯(lián)合測定植物氮、磷、鉀含量[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

養(yǎng)分積累量（kg·hm-2）=干物質(zhì)重×養(yǎng)分含量×保苗密度；

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量（kg·hm-2）=莖葉最大養(yǎng)分累積量-成熟期莖葉養(yǎng)分累積量；

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運率（%）=養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量/莖葉最大養(yǎng)分積累量×100；

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率（%）=養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒養(yǎng)分積累量×100；

干物質(zhì)花后積累比例（%）=（成熟期干物質(zhì)重-開花前干物質(zhì)重）/成熟期干物質(zhì)重×100。

以播種后天數(shù)（t）為自變量，測得單株地上部干物質(zhì)重為因變量（Y），采用Logistic方程Y=A/（1+Be-kt）擬合玉米干物質(zhì)增長過程中最大干物質(zhì)增長速率及其出現(xiàn)天數(shù)，其中，A為最大生長量；B為初值參數(shù)；k為生長速率參數(shù)[12]。

土壤養(yǎng)分表觀平衡（kg·hm-2）=有機和化學(xué)肥料施入總量-作物地上部養(yǎng)分吸收量，不考慮氮沉降、灌溉水輸入、氨揮發(fā)、硝態(tài)氮淋溶等影響，僅考慮總養(yǎng)分投入以及作物對養(yǎng)分的吸收[13]。

試驗數(shù)據(jù)均采用Origin 2019b作圖，SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮配施液體牛糞對玉米干物質(zhì)積累動態(tài)的影響

各生育時期不同施肥處理玉米干物質(zhì)積累動態(tài)如表2所示，年份和處理對各時期玉米干物質(zhì)積累量均有顯著影響（P<0.05）。除拔節(jié)期外，兩年氮磷鉀平衡施肥各處理干物質(zhì)積累量均顯著高于不施氮肥CK處理（P<0.05）；在成熟期，兩年減氮配施液體牛糞N1PKM和N2PKM處理較常規(guī)施肥FP處理干物質(zhì)積累量平均增幅分別為15.26%、20.24%；減氮配施液體牛糞處理可提高花后期干物質(zhì)積累比例，有利于玉米生長中后期保持較高的干物質(zhì)積累量，其中N1PKM和N2PKM處理較FP處理平均分別提高3.50%、2.91%，單施液體牛糞N0PKM處理在花后期干物積累量及積累比例則均低于N1PKM和N2PKM處理。

表2 不同時期不同施肥處理玉米干物質(zhì)積累動態(tài)變化Table 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different fertilization treatments in different periods (kg·hm-2)

回歸分析表明（見表3），各施肥處理和年份對玉米最大增長速率、最大增長速率出現(xiàn)時間及平均增長速率均影響顯著（P<0.05）。不同施肥處理玉米干物質(zhì)積累可用Logistic回歸方程較好擬合（R2=0.989~0.999）。由表3可知，不施氮肥CK處理干物質(zhì)最大增長速率兩年均為最低；從最大增長速率出現(xiàn)時間看，減氮配施液體牛糞可延后玉米干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)時間，總體呈單施液體牛糞<常規(guī)施肥<減氮配施液體牛糞規(guī)律。2019年，F(xiàn)P處理干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)時間提前，較N1PKM和N2PKM處理提前10.6和15.2 d。2020年，F(xiàn)P處理干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)時間提前，較N1PKM和N2PKM處理提前1.4和1.2 d；減氮配施有機肥可提高作物平均增長速率，其中兩年N1PKM和N2PKM較常規(guī)化肥FP處理平均增長速率平均提高16.07%和20.14%，N0PKM平均增長速率均小于減氮配施液體牛糞處理。說明常規(guī)施肥、單施液體牛糞有利于玉米花前期干物質(zhì)積累，而減氮配施液體牛糞模式可使玉米生育中后期保持較高增長速率，保證作物生長發(fā)育平穩(wěn)，促進作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

表3 玉米干物質(zhì)積累Logistic方程回歸分析Table 3 Logistic equation analysis for dry matter accumulation of maize

2.2 減氮配施液體牛糞對玉米地上部養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運及籽粒貢獻率的影響

2.2.1 減氮配施液體牛糞對玉米地上部養(yǎng)分積累量的影響

玉米花后期養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運和再分配對其生長發(fā)育、干物質(zhì)合成、運輸及經(jīng)濟產(chǎn)量有重要意義[14]。玉米地上部氮、磷、鉀積累情況如圖2所示，平衡施肥處理玉米氮、磷、鉀積累量均高于不施氮肥CK處理，單施液體牛糞N0PKM處理在花后期氮、磷、鉀積累量小于減氮配施液體牛糞N1PKM、N2PKM處理。

圖2 不同施肥處理玉米地上部氮、磷、鉀積累量Fig.2 Nitrogen,phosphorus and potassium accumulation in maize shootunder different fertilization treatments

除CK處理外，其他處理地上部氮積累量均隨生育期推移而增加。N1PKM、N2PKM處理在花后期氮積累量高于常規(guī)施肥FP處理，但差異不顯著（P>0.05）。開花后，玉米進入生殖生長，此時需充足養(yǎng)分積累及轉(zhuǎn)運供籽粒形成。在灌漿期，N1PKM、N2PKM處理氮積累量較常規(guī)施肥FP處理分別提高2.79%和4.43%；成熟期玉米氮積累量達到最大，N1PKM、N2PKM處理氮積累量較常規(guī)施肥FP處理分別提高10.04%和2.98%，其中N1PKM與FP相比呈顯著差異（P<0.05）。

地上部磷積累量隨生育期推移呈上升趨勢。其中，N1PKM、N2PKM處理在花后期磷積累量始終保持較高水平且顯著高于FP處理（P<0.05）。在灌漿期和成熟期，N1PKM、N2PKM處理較常規(guī)施肥FP處理分別平均提高14.39%、18.90%和14.03%、17.42%。

玉米地上部鉀積累量隨生育期推移呈上升趨勢，與磷積累量不同，從花后期開始，鉀積累量逐漸下降。在成熟期，N1PKM、N2PKM處理地上部鉀積累量較FP處理平均高33.33%和26.38%，在開花后期減氮配施液體牛糞有利于保存玉米體內(nèi)鉀素，防止其過度流失。

由此可見，減氮配施液體牛糞施肥模式可使玉米生育中后期保持較高養(yǎng)分積累速率，有效促進開花后期養(yǎng)分積累，有利于養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運。

2.2.2 減氮配施液體牛糞對玉米地上部養(yǎng)分轉(zhuǎn)運及籽粒貢獻率的影響

玉米籽粒養(yǎng)分主要來源于花后期養(yǎng)分積累以及營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運，絕大部分來源于后者[15]。由表4可知，各處理對玉米地上部養(yǎng)分轉(zhuǎn)運及籽粒貢獻率影響顯著（P<0.05）。減氮配施液體牛糞N1PKM、N2PKM處理氮、磷、鉀總轉(zhuǎn)運量均高于常規(guī)施肥FP處理，相應(yīng)提高營養(yǎng)體養(yǎng)分轉(zhuǎn)運率及對籽粒貢獻率；從養(yǎng)分轉(zhuǎn)運率看，兩年間N1PKM、N2PKM處理較FP處理氮轉(zhuǎn)運率平均高20.90%和21.98%，磷轉(zhuǎn)運率平均高59.73%和25.97%；從氮、磷轉(zhuǎn)運量對籽粒貢獻率看，兩年間N1PKM、N2PKM處理較FP處理平均增幅10.15%、40.97%和42.97%、37.97%；鉀轉(zhuǎn)運率以及對籽粒貢獻率變化規(guī)律則不明顯。

表4 不同施肥處理玉米地上部養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及對籽粒貢獻率Table 4 Amounts of nutrient translocation,translocation rate and contribution rate to grain in maize shoot under different fertilization treatments

2.3 減氮配施液體牛糞對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

如表5所示，從兩年試驗結(jié)果可見，各施肥處理對玉米產(chǎn)量和百粒重影響顯著，而年份則對產(chǎn)量及其構(gòu)成因子影響均不顯著（P<0.05）。減氮配施液體牛糞可顯著提高玉米產(chǎn)量，其中2019年以減少40%氮肥施入量并配施液體牛糞的N1PKM處理產(chǎn)量最高，折合14%水分標準后為11 057.35 kg·hm-2，2020年以減少20%氮肥施入量并配施液體牛糞的N2PKM處理產(chǎn)量最高，折合14%水分標準后為10 444.83 kg·hm-2；所有施肥處理玉米產(chǎn)量均明顯高于不施肥氮肥CK處理，且差異顯著（P<0.05），表明肥料是影響玉米產(chǎn)量重要因素，施肥可顯著提高產(chǎn)量；2019年和2020年，N1PKM和N2PKM處理產(chǎn)量較FP、N0PKM處理均達到顯著性差異水平（P<0.05），兩年分別平均增產(chǎn)5.74%、6.72%和12.35%、13.14%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，N1PKM、N2PKM處理較FP處理百粒重平均分別提高4.81%、6.42%。

表5 不同施肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因子Table 5 Yield and its components in maize under different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理下土壤養(yǎng)分表觀平衡

2019年和2020年，各處理年均氮磷鉀收支情況見表6。

由表6可知，土壤中氮磷鉀素收支差異原因主要是作物養(yǎng)分吸收以及肥料投入。不施氮肥處理（CK）土壤中氮素平均虧缺138.58 kg·hm-2，而當(dāng)施氮量為180 kg·hm-2時，仍無法滿足玉米對氮素需求。當(dāng)施氮量超過250 kg·hm-2時，氮素當(dāng)季表現(xiàn)出盈余狀態(tài)，且隨施氮量增加，玉米氮素吸收量先增后降，氮素當(dāng)季盈余量與投入量之比增大，增加氮素損失及進入環(huán)境風(fēng)險；不施氮肥處理（CK），土壤中鉀素同氮素相似，兩年平均虧缺28.92 kg·hm-2，磷素在2019年表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，當(dāng)年盈余量為14.28 kg·hm-2；2020年表現(xiàn)為虧缺狀態(tài)，當(dāng)年虧缺32.46 kg·hm-2。在有機肥和化肥均平衡施用情況下（N1PKM和N2PKM處理），土壤中磷、鉀素盈余量較N0PKM處理兩年內(nèi)平均分別降低15.48%、26.79%和25.05%、42.37%。減氮配施液體牛糞可促進玉米對磷、鉀吸收，降低養(yǎng)分盈余量。

表6 不同施肥處理土壤氮、磷、鉀素表觀平衡Table 6 Apparent balance of soil N,P2O5 and K2O under different fertilization treatments (kg·hm-2)

3 討論與結(jié)論

干物質(zhì)積累決定作物經(jīng)濟產(chǎn)量高低。黃智鴻等研究指出，籽粒產(chǎn)量較大程度上取決于玉米生育后期生長發(fā)育，增加作物花后干物質(zhì)積累比例為提高作物產(chǎn)量關(guān)鍵因素之一[16]。孟超然等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代部分化肥可增加玉米花后干物質(zhì)積累比例，約為3.23%~11.81%[17]。本試驗表明，除單施液體牛糞外，不同減氮比例配施液體牛糞均使玉米花后干物質(zhì)積累量及積累比例較FP提高，增幅為2.67%~3.56%，最終使玉米增產(chǎn)3.06%~8.42%?？赡軞w因于減氮配施液體牛糞較常規(guī)施肥，養(yǎng)分時效長，可提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，促進花后期玉米地上部吸收養(yǎng)分，花后期干物質(zhì)積累是籽粒產(chǎn)量主要來源，減氮配施液體牛糞有利于玉米花后期養(yǎng)分供應(yīng)，提高該生育階段干物質(zhì)積累速率，提高成熟期干物質(zhì)積累量，為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，與魏延邦等研究結(jié)果一致[18]。本研究花后干物質(zhì)積累比例增幅偏小，這可能與試驗中所用液體牛糞養(yǎng)分含量較低相關(guān)，因此，單施液體牛糞不能滿足作物生長對養(yǎng)分全部需求，還需追施化肥。

本試驗中，N1PKM和N2PKM處理干物質(zhì)最大增長速率和平均增長速率均高于FP處理，干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)時間延后，與侯云鵬等研究結(jié)果一致[19]。氮肥在玉米拔節(jié)期一次性追施，土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求時期不匹配，導(dǎo)致玉米前期生長旺盛，干物質(zhì)積累過快，易倒伏，而開花后養(yǎng)分供應(yīng)不足，光合速率降低，影響光合產(chǎn)物合成及運輸，干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)過早[20]，而玉米在花后期具有較高光合能力，是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)生理基礎(chǔ)[21]。

作物干物質(zhì)累積量與養(yǎng)分積累關(guān)系密切，養(yǎng)分積累是干物質(zhì)累積基礎(chǔ)，也是作物產(chǎn)量形成基礎(chǔ)[22]。掌握玉米養(yǎng)分吸收規(guī)律及單位籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分需求量為控制施肥總量重要標準[23]。楊恒山等研究表明，玉米花后期保持較高養(yǎng)分吸收及轉(zhuǎn)運能力是促進高產(chǎn)的基礎(chǔ)[24]，因籽粒在花后期對養(yǎng)分吸收速率增加較快。張奇茹等研究顯示，有機無機配施可促進營養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運和對籽粒貢獻率及開花后對土壤養(yǎng)分吸收[25-26]。本研究表明，在花后期，減氮配施液體牛糞處理植株地上部氮磷鉀積累、轉(zhuǎn)運量均高于常規(guī)施肥處理，說明液體牛糞配施化肥促進玉米花后期養(yǎng)分積累和轉(zhuǎn)運，與前人研究結(jié)果一致。因化肥減量配施有機肥使土壤養(yǎng)分供應(yīng)平緩，避免作物生長后期脫肥，有利于花后期干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運，促進籽粒灌漿，達到增產(chǎn)效果[27-29]。在花后期，植物體內(nèi)鉀素充足有利于生殖生長階段吸收養(yǎng)分，促進營養(yǎng)器官中養(yǎng)分再分配以及對籽粒貢獻率[15]。在整個生育時期，玉米地上部鉀積累量隨生育期推移先升高至灌漿期達到最大，而后降低，因玉米主要在生育前期吸收鉀素，從灌漿期開始至成熟期，植物體內(nèi)鉀素外排，通過根系轉(zhuǎn)入土壤[30]，而本試驗研究發(fā)現(xiàn)，減氮配施液體牛糞有利于保存花后期玉米體內(nèi)鉀素，防止其過量流失，提高養(yǎng)分對籽粒貢獻率，同時創(chuàng)設(shè)協(xié)調(diào)源庫關(guān)系，在花后期保持較高養(yǎng)分轉(zhuǎn)運能力，為增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

土壤養(yǎng)分表觀平衡指在某段時間內(nèi)，以肥料形式施入土壤中養(yǎng)分量與作物吸收養(yǎng)分量差值，是作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)基礎(chǔ)[13]。有機肥配施化肥可促進作物吸收養(yǎng)分，提高肥料利用率，降低養(yǎng)分盈余[31]。本試驗發(fā)現(xiàn)，減氮配施液體牛糞可促進作物對磷鉀吸收，降低磷鉀養(yǎng)分盈余量，提高養(yǎng)分利用效率，這與高菊生等研究結(jié)果一致[13]。

本試驗得出，相較于常規(guī)施肥和單施液體牛糞處理，減氮40%配施液體牛糞可顯著提高寒地玉米干物質(zhì)平均增長速率和最大增長速率，推遲最大增長速率出現(xiàn)時間，有利于玉米生長發(fā)育平穩(wěn)；使玉米花后期干物質(zhì)和養(yǎng)分積累量、轉(zhuǎn)運及對籽粒貢獻率顯著增加，實現(xiàn)玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)；同時降低土壤磷鉀養(yǎng)分盈余，提高養(yǎng)分利用效率。且相較于減氮20%，各指標差異不顯著，更節(jié)約經(jīng)濟成本，實現(xiàn)減肥增效。長期減氮配施液體牛糞需考慮當(dāng)季作物吸收養(yǎng)分及后效問題，后期試驗應(yīng)增設(shè)不同液體牛糞施用量處理。