炭基肥供氮量對玉米生長和產(chǎn)量的影響

閆澤川 佟旭楠 蘇港 葛均筑 吳錫冬 王金龍

摘? ? 要：為探究不同炭基肥施氮量對玉米生長及產(chǎn)量的影響，以‘鄭單958’作為試驗(yàn)材料，設(shè)置5個(gè)不同施氮處理0，135，270，405，540 kg·hm-2，研究施氮量對玉米葉面積指數(shù)、葉綠素、熒光參數(shù)、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為天津地區(qū)炭基肥在玉米上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。結(jié)果表明：各施氮處理較B0葉面積指數(shù)均顯著提高，隨著玉米施氮量的增加，B3處理下的葉綠素含量、葉面積指數(shù)、最大光化學(xué)效率均優(yōu)于其他處理;各施氮處理相較于B0玉米產(chǎn)量、行粒數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重均有顯著提高，當(dāng)供氮量增至405 kg·hm-2時(shí)，再增加施氮量玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和百粒重不再顯著增加，最高分別為10 833.25 kg·hm-2、552.19粒和34.73 g;當(dāng)供氮量為405 kg·hm-2時(shí)，經(jīng)濟(jì)收益最大，為22 171.86元·hm-2。綜上所述，以炭基肥為供氮源，在施氮量為405 kg·hm-2時(shí)是提高玉米葉片光合特性、玉米葉面積、經(jīng)濟(jì)效益的最佳處理，且玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和百粒重不再隨著施氮量的增加而顯著提高。

關(guān)鍵詞：玉米;施氮量;生長;產(chǎn)量

中圖分類號：S31? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.04.015

Effect of Nitrogen Supply of Biochar Compound Fertilizer on Growth and Yield of Corn

YAN Zechuan， TONG Xunan， SU Gang， Ge Junzhu， WU Xidong， WANG Jinlong

（College of Agronomy & Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to explore the effect of different nitrogen application rates of biochar compound fertilizer on the growth and yield of maize， 'Zhengdan 958' was used as the test material， and five different nitrogen application treatments of 0， 135， 270， 405 and 540 kg·hm-2 were set to study the nitrogen application rate. The effects on corn leaf area index， chlorophyll， fluorescence parameters， yield and economic benefit were expected to provide theoretical basis and practical guidance for the application of biochar compound fertilizer on corn in Tianjin.The results showed that， the leaf area index of each nitrogen application treatment was significantly higher than B0. With the increase of nitrogen application rate of maize， the chlorophyll content， leaf area index and maximum photochemical efficiency of B3 treatment were better than other treatments.Compared with B0， each nitrogen fertilization treatment significantly increased the corn yield， the number of grains per row， the number of grains per ear， and the 100-grain weight. The number of grains and 100-grain weight no longer increased significantly， and the highest were 10 833.25 kg·hm-2， 552.19 grains， and 34.73 g， respectively. When the nitrogen supply was 405 kg·hm-2， the economic benefit was the largest， which was 22 171.86 yuan·hm-2.To sum up， using biochar compound fertilizer as the nitrogen source， when the nitrogen application rate was 405 kg·hm-2， was the best treatment to improve photosynthetic characteristics of maize leaves，leafarea index， economic benefits.Yield and number of grains per ear were also improved. and 100-grain weight no longer increased significantly with the increase of nitrogen application.

Key words： corn; nitrogen application rate; grow; yield

玉米是我國重要的農(nóng)作物，在華北平原也廣泛種植。氮素對玉米的生長發(fā)育具有重要作用，是影響玉米產(chǎn)量形成的重要因素[1-2]。氮肥施用過少會(huì)使穗粒數(shù)減少，降低光化學(xué)效率，導(dǎo)致葉片光合下降[3]，氮肥施用過多，也會(huì)造成作物產(chǎn)量不增反降、品質(zhì)下降，氮素?fù)p失增加，經(jīng)濟(jì)效益降低[4]。在以往生產(chǎn)中，氮素主要以化肥的形式提供，化肥施用過多會(huì)導(dǎo)致千粒重下降，葉片光合減弱，還會(huì)浪費(fèi)氮素[5-6]。過量的氮肥施用還會(huì)造成氮肥利用率低下、環(huán)境污染及土壤酸化等問題[7]。因此，過量施用或少量施用氮肥都會(huì)影響玉米產(chǎn)量，合理的施用氮肥對提高玉米產(chǎn)量，減少環(huán)境污染有重要意義。

生物炭是各種生物質(zhì)在部分無氧或完全缺氧條件下高溫裂解而產(chǎn)生的一種富含碳元素的物質(zhì)[8]。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，具有高含碳量等特性[9]，有利于增大土壤孔隙度從而增加土壤通氣性[10]，還可以提高植物對營養(yǎng)元素的吸收利用[11]，生物炭具有疏松多孔的性質(zhì)，可作為肥料的優(yōu)良載體，可長效釋放養(yǎng)分，從而減少肥料養(yǎng)分流失，促進(jìn)植物的吸收[12]。但有研究發(fā)現(xiàn)生物炭由于自身養(yǎng)分含量較低，且具有較高的C/N，會(huì)降低土壤有效養(yǎng)分含量，從而無法滿足作物生育期所需養(yǎng)分，不利于作物生長[13-14]。炭基肥是以生物炭為基礎(chǔ)，通過與化肥進(jìn)行摻混造粒，制成的一種高效的新型緩釋肥料，其既有肥料的性質(zhì)，能夠?yàn)橹参锾峁B(yǎng)分，也有生物炭的性質(zhì)，能夠改良土壤。炭基肥既可以彌補(bǔ)生物炭因養(yǎng)分不足而影響作物生長[15]，又可以對肥料養(yǎng)分具有吸附固持作用，從而減少養(yǎng)分流失達(dá)到緩釋的效果[16-17]。已有研究對不同有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭對作物生長的影響做了大量研究，但關(guān)于在天津地區(qū)，炭基肥不同供氮量對玉米生長特性及產(chǎn)量的影響報(bào)道較少。因此，本試驗(yàn)以炭基肥為供氮源，通過研究不同施氮處理下對玉米葉面積指數(shù)、葉綠素含量、最大光化學(xué)效率以及產(chǎn)量的影響，以確定天津地區(qū)玉米生產(chǎn)最適宜的炭基肥施用量，為天津地區(qū)炭基肥在玉米上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2021年5月至10月在天津市優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)示范中心展開，該示范中心位于天津市寧河區(qū)，地處東經(jīng)119°47′，北緯31°89′，屬于溫帶大陸性氣候，年平均溫度為11.2℃，年降雨量為642 mm，無霜期為240 d，雨熱同期，降雨主要集中在6—8月，試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，0～20 cm土壤的基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)9.62 g·kg-1、全氮1.41 g·kg-1、全磷1.03 g·kg-1、全鉀19.78 g·kg-1、堿解氮87.36 mg·kg-1、有效磷105.30 mg·kg-1、速效鉀302.77 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年5月至10月進(jìn)行，采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，選用‘鄭單958’為受試材料。以炭基肥為主要供氮源，設(shè)置5個(gè)不同施氮量梯度，施氮量分別為 B0 為 0 kg·hm-2，B1 為135 kg·hm-2，B2 為270 kg·hm-2，B3 為405 kg·hm-2，B4 為540 kg·hm-2，3 次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長6.5 m，寬3.6 m，等行距種植，行距為0.6 m，種植密度為67 500 株·hm-2，設(shè)置2行保護(hù)行。其中炭基肥全部作為底肥施入，在拔節(jié)期追施尿素，二者按照供氮量7∶3比例施用，炭基肥來自于沈陽隆泰生物工程有限公司，養(yǎng)分含量為N-P2O5-K2O：24-10-10，尿素N含量46%。P、K肥作為底肥一次性施入，全生育期各處理施用量均為157.5 kg·hm-2。其他田間管理措施按照當(dāng)?shù)赜衩赘弋a(chǎn)田管理進(jìn)行。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片葉綠素含量測定 于各時(shí)期各小區(qū)選取長勢一致的3株玉米穗位葉葉片，進(jìn)行保鮮處理并帶回實(shí)驗(yàn)室，95%乙醇浸提48 h后使用分光光度計(jì)測定。

1.3.2 葉片熒光參數(shù) 選擇晴朗天氣，測定時(shí)間為上午 9： 00-11： 00。每小區(qū)選擇3株長勢一致的玉米植株，采用Handy PEA植物效率分析儀 （英國Hansatech公司生產(chǎn)）在玉米的生育時(shí)期測定葉片穗位葉熒光參數(shù)。

1.3.3 葉面積指數(shù)的測定 每小區(qū)選取3株生長情況基本一致的植株分別掛牌，在玉米生育時(shí)期測量玉米從下到上葉片的長度和寬度。玉米單株葉面積=長×寬×0.75[18]，葉面積指數(shù)（LAI）=單株葉面積×單位土地面積內(nèi)總株數(shù)/單位土地面積。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素測定 玉米收獲期每個(gè)小區(qū)從中間兩行避開被選取穗位葉的玉米植株進(jìn)行收獲，收獲后隨機(jī)選取20穗，帶回實(shí)驗(yàn)室，收獲的果穗自然風(fēng)干后，測定果穗的穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重，同時(shí)將每個(gè)小區(qū)籽粒各取200 g于鼓風(fēng)干燥箱85 ℃烘干至恒重測定含水量，并將其折算為 14%含水量的產(chǎn)量和百粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

用 Microsoft Excel 2019、SPSS25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析; 用 Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對玉米葉綠素含量的影響

葉綠素是參與光合作用的重要物質(zhì)，對于光能吸收和轉(zhuǎn)化有重要作用。由圖1可知，7月10日B3處理葉綠素含量最高，且與其他各處理有顯著差異，而各施肥處理相較于B0，又呈顯著性差異，各處理葉綠素含量為：B3>B4>B2>B1>B0，除B3外其他各施肥處理之間葉綠素含量差異不顯著;7月24日各處理葉綠素含量以B4最高，B3次之，除B1處理，其余各施氮處理葉綠素含量均顯著高于B0;8月12日各處理葉綠素含量以B3最大，各處理葉綠素含量為B3>B4>B2>B1>B0，且各施肥處理相較于B0均有顯著性差異;8月22日以B2葉綠素含量最高，但B2、B3、B4各處理差異不顯著，各施氮處理葉綠素含量均高于B0，但B1與B0之間沒有顯著差異，各處理葉綠素含量為B3>B2>B4>B1>B0;9月8日B0處理葉綠素含量高于B1、B2，但差異不顯著，各處理中以B4處理葉綠素含量最大，B3次之，B1含量最低。以上結(jié)果表明，除9月8日以外，各施氮處理葉綠素含量均大于未施用氮肥處理且差異顯著，說明施用炭基肥可以提高玉米穗位葉葉綠素含量，9月8日B0葉綠素含量雖然高于B1、B2處理，但與各施氮處理沒有顯著性差異。

2.2 不同施氮量對玉米葉片熒光參數(shù)的影響

由圖2可知，7月10各施氮處理最大光化學(xué)效率Fv/Fm都高于B0處理，其中B2最大，各處理為：B2>B4>B1>B3>B0，但各處理之間無顯著性差異;7月24日各施氮處理最大光化學(xué)效率Fv/Fm均高于B0處理，以B3處理最大，各處理為：B3>B4>B2>B1>B0，且各施氮處理與B0具有顯著性差異，其余各施氮處理之間無顯著性差異;8月12日最大光化學(xué)效率Fv/Fm值為B4>B3>B2>B1>B0，除B4外其余各施氮處理與B0沒有顯著性差異，B4處理與B2、B3處理之間差異不顯著;8月22日最大光化學(xué)效率Fv/Fm以B3處理最高，且與其他各處理有顯著性差異，各施肥處理除B2外，最大光化學(xué)效率Fv/Fm較B0均有提升;9月8日各施氮處理最大光化學(xué)效率Fv/Fm較B0都大且有顯著差異，各施氮處理中最大光化學(xué)效率Fv/Fm以B3最大，各處理為：B3>B1>B4>B2>B0，但各施氮處理之間沒有顯著性差異。以上結(jié)果表明，各施肥處理最大光化學(xué)效率Fv/Fm均高于不施氮肥處理（B0），但各施肥處理之間沒有顯著性差異。施用氮肥可以提高最大光化學(xué)效率Fv/Fm的值，有利于提高PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率，有助于促進(jìn)光合作用增強(qiáng)，各施氮處理中以B3處理效果最好。

2.3 不同施氮量對玉米葉面積指數(shù)的影響

葉片是玉米光合作用的主要器官，葉面積指數(shù)大有利于光合作用以及干物質(zhì)積累。由圖3可知，施用氮肥可以增加玉米葉面積指數(shù)，各時(shí)期各施氮處理葉面積指數(shù)均高于B0。葉面積隨著生育進(jìn)程的推移，先增大后減小，且在7月24日達(dá)到最大值，此時(shí)葉面積指數(shù)呈現(xiàn)的趨勢是B3>B4>B2>B1>B0，之后葉面積指數(shù)逐漸下降。7月10日各處理葉面積指數(shù)大小為：B4>B3>B2>B1>B0，說明早期供氮量大有利于玉米生長。除7月10日和9月8日以外，各處理均為B3葉面積最大，各處理葉面積指數(shù)大小為：B3>B4>B2>B1>B0，這說明在一定范圍內(nèi)，施用氮肥可以增加玉米葉面積指數(shù)，而適量地施用氮肥可以最大限度地提高玉米葉面積指數(shù)。7月24日以后，各處理葉面積逐漸下降，以B3、B4處理下降最快，而B1、B2下降速率相近，B3、B4處理于9月8日葉面積低于B2處理，但仍高于B0和B1處理，此時(shí)葉面積指數(shù)大小為：B2>B4>B3>B1>B0。

2.4 不同施氮量對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知，各施氮處理玉米產(chǎn)量較B0增產(chǎn)35.30%～81.23%（P<0.05），以B4產(chǎn)量最高，為10 833.25 kg·hm-2，但B3與B4之間沒有顯著性差異，說明施肥可以顯著增加產(chǎn)量，當(dāng)施氮量增至405 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量不再隨施氮量的增加而顯著增加;行粒數(shù)，穗粒數(shù)較B0顯著增加26.61%～36.01%和36.78 %～52.56 %，以B3行粒數(shù)與穗粒數(shù)最多，分別為36.18，552.19粒，但與B4處理差異不顯著;當(dāng)施氮量增至B2處理時(shí)，與B0處理相比，穗行數(shù)與百粒重呈現(xiàn)顯著性差異，以B4處理最高，但與B3處理差異不顯著，B4處理穗行數(shù)與百粒重分別為15.3行、34.73g。與B1相比，施氮量增加了玉米產(chǎn)量，顯著提高10.83%～33.95%，在施氮量增至B3時(shí)增產(chǎn)不顯著，產(chǎn)量達(dá)10 759.58 kg·hm-2。與B1相比，繼續(xù)增加施氮量顯著提高了玉米穗行數(shù)與百粒重，從而提高了產(chǎn)量。B3和B4處理間產(chǎn)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)均無顯著差異，說明當(dāng)施氮量增加到一定程度，不會(huì)顯著增加作物產(chǎn)量，為了不造成氮素的浪費(fèi)，以B3施用量最佳。

2.5 不同施氮量對經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表2可知，按當(dāng)年施用肥料的市場價(jià)格計(jì)算，各處理肥料投入分別為：1 748.25，2 382.55，3 016.85，3 651.14，4 285.44元·hm-2，各處理中B4肥料投入最高，B0處理最低。在一定范圍內(nèi)施用炭基肥可以通過增加產(chǎn)量從而增加收益，各施氮處理中以B3處理收益最高，為22 171.86元，各處理收益大小為：B3>B4>B2>B1>B0。但產(chǎn)投比以B0處理最高，為8.21，各處理中以B4產(chǎn)投比最低。因此，從收益來看，以B3處理最好，能獲得最大收益，再增加肥料投入反而會(huì)導(dǎo)致收益降低。從產(chǎn)投比來看B0處理最好，但從環(huán)境保護(hù)角度，只施用磷鉀肥不施用氮肥會(huì)造成土壤氮素枯竭，導(dǎo)致土壤肥力下降，不符合可持續(xù)發(fā)展，并且其收益不高，不值得推廣。

3 結(jié)論與討論

玉米葉片的葉綠素含量對玉米生理代謝具有重要影響，葉綠素在植物中主要負(fù)責(zé)光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，從而決定了植物光合能力的強(qiáng)弱[19-20]。王佳等[21]研究表明，施氮肥能夠提高葉綠素含量，而適量地增施氮肥則可以最大限度地提高葉綠素含量。本研究發(fā)現(xiàn)，在施氮處理生育前中期均可顯著提高葉綠素含量，且當(dāng)施氮量增加到405 kg·hm-2時(shí)，葉綠素不在隨著施氮量增加而增加，而有下降趨勢;生育末期由于葉片衰老，各處理葉綠素含量之間差異不顯著，這也與王佳等[21]研究結(jié)果類似，說明以炭基肥為主要供氮源，適量的施用量能夠最大限度地提高植物葉綠素含量。

較高的葉面積指數(shù)可以更好地截獲光能，并提高光能利用率[22]，缺氮是限制作物生長的重要因素[23]，適宜的施氮量有助于促進(jìn)植物的葉面積指數(shù)的提高[24]，本試驗(yàn)也有相似的結(jié)論，B0與B1處理因氮素缺乏，葉面積指數(shù)明顯低于其他施氮處理，說明氮素缺乏會(huì)限制作物生長，最終影響產(chǎn)量。楊粉團(tuán)等[25]研究表明，合理增施氮肥能有效增加植物葉面積指數(shù)，有研究表明，氮肥施用過量也會(huì)限制作物生長[26]。本研究表明，合理施用氮肥可以顯著提高玉米葉面積指數(shù)，少量施用氮肥會(huì)使玉米營養(yǎng)不足而導(dǎo)致生緩慢，過量氮肥也會(huì)使玉米生長受抑制，這也與已有的研究結(jié)果類似。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化能夠反映葉片光合能力[27]，可用來作為植物是否收到光抑制的判斷指標(biāo)，F(xiàn)v / Fm越低表明光能轉(zhuǎn)化效率越低[28]。魏花朵等[29]研究表明合理的施用氮肥，F(xiàn)v/Fm處于較高水平，光化學(xué)效率較高。徐燦等[30]研究表明隨著玉米施氮量的增加，熒光參數(shù)中的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm） 隨施氮量的增加先增加后減小。本研究結(jié)果表明，與B0處理相比，各施肥處理最大光化學(xué)效率（ Fv/Fm）均有所提高，當(dāng)施氮量增至B4處理時(shí)，最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）略有下降趨勢，這說明最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在一定施氮范圍內(nèi)隨著施氮量增加而增加，整體看來B3處理最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）較好，這也與已有的研究結(jié)果類似。

施用氮肥對玉米產(chǎn)量的影響有重要的作用，適量施用氮肥可以促進(jìn)植物營養(yǎng)器官的生長，增加玉米的百粒重和穗粒數(shù)，從而提高玉米產(chǎn)量[31]。有研究表明，當(dāng)施氮量為 412.5 kg·hm-2時(shí)，玉米的產(chǎn)量最高[30]。本研究結(jié)果表明，施用氮肥能夠顯著提高行粒數(shù)和穗粒數(shù)，當(dāng)施氮量增至270 kg·hm-2時(shí)，能夠顯著提高玉米穗行數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重，當(dāng)施氮量增至405 kg·hm-2后，再增加施氮量，穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重均不再顯著增加，并且此時(shí)經(jīng)濟(jì)效益也是最好的。因此，適宜的施氮量能夠使玉米的產(chǎn)量、穗粒數(shù)、百粒重達(dá)到最大。在施氮量達(dá)到405 kg·hm-2下時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最大，為 10 759.58 kg·hm-2，此時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最大。說明施用氮肥能夠通過顯著增加百粒重、穗粒數(shù)、穗行數(shù)，從而提高玉米產(chǎn)量，增加收益。

綜上所述，在華北平原玉米生產(chǎn)中，以炭基肥為底肥，氮肥施用量為405 kg·hm-2時(shí)，可以顯著提高葉面積指數(shù)，增加葉綠素含量，增強(qiáng)最大光化學(xué)效率，通過提高穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重和穗粒數(shù)，產(chǎn)量也顯著增加，達(dá)到10 759.58 kg·hm-2，且經(jīng)濟(jì)效益最高。當(dāng)施氮量在0～405 kg·hm-2時(shí)，隨著施氮量的增加，葉綠素含量、葉面積指數(shù)逐漸增加、熒光參數(shù)逐漸增強(qiáng)、產(chǎn)量也相應(yīng)提高。當(dāng)施氮量大于405 kg·hm-2，除葉面積指數(shù)外葉綠素含量、熒光參數(shù)、產(chǎn)量沒有顯著性差異。

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