控釋尿素和普通尿素配施對旱地玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的影響

黨翼，張建軍，趙剛，樊廷錄，王磊，李尚中，周剛

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，蘭州 730070）

玉米（Zea mays）作為中國主要糧食作物之一[1]，其持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)關(guān)系到國家糧食安全。甘肅中東部作為甘肅旱作玉米主產(chǎn)區(qū)，玉米種植面積約為80萬hm2，占全省玉米面積的82.5%；產(chǎn)量達400萬t以上，占全省玉米產(chǎn)量的71.9%[2]。因此，該區(qū)域玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對保證全省糧食安全有著舉足輕重的作用。氮素是促進玉米生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素[3]。近年來，農(nóng)民為追求高產(chǎn)，氮肥的施用量遠遠超過作物所需，致使作物增產(chǎn)能力與氮肥利用率降低[4]。同時，多余的氮肥被不斷累積，不僅造成耕地質(zhì)量退化，還通過徑流、滲漏等多種途徑進入河流、湖泊等地表和地下水體，對生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅[5]。因此，合理施用氮肥對提高旱地玉米產(chǎn)量和水氮利用效率、減輕環(huán)境壓力具有重要意義。

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多以普通尿素等速效氮肥為主，肥效快但損失較大，因此，易導(dǎo)致玉米生育后期因氮素供應(yīng)不足而出現(xiàn)脫肥現(xiàn)象[6]?？蒯尩史市чL，可通過調(diào)節(jié)氮素養(yǎng)分釋放，減少氮肥損失，提高氮素利用率，有利于保證玉米生育后期對氮素的需求，實現(xiàn)高產(chǎn)[7-8]。雖然控釋氮肥延長了氮素的釋放時間，但播前一次性基施易導(dǎo)致玉米在拔節(jié)前生長緩慢、干物質(zhì)積累較低的現(xiàn)象，且控釋氮肥由于生產(chǎn)成本高，單獨施用會增加生產(chǎn)成本，影響農(nóng)戶種植效益[9]。因此，采用普通尿素與控釋尿素配施的方法，既可以實現(xiàn)玉米整個生育期內(nèi)氮素均衡供應(yīng)，又能降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)降支增收的目的[10]。本課題組通過連續(xù)4年定位試驗表明，播前一次性基施控釋尿素較施用普通尿素使玉米產(chǎn)量平均增加9.7%[11]。紀(jì)洋等[12]認(rèn)為，在總施氮量240 kg·hm-2條件下，控釋尿素與普通尿素按4.5∶5.5的比例配施能夠顯著提高水稻產(chǎn)量。金容等[13]認(rèn)為，相同施氮量條件下，控釋肥與尿素按比例混施能夠提高氮肥利用率，且增產(chǎn)8.3%～21.6%。Guo等[14]認(rèn)為，控釋肥和尿素按7∶3比例混施更有利于提高玉米的氮素利用率和產(chǎn)量。在甘肅東部旱作區(qū)，玉米栽培的施氮模式為50%的氮肥結(jié)合播前整地基施，50%于拔節(jié)期人工追施，該施肥模式既不能滿足玉米的氮肥需求規(guī)律，且分次追施又增加了生產(chǎn)成本。因此，本研究將控釋尿素引入該地區(qū)，研究控釋尿素與普通尿素按照不同配比施用對旱地玉米干物質(zhì)積累、耗水特征、水氮利用效率及產(chǎn)量性狀的影響，探討隴東黃土旱塬區(qū)控釋尿素與普通尿素的合理配比，建立適用于黃土旱塬區(qū)玉米生產(chǎn)的高效氮肥管理模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

試驗于2020年在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北旱作營養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測實驗站（E 107°29′36″，N 35°29′42″）進行，土壤類型為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。近30 a年均降雨量510 mm，主要集中在7～9月，占年降雨量的60%，季節(jié)和年際間降水分配不均，年蒸發(fā)量1 532 mm，年均氣溫8.9℃，無霜期170 d，海拔1 279 m，500 mm降雨量保證率57.1%，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。2020年降雨量554.2 mm，玉米生育期降雨量450.2 mm，生育期4～9月旬降雨量及多年平均（37年）旬降雨量詳見圖1。隴東旱塬玉米抽雄揚花期為7月上旬，該階段降雨量對玉米產(chǎn)量影響較大，圖1顯示，2020年7月上旬降雨量較多年平均降低31.5%。

圖1 玉米生育期及37年平均旬降雨量Fig 1 Rainfall of ten-days in duration period and average of 37 years

1.2 試驗設(shè)計

以玉米品種先玉335為試驗材料，采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置不施氮肥（CK1）、全施普通尿素（CK2）、全施控釋尿素（CK3）為對照，將普通尿素與控釋尿素分別按照7∶3（T1）、5∶5（T2）和3∶7（T3）的比例配施。其中，普通尿素由蘭州石油化工公司生產(chǎn)，氮含量46%；控釋尿素為安徽茂施農(nóng)業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚氨酯包膜尿素，氮含量45%，釋放期＞60 d，初始釋放率小于10%。各施氮處理的總施氮量均為225 kg·hm-2，磷肥（含P2O516%的過磷酸鈣）750 kg·hm-2，均于覆膜前結(jié)合整地時一次性施入耕層土壤，整個生育期不再追施氮肥。其他栽培管理措施同一般高產(chǎn)田。每處理3次重復(fù)，每重復(fù)小區(qū)面積4.4 m×5 m（22.0 m2）。均采用全膜雙壟溝播種植，行距55.0 cm，株距24.2 cm，8行區(qū)，密度7.5×104株·hm-2；4月26日人工穴播，每穴保1苗，9月17日收獲。地膜采用普通聚乙烯膜，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量測定 采用土鉆人工分層取土，烘干稱重法測定。分別于玉米播種前、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期及收獲期，由地表向下依次取0—200 cm土層，每20 cm作為1個取樣層，先稱濕土重，然后在105℃恒溫下烘干至恒重后稱干土重，計算土壤含水量。

1.3.2 葉綠素相對含量（SPAD）測定 分別于玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿中期選擇晴朗的天氣，于上午10—12時，采用SPAD-5200測定玉米中部功能葉葉片的SPAD值，每小區(qū)測定10株，每株讀取3個數(shù)值，共計讀取30個數(shù)值，取平均值。

1.3.3 單株干物質(zhì)測定 分別于苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和收獲期每小區(qū)選取具有代表性、長勢均勻一致的植株3株，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后進行稱重。

1.3.4 產(chǎn)量及植株氮含量測定 收獲前，每小區(qū)選擇長勢均勻一致處作為采樣區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)按行逐株取25株測產(chǎn)，脫粒后用PM-8188-A谷物水分測定儀測定含水量，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量（14%）下的每公頃產(chǎn)量。另每小區(qū)取10株調(diào)查穗行數(shù)、行粒數(shù)，計算穗粒數(shù)和百粒重（含水量14%）。同時于玉米生理成熟期每個小區(qū)采集3株植株（地上部）樣品，采用凱氏定氮儀法測定全氮含量。

1.3.5 計算公式 參照以下公式計算土壤貯水量（water content，W）、作物耗水量（evapotranspire，ET）、作物水分利用效率（water use efficiency，WUE）和氮肥利用率（nitrogen use efficiency，NUE）。

式中，h為土層深度（cm），a是土壤容重（g·cm-3），b是土壤含水量（%）；W1、W2分別為播種前和收獲后土壤貯水量（mm）；P為作物生育期降水量（mm），通過campbell cr1000（美國）自動氣象站記錄儀獲得；Y為含水量14%時玉米籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理、表格制作和作圖，采用DPS 8.01統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料配比對玉米葉片SPAD的影響

施氮顯著增加玉米葉片SPAD值；且隨生育時期推進，不同施氮處理SPAD值均呈先增加后降低趨勢；而相同生育期時，控釋尿素處理葉片的SPAD值顯著高于普通尿素處理（圖2）。CK3處理苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期葉片SPAD值較CK2處理分別增加1.5%、3.8%、8.4%和5.9%?？蒯屇蛩嘏c普通尿素配施的處理中，隨著控釋尿素比例的提高，各生育時期葉片SPAD值均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，但僅灌漿期T2和T3處理顯著高于T1處理，其余生育時期3個處理間差異不顯著。由此表明，控釋尿素比例的提高，增加了花后籽粒灌漿時期的氮素供應(yīng)，使玉米生育后期葉片持綠期延長，有利于增加產(chǎn)量。

圖2 不同處理在各生育期葉片的SPAD值Fig.2 SPAD value of leaf at different stages under different treatments

2.2 不同肥料配比對玉米干物質(zhì)量的影響

2.2.1 單株干物質(zhì)積累 不同施氮處理玉米全生育期單株干物質(zhì)積累呈“慢-快-慢”變化趨勢（圖3）。施氮處理的單株干物質(zhì)積累量顯著高于CK1處理；CK3處理玉米全生育期的干物質(zhì)積累量均高于CK2，增幅為0.7%～16.9%。隨控釋尿素比例的提高，玉米不同生育階段單株干物質(zhì)積累量相應(yīng)增加，表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，其中，T3處理在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、收獲期單株干物質(zhì)積累較T2處理分別提高21.0%、19.4%、5.8%、4.3%、8.5%，較T1處理分別提高56.3%、24.6%、6.9%、5.2%、9.5%。

圖3 不同處理不同生育時期單株干物質(zhì)積累變化Fig 3 Dry matter accumulation per plant at different stages under different treatments

2.2.2 花前花后干物質(zhì)積累 由圖4可知，控釋尿素顯著增加了花前單株干物質(zhì)的積累；對花后干物質(zhì)積累影響較小，但整體表現(xiàn)為控釋尿素處理干物質(zhì)積累量高于普通尿素處理。CK3、T1、T2和T3處理花前單株干物質(zhì)積累量較CK2處理分別顯著提高9.3%、4.2%、5.3%、11.4%，花后干物質(zhì)積累量較CK2處理分別提高7.5%、4.8%、5.5%、9.5%；控釋尿素處理的花前和花后干物質(zhì)積累量均較CK1處理顯著增加，增幅分別為7.4%～14.8%和10.3%～23.1%。

圖4 不同處理玉米花前和花后的單株干物質(zhì)積累量Fig.4 Dry matter accumulation per plant at pre-flowering and post-flowering under different treatments

2.3 氮肥處理對玉米不同生育階段耗水量的影響

2.3.1 不同生育階段耗水量變化 T2、T3處理玉米全生育期耗水量較CK1顯著增加10.4%、14.8%，較CK2顯著增加8.5%、12.7%，較CK3顯著增加9.7%、14.1%（表1）。玉米階段耗水量與階段降雨量密切相關(guān)，耗水高峰出現(xiàn)在拔節(jié)到抽雄期，其次為抽雄到灌漿期、苗期到拔節(jié)期和灌漿到收獲期，播種到苗期耗水量最小。其中，T3處理在苗期到拔節(jié)期、拔節(jié)期到抽雄期、灌漿期到收獲期的耗水量均顯著高于其他施氮處理，增幅分別為10.0%～47.6%、3.6%～11.9%、10.8%～60.9%。

表1 不同處理在各生育階段的耗水量Table 1 Water consumption at different stages under different treatments （mm）

2.3.2 花前花后耗水量變化 由圖5可知，施氮種類對玉米花前和花后耗水量有一定調(diào)控作用，且與階段降雨量密切相關(guān)。隨著控釋尿素比例的提高，玉米花前耗水量逐漸增加，其中，T2處理的花前耗水量較CK1、CK2和CK3分別顯著增加11.9%、11.7%、8.6%；T3處理的花前耗水量最高，為293.3mm，較CK1、CK2、CK3、T1處理分別顯著提高18.9%、18.7%、15.3%、9.7%。但花后耗水量在各施氮處理間無顯著差異。由此表明，施用較高比例的控釋尿素相當(dāng)于氮肥后移，能有效調(diào)控玉米耗水進程，增加花前耗水量。

圖5 不同處理花前花后的耗水量Fig.5 Water consumption in pre-flowering and post-flowering under different treatments

2.4 不同肥料配比對玉米產(chǎn)量性狀及水分利用效率的影響

施氮顯著增加玉米產(chǎn)量（表2），與CK1相比，增幅7.4%～39.7%；與CK2相比，T2、T3處理分別顯著增產(chǎn)13.5%和30.1%；與CK3相比，T3處理顯著增產(chǎn)21.9%。T3處理的產(chǎn)量最高，為16 230.0 kg·hm-2，較T1、T2處理顯著增加21.5%和14.6%。由此說明，控釋尿素與普通尿素配施較控釋尿素或普通尿素單施更能提高玉米產(chǎn)量，且隨著控釋尿素配施比例的提高增產(chǎn)效果更加顯著。

對各處理產(chǎn)量構(gòu)成進行分析，結(jié)果（表2）表明，T3處理的百粒重和穗粒數(shù)較其他施氮處理分別增加3.9%～12.0%和2.0%～6.0%，較CK1顯著增加17.3%和9.3%。各處理的水分利用效率與產(chǎn)量變化趨勢基本一致，同樣以T3處理最高，較其他施氮處理顯著提高6.8%～15.4%，較CK1顯著提高21.7%。由此表明，控釋尿素與普通尿素配施有利于氮素的均衡分配，為玉米各發(fā)育階段提供充足的氮素養(yǎng)分，為籽粒形態(tài)建成奠定基礎(chǔ)。

表2 不同處理產(chǎn)量性狀及水分利用效率Table 2 Yield characteristic and water use efficiency under different treatments

2.5 不同肥料配比對玉米氮肥利用率的影響

控釋尿素與普通尿素配施顯著提高了玉米氮肥利用率（圖6）。其中，T1、T2、T3處理的氮肥利用率較CK2顯著增加7.2～12.7個百分點，T2和T3處理較CK3顯著提高4.8和9.1個百分點。T3處理的氮肥利用率最高，為38.8%，較CK2、CK3、T1、T2處理分別提高了12.7、9.1、5.5、4.3個百分點。由此說明，控釋尿素與普通尿素配施有利于提高氮肥利用效率，且隨控釋尿素配施比例的提高效果更加顯著。

圖6 不同處理氮肥利用效率Fig.6 Nitrogen use efficiency under different treatments

3 討論

3.1 控釋尿素通過控制氮素養(yǎng)分釋放速率顯著影響玉米產(chǎn)量

氮素作為農(nóng)作物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素，氮素虧缺會導(dǎo)致植株生長速率變慢、植株變?nèi)酢⑷~片小而黃，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量[15]；而過量施氮會導(dǎo)致營養(yǎng)器官氮素代謝過旺，運往籽粒的氮素減少，即營養(yǎng)器官氮素再分配率和對籽粒氮貢獻率降低，不利于經(jīng)濟產(chǎn)量的形成[16]。因此，氮肥的合理運籌是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)和超高產(chǎn)的重要措施?？蒯尩首鳛橐环N新型肥料具有延緩氮素釋放速率、減少氮素?fù)p失等特點而受到廣泛關(guān)注[17]。研究表明，控釋氮肥與普通氮肥配施可保證氮肥的持續(xù)供應(yīng)，有利于協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的關(guān)系，增加百粒重和穗粒數(shù)[18-20]，提高產(chǎn)量[21-22]；一次性基施等氮量控釋尿素的玉米產(chǎn)量顯著高于普通尿素，且穗粒數(shù)顯著增加[23-24]。本研究結(jié)果顯示，施用控釋尿素較普通尿素增產(chǎn)6.7%，再次佐證了本課題組的定位試驗結(jié)果[11]。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，控釋尿素與普通尿素配施更有利于玉米增產(chǎn)，且增產(chǎn)率隨控釋尿素比例的提高而增加，即控釋尿素和普通尿素按7∶3的比例配施效果最好，較單施控釋尿素、普通尿素和無肥處理分別增產(chǎn)21.9%、30.1%和39.7%，與解文艷等[25]的研究結(jié)果一致；分析各產(chǎn)量構(gòu)成因素表明，T3處理的穗粒數(shù)和百粒重分別較其他施氮處理增加2.0%～6.0%和3.9%～12.0%，較CK1顯著增加9.3%和17.3%。玉米抽雄期至灌漿期追施氮肥可使玉米干物質(zhì)積累量提高24.5%～33.9%[26]。本研究表明，施用控釋尿素能夠提高玉米整個生育期單株干物質(zhì)積累量和葉片SPAD值，顯著增加花前單株干物質(zhì)積累量，且均隨著控釋尿素比例的提高而增加，以70%控釋尿素+30%普通尿素（T3）配施效果最好。可能是由于普通尿素一次性基施使玉米前期氮素累積過多，對后期氮素吸收及轉(zhuǎn)運有一定抑制作用，而控釋尿素通過延緩氮素釋放時間從而延遲玉米植株氮素積累速率最大值的出現(xiàn)時間[27]，保證玉米生育后期土壤有效氮的充足供應(yīng)，提高了葉片SPAD值，既使得玉米葉片有較長的持綠期，又保證了植株全生育期的干物質(zhì)積累量，改善了穗粒數(shù)、百粒重等穗部性狀，從而實現(xiàn)高產(chǎn)。

3.2 控釋尿素通過改變玉米耗水進程實現(xiàn)高效用水

以肥調(diào)水是提高水分利用效率的重要農(nóng)藝措施。旱作條件下，科學(xué)施用氮肥有利于促進作物根系對深層土壤水分的利用，發(fā)揮水氮耦合效應(yīng)[28]。研究表明，作物水分利用效率因施氮方式而變化[29]，氮肥后移有利于提高作物水分利用效率[26,29]，從而提出了“以肥調(diào)水”的思路[30]。本研究表明，隨控釋氮肥摻混比例提高，玉米的水分利用效率逐漸提高，其中，以70%控釋尿素+30%普通尿素配施處理的水分利用效率最高，為36.7 kg·hm-2·mm-1，顯著高于其他施氮處理；該處理在全生育期的耗水量也較高，耗水高峰期出現(xiàn)在拔節(jié)到抽雄期，可能是由于控釋尿素和普通尿素配施協(xié)調(diào)了氮素養(yǎng)分在玉米全生育期的釋放，滿足了玉米整個生育期對氮素養(yǎng)分的需求，達到了“以肥調(diào)水”的效果，改善和均衡了各生育階段耗水量，進而使得產(chǎn)量顯著增加，最終提高水分利用效率。

3.3 控釋尿素通過控制氮素養(yǎng)分釋放時間來提高氮肥效率

氮肥的類型、配比、施用時期及其在土壤中的釋放特性決定著作物生育期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)強度，進而影響作物對氮素的吸收及土壤中氮素的累積及淋失[31]。氮肥利用率是表征氮肥利用效率的重要指標(biāo)[32]。姬景紅等[33]研究表明，普通尿素與控釋尿素以40%和60%的比例混施有利于提高氮素利用效率。于飛等[32]研究認(rèn)為，當(dāng)前我國玉米氮肥用量為180～240 kg·hm-2，氮肥利用率為31.0%，低于發(fā)達國家水平[34]。本研究顯示，控釋尿素與普通尿素配施顯著提高了氮肥利用率，其中，以70%控釋尿素+30%普通尿素配施效果最好，氮肥利用率為38.8%，高于目前我國氮肥利用率的平均水平，接近發(fā)達國家水平?，F(xiàn)階段，由于地域、生態(tài)類型、土壤類型及耕地質(zhì)量差異較大，且受控釋氮肥的初始釋放期及釋放率等因素影響，關(guān)于控釋尿素與普通尿素配施比例的研究結(jié)果差異較大[12,14,25]。因此，篩選出本區(qū)域適宜的控釋尿素與普通尿素配比，對當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)具有重要現(xiàn)實意義。