綜合農(nóng)藝措施實(shí)現(xiàn)東北玉米生產(chǎn)和環(huán)境效益及土壤肥力的同步提升

曹玉軍，姚凡云，呂艷杰，魏雯雯，劉小丹，劉志銘，徐文華，梁 杰，王立春,2，王永軍,2*

（1 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033；2 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 長春 130118）

東北平原是我國最重要的玉米產(chǎn)區(qū)，常年種植面積約1530萬hm2，總產(chǎn)量1.0億t，分別占全國玉米種植面積的37.3%和總產(chǎn)的40.2%[1]。近幾十年來，隨著品種更替和栽培技術(shù)發(fā)展，玉米產(chǎn)量得到了極大提高[2]。然而，通常情況下，東北農(nóng)戶玉米實(shí)際產(chǎn)量與高產(chǎn)記錄產(chǎn)量之間存在較大差距，實(shí)際產(chǎn)量僅為記錄產(chǎn)量的45%左右[3]。同時(shí)，施肥不當(dāng)?shù)绒r(nóng)藝措施導(dǎo)致玉米產(chǎn)量和肥料利用率低下[4]，且對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，如大量硝酸鹽淋溶、氧化亞氮排放和氨揮發(fā)等[5]，造成了嚴(yán)重的大氣和水污染。因此，在進(jìn)一步改善玉米產(chǎn)量的同時(shí)，提高肥料利用效率，避免環(huán)境污染是東北玉米種植業(yè)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。

目前生產(chǎn)上，東北地區(qū)大多數(shù)農(nóng)戶常常過量施用氮肥，施氮量遠(yuǎn)超過當(dāng)前玉米產(chǎn)量水平下對氮素的需求量[6]。此外，近一半的農(nóng)戶對氮肥采取播前一次性施用的方式，即便追肥的農(nóng)戶大部分也在拔節(jié)期前進(jìn)行[7]，而玉米生長前期對氮素的需求相對較低，只有約10%的氮素被有效利用，剩余的氮素則通過不同的途徑損失到環(huán)境中，導(dǎo)致玉米生育中后期對氮素需求較高時(shí)土壤氮素供應(yīng)不足，脫氮現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了植株生育后期對氮素的吸收，降低了玉米產(chǎn)量和氮肥利用率，同時(shí)給環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)[8]。因此，須優(yōu)化氮素管理以滿足作物的需求和減少氮素?fù)p失。提高種植密度，降低單株施氮量，是提高玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的有效途徑。玉米高產(chǎn)記錄通常在高密度下獲得，在東北地區(qū)，玉米種植密度在8.0～10.0萬株/hm2范圍內(nèi)時(shí)，可獲得大于15.0 t/hm2的籽粒產(chǎn)量[9]。然而，實(shí)際生產(chǎn)中農(nóng)戶種植密度要低得多，平均密度不足6萬株/hm2[7]，低密度導(dǎo)致光能等資源浪費(fèi)，限制玉米產(chǎn)量和資源效率進(jìn)一步提升。此外，東北地區(qū)玉米長期采用播前土壤淺層旋耕和連續(xù)小馬力農(nóng)機(jī)具作業(yè)，導(dǎo)致土壤形成“厚、實(shí)、硬”的犁底層，土壤容重變大[10]，犁底層和高的土壤容重阻礙了根系生長和分布，限制了其對深層土壤營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[11–12]，易導(dǎo)致植株早衰，使得產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率降低。因此，生產(chǎn)上需改進(jìn)耕作方式來消減土壤障礙對玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的不利影響。

前人從栽培方式、種植密度、肥料管理、土壤耕作等管理措施或這些措施耦合作用等方面，對玉米干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)、根系形態(tài)與分布、氮素吸收與利用、土壤無機(jī)氮積累與礦化等進(jìn)行了較多研究[13–17]，綜合不同技術(shù)措施的管理模式在提高玉米產(chǎn)量、氮素利用率等方面已取得較好的效果[18–19]。綜合農(nóng)藝措施對土壤–作物系統(tǒng)的影響是各項(xiàng)農(nóng)藝措施共同作用的結(jié)果，但已有的對土壤氮素供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求的匹配研究明顯不足，且玉米長期連作下土壤–作物系統(tǒng)氮素平衡的研究相對薄弱，這種基于系統(tǒng)化對比試驗(yàn)的缺乏顯然不利于作物生產(chǎn)系統(tǒng)綜合管理技術(shù)的改進(jìn)及推薦應(yīng)用。因此，本研究將種植密度、養(yǎng)分管理、耕作措施等技術(shù)進(jìn)行組合，分析綜合農(nóng)藝措施對春玉米氮素積累與分配、氮素利用率、土壤無機(jī)氮積累及氮素平衡的影響，以期為春玉米高效生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017—2019年，在吉林省農(nóng)安縣吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈拉海綜合實(shí)驗(yàn)站 (44°05′N, 125°51′E)進(jìn)行。試驗(yàn)地年平均氣溫4.7℃，≥10℃以上年活動(dòng)積溫平均為2800℃，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)平均為2581.1 h，年平均降水量約520 mm，降水主要集中在7—9月份，該區(qū)域?yàn)榈湫偷挠牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，生育期氣象條件(平均溫度、降雨量)如圖1所示。土壤類型為黑土，試驗(yàn)開始時(shí)0—20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)27.4 g/kg、全氮 1.7 g/kg、速效氮 110 mg/kg、速效磷 26.8 mg/kg、速效鉀 201 mg/kg，pH 7.2。

圖1 玉米生長季節(jié)氣象條件Fig. 1 Meteorological conditions in the 2017, 2018 and 2019 growing seasons

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為富民108，設(shè)置4種不同農(nóng)藝措施組合的栽培模式，分別為基礎(chǔ)地力模式(不施肥，CK)、農(nóng)戶模式(農(nóng)戶常規(guī)生產(chǎn)方式，F(xiàn)P)、高產(chǎn)高效模式(在FP基礎(chǔ)上優(yōu)化集成種植密度、耕作方式和肥料運(yùn)籌，HH)和超高產(chǎn)模式(結(jié)合不同地區(qū)高產(chǎn)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在HH基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化相關(guān)措施，實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量，SH)，不同栽培模式具體管理措施詳見表1。同時(shí)在FP、HH和SH 3種模式下分別設(shè)置不施氮肥的空白處理，用于不同模式氮素利用率及土壤氮素平衡的計(jì)算。2017、2018和2019年的播種日期分別為5月5日、5月5日和5月7日，收獲日分別為9月30日、10月2日和10月4日。試驗(yàn)所用氮、磷、鉀肥分別為普通尿素(含N 46%)、重過磷酸鈣 (含 P2O546%)和氯化鉀 (含 K2O 60%)，所用有機(jī)肥為腐熟的豬糞。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，不同處理試驗(yàn)區(qū)12行，行長25 m，行距0.65 m，肥料空白試驗(yàn)區(qū)6行，行長12 m，行距0.65 m，重復(fù)3次。

表1 栽培模式具體措施Table 1 Measurement and treatment details under different cultivation modes

1.3 測定項(xiàng)目

1.3.1 植株干物質(zhì)積累及全氮含量 于玉米三葉期(V3)、拔節(jié)期(V6)、大喇叭口期(V12)、開花期(R1)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)，每個(gè)處理選取有代表性的植株3株，V3、V6、V12期植株器官不進(jìn)行分解，R1期分解為葉片和莖鞘，R3和R6期分解為葉片、莖鞘(含苞葉、穗軸)和籽粒，分解后樣品于105℃烘箱內(nèi)殺青30 min，75℃烘至恒重后稱量。稱重后的樣品粉碎混勻，用濃H2SO4–H2O2濕灰化法進(jìn)行消煮，稀釋后用凱氏定氮儀(KjelFlexK-360,BüCHI)測定不同器官氮含量。

1.3.2 土壤無機(jī)氮含量 玉米收獲后，用土鉆采集土層深度100 cm的新鮮土壤樣品，其中每20 cm為一層，共5層。同時(shí)在玉米拔節(jié)期(V6)、大口期(V12)、開花期(R1)、灌漿期(R3)及成熟期(R6)采集0—40 cm土壤樣品，每20 cm為一層。每小區(qū)按“S”形隨機(jī)選取5點(diǎn)，將每小區(qū)相同土層土壤樣品混勻后，裝入塑封袋，放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存。土壤樣品過8 mm篩后，稱取5 g加入50 mL 1 mol/L KCl振蕩浸提，采用 Auto Analyzer 3 (AA3)型流動(dòng)注射分析儀 (SFA CFA FIA BRAN+LUEBBE III)測定各層土壤中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量。同時(shí)采用環(huán)刀法測定每層土壤容重，采用烘干法測定土壤含水量，根據(jù)各層土壤容重將礦質(zhì)氮含量換算成0—100 cm土體礦質(zhì)氮積累量。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 于玉米生理成熟期，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取3個(gè)10 m2地塊，將全部果穗進(jìn)行人工收獲，計(jì)數(shù)有效穗數(shù)，用均值法選取30穗，自然風(fēng)干后進(jìn)行室內(nèi)考種，測定穗粒重、穗粒數(shù)、百粒重及含水量，最終籽粒產(chǎn)量按14%標(biāo)準(zhǔn)含水量進(jìn)行折算。

1.4 參數(shù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

氮轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期各營養(yǎng)器官氮積累量–收獲期各營養(yǎng)器官氮積累量；

氮轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=氮轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期地上部氮積累量×100；

花后氮素積累量=成熟期植株氮素積累量–開花期植株氮積累量；

花前氮積累比例(%)=開花期氮積累量/成熟期氮積累量；

花后氮積累量對籽粒氮的貢獻(xiàn)率=花后氮素積累量/成熟期籽粒氮積累量；

氮素偏生產(chǎn)力(PFPN, kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量；

氮素農(nóng)學(xué)效率(AEN, kg/kg)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量–不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮素吸收效率(REN,%)=(施氮區(qū)植株氮積累量–不施氮區(qū)植株氮積累量)/施氮量×100；

氮素生理效率(PEN, kg/kg)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量–不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株氮積累量–不施氮區(qū)植株氮積累量)；

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/植株氮素總積累量；

土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?kg/hm2)=土層深度×土壤容重×土壤無機(jī)氮含量；

土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)=不施氮區(qū)作物氮積累量+不施氮區(qū)土壤無機(jī)氮?dú)埩袅卡C不施氮區(qū)土壤起始無機(jī)氮累積量；

土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤起始無機(jī)氮累積量+土壤氮素凈礦化量)–(作物吸氮量+土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?；

氮素盈余量(kg/hm2)=氮素表觀損失量+收獲后土壤無機(jī)氮?dú)埩袅俊?/p>

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行處理，采用SPSS 19.0軟件(SPSS Institute Inc.)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，檢驗(yàn)不同處理平均值間的差異。為了確定處理間效果，使用最小顯著性差異(LSD)進(jìn)行多重比較。采用Sigmaplot 14.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式的玉米產(chǎn)量

試驗(yàn)?zāi)攴莺筒煌耘嗄Ｊ綄τ衩鬃蚜．a(chǎn)量均有顯著影響，且兩因素互作效應(yīng)對玉米產(chǎn)量的影響也達(dá)到了顯著水平(圖2)。不同栽培模式玉米籽粒產(chǎn)量3年均表現(xiàn)為超高產(chǎn)模式(SH)最高，高產(chǎn)高效模式(HH)次之，基礎(chǔ)地力模式(CK)最低，SH比HH、FP、CK平均分別提高了8.76%、20.16%、106.91%。其中，2017年，SH比HH、FP、CK分別提高了8.20%、24.75%、72.91%；2018年，SH比HH、FP、CK分別提高了8.95%、14.88%、130.83%；2019年，SH比HH、FP、CK分別提高了8.28%、37.04%、122.84%。

圖2 不同栽培模式下玉米產(chǎn)量Fig. 2 Maize yield under different cultivation modes

2.2 不同栽培模式的氮素積累、分配與轉(zhuǎn)運(yùn)

2.2.1 氮素積累 如圖3所示，植株氮積累量不同年份不同生育期均表現(xiàn)為CK顯著低于其他栽培模式(P<0.05)，而FP、HH、SH植株氮素積累量在苗期(V3)至拔節(jié)期(V6)不同年份均無顯著差異(P>0.05)，大喇叭口期(V12)至成熟期(R6)氮素積累量均表現(xiàn)為SH顯著高于HH，HH顯著高于FP (P<0.05)，且隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)植株氮積累量處理間差異逐漸增大，SH與HH、HH與FP相比，3年增幅平均分別為8.38%、9.99% (大喇叭口期)、11.08%、10.72% (開花期)、12.82%、13.32% (灌漿期)、15.04%、17.96% (成熟期)。

圖3 不同栽培模式下玉米氮素積累動(dòng)態(tài)Fig. 3 Dynamics of nitrogen accumulation in maize under different cultivation modes

2.2.2 開花前后氮素積累量在氮素總積累量中的占比

對不同栽培模式玉米花前花后氮素積累量占整個(gè)生育期總氮積累量的比例進(jìn)一步分析(圖4)顯示，花前氮素積累量占比FP、CK要顯著高于SH和HH?；ê蟮胤e累量占氮素總積累量的比例平均分別為SH (36.21%)、HH (34.60%)、FP (29.75%)、CK(26.33%)?；ê蟮胤e累量占氮素總積累量的比例SH比HH、FP、CK分別提高4.38%、16.47%、19.42% (2017年)，7.86%、36.36%、51.90% (2018年)，1.37%、15.48%、32.47% (2019年)。

圖4 不同栽培模式玉米花前花后氮素積累量在氮素總積累量中的占比Fig. 4 Proportion of nitrogen accumulation before and after silking in total nitrogen accumulation under different cultivation modes

2.2.3 花前氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒氮的貢獻(xiàn)率 如表2所示，除花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率年份間差異顯著(P<0.05)外，其他指標(biāo)年份間均無顯著差異，不同栽培模式間各指標(biāo)均達(dá)顯著差異，而年份和不同栽培模式交互作用對籽粒氮積累量及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率的影響差異顯著，對其他指標(biāo)均無顯著影響。其中，籽粒氮積累量SH比HH、FP、CK平均分別提高了12.48%、39.33%、129.26%，營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量SH比HH、FP、CK平均分別提高4.44%、6.92%、29.99%，而營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率表現(xiàn)出與氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量相反的趨勢，SH比HH、FP、CK平均降低6.70%、9.17%、27.35%；氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率與氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率變化趨勢一致，其中SH比HH、FP、CK平均分別降低了3.14、13.01、24.88個(gè)百分點(diǎn)?？梢?，籽粒氮素積累量主要來自開花前營養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，但與FP相比，HH和SH花后氮素吸收對籽粒氮積累的貢獻(xiàn)更具優(yōu)勢。

表2 不同栽培模式玉米花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及對籽粒氮積累的貢獻(xiàn)率Table 2 Nitrogen remobilization in pre-silking vegetative organs and its contribution to grain nitrogen accumulation in maize under different cultivation modes

2.3 不同栽培模式的氮素利用率

表3顯示，栽培模式對不同氮素利用率指標(biāo)均有顯著或極顯著影響，且年份和栽培模式對氮素回收效率和氮素生理效率具有顯著的交互作用(P<0.05)。氮素偏生產(chǎn)力不同年份間均表現(xiàn)為HH>FP>SH，與FP和SH相比，HH增幅分別為33.39%和3.64%(2017 年)，39.09% 和 47.13% (2018 年)，41.61% 和45.28% (2019年)；氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素回收率不同年份間均表現(xiàn)為HH>SH>FP，其中氮素農(nóng)學(xué)效率HH比SH、FP平均分別提高21.21%、35.72%，而氮素回收率HH比SH、FP平均分別提高9.69%、63.56%；氮素生理效率2017和2019年表現(xiàn)為HH最高，F(xiàn)P最低，其中HH比FP、SH平均分別提高15.40%、4.23%，而2018年表現(xiàn)為HH最高，SH最低，HH比FP和SH分別提高5.11%和8.15%；氮素收獲指數(shù)除CK均顯著低于其他模式外，不同年份其他處理均無顯著差異。

表3 不同栽培模式玉米氮素利用率Table 3 Maize nitrogen use efficiency under different cultivation modes

2.4 不同栽培模式土壤無機(jī)氮 (銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量

由圖5可知，0—20 cm土層，不同栽培模式土壤無機(jī)氮含量均隨著生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸降低，不同年份變化趨勢基本一致；20—40 cm土層，不同栽培模式間土壤無機(jī)氮含量變化趨勢年份間有所不同，F(xiàn)P模式，2017年無機(jī)氮含量隨著生育期的推進(jìn)而降低，而2018和2019年無機(jī)氮含量表現(xiàn)為灌漿期達(dá)到最低后成熟期又有所升高的變化趨勢；HH、SH模式，無機(jī)氮含量2017年均表現(xiàn)為拔節(jié)期>開花期>灌漿期>大喇叭口期>成熟期，而2018和2019年表現(xiàn)為拔節(jié)期>開花期>大喇叭口期>成熟期>灌漿期。0—20 cm土層，拔節(jié)期到開花期土壤無機(jī)氮含量不同年份均表現(xiàn)為FP最高，與HH、SH相比，平均分別提高了36.93%、27.21% (拔節(jié)期)，29.19%、28.67% (大喇叭口期)，12.20%、4.43% (開花期)，而灌漿期到成熟期則表現(xiàn)為SH最高，與FP、HH相比，SH平均分別提高了14.12%、2.35% (灌漿期)，9.69%、5.36% (成熟期)；20—40 cm 土層，拔節(jié)期和大喇叭口期土壤無機(jī)氮含量同樣表現(xiàn)為FP最高，與HH、SH相比，F(xiàn)P平均分別提高了13.28%、7.34%(拔節(jié)期)，26.69%、8.96% (大喇叭口期)，而開花期到成熟期土壤無機(jī)氮含量表現(xiàn)為SH最高，與FP、HH相比，SH平均分別提高了10.85%、1.21% (開花期)，14.83%、6.93% (灌漿期)，19.01%、6.66% (成熟期)?？梢姡cFP相比，HH、SH模式生育后期0—20、20—40 cm土層土壤無機(jī)氮含量顯著提高。

圖5 不同栽培模式玉米生長季0—20、20—40 cm土層無機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化Fig. 5 Dynamics of soil inorganic nitrogen contents in 0?20 cm and 20?40 cm depth during maize growing seasons under different cultivation modes

2.5 不同栽培模式的氮素平衡

不同栽培模式玉米收獲期0—100 cm土壤氮素平衡研究結(jié)果表明，作物氮素?cái)y出量、無機(jī)氮?dú)埩袅俊⒌乇碛^損失量和氮素盈余量均受試驗(yàn)?zāi)攴菁安煌耘嗄Ｊ斤@著影響，且二者交互作用達(dá)顯著或極顯著水平(表4)。在氮素輸入項(xiàng)中，氮素總輸入量不同栽培模式均以施氮量為主，且隨施氮量的增加占比提高，F(xiàn)P、HH、SH的施氮量分別占氮素總輸入量的58.64%、54.88%、66.38% (2017)，50.20%、51.04%、58.90% (2018)，48.78%、50.44%、57.32%(2019)，但隨著試驗(yàn)?zāi)攴莸难娱L起始無機(jī)氮積累量在氮素總輸入量中的比例不斷提高，而氮素礦化量所占比例略有降低；在氮素輸出項(xiàng)中，主要以作物攜出氮素量為主，但氮素?cái)y出量在氮素總輸出量的比例并沒有隨施氮量的增加而提高，不同年份所占比例均表現(xiàn)為HH>SH>FP，隨著試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾訜o機(jī)氮?dú)埩袅吭诘剌敵隽恐兴急壤试黾于厔?。從氮素表觀損失分析，F(xiàn)P、HH、SH 3種模式不同年份間有所不同，2017和2019年表現(xiàn)為SH最高，2018年為FP最高，SH與FP間無顯著差異，而HH不同年份間均顯著低于FP和SH；從氮素盈余來看，F(xiàn)P、HH、SH 3種模式的氮素盈余量分別為施氮量的92.52%、66.04%、67.44% (2017年)，136.29%、92.88%、98.61% (2018年)，124.14%、85.04%、93.78% (2019年)。FP土壤氮素盈余量比HH、SH分別平均高23.36%、5.25%。可見，不同年份間氮素盈余量占施氮量的比例均以FP模式最多，表明FP模式的氮肥投入量超出了作物的最大需氮量。

表4 不同栽培模式下0—100 cm土層的氮素平衡Table 4 Nitrogen balance in 0?100 cm soil depth under different cultivation modes

2.6 不同栽培模式成本收益分析

如表5所示，由于產(chǎn)量的差異，玉米平均總產(chǎn)出同樣表現(xiàn)為SH>HH>FP，但SH由于肥料(化肥+有機(jī)肥)投入過多及土壤作業(yè)成本等的提高，導(dǎo)致其凈收益最低，而HH雖然同樣增加了土壤作業(yè)及肥料追施的成本，但HH田間肥料投入量大大減少，且始終保持較高的產(chǎn)量，從而使得其凈收益最高，凈收益HH比FP、SH分別提高了14.38%、18.30%。

3 討論

綜合農(nóng)藝措施是指一個(gè)綜合系統(tǒng)管理框架，主要包括種植密度、水肥管理、土壤耕作、播種和收獲日期等農(nóng)業(yè)管理措施，通過這些措施因子的交互耦合作用，使作物產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分利用率都得到了大幅度提高[20–21]。本研究在傳統(tǒng)農(nóng)戶栽培模式(FP)基礎(chǔ)上，通過提高種植密度，優(yōu)化養(yǎng)分管理，同時(shí)結(jié)合深松、深翻等土壤耕作措施，集成了高產(chǎn)高效(HH)和超高產(chǎn)(SH) 2種綜合栽培模式。研究表明，與FP相比，HH、SH產(chǎn)量平均分別提高了10.54%和20.16%，與HH相比，SH產(chǎn)量平均提高了 8.76% (圖 2)。

玉米植株氮素積累量隨產(chǎn)量增加而提高，同時(shí)生育后期氮素吸收比例隨產(chǎn)量增加也顯著提高，建議在中后期增加氮肥以滿足高產(chǎn)的需求[6]。高產(chǎn)模式不僅在全生育期對氮的需求量較高，而且在生殖生長期的需氮量更高[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，所有處理氮素積累量最大增長時(shí)期均發(fā)生在拔節(jié)期到大喇叭口期，在大喇叭口期不同栽培模式氮積累量與CK表現(xiàn)出明顯差距，且生殖生長階段(R1至R6)的氮素積累量占氮素總積累量的比例表現(xiàn)為SH>HH>FP>CK，即花后氮素積累對總氮積累的貢獻(xiàn)隨產(chǎn)量提高而提高(圖3)，表明植株花后氮素吸收受栽培措施的影響，高產(chǎn)栽培條件下植株的吸氮特性對維持生育期營養(yǎng)器官中氮素的分配比例、延緩營養(yǎng)器官早衰，促進(jìn)產(chǎn)量形成具有重要作用[23]。前人研究表明，氮素會(huì)從所有的營養(yǎng)器官中轉(zhuǎn)移，并在灌漿期開始運(yùn)往籽粒[24]。Chen等[25]認(rèn)為營養(yǎng)器官中氮的轉(zhuǎn)運(yùn)作為一個(gè)整體不受氮素施用量的影響，然而也有研究表明，低氮脅迫提高了各營養(yǎng)器官同化物質(zhì)的再轉(zhuǎn)運(yùn)，增加了氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[26]。本研究顯示，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率隨產(chǎn)量增加而降低，即CK>FP>HH>SH (表2)，這可能與不同栽培模式的氮素運(yùn)籌有關(guān)。本研究條件下，F(xiàn)P模式采用氮肥播前一次性施入的方式，這可能導(dǎo)致玉米生育后期氮素缺乏，而為了滿足氮素對籽粒的供應(yīng)，大量氮素從葉片、莖稈等營養(yǎng)體轉(zhuǎn)移到籽粒中，導(dǎo)致與高產(chǎn)水平相比，低產(chǎn)水平有更高的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率。氮素缺乏是引發(fā)衰老的外部因素之一，如果生殖生長過程中不能保持對氮的吸收，而營養(yǎng)體中氮素又轉(zhuǎn)運(yùn)過多，就會(huì)導(dǎo)致葉片早衰和光合活性降低[27]。葉片光合活性下降導(dǎo)致運(yùn)輸?shù)礁抵型餃p少，負(fù)反饋導(dǎo)致根系活力下降，不利于根系對氮素的吸收[28]。本研究中，籽粒中積累的氮素來自花后根系吸收氮的比例隨產(chǎn)量增加而提高，SH、HH、FP、CK花后氮吸收對籽粒氮積累的貢獻(xiàn)率分別為48.43%、44.78%、40.40%和35.39% (表2)。可見，隨產(chǎn)量水平提高，有更高比例的籽粒氮素來自于開花后根系吸收，而非營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，通過優(yōu)化養(yǎng)分管理和土壤耕作等農(nóng)藝措施可減少氮素轉(zhuǎn)運(yùn)，延緩葉片衰老、維持光合性能，為籽粒生長和根系提供充足的光合產(chǎn)物，對獲得高產(chǎn)具有重要作用[29]。

鑒于氮肥增產(chǎn)的有效性，近年來東北地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣在播種前施用大量氮肥以追求作物高產(chǎn)，以至于形成了一種肥料施用越多產(chǎn)量就越高的錯(cuò)誤理念[30]。但前人研究發(fā)現(xiàn)，作物獲得最高產(chǎn)量和最佳經(jīng)濟(jì)效益施肥量處理，其肥料利用效率通常不是最高的，增施氮肥在提高產(chǎn)量的同時(shí)降低了氮素效率[31]。密植、優(yōu)化施肥技術(shù)等措施在玉米增產(chǎn)或增效中發(fā)揮了重要作用。增密通常需與增氮相結(jié)合，而氮素施用量過高或不合理導(dǎo)致產(chǎn)量增加不明顯甚至減產(chǎn)，氮素利用率顯著降低[32]。此外，密植條件下根系生長可能會(huì)受到抑制，玉米倒伏率提高[33–34]，而深翻、深松及有機(jī)肥培肥等改土措施有效加深了耕層厚度，形成良好耕層結(jié)構(gòu)，利于根系下扎，促進(jìn)了根系對養(yǎng)分的吸收，增強(qiáng)玉米抗倒伏能力[11]。諸多研究證實(shí)，施入土壤中的氮肥經(jīng)常因種植方式、氮肥運(yùn)籌及土壤耕作等技術(shù)措施的不同，致使肥料氮在作物氮素吸收、土壤氮?dú)埩艉偷負(fù)p失3個(gè)去向上的分配比例存在著明顯差異[35]。一般認(rèn)為，氮肥分次施用利用率要顯著高于氮肥一次性施入。此外，采用緩控釋肥、需肥敏感期施肥可顯著提高氮素利用效率[36–37]。本研究發(fā)現(xiàn)，與氮肥播前“一炮轟”的農(nóng)戶習(xí)慣栽培模式相比，HH 模式在FP基礎(chǔ)上適當(dāng)增加種植密度、優(yōu)化施肥時(shí)期和降低施肥量，同時(shí)結(jié)合深翻等耕作措施使得玉米產(chǎn)量、氮素積累量和氮素利用率等指標(biāo)均顯著提高(圖2、表3)，而土壤氮素殘留量和氮素?fù)p失量顯著降低(表4)。與HH相比，SH在HH模式基礎(chǔ)上繼續(xù)提高種植密度、加大肥料投入量，有效提高了玉米花后氮素積累量和籽粒產(chǎn)量，但SH模式氮肥利用效率顯著降低，而土壤氮素殘留量與表觀損失量卻顯著增加，且由于肥料等成本投入高，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益顯著降低(表3、表4、表5)。通過產(chǎn)量、肥料施用量和氮素生產(chǎn)效率三者之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)和氮高效的矛盾關(guān)系導(dǎo)致二者很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)，高產(chǎn)通常意味著效率不高，高效又意味著產(chǎn)量不高，只有相對高產(chǎn)和氮高效是可行的。所以，一定范圍內(nèi)隨施氮量增加，植株氮素積累量逐漸增加，但氮素過量時(shí)，植株氮素積累量相對于產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)奢侈吸收現(xiàn)象[38]，氮素吸收過多對產(chǎn)量的提高來說是無效的，如何將無效氮素轉(zhuǎn)化為有效氮，是未來研究工作的重點(diǎn)。同時(shí)，要減少氮損失，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和氮效率進(jìn)一步提高，需繼續(xù)優(yōu)化種植密度與氮肥運(yùn)籌等栽培措施，而高產(chǎn)高效的生理生化機(jī)制也需進(jìn)一步探究。

表5 不同栽培模式玉米經(jīng)濟(jì)效益(元/hm2)Table 5 Economic benefits of maize under different cultivating modes (yuan/hm2)

4 結(jié)論

高產(chǎn)高效模式顯著提高了氮素利用率，降低了土壤氮?dú)埩袈屎偷獡p失量，而超高產(chǎn)模式雖然產(chǎn)量進(jìn)一步顯著增加，但降低了氮效率、提高了土壤氮素殘留與表觀損失量。綜合考慮產(chǎn)量、氮素利用率、經(jīng)濟(jì)效益及潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，將玉米種植密度由6.0萬株/hm2提至7.5萬株/hm2，氮肥播前一次性基施改為減量分次施用，配套秋季深翻、夏季深松的高產(chǎn)高效模式，可以實(shí)現(xiàn)春玉米產(chǎn)量和氮效率的同步提高。