氮肥減施下添加硝化抑制劑對夏玉米氮素累積轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量的影響

張盼盼， 李川， 張美微， 趙霞， 牛軍， 喬江方

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，鄭州 450002）

河南省是我國主要的夏玉米生產(chǎn)區(qū)，2019年的種植面積為380.3萬hm2，產(chǎn)量達(dá)2 247.4萬t，分別占全國范圍的9.2%和8.4%[1]。增施氮肥是提高玉米單產(chǎn)的有效方法之一，為了追求高產(chǎn)，農(nóng)民大量施用氮肥[2-4]。氮肥施用量過大，氮肥當(dāng)季利用率下降，增產(chǎn)效應(yīng)下降，土壤氮素含量增加，地下水和大氣污染以及水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)加大[5-7]。因此，減量施氮和提質(zhì)增效是河南省玉米生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

土壤硝態(tài)氮（NO-3-N）是植物利用氮素的主要形態(tài)。尿素施入石灰性土壤后會迅速轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮（NH+4-N），繼而轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[8-9]。長期大量施用氮肥，會造成土壤硝態(tài)氮的累積，且土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加。硝態(tài)氮不易被土壤膠體所吸附，除少部分被作物吸收利用外，大部分硝態(tài)氮隨灌溉及雨水淋洗，或通過硝化-反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮氧化合物排放到大氣中[10]。硝化抑制劑可抑制土壤亞硝化和硝化作用，減緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，降低淋溶損失，提高氮素利用效率[11-12]。應(yīng)用較為廣泛的硝化抑制劑包括3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（3,4-dimethylpyrazole phosphate，DMPP）、雙氰胺（dicyandiamide，DCD）和2-氯-6-三氯甲基吡啶（2-chloro-6-trichloromethy pyridine，CP）等。研究發(fā)現(xiàn)，在黑土地上，與施用普通氯化銨相比，添加硝化抑制劑DMPP、DCD和CP均能顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥吸收利用率[13]。在常規(guī)施肥量的基礎(chǔ)上，配施硝化抑制劑后可提高作物產(chǎn)量及其地上部吸氮量，同時(shí)降低40—100 cm土層的無機(jī)氮含量，減少氮素?fù)p失[14]。在我國小麥-玉米體系的田間試驗(yàn)中，施用氮肥的過程中配施硝化抑制劑可顯著減少57%的N2O排放和45%的硝態(tài)氮淋洗，但增加了19%的NH3排放[15]。在華北4個(gè)春玉米生長季內(nèi)，添加硝化抑制劑使N2O的排放平均減少33.39%，還可促進(jìn)玉米增產(chǎn)6.35%[16]。因此，大田條件下合理施用硝化抑制劑既可保障作物產(chǎn)量，又能提高氮素利用效率，減少氮素?fù)p失。

目前，關(guān)于氮肥減施下添加硝化抑制劑的研究大多集中于對玉米籽粒產(chǎn)量、氮素含量和氮肥利用率的影響，而對減施氮肥同時(shí)配施硝化抑制劑下夏玉米氮素花后轉(zhuǎn)運(yùn)的研究較少。為此，本研究以‘鄭單958’為研究對象，設(shè)置不同氮肥減施水平并添加硝化抑制劑2-氯-6-三氯甲基吡啶，研究不同處理下玉米成熟期的干物質(zhì)量和氮素累積分配規(guī)律，分析植株中氮素花后轉(zhuǎn)運(yùn)及氮素利用特征，為優(yōu)化夏玉米氮肥減施和硝化抑制劑施用技術(shù)及玉米高產(chǎn)高效提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

大田試驗(yàn)分別于2019年6月12日至10月2日在河南省原陽縣河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范基地（35°0′17″N，113°42′4″E，）和2020年6月4日至9月25日在周口市西華縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)基地（33°45′44″N，114°26′49″E，）進(jìn)行。玉米播種前，依據(jù)五點(diǎn)取樣法取0—30 cm的土壤基礎(chǔ)樣品，充分混合后測定其基本化學(xué)性質(zhì)。其中，原陽點(diǎn)土壤全氮0.42 g·kg-1，堿解氮55.3 mg·kg-1，速效磷69.6 mg·kg-1，速效鉀175.2 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)24.0 g·kg-1，pH 8.40；西華點(diǎn)土壤全氮1.03 g·kg-1，堿解氮64.89 mg·kg-1，速效磷7.94 mg·kg-1，速效鉀98.05 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)13.0 g·kg-1，pH 8.42。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以玉米品種‘鄭單958’為試驗(yàn)材料，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)7個(gè)氮肥處理，分別為正常施氮量（T1）、氮肥減施10%+硝化抑制劑（T2）、氮肥減施10%（T3）、氮肥減施20%+硝化抑制劑（T4）、氮肥減施20%（T5）、氮肥減施30%+硝化抑制劑（T6）和氮肥減施30%（T7）。每處理3次重復(fù)，每重復(fù)均為8行區(qū)，行長5 m，行距0.6 m，種植密度75 000株·hm-2。其中，正常施氮量處理為施氮225 kg N·hm-2；T2～T7處理的氮肥施用量分別為202.5（減氮10%）、180.0（減氮20%）和157.5 kg N·hm-2（減氮30%）。硝化抑制劑的主要成分為2-氯-6-三氯甲基吡啶，施用量均為22.5 kg·hm-2。所有處理的磷（P2O5）、鉀（K2O）肥施用量均為100 kg·hm-2。氮、磷、鉀肥分別為尿素（46%）、過磷酸鈣（12%）、硫酸鉀（52%），其中尿素按照1∶1的比例于播種前和大喇叭口期分2次施用；過磷酸鈣和硫酸鉀均為基施。硝化抑制劑在尿素基施時(shí)與之充分混勻后共同施入。玉米生育期內(nèi)的田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理保持一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)量 在玉米吐絲期和成熟期，選取連續(xù)5株長勢一致、有代表性的植株，取地上部樣品，其中吐絲期將植株分為莖、葉、鞘3部分；成熟期將其分成莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒共6部分，分別測定各部分鮮重，烘干后稱取干重。

1.3.2 氮素含量 將植株各部分稱取干重后的干物質(zhì)進(jìn)行粉碎，裝袋后采用凱氏定氮法測定氮含量[14]。

1.3.3 產(chǎn)量 于玉米成熟期，選取小區(qū)中間2行玉米進(jìn)行全部收獲，曬干脫粒后，測定含水量和籽粒質(zhì)量，并折合含水率（14%）計(jì)算產(chǎn)量。

1.3.4 計(jì)算公式 按照以下公式計(jì)算各器官氮素累積量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率、氮肥偏生產(chǎn)力和每生產(chǎn)100 kg籽粒需吸收的純氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，采用LSD法和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米植株成熟期各器官干物質(zhì)量的影響

不同處理對成熟期各器官干物質(zhì)累積量的影響如表1所示。2019年，T2處理的莖干物質(zhì)量為7.82 t·hm-2，顯著高于其他處理；T1處理的葉干物質(zhì)量為3.73 t·hm-2，顯著高于T3、T4和T7處理；T4處理的籽粒干物質(zhì)積累量最高，為11.59 t·hm-2，顯著高于除T1和T2處理外的其他處理；T2和T4處理的植株總干物質(zhì)量較高，分別為26.59和25.26 t·hm-2，顯著高于除T1外的其他處理，T7處理的植株總干物質(zhì)量最低，僅18.96 t·hm-2。2000年，T4處理的莖干物質(zhì)量最高，為5.39 t·hm-2，顯著高于除T1處理外的其他處理；T1處理的葉干物質(zhì)量較T7處理顯著增加32.9%；T1和T4處理的鞘和穗軸干物質(zhì)量均顯著高于T7處理，二者的籽粒和總干物質(zhì)量也顯著高于T6和T7處理，其中平均較T7提高25.3%。綜上所述，植株不同器官的干物質(zhì)量差異較大，其中籽粒的干物質(zhì)量占比較大，這表明在提高植株干物質(zhì)量的同時(shí)，有利于提高籽粒產(chǎn)量。

表1 不同處理下玉米成熟期植株各器官的干物質(zhì)累積量Table 1 Dry matter accumulation of maize organs in the maturity stage under different treatments（t·hm-2）

2.2 不同處理對玉米植株成熟期各器官氮素累積量的影響

表2顯示了不同處理對玉米成熟期植株各器官氮素累積量的影響。2019年，莖部氮素累積量以T4處理最高，為44.24 kg·hm-2，顯著高于其他處理，T6處理較T7處理顯著增加45.0%；而T2、T3和T5處理間的籽粒氮素累積量差異不顯著，平均為125.09 kg·hm-2，顯著高于T6和T7處理；植株的氮素總累積量在T2、T3和T4處理下平均為216.25 kg·hm-2，較T7處理提高13.3%。2020年，T2處理的莖中氮素累積量最高，為53.92 kg·hm-2，顯著高于其他處理；葉中氮素累積量以T2和T1處理最高，平均為46.64 kg·hm-2，顯著高于T6和T7處理；鞘中氮素累積量以T2處理最高，顯著高于除T1處理外的其他處理；籽粒中氮素累積量以T7處理最低，僅為114.5 kg·hm-2，顯著低于除T2處理外的其他處理。綜上所述，籽粒中的氮素累積量在植株中占有較大優(yōu)勢，表明植株吸收土壤中的氮素后，將其較大部分累積到籽粒中。

2.3 不同處理對植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征的影響

吐絲期不同處理對玉米植株氮素累積量的影響如表3所示，2019年植株氮素累積量以T4處理最高，為136.49 kg·hm-2，顯著高于除T2和T3處理外的其他處理；在2020年植株氮素累積量以T6和T7處理最低，平均為113.18 kg·hm-2，較T2和T1處理分別降低26.4%和22.5%。從表3中還可以看出，2019年，T1和T5處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，其中花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于除T4處理外的其他處理，T1處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒氮素貢獻(xiàn)率最高，為35.30%，顯著高于T3、T7和T6處理；2020年，玉米植株花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對籽粒氮素貢獻(xiàn)率均以T4處理最高，分別為47.14 kg·hm-2和34.80%，T4處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最高，顯著高于除T3處理外的其他處理，且T4處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒氮素貢獻(xiàn)率也最高，顯著高于除T3和T1處理外的其他處理，T4和T6處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率較高，平均為33.58%，較T2和T1處理平均提高37.2%。

表3 不同處理下玉米植株?duì)I養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征Table 3 Characteristics of nitrogen transportation in organ vegetation of maize plant under different treatments

2.4 不同處理對籽粒產(chǎn)量的影響

不同處理下玉米籽粒產(chǎn)量如圖1所示。2019年，T4處理的籽粒產(chǎn)量最高，為11.59 t·hm-2，較T6、T7、T5和T3處理平均顯著提高20.0%。；T1和T2處理次之，平均產(chǎn)量為10.87 t·hm-2，且與T4處理差異不顯著。2020年，T1和T4處理的籽粒產(chǎn)量最高，且兩處理間差異不顯著，平均為11.86 t·hm-2，較T6和T7處理平均顯著提高7.8%。

圖1 不同處理下玉米的籽粒產(chǎn)量Fig.1 Grain yield of maize under different treatments

2.5 不同處理對氮肥利用特征的影響

不同處理的氮肥偏生產(chǎn)力存在差異（圖2）。2019年，T4、T6和T7處理間的氮肥偏生產(chǎn)力無顯著差異，平均為60.96 kg·kg-1，較T1處理顯著增加29.3%。2020年，各處理的氮肥偏生產(chǎn)力平均為62.24 kg·kg-1，其中T6和T7處理最高，平均為69.84 kg·kg-1，顯著高于除T4和T5處理外的其他處理。2019年，T4處理下每生產(chǎn)100 kg籽粒需吸收的純氮量為1.89 kg，較T6處理顯著降低10.6%；其他處理間無顯著差異。2020年，T2處理下每生產(chǎn)100 kg籽粒需吸收的純氮量最高，為2.07 kg，顯著高于T5、T6和T7處理（圖3）。

圖2 不同處理下氮肥的偏生產(chǎn)力Fig.2 Partial factor productivity of N fertilizer under different treatments

圖3 不同處理下每生產(chǎn)100 kg籽粒吸收的純氮量Fig.3 Amount of pure N absorbed per 100 kg grain under different treatments

3 討論

過量施氮是玉米生產(chǎn)中存在的主要問題，配施氮肥增效劑是減氮條件下保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)措施。蒲瑋等[17]發(fā)現(xiàn)，在氮肥減施20%條件下添加硝化抑制劑DCD，能夠增強(qiáng)土壤速效氮的供應(yīng)能力，促進(jìn)玉米干物質(zhì)累積，使玉米生產(chǎn)減氮不減產(chǎn)。在棕壤中采用氮肥配施硝化抑制劑使玉米籽粒產(chǎn)量提高15.67%～16.28%，氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別提高4.59%～5.02%和4.08%～4.52%，植株對氮素的吸收累積量也顯著提高[18]。與單施硫酸銨肥相比，配施CP和DMPP顯著增加了玉米葉片的葉綠素含量及總生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[19]。王丹陽等[20]研究表明，與單施尿素相比，配施氮肥增效劑后玉米植株的吸氮量和籽粒粗蛋白含量明顯提高。本研究也發(fā)現(xiàn)，與正常施氮量處理相比，氮肥減施20%的基礎(chǔ)上配施CP，玉米產(chǎn)量無顯著變化；且隨施氮量的增加，植株的干物質(zhì)量和氮素累積量有增加趨勢；在同一施氮水平下，添加CP后，植株的干物質(zhì)量和氮素累積量也有增加趨勢。因此，合理施用氮肥同時(shí)配施硝化抑制劑，有利于提高作物的氮素吸收量，保障作物產(chǎn)量，這對于在玉米生產(chǎn)中的減氮、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和節(jié)本增效有重要意義。

在植物營養(yǎng)生長階段，各營養(yǎng)器官是氮素的存儲器；進(jìn)入生殖生長期后，營養(yǎng)器官開始衰老，其存儲的氮素成為籽粒氮素的主要來源。玉米籽粒中的氮素有45%～65%來自花前營養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，玉米氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)特性受種植密度、土壤水分和施氮水平等條件的影響[21-22]。程乙等[23]發(fā)現(xiàn)，與低氮處理相比，高氮處理下玉米植株的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著增加，但對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率明顯下降。陳曉輝等[24]在四川盆地進(jìn)行田間試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，玉米花后營養(yǎng)器官向籽粒的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率呈先增加后降低的變化趨勢，在施氮量為195 kg·hm-2時(shí)最大。遼寧鐵嶺春玉米的田間試驗(yàn)表明，在施氮量為262.5 kg·hm-2時(shí)，玉米花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率最高，花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒氮素貢獻(xiàn)率達(dá)45.2%[25]。本研究顯示，植株花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量平均為41.57 kg·hm-2，轉(zhuǎn)運(yùn)率為31.87%，對籽粒氮素貢獻(xiàn)率為49.38%；隨著施氮量的增加均呈現(xiàn)先增后降趨勢；同一施氮水平下，添加硝化抑制劑后各指標(biāo)也有增加趨勢，其中以氮肥減施20%的同時(shí)添加CP處理最高；但不同年份間存在差異，這與前人研究結(jié)果基本一致[26]。由此表明，氮肥過量投入會促使氮素滯留在營養(yǎng)器官中，阻礙其花后向籽粒中轉(zhuǎn)移，在本研究條件下，氮肥減施20%同時(shí)添加硝化抑制劑處理的花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，且對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率相對較大，提高了植株的氮素利用效率。

本研究的2年試驗(yàn)中，氮肥偏生產(chǎn)力平均為58.94 kg·kg-1，高于孫旭東等[27]、周培祿等[28]和葛均筑等[29]的研究結(jié)果。這可能與本研究在高產(chǎn)田實(shí)施進(jìn)而獲得較高的產(chǎn)量有關(guān)。董強(qiáng)等[30]發(fā)現(xiàn)，氮肥減施后玉米的氮肥偏生產(chǎn)力顯著增加，繼續(xù)添加硝化抑制劑后變化不明顯；郝小雨等[31]研究表明，氮肥減施20%后玉米的籽粒產(chǎn)量和氮素吸收無明顯下降，氮肥偏生產(chǎn)力提高18.4%～22.3%，在此基礎(chǔ)上添加DCD和CP后，氮肥偏生產(chǎn)力無顯著變化，與本研究結(jié)果一致。而吳雪娜等[32]在對甜玉米的產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在氮肥配施CP后，氮肥的偏生產(chǎn)力顯著提高；林海濤等[33]也發(fā)現(xiàn)氮肥與新型增效劑配施，能夠提高氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率；吳得峰[34]發(fā)現(xiàn)氮肥施用時(shí)添加DCD使氮肥偏生產(chǎn)力提高27.8%。氮肥偏生產(chǎn)力對施用氮肥時(shí)添加硝化抑制劑處理的響應(yīng)不同，可能與試驗(yàn)所處的光溫和降水等氣候條件以及土壤地力和質(zhì)地等土壤條件有關(guān)。