一次性施氮對夏玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分積累動態(tài)及光溫生理特性的影響

摘要：為探究包膜尿素與普通尿素1∶1配施下氮肥用量對豫北夏玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分積累動態(tài)及光溫生理特性的影響，本研究于2021—2022年在河南省溫縣進(jìn)行田間試驗，研究了包膜尿素與普通尿素1∶1配施下0（N0）、70（N70）、140（N140）、210 kg·hm-2（N210）和280 kg·hm-2（N280）5個處理對夏玉米葉片SPAD值、冠層光合有效輻射分量（FPAR）、冠層溫度、酶活性、氮素吸收利用的影響。結(jié)果表明：兩年施氮分別顯著提高夏玉米產(chǎn)量8.1%～16.1%和24.3%～32.2%，N140、N210處理產(chǎn)量較高，均與N280處理無顯著差異，經(jīng)濟(jì)最佳施氮量分別為190 kg·hm-2和164 kg·hm-2；N140、N210處理氮素吸收總量和最大積累速率分別較N0處理提高17.1%、21.1%和26.3%、33.3%，最大積累速率出現(xiàn)時間可提前3～6 d；N140、N210處理可有效提高夏玉米葉片SPAD值和冠層FPAR值，降低冠層溫度，提升谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性。綜上，一次性施氮140、210 kg·hm-2可促進(jìn)夏玉米生長發(fā)育和氮素吸收，增強(qiáng)各生育時期光溫生理特性和酶活性，顯著提高夏玉米產(chǎn)量；結(jié)合經(jīng)濟(jì)最佳施氮量和“減投不減產(chǎn)”策略，包膜尿素與普通尿素1∶1配施下一次性施氮164～190 kg·hm-2是豫北夏玉米適宜的氮肥管理策略。

關(guān)鍵詞：夏玉米；產(chǎn)量；一次性施氮；光溫生理特性；氮素吸收利用

中圖分類號：S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-6819（2025）02-0360-09 doi： 10.13254/j.jare.2024.0007

玉米是我國第一大糧食作物，其種植面積大、產(chǎn)量高且用途廣范[1]。夏玉米需肥量大、生育周期短且耐肥性極強(qiáng)，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵在于養(yǎng)分充足供應(yīng)。然而，過量施肥在增加生產(chǎn)成本和土壤承載力的同時，通過淋洗和揮發(fā)等途徑損失，大大降低肥料利用效率，甚至導(dǎo)致減產(chǎn)[2]。近年來大量研究顯示，基于緩控釋肥料可實現(xiàn)玉米[3]、小麥[4]、水稻[5]等作物一次性施肥。不同于基施普通尿素不再追肥的“一炮轟”施肥方式，一次性施用氮肥則是通過配施緩控釋肥料，后期不再追肥，達(dá)到同等的養(yǎng)分供給和經(jīng)濟(jì)效益，在節(jié)本省工的同時提高作物產(chǎn)投比和肥料利用率。因此，一次性施肥中探索玉米增產(chǎn)提效的簡化施肥方式尤為重要[6]。

氮素是夏玉米產(chǎn)量最重要的限制因子，調(diào)控諸多生理代謝過程，對其生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有重要作用。目前，生產(chǎn)實踐中過量施氮現(xiàn)象仍較普遍，造成植株苗期旺長，后期抗病性差、易倒伏等，繼而減產(chǎn)降質(zhì)[7]。一次性施肥基礎(chǔ)上合理施氮有利于玉米生育后期氮素均衡供應(yīng)，且對減少成本提高產(chǎn)量有重要作用。李波等[8]研究指出，一次性施氮基礎(chǔ)上減氮10%可有效提高玉米穗粒數(shù)和籽粒蛋白質(zhì)含量以實現(xiàn)產(chǎn)量增收5%。郭家萌等[9]對黃淮海潮土區(qū)夏玉米一次性施氮研究表明，施氮量為180 kg·hm-2可促進(jìn)花后干物質(zhì)和氮素累積，實現(xiàn)小幅增產(chǎn)。邵云等[10]研究指出，施氮條件下玉米光合有效輻射量與產(chǎn)量之間呈顯著正相關(guān)。王國宇等[11]研究發(fā)現(xiàn)冠層溫度與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，且灌漿后期冠層溫度小幅上升會造成玉米減產(chǎn)。谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（GS）是夏玉米氮素同化關(guān)鍵酶，能直接反映夏玉米氮素營養(yǎng)水平[12]。郭萍等[13]的研究表明，控釋摻混肥可提高玉米葉片氮代謝酶活性，促使玉米生育后期氮代謝高效運轉(zhuǎn)，從而提高產(chǎn)量。目前，因不同土壤質(zhì)地、肥料類型和氣候等因素，有關(guān)夏玉米一次性施氮效應(yīng)研究相對較多但結(jié)論不盡一致。一次性施氮下夏玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收積累動態(tài)、葉片酶活性、光溫生理特性以及肥料利用率等內(nèi)容仍需進(jìn)一步研究?；诖耍驹囼炌ㄟ^以包膜尿素和普通尿素等比例混合為載體，明確一次性施氮下氮肥用量對豫北夏玉米產(chǎn)量、光溫生理特性和氮素吸收利用影響，為豫北夏玉米合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗于2021年6月至2022年9月在河南省焦作市溫縣（113°08′05″E，34°94′01″N）進(jìn)行，夏玉米季2021、2022 年6—9 月降水量分別為1 090、352mm，無霜期210 d。試驗土壤為壤質(zhì)潮土，表1 為耕層土壤（0～20 cm）基礎(chǔ)養(yǎng)分情況。

1.2 試驗設(shè)計

供試夏玉米品種為隆玉369，種植密度為69 000株·hm-2。試驗設(shè)置0（N0）、70（N70）、140（N140）、210（N210）kg·hm-2和280（N280）kg·hm-2 5個氮素水平。每個小區(qū)面積為30 m2，3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。2021年試驗播種日期為6月11日，收獲于9月23日；2022年播種于6月8日，收獲于9月30日。供試氮肥以樹脂包膜尿素（N 45%，釋放期90 d）和普通尿素（N46%）等比例配制，過磷酸鈣（P2O5 12%）施用量均為75kg·hm-2，氯化鉀（K2O 60%）施用量均為90 kg·hm-2，各肥料混勻后在夏玉米5葉期開溝一次性施入。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 夏玉米樣品采集與分析

每小區(qū)選取具有代表性的4 株植株樣品（拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期、灌漿中期和成熟期）于烘箱105 ℃殺青30 min后，75 ℃烘干至恒質(zhì)量。采用凱氏定氮法測定植株和籽粒全氮含量[14]。

1.3.2 考種與計產(chǎn)

成熟期每小區(qū)收獲中間兩行20株果穗，選10穗考種，記錄穗行數(shù)和行粒數(shù)，計算平均值；全部脫粒曬干測定質(zhì)量，隨機(jī)選取1 000粒，折算產(chǎn)量和千粒質(zhì)量（14%含水量）。

1.3.3 植株樣品生理指標(biāo)測定

葉片葉綠素含量測定：分別于夏玉米上述生育時期，隨機(jī)抽取各小區(qū)長勢均勻的15株葉片，使用日本產(chǎn)Minolta SPAD-502型葉綠素計測定。

冠層光合有效輻射分量（FPAR）：使用LICOR190SA線性光量子傳感器在各小區(qū)夏玉米正上方0.10 m 處測量正向光合有效輻射（PARci）、0.20 m處測量反向光合有效輻射（PARcr），距離夏玉米根部0.05 m處測量正向光合有效輻射（PARgi）、根部0.10 m處測量反向光合有效輻射（PARgr），每個小區(qū)進(jìn)行3次重復(fù)。FPAR 計算公式為：

冠層溫度：采用紅外熱成像儀（TiX650，F(xiàn)luke，美國）觀測夏玉米冠層溫度，在距夏玉米冠層上方1.0 m處、俯角60°固定紅外相機(jī)進(jìn)行拍攝，使用FlukeSmartView分析軟件對圖像計算分析得出夏玉米冠層溫度。

酶活性：于各小區(qū)選取三株長勢均勻具有代表性夏玉米功能性葉片，去除葉脈，錫箔紙包好放進(jìn)液氮速凍，帶回實驗室后進(jìn)入-80 ℃超低溫冰箱保存。采用試劑盒測定谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（GS）[16]。

1.3.4 經(jīng)濟(jì)最佳施氮量和Logistic模型擬合及參數(shù)

擬合氮肥用量與產(chǎn)量函數(shù)關(guān)系[17]，產(chǎn)量y 受單位面積氮肥用量x 影響，表達(dá)式為y=ax2+bx+c（其中a、b、c 為常數(shù)，且a 不等于0），經(jīng)濟(jì)最佳的施氮量X 由公式X=（Px /Py-b）（/ -2a）計算得出，氮肥成本價格（Px）為5.78元·kg?1，夏玉米價格（Py）為2.6元·kg?1。

運用Logistic 方程[18]，擬合一次性施氮下不同氮肥用量與夏玉米氮素吸收積累量：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

氮素積累量（kg·hm-2）=地上部植株干物質(zhì)量×植株全氮含量氮肥利用率（%）=（施氮夏玉米氮素積累量-不施氮夏玉米氮素積累量）/施氮量×100數(shù)據(jù)處理用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin2021制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 一次性施氮對夏玉米葉片SPAD值和光合有效輻射分量的影響

由圖1 可知，隨生育時期的推進(jìn)，夏玉米葉片SPAD 值和FPAR 值呈現(xiàn)相似變化趨勢，于吐絲期達(dá)到峰值。各生育時期夏玉米葉片SPAD值與FPAR值均呈單峰曲線變化，以N210 最佳。其中，N140 和N210 顯著高于N0，且N140 和N210 間無顯著差異，N140和N210葉片SPAD 值、FPAR 值分別較N0提高6.0%～13.1%、9.4%～18.8% 和8.3%～17.8%、12.1%～23.4%。這說明包膜尿素與普通尿素1∶1配施下一次性施氮量為140 kg·hm-2與210 kg·hm-2更有利于夏玉米葉片葉綠素含量增加和光合有效輻射量吸收。

2.2 一次性施氮對夏玉米冠層溫度的影響

一次性施氮下夏玉米冠層溫度隨生育時期推進(jìn)呈“拋物線”趨勢（表2，圖2）。同時，冠層溫度隨施氮量增加呈先下降后上升的變化趨勢，N210處理達(dá)到最低值。夏玉米各生育時期N210處理與不施氮處理相比，冠層平均溫度降幅分別為8.6%、4.7%、4.9%和7.9%，且N140、N210處理與N0處理相比均有顯著差異（Plt;0.05）。因此，選擇合理的氮肥用量有利于調(diào)節(jié)夏玉米冠層溫度。

2.3 一次性施氮對夏玉米氮代謝酶的影響

如圖3A所示，一次性施氮下夏玉米葉片GOGAT活性于吐絲期達(dá)到最低。隨施氮量增加，葉片GOGAT活性在拔節(jié)期、抽雄期和吐絲期呈現(xiàn)出單峰曲線變化，其中，N140和N210處理的GOGAT活性顯著高于不施氮，且N140和N210處理間無顯著差異。相較于N0處理，N140和N210處理的GOGAT活性分別提高20.0%～35.4% 和25.8%～33.6%。夏玉米葉片GS活性于抽雄期達(dá)到峰值（圖3B）。各施氮處理對葉片GS活性影響呈“拋物線”趨勢，于N210處理達(dá)最大值，且N210和N140處理間無顯著差異。各生育時期N140和N210 處理的GS 活性分別提高22.8%～41.6% 和32.1%～50.4%。

2.4 一次性施氮對夏玉米地上部氮素積累動態(tài)的影響

關(guān)于Logistic模型對夏玉米氮素積累量動態(tài)擬合特征參數(shù)見表3，模擬曲線R2 均在0.98 以上（Plt;0.05）。隨施氮量增加，地上部氮素最大吸收量（K）和最大吸收速率（Vmax）均呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，以N210處理效果最佳。與N0處理相比，N140、N210處理最大吸收量和最大吸收速率增幅分別為17.1%、21.1%和26.3%、33.3%。氮素快速積累持續(xù)時間（Δt）和達(dá)到最大吸收速率所需時間（Tmax）均呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，其中，N140、N210處理與N0處理相比，氮素吸收最大積累速率出現(xiàn)時間（Tmax）提前3～6 d。由圖4可知，隨生育時期推進(jìn)，夏玉米地上部氮素積累量呈逐步上升趨勢，各生育時期夏玉米地上部氮素積累量隨氮肥用量增加呈單峰曲線變化，以N210處理最高，且N210處理顯著高于N0處理。吐絲期至成熟期氮素逐漸由莖和葉向籽粒轉(zhuǎn)移，莖、葉氮素積累量不斷下降，籽粒氮素積累量不斷上升，N140 和N210處理吐絲期莖與葉氮素積累量占比分別為43.0%、57.0%和43.4%、56.6%，成熟期莖、葉、籽粒占比分別為13.3%、20.9%、65.8%和13.1%、21.5%、65.5%。

2.5 一次性施氮對夏玉米產(chǎn)量的影響

一次性施氮下隨氮肥用量增加，夏玉米產(chǎn)量均呈現(xiàn)先上升后降低的變化趨勢（圖5）。兩年施氮顯著提高夏玉米產(chǎn)量8.1%～16.1% 和24.3%～32.2%，分別以N210、N140 處理最高，但N140、N210 處理均與N280處理無顯著差異。對兩年產(chǎn)量進(jìn)行肥料效應(yīng)函數(shù)擬合，結(jié)果（圖5）顯示決定系數(shù)（R2）分別為0.98和0.96，經(jīng)濟(jì)最佳施氮量分別為190 kg·hm-2和164 kg·hm-2。由表4可知，2021年夏玉米穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，N210處理達(dá)到峰值，其穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量顯著較N0處理增加9.3%和10.5%。2022年夏玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量隨氮肥用量增加呈拋物線趨勢，于N140處理最大，N140 處理穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量顯著高于N0 處理14.2%和11.9%。兩年氮肥利用率（NUE）均隨氮肥用量增加呈逐步下降趨勢，以N70處理最高。N140和N210 處理兩年平均氮肥利用率分別為33.5% 和29.2%。

3 討論

3.1 一次性施氮對夏玉米光溫生理特性影響效應(yīng)分析

氮是夏玉米生長發(fā)育不可或缺的重要營養(yǎng)元素，也是后期產(chǎn)量形成的根本保障。有學(xué)者研究表明，在一定施氮范圍內(nèi)，玉米葉片SPAD值能更好地反映氮素營養(yǎng)水平，施氮促進(jìn)光合有效輻射吸收量，調(diào)節(jié)玉米冠層溫度，提高產(chǎn)量[19-21]。本研究結(jié)果顯示，包膜尿素與普通尿素1∶1 配施下隨生育時期推進(jìn)，葉片SPAD 值、FPAR 值和夏玉米冠層溫度呈單峰曲線變化，整體以N140和N210處理光合性能較好，光能利用率高，且以N210處理冠層溫度最低。這可能由于適宜施氮量有助于前期夏玉米群體通風(fēng)透氣性，不僅能夠更好進(jìn)行光合作用，增強(qiáng)葉片葉綠素含量，進(jìn)行光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，還可提高葉片蒸騰作用，降低冠層溫度，對夏玉米外部高溫起到緩沖和保護(hù)作用[21]。此外，包膜尿素與普通尿素1∶1摻混，可以彌補(bǔ)單施包膜尿素前期氮素釋放速率過慢的不足，且在夏玉米生育后期不脫肥，維持夏玉米較高光合速率，有利于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成[22]。

3.2 一次性施氮對夏玉米葉片酶活性及氮素吸收影響效應(yīng)分析

GS 和GOGAT 循環(huán)反應(yīng)是高等植物氮代謝途徑[23]。劉春曉等[24]研究指出，葉片氮含量、可溶性蛋白含量與GOGAT、GS活性呈極顯著正相關(guān)。本試驗結(jié)果表明，GOGAT活性與GS活性高峰期分別出現(xiàn)于拔節(jié)期和抽雄期，這可能是夏玉米營養(yǎng)生長前期包膜尿素與普通尿素等比例摻混下氮素釋放速率有關(guān)，包膜尿素被土壤溶液溶脹而變成水凝膠，包膜肥料核與水凝膠之間形成自由水層，所吸的水形成尿素溶液，與外界自由水層進(jìn)行養(yǎng)分交換[25]，植株根系N 素豐富，個體吸收NO-3 越多，GS-GOGAT 同化能力越強(qiáng)。GOGAT活性下降也可能是由于玉米根系從開始吸收硝酸鹽至參與有機(jī)物質(zhì)結(jié)構(gòu)過程中發(fā)生還原反應(yīng)的自然結(jié)果[26]。GOGAT 和GS 活性以140 kg·hm-2 與210 kg·hm-2氮肥施用量為宜，即表明提升夏玉米葉片氮代謝酶活性不宜缺氮或氮肥過量，與曹兵等[27]對控釋摻混肥一次性減量施用對夏玉米葉片氮代謝調(diào)控效應(yīng)的研究結(jié)果一致，且施氮量為140、210 kg·hm-2時，夏玉米氮素吸收量和氮素吸收速率較高，達(dá)到最大速率所用時間相較于N0處理有所提前，表明適宜施氮量可有效促進(jìn)夏玉米氮素吸收與積累，這可能歸因于包膜尿素與普通尿素1∶1 配施下，140、210 kg·hm-2施氮量更能促使包膜尿素養(yǎng)分釋放速率匹配夏玉米生育氮素需求，從而保證氮代謝高效運轉(zhuǎn)，源活性及同化物對穗部的供給與轉(zhuǎn)換[28]，且使得群體具有良好光合作用，光能截獲能力增強(qiáng)[29]，促進(jìn)地上部植株干物質(zhì)積累和氮素吸收，提高產(chǎn)量。

3.3 一次性施氮對夏玉米產(chǎn)量及肥料利用效率影響分析

基于包膜尿素的氮肥一次性施入技術(shù)可明顯提高作物產(chǎn)量，增加肥料利用率[30]。本試驗中包膜尿素與普通尿素1∶1配施下施氮量超過一定閾值，產(chǎn)量呈下降趨勢，該結(jié)果與前人研究結(jié)論相一致[31-32]，主要原因是由于氮素供應(yīng)過多造成夏玉米吸收氮素營養(yǎng)更多積累于營養(yǎng)器官中，轉(zhuǎn)移籽粒速率降低，導(dǎo)致源庫間不平衡，不利于產(chǎn)量的提升。此外，2021年河南當(dāng)?shù)叵挠衩组_花期遭遇罕見性持續(xù)大暴雨，對夏玉米產(chǎn)量形成造成一定負(fù)面影響。過度施用氮肥會抑制作物生長潛力，導(dǎo)致氮肥利用率下降[33]，本試驗結(jié)果表明施氮量≥140 kg·hm-2時，施用氮素已不能大幅提高夏玉米生產(chǎn)能力，然而氮肥利用率需要兼顧較高目標(biāo)產(chǎn)量、維持氮輸入和輸出基本平衡條件下才有意義，并不是越高越好。因此，兼顧夏玉米高產(chǎn)量、低投入量和各生育時期光溫生理特性，本研究認(rèn)為以包膜尿素和普通尿素等比例混合為載體，豫北夏玉米一次施氮適宜用量為164～190 kg·hm-2。

4 結(jié)論

（1）包膜尿素與普通尿素1∶1比例配施顯著提高夏玉米產(chǎn)量8.1%～16.1%（2021 年）和24.3%～32.2%（2022年）。

（2）施氮140、210 kg·hm-2 可提升夏玉米葉片SPAD值，促進(jìn)群體光合有效輻射分量，降低冠層結(jié)構(gòu)葉片溫度，延緩葉片衰老，提高葉片氮代謝酶活性，有利于夏玉米光能高效運轉(zhuǎn)，促進(jìn)夏玉米生長發(fā)育和氮素吸收，氮肥利用率較高。

（3）豫北夏玉米適宜的氮肥管理策略是包膜尿素與普通尿素1∶1配施一次性施氮164～190 kg·hm-2。

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