黑龍江春玉米籽粒產量與氮素吸收變化特征

佟玉欣， 李玉影， 劉雙全， 姬景紅， 王 偉， 鄭 雨

(1 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所， 黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室， 黑龍江省肥料工程技術研究中心，黑龍江哈爾濱 150086； 2 中國農業大學資源與環境學院， 北京100083；3 沈陽農業大學土地與環境學院， 遼寧沈陽 110866)

從1985年以來，中國一直是全世界氮肥消費第一大國。2005年中國用占全世界9%的耕地消費了全球38%的氮肥[1]。盡管氮素消費如此巨大，但氮素需求與產量關系并沒有被深入揭示。在生產上，推廣技術人員和農民仍然認為更高的氮肥投入可以得到更高的產量，于是農民用過量的氮肥去追求更高的產量[2]。由于環境和經濟因素(包括礦質燃料價格的上漲)的限制，未來應通過提高氮肥利用效率來提高糧食產量，而不是增加氮素的投入[3-6]。深入探討氮素需求和籽粒產量之間的關系，有利于管理措施和農業政策的制定。

東北春玉米種植區是我國重要的商品糧生產基地，僅黑龍江省玉米總產量就達到2675.8萬噸，占到了全國玉米總產量的13.8%[7]。近期，對于玉米氮素需求的研究大多集中于單個試驗點數據。很少在大范圍內針對籽粒產量和氮素需求關系進行調查[8-11]。近年來，關于氮素吸收的動態變化研究已有很多報道, 但主要集中在單一玉米品種的氮素積累動態變化規律的研究,而沒有利用大量數據對玉米產量與吸氮量之間的關系進行深入的研究。同時，春玉米區不同熟期品種氮素吸收特性的報道并不多見。而且隨著緩釋肥工藝的發展以及農村勞動力的限制，采取一次性基施肥料(一炮轟) 的農戶比例逐漸加大[12-13]。所以在施用緩釋氮肥時，玉米產量與氮素吸收的關系需要進行深入探討。本研究在黑龍江省廣泛收集了大量的田間數據，產量從5.6 到12.2 t/hm2。本研究的關鍵問題是：1)量化黑龍江省玉米籽粒產量和氮素需求之間的關系； 2)評估玉米產量增加時每噸籽粒吸氮量的變化； 3)研究不同熟期品種玉米籽粒產量和氮素之間關系； 4)分析緩釋尿素產量和氮素吸收之間關系。

1 材料與方法

1.1 數據收集

1.2 試驗設計

試驗一：2012年，不同玉米品種試驗地點設在黑龍江省哈爾濱市民主鄉國家級農業示范園區(126.85°E， 45.84°N)。播種時間為5月3日，收獲時間為10月8日。播種密度為55000株/hm2，生育期降雨量為295 mm，無灌溉措施。晚熟玉米品種為先玉335和鄭單958(活動積溫>2600℃)；中熟品種為龍丹54和興墾3(2500℃<活動積溫<2600℃)；早熟品種為九龍13和龍丹65(活動積溫<2500℃)。試驗按隨機區組排列，按照品種設6個處理3次重復。小區面積為40 m2。氮素總投入量為165 kg/hm2，其中66 kg基施，99 kg追施；磷肥(P2O5)總投入量為67.5 kg/hm2，鉀肥(K2O)總投入量為82.5 kg/hm2。氮肥為尿素、磷肥為重過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀。正常的雜草和蟲害管理。

試驗二：緩釋氮肥試驗，2011年設在黑龍江省賓縣推廣中心試驗田(127.49°E, 45.77°N)，2012年設在哈爾濱市民主鄉國家級農業示范園區(126.85°E, 45.84°N)。土壤類型均為黑土。2011年4月27日播種，9月26日收獲。2012年5月4日播種，10月8日收獲。2011年和2012年播種密度分別為50000株/hm2和55000株/hm2。生育期降雨量分別為284和295 mm，無灌溉。試驗處理：不施肥(CK)、普通尿素基施(100%UB)、緩釋尿素基施(100%CUB)、普通尿素40%基施60%追施(40%UB+60%UT)、40%普通尿素和60%緩釋尿素基施(40%UB+60%CUB)。緩釋尿素為樹脂包膜工藝，含N 44%，美國加陽公司出品，普通尿素含N 46%；磷肥用重過磷酸鈣(P2O546%)，鉀肥用氯化鉀(K2O 60%)。所有處理氮素用量為75 kg/hm2，按照處理分配基施和追施以及普通尿素和緩釋尿素用量，磷素60 kg/hm2和鉀素75 kg/hm2，全部基施。隨機區組排列，三次重復。

1.3 樣品采集及方法

計算方法：

收獲指數(HI)=玉米籽粒產量/玉米地上部植株生物量

氮收獲指數(NHI)=玉米籽粒吸N量/玉米地上部植株總吸N量

每噸籽粒吸氮量(kg/t)=(玉米籽粒吸N量+玉米秸稈吸N量)/產量

1.4 統計與分析

運用線性、二次方程、冪指數模型對玉米成熟期產量和地上部總氮素吸收量進行模擬。數據采用SPSS 16.0軟件0.05水平Duncan法進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 黑龍江省玉米產量變化

近年來，隨著高產雜交玉米品種的引進(先玉335、德美亞等)，以及施肥和農業措施的逐漸改進，黑龍江省玉米生產發生了劇烈的變化。由圖1可知，玉米產量從2010年前的8.5 t/hm2(n=57)增長到2010后年的9.7 t/hm2(n=382)。其中主要原因之一就是收獲指數逐年提高(圖2)，從2010年前的0.43增加到2010年后的0.48。說明由于玉米品種養分分配基因差異，導致現代品種的收獲指數更高，在生殖生長過程中的養分需求更高。有研究認為，不同玉米品種養分分配存在明顯的基因型差異，這種差異主要來自于吐絲后氮積累量，吐絲后養分向籽粒的轉運量明顯增加，與籽粒干物質增加量密切相關[14-18]。因此，為了達到更高的產量，應重視花后養分的充分供應。

圖1 黑龍江省玉米產量(n=439)Fig.1 Maize yield in Heilongjiang Province

圖2 黑龍江省玉米收獲指數與產量的關系(n=439)Fig.2 Relationship between harvest index and yield of maize in Heilongjiang Province

2.2 黑龍江省玉米氮素吸收與籽粒產量

圖3 收獲期籽粒產量與地上部氮素吸收的關系 (n=439)Fig.3 Relationship between grain yield and above-ground N uptake

圖4 收獲期不同產量范圍的的每噸籽粒吸氮量(n=439)Fig.4 N requirement per ton of grain yield under different maize yield ranges

圖5 不同產量水平玉米籽粒氮濃度、秸稈氮濃度、收獲指數和氮收獲指數(n=439)Fig.5 The N contents in grain and straw, the harvest index (HI) and the N harvest index (NHI) of maize with different yield levels

2.3 黑龍江省不同熟期玉米的籽粒產量與吸氮關系

收獲指數與產量呈相同的上升趨勢，從久龍13的0.47增加到先玉335的0.51，相反，籽粒氮濃度則從久龍13的16.3 g/kg降低到先玉335的9.7 g/kg。秸稈氮濃度從早熟品種久龍13的9.1 g/kg降低到晚熟品種先玉335的7.1 g/kg，但是鄭單958是個例外。本研究中籽粒氮濃度的下降導致每噸籽粒吸氮量的降低。也是在晚熟品種產量提高的同時，總吸氮量反而下降的主要原因[21,28]。本結論與其他研究者的結論一致，如現代玉米產量的增加伴隨著籽粒質量的下降[4]，及籽粒氮濃度的稀釋比產量增長的速度還要快[4,22]。

表1 不同熟期玉米品種產量、氮素營養特性以及收獲指數

2.4 黑龍江省玉米氮素吸收與氮素管理

通過賓縣和哈爾濱市民主鄉兩點的試驗(表2)可以看出，尿素40%基施60%追施(40%UB+60%UT)的產量和尿素40%緩釋尿素60%基施處理(40%UB+60%CUB)的產量并沒有明顯的差異，但是這兩個處理的產量要顯著高于不施氮肥處理(CK)、尿素100%基施(100%UB)、緩釋尿素100%基施(100%CUB)。尿素40%基施60%追施的秸稈和籽粒氮濃度和尿素40%緩釋尿素60%基施處理之間的差異不顯著，但都高于其他三個處理。說明尿素與緩釋尿素混合基施可以達到追施尿素相同的效果，提高植株和籽粒的氮含量，從而提高產量，節省追肥成本。籽粒和秸稈氮濃度的提高最終導致了尿素40%基施60%追施處理和尿素40%緩釋尿素60%基施處理的每噸籽粒吸氮量高于其它三個處理。以往的報道也表明，施用緩釋肥能顯著增加玉米的產量, 較常規施肥增產3.38%、 18.30%[22-23]。

表2 緩釋尿素對玉米的產量、每噸籽粒吸氮量、秸稈和籽粒的氮濃度的影響

尿素基施以后，淋洗和揮發的現象嚴重，導致玉米生長中后期階段沒有足夠的氮肥供應。緩釋肥全部基施時產量反而下降，可能是由于黑龍江省春季低溫，緩釋肥的釋放需要一定的時間, 造成玉米生育前期短時脫肥, 而生育后期氮素供應過于充盈, 又造成貪青晚熟[24]。在實際生產中為了延緩葉片的衰老，經常施用過量的氮肥來保障產量的提高，尤其是在高產雜交玉米的生產過程中[25-26]。但是氮肥的過量施用不僅降低了氮素效率，而且導致很多地區環境的惡化[6]。本項研究結果表明，結合尿素和控釋尿素基施效果較好，達到了追肥相同的效果。可以協調整個生育期氮素的養分供應，在整個生育期能促進玉米對氮素的吸收利用，有利于籽粒灌漿，提高產量，能保持較高的干物質積累，顯著提高氮素吸收效率，節省勞動成本[27]。

3 討論

很多研究量化了籽粒氮素的運移[28]，模擬了作物生物量增加時植株中養分濃度的臨界值[29]，而不同環境、品種和氮素管理對籽粒產量與氮素需求關系也產生了不同影響[30]。例如，美國的玉米籽粒中的氮濃度為13.3 g/kg[11]，中國為12.8 g/kg[11]。與老玉米品種相比，相同產量的新品種對氮素需求更低，因此，應該根據新品種的氮素需求來施肥，而不是施用過量的氮肥[31]。在調查中黑龍江省每噸籽粒吸氮量平均為16.7 kg，低于全國的21 kg[26]和中國北方地區的17.4 kg[32]，是因為黑龍江省高產玉米籽粒產量9.5 t/hm2、HI 47.2%、籽粒氮含量10.7 g/kg和秸稈氮含量6.5 g/kg，均低于中國北方的籽粒產量11.1 t/hm2、HI 51%、籽粒氮含量12.5 g/kg和秸稈氮含量8.0 g/kg[32]。

不同玉米基因型在吸收利用氮素方面存在極大差異,不同品種對增施氮肥的反應有顯著差異,植株體內氮素的分配與利用也有明顯差異[33-35]。本研究中晚熟品種的產量高于早熟品種，但差異不顯著。在黑龍江省，生育期積溫的逐年增加，導致早熟品種的生育期縮短，減少了作物的光合吸收時間，減少了光合物質的積累[32]。

充足的養分供應是玉米獲得高產的關鍵[36-37]。氮素通過影響葉面積和單位葉面積氮含量來控制植株的干物質總量。氮吸收的減少，尤其是在灌漿期加速了氮素從葉片轉移到秸稈中，造成葉片的衰老和籽粒的減產，此時期增加氮肥投入可有效地延長光合作用和后期的氮素吸收[38-40]。在實際生產中，過量的氮肥投入就是為了延緩葉片的衰老和增加后期的籽粒產量，實現超高產[41]。在高產體系中，氮肥一次性基施均會造成土壤殘留硝態氮向下淋失，降低肥料利用率，增加環境負擔[42]。而緩釋氮素釋放較平穩，對土壤速效氮向下運移的控制較好，有利于減少氮素潛在的淋洗損失[43]。緩釋尿素與普通尿素配合追施,可以實現肥料間肥效的有效接力,達到緩急相濟,優勢互補,平衡供肥的目的[27]。由于本試驗是對黑龍江省玉米氮素吸收與產量關系進行的補充，沒有對玉米各生育期氮素吸收規律進行深入探討，以后的試驗設計建議增加不同生育時期的氮素測定，以使數據更加完備。

4 結論

2)早熟品種的產量低于中熟品種和晚熟品種，但早熟品種每噸籽粒吸氮量高于中晚熟品種。晚熟品種的種植面積擴大是導致黑龍江省玉米總體收獲指數逐漸提高，籽粒氮濃度相對下降的原因之一。

3)緩釋尿素與尿素配合基施可以達到追施尿素相同的效果。

參考文獻:

[1] FAO. FAOSTAT-Agriculture database[EB/OL]. http://faostat.fao.org/, 2006.

[2] Cui Z L, Zhang F S, Chen X Petal. In-season nitrogen management strategy for winter wheat:maximizing yields, minimizing environmental impact in an over-fertilization context[J]. Field Crops Research, 2010, 116:140-146.

[3] Matson P A, Parton W J, Power M Jetal. Agricultural intensification and ecosystem properties[J]. Science, 1997, 277:504-509.

[4] Duvick D N, Cassman K G. Post-green revolution trends in yield potential of temperate maize in the North-Central United States[J]. Crop Science, 1999, 39:1622-1630.

[5] Tilman D, Cassman K G, Matson P Aetal. Agricultural sustainability and intensive production practices[J]. Nature, 2002, 418:671-677.

[6] Chen X P, Zhang F S, Cui Z Letal. Critical grain and stover nitrogen concentrations at harvest for summer maize production in China[J]. Agronomy Journal, 2010, 102:289-295.

[7] 中華人民共和國國家統計局. 中國統計年鑒[M].北京:中國統計出版社, 2012.

Ministry of Agriculture of China. China agriculture yearbook[M].Beijing:China Agriculture Press, 2012.

[8] Janssen B H, Guiking F C T, Van der Eijk Detal. A system for quantitative evaluation of the fertility of tropical soils (QUEFTS)[J]. Geoderma, 1990, 46:299-318.

[9] Van Duivenbooden N, de Wit C T, Van Keulen H. Nitrogen, phosphorus and potassium relations in five major cereals reviewed in respect to fertilizer recommendations using simulation modeling[J]. Fertilizer Research, 1996, 44:37-49.

[10] Liu M Q, Yu Z R, Liu Y Hetal. Fertilizer requirements for wheat and maize in China:the QUEFTS approach[J]. Nutrition Cycle in Agroecosystem, 2006, 74:245-258.

[11] Setiyono T D, Walters D T, Cassman K G,etal. Estimating maize nutrient uptake requirements[J]. Field Crops Research, 2010, 118:158-168.

[12] 張福鎖, 張衛峰, 馬文奇.中國化肥產業技術與展望[M].北京:化學工業出版社, 2007.

Zhang F S, Zhang W F, Ma W Q. Fertilizer technology and development in China[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2007.

[13] 高強, 李德忠, 黃立華, 等.吉林玉米帶玉米一次性施肥現狀調查分析[J].吉林農業大學學報, 2008, 30(3):301-305.

Gao Q, Li D Z, Huang L Hetal. Investigation of present situation on single fertilization for maize in Jilin maize belt[J].Journal of Jilin Agricultural University, 2008, 30(3):301-305.

[14] 春亮, 陳范駿, 張福鎖, 米國華.不同氮效率玉米雜交種的根系生長、氮素吸收與產量形成[J].植物營養與肥料學報, 2005, 11(5):615-619.

Chun L, Chen F J, Zhang F S, Mi G H. Root growth, nitrogen uptake and yield formation of hybrid maize with different N efficiency[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11(5):615-619.

[15] Kanara A Y, Menkir A, Ajala S Oetal. Performance of diverse maize genotypes under nitrogen deficiency in the northern guinea savanna of Nigeria[J].Experiental Agriculture, 2005, 41:199-212.

[16] 劉建安, 米國華, 張福鎖.不同基因型玉米氮效率差異的比較研究[J].農業生物技術學報, 1999, 7(3):248-254.

Liu J A, Mi G H, Zhang F S.Difference in nitrogen efficiency among maize genotypes[J].Jouuranl of Agricultural Biotechnology, 1999. 7(3):248-254.

[17] 王空軍, 張吉旺, 郭玉秋, 等. 我國北方玉米品種個體產量潛力與氮素利用效率研究[J]. 應用生態學報, 2005, 16(5):879-894.

Wang K J, Zhang J W, Guo Y Qetal. Individual grain yield potential and nitrogen utilization efficiency of Zea mays cultivars widely planted in North China[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(5):879-894.

[18] 張寬, 王秀芳, 吳巍, 等. 玉米喜肥能力與喜肥程度對化肥效應的影響及其分級[J].玉米科學, 1999, 7(1):65-71.

Zhang K, Wang X F, Wu Wetal. Classification of maize nitrogen fertility[J]. Journal of Maize Sciences, 1999, 7(1):65-71.

[19] 蔡紅光, 張秀芝, 任軍, 等. 不同品種氮素積累量及轉移的基因型差異[J]. 玉米科學, 2011,19(6)：49-52.

Cai H G, Zhang X Z, Ren Jetal. Genotype difference of nitrogen accumulation and translocation between the cultivars with different nitrogen efficiency[J]. Journal of Maize Sciences, 2011, 19(6):49-52.

[20] 王秀芬, 楊艷昭, 尤飛. 近30年來黑龍江省氣候變化特征分析[J].中國農業氣象, 2011, 32(增1):28-32.

Wang X F, Yang Y Z, You F. Analysis on characteristics of climate change in recent 30 years in Heilongjiang Province[J]Chinese Journal of Agrometeorology, 2011, 32(Suppl. 1):28-32.

[21] Rajcan I, Tollenaar M. Source:sink ratio and leaf sensacence in maize:I. Dry matter accumulation and partitioning during grain filling[J]. Field Crops Research, 1999, 60:245-253.

[22] 盧艷麗, 白由路, 王磊, 等.華北小麥-玉米輪作區緩控釋肥應用效果分析[J]. 植物營養與肥料學報,2011, 17(1):209- 215.

Lu Y L, Bai Y L, Wang Letal. Efficiency analysis of slow/controlled release fertilizer on wheat-maize in North China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1):209-215.

[23] 李偉, 李絮花, 李海燕, 等.控釋肥對夏玉米產量和氮素積累與分配的影響[J]. 作物學報, 2012, 38(4):699-706.

Li W, Li X H, Li H Yetal. Effects of controlled-release fertilizer on yield and nitrogen accumulation and distribution in summer maize[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(4):699-706.

[24] 呂嬌, 李淑敏, 潘明陽, 等.不同包膜控釋氮肥對玉米氮素吸收和產量的影響[J].天津農業科學, 2012, 18(1)：46-50.

LV J, Li S M, Pan M Yetal. Effect of different controlled-release N fertilizers on nitrogen absorption and yield of maize[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2012, 18(1):46-50.

[25] Chen G P, Zhao J R, Zhang J Wetal. Studies on the cultivation technique for the highest yield spring maize[J].Corn Science, 1995, 3, 26-30.

[26] Huang Z X, Wang Y J, Wang K Jetal. Photosynthetic characteristics during grain filling stage of summer maize hybrids with high yield potential of 15,000 kg/ha[J]. Scientia Agriculturea Sinica, 2007, 40:1898-1906.

[27] 李偉, 李絮花, 李海燕, 等. 控釋尿素與普通尿素混施對夏玉米產量和氮肥效率的影響[J].作物學報, 2012, 38(4):699-706.

Li W, Li X H, Li H Yetal. Effects of different mixing rates of controlled-release urea and common urea on grain yield and nitrogen use efficiency of summer maize[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(4):699-706.

[28] Heckman J R, Sims J T, Beegle D Betal. Nutrient removal by corn grain harvest[J]. Agronomy Journal, 2003, 95 ∶587-591.

[29] Greenwood D, Neeteson J, Draycott A. Quantitative relationships for the dependence of growth rate of arable crops on their nitrogen content, dry weight and aerial environment[J]. Plant and Soil, 1986, 91:281-301.

[30] Liu J, Liu H, Huang S Metal. Nitrogen efficiency in long-term wheat-maize cropping systems under diverse field sites in China[J]. Field Crops Research, 2010, 118:145-151.

[31] 錢春榮, 于洋, 宮秀杰, 等.黑龍江省不同年代玉米雜交種產量對種植密度和施氮水平的響應[J].作物學報, 2012, 38(10):1864-1874.

Qian C R, Yu Y, Gong X Jetal. Response of grain yield to plant density and nitrogen application rate for maize hybrids released from different years in Heilongjiang Province[J].Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(10):1864-1874.

[32] Peng H, Qiang G, Ruizhi Xetal. Grain yields in relation to N requirement:Optimizing nitrogen management for spring maize grown in China[J]. Field Crops Research, 2012, 129:1-6.

[33] Sinebo W, Gretzmacher R, Edelbauer A. Genotypic variation for nitrogen use efficiency in Ethiopian barley[J]. Field Crops Research, 2004, 85(1):43-60.

[34] Le Gouis J, Béghin D, Heumez Eetal. Genetic differences for nitrogen uptake and nitrogen utilization efficiencies in winter wheat[J]. European Journal of Agronomy, 2000, 12(3/4):163-173.

[35] Moll R H, Kamprath E J, Jackson W A. Analysis and interpretation of factors which contribute to efficiency of nitrogen utilization[J]. Agronomy Journal, 1982, 74:562-564.

[36] 何萍, 金繼運, 林葆.玉米高產施肥營養生理研究進展[J]. 玉米科學, 1998, 6(2):72-76.

He P, Jin J Y, Lin B. Study progress on maize high yield fertilization and nutrition physiological[J].Journal of Maize Sciences, 1998, 6(2):72-76.

[37] 何萍, 金繼運, 林葆, 等. 不同氮、磷、鉀用量下春玉米生物產量及其組分動態與養分吸收模式研究[J]. 植物營養與肥料學報, 1998, 4(2):123-130.

He P, Jin J Y, Lin B.Dynamics of biomass and its components and models of nutrients absorption by spring maize under different nitrogen, phosphorous and potassium application rates[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1998, 4(2):123-130.

[38] Wada Y, Miura K, Watanabe K. Effect of source-to-sink ratio on carbohydrate production and senescence of rice flag leaves during the ripening period[J]. Japan Journal of Crop Sciences, 1993, 62:547-553.

[39] Moll R H, Jackson W A, Mikkelsen R L. Recurrent selection for maize grain yield:dry matter and nitrogen accumulation and partitioning changes[J]. Crop Science, 1994, 34:874-881.

[40] Ding L, Wang K J, Jiang G Metal. Post-anthesis changes in photosynthetic traits of maize hybrids released in different years[J]. Field Crops Research, 2005, 93:108-115.

[41] Chen X P, Cui Z L, Vitousek P Metal. Integrated soil-crop system management for food security[J]. Proceeding of National Academy of Sciences, 2011, 108:6399-6404.

[42] 劉占軍, 謝佳貴, 張寬, 等. 不同氮肥管理對吉林春玉米生長發育和養分吸收的影響[J].植物營養與肥料學報, 2011, 17(1):38-47.

Liu Z J, Xie J G, Zhang Ketal. Maize growth and nutrient uptake as influenced by nitrogen management in Jilin Province[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1):38-47.

[43] 易鎮邪, 王璞. 包膜復合肥對夏玉米產量、氮肥利用率與土壤速效氮的影響[J].植物營養與肥料學報, 2007, 13(2):242-247.

Yi Z X, Wang P.Effect of coated compound fertilizer on yield, nitrogen use efficiency and soil available nitrogen in summer maize[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(2):242-247.