不同肥力農(nóng)田玉米產(chǎn)量構(gòu)成差異及施肥彌補(bǔ)土壤肥力的可能性

劉海濤， 李保國， 任圖生， 胡克林

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

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不同肥力農(nóng)田玉米產(chǎn)量構(gòu)成差異及施肥彌補(bǔ)土壤肥力的可能性

劉海濤， 李保國*， 任圖生， 胡克林

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

【目的】農(nóng)田基礎(chǔ)土壤肥力和肥料的投入共同決定著農(nóng)田的養(yǎng)分供應(yīng)以及影響作物的生長與產(chǎn)量。明確不同肥力土壤和低肥力農(nóng)田增施氮肥對玉米生長及產(chǎn)量形成的影響差異，是科學(xué)評價土壤培肥和施肥的基礎(chǔ)。【方法】本研究設(shè)置兩個玉米田間試驗，試驗一選取三塊具有基礎(chǔ)肥力和產(chǎn)量差異的農(nóng)田，按土壤肥力由高到低依次命名為農(nóng)田A、 B和C，采用完全統(tǒng)一施肥管理; 試驗二在土壤肥力水平最低的農(nóng)田C上設(shè)置了常規(guī)施氮量N 210 kg/hm2，以及在此基礎(chǔ)上拔節(jié)期增施N 40和80 kg/hm2共3個處理。測定了各農(nóng)田土壤基礎(chǔ)性質(zhì)，以及0—20 cm土層硝態(tài)氮含量，調(diào)查了不同生育期玉米的干物質(zhì)和葉面積，產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成。【結(jié)果】不同肥力水平農(nóng)田中土壤的潛在礦化氮量與產(chǎn)量的相關(guān)性最好。不同肥力水平農(nóng)田的土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著性差異; 低肥力農(nóng)田增施氮肥處理在拔節(jié)期施肥后土壤中的硝態(tài)氮含量要大幅度高于常規(guī)施肥處理，在抽雄期該差異達(dá)到最大值，然后逐步降低。不同肥力水平農(nóng)田的玉米產(chǎn)量、 每公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)、 千粒重均隨土壤肥力升高而顯著增加，其中肥力最高的農(nóng)田A的玉米產(chǎn)量、 每公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重較肥力最低的農(nóng)田C分別高20.3%、 5.7%、 5.2%和7.8%。低肥力農(nóng)田C在拔節(jié)期增施氮肥顯著提高了產(chǎn)量、 每公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)，對千粒重影響很小，同時降低了收獲指數(shù)。其中增施氮肥80 kg/hm2處理較常規(guī)施氮處理的產(chǎn)量、 公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著分別增加了17.1%、 9.2%和4.6%，收獲指數(shù)降低了8.2%。【結(jié)論】高肥力土壤能夠持續(xù)礦化出更多的無機(jī)氮供玉米利用，通過全面提升玉米每公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重來提升產(chǎn)量。低產(chǎn)田在拔節(jié)期增施氮肥能夠大幅度提高拔節(jié)期至抽雄期土壤的硝態(tài)氮含量，提高每公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量，但通過增施肥料得到的產(chǎn)量依然達(dá)不到高肥力農(nóng)田的產(chǎn)量水平，而且降低了收獲指數(shù)。因此，培肥土壤是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。

土壤基礎(chǔ)肥力; 潛在礦化氮; 硝態(tài)氮; 玉米; 產(chǎn)量

土壤基礎(chǔ)肥力和通過施肥補(bǔ)充的養(yǎng)分共同保障了作物對養(yǎng)分的需求。研究表明，在華北潮土區(qū)，土壤基礎(chǔ)肥力和施肥對玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為54%和46%[1]。隨著肥料的普遍使用，通過增加肥料投入量帶來的產(chǎn)量提高效果更加有限，隨之帶來的一系列氮肥浪費和氮素污染環(huán)境等問題出現(xiàn)[3]。通過提高土壤基礎(chǔ)肥力、 提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力可在提高產(chǎn)量的同時，保證肥料的高效利用。因此研究對比不同基礎(chǔ)土壤肥力水平下和不同施肥量情況下玉米的生長和產(chǎn)量形成特征對玉米高產(chǎn)的土壤-肥料綜合調(diào)控具有重要的指導(dǎo)意義。

目前基于不同土壤基礎(chǔ)肥力條件和不同肥料處理對應(yīng)的作物生長和產(chǎn)量研究不多。趙俊曄等[4]在土壤肥力不同的兩塊高產(chǎn)田上研究得出，較高土壤肥力條件下，獲得最高小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量所需施氮量較低。張銘等[5]在江蘇淮北麥區(qū)高、 中、 低三種肥力土壤上研究表明小麥的產(chǎn)量和氮素利用效率均隨著土壤肥力的增加而增加。張軍等[6]研究了江蘇淮北稻區(qū)不同地力上的施氮量對超級稻產(chǎn)量及干物質(zhì)生產(chǎn)的影響，高地力農(nóng)田在各個生育期都有相對應(yīng)較好的群體質(zhì)量，包括適宜的葉面積指數(shù)、 合理的莖蘗動態(tài)、 較高的群體穎花量及花后干物質(zhì)的積累。另外大部分相關(guān)研究主要涉及不同施肥耕作栽培制度下土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分和產(chǎn)量的動態(tài)變化。例如，劉恩科等[7]研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮、 全磷、 速效氮、 速效磷、 速效鉀等肥力指標(biāo)呈正相關(guān)。農(nóng)田高的氮供應(yīng)條件能夠促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高葉面積，促進(jìn)穗的生長，提高穗粒數(shù)和粒重，最終提高產(chǎn)量[8]。以上研究對不同土壤基礎(chǔ)肥力條件下玉米的生長和產(chǎn)量構(gòu)成涉及較少，同時缺乏對高土壤肥力和肥料投入對玉米產(chǎn)量的促進(jìn)機(jī)制進(jìn)行對比。本研究選取了華北平原魯中玉米產(chǎn)區(qū)三塊具有不同肥力水平，且存在產(chǎn)量差異的農(nóng)田，采用統(tǒng)一的管理模式，用以明確基礎(chǔ)肥力差異對玉米生長和產(chǎn)量構(gòu)成的影響。同時在基礎(chǔ)肥力條件最差的農(nóng)田設(shè)置在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)習(xí)慣施肥量下增加肥料投入量的試驗，用于對比高基礎(chǔ)養(yǎng)分和肥料投入對玉米產(chǎn)量的促進(jìn)機(jī)制差異。

1　材料與方法

1.1試驗點概況

試驗點位于山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站(北緯36°09′37″，東經(jīng)117°09′18″，海拔130 m)。試驗地主要種植制度為: 小麥-玉米輪作，該地區(qū)為糧食高產(chǎn)區(qū)。土壤母質(zhì)為河相沖積物，土壤類型為沖積始成土。泰安屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13℃。7月份氣溫最高，平均26.4℃； 1月份最低，平均-2.6℃。年平均降水量697 mm，主要集中在7月至9月。

表1為2010年至2012年6月至9月的降雨量。氣象數(shù)據(jù)來源于距離試驗地1 km的氣象站。2010年、 2011年和2012年6月至9月降雨量分別為489、 607和342 mm，2011年最多，2012年最少。2010年的降雨主要集中在8月(227 mm)和9月份(122 mm)，6月(46 mm)和7月(94 mm)相對不足，而2012年降雨集中在7月(211 mm)。

表1　2010至2012年6月到9月月平均降雨量 (mm)

1.2試驗設(shè)計

本研究共設(shè)置兩個試驗，試驗一，選取了試驗站范圍內(nèi)具有不同基礎(chǔ)土壤肥力，且具有產(chǎn)量差異的三塊農(nóng)田作為試驗處理，各塊農(nóng)田面積均大于300 m2，為方便論述，按照農(nóng)田基礎(chǔ)肥力自高到低將各農(nóng)田依次命名為A、 B和C農(nóng)田。

三塊農(nóng)田的基礎(chǔ)養(yǎng)分含量和機(jī)械組成如表2所示，在三塊農(nóng)田中，A農(nóng)田的粉粒含量最高，B農(nóng)田的砂粒含量最高，C農(nóng)田的粘粒含量最高。A農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)、 全氮、 潛在礦化氮、 有效磷和速效鉀含量均高于B和C農(nóng)田。C農(nóng)田的潛在礦化氮和有效磷含量在三塊農(nóng)田中最低，顯著低于A，B農(nóng)田對應(yīng)含量。

表2　不同肥力農(nóng)田土壤剖面0—20 cm土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量和機(jī)械組成

注(Note): OM—土壤有機(jī)質(zhì)Organic matter; TN—全氮含量Total N content; PMN—潛在礦化氮Potential mineral N. 數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年份處理間差異顯著 (P< 0.05) Values followed by different letters mean significant differences among the treatments in the same year (P< 0.05).

在每塊試驗地中設(shè)置三個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)長10 m，寬3 m，其中3 m×3 m區(qū)域作物測產(chǎn)區(qū)域，剩余區(qū)域為取樣區(qū)域。三個農(nóng)田處理采用完全一致的田間管理，試驗于2009年10月初種植冬小麥開始至2012年9月底收獲夏玉米結(jié)束，共計三季冬小麥和夏玉米。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)方式進(jìn)行田間管理。冬小麥播種時間為10月上旬，收獲時間為6月中旬。耕作方式為深耕，秸稈還田。冬小麥在耕地前施入底肥N 84 kg/hm2、 P2O590 kg/hm2、 K2O 75 kg/hm2，對應(yīng)肥料分別為尿素、 過磷酸鈣和氯化鉀，在拔節(jié)期追肥N 126 kg/hm2; 夏玉米每年6月下旬播種，9月下旬收獲，品種為鄭單958，行距60 cm，密度為每公頃66000株。耕作方式為免耕。夏玉米僅拔節(jié)期一次性撒施尿素210 kg/hm2。2011和2012年夏玉米播種前澆水75 mm，2010年沒有澆水。

實驗二，在2010季玉米試驗結(jié)束后，根據(jù)A，B和C農(nóng)田的產(chǎn)量情況和基礎(chǔ)性質(zhì)測定結(jié)果，在產(chǎn)量最低，土壤肥力相對最差的C農(nóng)田設(shè)置了三個氮水平試驗，分別為常規(guī)的施肥處理，在常規(guī)施氮量210 kg/hm2下增施氮40和80 kg/hm2處理，兩個增施氮肥處理分別命名為C+N40和C+N80。增施氮量根據(jù)農(nóng)田A、 B和C之間的耕層潛在礦化氮量差異計算而來。施用氮素肥料為尿素，小麥季隨底肥施入，玉米季在拔節(jié)期撒施。

1.3測定項目和方法

在2010年玉米收獲后，用直徑為4 cm的土鉆在取樣小區(qū)里取0—20 cm土樣3鉆，將土樣混合均勻，風(fēng)干，過2 mm篩，用于測定基礎(chǔ)性質(zhì)，機(jī)械組成，有機(jī)質(zhì)、 全氮、 有效磷、 速效鉀。機(jī)械組成采用吸管法測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用外熱源法測定; 土壤全氮采用半微量開氏法測定。土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗吸光光度法。速效鉀為1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法。土壤無機(jī)氮含量每個關(guān)鍵生育期測定一次，用土鉆取0—20 cm土壤鮮樣，1 mol/L的KCl溶液浸提，用流動分析儀(SEAL XY-2 SAMPLER)測定。土壤潛在礦化氮采用好氣培養(yǎng)法測定，取兩份相同質(zhì)量15 g風(fēng)干土樣，一份直接用1 mol/L的KCl溶液浸提測定無機(jī)氮含量，另一份用蒸餾水浸濕后，在350C下恒溫培養(yǎng)14天后浸提測定土壤的無機(jī)氮含量，通過好氣培養(yǎng)過的土樣無機(jī)氮含量減去未培養(yǎng)的土樣無機(jī)氮含量計算得出土壤潛在礦化氮[12]。

地上部干物質(zhì)的測量，在小區(qū)內(nèi)選取代表大多數(shù)玉米生長情況的植株5棵，切碎，在105℃下殺青1小時，然后在75℃下烘干至恒重，烘干重量通過植株密度轉(zhuǎn)化為單位面積的干物質(zhì)量。葉面積指數(shù)的測定，在作物的不同生育期分別取5株代表性的植株，在植株原位量取每個葉片的長度和寬度，通過長×寬×校正因子0.75計算每個葉片面積，進(jìn)一步計算每株的葉面積，再通過植株密度轉(zhuǎn)化為葉面積指數(shù)。玉米的地上部干物質(zhì)和葉面積指數(shù)分別在拔節(jié)期、 抽雄期、 乳熟期和完熟期四個時期測定。干物質(zhì)的積累速率用相鄰兩個干物質(zhì)測定時期的干物質(zhì)量之差除以兩次取樣間隔天數(shù)來獲得。在玉米成熟后，先數(shù)預(yù)定3 m×3 m區(qū)域內(nèi)的玉米穗數(shù)，將所有玉米穗人工收獲，曬干(含水量約為14%)，脫粒，稱重，計算玉米的產(chǎn)量，再取出1000粒測定玉米千粒重。通過產(chǎn)量、 穗數(shù)和粒重進(jìn)一步計算出穗粒數(shù)。收獲指數(shù)為產(chǎn)量與完熟期干物質(zhì)量的比值。

本研究數(shù)據(jù)分析，不同處理之間的比較用SPSS17.0軟件采用LSD多重比較法。

由于小麥為分蘗植物，土壤肥力差異和增施肥料對小麥生長和產(chǎn)量構(gòu)成的影響與玉米有所不同，同時為了使文章更加簡練，本研究主要分析討論玉米部分。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤硝態(tài)氮含量動態(tài)

由于旱地土壤無機(jī)氮中的銨態(tài)氮含量很低，因此本文僅對硝態(tài)氮含量進(jìn)行分析討論。不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理0—20 cm土壤在不同生育期的硝態(tài)氮含量如圖1所示，A、 B和C農(nóng)田之間的硝態(tài)氮含量沒有顯著性差異。C農(nóng)田增施氮肥則顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量，尤其是施肥后的拔節(jié)期和抽雄期對應(yīng)的硝態(tài)氮含量差異最大。其中在2011年和2012年抽雄期，C+N80處理較常規(guī)施肥處理，土壤硝態(tài)氮含量分別高出196%和227%。

圖1　低肥力農(nóng)田增施氮肥處理玉米不同生育期表層土壤硝態(tài)氮含量Fig.1　Nitrate contents in 0-20 cm soil layer at different growth stages of maize under different treatments in the field C with low fertility[注(Note): BS—播種前Before sowing; JS—拔節(jié)期Jointing stage; TS—抽雄期Tasseling stage; MS—乳熟期Milk stage; PM—完熟期Physiological maturity; 柱上不同字母表示同一生育期處理間差異顯著(P<0.05) Different letters above the column mean significant differences among the treatments at the same stage (P <0.05).]

2.2玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成

不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理的玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素如表3所示。各農(nóng)田產(chǎn)量在所有年份大小依次為A農(nóng)田>B農(nóng)田>C農(nóng)田，三塊地三年年均產(chǎn)量分別為9116、 8465和7576 kg/hm2，農(nóng)田A分別較B和C高7.7%和20.3%。2011年和2012年農(nóng)田C常規(guī)處理，處理C+N40和C+N80年均產(chǎn)量分別為7713、 8606和9029 kg/hm2。C+N40和C+ N80 處理產(chǎn)量較農(nóng)田C常規(guī)處理分別提高了11.6%和17.1%。最高施氮量C+N80處理產(chǎn)量低于A農(nóng)田水平，該處理2011年和2012年玉米產(chǎn)量分別較A農(nóng)田低8.1%和5.5%。

農(nóng)田A、 B和C之間每公頃穗數(shù)沒有顯著差異，穗粒數(shù)整體高低依次為A>B>C，2010年的穗粒數(shù)低于2011年和2012年，這與2010年玉米播前未灌溉且六、 七月份降水量低造成大喇叭口期干旱有關(guān)。農(nóng)田C增施氮肥顯著提高了每公頃穗數(shù)，2012年C+N80處理每公頃穗數(shù)為7.11×104個，高出常規(guī)施肥處理的19.0%; 2011年，C+N80處理穗粒數(shù)達(dá)到465粒，提高了7.4%。三塊農(nóng)田千粒重大小依次為A>B>C， 2010年、 2011年和2012年，農(nóng)田A的千粒重分別304.3 g、 293.3 g和334.7 g，均顯著高于農(nóng)田C對應(yīng)的281.5 g、 273.6 g和309.8 g，農(nóng)田B介于兩者之間。農(nóng)田C增施氮肥處理的千粒重增加并不明顯。2010年由于遭遇干旱，收獲指數(shù)相對偏低，其中農(nóng)田A最低，僅為0.494，農(nóng)田C最高為0.538。2011年和2012年氣候條件正常，農(nóng)田A、 B和C之間的收獲指數(shù)差異不大。農(nóng)田C增施氮肥則顯著降低了收獲指數(shù)，2011和2012年C+N80處理收獲指數(shù)分別0.495和0.50，兩年平均比農(nóng)田C常規(guī)施肥處理低8.2%。

表3　不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理玉米產(chǎn)量構(gòu)成和收獲指數(shù)

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年份處理間差異顯著(P<0.05) Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments in the same year (P<0.05).

圖2　不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理玉米不同生育期干物質(zhì)重Fig.2　Biomass at different growth stages of maize in different fertility fields and the nitrogen treatments in the low fertility field[注(Note): JS—拔節(jié)期Jointing stage; TS—抽雄期Tasseling stage; MS—乳熟期Milk stage; PM—完熟期Physiological maturity; 柱上不同字母表示同一生育期處理間差異顯著Different letters above the column mean significant differences among the treatments in the same stage (P<0.05).]

2.3干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)

由圖2可知，在各個年份整個生育期玉米干物質(zhì)重大小依次為農(nóng)田A>B>C，農(nóng)田A在成熟期干物質(zhì)量介于16166和19033 kg/hm2之間，農(nóng)田B介于14797和17067 kg/hm2之間，農(nóng)田C介于13566和14653 kg/hm2之間。農(nóng)田C增施氮肥提高了各個時期玉米的干物質(zhì)量，2011年和2012年，C+N40處理成熟期干物質(zhì)量分別為15586和17643 kg/hm2，C+N80處理成熟期干物質(zhì)量分別為16798和19467 kg/hm2，其中C+N80處理已接近A農(nóng)田水平。

不同年份玉米不同時期的干物質(zhì)積累速率大小均為農(nóng)田A>B>C，農(nóng)田C增施氮肥處理提高了各個時期的干物質(zhì)積累速率(圖3)。從玉米出苗至乳熟期，低肥力農(nóng)田C增施氮肥處理的玉米干物質(zhì)積累速率略低于高肥力農(nóng)田A的干物質(zhì)積累速率; 在乳熟期至成熟期，前者反而高于后者，2011年和2012年C+N80處理乳熟至成熟期的干物質(zhì)積累速率分別為144.8和188.1 kg/(hm2·d)，較A農(nóng)田分別高出14.2%和22.7%。

圖3　不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理玉米不同生育時期干物質(zhì)積累速率Fig.3　Biomass accumulation rates at different maize growth stages of maize in different fertility fields and the nitrogen treatments in the filed with low fertility[注(Note): VE—播種前Before sowing; JS—拔節(jié)期Jointing stage; TS—抽雄期Tasseling stage; MS—乳熟期Milk stage; PM—完熟期Physiological maturity.]

圖4　不同肥力農(nóng)田和低肥力農(nóng)田增施氮肥處理玉米不同生育期葉面積指數(shù)Fig.4　Leaf area index (LAI) at different growth stages of maize in different fertility fields and the nitrogen treatments in the low fertility filed[注(Note): JS—拔節(jié)期Jointing stage; TS—抽雄期Tasseling stage; MS—乳熟期Milk stage; PM—完熟期Physiological maturity. 柱上不同字母表示同一生育期處理間差異顯著Different letters above the bars mean significant differences among the treatments at the same stage (P<0.05).]

由圖4可知，玉米在抽雄期葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，農(nóng)田A最大葉面積指數(shù)介于4.58和4.7之間，農(nóng)田B介于4.18和4.23之間，農(nóng)田C介于3.79和3.88之間。在所有年份以及整個玉米生育期，玉米葉面積指數(shù)大小依次為農(nóng)田A>B>C。增施氮肥顯著提高了農(nóng)田C玉米的葉面積指數(shù)，但還未達(dá)到農(nóng)田A的水平。以抽雄期為例，C+N80處理2011年和2012年葉面積分別為4.20和4.39，分別比對應(yīng)農(nóng)田C常規(guī)施肥處理高8.1%和26.4%，但分別比對應(yīng)農(nóng)田A低8.7%和5.1%。

3　討論

3.1不同基礎(chǔ)肥力農(nóng)田的土壤性質(zhì)和硝態(tài)氮含量動態(tài)特征

農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力很大程度上影響著農(nóng)作物的生長和最終產(chǎn)量[1]。粉粒含量、 有機(jī)質(zhì)、 全氮、 潛在礦化氮、 Olsen-P以及速效鉀均與產(chǎn)量呈正相關(guān)(r分別為0.991、 0.644、 0.735、 0.993、 0.920、 0.786)，其中粉粒含量和潛在礦化氮與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)最高；籽粒含量與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)(r=0.628)。本研究三塊農(nóng)田，農(nóng)田A具有高的有機(jī)質(zhì)，全氮以及速效鉀含量與農(nóng)田A高的產(chǎn)量保持一致，但是這些性質(zhì)并不能很好反映農(nóng)田B和C的產(chǎn)量水平，這與農(nóng)田的顆粒組成差異密切相關(guān)。研究表明，由于砂性土壤能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，因此質(zhì)地偏砂的土壤對應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮含量較低，質(zhì)地偏粘的土壤對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)、 全氮含量偏高[14]。農(nóng)田B土壤質(zhì)地偏砂，農(nóng)田C土壤質(zhì)地偏粘，導(dǎo)致農(nóng)田B有機(jī)質(zhì)和全氮含量低于農(nóng)田C。研究表明華北平原地區(qū)Olsen-P高于10 mg/kg時，土壤磷并不是限制土壤肥力的主要因子[16]。本研究中最低的農(nóng)田C其Olsen-P也高達(dá)15.6 mg/kg，盡管Olsen-P與產(chǎn)量呈正相關(guān)，本文不認(rèn)為Olsen-P含量的差異造成了各農(nóng)田產(chǎn)量的差異。華北地區(qū)潮土潛在礦化氮一般不超過20 mg/kg[17]，且土壤礦化氮與產(chǎn)量相關(guān)性很好[18]。本研究中三塊農(nóng)田均在這個范圍內(nèi)，潛在礦化氮最能直接反映農(nóng)田的供氮能力，因此潛在礦化氮可能是造成本研究三塊農(nóng)田產(chǎn)量差異的最關(guān)鍵因子。本研究中試驗二的增施氮量也是根據(jù)耕作層礦化氮量差異而確定的，即通過增施氮肥來彌補(bǔ)低肥力農(nóng)田與高肥力農(nóng)田礦化氮量的差異。實驗二中低地力農(nóng)田增施氮肥顯著提升了產(chǎn)量也明確了低肥力農(nóng)田土壤氮素供應(yīng)能力不足。

硝態(tài)氮含量直接反映旱作農(nóng)田土壤的氮素水平。由于各農(nóng)田投入的氮肥量一致，同時農(nóng)田A玉米產(chǎn)量高，生物量大，玉米從土壤中的吸氮量也較大，農(nóng)田A高的土壤礦化氮與高的玉米吸氮量相互抵消，因此使得各農(nóng)田之間硝態(tài)氮含量沒有顯著差異。在低肥力C農(nóng)田上增施氮肥顯著了提高土壤中的硝態(tài)氮含量，提高了土壤的氮素水平，從而有利于玉米的生產(chǎn)力形成，這部分結(jié)果與大量的肥料試驗一致[4]。然而高的硝態(tài)氮含量無疑會增加硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險，容易造成環(huán)境污染[3]。

3.2不同基礎(chǔ)肥力水平農(nóng)田的玉米生產(chǎn)力特征

高土壤肥力和增施肥料對玉米生長和產(chǎn)量的促進(jìn)效果是不一樣的。本研究中，高肥力農(nóng)田各產(chǎn)量要素公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重均高于低肥力農(nóng)田，其中農(nóng)田A的三年平均公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重分別較農(nóng)田C高出5.7%、 5.2%和7.8%。各農(nóng)田之間的肥力差異與潛在礦化氮緊密相關(guān)，土壤氮礦化過程隨時進(jìn)行，即高肥力農(nóng)田土壤在任何時刻都具有更高的氮素供應(yīng)能力，因而高土壤肥力對產(chǎn)量構(gòu)成的促進(jìn)更加全面。增施肥料主要通過增加公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)來增加產(chǎn)量，其中C+N80處理兩年平均公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重相比農(nóng)田C常規(guī)施肥處理高9.2%、 4.6%和2.7%。從土壤硝態(tài)氮含量變化可以看出，在施肥后的兩個時期拔節(jié)期至抽雄期，C+N80處理的土壤硝態(tài)氮含量要遠(yuǎn)高于農(nóng)田C常規(guī)施肥處理，這兩個時期正是玉米穗發(fā)育形成的時期，因此使得C+N80處理具有較高的公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)，到了灌漿成熟期，肥料的效應(yīng)減弱，土壤中的硝態(tài)氮含量差異減弱，因此C+N80處理對應(yīng)的千粒重增加程度較小。張軍等在類似的不同土壤肥力和氮肥處理水稻試驗研究認(rèn)為，高肥力農(nóng)田對應(yīng)的穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著高于低肥力農(nóng)田，但千粒重差別不大; 而對應(yīng)的肥料處理中，隨著氮肥投入增加，穗數(shù)和穗粒數(shù)隨著肥料的增加顯著，而千粒重反而降低[6]，該結(jié)論與本文結(jié)論略有不同，但趨勢是一致的。這種不同可能與水稻是分蘗作物，穗數(shù)對養(yǎng)分更加敏感有關(guān)。

高的土壤基礎(chǔ)肥力農(nóng)田在整個生育季都具有高的干物質(zhì)積累速率。增施氮肥處理在施肥后的生育時期擁有高的干物質(zhì)積累速率，同時在施肥前的時期也擁有高的干物質(zhì)積累速率，這與前季肥料在土壤中的殘留后效有關(guān)[4,19]。在成熟期，不同肥力水平農(nóng)田的常規(guī)施肥處理對應(yīng)的干物質(zhì)積累速率均明顯小于增施氮肥處理，這可能與過多施用氮肥，使得玉米貪青晚熟有關(guān)[20]。從收獲指數(shù)上看，不同肥力水平農(nóng)田常規(guī)施肥處理的收獲指數(shù)相對穩(wěn)定，其中2010年受干旱脅迫除外，干旱降低了收獲指數(shù)。C農(nóng)田增施氮肥處理的收獲指數(shù)隨著施氮量增加而下降，可見增施氮肥會導(dǎo)致玉米貪青晚熟，導(dǎo)致成熟期積累的干物質(zhì)并沒有完全轉(zhuǎn)移到籽粒上來，從而降低了收獲指數(shù)。

4　結(jié)論

高基礎(chǔ)肥力農(nóng)田通過持續(xù)礦化出更多的氮素來提高土壤供氮能力，通過全面提升玉米的公頃穗數(shù)、 穗粒數(shù)和千粒重來提升產(chǎn)量。增施氮肥的措施則通過提高了土壤的硝態(tài)氮含量來提高土壤供氮能力，該措施主要通過提升公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)來增加產(chǎn)量，但產(chǎn)量依然達(dá)不到高養(yǎng)分農(nóng)田的水平，同時會造成玉米貪青晚熟，降低收獲指數(shù)。雖然通過肥料管理能夠彌補(bǔ)農(nóng)田土壤肥力水平低造成的產(chǎn)量偏低，但兩者對產(chǎn)量的促進(jìn)作用是有區(qū)別的，與此同時，增施肥料造成土壤硝態(tài)氮含量增加會增加環(huán)境風(fēng)險，因此玉米高產(chǎn)過程中，應(yīng)更多考慮改善農(nóng)田基礎(chǔ)肥力，同時結(jié)合良好的肥料管理。

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Dissimilarity in yield components of maize grown in different fertility fields and effect of nitrogen application on maize in low fertility fields

LIU Hai-tao, LI Bao-guo*, REN Tu-sheng, HU Ke-lin

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

【Objectives】 Crop yields are affected by both soil fertility and fertilizer application. Thus it is necessary to evaluate the productivity under different soil fertility conditions and fertilizer application. 【Methods】 Two field experiments were conducted consecutively in three years. Three fields with different basic fertility and yield levels were selected which named field A, B and C, and the soil fertility sequence was field A>B>C. Same crop management practice was applied in the three fields. Three nitrogen treatments were designed in field C with the lowest soil fertility. The treatments included conventional treatment (nitrogen application 210 kg/hm2), and the treatments with 40 kg/hm2and 80 kg/hm2more nitrogen input at the jointing stage of maize. Nitrate contents at 0-20 cm soil layers, biomass accumulation and LAI at critical growth stages, yield and its components, and soil basic properties were measured. 【Results】 Permanent mineral nitrogen had the highest correlation coefficient with maize yield compared with other soil properties. There were no significant differences of the nitrate contents in fields with different fertility. The nitrate contents in the treatments with more nitrogen input were significantly higher than that in the conventional treatment in the field C at the jointing stage, and the nitrate content difference was greatest at the tasseling stage. The yield, ears numbers, kennel numbers per ear and thousand kennel weight were all increased as the soil fertility promoted. The yield, ear numbers, kennel numbers per ear and thousand kennel weight in field A were 20.3%, 5.7%, 5.2% and 7.8% higher than those in field C. When more nitrogen was input in the lower soil fertility field, the yield, ear numbers, kennel numbers per ear were increased, while the harvest index was decreased. The yield, ear numbers, kennel numbers per ear and harvest index in the treatment with 80 kg/hm2more nitrogen input were 17.1%, 9.2%, 4.6% and -8.2% higher than those in the conventional treatment in the field C. 【Conclusions】 More mineral nitrogen used for maize uptake was mineralized, and the yield was promoted through the increase of ear numbers, kennel numbers per ear and thousand kennel weight in the higher soil fertility field. The methods of input more nitrogen at the jointing stage can significantly increase the soil nitrate contents from the jointing stage to tasseling stage, which was helpful to the ear growth in the lower soil fertility field. So the yield was promoted through the increase of ear numbers and kennel numbers per ear. However, the yield still cannot reach the level of the high fertility field, and harvest index was decreased. What is more, environmental pollution risk was increased when the soil nitrate content was increased. Generally, both soil basic fertility improvement and optional fertilizer input should be considered for high yield maize cultivation.

soil basic fertility; potential mineral nitrogen; nitrate nitrogen; maize; yield

2015-05-18接受日期: 2016-03-16

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)(2009CB118607)資助。

劉海濤(1986—)， 男， 浙江麗水人， 博士， 主要從事農(nóng)業(yè)資源高效利用研究。Tel: 028-84796435， E-mail: liuht1986@163.com

E-mail: libg@cau.edu.cn

S158.3; S513

A

1008-505X(2016)04-0897-08