單株限域定量施肥實(shí)現(xiàn)夏玉米一次性施肥的可行性

冀保毅， 程 琴， 李躍偉， 衛(wèi)云飛， 雷振山， 李傳保

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000； 2.豫南植物有害生物綠色防控院士工作站，河南信陽(yáng) 464000)

玉米是中國(guó)主要糧食作物之一，2007年玉米播種面積超過(guò)稻谷成為中國(guó)播種面積最大的糧食作物。氮素是玉米生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，施用氮素能夠提高玉米產(chǎn)量。在一定的施氮量范圍內(nèi)，隨著氮肥用量的增加玉米的產(chǎn)量會(huì)隨之增加[1]，但是施氮量過(guò)高將會(huì)降低氮素利用率和產(chǎn)量[2]。若盲目提高施氮量會(huì)造成氮素大量流失，這種做法不僅浪費(fèi)農(nóng)業(yè)資源，也會(huì)污染環(huán)境[3]。中國(guó)黃淮海地區(qū)，夏玉米生長(zhǎng)季相對(duì)較短，氮肥分次施用技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中將會(huì)傷害玉米植株并增加用工成本。農(nóng)民傾向于一次性將整個(gè)玉米生長(zhǎng)季所需肥料作為基肥結(jié)合播種施入土壤中，這會(huì)導(dǎo)致氮肥利用率低下[4]。因此，在農(nóng)學(xué)領(lǐng)域中如何提高氮肥的利用效率成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]。前人研究結(jié)果表明，在肥料劑型方面將尿素用難溶性物質(zhì)進(jìn)行包裹[6]或在尿素中添加脲酶抑制劑[7]均能夠有效提高氮肥利用效率；在施肥技術(shù)方面通過(guò)分次施肥[8]、氮肥深施[9]、水肥一體化[10]等技術(shù)也能夠提高氮肥的利用效率。然而這些技術(shù)仍然難以滿足人們不斷提升的施肥技術(shù)需求。以往施肥技術(shù)均沒(méi)有考慮作物根系在吸收土壤養(yǎng)分方面的主動(dòng)性。作物的根系在耕層土壤中呈上高下低不均勻分布狀態(tài)，在0～20 cm耕層土壤中作物的根量占其總根量的70%～90%[11]。玉米的根系長(zhǎng)度和伸展空間與肥料利用效率關(guān)系密切[12]，玉米能夠改變根系構(gòu)型來(lái)吸收土壤中分布不均勻的養(yǎng)分以滿足個(gè)體生長(zhǎng)需要[13]。因此，在肥料施用技術(shù)上，我們可以在滿足玉米個(gè)體需肥量的前提下，調(diào)控肥料施用空間和位置來(lái)改進(jìn)當(dāng)前的施肥方法。本試驗(yàn)假設(shè)將肥料的施用空間限定起來(lái)，相對(duì)封閉的空間能夠保證玉米全生育期內(nèi)足夠的養(yǎng)分供應(yīng)，同時(shí)限制氮肥淋失，而玉米能夠改變其根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)來(lái)吸收被限制的肥料養(yǎng)分，從而提高肥料利用效率，降低施肥量。為此，本研究開(kāi)展單株限域定量施肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率影響的試驗(yàn)，以期為開(kāi)發(fā)新型施肥技術(shù)和實(shí)現(xiàn)玉米生產(chǎn)中減肥增效目標(biāo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2016年在河南省鄧州市羅莊鎮(zhèn)肖營(yíng)村試驗(yàn)田進(jìn)行。該試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土(m沙粒∶m粉?！胢黏粒=24 ∶52 ∶24)。試驗(yàn)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.62 g/kg，全氮含量為1.13 g/kg，速效磷含量 14.05 mg/kg，速效鉀含量135.71 mg/kg。試驗(yàn)田所在地的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年降水量為723 mm，降水季節(jié)分布不均。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為T(mén)1：不施氮肥(對(duì)照)，T2：?jiǎn)沃晗抻蚨渴┓?，T3：常規(guī)分次施肥。不施氮肥處理將磷肥和鉀肥作為底肥結(jié)合耕作一次性施入土壤中，不施氮肥。常規(guī)施肥處理氮肥的40%、磷肥、鉀肥作為底肥結(jié)合耕作一次性施入土壤中，剩下60%的氮肥在玉米拔節(jié)后作為追肥溝施。單株限域定量施肥處理的肥料采用側(cè)下方施基肥方式，將每株玉米所需的肥料全部裝入塑料杯中，用細(xì)土填滿塑料杯，把塑料杯中肥料和土壤混勻。在將要播種玉米的位置開(kāi)挖 20 cm 深的穴，把裝滿土壤和肥料的塑料杯口向上垂直放入穴中，用土壤填滿塑料杯周?chē)⒃谒芰媳戏礁采w3 cm厚的土壤。玉米種子的播種深度在3～5 cm，玉米種子放置在橫向距離塑料杯口邊沿大于 2 cm 處，然后用土壤填滿整個(gè)土穴。除對(duì)照處理不施氮肥外，單株限域定量施肥處理和常規(guī)施肥處理的氮、磷、鉀施用量分別為N 240 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，其中氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為 56 m2，3次重復(fù)。玉米品種為鄭單958，分別于2014年6月5日、2015年6月8日播種，播種行距為60 cm，株距為25 cm，種植密度為 60 000株/hm2，分別于2014年10月2日、2015年10月7日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

播前在試驗(yàn)田用5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm耕層混合土壤樣品，風(fēng)干后混勻過(guò)20目、60目篩，用于測(cè)定土壤常規(guī)養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤速效磷含量用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤全氮用凱氏定氮法測(cè)定。玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)采集有代表性的玉米植株樣品3株，分根、莖、葉和穗烘干稱(chēng)質(zhì)量，在105 ℃下殺青15 min，接下來(lái)在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量。將烘干后樣品粉碎用于測(cè)定不同器官養(yǎng)分含量。植株全氮用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾定氮法測(cè)定；植株全磷用鉬黃比色法測(cè)定；植株全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定[14]。

在玉米吐絲期采集每個(gè)小區(qū)有代表性植株的穗位葉，去除葉片主脈后用錫箔紙包好，迅速用液氮冷凍用于測(cè)定酶活性。硝酸還原酶活性采用磺胺比色法測(cè)定，以30 ℃下1 h內(nèi)NO3-經(jīng)還原形成NO2-的量作為1個(gè)酶活性單位。谷氨酰胺合成酶活性采用比色法測(cè)定，以30 ℃下1 h內(nèi)形成 1 μmolγ-谷氨?；u肟酸的量作為1個(gè)酶活性單位[15]。

1.4 考種與測(cè)產(chǎn)

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)收獲玉米50穗，裝入網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室，曬干后考種并折算產(chǎn)量。隨機(jī)從50穗玉米中取10穗用于考種，調(diào)查千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)，然后將每個(gè)小區(qū)的玉米籽粒干質(zhì)量以14%的含水量折算玉米產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤由每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

氮肥農(nóng)學(xué)效率=(施氮肥區(qū)產(chǎn)量-不施氮肥區(qū)產(chǎn)量)/施氮肥量×100%；

氮肥利用率=(施氮肥區(qū)植株地上部氮素積累量-不施氮肥區(qū)植株地上部氮素積累量)/施氮肥量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 單株限域定量施肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

從表1可以看出，施用氮肥能夠顯著增加夏玉米的千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、干物質(zhì)量和產(chǎn)量，與對(duì)照相比T2處理夏玉米的千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、干物質(zhì)量、產(chǎn)量分別增加6.1%、8.7%、21.3%、17.1%，T3處理比對(duì)照分別增加4.5%、8.5%、15.3%、15.4%。T2處理的夏玉米產(chǎn)量各項(xiàng)指標(biāo)略高于T3處理，與T3處理相比T2處理的夏玉米產(chǎn)量和氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率分別增加1.7百分點(diǎn)、0.5 kg/kg，但處理間差異不顯著。表明與分次施肥技術(shù)相比，單株限域定量施肥處理沒(méi)有導(dǎo)致夏玉米產(chǎn)量下降，但能實(shí)現(xiàn)減少夏玉米施氮次數(shù)。

表1 不同施肥方式對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，表2、表3同。

2.2 單株限域定量施肥對(duì)夏玉米植株養(yǎng)分積累量的影響

從表2可以看出，施用氮肥能夠顯著增加夏玉米植株體內(nèi)氮磷鉀的積累量，與對(duì)照相比，T2處理夏玉米植株氮磷鉀的積累量分別增加47.8%、38.4%、29.6%，T3處理夏玉米植株氮磷鉀的積累量分別增加44.3%、36.0%、26.9%。與T3處理相比T2處理的氮肥利用率增加2.1百分點(diǎn)，而T2、T3處理間夏玉米植株的氮素積累量差異不顯著。表明單株限域定量施肥與分次施肥技術(shù)同樣能夠促進(jìn)夏玉米對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收。

表2 不同施肥方式對(duì)夏玉米植株氮磷鉀積累量的影響

2.3 單株限域定量施肥對(duì)夏玉米葉片谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶活性的影響

從表3可以看出，與對(duì)照相比，施用氮肥T2、T3處理夏玉米吐絲期的葉片硝酸還原酶活性、谷氨酰胺合成酶活性均顯著提高，與T1處理相比，T2處理夏玉米葉片的硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性分別提高 29.6%、17.9%，T3處理分別提高20.0%、14.1%。單株限域定量施肥能夠滿足夏玉米生育后期的氮素需求，與T3處理相比，T2處理在夏玉米生育后期葉片的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性分別提高8.0%、3.4%，但2處理間2個(gè)指標(biāo)間差異均不顯著。表明施氮能夠促進(jìn)吐絲期夏玉米葉片的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性，單株限域定量施肥處理與常規(guī)分次施肥處理同樣能使夏玉米植株在生育后期的氮代謝維持在一個(gè)較高的水平。

表3 不同施肥方式對(duì)夏玉米葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性的影響

3 討論與結(jié)論

作物生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)養(yǎng)分主要來(lái)自于農(nóng)田土壤礦化和施肥，科學(xué)的施肥技術(shù)是將肥料的特點(diǎn)和作物需肥規(guī)律結(jié)合起來(lái)，使作物在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠從耕層土壤中持續(xù)獲得能夠滿足自身生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分，最終實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和成本低廉[16]。黃淮海地區(qū)夏玉米在小麥?zhǔn)斋@后播種，在播種前將氮磷鉀肥料結(jié)合旋耕一次施入農(nóng)田土壤，或是將氮肥分為基肥和追肥兩部分施用。夏玉米生育期氣溫較高，氮肥被施入農(nóng)田土壤后容易通過(guò)硝態(tài)氮淋失和氨揮發(fā)等方式損失掉，土壤中的尿素、碳酸氫銨、硫酸銨和硝酸銨等肥料均容易流失，從而降低其利用效率。不同的施肥方法對(duì)氮肥利用率的影響程度不一致。氮肥作為基肥一次性施入土壤常常導(dǎo)致玉米在生育后期氮素缺乏影響其生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。習(xí)慣上將氮肥分為基肥和追肥2次施用，雖然能夠提高基肥中氮肥的利用率，但是在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的開(kāi)溝追肥過(guò)程往往會(huì)增加施肥成本并給夏玉米植株帶來(lái)機(jī)械損傷。在夏玉米生產(chǎn)上甚至有農(nóng)民直接將尿素在降雨前后直接撒在農(nóng)田表面作為追肥?？紤]到作物根系在土壤中分布不均勻，能夠在土壤養(yǎng)分不均的環(huán)境找到并吸收自身所需的養(yǎng)分，本研究結(jié)合氮肥在土壤中淋溶損失的特點(diǎn)和作物根系特性，合理配置每株玉米生長(zhǎng)所需的氮磷鉀肥料，將其置入塑料杯連同杯子施入土中，用塑料杯內(nèi)空間將非氣態(tài)氮素限制起來(lái)，塑料杯內(nèi)尿素所形成的硝態(tài)氮在隨雨水下滲和側(cè)向流動(dòng)受阻，將溶于水的養(yǎng)分儲(chǔ)存起來(lái)持續(xù)為夏玉米生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，從而實(shí)現(xiàn)減少夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的施肥次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，單株限域定量施肥處理夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用率均略高于常規(guī)分次施肥處理，表明該技術(shù)思路能夠?qū)崿F(xiàn)維持夏玉米高產(chǎn)并減少施肥次數(shù)的目標(biāo)。

硝酸還原酶是作物進(jìn)行氮代謝的關(guān)鍵酶之一，該酶參與催化作物體內(nèi)NO3-轉(zhuǎn)化為氨基酸的過(guò)程，作物體內(nèi)該酶活性的高低與植株體內(nèi)氮素同化速度快慢相關(guān)[17]。谷氨酰胺合成酶是一種參與作物體內(nèi)各種氮代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)酶[18]。前人研究表明，在玉米生育后期養(yǎng)分充足的條件下，高產(chǎn)田中夏玉米葉片內(nèi)的硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶將保持較高活性，確保其生育后期的氮代謝過(guò)程維持在一個(gè)較高的水平[19]。本研究結(jié)果表明，單株限域定量施肥技術(shù)處理處于吐絲期的夏玉米葉片內(nèi)硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性均比常規(guī)施肥方式略有提高，表明該技術(shù)能夠促進(jìn)夏玉米生育后期植株體內(nèi)的氮素吸收和氮同化能力，這對(duì)夏玉米產(chǎn)量和氮素利用率的提高有重要作用。

單株限域定量施肥技術(shù)能夠顯著提高夏玉米的氮肥利用率及生育后期葉片的硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，同時(shí)顯著提高玉米穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。單株限域定量施肥處理夏玉米的各項(xiàng)指標(biāo)均略高于分次施肥處理，表明該技術(shù)在一定程度上能夠促進(jìn)夏玉米對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收和利用。本試驗(yàn)為驗(yàn)證單株限域定量施肥技術(shù)思路在玉米生產(chǎn)上是否可行，因此暫用塑料杯作為限制可溶性肥料在土壤中隨水運(yùn)移的容器對(duì)該思路開(kāi)展初步驗(yàn)證試驗(yàn)。鑒于在夏玉米生產(chǎn)實(shí)踐中要考慮環(huán)境污染、材料成本和農(nóng)業(yè)機(jī)械化等因素，將來(lái)需要對(duì)該技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究，使之能夠滿足當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏、簡(jiǎn)化施肥過(guò)程、減少施肥量和環(huán)保等需求，如用能夠改良土壤的材料研制能夠代替塑料杯的容器、將玉米播種施肥程序合二為一和開(kāi)發(fā)能夠機(jī)械化掩埋限域容器的機(jī)械等。

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