氮肥施用和地膜覆蓋對旱作春玉米氮素吸收及分配的影響

王澤林，白 炬，李 陽，岳善超,2，李世清,2*

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

春玉米是黃土塬旱作農業區重要的糧食作物之一，黃土高原地區降雨資源短缺，水分是限制旱地作物產量最主要的因素[1]。由于地膜在改善土壤水熱狀況進而促進作物生長發育及提高作物產量等方面的突出作用[2-4]，已經廣泛應用于黃土高原旱作玉米栽培。而合理施用氮肥對提高玉米產量和氮肥利用率具有重要意義。

玉米籽粒產量是由生育期內干物質及養分的累積、分配和轉移特性所決定的。前人圍繞施氮量對玉米干物質和氮素累積和運轉報道較多，但結論不一致。李廣浩等[5]研究表明，黃淮海區域施氮量在0～360 kg/hm2范圍時，群體干物質累積量、植株氮素總累積量及花后氮素同化量均隨著施氮量的增加而增加；Liu等[6]研究表明，在黃土旱塬地區覆膜栽培條件下，施氮量在0～250 kg/hm2范圍時，春玉米氮素累積量、干物質累積量和花后干物質累積量隨施氮量增加而顯著提高；Meng等[7-8]研究指出，與農戶常規產量水平相比，高產條件下干物質總累積量顯著增加，且玉米花后干物質累積比例和氮素累積比例增加更為顯著。鄭偉等[9]研究報道，增施氮肥雖提高玉米營養體氮素轉運量和轉運效率，但對籽粒氮的貢獻率則保持在50.8%～62.9%；而曹國軍等[10]研究表明超高產玉米籽粒中77.52%的氮素由營養器官轉運；但Osaki等[11]研究表明過量氮素運轉則導致玉米葉片早衰及光合能力下降，不利于產量的提高；何萍等[12]認為，隨氮肥用量的增加玉米營養器官的氮素運轉率呈先增加后降低趨勢。雖然圍繞地膜覆蓋和施氮玉米對氮素吸收利用、干物質累積和產量的影響開展了大量研究，但玉米品種、栽培措施和產量水平的不同，施氮量對干物質累積及花后干物質累積與氮素累積、分配和轉移影響均不同。

近年來，李世清課題組構建了黃土旱塬地區旱地春玉米高產高效栽培模式，該模式基于全膜雙壟溝種植技術，通過Hybrid-Maize模型優化品種、播期和密度，實現旱作春玉米15 t/hm2左右產量水平，該體系適宜施氮量為250 kg/hm2[13-15]。但是氮肥施用和地膜覆蓋對該地區高產春玉米 (產量15 t/hm2) 干物質累積及氮素累積、分配和轉移的影響研究較少，而且地膜覆蓋對其影響不清楚。本研究通過2年大田試驗，以春玉米“先玉335”為供試品種，探討黃土旱塬地區地膜覆蓋和氮肥施用對高產春玉米干物質累積動態及氮素吸收分配及產量的影響，為合理施氮與產量協同提高提供理論依據。

圖1 2016和2017年春玉米生長季降雨量和日均氣溫Fig. 1 Precipitation and daily average temperature during spring maize growing seasons in 2016 and 2017

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2016—2017年在中國科學院水利部水土保持研究所長武黃土高原農業生態試驗站進行。該站位于陜西省咸陽市長武縣洪家鎮王東村(35°12′N，107°40′E，海拔 1220 m)，屬典型的旱作農業區，地貌為高原溝壑區，地帶性土壤為黑壚土。試區氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水578 mm (其中73%分布于5—9月，即春玉米生長季)；年均氣溫9.7℃ (5—9月平均溫度為19.0℃)，無霜期171 d。試驗開始前0—20 cm土壤理化性質為有機質14.1 g/kg、土壤全氮0.9 g/kg、礦質氮10.5 mg/kg、有效磷15.9 mg/kg、速效鉀136.7 mg/kg、pH為8.4。2016年和2017年春玉米生育期日均氣溫和降雨情況如圖1所示，兩年春玉米生育期總降水量分別為374 mm和364 mm。

1.2 試驗設計

試驗在地膜覆蓋 (FM) 和不覆蓋 (NM) 兩種條件下設置4個施氮水平，氮素用量分別為0 (對照N0)、100 (施氮不足 N100)、250 (適宜施氮 N250) 和400 kg/hm2(過量施氮N400)，共8個處理，處理代號分別為 FM-N0、FM-N100、FM-N250、FM-N400、NM-N0、NM-N100、NM-N250和NM-N400。采用隨機區組排列，重復3次。玉米品種為“先玉335”，種植密度85000株/hm2，采用寬窄行雙壟溝種植模式，寬行60 cm，窄行40 cm。

氮肥為含氮量46%的尿素，分3次施入，其中40%作為基肥，30%于十葉期追施，30%于吐絲期追施。磷肥為過磷酸鈣，每公頃施純磷40 kg；鉀肥為硫酸鉀，每公頃施純鉀80 kg。基施氮肥和磷、鉀肥，于播前撒施于地表后翻耕。

2016年4月24日播種，9月15日收獲計產；2017年4月25日播種，9月14日收獲計產。分別在玉米六葉期 (V6)、十葉期 (V10)、吐絲期 (R1)、乳熟期(R3) 及完熟期 (R6) 采集植株樣品。十葉期時，將植株按器官分為葉和莖兩部分；吐絲期，將植株按器官分為葉、莖及穗；在乳熟期和完熟期將植株按器官分為葉、莖、籽粒和穗軸及苞葉。所有樣品在105℃下殺青30 min后，在80℃下烘至恒重，稱干重后，用粉碎機粉碎植物樣品，測定植株全氮含量。

表1 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米產量及其產量構成因素的影響Table 1 Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on yield and yield component of spring maize

1.3 計算公式

氮素累積量 (kg/hm2) = 氮素含量 × 干物質質量氮素轉移量 (kg/hm2) = 吐絲期營養器官氮素最大累積量 - 成熟期氮素累積量

氮素轉移率 = (氮素轉移量/吐絲期營養器官氮素最大累積量) × 100%

轉移氮素對籽粒的貢獻率 = (氮素轉移量/成熟期籽粒氮素累積量) × 100%

氮肥農學效率 (kg/kg，N) = (施氮處理產量 - 不施氮處理產量)/施氮量

氮肥偏生產力 (kg/kg，N) = 產量/施氮量

氮收獲指數 = 成熟期籽粒氮素累積總量/成熟期植株氮積累總量 × 100%

1.4 數據分析

試驗數據利用Excel和Origin Pro 2015進行整理，SAS 9.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米產量的影響

由表1可知，氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米籽粒產量。相同覆蓋措施條件下，春玉米產量均以N250處理最高，顯著高于N0和N100處理，在地膜覆蓋條件下過量施氮沒有進一步提高籽粒產量，而不覆蓋條件下過量施氮顯著降低了籽粒產量。在相同施氮量條件下，地膜覆蓋處理的產量均顯著高于不覆蓋處理，以N250處理為例，FM-N250處理產量比NM-N250處理高68.9%(2016 年) 和 130% (2017 年)。

氮肥施用和地膜覆蓋對產量構成因素也有影響。氮肥施用顯著提高每公頃穗數，2016年N400與N250處理公頃穗數顯著高于N0處理，但N100、N250和N400處理差異不顯著；地膜覆蓋和氮肥施用與地膜覆蓋二因素互作對公頃穗數無顯著影響，而2017年地膜覆蓋對公頃穗數影響達極顯著水平(P ＜ 0.01)，氮肥施用與地膜覆蓋二因素互作對公頃穗數影響達顯著水平，與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下N100、N250和N400處理穗數增加幅度分別為40.2%、20.7%和25.5%。氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高穗粒數和百粒重。相同覆蓋措施下，N250和N400處理穗粒數顯著高于N100和N0處理，但N250和N400處理無顯著差異。在地膜覆蓋條件下，N400和N250處理百粒重顯著高于N100和N0處理，但不覆蓋條件下，N400與N250處理百粒重顯著高于N0處理，N100、N250和N400處理間差異不顯著。

造成氮肥施用和地膜覆蓋對產量和產量構成要素的影響存在年際差異的原因主要是土壤含水量和氣象因素。2017年不覆蓋處理播前土壤含水量顯著低于2016年，且2017年播種到出苗階段無降雨(圖1)，導致2017年不覆蓋條件下出苗率低于2016年。2017年不覆蓋處理由于六葉期至吐絲期降雨量較2016年低57.2 mm，土壤水分含量較2016年顯著降低，造成干旱脅迫，可能會影響到玉米的雌穗分化，同時也導致隨后開花、授粉受到嚴重影響；隨著生育期推進，耗水進一步增加，土壤水分含量進一步下降，吐絲期是玉米需水關鍵期，也是穗粒數形成的關鍵時期，對水分脅迫最敏感，土壤水分含量下降導致氮素吸收受到抑制進而影響有效粒數的形成，導致2017年不覆蓋處理穗數和穗粒數及產量顯著低于2016年。而地膜覆蓋提高降雨截獲效率，抑制土壤水分無效蒸發及具有增溫保墑作用，使春玉米吐絲期提前，從而減輕了這種不利影響，使得兩年地膜覆蓋處理穗粒數差異較少。

圖2 春玉米不同生育時期干物質累積變化趨勢Fig. 2 Dry matter accumulation curves of spring maize at different growth stages

2.2 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米干物質累積的影響

圖2表明，各處理春玉米干物質累積動態呈相同的變化趨勢，均呈“S”型曲線，吐絲期至灌漿期玉米干物質累積速率最快，其次是十葉期至吐絲期，灌漿期至成熟期干物質累積速率趨于平緩，成熟期干物質量達到最大值。氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米各生育時期干物質累積量。吐絲期前各生育時期，地膜覆蓋條件下N250和N400處理干物質累積量顯著高于N100處理，而不覆蓋條件下N100和N250和N400處理間無顯著差異。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋使春玉米吐絲期提前7～10天，N100、N250和N400處理吐絲期干物質累積量增加幅度分別為6.78%、38.3%和69.8% (2016年)，91.9%、65.1%和69.6% (2017年)。

氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米花后干物質累積量及累積比例。地膜覆蓋條件下，N100處理花后干物質累積量為6.36 t/hm2(2016年) 和8.97 t/hm2(2017年)，花后累積比例為51.1% (2016年) 和51.6% (2017年)，N250處理花后干物質累積量及累積比例顯著高于N100處理，N250處理花后干物質累積量為13.5 t/hm2(2016年)和14.1 t/hm2(2017年)，花后干物質累積比例為58.8% (2016年) 和59.9% (2017年)，但N250與N400處理無顯著差異。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋N100、N250和N400處理花后干物質累積量增幅分別為35.0%、108%和164% (2016年)，165%、182%和188% (2017年)，花后累積比例增幅分別為10.2%、20.9%和24.4% (2016年)，15.0%、28.4%和30.4% (2017年)；不覆蓋條件下，N250花后干物質累積量最大分別為6.47 t/hm2(2016年) 和5.29 t/hm2(2017年)，顯著高于N0、N100和N400處理，而N400處理花后干物質累積量顯著高于N100處理，但N100、N250和N400處理花后干物質累積比例維持在41.3%～48.7%。

圖3 春玉米不同生育時期地上部氮素累積變化趨勢Fig. 3 Aboveground N accumulation curves of spring maize at different growth stages

2.3 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米氮素累積的影響

春玉米氮素累積量變化趨勢與干物質累積變化趨勢相似，各處理春玉米氮素累積動態均呈現“S”型曲線 (圖3)。氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米各生育時期氮素累積量。N100、N250和N400處理各生育時期氮素累積量顯著高于N0處理，但N400和N250處理差異不顯著。吐絲期前各生育時期，地膜覆蓋條件下N250和N400處理氮素累積量顯著高于N100處理，而不覆蓋條件下僅2017年十葉期N250和N400處理氮素累積量顯著高于N100處理。在吐絲期，與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下N100、N250和N400處理吐絲期氮素累積量增加幅度分別為11.0%、62.8%和83.1%(2016年)，151%、78.5%和81.6% (2017年)。

氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米花后氮素累積量。地膜覆蓋條件下，施氮處理花后氮素累積比例為51.1%～54.9%，N400處理花后氮素累積量及累積比例最高，花后累積量為157 kg/hm2(2016年) 和142 kg/hm2(2017年)，花后累積比例為54.9% (2016年) 和52.9% (2017年)，N250與N400處理無顯著差異，但N250和N400處理花后氮素累積量顯著高于N100處理。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋N100、N250和N400處理花后氮素累積量增加幅度分別為52.0%、98.6%和197% (2016年)，216%、133%和199% (2017年)，花后累積比例增幅分別為17.9%、10.5%和28.0% (2016年)，12.6%、13.7%和30.5% (2017年)；不覆蓋條件下，施氮處理花后氮素累積比例為40.5%～48.2%，N250處理花后氮素累積量和累積比例最大，花后氮素累積量為61.9 kg/hm2(2016 年) 和 57.9 kg/hm2(2017 年)，花后累積比例為47.3% (2016年) 和48.2% (2017年)，但N400與N250處理間花后氮素累積量無顯著差異，均顯著高于N100處理。

表2 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米氮素轉運的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on nitrogen translocation of spring maize

2.4 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米氮素轉運效率的影響

從表2可以看出，春玉米氮素轉移量、轉移氮素貢獻率葉片均高于莖稈。氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作顯著提高春玉米莖和葉氮素轉移量，在相同覆蓋措施下，莖和葉氮素轉移量均以N250處理最高，顯著高于N0和N100處理，但過量施氮并沒有進一步提高莖和葉的氮素轉移量。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下N100、N250和N400處理莖氮素轉移量增幅分別為44.2%、96.3%和75.4%(2016年)，209%、136%和110% (2017年)，N100、N250和N400處理葉氮素轉移量增幅分別為49.3%、87.1%和113% (2016年)，248%、113%和130%(2017年)。地膜覆蓋條件下，N250和N400處理莖氮素轉移量與N100處理相比分別提高了111%和133% (2016年)，67.8%和51.4% (2017年)，N250和N400處理葉轉移量與N100處理相比分別提高了108%和146% (2016年)，64.0%和53.5%(2017年)。不覆蓋條件下，N250和N400處理莖氮素轉移量與N100處理相比分別提高了54.8%和91.3% (2016年)，120%和123% (2017年)，N250和N400處理葉氮素轉移量與N100處理相比分別提高了65.6%和72.6% (2016年)，168%和132% (2017年)。但氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作對轉移氮素貢獻率和氮素轉移率影響不顯著。

表3 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米氮素利用效率的影響Table 3 Effects of N application rates and plastic film mulching on nitrogen utilization efficiency of spring maize

2.5 氮肥施用和地膜覆蓋對春玉米氮素利用效率的影響

由表3可知，在相同覆蓋措施條件下，施氮顯著降低了氮肥農學效率和氮肥偏生產力，而地膜覆蓋顯著增加了氮肥農學效率和氮肥偏生產力，二者無交互作用。在相同覆蓋條件下，氮收獲指數均以N250處理最大，但過量施氮N400處理并沒有進一步提高氮收獲指數。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋提高了氮收獲指數，N100、N250和N400處理的增幅分別為22.7%、13.2%和7.63% (2016年)，24.9%、14.9%和14.8% (2017年)，氮肥施用和地膜覆蓋及二因素互作對氮收獲指數均影響顯著。

3 討論

本試驗中地膜覆蓋顯著提高了春玉米的產量，以N250處理為例，地膜覆蓋能實現14.7～14.9 t/hm2的產量，與不覆蓋相比，產量提高68.9%～130%。地膜覆蓋在促進產量提高的同時，顯著提高了氮肥的偏生產力和氮收獲指數。以N250處理為例，地膜覆蓋條件下氮肥偏生產力為59.4 kg/kg (2016年) 和58.7 kg/kg (2017年)，與我國優化管理的高產玉米田的氮肥偏生產力 (平均為57 kg/kg) 基本一致[16]；FMN250處理氮收獲指數最高，分別為75.4% (2016年)和71.1% (2017年)，與美國高產玉米氮收獲指數(76%左右) 基本一致[17]。

水肥運籌與氮素的吸收、轉移及分配有著緊密聯系且存在顯著交互作用，充足的土壤水分是保證旱地氮肥充分發揮肥效的重要因素，對氮肥在土壤中的轉化、遷移、作物吸收以及在體內的代謝均有顯著影響[18-20]。在干旱地區，水分缺乏會通過減少植株氮素吸收、轉移和運輸限制作物生長[21]。本課題組之前結果表明，地膜覆蓋顯著提高了春玉米播前到六葉期5 cm深土壤溫度和0—200 cm土層儲水量，平均土壤溫度較不覆蓋處理在播前到六葉期提高1～1.5℃左右，在六葉期地膜覆蓋處理的平均土壤貯水量較不覆蓋處理高20.4～60.5 mm[14]。在地膜覆蓋條件下，氮肥施用不僅使春玉米苗期全氮含量顯著增加，而且干物質量也顯著增加，說明二因素互作不僅促進氮素吸收，同時促進春玉米苗期生長發育。地膜覆蓋實現了土壤增溫、保水、礦化養分等多種正效應的互作與耦合，使玉米克服了生育前期的低溫、干旱等自然條件的限制，加快玉米營養生長期植株冠層的生長發育速度，提高冠層捕獲的有效光合輻射、玉米光合勢、光合速率及氣孔導度，提前到達吐絲期[22-24]。地膜覆蓋處理不僅較不覆蓋處理春玉米吐絲期提前了7～10天，而且顯著提高春玉米吐絲期氮素累積量和干物質累積量。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下施氮處理花前干物質累積量增幅趨勢與花前氮素累積量增幅趨勢一致。2017年不覆蓋處理十葉期至吐絲期降雨量較2016年低近70 mm，使得2017年不覆蓋處理吐絲期氮素累積量低于2016年，導致2017年吐絲期干物質累積量顯著低于2016年不覆蓋處理。

生育后期同化產物積累是超高產栽培春玉米籽粒產量的主要來源[25]，高產、超高產玉米生育后期具有較高的干物質累積優勢[26]。該研究結果表明地膜覆蓋和氮肥施用二因素互作增加花后干物質累積量和比例。地膜覆蓋處理較不覆蓋處理春玉米吐絲期提前了7～10天，使提前到達吐絲期春玉米具有較高的干物質快速累積速率和較長的干物質迅速累積持續期，二者有機結合顯著提高春玉米花后干物質累積量和比例。地膜覆蓋條件下施氮處理花后干物質量為6.36～14.9 t/hm2，花后累積比例為51.1%～59.9%，而不覆蓋條件下施氮處理花后干物質量為3.58～6.47 t/hm2，花后累積比例為41.3%～48.7%。靳小利等[27]研究表明，高產玉米花后干物質累積比例為60%左右。本研究結果表明，地膜覆蓋條件下N250處理實現14.7～14.9 t/hm2的籽粒產量，其花后干物質累積比例為58.8%～59.9%。

吐絲后氮素累積是籽粒中的氮素重要來源。李婷等[28]研究表明，地膜覆蓋不僅顯著增加春玉米吐絲前氮素累積量，而且顯著增加了吐絲后氮素累積量。葛均筑等[29]研究表明，覆膜和施氮顯著提高各生育時期氮素累積量，但二因素互作僅對吐絲期氮素累積量影響顯著。本研究表明，地膜覆蓋條件下施氮處理春玉米良好的營養建成為春玉米花后氮素吸收和干物質累積奠定良好的基礎，在地膜覆蓋條件下氮肥施用提高花后氮素累積量和比例的效果更顯著，地膜覆蓋條件下施氮處理花后氮素累積量為62.3～157.0 kg/hm2，花后氮素累積比例在51.5%～54.9%，不覆蓋條件下施氮處理花后氮素累積量為22.4～61.9 kg/hm2，花后氮素累積比例在40.5%～48.2%。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下施氮處理具有較高的花后氮素累積優勢，花后氮素累積量高于花前，花后氮素吸收促進玉米花后干物質累積，地膜覆蓋條件下施氮對春玉米生育后期的影響大于前期，為春玉米高產奠定基礎。

籽粒氮素累積是由吐絲后氮素累積和吐絲前累積的氮素再轉移共同作用的結果[17]。本研究表明，玉米養分轉運對籽粒養分的貢獻要大于吐絲后養分累積對籽粒養分的貢獻，玉米養分轉運對籽粒養分的貢獻為50.1%～66.0%。李文娟等[30]研究指出，籽粒中54.5%～60.6%的氮可以依賴于營養體的轉運。氮素轉移量取決于吐絲期可用氮素量和氮素轉移效率[17]，本研究中氮肥施用和地膜覆蓋二因素互作對氮素轉移率無顯著影響。與不覆蓋處理相比，地膜覆蓋條件下施氮處理莖和葉氮素轉移量分別提高44.2%～209%和49.3%～248%。因此吐絲期較高的氮素累積量是營養器官氮素轉移量提高的基礎，地膜覆蓋和氮肥施用二因素互作顯著提高吐絲期氮素累積量，進而提高營養器官的氮素轉移量。

4 結論

氮肥施用和地膜覆蓋互作不僅顯著提高春玉米苗期氮素吸收和干物質累積，而且對春玉米生育后期氮素和干物質累積的影響更大，為高產奠定物質基礎，而氮肥施用和地膜覆蓋二因素協同促進營養器官氮素轉移量，從而提高春玉米籽粒產量和氮收獲指數。