優(yōu)化施氮對(duì)夏玉米產(chǎn)量及水氮利用的影響

李升東，馮波，韓偉，李文杰，李宗新，王宗帥，李華偉，畢香君，司紀(jì)升，張賓

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東濟(jì)南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，山東 濟(jì)南 250100）

玉米為中國的主要糧食作物，還是食品、飼料和工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的重要原料，在保障國家糧食安全中占有重要地位［1，2］。現(xiàn)今，由于受農(nóng)業(yè)從業(yè)人口素質(zhì)和農(nóng)田零碎度較高的影響，黃淮海地區(qū)作物生產(chǎn)過程中氮肥施用量變異較大［3］，農(nóng)戶主要通過增施肥料來提高產(chǎn)量，然而過量施肥不僅不能增產(chǎn)，而且形成農(nóng)業(yè)面源污染，威脅生態(tài)環(huán)境，這與玉米生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的發(fā)展方向不符，因而玉米合理施肥一直是研究熱點(diǎn)之一［4］。

近幾十年來，人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)高產(chǎn)目標(biāo)，在很大程度上過量施用化肥，加上施用不合理等問題，造成產(chǎn)量和效率的不協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)量提升的同時(shí)肥料利用效率顯著下降，甚至已對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響［5-7］。目前，世界范圍內(nèi)氮肥的平均利用率約為33%［8］。張福鎖等［9］研究報(bào)道，我國主要農(nóng)作物水稻、小麥、玉米的氮肥利用率遠(yuǎn)低于國際平均水平，其中玉米僅為26.1%。近年研究發(fā)現(xiàn)肥料運(yùn)籌、種植密度、土壤條件以及其它農(nóng)業(yè)管理均可以縮減產(chǎn)量差距，提升肥料利用效率［10-12］。通過優(yōu)化施肥，能夠在提高氮素利用效率的同時(shí)增加 13% ～15%的產(chǎn)量［13］。夏來坤等［14］研究表明，在氮肥管理策略上既要保證前期氮素供給、確保植株健壯生長(zhǎng)，又要保證后期植株生長(zhǎng)所需氮素。夏玉米拔節(jié)以后進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段，干物質(zhì)積累加快，對(duì)氮肥的需求量較大。可見，合理的施肥技術(shù)，仍是提高作物產(chǎn)量的重要手段。

目前，對(duì)于夏玉米施肥技術(shù)的研究較多，但大多數(shù)局限于單季施氮量和栽培措施對(duì)作物生理特性及干物質(zhì)積累的影響。而關(guān)于夏玉米氮肥施用方式對(duì)作物產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和水分利用率等綜合影響的研究相對(duì)較少。因此，本研究以鄭單958和登海618為試驗(yàn)材料，從夏玉米種植大省——山東省境內(nèi)選取泰安和德州2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，探究農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮（FN）、專家施氮（SN）和優(yōu)化施氮（ON）3種施氮處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量和水氮利用率的影響，以期為山東省夏玉米肥料的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2017—2018年分別在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)和德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試土壤類型為棕壤，質(zhì)地壤土，各試驗(yàn)點(diǎn)降水狀況和土壤基礎(chǔ)肥力見表1和表2。供試玉米品種為鄭單958（ZD958）和登海605（DH605）。供試氮磷鉀復(fù)合肥（N-P2O5-K2O＝26-11-11），簡(jiǎn)寫為 FHF，含氮 26%；金正大緩控釋肥（N-P2O5-K2O ＝28-12-10），簡(jiǎn)寫為 JZD，含氮28%；普通尿素，簡(jiǎn)寫為NS，含氮46%。

表1 生育期進(jìn)程及降水狀況

表2 兩試驗(yàn)點(diǎn)土壤基礎(chǔ)肥力狀況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)點(diǎn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)和品種均設(shè)置3種施氮處理：農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮（FN）、專家施氮（SN）和優(yōu)化施氮（ON），具體施肥量見表3。施肥方式為根部滴灌，不施肥處理以清水進(jìn)行滴灌，每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積8.0m×4.5 m＝36 m2。播種和收獲時(shí)間如表1，其它田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

表3 各處理施肥量 （kg／hm2）

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)累積量測(cè)定 在玉米大喇叭口期、授粉期和收獲期，分別從每小區(qū)選取3～5株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，放入105℃烘箱中殺青1 h，之后于80℃烘干至恒重，冷卻后用電子天平稱重，測(cè)定干物質(zhì)含量。

1.3.2 葉面積指數(shù)測(cè)定 分別于大喇叭口期、授粉期、灌漿期和收獲期每處理選取15株長(zhǎng)勢(shì)一致的代表性植株，測(cè)其葉片長(zhǎng)和寬，計(jì)算葉面積指數(shù)。單株葉面積＝葉長(zhǎng)×葉寬×0.75；LAI（葉面積指數(shù)）＝（單株葉面積×小區(qū)株數(shù)）／小區(qū)面積。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定 玉米成熟后，按小區(qū)收獲、測(cè)產(chǎn)，并隨機(jī)選取20穗玉米考種，測(cè)定玉米群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

玉米產(chǎn)量 （kg／hm2）＝公頃收獲穗數(shù) ×穗粒數(shù) ×千粒重（g）×10-6×［1-子粒含水量（%）］／（1-14%）。

1.3.4 全生育期耗水量測(cè)定 根據(jù)下列公式［9］計(jì)算：

ETc＝P＋I(xiàn)＋ΔS-R-D 。

式中：ETc為作物騰發(fā)量即耗水量（mm）；P為降水量（mm）；I為全生育期灌水量（mm）；ΔS為0～100 cm土層播種前后土體貯水量的變化（mm）；R為地表徑流量（mm）；D為深層滲漏量（mm）。本試驗(yàn)滴灌條件下不會(huì)形成地表徑流，而且灌水定額較低，不會(huì)形成深層滲漏，因此R和D忽略不計(jì)。

相關(guān)指標(biāo)計(jì)算［15］如下：

水分利用效率（kg／m3）＝產(chǎn)量／作物全生育期耗水量；氮肥偏生產(chǎn)力 （PFPN，kg／kg）＝玉米產(chǎn)量／施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用 Microsoft Excel軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，利用SigmaPlot13.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥處理玉米干物質(zhì)積累的變化

由圖1可知，泰安和德州兩試驗(yàn)點(diǎn)不同氮肥處理玉米的干物質(zhì)積累隨著生育進(jìn)程均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是授粉期至收獲期增長(zhǎng)最迅速。大喇叭口期，泰安專家施氮處理的干物質(zhì)積累量最高，優(yōu)于農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和優(yōu)化施氮處理，德州3個(gè)處理的干物質(zhì)積累量基本相同；授粉期，泰安農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和優(yōu)化施氮處理的干物質(zhì)積累要優(yōu)于專家施氮處理，德州優(yōu)化施氮處理干物質(zhì)積累量最高，優(yōu)于專家施氮和農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理；收獲期，泰安和德州兩地干物質(zhì)積累量最高的均為優(yōu)化施氮處理。玉米干物質(zhì)積累最快的時(shí)間段是在授粉期與收獲期之間，而在這一時(shí)期最利于干物質(zhì)積累的是優(yōu)化施氮處理，所以整體來看，優(yōu)化施氮是玉米干物質(zhì)積累的最優(yōu)處理。

圖1 不同氮肥處理玉米干物質(zhì)積累的變化

2.2 不同氮肥處理玉米葉面積系數(shù)的變化

從圖2可以看出，鄭單958和登海605兩個(gè)品種的葉面積系數(shù)整體變化比較相似，大喇叭口期葉面積系數(shù)最低，之后迅速增長(zhǎng)，授粉期達(dá)到最高，收獲期顯著降低，但仍明顯高于大喇叭口期。不同氮肥處理不同生育時(shí)期兩品種的葉面積系數(shù)也有差異，DH605生育前期FN和SN處理葉面積系數(shù)高于ON處理，授粉期之后則表現(xiàn)為ON處理明顯高于FN和SN處理；ZD958在生育前期3個(gè)處理的葉面積系數(shù)差異較小，授粉期后則表現(xiàn)為ON處理明顯高于FN和SN。整個(gè)生育期看，優(yōu)化施氮處理優(yōu)于傳統(tǒng)施氮和專家施氮處理。

圖2 不同氮肥處理玉米葉面積系數(shù)的變化

2.3 不同氮肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化

由表4看出，2017年兩試驗(yàn)點(diǎn)不同品種的3個(gè)施氮處理中均為優(yōu)化施氮處理（ON）產(chǎn)量最高，ON處理氮肥施用量最少，群體穗數(shù)和千粒重也最高。2018年泰安，鄭單958專家施氮處理產(chǎn)量最高，但與ON處理差異不顯著，群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重也最高；登海605專家施氮和優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量基本一致，但優(yōu)化施氮處理的群體穗數(shù)和千粒重優(yōu)于專家施氮處理。2018年德州，鄭單958優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，但與SN處理差異不顯著，群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重也最高；登海605優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，但3個(gè)處理間差異不顯著。另外，試驗(yàn)中產(chǎn)量超過10 000 kg／hm2的3個(gè)處理都在德州，其中優(yōu)化施氮處理占2／3，專家施氮處理占1／3。總體比較3個(gè)施氮處理的產(chǎn)量水平，優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量最高，兩個(gè)品種平均比傳統(tǒng)施氮處理高9.8%，比專家施氮處理高3.3%。

2.4 不同氮肥處理夏玉米水分利用率的變化

從圖3可以看出，鄭單958，泰安和德州兩地都表現(xiàn)為優(yōu)化施氮處理的水分利用率最高，其中泰安水分利用率最低的是農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理，德州水分利用率最低的是專家施氮處理。登海605，泰安和德州兩地水分利用率最高的也都是優(yōu)化施氮處理。鄭單958的水分利用效率高于登海605，德州的水分利用率普遍高于泰安，優(yōu)化施氮條件下鄭單958在德州的水分利用率最高達(dá)21.4 kg／m3。總體來看，3個(gè)施氮處理中優(yōu)化施氮處理水分利用效率最高，兩個(gè)品種平均比農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理高12.0%，比專家施氮處理高8.3%。

表4 不同氮肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的差異

2.5 不同氮肥處理夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力的變化

由圖4可知，鄭單958，泰安和德州兩地都表現(xiàn)為優(yōu)化施氮處理氮肥偏生產(chǎn)力最高，農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮處理最低。登海605，泰安和德州兩地氮肥偏生產(chǎn)力最高的也都是優(yōu)化施氮處理。鄭單958的氮肥偏生產(chǎn)力稍優(yōu)于登海605，德州的氮肥偏生產(chǎn)力普遍高于泰安，優(yōu)化施氮條件下鄭單958在德州的氮肥偏生產(chǎn)力最高達(dá)66.7 kg／kg。總體來看，3個(gè)施氮處理中優(yōu)化施氮處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高，兩個(gè)品種平均比傳統(tǒng)施氮處理高31.0%，比專家施氮處理高24.0%。

圖3 不同氮肥處理夏玉米水分利用效率的差異

圖4 不同氮肥處理夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）的差異

3 討論與結(jié)論

氮素是植物必需的營養(yǎng)元素，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起關(guān)鍵性作用。研究表明，夏玉米生育期吸肥能力強(qiáng)，對(duì)肥料需求量大［2］，在一定范圍內(nèi)隨施氮量的增加夏玉米干物質(zhì)積累量增加，產(chǎn)量也隨之增加［16］。大面積作物生產(chǎn)上，后期追施氮肥大多依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，缺少時(shí)效性和針對(duì)性，農(nóng)民無法確定準(zhǔn)確的追肥時(shí)期和追肥量［17］。因此，采用科學(xué)簡(jiǎn)便的施肥指導(dǎo)技術(shù)、合理運(yùn)籌氮肥是實(shí)現(xiàn)玉米優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和減輕氮素環(huán)境污染的重要保障措施。楊國航等［18］研究表明，前期施肥能夠促進(jìn)營養(yǎng)庫的建成，延后施肥對(duì)花后干物質(zhì)積累有利，因此，合理平衡玉米前后期肥料的供應(yīng)，才能發(fā)揮植株庫容和供給源的潛力，構(gòu)建良好的庫／源比達(dá)到高產(chǎn)。呂鵬等［19］研究認(rèn)為，綜合考慮產(chǎn)量、植株和子粒對(duì)氮素的吸收利用及轉(zhuǎn)運(yùn)，采用分次施肥、灌漿期適量施氮可以顯著提高產(chǎn)量和氮素利用率，促進(jìn)花前氮素向子粒轉(zhuǎn)運(yùn)和花后子粒氮素同化。本研究發(fā)現(xiàn)，降低前期基肥投入，大喇叭口期和吐絲期分別追施尿素的優(yōu)化施氮處理可以明顯提高玉米產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、水分利用率、干物質(zhì)積累和葉面積系數(shù)等。其具體施肥措施為：以氮磷鉀復(fù)合肥（26-11-11）300 kg／hm2為基肥，大喇叭口期追施尿素75 kg／hm2，吐絲期追施尿素120 kg／hm2，總施氮量為168.0 kg／hm2。本研究中降低氮肥用量的基礎(chǔ)與黃淮海地區(qū)農(nóng)田土壤無機(jī)氮含量較高有關(guān)［20］，土壤內(nèi)含有的無機(jī)氮足以供給玉米初期生長(zhǎng)，而前期減少基肥用量，采用大喇叭口期和吐絲期追肥方式正好彌補(bǔ)土壤和基肥后期肥力不足問題，如果初期施氮過多，而此時(shí)玉米無法吸收，就造成肥料浪費(fèi)。

不同施氮量對(duì)作物干物質(zhì)積累、葉面積系數(shù)和產(chǎn)量等的影響不同。郭占全等［21］研究表明，氮肥可增加玉米植株的干物質(zhì)積累量，但過量施氮?jiǎng)t會(huì)抑制其干物質(zhì)積累生成。王進(jìn)軍等［22］發(fā)現(xiàn)，氮肥可以通過延緩玉米葉片的衰老，進(jìn)而提高葉面積指數(shù)，并且有助于玉米干物質(zhì)的形成，而干物質(zhì)正是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。吳亞男等［23］發(fā)現(xiàn)增施氮肥有利于提高葉面積，但氮肥過高則導(dǎo)致生育后期葉面積指數(shù)下降迅速，不利于干物質(zhì)的積累。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量較少的優(yōu)化施氮處理干物質(zhì)積累、葉面積系數(shù)和產(chǎn)量等優(yōu)于施氮量較多的農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮和專家施氮處理。這與前人研究相似，表明施氮量過多可能會(huì)抑制玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，從而降低產(chǎn)量。

追氮時(shí)期是決定作物產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的重要因素。易鎮(zhèn)邪等［24］發(fā)現(xiàn)肥料氮主要在吐絲前發(fā)揮作用，基施氮主要在拔節(jié)至大喇叭口期發(fā)揮作用，追施氮主要在大喇叭口至吐絲期發(fā)揮作用，氮肥利用率隨追施氮量增大而提高。孫燕等［25］研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整中后期施氮量，更有利于咖啡果的增產(chǎn)，氮肥過量在咖啡結(jié)束一個(gè)生長(zhǎng)周期后帶來的是氮素凈損失，且施肥量越高損失越大。孫占祥等［26］研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面硝態(tài)氮含量的變化因施氮量和玉米生育時(shí)期的不同而表現(xiàn)出差異，過量施氮不但影響土壤中硝態(tài)氮累積量，也影響其移動(dòng)深度。本研究發(fā)現(xiàn)前期減少基肥用量，采用大喇叭口期和吐絲期追肥方式，可以提高玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力。這與前人的研究相似，表明合理的后期追肥有利于玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的提高。

另外，水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必要因素。施肥能提高土壤水分利用效率和保水力，提供植株更多的有效水［27］。而水分不足則會(huì)抑制植物根系的生長(zhǎng)，降低根系的吸收面積和吸收能力，木質(zhì)部液流粘滯性增大，從而降低養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸［28］，合理控制水肥用量，對(duì)指導(dǎo)作物生產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義［29］。本研究通過基施加大喇叭口期、吐絲期兩次追施，實(shí)現(xiàn)氮肥供給與玉米生長(zhǎng)發(fā)育的精準(zhǔn)匹配，為玉米水肥一體化的精準(zhǔn)投入和水肥管理技術(shù)的提高提供了參考。