不同覆蓋方式下減氮對玉米生長與氮素吸收、運轉和分配的影響

郭 萍，王子豪，劉斌祥，孔凡磊，袁繼超*

（1.四川農業大學農學院，四川 溫江 611130；2.益陽市農業科學研究所，湖南 益陽 413000）

玉米（Zea mays）是我國第二大作物，是重要的糧、經、飼和工業原料作物［1］，隨畜牧業、深加工業和其他行業的創新和發展，玉米用途不斷擴大，需求持續增加，在農業生產和國民經濟發展中占有越來越重要的地位［2］，如何保證玉米的高產穩產顯得至關重要［3］。由于近年來耕地面積不斷下降，玉米產量增加的瓶頸現象出現，在生產上農民為了進一步提高產量而采用大量施肥的應對措施，特別是重施氮肥［4］。然而，過量施用氮肥在增加玉米產量的同時，也帶來了巨大的經濟損失和環境污染問題，比如溫室效應、水體富營養化、土壤板結、地下水污染等［5-6］已經成為農業可持續發展的嚴重障礙，同時危害人體健康和生存環境［4，7-9］。此外，由于氮肥的過量施用，我國生產上氮肥利用率相對偏低，僅為30%～40%，低于世界平均氮肥利用率（40%～60%）［10］。地膜覆蓋和秸稈覆蓋是旱作地區運用較多的抗旱栽培技術，利用水肥耦合效應，通過覆蓋栽培來緩解氮肥過量施用現狀和維持高產存在一定可能，研究表明，地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能減少土地水分蒸發消耗［11-16］，改善土壤理化性質［17-19］，促進養分吸收［20-22］，最終提高氮肥利用率［20，22-23］、干 物質［24-26］和產量［13，27-29］。前人集中研究了不同覆蓋方式對玉米生長、養分吸收、產量以及土壤溫度和水分的影響，而不同覆蓋方式下玉米氮素吸收、運轉和分配的研究卻很少，更缺少針對減氮增效的系統研究。為此，本研究以常規不覆蓋栽培為對照，研究不同覆蓋方式和氮肥水平對土壤水分、全氮和玉米生長與氮素吸收、轉運、分配及產量的影響，以期為玉米高產和減氮增效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016～2017年在四川省德陽市中江縣合興鄉新建村進行。試驗點（東經104.628°，北緯30.9549°）屬于亞熱帶季風性氣候區，夏季高溫多雨，降水集中，2017年玉米生育期的氣溫、降水量見圖1。本試驗為夏播，試驗地土壤為紫色黏質土，pH為7.55，有機質9.20 g/kg、全氮1.07 g/kg、堿解氮32.89 mg/kg、速效鉀131.03 mg/kg、有效磷3.86 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用氮肥水平×覆蓋方式二因素隨機區組設計，氮肥水平設置3個水平，分別為常規施氮（N10，2016年純氮用量270 kg/hm2，2017年純氮用 量300 kg/hm2）、減 氮20%（N8）、減 氮40%（N6）；覆蓋方式設置3種類型，分別為地膜覆蓋（DM）、秸稈覆蓋（JG）、無覆蓋（NO）；以不施氮肥無覆膜為對照（CK），共10個處理。小區位置和面積固定，3次重復，共30個小區，小區面積19.2 m2（長6 m，寬3.2 m）。

地膜覆蓋采用黑色農用地膜，厚度為0.08 mm；秸稈覆蓋采用小麥秸稈整桿，用量為2.80×103kg/hm2。玉米品種為當地主推的正紅505，5月15日起壟覆蓋后直播，采用寬窄行種植，寬行1.1 m，窄行0.5 m，株距為25 cm，種植密度約50000株/hm2，8月27日收獲。所有試驗處理均施氯化鉀（K2O 60%）150 kg/hm2、過磷酸鈣（P2O512%）600 kg/hm2作底肥，氮肥（普通尿素，N 46%）用量按試驗方案進行，基肥∶追肥=6∶4，分別于播種前和大喇叭口期施用。除播前灌足底水外，整個生育期不灌水；其他田間管理同大田生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分

于玉米拔節期、大喇叭口期和吐絲期，每小區選取3點，采用土鉆垂直取0～20、20～40 cm土層土壤，利用鋁盒烘干法測定各土層土壤水分。

1.3.2 土壤全氮含量

于玉米大喇叭口期和成熟期，每小區選取3點，采用土鉆垂直取0～20、20～40 cm土層土壤，室內風干去雜質，研磨粉碎后過0.25 mm篩，利用凱氏定氮法測定各土層土壤全氮含量。

1.3.3 農藝性狀

于玉米吐絲期，每小區選取有代表性植株4株，測定每株葉面積和莖粗，按照公式計算葉面積（葉面積=長×寬×0.75）；大田測定每小區全區株高和穗位高。

1.3.4 植株干物質重和全氮含量

于玉米吐絲期和成熟期，每小區選取有代表性植株4株，按莖鞘、葉片、雌穗（成熟時分為籽粒、穗軸）和苞葉進行分樣，105℃殺青30 min后，80℃烘至恒重，測定植株干物質重，然后樣品粉碎過0.25～0.149 mm篩，采用凱氏定氮法測定其全氮含量。

按如下公式計算氮素運轉和利用效率：

莖鞘（葉）氮素轉運量=吐絲期莖鞘（葉）氮素積累量-成熟期莖鞘（葉）氮素積累量；

莖鞘（葉）氮素轉運率（%）=莖鞘（葉）氮素轉運量/吐絲期莖鞘（葉）氮素積累量×100；

莖鞘（葉）氮素轉移貢獻率（%）=莖鞘（葉）氮素轉運量/成熟期籽粒氮積累量×100；

氮素收獲指數（%）=籽粒氮積累量/植株總吸氮量×100；

氮素干物質生產效率（kg/kg）=成熟期玉米地上部分干物重/氮素積累總量；

氮肥偏生產力（kg/kg）=籽粒產量/施氮量；氮農學利用率（kg/kg）=（施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量）/施氮量。

1.3.5 考種與計產

玉米成熟后，全小區調查有效穗數，并按照平均穗重法選取20穗考種（穗長、穗粗、穗行數、行粒數、穗粒數、千粒重），然后分小區實收計產。

1.4 數據處理

采用Excel 2010軟件處理數據與作圖，DPS 7.05軟件進行統計分析，LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 覆蓋方式和氮肥水平對土壤水分與全氮含量的影響

2.1.1 對土壤水分的影響

由圖2可看出，隨生育期的推進，各土層土壤水分總體呈先降低后升高的趨勢，大喇叭口期后，土壤水分均較低，這與該時間段少雨干旱天氣有關。

不同玉米生育時期各處理平均值的土壤水分總體表現為：各土層下，秸稈覆蓋＞地膜覆蓋，差異均達顯著水平；不覆蓋處理20～40 cm土層的含水量顯著高于其他處理，0～20 cm土層顯著低于其他處理；說明覆蓋處理有利于減少土壤水分向下流失，提高0～20 cm耕層土壤的含水量。

不同氮肥水平下，各生育期0～20 cm土層土壤水分以秸稈覆蓋較高；20～40 cm土層土壤水分大喇叭口期以秸稈覆蓋最高，吐絲期以不覆蓋處理最高，這可能是吐絲后，由于天氣原因導致覆蓋處理將水分更多截留在淺層土。

2.1.2 對土壤全氮含量的影響

由表1可以看出，大喇叭口期和成熟期土壤0～20 cm土層的全氮含量均顯著高于20～40 cm，分別高21.59%、44.22%，表明土壤全氮有表層富集化的趨勢。氮肥水平、覆蓋方式對各時期土壤全氮含量有顯著影響，而且二者之間存在顯著互作效應。在大喇叭口期和成熟期，土壤全氮含量隨氮肥水平的增加而呈增加趨勢，尤其是大喇叭口期和0～20 cm土層，表明表層土壤和生育前中期土壤全氮含量受氮肥水平的影響更大。在減氮20%條件下，覆蓋有提高土壤全氮含量的趨勢，尤其是0～20 cm土層和大喇叭口期；在減氮40%條件下，秸稈覆蓋有降低深層土壤（20～40 cm）全氮含量的趨勢，導致土壤全氮的表層化。

表1 不同氮肥水平和覆蓋方式對土壤全氮含量的影響（2017年）

2.2 覆蓋方式和氮肥水平對農藝性狀與干物質積累的影響

2.2.1 對農藝性狀的影響

由表2可知，施用氮肥能改善玉米農藝性狀。氮肥水平和覆蓋方式對單株葉面積的影響達極顯著水平，2017年氮肥水平和覆蓋方式及二者的交互作用對株高和莖粗均有顯著或極顯著的影響。隨著氮肥水平的提高，玉米莖粗和單株葉面積增加，與減氮40%處理相比，常規施氮處理的兩年平均值分別提高了10.83%、16.83%，減氮20%處理分別提高了11.42%、9.14%。覆蓋處理可在一定程度上增加玉米的農藝性狀，2017年減氮20%下覆蓋處理單株葉面積與常規施肥下各處理無顯著差異，以地膜覆蓋的作用更強，其株高和莖粗顯著高于同氮肥水平下的無覆蓋處理，且與常規施肥下各處理無顯著差異。可見，氮肥水平和地膜覆蓋能促進玉米植株生長繁茂，為物質積累提供良好的“存儲空間”。

2.2.2 對單株干物質積累的影響

由圖3可知，氮肥水平和覆蓋方式對玉米吐絲期和成熟期的干物質積累均有顯著影響。總體而言，增施氮肥可以促進玉米生長，增加其干物質積累，尤其是2016年的成熟期，與不施氮肥相比，2016年吐絲期和成熟期全氮即常規施氮處理的單株干物質積累量分別提高22.8%和125.8%，2017年相應提高37.9%和52.8%。地膜覆蓋在各氮肥水平下均有促進玉米生長、增加其干物質積累的作用，尤以減氮40%條件下的成熟期提高幅度最大；秸稈覆蓋對吐絲期干物質積累無顯著影響，但在減氮40%條件下有提高成熟期干物質積累的趨勢。

表2 不同氮肥水平和覆蓋方式對玉米吐絲期農藝性狀的影響

2.3 覆蓋方式和氮肥水平對玉米氮素積累、運轉和分配的影響

2.3.1 對氮素積累的影響

由圖4可知，氮肥水平和覆蓋方式可促進玉米對氮素的吸收積累，最終對籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量產生顯著影響。隨著氮肥水平的提高，籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量呈增加的趨勢。覆蓋處理能不同程度地提高籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量，其中以地膜覆蓋處理效果最佳。減氮40%下地膜覆蓋處理的籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量均顯著高于無覆蓋處理；減氮20%下各處理間無顯著差異，但地膜覆蓋處理最高；常規施氮下地膜覆蓋處理最高，秸稈覆蓋處理其次。可見，氮肥水平和地膜覆蓋均能增加玉米對氮素的吸收積累，進而提高籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量。

2.3.2 對各器官氮素運轉與分配的影響

由表3可見，玉米吐絲后莖葉的氮素逐漸向籽粒轉移，其中葉的氮素運轉量、運轉率略高于莖，至成熟期氮素分配百分比表現為籽粒＞莖＞葉＞穗軸+苞葉（圖5）。不同覆蓋方式平均，常規施氮和減氮20%處理莖和葉的氮素運轉量比減氮40%處理分別高55.91%、41.08%和37.45%、16.94%，穗氮素增加量分別高69.30%、82.02%，氮素供應不足會降低玉米莖葉的氮素轉移率，以維持其正常生理活動。至成熟時，玉米莖鞘的氮素分配百分比表現為常規施氮＞減氮20%＞減氮40%，葉片表現為減氮40%＞減氮20%＞常規施氮，穗軸+苞葉表現為常規施氮＞減氮40%＞減氮20%，籽粒表現為減氮20%＞減氮40%＞常規施氮，籽粒的分配比例在66%～68%之間（圖5）。

不同氮肥水平平均，地膜覆蓋處理莖鞘和葉片的氮素運轉量顯著高于秸稈覆蓋和無覆蓋處理，分別高34.19%、36.61%和20.88%、25.97%，穗氮素增加量分別高29.44%、65.18%。至成熟時，莖鞘的氮素分配百分比表現為秸稈覆蓋＞地膜覆蓋＞無覆蓋，葉片和穗軸+苞葉均表現為秸稈覆蓋＞無覆蓋＞地膜覆蓋，籽粒表現為地膜覆蓋＞無覆蓋＞秸稈覆蓋，籽粒的分配比例在65%～68%之間。從以上結果可以看出，覆蓋方式和氮肥水平能夠協同作用調節氮素運轉、分配，地膜覆蓋下較高氮肥水平有利于提高莖和葉氮素的運轉量，提高氮素運轉效率，進而促進穗部氮素的增加，來增加籽粒的分配比例，說明適宜的氮肥水平能促進“源”向“庫”的運輸，這可能與吐絲前氮素的吸收有關。吐絲后至成熟期穗部氮素的增加可能主要來源于植株各器官氮素的運轉和分配。而秸稈覆蓋下高氮肥水平雖然有利于提高莖和葉氮素的運轉量，促進穗部氮素的增加，但氮素運轉效率較低，籽粒的分配比例較低，這可能與吐絲后植株對氮素的吸收有關。氮肥水平和覆蓋方式在莖的氮素運轉量和運轉效率上存在顯著或極顯著的交互效應，地膜覆蓋和減氮20%運籌下，莖的氮素運轉量顯著最高，氮素運轉效率和貢獻率較高。

2.3.3 對氮素生產和利用效率的影響

由表4可見，不同氮肥水平和覆蓋方式能影響氮素生產和利用效率，2016年氮肥水平和覆蓋方式對氮干物質生產效率和氮肥偏生產力均有顯著或極顯著的影響，2017年氮肥水平對氮肥偏生產力有極顯著的影響。不同覆蓋方式平均，隨氮肥水平的增加，氮收獲指數、氮干物質生產效率、氮肥偏生產力和氮農學利用率均表現為降低趨勢。不同氮肥水平平均，氮收獲指數、氮肥偏生產力和氮農學利用率總體表現為地膜覆蓋處理較高，與無覆蓋處理相比，兩年平均分別高2.74%、11.19%和23.25%。由于地膜覆蓋促進了植株氮素吸收和向穗部轉運，氮素積累總量和籽粒含氮量均較大（圖4），因此氮干物質生產效率相對較低，氮收獲指數較高。而秸稈覆蓋雖然在玉米生育中后期促進了植株氮素的吸收，但生物量和氮素向籽粒轉運的效率均較低，導致氮收獲指數和氮干物質生產效率偏低。

表4 不同氮肥水平和覆蓋方式對氮效率的影響

2.4 產量及產量構成

由表5可以看出，氮肥水平和覆蓋方式因在一定程度上影響了玉米的穗長、穗粗、穗粒數和百粒重等穗部性狀而影響玉米籽粒產量。總體而言，玉米籽粒產量隨氮肥水平的提高而增加，但增產的幅度逐漸降低甚至不增加，兩年趨勢一致，其中2016年的效果更明顯，這與2016年前期雨水少、干旱較重有關。在減氮條件下進行覆蓋，尤其是2016年的地膜覆蓋具有顯著的增產效果，在低氮條件下秸稈覆蓋有一定增產效果，但在高氮條件下因影響苗期生長而導致減產；兩年的試驗中，在減氮20%條件覆蓋地膜處理的產量均達到了正常氮肥水平下不覆蓋處理的產量，表明地膜覆蓋可減氮20%。

3 討論

3.1 不同覆蓋方式下減氮對土壤水分和全氮含量的影響

水分與氮肥是玉米生長發育中至關重要的兩個因素。適宜水分能幫助氮肥礦化固定，促進作物對氮的吸收；氮肥可提高水分利用率，并減少水分散失［30-33］。本試驗結果與前人研究一致，覆蓋處理和較高的氮肥水平均能增加耕層土壤水分含量，0～20 cm土層以秸稈覆蓋處理效果最好，這是由于秸稈對降雨的入滲率較高，且保墑抑蒸效果較好，能夠截留較多水分于土壤表層，對干旱的應對效果較強；而地膜覆蓋處理由于透水性差，雖然保墑抑蒸效果好于秸稈覆蓋，但是對水分的入滲積累效果較差，導致土壤水分含量增加效果不如秸稈覆蓋。覆蓋處理可以減少土壤耕層養分的損失［21］，較高氮肥水平下，覆蓋處理增加0～40 cm土層全氮含量，常規施氮條件下秸稈覆蓋處理的效果最好，而減氮20%條件下地膜覆蓋效果最好，表明與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋對土壤氮素的增加效果需要更高的氮肥水平才能強化。減氮20%條件下，覆蓋處理對0～20 cm土層全氮含量的增加效果明顯，這可能是因為覆蓋處理的保墑抑蒸效果導致更多的氮素集中在土壤表層所致。較高氮肥水平下覆蓋處理的土壤水分及全氮含量都較高，說明覆蓋處理提高了土壤水分，幫助氮肥固定，進而促進植株對氮素的吸收積累，表現出明顯的水肥互促和耦合效應，為干物質積累奠定基礎。

表5 不同氮肥水平和覆蓋方式對玉米產量及其構成的影響

3.2 不同覆蓋方式下減氮對氮素吸收、運轉、分配和氮效率的影響

開花前，玉米氮素主要集中在營養器官，而開花后不斷向生殖器官轉移［34］。玉米開花后氮素的轉運主要以葉片為主，轉運率可達65%以上［35］。本試驗結果表明，吐絲后，莖和葉積累的氮素不斷向生殖器官轉移，其中葉的氮轉運率達63.00%～72.62%，與前人研究基本符合；成熟期氮素積累主要集中在籽粒部分，分配比例達64.79%～71.68%，其他非籽粒部分的氮素分配比例表現為：莖鞘＞葉片＞穗軸+苞葉。不同氮肥水平下地膜覆蓋處理和常規施氮下秸稈覆蓋處理的單株籽粒氮素積累量和單株氮素積累總量均較高，莖和葉對籽粒總氮貢獻率達68.46%～69.26%，且穗氮增加量較高。表明合適的氮肥水平下，覆蓋處理能提高玉米籽粒和單株氮素積累，并促使營養器官積累的氮素大量向籽粒轉移，極大促進了籽粒氮素積累和產量形成，其中以地膜覆蓋處理效果最佳。合理的覆蓋能改善作物對氮肥的吸收積累，提高作物氮素利用效率和氮肥偏生產力［21］。本試驗結果表明，與CK和無覆蓋處理相比，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理可提高籽粒和單株氮素積累總量，能不斷促進營養器官的干物質量和氮素積累量向籽粒轉移，導致氮收獲指數、氮農學利用率升高，其中地膜覆蓋處理效果最佳；且減氮20%下地膜覆蓋處理氮收獲指數、氮肥偏生產力均較高于常規施氮無覆蓋處理。

3.3 不同覆蓋方式下減氮對玉米干物質積累與產量形成的影響

氮肥和覆蓋處理均能增加株高、莖粗和葉面積等農藝性狀，促進玉米干物質積累［26，36-39］。玉米干物質積累是產量形成的物質基礎，在一定范圍內與產量呈密切正相關［25-26］，而前人研究表明［40-41］玉米穗長、穗粗、產量總體表現為覆蓋＞不覆蓋，地膜覆蓋＞秸稈覆蓋。本研究表明，隨氮肥水平提高，玉米吐絲期株高、莖粗和單株葉面積逐漸增加，促進吐絲后單株干物質積累。地膜覆蓋處理能不同程度地促進吐絲期穗位高、莖粗和單株葉面積增加，提高吐絲后單株干物質量，進而提高穗長、穗粗、百粒重、穗粒數和產量。秸稈覆蓋能提高玉米成熟期單株干物質積累，但產量與無覆蓋處理無顯著差異，這可能是吐絲后秸稈覆蓋對物質積累有較高的促進作用，而向籽粒運轉和分配的比例較低，成熟期物質積累較多地存在于營養器官，氮素生產和利用效率較低，最終導致秸稈覆蓋對產量的影響較弱。減氮20%條件下，地膜覆蓋對玉米吐絲期莖粗和干物質積累均有較強的增加作用，能在玉米各時期生長發育中保持甚至提高生長發育質量，從而提高玉米產量。

4 結論

玉米生長和氮素吸收、運轉與分配受覆蓋方式和氮肥水平影響，不同覆蓋方式下，較高氮肥水平能增加耕層土壤水分和全氮含量，促進玉米的氮素吸收、運轉及分配和干物質積累，改善產量構成，最終提高產量。不同氮肥水平下，有覆蓋處理可促進耕層土壤留存更多土壤水分和全氮含量，提高玉米農藝性狀和干物質積累量，優化氮素吸收、運轉和分配，改善產量構成，進而促進氮效率和產量提高。減氮20%和地膜覆蓋下，玉米干物質積累量較高，氮素運轉、分配和產量及其構成與常規施氮無覆蓋處理無顯著差異，存在玉米高產和氮肥減施并行的可能。