供氮量對春玉米產量和氮素利用的影響

王怡針 蘇港 臧鳳艷 李子芳 吳錫冬 于美榮

摘 ? ?要：為探究不同供氮量對春玉米產量和氮素利用的影響，以‘鄭單958為試驗材料，設置5個供氮水平0，135，270，405，540 kg·hm-2，以期為春玉米的減氮增效提供理論依據。結果表明，當供氮量增至405 kg·hm-2時春玉米產量和行粒數不再顯著提高，最高分別為10.69×103 kg·hm-2和37.05;但供氮量增至270 kg·hm-2時穗行數和穗粒數不再顯著增加;而百粒質量在不同供氮處理間無顯著差異。與0 kg·hm-2相比，供氮顯著提高春玉米干物質積累及轉運量，吐絲期和成熟期干物質積累量顯著提高23.29%～62.29%和20.91%～49.42%，花后干物質轉運量、轉運率和轉運對籽粒的貢獻率分別顯著提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%;供氮量為405 kg·hm-2吐絲期和成熟期干物質積累量、干物質轉運與籽粒貢獻率有最大值，比供氮135 kg·hm-2顯著提高27.76%，23.58%，162.98%，62.07%，82.56%。供氮能顯著影響玉米氮素積累及轉運分配效率，供氮條件下玉米吐絲期和成熟期的地上部植株氮素積累量比0 kg·hm-2顯著提高39.65%～98.72%，38.90%～83.19%，吐絲期和成熟期的氮素積累量均隨供氮量增加呈增加趨勢，分別在540，405 kg·hm-2達峰值;營養器官氮素轉運量隨施氮量增加呈增加趨勢，增幅26.47%～75.42%，但供氮540，405 kg·hm-2間無差異，比135 kg·hm-2分別提高36.76%～38.70%。此外，施肥處理間氮素轉運率無顯著差異。綜上所述，在405 kg·hm-2供氮水平下，春玉米通過提高行粒數、增強干物質積累、氮素積累能力和轉運效率從而實現產量突破10.5×103 kg·hm-2，同時氮素利用率、氮肥利用率、氮肥農學效率和氮肥偏生產力分別達44.53 kg·kg-1，26.17%，9.07 kg·kg-1，26.4 kg·kg-1，實現氮素優化利用。

關鍵詞：供氮量;產量;干物質積累;氮素利用

中圖分類號：S531 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.11.004

Effects of Nitrogen Supply on Spring Maize Yield and Nitrogen Utilization

WANG Yizhen1， SU Gang1， ZANG Fengyan1， LI Zifang1， WU Xidong1， YU Meirong2

（1.College of Agronomy & Resources and Environment，Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China;2. Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin 300061， China）

Abstract： In order to investigate the effect of nitrogen supply on yield and nitrogen utilization of spring maize， the maize' Zhengdan 958 were supplied 0， 135， 270， 405 and 540 kg·hm-2 nitrogen， respectively. We expect to provide a theoretical basis for reducing nitrogen usage and improving its efficiency in spring maize. The results showed that the yield and grains per row increased significantly with increasing nitrogen supply until 405 kg·hm-2， the maximums were 10.69×103 kg·hm-2 and 37.05 respectively; while the rows per ear and grain number per ear didnt increase significantly until 270 kg·hm-2， and the hundred - grain weigh didnt show significant differences between any two treatments. Compared with 0 kg·hm-2 treatment， nitrogen supply could significantly improve the dry matter accumulation and transportation of spring maize， the indices increased by 23.29%-62.29% and 20.91%-49.42% in the silking and maturing periods， respectively. In addition， after anthesis， the amounts of dry matter transportation， rates of transportation and contribution of transportation to grains had increased by 51.62%-162.98%， 23.13%-62.07%23.13%-62.07% and 25.75%-82.56%， respectively. In the silking and maturing periods， the accumulation and transportation of dry matter and contribution of transportation to grains in 405 kg·hm-2 nitrogen supply reached the highest， which significantly increased by 27.76%， 23.58%， 162.98%， 62.07%， 82.56%， respectively， as compared to those in 135 kg·hm-2 nitrogen supply. Nitrogen application could affect significantly nitrogen accumulation and efficiency of transportation and distribution of maize. In the silking and maturity stages， with nitrogen application， the amounts of the aboveground nitrogen accumulation were significantly increased as much as 39.65%-98.72% and 38.90%-83.19%， compared with 0 kg·hm-2 nitrogen application. In addition， the amounts of nitrogen accumulation showed an uptrend with increasing nitrogen supply in above two stages， and peaked in 540 and 405 kg·hm-2 treatments， respectively. The amounts of nitrogen transportation in vegetative organs showed an uptrend with the increase of nitrogen application， with the increase of 26.47%-75.42%， however， there was no difference between 540 and 405 kg·hm-2 treatments， and higher than 36.76%-38.70% as compared to that in 135 kg·hm-2 treatments. Furthermore， different nitrogen supply didnt have significant influence on the transportation rate of nitrogen. Overall， under the condition of 405 kg·hm-2 nitrogen supply， a breakthrough of yield in spring maize was achieved and the yield reached 10.5×103 kg·hm-2 by improving the grain number per row， enhancing dry matter accumulation， nitrogen accumulation capacity and transportation efficiency. Meanwhile， the nitrogen and nitrogen fertilizer use efficiency， nitrogen agronomic efficiency and nitrogen partial factor productivity were 44.53 kg·kg-1， 26.17%， 9.07 kg·kg-1 and 26.4 kg·kg-1， respectively， which formed an optimal utilization of nitrogen.

Key words： nitrogen supply level; yield; dry matter accumulation; nitrogen utilization

玉米生產對我國糧食安全具有重要意義[1]。氮素是玉米生長過程中被吸收最多的營養元素，能夠顯著影響玉米光合產物的積累、器官發育及源庫構建[2-3]。施用氮肥是滿足作物氮素需求，實現增產的有效途徑。但是生產上因施用方式不合理，氮肥不能被作物充分吸收利用，通過硝化-反硝化、淋溶流失等途徑造成環境面源污染[4]。北京、河南、山東等華北地區因單位農田面積氮肥施用量過大，氮肥利用率低，而造成一系列環境問題。因此，明確合理施氮量，是華北地區農業生產急需解決的問題[5]。

有機無機配施可減少化肥投入，提高肥料利用率，有利于土壤地力的恢復[6-7]，朱浩宇等[8]研究發現有機替代減施化肥比常規施肥玉米產量略有增長，原因可能是有機無機配施提高了土壤微生物的活性和多樣性，進而改善了土壤微生態環境[9]。生物炭是生物質在無氧高溫下裂解得到富含穩定有機質碳的物質，生物炭的施用可以增加土壤微生物多樣性和活性[10-11]，提高土壤酶活性;同時其孔隙結構和高陽離子交換量可以增加作物對氮素吸附利用進而減少淋溶損失，在改善土壤理化性質、固碳減排等方面發揮重要作用[12]。但也有研究發現，生物炭C/N較高，會降低土壤養分有效性[13]，在養分供應能力較差或含氮較低土壤中，生物炭雖能起到改善土壤理化性質效果，但也會抑制作物對氮素吸收利用，影響作物生長和產量形成，且生物炭濃度越高抑制作用越明顯[14]。生物質炭基肥是以生物炭為基質與化肥經過特殊工藝制備而來，通過彌補生物炭低有效養分缺點[15]，而提高肥料利用能力。已有研究針對不同基質如豬糞、秸稈及生活廢棄物的炭基肥做了大量研究，得出炭基肥能改善肥效，通過提高作物對氮素吸收利用能力而實現增產[16-19]的結論。但關于不同供氮量下炭基肥作底肥和尿素作追肥配合施用對玉米氮素轉運及分配的影響報道較少。為此，本研究通過研究不同供氮處理炭基肥作底肥尿素作追肥配合施用對玉米干物質積累與分配、產量及其因素及氮素轉運利用的調控效應，以此確定春玉米生產適宜的氮素施用量，為春玉米減氮增效提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年5—10月在天津市優質農產品開發示范中心（119.47′E，31.89′N）進行，屬于大陸性季風氣候，全年平均氣溫11.2 ℃，年平均降水量642 mm，70%降水量集中在6—8月，無霜期240 d。試驗地0～20 cm土壤的基本理化性質為有機質13.4 g·kg-1、全氮1.39 g·kg-1、全磷0.96 g·kg-1、全鉀24.5 g·kg-1、堿解氮118.1 mg·kg-1、有效磷153.9 mg·kg-1、速效鉀 273.7 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

選用‘鄭單958為試驗材料。

試驗采用單因素隨機區組設計，供氮量設置0，135，270，405，540 kg·hm-2五個水平，分別記為N0、N135、N270、N405和N540，基施炭基肥和拔節期追施尿素按照供氮量7∶3比例施用，炭基肥養分含量N-P2O5-K2O∶24-10-10（沈陽隆泰生物工程有限公司），尿素N含量46%。全生育期P2O5和K2O施用量均為157.5 kg·hm-2，以炭基肥含量為基礎，不足部分由含12%P2O5的過磷酸鈣和50%K2O的硫酸鉀配平，作為底肥一次性施用。小區長6.5 m，寬3.6 m，等行距種植，行距為60 cm，定苗密度67 500 株·hm-2，每處理小區重復3次。田間管理措施按照玉米高產田管理措施進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株干物質及全氮的測定 玉米吐絲期及成熟期，每小區取代表性植株3株，按葉、莖部（包括莖稈、葉鞘、苞葉和穗軸）、籽粒分裝，于105 °C下殺青60 min，在85 °C下烘干至恒質量后稱質量。樣品經微型植物粉碎機粉碎后過100目篩，硫酸消煮后凱氏定氮儀測含氮量，根據干質量計算氮素積累量。

1.3.2 考種及測產 成熟期小區中間兩行連續收取20個果穗，背陰處風干考種后脫粒，測定穗行數、行粒數、百粒質量，穗粒數、穗長、禿尖長、穗粗。籽粒取200 g于鼓風干燥箱85 ℃烘干至恒重測定含水量，按照14%安全含水量計算百粒質量和產量。

1.4 數據分析與統計

1.4.1 同化物轉運 營養器官干物質轉運量（kg·hm-2）=吐絲期營養器官干物質積累量-成熟期營養器官干物質積累量;

營養器官干物質轉運率（%）=[營養器官干物質轉運量/吐絲期營養器官干物質積累量]×100;

營養器官干物質轉運對籽粒的貢獻率（%）=[營養器官干物質轉運量/籽粒干物質量]×100;

1.4.2 氮素轉運與利用率 營養器官氮素轉運量（kg·hm-2）=吐絲期營養器官氮積累量-成熟期營養器官氮積累量;

營養器官氮素轉運率（%）=[營養器官氮轉運量/吐絲期營養器官氮積累量]×100;

營養器官氮素轉運貢獻率（%）=[氮轉運量/籽粒氮積累量]×100;

吐絲后氮積累量（kg·hm-2）=籽粒氮積累總量-氮素轉運量;

吐絲后氮籽粒貢獻率（%）=[吐絲后氮積累量/籽粒氮積累量]×100

氮素利用率（%）=籽粒產量/植株氮總積累量×100;

氮肥農學效率（%）=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量×100;

氮肥利用率（%）= [（施氮區植株氮總積累量-無氮空白區植株氮總積累量）/氮肥施用量]×100;

氮肥偏生產效率（%）=施氮區產量/施氮量×100。

1.4.3 數據統計分析 采用Microsoft Excel 2017進行數據計算，SPSS16.0 統計軟件進行方差和相關性分析，Origin 2018作圖軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 產量、產量構成因素及穗部農藝性狀

由表1可知，供氮條件下春玉米產量（GY）較N0增產22.13%～52.60%（P<0.05），行粒數和穗粒數顯著增加17.88%～30.76%和21.84%～51.29%，穗長增長7.86%～15.37%，且禿尖長縮短22.95%～51.29%（P<0.05），穗行數和穗粗增至N270差異顯著，百粒質量無明顯影響。與N135相比，供氮量增加促使GY顯著提高11.15%～24.94%，在增至N405增產不顯著，產量達10.69×103 kg·hm-2;N135和N270間行粒數無差異，但顯著少于N405和N540;穗粒數隨供氮量增加，比N135增加13.82%～24.17%，但N270、N405和N540之間無差異;供氮量對穗長無顯著影響，但N405和N540比N135禿尖顯著縮短;同穗粒數一致，N135處理穗粗顯著低于N270、N405和N540。

2.2 干物質積累及分配

圖1表明，與N0相比，施氮能夠顯著提高春玉米吐絲期（R1）和成熟期（R6）干物質積累量（DM）23.29%～62.29%，20.91%～49.42%;R1期葉片和莖部DM分別增加17.20%～45.30%，25.58%～68.68%，R6期葉、莖部、籽粒DM分別增加12.15%～36.31%，24.24%～61.84%，20.80%～44.16%。與N135相比，R1期和R6期DM隨供氮量增加而顯著增加，在N405后增加趨勢不明顯，分別提高27.76%，23.58%;R1期葉和莖部DM增長4.95%～23.98%，12.77%～34.32%，R6期葉、莖部、籽粒DM分別增長4.16%～21.54%，11.03%～30.27%，8.24%～19.34%。

2.3 吐絲前干物質轉運對產量影響

表2表明，吐絲前不同器官干物質轉運量（DMR）和干物質轉運對籽粒貢獻率（DMRCG）均表現為莖部大于葉片，葉片和莖部DMR分別占營養器官DMR的30.97%～38.60%，61.40%～69.03%，葉和莖部DMRCG表現為3.15%～5.00%，5.66%～11.10%。各施氮量下葉片干物質轉運率（DMRE）葉大于莖部，分別為9.72%～15.29%，6.59%～10.99%。與N0相比，供氮條件下玉米營養器官DMR、DMRE、DMRCG分別提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%;葉和莖部DMR增長64.21%～129.06%，44.65%～181.76%，DMRE分別增長39.75%～57.30%，14.85%～66.79%，而DMRCG分別增長36.05%～58.59%，20.02%～95.90%。與N135相比，玉米營養器官DMR、DMRE、DMRCG隨供氮量增加呈先提高后降低的趨勢;N405和N540間DMR、DMRCG差異不顯著，分別提高73.44%，45.18%，N270和N405處理DMRE間差異不顯著;供氮量低于N405，供氮量增加葉和莖部DMR分別顯著增長9.96%～39.49%，33.99%～94.79%;葉片DMRE和DMRCG在處理間無差異;莖部在N405顯著高于N135，但與N270差異不顯著。

2.4 氮素積累、轉運及利用效率

由圖2可知，R1期各器官氮素積累量（NM）表現為莖部高于葉，占比分別為53.24%～57.06%，42.94%～46.76%;R6期NM器官間表現為籽粒>莖部>葉，占比分別為56.63%～64.78%，17.31%～25.10%，16.76%～19.49%。與N0相比，供氮條件下R1期總NM提高39.65 %～98.72%（P<0.05），其中葉片提高41.98%～91.11%，莖部提高37.66%～109.95%;R6期總NM提高38.90%～83.19%（P<0.05），葉、莖部、籽粒分別提高40.54%～94.77%，69.69%～165.61%，30.22%～60.12%。N270、N405和N540處理R1期NM比N135顯著增長11.95%～42.30%，葉和莖部NM分別增長7.08%～34.60%，16.21%～52.51 %，但供氮量達到N405后NM增幅不顯著;R6期NM增長10.99 %～31.88 %，葉、莖部、籽粒NM顯著提高2.69%～38.59%，18.59%～56.52%，10.82%～22.96%，當供氮量達405 kg·hm-2時葉、籽粒及營養器官NM增幅不再顯著。氮素收獲指數隨供氮量增加呈逐漸降低趨勢，在N135和N270處理之間差異不顯著。

由表3可知，玉米吐絲后莖部氮素轉運量（NR）大于葉片，莖部NR占營養器官NR的52.60%～58.23%，葉NR占41.77%～47.40%。較N0，供氮能顯著提高玉米葉、莖部、營養器官NR43.50%～87.25%，14.25%～69.25%，26.47%～75.42%;葉、莖部和營養器官NR隨供氮量增加逐漸增加，但達N405后增幅不顯著，較N135分別增長11.62%～30.48%，13.64%～48.14%，12.68%～38.70%。莖部氮素轉運對籽粒貢獻率（NRCG）為32.13%～38.61%、葉片為26.24%～30.97%。N405和N540營養器官NRCG比N135顯著增長12.26%，12.63%，其中莖部NRCG增長16.84%，20.16%，而葉NRCG間無顯著差異。較N0，供氮能明顯提高（R1）后NAPS 34.19%～47.35%，N405和N540處理NCPS較N135顯著降低19.21%，19.79%，而N270與N135間差異不顯著。

由表4知，供氮條件下玉米氮素利用率（NUE）較N0顯著降低11.97%～16.69%，但各供氮處理間差異不顯著。與N135相比，N270、N405、N540處理玉米氮肥利用率（NRE）、氮肥農學效率（ANUE）和氮肥偏生產力（PFPN）顯著降低30.38%～46.54%，19.25%～40.59%，44.43%～68.76%。

3 討 論

在一定范圍內，玉米產量隨供氮量增加而增加[20-21]。玉米生產中適宜施氮量促進果穗頂部籽粒發育，減少禿尖，擴大籽粒庫容，提高產量[22-23]，施用氮肥籽粒養分積累能力提高[24]，增加穗粒數和百粒質量而增產[25]。本研究結果表明，穗行數和百粒質量隨供氮量增加但并不顯著，在供氮條件（N405）下顯著增加行粒數（N135和N270），供氮量超N270穗粒數不再增加，隨供氮量增加至N405時春玉米產量達到高效峰值，這與郭凱杰等[26]在研究氮肥對‘豫單916、‘浚單29及‘洛玉3號三種玉米品種產量構成要素影響上發現合理供氮能有利于玉米頂部籽粒發育從而實現產量提高的結果一致。但董環等[27]研究表明增施氮肥可顯著提高了玉米的百粒質量，且玉米籽粒產量與百粒質量呈顯著正相關，受試驗地養分狀況和降雨等的差異，玉米產量對施氮量的響應規律也不同。此外，玉米的基因型差異也對產量構成因素產生不同影響。

本研究表明，隨供氮量增加玉米吐絲期及成熟期的干物質積累量分別增加23.29%～62.29%，20.91%～49.42%，其中以N405處理干物質積累能力表現最優，比低供氮處理N135顯著增加27.76 %，23.58 %;供氮量增加可提高玉米營養器官干物質轉運量、干物質轉運率和干物質轉運對籽粒的貢獻率，分別提高51.62%～162.98%，23.13%～62.07%，25.75%～82.56%，其中供氮量增至N405后，干物質轉運量及轉運對籽粒的貢獻率不再增加，比低供氮處理N135顯著提高73.44%，45.18%。這與隋陽輝[28]和樊葉[29]等人關于氮肥運籌對玉米干物質積累的影響試驗中得出的研究結果一致。分析其原因可能由于干物質積累是籽粒產量形成的基礎[30]，營養器官干物質轉運和吐絲后干物質同化積累是籽粒產量的主要來源，提高營養器官干物質轉運能力和吐絲后干物質積累量是作物增產有效途徑[31-33]。施氮能明顯提高營養器官干物質積累能力，且在一定范圍內隨供氮量增加呈先增后減趨勢[32，34]。但吳雅薇等[35]在不同耐低氮玉米品種的生育后期干物質積累對氮肥響應的試驗中得出增施氮肥顯著降低了花前干物質轉運量、轉運率及其對籽粒的貢獻率，但花后轉運量和對籽粒的貢獻率隨著氮肥施用量的增加而顯著增加。分析其原因，吳雅薇等人選用的是低氮高效品種‘正紅311和低氮低效品種‘先玉508，而‘鄭單958屬于高氮高效品種，品種間的差異對玉米籽粒源庫流的構成產生不同影響，且本試驗中玉米全生育期內采用生物質炭基肥作基肥，尿素作追肥的供氮方式，生物質炭基肥與普通尿素間的供氮差異對玉米干物質積累與轉運的影響機理還有待于進一步驗證。

氮素是影響籽粒的重要因子，高效氮素積累轉運對協調源庫關系、提高玉米產量具有重要作用[32]。營養器官氮素轉運量、轉運效率及吐絲后氮素同化積累量能反映出籽粒氮素積累情況，并直接影響植株對氮素的吸收利用[37-39]。本研究結果表明，玉米61.04%～68.75%籽粒氮素來自于吐絲前莖鞘、葉等營養器官的氮素再轉移，31.25%～38.96%籽粒氮素來源于吐絲后氮素同化積累，這與前人的研究結果相同[40]。供氮能使玉米吐絲期和成熟期地上部植株氮素積累量分別提高39.65%～98.72%，38.90%～83.19%，但在供氮量增至N405后，玉米成熟期的氮積累量不再顯著增加，較低供氮處理提高了28.84%。供氮能顯著影響吐絲后營養器官向籽粒轉運分配的效率。較低供氮處理N135，隨供氮量增加營養器官氮素轉運量和氮素轉運對籽粒的貢獻率總體上呈逐漸增加趨勢，但達N405后增幅不再顯著，分別增長36.76%，12.26%，但供氮量對氮素轉運率無顯著影響。在N405水平下，吐絲前玉米植株地上部能積累充足氮素，即能滿足生育后期葉等光合器官轉運需求，還能為玉米葉片光合能力正常發揮提供保證，確保玉米全生育期仍能保持較高同化力。施氮量增加作物氮素吸收利用效率和氮肥偏生產力呈降低趨勢[41-43]。本試驗表明，隨供氮量增加，玉米氮素吸收利用能力呈逐漸下降趨勢，這與已有研究結果一致。N270和N405處理間氮肥利用率和氮肥農學效率間差異不大，但顯著高于N540;供氮量對氮素利用率影響并不顯著。適量供氮量能促進玉米對氮素吸收利用，從而提高產量，而過量施用并未表現出進一步增產效果。

4 結 論

綜上所述，華北平原春玉米生產中增施氮肥干物質積累與轉運及干物質轉運對籽粒貢獻率均顯著增加，植株氮素積累量、氮素轉運量、氮素轉運率、氮素利用效率均顯著提高，春玉米行粒數和穗粒數增加，產量提高。當春玉米施氮量為405 kg·hm-2時，通過行粒數增加，干物質積累及氮素積累能力和轉運效率提高，實現產量突破10.5×103 kg·hm-2，實現氮素最優化利用，利用率和農學效率可達26.17%，9.07 kg·kg-1。

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收稿日期：2021-06-04

基金項目：國家重點研發計劃課題（2017YFD0200808）

作者簡介：王怡針（1996—），男，浙江溫州人，在讀碩士生，主要從事玉米栽培生理方面研究。

通訊作者簡介：于美榮（1965—），女，山東龍口人，高級工程師，主要從事農作物土壤肥料技術與推廣方面研究。