控釋尿素一次性施用的玉米減氮增效研究

楊清夏，龍光強，吳開賢，何澍然，李 揚，趙 平

(1.云南農業大學 資源與環境學院，昆明 650201；2.農業農村部云南耕地保育科學觀測實驗站，昆明 650201；3.云南農業大學 農學與生物技術學院，昆明 650201)

玉米是中國的第一大糧食產物，播種面積占三大糧食作物播種面積的43.6%[1]。提高或維持玉米產量對中國糧食作物的安全生產具有重要作用。玉米對氮肥很敏感，在整個生育期內需氮量很大。為追求玉米的高產，中國玉米生產中的氮肥常采用大量施用、多次追施的方式，且氮肥大多以普通尿素等速效氮肥為主，肥效快但氮素很容易損失。長期不合理施用氮肥對農田造成很大的影響，出現諸如土壤酸化、硝化淋洗嚴重等問題[2]，玉米的氮肥利用率也僅為28%～41%[3-4]。有研究發現，玉米在減氮20%時，控釋氮肥一次性基施仍比普通氮肥增產18.3%[5]，表明合理施用氮肥對玉米有很大增產潛力。因此，合理施用氮肥實現玉米的減氮增效是中國農業可持續發展的重要途徑，而改變氮肥類型是合理施氮的關鍵技術。

控釋氮肥作為一種新型氮肥，具有延緩養分釋放速度的特點，可以有效平衡養分釋放和作物吸收，促進作物生育后期的氮素供應，從而提高氮素利用率，實現作物的高產與穩產[6-8]。目前研究的控釋氮肥多采用一次性基施，可以有效節省勞動力，成為當前氮肥研究的熱點。由于控釋氮肥價格偏高，施用后還可能出現前期缺氮后期貪青的現象[9]，中國農業生產中經常采用控釋尿素和普通尿素配合施用的方法，既能防止控釋尿素前期釋放速率過慢，又能滿足玉米生育后期對氮肥的需求。前人對控釋氮肥一次性基施在中國農業生產中的應用進行了文獻綜述，發現與農民傳統施氮相比，控釋氮肥一次性基施可將三大糧食作物的產量和氮肥利用率分別提高3.1%～31.7%、6.2%～86.6%，同時還能顯著減少農田氨揮發等氮素損失[10]。也有研究報道，控釋氮肥的施用能有效延緩葉片衰老[11]，提高作物光合特征和氮素轉化相關的酶活性[12]，還能提高作物生育后期根系的活力，促進根系對氮素的吸收，從而提高氮素吸收效率[13-14]。此外，控釋尿素與普通尿素按照一定比例配施還可以提高土壤耕層的土壤硝態氮累積[15]，減少硝態氮向深層土壤的淋溶。與施用普通尿素相比，施用控釋尿素可有效減少深層土壤的硝態氮含量達44.2%～82.9%[16]，有效降低了氮素在農田中的損失。

前人對控釋氮肥的研究多集中國在中北方平原地區，而且主要集中在不同控釋氮肥的比較和選擇以及控釋氮肥對作物產量的影響，對玉米減氮潛力的報道較少，西南地區更為少見。本試驗通過研究控釋氮肥減量施用對玉米產量和產量構成、氮素吸收和利用效率的影響，結合土壤養分變化和植株光合特征、氮同化酶活性的測定，探索控釋氮肥的減氮潛力及機理，為玉米的減氮增效提供理論依據和指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5月—9月于云南農業大學現代農業教育實踐基地進行，地處北緯23°32′、東經103°13′，年降水量1 040 mm，集中分布在7- 9月。供試土壤基礎性狀見表1。

表1 試驗地土壤基礎性狀Table 1 Basic nutrient characters of tasted soil

1.2 試驗材料

玉米供試品種為‘華單1號’， 氮肥為普通尿素(N：46%)和樹脂包膜控釋尿素(N：44%)，磷鉀肥分別選用普鈣(P2O5：16%)和硫酸鉀(K2O：52%)。普通尿素分3 次施入，其中基肥40%，小喇叭口期追肥25%，大喇叭口期追肥35%。控釋尿素(35%普通尿素+65%控釋尿素)和磷鉀肥作為基肥一次性施用。

1.3 試驗設計

試驗采取完全隨機設計，共設置6個處理，每個處理3 次重復。試驗小區面積5.5 m×5 m=27.5 m2，小區周邊設1 m保護行，種植玉米。玉米種植株距為0.25 m，行距為0.5 m，種植密度為80 000株/hm2。試驗的6個處理分別是不施氮(N0)、常規施氮(U100)、普通尿素減量20%(U80)、控釋尿素(35%普通尿素+65%控釋尿素)減量20%(C80)、普通尿素減量40%(U60)、控釋尿素(35%普通尿素+65%控釋尿素)減量40%(C60)。各處理養分施用量詳見表2 。

表2 試驗處理及其養分投入量Table 2 Experimental treatment and its nutrient input

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集和指標測定 基本理化性質：玉米種植前，采集0～20 cm土壤，參照鮑士旦[17]的方法測定土壤的pH 、有機質、速效磷、速效鉀、硝態氮、銨態氮、全氮的含量。

速效磷鉀和硝銨態氮：玉米5個生育時期(苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期、成熟期)每小區各采集0～20的土壤混合樣品1個。測定土壤速效磷、速效鉀、硝態氮、銨態氮的含量。速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬藍比色法測定，速效鉀用NH4OAc 浸提-火焰亮度法測定，硝態氮和銨態氮經1 mol/L氯化鉀浸提后用流動分析儀測定。

1.4.2 植株樣品采集和指標測定 玉米成熟期采集各小區中間2行玉米，測定產量和產量構成；在玉米5個生育期每小區選擇有代表性的玉米5株按根、莖、籽粒分開，稱鮮質量后于105 ℃下殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量，稱質量測定生物量并粉碎過篩，用于測定植株各部位的全氮、全磷、全鉀含量。植株用濃H2SO4-H2O2消煮后，全氮采用全自動蒸餾定氮儀測定，全磷用釩鉬黃比色法測定，全鉀用火焰亮度計測定。

玉米抽穗期，剪切穗位葉葉片中部并去除葉脈，用液氮速凍，置于-80 ℃冰箱保存。測定玉米的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(Fd-GOGAT)、谷草轉氨酶(GOT)、谷氨酸脫氫酶(NADH-GDH)的活性。測定方法參照試劑盒(蘇州格銳思生物科有限公司)說明方法。采用LI-6400便攜式光合測定儀(LI-COR,Lincoln,USA)測定玉米抽穗期的光合指標(凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、葉綠素、光合氮利用利率)。

1.5 有關指標計算方法

收獲指數(Harvest index,HI,%)=產量/生物量；養分積累量( Total accumulation amount,TAA,kg/hm2) = 干質量 ×養分含量(%)/100；氮肥利用率(N use efficiency,NUE,%)=(施氮區作物氮素積累量-不施氮區作物氮素積累量)/施氮量。

1.6 數據分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件處理數據和作圖，運用SPSS 20.0在0.05水平上對玉米產量及產量構成、氮素吸收和利用效率、光合特征、氮同化酶和土壤養分進行顯著性差異分析和相關分析，用Canoco 5.0對玉米產量、氮素利用率和抽穗期的氮素積累、光合特征、氮同化酶和土壤養分進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 玉米產量與養分吸收利用

氮肥減量20%(U80、C80)處理的產量達到常規施氮水平，且C80較U80提高14.5%；氮肥減量40%(U60、C60)后產量下降11.5%～ 23.6%，U60與C60處理無顯著差異(表3)。與U100相比，普通尿素減量40%(U60)后玉米收獲指數有所下降，其余處理的收獲指數均達到常規施氮水平，C80較U80有提高收獲指數的優勢，收獲指數提高10.5%。

與U100處理相比，減氮20%對玉米穗長、行粒數和百粒質量均沒有顯著影響。同時，C80較U80處理玉米穗長提高20.6%。減氮40%后，U60的玉米穗長和百粒質量與U100相比下降29.6%和10.2%，而C60的穗長達到常規施氮水平。此外，控釋尿素(C80、 C60)處理較U100有效降低禿尖長17.1%和32.6%。

表3 玉米產量及產量構成Table 3 Yield and yield components of maize

玉米全氮積累量在玉米整個生育期呈逐漸遞增的趨勢(表4)。在小喇叭至成熟期，氮肥減量20%(U80、C80)的全氮積累量均達到常規施氮水平；C80較U100和U80處理均有提高玉米全氮的趨勢，在成熟期全氮顯著提高16.2%和 10.8%。U60較U100處理全氮積累量整體呈下降趨勢，而C60處理的全氮積累量均達到常規施氮水平。玉米的氮肥利用率最高的是C80處理，其余處理間無顯著差異，較U100氮肥利用率顯著提高22.4%。

表4 不同處理下的氮素積累量和氮素利用率Table 4 Total N accumulation and N use efficiency under different treatments

2.2 葉片光合特征與氮同化酶活性

與U100處理相比，U80的各項光合指標降低均不顯著；配施控釋尿素(C80)后葉片光合指標整體均表現為增加，凈光合速率和光合氮利用效率顯著提高15.0%和24.8%，且C80較U80葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和SPAD值顯著提高(表5)。與U100相比，U60處理的各項光合指標除比葉質量外均有所下降；配施控釋尿素(C60)后蒸騰速率和光合氮利用效率達到常規施氮水平，且C60有提高蒸騰速率和光合氮利用效率的優勢，較U60顯著提高35.3%和36.4%。

表5 不同處理下的光合特征Table 5 Photosynthetic characteristics under different treatments

與U100處理相比，U80的NADH-GDH和GOT活性均顯著降低；C80有效維持NADH-GDH、GS和Fd-GOGAT活性，且C80較U80處理差異顯著，NADH、GOT、GS、Fd-GOGAT提高17.4%、10.4%、16.2%、16.5%(圖1)。與U100相比，U60處理4 種酶活性平均降低 31.5%。C60 4種酶活性均降低，但較U60處理提高，GS和Fd-GOGAT活性分別顯著提高 17.9%和51.9%。

圖中不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同

2.3 土壤養分

土壤硝態氮在玉米整個生育期呈先上升后下降的趨勢，在大喇叭口期達到最高(圖2)。

與U100相比，減氮20%處理(U80、C80)的硝態氮在玉米整個生育期都沒有顯著降低，C80在小喇叭至成熟期硝態氮提高10.4%～27.7%，同時較U80提高7.0%～13.0%。U60較U100處理在玉米大喇叭口期至成熟期硝態氮均有降低，而C60處理在整個生育期中均達到了常規施氮水平。銨態氮在玉米苗期較低，小喇叭至抽穗期均保持較高水平，到成熟期略有下降。與U100相比，減氮20%處理(U80、C80)硝態氮均未顯著下降。在大喇叭和成熟期，C80較U80處理顯著提高6.1%～11.1%；在大喇叭口期至成熟期，C60均達到或超過常規施氮的銨態氮水平，與U80相比有提高硝態氮的優勢。

圖2 不同施肥處理下玉米各生育時期的土壤養分Fig.2 Soil nutrients at different growth stages of maize under different fertilization treatments

土壤速效磷在玉米生育期呈逐漸遞減的趨勢。U80與U100相比無顯著差異；C80較U100和U80處理整體表現為增加的趨勢。C60在玉米整個生育期都維持常規施氮的速效磷含量，在苗期、小喇叭口期和成熟期，比U60提高12.1%，24.5%和37.0%。速效鉀在玉米整個生育期保持較穩定的水平，在成熟期略有下降。C80較U100整體表現為增加的趨勢，在小喇叭口和成熟期，比U100顯著提高8.7%和7.3%。

2.4 影響玉米產量和氮肥利用率的關鍵因子分析

相關分析結果表明，產量與GOT、GS、Fd-GOGAT活性、植株總氮、凈光合速率、蒸騰速率、速效磷、速效鉀、硝態氮、SPAD呈極顯著相關關系(P<0.01，表6)，與NADH-GDH活性、銨態氮為顯著相關關系(P<0.05)。氮肥利用率與植株總氮、比葉質量和土壤速效鉀呈顯著相關關系(P<0.05)。冗余分析(RDA) 表明，在玉米抽穗期，軸1和軸2分別解釋處理各因素變異的 67.08% 和23.08%(圖3)。各指標與產量均呈正相關，除GOT外，各指標與氮肥利用率均呈正相關。通過冗余分析中的蒙特卡羅置換檢驗各指標對產量和氮肥利用率的貢獻率可知，SPAD是影響產量和氮肥利用率的關鍵因子 (60.4%)，其他指標貢獻率大小依次為硝態氮、Fd-GOGAT活性、植株全氮、凈光合速率、蒸騰速率、GOT活性、銨態氮、GS活性、比葉質量、NADH-GOGAT活性、速效磷、速效鉀。

表6 玉米產量、氮肥利用率與抽穗期間各指標之間的相關性Table 6 Correlation between maize yield,N use efficiency and various indicators during heading period

TN.總氮；NPR.凈光合速率；TR.蒸騰速率；SC.氣孔導度；SLQ.比葉質量；PNUE.光合氮利用效率；AK.速效鉀；AP.速效磷；NN.硝態氮；AN.銨態氮

3 討 論

3.1 氮肥減量對玉米產量的影響

合理施用氮肥是玉米高產、穩產的重要途徑。本研究表明，維持玉米不減產的減氮幅度是20%。與常規施氮相比，氮肥減量20%能維持玉米產量不下降；氮肥減量40%后，玉米減產 11.5%～23.6%。控釋尿素減量20%較普通尿素減量20%玉米產量提高14.5%，較常規施氮的氮肥利用率提高22.4%。可見控釋尿素有很大的增產潛力。有研究表明，控釋氮肥與等氮條件的常規施氮相比，對玉米均有不同程度的增產作用，增產率為5%～20%，同時可提高氮肥利用率達4%～19%[18]。前人研究表明，控釋氮肥減量20%仍能有效提高玉米產量和氮肥利用率，達到氮肥的高效利用[19-20]，這與本研究的結果一致。然而，減氮20%～40%，是否存在更合理的減氮幅度，尚需進一步的研究探索。

3.2 氮肥減量20%維持玉米產量的機制

氮素供應對玉米產量的形成至關重要。本研究中，與常規施氮相比，氮肥減量20%處理的氮素積累量在玉米小喇叭口期至成熟期均未顯著降低，進而保證氮肥利用率達到或超過常規施氮水平，最終保證玉米不減產。此外，土壤養分的供應對玉米產量也很重要， 0～20 cm土層對于施氮措施尤其敏感，該土層的土壤養分供應強度對玉米的氮素吸收和產量形成高度相關。而硝態氮對于旱地作物的氮素供應尤為關鍵。本研究中冗余分析(RDA)也表明，硝態氮是影響玉米產量的關鍵因子。氮肥減量20%的土壤硝態氮均達到或超過常規施氮水平，這也是氮肥減量20%未減產的原因。

玉米的光合特征和酶活性與氮素的吸收利用密切相關。本研究結果表明，氮肥減量20%的凈光合速率、光合氮利用效率和葉綠素等光合指標均達到或超過常規施氮水平，其將光合氮利用效率顯著提高17.5%～24.8%，進而促進玉米對氮素的吸收與利用，最終保證玉米不減產。這與相關分析中，玉米產量與植株氮素積累量、凈光合速率、GOT、GS、Fd-GOGAT之間均呈顯著正相關關系的結果一致。在4種酶中，谷氨酸合成酶對產量的相關性最高。谷氨酸合成酶多存在于葉片的葉綠體中，是作物氮代謝的主要途徑之一，對氮素的同化有著關鍵的作用[21-22]，冗余分析(RDA)結果也表明，谷氨酸合成酶(Fd-GOGAT)是驅動產量的關鍵因子。有研究表明，玉米產量與氮代謝關鍵酶活性呈正相關[23]，這與本研究的結果 一致。

3.3 氮肥減量40%導致玉米減產的原因

氮肥減量40%時，普通尿素和控釋尿素較常規施氮玉米產量分別下降23.6%和11.5%。結合當前施肥現狀和眾多研究報道，施氮量150 kg/hm2可能是維持玉米產量的最低施氮量[24]。而造成玉米減產的原因可能是氮肥前期養分供應不足。玉米對氮素比較敏感，前期的氮素供應對玉米的生長發育也很重要。氮肥減量20%時氮素供應不足的生理基礎主要表現為凈光合速率、蒸騰速率、葉綠素均下降，同時降低酶活性，影響玉米對氮素的同化和吸收，造成百粒質量降低 7.0%～10.2%，最終導致玉米減產。而控釋尿素的養分釋放受土壤溫度等多種環境因子影響[25-26]，可能會導致養分在生育前期不能全部釋放，最終使控釋尿素的增產效果受限。郭萍等[27]提出50%～75%緩釋尿素與 25%～50%普通尿素摻混，能滿足玉米整個生育期的氮素供應，可以使作物獲得高產水平。所以推測可以適當提高普通尿素的摻混比例，以保證玉米前期養分的有效供應，實現控釋尿素更大減氮增效的潛力。

3.4 控釋尿素在玉米減氮增效中的優勢

氮肥減量20%時，控釋尿素較普通尿素在提高土壤硝態氮、光合指標、酶活性和氮素吸收方面更具優勢。本研究中，在小喇叭至成熟期，控釋尿素減量20%的硝態氮較常規施氮平均提高 16.8%，同時較普通尿素減量20%平均提高 10.4%。可見，控釋尿素對于提高土壤硝態氮表現出優勢。與普通尿素相比，控釋尿素減量20%提高了葉片多項光合特征(凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、SPAD)和酶活性，4種酶活分別提高17.4%、10.4%、16.2%、16.5%。在氮肥減量20%時，控釋尿素較普通尿素有更好的增產效果，還與控釋尿素釋放規律有關。控釋尿素可以較好地平衡氮素釋放和玉米需求的同步性，進而保證玉米對氮素的吸收與利用。本研究中，在小喇叭口至大喇叭口期，玉米進入旺盛營養生長期，植株氮素累積量開始增高，在抽穗期至成熟期顯著提高，較普通尿素減量20%處理提高10.8%～ 16.6%，有效維持玉米中后期的氮素供應。這也意味著，施用控釋尿素可減少氮素損失，對環境污染的威脅減小。同時也證明玉米產量與生育前期和后期的氮素積累量都有很大的關系[28]。而普通尿素養分釋放過早，造成植株前期營養生長過快，后期氮素養分供應不足，加速玉米生育后期的衰老，使灌漿速率降低[29]，造成玉米成熟期氮積累量較低，氮素吸收不足，導致產量相較控釋尿素處理有所下降。

以上結果表明，控釋尿素與普通尿素相比，提高玉米產量的生理基礎是提高土壤硝態氮的供應，同時提高功能葉的光合特征、氮代謝關鍵酶活性，促進植株對氮素的同化能力，從而增加氮素吸收。同時，控釋尿素也促進玉米生育后期干物質向籽粒的轉移，有利于百粒質量的提高，最終提高玉米產量[30-32]。本研究中，與普通尿素減量20%相比，控釋尿素減量20%處理的百粒質量顯著提高9.9%，這也是控釋尿素減量20%不減產的 原因。

控釋尿素減量40%處理的產量有所下降，氮肥利用率卻達到常規施氮水平。從土壤養分看，常規施氮和普通尿素處理的土壤速效磷鉀在成熟期均有所下降，而控釋尿素處理從大喇叭口期到成熟期均保持穩定水平，有效維持土壤的速效養分。與相同施氮量的普通尿素相比，控釋尿素處理的硝銨態氮在玉米大喇叭口期至成熟期均有所增加，有效維持玉米中后期的土壤氮素供應。同時，控釋尿素減量40%處理的硝銨態氮在小喇叭至成熟期均達到常規施氮水平。這也說明，控釋尿素有望實現減量40%不減產。此外，控釋尿素一次性施用還可以有效節省勞動力，達到節肥高效的目的。因此，控釋尿素的增產和減氮潛力值得進一步探究。

4 結 論

氮肥減量20%可以有效維持玉米產量和氮肥利用率，且控釋尿素增產效果更佳，較普通尿素產量提高14.5%。氮肥減量20%時，控釋尿素在提高氮素吸收總量、氮利用率、收獲指數、光合氮利用率、酶活性和維持籽粒百粒質量等方面更具優勢，值得推廣應用。氮肥減量40%導致玉米減產11.5%～23.6%，但與相同施氮量的普通尿素相比，控釋尿素減量40%提高玉米的穗長、光合氮利用效率和SPAD等指標，且玉米的收獲指數、氮肥利用率和光合氮利用效率等達到常規施氮水平，有望實現玉米減氮40%不減產。