減量施用氮肥對玉米光合參數(shù)、產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

閻世江 房雅麗 盧占龍 張治家

摘要：玉米是我國的重要農(nóng)作物，但在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生過量施用氮肥的情況。過量施用氮肥不僅污染環(huán)境，而且不利于玉米的生長發(fā)育，因此在減少氮肥施用的同時提高氮肥利用率的研究具有重要意義。在玉米生長過程中采用不同的氮肥施用量，研究了不同氮肥施用水平下玉米光合參數(shù)、產(chǎn)量和品質(zhì)的變化，以尋求最佳氮肥施用量。結(jié)果表明，與100%施氮處理相比，10%減氮處理和20%減氮處理具有更高的光合能力，表明在一定范圍內(nèi)減少氮肥的施用可以提高玉米的光合能力，但當(dāng)?shù)蕼p少30%時，光合作用下降。氮肥減量10%和氮肥減量20%處理的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)均高于氮肥100%施用處理，表明減少氮肥的施用對玉米生長發(fā)育沒有負(fù)面影響。但氮肥用量減少30%處理后的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)低于100%氮肥處理。綜合分析表明，氮肥用量減少20%后，可減少氮肥的使用，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)，可以在未來得到推廣。

關(guān)鍵詞：減量施氮;玉米;光合參數(shù);產(chǎn)量;品質(zhì)

中圖分類號： S513.06文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）12-0064-05

收稿日期：2021-08-11

基金項目：山西省重點研發(fā)計劃重點項目（編號：201903D211001-2-3）。

作者簡介：閻世江（1975—），男，山西太原人，博士，副研究員，主要從事遺傳育種研究。E-mail：syauyan@163.com。

通信作者：張治家，副研究員，主要從事植物保護研究。E-mail： 136424202@qq.com。

氮肥是作物生長發(fā)育不可缺少的養(yǎng)分，在土壤中施用后可以提高作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，增加蛋白質(zhì)的含量[1]，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用量很大。據(jù)統(tǒng)計，我國每年施用的氮肥占全世界總產(chǎn)量的1/3以上[2]。為追求高產(chǎn)，農(nóng)戶往往過量施用氮肥，既造成氮肥的浪費，也影響環(huán)境[3-4]，其結(jié)果并沒有帶來高產(chǎn)，甚至對產(chǎn)量、品質(zhì)有負(fù)面的影響[5-6]。如何在降低氮肥施用量的同時又能保證作物正常生產(chǎn)，成為學(xué)者的研究熱點。張賽等研究減氮對甘蔗生長發(fā)育的影響[7]，李波等研究在遼河地區(qū)不同施氮量對水稻生長的影響[8]，王賀正等研究減氮對小麥生長的影響[9-10]，上述的研究均證明與常規(guī)的施氮水平相比較，減施10%～20%氮肥對作物的生長未見影響，因此可以證實在實踐中減施氮肥是可行的。玉米（Zea mays L.）起源于美洲，15世紀(jì)前后傳入我國以后栽培面積逐漸擴大，目前已成為重要的糧食作物之一[11]。研究發(fā)現(xiàn)，為使玉米得到高產(chǎn)應(yīng)施用氮肥[12-13]。但在生產(chǎn)中也存在過量施用氮肥的情況，對玉米生產(chǎn)造成一定的影響，因此學(xué)者在玉米的栽培中也進行過減施氮肥的研究，徐麗娜等研究在施基肥時減氮對玉米產(chǎn)量的影響[14]，劉朋召等研究在栽培玉米時減氮對玉米產(chǎn)量及氮素利用的影響[15-17]，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)在玉米種植過程中減施氮肥對玉米的產(chǎn)量影響較小。上述的研究多是從土壤肥料學(xué)的角度探討減施氮肥后，玉米氮素的利用率及土壤養(yǎng)分的變化，在玉米表觀形態(tài)方面僅停留在生長指標(biāo)的層面，沒有進行深層次的研究，未探討減施氮肥對玉米生長發(fā)育影響的機理。為此，本試驗選取山西省晉中市進行減量施用氮肥試驗，即在玉米生長的過程中采用不同的氮肥施用量，探討在不同的氮肥施用水平下玉米產(chǎn)量與品質(zhì)的變化，從表觀形態(tài)、品質(zhì)逐步深入到光合參數(shù)，研究減量施用氮肥對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響，尋找最佳的氮肥施用量，希望對未來玉米合理施用氮肥奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽基地進行，該基地位于山西省晉中市榆次區(qū)，前茬作物為小麥。選用的玉米品種為益嘉豐138，該品種由山西益嘉豐農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司育成，株型半緊湊，穗筒型，穗軸深紅色，籽粒黃色、馬齒型。

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)長9 m、寬5 m，2020年4月18日采用機器播種，行距50 cm、株距40 cm，播種量37.5 kg/hm2。設(shè)以下5個處理，3次重復(fù)：處理 不施肥;處理2，傳統(tǒng)模式，即100%氮肥施用;處理3，氮肥減量10%;處理4，氮肥減量20%;處理5，氮肥減量30%。

傳統(tǒng)施肥模式參考農(nóng)民施肥量，氮肥為 25 kg/hm2，磷肥為90 kg/hm2，鉀肥為75 kg/hm2。30%氮肥與全部磷肥、鉀肥在播種時做底肥一次施入，70%氮肥在大喇叭口期追施。氮肥采用尿素，磷肥采用過磷酸鈣，鉀肥采用硫酸鉀。

1.3 項目測定

所有處理均采用同一管理方法進行管理，確保變量唯一性;在2020年6月3日（大喇叭口期）、6月20日（抽雄期）、7月10日（灌漿期）在每小區(qū)隨機選取10株玉米采用LI-6400便攜式光合作用儀，于晴天11：40—14：30測定植株上部展開葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等光合參數(shù)。10月5日收獲玉米，在各處理區(qū)域收獲玉米穗中隨機取樣10穗，測量株高、莖粗、穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、單穗粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、粗蛋白含量[18]、粗脂肪含量[18]、淀粉含量[18]、水分含量[18]等指標(biāo)，計算理論產(chǎn)量。玉米種子、試驗用肥料在當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場購買。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用DPS軟件進行，采用Microsoft Excel制表。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米的光合參數(shù)

由圖1可知，5個處理的凈光合速率總體上呈上升的趨勢，在大喇叭口期5個處理的凈光合速率在5.131～11.243 μmol/（m2·s），其中以處理4最高，達11.243 μmol/（m2·s），顯著高于其他4個處理，處理1最低，為5.131 μmol/（m2·s），其余的3個處理排在中間。至抽雄期，5個處理分別上升至8.386、14.457、15.179、16.697、10.071 μmol/（m2·s）;在灌漿期凈光合速率進一步上升，分別達10.314、17.650、18.532、20.386、10.913 μmol/（m2·s）。在3個生育期中，處理4一直保持在較高水平，處理1、處理5的凈光合速率較低，說明在不施用氮肥的情況下凈光合速率較低，采用減氮10%、減氮20%的處理較傳統(tǒng)的模式更能提高凈光合速率，但減氮30%后凈光合速率下降，說明氮肥供應(yīng)不充分不利于凈光合速率提高。

由圖2可知，在2020年6月3日（大喇叭口期），5個處理的蒸騰速率表現(xiàn)不同，處理1為 0.715 mmol/（m2·s），處理2為1.035 mmol/（m2·s），處理3為1.418 mmol/（m2·s），處理4為 1.630 mmol/（m2·s），處理5為 1.005 mmol/（m2·s），差異不大;在2020年6月20日（抽雄期）測定時，5個處理之間的差異擴大，其中以處理3、處理4的蒸騰速率較高，分別達2.783、3.200 mmol/（m2·s），顯著高于其他處理;在2020年7月10日（灌漿期）測定時，5個處理再次上升，而處理3、處理4上升的幅度較大，分別為6.653、7.650 mmol/（m2·s），其余的3個處理分別為2.108、2.438、2.238 mmol/（m2·s）。表明減氮10%、20%的處理可以有效提高玉米蒸騰速率，減氮30%、100%氮肥與不施用氮肥相比較也可以提高玉米蒸騰速率，說明施用氮肥對提高玉米蒸騰速率有利，但以減氮10%、20%的處理結(jié)果較好。

由圖3可知，在2020年6月3日（大喇叭口期），5個處理的氣孔導(dǎo)度在0.010～0.061 mol/（m2·s），差異較小，其中以處理4最高，達0.061 mol/（m2·s），以處理1最低，為0.010 mol/（m2·s）;在抽雄期，處理4大幅度上升，為0.388 mol/（m2·s），而其余的4個處理緩慢上升，分別為0.021、0.090、0.120、0.072 mol/（m2·s）;在灌漿期，處理3、處理4繼續(xù)大幅度上升，分別為0.358、0.664 mol/（m2·s），而其他處理上升的幅度較緩，處理1一直處于較低的水平。

由圖4可知，在測定的大喇叭口期、抽雄期、灌漿期，5個處理的胞間CO2濃度均表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，以處理1表現(xiàn)最高，3個時期分別為228.958、237.358、256.958 μmol/mol，處理5排在第2位，在3個時期分別達274.238、288.558、305.354 μmol/mol，處理4的表現(xiàn)與前3個光合參數(shù)的表現(xiàn)相反，一直處于較低的位置，3個時期分別為228.958、237.358、256.958 μmol/mol，處理2、處理3處于中間位置。

通過對測定的4個光合參數(shù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，較不施用氮肥的處理，施用氮肥的處理能提高凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，降低胞間CO2濃度，對光合作用有利，在4個氮肥處理中，氮肥減量10%處理、氮肥減量20%處理與100%氮肥施用處理相比較具有較高的光合能力，說明在一定的范圍內(nèi)減施氮肥能提高玉米的光合能力，但超出這一范圍，在氮肥減量30%時，光合作用下降，說明充足氮肥供應(yīng)對玉米的光合作用有利，但過量供應(yīng)或供應(yīng)不足對玉米光合作用有害。

2.2 玉米的農(nóng)藝性狀

對施用氮肥的不同情況下玉米農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)進行方差分析，結(jié)果（表1）發(fā)現(xiàn)，株高等農(nóng)藝性狀在區(qū)組間的均方分別為4.112、5.882、4.457、6.003、3.879、2.797、17.171、14.247、10.254、58.544，差異未達顯著水平，在處理間的均方分別為31.514、41.123、32.271、14.039、73.033、8.426、93.781、114.144、85.241、521.35 除穗行數(shù)這個性狀外，其余性狀的差異均達極顯著水平，表明除穗行數(shù)外的其余性狀在各施肥處理下的表現(xiàn)不同，有進一步研究的必要。

由表2可知，在株高這個性狀中，處理4的表現(xiàn)最高，達2.63 m，顯著高于其他處理，處理3、處理5分別達2.33、2.32 m，處理2為2.09 m，處理1最低，達 1.8 m，顯著低于其他處理。在莖粗這個性狀中，處理3、處理4較高，分別達22.67、22.96 mm，處理2、處理5分別為21.61、20.12 mm，處理1最低，為15.04 mm。在穗長這個性狀中，處理4為 1.96 cm，顯著高于其他處理，處理3排在第2位，為20.53 cm，處理2、處理5分別為19.50、19.82 cm，2個處理之間的差異未達顯著水平。處理1最低，僅為16.29 cm。在穗粗這個性狀中，處理4的表現(xiàn)最高，達4.39 cm，處理3、處理5分別為4.19、4.15 cm，處理2、處理1較低，分別為4.02、3.39 cm。禿尖長的表現(xiàn)與前述的性狀表現(xiàn)相反，處理1最高，達2.00 cm，處理4最低，為1.53 cm，其余的處理排在中間的位置。5個處理的穗行數(shù)均為16行，未達顯著水平。在行粒數(shù)、單穗粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量等性狀中，處理4表現(xiàn)最好，分別達41.5粒、259.17 g、37.80 g，處理1的表現(xiàn)最低，分別為35.9粒、200.83 g、30.67 g，其余的處理排在中間位置。在理論產(chǎn)量中，仍然以處理4表現(xiàn)最好。

經(jīng)過對玉米多個農(nóng)藝性狀的比較發(fā)現(xiàn)，不同的施氮肥處理對玉米的穗行數(shù)沒有影響，對株高等性狀有較大的影響，如不施用氮肥各農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)均較低，施用氮肥后農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出上升的趨勢，氮肥減量10%、氮肥減量20%的處理有效利用了氮素，農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)較100%氮肥施用的處理高，說明減量氮肥的施用對玉米的生長發(fā)育負(fù)面影響很小，但氮肥減量30%的處理后農(nóng)藝性狀較100%氮肥施用的處理下降，因此再次說明氮肥對玉米的生長有利，氮肥供應(yīng)不足不利于玉米的生長。

2.3 玉米的品質(zhì)性狀

由表3可知，玉米的品質(zhì)性狀在區(qū)組間的均方分別達3.332、8.747、5.478、9.093，經(jīng)檢驗均未達顯著水平;在處理間的均方分別達41.444、74.173、72.771、54.559，經(jīng)檢驗均達極顯著水平，有進一步研究的必要。

由表4可知，處理4在粗蛋白含量、粗脂肪含量、淀粉含量等品質(zhì)性狀中表現(xiàn)最高，分別達12.52%、4.58%、75.58%，顯著高于其他處理，處理3也較高，分別為11.11%、3.54%、68.54%，處理2、處理5在粗蛋白含量中有顯著差異，在粗脂肪含量、淀粉含量中的差異未達顯著水平，處理1表現(xiàn)最低，在這3個性狀中分別為7.21%、2.11%、60.54%。

在水分含量中，5個處理的表現(xiàn)與前述的3個性狀不同，處理1、處理2的水分含量較高，達29.57%、28.57%，處理4的水分含量最低，為19.54%，處理3、處理5排在中間。

對測定的幾個品質(zhì)性狀進行分析，發(fā)現(xiàn)氮肥的正確施用可以改善玉米品質(zhì)，供應(yīng)不足會影響其品質(zhì)，減量10%、20%氮肥可以滿足玉米生長的需要，其效果較100%氮肥施用的好，但減量30%會使玉米品質(zhì)變差。

3 討論

對于氮肥減量施用對作物光合作用的影響已有學(xué)者進行研究。馬鵬等研究氮肥的施用對水稻光合能力的影響，結(jié)果表明充足的氮肥供應(yīng)對水稻光合能力有利，有效提高光合參數(shù)，但過量施用對作物的光合作用不利[19]。郭鑫年等的研究也有類似的結(jié)論[20-21]，本研究測定凈光合速率等幾個光合參數(shù)的變化，得出的結(jié)論與上述的結(jié)論一致，說明在一定的范圍內(nèi)合理施用氮肥，提高氮肥的利用率，促進玉米的光合作用，進而加快根莖葉等器官中氮素轉(zhuǎn)運效率，促進干物質(zhì)積累量，過量施用氮肥不僅對環(huán)境有害，也不利于玉米的光合作用[22]。

玉米在生長過程中所需的營養(yǎng)元素較多，如氮、磷、鉀、鐵、錳等，如缺乏必要的營養(yǎng)元素，則影響其正常生長發(fā)育，在眾多的營養(yǎng)元素中所需量最大的是氮素[23]，但在目前的生長中農(nóng)戶由于自身的原因往往過量施用氮肥，如氮肥施用不足又會影響作物的生長，在降低氮肥施用量的同時提高氮肥使用效率，是目前研究的熱點。有關(guān)氮肥供應(yīng)對玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響已有學(xué)者進行研究，多數(shù)認(rèn)為氮肥促進干物質(zhì)積累，進而提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)[24]。本研究表明，不同的施氮肥處理對玉米的穗行數(shù)沒有影響，對株高等性狀有較大的影響，如不施用氮肥各農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)均較低，施用氮肥后農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出上升的趨勢，氮肥減量10%、氮肥減量20%的處理有效利用了氮素，農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)較100%氮肥施用的處理高，說明減量氮肥的施用對玉米生長發(fā)育沒有負(fù)面影響，但氮肥減量30%的處理后農(nóng)藝性狀較100%氮肥施用的處理下降，因此再次說明氮肥對玉米的生長有利，氮肥供應(yīng)不足不利于玉米生長。其結(jié)論與上述學(xué)者的結(jié)論相同，說明100%氮肥施用實際上已超過最佳經(jīng)濟施氮量[25]，而經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，氮肥減量20%的處理應(yīng)為最佳施氮量。朱兆良等認(rèn)為，氮肥進入土壤后被作物吸收利用的僅為施用總量的28%～41%，大部分氮素以不同途徑損失掉了，施入過多的氮素反而導(dǎo)致 NO-3-N 的淋失，除對土壤環(huán)境產(chǎn)生有害的作用外，也降低了氮肥的利用率[25-26]。合理施用氮肥能提高葉綠素含量，增強光合能力，延緩玉米植株衰老，進而提高產(chǎn)量[27]，這對提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)具有重要意義。

4 結(jié)論

綜合分析不同施氮處理后發(fā)現(xiàn)，氮肥減量20%的處理施用氮肥較少，但產(chǎn)量較目前的施用水平提高，光合參數(shù)較高，品質(zhì)好，該方法對玉米的生長發(fā)育有利，簡單可靠，可以推廣。

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