淺埋滴灌下不同施氮量對玉米產量和花后氮代謝的影響

葛選良，楊恒山，張雨珊，張瑞富，劉 晶，李維敏，劉欣博

（內蒙古民族大學農學院 / 內蒙古自治區飼用作物工程技術研究中心，內蒙古通遼 028043）

西遼河平原是我國為數不多的井灌玉米區，玉米年產量占內蒙古自治區玉米總產量的近1/3。目前，西遼河平原玉米氮肥施用量保持在純氮 300 kg/hm2左右，過量施氮導致氮肥利用率明顯偏低。此外，在干暖化氣候變化的大背景下，西遼河平原玉米生產灌溉用水主要依靠地下水資源，地下水支出量巨大，導致區域地下水位下降明顯。因此，發展節水農業，提高氮肥利用效率是西遼河平原灌區玉米生產發展的必然選擇。

目前，滴灌水肥一體化技術因兼具節水、減肥、增效及環境友好等特點而被廣泛應用于旱地農業生產[1–2]。膜下滴灌是覆膜種植和滴灌節水技術的有機結合，現已在玉米[3]、小麥[4]和棉花[5]等大田作物種植中被廣泛應用。研究表明，膜下滴灌水肥一體化下施氮量和灌水量及其交互作用對玉米產量的影響均表現為正效應，且以施氮量為主效應[6]。增加施氮次數能顯著增加玉米產量，干物質質量和氮素吸收量隨施氮量提高呈增加趨勢，尤以生育后期更為明顯[7]。淺埋滴灌是在膜下滴灌技術基礎上進行去膜覆土的新型節水灌溉技術，兼具環保、節水、減肥、增效的優勢[8–9]。課題組前期調研亦發現，由于西遼河平原光熱充足，膜下滴灌玉米不同程度存在生育后期早衰現象，在偏砂型土壤上表現的更為明顯[10]。由于地表無膜覆蓋，淺埋滴灌相對膜下滴灌可延緩生育后期玉米根冠衰老，提高氮素吸收利用效率[9,11]；同時，淺埋滴灌土壤水、熱變化規律與膜下滴灌亦有較大差異，這亦會影響玉米氮素利用效率、氮代謝運轉和氮素光合生產能力，進而影響籽粒產量的形成[12]。

基于淺埋滴灌形成的水肥一體化高產栽培模式對玉米節水節肥增產提效具有顯著效果，前人對此做了大量的研究工作，但以往的研究主要針對淺埋滴灌下施肥措施對產量形成[13]、干物質積累轉運[14]和水氮利用效率[15]的影響進行了闡述，而對淺埋滴灌下不同施氮量對玉米產量和花后氮代謝的影響尚缺乏深入的研究。本研究在西遼河平原灌區開展大田試驗，研究淺埋滴灌下不同施氮量對玉米產量、氮素利用效率和花后氮代謝酶活性、光合氮素利用效率及非結構性碳水化合物含量的影響，以期探明淺埋滴灌下玉米產量和花后氮代謝對不同施氮量的響應特征，為西遼河平原玉米豐產和氮素資源高效管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年在內蒙古自治區通遼市科爾沁區農業高新科技示范園區 (43°36′N，122°22′E)進行，試驗地點海拔180 m，年平均氣溫6.8℃，≥10℃的活動積溫3200℃，無霜期154天，試驗年份生育期內降水量及溫度見表1和表2。試驗地土壤為灰色草甸土，pH為8.25，試驗實施前耕層 (0—20 cm)土壤基礎養分如下：有機質含量18.5 g/kg，堿解氮含量52.3 mg/kg，有效磷含量11.4 mg/kg，速效鉀含量111 mg/kg。

表2 試驗地點玉米生長季平均氣溫(℃)Table 2 Average temperature during maize growing season at the experimental site

1.2 試驗設計

試驗設施氮0、150、210、300 kg/hm24個處理，分別記為N0、N150、N210 和N300，3次重復，共12個小區，小區面積72 m2(10 m×7.2 m)。淺埋滴灌采用內鑲片式滴灌管，滴頭相距20 cm，滴頭流量為2.7 L/h，滴灌管淺埋于小壟中間距地表3～5 cm 處，各處理單獨配置18 L壓差式施肥罐和水表控制施肥量和滴灌量。整個玉米生長期進行7次灌溉，總灌溉定額為2400 m3/hm2，具體時期及灌溉量為：播種期550 m3/hm2、拔節期425 m3/hm2、大喇叭口期385 m3/hm2、抽雄期385 m3/hm2、吐絲期275 m3/hm2、灌漿期190 m3/hm2、乳熟期190 m3/hm2。N0處理底施過磷酸鈣 (P2O518%) 498 kg/hm2、硫酸鉀 (K2O 50%) 90 kg/hm2；N150、N210和N300處理底施磷酸二銨 (N 18%、P2O546%) 195 kg/hm2、硫酸鉀 (K2O 50%) 90 kg/hm2，結合滴灌在拔節期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1比例追施尿素，具體施肥方案見表3。供試玉米品種為農華101，寬窄行種植(40 cm+80 cm)，播種–施肥–鋪帶–覆膜一體機單粒精量播種，出苗后不間苗，補苗、定苗，小區留苗648株，折合為大田種植密度9.0萬株/hm2。2018年4月28日播種，10月2日收獲測產；2019年5月1日播種，10月4日收獲測產；2020年5月2日播種，10月4日收獲測產。

表3 不同處理施肥 (kg/hm2) 方案Table 3 The N application schemes of different treatment

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及其構成因素 2018—2020年成熟期，各處理小區選擇24 m2，調查總株數、空稈數，實收測定產量。隨機取30個果穗，脫粒測定含水量，調查穗行數和行粒數，隨機取1000粒籽粒，測定千粒重，平行測定3次，重復間差異小于0.5 g，同時折算成標準含水量 (14%) 的產量。

1.3.2 氮素積累轉運 2018—2020年于開花期和完熟期，各處理小區選取長勢一致、有代表性的連續5株玉米，按莖鞘、葉片、穗軸、苞葉和籽粒分開，在烘箱內105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，測定干物質重，粉碎后，參照鄒琦[16]的方法測定各器官氮含量，計算花后氮素積累量和轉運量。具體計算公式如下：

氮素積累量 (kg/hm2) =完熟期干物質積累量×完熟期植株氮含量 (%)；

氮素轉運量 (kg/hm2) =開花期植株氮素積累量-完熟植株氮素積累量。

1.3.3 氮素利用效率 根據2018—2020年各處理產量和成熟期植株器官氮含量，參照Hou等[17]的方法計算2018年各處理的氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥生理利用率、氮素吸收效率，計算2019、2020年各處理的氮素累積效率。具體計算公式如下：

式中，i表示第i年 (i=1、2、3)，CK代表對照，Y、F和D分別代表產量、施氮量和地上部氮素吸收量。

1.3.4 氮代謝相關酶活性 2020年于開花后至成熟期，每10天取樣1次 (0及10、20、30、40、50和60分別代表開花期及花后10、20、30、40、50天和完熟期，下同)，各處理選取長勢一致、可代表小區平均長勢的連續3株玉米，剪取穗位葉葉片，擦干凈表面并去除葉脈，之后用液氮速凍處理，帶回實驗室放入-80°C低溫冰箱保存。采用相應酶聯免疫吸附測定實驗 (ELISA) 試劑盒測定硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性。

1.3.5 光合氮素利用效率 取樣時間同1.3.4，各處理選取長勢一致、可代表小區平均長勢的連續3株玉米，利用Li-6400便攜式光合儀測定穗位葉凈光合速率 (Pn)；測定植株單葉葉面積，計算單株葉面積；分別剪取穗位葉、穗位上第1片葉、穗位上第2片葉、穗位上第3片葉、穗位下第1片葉、穗位下第2片葉和穗位下第3片葉，在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，測定單葉干質量，計算比葉質量(LMA)。將烘干葉片樣品混合粉碎、過篩后，測定葉片中氮含量 (Nleaf)，計算單位干質量葉片含氮量(Nmass)、單位面積葉片含氮量 (Narea) 和光合氮素利用效率 (PNUE)。具體計算公式如下：

完全展開葉葉面積 (cm2) =長×寬×0.75；

不完全展開葉葉面積 (cm2) =長×寬×0.50；

比葉質量 (LMA，g/m2) =葉干質量/葉面積；

單位干質量葉片含氮量 (Nmass，g/kg) =葉片氮含量/葉干質量；

單位面積葉片含氮量 (Narea，mg/cm2) = Nmass×LMA；

光合氮素利用效率 [PNUE，CO2μmol/(g·s)] =Pn/Narea。

1.3.6 非結構性碳水化合物含量 取樣時間和方法同1.3.4，淀粉含量參照門福義等[18]的方法測定，蔗糖含量參照Qi等[19]的方法測定，可溶性糖含量參照李合生[20]的方法測定。

1.4 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2016進行數據整理和制表，使用Origin 2019作圖，采用SPSS 19.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對玉米產量和產量構成因素的影響

由表4可知，2018、2019、2020年產量N300與N210處理相當，但均顯著高于N150處理，3年N300處理較N150處理分別增產26.27%、17.49%和12.96%，N210處理較N150處理分別增產20.70%、13.07%和9.44%。單位面積有效穗數不同處理間差異均不顯著。穗粒數2018年N300、N210和N150處理差異不顯著；2019、2020年N300與N210處理差異不顯著但均顯著高于N150處理，2019年N300、N210處理分別較N150處理是增加16.86%、11.02%，2020年分別增加18.92%、13.81%，3年平均N300、N210處理較N150處理分別提高15.70%、10.85%。千粒重3年N300處理均與N210處理相當，但顯著高于N150處理，N300、N210處理較N150處理分別提高9.78%、5.82%，而N210處理只在2020年顯著高于N150處理?？梢?，穗粒數和千粒重是產量差異的主要影響因素，N210與N300處理產量、穗粒數和千粒重的差異均不顯著。

表4 不同施氮量對玉米產量和產量構成因素的影響Table 4 Effects of different N application rates on maize yield and yield components

2.2 不同施氮量對玉米氮素利用效率的影響

由表5可知，氮肥偏生產力2018—2020年N210處理均顯著高于N300處理，3年N210處理分別較N300提高36.55%、37.01%和37.48%，平均提高37.01%；氮肥農學效率2018年不同處理間的差異不顯著；2019—2020，N210處理均顯著高于N300處理，2年N210處理分別較N300處理提高30.15%、33.18%，3年平均提高29.84%；氮肥生理利用率2018—2020年均為N210處理與N300處理的差異不顯著，且二者顯著低于N150處理，3年N210處理分別較N300處理提高6.65%、13.10%和10.54%，平均提高10.10%；氮素吸收效率2018—2020年N210處理均顯著高于N300處理，3年N210處理分別較N300處理提高31.25%、27.00%和28.43%，平均提高28.89%。可見，年際間N210處理氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥生理利用率和氮素吸收效率均高于N300處理，N210處理氮素利用效率優于N300處理。

表5 不同施氮量對玉米氮素利用效率的影響Table 5 Effects of di different N application rates on nitrogen utilization efficiency of maize

2.3 不同施氮量對玉米花后氮素積累轉運的影響

由圖1可知，隨著施氮量的增加，不同處理玉米花后氮素積累量和轉運量均逐漸增加。氮素積累量2018年N300與N210處理差異不顯著，且二者顯著高于N150處理，N300、N210處理分別較N150處理提高55.18%、42.73%；2019、2020年3個N處理間差異均達顯著水平，2年N300、N210處理分別較N150處理提高85.41%、59.28% (2019年)和105.34%、89.49% (2020年)。氮素轉運量N300與N210處理差異不顯著，且二者均顯著高于N150處理，3年N300、N210處理分別較N150處理提高62.92%、47.31% (2018年)，29.67%、33.65% (2019年)和57.57%、50.49% (2020年)?？梢姡觌H間N210與N300處理氮素積累量的差異較大，但二者轉運量的差異均不顯著。

圖1 不同施氮量對玉米花后氮素轉運和積累的影響Fig.1 Effects of different N application rates on nitrogen translocation and accumulation of maize after anthesis

2.4 不同施氮量對玉米花后氮代謝酶活性的影響

由圖2可知，硝酸還原酶活性開花期至花后10天N210與N150處理差異不顯著，且二者顯著低于N300處理；花后20天至成熟期N300與N210處理差異不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，其中除花后50天外N210與N150處理的差異亦未達顯著水平，開花期至成熟期N300、N210處理分別平均較N150處理增高22.92%、10.09%。谷氨酸脫氫酶活性開花期至花后50天N300與N210處理差異不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，其中花后20天至花后30天N210處理亦顯著高于N150處理；成熟期各處理差異不顯著，開花期至成熟期N300、N210處理平均分別較N150處理增高11.18%、6.64%。谷氨酰胺合成酶活性花后至成熟期的差異性變化與谷氨酸脫氫酶相似，開花期至成熟期N300、N210處理平均分別較N150處理增高7.10%、3.90%。谷氨酸合成酶活性開花期N210與N150處理差異不顯著，且二者顯著低于N300處理；花后10天至成熟期N300與N210處理差異均不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，除花后10天和花后40天外N210處理亦均顯著高于N150處理，開花期至成熟期N300、N210處理平均分別較N150處理增高10.38%、6.35%。可見，與N150處理相比，N300與N210處理均能保持花后氮代謝的正常運轉，且二者花后氮代謝酶活性的差異不顯著。

圖2 不同施氮量下玉米花后氮代謝酶活性隨生育期的變化 (2020年)Fig.2 Dynamics of enzyme activities related to N metabolism of maize with growing days after anthesis as affected by N application rate in 2020

2.5 不同施氮量對玉米花后光合氮素利用效率的影響

光合氮素利用效率表示單位面積葉片氮素的光合生產能力。由表6可知，單位面積葉片含氮量開花期至花后30天不同施氮處理差異均不顯著；花后40天至成熟期N300與N210處理差異不顯著，且二者顯著高于N150處理，N300、N210處理平均分別較N150處理增加10.32%、5.69%。凈光合速率開花期不同處理間差異顯著；花后10天至成熟期N300與N210處理差異均不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，除花后20天和成熟期外N210處理亦顯著高于N150處理，N300、N210處理平均分別較N150處理增加25.94%、14.33%。光合氮素利用效率開花期至成熟期N300與N210處理差異不顯著，且N300處理均顯著高于N150處理，其中除花后40天至花后50天N210與N150處理差異不顯著外，N210處理亦均顯著高于N150處理，N300、N210處理平均較N150處理增高21.34%、15.14%。可見，與N150處理相比，N300與N210處理均能保持花后氮素正常的光合生產能力，且二者花后光合氮素利用效率的差異不顯著。

表6 不同施氮量對玉米花后光合氮素利用效率的影響 (2020年)Table 6 Photosynthetic nitrogen utilization efficiency of maize after anthesis as affected by N application rate in 2020

2.6 不同施氮量對玉米花后非結構性碳水化合物含量的影響

由表7可知，蔗糖含量開花期至花后20天N300處理顯著高于N210、N150處理，其中開花期N210處理亦顯著高于N150處理，花后10天至花后20天N210與N150處理差異均不顯著；花后30天至成熟期N300與N210處理差異不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，N300、N210處理分別平均較N150處理增加15.73%、6.00%?？扇苄蕴呛块_花期至花后20天N300處理均顯著高于N210、N150處理，其中開花期N210與N150處理差異不顯著，花后10天至20天N210處理亦均顯著高于N150處理；花后30天至成熟期N300與N210處理差異均不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，其中除花后50天外N210處理亦均顯著高于N150處理，N300、N210處理平均分別較N150處理增加41.92%、26.05%。淀粉含量開花期至成熟期N300與N210處理均差異不顯著，且N300處理顯著高于N150處理，其中除開花期和花后30天N210處理顯著高于N150處理外，其它時期二者差異均不顯著，N300、N210處理平均較N150處理增加26.89%、13.78%。可見，與N150處理相比，N300與N210處理花后穗位葉非結構性碳水化合物含量均較高，且花后30天開始二者差異均不顯著。

表7 不同施氮量下玉米非結構性碳水化合物含量隨生育期的變化 (2020年)Table 7 Dynamics of non-structural carbohydrate content of maize with growing days after anthesis as affected by N rate in 2020

3 討論

3.1 淺埋滴灌下不同施氮量對玉米產量和氮素積累轉運的影響

土壤水分是土壤養分釋放的基礎，施肥能提高作物的水分利用效率，適宜的水肥供應對作物的生長和增產具有顯著的正耦合效應[21]，前人對玉米[22]、棉花[23]、小麥[24]的滴灌水肥耦合研究結果表明，適宜的水肥條件下作物產量最高，當水肥供應超過一定閾值時，產量則呈下降趨勢。本研究結果表明，淺埋滴灌下玉米產量隨著施氮量的增加均呈上升趨勢，當施氮量高于210 kg/hm2時，產量未呈下降趨勢但增產效果不顯著，同時產量與施氮量的回歸模擬 (y=–0.0003x3+0.072x2+31.26x+5830.00，P＜0.01，R2=0.891)表明，在施氮量0～300 kg/hm2范圍內，以N 283 kg/hm2的玉米產量最高，2018—2020年N300處理分別較N210處理增產4.62%、3.91%和3.22%，這與前人的研究結果有所不同。干物質積累和轉運是決定玉米籽粒產量高低的主要因素[25]，花后干物質積累轉運量是籽粒產量形成的主要物質來源[26]。滴灌條件下增加施氮量可提高花后氮素積累量與氮素轉運效率，促進植株營養器官的氮素向籽粒轉移，進而實現增產[27]。從前人研究結果可以看出，滴灌條件下適宜的施氮水平是維持玉米花后較強的氮素同化作用和提高產量的關鍵因素。本研究結果表明，2018—2020年N300處理花后氮素積累量均顯著高于N150處理，且2019—2020年N300處理花后氮素積累量亦均顯著高于N210處理，但不同年份N300處理氮素轉運量與N210處理的差異均未達到顯著水平；N210處理2018—2020年氮肥偏生產力、2019—2020年氮肥農學效率和2018—2020年氮素吸收效率均顯著高于N300處理。從本研究結果可以看出，N300與N210處理均能滿足該地區玉米生育后期對氮素的吸收利用，且N210處理花后氮素的吸收與利用效率均高于N300處理。因此，本研究中當施氮量達到300 kg/hm2時，淺埋滴灌玉米產量進一步增加但其增產效果不顯著。與N300處理相比，N210處理在減氮30%的條件下可保證玉米豐產性，同時減少因氮肥過量施用導致的地下水污染和N2O排放，兼顧了玉米生產的經濟效益和生態效益，實現了玉米綠色豐產增效。

3.2 淺埋滴灌下不同施氮量對玉米花后氮代謝酶活性的影響

土壤氮素供應水平是影響作物氮代謝的關鍵因素之一，氮素進入植物體內都會經過谷氨酸或谷氨酰胺的轉氮作用形成不同的氨基酸，進而合成蛋白質，蛋白質含量直接影響植物體內各種酶的合成，從而影響植物體氮代謝[28]。前人關于施氮量對玉米[29]、水稻[30]、小黑麥[31]葉片氮代謝酶活性的影響已有許多研究，不同生育期花生葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性均隨施氮量的增加而提高，但施氮量過高會導致氮代謝酶活性的下降[32]。本研究結果表明，淺埋滴灌下不同施氮量顯著提高花后玉米葉片氮代謝相關酶活性，隨著生育進程的推進，花后10天開始至成熟期N300和N210處理谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脫氫酶活性的差異均不顯著，這可能與N300處理營養器官氮素轉運受抑制和N210處理花后氮素吸收與轉運效率高有關。前人研究表明，施氮可顯著提高膜下滴灌玉米花后葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，其中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性分別在花后20天、花后30天與其它處理差異最顯著，施氮量300 kg/hm2可保證葉片氮代謝酶機制的暢通和高效運轉，可有效提高氮肥利用效率[33]。這與本研究結果有所不同，可能是由于膜下滴灌玉米花后生育進程加快，根冠衰老加劇，氮素吸收效率下降，進而影響氮素的積累與轉運，從而需要較多的氮素維持其花后葉片氮代謝酶活性，保證葉片氮代謝正常運轉。

3.3 淺埋滴灌下不同施氮量對玉米花后氮素光合生產能力的影響

氮素是作物光合作用以及有機物生成與積累的限制因素，合理增施氮肥可提高作物葉片氮含量，有利于提高葉綠素含量及與光合有關的酶活性，進而提高光合速率[34]。研究表明，葉片凈光合速率一般隨葉片氮含量增加而增加，二者在葉片氮含量較低時呈線性關系，而葉片氮含量較高且變化范圍較廣時，二者則呈指數增長到最大值的曲線關系[35]。滴灌水肥一體化下，增施氮肥可提高溫室番茄葉片光合速率、氣孔導度和水分利用率，而過量增氮將抑制其光合作用[36]；充分滴灌條件下，增施氮肥能延長小麥旗葉光合功能持續期，提高最大光合速率和表觀光量子效率[37]；氮肥后移可延長花后玉米葉片光合有效時間，提高氮素吸收能力，增加葉片氮素含量[38]。光合氮素利用效率是葉片凈光合速率與葉氮含量的比值，可充分反映植物氮分配及其對光合作用的影響[39]，葉片氮素參與光合作用的比例和光合酶活性大小均影響光合氮素利用效率[40]，光合氮素利用效率越高表明產生單位干物質所需的氮素越少，氮素利用率越高[41]。本研究表明，玉米花后單位面積葉片含氮量、凈光合速率和光合氮素利用效率均隨施氮量的增加而增加，花后N300、N210處理光合氮素利用效率分別較N150處理提高了21.34%、15.14%，但開花期至成熟期N210與N300處理光合氮素利用效率的差異均不顯著。可見，淺埋滴灌下N300與N210處理均能滿足該地區玉米生育后期光合物質生產對氮素的需要，且N210處理花后氮素光合生產能力優于N300處理。

4 結論

西遼河平原淺埋滴灌水氮一體化下，施氮量在210～300 kg/hm2范圍內，玉米花后氮代謝酶活性、氮素光合生產能力較強，非結構性碳水化合物含量均較高，利于氮素積累轉運，進而促進產量的提高，且氮肥用量間的差異不顯著。然而，低施氮量下玉米氮素利用效率明顯提高。因此，西遼河平原井灌區應用淺埋滴灌技術種植玉米，施氮量210 kg/hm2更為合理，既可保持現有產量不降低，還可增加植株氮素吸收轉運，提高氮素利用效率。