水肥一體化條件下密植高產玉米適宜追氮次數研究

毛圓圓，薛 軍，翟 娟，張園夢，張國強，明 博，謝瑞芝，王克如，侯 鵬，李召鋒，李少昆*

（1 石河子大學農學院 / 新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2 中國農業科學院作物科學研究所 / 農業農村部作物生理生態重點實驗室，北京 100081）

玉米作為禾谷類作物中增產潛力最大的作物，在保障國家糧食安全中具有非常重要的地位[1]。耕作栽培管理粗放、施肥方法不科學、技術到位率低等因素限制了我國玉米單產的增加[2]。在耕地資源有限和糧食需求量高的前提下，通過精準調控措施提高玉米產量是解決我國糧食問題的重要途徑之一。

根據作物的需肥規律、土壤供肥能力和肥料性能，精準施肥是獲得高產、提高肥料利用效率和實現農業可持續發展的重要途徑[3–5]。農業生產中，氮肥增產效應高于磷肥和鉀肥，氮貢獻了全球糧食增產的30%～50%[6–7]。根據玉米需氮規律，分次施氮有利于植株灌漿階段的氮素吸收，減少氮素損失，保持土壤氮素平衡，實現產量和氮肥利用效率的協同提高[8–10]。但是傳統生產中，玉米追肥困難，多采用全部基施(一炮轟)或基施+拔節期追肥的方式，造成前期生長過快、倒伏風險加大[11–12]、后期脫肥現象嚴重、植株早衰、灌漿期縮短和灌漿速率下降等問題[13]。而倒伏和早衰也限制了玉米種植密度和產量的進一步提升[14–15]。依托滴灌水肥一體化施肥技術可以調節玉米的施肥時間和施肥量，使分次施肥的應用成為現實，保證根區養分的持續供應[16]。實踐證明，水肥一體化技術已從設施農業走向大田，發揮明顯的節水、節肥和增產作用，減少資源浪費和土壤污染，促進農業的可持續性發展[17]。但該技術在應用中依然缺乏有利于玉米抗倒和高產高效的精準施肥技術模式，未能充分發揮技術的優勢[18]。因此，在膜下滴灌水肥一體化條件下，探索氮肥最佳用量及施用時期、頻次和比例對密植玉米抗倒伏能力、產量和氮肥利用效率的影響，可以為玉米密植高產精準調控技術模式的構建提供理論參考和實踐依據。

新疆具有豐富的光輻射資源，先進的灌溉技術，配合土地規模化和機械化，是我國玉米單產潛力最高的區域[19]。2020年，新疆自治區和新疆建設兵團的玉米平均產量分別為8883和11790 kg/hm2[20]，盡管單產均高于全國水平，但仍然有很大的增產潛力[21]。分析其原因發現，灌溉區種植密度只有7.74×104株/hm2[22]，種植密度偏低是制約該區域玉米單產提升的重要原因之一。本研究團隊前期研究表明，在種植密度為 12×104株/hm2條件下，施 N 360 kg/hm2可以獲得較高的產量和氮肥利用效率[23]，但是在水肥一體化條件下，如何進行氮肥追施需進一步明確。為此，我們開展了氮肥追施次數對密植高產玉米干物質積累和產量影響的研究，為密植玉米氮肥的合理高效施用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020和2021年在中國農業科學院作物科學研究所新疆奇臺試驗示范基地(43°50′N，89°46′E，海拔 1020 m)進行。土壤質地為砂壤土，田間0—60 cm土層土壤 pH為7.9，容重為1.38 g/cm3，有機質含量為13.3 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為82.9、53.8和106 mg/kg。試驗區2020、2021年玉米生長季(4—10月份)內降雨量分別為159.7、192.8 mm，日平均溫度分別為16.2℃、1 6.5℃，全年≥1 0℃ 積溫分別為 3 1 6 0℃、3499.5℃，無霜期分別為156、181天，種植制度為玉米連作。

1.2 試驗設計

采用單因素隨機區組設計，供試品種為‘登海618’，種植密度為12萬株/hm2，基于團隊前期研究推薦的最佳施氮水平360 kg/hm2[23]。本試驗氮肥基施量為36kg/hm2；氮肥追施量為324kg/hm2，在玉米全生育期內設定5個氮肥追施處理，分別為追施2次(NT2)、追施4次(NT4)、追施6次(NT6)、追施8次(NT 8)和追施10次(NT10)，每個處理3次重復，具體施用時期和施氮量如表1所示。

表1 各處理氮肥追施時期和施用量Table 1 Period and rate of nitrogen fertilizer topdressing in each treatment

采用70 cm+40 cm寬窄行種植模式，播前基肥施入量為36 kg/hm2氮素，不同追氮次數處理從9葉期開始，以尿素(N 46%)為氮源，采用50 L壓差式施肥罐連接施肥閥及水表進行隨水追肥，NT2、NT4、NT6、NT8、NT10處理全生育期的灌溉次數均為10次，所有處理的單次灌溉量和總灌溉量(5400 m3/hm2)均相同。磷肥和鉀肥的管理同大田生產，播種前施入 P2O575 kg/hm2和 K2O 37.5 kg/hm2，在V9、V12、R1?5天、R1+5天、R1+15天、R1+25天、R1+35天、R1+45 天、R1+55天，分別隨水施入P2O524.5、25.0、25.5、22.5、21.0、15.0、6.0、6.0、4.5 kg/hm2，K2O 31.5、16.5、19.5、22.5、22.5、18.0、9.0、7.5、3.0 kg/hm2，總追磷量和總追鉀量均為150 kg/hm2。同時，玉米在7葉期，葉面噴施600 mL/hm2“玉黃金”提高抗倒伏能力。按照玉米高產田間管理，嚴格控制田間病蟲害和雜草。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量及產量構成 在生理成熟期(R6)，每個小區選擇中間3行5 m，收獲全部果穗后稱重。按平均穗重法取20個標準果穗，脫粒稱重，計算鮮穗出籽率。用校準后的谷物水分測定儀(PM-8188)測定籽粒含水量。計算籽粒含水率為14.0% 的產量。另外選取20個標準果穗，測定平均穗粒數和千粒重。

產量 (kg/hm2)＝鮮穗重 (kg/hm2)×出籽率 (%)×[1?含水率 (%)]/(1?14%)

1.3.2 氮肥利用效率 根據玉米產量和施氮量計算氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力，計算公式如下：

氮肥農學利用效率(kg/kg) = (施氮處理產量–未施氮處理產量)/施氮量

氮肥偏生產力 (kg/kg) = 施氮區產量/施氮量

1.3.3 干物質積累與轉運 在玉米6葉期(V6)、9葉期(V9)、12葉期(V12)、吐絲期(R1)、吐絲后30天(R1+30 d)和生理成熟期(R6)進行取樣，每個處理選取5株長勢均勻的代表性植株，取其地上部分，吐絲期分解為莖、葉+鞘、雄穗、雌穗4部分，成熟期分解為莖、葉+鞘、雄穗、苞葉、籽粒和穗軸6部分，在105℃烘箱內殺青30 min，85℃恒溫下烘至恒重，稱量其干重。相關計算公式[24]如下：

吐絲后干物質積累量(kg/hm2) = 成熟期干物質積累量–吐絲期干物質積累量；

吐絲前營養器官干物質轉運量(kg/hm2) = 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；

吐絲前營養器官干物質轉運率(%) = 吐絲前營養器官干物質轉運量/吐絲期干物質積累量×100。

吐絲前營養器官干物質對籽粒貢獻率 (%) = 吐絲前營養器官干物質轉運量/成熟期籽粒干重×100；

吐絲后干物質對籽粒貢獻率 (%) = 吐絲后干物質積累量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.4 單株葉面積測定 在玉米V6、V9、V12、R1、R1+30 d和R6，每個處理選取5株長勢均勻的代表性植株，測定每片葉的葉長和葉寬，采用長寬系數法計算單葉的葉面積，根據葉面積持續期計算光合勢。

展開葉單葉面積=長×寬×0.75 (0.75為系數)

未展開葉面積=長×寬×0.5 (0.5為系數)

群體光合勢=1/2(L1+L2)×(t2?t1)，其中L1和L2分別表示2次取樣時的葉面積，t1和t2分別表示2次取樣時的出苗后天數。

1.3.5 植株形態 吐絲期每個處理選取5株測定其株高、穗位高、莖稈基部3～5節間直徑，計算穗位系數。穗位系數=穗位高/株高。

1.3.6 莖稈機械強度 在玉米R1和R6，每個處理選取5株長勢一致的代表性植株，田間自然生長狀態下，用YYD-1型莖稈強度測定儀(浙江托普儀器有限公司，中國杭州)在穗位處垂直于莖稈方向將植株推斷，測定莖稈被推斷時的最大力學值即莖稈抗折斷力；用YYD-1型莖稈強度測定儀將橫截面積為1 mm2的測頭，在節間中部長軸面垂直于莖稈方向勻速緩慢插入，讀取穿透莖稈表皮的最大值即為穿刺強度；用橫截面積為1 cm2的測頭，測定莖稈基部第4節間被壓碎時的力學值即壓碎強度；用U型測頭采用三點彎曲法測定第5節間恰好折斷的力學值即彎曲強度[25]。

1.3.7 經濟效益計算 根據玉米的籽粒產值和生產成本投入計算經濟效益和產投比。經濟效益 = 籽粒產值?生產投入；籽粒產值 = 產量×玉米單價；產投比 = 經濟效益/生產投入[26]。

1.4 數據統計與分析

采用 Excel 2019 和 SPASS 23 軟件進行數據處理及分析，采用Origin 9.6和Excel 2019軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 產量和氮肥利用效率

氮肥追施次數顯著影響了玉米的穗粒數、千粒重、產量及氮肥利用效率，對收獲穗數無顯著影響(表2，表3)。與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理在兩個生長季的平均產量分別提高6.2%、8.7%、12.3%和7.1%，平均氮肥偏生產力分別提高5.5%、7.5%、11.8%和7.1%，平均氮肥農學利用效率分別提高40.8%、51.5%、82.5%和48.1%。NT8 處理在兩個生長季的平均產量達到22442 kg/hm2，氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力分別達到15.18和 62.09 kg/kg。

表2 追氮次數對玉米產量的影響Table 2 Effects of nitrogen topdressing times on maize yield

表3 追氮次數對玉米氮肥利用效率的影響Table 3 Effects of nitrogen topdressing times on nitrogen use efficiency of maize

2.2 干物質積累特征

氮肥追施次數顯著影響了玉米的干物質積累量(圖1)。各處理的干物質積累量開始出現差異時間為玉米12葉期(V12)；在玉米吐絲期(R1)各處理的干物質積累量差異增大，NT6處理的干物質積累量最多，后依次為NT8、NT4、NT2、NT10處理；吐絲后30天(R1+30 d)干物質積累量最多的處理為NT8，后依次為NT6、NT4、NT10、NT2處理；生理成熟期(R6)各處理的干物質積累量差異最大。生理成熟期，與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理在兩個生長季的平均干物質積累量分別提高7.5%、18.9%、23.9%、10.8%。

圖1 追氮次數對玉米地上部干物質積累量的影響Fig. 1 Effects of N topdressing times on dry matter accumulation of maize aboveground

采用Logistic方程對干物質積累量與出苗后天數進行擬合，結果(表4)表明，氮肥追施次數對干物質快速積累的起始期(t1)影響較小，僅2021年NT2處理的t1較其他4個處理提前4～5天。隨著追氮次數增加，干物質快速積累的終止期(t2)呈后移趨勢，與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理在兩個生長季的平均t2分別后移5、9、11和7天。干物質快速積累的持續期(T)和最大積累速率(Vmax)隨追氮次數增加呈先升高后降低趨勢，與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理在兩個生長季的平均T分別延長了2、6、8和5天，平均Vmax分別提高4.4%、9.2%、14.8%和7.2%。

表4 不同追氮次數下干物質積累的Logistic方程及特征值Table 4 Logistic regression equation and characteristic value of dry matter accumulation under different nitrogen topdressing times

2.3 干物質分配與轉運

NT2處理的吐絲前營養器官干物質轉運量最多，NT8處理的吐絲后干物質積累量最多(表5)。與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理在兩個生長季的平均吐絲前營養器官干物質轉運量分別降低了29.5%、44.5%、63.7%和40.7%，平均吐絲前營養器官轉運率分別降低了31.7%、47.5%、66.0%和33.9%，平均吐絲前營養器官干物質轉運量對籽粒的貢獻率分別降低了33.3%、51.5%、68.8%和44.5%，平均吐絲后干物質的積累量分別提高了11.6%、24.2%、36.6%和18.1%，平均吐絲后干物質積累量對籽粒的貢獻率分別提高了4.1%、4.9%、10.7%和7.7%。

表5 不同追氮次數下玉米干物質積累及向籽粒的轉運Table 5 Dry matter distribution and transport to maize grain under different nitrogen topdressing times

2.4 葉面積指數和光合勢

增加氮肥追施次數顯著影響了玉米生長后期的葉面積指數(LAI)，有效保障了吐絲后較長的光合時間(圖2)。在12葉期(V12)和吐絲期(R1) NT6處理的LAI最高，然后依次為NT8、NT4、NT2、NT10處理。在2021年，吐絲后30天(R1+30 d)，NT8和NT6處理的LAI高于NT2、NT4和NT10處理，2020年該時期由于未能測定葉面積，造成數據缺失；生理成熟期(R6)各處理的LAI差異最大，與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理的LAI分別提高了5.5%、11.3%、15.2%和15.1%。

圖2 追氮次數對玉米群體葉面積指數的影響Fig. 2 Effects of nitrogen topdressing times on maize leaf area index

氮肥追施次數對出苗—V6階段的群體光合勢無顯著影響，而顯著影響了玉米V6—V12、V12—R1和R1—R6階段的光合勢(表6)。與NT2處理相比，NT4、NT6和NT8處理在兩個生長季V6—V12階段的平均光合勢分別提高了3.0%、5.9%、3.8%，V12—R1階段平均光合勢分別提高了1.1%、6.6%、3.8%，而NT10處理在這兩個階段的平均光合勢分別降低了5.0%和2.9%。R1—R6階段，與NT2處理相比，NT4、NT6、NT8和NT10處理兩個生長季的平均光合勢分別提高了3.1%、8.6%、10.0%和5.7%。

表6 不同追氮次數下玉米群體光合勢變化Table 6 Changes in maize photosynthetic potential under different nitrogen topdressing times

2.5 植株形態

氮肥追施次數對吐絲期的基部節間直徑無顯著影響，但顯著影響了株高、穗位高及穗位系數，其中，NT6處理的株高、穗位高及穗位系數最高(表7)。與 NT2處理相比，NT4、NT6、NT8處理兩個生長季的平均株高分別增加了1.9、14.8和12.9 cm，穗位高分別增加了5.7、9.7和8.0 cm，穗位系數分別提高了4.6%、4.1%、2.5%，而NT10處理的株高、穗位高和穗位分別降低了1.5 cm、4 cm和4.4%。

表7 追氮次數對玉米株高、穗位和直徑的影響Table 7 Effects of nitrogen topdressing times on maize plant height, ear position, and diameter

2.6 莖稈抗倒伏能力

玉米莖稈抗折斷力、基部節間穿刺強度、壓碎強度和彎曲強度均隨著追氮次數的增加呈先增加后降低的趨勢(表8)，各指標在NT6或NT8處理下最高，而在NT10處理下最低。玉米吐絲期，與NT2處理相比，NT4、NT6和NT8處理的莖稈抗折斷力分別提高了5.5%、8.9%、8.6%，而NT10處理降低了20.0%；成熟期，相較NT2處理，NT4、NT6和NT8處理的莖稈抗折斷力分別提高了10.8%、15.2%、2.7%，而NT10處理降低了26.6%。由此說明，NT6或NT8處理的氮肥追施模式具有較強的莖稈抗倒伏能力。

表8 追氮次數對玉米莖稈抗折斷力和基部節間機械強度的影響Table 8 Effects of nitrogen topdressing times on stalk breaking force and mechanical strength of maize basal internode

2.7 玉米種植經濟效益

不同追氮次數處理之間經濟效益差異顯著(表9)。相同年份不同處理之間只有施肥雇工費用的差異，機械作業、種子、施肥裝置、灌溉、農藥及覆地膜環節的成本一致。增加追氮次數提高了雇工施肥環節的成本，每年每次追肥的雇工成本為52.5元/hm2，即NT2、NT4、NT6、NT8、NT10處理的雇工成本分別為 105、210、315、420、525 元/hm2，2020 年其他環節的生產成本為18271元/hm2，2021年其他環節的生產成本為18780元/hm2。根據籽粒產值和生產成本計算的經濟效益表明，NT4、NT6、NT8、NT10處理的經濟效益較NT2處理分別增加了10.3%、14.0%、20.1%、10.6%，產投比分別提高了9.9%、13.2%、17.9%、8.5%。說明增加追氮次數能顯著提高單位面積的經濟效益和產投比。NT8處理的經濟效益最高，在兩個生長季的平均經濟效益為2.94 萬元/hm2。

表9 不同追氮次數下玉米經濟效益 (×104 yuan/hm2)Table 9 Economic benefits of maize production under different nitrogen topdressing times

3 討論

充分發揮滴灌水肥一體化技術的優勢，以滿足作物養分需求為原則，多頻次、小定額的供肥，可以提高作物產量、肥料利用效率和經濟效益[23,27–28]。在整個生長季節中，將氮素供應與玉米氮素需求相匹配是提高玉米干物質積累量和產量的關鍵，從而提高氮肥利用效率和減少氮素對環境的不利影響[29–31]，本研究在品種、外界環境和其他栽培技術相同的條件下，利用水肥一體化滴灌技術，增加氮肥追施次數促使作物的需求與養分的供應相同步，提高了玉米氮素的有效性，有利于作物的生長發育和產量形成。但氮肥追施次數過多時，前期施氮過少，后期氮肥施入過晚，會對形態建成造成不利影響，增加產量損失的風險[32]。而氮肥追施次數過少時，玉米不能一次性吸收利用，極易水解成銨類物質，并通過硝化作用轉化為硝態氮，或在溫度和土壤微生物等的作用下通過硝化和反硝化過程從土壤表面散逸，也會隨水分移動流向土壤深層，這可能會造成作物生長后期氮素缺乏，從而影響作物產量[33]。由此說明，水肥一體化條件下，只有選擇適宜的追氮次數，才能夠極大減少氮素的流失，提高玉米產量和經濟效益。此外，本研究在不同生長季中，2020年光溫條件好，適宜玉米生長[21]；而2021年由于前期低溫，玉米長勢較慢，因此產量低于2020年。2020年處理間的產量差異程度小于2021年，由此，也說明氮肥分次追施在不利于玉米生長的年份更能發揮其作用。

作物群體干物質積累量與產量密切相關，適宜的群體葉面積指數是群體物質生產的基礎[34]。高產玉米籽粒產量主要來源于吐絲后葉片制造的光合產物[35–36]，通過優化氮肥管理的方式可以延緩作物后期衰老進程，提高生育后期干物質生產時間及積累量[37–39]，這與本研究的結果一致。在水肥一體化條件下，增加氮肥追施次數有效保障了吐絲以后葉片的持綠性，提高了玉米吐絲期至生理成熟期的葉面積指數和光合勢，進而促進群體干物質的積累。說明增加氮肥追施次數可提高玉米吐絲后植株的光合活性，獲得高光合產物，進一步提高玉米產量。然而，雖然吐絲前營養器官干物質對玉米籽粒的貢獻率低于花后，但吐絲前高效的群體結構對玉米吐絲后物質生產至關重要[40]。主要是因為吐絲前玉米拔節至開花階段是穗分化的重要時期，很大程度上影響穗分化質量，會進一步影響粒數[41–42]。本研究中，10次處理吐絲前施氮量和干物質積累量最少，氮肥大量追施于吐絲后，導致吐絲前未能建立一個高產的群體結構，進而影響玉米吐絲后物質生產。由此可見，吐絲前物質積累量是吐絲后物質積累量的基礎，在玉米吐絲后進行氮管理時必須考慮吐絲前氮狀況和相應減少吐絲后氮輸入以防止氮損失。回歸方程能夠明確反映出不同處理下作物干物質積累過程中積累量的變化狀況[43]。整體來看，適當增加氮肥追施次數對干物質快速積累的起始期影響較小，而延長了干物質快速積累的終止期，從而延長了干物質快速積累的持續時間；另外，適當增加追氮次數也提高了干物質積累的最大速率(表4)。說明在水肥一體化條件下，適當的氮肥后移可以延緩玉米吐絲以后葉片的衰老進程，進而延長干物質快速積累的持續時間并提高積累速率[44]，進而增加干物質積累量。

大風和降雨是引起玉米倒伏的外在環境，造成產量降低，并且給機械收獲造成困難[45]。玉米莖稈的機械強度主要取決于節間皮層機械組織[46]。合理的氮肥管理能夠縮短節間長度，增加直徑和碳水化合物積累，有利于機械強度形成，從而提高植株抗倒伏能力[47–49]。本研究中玉米生長季未發生大風，在綜合玉米穗位高和莖稈強度的基礎上，以莖稈抗折斷力來綜合評價植株的抗倒伏能力。結果表明，NT6和NT8處理的穗位最高，不利于抗倒伏，但是基部節間直徑、穿刺強度、壓碎強度和彎曲強度也最高，有利于抗倒伏；相反，NT2和NT10處理的穗位低，利于抗倒伏，但穿刺強度、壓碎強度及彎曲強度也低，不利于抗倒伏，說明合理的分階段施肥可整體優化玉米的群體結構，增強玉米莖稈和穗部生長的健壯性，從而提高籽粒產量和莖稈抗倒伏能力[50]。可見，利用當地水肥一體化技術優勢，合理追施氮肥可以通過提高莖稈機械強度來提高植株抗倒伏能力。然而，第一年試驗中未能綜合考慮到抗倒伏的問題，僅在第二個生長季中補充測定了倒伏指標。因此，為完善玉米精準栽培技術體系，研究追氮次數對密植高產玉米抗倒伏性能的影響，研究結果還應在多個生長季中進一步驗證。

綜上，科學的氮肥管理應根據作物養分需求規律，充分考慮養分流失和產量降低的可能性，確定合理的施肥比例、施肥頻次、施肥時間及施肥量[51–52]。本研究是在團隊前期研究基礎上，以總施氮量360 kg/hm2為基礎，結合當地輪灌間隔期10天，采用等量分次施肥獲得的結果，今后應在本研究基礎上確定更加合理的追肥比例，以進一步提高玉米產量和氮肥利用效率。

4 結論

合理的氮肥追施次數可延緩玉米葉片衰老進程，維持吐絲后較高的光合勢，延長干物質快速積累的持續期并提高積累速率，增加吐絲后干物質量，提高莖稈基部節間的機械強度，增強莖稈抗倒伏能力，實現玉米產量最高可達22442 kg/hm2，氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力分別為15.18 kg/kg和62.09 kg/kg，經濟效益為2.94萬元/hm2。在本試驗密植和肥水灌溉條件下，氮肥分8次追施的效果最佳。