









摘要:為探明施用化肥氮與有機肥氮及其用量對陜北地區(qū)玉米干物質累積量、氮素效率、品質的影響,為陜北地區(qū)玉米高品質高效種植提供參考依據(jù),以鄭單958為試驗玉米品種,設置11個試驗處理,即對照不施氮(CK)、化肥氮(N) 60 kg/hm2(N1) 、化肥氮(N)120 kg/hm2(N2)、化肥氮(N)180 kg/hm2(N3)、化肥氮(N)240 kg/hm2(N4)、化肥氮(N)300 kg/hm2(N5)、有機肥氮(N)60 kg/hm2(Y1)、有機肥氮(N)120 kg/hm2(Y2)、有機肥氮(N)180 kg/hm2(Y3)、有機肥氮(N)240 kg/hm2(Y4)、有機肥氮(N)300 kg/hm2(Y5),研究不同處理對玉米干物質量、氮素累積量、氮肥產量貢獻率、還原糖含量、可溶性總糖含量、淀粉含量等的影響。結果表明,與CK相比,不同施肥處理玉米莖部干物質累積量在吐絲期、成熟期分別提高3.29%~26.33%、0.74%~41.27%。拔節(jié)期氮素主要集中分布在莖稈與葉片中,吐絲期氮素主要集中在葉片中,成熟期氮素主要集中在籽粒中。Y3處理下的氮肥產量貢獻率顯著高于其他處理。Y3處理下還原糖含量顯著高于其他處理,分別較CK、N3提高18.20%、19.66%。可溶性總糖含量變化范圍在10.719%~36.149%,其中Y3處理下可溶性總糖含量最高,分別較CK、N3提高138.31%、118.34%。Y5處理下的淀粉含量較CK顯著提高46.04%。綜合玉米氮素效率、品質進行主成分分析,同時考慮環(huán)境、經(jīng)濟效益,建議當?shù)厥褂贸R?guī)磷鉀肥料配合施用有機肥氮,施用量以180 kg/hm2為宜。
關鍵詞:玉米;氮素效率;品質;主成分分析
中圖分類號:S513.06" 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)14-0120-08
收稿日期:2023-10-22
基金項目:國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(編號:202210719010);陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(編號:S202210719103)。
作者簡介:李 源(1999—),男,陜西延安人,碩士研究生,主要從事農業(yè)生態(tài)學研究。E-mail:today4560@163.com。
通信作者:王秀康,博士,教授,主要從事旱地水肥栽培理論與技術研究。E-mail:wangxiukang@126.com。
玉米作為我國四大主要糧食作物之一,因具有適應性強、栽培范圍廣等特點而被大面積種植。玉米籽粒可以供給食用,也是動物飼料的成分,同時在工業(yè)方面可充當主要原料[1]。根據(jù)相關報道,與小麥和大米一起,玉米為多個發(fā)展中國家人口提供至少30%的食物卡路里。目前,玉米在125個發(fā)展中國家的產量接近1億hm2,且在其中75個國家是種植最廣泛的3種作物之一。因此,玉米在全球糧食安全中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著經(jīng)濟水平的提高,人們對玉米營養(yǎng)品質的需要在逐年提升[2]。黃土高原大部分為厚層黃土,經(jīng)流水長期侵蝕,漸漸形成千溝萬壑,其黃土顆粒細,土壤質地松軟,含有非常豐富的礦物質養(yǎng)分,利于耕作[3]。對比傳統(tǒng)的施肥方式,有機肥的施入可以更大程度地促進作物生長,提高作物抗病能力,且能在一定程度上提高肥料利用效率[4-5],提升土壤肥力水平[6]。關于施入有機肥對玉米的影響前人的研究結果不一。朱利霞等研究表明,有機肥部分替施化肥較單施方式下玉米土壤脲酶和過氧化氫酶活性有所提高[7]。施用有機肥可顯著增加可培養(yǎng)細菌數(shù)量[8],有效增加土壤酶活性,0~20 cm土層土壤酶活性高于20~40 cm[9]。于躍躍等研究指出,有機肥處理較對照處理下土壤脲酶活性增幅明顯[10]。趙吉霞等研究指出,利用有機肥代替化肥可提高玉米籽粒產量[6]。何浩等研究表明,有機肥替代常規(guī)肥料施用可增加玉米株高、莖粗等生理指標,并且可以提高土壤速效磷、堿解氮、有機質等的含量,改善土壤理化性質[11]。施用有機肥可增加玉米、向日葵和秸稈的產量[12]。逄娜等研究發(fā)現(xiàn),有機肥的施入可改善土壤養(yǎng)分供應能力以及土壤酶活性,且使玉米呈現(xiàn)出增產現(xiàn)象[13]。有機肥的施入在改善土壤環(huán)境、維持良好生態(tài)平衡方面也發(fā)揮著一定的積極作用[14]。
黃土高原區(qū)是我國玉米適宜生長區(qū),對推動玉米高產高效生產具有明顯的地域優(yōu)勢[15]。目前,關于有機肥對玉米品質和氮素利用的研究,尤其是關于陜北地區(qū)當?shù)赜衩灼贩N的研究較少。陜北干旱地區(qū)過量化肥施入會導致土壤酸化、板結,造成土壤退化,進一步可能會導致農作物產量下降,嚴重時會影響到農產品生產安全,更會引起部分生態(tài)環(huán)境問題,有機肥的生產投入使用可以平衡土壤有益微生物菌群,優(yōu)化根圈微生態(tài)環(huán)境,恢復土壤自凈等功能,對于玉米產量提升效果顯著。因此,本研究通過開展化肥氮和有機肥氮施用對比試驗,探究兩者的施用對于當?shù)赜衩灼焚|及氮肥利用的影響,旨在為陜北地區(qū)玉米高產高效高品質生產提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗于2022年4月在陜西省延安市安塞區(qū)高橋鎮(zhèn)(109°11′E,36°39′N)普通農田進行,該地屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候,海拔高度1 371.9 m,年平均氣溫9.8 ℃,年平均降水量660 mm,降水主要集中在7—9月,年日照時數(shù)達2 395.6 h,全年無霜期180 d左右,前茬作物為玉米。
1.2 供試材料與試驗設計
供試玉米品種為鄭單958,供試化肥為尿素(含氮量為46%)、過磷酸鈣(P2O5含量為12%)、硫酸鉀(K2O含量為52%)、有機肥(主要為羊糞,含氮量為2.14%)。試驗設施化肥氮(N)、有機肥氮(N)2個因素,5個施肥量梯度,并設置空白對照樣地,采用隨機區(qū)組設計田間試驗,重復3次,共33個小區(qū),各小區(qū)之間設置保護行,每個小區(qū)面積為90 m2,玉米種植行距為60 cm、株距為25 cm,施肥模式為基肥加追肥,基肥(120 kg/hm2磷肥、200 kg/hm2鉀肥)于種植前施入,追肥于6月底施用。
試驗設置11個處理,分別為N1(化肥N 60 kg/hm2)、N2(化肥N 120 kg/hm2)、N3(化肥N 180 kg/hm2)、N4(化肥N 240 kg/hm2)、N5(化肥N 300 kg/hm2)、Y1(有機肥N 60 kg/hm2)、Y2(有機肥N 120 kg/hm2)、Y3(有機肥N 180 kg/hm2)、Y4(有機肥N 240 kg/hm2)、Y5(有機肥N 300 kg/hm2),并以不施氮作為對照(CK),其中N表示施用尿素,Y表示施用有機肥。
1.3 測定項目與方法
1.3.1 樣品采集
分別于玉米拔節(jié)期、吐絲期、成熟期在各小區(qū)隨機挑選3~5株長勢良好的植株進行破壞性取樣,將每株玉米按不同器官分開后于105 ℃殺青30 min,并在75 ℃烘干至恒重,將烘干后的植株樣品用塑封袋密封保存,放置待用。
1.3.2 樣品測定
測定烘干后的根、莖、葉、籽粒等器官的干物質積累量。將烘干后的各器官粉碎后過篩,采用H2SO4-H2O2-靛酚藍比色法測定全氮含量。根據(jù)采樣株數(shù)和基本苗數(shù)計算氮素吸收量及累積量等相關值[16]。
氮素積累量=氮素含量×干物重;
氮素分配比例=各器官氮素積累量/總積累量×100%;
氮肥利用率=(施氮處理植株氮素積累量-對照處理植株氮素積累量)/施氮量×100%;
氮素收獲指數(shù)=成熟期籽粒氮素積累量/成熟期地上部氮素積累量;
氮肥偏生產力=施氮處理籽粒產量/氮肥施用量;
氮肥農學效率=(施氮處理籽粒產量-對照處理籽粒產量)/氮肥施用量;
氮肥產量貢獻率=(施氮處理籽粒產量-對照處理籽粒產量)/施氮處理籽粒產量×100%。
采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量;采用硫酸-蒽酮比色法測定可溶性總糖含量;采用蒽酮法測定淀粉含量。
1.4 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)采用Excel進行錄入處理,SPSS 23.0軟件進行單因素方差分析(Plt;0.05表示差異顯著),Origin 2021軟件作圖。
2 結果與分析
2.1 肥料類型和施用量對玉米拔節(jié)期干物質積累量的影響
由表1可知,在拔節(jié)期玉米根部干物質積累量范圍為15.329~31.684 g/株,其中N3處理較CK增加53.02%,N處理下N3處理顯著高于除N4處理外的其他處理,Y處理下各施肥量間無顯著性差異。對于莖部干物質積累量,N5、N3、N4、Y3處理分別較CK增加11.21%、87.42%、37.31%、2.57%。Y處理下莖部干物質累積量表現(xiàn)為Y3處理gt;Y1處理gt;Y5處理gt;Y2處理gt;Y4處理。對于葉片干物質積累量,N3處理下最高,達51.734 g/株,較CK增加18.60%,Y3處理較CK增加11.56%。
2.2 肥料類型和施用量對玉米吐絲期干物質積累量的影響
由表2可知,吐絲期玉米根部干物質累積量以CK最低,為25.127 g/株,N4處理最高,達 35.385 g/株,增幅為40.82%,各處理間無顯著性差異,Y5處理較N5處理增加2.08%,Y3處理較N3處理增加33.64%。莖部干物質累積量以CK最低,為90.104 g/株,N4處理最高,為113.825 g/株,增幅為26.33%,Y3處理較N3處理增加7.58%,Y1處理較N1處理增加5.35%,Y2處理較N2處理增加4.43%。葉片干物質累積量為47.714~64.130 g/株,N4處理較Y4處理增加26.11%,N處理下葉片干物質累積量表現(xiàn)為N4處理gt;N2處理gt;N3處理gt;N5處理gt;N1處理。
2.3 肥料類型和施用量對玉米成熟期干物質積累量的影響
由表3可知,成熟期干物質累積量根部變化范圍為17.110~27.589 g/株,各處理間無顯著性差異,Y5處理較N5處理增加30.35%,N3處理較Y3、CK分別高出20.76%、20.46%,Y4處理較N4處理提高1.99%,N2處理較Y2處理提高37.36%。對于莖稈干物質累積量,CK下最小,為 46.026 g/株,其余處理增幅范圍為0.74%~41.27%,Y5處理較N5處理增長6.03%,N3處理較Y3處理增加36.38%,Y處理下總體表現(xiàn)為Y5處理gt;Y1處理gt;Y4處理gt;Y3處理gt;Y2處理。葉片干物質累積量變化范圍為46.005~63.675 g/株,N處理下表現(xiàn)為N5處理gt;N4處理gt;N2處理gt;N3處理gt;N1處理,Y處理下表現(xiàn)為Y5處理gt;Y1處理gt;Y4處理gt;Y2處理gt;Y3處理。各處理下籽粒干物質累積量無顯著性差異,Y5處理下籽粒干物質累積量達到最大,為263.290 g/株,較CK增加24.53%。
2.4 肥料類型和施用量對玉米各時期氮素積累量的影響
如圖1所示,氮素積累量不同時期有所不同,在拔節(jié)期,N3處理下玉米根部氮素積累量顯著高于其他處理,達14.307 kg/hm2,較CK增加65.74%;莖稈氮素積累量變化范圍為23.366~68.246 kg/hm2,N5、N3、N1、N4處理分別較Y5、Y3、Y1、Y4氮素積累量增加7.86%、41.02%、158.26%、42.59%;葉片氮素積累量變化范圍為34.005~65.089 kg/hm2,其中N3處理較CK提高5.59%,Y3處理較CK提高1.27%,N處理下葉片氮素積累量表現(xiàn)為N3處理gt;N5處理gt;N4處理gt;N1處理gt;N2處理。拔節(jié)期氮素積累整體主要集中在莖、葉中,N處理下,除N2處理外,其余處理表現(xiàn)為莖氮素積累量gt;葉氮素積累量。Y處理下,除Y5處理外,其余表現(xiàn)為葉氮素積累量gt;莖氮素積累量。在吐絲期,CK下玉米根部氮素累積量最小,為8.158 kg/hm2,其余各處理較CK增幅范圍為0.67%~100.66%,N處理下根部氮素積累量普遍高于Y處理;莖部氮素累積量在N1處理下達到最大,為36.194 kg/hm2,較CK增加54.14%,Y3處理較N3處理增加16.16%,較CK增加16.85%,Y處理下莖部氮素積累量總體表現(xiàn)為Y3處理gt;Y2處理gt;Y4處理gt;Y1處理gt;Y5處理;葉氮素累積量變化范圍為35.980~73.144 kg/hm2,其中Y5、Y3處理較N5、N3處理分別增加28.49%、65.04%。吐絲期各處理氮素積累主要集中在葉片中,其規(guī)律是葉gt;莖gt;根。在成熟期,根部氮素積累量變化范圍為4.407~9.503 kg/hm2,Y處理下根氮素積累量表現(xiàn)為Y1處理gt;Y5處理gt;Y2處理gt;Y4處理gt;Y3處理。莖部氮素積累量變化范圍為4.442~13.773 kg/hm2,N處理下累積量表現(xiàn)為N2處理gt;N5處理gt;N3處理gt;N4處理gt;N1處理,其中N2處理下莖部氮素積累量較CK、Y2分別增加191.12%、131.71%。各處理下葉片氮素積累量無顯著性差異,其變化范圍在19.992~32.432 kg/hm2,其中Y4處理較CK、N4處理分別增加14.49%、8.69%。對于籽粒氮素累積量,除Y4處理外,其余各處理較CK均有所提高,其中N1處理籽粒氮素累積量最大,較CK、Y1處理分別提高36.46%、17.90%。成熟期氮素累積主要集中在籽粒,其規(guī)律為籽粒gt;葉gt;莖≈根。
2.5 肥料類型和施用量對玉米各時期氮素分配比例的影響
圖2為各時期玉米各器官氮素分配比例,其中拔節(jié)期根中氮素分配比例以N3處理最大, 為11.05%,較CK增加48.26%;莖部占比最大的處理是N1,較CK增加38.76%;Y1處理下葉片氮素占比最大, 較
CK增加12.29%。吐絲期根部氮素分配比例以N3處理最大,為15.267%,較CK增加62.97%;莖部以N3處理氮素分配比例最大,較CK增加22.88%;葉部氮素分配比例在Y5處理下最大,達66.84%。成熟期根部氮素分配比例在N2處理下達到最大值,為5.53%;莖部氮素分配比例以N2處理最大,為7.88%;Y4處理下葉片氮素分配比例達到最大值,為21.51%;N1處理籽粒氮素分配比例最大,達78.79%。
2.6 肥料類型和施用量對玉米肥料利用的影響
由表4可知,Y1處理下氮肥利用率最大,且顯著高于N4處理;N1處理下氮素收獲指數(shù)達到最大值;N處理與Y處理下的氮肥偏生產力均隨著施氮量的增加而減少;N1處理下氮肥農學效率達到最大值,顯著高于Y1的氮肥農學效率;Y3處理下氮肥產量貢獻率顯著高于其余各處理,其中較N3處理提高94.53%。
2.7 肥料類型和施用量對玉米品質的影響
分別測定不同處理下玉米籽粒還原糖、可溶性總糖、淀粉含量,結果(圖3)顯示,其中對于還原糖含量,Y3處理顯著高于其他處理,較CK、N3處理分別高出18.20%、19.66%,Y處理中不同施肥量下還原糖含量表現(xiàn)為Y3處理gt;Y5處理gt;Y1處理gt;Y4處理gt;Y2處理。Y3處理下可溶性總糖含量也達到最大,較CK提高138.31%;N處理中,N1處理可溶性總糖含量顯著高于N4處理73.86%;Y處理下,除Y3處理外,其余處理無顯著性差異。N處理下,N2淀粉含量顯著低于其他處理,其規(guī)律為N4處理gt;N1處理gt;N5處理gt;N3處理gt;N2處理;Y處理下,Y5淀粉含量顯著高于其他處理,分別較Y1、Y2、Y3、Y4處理高98.71%、209.55%、39.11%、36.76%。
2.8 肥料利用效率與品質相關性分析
由表5可知,氮肥利用率與氮素收獲指數(shù)呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.438;與氮肥偏生產力呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.622;與淀粉含量呈顯著負相關,相關系數(shù)為-0.356。氮素收獲指數(shù)與氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥產量貢獻率呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.507、0.507、0.515。氮肥偏生產力和氮肥農學效率呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.506;與淀粉含量呈顯著負相關,相關系數(shù)為-0.357。氮肥農學效率與氮肥產量貢獻率呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.621;與可溶性總糖含量呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.383。氮肥產量貢獻率與還原糖含量、可溶性總糖含量呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.420、0.400。還原糖含量與可溶性總糖含量呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.576;與淀粉含量呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.350。
2.9 肥料利用效率與品質主成分分析
對肥料利用效率及品質進行主成分分析,選取特征值大于1的主成分,結果(表6)顯示,前2個主成分的特征值大于1,因此,選取前2個主成分進行數(shù)據(jù)分析。它們的特征值分別為2.847、2.126,貢獻率分別為40.672%、30.369%,累計貢獻率達71.042%。通過SPSS 23.0對各指標原始數(shù)據(jù)進行標準化,根據(jù)SPSS分析所得的2個主成分的得分系數(shù)矩陣等,最終得到如下線性關系:
F1=0.186x1+0.395x2+0.500x3+0.515x4+0.355x5+0.410x6-0.024x7;
F2=-0.551x1-0.295x2-0.196x3+0.091x4+0.451x5+0.298x6+0.519x7。
其中:x1~x7分別代表氮肥利用率、氮素收獲指數(shù)、氮肥農學效率、氮肥產量貢獻率、還原糖含量、可溶性總糖含量、淀粉含量等7個指標原始數(shù)據(jù)標準化后的數(shù)據(jù)。
由表7可知,對玉米氮素利用、品質進行綜合分析,Y3處理排名第1,說明該處理下玉米生長較優(yōu)。
3 討論與結論
氮肥利用率、氮肥農學效率是分析農田可持續(xù)利用的重要指標,也是合理施用氮肥的重要參考指標[17]。有學者發(fā)現(xiàn),常規(guī)化肥配合商品有機肥可顯著提高氮素表觀利用率和生理利用率[18]。有機肥氮替代處理可顯著提高氮素生理利用率[19]。本研究發(fā)現(xiàn),N處理下氮肥利用率隨肥料施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢,而Y處理下則呈先減后增的趨勢,當施氮量為60 kg/hm2,表現(xiàn)為Y處理氮肥利用率gt;N處理氮肥利用率。N處理下的氮肥農學效率隨著施肥量的增加呈先減少后增加再減少的趨勢,而Y處理下的氮肥農學效率隨施肥量的增加呈先增后減的趨勢。Y3處理下的氮肥產量貢獻率顯著高于其他處理。
相比于傳統(tǒng)的化肥,有機肥的施入可以疏松土壤、根除板結、保水抗旱,有效促進作物發(fā)育,提升作物品質[20]。有學者研究發(fā)現(xiàn),施用有機肥可顯著提高撂荒地建豆禾混播草地牧草品質[21]。熊波等研究指出,有機肥替代化肥可提高整株玉米粗蛋白的水平[22]。方成等研究指出,減施化肥配合有機肥可顯著提高玉米維生素C含量[23]。本研究發(fā)現(xiàn),N處理下玉米還原糖含量隨著施肥量的增加而降低,當有機肥氮用量控制在180 kg/hm2時,還原糖含量顯著高于其余各處理。Y模式下各處理隨著肥料施用量的增加可溶性總糖含量呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢,其中Y3處理下玉米可溶性總糖含量顯著高于其他各處理。
本研究發(fā)現(xiàn),高氮肥處理(N5、Y5)下氮肥農學效率并不是隨肥料量的增加而增加,甚至出現(xiàn)“反效果”,說明過多的氮素會對作物造成一定的負面影響[24-25],如養(yǎng)分比例失調、抗逆能力下降等,同時會加劇土壤環(huán)境問題的發(fā)生[26],導致氮素供應不足,作物生長發(fā)育會受到抑制[27-30]。本試驗對于玉米品質部分的研究結果表明,控制合適的施肥量會直接影響玉米的還原糖、可溶性總糖含量,高有機肥氮處理(Y5)下玉米的可溶性總糖含量會出現(xiàn)下降情況,相比CK降低18.76%。可見過多的氮肥投入,一方面會造成氮肥資源的浪費,另一方面會造成一系列土壤問題,如土壤板結酸化等,因此選擇合理的施肥量顯得尤為重要[31-32]。
綜合玉米氮肥利用情況、品質分析結果,同時為實現(xiàn)較高的氮肥農學效率以及產量貢獻率,結合保護生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的理念,建議當?shù)厥┯贸R?guī)磷鉀肥配合施用有機肥氮,其中有機肥氮施用量以180 kg/hm2為宜。
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