控失肥與普通化肥對夏玉米養分積累與生長發育的影響

蔣　遷,李　磊,張鳳路,袁柳柳,王聚輝,吳瑞娟

(河北農業大學 農學院,河北 保定　071001)

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控失肥與普通化肥對夏玉米養分積累與生長發育的影響

蔣遷,李磊,張鳳路,袁柳柳,王聚輝,吳瑞娟

(河北農業大學 農學院,河北 保定071001)

為了比較研究控失肥和普通化肥對夏玉米養分累積與生長發育的影響,于2014-2015年在河北農業大學辛集試驗站進行了大田試驗。采用玉米雜交種鄭單958為試材,測定了不同時期玉米形態和生理性狀及其養分吸收效率。結果表明:在施入相同養分含量(N 144 kg/hm2,P2O572 kg/hm2,K2O 72 kg/hm2)的控失肥和普通肥料后,玉米生長發育、干物質積累和營養元素累積量均發生了顯著的變化,控失肥處理玉米產量顯著高于普通肥料。與普通肥料相比,控失肥可提高玉米千粒質量、干物質和產量分別為12.3%,12.8%和6.9%;控失肥處理的器官營養元素含量高于對照肥料。 控失肥處理提高了玉米灌漿期葉面積指數和光合強度。同時,控失肥處理增加了基部莖稈粗度和抗穿刺強度,抗倒伏性大為提高。控失肥作為一種新型肥料將對提高玉米產量、提高施肥效益和保護資源環境起到重要作用。

玉米;控失肥;養分累積;生長發育;產量;養分吸收效率

我國是世界上最大的化肥生產國和消費國,施用化肥可使農作物增產40%～60%[1]。我國肥料利用率較低,這不僅直接引起經濟損失,而且因施肥不當引起環境污染[2]。前人研究表明,干物質積累量與產量呈正相關關系[3-4],高生物量是高產的物質基礎,因此,增強玉米生育期內干物質的積累能力是提高籽粒產量的有效途徑[5]。而施肥技術直接影響著植株干物質積累與分配,進而影響產量[6-8]。玉米對氮素吸收量最多,鉀次之,磷最少[9-10];隨著玉米產量的提高,氮、磷、鉀的吸收量增加[11]。拔節至吐絲期是養分吸收的關鍵階段,養分吸收速率高、積累量大,吐絲后植株仍能吸收較多的氮、磷[12-13]。本試驗以我國首家通過環保生態肥料認證的“六國網”控失肥為試材,在大田條件下比較研究控失肥與普通化肥對玉米的產量形成與養分累積動態,對探明該新型肥料的增產、增效機理,提高玉米產量、保障糧食安全和減少面源污染具有重要意義。

1　材料和方法

1.1試驗材料

田間試驗于2014-2015年在河北農業大學教學科研基地辛集試驗站進行。供試品種為鄭單958。土壤為壤土,土壤各肥力指標:0～20 cm土層有機質含量為14.79 g/kg,全N含量為1.2 g/kg,堿解氮含量為82.7 mg/kg,速效鉀含量為109.8 mg/kg,速效磷含量為30.7 mg/kg。大田玉米采用單粒精量播種機于6月14日播種。行距60 cm,種植密度7.5萬株/hm2。10月5日收獲。

1.2試驗設計

采用三因素隨機區組設計,小區面積5 m×20 m。處理1為安徽銅陵六國化工生產的控失復合肥(FC)48%(24-12-12),施用量為600 kg/hm2,即：N 144 kg/hm2,P2O572 kg/hm2,K2O 72 kg/hm2。在播種時一次施用;處理2為普通施肥區(FN),采用尿素、磷酸二銨和氯化鉀肥料混合肥,調整為和處理1相同的氮、磷和鉀養分含量,但全部磷、鉀肥和40% N肥在播種時施用,剩余的60%的N肥在玉米大喇叭口期施用;處理3為不施肥對照(CK)。3次重復。除施肥外,其他灌水、植保和收獲管理一致。

1.3測定項目與方法

分別于拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、臘熟期(R5)和完熟期(R6)取樣,取樣時每小區取有代表性的植株3株,完熟期取6株。將地上部按照葉片(含苞葉)、莖稈(含雄穗、葉鞘、穗軸和地下莖)、籽粒分開,105 ℃殺青30 min,之后在80 ℃烘至恒重,測定地上部干物質積累量。

根系取樣采用田間挖掘法。取長60 cm(垂直于行向,以植株為中心)×寬20 cm(沿行向,以植株為中心)的面積,取樣深度150 cm。土壤挖出后裝入網袋,在水池沖洗根系,剔除雜質后置于80 ℃烘箱中烘至恒重,測定根系干質量。

養分含量測定:在成熟期對稱重后的各器官粉碎,以H2SO4-H2O2消煮后用BRAN+LUEBBE 3型連續流動分析儀測定全氮、全磷含量,用FP6410型火焰光度計測定全鉀含量。

按照下列公式計算氮磷鉀養分吸收利用效率[8,14]:

氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)= 植株地上部氮素累積量/施氮量;

氮素(或磷鉀)吸收指數(HI)=玉米籽粒吸N(P2O5或K2O)量/玉米地上部植株總吸N(P2O5或K2O)量×100%;

氮肥(磷鉀肥)偏生產力(PFP,kg/kg)=籽粒產量(kg/hm2)/施N(P2O5或K2O)量(kg/hm2)。

葉面積測定:采用定株觀測,記載連續5株玉米的葉面積。單葉面積的測量采用系數法:葉面積=長度×寬度×0.75(未展開葉片校正系數為0.5)。

葉片光合強度:采用CID-340光合測定系統進行。

莖稈穿刺強度:每個小區選取3株具有代表性的植株,剝去葉和鞘,用YYD-1型莖稈強度測定儀將一橫截面積為0.01 cm2探測頭沿莖稈中部垂直緩慢勻速插入,讀取穿刺莖稈表皮的最大值。

小區產量和果穗性狀考種:在預留的測產區進行測產,將區域內全部果穗收獲、脫粒并曬干至籽粒含水量14%時,測定籽粒的產量。并取連續15～20穗玉米進行果穗性狀考察,獲得穗行數、行粒數、千粒質量等指標。

1.4數據處理

2年間試驗結果有類似的結果,本研究以分析2015年數據為主。數據均采用Microsoft Excel(2003版)和SAS軟件(SAS Institute,2009)進行方差統計分析,利用鄧肯多重比較進行差異顯著性分析。

2　結果與分析

2.1夏玉米產量及其構成因子

比較了不同處理玉米產量及其構成要素情況,由表1可見,控失肥處理玉米穗行數不及對照肥料,其穗粒數為578.9,比常規施肥低3%,但比對照高6.7%;千粒質量以控失肥處理最高,為374.7 g,分別比不施肥空白和對照肥料增加14.7%和12.3%。因此,控失肥處理的玉米產量達到14.0 t/hm2,分別比不施肥和常規施肥增產30.8%和6.9%。

表1　不同肥料處理玉米產量及其構成要素

注:CK.對照,FN.常規肥料,FC.控失肥;同列數據后不同小寫字母表示肥料間差異達5%顯著水平。表2-3,圖3-5同。

Note:CK.Contrast,FN.Normal fertilizer,FC.Loss control fertilize;Values followed by different letters in a column are significant difference at 5% level.The same as Tab.2-3,Fig.3-5.

2.2不同施肥處理的干物質積累

表2列出了不同施肥處理植株在不同生育時期干物質積累情況。在拔節期施肥處理的莖稈干物質積累量顯著高于空白處理,但不同肥料處理間無顯著差異。控失肥處理玉米莖稈質量在乳熟期達到最高,之后逐漸降低。對照肥和空白處理的莖稈在蠟熟期達到高峰,之后降低,但均顯著低于控失肥處理。對葉片質量而言,在大喇叭口期之前不同施肥處理均大于不施肥空白對照,但施肥處理間差異不顯著。施肥處理葉片質量在乳熟期達到高峰,之后降低,但控失肥處理自乳熟期至蠟熟期一直顯著高于其他處理,在完熟期處理間葉片質量無顯著差異。

在乳熟期控失肥處理籽粒質量低于對照肥料,但之后快速增重,在蠟熟期達到144.8 g,顯著高于其他處理,在完熟期控失肥處理比空白和常規肥籽粒質量分別提高23.4%和11.1%。從不同處理玉米的收獲指數看,變動在52%～54%，未達顯著差異。從根系質量看,各處理均在乳熟期達到最大,且控失肥處理一直高于其他處理。在完熟期控失肥處理比空白和常規肥根重分別提高33.4%和60.3%，控失肥的整株干物質量比對照肥料處理增加12.8%。

表2　不同生育時期干物質積累

注:V6.拔節期;V12.大喇叭口期;R1.吐絲期;R3.乳熟期;R5.蠟熟期;R6.完熟期。圖2同。

Note:V6.Jointing stage;V12.Large bell shaped stage;R1.Silking stage；R3.Milk stage;R5.Dough stage;R6.Full ripe stage.The same as Fig.2.

2.3不同施肥處理養分積累

圖1 顯示了不同施肥處理氮磷鉀在不同器官的累積情況。氮素累積在莖稈和葉片中有類似的變化規律,呈單峰曲線變化,但在莖稈中峰值出現在吐絲期,而在葉片中則出現在乳熟期,且累積量表現為控失肥>常規肥>空白。氮素在籽粒中均呈增高趨勢,控失肥和常規肥之間差異不明顯,但各時期空白處理籽粒的氮素累積量均低于施肥處理。在根系中施肥處理的峰值出現在吐絲期,之后逐漸降低,而空白處理峰值出現在乳熟期。在后期控失肥處理根系的氮累積量低于空白和常規肥處理。

磷素的累積量在莖稈和葉片中呈相似的單峰曲線變化,峰值均出現在乳熟期。在籽粒中磷素含量呈相似的快速升高趨勢,各處理間差異不明顯。在根系中,磷素峰值出現在乳熟期,但控失肥處理根中磷素含量快速降低,與其他處理間差異明顯。

在莖稈和葉片中鉀素的累積量較多,均在乳熟期達到峰值,之后降低。鉀素累積量表現為控失肥>常規肥>空白。在籽粒中均呈增高趨勢,控失肥和常規肥之間差異不明顯。在根系中控失肥處理在吐絲期鉀含量達到峰值,之后降低,而常規施肥和空白處理峰值出現在乳熟期。

控失肥、常規肥和空白處理植株的總氮素累積量分別為3.94,3.54,3.06 g;總磷素累積量分別為1.58,1.51,1.38 g;總鉀素累積量分別為3.41,3.24,2.91 g。因此,植株對三要素的吸收量表現為N>K>P。

圖1　不同生育階段N、P和K的積累量

2.4氮、磷、鉀養分利用效率

比較了不同肥料處理養分利用效率(表3),不同肥料對氮鉀的吸收效率相對較高,而對磷的吸收相對較低;控失肥氮磷鉀養分吸收效率顯著高于對照常規肥料。從養分收獲指數看,對氮磷的養分收獲指數較高,平均在56.1%;對鉀的收獲指數較低,平均在30.6%,不同處理間收獲指數差異未達顯著水平。從肥料的偏生產力看,氮肥和磷鉀肥的偏生產力均值分別為19.3,38.6 kg/kg,控失肥的偏生產力平均比常規施肥高39%。

2.5玉米葉面積及光合性能

2.5.1不同肥料處理的葉面積情況比較了不同肥料處理下植株葉面積的變化情況,由圖2可見，不同處理葉面積有著相同的變化趨勢,隨著生育進程葉面積逐漸增大,在乳熟期前后達到峰值,之后逐漸下降。不同肥料處理在吐絲前差異不明顯。控失肥處理在乳熟期后仍保持較高綠葉面積,而普通肥料和空白處理則下降趨勢明顯。在完熟期控失肥處理葉面積分別比對照和普通肥料處理高35%,19%。控失肥在后期的葉面積系數(LAI)仍高達6.1,而普通肥料和空白處理分別為5.1,4.5。控失肥處理較大的光合勢為干物質生產奠定基礎。

注:UPE.吸收效率;HI.收獲指數;PFP.偏生產力。

Note:UPE.Uptake efficiency;HI.Harvest index;PFP.Partial factor productivity.

圖2　植株葉面積變化

2.5.2不同肥料處理的葉片光合強度變化比較了不同處理玉米穗位葉的光合速率(Pn)變化(圖3)。在乳熟期控失肥處理的Pn為31.6 μmol/(m2·s),普通肥料和空白處理的相應值為29.1,28.0 μmol/(m2·s),但處理間差異未達顯著水平。在蠟熟期各處理光合速率顯著降低,控失肥處理Pn為17.2 μmol/(m2·s),普通肥料和空白處理的相應值為13.6,9.3 μmol/(m2·s),處理間差異達到顯著水平。說明控失肥處理穗位葉仍保持了較高的光合能力,為籽粒灌漿增重打下基礎。

圖3　穗位葉片光合速率變化

2.6玉米的莖稈粗度與抗倒伏性能

2.6.1玉米的莖稈粗度圖4顯示了不同處理玉米莖稈基部1-6節節間粗度在乳熟期和完熟期的變化情況,由圖4可見,完熟期莖稈粗度均有不同程度降低,可能與物質的調運和含水量的變化有關。在乳熟期控失肥處理莖稈粗度在2.36 cm,高于普通肥料的2.28 cm,但差異未達顯著水平。與空白處理相比施肥的莖粗顯著大于空白處理(2.08 cm)。在完熟期,控失肥莖粗為2.3 cm顯著高于普通肥料的2.00 m和空白處理的1.89 cm。普通肥料與空白處理的莖粗無顯著差異,且后期莖粗的縮減帶來嚴重的倒伏風險。

圖4　莖稈粗度變化

2.6.2玉米莖稈的抗穿刺力比較了乳熟期不同處理玉米基部2-5節的抗穿刺能力,由圖5可見，控失肥的莖稈抗穿刺能力較強,抗折力為135 N,顯著高于普通肥料處理的109 N,空白處理莖稈抗穿刺力較弱，為95.7 N。

圖5　玉米莖稈的抗穿刺力

3　討論

早在 20 世紀 60年代,美國、日本等發達國家已開始研制并推出緩控釋肥料產品,明顯地提高了肥料利用率[15-20]。控失肥是國內新一代緩控釋肥的更新換代產品,是一種新的肥料品類。其針對化肥施用中養分遷移問題,原理為固定養分、控制流失,其中控失劑是其關鍵因素。控失劑是通過對天然礦物材料用高能離子束進行輻射改性,并與多種輔配材料精準配制而成的高科技產品。其遇水后自組織成微納互穿網絡,“網捕”并固定住化肥養分,減少其在土壤中的滲漏、徑流和揮發,達到控制化肥養分損失的目的。從本試驗看,采用600 kg/hm2控失肥一次基施,可比相同養分的常規肥料增產6.9%,具有廣泛的應用價值。

從玉米對氮、磷、鉀元素的吸收量看，以氮鉀較多、磷素較低,這與前人結果一致[9]。與常規肥料相比,控失肥的供肥能力持久且流失少,因此表現出較好的增產效果。在根系中控失肥處理其氮磷鉀的峰值出現早,之后快速降低,可能與向籽粒轉移有關。從本試驗結果看,植株對氮磷鉀養分的吸收效率均是控失肥大于常規肥料。營養元素的收獲指數在不同肥料處理中未達顯著差異,說明植株對營養向籽粒的分配有其固有規律。鉀素在秸稈中占的比例較高,秸稈還田是補充土壤有機質和鉀素的重要途徑。控失肥的偏生產力平均比常規施肥高39%,增產效果十分顯著。

在玉米品種更替過程中,產量的提高是生物量和收獲指數協同提高的結果[21-22]。從本試驗結果看，玉米的收獲指數變動在52%～54%,不同肥料處理間未達顯著差異。因此,生物量的提高是高產的重要前提。莖稈、葉和根系的干物質積累與分配是玉米籽粒產量形成的重要因素[23]。

葉片作為光合源對干物質累積起著至關重要的作用[21],本試驗中控失肥從吐絲期開始到完熟期一直保持了相對較高的光合勢,這與其充足而持久的營養供應有關,延緩了葉片衰老進程。控失肥處理在吐絲至完熟階段穗位葉仍保持了較高的光合能力,為籽粒灌漿增重打下基礎。因此,控失肥處理較高的千粒質量是其高產的重要原因。玉米莖稈作為光合支持系統和光合產物暫存場所,其對吐絲后物質生產和運輸起著重要作用[24]。從本試驗看,玉米莖稈有逐漸增粗又緩慢變細的過程,但控失肥處理莖稈直徑一直高于其他處理,且完熟期莖稈直徑顯著大于普通肥料處理,這為后期粒重增加和抗倒伏提供保障。控失肥處理根系干物質分配比例高于常規肥料,這對后期根系活力具有重要意義,前人研究也證實保持生育后期根系活力高，利于吸收土壤中較多的水分和養分而獲得高產[25]。

由于本試驗是在高產栽培條件下進行的,土壤的基礎地力較高,使得施肥的效果受到一定影響,但對供肥形式不同的2種肥料而言,通過比較礦質養分吸收、玉米干物質生產與分配、葉片光合性能和根系與莖稈支持抗倒伏功能來研究網狀控失肥的增產作用和內在機理是適當的。研究結果對普及網狀控失肥應用、提高作物產量和減少農業污染具有重要意義。

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Effects of Loss Control and Conventional Fertilizer on Nutrient Accumulation and Growth and Development of Summer Maize

JIANG Qian,LI Lei,ZHANG Fenglu,YUAN Liuliu,WANG Juhui,WU Ruijuan

(College of Agronomy,Agricultural University of Hebei,Baoding071001,China)

In order to study the effects of loss control and ordinary fertilizers on nutrient accumulation and growth and development of summer maize,field experiments were conducted at the Xinji experimental station of Agricultural University of Hebei during 2014-2015.Maize morphology and physiology characters and nutrient uptake efficiency were studied using maize hybrid Zhengdan 958 as material.The results showed that with the same nutrient amount (N 144 kg/ha,P2O572 kg/ha,K2O 72 kg/ha) of loss control and ordinary fertilizer applied,there were significant changes on maize growth and development,dry matter accumulation and nutrient accumulation,and the effects of loss control fertilizer treatment were significantly better than those of ordinary fertilizer.Compared with ordinary fertilizer,the 1 000 grains weight,dry matter and yield of maize of loss control fertilizer could be increased by 12.3%,12.8% and 6.9%,respectively.The content of nutrient elements in organs of loss control fertilizer treatment was higher than that of the ordinary fertilizer.Maize leaf area index and photosynthetic rate at kernel filling stage were enhanced by loss control fertilizer treatment.Stalk thickness and puncture resistance of basal internodes of loss control fertilizer treatment maize were also enhanced,so the lodging resistance ability was increased.As a new type of fertilizer,loss control fertilizer would play an important role in improving the yield of maize,increasing the efficiency of fertilization and protecting the environment.

Maize;Loss control fertilizer;Nutrient accumulation;Growth and development;Yield;Nutrient uptake efficiency

2016-06-14

安徽銅陵六國化工資助項目(2015);河北省自然科學基金項目(C2013204002)

蔣遷(1982-),女,河北滿城人,碩士,主要從事作物栽培研究。

張鳳路(1965-),男,河北臨城人,教授,博士,主要從事作物生理研究。

S143;S 513.01

A

1000-7091(2016)04-0199-07

10.7668/hbnxb.2016.04.031