不同生態條件下氮肥對玉米氮素吸收利用及產量的影響

李 強，馬曉君，豆 攀，程秋博，余東海，袁繼超，孔凡磊

(1.農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室，四川農業大學 農學院，四川 成都 611130； 2.眉山市東坡區農業技術推廣站，四川 眉山 620032)

玉米是世界上主要的三大糧食作物之一，也是我國種植面積最大的糧食作物[1]，其高產穩產是保證我國糧食安全的重要組成。氮是植物中氨基酸、蛋白質及核酸的重要組成，對作物生長發育、葉片光合及產量形成影響顯著[2]。大量研究表明，一定范圍內，隨施氮量增加，作物干物質積累量、氮素積累量及產量均呈上升的趨勢[3-5]。受生態條件、土壤理化性質、栽培方式、品種、播期等因素的綜合影響，不同生態條件下玉米對氮肥的響應及氮素利用效率存在顯著差異[6-9]。

生態條件的差異是造成不同區域玉米產量差異的主要因素，西南地區作為我國第二大玉米主產區，幅員遼闊，不同生態區間生態條件差異大[10-12]。簡陽地處川中丘陵山區，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，耕層淺薄，土壤貧瘠；雙流位于成都平原，屬亞熱帶季風濕潤氣候，常年降水豐富，光熱水集中，耕層深厚，土壤肥沃，兩生態點的土壤理化性質差異造成玉米生產潛力差異很大[13]。前人關于氮肥對玉米干物質積累與分配[14-17]、氮素吸收利用[18-20]的影響做了大量研究，但同時針對生態條件、氮肥及其互作效應對玉米生長發育、產量形成及氮素吸收利用的研究不足，而關于川中丘陵區和成都平原玉米氮效應差異的比較研究更是鮮見。因此，本研究選取四川地區大面積推廣種植的玉米雜交種正紅311和先玉508為試驗材料，在典型的川中丘陵區簡陽和成都平原雙流研究不同生態條件下施氮量變化對玉米生長發育、產量形成及氮素吸收利用的影響，以期為四川不同生態條件下玉米生產氮肥的高效合理施用提供理論與實踐依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為四川大面積推廣種植的玉米雜交種正紅311 (ZH 311)和先玉508 (XY 508)，兩品種生育期均為120 d 左右。

1.2 試驗時間和地點

2011年3-8月分別在四川雙流和簡陽兩試驗點實施。試驗地點分布情況及氣象資料見表1； 土壤(0～30 cm)基礎肥力見表2。

表1 試驗點分布情況及氣象資料

表2 生態點土壤理化性狀

1.3 試驗設計

兩試驗點均采用裂區試驗設計，主區為品種，正紅311和先玉508；副區為施氮水平，共設6個處理，分別是 0，90，180，270，360，450 kg/hm2。小區面積均為5 m×4 m(雙流前茬作物為蔬菜，簡陽前茬作物為小麥)，試驗重復3次，共36個小區。玉米采用寬窄行單株栽培，寬行行距1.5 m，窄行行距0.5 m，株距為0.2 m，密度為50 000 株/hm2。簡陽玉米生育期3月31日-7月31日，雙流玉米生育期4月12日-8月14日。氮肥選擇尿素，基肥和穗肥各50%，另施過磷酸鈣600 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2作底肥。其他栽管措施按當地高產要求進行，小區間保持一致。注意抗旱、防病蟲，保證全苗、勻苗及正常生長發育。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 生長指標測定 于玉米吐絲期每小區取代表性植株4株，分別測定玉米株高和葉片長寬，葉面積=長×寬×0.75。

1.4.2 干物質和氮素積累分配特性 于玉米成熟期每小區取代表性植株4株，分成葉片、莖鞘、苞葉+穗軸和籽粒四部分，于105 °C下殺青30 min，再經80 °C烘干至恒重，測定各處理植株干物質積累。測定樣品干質量后，粉碎過0.25 mm篩，采用凱式定氮法測定各器官樣品氮含量[21]。

1.4.3 產量及其構成 玉米完全成熟后各小區選取連續20株，調查穗長、穗粗、穗行數、行粒數、穗粒數、百粒質量等，后將玉米曬干脫粒稱重，以14%含水量折算各小區玉米產量。

1.4.4 相關計算公式 氮素吸收效率[22](NAE， %)=植株氮素積累量/土壤總氮素供給量×100 (土壤總氮素供給量為耕層土壤氮與施氮量之和)；氮素利用效率[22-24](NUE， %)=(施氮區植株氮積累量-空白區植株氮積累量)/氮肥施用量×100；氮肥農學效率[23-24](NGE)=(施氮區籽粒產量-空白區籽粒產量)/氮肥施用量；氮素產谷效率[23-24](NPE， kg/kg) = 籽粒產量/成熟期總氮積累量；氮肥偏生產力[23](NPFP， kg/kg) = 施氮區籽粒產量/氮肥施用量。

1.5 數據分析

采用Excel 2007進行數據處理和圖表的繪制，SPSS 20.0統計軟件進行數據的統計分析，用LSD法進行差異顯著性檢測。

2 結果與分析

2.1 玉米株高和葉面積指數差異

兩生態點玉米株高和葉面積指數差異顯著(圖1)。雙流試驗點正紅311和先玉508株高分別較簡陽高出17.32%和12.41%，而葉面積指數分別高出91.92%和102.00%。施氮對玉米株高和葉面積指數影響顯著，但不同生態點差異較大。與0 N相比，施氮處理正紅311和先玉508株高在簡陽試驗點平均分別升高了6.09%和4.62%，而在雙流施氮處理正紅311株高平均下降了0.16%，先玉508則升高了2.58%；兩品種葉面積指數在簡陽分別升高了27.28%和33.20%，而在雙流僅分別提高了1.85%和3.30%。表明氮肥對簡陽玉米生長的促進作用顯著大于雙流，而雙流玉米生長顯著優于簡陽，尤其在低氮條件下。

同組數據上不同小寫字母表示差異顯著(P < 0.05)。Bars superscripted by different letters in the same group mean significant difference at 0.05 levels.

2.2 生態條件和氮肥對玉米干物質積累與分配的影響

成熟期干物質積累高低及其在各器官的分配決定玉米產量的高低。表3結果表明，生態條件對玉米干物質積累及分配影響達顯著水平，而氮肥對干物質積累也具有顯著影響，且生態條件和氮肥對單株干物質積累影響的互作效應達極顯著水平。玉米成熟期干物質積累量雙流高于簡陽，正紅311高出40.48%，先玉508高出45.33%。施氮顯著提高了兩生態點玉米成熟期干物質積累量，與0 N相比，施氮處理正紅311和先玉508干物質積累在簡陽試驗點平均提高了28.03%和48.87%；在雙流則分別提高了13.55%和10.43%，表明施氮對簡陽玉米干物質積累的促進作用高于雙流，而雙流干物質積累量高于簡陽且在低氮條件下優勢更明顯。

表3結果表明雙流玉米成熟期葉片、莖鞘和苞葉+穗軸干物質分配高于簡陽，而籽粒分配比例則低于簡陽。正紅311和先玉508成熟期葉片分配比例雙流較簡陽分別高14.50%和16.36%，莖鞘分別高15.06%和11.54%，苞葉+穗軸分別高12.03%和15.71%；而籽粒分配比例則是簡陽較雙流分別高出16.89%和13.65%。氮肥對玉米成熟期干物質分配比例的影響小于生態條件，僅對兩品種的苞葉+穗軸及正紅311的籽粒分配比例影響顯著；與0 N相比，施氮處理葉片干物質分配比例正紅311和先玉508在簡陽試驗點分別升高了1.66%和11.36%，莖鞘分別升高了1.65%和24.44%；而在雙流試驗點則是苞葉+穗軸分別上升了17.13%和53.04%，其他各器官(除正紅311葉片)干物質分配比例均下降。表明施氮有利于簡陽玉米營養器官(葉片、莖鞘)的建成，為提高產量奠定物質基礎，而雙流則是顯著提高了苞葉+穗軸的物質分配比例使籽粒分配比例大幅下降。

表3 不同生態條件和氮水平下玉米成熟期干物質積累及干物質在各器官中的分配Tab.3 Dry matter accumulation and allocation in different organs of maize in maturity stage underdifferent ecological conditions and nitrogen levels

注：同列中不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異顯著；**.P<0.01，*.P<0.05。表4-6同。

Note：Means followed by different letters are significantly different among treatments atP<0.05；**.P<0.01，*.P<0.05.The same as Tab.4-6.

2.3 生態條件和氮肥對玉米氮素積累與分配的影響

表4結果表明，不僅生態條件和氮肥(除先玉508苞葉+穗軸)對玉米成熟期氮素積累與分配影響達顯著水平，其互作效應影響亦達到顯著水平。成熟期玉米籽粒氮素分配比例最高，正紅311和先玉508分別達53.35%～63.35%和54.10%～72.82%；而以葉片氮素分配比例最低，僅為10.89%～15.25%和9.05%～12.89%。雙流玉米成熟期氮積累量高于簡陽，正紅311和先玉508分別高出43.07%和49.59%；且雙流葉片、莖鞘和苞葉+穗軸氮素分配比例也高于簡陽，而籽粒氮素分配比例低于簡陽。雙流較簡陽葉片氮素分配比例正紅311和先玉508分別高20.30%和25.96%，莖鞘分別高19.40%和24.68%，苞葉+穗軸分別高10.40%和20.35%；而籽粒氮素分配比例則是簡陽較雙流高11.60%和13.02%。表明雙流玉米氮素積累高于簡陽，但成熟期非收獲器官過高的氮素分配比例使其籽粒氮素分配比例過低。

氮肥對玉米成熟期氮積累量和各器官(除苞葉+穗軸)氮分配比例影響顯著。與0 N相比，施氮處理單株氮積累量正紅311和先玉508在簡陽平均分別升高了35.27%，82.55%，而雙流分別升高了14.41%，15.60%。簡陽正紅311和先玉508葉片氮素分配比例分別變化了-7.86%，8.26%，莖鞘變化了17.26%，17.15%，苞葉+穗軸變化了-6.16%，53.13%，籽粒變化了0.34%，-9.38%；雙流分別變化了-7.32%，6.54%，13.09%，13.12%，0.15%，3.19%和-1.18%，-4.47%。表明施用氮肥對簡陽玉米成熟期各器官氮素分配比例的影響較雙流更大，但對兩生態點各器官氮素分配比例變幅差異影響不顯著。

表4 不同生態條件和氮水平下玉米成熟期氮積累及其在各器官中的分配Tab.4 Nitrogen accumulation and allocation in different organs of maize in maturity stage under different ecological conditions and nitrogen levels

2.4 生態條件和氮肥對玉米產量及其構成的影響

表5表明，雙流玉米產量高于簡陽，正紅311和先玉508分別高20.79%和17.33%。雙流玉米較簡陽高產，主要是由于雙流試驗點正紅311穗粒數和千粒質量較簡陽分別高6.30%和5.89%；而先玉508則是由穗粒數差異引起的，其穗粒數較簡陽高22.99%。導致兩生態點穗粒數差異原因不同，正紅311由行粒數差異決定，雙流行粒數較簡陽高9.31%；而先玉508則是穗行數和行粒數共同引起，穗行數和行粒數雙流轉簡陽分別高5.76%和16.74%，表明不同品種高產原因差異較大。施氮提高了玉米產量及其構成，與0 N相比，施氮處理穗行數正紅311和先玉508在簡陽試驗點分別提高了9.00%，9.24%，行粒數提高了14.89%，20.52%，穗粒數提高了25.25%，31.66%，千粒質量提高了3.20%，5.83%，產量提高了39.26%，38.22%；雙流分別提高了-0.04%，2.92%，5.09%，2.54%，5.15%，2.74%，3.19%和14.55%，10.35%，表明氮肥對雙流玉米產量及其構成的促進作用顯著低于簡陽。

表5 不同生態條件和氮水平下玉米產量及其構成Tab.5 Yield and its components of maize under different ecological conditions and nitrogen levels

2.5 生態條件和氮肥對玉米氮素利用的影響

生態條件和施氮均對玉米的氮素吸收及利用有顯著影響(表6)。簡陽玉米氮素吸收效率和氮肥偏生產力低于雙流，但氮素利用效率、農學效率和產谷效率則高于雙流。雙流較簡陽氮素吸收效率分別高8.94%和6.26%，氮肥偏生產力分別高16.06%和15.73%；簡陽較雙流氮素利用效率分別高86.85%和170.04%，農學效率分別高117.92%和164.53%，產谷效率分別高18.40%和29.03%。表明雙流較高的土壤肥力促進了玉米的生長，使其較簡陽具有更高的氮素吸收能力和生產潛力，而使其氮素利用效率、農學效率和產谷效率均較低。

氮肥對玉米氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥農學效率、氮素產谷效率和氮肥偏生產力均具有顯著影響，但不同生態條件下其變幅差異明顯。隨施氮量增加正紅311和先玉508在簡陽試驗點的氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥農學效率、氮素產谷效率和氮肥偏生產力的變化幅度均高于雙流試驗點，表明氮肥對簡陽玉米氮素的吸收貢獻更大。

3 討論與結論

3.1 生態條件和氮肥水平對玉米干物質積累與分配的影響

作物的干物質生產是光合產物在植株不同器官中積累與分配的結果，而生態條件和施氮水平及二者間的互作效應對玉米的干物質積累與分配影響顯著。戴明宏等[25]、李梁等[26]研究表明生態條件對玉米干物質積累與分配影響顯著，本試驗結果表明雙流地區降水豐富，光熱水集中，耕層深厚，土壤肥沃使其玉米株高、葉面積指數、干物質積累量和營養器官干物質分配比例均高于簡陽，且在中低氮處理下優勢更明顯。Chen等[27]和Teixeira等[28]研究表明，施氮對玉米干物質的積累和分配有重要影響，本試驗結果表明施氮顯著增加了玉米的株高、葉面積指數和干物質積累，而對玉米成熟期營養器官干物質分配比例影響不大，且氮肥對簡陽玉米株高、葉面積及干物質積累的促進作用高于雙流。雙流玉米生育后期較高的營養器官干物質分配比例有利于其生育后期保持較高的物質生產能力，為生殖器官提供更多的干物質及養分，從而獲得高產；而成熟期較低的籽粒干物質分配比例是影響雙流生態點玉米產量進一步提高的關鍵因子，因此在后面的研究中可以在適當降低施氮量的基礎上，如何提高玉米收獲指數獲得高產方面進行進一步研究。

表6 不同生態條件下氮肥對玉米氮素吸收效率、利用效率、農學效率、產谷效率和氮肥偏生產力的影響Tab.6 Effects of ecological conditions and nitrogen on nitrogen absorption efficiency， utilization efficiency， agronomicefficiency，grain production efficiency and partial factor productivity

3.2 生態條件和氮肥對玉米氮素吸收利用的影響

氮素是影響作物產量及品質最重要的營養元素之一，作物對其吸收及利用受生態條件和氮肥的影響顯著[15,29]。戴明宏等[25]研究表明不同生態條件下植株氮素的積累、分配和轉運存在明顯差異。本研究結果表明，玉米在不同生態環境下具有不同的氮素吸收利用特性。雙流玉米成熟期氮積累量，莖鞘、葉片、苞葉+穗軸氮素分配比例及氮素吸收效率、氮肥偏生產力均高于簡陽，而成熟期籽粒氮素分配比例、氮素利用效率、農學效率和產谷效率則均是簡陽生態點更高。曹勝彪等[30]研究得出增施氮肥可以顯著增加玉米單株氮素積累量和轉運量，且隨施氮量增加氮肥偏生產力、農學效率和利用效率均呈下降趨勢。本試驗結果表明施氮對玉米成熟期氮素積累量和各器官中氮素的分配比例具有顯著的影響，且生態條件和氮肥的互作效應對玉米氮素積累的影響顯著。隨著施氮量的提高，玉米氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮肥農學效率、氮素產谷效率以及氮肥偏生產力均明顯下降，但雙流玉米對氮素的吸收利用受施氮水平影響的變化幅度低于簡陽。表明在簡陽等土壤肥力較低的地區，其氮素利用效率、農學效率和產谷效率顯著高于其他地區，且增施氮肥對其玉米生產的增產作用更大，這與鄧飛等[7]和王月福等[31]在水稻和小麥上研究的結果一致。雙流地區較高的土壤肥力促進了玉米植株的營養生長，提高了其氮素積累和氮素在營養器官中的分配比例，但抑制了氮素從營養器官到生殖器官的轉運，造成成熟期非收獲器官的大量無效生長、貪青晚熟浪費養分，從而導致其成熟期籽粒干物質和氮素分配比例較低。

3.3 生態條件和氮肥水平對玉米產量特征的影響

玉米的產量取決于單位面積穗數、穗粒數和千粒質量的協調作用，但對玉米產量影響最大的是單位面積穗數，其次是穗粒數，而千粒質量對玉米產量的貢獻相對最低[26，32]。在種植密度一定的情況下，穗粒數和千粒質量就成為影響玉米產量高低最直接的因素。本試驗結果表明，生態條件對玉米穗行數、行粒數、穗粒數、千粒質量(除先玉508)和產量的影響顯著，兩玉米品種產量雙流較簡陽均高出20%左右，但不同品種增產的途徑不同。正紅311是通過穗粒數和千粒質量的協同增長來實現增產的，而先玉508則是在維持千粒質量的情況下，較大幅度增加穗粒數來獲得高產。施氮顯著提高了玉米穗粒數、千粒質量和產量，但不同生態條件下玉米增產幅度差異明顯。雙流玉米生長旺盛時期干物質和氮素積累均高于簡陽，使其產量及產量構成優于簡陽；但氮肥對簡陽玉米生長、干物質和氮素積累的促進作用更大，且其收獲指數和氮收獲指數均高于雙流，因此在保證一定施氮量的前提下，簡陽玉米也能獲得較高產量。

3.4 結論

生態條件和氮肥水平對玉米的生長發育、產量形成及氮素的吸收利用影響顯著。成都平原降水豐富，光熱水集中，耕層深厚，土壤肥沃使其玉米植株高大，葉片繁茂，干物質和氮素積累以及籽粒產量均高于川中丘陵區，而無效生長過多，收獲指數較低，氮素利用效率、農學效率及產谷效率不高是限制該區域玉米產量進一步提高的主要因素；而川中丘陵區氣候溫和，雨量充沛，耕層淺薄，土壤貧瘠使其玉米前期生長不足，后期養分不足，從而不利于高產，但氮肥增產幅度較大，收獲指數及氮素利用效率、農學效率、產谷效率較高使其在一定的施氮水平下仍能獲得較高產量。因此，在雙流等成都平原地區種植玉米可以適當降低施氮量以充分利用土壤中充足的養分，促進氮素的轉運，減少無效生長，提高收獲指數來獲得高產；而在簡陽等川中丘陵區，則可適當增加施氮量以促進玉米前期的營養生長，保證生育后期的養分供應，提高玉米的干物質和氮素積累來獲得高產。