氮磷鉀減量配施硅肥對玉米養分吸收、利用及產量的影響

朱從樺，李其勇，程明軍，李星月，郭 展，張 鴻*

(1.四川省農業科學院植物保護研究所，農業部西南作物有害生物綜合治理重點實驗室，四川 成都 610066；2.四川省草原工作總站，四川 成都 610041)

玉米作為我國主要的糧食、經濟、飼料作物，其穩產和高產備受重視。為追求高產，氮肥、磷肥、鉀肥等化肥被大量施用，容易引發環境污染、生態環境破壞和溫室氣體排放增加等問題[1-4]。針對四川丘陵區玉米生產，有研究[5]提出中等地力田塊氮、磷和鉀肥推薦用量分別為200～260、100～120和80～100 kg/hm2，氮、磷和鉀肥回收率分別為23.4%～35.1%、13.8%～18.7%和48.6%～59.6%，為進一步探索減少該區氮、磷、鉀肥用量提供基礎數據支撐。玉米作為喜硅植物，會主動從外界環境吸收硅，進而提高自身抵御生物或非生物脅迫的能力[6-7]。施硅肥能提高土壤供硅能力，減少土壤對磷的吸附，增加植株關鍵生育期的氮、磷和鉀積累量[8-10]，改善植株根系、葉片和莖稈生長[11]，提高植株抗旱[12-13]、抗鹽脅迫[14]、耐重金屬[15]和抗倒伏能力[16]，增加植株物質生產能力[12-13,17]、提高水分利用效率[12]、增加穗長和穗粒數、提高作物經濟產量[16,18-19]。以往研究側重于硅促進作物生長發育及緩解逆境脅迫方面，然而在氮、磷和鉀肥減施條件下，增施硅肥能否改善玉米對氮、磷、鉀的吸收利用，提高玉米產量卻鮮見報道。為此，本研究以玉米正紅505為材料，選擇中等地力田塊，研究氮、磷和鉀肥常規用量、減施20%和40%條件下，增施硅肥對玉米氮、磷和鉀素吸收、產量及產量構成的影響，比較分析玉米生產中增施硅肥的效益，探明四川丘陵區玉米生產中可持續的化肥減施途徑，為本區玉米節肥、增效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2016年4月至9月，在四川省農業科學院簡陽試驗基地(30°34′N，104°32′E)進行大田試驗，土壤類型為紫色土。0～25 cm土層pH值為7.52，有機質36.36 g/kg，堿解氮38.5 mg/kg、有效磷15.96 mg/kg、速效鉀118.33 mg/kg，有效硅206.58 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試玉米品種：正紅505，四川省農業廳推薦的主導品種。試驗采用2因素裂區設計。主區因素為氮、磷和鉀肥用量，設置3種氮、磷、鉀肥施用量組合：F100—常規用量，N、P2O5和K2O用量分別為225、90和90 kg/hm2；F80—等比減施20%，N、P2O5和K2O用量分別為180、72和72 kg/hm2；F60—等比減施40%，N、P2O5和K2O用量分別為135、54和54 kg/hm2。副區因素為硅肥用量，設置2種硅肥用量：S3—施硅(SiO2)37.5 kg/hm2；S7—施硅(SiO2)75 kg/hm2。重復3次，共18個小區，小區面積為6.5 m×4 m=26.0 m2。

4月8日育苗、整地并起壟(壟高12 cm)，各小區全部肥料均做基肥，撒施于窄行，澆透底水，最后覆膜。2葉1心單株移栽，采用寬窄行栽培，寬行1.6 m，窄行0.4 m，株距0.2 m。試驗中氮肥為尿素(N 46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，硅肥為硅鈣鎂鉀復合肥(SiO220%，Ca 16%，K2O 5%，Mg 4%)，氮、磷、鉀和硅肥全做底肥，其中施用硅肥帶入的鈣和鎂，用氯化鈣和氯化鎂等量補充，帶入的鉀從鉀肥中等量扣除。其余田間管理同當地高產田塊。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質重

于拔節期和成熟期，按平均株高，選取5株植株，拔節期分為莖和葉，成熟期分為葉(含苞葉)、莖鞘(雄穗)、穗軸、籽粒，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，再稱重。

1.3.2 植株氮、磷、鉀和硅素積累量

將1.3.1干樣粉碎過0.25 mm篩，采用濃H2SO4+H2O2消煮，用FOSS Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀測定氮含量；用FP 6410型火焰光度計測定鉀含量，用鉬銻抗比色法測定磷含量；采用強堿高溫高壓消化，用硅鉬藍分光光度法測定硅含量；并計算氮、磷、鉀、硅積累量。

1.3.3 考種與計產

收獲時，隨機采集20個果穗，調查穗粒數、穗行數、行粒數、千粒重、穗長、穗粗和禿尖長，按實收株數計產(含水量以14.0%計)。

1.4 參數計算

氮(磷、鉀)素干物質生產效率(kg/kg)=單位面積植株干物質積累量(kg/hm2)/單位面積植株氮(磷、鉀)積累量(kg/hm2)；

氮(磷、鉀)素籽粒生產效率(kg/kg)=單位面積籽粒產量(kg/hm2)/單位面積植株氮(磷、鉀)積累量(kg/hm2)；

氮(磷、鉀)肥偏生產力(kg/kg)=施氮(磷、鉀)區產量(kg/hm2)/施純氮(P2O5、K2O)量(kg/hm2)。

1.5 數據分析

用DPS 14.50和SPSS 19.0軟件分析數據，用最小顯著差法LSD(P=0.05)檢驗平均數。

2 結果與分析

2.1 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米穗部性狀、產量及產量構成的影響

從表1可知，氮、磷、鉀肥用量對穗部性狀、產量及產量構成影響顯著，而硅肥用量影響次之。與常規施肥F100處理相比，化肥減施處理F80和F60禿尖長分別增加20.96%和25.33%，行粒數、穗粒數、籽粒產量分別下降11.57%和11.28%、11.60%和10.52%、10.77%和17.77%。在常規施肥F100條件下，S7處理禿尖長顯著短于S3處理，S7處理顯著提高了穗粒數；在化肥減施處理F60條件下，增施硅肥對玉米穗部性狀、產量及產量構成的影響不顯著。可見，氮、磷、鉀肥減施后玉米穗長變短，禿尖長變長，穗粒數及行粒數降低，最終導致產量降低；在氮、磷和鉀肥供給處于非嚴重缺乏時，增施硅肥能縮短禿尖長度，增加穗粒數，提高玉米籽粒產量。

2.2 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米干物質積累量和分配比例的影響

從表2可知，氮、磷和鉀肥減量施用后玉米拔節期、成熟期干物質積累量下降4.53%～11.91%；化肥減施后拔節期干物質分配比例無顯著影響，但是會降低成熟期干物質在籽粒中的分配比例；增施硅肥能夠顯著提高植株拔節期和成熟期的干物質積累量，但是對成熟期干物質的分配比例影響不顯著。F100、F80、F60中，與S3處理相比，S7處理拔節期和成熟期植株干物質分別提高14.99%、3.94%、5.87%和3.34%、12.88%、2.96%。可見，玉米植株成熟期干物質積累及各器官分配受氮、磷和鉀肥施用量的影響遠大于硅肥，在氮、磷、鉀肥供應充足時增施硅肥，能夠提高物質在籽粒的分配比例，為高產提供充足的物質保障。

表1 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米穗部性狀、產量及產量構成的影響

注：同列不同大寫字母表示不同氮、磷和鉀肥施用量間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示相同氮、磷和鉀肥用量下不同硅肥用量間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米干物質積累量及分配比例的影響

2.3 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米氮、磷、鉀和硅素積累量的影響

從表3可知，化肥減施后植株拔節期和成熟期的氮、磷、鉀和硅素積累量顯著下降，而增施硅肥可以促進植株對上述元素的吸收。在拔節期，相比于F100處理，F80、F60處理植株氮素積累量分別減少2.32%、13.85%，磷積累量相應減少7.75%、20.16%，鉀積累量相應減少22.95%、29.43%，硅積累量相應減少12.05%、17.97%；在成熟期，相比于F100處理，F80、F60處理植株氮積累量分別減少13.33%、29.86%，磷積累量相應減少13.55%、35.35%，鉀積累量相應減少17.44%、30.94%，硅積累量相應減少25.37%、41.73%。在常規用量F100條件下，與S3處理相比，S7處理植株拔節期和成熟期氮、磷、鉀、硅積累量兩個時期平均分別增加16.85%、16.84%、15.90%、12.05%；在化肥減施F80條件下，與S3處理相比，S7處理植株拔節期和成熟期氮、磷、鉀、硅積累量兩個時期平均分別增加13.02%、12.12%、17.02%、11.14%；在化肥減施F60條件下，與S3處理相比，S7處理植株拔節期和成熟期氮、磷、鉀、硅積累量兩個時期平均分別增加5.53%、6.77%、7.24%、2.68%。由此可見，化肥減施后植株氮、磷、鉀和硅積累量顯著下降，硅促進植物吸收氮、磷和鉀素的效應大小受限于生育進程和土壤養分供應情況；在化肥減施不超過20%時，玉米生產中可以增施硅肥來改善植株的氮、磷和鉀素營養。

表3 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米氮、磷、鉀和硅素積累量的影響 (kg/hm2)

2.4 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米各器官氮、磷、鉀和硅分配的影響

從圖1可知，拔節期，氮、磷、鉀、硅在莖鞘中分配比例均低于葉片，上述4種元素在葉片中分配比例排序為硅>氮>磷>鉀，氮和硅在葉片中分配率超過60%；在處理F100和F80中，與S3處理相比，S7處理能提高葉片中氮和磷的分配比例，顯著增加莖鞘中硅的分配比例。從圖2可知，在成熟期，植株養分中大約50%氮、80%磷、38%鉀和7%硅被分配到籽粒中；植株成熟期超過80%的硅被分配在莖、葉中。在處理F100中，與S3處理相比，S7處理能提高籽粒中氮和鉀的分配比例，顯著降低莖鞘中氮和鉀的分配比例；在處理F80中，與S3處理相比，S7處理能提高莖鞘中磷和硅的分配比例，降低籽粒中磷素的分配比例；在處理F60中，與S3處理相比，S7處理能顯著降低莖鞘和籽粒中硅肥的分配比例。綜上所述，化肥減施后植株氮、磷、鉀和硅在植株各器官的分配比例變化顯著，尤其是籽粒中氮和鉀素明顯降低；在化肥常規用量條件下，增施硅肥能夠進一步增加氮、鉀在籽粒中的分配比例。

圖1 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米拔節期各器官氮、磷、鉀和硅素分配的影響注：柱上不同小寫字母表示不同施肥組合間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖2 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米成熟期各器官氮、磷、鉀和硅素分配的影響

2.5 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米氮、磷和鉀肥利用率的影響

從表4可知，氮、磷和鉀肥等比例減施后，氮、磷、鉀和硅素干物質生產效率和肥料利用率顯著增加，氮、磷和鉀肥的偏生產力顯著增加。在處理F100和F80中，與S3處理相比，S7處理能提高氮、磷和鉀肥的偏生產力，還能顯著提高磷素利用率；在處理F60中，與S3處理相比，S7處理能顯著提高氮肥偏生產力。綜上所述，氮、磷和鉀肥減施量≤20%，施用硅肥能夠一定程度上提高氮、磷和鉀肥的利用效率。

表4 氮、磷和鉀減量配施硅肥對玉米氮、磷和鉀肥利用效率的影響 (kg/kg)

3 討論

玉米生產中氮、磷和鉀肥施用措施不斷改進和發展，肥料利用率和產量不斷提高。有研究表明：常規施肥減氮15%配合增施3 000 kg/hm2腐植酸，玉米植株氮素積累量、籽粒含氮量和產量顯著增加[20]；磷肥用量從農民習慣(P2O5187.5 kg/hm2)減少至150和112.5 kg/hm2，玉米產量、根長和根系直徑、土壤有效磷含量也不會顯著變化[21]；與常規施肥處理(N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2)相比，減氮控磷穩鉀處理(N 225 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2)能顯著增加水稻秸稈生物量、千粒重和產量[22]；在非嚴重缺磷或正常磷水平下，外源加硅可顯著提高玉米產量[18]。綜上可知：在一定范圍內減少氮、磷和鉀肥用量，搭配合理的施肥措施或添加有機無機類增效物質，能夠增加玉米產量。本研究中，氮、磷和鉀常規用量減施20%～40%，玉米干物質積累量減少13.98%～17.14%，產量下降10.77%～17.77%。其主要原因是：氮、磷和鉀等比例減施后整個生育期氮、磷和鉀素營養供給缺乏，干物質生產積累下降，灌漿結實期莖、葉物質向籽粒輸送受阻，導致成熟期莖、葉干物質分配比例增加，穗長、穗粗、穗粒數、行粒數及千粒重顯著下降，最終產量大幅下降。有研究證實：施硅能增加玉米穗長、穗粗、穗粒數、百粒重，提高玉米產量[16,18]。本研究中，氮、磷和鉀肥常規用量和減施20%處理下，增施硅肥(75 kg/hm2)后穗粒數顯著增加，禿尖長降低，產量增加5.83%～8.35%；減施40%條件下，施硅肥對穗粒數、穗行數、行粒數、千粒重均無顯著影響；這一方面豐富前文[18]的結論，一方面也可以推測：充足的氮、磷和鉀素供應是保障玉米高產、穩產的先決條件，施用硅肥只能間接減少土壤對磷素的吸附，增加土壤速效磷含量，促進玉米植株對氮、磷和鉀素的協同吸收，進而改善其物質合成能力，增加籽粒產量；此外，氮、磷、鉀肥減量過大施硅的增益作用會被掩蓋，并且硅肥用量過少不利于發揮硅肥增益作用。

低磷脅迫減少玉米硅積累量，改變硅在玉米各器官的分配比例[10,23]。玉米植株硅含量變化符合“末端分布現象”，硅大量分布在莖鞘、葉片等部位，籽粒中硅含量最低[6]。本研究表明，在成熟期，籽粒氮、磷、鉀和硅分別約占總量的50%、80%、38%和7%；超過80%的硅被分配在莖、葉中。玉米對氮的吸收量多于磷、鉀，也會主動從土壤中吸收大量的硅，并且這4個元素的吸收積累過程高度同步[6]；施硅可促進玉米植株各關鍵生育時期對氮、磷、鉀的吸收，并優化其在莖、葉、籽粒中分配比例，提高氮、磷和鉀肥利用效率[18]。本研究中，氮、磷和鉀肥減施降低了拔節期和成熟期植株氮、磷、鉀和硅積累量；增施75 kg/hm2硅肥促進植株對氮、磷和鉀素的積累，但其促進效應因生育階段不同而存在差異。在拔節期，常規用量下，增施75 kg/hm2硅肥會顯著增加植株氮、磷和鉀積累量，提高了氮、鉀在籽粒中的分配，而對磷、硅影響很小；化肥減量20%下，增施75 kg/hm2硅肥顯著增加氮和鉀積累量，降低了磷、硅在籽粒中分配，而對氮、鉀無顯著影響；常規用量減施40%，增施75 kg/hm2硅肥對氮、磷、鉀、硅對籽粒分配影響小，主要調整氮、磷、鉀和硅在莖、葉中分配。玉米生長前期吸硅量少，氮、磷和鉀肥減施將直接影響植株的正常生長，施硅的增益作用難以發揮；拔節期至抽雄初期[6,24]植株開始大量快速吸收硅，常規用量和化肥減施20%條件下植株從土壤中吸收氮、磷和鉀仍較為充裕，施硅促進植株對氮、磷和鉀素的協同吸收，生育中后期物質生產能力增強，產量顯著提高，氮、磷和鉀肥利用率增加；但化肥減施40%，植株生長所需氮、磷和鉀素營養虧缺嚴重，增施硅肥也無法補償其虧缺量所帶來的負面效應。

4 結論

四川丘陵區玉米生產中，在氮、磷和鉀肥常規用量基礎上，減施比例超過20%，植株氮、磷和鉀積累量會顯著下降，干物質積累量顯著降低，禿尖長度顯著增加，減產超過10.77%。

氮、磷和鉀肥常規用量或減施比例≤20%，增施75 kg/hm2硅肥，提高玉米拔節期、成熟期干物質積累量以及氮、磷、鉀、硅的積累量，增加氮、磷和鉀在籽粒中的分配比例，產量增加5.82%～8.35%。

中、高肥力土壤條件下，為持續減少玉米生產中氮、磷和鉀肥用量，還需結合土壤自身氮、磷和鉀素供應特性、品種特性及目標產量，合理制定氮、磷和鉀肥減施比例及硅肥用量。

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