化肥減量對玉米農田土壤氮分布及作物氮吸收的影響

尚 輝

[江蘇省沿海開發(東臺)有限公司，江蘇東臺 224200]

氮元素是植物發育和生長的必需養分，也是許多化學肥料的重要成分。化肥尤其是氮肥的大量施用，雖然在一定程度上有助于提高作物產量，但也增加了農業生產成本，而過量地施用不僅造成肥料浪費，引起土壤酸化地力退化，而且污染環境，破壞生態系統的平衡[1-7]。相關專家表示，目前的農業污染絕不小于工業生產造成的污染[8]，其中很大一部分是源于化肥尤其是氮肥的濫用。據此，本試驗通過田間試驗分析了化肥減量處理下土壤氮素分布和玉米器官氮素含量的變化，以此研究氮素在土壤-植物系統中的分布及其相互關系。研究結果將為玉米生產中的化肥減施提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2011年夏季在西北農林科技大學三原試驗站玉米生育期進行。該地區年平均氣溫13.4 ℃，降水517.7 mm，平均無霜期215 d，太陽總輻射47.375億J/m2，長期進行冬小麥—夏玉米輪作。供試土壤為棕黃壤，是關中地區代表性黃色土，試驗開始前采集耕層(0～20 cm)基礎混合土樣，進行其基本理化性質分析，基礎土壤pH值(去離子水與土比 1 ∶1)為8.41，全氮量1.52 mg/g，速效磷含量 20.35 mg/kg，速效鉀含量130.50 mg/kg，堿解氮含量 40.00 mg/kg，有機碳含量14.45 g/kg。

1.2 試驗材料與田間設計

供試肥料為尿素(U)(總氮含量為46%)、磷酸二銨(D)(五氧化二磷含量為46%)，設置了氮磷肥(NP)、70%氮磷肥(70%NP)、50%氮磷肥(50%NP)、30%氮磷肥(30%NP)及不施肥(NF)5個處理(表1)，完全隨機區組設計，3次重復。種植時一次性施肥，免耕，其他農事操作均按常規耕作進行。供試玉米為鄭單958，于2011年6月20日人工播種，密度為6.75萬株/hm2，行距60 cm，小區面積為15 m×26 m。

表1 試驗處理

1.3 取樣與分析方法

1.3.1 取樣時間及方法 于2012年6—9月，在玉米苗期、拔節期、灌漿期、成熟收獲期用S形布點法進行取樣，每個土壤樣品由5點采樣混合而成，采樣深度分為0～20、20～40、40～60、60～100 cm 4層。土壤樣品自然風干后，過0.25 mm篩備用。在玉米苗期、拔節期、灌漿期、成熟期分別取代表性的植株10株，所有植株樣品采回后，將植株各器官分開，然后在105 ℃下殺青30 min，再在80 ℃下烘至恒質量，然后粉碎，經粉碎的樣品過200目篩后裝自封袋，備用。

1.3.2 玉米根莖葉及土壤全氮含量分析 樣品氮含量用丹麥FOSS公司的Kjeltec 8400凱氏定氮儀測定。

1.3.3 考種與測產 在夏玉米收獲時，每小區隨機取20個植株考種，測定植株的株高，果穗行數、穗粒數、百粒質量等。產量為每小區單收單打(單獨采收試驗小區所有果穗脫離、烘干)的實測結果。

1.4 數據處理

數據分析采用Excel和SPSS 17.0軟件，方差分析采用Duncan’s新復極差法。

2 結果與分析

2.1 化肥減量對玉米產量的影響

株高、穗行數、行粒數、百粒質量是玉米產量的主要構成因素[9]，本試驗調查了不同施肥條件下玉米的株高、穗行數、行粒數及百粒質量(表2)。可見在化肥減量條件下，各處理間玉米穗行數差異不顯著，但隨著施肥量的減少，穗行數有逐漸增加的趨勢，由此可見穗行數不是玉米產量的決定因素。除穗行數外，株高、行粒數、百粒質量均以不施肥處理(NF)最小，如行粒數和百粒質量，NF較其他處理相比分別減小 5.34～10.33粒和2.54～7.84 g；其中NP、70%NP處理與NF各產量構成因素(株高、行粒數、百粒質量)差異顯著。由此可見，適當地施肥在一定程度上有利于玉米生長和產量的提高。減量施肥處理下，70%NP、50%NP、30%NP、NF處理的玉米產量分別為9.47、8.47、8.17、6.29 t/hm2，與NP處理的玉米產量(9.71 t/hm2)相比分別降低了2.47%、12.77%、15.86%、35.22%，在化肥減量的情況下，70%NP與常規施肥(NP)產量差異不顯著，其他減量施肥處理都表現出顯著性降低。

表2 化肥減量對玉米主要產量構成因素的影響

2.2 化肥減量對玉米根、莖、葉氮含量的影響

由圖1可知，各處理從玉米的苗期到拔節期，玉米根、莖、葉中氮含量均呈現出降低的趨勢；不同處理下根、莖、葉中，葉中的氮含量最高，但是莖中各時期氮含量變化最大，它們之間呈現出較大差異。隨著施肥量的減少，玉米根、莖、葉中氮含量有明顯的降低趨勢；所有處理的氮含量在苗期最大，最大值為37.65 mg/g，在成熟期最低，最小值為14.23 mg/g。玉米前期主要是營養生長，養分大多集中在作物的營養器官中，到了玉米的生殖生長期，隨著作物的生長，養分開始向玉米生殖器官轉移，因此根、莖、葉的氮含量隨著生長期的延長逐漸降低。

作物中氮素主要來源于土壤，根是作物從土壤中獲取必需養分的器官，其氮素含量的高低不僅能反映出根的活力，也將決定作物生長的好壞。由圖1-a可以看出，與NP處理相比，30%NP、NF處理的玉米根中氮含量在玉米各生育時期均顯著降低，而70%NP、50%NP處理下的玉米根氮含量只是在玉米拔節期和成熟期比NP處理玉米根氮含量顯著減少了，在玉米的苗期及灌漿期并沒有呈現出顯著性差異。由此可以看出，拔節期玉米進入快速生長期，此時是玉米對氮肥需求量最大的時期，土壤含氮量勢必會影響根對氮素的吸收及根本身的氮含量。

莖作為植株連接地上部分、地下部分的紐帶，是植株營養最主要的運輸樞紐。作物莖中的氮含量一方面可以反映作物轉運系統，同時也會影響到作物的生長。由圖1-b可知，隨著施肥量的減少，玉米根的氮含量在各個時期均有逐漸降低的趨勢，在苗期和灌漿期30%NP、NF處理與NP處理氮含量均顯著降低。

葉是植物進行光合作用最主要的器官，它的生長狀況不僅決定了植物干物質的積累，同時葉片外觀及其養分含量亦是作為植物是否缺素的重要依據[10]。由圖1-c可知，隨著玉米的生長，玉米葉中氮含量明顯降低。在不同的生育時期，與NP處理相比，不施肥處理玉米葉的氮含量均顯著降低；30%NP處理在玉米苗期和成熟期時葉中氮含量顯著降低；50%NP處理玉米葉的氮含量只在成熟期顯著降低；70%NP處理各生育期均無顯著性差異。

2.3 化肥減量對土壤氮分布的影響

由圖2可以看出，在玉米的不同生育時期，各處理的土壤氮含量均隨著土壤深度的增加逐漸降低，且在玉米的整個生育時期，各處理在60～100 cm土層的氮含量均沒有出現明顯差異，而土壤氮含量有較大變化的主要是在0～60 cm的土層，特別在0～40 cm的土壤中。

從玉米苗期到灌漿期，與NF處理相比，施肥處理后的 0～20 cm土壤中氮含量增加了，且各處理之間20～100 cm土壤中氮含量沒有明顯差異。值得注意的是在玉米苗期40～60 cm土壤中氮含量低于60～100 cm土壤。NF處理0～20 cm 土壤的氮含量隨著玉米生長逐漸增加，且在成熟期高于其他處理。由此可以看出，施肥處理一方面促進作物對土壤中的養分吸收，利于作物的生長，但另一方面卻可能影響土壤養分的積累，促進土壤養分的流失。

3 討論

3.1 氮肥對夏玉米產量的影響

氮肥的施用量對作物產量有顯著影響。適量地施用氮肥可以提高籽粒灌漿速率，增加粒質量，而缺氮或過量地施用氮肥都會降低粒質量[11]。但也有學者認為，施用氮肥對夏玉米籽粒有顯著的增產作用，但隨施氮量的增加，產量變化不大[12]。郭紅梅等研究表明，氮肥運籌對春玉米產量和經濟效益有顯著影響[13]。本試驗結果表明，玉米產量在施氮量減少到70%(70%NP)時，產量與常規施肥(NP)差異不顯著，但若施氮量繼續減少則會使產量顯著降低。由此可以看出，針對常規的氮肥施入，適當地減少氮肥的施用量可能會取得更好的經濟效益和農田生態效益。

3.2 化肥減量下玉米根莖葉氮含量與土壤氮分布的相互影響分析

土壤中氮素可以以多種形式被植物吸收利用，土壤氮含量是影響作物根吸收氮素并轉化利用的重要因素。本試驗中化肥減量(主要是氮肥的減量)造成玉米產量不同程度地降低，一方面化肥減量影響到土壤中氮素含量，造成土壤氮素含量在不同處理間差異顯著，影響到玉米根對氮的吸收。觀測玉米根、莖、葉及各層土壤氮含量，發現玉米根、莖、葉中氮含量隨著玉米的生長表現出逐漸降低的趨勢，而土壤氮含量卻有一定程度的增加。玉米根、莖、葉中氮含量的減少主要是由于有機物質向玉米穗轉移，而土壤中氮含量的增加可能是由于玉米根系殘留或其分泌物的影響。綜合分析玉米根、莖、葉氮含量與土壤氮含量，不難看出化肥減量對玉米氮吸收產生一定的影響，不同處理下0～20 cm土壤氮含量均有一定增加。由此可以看出，化肥減量雖然會影響作物對氮的吸收，但可能有利于表層土壤對氮的固定，適當的化肥減量具有一定的生態經濟意義。

3.3 根、莖、葉及0～20 cm土壤氮含量與玉米產量的相關性

由表3可知，根、莖、葉氮含量在灌漿期與玉米產量顯著相關，而葉片的氮含量與玉米產量在灌漿期和成熟期均呈現極顯著相關性；而在苗期和拔節期0～20 cm土壤氮含量與玉米產量顯著相關。苗期和拔節期是玉米生長最快的時期，這2個時期也是玉米對養分需求最多的時期，而土壤養分含量直接影響到玉米葉片有機物質的積累；灌漿期是決定玉米產量最關鍵的時期，葉片在前期積累的有機物質經過轉運樞紐——莖轉移到籽粒中，所以這一生育期根、莖、葉的作用極其重要。因此，化肥減量在玉米營養生長期影響了玉米根、莖、葉的生長后，在灌漿期勢必會影響玉米籽粒對有機物質的積累。

表3 玉米產量與氮含量的相關分析

注：*、**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關。

4 結論

在大田試驗條件下，70%NP處理玉米產量與常規施肥(NP)無顯著差異。化肥減量條件下玉米根、莖、葉的氮含量存在顯著差異，化肥減量會影響作物對氮的吸收。玉米收獲后，0～20 cm土壤氮含量較苗期均呈現不同程度的增加。由此可見，化肥減量有利于土壤對氮素的固定。鑒于減量施肥30%在保持土地的高生產力前提下，能降低氮肥的使用量，節約成本，減少環境污染，因此這一處理在夏玉米種植化肥的高效利用中具有一定的可行性。