不同氮肥基追比對玉米氮素吸收利用、土壤氮素供應及產量的影響

劉昕萌，陳 庚，王志國，賀韻涵，李 威，吳 玥，楊德光

(1.東北農業大學 農學院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.東北農業大學 資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

玉米是國內種植面積最大，產量最高的重要糧食作物[1]。氮肥施用對玉米生長發育和產量形成都有非常顯著的影響，但同時速效氮肥尿素等會受到揮發及淋失的影響限制了其利用效率[2]。據調查顯示，傳統玉米栽培模式多采用以基施為主的施氮方式，并未根據玉米的氮素需求規律科學追肥[3-5]。氮肥施用不合理會造成土壤無機氮的淋失，導致資源浪費和環境污染特別是地下水污染，對生態環境產生嚴重破壞[6-7]。目前大量研究表明，提高玉米生育后期的氮肥施用量可以顯著影響玉米開花期-灌漿期的土壤耕層無機氮含量及玉米地上部氮素積累[8]。李強等[9]研究表明，在225 kg/hm2氮肥施用量下，氮肥運籌顯著提高了玉米花后干物質積累量，由此顯著提高了玉米產量及產量構成。吳永成等[10]研究表明，在相同施氮量下氮肥運籌處理較100%基肥處理相比顯著提高了玉米生育后期土壤氮素含量并有效降低了土壤氮素表觀損失。曹玉軍等[11]認為，玉米生育后期氮素吸收積累量占全生育期總積累量的一半左右，所以通過氮肥后移增強玉米生育后期氮素供應對玉米高產穩產至關重要。張吉旺等[12]研究發現, 于玉米拔節期后施氮2～3次可以顯著提高玉米的營養價值和品質。前人研究多側重于不同氮肥施用時期及比例對玉米產量、氮素吸收、土壤氮素積累等指標的影響及氮肥運籌對玉米光合作用的影響，而對氮肥運籌與玉米產量及產量構成、土壤氮素積累、玉米氮素積累及吸收利用率的關系還有待進一步研究[13]。本研究以玉米品種先玉335和天農9為材料，探究了在施氮量相同條件下不同氮肥基追比對玉米不同生育時期產量和干物質積累的影響、植株氮素積累特征、土壤剖面無機氮含量變化、土壤-作物氮素平衡的關系，以便為東北地區玉米栽培提供更加合理的氮肥后移方案。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于東北農業大學農學院阿城實驗基地進行，土壤基本理化性質：pH值6.768，全氮含量1.47 mg/kg，有機質含量29.8 mg/kg，有效磷29.1 mg/kg，速效鉀122.5 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為先玉335和天農9，供試肥料為重過磷酸鈣(P2O5：46%)80 kg/hm2、尿素(N： 46%)210 kg/hm2、硫酸鉀(K2O：50%)48 kg/hm2。

1.3 試驗設計

播種時間為2018年4月28日，小區采用隨機區組排列，每小區長8 m、寬5.2 m，小區面積約41 m2，每個處理3次重復。玉米植株行距66 cm、株距25 cm，栽培密度為60 600株/hm2。磷鉀肥一次施用。氮肥施用方法：CK,空白對照；T1,50%基肥+50%開花肥；T2,30%基肥+40%拔節肥+30%開花肥；T3,20%基肥+60%拔節肥+20%開花肥；T4,10%基肥+60%拔節肥+30%開花肥。

1.4 樣品采集及指標測定

于玉米苗期-成熟期采集不同氮肥運籌處理玉米植株樣品, 每個小區取植株5株, 于105 ℃殺青30 min后, 70 ℃烘干至恒質量并粉碎, 稱質量計算不同處理植株生物量。植株樣本粉碎后采用H2SO4-H2O2法進行消煮,凱氏定氮法測定植株氮含量；于玉米苗期采集0～40 cm土壤樣品，拔節期-成熟期采集0～100 cm土壤樣品，每20 cm分別取樣，用KCl溶液浸提振蕩1.5 h后過濾，采用分光光度計法分別測定土壤中硝態氮和銨態氮含量，最后加和為土壤無機氮含量。于玉米成熟期選用小區第3，4行進行測產并計算收獲指數。并選取有代表性的30個果穗測定產量及產量構成因素。

1.5 數據處理與分析

收獲指數(%)=籽粒產量/總生物量×100%；

氮素吸收利用率(%)=(施氮區作物總吸氮量-不施氮區作物總吸氮量)/施氮量×100%；

氮素農學利用率(kg/kg)=(施氮區作物產量-不施氮區玉米產量)/施氮量；

氮素偏生產力(kg/kg)=施氮區作物產量/施氮量；

土壤無機氮含量(mg/kg)=硝態氮含量+銨態氮含量；

土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)=不施氮肥區作物地上部分氮積累量+不施氮肥區土壤殘留無機氮量-不施氮肥區起始無機氮量；

氮素表觀損失量(kg/hm2)=施氮量+土壤起始無機氮積累量+土壤氮素凈礦化量-作物氮攜出量-土壤無機氮殘留量[2]。

試驗數據采用IBM SPSS Statistics 22 進行單因素方差分析和相關分析, 用 Sigma Plot 14.0制圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥基追比對玉米各生育期土壤無機氮含量的變化

由圖1可知，不同氮肥基追比對不同玉米品種0～20 cm土壤無機氮含量有顯著影響。先玉335和天農9的土壤無機氮含量均隨著生育期的推進基本上呈降低的趨勢。與傳統施氮模式T1相比，不同氮肥基追玉米除灌漿期外的其他生育期土壤無機氮含量有顯著影響(P<0.05)。對于苗期-大喇叭口期，土壤無機氮含量表現為T1最高。在苗期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了17.07%～53.57%(先玉335)和11.19%～32.64%(天農9)；在拔節期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了4.23%～28.26%(先玉335)和11.74%～43.90%(天農9)；在大喇叭口期，不同玉米品種T1處理土壤無機氮含量較T2、T3、T4顯著提高了9.15%～12.31%(先玉335)和5.59%～11.31%(天農9)。對于開花期-成熟期，T4的土壤無機氮含量最高。在開花期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了10.59%～39.36%(先玉335)和7.18%～24.81%(天農9)；在灌漿期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了2.32%～10.82%(先玉335)和0.97%～9.81%(天農9)；在成熟期，不同玉米品種T4處理土壤無機氮含量較T1、T2、T3分別提高了3.24%～50.03%(先玉335)和1.16%～55.10%(天農9)。

相同生育期內的不同小寫字母表示不同處理間在P<0.05水平差異顯著。圖2同。 Different lowercase letters in the same growth period indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level. The same as Fig.2.

2.2 不同氮肥基追比對不同品種玉米氮素平衡的影響

由表1可知，在相同氮肥施用量下，降低氮肥基追比對先玉335和天農9品種的玉米氮素平衡影響顯著(P<0.05)。與傳統施氮模式T1相比，T2、T3、T4的作物攜出和土壤殘留無機氮分別提高了21.58%～32.43%，5.8%～13.61%(先玉335)和23.8%～43.97%，5.88%～12.73%(天農9)；對于氮素表觀損失量，T1較T2、T3、T4分別增加了41.10%～91.18%(先玉335)和42.41%～129.41%(天農9)。

2.3 不同氮肥基追比對玉米氮素吸收及氮素利用效率的影響

由表2可知，不同氮肥基追比對先玉335和天農9拔節期后的氮積累量及氮素利用效率有顯著影響(P<0.05)。與傳統施氮模式T1相比，降低氮肥基追比顯著增加了玉米花后氮積累量(P<0.05)。不同氮肥基追比間苗期氮積累量差異不顯著(P>0.05)；對于拔節期和大喇叭口期，T1的氮積累量最高，較T2、T3、T4、T5提高9.5%～20.08%和8.21%～13.83%(先玉335)、13.10%～23.73%和6.4%～12.21%(天農9)。對于開花期、灌漿期和成熟期，T4的氮積累量最高，較T1、T2、T3提高2.88%～6.20%，2.50%～17.28%和6.58%～39.91%(先玉335)以及2.12%～6.10%，5.34%～20.2%，2.52%～26.85%(天農9)。此外，不同氮肥基追比顯著影響了玉米的氮素吸收利用率、氮素農學利用率和氮素偏生產力(P<0.05)。較傳統施氮模式T1相比，T2、T3、T4的氮素吸收利用率、氮素農學利用率和氮素偏生產力依次提高了16.66%～22.47%，17.80%～35.76%，4.93%～9.90%(先玉335)和6.55%～24.46%，8.23%～36.94%，2.02%～5.44%(天農9)，其中，T4的氮素吸收利用率最高，T3的氮素農學利用率和氮素偏生產力最高。

表1 不同氮肥基追比對不同品種玉米氮素平衡的影響Tab.1 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen balance of different varieties of maize kg/hm2

表2 不同氮肥基追比對玉米氮素吸收及氮素利用效率的影響Tab.2 Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen uptake and nitrogen use efficiency in maize

2.4 不同氮肥基追比對玉米收獲后0～100 cm土壤剖面無機氮的影響

由圖2可知，0～20 cm土壤的無機氮含量最高，隨著土壤深度的增加土壤無機氮含量隨之降低。與CK相比，不同氮肥基追比處理顯著提高了0～100 cm土壤無機氮含量(P<0.05)，其中T2、T3、T4較T1存在顯著差異，但T2、T3和T4之間差異不顯著(P>0.05)。在相同氮肥施用量下，不同氮肥基追比后T2、T3、T4的0～20 cm和20～40 cm土壤無機氮含量較T1顯著提高16.95%～24.41%和27.22%～32.83%(先玉335)、20.56%～24.62%和21.18%～32.21%(天農9)(P<0.05)；而在40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤無機氮含量以T1最高，較T2、T3、T4處理分別提高21.83%～31.72%，31.08%～49.58%，45.78%～52.92(先玉335)和15.03%～31.24%，32.08%～49.81%，38.59～53.08%(天農9)。在土壤深度40～100 cm，降低氮肥基追比處理中T1的無機氮含量最高，且T2、T3、T4處理間無機氮含量無顯著差異(P>0.05)。

2.5 不同氮肥基追比對不同品種玉米產量及產量構成因素的影響

由表3可知，與空白對照(CK)相比，不同品種各氮肥基追比處理產量分別提高了38.28%～51.97%(先玉335)和32.02%～45.04%(天農9)，增產顯著，其中，T3產量最高，較T1分別增產9.90%(先玉335)和8.86%(天農9)，其后依次為T4和T2。此外，氮肥后移對玉米穗行數的影響不顯著(P>0.05)但對行粒數、百粒質量和收獲指數影響顯著。與空白對照(CK)相比，不同氮肥處理行粒數分別提高了0.55%～10.11%(先玉335)和1.12%～10.64%(天農9)；百粒質量分別提高了2.79%～9.24%(先玉335)和2.08%～9.90%(天農9)；收獲指數分別提高了3～9百分點(先玉335)和1～10百分點(天農9)。

圖2不同氮肥基追比對玉米收獲后0～100 cm土壤剖面無機氮的影響Fig.2 Effect of different nitrogen fertilizer base ratio on inorganic nitrogen in 0-100 cm soil profile after corn harvest

表3 不同氮肥基追比對不同品種玉米產量及產量構成因素的影響Tab.3 Effects of different nitrogen fertilizers on yield and yield components of different varieties of maize

2.6 玉米不同生育時期氮素積累對產量及產量構成因素的影響

相關分析(表4)表明，對于先玉335和天農9，不同氮肥基追比下玉米產量及產量構成因素與玉米不同生育期氮素積累量間均表現為正相關，開花期-成熟期的氮積累量與產量及產量構成因素呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關；不同氮肥基追比下玉米的氮素吸收利用率、氮素農學利用率和氮素偏生產力在拔節期-大喇叭口期與氮素積累量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負相關，而在其他生育期則與氮素積累量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關。

表4 玉米不同生育時期氮素積累對產量及產量構成因素的影響Tab.4 Effect of nitrogen accumulation on yield and yield components in different growth stages of maize

3 討論與結論

施用氮肥能顯著提高土壤無機氮含量，而土壤無機氮是玉米等作物從土壤中吸收氮素的主要形式[13-15]。前人研究指出，優化施氮模式能顯著提高作物全生育期土壤無機氮含量[16-18]。孫文濤等[19]研究指出，在相同條件下，提高氮肥施用量，雖然土壤無機氮含量明顯提高，但土壤氮素盈余量及氮素淋洗量也會隨之增加。趙士誠等[20]指出, 基施氮肥比例過大會造成無機氮淋洗至深層土壤；而提高追肥比例并將氮肥后移施用可以提高作物生育后期土壤耕層氮素有效供給。本研究結果表明，在相同條件下，與傳統施氮處理相比，降低氮肥基追比顯著增加了不同品種玉米灌漿期-成熟期的0～20 cm土壤無機氮含量，同時降低了收獲后40～100 cm深度的土壤無機氮含量；此外，氮肥基追比通過增加氮素作物攜出并減少土壤殘留無機氮來降低玉米的氮素表觀損失。由此可知，氮肥后移可以顯著提升玉米生育期后半段的土壤供氮能力，減少氮素損失，為提高玉米產量提供充足的氮素供給。

氮肥在玉米不同生育時期不同比例施用會導致氮素吸收的差異，從而影響玉米生長發育和產量。前人研究表明，玉米取得高產既需要保證花前營養器官吸收氮素建立高效的群體結構來保證花后物質生產，又需要滿足花后籽粒灌漿和穗部發育的氮素需求[21-23]；而氮肥后移能顯著增加玉米開花后氮素向籽粒運輸的效率，從而提高玉米產量和氮素利用效率[24-26]。本研究結果表明，在玉米苗期-大喇叭口期，不同氮肥基追比間傳統施氮模式T1的氮素積累量最高，但在對于玉米產量最為關鍵的開花期-灌漿期氮素積累量低于氮肥基追比T2、T3、T4。由此可知，相同施氮量下玉米生育前期施氮過多會導致生育后期氮素供給不足，加速玉米生育后期的衰老，以至玉米成熟期氮素積累量較低。同時不同氮肥基追比在不同生育時期的氮素積累量表現不同。對于玉米拔節期-大喇叭口期，T2的氮素積累量優于T3、T4，但對于玉米產量形成的關鍵生育時期灌漿期-成熟期，T4氮素積累量優于T2。因此，在保證玉米生育前期氮素需求的情況下將氮肥后移，既能保證玉米營養生長時期較高的氮素積累，又能滿足玉米花后的氮素吸收能力，從而達到提高玉米灌漿期-成熟期的氮素積累氮肥和利用效率的目標。相關分析結果表明，玉米生育后期(開花期-成熟期)氮素積累與玉米產量及產量構成因素和氮素利用率及偏生產力呈顯著或極顯著相關，因此，在相同施氮量下提高氮肥后移比例從而增加玉米開花期-成熟期的氮素積累不僅可以提高玉米產量及產量構成因素，還對提高玉米氮素利用率及氮素偏生產力具有積極意義。

玉米在不同生育時期對氮素利用的效率具有明顯差異。優化氮肥施用方法，不僅能滿足玉米在各生育時期的生長發育需求，還能提高玉米對氮肥的利用效率，是提升玉米產量及品質最有效的方法之一。前人研究表明，施用氮肥可以顯著增強玉米光合產物的制造、轉運以及運輸能力，提高百粒質量和行粒數，進而提高玉米產量[27-28]。在玉米的生育時期中，開花期-灌漿期是玉米氮素積累中最關鍵的時期，同時也是玉米穗粒數和百粒質量形成的關鍵時期，提高此時期的氮肥供應可以明顯改善玉米氮素積累，加快玉米灌漿速率，促進玉米穗部生長發育，最終提高玉米的氮素利用效率。但同時玉米生育前期的氮肥施用同樣對玉米生長發育起關鍵作用，所有氮肥后移均應在保證玉米前期生長發育和氮素積累的前提下進行。本研究結果表明，傳統施氮模式T1 由于玉米苗期氮肥施用比例過大，導致養分集中于玉米前期的營養生長，消耗了大量的光合產物用于蛋白質的合成，導致生殖生長時期碳水化合物向玉米穗部的轉運能力下降，使玉米的產量和氮素利用效率較低。氮肥基追比T4則由于后移比例過大基肥施用不足，阻礙了玉米前期營養生長階段的生長發育，同時影響了玉米的光合產物積累和冠層發育，使玉米產量和氮素利用效率沒有得到充分挖掘，而T3既滿足了玉米營養生長階段的養分供給，也補充了玉米生殖生長階段的養分需求，最終獲得較高的玉米產量和氮素農學利用率及氮素偏生產力。

相同氮肥施用量下，提高氮肥追肥比例顯著提高了玉米生育后期氮素積累量和氮肥利用效率。同時，降低氮肥基追比可以顯著提高玉米行粒數、百粒質量和玉米產量。對于玉米開花期-成熟期，降低氮肥基追比顯著提高了土壤0～20 cm無機氮含量和玉米地上部氮素積累量，并在顯著提高作物氮素攜出量和土壤殘留無機氮的情況下降低了氮素表觀損失。在不同氮肥基追比中，20%基肥+60%拔節肥+20%開花肥對提高玉米產量和氮素利用率、降低氮素表觀損失等方面效果最佳。綜上所述，在施氮量為210 kg/hm2時，20%基肥+60%拔節肥+20%開花肥為該地區最佳氮肥基追比。