緩釋氮肥減施對夏玉米產量與氮肥利用效率的影響

李援農 張 利 谷曉博 周佳明 趙 曉

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

玉米是我國三大糧食作物之一，2018年我國玉米種植面積達0.421億hm2，占我國糧食作物種植面積的35.99%[1]。玉米是陜西省重要的糧食作物[2]，陜西省玉米生產的穩定性關乎國家的糧食安全[3]。氮素是玉米生長過程中吸收最多的營養元素，對玉米的生長及生理均具有顯著影響[4-6]。土壤中所含氮素相對較少，因此必須通過施加氮肥來滿足玉米的生長需求，從而獲得高產。研究表明，陜西關中地區玉米種植純氮施用量為(288±113) kg/hm2 [7]，普遍存在為盲目追求產量而超量施用氮肥的現象，導致土壤養分失衡、氮肥利用效率下降[8-10]，當氮肥施用量超過作物所需的量時，還會降低作物抵抗病蟲害的能力和作物產量[11]。因此，在農業生產過程中，合理選擇氮肥種類及施用量非常重要。

在玉米生長過程中，采用基施加追施的施肥方式在一定程度上可以提高氮肥利用效率，但是多次施肥存在勞動力浪費、生產效率低等問題[12]。緩釋肥具有調控氮素釋放速度、滿足作物整個生育期內氮素需求的特點[13]。姬景紅等[14]和郭萍等[15]研究發現，緩釋肥相比于普通尿素更有利于玉米的氮素吸收和累積，可提高玉米產量和品質。易鎮邪等[16]研究表明，在同等低施氮下，樹脂包膜尿素比普通尿素氮素利用率高。衣文平等[17]研究發現，不同用量的緩釋肥和尿素配施均能提高玉米的籽粒氮素累積量、產量和經濟效益。曹寧等[18]研究發現，以硅藻土為載體的情況下，緩釋氮肥處理在氮素吸收、氮肥利用效率、產量等方面優于普通尿素一次基施處理，與普通尿素分次施用的效果相當。夏玉米一次基施緩/控釋肥可以滿足玉米后期的氮素需求，與普通尿素相比能夠實現增產增收，可以作為實現簡化栽培的重要技術措施[19]。

近年來，對于緩釋肥的研究主要集中在不同包膜類型、與普通尿素的不同配比、不同基追比等對作物生長及產量的影響方面，研究對象主要為高原地區和東北地區生育期較長的小麥和春玉米[20-22]，而對關中地區的主要糧食作物夏玉米的研究還不夠充分。關中平原玉米產量占陜西省玉米總產量60%以上，且主要依靠大量施肥來提高產量[23]。本研究以不施肥為對照，對比研究當地常規施氮與緩釋肥不同比例減施對關中地區夏玉米地上部干物質累積量和氮素累積吸收量、土壤硝態氮分布及殘留量、產量及其構成因素、氮肥利用效率及轉運率的影響，旨在進一步優化關中地區夏玉米施肥模式，為關中地區合理施肥提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

分別于2018年6—10月、2019年6—10月在陜西省楊凌區西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室灌溉試驗站(34°17′38″N，108°4′8″E)進行試驗。試驗站所在地為暖溫帶季風半濕潤氣候，海拔521 m，多年平均氣溫、年降水量、年蒸發量分別為12.9℃、630 mm(主要集中在7、8、9月)和1 500 mm，該試驗田土壤質地為壤土，平均干容重1.40 g/cm3， 0～20 cm土層土壤初始理化性質為pH值8.12，有機質質量比18.2 g/kg，全氮質量比0.95 g/kg，堿解氮質量比68.25 mg/kg，速效磷質量比21.45 mg/kg，速效鉀質量比156.96 mg/kg。

2018年和2019年夏玉米生育期內逐日氣溫和降雨量動態變化如圖1所示。2018年夏玉米生育期內日平均氣溫24.36℃，總降雨量418.20 mm，日平均降雨量3.70 mm；2019年日平均氣溫23.19℃，總降雨量507.30 mm，日平均降雨量4.65 mm，2019年比2018年雨水更加充足。

1.2 試驗設計

兩年試驗玉米品種均為“鄭單958”，所用肥料包括普通氮肥(尿素，N質量分數大于等于46%)、磷肥(過磷酸鈣，P2O5質量分數大于等于16%)、鉀肥(農業用硫酸鉀，K2O質量分數大于等于51%)、緩釋氮肥(硫包衣氮肥，N質量分數大于等于37%)。試驗采用隨機區組設計，小區面積16 m2(4 m×4 m)，3次重復，各小區之間設置1 m間隔，中間種植一行玉米作為保護行，以減少光照不均勻對試驗的影響。試驗共設6個處理，不施肥(CK)；不施氮(N0)；常規施氮(N1，施氮量300 kg/hm2)；100%緩釋氮肥(N2，施氮量300 kg/hm2)；65%緩釋氮肥(N3，施氮量195 kg/hm2)；30%緩釋氮肥(N4，施氮量90 kg/hm2)，其中N1處理為當地農民常規施氮量。CK處理不施加任何化肥，其他處理施用磷、鉀肥量相同，施用量分別為120 kg/hm2(P2O5)和135 kg/hm2(K2O)。種植方向為南北種植，種植方式按行距50 cm、株距30 cm進行人工點播。

2018年于6月12日種植，10月2日收獲，2019年于6月15日種植，10月3日收獲。兩年試驗為定位試驗，為消除第1年試驗土壤中殘留的養分對第2年玉米試驗的影響，在2018年10月—2019年6月在本試驗田種植小麥，但不施加任何肥料，使2019年種植玉米時各處理土壤中所含養分含量和2018年基本相等。除草、殺蟲等管理措施均按同一標準進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1植株樣品采集與測定

分別于夏玉米苗期、拔節期、吐絲期、灌漿期、成熟期取樣，每個處理選取長勢均勻且具有代表性的植株5株，苗期到吐絲期取樣時將葉片與莖稈分開，灌漿期與收獲期取樣時將莖稈(含雄穗)、葉片、玉米穗分開，放入干燥箱105℃殺青30 min，75℃干燥至質量恒定，計算地上部干物質量，夏玉米地上部干物質總量為其各器官干物質量之和。成熟期選取長勢均勻的一行玉米進行測產，每個處理取3次重復，共計3行，測量指標主要有穗長、穗粗、穗行數、行粒數、單穗籽粒質量、百粒質量等。

在測完夏玉米各個器官干質量后，將其磨碎，過0.5 mm篩，用濃硫酸-雙氧水消煮，再用連續流動分析儀(Auto Analyzer-Ⅲ型，德國Bran Luebbe公司)測定各個器官全氮含量。玉米成熟期氮素吸收總量為各個器官氮素吸收量之和。

1.3.2土樣采集與測定

分別在夏玉米的播前和收獲后用直徑5 cm的土鉆取土，取土深度為2 m，每10 cm取1土樣。每個小區取3次重復，將取出的土樣晾干后磨碎過2 mm篩，稱取2.5 g土樣用25 mL濃度為2 mol/L的KCl提取液進行振蕩提取，過濾后的提取液用連續流動分析儀(Auto Analyzewr-Ⅲ型，德國Bran Luebbe公司)測定土壤硝態氮含量。

1.4 相關指標計算

夏玉米生育期內的氮素吸收量、利用率、轉運率等相關指標的計算公式為[24-25]

TNA=NCDM

(1)

(2)

(3)

(4)

式中TNA——植株氮素累積量，kg/hm2

NRE——氮素吸收效率，kg/kg

NPFP——氮肥偏生產力，kg/kg

NAE——氮肥農學利用率，kg/kg

NC——植株含氮率，%

DM——植株地上部干物質累積量，kg/hm2

EN——施氮量，kg/hm2

YN——施氮處理籽粒產量，kg/hm2

Y0——不施氮處理籽粒產量，kg/hm2

營養器官氮素轉運量(kg/hm2)為吐絲期營養器官氮素吸收量減去成熟期營養器官氮素吸收量；吐絲期后氮素吸收量(kg/hm2)為成熟期氮素吸收總量減去吐絲期營養器官氮素吸收量；營養器官氮素轉運率(%)為營養器官氮素轉運量占吐絲期營養器官氮素吸收量百分比。

1.5 數據處理

用Excel 2019軟件對試驗數據進行基礎整理；用SPSS 20.0軟件對各指標進行方差分析，多重比較采用Duncan新復極差法，顯著水平α=0.05；用OriginPro 8.5軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 緩釋氮肥減施對夏玉米地上部干物質累積的影響

由圖2可知，隨著生育期的推進，夏玉米地上部干物質累積量呈逐漸遞增的趨勢，均在成熟期達到最大。2018年和2019年，苗期不同處理干物質累積量無顯著差異，拔節期及以后，施氮處理的夏玉米干物質累積量均顯著高于不施肥和不施氮處理。拔節期干物質累積量最大的為N1處理，比其他施氮處理提高12.84%～94.16%。2018年，吐絲期至成熟期干物質累積量最大的均為N3處理，2019年，吐絲期和灌漿期干物質累積量最大的為N2處理，成熟期最大的為N3處理，整個生育期內，N2和N3處理的干物質累積量均無顯著差異。

2018年和2019年，施氮處理夏玉米成熟期干物質累積量分別比CK處理提高39.2%～63.2%和23.1%～61.2%，比N0處理提高30.8%～53.4%和9.6%～43.6%。兩年試驗N3處理成熟期干物質累積量分別達到16 465.15、17 572.75 kg/hm2，比N1處理提高11.7%和16.6%，差異顯著。由于N4處理施氮量相比N1處理減少70%，僅有90 kg/hm2，所以N4處理干物質累積量較N1處理有所下降，兩年成熟期干物質累積量分別比N1處理減少4.8%和11.0%。玉米成熟期干物質累積量由大到小總體表現為N3處理、N2處理、N1處理、N4處理、N0處理、CK。

2.2 緩釋氮肥減施對夏玉米氮素累積的影響

隨著夏玉米生育期的推進，氮素吸收量呈逐漸遞增的趨勢(圖3)。苗期各個處理夏玉米氮素吸收量均無顯著差異。在拔節期及以后，施氮處理的夏玉米氮素吸收量顯著高于不施氮處理和不施肥處理。拔節期氮素吸收量最大的為N1處理，高于其他施氮處理39.06%～129.06%，吐絲期及以后氮素吸收量最大的為N2或N3處理,兩處理無顯著差異。2018年和2019年，施氮處理成熟期夏玉米氮素累積量比不施氮處理分別高19.54%～115.58%和20.96%～121.00%，兩年成熟期氮素累積量最大的均為N3處理，分別為174.16、170.98 kg/hm2，比N1處理提高17.72%和21.35%，N4處理成熟期氮素吸收量比N1處理降低24.14%和23.74%。各處理夏玉米成熟期氮素累積吸收量由大到小總體表現為N3處理、N2處理、N1處理、N4處理、N0處理、CK，與成熟期干物質累積量有相同的趨勢。

2.3 夏玉米收獲期土壤硝態氮分布和累積

2018年和2019年，各個處理0～200 cm土層硝態氮質量比均呈先增大后減小的趨勢(圖4)，N1處理兩年分別在深度80 cm和100 cm處達到最大，最大值分別為26.91 mg/kg和28.74 mg/kg，其他處理均在深度20 cm處達到最大，且在20 cm后逐漸減小，所有處理硝態氮含量都在深度200 cm處達到最低值。從圖4可看出，緩釋肥處理(N2、N3和N4)硝態氮主要集中在0～40 cm，從40 cm后硝態氮含量明顯降低，說明緩釋氮肥處理土壤中硝態氮主要殘留在表層，還可以被下季作物利用，可提高氮肥利用效率。普通氮肥處理(N1)硝態氮主要集中在60～120 cm處，說明N1處理氮肥存在淋失風險，降低了氮肥利用效率。

由圖5(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))可知，0～200 cm土壤中硝態氮殘留總量隨施肥量的增加而增加，施肥量相同的N1和N2處理，N2處理硝態氮殘留量顯著降低，由大到小總體表現為N1處理、N2處理、N3處理、N4處理、N0處理、CK。2018年和2019年，0～40 cm土層硝態氮累積量最大的均為N2處理，較其他施氮處理提高16.45%～91.43%，雖然N3處理施氮量比N1處理降低35%，但0～40 cm土壤硝態氮含量比N1處理增加35.76%～36.17%。兩年試驗，在所有施肥處理中0～40 cm土層硝態氮累積量占0～200 cm土層硝態氮累積量比例最大的均為N3處理，分別為46.95%和55.11%，占比最低的均為N1處理，分別為23.18%和25.21%。N3處理0～40 cm土層硝態氮所占比例比其他施氮處理提高6.82%～118.60%，N2和N4處理0～40 cm土層硝態氮所占比例比N1處理提高78.54%～100.32%。說明緩釋氮肥可以顯著增加0～40 cm土層硝態氮含量，減小氮素淋失風險，提高氮肥利用效率。

2.4 緩釋氮肥減施對玉米產量及構成因素的影響

由表1可知，2018年和2019年，與CK和N0處理相比，其他施加氮肥的處理在穗長、穗粗、穗行數、產量等相關指標上均有顯著提高，且與CK和N0處理均有顯著差異。施加氮肥處理比不施肥處理(CK)增產54.21%～116.16%，比不施氮處理(N0)增產19.10%～71.63%。兩年試驗產量最高的均為N3處理，N2比N3處理略低，差異不顯著。與N1處理相比，由于N4處理施氮量只有N1的30%，故產量等相關因素均有所下降，但N2和N3處理的各項指標比N1處理均有不同程度的增加。在2018年試驗中，N2、N3處理相比N1處理，在穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒質量指標上沒有顯著差異，但在單穗籽粒質量和產量指標上有顯著差異，其中，N2和N3處理比N1處理分別增產4.02%和4.61%，N4處理比N1處理減產18.12%。在2019年試驗中，N2、N3處理相比N1處理，各個指標均有所提高，N2和N3處理比N1處理分別增產8.27%和8.80%，N4比N1處理減產20.06%。兩年試驗中，各個處理夏玉米產量由大到小總體表現為N3處理、N2處理、N1處理、N4處理、N0處理、CK。總體趨勢與成熟期干物質累積量相同。

表1 不同施氮處理下夏玉米的產量及其構成因素

2.5 緩釋氮肥減施對夏玉米氮肥利用效率和吐絲期后氮素吸收量及轉運的影響

2018年和2019年，緩釋肥處理(N2、N3和N4)的氮素吸收效率和氮肥偏生產力均比N1處理有所提高，且隨著緩釋氮肥施氮量的下降，夏玉米的氮素吸收效率和氮肥偏生產力逐漸提高，均為N4處理最大，但由于N4處理夏玉米產量、干物質累積量等均比其他施氮處理小，所以綜合考慮，氮素吸收效率和氮肥偏生產力最優的為N3處理，兩年試驗分別較N2處理提高54.61%和56.25%。N1～N4處理氮肥農學利用率呈現出先增加后減小的趨勢，兩年均為N3處理最大，分別為17.02、20.02 kg/kg，較其他施氮處理提高17.54%～84.00%，其中較N2處理提高35.24%和61.48%(表2)。施加氮肥可以顯著提高夏玉米吐絲期后氮素吸收量、營養器官氮素轉運量和轉運率。兩年試驗，吐絲期后氮素吸收量最大的分別為N2處理和N3處理，由于普通尿素前期釋放過快，吐絲期后植株能夠吸收的養分很少，所以N2、N3、N4處理吐絲期后氮素吸收量均比N1處理有所提高，兩年分別提高3.81%～26.10%和19.93%～33.25%。施加氮肥可以顯著提高夏玉米營養器官氮素轉運量和轉運率，且兩年試驗氮素轉運量和轉運率最大的均為N3處理，分別較其他施氮處理提高18.10%～51.89%和17.34%～57.20%，其中較N2處理提高17.34%和18.10%。氮素轉運率由大到小總體表現為N3處理、N2處理、N1處理、N4處理、N0處理、CK。

表2 不同施氮處理下夏玉米的氮肥利用效率和吐絲期后氮素吸收量及轉運量

3 討論

3.1 緩釋氮肥減施對夏玉米地上部干物質累積量的影響

作物產量是由作物干物質量決定的[26]，作物干物質量的提高是獲得籽粒高產的物質基礎[27]。本研究表明，在玉米苗期，地上部干物質累積量各處理之間無顯著差異，這可能是因為苗期玉米植株較小，所需養分較少，積累的干物質相差不大。與普通氮肥相比，施等量緩釋氮肥的情況下可以顯著提高作物成熟期干物質量，N2、N3處理的成熟期干物質累積量較N1處理有顯著提高，緩釋氮肥減施70%時，由于每公頃氮含量僅有90 kg，干物質累積量明顯降低，這與許海濤等[28]的研究結果相同。但趙歡等[29]研究發現，緩釋氮肥減量15%不會降低玉米成熟期的干物質累積量，但當緩釋氮肥減施30%時，玉米成熟期的干物質累積量相比100%緩釋氮肥顯著降低，這可能是由玉米品種、試驗年份和試驗地點氣候條件不同造成的。本研究還發現，在拔節期N1處理干物質累積量最大，但到了吐絲期及以后，干物質量最大的為N2和N3處理，這與郭萍等[15]的研究結果相同，說明緩釋肥的肥力釋放需要一定的時間，導致夏玉米生育前期肥力不及普通氮肥，但生育后期氮肥供應充足，使得緩釋氮肥處理夏玉米生長性狀超過普通氮肥處理。

3.2 緩釋氮肥減施對土壤硝態氮殘留的影響

氮肥施入土地后主要有3種去向：①直接被作物吸收利用。②在土壤內以無機氮形式殘留。③以氨揮發、淋失或徑流等途徑流失[30]。過多的氮素損失會影響作物的生長，降低氮肥利用效率，甚至會引發嚴重環境問題[31]。由于緩釋肥具有緩慢釋放養分的特性，因此施加緩釋肥相比于普通氮肥可以顯著降低各土層中的硝態氮殘留量，降低向土壤深層淋失的風險，同時降低地下水資源污染的風險[32]。本研究表明，不施肥和不施氮處理，土壤中硝態氮含量兩年內均保持最低水平，且隨著施氮量的增加，土壤中殘留的硝態氮量也隨之增加(圖5)，這與郭金金等[33]的研究結果一致。N1處理土壤中硝態氮主要集中在60～100 cm土層，并且隨著時間的推移，到下季作物時，硝態氮還會向更深層淋失，所以很難被下季作物利用[34]，而其他處理土壤中硝態氮主要集中在0～40 cm土層，能繼續被下季作物吸收利用。這是由于緩釋氮肥具有養分釋放慢的特性，使得緩釋肥釋放的養分能夠更加及時地被作物吸收利用，從而避免了養分下移的情況。而普通氮肥養分釋放過快，多余的養分不能被作物吸收，從而隨著雨水的下滲而被淋失到深層[35]。但于淑芳等[34]對小麥的研究發現，施用普通氮肥，硝態氮向下遷移主要集中在60 cm土層，這可能是由試驗地點、氣候或者作物種類等的差異造成的。本研究中，施用緩釋氮肥可以顯著降低0～200 cm土層中的硝態氮殘留量，同時還可以顯著提高0～40 cm土層硝態氮的占比，不僅有效地防止了氮素的淋失，還提高了作物的氮素吸收效率，這與周翔等[36]的研究結果一致。

3.3 緩釋氮肥減施對夏玉米產量的影響

在作物的生長過程中，氮肥的供應量直接影響作物的生長及產量，合理的氮素運籌是提高作物產量、減少氮素流失的重要保障[37]。關于緩釋肥的增產效應前人已做過大量研究，盧艷麗等[38]研究發現，緩/控釋肥能顯著增加玉米的產量，比常規施肥產量提高18.30%。史桂芳等[39]研究表明，施用控釋肥料與普通氮肥相同用量和減量20%時均有顯著增產效果。本研究發現施用緩釋氮肥與普通氮肥等量和減量35%情況下增產達顯著水平，原因是緩釋肥可以協調養分釋放時間和強度，使氮素緩慢釋放，使得夏玉米各生育期土壤中均有充足的氮素供應，提高作物產量[40]。雖然N3處理比N2處理施氮量減少35%，但兩處理的產量及構成因素并無顯著差異，這可能是因為施氮量為195 kg/hm2時，氮素供應可以滿足夏玉米的需求，而施氮量提高到300 kg/hm2，只會使過多的養分殘留在土壤中，造成土壤硝態氮殘留過多(圖5)，氮素吸收效率降低等問題。而當緩釋肥施用量減少70%時(N4)，氮素供應不能滿足玉米的生長需要，導致減產，這與史桂芳等[39]的研究結果相同。

3.4 緩釋氮肥減施對夏玉米氮肥利用及轉運的影響

玉米籽粒中的氮素來源于兩部分：玉米吐絲期前儲存在玉米營養器官內并在吐絲期后向籽粒轉運的氮素和吐絲期后植株直接吸收的氮素[24]，以上兩種方式是作物利用氮素的主要形式，明確作物氮素吸收和轉運的動態過程，是提高植株氮素利用效率的關鍵所在[41]。孫云保等[42]連續4年研究發現，控釋肥在減量30%條件下比普通氮肥顯著提高了作物氮素吸收效率且產量沒有降低，胡迎春等[22]研究表明，在黃土高原地區，氮肥減量下緩釋肥與普通氮肥配施可顯著提高作物氮肥農學利用率，并保持較高的產量。本研究發現，100%緩釋氮肥與65%緩釋氮肥處理均可提高植株氮素累積量、氮素吸收效率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力以及營養器官氮素轉運量和轉運率(表2)，這與劉詩璇等[20]的研究結果一致，這是因為緩/控釋肥能夠減緩氮素釋放速率，延長了釋放期，在一定程度上達到了氮肥后移的效果，這不僅滿足玉米整個生育期對氮素的需求，同時還能減少肥料損失，提高氮肥利用效率[35]。N3與N2處理相比，在氮肥減量35%后，反而提高了玉米植株的氮素吸收效率、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和營養器官氮素轉運率，這是因為施氮量為195 kg/hm2是當地玉米合理的氮肥施用量，當施氮量超過195 kg/hm2時，不但不會增產，反而會造成氮肥利用效率低等問題。當緩釋氮肥施用量減少70%時(N4)，雖然提高了玉米氮素吸收效率和氮肥偏生產力，但是由于氮素供應不足，玉米氮素累積量和產量明顯下降。

4 結論

(1)與當地常規施氮N1處理相比，N2處理(100%緩釋氮肥)和N3處理(65%緩釋氮肥)的地上部干物質量及氮素累積吸收量、氮素吸收效率、氮肥偏生產力、產量等指標均有顯著增加。

(2)兩年試驗，N2處理與N3處理的地上部干物質累積量、氮素累積吸收量、產量無顯著差異，但N3處理的氮肥偏生產力較N2分別提高54.61%和56.25%，氮肥農學利用率分別提高35.24%和61.48%，營養器官氮素轉運率分別提高17.34%和18.10%，說明N3處理的氮素吸收利用效率更高。

(3)緩釋氮肥減施可以顯著降低0～200 cm土層的硝態氮殘留量，并且可以提高0～40 cm土層硝態氮的占比，兩年試驗，0～40 cm土層硝態氮占比最大的均為N3處理，較其他施氮處理提高6.82%～118.60%。

(4)綜合考慮氮素吸收效率、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率以及夏玉米產量、干物質累積量、土壤硝態氮殘留量等因素，緩釋氮肥純氮施用量195 kg/hm2(N3處理)是該地區較優的施肥方式。