控釋摻混肥一次性減量施用對夏玉米產量、氮肥利用和葉片氮代謝酶活性的影響

曹 兵，黃志浩，吳廣利，梁紅勝，陳延華，左 強，倪小會，鄒國元，王學霞*

（1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097；2.北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 100097；3.河北萌幫水溶肥股份有限公司，河北 石家莊 050000；4.內蒙古農業大學生命科學學院，內蒙古 呼和浩特 010011）

氮肥作為農作物增產的重要因素之一，施入農田土壤后部分會通過氨揮發、淋洗和硝化、反硝化等各種遷移、氮素轉化途徑而損失［1-4］。造成氮肥損失的主要原因是氮肥供應與作物吸收不一致。緩控釋肥相比速效性化肥能夠更好地調節和控制氮肥在土壤中的釋放和轉化，在提高氮肥利用率和降低氮素淋失方面效果明顯［4-7］。

玉米是我國三大糧食作物之一，2017 年的種植面積為0.42 億hm2，排名全球第一，其中黃淮海平原是夏玉米主產區，占全國玉米種植面積的43.4%［8］。近年來隨著農村人口持續向二三產業轉移，直接從事農業生產的勞動力短缺且老齡化問題日益突出。農業生產的輕簡化已成為當下和未來農業發展趨勢。氮肥作為玉米生長發育的關鍵生命元素，對其生理特性和產量的影響較大，合理施氮在玉米增產諸因素中起主要作用［9］。夏玉米生產中一次性施肥技術應用已日益普遍，控釋氮肥作為一次性施肥技術的載體，在夏玉米上施用表現出增產增收、節肥省工、提高氮肥利用效率和降低氮素損失等方面的良好效果［1，3，10-12］。Xia 等［13］采用meta-analysis 對在玉米上一次性基施緩控釋肥（截止到2016 年）的應用效果進行了統計分析，結果表明，與常規施肥相比，緩控釋肥可使玉米增產8.3%，氮肥利用率平均提高37.5%，凈收入平均增加7.8%，氨揮發、N2O 排放、氮淋溶和氮徑流分別平均降低了58.6%、24.5%、25.7%和22.4%。葉片硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）是作物氮素同化的關鍵酶，在氮素同化和運轉中均起決定作用，能直接反映作物的氮素營養水平［14］。金容等［15］的研究證實，控釋氮肥通過有效促進玉米生育后期葉片GS、GDH、谷草轉氨酶活性等氮代謝關鍵酶活性而促進玉米氮素轉換與積累，進而提高玉米產量。

為了研究方便，目前有關夏玉米上施用控釋氮肥的試驗施肥方案大多由實驗者自制的單質氮磷鉀肥組成［10，12，15-17］，其肥料組成與肥料企業生產的控釋摻混肥產品有較大差異，其研究結果并不能完全等同控釋摻混肥的作用和效果。而本研究結合華北夏玉米的養分需求規律，使用了控釋氮肥釋放周期為60 d的控釋摻混肥［10，12］，擬通過田間小區試驗研究控釋摻混肥對夏玉米產量、氮肥利用效率、葉片氮代謝關鍵酶活性和經濟效益的影響，以期為促進控釋肥推廣應用和化肥減施增效提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點基本情況

田間試驗布置在河北趙縣六市莊村（37°47′34.94″N，114°41′37.71″E），夏玉米品種為明科玉77，2019 年6 月28 日播種，10 月5 日收獲。供試土壤為褐土，0～20 cm 土壤理化性狀為：有機質1.87%，全氮1.9 g·kg-1，有效磷53.6 mg·kg-1，速效鉀140.0 mg·kg-1，pH 7.64，EC 值15.9 μS·cm-1。夏玉米生育期總降水量為362 mm，地溫和降水分布見圖1。

1.2 供試肥料

試驗所用控釋摻混肥由河北萌幫水溶肥股份有限公司生產，摻混肥中控釋氮在25℃水浸泡條件下氮素累積釋放80%所需時間為60 d。

控釋氮肥在土壤中的釋放檢測采用田間埋設肥料網袋的方法進行。準確稱量肥料樣品5.00 g，裝入長20 cm、寬5 cm的尼龍網袋內，埋前在網袋內裝入100 g 表層土與肥料混勻，然后埋入深15 cm土中，共埋15 袋，分別在苗期、拔節期、大喇叭口期、灌漿期和收獲期取樣，每次取3 袋，用自來水將泥土沖洗干凈，自然晾干，用常規方法測定膜內的殘留氮含量［16］，計算控釋氮肥溶出率。

1.3 試驗設計

試驗共設5 個處理，分別為不施氮對照（CK），常規施氮（尿素46%，U100），控釋摻混 肥CBB100（N∶P2O5∶K2O=24∶10∶10）、控釋摻混肥CBB90（較CBB100 減氮10%）和控釋摻混肥CBB80（較CBB100 減氮20%），控釋摻混肥中控釋氮肥占摻混肥總氮比均為30%。小區面積40 m2（10 m×4 m），4 次重復，完全隨機排列。各處理磷肥和鉀肥用量相同，其中CK 和U100 處理所用磷肥為普鈣，鉀肥為氯化鉀，控釋摻混肥中磷肥與氮肥為磷酸二銨和硫銨，鉀肥為氯化鉀。

U100 和CBB100的N、P2O5、K2O 用量分別為180、75 和75 kg·hm-2，U100的氮肥70%作基肥、30%在大喇叭口期追施，CK 和U100 處理的磷鉀肥及控釋摻混肥均在播種前一次性基施。

1.4 取樣與測定方法

1.4.1 土壤取樣與檢測

在玉米生長苗期、拔節期、大喇叭口期、灌漿期及收獲期分別采用“S”型采樣法采集0～20 cm 土壤，在每個小區內選擇4 個重復。土樣儲藏于-20℃冰箱中用于測定土壤NH4+-N、NO3--N含量。NH4+-N、NO3--N 采用流動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，German）測定。

1.4.2 玉米產量和植株氮素含量

在收獲期測定各小區夏玉米產量并隨機選取10 株進行考種，測定穗粒數與千粒重，植株樣品按籽粒和秸稈（莖稈和葉）部位分開，置于烘箱中于105℃殺青30 min，70℃烘干并稱重，樣品粉碎后用凱氏定氮法測定全氮含量［18］。

1.4.3 酶活性

夏玉米葉片硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）活性均利用試劑盒（南京建成生物工程研究所）進行測定。其中NR 以每小時每毫克組織蛋白催化產生1 μmol NO2-的量作為一個NR 活力單位。GS 以每毫克組織蛋白在每毫升反應體系中每分鐘使540 nm 下吸光值變化0.01 定義為一個酶活力單位，GOGAT 和GDH 以每毫克組織蛋白在反應體系中每分鐘消耗1 μmol NADH 定義為一個酶活力單位。

1.5 數據處理

氮肥利用率（%）=（施氮區玉米吸氮量-不施氮區玉米吸氮量）/施氮量×100

氮肥農學效率（kg·kg-1）=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量

氮肥偏生產力（kg·kg-1）=玉米產量/施氮量

采用SAS 6.12 軟件中ANOVA 程序對數據進行單因素方差分析，5%顯著水平。

2 結果與分析

2.1 控釋氮肥田間氮素釋放

控釋氮肥在夏玉米生長期間的氮素累積釋放如圖2 所示。從圖中可以看出，苗期和拔節期控釋氮肥的累積釋放率分別為25.0%和51.6%，夏玉米收獲時（收獲期）氮素累積釋放率達到86.2%。上述結果說明控釋氮肥在田間的氮素釋放主要分布在夏玉米生育前中期，其氮素釋放與夏玉米生育期較好吻合，一次性施用控釋摻混肥能滿足玉米全生育期的氮素需求。

2.2 控釋摻混肥料對夏玉米產量與氮素吸收的影響

由表1 可見，CBB100 和CBB90 較CK 顯著增加了夏玉米產量（P＜0.05），增幅分別為25.6%和19.9%；U100 和CBB80的夏玉米產量較CK 分別增加14.8%和11.8%，但差異未達到顯著性水平。與常規施氮（U100）相比，CBB100 和CBB90的夏玉米分別增產9.41%和4.41%，差異不顯著，CBB80夏玉米產量幾乎沒有差異，究其原因是CBB100 和CBB90 處理顯著增加了夏玉米的穗粒數（P＜0.05）（表2）。

表1 不同施肥處理夏玉米產量及產量因子構成因素

施氮顯著提高了夏玉米籽粒和秸稈的含氮量和吸氮量（表2）。與常規施氮（U100）相比，控釋摻混肥提高了夏玉米籽粒的含氮量和吸氮量，但秸稈含氮量和吸氮量則低于前者；控釋摻混肥提高了夏玉米的氮肥利用效率（表2），其中氮肥利用率提高了16.6～29.5 個百分點，氮肥偏生產力提高了4.45～10.25 kg·kg-1，氮肥農學利用率除CBB80 幾乎持平外，CBB100 和CBB90 處理分別提高了4.45 和2.99 kg·kg-1。

表2 不同施肥處理氮素吸收及氮肥利用效率

2.3 葉片氮代謝關鍵酶活性

夏玉米抽雄期葉片氮代謝關鍵酶活性如圖3 所示。葉片硝酸還原酶（NR）活性表現為CK＜CBB80＜U100＜CBB90＜CBB100，而谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性均呈現為CK＜U100＜CBB80＜CBB90＜CBB100，而且施氮顯著增加了4類氮代謝關鍵酶活性。在4 個施氮處理中，除了CBB100 較U100的GS 活性顯著增加（P＜0.05），其他差異均不顯著。CBB90 和CBB100 處理的葉片酶活性高于常規施氮的結果，說明抽雄期前者氮的供應優于后者。

2.4 施肥經濟效益分析

施氮處理較不施氮對照均能增收，每公頃凈收益增加527～2120 元（表3）。從表中還可以看出，與U100 相比，CBB100 和CBB90的產值和凈收入分別增加4.41%～9.41%和5.31%～10.4%，CBB80 略低但差異極小。此外，雖然控釋摻混肥價格高于速效性化肥，但因采用一次性施肥節省了追肥所需勞動力投入，故除了CBB100 處理總的施肥投入略高于U100 外（每公頃增加38 元），CBB90和CBB80的施肥投入反而低于常規施肥。上述結果說明，在減氮10%以內，采用控釋摻混肥能獲得更大的種植收益。

表3 不同施肥處理的經濟效益

3 討論

3.1 控釋摻混肥對夏玉米產量和氮肥吸收效率的影響

受限于緩控釋肥相對較高的價格，為了有效控制肥料投入成本，在低附加值糧食作物上，大多采用部分緩控釋肥和速效性化肥配制成緩控釋摻混肥，推動了其在玉米、小麥等作物上大面積應用［6，19］。本研究中，控釋氮肥在夏玉米生長中前期的氮素釋放較多，至拔節期時氮素累積釋放已達到51.6%（圖2），與該時段溫度較高且降水較為集中是一致的（圖1），因為控釋肥養分釋放速率主要受溫度和水分驅動［20］。夏玉米收獲時控釋氮肥累積釋放86.2%，與夏玉米生育期基本吻合（圖2），確保了采用一次性施肥的控釋摻混肥與夏玉米生長期的氮素需求一致。相關研究表明，釋放期為60 d的控釋肥更能保障夏玉米高產和提高氮肥利用效率［10，21-22］。相比常規分次施氮，等氮量和減氮10%的控釋摻混肥使得夏玉米分別增產9.41%和4.41%，與多年多點玉米控釋肥試驗平均增產8.2%的結果相符［12］，控釋摻混肥即使減氮20%也基本未造成夏玉米減產。此外，不同施氮量下，控釋摻混肥的氮肥利用效率（氮肥利用率、氮肥農學效率和氮肥偏生產力）大多高于常規施氮（表2），與相關研究結果一致［12-13］。控釋肥能提高作物產量和氮肥利用效率的主要原因是其氮素釋放特征與作物吸氮規律高度吻合［7］，Zhang 等［23］研究表明，控釋肥的氮素釋放與直播稻氮素吸收呈顯著的線性相關，相比常規施肥即使減氮1/3 還能顯著增產，氮肥利用率大幅提高。

控釋肥較常規施肥的施肥投入成本平均增加6.4%，但因產值更高，凈收益反而平均增加7.8%［13］。本研究中，控釋摻混肥的肥料投入較常規施氮增加12.8%～23.1%，但考慮追肥的勞動力成本后，除了等氮量控釋摻混肥的施肥投入略超常規施氮（增加2.1%），減氮10%和20%的控釋摻混肥較常規施肥反而降低了2.1%和6.4%（表3）。3 個控釋摻混肥處理的夏玉米凈收入較常規施氮分別增加-2.1%、5.3%和10.4%，結果與以往研究結果類似［13］。相對來說，減氮10%的控釋摻混肥在節肥和控制肥料投入成本的情況下，既能滿足夏玉米高產的氮素需求，又實現了作物增產和農民增收［24］。

3.2 控釋摻混肥對夏玉米葉片酶活性的影響

作物氮代謝關鍵酶通過影響植物體內氨的同化和氨基酸的合成，進而調控作物代謝和發育的重要生理過程［25］。作物吸收的氮在一系列氮代謝酶（NR、GS、GOGAT 及 GDH）催化下形成各種功能物質，其中NR 是作物氮代謝的關鍵酶和限速酶，其活性高低表征作物體內氮同化能力［26］，GS和GOGAT 偶聯形成的循環反應是作物氮代謝的主要途徑，是氮代謝的中心，GDH 途徑是氮代謝的重要支路，在NH4+-N的再利用過程中占有一定地位［27-28］。本研究中，與CK 相比，施氮顯著提高了葉片氮代謝關鍵酶活性，這與吳雅薇等［26］的研究結果一致。與U100 相比，CBB100 和CBB90 處理抽雄期葉片氮代謝關鍵酶活性增加，這主要是由于尿素在土壤中轉化較快，肥效持續時間相對較短，而控釋氮肥能有效降低或控制養分釋放速率，使得控釋氮肥的釋放與玉米生長關鍵時期的氮素需求相匹配，減少肥料揮發和淋溶損失［15，28-29］，從而有利于提高玉米生長中后期葉片氮代謝酶活性，增加此階段玉米氮素轉化與積累。這與金容等［15］在玉米上的研究結果基本一致，表明控釋摻混肥在提高玉米葉片氮代謝關鍵酶活性的效果優于尿素，從而保證了夏玉米生長中后期氮代謝的高效運轉，為高產奠定了良好基礎。

4 結論

與常規分次施氮相比較，采用一次性施肥的控釋摻混肥不僅實現了夏玉米生產的輕簡化，而且在提高氮肥利用效率的同時，在夏玉米上實現了增產增收。與U100 相 比，CBB100 和CBB90 可增產9.41%和4.41%，CBB80 不減產，控釋摻混肥氮肥利用率提高4.8～8.5 個百分點，CBB100 經濟效益最高。綜合來看，CBB100 控釋摻混肥的施氮方案效果最佳。