氮肥施用深度對夏玉米氮素利用、產量及根系生理的影響

杜 紅， 張亞菲

(河南農業職業學院農業工程學院，河南中牟 451450)

氮是植物生長發育必需的常量礦質養分，充足的氮供應對于作物產量及品質形成至關重要。然而，作物對氮的利用效率較低，研究指出，目前我國糧食作物的氮肥當季利用率約為35%，其中玉米的氮肥利用率僅為32%。此外，為保證玉米產收及追求更高產量，種植者往往傾向于以超出推薦施肥量施用化學氮肥。合成氨工藝是目前生產化學氮肥的主要途徑，人類年均將1.19×10t的氣態N通過合成氨工藝轉化為固體氮，造成生態系統氮循環失衡。此外，高氮施用及作物氮肥利用率較低，使得氮大量流失，是造成水體富營養化、土壤酸化及耕作層貧瘠的重要因素。因此，提高氮肥利用效率已成為維持全球糧食安全和刺激經濟發展的關鍵性問題。

施肥深度對植物根系的生長及空間分布具有顯著影響。前人研究表明，適度深施氮肥可增加棉花冠層橫向、縱向的有效光合輻射截獲率、生物量及產量；提高小麥拔節至開花期和開花至成熟期的耗水量，且增加40～120 cm土層土壤貯水量，能促進開花后的干物質積累。玉米(L.)長期以來被認為是一種具有強大根系吸收能力的作物類型，目前關于玉米作物相關的肥料施用深度已研究了磷的深度優施措施。且已表明磷深施5～24 cm可促進根系向下生長，提高玉米干物質累積、磷吸收效率、磷利用率以及籽粒產量。然而關于適度深施氮肥對玉米根系分布、養分獲取及產量的影響鮮有報道。基于此，本研究探索了氮肥不同施用深度對玉米根系生長、氮素利用及產量的影響，以期為玉米施肥措施及可持續發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019—2020年6—9月于河南省中牟縣現代高新農業科技示范區(114°11′E，34°73′N)同一地塊中進行。供試玉米品種為登海605，為深根系品種，種子來自河南省農業科學院糧食作物研究所。供試氮、磷、鉀肥分別為控釋尿素[(N)=46%]、過磷酸鈣[(PO)=16%]、硫酸鉀[(KO)=50%]，均購自河南興發昊利達肥業有限公司。

試驗地土壤類型為沙壤土，試驗地2019、2020年土壤肥力基本相當。2019年試驗地表層(0～30 cm)土壤理化性質：pH值7.23、有機質含量20.51 g/kg、全氮含量1.22 g/kg、銨態氮含量 11.96 mg/kg、硝態氮含量82.48 mg/kg、速效磷含量22.05 mg/kg、速效鉀含量145.42 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2019、2020年夏季階段(6—9月)進行。試驗采用隨機區組設計，設置4個施氮深度：5、10、15、20 cm，分別記為N5、N10、N15、N20，此外，設置不施氮處理，記為CK。各處理重復3次，共15個小區。小區為長方形，小區間被60 cm寬的水泥過道攔隔。每個小區面積為80 m(長10 m、寬8 m)，種植密度為6.5萬株/hm，玉米株距為60 cm。

播種前條施過磷酸鈣和硫酸鉀[含PO120 kg/hm，(PO) ∶(KO)=12 ∶25]，采用綜合旋轉耕茬機，以10 cm的耕作深度耕作土壤。采用雙印牌玉米免耕深松全層施肥精播機(2BYFSF-3，河北雙印農業機械制造有限公司)對不同深度施氮處理進行準確深度施入，純氮用量為250 kg/hm。種子施入深度為5 cm。土柱試驗采用原位土柱進行，每小區隨機選取6株玉米種植點，采用液壓設備(QYB-55，濟寧鑫宏機械設備股份有限公司)將直徑為25 cm、高50 cm且底部鑲嵌不銹鋼刀具的硬質聚氯乙烯(PVC)管壓入土壤，管壁為1 mm尼龍紗網襯托，試驗過程中按照科技園內玉米常規灌溉、除草及病蟲害防治方法進行。

1.3 樣品采集及測定分析

1.3.1 玉米干物質、氮含量及葉面積指數(LAI)測定 分別在抽雄期(VT)收獲玉米植株，根系、地上部分離置于烘箱中105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量并稱量記錄。將完熟期的玉米根系、莖稈、葉部、穗軸、籽粒分離置于烘箱105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量，采用Bran Luebbe連續流分析儀(德國布朗盧比公司)測定各部位氮濃度。

于大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)以及完熟期(R6)采用LI-3000C葉面積儀(美國Li-Cor Biosciences公司)測定葉面積。葉面積指數(LAI)=(單株葉面積×每塊地種植數)/地塊面積。

1.3.2 玉米產量測定 產量測定在每個小區中心收獲5 m×5 m谷物，室內風干后考種，記錄產量構成因子，包括單株穗粒數和千粒質量等，以14%的水分含量采用電子天平稱質量記錄玉米籽粒質量，每公頃產量由取樣面積產量折算。產量收獲指數=籽粒產量/干物質累積量。

1.3.3 玉米根系性狀測定 在玉米抽雄期(VT)去除玉米地上部，將PVC管挖出后剖開，保留完整土柱，按照10 cm一層取樣，將根系與土壤一同切段，總計4層。采用小刀小心剖開表層土壤，小心清洗根系以獲得完整根系，采用愛普生Perfective V700 photo掃描儀對根系進行掃描，根系分析系統(WinRHIZO)分析根系表面積、根長及分枝數，重復3次。

1.4 數據處理與統計分析

氮肥相關利用指標根據以下公式計算：

植株氮素總吸收量(kg/hm)=∑植株各器官干物質量 × 氮養分含量；

氮肥利用率=(施氮處理植株氮總吸收量 - 不施氮處理植株氮總吸收量)/施氮量 × 100%；

氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮處理產量/施氮量；

氮素收獲指數=籽粒氮素積累量/整株氮素積累量×100%；

氮素吸收效率(kg/kg)=植株地上部分氮素積累量/施氮量；

氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產量-不施氮籽粒產量)/施氮量。

采用Excel 2013進行數據整理，采用DPS 7.5軟件進行雙因素方差分析(two-way ANOVA)和鄧肯氏新復極差法統計分析(<0.05)，采用Origin 8.0軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 氮肥施用深度對夏玉米生物量累積及葉面積指數的影響

由圖1-a、圖1-b可知，生物量中，2年的田間試驗無論在抽雄期(VT)還是完熟期(R6)中各處理差距皆較小，且2019、2020年整體皆表現為CK

葉面積指數(LAI)中，LAI隨著生育期推進呈“先升后降”趨勢。從大喇叭口期(V12)開始，LAI開始增加，在VT達到最高，從VT至R6逐漸下降，在R6期最低，此時V12的LAI與R6基本相等。就施氮處理(N5、N10、N15、N20)而言，在VT及R6中，2019、2020年的LAI皆以N15處理最高。

2.2 氮肥施用深度對夏玉米根系性狀及其分布的影響

由圖2可知，2019、2020年根系性狀差距較小，N肥施入深度在一定程度上改變了根系干質量、根長、根表面積及側根分枝密度在不同土層中的分布，且就根系分布而言，根系干質量、根長、根表面積及側根分枝密度主要分布于0～20 cm，其中以 0～10 cm分布最為顯著。對0～10、10～20 cm土層而言，在2019、2020年2年的試驗中，N15處理的根系干質量、根長及根表面積皆具有較大值；此外，整體以N10處理大于N20、N5處理。而在20～30、30～50 cm土層中，整體上仍以N15處理的根系干質量、根長及根表面積最大，但此時整體上N20處理大于N10、N5處理。由圖2-d可知，側根分枝密度中，在2019、2020年2年的試驗數據表明，在0～10 cm 中各處理均呈N20

2.3 氮肥施用深度對夏玉米氮累積與分布的影響

由表1可知，2019、2020年的田間試驗中，N肥施入深度顯著影響著玉米氮的累積與分布，且2019、2020年各處理氮累積分布規律基本一致。就器官氮素累積量而言，2019、2020年各器官氮累積整體皆呈穗軸<葉部<莖稈<根系<籽粒，表明氮素更傾向累積于籽粒，2019、2020年各處理籽粒氮含量分別占總累積量的48.93%～53.61%、47.84%～55.44%。就處理氮累積而言，2019、2020年中根系、莖稈、葉部及穗軸中均以N15處理累積量最大，在籽粒中各處理表現為CK

表1 施氮深度對玉米各器官氮累積與分布的影響

2.4 氮肥施用深度對夏玉米產量及其構成因子的影響

由表2可知，2019，2020年2年中的產量及其構成因子差距較小，各處理規律基本一致。玉米穗數中，2019年表現為CK

表2 施氮深度對玉米產量的影響

2.5 氮肥施用深度對夏玉米氮素吸收利用的影響

由表3可知，氮收獲指數中，2019年各氮肥施用深度處理表現為N20

表3 施氮深度對玉米氮素利用的影響

3 討論與結論

氮是土壤中最活躍的礦質養分之一，施用尿素是玉米種植過程中常規的養分補給措施。尿素施入土壤后會在土壤脲酶的作用下水解成不穩定的碳酸銨、碳酸氫銨和氫氧化銨進而轉化為氨氣溢出，是尿素損失的主要途徑；尿素施用適度深施處理可有效減少氮損失及激發根系縱向發育。良好的根系發育是保證植株正常生長及產量收獲的基礎，其中氮肥施用措施是介導根系發育的重要因素之一。前人研究表明，深施氮肥處理的小麥植株具有更大更深的根系，其在深土層(30～40 cm)的根系干質量和根長更高。孫明德等研究表明，在土壤20 cm處施用氮肥可促進梨樹的根系生長，擴大根系吸收的空間范圍。本研究表明，適當增加氮肥的施用深度提高了表土的根系干質量、根表面積及總根長，同時在30～50 cm土層氮肥深施處理間的根系干質量、根表面積及總根長仍存在一定差異，表明氮肥施用深度可促使根系生長發育且可誘導根系向更深的土壤層生長。側根的形成可將主要的根系覓食方式從小面積的富集纏繞轉變為根系分散式增殖，使植物能夠在現有的主根位置附近探索新的土壤區域。本研究中，各深施氮肥處理在同一土層中存在顯著差異，其中在 0～10 cm土層中，N5和N10處理的植物側根分枝密度高于N15和N20處理，但在更深的土層(20～50 cm)中則以N15和N20處理較高。

抽雄期強大的根系是獲得高產的重要因素，據報道，根系干質量、地上干質量皆與葉面積和產量呈正相關。本研究表明，適度深施提高了VT和完熟期玉米的生物量積累，這與在小麥、油菜相關的深層施肥研究中的結論基本趨于一致。本研究中，N15處理在VT、R6生育期中比其他深施處理具有更高的生物量；此外，在VT生育期之后N15處理的葉面積指數皆高于其他氮肥施用深度處理。這些結果表明，15 cm深度的氮肥施用深度延緩了玉米植株地上部的衰老，使其能夠在后期生長階段中保持較高的生物量，從而促進根系橫向及縱向生長發育，為提高植物干物質積累和產量形成提供可能。

許多研究表明，氮肥適度深施對植物氮素利用及有效穗數、穗粒數等產量因子皆具有重要影響。本研究表明，適度深施氮肥顯著提高了玉米植株總氮素累積及產量，其中N15處理主要通過提高穗粒數和千粒質量，從而提高玉米的籽粒產量，該研究結果與前人研究結果：耕種深度主要通過提高穗粒數和粒質量的結論基本一致。在氮素累積分布中，2年的田間試驗皆表明各器官氮累積整體均呈穗軸<葉部<莖稈<根系<籽粒，表明氮素更傾向累積于籽粒。而在氮總量中，本研究發現隨著氮放置深度的增加，總氮積累量呈先增加后降低趨勢，即以N15處理具有最大值，2019、2020年累積量分別為205.55、202.62 kg/hm，其他氮肥施用深度處理分別顯著低于N15處理14.67%～41.99%、11.34%～42.37%。而不同年份各處理在氮肥利用率、氮肥偏生產力、氮吸收效率及氮肥農學效率與氮養分積累趨勢相似。N15處理產量、氮素吸收及利用效率最佳的原因可能是由于較深層水氮含量較高，適度深層根系的增殖有利于提高根系與土壤中水氮肥的接觸面積，從而為提高氮肥高效利用提供了有效途徑。

綜上所述，適度深施氮肥對可顯著改善玉米根系發育、氮素吸收和產量形成。前人研究表明，淺層施氮的土壤與根系接觸面積有限，使得氮素氣態損失嚴重，無法被根系最大化吸收，從而影響根系生長，導致玉米過早衰老。增加氮肥施入深度則會導致根系向下生長，但深度過大時則會限制根系的早期生長，并降低生長早期根系對養分的吸收。本研究中，當氮肥施入20 cm土壤深度時(N20處理)，植物在生長早期表現出一定的生長缺陷，而VT階段的根系干質量、根長、根表面積及分枝數皆顯著低于N10、N15處理，在大喇叭口期(V12)N20處理的LAI也低于N10、N15處理，這最終導致其生物量累積、氮素利用及產量減少。綜合來看，夏玉米種植中15cm氮肥深施可有效提高玉米氮素養分利用及產量。