不同降水年型旱作春玉米氮素利用與產量對控釋尿素的響應

王寅萍 梁熠 康建宏 王樂 馮朋博 王浩

摘要：氮肥施用不合理是寧夏南部山區旱作春玉米穩產的主要限制因素。探討不同降水條件下控釋尿素的效果，旨在為該區春玉米穩產和簡化施肥技術提供科學依據。以春玉米品種先玉698為供試材料，通過連續 3 年田間試驗，在相同氮肥條件下 （含N 225 kg/hm2），設置單施尿素 UR （基施N 150 kg/hm2+小口期追施N 75 kg/hm2）、1/3CRU （控釋尿素基施N 75 kg/hm2+常規尿素基施N 75 kg/hm2+小口期追施N 75 kg/hm2）、2/3CRU（控釋尿素基施N 150 kg/hm2+常規尿素基施N 75 kg/hm2）、單施控釋氮肥 CRU （控釋尿素基施N 225 kg/hm2）4 種處理，以不施氮肥為對照 （CK），研究不同降水年型控釋尿素對春玉米產量、地上部氮素吸收利用、氮肥利用率的影響。結果表明：與 CK 處理相比，控釋尿素處理顯著提高了玉米的產量，3年間控釋尿素處理平均產量增幅為 11.18%～22.76%，且以 1/3CRU （2017 年）、2/3CRU （2016年、2018 年） 處理為最佳，穗粒數和粒質量的增加是產量提升的主要原因。不同降水年型玉米干物質積累量差異顯著，與豐水年相比，平水年、欠水年在開花期—成熟期各處理平均群體干物質積累量降低了 49.95%、44.29%；同為欠水年，與常規尿素（UR）處理相比，1/3CRU、2/3CRU、CRU處理成熟期群體干物質積累量分別提高了5.08%、11.01%、10.07%。植株和籽粒的氮素累積量隨玉米生育期降水量及生長關鍵期降水分配比例增加而顯著增加。控釋尿素處理促進植株和籽粒氮素累積，2/3CRU處理的玉米植株、籽粒的氮素累積量最高，較 1/3CRU 和CRU 處理分別提高 2.34%、1.91%和2.61%、3.41%。與 UR處理相比，2017年（平水年）控釋尿素處理的氮肥利用率、農學利用率、偏生產力平均分別提高 5.70%、34.90%、20.34%。因此，控釋尿素可以促進寧夏南部山區旱作春玉米物質和氮素累積，提升產量和氮素利用效率。豐水年或大喇叭口期—開花期降水分配比例較高的欠水年，2/3CRU 處理可增加花后和成熟期群體物質積累量，促進氮素吸收和高效利用，保證玉米的高產穩產；平水年以 1/3CRU 處理較為理想。適合寧夏南部山區春玉米增產措施為1/3CRU處理（控釋尿素基施N 75 kg/hm2+常規尿素基施 N 75 kg/hm2+小口期追施 N 75 kg/hm2）。

關鍵詞：玉米；降水年型；控釋尿素；氮素累積；產量

中圖分類號：S513.06? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0095-07

玉米是我國重要的糧食作物，2022 年我國玉米種植面積達 4 020萬hm2，產量為 2.59 億t［1］。其中，寧夏玉米種植面積為 36.6萬hm2，總產量為 276.6 萬t；南部山區玉米種植面積為 9.28萬hm2，總產量為 47.32 萬t［2-3］。寧夏南部山區受大陸性季風氣候影響，降水少且季節分布不均，年均降水量約為447 mm，最高峰為 741.2 mm，最低峰為 262.2 mm［4］。不同降水量導致玉米產量發生變化。任寧等研究發現，在相同處理條件下，不同降水量對玉米產量均有影響，與干旱年份相比，降水量正常年份可以增產 36.5%～53.4%［5］。馮浩原等研究表明，豐水年玉米總平均產量較枯水年高10.8%［6-7］。玉米在整個生長周期中，對水分的需求極為敏感，降水量不足會導致玉米生長、生理指標降低等現象。李玉璽等研究發現，苗期降水量不足，會導致植株矮小、干質量降低［8］。宋賀等研究發現，在玉米拔節期之后，干旱會導致葉綠素含量、葉片凈光合速率下降［9］。張俊杰等研究發現，在開花期之后，水分虧缺會導致玉米開花及吐絲延遲，開花吐絲間隔期延長，影響授粉、受精及籽粒發育，導致玉米受精率、結實率大大降低［10-11］。李葉蓓等研究發現，在灌漿期，干旱會導致玉米灌漿受阻，籽粒質量降低，最終影響產量［11］。

氮肥對玉米產量的貢獻率可達 30%～35%，合理的氮肥管理是玉米持續增產增效的關鍵因素［12］。在寧南山區，主要采用雙壟溝播全膜覆蓋栽培模式，由于中后期追肥困難，多采用常規尿素一次性基施，該措施導致玉米生長前期氮素供應過量而中后期脫肥早衰現象，嚴重制約該區域玉米氮肥利用效率的提高［13］。控釋氮肥作為一種新型肥料，可保持穩定的氮素養分供應強度，提高生育中后期的氮素供應量，進而顯著提高春玉米花后地上部氮吸收量和干物質累積量，優化各器官氮素和干物質的積累、分配與轉運，進而提高玉米產量和氮肥利用率［14-20］。針對寧夏南部山區降水量較小，且年際、季節間降水量變幅較大等問題，本研究通過3 年田間試驗，分析不同降水年型控釋尿素與常規尿素的不同基施比例對玉米產量和氮素吸收利用率的影響，旨在為寧夏南部山區玉米高產、氮肥輕簡化高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016—2018 年在寧夏固原市彭陽縣城陽鄉農業技術示范園區 （106°77′E，35°81′N）進行，該地區平均海撥1 669 m，年平均氣溫約 7.9 ℃，多年平均降水量約 450 mm，年均蒸發量約 1 349 mm，屬于典型的中溫帶半干旱雨養農業區。試驗區土壤類型為黃綿土，前茬作物為傳統耕作旱地玉米，不同年份耕層（0～20 cm）土壤基本養分狀況見表1。

1.2 試驗年份降水量

由圖1可見，試驗區降水主要集中于7—9月，且年、月間分布不均（圖1）。2016年、2017年、2018年全年降水量分別為408.8、458.3、655.7 mm，4—10 月（玉米生長季） 降水量分別為 383.8、414.1、603.5 mm。2016 年生長季降水量較常年平均降水量低，且降水主要集中在 4—7 月，灌漿期降水量偏低。2017 年生長季降水與多年平均降水量持平，但玉米播種期、花期、灌漿中后期降水較少。2018 年降水量比多年平均降水量高，基本能滿足玉米生長發育所需。

1.3 試驗設計

供試玉米品種選用該區播種比例較高的先玉 698。供試肥料：常規尿素（中國石油寧夏石化分公司提供，總氮量≥46.4%） ，控釋尿素（聚氨酯包膜尿素，寧夏農林科學院農業資源與環境研究所提供，總氮量≥43.2%，控釋期為 70 d）。

試驗采用隨機區組設計，共設 5 個處理：單施尿素 UR處理 （基施N 150 kg/hm2+小口期追施N 75 kg/hm2）；1/3CRU處理（控釋尿素基施N 75 kg/hm2+常規尿素基施N 75 kg/hm2+小口期追施N 75 kg/hm2）；2/3CRU處理（控釋尿素基施N 150 kg/hm2+常規尿素基施N 75 kg/hm2）；單施控釋氮肥CRU處理（控釋尿素基施N 225 kg/hm2）；CK處理（不施氮肥）。每個處理重復3次，共 15 個小區。除 CK處理外，各處理氮、磷、鉀用量一致。施純氮量為225 kg/hm2，施磷量為120 kg/hm2 （過磷酸鈣，P2O5 質量分數≥16%），施鉀量為60 kg/hm2（硫酸鉀，K2O 質量分數≥50%）。作基肥的控釋尿素、常規尿素和所有磷鉀肥于播種前整地時一次性深施，常規尿素于小喇叭口期采用玉米專用追肥器施入，施入深度為 7 cm 左右。各小區耕作方式為壟作覆膜（覆膜方式為全膜覆蓋），膜側種植，每個小區種植 10 行，行距 55 cm，種植密度均為 6萬株/hm2。試驗田塊均未進行人工灌溉，除供試肥料和施肥方法外，其他田間管理均與當地農民習慣保持一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 植株干物質 分別于玉米拔節期（V6）、大喇叭口期（V12）、開花期（R1）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）、完熟期（R6），在各小區取 3 株長勢均勻一致的植株。將植株按照葉片、莖稈（含雄穗、葉鞘、穗軸）、籽粒分開，105 ℃ 殺青 30 min后，80 ℃ 烘干至恒質量，測定各器官干物質量，粉碎過篩后保存，用于植株養分分析。

1.4.2 植株全氮含量 植株干樣粉碎過篩后，用濃 H2SO4-H2O2 消煮，采用半微量凱氏定氮法測定氮含量。

1.4.3 收獲考種 成熟期調查每個小區的實際穗數，收獲中間 4 行，稱取所有果穗的總鮮質量，折合13%含水量及相應出籽率測產，按平均穗質量從所收果穗中隨機選取 10 穗進行室內考種。

1.5 計算方法

植株總氮積累量（kg/hm2）=成熟期單株干質量 ×成熟期植株含氮量；

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮小區籽粒產量/施氮量；

氮肥農學利用率（kg/kg）=（施氮小區籽粒產量-不施氮小區籽粒產量）/施氮量；

氮肥利用率=（施氮區植株地上部吸氮量-不施氮區植株地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮收獲指數=籽粒氮積累總量/植株氮積累總量。

1.6 數據處理

數據和圖表處理采用 Excel 2010、DPS 7.05軟件進行統計分析。采用單因素方差分析檢驗處理間的差異顯著性。多重比較采用 Duncans 法。

2 結果與分析

2.1 不同降水年型控釋尿素輸入對春玉米產量的影響

降水量是影響旱地春玉米產量波動的主要因素。由表 2可見，生長季不同降水年型春玉米產量差異較大。其中以豐水年（2018 年）平均產量最高，達到 13.94 t/hm2，2016年、2017年平均產量分別為 11.36、11.06 t/hm2；豐水年平均產量比2016年、2017年分別高 22.71%、26.04%。不同降水年型間，平均穗粒數、百粒質量皆表現為 2018年＞2016年＞2017年；2017 年生長季降水量雖高于 2016 年，但 2017 年花期（7月）干旱、灌漿中后期（9月）少雨導致其平均穗粒數、百粒質量分別比2016 年降低 4.84%、7.10%，最終產量低于 2016 年。同一降水年型，春玉米產量隨控釋尿素的輸入而增加，3 年都表現出相同趨勢。3 年試驗結果表明：與常規尿素分次施用（UR）相比，控釋尿素處理（1/3CRU、2/3CRU、CRU）顯著提高了春玉米的產量，2016年、2017年、2018年控釋尿素處理的平均產量增幅分別為 5.21%、7.26%、3.39%。同為控釋尿素處理，因降水量不同，各處理春玉米產量均不相同，2016年表現為2/3CRU處理>CRU處理>1/3CRU處理，2017年表現為1/3CRU處理>2/3CRU處理>CRU處理，2018年表現為2/3CRU處理>1/3CRU處理>CRU處理。

2.2 不同降水年型控釋尿素輸入對春玉米群體干物質積累量及其比例的影響

不同降水年型控釋尿素輸入通過影響玉米群體物質積累總量、開花前后物質積累量及其占總生物量的比例，進而影響玉米的產量。不同降水年型對拔節期前物質積累影響較小，但對拔節期至開花期、開花期至成熟期的干物質積累量及其比例影響顯著（表3）。豐水年（2018年）開花期至成熟期各處理平均群體干物質積累量比平水年（2017年）、欠水年（2016年）分別提高了 49.95%、44.29%，平均物質積累量占總生物量的比例分別提高了 8.10%、16.37%。2016 年雖為欠水年，但其水分和養分臨界期 （6—7月） 降水比例高于平水年（2017年），故其拔節期至開花期各處理平均物質積累量和成熟期物質積累總量較 2017 年分別提高 58.94%、20.14%。玉米群體物質積累量尤其是花后物質積累量與最終產量密切相關，而控釋尿素輸入對前兩者產生顯著影響。3 年數據顯示，拔節期各處理玉米群體物質積累量差異不顯著，而相對于常規尿素（UR）處理，控釋尿素處理在開花期至成熟期則表現出顯著優勢。2016年、2017年控釋尿素處理在開花期至成熟期平均群體干物質積累量較UR處理分別提高 9.76%、8.71%。降水相對充足且關鍵期分配比例適宜的年份（2018年），2/3CRU、CRU 處理在開花期群體干物質積累量差異未達到顯著水平，而成熟期 2/3CRU 處理群體干物質積累量顯著高于 CRU 處理。而在6—7月水分臨界期降水分配比例較低時（2017年），降低控釋尿素的比例，輔以中后期追施常規尿素的 1/3CRU 處理，成熟期群體物質積累量最高。

2.3 不同降水年型控釋尿素輸入對春玉米氮素累積的影響

不同降水年型對旱作春玉米氮素累積有著較大影響。隨著生長季降水量的增加， 植株氮素積累總量和籽粒氮素累積量都有增加趨勢。欠水年（2016年）、平水年（2017年）、豐水年（2018年） 施氮處理的平均植株氮素積累總量分別為221.56、147.50、231.75 kg/hm2，籽粒氮素累積量分別為138.68、93.69、150.29 kg/hm2；豐水年植株和籽粒氮素積累量分別比欠水年、平水年高 4.59%～57.12%、8.37%～60.40%。除平水年外，與單施常規尿素UR相比，控釋尿素處理顯著提高春玉米植株、籽粒的平均氮素累積量（圖2）。控釋尿素處理間以2/3CRU處理的玉米植株、籽粒的氮素累積量最高，較1/3CRU、CRU 處理分別提高 2.34%、1.91%和2.61%、3.41%。

2.4 控釋尿素輸入對春玉米氮肥利用效率的影響

由表4可知，控釋尿素處理顯著提升春玉米的氮肥利用率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力。以2017年（平水年）為例，與常規尿素UR處理相比，控釋尿素處理平均氮肥利用率、平均氮肥農學利用率、平均氮肥偏生產力增幅分別為6.85%、64.99%、7.27%。同為控釋尿素處理，控釋尿素一次性基施和控釋尿素與常規尿素配施在不同年份間氮肥利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力表現不同，但配施處理總體表現更佳。氮收獲指數反映了氮素向籽粒中的分配比例。欠水年（2016年）和平水年（2017年），控釋尿素處理氮素收獲指數與常規尿素處理相比差異不顯著；而在豐水年 （2018 年），以 1/3CRU 處理的氮素收獲指數最高。

3 討論

3.1 降水年型與控釋肥輸入對春玉米產量的影響

水、氮是限制寧南山區春玉米穩產和高產的主要因子。全生育期降水總量和降水量在春玉米不同生育階段的分布會影響氮肥的輸入效果，進而影響玉米的最終產量［12，21］。前人按照作物生育期內總降水量與常年平均降水量的差異，界定出豐水年、平水年、欠水年 3 種類型，并得出作物在豐水年的產量一般會高于平水年、欠水年［6，21］。但是，在降水總量差異不大的情況下，不同生長階段降水量的分布同樣會對玉米產量產生顯著影響［12，22］。本研究結果表明，欠水年（2016年）、平水年（2017年）的春玉米產量較豐水年（2018年）分別低18.50%、 20.66%，且平水年、欠水年不同氮肥處理春玉米產量的變異系數分別為 8.58%、8.38%，遠高于豐水年的 4.82%，說明降水少可能導致不同氮肥處理的產量波動增大。

單位面積的穗數、穗粒數、粒質量決定最終產量，而氮素對穗粒數和粒質量的影響更大［21］。玉米的單穗粒數是由穗行數和每行粒數構成，穗行數受自身遺傳的影響較大，受環境影響較小；而每行粒數受環境脅迫影響較大，且在15葉展（V 15）之前完成，最早可能在12葉展（V12）之前完成，故V6—V15葉期間若水分供應不足，可能導致穗粒數降低［6］。玉米花期遭遇干旱會影響授粉、受精過程，導致穗粒數降低，灌漿期干旱會導致籽粒灌漿受阻，粒質量下降［12，21］。本研究中，2018年生長季降水量大，其穗長、穗粒數、穗粒質量皆高于2016年、2017年；2017 年生長季降水量雖高于 2016 年，但其花期（7月）、灌漿中后期（9月）的降水量較 2016 年同期降低了55.5%、71.5%，導致了穗粒數和穗粒質量的下降。由此可知，生長季降水量并非影響產量構成的唯一因素，關鍵時期總降水分配比例更為重要。有研究認為，控/緩釋氮肥通過促進灌漿和增加籽粒質量，從而取得與速效氮肥分次施用接近或顯著增加的產量效果［23-24］。但也有研究表明，在春季溫度較低的地區，控/緩釋氮肥前期養分釋放較慢，造成玉米前期短時脫肥，后期氮素過量供應導致玉米貪青晚熟，產量低于速效氮肥分次施用［25］。本試驗連續 3 年研究結果表明，與常規尿素分次施用相比，控釋與常規尿素配施顯著提高了玉米產量，以1/3CRU、2/3CRU處理增產效果最佳，2016年、2017年、2018年1/3CRU處理和2/3CRU處理分別較UR處理增產 2.82%和7.41%、11.82%和5.82%、4.19%和5.42%，控釋尿素一次性基施與速效氮肥分次施用效果接近，這與前人的研究結果［26-27］一致。

3.2 降水年型與控釋尿素輸入對春玉米物質積累與分配的影響

降水年型與控釋尿素輸入對現代玉米品種生育期內的物質積累，尤其是花后物質積累量有顯著影響。前人研究表明，與普通尿素相比，控釋尿素輸入可顯著增加玉米干物質積累量，且使干物質向開花后分配比例增加，花后干物質積累對籽粒的貢獻率顯著提高［28-29］。本研究表明，開花前常規尿素和控釋尿素處理的總干物質積累量差異未達到顯著水平，但花后控釋尿素輸入提高了光合產物積累。由此說明，一方面，控釋尿素能夠顯著提高玉米花后干物質積累量及花后干物質積累量占總干物質積累量的比例；另一方面，在豐水年，與常規尿素分次施用相比，控釋尿素處理在促進群體物質積累尤其是花后物質積累量上的優勢在逐步減弱。不同控釋尿素處理間，2016年、2018 年以 2/3CRU 處理最優，而 2017 年則是 1/3CRU 處理在此方面表現更好。

3.3 降水年型與控釋尿素輸入對春玉米氮素積累與利用的影響

控釋尿素在一定程度上通過控制溶解過程、水解和硝化速率，從而確保 NO-3-N、NH+4-N 不會因施肥產生劇烈變動，使氮素釋放能較好地與玉米各生長階段對氮素的需求達到吻合，進而顯著促進玉米植株吸收氮素，提高氮素利用效率［30-31］。由于地區間氣候、土壤差異以及所用玉米品種不同，導致控釋尿素配比、施用時間不同，進而造成氮素吸收和利用效率的差異。在黃淮海地區，由于夏玉米生長季短、雨熱同期，相對于基施包膜尿素處理，拔節期施用包膜能夠促進夏玉米植株氮素的積累，提高成熟期籽粒的含氮量，氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和氮肥利用率均顯著提高［13］。而東北區春玉米的相關研究表明，控釋尿素與常規尿素 6 ∶4 配施時，氮肥農學效率、氮肥吸收利用率均顯著高于常規尿素處理［32］。本研究表明，與常規尿素相比，欠水年和豐水年控釋尿素輸入可顯著提高植株和籽粒氮素積累量，促進氮素向籽粒中分配，提升氮肥利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，其中以控釋尿素基施 N 150 kg/hm2 +常規尿素基施 N 75 kg/hm2 配施處理效果最好。

玉米生長季降水量及同一降水年型生育期內降水分布的差異，不但影響春玉米產量，同時對植株氮素吸收和利用也會產生顯著影響。前人的研究表明，與正常降水年份相比，相同處理下干旱年份植株氮素累積總量和花后氮素吸收量有很大程度的降低；同時，氮素表觀盈余量增加［5，21］。本研究結果也表明，豐水年植株、籽粒氮素積累量比欠水年高 4.59%、8.37%。但與前人研究不同的是，本研究平水年的植株氮素積累量較欠水年低，這可能是生育期內降水分布差異造成。2016 年雖為欠水年，但降水主要集中在 6—7月，正值當地玉米的大喇叭口和開花期，氮素吸收速度較快，而 2017 年降水雖與常年平均值持平，但主要集中在8 月，此時，氮素吸收速度減緩，導致植株和籽粒氮素積累量降低。從氮素表觀平衡角度看，不同降水年型搭配適宜控釋尿素能有效促進氮素輸出，進而提升氮素吸收效率。然而，在氮素表觀盈余量中，土壤氮素殘留、氮素損失對于不同降水年型和控釋尿素輸入的響應如何，有待進一步研究和探討。

4 結論

年際、季節間降水變幅和控釋尿素輸入對寧夏南部山區旱作春玉米穗粒數、百粒質量 、籽粒產量、花后干物質積累量、植株和籽粒氮素積累及氮素利用等性狀有顯著影響。豐水年或大喇叭口期—開花期（6—7月）降水比例較高的欠水年，控釋尿素輸入對于上述性狀的調控效果更為明顯，且以 2/3 控釋尿素與 1/3 常規尿素一次性基施產量的穩定性、氮素吸收利用效率更好。而平水年，在農民傳統的 2/3 常規尿素基施和 1/3 小喇叭口期追施基礎上，可優化為3個 “1/3”：1/3 控釋尿素+1/3 常規尿素基施+1/3 常規尿素追施，可在寧夏南部山區玉米生產中推廣使用。

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