施氮和覆膜對陜北地區玉米生長及氮素轉運的影響

密菲瑤 張 騰 李卓遠 邢英英 王秀康

(延安大學 生命科學學院,陜西 延安 716000)

玉米(ZeamaysL.)是我國第一大糧食作物,在干旱半干旱地區有著不可替代的地位[1]。同時,玉米是畜牧業和養殖業的重要飼料來源,也是食品、衛生、化工業等不可或缺的原料。干旱半干旱地區糧食產量對于確保糧食安全和緩解人口增長帶來的壓力至關重要[2]。因此,開展干旱半干旱地區玉米高產研究是應對糧食安全挑戰的有效途徑。

在旱地農業系統中,土壤水分和養分短缺是限制作物生長和產量的主要因素。陜北位于黃土高原中部,屬于典型的雨養旱作區,由于水資源短缺,農業的可持續發展面臨巨大挑戰,每年種植期土壤蒸發量大、氣溫低,導致玉米在生育期內遭受干旱和低溫脅迫[3]。地膜覆蓋作為一種重要的田間管理技術已廣泛應用于農田和經濟作物生產[4]。玉米在播種期和苗期因低溫、干旱導致產量顯著降低,覆膜提高了表層土壤溫度,有利于作物發育早期的種子萌芽和根系生長[5]。此外,覆膜還通過調節土壤水分和溫度提高了土壤的微生物豐富度、酶活性和土壤肥力[6]。Murungu等[7]研究表明,覆膜處理顯著提高了土層無機氮濃度和籽粒產量。張哲等[8]研究證明,覆膜是改善土壤溫度和濕度的有效措施,因此,田間管理中常采用覆膜來達到提質增效的目的。

氮素是作物生產中最重要的養分之一,為籽粒灌漿期提供碳水化合物,氮素缺乏會降低作物產量及其構成因素,氮素合理施用對作物生長及獲得高產是至關重要的[9]。張馨月等[10]研究表明,施氮量顯著影響玉米產量、植株干物質積累量以及氮素積累量。雖然氮素的施用可促進作物養分的吸收,但過量的氮肥會造成作物減產[11],且氮肥利用率降低;同時過量施氮還會導致土壤酸化,硝態氮淋溶[12],對土壤造成危害,不利于環境可持續發展。因此,研究作物對根層氮素吸收利用效率,確定氮肥合理施用量對提高作物產量和氮肥利用率都有重要的研究意義。

已有研究多是關于覆蓋或施氮單因素對玉米生長、產量及氮素吸收利用的影響,然而關于兩因素互作效應的研究鮮有報道。本研究以‘鄭單958’玉米為試驗對象,測定覆膜和施氮及兩者互作下的生長、產量及其構成因素、氮素轉運及氮肥利用效率,旨在探究覆膜與施氮對玉米生長特性及氮素轉運的影響,以期為陜北地區夏玉米高產、高效的栽培模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在陜西省延安市安塞區高橋鎮鄉東溝門村普通農田進行,安塞區地處黃土高原腹地,鄂爾多斯盆地邊緣,位于陜西省北部(36°39′ N,109°11′ E),海拔1 109 m,屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候,年平均氣溫8.8 ℃,年平均降雨量505.3 mm,降水主要集中在7—9月(圖1)。試驗土壤pH為8.6,容重為1.41 g/cm3,有機質為11.7 g/kg,全氮0.63 g/kg,速效磷45.7 m/kg,速效鉀113.7 mg/kg。

圖1 2021年試驗地月均降水量和平均氣溫

1.2 試驗設計

試驗采用施氮量和種植模式2個因素,施氮設置5個水平,分別為80(N1)、120(N2)、160(N3)、200(N4)和240 kg/hm2(N5),種植模式設置為露地(M0)和覆膜(M1),以露地種植下不施氮作為對照(CK),共11個處理,磷肥和鉀肥用量所有處理均一致,見表1。試驗采用完全隨機區組試驗設計,各小區隨機排列,重復5次,共計55個小區,試驗小區面積為5 m×12 m。

表1 夏玉米不同種植方式和施氮量的試驗方案

所選玉米品種為‘鄭單958’,2021年5月3日播種,9月27日收獲。玉米播種時等行距種植,行距為50 cm,株距為30 cm,種植密度為60 000株/hm2。施肥方式為播種前進行撒施,氮肥使用尿素(含N 46 g/100 g),磷肥采用過磷酸鈣(含P2O516 g/100 g),施用量為150 kg/hm2,鉀肥使用氯化鉀(含K2O 60 g/100 g),施用量為100 kg/hm2,氮肥在播種前施入50%,于6月20日追施余下50%,磷肥和鉀肥在翻耕和平整過程中作為基肥一次性施入。

1.3 測定項目及方法

1.3.1玉米生物學指標的測定

分別在玉米拔節期、吐絲期和成熟期進行取樣,測定玉米株高、莖粗、葉面積。每個小區隨機選取長勢均勻的3株進行標記,在各個生育期使用卷尺測量玉米株高,抽穗前株高為植株基部至最高葉尖的高度,抽穗后為玉米植株基部到雄穗頂端的高度;使用游標卡尺在距離玉米植株基部3～5 cm處測定莖粗;葉面積通過米尺測定每片葉子的長(從葉枕到葉尖的長度)和寬(葉片最寬處長度),單葉面積=長×寬×系數K(K=0.75),葉面積指數=單株葉面積×種植密度/土地面積。

1.3.2玉米產量及其構成因素測定

不同生育階段于每個小區隨機選取3株具代表性玉米進行破壞取樣,5次重復共計15株,每株玉米分為莖、葉、穗粒3個部分,于105 ℃殺青1 h,75 ℃烘干至恒重,測定其穗粒數和百粒重,結束后使用塑封袋保存樣品,并進行籽粒產量(Grain yield,GY),kg/hm2和生物產量(Biological yield,BY),kg/hm2測定,小區邊行植株除外。收獲指數(Harvest index,HI)為籽粒產量與生物產量之比[13]。

1.3.3植株氮素吸收、轉運相關指標測定和計算

將上述保存樣品使用打粉機攪碎過篩,濃硫酸消煮。采用凱氏定氮法[14]進行植株全氮的測定。玉米氮素吸收及轉運相關指標計算如下[14-15]:

氮素積累量=干物質量×氮素含量;

各器官氮素分配比例=各器官氮素積累量/總積累量×100%;

氮素轉運量=吐絲期各器官氮素累積量-成熟期各器官氮素累積量;

氮素轉運效率=氮素轉運量/吐絲期氮素積累量×100%;

氮肥利用率=(施氮區氮素積累量-不施氮區氮素積累量)/施氮量×100%;

氮素收獲指數=成熟期籽粒總氮積累量/成熟期地上部營養器官氮積累量;

氮肥偏生產力=施氮處理籽粒產量/氮肥施用量;

氮肥農學利用率=(施氮區產量-對照區產量)/氮肥施用量;

氮肥產量貢獻率=(施氮區產量-對照區產量)/施氮區產量。

1.4 數據分析

運用Excel 2010軟件對數據進行匯總整理,使用SPSS 20對數據進行方差分析,運用Excel 2010、Origin 2021進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 覆膜和施氮對玉米株高、莖粗及葉面積指數的影響

由表2可知,從拔節期到吐絲期玉米株高快速增長,吐絲期后玉米生長減慢甚至停止生長。拔節期,覆膜和施氮均對玉米株高有顯著性影響,同時兩者互作對玉米株高也具有顯著性影響;玉米株高隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢,露地(M0)種植下,N4的株高最高,覆膜(M1)條件下,N2的株高最高。玉米吐絲期,覆膜顯著促進玉米株高的生長。玉米成熟期,施氮及二因素互作均顯著影響玉米株高。

表2 不同施氮量和覆膜下玉米株高

表3 不同施氮量和覆膜下玉米莖粗

由圖3可知,玉米莖粗隨生育期的推進遞增。各時期不同處理下的玉米莖粗變化趨勢基本一致,都呈現出先增后減的趨勢。在拔節期,施氮和覆膜都對植株莖粗具有顯著性影響;隨施氮量的增加,露地(M0)條件下的莖粗呈現上升趨勢,覆膜(M1)條件下玉米莖粗先增后降。成熟期,施氮顯著影響玉米莖粗;露地和覆膜處理下玉米莖粗分別在施氮量為200和160 kg/hm2時達到最大值。

研究區出露地層較為簡單，以下石炭統大干溝組及上三疊統鄂拉山組地層為主，沿山麓溝谷地帶分布有第四系(圖1)。

由表4可知,隨著生育期推進,葉面積指數先增后降,吐絲期達到最大值。拔節期露地種植(M0)下,葉面積指數隨施氮量增加呈現出上升趨勢;覆膜(M1)下,葉面積指數隨施氮量的增加先增加后降低,且在施氮量為N2時達到最大值;覆膜顯著增加葉面積指數,同時覆膜與施氮二者互作顯著增加葉面積指數。覆膜和施氮對吐絲期玉米葉面積指數均無顯著影響。在成熟期,隨施氮量的增加葉面積指數先增加后降低,露地和覆膜均在N4施氮量下達到最大值,覆膜顯著增加葉面積指數。

表4 不同施氮量和覆膜下玉米葉面積指數

2.2 覆膜和施氮對玉米產量及其構成因素的影響

由表5可得,在露地種植(M0)下,相較于N1處理,N5的單穗粒數降低14.01%。百粒重隨施氮量的增加先增后降,覆膜對其影響顯著。施氮量和覆膜對玉米產量均具顯著性影響,籽粒產量隨施氮量增加呈現先增后降的趨勢,覆膜玉米籽粒產量相較于露地種植分別增加4.78%(N1)、7.41%(N2)、4.03%(N3)、14.46%(N4)和18.17%(N5)。

表5 玉米產量及其構成因素

2.3 玉米產量的相關性分析

由圖2可知,籽粒產量隨植株生物產量的增加而增加,相關系數(R2)為0.517,達到極顯著水平(P<0.01)。玉米生物產量范圍在15 866.70～28 371.30 kg/km2,籽粒產量范圍為8 840.09～14 186.72 kg/km2。

圖2 玉米生物產量和籽粒產量的相關性分析

2.4 覆膜和施氮對玉米氮素轉運特征的影響

由圖3可知,隨著生育期的推進,葉片和莖稈氮素積累量呈現出先增后降的趨勢,但玉米植株總氮素積累量呈現上升趨勢。玉米拔節期和吐絲期,覆膜和施氮以及二者交互作用均對植株的氮素積累具有顯著性影響。玉米成熟期,隨著施氮量的增加,玉米籽粒表現出先增后降的趨勢。

CK、T1、T2、T3、T4、T5分別代表露地(M0)種植模式下施氮量0、80、120、160、200、240 kg/hm2,T6、T7、T8、T9、T10分別代表覆膜(M1)種植模式下施氮量80、120、160、200、240 kg/hm2。小寫字母表示不同處理下各器官氮素積累量的顯著性差異(P<0.05),大寫字母表示不同處理下植株總氮素積累量的顯著性差異(P<0.05)。下同。 CK, T1, T2, T3, T4 and T5 represent N application rates of 0, 80, 120, 160, 200, 240 kg/hm2 for open field planting (M0), and T6,T7, T8, T9 and T10 represent N application rates of 80, 120, 160, 200, 240 kg/hm2 for mulch planting (M1), respectively. Lowercase letters indicate the significant difference (P<0.05) of nitrogen accumulation in various organs under different treatments, and capital letters indicate the significant difference (P<0.05) of total nitrogen accumulation in plants under different treatments. The same below.

由圖4可知,隨著生育期的推進,葉片氮素分配比例呈現先升高后下降的趨勢,而莖稈氮素分配比例則呈現下降趨勢。拔節期及玉米吐絲期植株各器官氮素積累量表現為:葉片>莖稈。玉米成熟期,植株氮素主要積累于籽粒中;各營養器官氮素分配比例由高到低為:籽粒>葉片>莖稈;隨著施氮量的增加,籽粒氮素分配比例呈現先降后升的趨勢,而葉片和莖稈表現出完全相反的趨勢。

圖4 不同處理下各器官拔節期(a)、吐絲期(b)和成熟期(c)氮素分配比例

由表6可知,不同施氮量下玉米植株葉片和莖稈的氮素轉運特征存在差異。玉米營養器官氮素轉運量隨施氮量的增加呈現先降后增的趨勢,覆膜顯著增加植株總轉運效率。隨著施氮量的增加,氮肥利用率、氮肥偏生產力及氮肥農學利用率均呈現下降趨勢。氮肥產量貢獻率隨施氮量的增加呈先增后降,覆膜顯著增加氮肥產量貢獻率,覆膜與施氮交互作用同樣對其具有顯著性影響。

2.5 綜合評價

2.5.1相關性分析

由圖5所示,各指標與GY的R2由大到小為GY>FYC>HGW>NAMS>NUE>PFP>NAE>NASS>NAJS>HI>NHI>LNTE>SNTE,其中,BY、FYC、HGW、NAMS、NUE、PFP、NAE、NASS與GY均呈極顯著正相關(P<0.01),NAJS與GY表現出顯著正相關(P<0.05),R2為0.402～0.876。

圖5 玉米產量構成、氮素轉運特征及肥料利用率之間的相關性分析

2.5.2主成分分析

由表7可知,主成分分析時,提取結果中特征值>1的主成分,前5個主成分的特征值>1,且累計貢獻率達到80%以上。最終將14個相互獨立的指標換算成5個相互獨立的綜合指標,累計貢獻率達到83.030%,包含各個指標的絕大部分信息,表明這5個主成分已經能夠代表所測指標的絕大部分信息。

表7 各主成分因子載荷矩陣、特征值及貢獻率

將各個指標原始數據標準化后利用SPSS20.0對各組分進行主成分分析,對于分析所得的5個主成分計算其成分得分系數矩陣、特征值及貢獻率,最終根據主成分綜合評價模型得到如下線性關系,

P1=0.115x1+0.148x2+0.141x3+…+ 0.105x12+0.132x13+0.151x14P2=0.178x1+0.036x2+0.059x3+…- 0.207x12-0.111x13+0.046x14P3=-0.003x1+0.011x2-0.173x3+…+ 0.291x12+0.259x13+0.043x14P4=-0.139x1-0.062x2+0.007x3+…+ 0.263x12+0.209x13-0.053x14P5=0.015x1+0.189x2-0.135x3+…+ 0.0162x12-0.006x13+0.106x14P=0.387P1+0.193P2+0.111P3+ 0.083P4+0.072P5

式中:x1～x14分別為百粒重、籽粒產量、生物產量、收獲指數、拔節期氮素積累量、吐絲期氮素積累量、成熟期氮素積累量、葉氮素轉運效率、莖氮素轉運效率、氮肥農學利用率、氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥利用率及氮肥產量貢獻率14個指標原始數據的標準化數據,P1～P5代表5個主成分得分,P代表5個主成分得分之和。

其中,標準化數據與得分系數的乘積為各主成分得分,綜合得分則為各個主成分得分之和。結果表明,T8處理在各處理中排名第一(表8),說明該處理相對較優,故陜北地區玉米的較優種植模式為覆膜種植下設置施氮量為160 kg/hm2。

表8 不同施氮量和覆膜下各處理的主成分分析

3 討 論

3.1 覆膜和施氮對玉米株高、莖粗和葉面積指數的影響

株高是玉米植株相對穩定的形態之一,與自身遺傳性狀有較大關系,但同時也受外界環境影響[16];莖粗是玉米抗倒伏性的重要形態指標[17];葉片則是玉米進行光合作用形成產物的重要器官,葉面積大小是由遺傳特性和生育環境兩個因素決定的,而葉面積指數是反映作物群體大小的關鍵指標[18-19]。

本研究結果表明,覆膜和施氮促進了玉米株高和葉片的生長。在吐絲期以前,玉米快速增高,吐絲期后株高增加緩慢甚至停止增長,這與程倩等[20]研究結果一致,均表現出隨生育期推進,株高先快速增長直至平穩。隨著生育期的推進,玉米葉面積指數呈現出先增加后降低的趨勢,吐絲期葉面積指數達到最大,這與郭金金等[21]研究結果一致。在玉米生育初期,覆膜和施氮對莖粗影響顯著,不覆膜處理下玉米莖粗隨施氮量的增加而增加,而覆膜則使莖粗隨施氮量的增加呈先增加后降低,這是由于覆膜為玉米前期提供了較好的水熱條件,加快了作物生長發育進程,加速了莖稈的積累,因此覆膜下的莖粗先一步達到峰值[22]。

3.2 覆膜和施氮對玉米產量的影響

Li等[23]研究表明,2年透明塑料薄膜覆蓋玉米產量均顯著高于無覆蓋條件下的產量,2年分別提高28.1%和24.6%,與本研究中覆膜顯著提高田間玉米籽粒產量這一結論一致,同時覆膜顯著增加百粒重和籽粒產量,這是由于地膜覆蓋可減少干旱期土壤水分蒸發量,提高水分利用率,促進作物生長,同時覆膜條件下土壤溫度的升高也對作物早期發育至關重要[24],這表明覆膜可以作為一種關鍵的適應性管理措施,為作物生長提供更加優越的土壤水熱條件,以提高玉米生產力。

陳小莉等[25]以典型半干旱區干濕砂質新成土為供試土壤研究覆膜、施氮及補充灌水對春玉米產量的影響,結果表明,相較于對照,施氮量90 kg/hm2時,籽粒增產40.1%,覆膜增產31.6%,施氮并覆膜增產81.5%,這與本研究結果中覆膜和施氮顯著影響籽粒產量基本一致;但覆膜與施氮互作可顯著提高玉米產量,與本研究結論不符,本研究結果顯示施氮和覆膜的互作對玉米產量及其構成因素影響均不顯著,這可能是由于玉米品種、氣候條件、地理位置等因素的不同所導致的,雖兩因素的互作效應不顯著,但相較于氮肥這一單因素,覆膜與施氮交互作用使玉米產量分別增加4.78%(N1)、7.41%(N2)、4.03%(N3)、14.46%(N4)和18.17%(N5)。施氮對于生物產量也具有顯著影響,但于粒數卻無顯著影響,這表明施氮可能是通過增加氮素在玉米各營養器官的吸收及轉運來提高玉米產量,最終實現增產[26]。合理施用氮肥是提高作物產量的一項重要舉措,但施氮量與作物吸收量并不呈現完全正相關,施氮量過高反而會導致作物減產,造成資源浪費和環境污染[27],其主要原因是農田氮素輸入與輸出間的不平衡[28]。已有研究結果也表明,籽粒產量隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢,在一定的施氮量范圍內增施氮肥對產量是顯著促進的,當超過臨界值時,會導致氮素利用效率降低,土壤中殘留氮素造成環境污染[27]。

3.3 覆膜和施氮對玉米植株氮素轉運特征及氮肥利用率的影響

氮素既是植物體內重要的營養元素,又是生理代謝中最活躍的成分,因此氮素對植物代謝和生長具有重要意義[28]。本研究結果表明,覆膜和施氮量均會顯著影響作物各營養器官氮素積累量;隨著施氮量的增加,營養器官氮素積累量呈現出先增加后下降的趨勢,表明施氮量達到一定程度后作物地上部氮素積累將不會再有顯著性變化。Liu等[29]研究結果表明,隨施氮量增加,玉米地上部氮素積累量先增后降,在施氮量為250 kg/hm2時氮素積累達到最大值,與本研究結論一致。不同施氮量下,玉米植株莖葉在吐絲期的氮素積累量大于成熟期,表明吐絲期后營養器官中貯藏的氮素向籽粒中發生轉移[30]。玉米吐絲—成熟期是氮素吸收轉運分配的重要時期[31]。本研究表明,施氮量的增加使植株營養器官的氮素轉運效率呈現出先降后增的趨勢,露地種植(M0)和覆膜種植(M1)下分別在施氮量為160和120 kg/hm2時降到最低,與籽粒氮素積累量先增后降的趨勢完全相反,這是由于籽粒中的氮素來源有兩部分,一部分為吐絲期前吸收并貯存于植株營養器官中的氮素轉移到籽粒中,另一部分則是吐絲期后植株吸收同化的氮素[32]。

氮肥利用率(NUE)、氮肥農學利用率(NAE)和氮肥偏生產力(PFP)是表征氮肥利用效率的重要定量指標,可從不同方向描述植株的氮肥利用效率[33]。本研究結果中,施氮顯著影響氮肥利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和肥料產量貢獻率,覆膜顯著增加氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和肥料產量貢獻率,二因素互作效應只體現在對產量貢獻率的影響上;盧家柱等[34]研究結果顯示氮肥利用率隨施氮量的增加而降低,與本研究結果一致。本研究結果還顯示,隨施氮量的增加,氮肥利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和氮肥產量貢獻率均呈下降趨勢。石玉等[35]研究指出,隨施氮量的增加小麥氮肥利用效率遞減,與本研究結果相符。因此,在滿足玉米氮素需求的前提下,適當降低氮肥施用量是提高氮肥利用效率的有效措施。

僅憑某一指標不能對試驗結果進行系統的評價,而基于各指標的綜合評價能有效地克服單一指標評價片面的問題,確保結果的科學性和客觀性[36]。本研究通過主成分分析對試驗中不同處理下玉米產量等指標進行綜合評價與分析。結果表明,覆膜下施氮量為160 kg/hm2時,陜北地區大田玉米綜合排名最高,可作為該地區夏玉米高產高效的栽培措施。但考慮到連作模式下長期施肥可能會造成土壤殘留量過多[37],對玉米生長造成一定影響,需綜合考慮產量、氮肥利用效率、經濟效益和環境效應等進一步試驗加以驗證。

4 結 論

覆膜與施氮量對玉米株高、莖粗、葉面積指數和產量有顯著或極顯著影響,二者互作效應對株高具有極顯著影響。覆膜下玉米增產4.78%～18.17%,施氮可使玉米增產2.00%～40.61%,而覆膜配合施氮使玉米增產32.72%～54.62%。為實現較高的氮肥利用效率和氮肥產量貢獻率,應在高產穩產的前提下降低氮肥施用量。綜上,陜北地區玉米較優種植模式為覆膜下施氮量160 kg/hm2。