深松配施氮肥對土壤微生物含量及玉米產量和氮素利用效率的影響

常青 周生 吳中凱

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.011

摘要：于2019—2020年開展2種耕作方式（深松、旋耕）和施氮水平（0、60、120、180、240 kg/hm2）試驗，研究耕作方式和氮肥用量對玉米產量及氮肥利用效率的影響。結果表明，同一耕作方式下，玉米關鍵生育時期地上部生物量隨施氮量的增加而升高，總體表現為N0＜N1＜N2＜N3≈N4。耕作方式和施氮量均顯著影響玉米籽粒產量和氮素利用效率，且兩者互作效應顯著。2019年和2020年深松條件下玉米籽粒產量分別比旋耕高4.48%和5.25%；2019年、2020年深松條件下玉米的氮肥利用率比旋耕處理分別提高13.46%、12.87%。在相同耕作模式下，2個試驗年份N3與N4處理的籽粒產量差異不顯著，但與N0、N1、N2處理多呈顯著性差異，各施氮處理表現為 N3>N4>N2>N1>N0。吐絲期各器官對氮素的吸收依次為葉片>籽粒>莖稈>穗軸，生理成熟期對氮素的吸收依次為籽粒>葉片>莖>穗軸。2種耕作方式的玉米氮素回收率相似，但深松條件下的氮肥偏生產力較旋耕處理提高14.10%。不同耕作方式和年份下，N3處理的氮素回收率分別比N1、N2、N4處理提高了132.81%、38.26%、11.84%。因此，深松條件下配施氮肥 180 kg/hm2 是提高華北地區玉米產量和氮素利用效率的最優組合。

關鍵詞：玉米；耕作方式；施氮量；產量；氮肥利用效率

中圖分類號：S513.06? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）10-0083-08

收稿日期：2023-07-22

基金項目：國家自然科學基金（編號：31700270）。

作者簡介：常? 青（1972—），女，河南南樂人，副教授，從事作物生物學研究。E-mail：13781377099@163.com。

土壤退化是全球范圍內的主要環境問題之一［1］。土壤環境的惡化主要是由不利的自然因素和人類不合理的土地利用所引起的［2］，導致土壤質量和生產力下降［1］。隨著人口不斷增長，對糧食的需求將持續增加，土壤退化導致的生產力下降不利于糧食安全。耕作措施是構建合理耕層結構、提高土地生產力的重要舉措［3］。合理耕作可以改善土壤結構和理化性質、提高土地生產力［4］。有關學者研究表明，深松可以顯著提高耕層和根際微生物數量、微生物多樣性和土壤儲水能力［5］，為根系發育創造理想條件，有效延緩作物衰［6］，實現產量的提升。也有學者研究表明，以旋耕為代表的耕作技術因其操作簡單、能耗低而大面積應用［7-8］，但長期旋耕會引起耕層變淺、深層土壤容重上升等問題［9］。 氮素是玉米生長發育的關鍵性元素，對其生理特性和產量形成有著很大的影響［10］。玉米是華北地區最重要的糧食作物之一，提高玉米產量的主要途徑是依靠田間管理和化肥的施用，尤其是氮肥［11］。合理施氮在玉米產量構成因素中起著重要作用［12］。然而，種植戶為提高玉米產量經常過量施用氮肥，導致氮肥利用效率低，生產成本高，環境污染嚴重［12］。在華北玉米主產區，盡管玉米的平均施氮量為263 kg/hm2［12］，遠高于Liu等推薦的 180 kg/hm2［15-16］，而當氮肥用量大于240 kg/hm2時，玉米的氮肥利用率可降至14.4%［17］。農田過量施用化肥后，土壤會通過氨揮發、淋濾、硝化、反硝化等氮遷移和轉化途徑流失［13］。過度使用化肥會造成嚴重的負面影響，人們越來越關注最佳化肥施用量減少對環境的影響［18］。因此，探索合理的耕作措施和適宜的氮肥用量對作物高產穩產和耕地保護具有重要意義。

目前諸多學者針對單一耕作方式與施氮量對玉米產量形成的影響進行了研究，但對華北地區耕作方式與施氮量組合對土壤微生物量、玉米產量和氮素利用率影響的研究相對較少。因此，本研究開展2年田間定位試驗，旨在探明耕作方式和施氮量對土壤微生物量、玉米產量和氮素利用效率的影響，以期對2種耕作方式的增產效應和合理的施用量做出客觀評價，為華北地區玉米高產穩產和控釋肥的應用提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 試驗地概況

試驗分別于2019年、2020年在河南省農業科學院試驗基地（39°53′N，113°10′E）開展。該地區屬于暖溫帶半濕潤性季風氣候，年平均日照時間為 2 331.8 h，日照充足；年平均溫度為13.7 ℃；年平均降水量約為647.3 mm，主要集中在7—8月，占全年降水量的51.4%。試驗地供試土壤為黃褐土，其試驗地耕層0～20 cm初始土壤的理化性質詳見表1。

1.2? 試驗設計

試驗設置2種耕作方式和4個施肥水平。2種耕作方式為旋耕（R）和深松（S），深松耕作深度為35～40 cm，旋耕耕作深度為10～15 cm。氮肥施用量分別為60（N1）、120（N2）、180（N3）、240（N4）kg/hm2。以不施氮肥處理為對照（CK）。本試驗共設9個處理：CK、RN1、RN2、RN3、RN4、SN1、SN2、SN3、SN4。小區面積為46 m2 （4.6 m×10 m），種植密度55 000株/hm2，重復3次。氮肥類型為樹脂包膜緩釋肥，100%包膜氮素含量為46.0%，磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量≥44%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量≥60%）。種植前所有處理氮肥、磷肥（150 kg/hm2）和鉀肥（100 kg/hm2）全部基施。分別于2019年4月27日和2020年4月28日種植，于2019年10月12日和2020年10月14日收獲。

1.3? 測定指標與方法

1.3.1? 土壤微生物數量

在玉米收獲期采用土鉆采集土壤深度0～40 cm的樣品，將新鮮土壤樣品裝入無菌袋于4 ℃保存，用于微生物培養及計數。采用稀釋平板涂布培養計數法對土壤中可培養微生物數量進行測定。其中，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用馬丁氏孟加拉紅瓊脂培養基，放線菌采用高氏Ⅰ號培養基，纖維素分解菌采用哈金森培養液平板計數法分析，每個處理重復3次。

1.3.2? 植株氮濃度及產量

在玉米拔節期、抽雄期、吐絲期和生理成熟期，每個試驗小區隨機采集3株植株，分為莖（包括鞘、莖和苞片）、葉、穗軸和籽粒，采用干燥稱重法對各器官干物質重進行測定，最后折算成玉米植株地上部干物重，即干物質積累量。將各處理的干樣粉碎、研磨和過篩，采用微量凱氏定氮法測定各器官氮濃度，最后折算成玉米植株地上部氮濃度。在收獲期，每個小區隨機選取玉米果穗10個，帶回實驗室測定玉米產量構成因素（穗數、穗粒數和千粒重）。

1.4? 統計分析

采用雙因素方差分析（ANOVA）分析各指標間的差異。采用最小差異（LSD）檢驗在0.05顯著水平上檢驗各處理間的差異。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對每個指標進行比較。分別使用SPSS 22.0和Origin 2019軟件進行統計分析和繪圖。

2? 結果與分析

2.1? 耕作方式及施氮量對土壤微生物數量的影響

由表2可知，耕作方式對土壤真菌數量和放線菌數量均有極顯著影響，對土壤細菌和纖維素菌數量無顯著影響；施氮量對土壤微生物數量均有極顯著影響；耕作方式和施氮量二者互作對土壤真菌數量和放線菌數量有極顯著影響，而對土壤細菌和纖維素菌數量影響不顯著。同一耕作方式下，土壤細菌數量隨氮肥用量的增加呈先增后降的趨勢。與N0相比，旋耕條件下N1、N2、N3和N4處理的年均土壤細菌數量分別增加了57.57%、85.75%、96.02%和91.08%。深松條件下N1、N2、N3和N4處理的年均土壤細菌數量比N0分別增加了40.41%、81.53%、104.40%和99.78%。從各施氮量的平均值來看，2年深松條件下土壤真菌數量分別比旋耕條件下平均增加24.05%和11.33%。與旋耕相比，深松條件下N1、N2、N3和N4處理的年均土壤真菌數量分別增加27.36%、14.82%、22.02%和10.55%。從各施氮量的平均值來看，2年深松條件下土壤放線菌數量分別比旋耕處理高20.46%和22.84%。與旋耕相比，深松條件下N1、N2、N3、N4處理的年均土壤放線菌數量分別增加15.61%、31.67%、19.48%和19.72%。與N0相比，深松條件下N1、N2、N3和N4處理的年均土壤纖維素菌數量分別增加91.99%、140.38%、149.68%和137.50%；旋耕條件下N1、N2、N3和N4處理的年均土壤纖維素菌數量分別增加78.14%、127.24%、161.65%和154.84%。

2.2? 耕作方式及施氮量對玉米干物質積累的影響

由表3可知，耕作方式和施氮量對玉米全生育期干物質積累（DMA）均有極顯著影響；但二者交互作用僅對抽雄期和吐絲期DMA產生顯著或極顯著影響。同一耕作方式下，玉米干物質積累量隨著生育進程的推進呈逐漸上升趨勢，但隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢。不同耕作方式間DMA的差異在生理成熟期大于吐絲期。從各施氮量的平均值來看，2019年和2020年生理成熟期的DMA深松比旋耕高4.39%和6.27%。在相同耕作方式下，2年N3與N4處理的總生物量差異性不顯著，但與N1、N2處理均呈顯著性差異，說明過量施氮抑制了玉米群體干物質生產。

2.3? 耕作方式及施氮量對玉米產量及構成因素的影響

由表4可知，耕作方式和施氮量對玉米產量、穗粒數、百粒重和收獲指數均有極顯著影響。耕作方式與施氮量二者交互作用對產量和百粒重也產生極顯著的影響，而對穗粒數和收獲指數無顯著影響。所有施肥處理均能提高玉米籽粒產量，產量隨氮肥施用量的增加呈先增加后降低的趨勢。從各施氮量的平均值來看，2019年和2020年深松處理的籽粒產量分別比旋耕高4.48%和5.25%。在相同耕作方式下，2019年和2020年N3與N4處理的籽粒產量差異不顯著，但多與N1、N2處理呈顯著性差異，說明過量施氮抑制了玉米產量的形成。從各施氮量的平均值來看，2019年和2020年深松處理的穗粒數分別比旋耕提高5.01%和1.96%。與旋耕相比，深松處理N1、N2、N3和N4處理下年均穗粒數分別增加2.52%、5.94%、2.43%、3.13%。從各施氮量平均值來看，2019年和2020年深松處理的百粒重分別比尿素高0.92%和1.55%。與旋耕相比，深松處理N1、N2、N3和N4處理年均百粒重分別提高1.94%、0.45%、1.58%、1.02%。從各施氮量平均值來看，2019年和2020年深松處理的收獲指數分別比旋耕處理高0.72%和0.91%。在相同耕作方式下，2年N3和N4處理的收獲指數差異不顯著。

2.4? 耕作方式及施氮量對吐絲期和生理成熟期的氮素吸收的影響

由表5可知，耕作方式顯著或極顯著影響吐絲期和生理成熟期各器官（籽粒除外）對氮素的吸收；施氮量對各器官吐絲期和生理成熟期的氮素吸收均有極顯著影響；耕作方式和施氮量二者交互作用僅對吐絲期穗軸氮素吸收有極顯著影響，而對其他器官氮素吸收均無顯著影響。吐絲期植株全氮吸收量隨施氮量的增加而增加，相同施氮量下，深松處理植株全氮吸收量高于旋耕處理。就年均值而言，深松處理吐絲期植株氮素總吸收量為76～148 kg/hm2，旋耕處理為75～156 kg/hm2。同樣，深松處理在生理成熟期的植株全氮吸收值（90～184 kg/hm2）比旋耕 （85～181 kg/hm2）高。吐絲期各器官對氮素的吸收依次為葉片>籽粒>莖稈>穗軸，生理成熟期對氮素的吸收依次為籽粒>葉片>莖>穗軸。

2.5? 耕作方式及施氮量對氮素利用效率的影響

由表6可知，耕作方式對氮素利用率和氮肥偏生產力產生極顯著影響，對氮素回收率無顯著影響；施氮量對氮素利用效率、氮素回收率和氮肥偏生產力均有極顯著影響；耕作方式和施氮量二者交互作用對氮素回收率無影響，但對氮素利用率和氮肥偏生產力產生顯著或極顯著影響。從各氮肥施用量和年份的均值來看，2019年、2020年深松處理的氮肥利用率比旋耕處理分別提高了13.46%和12.87%。在所有氮肥施用量中，N3處理的氮肥利用率最高。不同耕作方式和年份下，N3處理的氮肥利用率分別比N1、N2、N4處理提高了27.77%、109.63%、62.01%。從各氮肥施用量和年份的均值來看，深松和旋耕處理的氮素回收率相似，但氮肥偏生產力表現為深松處理高于旋耕處理。從不同耕作方式下各施氮量處理的平均值來看，深松條件的氮肥偏生產力較旋耕處理提高14.10%。不同耕作方式和年份下，N3處理的氮素回收率分別比N1、N2、N4處理提高了132.81%、38.26%、11.84%。

2.6? 相關性分析

玉米干物質積累量、籽粒產量、產量組成、土壤微生物指標、植株不同器官氮素吸收與肥料利用效率的相關性如表7所示。生理成熟期干物質積累與籽粒產量關系的相關系數（r=0.97）大于吐絲期（r=0.88）。玉米籽粒產量與土壤細菌數量（r=0.89）、真菌數量（r=0.88）、放線菌數量（r=0.80）和纖維素菌數量（r= 0.74）均呈極顯著相關。特別是玉米籽粒產量與植物各器官吐絲期和生理成熟期氮素吸收均呈極顯著相關，其中，吐絲期氮素吸收以葉的相關性最強（r=0.93），而生理成熟期氮素吸收以籽粒的相關性最強（r=0.96）。產量與氮素回收率（r=0.95）和氮素偏生產率（r=0.76）均呈極顯著相關，而與氮素利用率無相關性。在籽粒產量構成因素中也表現出類似的結果。植物各器官吐絲期和生理成熟期氮素吸收與土壤細菌、真菌、放線菌、纖維素菌數量均呈顯著或極顯著相關，其相關系數為0.53～0.89。

3? 討論

土壤微生物在農業可持續發展、土壤生態系統物質循環和能量轉換中發揮著重要作用［19］。本研究結果表明，除細菌數量和纖維素菌數量外，耕作方式和氮肥施用量對土壤微生物群落結構均有顯著影響。其中，土壤真菌和放線菌數量與耕作方式和施氮量之間存在極顯著的交互作用。之前的研究也表明，深松有利于土壤微生物群落的發育［20］。本研究表明，玉米籽粒產量與土壤真菌數量和土壤放線菌數量呈極顯著正相關，原因可能是深松通過增加土壤微生物數量來改善土壤結構和土壤生態系統的可持續性，從而提高作物產量［21］。

在農業生產中，耕作措施通過調節土壤通氣性、孔隙度等物理性質來影響土壤養分狀況和作物生境，最終影響作物產量［22］。在大量研究中，保護性耕作可以提高土壤肥力［23］，保持玉米產量［24］，并保證增產［25］。本研究表明，當氮肥用量相同時，深松處理的玉米干物質積累量、籽粒產量及其構成因素總體高于旋耕，這與前人的研究結果［26］一致，可能是由于深松提高了土壤團聚體有機碳含量和土壤肥力，改善土壤孔隙條件，增加滲透性，有利于作物根系在深層土壤中的分布，促進養分和水分的利用，有利于干物質的積累和作物產量的提高［24-25］。在本研究中，耕作方式與施氮量對玉米籽粒產量及百粒重具有極顯著的雙向交互作用。在相同施氮量下，深松處理玉米籽粒產量高于旋耕處理。

同一耕作類型下，施氮180、240 kg/hm2對玉米產量無顯著影響，這一現象表明，當施肥量超過一定閾值時，玉米無法繼續吸收和利用氮素［27］。耕作可影響土壤水分等生態環境，進而與氮肥互作影響玉米產量形成。在本研究中，深松條件下配施氮肥用量180 kg/hm2是提高玉米籽粒產量的最佳耕作與氮肥組合。其原因是深松配合樹脂包膜緩釋肥較翻耕改善了土壤生態環境，促進了作物根系和地上部生長發育，表現出顯著的增產潛力，這些結果與前人的研究結論［26］一致。

在本研究中，玉米干物質積累量與籽粒產量呈極顯著正相關，特別是生理成熟期干物質積累與籽粒產量關系的相關系數大于吐絲期。綜上所述，生理成熟期干物質積累量對玉米產量的影響大于吐絲期前干物質積累對產量的影響，這一結論與前人研究結果不一致。相關研究表明，從拔節到吐絲階段是玉米吸收水分和養分最敏感的時期［28］，這可能是因為本研究關注的是玉米的產量，而前人的研究關注的是玉米的生長，也可能與干物質積累在吐絲和生理成熟過程中的重要作用有關。干物質積累和氮素吸收從營養器官向籽粒轉移的來源是拔節和吐絲期之間的干物質積累［29］。前人研究表明，植株氮素吸收與作物需水量之間存在高度相關性，植物氮素吸收與干物質積累之間也存在很強的相關性［30］。本研究結果表明，玉米籽粒產量與植株各器官氮素吸收量有較強的相關性（表6）。類似的結果表明，植株吸收和積累的氮越多，對籽粒產量的貢獻就越大［31］。植株氮素吸收與籽粒產量的相關系數隨營養器官的不同而不同，葉片和莖的相關系數高于穗軸（表6）。綜上所述，通過基因篩選，在玉米成熟前篩選出葉片和秸稈中氮吸收較高的基因型可能是一種新的途徑。

在本研究中，深松處理的氮肥利用率高于旋耕處理，并且同一耕作方式下，N4處理的氮肥利用率低于N3處理，但耕作方式與施氮量之間的互作效應顯著，可有效提高氮肥利用率。這與前人研究結果一致，說明深松可以在一定施氮范圍內減緩由于氮肥用量增加所引起的氮利用效率降低等問題。土壤微生物是土壤的重要特征，在土壤肥力和農業可持續發展中發揮著重要作用，被認為是影響土壤肥力和作物產量的決定性因素。本研究發現，植物各器官氮素吸收與土壤真菌數量呈顯著或極顯著相關。這可能與深松能提高土壤真菌數量，調控植物根系分泌物促進養分吸收和分子信號轉導有關［32］。深松處理的根際土壤微生物數量比旋耕處理的土壤微生物數量更活躍［33-34］。根際微生物對植物營養和作物生產更為重要，因為它們會分解土壤有機質，釋放可被植物吸收的無機氮、磷和硫［35］。植物根系與根際土壤微生物群落組成之間的關系仍然是研究的一個難點，因為在這個物理封閉、化學復雜和動態的微環境中很難精確量化。然而，了解這些機制對提高氮素吸收和利用具有重要意義。

耕作方式和施氮量不僅對玉米籽粒產量和氮素利用效率有顯著影響，而且對植株各器官氮素吸收也有顯著影響。深松能促進植株氮素吸收，增加玉米穗粒數，在施氮量相同的情況下，籽粒產量和氮肥利用率均較高。因此，從玉米產量和氮肥利用效率的綜合效益考慮，深松條件下配施氮肥用量180 kg/hm2對華北地區玉米農田具有顯著的增產穩產作用。

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