黑龙江春玉米籽粒产量与氮素吸收变化特征

佟玉欣， 李玉影， 刘双全， 姬景红， 王 伟， 郑 雨

(1 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所， 黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室， 黑龙江省肥料工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨 150086； 2 中国农业大学资源与环境学院， 北京100083；3 沈阳农业大学土地与环境学院， 辽宁沈阳 110866)

从1985年以来，中国一直是全世界氮肥消费第一大国。2005年中国用占全世界9%的耕地消费了全球38%的氮肥[1]。尽管氮素消费如此巨大，但氮素需求与产量关系并没有被深入揭示。在生产上，推广技术人员和农民仍然认为更高的氮肥投入可以得到更高的产量，于是农民用过量的氮肥去追求更高的产量[2]。由于环境和经济因素(包括矿质燃料价格的上涨)的限制，未来应通过提高氮肥利用效率来提高粮食产量，而不是增加氮素的投入[3-6]。深入探讨氮素需求和籽粒产量之间的关系，有利于管理措施和农业政策的制定。

东北春玉米种植区是我国重要的商品粮生产基地，仅黑龙江省玉米总产量就达到2675.8万吨，占到了全国玉米总产量的13.8%[7]。近期，对于玉米氮素需求的研究大多集中于单个试验点数据。很少在大范围内针对籽粒产量和氮素需求关系进行调查[8-11]。近年来，关于氮素吸收的动态变化研究已有很多报道, 但主要集中在单一玉米品种的氮素积累动态变化规律的研究,而没有利用大量数据对玉米产量与吸氮量之间的关系进行深入的研究。同时，春玉米区不同熟期品种氮素吸收特性的报道并不多见。而且随着缓释肥工艺的发展以及农村劳动力的限制，采取一次性基施肥料(一炮轰) 的农户比例逐渐加大[12-13]。所以在施用缓释氮肥时，玉米产量与氮素吸收的关系需要进行深入探讨。本研究在黑龙江省广泛收集了大量的田间数据，产量从5.6 到12.2 t/hm2。本研究的关键问题是：1)量化黑龙江省玉米籽粒产量和氮素需求之间的关系； 2)评估玉米产量增加时每吨籽粒吸氮量的变化； 3)研究不同熟期品种玉米籽粒产量和氮素之间关系； 4)分析缓释尿素产量和氮素吸收之间关系。

1 材料与方法

1.1 数据收集

1.2 试验设计

试验一：2012年，不同玉米品种试验地点设在黑龙江省哈尔滨市民主乡国家级农业示范园区(126.85°E， 45.84°N)。播种时间为5月3日，收获时间为10月8日。播种密度为55000株/hm2，生育期降雨量为295 mm，无灌溉措施。晚熟玉米品种为先玉335和郑单958(活动积温>2600℃)；中熟品种为龙丹54和兴垦3(2500℃<活动积温<2600℃)；早熟品种为九龙13和龙丹65(活动积温<2500℃)。试验按随机区组排列，按照品种设6个处理3次重复。小区面积为40 m2。氮素总投入量为165 kg/hm2，其中66 kg基施，99 kg追施；磷肥(P2O5)总投入量为67.5 kg/hm2，钾肥(K2O)总投入量为82.5 kg/hm2。氮肥为尿素、磷肥为重过磷酸钙、钾肥为氯化钾。正常的杂草和虫害管理。

试验二：缓释氮肥试验，2011年设在黑龙江省宾县推广中心试验田(127.49°E, 45.77°N)，2012年设在哈尔滨市民主乡国家级农业示范园区(126.85°E, 45.84°N)。土壤类型均为黑土。2011年4月27日播种，9月26日收获。2012年5月4日播种，10月8日收获。2011年和2012年播种密度分别为50000株/hm2和55000株/hm2。生育期降雨量分别为284和295 mm，无灌溉。试验处理：不施肥(CK)、普通尿素基施(100%UB)、缓释尿素基施(100%CUB)、普通尿素40%基施60%追施(40%UB+60%UT)、40%普通尿素和60%缓释尿素基施(40%UB+60%CUB)。缓释尿素为树脂包膜工艺，含N 44%，美国加阳公司出品，普通尿素含N 46%；磷肥用重过磷酸钙(P2O546%)，钾肥用氯化钾(K2O 60%)。所有处理氮素用量为75 kg/hm2，按照处理分配基施和追施以及普通尿素和缓释尿素用量，磷素60 kg/hm2和钾素75 kg/hm2，全部基施。随机区组排列，三次重复。

1.3 样品采集及方法

计算方法：

收获指数(HI)=玉米籽粒产量/玉米地上部植株生物量

氮收获指数(NHI)=玉米籽粒吸N量/玉米地上部植株总吸N量

每吨籽粒吸氮量(kg/t)=(玉米籽粒吸N量+玉米秸秆吸N量)/产量

1.4 统计与分析

运用线性、二次方程、幂指数模型对玉米成熟期产量和地上部总氮素吸收量进行模拟。数据采用SPSS 16.0软件0.05水平Duncan法进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省玉米产量变化

近年来，随着高产杂交玉米品种的引进(先玉335、德美亚等)，以及施肥和农业措施的逐渐改进，黑龙江省玉米生产发生了剧烈的变化。由图1可知，玉米产量从2010年前的8.5 t/hm2(n=57)增长到2010后年的9.7 t/hm2(n=382)。其中主要原因之一就是收获指数逐年提高(图2)，从2010年前的0.43增加到2010年后的0.48。说明由于玉米品种养分分配基因差异，导致现代品种的收获指数更高，在生殖生长过程中的养分需求更高。有研究认为，不同玉米品种养分分配存在明显的基因型差异，这种差异主要来自于吐丝后氮积累量，吐丝后养分向籽粒的转运量明显增加，与籽粒干物质增加量密切相关[14-18]。因此，为了达到更高的产量，应重视花后养分的充分供应。

图1 黑龙江省玉米产量(n=439)Fig.1 Maize yield in Heilongjiang Province

图2 黑龙江省玉米收获指数与产量的关系(n=439)Fig.2 Relationship between harvest index and yield of maize in Heilongjiang Province

2.2 黑龙江省玉米氮素吸收与籽粒产量

图3 收获期籽粒产量与地上部氮素吸收的关系 (n=439)Fig.3 Relationship between grain yield and above-ground N uptake

图4 收获期不同产量范围的的每吨籽粒吸氮量(n=439)Fig.4 N requirement per ton of grain yield under different maize yield ranges

图5 不同产量水平玉米籽粒氮浓度、秸秆氮浓度、收获指数和氮收获指数(n=439)Fig.5 The N contents in grain and straw, the harvest index (HI) and the N harvest index (NHI) of maize with different yield levels

2.3 黑龙江省不同熟期玉米的籽粒产量与吸氮关系

收获指数与产量呈相同的上升趋势，从久龙13的0.47增加到先玉335的0.51，相反，籽粒氮浓度则从久龙13的16.3 g/kg降低到先玉335的9.7 g/kg。秸秆氮浓度从早熟品种久龙13的9.1 g/kg降低到晚熟品种先玉335的7.1 g/kg，但是郑单958是个例外。本研究中籽粒氮浓度的下降导致每吨籽粒吸氮量的降低。也是在晚熟品种产量提高的同时，总吸氮量反而下降的主要原因[21,28]。本结论与其他研究者的结论一致，如现代玉米产量的增加伴随着籽粒质量的下降[4]，及籽粒氮浓度的稀释比产量增长的速度还要快[4,22]。

表1 不同熟期玉米品种产量、氮素营养特性以及收获指数

2.4 黑龙江省玉米氮素吸收与氮素管理

通过宾县和哈尔滨市民主乡两点的试验(表2)可以看出，尿素40%基施60%追施(40%UB+60%UT)的产量和尿素40%缓释尿素60%基施处理(40%UB+60%CUB)的产量并没有明显的差异，但是这两个处理的产量要显著高于不施氮肥处理(CK)、尿素100%基施(100%UB)、缓释尿素100%基施(100%CUB)。尿素40%基施60%追施的秸秆和籽粒氮浓度和尿素40%缓释尿素60%基施处理之间的差异不显著，但都高于其他三个处理。说明尿素与缓释尿素混合基施可以达到追施尿素相同的效果，提高植株和籽粒的氮含量，从而提高产量，节省追肥成本。籽粒和秸秆氮浓度的提高最终导致了尿素40%基施60%追施处理和尿素40%缓释尿素60%基施处理的每吨籽粒吸氮量高于其它三个处理。以往的报道也表明，施用缓释肥能显著增加玉米的产量, 较常规施肥增产3.38%、 18.30%[22-23]。

表2 缓释尿素对玉米的产量、每吨籽粒吸氮量、秸秆和籽粒的氮浓度的影响

尿素基施以后，淋洗和挥发的现象严重，导致玉米生长中后期阶段没有足够的氮肥供应。缓释肥全部基施时产量反而下降，可能是由于黑龙江省春季低温，缓释肥的释放需要一定的时间, 造成玉米生育前期短时脱肥, 而生育后期氮素供应过于充盈, 又造成贪青晚熟[24]。在实际生产中为了延缓叶片的衰老，经常施用过量的氮肥来保障产量的提高，尤其是在高产杂交玉米的生产过程中[25-26]。但是氮肥的过量施用不仅降低了氮素效率，而且导致很多地区环境的恶化[6]。本项研究结果表明，结合尿素和控释尿素基施效果较好，达到了追肥相同的效果。可以协调整个生育期氮素的养分供应，在整个生育期能促进玉米对氮素的吸收利用，有利于籽粒灌浆，提高产量，能保持较高的干物质积累，显著提高氮素吸收效率，节省劳动成本[27]。

3 讨论

很多研究量化了籽粒氮素的运移[28]，模拟了作物生物量增加时植株中养分浓度的临界值[29]，而不同环境、品种和氮素管理对籽粒产量与氮素需求关系也产生了不同影响[30]。例如，美国的玉米籽粒中的氮浓度为13.3 g/kg[11]，中国为12.8 g/kg[11]。与老玉米品种相比，相同产量的新品种对氮素需求更低，因此，应该根据新品种的氮素需求来施肥，而不是施用过量的氮肥[31]。在调查中黑龙江省每吨籽粒吸氮量平均为16.7 kg，低于全国的21 kg[26]和中国北方地区的17.4 kg[32]，是因为黑龙江省高产玉米籽粒产量9.5 t/hm2、HI 47.2%、籽粒氮含量10.7 g/kg和秸秆氮含量6.5 g/kg，均低于中国北方的籽粒产量11.1 t/hm2、HI 51%、籽粒氮含量12.5 g/kg和秸秆氮含量8.0 g/kg[32]。

不同玉米基因型在吸收利用氮素方面存在极大差异,不同品种对增施氮肥的反应有显著差异,植株体内氮素的分配与利用也有明显差异[33-35]。本研究中晚熟品种的产量高于早熟品种，但差异不显著。在黑龙江省，生育期积温的逐年增加，导致早熟品种的生育期缩短，减少了作物的光合吸收时间，减少了光合物质的积累[32]。

充足的养分供应是玉米获得高产的关键[36-37]。氮素通过影响叶面积和单位叶面积氮含量来控制植株的干物质总量。氮吸收的减少，尤其是在灌浆期加速了氮素从叶片转移到秸秆中，造成叶片的衰老和籽粒的减产，此时期增加氮肥投入可有效地延长光合作用和后期的氮素吸收[38-40]。在实际生产中，过量的氮肥投入就是为了延缓叶片的衰老和增加后期的籽粒产量，实现超高产[41]。在高产体系中，氮肥一次性基施均会造成土壤残留硝态氮向下淋失，降低肥料利用率，增加环境负担[42]。而缓释氮素释放较平稳，对土壤速效氮向下运移的控制较好，有利于减少氮素潜在的淋洗损失[43]。缓释尿素与普通尿素配合追施,可以实现肥料间肥效的有效接力,达到缓急相济,优势互补,平衡供肥的目的[27]。由于本试验是对黑龙江省玉米氮素吸收与产量关系进行的补充，没有对玉米各生育期氮素吸收规律进行深入探讨，以后的试验设计建议增加不同生育时期的氮素测定，以使数据更加完备。

4 结论

2)早熟品种的产量低于中熟品种和晚熟品种，但早熟品种每吨籽粒吸氮量高于中晚熟品种。晚熟品种的种植面积扩大是导致黑龙江省玉米总体收获指数逐渐提高，籽粒氮浓度相对下降的原因之一。

3)缓释尿素与尿素配合基施可以达到追施尿素相同的效果。

参考文献:

[1] FAO. FAOSTAT-Agriculture database[EB/OL]. http://faostat.fao.org/, 2006.

[2] Cui Z L, Zhang F S, Chen X Petal. In-season nitrogen management strategy for winter wheat:maximizing yields, minimizing environmental impact in an over-fertilization context[J]. Field Crops Research, 2010, 116:140-146.

[3] Matson P A, Parton W J, Power M Jetal. Agricultural intensification and ecosystem properties[J]. Science, 1997, 277:504-509.

[4] Duvick D N, Cassman K G. Post-green revolution trends in yield potential of temperate maize in the North-Central United States[J]. Crop Science, 1999, 39:1622-1630.

[5] Tilman D, Cassman K G, Matson P Aetal. Agricultural sustainability and intensive production practices[J]. Nature, 2002, 418:671-677.

[6] Chen X P, Zhang F S, Cui Z Letal. Critical grain and stover nitrogen concentrations at harvest for summer maize production in China[J]. Agronomy Journal, 2010, 102:289-295.

[7] 中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社, 2012.

Ministry of Agriculture of China. China agriculture yearbook[M].Beijing:China Agriculture Press, 2012.

[8] Janssen B H, Guiking F C T, Van der Eijk Detal. A system for quantitative evaluation of the fertility of tropical soils (QUEFTS)[J]. Geoderma, 1990, 46:299-318.

[9] Van Duivenbooden N, de Wit C T, Van Keulen H. Nitrogen, phosphorus and potassium relations in five major cereals reviewed in respect to fertilizer recommendations using simulation modeling[J]. Fertilizer Research, 1996, 44:37-49.

[10] Liu M Q, Yu Z R, Liu Y Hetal. Fertilizer requirements for wheat and maize in China:the QUEFTS approach[J]. Nutrition Cycle in Agroecosystem, 2006, 74:245-258.

[11] Setiyono T D, Walters D T, Cassman K G,etal. Estimating maize nutrient uptake requirements[J]. Field Crops Research, 2010, 118:158-168.

[12] 张福锁, 张卫峰, 马文奇.中国化肥产业技术与展望[M].北京:化学工业出版社, 2007.

Zhang F S, Zhang W F, Ma W Q. Fertilizer technology and development in China[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2007.

[13] 高强, 李德忠, 黄立华, 等.吉林玉米带玉米一次性施肥现状调查分析[J].吉林农业大学学报, 2008, 30(3):301-305.

Gao Q, Li D Z, Huang L Hetal. Investigation of present situation on single fertilization for maize in Jilin maize belt[J].Journal of Jilin Agricultural University, 2008, 30(3):301-305.

[14] 春亮, 陈范骏, 张福锁, 米国华.不同氮效率玉米杂交种的根系生长、氮素吸收与产量形成[J].植物营养与肥料学报, 2005, 11(5):615-619.

Chun L, Chen F J, Zhang F S, Mi G H. Root growth, nitrogen uptake and yield formation of hybrid maize with different N efficiency[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11(5):615-619.

[15] Kanara A Y, Menkir A, Ajala S Oetal. Performance of diverse maize genotypes under nitrogen deficiency in the northern guinea savanna of Nigeria[J].Experiental Agriculture, 2005, 41:199-212.

[16] 刘建安, 米国华, 张福锁.不同基因型玉米氮效率差异的比较研究[J].农业生物技术学报, 1999, 7(3):248-254.

Liu J A, Mi G H, Zhang F S.Difference in nitrogen efficiency among maize genotypes[J].Jouuranl of Agricultural Biotechnology, 1999. 7(3):248-254.

[17] 王空军, 张吉旺, 郭玉秋, 等. 我国北方玉米品种个体产量潜力与氮素利用效率研究[J]. 应用生态学报, 2005, 16(5):879-894.

Wang K J, Zhang J W, Guo Y Qetal. Individual grain yield potential and nitrogen utilization efficiency of Zea mays cultivars widely planted in North China[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(5):879-894.

[18] 张宽, 王秀芳, 吴巍, 等. 玉米喜肥能力与喜肥程度对化肥效应的影响及其分级[J].玉米科学, 1999, 7(1):65-71.

Zhang K, Wang X F, Wu Wetal. Classification of maize nitrogen fertility[J]. Journal of Maize Sciences, 1999, 7(1):65-71.

[19] 蔡红光, 张秀芝, 任军, 等. 不同品种氮素积累量及转移的基因型差异[J]. 玉米科学, 2011,19(6)：49-52.

Cai H G, Zhang X Z, Ren Jetal. Genotype difference of nitrogen accumulation and translocation between the cultivars with different nitrogen efficiency[J]. Journal of Maize Sciences, 2011, 19(6):49-52.

[20] 王秀芬, 杨艳昭, 尤飞. 近30年来黑龙江省气候变化特征分析[J].中国农业气象, 2011, 32(增1):28-32.

Wang X F, Yang Y Z, You F. Analysis on characteristics of climate change in recent 30 years in Heilongjiang Province[J]Chinese Journal of Agrometeorology, 2011, 32(Suppl. 1):28-32.

[21] Rajcan I, Tollenaar M. Source:sink ratio and leaf sensacence in maize:I. Dry matter accumulation and partitioning during grain filling[J]. Field Crops Research, 1999, 60:245-253.

[22] 卢艳丽, 白由路, 王磊, 等.华北小麦-玉米轮作区缓控释肥应用效果分析[J]. 植物营养与肥料学报,2011, 17(1):209- 215.

Lu Y L, Bai Y L, Wang Letal. Efficiency analysis of slow/controlled release fertilizer on wheat-maize in North China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1):209-215.

[23] 李伟, 李絮花, 李海燕, 等.控释肥对夏玉米产量和氮素积累与分配的影响[J]. 作物学报, 2012, 38(4):699-706.

Li W, Li X H, Li H Yetal. Effects of controlled-release fertilizer on yield and nitrogen accumulation and distribution in summer maize[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(4):699-706.

[24] 吕娇, 李淑敏, 潘明阳, 等.不同包膜控释氮肥对玉米氮素吸收和产量的影响[J].天津农业科学, 2012, 18(1)：46-50.

LV J, Li S M, Pan M Yetal. Effect of different controlled-release N fertilizers on nitrogen absorption and yield of maize[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2012, 18(1):46-50.

[25] Chen G P, Zhao J R, Zhang J Wetal. Studies on the cultivation technique for the highest yield spring maize[J].Corn Science, 1995, 3, 26-30.

[26] Huang Z X, Wang Y J, Wang K Jetal. Photosynthetic characteristics during grain filling stage of summer maize hybrids with high yield potential of 15,000 kg/ha[J]. Scientia Agriculturea Sinica, 2007, 40:1898-1906.

[27] 李伟, 李絮花, 李海燕, 等. 控释尿素与普通尿素混施对夏玉米产量和氮肥效率的影响[J].作物学报, 2012, 38(4):699-706.

Li W, Li X H, Li H Yetal. Effects of different mixing rates of controlled-release urea and common urea on grain yield and nitrogen use efficiency of summer maize[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(4):699-706.

[28] Heckman J R, Sims J T, Beegle D Betal. Nutrient removal by corn grain harvest[J]. Agronomy Journal, 2003, 95 ∶587-591.

[29] Greenwood D, Neeteson J, Draycott A. Quantitative relationships for the dependence of growth rate of arable crops on their nitrogen content, dry weight and aerial environment[J]. Plant and Soil, 1986, 91:281-301.

[30] Liu J, Liu H, Huang S Metal. Nitrogen efficiency in long-term wheat-maize cropping systems under diverse field sites in China[J]. Field Crops Research, 2010, 118:145-151.

[31] 钱春荣, 于洋, 宫秀杰, 等.黑龙江省不同年代玉米杂交种产量对种植密度和施氮水平的响应[J].作物学报, 2012, 38(10):1864-1874.

Qian C R, Yu Y, Gong X Jetal. Response of grain yield to plant density and nitrogen application rate for maize hybrids released from different years in Heilongjiang Province[J].Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(10):1864-1874.

[32] Peng H, Qiang G, Ruizhi Xetal. Grain yields in relation to N requirement:Optimizing nitrogen management for spring maize grown in China[J]. Field Crops Research, 2012, 129:1-6.

[33] Sinebo W, Gretzmacher R, Edelbauer A. Genotypic variation for nitrogen use efficiency in Ethiopian barley[J]. Field Crops Research, 2004, 85(1):43-60.

[34] Le Gouis J, Béghin D, Heumez Eetal. Genetic differences for nitrogen uptake and nitrogen utilization efficiencies in winter wheat[J]. European Journal of Agronomy, 2000, 12(3/4):163-173.

[35] Moll R H, Kamprath E J, Jackson W A. Analysis and interpretation of factors which contribute to efficiency of nitrogen utilization[J]. Agronomy Journal, 1982, 74:562-564.

[36] 何萍, 金继运, 林葆.玉米高产施肥营养生理研究进展[J]. 玉米科学, 1998, 6(2):72-76.

He P, Jin J Y, Lin B. Study progress on maize high yield fertilization and nutrition physiological[J].Journal of Maize Sciences, 1998, 6(2):72-76.

[37] 何萍, 金继运, 林葆, 等. 不同氮、磷、钾用量下春玉米生物产量及其组分动态与养分吸收模式研究[J]. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(2):123-130.

He P, Jin J Y, Lin B.Dynamics of biomass and its components and models of nutrients absorption by spring maize under different nitrogen, phosphorous and potassium application rates[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1998, 4(2):123-130.

[38] Wada Y, Miura K, Watanabe K. Effect of source-to-sink ratio on carbohydrate production and senescence of rice flag leaves during the ripening period[J]. Japan Journal of Crop Sciences, 1993, 62:547-553.

[39] Moll R H, Jackson W A, Mikkelsen R L. Recurrent selection for maize grain yield:dry matter and nitrogen accumulation and partitioning changes[J]. Crop Science, 1994, 34:874-881.

[40] Ding L, Wang K J, Jiang G Metal. Post-anthesis changes in photosynthetic traits of maize hybrids released in different years[J]. Field Crops Research, 2005, 93:108-115.

[41] Chen X P, Cui Z L, Vitousek P Metal. Integrated soil-crop system management for food security[J]. Proceeding of National Academy of Sciences, 2011, 108:6399-6404.

[42] 刘占军, 谢佳贵, 张宽, 等. 不同氮肥管理对吉林春玉米生长发育和养分吸收的影响[J].植物营养与肥料学报, 2011, 17(1):38-47.

Liu Z J, Xie J G, Zhang Ketal. Maize growth and nutrient uptake as influenced by nitrogen management in Jilin Province[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1):38-47.

[43] 易镇邪, 王璞. 包膜复合肥对夏玉米产量、氮肥利用率与土壤速效氮的影响[J].植物营养与肥料学报, 2007, 13(2):242-247.

Yi Z X, Wang P.Effect of coated compound fertilizer on yield, nitrogen use efficiency and soil available nitrogen in summer maize[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(2):242-247.