优化施氮对夏玉米产量及水氮利用的影响

李升东，冯波，韩伟，李文杰，李宗新，王宗帅，李华伟，毕香君，司纪升，张宾

（1.山东省农业科学院作物研究所，山东济南 250100；2.山东省农业技术推广总站，山东济南 250100；3.山东省农业科学院玉米研究所，山东 济南 250100）

玉米为中国的主要粮食作物，还是食品、饲料和工业等产业的重要原料，在保障国家粮食安全中占有重要地位［1，2］。现今，由于受农业从业人口素质和农田零碎度较高的影响，黄淮海地区作物生产过程中氮肥施用量变异较大［3］，农户主要通过增施肥料来提高产量，然而过量施肥不仅不能增产，而且形成农业面源污染，威胁生态环境，这与玉米生产的高产、优质、高效、生态、安全的发展方向不符，因而玉米合理施肥一直是研究热点之一［4］。

近几十年来，人们为了实现高产目标，在很大程度上过量施用化肥，加上施用不合理等问题，造成产量和效率的不协调发展，产量提升的同时肥料利用效率显著下降，甚至已对环境产生不良影响［5-7］。目前，世界范围内氮肥的平均利用率约为33%［8］。张福锁等［9］研究报道，我国主要农作物水稻、小麦、玉米的氮肥利用率远低于国际平均水平，其中玉米仅为26.1%。近年研究发现肥料运筹、种植密度、土壤条件以及其它农业管理均可以缩减产量差距，提升肥料利用效率［10-12］。通过优化施肥，能够在提高氮素利用效率的同时增加 13% ～15%的产量［13］。夏来坤等［14］研究表明，在氮肥管理策略上既要保证前期氮素供给、确保植株健壮生长，又要保证后期植株生长所需氮素。夏玉米拔节以后进入快速生长阶段，干物质积累加快，对氮肥的需求量较大。可见，合理的施肥技术，仍是提高作物产量的重要手段。

目前，对于夏玉米施肥技术的研究较多，但大多数局限于单季施氮量和栽培措施对作物生理特性及干物质积累的影响。而关于夏玉米氮肥施用方式对作物产量、氮肥偏生产力和水分利用率等综合影响的研究相对较少。因此，本研究以郑单958和登海618为试验材料，从夏玉米种植大省——山东省境内选取泰安和德州2个试验点，探究农户传统施氮（FN）、专家施氮（SN）和优化施氮（ON）3种施氮处理对夏玉米产量和水氮利用率的影响，以期为山东省夏玉米肥料的高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017—2018年分别在山东省泰安市岱岳区马庄镇和德州市农业科学研究院试验基地进行。供试土壤类型为棕壤，质地壤土，各试验点降水状况和土壤基础肥力见表1和表2。供试玉米品种为郑单958（ZD958）和登海605（DH605）。供试氮磷钾复合肥（N-P2O5-K2O＝26-11-11），简写为 FHF，含氮 26%；金正大缓控释肥（N-P2O5-K2O ＝28-12-10），简写为 JZD，含氮28%；普通尿素，简写为NS，含氮46%。

表1 生育期进程及降水状况

表2 两试验点土壤基础肥力状况

1.2 试验设计

各试验点采用单因素随机区组设计，每个试验点和品种均设置3种施氮处理：农户传统施氮（FN）、专家施氮（SN）和优化施氮（ON），具体施肥量见表3。施肥方式为根部滴灌，不施肥处理以清水进行滴灌，每处理重复3次。小区面积8.0m×4.5 m＝36 m2。播种和收获时间如表1，其它田间管理同当地大田生产。

表3 各处理施肥量 （kg／hm2）

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质累积量测定 在玉米大喇叭口期、授粉期和收获期，分别从每小区选取3～5株长势均匀的植株，放入105℃烘箱中杀青1 h，之后于80℃烘干至恒重，冷却后用电子天平称重，测定干物质含量。

1.3.2 叶面积指数测定 分别于大喇叭口期、授粉期、灌浆期和收获期每处理选取15株长势一致的代表性植株，测其叶片长和宽，计算叶面积指数。单株叶面积＝叶长×叶宽×0.75；LAI（叶面积指数）＝（单株叶面积×小区株数）／小区面积。

1.3.3 产量及其构成因素测定 玉米成熟后，按小区收获、测产，并随机选取20穗玉米考种，测定玉米群体穗数、穗粒数和千粒重。

玉米产量 （kg／hm2）＝公顷收获穗数 ×穗粒数 ×千粒重（g）×10-6×［1-子粒含水量（%）］／（1-14%）。

1.3.4 全生育期耗水量测定 根据下列公式［9］计算：

ETc＝P＋I＋ΔS-R-D 。

式中：ETc为作物腾发量即耗水量（mm）；P为降水量（mm）；I为全生育期灌水量（mm）；ΔS为0～100 cm土层播种前后土体贮水量的变化（mm）；R为地表径流量（mm）；D为深层渗漏量（mm）。本试验滴灌条件下不会形成地表径流，而且灌水定额较低，不会形成深层渗漏，因此R和D忽略不计。

相关指标计算［15］如下：

水分利用效率（kg／m3）＝产量／作物全生育期耗水量；氮肥偏生产力 （PFPN，kg／kg）＝玉米产量／施肥量。

1.4 数据统计与分析

采用 Microsoft Excel软件统计数据，利用SPSS 18.0软件对数据进行差异显著性分析，利用SigmaPlot13.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理玉米干物质积累的变化

由图1可知，泰安和德州两试验点不同氮肥处理玉米的干物质积累随着生育进程均呈现增长趋势，特别是授粉期至收获期增长最迅速。大喇叭口期，泰安专家施氮处理的干物质积累量最高，优于农户传统施氮和优化施氮处理，德州3个处理的干物质积累量基本相同；授粉期，泰安农户传统施氮和优化施氮处理的干物质积累要优于专家施氮处理，德州优化施氮处理干物质积累量最高，优于专家施氮和农户传统施氮处理；收获期，泰安和德州两地干物质积累量最高的均为优化施氮处理。玉米干物质积累最快的时间段是在授粉期与收获期之间，而在这一时期最利于干物质积累的是优化施氮处理，所以整体来看，优化施氮是玉米干物质积累的最优处理。

图1 不同氮肥处理玉米干物质积累的变化

2.2 不同氮肥处理玉米叶面积系数的变化

从图2可以看出，郑单958和登海605两个品种的叶面积系数整体变化比较相似，大喇叭口期叶面积系数最低，之后迅速增长，授粉期达到最高，收获期显著降低，但仍明显高于大喇叭口期。不同氮肥处理不同生育时期两品种的叶面积系数也有差异，DH605生育前期FN和SN处理叶面积系数高于ON处理，授粉期之后则表现为ON处理明显高于FN和SN处理；ZD958在生育前期3个处理的叶面积系数差异较小，授粉期后则表现为ON处理明显高于FN和SN。整个生育期看，优化施氮处理优于传统施氮和专家施氮处理。

图2 不同氮肥处理玉米叶面积系数的变化

2.3 不同氮肥处理玉米产量及其构成因素的变化

由表4看出，2017年两试验点不同品种的3个施氮处理中均为优化施氮处理（ON）产量最高，ON处理氮肥施用量最少，群体穗数和千粒重也最高。2018年泰安，郑单958专家施氮处理产量最高，但与ON处理差异不显著，群体穗数、穗粒数和千粒重也最高；登海605专家施氮和优化施氮处理产量基本一致，但优化施氮处理的群体穗数和千粒重优于专家施氮处理。2018年德州，郑单958优化施氮处理产量最高，但与SN处理差异不显著，群体穗数、穗粒数和千粒重也最高；登海605优化施氮处理产量最高，但3个处理间差异不显著。另外，试验中产量超过10 000 kg／hm2的3个处理都在德州，其中优化施氮处理占2／3，专家施氮处理占1／3。总体比较3个施氮处理的产量水平，优化施氮处理产量最高，两个品种平均比传统施氮处理高9.8%，比专家施氮处理高3.3%。

2.4 不同氮肥处理夏玉米水分利用率的变化

从图3可以看出，郑单958，泰安和德州两地都表现为优化施氮处理的水分利用率最高，其中泰安水分利用率最低的是农户传统施氮处理，德州水分利用率最低的是专家施氮处理。登海605，泰安和德州两地水分利用率最高的也都是优化施氮处理。郑单958的水分利用效率高于登海605，德州的水分利用率普遍高于泰安，优化施氮条件下郑单958在德州的水分利用率最高达21.4 kg／m3。总体来看，3个施氮处理中优化施氮处理水分利用效率最高，两个品种平均比农户传统施氮处理高12.0%，比专家施氮处理高8.3%。

表4 不同氮肥处理玉米产量及其构成因素的差异

2.5 不同氮肥处理夏玉米氮肥偏生产力的变化

由图4可知，郑单958，泰安和德州两地都表现为优化施氮处理氮肥偏生产力最高，农户传统施氮处理最低。登海605，泰安和德州两地氮肥偏生产力最高的也都是优化施氮处理。郑单958的氮肥偏生产力稍优于登海605，德州的氮肥偏生产力普遍高于泰安，优化施氮条件下郑单958在德州的氮肥偏生产力最高达66.7 kg／kg。总体来看，3个施氮处理中优化施氮处理的氮肥偏生产力最高，两个品种平均比传统施氮处理高31.0%，比专家施氮处理高24.0%。

图3 不同氮肥处理夏玉米水分利用效率的差异

图4 不同氮肥处理夏玉米氮肥偏生产力（PFPN）的差异

3 讨论与结论

氮素是植物必需的营养元素，对作物生长发育起关键性作用。研究表明，夏玉米生育期吸肥能力强，对肥料需求量大［2］，在一定范围内随施氮量的增加夏玉米干物质积累量增加，产量也随之增加［16］。大面积作物生产上，后期追施氮肥大多依据生产经验进行，缺少时效性和针对性，农民无法确定准确的追肥时期和追肥量［17］。因此，采用科学简便的施肥指导技术、合理运筹氮肥是实现玉米优质高效生产和减轻氮素环境污染的重要保障措施。杨国航等［18］研究表明，前期施肥能够促进营养库的建成，延后施肥对花后干物质积累有利，因此，合理平衡玉米前后期肥料的供应，才能发挥植株库容和供给源的潜力，构建良好的库／源比达到高产。吕鹏等［19］研究认为，综合考虑产量、植株和子粒对氮素的吸收利用及转运，采用分次施肥、灌浆期适量施氮可以显著提高产量和氮素利用率，促进花前氮素向子粒转运和花后子粒氮素同化。本研究发现，降低前期基肥投入，大喇叭口期和吐丝期分别追施尿素的优化施氮处理可以明显提高玉米产量、氮肥偏生产力、水分利用率、干物质积累和叶面积系数等。其具体施肥措施为：以氮磷钾复合肥（26-11-11）300 kg／hm2为基肥，大喇叭口期追施尿素75 kg／hm2，吐丝期追施尿素120 kg／hm2，总施氮量为168.0 kg／hm2。本研究中降低氮肥用量的基础与黄淮海地区农田土壤无机氮含量较高有关［20］，土壤内含有的无机氮足以供给玉米初期生长，而前期减少基肥用量，采用大喇叭口期和吐丝期追肥方式正好弥补土壤和基肥后期肥力不足问题，如果初期施氮过多，而此时玉米无法吸收，就造成肥料浪费。

不同施氮量对作物干物质积累、叶面积系数和产量等的影响不同。郭占全等［21］研究表明，氮肥可增加玉米植株的干物质积累量，但过量施氮则会抑制其干物质积累生成。王进军等［22］发现，氮肥可以通过延缓玉米叶片的衰老，进而提高叶面积指数，并且有助于玉米干物质的形成，而干物质正是影响产量的关键因素。吴亚男等［23］发现增施氮肥有利于提高叶面积，但氮肥过高则导致生育后期叶面积指数下降迅速，不利于干物质的积累。本研究发现，施氮量较少的优化施氮处理干物质积累、叶面积系数和产量等优于施氮量较多的农户传统施氮和专家施氮处理。这与前人研究相似，表明施氮量过多可能会抑制玉米的生长发育，从而降低产量。

追氮时期是决定作物产量和氮肥偏生产力的重要因素。易镇邪等［24］发现肥料氮主要在吐丝前发挥作用，基施氮主要在拔节至大喇叭口期发挥作用，追施氮主要在大喇叭口至吐丝期发挥作用，氮肥利用率随追施氮量增大而提高。孙燕等［25］研究发现，调整中后期施氮量，更有利于咖啡果的增产，氮肥过量在咖啡结束一个生长周期后带来的是氮素净损失，且施肥量越高损失越大。孙占祥等［26］研究发现，土壤剖面硝态氮含量的变化因施氮量和玉米生育时期的不同而表现出差异，过量施氮不但影响土壤中硝态氮累积量，也影响其移动深度。本研究发现前期减少基肥用量，采用大喇叭口期和吐丝期追肥方式，可以提高玉米产量和氮肥偏生产力。这与前人的研究相似，表明合理的后期追肥有利于玉米产量和氮肥偏生产力的提高。

另外，水分是作物生长发育的必要因素。施肥能提高土壤水分利用效率和保水力，提供植株更多的有效水［27］。而水分不足则会抑制植物根系的生长，降低根系的吸收面积和吸收能力，木质部液流粘滞性增大，从而降低养分的吸收和运输［28］，合理控制水肥用量，对指导作物生产具有重要的经济和生态意义［29］。本研究通过基施加大喇叭口期、吐丝期两次追施，实现氮肥供给与玉米生长发育的精准匹配，为玉米水肥一体化的精准投入和水肥管理技术的提高提供了参考。