不同覆盖方式下减氮对玉米生长与氮素吸收、运转和分配的影响

郭 萍，王子豪，刘斌祥，孔凡磊，袁继超*

（1.四川农业大学农学院，四川 温江 611130；2.益阳市农业科学研究所，湖南 益阳 413000）

玉米（Zea mays）是我国第二大作物，是重要的粮、经、饲和工业原料作物［1］，随畜牧业、深加工业和其他行业的创新和发展，玉米用途不断扩大，需求持续增加，在农业生产和国民经济发展中占有越来越重要的地位［2］，如何保证玉米的高产稳产显得至关重要［3］。由于近年来耕地面积不断下降，玉米产量增加的瓶颈现象出现，在生产上农民为了进一步提高产量而采用大量施肥的应对措施，特别是重施氮肥［4］。然而，过量施用氮肥在增加玉米产量的同时，也带来了巨大的经济损失和环境污染问题，比如温室效应、水体富营养化、土壤板结、地下水污染等［5-6］已经成为农业可持续发展的严重障碍，同时危害人体健康和生存环境［4，7-9］。此外，由于氮肥的过量施用，我国生产上氮肥利用率相对偏低，仅为30%～40%，低于世界平均氮肥利用率（40%～60%）［10］。地膜覆盖和秸秆覆盖是旱作地区运用较多的抗旱栽培技术，利用水肥耦合效应，通过覆盖栽培来缓解氮肥过量施用现状和维持高产存在一定可能，研究表明，地膜覆盖和秸秆覆盖均能减少土地水分蒸发消耗［11-16］，改善土壤理化性质［17-19］，促进养分吸收［20-22］，最终提高氮肥利用率［20，22-23］、干 物质［24-26］和产量［13，27-29］。前人集中研究了不同覆盖方式对玉米生长、养分吸收、产量以及土壤温度和水分的影响，而不同覆盖方式下玉米氮素吸收、运转和分配的研究却很少，更缺少针对减氮增效的系统研究。为此，本研究以常规不覆盖栽培为对照，研究不同覆盖方式和氮肥水平对土壤水分、全氮和玉米生长与氮素吸收、转运、分配及产量的影响，以期为玉米高产和减氮增效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016～2017年在四川省德阳市中江县合兴乡新建村进行。试验点（东经104.628°，北纬30.9549°）属于亚热带季风性气候区，夏季高温多雨，降水集中，2017年玉米生育期的气温、降水量见图1。本试验为夏播，试验地土壤为紫色黏质土，pH为7.55，有机质9.20 g/kg、全氮1.07 g/kg、碱解氮32.89 mg/kg、速效钾131.03 mg/kg、有效磷3.86 mg/kg。

1.2 试验设计

采用氮肥水平×覆盖方式二因素随机区组设计，氮肥水平设置3个水平，分别为常规施氮（N10，2016年纯氮用量270 kg/hm2，2017年纯氮用 量300 kg/hm2）、减 氮20%（N8）、减 氮40%（N6）；覆盖方式设置3种类型，分别为地膜覆盖（DM）、秸秆覆盖（JG）、无覆盖（NO）；以不施氮肥无覆膜为对照（CK），共10个处理。小区位置和面积固定，3次重复，共30个小区，小区面积19.2 m2（长6 m，宽3.2 m）。

地膜覆盖采用黑色农用地膜，厚度为0.08 mm；秸秆覆盖采用小麦秸秆整杆，用量为2.80×103kg/hm2。玉米品种为当地主推的正红505，5月15日起垄覆盖后直播，采用宽窄行种植，宽行1.1 m，窄行0.5 m，株距为25 cm，种植密度约50000株/hm2，8月27日收获。所有试验处理均施氯化钾（K2O 60%）150 kg/hm2、过磷酸钙（P2O512%）600 kg/hm2作底肥，氮肥（普通尿素，N 46%）用量按试验方案进行，基肥∶追肥=6∶4，分别于播种前和大喇叭口期施用。除播前灌足底水外，整个生育期不灌水；其他田间管理同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分

于玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期，每小区选取3点，采用土钻垂直取0～20、20～40 cm土层土壤，利用铝盒烘干法测定各土层土壤水分。

1.3.2 土壤全氮含量

于玉米大喇叭口期和成熟期，每小区选取3点，采用土钻垂直取0～20、20～40 cm土层土壤，室内风干去杂质，研磨粉碎后过0.25 mm筛，利用凯氏定氮法测定各土层土壤全氮含量。

1.3.3 农艺性状

于玉米吐丝期，每小区选取有代表性植株4株，测定每株叶面积和茎粗，按照公式计算叶面积（叶面积=长×宽×0.75）；大田测定每小区全区株高和穗位高。

1.3.4 植株干物质重和全氮含量

于玉米吐丝期和成熟期，每小区选取有代表性植株4株，按茎鞘、叶片、雌穗（成熟时分为籽粒、穗轴）和苞叶进行分样，105℃杀青30 min后，80℃烘至恒重，测定植株干物质重，然后样品粉碎过0.25～0.149 mm筛，采用凯氏定氮法测定其全氮含量。

按如下公式计算氮素运转和利用效率：

茎鞘（叶）氮素转运量=吐丝期茎鞘（叶）氮素积累量-成熟期茎鞘（叶）氮素积累量；

茎鞘（叶）氮素转运率（%）=茎鞘（叶）氮素转运量/吐丝期茎鞘（叶）氮素积累量×100；

茎鞘（叶）氮素转移贡献率（%）=茎鞘（叶）氮素转运量/成熟期籽粒氮积累量×100；

氮素收获指数（%）=籽粒氮积累量/植株总吸氮量×100；

氮素干物质生产效率（kg/kg）=成熟期玉米地上部分干物重/氮素积累总量；

氮肥偏生产力（kg/kg）=籽粒产量/施氮量；氮农学利用率（kg/kg）=（施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量）/施氮量。

1.3.5 考种与计产

玉米成熟后，全小区调查有效穗数，并按照平均穗重法选取20穗考种（穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数、千粒重），然后分小区实收计产。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件处理数据与作图，DPS 7.05软件进行统计分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 覆盖方式和氮肥水平对土壤水分与全氮含量的影响

2.1.1 对土壤水分的影响

由图2可看出，随生育期的推进，各土层土壤水分总体呈先降低后升高的趋势，大喇叭口期后，土壤水分均较低，这与该时间段少雨干旱天气有关。

不同玉米生育时期各处理平均值的土壤水分总体表现为：各土层下，秸秆覆盖＞地膜覆盖，差异均达显著水平；不覆盖处理20～40 cm土层的含水量显著高于其他处理，0～20 cm土层显著低于其他处理；说明覆盖处理有利于减少土壤水分向下流失，提高0～20 cm耕层土壤的含水量。

不同氮肥水平下，各生育期0～20 cm土层土壤水分以秸秆覆盖较高；20～40 cm土层土壤水分大喇叭口期以秸秆覆盖最高，吐丝期以不覆盖处理最高，这可能是吐丝后，由于天气原因导致覆盖处理将水分更多截留在浅层土。

2.1.2 对土壤全氮含量的影响

由表1可以看出，大喇叭口期和成熟期土壤0～20 cm土层的全氮含量均显著高于20～40 cm，分别高21.59%、44.22%，表明土壤全氮有表层富集化的趋势。氮肥水平、覆盖方式对各时期土壤全氮含量有显著影响，而且二者之间存在显著互作效应。在大喇叭口期和成熟期，土壤全氮含量随氮肥水平的增加而呈增加趋势，尤其是大喇叭口期和0～20 cm土层，表明表层土壤和生育前中期土壤全氮含量受氮肥水平的影响更大。在减氮20%条件下，覆盖有提高土壤全氮含量的趋势，尤其是0～20 cm土层和大喇叭口期；在减氮40%条件下，秸秆覆盖有降低深层土壤（20～40 cm）全氮含量的趋势，导致土壤全氮的表层化。

表1 不同氮肥水平和覆盖方式对土壤全氮含量的影响（2017年）

2.2 覆盖方式和氮肥水平对农艺性状与干物质积累的影响

2.2.1 对农艺性状的影响

由表2可知，施用氮肥能改善玉米农艺性状。氮肥水平和覆盖方式对单株叶面积的影响达极显著水平，2017年氮肥水平和覆盖方式及二者的交互作用对株高和茎粗均有显著或极显著的影响。随着氮肥水平的提高，玉米茎粗和单株叶面积增加，与减氮40%处理相比，常规施氮处理的两年平均值分别提高了10.83%、16.83%，减氮20%处理分别提高了11.42%、9.14%。覆盖处理可在一定程度上增加玉米的农艺性状，2017年减氮20%下覆盖处理单株叶面积与常规施肥下各处理无显著差异，以地膜覆盖的作用更强，其株高和茎粗显著高于同氮肥水平下的无覆盖处理，且与常规施肥下各处理无显著差异。可见，氮肥水平和地膜覆盖能促进玉米植株生长繁茂，为物质积累提供良好的“存储空间”。

2.2.2 对单株干物质积累的影响

由图3可知，氮肥水平和覆盖方式对玉米吐丝期和成熟期的干物质积累均有显著影响。总体而言，增施氮肥可以促进玉米生长，增加其干物质积累，尤其是2016年的成熟期，与不施氮肥相比，2016年吐丝期和成熟期全氮即常规施氮处理的单株干物质积累量分别提高22.8%和125.8%，2017年相应提高37.9%和52.8%。地膜覆盖在各氮肥水平下均有促进玉米生长、增加其干物质积累的作用，尤以减氮40%条件下的成熟期提高幅度最大；秸秆覆盖对吐丝期干物质积累无显著影响，但在减氮40%条件下有提高成熟期干物质积累的趋势。

表2 不同氮肥水平和覆盖方式对玉米吐丝期农艺性状的影响

2.3 覆盖方式和氮肥水平对玉米氮素积累、运转和分配的影响

2.3.1 对氮素积累的影响

由图4可知，氮肥水平和覆盖方式可促进玉米对氮素的吸收积累，最终对籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量产生显著影响。随着氮肥水平的提高，籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量呈增加的趋势。覆盖处理能不同程度地提高籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量，其中以地膜覆盖处理效果最佳。减氮40%下地膜覆盖处理的籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量均显著高于无覆盖处理；减氮20%下各处理间无显著差异，但地膜覆盖处理最高；常规施氮下地膜覆盖处理最高，秸秆覆盖处理其次。可见，氮肥水平和地膜覆盖均能增加玉米对氮素的吸收积累，进而提高籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量。

2.3.2 对各器官氮素运转与分配的影响

由表3可见，玉米吐丝后茎叶的氮素逐渐向籽粒转移，其中叶的氮素运转量、运转率略高于茎，至成熟期氮素分配百分比表现为籽粒＞茎＞叶＞穗轴+苞叶（图5）。不同覆盖方式平均，常规施氮和减氮20%处理茎和叶的氮素运转量比减氮40%处理分别高55.91%、41.08%和37.45%、16.94%，穗氮素增加量分别高69.30%、82.02%，氮素供应不足会降低玉米茎叶的氮素转移率，以维持其正常生理活动。至成熟时，玉米茎鞘的氮素分配百分比表现为常规施氮＞减氮20%＞减氮40%，叶片表现为减氮40%＞减氮20%＞常规施氮，穗轴+苞叶表现为常规施氮＞减氮40%＞减氮20%，籽粒表现为减氮20%＞减氮40%＞常规施氮，籽粒的分配比例在66%～68%之间（图5）。

不同氮肥水平平均，地膜覆盖处理茎鞘和叶片的氮素运转量显著高于秸秆覆盖和无覆盖处理，分别高34.19%、36.61%和20.88%、25.97%，穗氮素增加量分别高29.44%、65.18%。至成熟时，茎鞘的氮素分配百分比表现为秸秆覆盖＞地膜覆盖＞无覆盖，叶片和穗轴+苞叶均表现为秸秆覆盖＞无覆盖＞地膜覆盖，籽粒表现为地膜覆盖＞无覆盖＞秸秆覆盖，籽粒的分配比例在65%～68%之间。从以上结果可以看出，覆盖方式和氮肥水平能够协同作用调节氮素运转、分配，地膜覆盖下较高氮肥水平有利于提高茎和叶氮素的运转量，提高氮素运转效率，进而促进穗部氮素的增加，来增加籽粒的分配比例，说明适宜的氮肥水平能促进“源”向“库”的运输，这可能与吐丝前氮素的吸收有关。吐丝后至成熟期穗部氮素的增加可能主要来源于植株各器官氮素的运转和分配。而秸秆覆盖下高氮肥水平虽然有利于提高茎和叶氮素的运转量，促进穗部氮素的增加，但氮素运转效率较低，籽粒的分配比例较低，这可能与吐丝后植株对氮素的吸收有关。氮肥水平和覆盖方式在茎的氮素运转量和运转效率上存在显著或极显著的交互效应，地膜覆盖和减氮20%运筹下，茎的氮素运转量显著最高，氮素运转效率和贡献率较高。

2.3.3 对氮素生产和利用效率的影响

由表4可见，不同氮肥水平和覆盖方式能影响氮素生产和利用效率，2016年氮肥水平和覆盖方式对氮干物质生产效率和氮肥偏生产力均有显著或极显著的影响，2017年氮肥水平对氮肥偏生产力有极显著的影响。不同覆盖方式平均，随氮肥水平的增加，氮收获指数、氮干物质生产效率、氮肥偏生产力和氮农学利用率均表现为降低趋势。不同氮肥水平平均，氮收获指数、氮肥偏生产力和氮农学利用率总体表现为地膜覆盖处理较高，与无覆盖处理相比，两年平均分别高2.74%、11.19%和23.25%。由于地膜覆盖促进了植株氮素吸收和向穗部转运，氮素积累总量和籽粒含氮量均较大（图4），因此氮干物质生产效率相对较低，氮收获指数较高。而秸秆覆盖虽然在玉米生育中后期促进了植株氮素的吸收，但生物量和氮素向籽粒转运的效率均较低，导致氮收获指数和氮干物质生产效率偏低。

表4 不同氮肥水平和覆盖方式对氮效率的影响

2.4 产量及产量构成

由表5可以看出，氮肥水平和覆盖方式因在一定程度上影响了玉米的穗长、穗粗、穗粒数和百粒重等穗部性状而影响玉米籽粒产量。总体而言，玉米籽粒产量随氮肥水平的提高而增加，但增产的幅度逐渐降低甚至不增加，两年趋势一致，其中2016年的效果更明显，这与2016年前期雨水少、干旱较重有关。在减氮条件下进行覆盖，尤其是2016年的地膜覆盖具有显著的增产效果，在低氮条件下秸秆覆盖有一定增产效果，但在高氮条件下因影响苗期生长而导致减产；两年的试验中，在减氮20%条件覆盖地膜处理的产量均达到了正常氮肥水平下不覆盖处理的产量，表明地膜覆盖可减氮20%。

3 讨论

3.1 不同覆盖方式下减氮对土壤水分和全氮含量的影响

水分与氮肥是玉米生长发育中至关重要的两个因素。适宜水分能帮助氮肥矿化固定，促进作物对氮的吸收；氮肥可提高水分利用率，并减少水分散失［30-33］。本试验结果与前人研究一致，覆盖处理和较高的氮肥水平均能增加耕层土壤水分含量，0～20 cm土层以秸秆覆盖处理效果最好，这是由于秸秆对降雨的入渗率较高，且保墒抑蒸效果较好，能够截留较多水分于土壤表层，对干旱的应对效果较强；而地膜覆盖处理由于透水性差，虽然保墒抑蒸效果好于秸秆覆盖，但是对水分的入渗积累效果较差，导致土壤水分含量增加效果不如秸秆覆盖。覆盖处理可以减少土壤耕层养分的损失［21］，较高氮肥水平下，覆盖处理增加0～40 cm土层全氮含量，常规施氮条件下秸秆覆盖处理的效果最好，而减氮20%条件下地膜覆盖效果最好，表明与地膜覆盖相比，秸秆覆盖对土壤氮素的增加效果需要更高的氮肥水平才能强化。减氮20%条件下，覆盖处理对0～20 cm土层全氮含量的增加效果明显，这可能是因为覆盖处理的保墒抑蒸效果导致更多的氮素集中在土壤表层所致。较高氮肥水平下覆盖处理的土壤水分及全氮含量都较高，说明覆盖处理提高了土壤水分，帮助氮肥固定，进而促进植株对氮素的吸收积累，表现出明显的水肥互促和耦合效应，为干物质积累奠定基础。

表5 不同氮肥水平和覆盖方式对玉米产量及其构成的影响

3.2 不同覆盖方式下减氮对氮素吸收、运转、分配和氮效率的影响

开花前，玉米氮素主要集中在营养器官，而开花后不断向生殖器官转移［34］。玉米开花后氮素的转运主要以叶片为主，转运率可达65%以上［35］。本试验结果表明，吐丝后，茎和叶积累的氮素不断向生殖器官转移，其中叶的氮转运率达63.00%～72.62%，与前人研究基本符合；成熟期氮素积累主要集中在籽粒部分，分配比例达64.79%～71.68%，其他非籽粒部分的氮素分配比例表现为：茎鞘＞叶片＞穗轴+苞叶。不同氮肥水平下地膜覆盖处理和常规施氮下秸秆覆盖处理的单株籽粒氮素积累量和单株氮素积累总量均较高，茎和叶对籽粒总氮贡献率达68.46%～69.26%，且穗氮增加量较高。表明合适的氮肥水平下，覆盖处理能提高玉米籽粒和单株氮素积累，并促使营养器官积累的氮素大量向籽粒转移，极大促进了籽粒氮素积累和产量形成，其中以地膜覆盖处理效果最佳。合理的覆盖能改善作物对氮肥的吸收积累，提高作物氮素利用效率和氮肥偏生产力［21］。本试验结果表明，与CK和无覆盖处理相比，地膜覆盖和秸秆覆盖处理可提高籽粒和单株氮素积累总量，能不断促进营养器官的干物质量和氮素积累量向籽粒转移，导致氮收获指数、氮农学利用率升高，其中地膜覆盖处理效果最佳；且减氮20%下地膜覆盖处理氮收获指数、氮肥偏生产力均较高于常规施氮无覆盖处理。

3.3 不同覆盖方式下减氮对玉米干物质积累与产量形成的影响

氮肥和覆盖处理均能增加株高、茎粗和叶面积等农艺性状，促进玉米干物质积累［26，36-39］。玉米干物质积累是产量形成的物质基础，在一定范围内与产量呈密切正相关［25-26］，而前人研究表明［40-41］玉米穗长、穗粗、产量总体表现为覆盖＞不覆盖，地膜覆盖＞秸秆覆盖。本研究表明，随氮肥水平提高，玉米吐丝期株高、茎粗和单株叶面积逐渐增加，促进吐丝后单株干物质积累。地膜覆盖处理能不同程度地促进吐丝期穗位高、茎粗和单株叶面积增加，提高吐丝后单株干物质量，进而提高穗长、穗粗、百粒重、穗粒数和产量。秸秆覆盖能提高玉米成熟期单株干物质积累，但产量与无覆盖处理无显著差异，这可能是吐丝后秸秆覆盖对物质积累有较高的促进作用，而向籽粒运转和分配的比例较低，成熟期物质积累较多地存在于营养器官，氮素生产和利用效率较低，最终导致秸秆覆盖对产量的影响较弱。减氮20%条件下，地膜覆盖对玉米吐丝期茎粗和干物质积累均有较强的增加作用，能在玉米各时期生长发育中保持甚至提高生长发育质量，从而提高玉米产量。

4 结论

玉米生长和氮素吸收、运转与分配受覆盖方式和氮肥水平影响，不同覆盖方式下，较高氮肥水平能增加耕层土壤水分和全氮含量，促进玉米的氮素吸收、运转及分配和干物质积累，改善产量构成，最终提高产量。不同氮肥水平下，有覆盖处理可促进耕层土壤留存更多土壤水分和全氮含量，提高玉米农艺性状和干物质积累量，优化氮素吸收、运转和分配，改善产量构成，进而促进氮效率和产量提高。减氮20%和地膜覆盖下，玉米干物质积累量较高，氮素运转、分配和产量及其构成与常规施氮无覆盖处理无显著差异，存在玉米高产和氮肥减施并行的可能。