鲁中夏玉米水肥一体化下减氮增效技术研究

吴广俊,黄志银,张超,路笃旭,翟乃家,乔健,刘蔚霞,王宁宁,王光明

(山东省农业科学研究院淄博分院,山东 淄博 255033)

玉米是我国主要粮食作物，在保障国家粮食安全体系中占有重要地位。而水肥作为粮食的“粮食”，能够显著提高农田产出效率，增加作物养分吸收效率，为粮食增产、增效提供保障[1]。但是近年来人们对肥料的依赖性不断增加，主要通过增施肥料尤其是氮肥来提高籽粒产量，形成了依靠化肥过量投入，实现增产的高强度农田利用体系[2]。随着氮肥用量的提高，氮肥生产率明显下降，出现氮肥报酬递减现象，增产效果和利用效率均显著下降[3]。前人对中国43个玉米高产纪录做过总结，氮肥利用率和氮肥偏生产力显著降低[4]。化肥的大量施用造成氮素流失和地下水硝酸盐污染严重、农田地力变差[5]，农田生态环境受到严重威胁[6]。因此，减肥增效已成为农业调结构、转方式，实现绿色发展的关键措施。

水肥一体化是利用管道灌溉系统，根据作物需水需肥规律，将水肥均匀、缓慢、准确、适量地输送到作物根部附近的土壤表面，满足玉米对水分和养分的需求，既能实现水肥同步管理和合理利用，又能最大限度提高水肥利用效率[7-8]，避免了普通氮肥一次性施入土壤后，前期氮肥过剩易挥发淋洗，后期氮肥不足，影响玉米产量，降低肥料利用率的不足[9]。尹彩侠等[10]研究表明，在控释氮肥减量25%保证不减产的情况下，氮素利用效率可以提高18.4%。刘彩彩等[11]研究显示，微喷水肥一体化可实现节水减氮高产栽培，可减少灌水量50%，减施氮肥24.16%。张瑜等[12]研究发现，滴灌水肥一体化在合理的种植铺管模式下也能提高氮素利用率和籽粒产量。研究表明，水肥一体化可提高小麦光合速率和水分利用效率[13]，也能提高玉米籽粒产量[14]。

在减肥增效和全球变暖的大背景下，农业农村部开始实施化肥零增长行动，提出“精、调、改、替”四字方针，来指导粮食作物的可持续生产。但近几年气候变化多样，夏玉米季高温干旱频繁发生，在实际生产中水肥不协调导致减产、资源利用效率降低的问题突出，协调水肥关系，促进玉米高产高效绿色发展需进一步研究。当前劳动力短缺，传统的常规施肥费时费力，增加劳动成本，既容易造成环境污染，又无法实现肥料的高效利用。而水肥一体化既能为作物高效精准地进行水肥供应，提高水肥利用效率，又能大大节省劳动力，减少资源浪费。目前鲁中地区夏玉米水肥一体化技术应用较少，而通过水肥一体化减氮来减少农田残留，增加作物氮素吸收与积累特性以及转运规律更是鲜见报道。本文在前人研究的基础上，研究了水肥一体化减氮对玉米产量及养分吸收利用的影响，以期为促进夏玉米生产减肥增效可持续发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年在山东省农业科学研究院淄博分院试验基地进行，该区属于暖温带季风气候。试验点夏玉米前茬作物为冬小麦，麦收后深松翻地。试验点0—40 cm耕层土壤有机质含量11.6 g·kg-1，速效氮含量13.7 mg·kg-1、速效磷含量7.5 mg·kg-1、速效钾含量为48.2 mg·kg-1。

试验采用随机区组设计，小区面积216 m2(长30 m、宽7.2 m)，重复3次。供试品种为登海605，种植密度为67 500 株·hm-2，行距60 cm，株距24.7 cm。减氮处理的施氮量为240 kg·hm-2(N1)，正常施氮处理的施氮量为300 kg·hm-2(N2)；设置水肥一体化(W1)和常规管理(W2)。以不施氮处理为对照(CK)，水肥一体化减氮处理(W1N1)、水肥一体化施氮处理(W1N2)、常规水肥管理减氮处理(W2N1)、常规水肥管理施氮处理(W2N2)共5种水肥管理模式。所有处理的P2O5、K2O施用量相同，分别为105、210 kg·hm-2，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 40%)。总施氮量的40%用作基肥(尿素，含N 46%)，其余60%的施氮量分别于大喇叭口期追施30%，灌浆期追施30%。磷、钾肥全部作为基肥施入。常规水肥管理采用开沟追施，氮肥为含N 46%的尿素，灌溉方式采用漫灌。水肥一体化追施为含N 32%的水溶肥。微喷灌主管道及支管道选用0.5 MPa、直径10.0 cm 的涂塑软管，各处理的微喷带长30 m，微喷带选用斜5孔喷孔，设计工作压力为0.1 MPa，流量为 0.1 m3·h-1·m-1。其他管理措施同一般大田。

1.2 测定项目及方法

1.2.1产量 成熟期，随机选取30个果穗进行考种，包括穗行数、行粒数、秃顶长、千粒重等，最后按14%含水量计算产量。

1.2.2干物质 分别于玉米大口期(V12)、开花期(VT)、乳熟期(R3)、完熟期(R6)系统取样，取样时每个小区选取有代表性的3株，首先将地上部取下，按照茎秆、叶片、雄穗、籽粒、穗轴、苞叶分开，105 ℃杀青30 min后80 ℃烘干至恒重，测定地上部干物质积累量。

1.2.3氮素含量 称重后的各器官粉碎后用H2SO4-H2O2法消煮，用BRAN+LUEBBE Ⅲ型连续流动分析仪(德国)测定全氮含量。

1.2.4氮素利用效率计算[15]

氮积累量(g·株-1)=植株含氮量×生物量

(1)

氮素转运量(g·株-1)=开花期氮素积累量-成熟期营养体氮素积累量

(2)

氮素转运率=氮素转运量/开花期营养体氮素积累量×100%

(3)

氮素转运对籽粒的贡献率=氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%

(4)

氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg·kg-1)=籽粒产量/施氮量

(5)

氮肥农学效率(nitrogen agronomic efficiency,AEN,kg·kg-1)=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量

(6)

1.3 统计方法

采用Microsoft Excel处理数据，并用DPS 15.10软件进行方差分析(α=0.05，LSD 方法)。用Sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥管理对夏玉米产量及其构成因素的影响

由表1可知，不同水肥管理模式产量呈现W1N2>W2N2>W1N1>W2N1>CK的趋势。W1N2产量最高，为11.18 t·hm-2，各处理间差异显著。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2较CK分别增产9.55%、15.69%、3.76%和12.83%。W1N1和W2N2产量差异不显著。此外，不同水肥处理显著影响产量的构成因素，W1N2影响最显著，W1N2较CK的穗粒数、千粒重分别增加17.40%、11.22%。

表1 不同处理下夏玉米的产量及其构成Table 1 Grain yields and its components of summer maize under different treatments

2.2 不同水肥管理单株干物质量积累及分配

水肥处理可增加各生育时期干物质积累量，以W1N2增加较为显著，而W1N1和W2N2差异不显著(图1)。图2显示，干物质积累量在开花后所占比重较大，花前W1N1、W1N2、W2N1、W2N2干物质积累量较CK分别增加15.83%、13.96%、10.00%和19.82%，尤以W2N2增加最多；花后W1N1、W1N2、W2N1、W2N2干物质积累量较CK分别增加30.47%、59.16%、13.55%、34.97%，W1N2增加较为明显。表2显示，水肥处理后除穗轴外的各器官干物质积累较CK处理均有不同程度的增加。其中不同处理籽粒的干物质积累量差异较为显著，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2籽粒干物质积累量较CK增加幅度分别为17.99%、51.48%、11.44%、28.41%。

表2 不同处理下完熟期夏玉米干物质分配量及分配比例Table 2 Dry matter allocation and proportion of summer maize at maturity stage under different treatments

图2 开花期前后不同处理下夏玉米的地上部干物质积累量Fig.2 Aboveground dry matter accumulation of summer maize during pre-silking and post-silking

2.3 不同水肥管理的氮素积累与分配

表3显示，不同水肥处理在开花期和完熟期夏玉米植株总氮素积累量有明显差异，总体趋势表现为W1N2>W2N2>W1N1>W2N1>CK。在开花期W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的植株总氮素积累量较CK分别增加23.53%、41.72%、21.32%和35.52%。其中，W1N1茎秆氮素积累量和CK没有差异，W1N2、W2N1、W2N2茎秆氮素积累量较CK提高15.96%、6.20%和18.20%；W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的叶片氮素积累量较CK分别增加42.02%、64.94%、36.79%和49.85%；除W2N1的雄穗氮素积累量比CK略有降低外，其余处理的雄穗氮素积累量均增加。完熟期W1N1、W1N2、W2N1、W2N2植株总氮素积累量较CK提高51.25%、90.14%、6.62%和60.42%。其中各处理之间尤以籽粒差异较为显著，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的籽粒氮素积累量较CK提高43.98%、99.36%、14.26%和65.51%。从开花前后氮素积累所占比例可知，开花前所占比例W2N1和CK高于其他处理，花后所占比例W1N1、W1N2高于其他处理，说明水肥一体化提高了花后氮素积累比例。

表3 不同处理下夏玉米开花期和完熟期氮素积累量Table 3 Nitrogen accumulation of summer maize at VT and R6 stage under different treatments (g·plant-1)

2.4 不同水肥管理的氮素转运

表4显示，施氮各处理氮素转运量、转运率和对籽粒贡献率均显著高于不施氮处理。W1N1转运量和转运率均高于其他水肥处理，但W2N1对籽粒贡献率略高于W1N1。与CK相比，W1N1的氮素转运量提高了120.51%。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的氮素转运率和对籽粒氮贡献率分别较CK提高了72.78%、32.55%、61.47%、52.14%和53.51%、1.70%、56.99%、26.69%。W1N1和W1N2的氮素偏生产力(PFPN)和氮素农学效率(AEN)差异不显著，W1N1和W1N2的氮素偏生产力比W2N1、W2N2分别提高7.93%、17.09%和5.47%、14.41%，W1N1和W1N2的氮素农学效率较W2N1、W2N2分别提高245.87%、26.68%和211.93%、14.25%。正常水肥管理条件下，减氮氮素农学效率显著降低。水肥一体化处理可显著提高氮素偏生产力，水肥一体化条件下减氮处理较正常氮素水平氮素偏生产力和氮素农学效率略有提升。因此，水肥一体化条件下可以适当减少氮素投入。

表4 不同处理下夏玉米的氮素转运特征Table 4 Nitrogen transportation characteristics of summer maize under different treatments

3 讨论

适宜的水分和合理的养分对玉米生长发育和产量的形成起着重要作用[16]，但是在当前农业生产中，长期大量的高氮肥投入不仅没有使产量得到进一步提升，而且还造成农田土壤污染等一系列问题。近年来，我国水肥一体化的大力推广，可以将水分和养分根据作物需要均匀地运输到根区附近，满足作物生长所需，提高产量。夏玉米产量受穗数、穗粒数、千粒重3因素控制。研究表明，氮素不足影响籽粒发育，使结实率降低，穗粒数减少，氮素充足可提高穗粒数和千粒重，进而增加产量[17-18]。本研究显示，高氮条件下，穗粒数和千粒重增加，产量提升，但在水肥一体化减氮和常规施肥高氮条件下产量差异不大，说明水肥一体化分次减氮能满足玉米生长发育过程中对氮素的吸收利用，进而协调氮素平衡实现植株各个时期对氮的需求，促使更多的氮向籽粒中转移，维持较好的产量水平。其中穗粒数的增加可能与降低籽粒败育有关，千粒重的增加可能与灌浆期充足的氮素供应，籽粒灌浆速率加快有关。干物质积累是夏玉米产量形成的物质基础，玉米产量的提高与生物产量增加有关[19]。Jia等[20]研究显示，玉米籽粒产量受花前干物质积累分配和花后干物质向籽粒中转移的影响。花后光合生产干物质量对籽粒形成的贡献率较大[21]。本研究显示，同等施氮条件下水肥一体化显著增加植株干物质积累量，尤其促进花后干物质积累量，提高花后干物质分配比例，增加成熟期玉米生物量。因为水肥一体化能在大喇叭口期和灌浆期分次精准施肥，避免后期出现脱肥现象，延缓后期植株衰老，促进灌浆期各器官营养向籽粒中转移，增加后期干物质生物量。高氮条件下水肥一体化花后干物质积累较大，但是水肥一体化减氮条件下可维持和常规肥水处理高氮条件下相当的干物质积累量。

氮素是影响玉米产量的重要因素，合理运筹氮素是玉米获得高产的重要措施。氮肥施用不当容易造成氮素淋溶、挥发等损失，降低氮素利用率，增加环境负担[22-23]。基于此，农业农村部制定出台了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》[24]。近年来，各界专家学者也通过不同的施肥技术、方法等来提高氮肥利用率。姜超强等[25]研究显示，12 cm深施氮肥提高氮素表观利用率；杨岩等[26]研究表明，减量20%控释氮投入提高氮肥偏生产力，节约氮量，增加收入；魏淑丽等[27]、谢英荷等[28]研究表明，施氮量超过150 kg·hm-2过量施氮既没有提高群体碳氮积累总量，也没有提高个体生产力，氮肥利用效率偏低；裴瑞杰等[29]研究显示，15%+3 000 kg·hm-2腐殖酸能够促进植株对氮素的吸收利用，提高氮肥利用率，获得较高的产值和收益；徐泰森等[30]采用水肥一体化施肥方式研究发现，吉林省适宜的水氮可以提高植株叶面积指数，增加干物质积累量，促进氮素的有效吸收，提高产量。不同的施肥方法、技术及不同的环境、气候、地域条件，研究结果也各有差异。本研究发现，水肥一体化施肥增加花后氮素的分配比例，为灌浆期籽粒吸氮提供动力，促进氮素向籽粒中转移，提高玉米对籽粒氮贡献率，实现花后氮素的高效利用，说明水肥一体化分次施氮在保证氮素总量控制情况下，可以满足不同生育时期玉米植株对氮素的需求，尤其可保证玉米后期养分的供应，降低氮素损失，增加氮素积累量。水肥一体化和常规肥水处理在高氮条件下植株氮素积累量均处于较高水平，水肥一体化减氮条件下植株氮素积累量略有降低，但是水肥一体化减氮条件下提高了玉米氮素转运量、氮素转运率，表明水肥一体化减氮具有较高的氮素转运能力。养分偏生产力的高低是评估减肥增效技术效果的一个重要指标[31]，水肥一体化减氮氮素偏生产力和农学效率，较常规肥水处理高氮条件下增加17.09%和26.68%，表明水肥一体化实现了玉米按需供应水肥，减少氮素的奢侈吸收，实现了夏玉米氮素需求和根区养分在时空上的一致，从而使玉米养分需求与各生育时期氮素供应相匹配，提高水氮资源的高效利用，增加产量。因此，在兼顾产量、氮素吸收利用效率和经济效益的前提下，水肥一体化减氮是最佳处理。

水肥一体化可实现玉米高产、高效、可持续生产。本研究通过水肥一体化和常规肥水处理不同施氮量下比较显示，同等施氮量下水肥一体化增加干物质积累与分配、提高氮素利用率，增加产量。同时水肥一体化减氮条件下与常规肥水高氮条件下籽粒产量无差异，氮素转运率和对籽粒贡献率以及氮素偏生产力和氮素农学效率均显著提高，促进了夏玉米对氮素的吸收利用。综合考虑，鲁中地区夏玉米水肥一体化可实现减氮增效的目的。