炭基肥供氮量对玉米生长和产量的影响

闫泽川 佟旭楠 苏港 葛均筑 吴锡冬 王金龙

摘    要：為探究不同炭基肥施氮量对玉米生长及产量的影响，以‘郑单958’作为试验材料，设置5个不同施氮处理0，135，270，405，540 kg·hm-2，研究施氮量对玉米叶面积指数、叶绿素、荧光参数、产量及经济效益的影响，以期为天津地区炭基肥在玉米上的应用提供理论依据和实践指导。结果表明：各施氮处理较B0叶面积指数均显著提高，随着玉米施氮量的增加，B3处理下的叶绿素含量、叶面积指数、最大光化学效率均优于其他处理;各施氮处理相较于B0玉米产量、行粒数、穗粒数、百粒重均有显著提高，当供氮量增至405 kg·hm-2时，再增加施氮量玉米产量、穗粒数和百粒重不再显著增加，最高分别为10 833.25 kg·hm-2、552.19粒和34.73 g;当供氮量为405 kg·hm-2时，经济收益最大，为22 171.86元·hm-2。综上所述，以炭基肥为供氮源，在施氮量为405 kg·hm-2时是提高玉米叶片光合特性、玉米叶面积、经济效益的最佳处理，且玉米产量、穗粒数和百粒重不再随着施氮量的增加而显著提高。

关键词：玉米;施氮量;生长;产量

中图分类号：S31         文献标识码：A            DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.04.015

Effect of Nitrogen Supply of Biochar Compound Fertilizer on Growth and Yield of Corn

YAN Zechuan， TONG Xunan， SU Gang， Ge Junzhu， WU Xidong， WANG Jinlong

（College of Agronomy & Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to explore the effect of different nitrogen application rates of biochar compound fertilizer on the growth and yield of maize， 'Zhengdan 958' was used as the test material， and five different nitrogen application treatments of 0， 135， 270， 405 and 540 kg·hm-2 were set to study the nitrogen application rate. The effects on corn leaf area index， chlorophyll， fluorescence parameters， yield and economic benefit were expected to provide theoretical basis and practical guidance for the application of biochar compound fertilizer on corn in Tianjin.The results showed that， the leaf area index of each nitrogen application treatment was significantly higher than B0. With the increase of nitrogen application rate of maize， the chlorophyll content， leaf area index and maximum photochemical efficiency of B3 treatment were better than other treatments.Compared with B0， each nitrogen fertilization treatment significantly increased the corn yield， the number of grains per row， the number of grains per ear， and the 100-grain weight. The number of grains and 100-grain weight no longer increased significantly， and the highest were 10 833.25 kg·hm-2， 552.19 grains， and 34.73 g， respectively. When the nitrogen supply was 405 kg·hm-2， the economic benefit was the largest， which was 22 171.86 yuan·hm-2.To sum up， using biochar compound fertilizer as the nitrogen source， when the nitrogen application rate was 405 kg·hm-2， was the best treatment to improve photosynthetic characteristics of maize leaves，leafarea index， economic benefits.Yield and number of grains per ear were also improved. and 100-grain weight no longer increased significantly with the increase of nitrogen application.

Key words： corn; nitrogen application rate; grow; yield

玉米是我国重要的农作物，在华北平原也广泛种植。氮素对玉米的生长发育具有重要作用，是影响玉米产量形成的重要因素[1-2]。氮肥施用过少会使穗粒数减少，降低光化学效率，导致叶片光合下降[3]，氮肥施用过多，也会造成作物产量不增反降、品质下降，氮素损失增加，经济效益降低[4]。在以往生产中，氮素主要以化肥的形式提供，化肥施用过多会导致千粒重下降，叶片光合减弱，还会浪费氮素[5-6]。过量的氮肥施用还会造成氮肥利用率低下、环境污染及土壤酸化等问题[7]。因此，过量施用或少量施用氮肥都会影响玉米产量，合理的施用氮肥对提高玉米产量，减少环境污染有重要意义。

生物炭是各种生物质在部分无氧或完全缺氧条件下高温裂解而产生的一种富含碳元素的物质[8]。生物炭具有丰富的孔隙结构，具有高含碳量等特性[9]，有利于增大土壤孔隙度从而增加土壤通气性[10]，还可以提高植物对营养元素的吸收利用[11]，生物炭具有疏松多孔的性质，可作为肥料的优良载体，可长效释放养分，从而减少肥料养分流失，促进植物的吸收[12]。但有研究发现生物炭由于自身养分含量较低，且具有较高的C/N，会降低土壤有效养分含量，从而无法满足作物生育期所需养分，不利于作物生长[13-14]。炭基肥是以生物炭为基础，通过与化肥进行掺混造粒，制成的一种高效的新型缓释肥料，其既有肥料的性质，能够为植物提供养分，也有生物炭的性质，能够改良土壤。炭基肥既可以弥补生物炭因养分不足而影响作物生长[15]，又可以对肥料养分具有吸附固持作用，从而减少养分流失达到缓释的效果[16-17]。已有研究对不同有机质转化为生物炭对作物生长的影响做了大量研究，但关于在天津地区，炭基肥不同供氮量对玉米生长特性及产量的影响报道较少。因此，本试验以炭基肥为供氮源，通过研究不同施氮处理下对玉米叶面积指数、叶绿素含量、最大光化学效率以及产量的影响，以确定天津地区玉米生产最适宜的炭基肥施用量，为天津地区炭基肥在玉米上的应用提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2021年5月至10月在天津市优质农产品开发示范中心展开，该示范中心位于天津市宁河区，地处东经119°47′，北纬31°89′，属于温带大陆性气候，年平均温度为11.2℃，年降雨量为642 mm，无霜期为240 d，雨热同期，降雨主要集中在6—8月，试验地土壤质地为壤土，0～20 cm土壤的基本理化性质为有机质9.62 g·kg-1、全氮1.41 g·kg-1、全磷1.03 g·kg-1、全钾19.78 g·kg-1、碱解氮87.36 mg·kg-1、有效磷105.30 mg·kg-1、速效钾302.77 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2021年5月至10月进行，采用单因素完全随机设计，选用‘郑单958’为受试材料。以炭基肥为主要供氮源，设置5个不同施氮量梯度，施氮量分别为 B0 为 0 kg·hm-2，B1 为135 kg·hm-2，B2 为270 kg·hm-2，B3 为405 kg·hm-2，B4 为540 kg·hm-2，3 次重复，共15个小区，每个小区长6.5 m，宽3.6 m，等行距种植，行距为0.6 m，种植密度为67 500 株·hm-2，设置2行保护行。其中炭基肥全部作为底肥施入，在拔节期追施尿素，二者按照供氮量7∶3比例施用，炭基肥来自于沈阳隆泰生物工程有限公司，养分含量为N-P2O5-K2O：24-10-10，尿素N含量46%。P、K肥作为底肥一次性施入，全生育期各处理施用量均为157.5 kg·hm-2。其他田间管理措施按照当地玉米高产田管理进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片叶绿素含量测定 于各时期各小区选取长势一致的3株玉米穗位叶叶片，进行保鲜处理并带回实验室，95%乙醇浸提48 h后使用分光光度计测定。

1.3.2 叶片荧光参数 选择晴朗天气，测定时间为上午 9： 00-11： 00。每小区选择3株长势一致的玉米植株，采用Handy PEA植物效率分析仪 （英国Hansatech公司生产）在玉米的生育时期测定叶片穗位叶荧光参数。

1.3.3 叶面积指数的测定 每小区选取3株生长情况基本一致的植株分别挂牌，在玉米生育时期测量玉米从下到上叶片的长度和宽度。玉米单株叶面积=长×宽×0.75[18]，叶面积指数（LAI）=单株叶面积×单位土地面积内总株数/单位土地面积。

1.3.4 产量及产量构成要素测定 玉米收获期每个小区从中间两行避开被选取穗位叶的玉米植株进行收获，收获后随机选取20穗，带回实验室，收获的果穗自然风干后，测定果穗的穗行数、行粒数、百粒重，同时将每个小区籽粒各取200 g于鼓风干燥箱85 ℃烘干至恒重测定含水量，并将其折算为 14%含水量的产量和百粒重。

1.4 数据分析与统计

用 Microsoft Excel 2019、SPSS25.0进行数据处理和相关分析; 用 Origin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对玉米叶绿素含量的影响

叶绿素是参与光合作用的重要物质，对于光能吸收和转化有重要作用。由图1可知，7月10日B3处理叶绿素含量最高，且与其他各处理有显著差异，而各施肥处理相较于B0，又呈显著性差异，各处理叶绿素含量为：B3>B4>B2>B1>B0，除B3外其他各施肥处理之间叶绿素含量差异不显著;7月24日各处理叶綠素含量以B4最高，B3次之，除B1处理，其余各施氮处理叶绿素含量均显著高于B0;8月12日各处理叶绿素含量以B3最大，各处理叶绿素含量为B3>B4>B2>B1>B0，且各施肥处理相较于B0均有显著性差异;8月22日以B2叶绿素含量最高，但B2、B3、B4各处理差异不显著，各施氮处理叶绿素含量均高于B0，但B1与B0之间没有显著差异，各处理叶绿素含量为B3>B2>B4>B1>B0;9月8日B0处理叶绿素含量高于B1、B2，但差异不显著，各处理中以B4处理叶绿素含量最大，B3次之，B1含量最低。以上结果表明，除9月8日以外，各施氮处理叶绿素含量均大于未施用氮肥处理且差异显著，说明施用炭基肥可以提高玉米穗位叶叶绿素含量，9月8日B0叶绿素含量虽然高于B1、B2处理，但与各施氮处理没有显著性差异。

2.2 不同施氮量对玉米叶片荧光参数的影响

由图2可知，7月10各施氮处理最大光化学效率Fv/Fm都高于B0处理，其中B2最大，各处理为：B2>B4>B1>B3>B0，但各处理之间无显著性差异;7月24日各施氮处理最大光化学效率Fv/Fm均高于B0处理，以B3处理最大，各处理为：B3>B4>B2>B1>B0，且各施氮处理与B0具有显著性差异，其余各施氮处理之间无显著性差异;8月12日最大光化学效率Fv/Fm值为B4>B3>B2>B1>B0，除B4外其余各施氮处理与B0没有显著性差异，B4处理与B2、B3处理之间差异不显著;8月22日最大光化学效率Fv/Fm以B3处理最高，且与其他各处理有显著性差异，各施肥处理除B2外，最大光化学效率Fv/Fm较B0均有提升;9月8日各施氮处理最大光化学效率Fv/Fm较B0都大且有显著差异，各施氮处理中最大光化学效率Fv/Fm以B3最大，各处理为：B3>B1>B4>B2>B0，但各施氮处理之间没有显著性差异。以上结果表明，各施肥处理最大光化学效率Fv/Fm均高于不施氮肥处理（B0），但各施肥处理之间没有显著性差异。施用氮肥可以提高最大光化学效率Fv/Fm的值，有利于提高PSⅡ原初光能转换效率，有助于促进光合作用增强，各施氮处理中以B3处理效果最好。

2.3 不同施氮量对玉米叶面积指数的影响

叶片是玉米光合作用的主要器官，叶面积指数大有利于光合作用以及干物质积累。由图3可知，施用氮肥可以增加玉米叶面积指数，各时期各施氮处理叶面积指数均高于B0。叶面积随着生育进程的推移，先增大后减小，且在7月24日达到最大值，此时叶面积指数呈现的趋势是B3>B4>B2>B1>B0，之后叶面积指数逐渐下降。7月10日各处理叶面积指数大小为：B4>B3>B2>B1>B0，说明早期供氮量大有利于玉米生长。除7月10日和9月8日以外，各处理均为B3叶面积最大，各处理叶面积指数大小为：B3>B4>B2>B1>B0，这说明在一定范围内，施用氮肥可以增加玉米叶面积指数，而适量地施用氮肥可以最大限度地提高玉米叶面积指数。7月24日以后，各处理叶面积逐渐下降，以B3、B4处理下降最快，而B1、B2下降速率相近，B3、B4处理于9月8日叶面积低于B2处理，但仍高于B0和B1处理，此时叶面积指数大小为：B2>B4>B3>B1>B0。

2.4 不同施氮量对玉米产量及其构成因素的影响

由表1可知，各施氮处理玉米产量较B0增产35.30%～81.23%（P<0.05），以B4产量最高，为10 833.25 kg·hm-2，但B3与B4之间没有显著性差异，说明施肥可以显著增加产量，当施氮量增至405 kg·hm-2时，产量不再随施氮量的增加而显著增加;行粒数，穗粒数较B0显著增加26.61%～36.01%和36.78 %～52.56 %，以B3行粒数与穗粒数最多，分别为36.18，552.19粒，但与B4处理差异不显著;当施氮量增至B2处理时，与B0处理相比，穗行数与百粒重呈现显著性差异，以B4处理最高，但与B3处理差异不显著，B4处理穗行数与百粒重分别为15.3行、34.73g。与B1相比，施氮量增加了玉米产量，显著提高10.83%～33.95%，在施氮量增至B3时增产不显著，产量达10 759.58 kg·hm-2。与B1相比，继续增加施氮量显著提高了玉米穗行数与百粒重，从而提高了产量。B3和B4处理间产量、穗行数、行粒数、穗粒数均无显著差异，说明当施氮量增加到一定程度，不会显著增加作物产量，为了不造成氮素的浪费，以B3施用量最佳。

2.5 不同施氮量对经济效益的影响

由表2可知，按当年施用肥料的市场价格计算，各处理肥料投入分别为：1 748.25，2 382.55，3 016.85，3 651.14，4 285.44元·hm-2，各处理中B4肥料投入最高，B0处理最低。在一定范围内施用炭基肥可以通过增加产量从而增加收益，各施氮处理中以B3处理收益最高，为22 171.86元，各处理收益大小为：B3>B4>B2>B1>B0。但产投比以B0处理最高，为8.21，各处理中以B4产投比最低。因此，从收益来看，以B3处理最好，能获得最大收益，再增加肥料投入反而会导致收益降低。从产投比来看B0处理最好，但从环境保护角度，只施用磷钾肥不施用氮肥会造成土壤氮素枯竭，导致土壤肥力下降，不符合可持续发展，并且其收益不高，不值得推广。

3 结论与讨论

玉米叶片的叶绿素含量对玉米生理代谢具有重要影响，叶绿素在植物中主要负责光能吸收、传递和转化，从而决定了植物光合能力的强弱[19-20]。王佳等[21]研究表明，施氮肥能够提高叶绿素含量，而适量地增施氮肥则可以最大限度地提高叶绿素含量。本研究发现，在施氮处理生育前中期均可显著提高叶绿素含量，且当施氮量增加到405 kg·hm-2时，叶绿素不在随着施氮量增加而增加，而有下降趋势;生育末期由于叶片衰老，各处理叶绿素含量之間差异不显著，这也与王佳等[21]研究结果类似，说明以炭基肥为主要供氮源，适量的施用量能够最大限度地提高植物叶绿素含量。

较高的叶面积指数可以更好地截获光能，并提高光能利用率[22]，缺氮是限制作物生长的重要因素[23]，适宜的施氮量有助于促进植物的叶面积指数的提高[24]，本试验也有相似的结论，B0与B1处理因氮素缺乏，叶面积指数明显低于其他施氮处理，说明氮素缺乏会限制作物生长，最终影响产量。杨粉团等[25]研究表明，合理增施氮肥能有效增加植物叶面积指数，有研究表明，氮肥施用过量也会限制作物生长[26]。本研究表明，合理施用氮肥可以显著提高玉米叶面积指数，少量施用氮肥会使玉米营养不足而导致生缓慢，过量氮肥也会使玉米生长受抑制，这也与已有的研究结果类似。

叶绿素荧光参数的变化能够反映叶片光合能力[27]，可用来作为植物是否收到光抑制的判断指标，Fv / Fm越低表明光能转化效率越低[28]。魏花朵等[29]研究表明合理的施用氮肥，Fv/Fm处于较高水平，光化学效率较高。徐灿等[30]研究表明随着玉米施氮量的增加，荧光参数中的最大光化学效率（Fv/Fm） 随施氮量的增加先增加后减小。本研究结果表明，与B0处理相比，各施肥处理最大光化学效率（ Fv/Fm）均有所提高，当施氮量增至B4处理时，最大光化学效率（Fv/Fm）略有下降趋势，这说明最大光化学效率（Fv/Fm）在一定施氮范围内随着施氮量增加而增加，整体看来B3处理最大光化学效率（Fv/Fm）较好，这也与已有的研究结果类似。

施用氮肥对玉米产量的影响有重要的作用，适量施用氮肥可以促进植物营养器官的生长，增加玉米的百粒重和穗粒数，从而提高玉米产量[31]。有研究表明，当施氮量为 412.5 kg·hm-2时，玉米的产量最高[30]。本研究结果表明，施用氮肥能够显著提高行粒数和穗粒数，当施氮量增至270 kg·hm-2时，能够显著提高玉米穗行数、穗粒数和百粒重，当施氮量增至405 kg·hm-2后，再增加施氮量，穗行数、行粒数、穗粒数、百粒重均不再显著增加，并且此时经济效益也是最好的。因此，适宜的施氮量能够使玉米的产量、穗粒数、百粒重达到最大。在施氮量达到405 kg·hm-2下时产量达到最大，为 10 759.58 kg·hm-2，此时经济效益最大。说明施用氮肥能够通过显著增加百粒重、穗粒数、穗行数，从而提高玉米产量，增加收益。

综上所述，在华北平原玉米生产中，以炭基肥为底肥，氮肥施用量为405 kg·hm-2时，可以显著提高叶面积指数，增加叶绿素含量，增强最大光化学效率，通过提高穗行数、行粒数、百粒重和穗粒数，产量也显著增加，达到10 759.58 kg·hm-2，且经济效益最高。当施氮量在0～405 kg·hm-2时，随着施氮量的增加，叶绿素含量、叶面积指数逐渐增加、荧光参数逐渐增强、产量也相应提高。当施氮量大于405 kg·hm-2，除叶面积指数外叶绿素含量、荧光参数、产量没有显著性差异。

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