减量施用氮肥对玉米光合参数、产量与品质的影响

阎世江 房雅丽 卢占龙 张治家

摘要：玉米是我国的重要农作物，但在生产中经常发生过量施用氮肥的情况。过量施用氮肥不仅污染环境，而且不利于玉米的生长发育，因此在减少氮肥施用的同时提高氮肥利用率的研究具有重要意义。在玉米生长过程中采用不同的氮肥施用量，研究了不同氮肥施用水平下玉米光合参数、产量和品质的变化，以寻求最佳氮肥施用量。结果表明，与100%施氮处理相比，10%减氮处理和20%减氮处理具有更高的光合能力，表明在一定范围内减少氮肥的施用可以提高玉米的光合能力，但当氮肥减少30%时，光合作用下降。氮肥减量10%和氮肥减量20%处理的农艺性状、产量和品质均高于氮肥100%施用处理，表明减少氮肥的施用对玉米生长发育没有负面影响。但氮肥用量减少30%处理后的农艺性状、产量和品质低于100%氮肥处理。综合分析表明，氮肥用量减少20%后，可减少氮肥的使用，提高产量，改善品质，可以在未来得到推广。

关键词：减量施氮;玉米;光合参数;产量;品质

中图分类号： S513.06文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）12-0064-05

收稿日期：2021-08-11

基金项目：山西省重点研发计划重点项目（编号：201903D211001-2-3）。

作者简介：阎世江（1975—），男，山西太原人，博士，副研究员，主要从事遗传育种研究。E-mail：syauyan@163.com。

通信作者：张治家，副研究员，主要从事植物保护研究。E-mail： 136424202@qq.com。

氮肥是作物生长发育不可缺少的养分，在土壤中施用后可以提高作物产量，改善品质，增加蛋白质的含量[1]，因此在农业生产中使用量很大。据统计，我国每年施用的氮肥占全世界总产量的1/3以上[2]。为追求高产，农户往往过量施用氮肥，既造成氮肥的浪费，也影响环境[3-4]，其结果并没有带来高产，甚至对产量、品质有负面的影响[5-6]。如何在降低氮肥施用量的同时又能保证作物正常生产，成为学者的研究热点。张赛等研究减氮对甘蔗生长发育的影响[7]，李波等研究在辽河地区不同施氮量对水稻生长的影响[8]，王贺正等研究减氮对小麦生长的影响[9-10]，上述的研究均证明与常规的施氮水平相比较，减施10%～20%氮肥对作物的生长未见影响，因此可以证实在实践中减施氮肥是可行的。玉米（Zea mays L.）起源于美洲，15世纪前后传入我国以后栽培面积逐渐扩大，目前已成为重要的粮食作物之一[11]。研究发现，为使玉米得到高产应施用氮肥[12-13]。但在生产中也存在过量施用氮肥的情况，对玉米生产造成一定的影响，因此学者在玉米的栽培中也进行过减施氮肥的研究，徐丽娜等研究在施基肥时减氮对玉米产量的影响[14]，刘朋召等研究在栽培玉米时减氮对玉米产量及氮素利用的影响[15-17]，结果均发现在玉米种植过程中减施氮肥对玉米的产量影响较小。上述的研究多是从土壤肥料学的角度探讨减施氮肥后，玉米氮素的利用率及土壤养分的变化，在玉米表观形态方面仅停留在生长指标的层面，没有进行深层次的研究，未探讨减施氮肥对玉米生长发育影响的机理。为此，本试验选取山西省晋中市进行减量施用氮肥试验，即在玉米生长的过程中采用不同的氮肥施用量，探讨在不同的氮肥施用水平下玉米产量与品质的变化，从表观形态、品质逐步深入到光合参数，研究减量施用氮肥对玉米生长发育及产量形成的影响，寻找最佳的氮肥施用量，希望对未来玉米合理施用氮肥奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验在山西省农业科学院东阳基地进行，该基地位于山西省晋中市榆次区，前茬作物为小麦。选用的玉米品种为益嘉丰138，该品种由山西益嘉丰农业开发有限公司育成，株型半紧凑，穗筒型，穗轴深红色，籽粒黄色、马齿型。

1.2 试验设计

试验小区长9 m、宽5 m，2020年4月18日采用机器播种，行距50 cm、株距40 cm，播种量37.5 kg/hm2。设以下5个处理，3次重复：处理 不施肥;处理2，传统模式，即100%氮肥施用;处理3，氮肥减量10%;处理4，氮肥减量20%;处理5，氮肥减量30%。

传统施肥模式参考农民施肥量，氮肥为 25 kg/hm2，磷肥为90 kg/hm2，钾肥为75 kg/hm2。30%氮肥与全部磷肥、钾肥在播种时做底肥一次施入，70%氮肥在大喇叭口期追施。氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，钾肥采用硫酸钾。

1.3 项目测定

所有处理均采用同一管理方法进行管理，确保变量唯一性;在2020年6月3日（大喇叭口期）、6月20日（抽雄期）、7月10日（灌漿期）在每小区随机选取10株玉米采用LI-6400便携式光合作用仪，于晴天11：40—14：30测定植株上部展开叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等光合参数。10月5日收获玉米，在各处理区域收获玉米穗中随机取样10穗，测量株高、茎粗、穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、单穗粒质量、百粒质量、粗蛋白含量[18]、粗脂肪含量[18]、淀粉含量[18]、水分含量[18]等指标，计算理论产量。玉米种子、试验用肥料在当地农资市场购买。

1.4 数据处理

数据处理采用DPS软件进行，采用Microsoft Excel制表。

2 结果与分析

2.1 玉米的光合参数

由图1可知，5个处理的净光合速率总体上呈上升的趋势，在大喇叭口期5个处理的净光合速率在5.131～11.243 μmol/（m2·s），其中以处理4最高，达11.243 μmol/（m2·s），显著高于其他4个处理，处理1最低，为5.131 μmol/（m2·s），其余的3个处理排在中间。至抽雄期，5个处理分别上升至8.386、14.457、15.179、16.697、10.071 μmol/（m2·s）;在灌浆期净光合速率进一步上升，分别达10.314、17.650、18.532、20.386、10.913 μmol/（m2·s）。在3个生育期中，处理4一直保持在较高水平，处理1、处理5的净光合速率较低，说明在不施用氮肥的情况下净光合速率较低，采用减氮10%、减氮20%的处理较传统的模式更能提高净光合速率，但减氮30%后净光合速率下降，说明氮肥供应不充分不利于净光合速率提高。

由图2可知，在2020年6月3日（大喇叭口期），5个处理的蒸腾速率表现不同，处理1为 0.715 mmol/（m2·s），处理2为1.035 mmol/（m2·s），处理3为1.418 mmol/（m2·s），处理4为 1.630 mmol/（m2·s），处理5为 1.005 mmol/（m2·s），差异不大;在2020年6月20日（抽雄期）测定时，5个处理之间的差异扩大，其中以处理3、处理4的蒸腾速率较高，分别达2.783、3.200 mmol/（m2·s），显著高于其他处理;在2020年7月10日（灌浆期）测定时，5个处理再次上升，而处理3、处理4上升的幅度较大，分别为6.653、7.650 mmol/（m2·s），其余的3个处理分别为2.108、2.438、2.238 mmol/（m2·s）。表明减氮10%、20%的处理可以有效提高玉米蒸腾速率，减氮30%、100%氮肥与不施用氮肥相比较也可以提高玉米蒸腾速率，说明施用氮肥对提高玉米蒸腾速率有利，但以减氮10%、20%的处理结果较好。

由图3可知，在2020年6月3日（大喇叭口期），5个处理的气孔导度在0.010～0.061 mol/（m2·s），差异较小，其中以处理4最高，达0.061 mol/（m2·s），以处理1最低，为0.010 mol/（m2·s）;在抽雄期，处理4大幅度上升，为0.388 mol/（m2·s），而其余的4个处理缓慢上升，分别为0.021、0.090、0.120、0.072 mol/（m2·s）;在灌浆期，处理3、处理4继续大幅度上升，分别为0.358、0.664 mol/（m2·s），而其他处理上升的幅度较缓，处理1一直处于较低的水平。

由图4可知，在测定的大喇叭口期、抽雄期、灌浆期，5个处理的胞间CO2浓度均表现出逐渐上升的趋势，以处理1表现最高，3个时期分别为228.958、237.358、256.958 μmol/mol，处理5排在第2位，在3个时期分别达274.238、288.558、305.354 μmol/mol，处理4的表现与前3个光合参数的表现相反，一直处于较低的位置，3个时期分别为228.958、237.358、256.958 μmol/mol，处理2、处理3处于中间位置。

通过对测定的4个光合参数的分析可以发现，较不施用氮肥的处理，施用氮肥的处理能提高净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，降低胞间CO2浓度，对光合作用有利，在4个氮肥处理中，氮肥减量10%处理、氮肥减量20%处理与100%氮肥施用处理相比较具有较高的光合能力，说明在一定的范围内减施氮肥能提高玉米的光合能力，但超出这一范围，在氮肥减量30%时，光合作用下降，说明充足氮肥供应对玉米的光合作用有利，但过量供应或供应不足对玉米光合作用有害。

2.2 玉米的农艺性状

对施用氮肥的不同情况下玉米农艺性状的表现进行方差分析，结果（表1）发现，株高等农艺性状在区组间的均方分别为4.112、5.882、4.457、6.003、3.879、2.797、17.171、14.247、10.254、58.544，差异未达显著水平，在处理间的均方分别为31.514、41.123、32.271、14.039、73.033、8.426、93.781、114.144、85.241、521.35 除穗行数这个性状外，其余性状的差异均达极显著水平，表明除穗行数外的其余性状在各施肥处理下的表现不同，有进一步研究的必要。

由表2可知，在株高这个性状中，处理4的表现最高，达2.63 m，显著高于其他处理，处理3、处理5分别达2.33、2.32 m，处理2为2.09 m，处理1最低，达 1.8 m，显著低于其他处理。在茎粗这个性状中，处理3、处理4较高，分别达22.67、22.96 mm，处理2、处理5分别为21.61、20.12 mm，处理1最低，为15.04 mm。在穗长这个性状中，处理4为 1.96 cm，显著高于其他处理，处理3排在第2位，为20.53 cm，处理2、处理5分别为19.50、19.82 cm，2个处理之间的差异未达显著水平。处理1最低，仅为16.29 cm。在穗粗这个性状中，处理4的表现最高，达4.39 cm，处理3、处理5分别为4.19、4.15 cm，处理2、处理1较低，分别为4.02、3.39 cm。秃尖长的表现与前述的性状表现相反，处理1最高，达2.00 cm，处理4最低，为1.53 cm，其余的处理排在中间的位置。5個处理的穗行数均为16行，未达显著水平。在行粒数、单穗粒质量、百粒质量等性状中，处理4表现最好，分别达41.5粒、259.17 g、37.80 g，处理1的表现最低，分别为35.9粒、200.83 g、30.67 g，其余的处理排在中间位置。在理论产量中，仍然以处理4表现最好。

经过对玉米多个农艺性状的比较发现，不同的施氮肥处理对玉米的穗行数没有影响，对株高等性状有较大的影响，如不施用氮肥各农艺性状的表现均较低，施用氮肥后农艺性状表现出上升的趋势，氮肥减量10%、氮肥减量20%的处理有效利用了氮素，农艺性状的表现较100%氮肥施用的处理高，说明减量氮肥的施用对玉米的生长发育负面影响很小，但氮肥减量30%的处理后农艺性状较100%氮肥施用的处理下降，因此再次说明氮肥对玉米的生长有利，氮肥供应不足不利于玉米的生长。

2.3 玉米的品质性状

由表3可知，玉米的品质性状在区组间的均方分别达3.332、8.747、5.478、9.093，经检验均未达显著水平;在处理间的均方分别达41.444、74.173、72.771、54.559，经检验均达极显著水平，有进一步研究的必要。

由表4可知，处理4在粗蛋白含量、粗脂肪含量、淀粉含量等品质性状中表现最高，分别达12.52%、4.58%、75.58%，显著高于其他处理，处理3也较高，分别为11.11%、3.54%、68.54%，处理2、处理5在粗蛋白含量中有显著差异，在粗脂肪含量、淀粉含量中的差异未达显著水平，处理1表现最低，在这3个性状中分别为7.21%、2.11%、60.54%。

在水分含量中，5个处理的表现与前述的3个性状不同，处理1、处理2的水分含量较高，达29.57%、28.57%，处理4的水分含量最低，为19.54%，处理3、处理5排在中间。

对测定的几个品质性状进行分析，发现氮肥的正确施用可以改善玉米品质，供应不足会影响其品质，减量10%、20%氮肥可以满足玉米生长的需要，其效果较100%氮肥施用的好，但减量30%会使玉米品质变差。

3 讨论

对于氮肥减量施用对作物光合作用的影响已有学者进行研究。马鹏等研究氮肥的施用对水稻光合能力的影响，结果表明充足的氮肥供应对水稻光合能力有利，有效提高光合参数，但过量施用对作物的光合作用不利[19]。郭鑫年等的研究也有类似的结论[20-21]，本研究测定净光合速率等几个光合参数的变化，得出的结论与上述的结论一致，说明在一定的范围内合理施用氮肥，提高氮肥的利用率，促进玉米的光合作用，进而加快根茎叶等器官中氮素转运效率，促进干物质积累量，过量施用氮肥不仅对环境有害，也不利于玉米的光合作用[22]。

玉米在生长过程中所需的营养元素较多，如氮、磷、钾、铁、锰等，如缺乏必要的营养元素，则影响其正常生长发育，在众多的营养元素中所需量最大的是氮素[23]，但在目前的生长中农户由于自身的原因往往过量施用氮肥，如氮肥施用不足又会影响作物的生长，在降低氮肥施用量的同时提高氮肥使用效率，是目前研究的热点。有关氮肥供应对玉米产量品质的影响已有学者进行研究，多数认为氮肥促进干物质积累，进而提高产量，改善品质[24]。本研究表明，不同的施氮肥处理对玉米的穗行数没有影响，对株高等性状有较大的影响，如不施用氮肥各农艺性状的表现均较低，施用氮肥后农艺性状表现出上升的趋势，氮肥减量10%、氮肥减量20%的处理有效利用了氮素，农艺性状的表现较100%氮肥施用的处理高，说明减量氮肥的施用对玉米生长发育没有负面影响，但氮肥减量30%的处理后农艺性状较100%氮肥施用的处理下降，因此再次说明氮肥对玉米的生长有利，氮肥供应不足不利于玉米生长。其结论与上述学者的结论相同，说明100%氮肥施用实际上已超过最佳经济施氮量[25]，而经过分析发现，氮肥减量20%的处理应为最佳施氮量。朱兆良等认为，氮肥进入土壤后被作物吸收利用的仅为施用总量的28%～41%，大部分氮素以不同途径损失掉了，施入过多的氮素反而导致 NO-3-N 的淋失，除对土壤环境产生有害的作用外，也降低了氮肥的利用率[25-26]。合理施用氮肥能提高叶绿素含量，增强光合能力，延缓玉米植株衰老，进而提高产量[27]，这对提高产量、改善品质具有重要意义。

4 结论

综合分析不同施氮处理后发现，氮肥减量20%的处理施用氮肥较少，但产量较目前的施用水平提高，光合参数较高，品质好，该方法对玉米的生长发育有利，简单可靠，可以推广。

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