浅埋滴灌下尿素减量配施UAN对春玉米干物质积累及氮效率的影响

邰继承，韩镁琪，杨恒山，张玉芹，马金慧，郭晓旭

(内蒙古民族大学 农学院，内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，内蒙古 通辽 028043)

玉米是我国三大主粮作物之一，玉米种植对我国粮食安全的保障起着重要支撑作用[1]。西辽河平原地处北纬45°附近的世界黄金玉米带，土地集中连片并有较好的井灌条件，具有实现玉米大面积高产的优势，种植面积常年稳定在6.0×105hm2左右，单产较全国平均高40%以上，总产约占自治区玉米总产的30%，已成为我国玉米种植的主要地区之一[2]。有研究表明，化肥投入对玉米增产贡献率达46.2%[3-4]。氮是促进玉米生长的重要元素，前人研究表明，施氮可以显著提高产量，但施氮到一定程度，产量增加不明显甚至会出现下降[5-6]。为追求作物高产而多量施氮在我国已成常态，文献报道西辽河平原区玉米氮肥的推荐施用量为 150.0～211.5 kg/hm2[7-8]。而张玉芹等[9]近年来在该地区的调查数据显示，玉米氮平均施用量达 272 kg/hm2，远超过推荐量；其中施氮量大于 240 kg/hm2的比例高达69.5%[10]。过量施氮会造成土壤中氮素大量盈余，并通过氨挥发及硝酸盐淋溶污染环境，这在我国已成为典型的农业面源污染问题。鉴于此，2015 年农业农村部出台的《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》中提出，开展“一控两减三基本”行动，旨在通过政策引导减少农田化肥施用量[11]。

西辽河平原属半干旱地区，人均水资源量683 m3，仅为全国人均的1/4[12]。由于地表水资源匮乏，地下水资源作为主要供水来源，超采面积不断增加，并形成了明显的地下水漏斗区，平均地下水埋深由20世纪80年代的 2.39 m增加到6.23 m，个别地区达到 15.6 m[13]。农业用水总量占总用水量的60%以上，且利用系数仅为0.52，远低于欧美国家的0.70～0.80水平，西辽河平原未来发展节水农业势在必行[14-15]。浅埋滴灌技术是一种高效根系局部灌溉形式，2004年该地区开始尝试应用于玉米种植，现已在玉米种植上得到广泛应用。UAN溶液(Urea Ammonium Nitrate)即尿素硝酸铵溶液，1961年生产于美国，2010年我国开始进口，2012年河南晋开集团UAN溶液项目开始投产。在多个地区的试验结果表明，UAN可显著提高氮效率，获得可观的产量和经济效益[16-17]。也有研究表明，其与尿素相比更适用于滴灌系统，应用前景广阔[18]。春玉米浅埋滴灌技术现已成为内蒙古自治区农业主推技术，而施氮品种相对较为单一，仍以尿素为主，未见UAN及其他高效液体肥施用的相关报道[19-21]。

本试验通过2 a大田试验，研究西辽河平原春玉米浅埋滴灌种植中尿素减量配施UAN不同配比对其物质积累、氮利用效率及产量的影响，以期寻求浅埋滴灌条件下尿素+UAN的适宜配比，从而为实现西辽河平原春玉米持续稳产和养分资源高效利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地区自然概况

试验于2018—2019年在内蒙古通辽市科尔沁区农业高新科技示范园区(43°36′N，122°22′E，海拔高度为178 m)进行，试验地区为温带大陆性季风气候，雨热同期且光热资源充足，年平均气温6.80 ℃；无霜期150 d左右，年均降水量380 mm，试验期间气象条件见表1。试验地土壤为灰色草甸土，是当地主要土壤类型。播前土壤有机质含量为16.85 g/kg、全氮含量为0.81 g/kg、碱解氮含量为46.78 mg/kg、速效磷含量为10.23 mg/kg、速效钾含量为101.23 mg/kg。

表1 试验期间气象条件Tab.1 The meteorological conditions during the test

1.2 试验设计

供试液体肥为晋开雨露UAN 营养液，总氮含量32.0%，其中NH4+-N、NO3--N含量均为7.8%，酰胺态氮含量为16.5%，pH值6.80，由河南省晋开化工投资集团有限责任公司生产；种植玉米品种为农华101，大小垄种植(40，80 cm)，密度7.50万株/hm2。各处理均底施过磷酸钙(P2O5≥18%)500 kg/hm2，硫酸钾(0-0-50)90 kg/hm2。试验以常规追施尿素(CK1，570 kg/hm2)为对照，同时，设置不施氮处理(CK2)用于计算氮效率，在此基础上设置2个不同比例减施尿素梯度和相应配施UAN处理(见表2)。本试验中各处理均采用浅埋滴灌方式，追施氮肥按3∶6∶1的比例分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期随滴灌进行。采用大区对比试验，每个处理面积400 m2。2018年4月28日种植，9月30日收获；2019年4月29日种植，10月1日收获。

表2 试验各处理施氮水平及方式Tab.2 The nitrogen application level and method of each treatment were tested

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素 各小区测产面积24 m2，人工脱粒后折算成含水率14%的产量；并调查该面积内株数、穗数、双穗数、空秆数、倒伏数；同时，每小区取样10穗带回实验室，待自然风干后进行考种调查穗粒数，测定千粒质量。

1.3.2 测定项目和指标 分别在吐丝期和完熟期选取有代表性连续3株植株，3次重复，按器官分离，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒质量测定干物质质量；之后分别取样品适量进行粉碎，用半微量凯氏定氮法测定各器官氮含量[22]。氮积累量=器官干物质质量×相应氮含量[23]。

1.4 相关参数的计算

吐丝前干物质(养分)积累量=吐丝期干物质(养分)积累量；吐丝后干物质(养分)积累量=完熟期-吐丝期干物质(养分)积累量；干物质(养分)转运量=吐丝后15 d营养器官干物质(养分)积累量-完熟期相应器官干物质(养分)积累量；干物质(养分)转运率=器官干物质(养分)转运量/吐丝期后15 d营养器官干物质(养分)积累量×100%；干物质(养分)转运对籽粒贡献率=干物质(养分)转运量/完熟期籽粒干质量(养分积累量)×100%；氮肥农学效率(Nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg)=(施氮区产量-无氮区产量)/氮肥施用量；氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity，NPFP，kg/kg)=施氮处理籽粒产量/施氮量；氮肥吸收效率(Nitrogen uptake efficiency，NUPE，kg/kg)=完熟期植株总积累氮量/施氮量；氮肥贡献率(Nitrogen contribution efficiency，NCE，%)=(施氮区产量-无氮区产量)/施氮区产量×100%[24]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理，采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，用LSD法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 尿素减量配施UAN对春玉米产量的影响

由表3可知，从2 a玉米产量和氮投入角度来看，N2U处理表现出明显优势。N2U处理产量最高，N2U显著高于 N1U处理(P<0.05)，2018年和2019年N2U处理产量分别较N1U增加6.14%和6.03%；CK1处理亦显著高于N1U处理，但N2U与CK1处理的差异不显著。综合来看，与CK1相比，N2U处理在总体减氮25.12%条件下，产量无显著影响，但N1U处理在总体减氮51.42%条件下产量显著降低(P<0.05)。

表3 尿素减量配施UAN对春玉米产量及其构成因素的影响Tab.3 Effect of urea reduction with UAN on yield and its components of spring maize

2.2 尿素减量配施UAN对春玉米各器官干物质积累、转运和籽粒贡献率的影响

由表4可知，不同处理间总干物质积累量(茎鞘+叶片+籽粒)在吐丝期和完熟期均表现为N2U处理最高，其次是N1U处理，但二者间除完熟期2019年外差异不显著；N2U处理总干物质积累量显著高于CK1处理(P<0.05)，N2U处理较CK1处理分别在吐丝期、完熟期高了12.84%～16.40%和6.05%～9.76%。N2U处理茎鞘、叶片干物质积累量在吐丝期和完熟期均最高，吐丝期与N1U处理的差异不显著，但显著高于CK1处理(P<0.05)；N1U处理和CK1处理的差异不显著。完熟期籽粒积累量也均表现为N2U处理最高，与CK1差异显著。

表4 尿素减量配施UAN配施对春玉米各器官干物质积累量的影响Tab.4 Effect of urea reduction with UAN on dry matter accumulation in organs of spring maize

由表5可知，不同处理均表现为茎鞘干物质转运量大于叶片，而处理间的比较发现茎鞘和叶片群体干物质转运量N2U处理最高，其次依次是N1U和CK1处理，CK2处理最小；N2U处理与CK1处理差异达显著水平(P<0.05)，但N2U与N1U处理差异不显著；总干物质转运量2 a也是均表现为N2U处理最高，这与茎鞘和叶片群体干物质转运量的变化是一致的。不同处理的器官转运率均表现为茎鞘大于叶片；茎鞘和叶片的干物质转运率也是N2U处理最高，并与CK1处理差异达显著水平(P<0.05)；N1U处理叶片的干物质转运率显著高于CK1处理(P<0.05),叶片器官转运率在CK1的基础上，N2U、N1U处理分别提高10.51%～18.79%，9.84%～11.93%。各器官干物质转运量对籽粒的贡献率N2U处理最高，并与CK1处理差异达显著水平(P<0.05)。

表5 尿素减量配施UAN对春玉米群体干物质转运量、转运率和籽粒贡献率的影响Tab.5 Effect of urea reduction with UAN on the dry matter translocation and dry matter translocation rate and grain contribution rate of spring maize

2.3 尿素减量配施UAN对春玉米氮素积累、转运和籽粒贡献率的影响

由表6可知，不同处理均表现吐丝期叶片氮积累量大于茎鞘，完熟期氮积累量除CK2处理以外则表现为茎鞘大于叶片。吐丝期无论是总氮积累量(茎鞘+叶片+籽粒)还是茎鞘、叶片氮积累量均为N2U处理最高，其次为N1U，然后是CK1处理，各处理间差异均达显著差异(P<0.05)。完熟期总氮积累量(茎鞘+叶片+籽粒)以N2U处理最高，并与其他处理间达显著差异水平，分别高出N1U、CK1处理13.54%～15.09%，20.55%～42.29%；籽粒氮积累量N2U处理显著高于其他各处理(P<0.05)，N1U处理与CK1处理差异不显著。

表6 尿素减量配施UAN对春玉米氮积累量的影响Tab.6 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen accumulation of spring maize

由表7可知，各处理叶片的氮转运量均大于茎鞘；总氮(茎鞘+叶片)转运量、茎鞘氮转运量和叶片氮转运量的变化趋势一致，均为N2U处理最高，并与其他处理间达到显著差异(P<0.05)；N1U处理其次，除了2018年叶片氮转运量以外，也是显著高于CK1处理(P<0.05)。总氮转运量N2U处理较CK1提高41.95%～47.27%，N1U处理较CK1提高17.34%～24.55%；N2U处理较N1U提高18.24%～20.97%。春玉米群体氮转运率各处理均为叶片大于茎鞘；茎鞘和叶片氮转运率N2U、N1U和CK1处理之间均无显著差异。茎鞘和叶片的氮转运量对籽粒贡献率N2U、N1U处理间差异不显著，但均显著高于CK1处理(P<0.05)。

表7 尿素减量配施UAN对春玉米氮转运量、氮转运率及籽粒贡献率的影响Tab.7 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen transshipment and nitrogen translocation rate and grain contribution rate of spring maize population

2.4 尿素减量配施UAN对春玉米氮效率的影响

氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥吸收效率均有随着施氮量减少而增加的趋势，N1U处理由于相比N2U和CK1处理总施氮量减少35.12%和51.42%，而氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥吸收效率均显著高于N2U和CK1处理，N2U处理亦是显著高于CK1处理(表8)。而氮肥贡献率N2U处理最高，但与CK1处理差异不显著，二者均显著高于N1U处理(P<0.05)。

表8 尿素减量配施UAN对春玉米氮肥效率的影响Tab.8 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen efficiency of spring maize

3 讨论与结论

玉米持续增产是保障我国粮食安全的关键，氮是玉米生长发育中重要的营养元素之一，又是土壤中相对较为缺乏的元素。因而为了获得较高的产量，大量施氮成为广大种植户采用的普遍措施，但大多数种植户对氮肥施用缺乏合理、科学的判断。而过量氮肥施用不仅不会提高产量可能还会降低产量，同时引起农业面源污染[25]。适宜的氮肥投入，则应该是在保障作物高产的前提下实现高效利用和生态友好。

以往研究表明，不同氮施用量和种类处理氮肥利用率也明显不同，因此，玉米生产中合理施用氮肥尤为重要。任世鑫等[26]研究表明，内蒙古玉米种植氮肥施用量达到配方肥施用上限值的 1.5倍以上，氮肥施用环境风险达到中度风险等级。尿素因其含氮量高以及较好的溶解性而成为主要施用的氮肥品种，但易受环境影响而发生各种途径的损失[27]。有研究表明，无论是喜铵作物还是喜硝作物，铵硝混合营养较相对单一营养更能使作物获得高产[28-29]。国内在马铃薯[30]、番茄[31]和棉花[32]上开展的相关研究均表明，施用 UAN 与传统尿素相比提高了氮素利用率，并有较好的增产效果。本试验结果表明，尿素减量配施UAN，完熟期总氮积累量以N2U处理最高，显著高于常规尿素CK1处理，相比CK1提高20.55%～42.29%，籽粒氮积累量N2U处理显著高于其他各处理；但N1U处理与CK1处理差异不显著。说明尿素减量配施UAN，可以发挥UAN多态氮素的优势，保障最终产量，提高氮素利用率，但大量减施尿素，少量增施UAN可能会影响产量。这与张运红等[33]在小麦上施用UAN 的效果研究一致，同等施氮条件下，优于尿素，UAN 减氮 20% 处理与尿素全量处理相比也不减产。但与徐丽萍等[34]在潮土玉米种植试验减施 UAN 20% 降低了玉米籽粒的干质量和吸氮量结果不同。这可能与土壤基础养分条件有关，徐丽萍等[34]所用潮土氮素水平较低，碱解氮含量32.7 mg/kg，有机质含量仅3.68 g/kg，供氮强度和供氮潜力均较低。所以，本研究2 a的试验结果可能存在一定的时间效应；同期试验也表明，UAN具有相对较高的氮素利用率和产量，是由于多态氮促进了玉米根系生长，提高了根系活力特别是深层根系活力，增加了对土壤中存在的原有氮素的吸收利用能力。所以，当大量减少氮肥的用量时，或者长期试验下土壤中氮素养分消耗至某一水平，则可能会导致产量降低。王寅等[35]研究也表明，施用 UAN在促进玉米对氮素的吸收的同时降低了土壤内氮的残留量。

物质积累是作物产量形成的基础，其积累量在一定程度上也决定着最终籽粒产量的高低。玉米籽粒产量是由生育期内干物质和养分的积累、分配和转移特性所决定的。围绕玉米的物质和养分积累和转运，国内外学者开展了大量研究，结果表明，籽粒灌浆物质来源除花后同化产物，还包括花前储存于营养器官中，后转移到籽粒中去的同化产物[36]。黄智鸿等[37]的研究结果进一步表明，玉米籽粒产量在很大程度上取决于后期的光合生产能力。本研究结果表明，尿素减量配施UAN玉米生育后期具有较大的干物质积累优势，N2U处理虽然相比CK1减氮25.12%，但N2U处理总干物质积累量显著高于CK1处理，吐丝期、完熟期分别高了12.84%～16.40%和6.05%～9.76%。N1U处理可能由于相比CK1减氮量较大，达51.42%，导致与CK1处理差异不显著。叶片器官转运率在CK1的基础上，N2U处理提高10.51%～18.79%，N1U处理也提高9.84%～11.93%，表明在具有较大后期干物质积累优势同时，尿素减量配施UAN也提高了花前生产的储存于营养器官中，后转移到籽粒中去的同化产物转运量，而其提高幅度没有达到刘克礼等[38]研究春玉米各器官向籽粒转移的干物质量超过20%会导致叶片早衰的试验结果的程度，说明本试验条件下尿素减量配施UAN的N2U处理创造了比较适宜的源库关系，从而为春玉米的高产奠定了物质基础。

本研究表明，西辽河平原浅埋滴灌条件下尿素减量配施适量UAN多态氮溶液对春玉米群体干物质积累与转运、氮素利用效率和产量均有显著影响，与单施尿素相比，配施UAN 有增加玉米的物质积累和氮素吸收量的趋势。本研究条件下，与追施570 kg/hm2尿素处理相比，375 kg/hm2尿素+75 kg/hm2UAN组合具有较好的高产高效优势，在总氮投入量减少25.12%的条件下不减少春玉米产量，同时有效提高氮素利用率，降低土壤内氮的残留，减少氮素环境释放，是西辽河平原灌区同等地力条件下玉米浅埋滴灌水肥一体化种植模式相对较为合理的施肥模式。