水肥一体化条件下密植高产玉米适宜追氮次数研究

毛圆圆，薛 军，翟 娟，张园梦，张国强，明 博，谢瑞芝，王克如，侯 鹏，李召锋，李少昆*

（1 石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2 中国农业科学院作物科学研究所 / 农业农村部作物生理生态重点实验室，北京 100081）

玉米作为禾谷类作物中增产潜力最大的作物，在保障国家粮食安全中具有非常重要的地位[1]。耕作栽培管理粗放、施肥方法不科学、技术到位率低等因素限制了我国玉米单产的增加[2]。在耕地资源有限和粮食需求量高的前提下，通过精准调控措施提高玉米产量是解决我国粮食问题的重要途径之一。

根据作物的需肥规律、土壤供肥能力和肥料性能，精准施肥是获得高产、提高肥料利用效率和实现农业可持续发展的重要途径[3–5]。农业生产中，氮肥增产效应高于磷肥和钾肥，氮贡献了全球粮食增产的30%～50%[6–7]。根据玉米需氮规律，分次施氮有利于植株灌浆阶段的氮素吸收，减少氮素损失，保持土壤氮素平衡，实现产量和氮肥利用效率的协同提高[8–10]。但是传统生产中，玉米追肥困难，多采用全部基施(一炮轰)或基施+拔节期追肥的方式，造成前期生长过快、倒伏风险加大[11–12]、后期脱肥现象严重、植株早衰、灌浆期缩短和灌浆速率下降等问题[13]。而倒伏和早衰也限制了玉米种植密度和产量的进一步提升[14–15]。依托滴灌水肥一体化施肥技术可以调节玉米的施肥时间和施肥量，使分次施肥的应用成为现实，保证根区养分的持续供应[16]。实践证明，水肥一体化技术已从设施农业走向大田，发挥明显的节水、节肥和增产作用，减少资源浪费和土壤污染，促进农业的可持续性发展[17]。但该技术在应用中依然缺乏有利于玉米抗倒和高产高效的精准施肥技术模式，未能充分发挥技术的优势[18]。因此，在膜下滴灌水肥一体化条件下，探索氮肥最佳用量及施用时期、频次和比例对密植玉米抗倒伏能力、产量和氮肥利用效率的影响，可以为玉米密植高产精准调控技术模式的构建提供理论参考和实践依据。

新疆具有丰富的光辐射资源，先进的灌溉技术，配合土地规模化和机械化，是我国玉米单产潜力最高的区域[19]。2020年，新疆自治区和新疆建设兵团的玉米平均产量分别为8883和11790 kg/hm2[20]，尽管单产均高于全国水平，但仍然有很大的增产潜力[21]。分析其原因发现，灌溉区种植密度只有7.74×104株/hm2[22]，种植密度偏低是制约该区域玉米单产提升的重要原因之一。本研究团队前期研究表明，在种植密度为 12×104株/hm2条件下，施 N 360 kg/hm2可以获得较高的产量和氮肥利用效率[23]，但是在水肥一体化条件下，如何进行氮肥追施需进一步明确。为此，我们开展了氮肥追施次数对密植高产玉米干物质积累和产量影响的研究，为密植玉米氮肥的合理高效施用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020和2021年在中国农业科学院作物科学研究所新疆奇台试验示范基地(43°50′N，89°46′E，海拔 1020 m)进行。土壤质地为砂壤土，田间0—60 cm土层土壤 pH为7.9，容重为1.38 g/cm3，有机质含量为13.3 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为82.9、53.8和106 mg/kg。试验区2020、2021年玉米生长季(4—10月份)内降雨量分别为159.7、192.8 mm，日平均温度分别为16.2℃、1 6.5℃，全年≥1 0℃ 积温分别为 3 1 6 0℃、3499.5℃，无霜期分别为156、181天，种植制度为玉米连作。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，供试品种为‘登海618’，种植密度为12万株/hm2，基于团队前期研究推荐的最佳施氮水平360 kg/hm2[23]。本试验氮肥基施量为36kg/hm2；氮肥追施量为324kg/hm2，在玉米全生育期内设定5个氮肥追施处理，分别为追施2次(NT2)、追施4次(NT4)、追施6次(NT6)、追施8次(NT 8)和追施10次(NT10)，每个处理3次重复，具体施用时期和施氮量如表1所示。

表1 各处理氮肥追施时期和施用量Table 1 Period and rate of nitrogen fertilizer topdressing in each treatment

采用70 cm+40 cm宽窄行种植模式，播前基肥施入量为36 kg/hm2氮素，不同追氮次数处理从9叶期开始，以尿素(N 46%)为氮源，采用50 L压差式施肥罐连接施肥阀及水表进行随水追肥，NT2、NT4、NT6、NT8、NT10处理全生育期的灌溉次数均为10次，所有处理的单次灌溉量和总灌溉量(5400 m3/hm2)均相同。磷肥和钾肥的管理同大田生产，播种前施入 P2O575 kg/hm2和 K2O 37.5 kg/hm2，在V9、V12、R1−5天、R1+5天、R1+15天、R1+25天、R1+35天、R1+45 天、R1+55天，分别随水施入P2O524.5、25.0、25.5、22.5、21.0、15.0、6.0、6.0、4.5 kg/hm2，K2O 31.5、16.5、19.5、22.5、22.5、18.0、9.0、7.5、3.0 kg/hm2，总追磷量和总追钾量均为150 kg/hm2。同时，玉米在7叶期，叶面喷施600 mL/hm2“玉黄金”提高抗倒伏能力。按照玉米高产田间管理，严格控制田间病虫害和杂草。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及产量构成 在生理成熟期(R6)，每个小区选择中间3行5 m，收获全部果穗后称重。按平均穗重法取20个标准果穗，脱粒称重，计算鲜穗出籽率。用校准后的谷物水分测定仪(PM-8188)测定籽粒含水量。计算籽粒含水率为14.0% 的产量。另外选取20个标准果穗，测定平均穗粒数和千粒重。

产量 (kg/hm2)＝鲜穗重 (kg/hm2)×出籽率 (%)×[1−含水率 (%)]/(1−14%)

1.3.2 氮肥利用效率 根据玉米产量和施氮量计算氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力，计算公式如下：

氮肥农学利用效率(kg/kg) = (施氮处理产量–未施氮处理产量)/施氮量

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区产量/施氮量

1.3.3 干物质积累与转运 在玉米6叶期(V6)、9叶期(V9)、12叶期(V12)、吐丝期(R1)、吐丝后30天(R1+30 d)和生理成熟期(R6)进行取样，每个处理选取5株长势均匀的代表性植株，取其地上部分，吐丝期分解为茎、叶+鞘、雄穗、雌穗4部分，成熟期分解为茎、叶+鞘、雄穗、苞叶、籽粒和穗轴6部分，在105℃烘箱内杀青30 min，85℃恒温下烘至恒重，称量其干重。相关计算公式[24]如下：

吐丝后干物质积累量(kg/hm2) = 成熟期干物质积累量–吐丝期干物质积累量；

吐丝前营养器官干物质转运量(kg/hm2) = 吐丝期营养器官干物质积累量–成熟期营养器官干物质积累量；

吐丝前营养器官干物质转运率(%) = 吐丝前营养器官干物质转运量/吐丝期干物质积累量×100。

吐丝前营养器官干物质对籽粒贡献率 (%) = 吐丝前营养器官干物质转运量/成熟期籽粒干重×100；

吐丝后干物质对籽粒贡献率 (%) = 吐丝后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.4 单株叶面积测定 在玉米V6、V9、V12、R1、R1+30 d和R6，每个处理选取5株长势均匀的代表性植株，测定每片叶的叶长和叶宽，采用长宽系数法计算单叶的叶面积，根据叶面积持续期计算光合势。

展开叶单叶面积=长×宽×0.75 (0.75为系数)

未展开叶面积=长×宽×0.5 (0.5为系数)

群体光合势=1/2(L1+L2)×(t2−t1)，其中L1和L2分别表示2次取样时的叶面积，t1和t2分别表示2次取样时的出苗后天数。

1.3.5 植株形态 吐丝期每个处理选取5株测定其株高、穗位高、茎秆基部3～5节间直径，计算穗位系数。穗位系数=穗位高/株高。

1.3.6 茎秆机械强度 在玉米R1和R6，每个处理选取5株长势一致的代表性植株，田间自然生长状态下，用YYD-1型茎秆强度测定仪(浙江托普仪器有限公司，中国杭州)在穗位处垂直于茎秆方向将植株推断，测定茎秆被推断时的最大力学值即茎秆抗折断力；用YYD-1型茎秆强度测定仪将横截面积为1 mm2的测头，在节间中部长轴面垂直于茎秆方向匀速缓慢插入，读取穿透茎秆表皮的最大值即为穿刺强度；用横截面积为1 cm2的测头，测定茎秆基部第4节间被压碎时的力学值即压碎强度；用U型测头采用三点弯曲法测定第5节间恰好折断的力学值即弯曲强度[25]。

1.3.7 经济效益计算 根据玉米的籽粒产值和生产成本投入计算经济效益和产投比。经济效益 = 籽粒产值−生产投入；籽粒产值 = 产量×玉米单价；产投比 = 经济效益/生产投入[26]。

1.4 数据统计与分析

采用 Excel 2019 和 SPASS 23 软件进行数据处理及分析，采用Origin 9.6和Excel 2019软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 产量和氮肥利用效率

氮肥追施次数显著影响了玉米的穗粒数、千粒重、产量及氮肥利用效率，对收获穗数无显著影响(表2，表3)。与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理在两个生长季的平均产量分别提高6.2%、8.7%、12.3%和7.1%，平均氮肥偏生产力分别提高5.5%、7.5%、11.8%和7.1%，平均氮肥农学利用效率分别提高40.8%、51.5%、82.5%和48.1%。NT8 处理在两个生长季的平均产量达到22442 kg/hm2，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力分别达到15.18和 62.09 kg/kg。

表2 追氮次数对玉米产量的影响Table 2 Effects of nitrogen topdressing times on maize yield

表3 追氮次数对玉米氮肥利用效率的影响Table 3 Effects of nitrogen topdressing times on nitrogen use efficiency of maize

2.2 干物质积累特征

氮肥追施次数显著影响了玉米的干物质积累量(图1)。各处理的干物质积累量开始出现差异时间为玉米12叶期(V12)；在玉米吐丝期(R1)各处理的干物质积累量差异增大，NT6处理的干物质积累量最多，后依次为NT8、NT4、NT2、NT10处理；吐丝后30天(R1+30 d)干物质积累量最多的处理为NT8，后依次为NT6、NT4、NT10、NT2处理；生理成熟期(R6)各处理的干物质积累量差异最大。生理成熟期，与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理在两个生长季的平均干物质积累量分别提高7.5%、18.9%、23.9%、10.8%。

图1 追氮次数对玉米地上部干物质积累量的影响Fig. 1 Effects of N topdressing times on dry matter accumulation of maize aboveground

采用Logistic方程对干物质积累量与出苗后天数进行拟合，结果(表4)表明，氮肥追施次数对干物质快速积累的起始期(t1)影响较小，仅2021年NT2处理的t1较其他4个处理提前4～5天。随着追氮次数增加，干物质快速积累的终止期(t2)呈后移趋势，与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理在两个生长季的平均t2分别后移5、9、11和7天。干物质快速积累的持续期(T)和最大积累速率(Vmax)随追氮次数增加呈先升高后降低趋势，与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理在两个生长季的平均T分别延长了2、6、8和5天，平均Vmax分别提高4.4%、9.2%、14.8%和7.2%。

表4 不同追氮次数下干物质积累的Logistic方程及特征值Table 4 Logistic regression equation and characteristic value of dry matter accumulation under different nitrogen topdressing times

2.3 干物质分配与转运

NT2处理的吐丝前营养器官干物质转运量最多，NT8处理的吐丝后干物质积累量最多(表5)。与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理在两个生长季的平均吐丝前营养器官干物质转运量分别降低了29.5%、44.5%、63.7%和40.7%，平均吐丝前营养器官转运率分别降低了31.7%、47.5%、66.0%和33.9%，平均吐丝前营养器官干物质转运量对籽粒的贡献率分别降低了33.3%、51.5%、68.8%和44.5%，平均吐丝后干物质的积累量分别提高了11.6%、24.2%、36.6%和18.1%，平均吐丝后干物质积累量对籽粒的贡献率分别提高了4.1%、4.9%、10.7%和7.7%。

表5 不同追氮次数下玉米干物质积累及向籽粒的转运Table 5 Dry matter distribution and transport to maize grain under different nitrogen topdressing times

2.4 叶面积指数和光合势

增加氮肥追施次数显著影响了玉米生长后期的叶面积指数(LAI)，有效保障了吐丝后较长的光合时间(图2)。在12叶期(V12)和吐丝期(R1) NT6处理的LAI最高，然后依次为NT8、NT4、NT2、NT10处理。在2021年，吐丝后30天(R1+30 d)，NT8和NT6处理的LAI高于NT2、NT4和NT10处理，2020年该时期由于未能测定叶面积，造成数据缺失；生理成熟期(R6)各处理的LAI差异最大，与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理的LAI分别提高了5.5%、11.3%、15.2%和15.1%。

图2 追氮次数对玉米群体叶面积指数的影响Fig. 2 Effects of nitrogen topdressing times on maize leaf area index

氮肥追施次数对出苗—V6阶段的群体光合势无显著影响，而显著影响了玉米V6—V12、V12—R1和R1—R6阶段的光合势(表6)。与NT2处理相比，NT4、NT6和NT8处理在两个生长季V6—V12阶段的平均光合势分别提高了3.0%、5.9%、3.8%，V12—R1阶段平均光合势分别提高了1.1%、6.6%、3.8%，而NT10处理在这两个阶段的平均光合势分别降低了5.0%和2.9%。R1—R6阶段，与NT2处理相比，NT4、NT6、NT8和NT10处理两个生长季的平均光合势分别提高了3.1%、8.6%、10.0%和5.7%。

表6 不同追氮次数下玉米群体光合势变化Table 6 Changes in maize photosynthetic potential under different nitrogen topdressing times

2.5 植株形态

氮肥追施次数对吐丝期的基部节间直径无显著影响，但显著影响了株高、穗位高及穗位系数，其中，NT6处理的株高、穗位高及穗位系数最高(表7)。与 NT2处理相比，NT4、NT6、NT8处理两个生长季的平均株高分别增加了1.9、14.8和12.9 cm，穗位高分别增加了5.7、9.7和8.0 cm，穗位系数分别提高了4.6%、4.1%、2.5%，而NT10处理的株高、穗位高和穗位分别降低了1.5 cm、4 cm和4.4%。

表7 追氮次数对玉米株高、穗位和直径的影响Table 7 Effects of nitrogen topdressing times on maize plant height, ear position, and diameter

2.6 茎秆抗倒伏能力

玉米茎秆抗折断力、基部节间穿刺强度、压碎强度和弯曲强度均随着追氮次数的增加呈先增加后降低的趋势(表8)，各指标在NT6或NT8处理下最高，而在NT10处理下最低。玉米吐丝期，与NT2处理相比，NT4、NT6和NT8处理的茎秆抗折断力分别提高了5.5%、8.9%、8.6%，而NT10处理降低了20.0%；成熟期，相较NT2处理，NT4、NT6和NT8处理的茎秆抗折断力分别提高了10.8%、15.2%、2.7%，而NT10处理降低了26.6%。由此说明，NT6或NT8处理的氮肥追施模式具有较强的茎秆抗倒伏能力。

表8 追氮次数对玉米茎秆抗折断力和基部节间机械强度的影响Table 8 Effects of nitrogen topdressing times on stalk breaking force and mechanical strength of maize basal internode

2.7 玉米种植经济效益

不同追氮次数处理之间经济效益差异显著(表9)。相同年份不同处理之间只有施肥雇工费用的差异，机械作业、种子、施肥装置、灌溉、农药及覆地膜环节的成本一致。增加追氮次数提高了雇工施肥环节的成本，每年每次追肥的雇工成本为52.5元/hm2，即NT2、NT4、NT6、NT8、NT10处理的雇工成本分别为 105、210、315、420、525 元/hm2，2020 年其他环节的生产成本为18271元/hm2，2021年其他环节的生产成本为18780元/hm2。根据籽粒产值和生产成本计算的经济效益表明，NT4、NT6、NT8、NT10处理的经济效益较NT2处理分别增加了10.3%、14.0%、20.1%、10.6%，产投比分别提高了9.9%、13.2%、17.9%、8.5%。说明增加追氮次数能显著提高单位面积的经济效益和产投比。NT8处理的经济效益最高，在两个生长季的平均经济效益为2.94 万元/hm2。

表9 不同追氮次数下玉米经济效益 (×104 yuan/hm2)Table 9 Economic benefits of maize production under different nitrogen topdressing times

3 讨论

充分发挥滴灌水肥一体化技术的优势，以满足作物养分需求为原则，多频次、小定额的供肥，可以提高作物产量、肥料利用效率和经济效益[23,27–28]。在整个生长季节中，将氮素供应与玉米氮素需求相匹配是提高玉米干物质积累量和产量的关键，从而提高氮肥利用效率和减少氮素对环境的不利影响[29–31]，本研究在品种、外界环境和其他栽培技术相同的条件下，利用水肥一体化滴灌技术，增加氮肥追施次数促使作物的需求与养分的供应相同步，提高了玉米氮素的有效性，有利于作物的生长发育和产量形成。但氮肥追施次数过多时，前期施氮过少，后期氮肥施入过晚，会对形态建成造成不利影响，增加产量损失的风险[32]。而氮肥追施次数过少时，玉米不能一次性吸收利用，极易水解成铵类物质，并通过硝化作用转化为硝态氮，或在温度和土壤微生物等的作用下通过硝化和反硝化过程从土壤表面散逸，也会随水分移动流向土壤深层，这可能会造成作物生长后期氮素缺乏，从而影响作物产量[33]。由此说明，水肥一体化条件下，只有选择适宜的追氮次数，才能够极大减少氮素的流失，提高玉米产量和经济效益。此外，本研究在不同生长季中，2020年光温条件好，适宜玉米生长[21]；而2021年由于前期低温，玉米长势较慢，因此产量低于2020年。2020年处理间的产量差异程度小于2021年，由此，也说明氮肥分次追施在不利于玉米生长的年份更能发挥其作用。

作物群体干物质积累量与产量密切相关，适宜的群体叶面积指数是群体物质生产的基础[34]。高产玉米籽粒产量主要来源于吐丝后叶片制造的光合产物[35–36]，通过优化氮肥管理的方式可以延缓作物后期衰老进程，提高生育后期干物质生产时间及积累量[37–39]，这与本研究的结果一致。在水肥一体化条件下，增加氮肥追施次数有效保障了吐丝以后叶片的持绿性，提高了玉米吐丝期至生理成熟期的叶面积指数和光合势，进而促进群体干物质的积累。说明增加氮肥追施次数可提高玉米吐丝后植株的光合活性，获得高光合产物，进一步提高玉米产量。然而，虽然吐丝前营养器官干物质对玉米籽粒的贡献率低于花后，但吐丝前高效的群体结构对玉米吐丝后物质生产至关重要[40]。主要是因为吐丝前玉米拔节至开花阶段是穗分化的重要时期，很大程度上影响穗分化质量，会进一步影响粒数[41–42]。本研究中，10次处理吐丝前施氮量和干物质积累量最少，氮肥大量追施于吐丝后，导致吐丝前未能建立一个高产的群体结构，进而影响玉米吐丝后物质生产。由此可见，吐丝前物质积累量是吐丝后物质积累量的基础，在玉米吐丝后进行氮管理时必须考虑吐丝前氮状况和相应减少吐丝后氮输入以防止氮损失。回归方程能够明确反映出不同处理下作物干物质积累过程中积累量的变化状况[43]。整体来看，适当增加氮肥追施次数对干物质快速积累的起始期影响较小，而延长了干物质快速积累的终止期，从而延长了干物质快速积累的持续时间；另外，适当增加追氮次数也提高了干物质积累的最大速率(表4)。说明在水肥一体化条件下，适当的氮肥后移可以延缓玉米吐丝以后叶片的衰老进程，进而延长干物质快速积累的持续时间并提高积累速率[44]，进而增加干物质积累量。

大风和降雨是引起玉米倒伏的外在环境，造成产量降低，并且给机械收获造成困难[45]。玉米茎秆的机械强度主要取决于节间皮层机械组织[46]。合理的氮肥管理能够缩短节间长度，增加直径和碳水化合物积累，有利于机械强度形成，从而提高植株抗倒伏能力[47–49]。本研究中玉米生长季未发生大风，在综合玉米穗位高和茎秆强度的基础上，以茎秆抗折断力来综合评价植株的抗倒伏能力。结果表明，NT6和NT8处理的穗位最高，不利于抗倒伏，但是基部节间直径、穿刺强度、压碎强度和弯曲强度也最高，有利于抗倒伏；相反，NT2和NT10处理的穗位低，利于抗倒伏，但穿刺强度、压碎强度及弯曲强度也低，不利于抗倒伏，说明合理的分阶段施肥可整体优化玉米的群体结构，增强玉米茎秆和穗部生长的健壮性，从而提高籽粒产量和茎秆抗倒伏能力[50]。可见，利用当地水肥一体化技术优势，合理追施氮肥可以通过提高茎秆机械强度来提高植株抗倒伏能力。然而，第一年试验中未能综合考虑到抗倒伏的问题，仅在第二个生长季中补充测定了倒伏指标。因此，为完善玉米精准栽培技术体系，研究追氮次数对密植高产玉米抗倒伏性能的影响，研究结果还应在多个生长季中进一步验证。

综上，科学的氮肥管理应根据作物养分需求规律，充分考虑养分流失和产量降低的可能性，确定合理的施肥比例、施肥频次、施肥时间及施肥量[51–52]。本研究是在团队前期研究基础上，以总施氮量360 kg/hm2为基础，结合当地轮灌间隔期10天，采用等量分次施肥获得的结果，今后应在本研究基础上确定更加合理的追肥比例，以进一步提高玉米产量和氮肥利用效率。

4 结论

合理的氮肥追施次数可延缓玉米叶片衰老进程，维持吐丝后较高的光合势，延长干物质快速积累的持续期并提高积累速率，增加吐丝后干物质量，提高茎秆基部节间的机械强度，增强茎秆抗倒伏能力，实现玉米产量最高可达22442 kg/hm2，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力分别为15.18 kg/kg和62.09 kg/kg，经济效益为2.94万元/hm2。在本试验密植和肥水灌溉条件下，氮肥分8次追施的效果最佳。