不同土壤水分状况下实现夏玉米高产及氮素高效的控释尿素用量研究

李广浩，董树亭，赵 斌，张吉旺，刘 鹏

（作物生物学国家重点实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018）

玉米是我国第一大粮食作物，在粮食生产中举足轻重。随着人口的增长及耕地面积的减少，玉米生产越来越重要。水分与氮素运筹是调控作物生长发育、提高作物产量的重要措施。适宜的水分条件在提高自然降水和灌溉水利用效率方面存在巨大潜力[1]。在土壤适度干旱状况下增施氮肥，或者在适度降低施肥量条件下增加灌水量，均可显著提高玉米产量；在节水节肥条件下，通过氮素与水分耦合也可以实现玉米高产[2–4]。

当前，品种改良和化肥投入是玉米总产增长的贡献因子中最主要的因素[5–7]。氮肥生产会耗费大量的资源和能量，而目前玉米肥料施用量大，利用率不高，不仅造成大量资源和能量的浪费[8]，而且严重影响农业生态环境[9–10]。如何协调肥料投入与产量之间的矛盾已经引起广泛重视。一些研究认为合理的氮肥运筹方式能改善夏玉米干物质运转、分配和积累速率，提高氮素利用率[11–13]，但无论何种氮肥运筹方式无疑都会增加劳动投入。因此，氮素释放速率与作物的需肥规律基本一致, 一次性基施可满足生产需要, 同时能有效提高氮肥利用率, 提高生产效率和减少人工投入的控释肥的研发与应用被寄予厚望[14–17]。

前人将控释肥应用于玉米并进行了大量研究，对施用控释肥提高氮肥利用率及增产效应进行了探索[16,18–19]。研究结果表明，控释肥能够显著地提高夏玉米氮素利用效率和产量。氮肥管理[11,13]和水分管理[20–22]与夏玉米干物质与氮素的积累与运转有着紧密联系并且存在显著的互作效应[23–27]。但控释尿素与水分对夏玉米干物质和氮素积累的互作效应，特别是花后干物质和氮素积累所占比例影响的研究鲜见报道。如何协调控释尿素与水分之间的关系，以达到增加夏玉米产量、提高氮肥利用率及减少劳动投入的目的，值得深入研究。为此，本试验在前期研究的基础上，通过设置3个水分水平和4个不同控释尿素水平展开研究，以期为节水高产型夏玉米生产的氮肥运筹提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年和2015年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心 (36°10′N，117°09′E) 进行。该地位于黄淮海平原，属于半湿润暖温带大陆性季风气候区。供试土壤类型为棕壤，0—20 cm耕层土壤基本理化性状见表1。

1.2 土柱制作

为了更好地模拟实际大田生产，根据冬小麦、夏玉米根系分布特征[28]，制作高1.5 m、直径30 cm的原状土柱。土柱利用两个内径30 cm的特制圆形铁制模具 (一个高1 m、一个高0.5 m)，根据农田实际土壤特性 (容重) 分层装土。具体做法是：先从试验区具有代表性的田块中分层次 (每20 cm为一层，深1.5 m) 取土，把取回的土壤按层充分混匀，将油毡纸卷裹在高1 m的铁质模具内，直立在挖好的深1.5 m的方形土坑中，按照大田的密度计算行株距排列。根据大田土壤容重从下往上分层装土 (装前测定土壤实际水分含量，根据土壤容重确定每层用土量)，装至80～90 cm高时，将另一个高0.5 m的模具用螺栓固定在第一个模具上，形成1.5 m高的土柱模具，然后继续分层装土。1.5 m土柱装好后，将模具撤下。试验用土柱在夏玉米播种前1个月一次性提前装好，填好土柱周围土壤，充分定量灌水使其自然沉实，备用。

1.3 试验设计

试验选用夏玉米品种‘郑单958’，采用防雨旱棚 (控制自然降水)。设置3个水分处理：W1，保持整个生育期土壤含水量为最大田间持水量的35% ±5% (重度水分胁迫)；W2，保持整个生育期土壤含水量为最大田间持水量的55% ± 5% (轻度水分胁迫)；W3，保持整个生育期土壤含水量为最大田间持水量的75% ± 5% (正常水分条件)，采用CAIPOS土壤墒情监测系统控制土壤水分，每小时自动读取一次土壤含水量，并自动存储，每天早晨和傍晚各读取一次以确定每天的浇水量。采用山东农业大学资源与环境学院研制的树脂包膜控释尿素 (氮素含量42%，控释周期为3个月)，设置4个控释尿素处理，分别为不施氮 (N0)、N 105 kg/hm2(N1)、N 210 kg/hm2(N2)、N 315 kg/hm2(N3)，每个土柱分别施用氮素0、2.222、3.333 和 4.444 g。

本试验共12个处理，每个处理30个土柱，每个土柱种1株玉米，总共360个土柱。直立在挖好的深1.5 m的方形土坑中，每个处理两行，处理间留30 cm过道，种植密度67500 株/hm2。各处理于播种时底施P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2，即每个土柱施P2O51.778 g、K2O 3.556 g。所有氮肥、磷肥和钾肥均于播种前距玉米植株8～10 cm处环状开沟作底肥一次性施入。播种前灌水至田间持水量，以保证全苗、壮苗。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 植株干物质与氮素积累 分别在吐丝期 (R1)、籽粒建成期 (R2)、乳熟期 (R3)、蜡熟期 (R5) 和完熟期 (R6)，在每处理中选取生长一致的植株3株，按照不同器官 (茎鞘、叶片、籽粒和穗轴) 分开置恒温箱内，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重分别称重。样品称重后经粉碎过0.15 mm筛，用于测定植株各器官的氮含量。用浓H2SO4–H2O2消煮后以Alliance全自动连续流动分析仪测定氮含量。

计算方法如下[11,30-31]：

氮积累量 (g/plant) = 植株含氮量 (%) × 生物量

氮收获指数 (%) = 籽粒氮积累总量/植株氮积累总量

氮素籽粒生产效率 (NGPE，kg/kg) = 籽粒产量/氮素积累总量

氮肥农学效率 (ANUE，kg/kg) = (施氮区玉米产量 – 对照区玉米产量)/施氮量

氮肥利用率 (NUE, %) = (施氮区玉米地上部吸氮量 – 对照区玉米地上部吸氮量)/施氮量 × 100

氮肥生理效率 (PNUE，kg/kg N) = (施氮区玉米产量－对照区玉米产量)/(施氮区玉米地上部吸氮量 –对照区玉米地上部吸氮量)

表 1 试验地0—20 cm耕层土壤理化性状Table 1 The basic physical and chemical characteristics of the experimental 0–20 cm soil

1.4.2 测产 成熟期收获 (苞叶枯黄、乳线消失和黑层出现) 各处理剩余果穗，晒干，室内考种，调查穗长、穗粗、秃顶长、穗行数、行粒数和千粒重。单株产量 (g) = 穗粒数 × 千粒重 (g)/1000 × [1 – 含水量(%)]/(1 – 14%)。

1.5 数据处理

氮素利用数据为2014年的数据，其余均为2014年和2015年的试验数据。采用Excel软件进行数据处理，用DPS 7.05软件进行数据统计和分析，在0.05水平进行显著性检验 (LSD法)，利用Sigma Plot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对夏玉米产量及其构成因素的影响

图 1 水氮互作对夏玉米产量及其构成因素的影响Fig. 1 Interaction of controlled release urea and water on yields and yield components in summer maize

水氮互作对夏玉米产量及其构成因素具有显著影响 (图1)。两年结果趋势一致，2015年产量整体略高于2014年。相同水分条件下，夏玉米的产量随着施氮量的增加呈增加趋势，其中重度水分胁迫(W1) 下，分别比N0增产18.51%～27.42%；轻度水分胁迫 (W2) 下，增产幅度相对较大，较N0处理增产10.81%～31.75%，且N3处理产量与正常水分条件下差异不显著；而正常水分 (W3) 条件下比N0处理增产12.21%～25.82% (2014年)。相同控释尿素水平，不同水分条件下各处理产量也呈现随着水分的增加而增加的趋势，N0水平下，W3和W2水分处理分别比W1水分处理增产25.52%和16.75%；N1水平下，W3和W2水分处理分别增产18.85%和9.16%；N2水平下，W3和W2水分处理分别增产32.28%和17.26%；N3水平下，W3和W2处理分别增产23.42%和20.72% (2014年)。从图1还可看出，在W1和W2水分条件下，各施氮处理中以N3产量最高，差异显著。W3水分条件下，N2与N3处理间产量无显著差异，说明N2水平施肥量适宜，N3水平过量。

千粒重和穗粒数的变化趋势与产量一致。水分和控释尿素在千粒重、穗粒数和产量上均表现出显著的互作效应，在产量构成因素中，千粒重和穗粒数是影响夏玉米产量的关键因素，产量高的处理其千粒重与穗粒数均显著高于产量低的处理。

2.2 水氮互作对夏玉米植株干物质积累量的影响

从图2可以看出，控释尿素和水分在夏玉米植株干物质积累总量上表现出显著的互作效应。花后随着时间的推进，各处理的干物质积累总量逐步增加，呈S型曲线，到成熟期达到最大积累量。吐丝期，各处理的干物质积累量差异不显著，成熟期水分处理总体表现为W3 ＞ W2 ＞ W1，差异显著。W1条件下，各处理的干物质增长缓慢，成熟期最大干物质量相对较低，随施氮量增加干物质积累量呈增加的趋势，2014年吐丝期到乳熟期N1与N2处理差异不显著，蜡熟期和成熟期N2与N3处理差异不显著；2015年从抽雄期到成熟期N1与N2均差异不显著。W2条件下，从吐丝期开始，干物质积累量增长相对较快，施氮处理显著高于N0，N3水平增长速度最快，N2、N1水平次之；W3条件下，各处理的干物质积累量快速增长，特别是从籽粒建成期到蜡熟期增长最快，表现为N3 ＞ N2 ＞ N1，其中N3与N2水平差异不显著。从吐丝期到成熟期，W3条件下各施氮水平的平均干物质积累量要显著高于其他两个水分处理，其中W2条件下N3处理与W3条件下N3和N2处理三者无显著差异，均显著高于其他处理。水氮互作通过影响干物质积累速率及快速积累天数影响干物质的积累总量，其中W2N3、W3N3和W3N2处理更有利于干物质总量的快速积累。

2.3 水氮互作对夏玉米植株氮素积累总量的影响

图 2 水氮互作对夏玉米植株干物质积累总量的影响Fig. 2 Interaction of controlled release urea and water on dry matter accumulation of summer maize plants

氮素的积累量反映玉米整个生育期对氮素营养的吸收情况。从图3可以看出，随着生育期的推进，夏玉米植株氮素积累总量逐渐增长，到成熟期达到最大值。相同水分条件下，各处理氮素积累总量随着施氮量的增加而增加。W1条件下，各处理的氮素积累量在整个生育期都增长缓慢，最大积累量相对较低；W2条件下，氮素积累量的增长速度明显加快，表现为 N3 ＞ N2 ＞ N1 ＞ N0，差异显著，后期优势更加明显，2015年N3水平优势更显著；W3条件下，各处理的氮素积累增长较快，N2水平低于N3水平，但差异不显著，显著高于其他处理，后期差距更加显著。不同水分处理间比较，整体表现为W3 ＞ W2 ＞ W1。两年均表现为成熟期 W2N3、W3N2和W3N3的氮素总积累量最大，三者差异不显著，均显著高于其他处理。

2.4 水氮互作对夏玉米花前与花后干物质与氮素积累的影响

表2结果表明，相同水分条件下，随着施氮量的增加各处理花前与花后干物质与氮素积累量呈增加趋势，两年结果趋势一致。W1水分条件下，N3、N2、N1水平的花前干物质积累量分别比N0提高49.7%、31.9%、25.6%，而花后干物质积累量分别提高59.8%、43.3%、27.5%；W2水分条件下，N3、N2、N1的花前干物质积累量分别比N0提高40.4%、25.6%、16.6%，而花后干物质积累量分别提高55.5%、32.2%、18.0%；W3水分条件下，N3、N2、N1的花前干物质积累量分别比N0提高29.6%、22.2%、12.1%，而花后干物质积累量分别提高34.7%、41.0%、26.7% (2014年)。W2N3与W3N2处理的花前、花后干物质积累量与花后干物质所占比例在所有处理中均最高。花前花后的氮素积累变化与干物质积累变化一致，W1水分条件下，N3、N2、N1的花前氮素积累量分别比N0提高65.3%、33.7%、33.7%，而花后氮素积累量分别提高96.2%、75.5%、35.8%；W2水分条件下，N3、N2、N1的花前氮素积累量分别比N0提高54.8%、37.3%和27.0%，而花后干物质积累量分别提高108%、71.0%、46.8%；W3水分条件下，N3、N2、N1的花前干物质积累量分别比N0提高59.6%、47.8%、38.2%，而花后干物质积累量分别提高66.7%、73.1%、25.6% (2014年)。W2N3与W3N2处理的花前、花后氮素积累量与花后氮素积累所占比例比其他处理高。

图 3 水氮互作对夏玉米植株氮素积累总量的影响Fig. 3 Interaction of controlled release urea and water on nitrogen accumulation of summer maize plants

表 2 不同水氮处理夏玉米花前与花后干物质与氮素积累 (g/plant)Table 2 Dry matter and nitrogen accumulation of summer maize before and after the silking stage under different water and nitrogen conditions

2.5 水氮互作对夏玉米氮肥利用效率的影响

不同水分条件下控释尿素能显著影响夏玉米氮素生产和氮肥利用效率 (表3)。不同水分条件下产量差异极其显著，表现为 W3 ＞ W2 ＞ W1 (图 1)，氮素收获指数表现为W1 ＞ W2 ＞ W3，两年结果趋势一致。相同水分条件下，随着施氮量增加氮素收获指数与氮素籽粒生产效率呈下降趋势。W1、W3条件下，氮肥农学效率、氮肥利用率和氮肥生理效率均表现为N1 ＞ N2 ＞ N3，差异显著，而W2条件下氮肥农学效率和氮肥利用率则表现为N1 ＞ N3 ＞ N2，氮肥生理效率表现为N3 ＞ N1 ＞ N2。2014年，W2N3处理的氮肥农学效率、氮肥利用率及氮肥生理效率分别比W2N2和W3N3处理提高22.6%、0.8%、22.2%和35.4%、14.4%、18.2%；2015年优势更明显，分别为41.2%、18.2%、25.8%和41.2%、50.2%、2.1%。W3条件下，N2水平比N3水平氮肥农学效率、氮肥利用率和氮肥生理效率在2014年和2015年分别高54.17%、34.93%、14.43%和58.8%、55.2%、26.1%，而产量差异不显著 (图1)，表明N2水平优于N3水平。两年结果均表明W2N3和W3N2处理水氮互作效应最显著，能保持氮素的高效释放，有利于高产群体的建成，从而提高夏玉米植株氮素积累、协调氮素分配，有效提高氮素利用率。水分和控释尿素具有协同互作效应使夏玉米氮素生产和利用效率提高，W2N3和W3N2处理为本试验最佳处理。

表 3 水氮互作对夏玉米氮素利用率的影响Table 3 Interaction of controlled release urea and water on nitrogen use efficiencies of summer maize

3 讨论

于志青等[32]和隋方功等[33]研究认为，不同水分条件下夏玉米植株干物质的积累存在差异。本研究表明，W3水分处理较W2、W1水分处理显著提高夏玉米植株干物质积累量。其原因是充足的水分有效促进了玉米地上部和根系的生长，保证了高产群体的形成，一定程度上起到了扩“库”增“源”的作用，而W1、W2水分处理由于干旱胁迫使植株生长受阻，对干物质积累造成不利影响。徐祥玉等[34]和申丽霞等[35]研究表明，适度增施氮肥可明显促进夏玉米植株地上部干物质积累量的增加，本研究结果也表明，相同水分条件下随控释尿素用量增加干物质积累量呈增加的趋势，但W3N2与W3N3间无显著差异，表明在W3条件下N3处理比N2处理氮肥用量增加，而干物质积累量没有增加。W2N3处理的干物质积累与W3条件下N2和N3差异不显著，水氮互作效应显著，表明轻度水分胁迫下可以通过适当增施氮肥缓解水分胁迫的不利影响，而且能够达到正常水分条件下高氮的水平。干物质是籽粒产量形成的物质基础，高产的基本途径是尽量增加干物质产量并使之尽可能多地分配到籽粒中去[36]。干物质积累在各器官中的分配随着生长中心转移而变化，花后籽粒干物质呈快速增加的趋势，戴明宏等[37]研究表明，施氮能够明显促进生育后期植株营养体干物质向籽粒的转运[11]，本研究也得到类似结果，并发现花后夏玉米植株干物质积累量及其所占比例的增加是产量提高的主要原因之一。

水分与氮肥管理和氮素运转与分配密切相关，玉米灌浆至成熟期需要维持适当的水分条件，在保证吸收利用土壤氮素、保持茎鞘氮素积累量的基础上，增加叶片氮素积累，进一步提高穗部的氮素积累量，有利于获得高产，提高氮素利用率[22]。本研究表明，水氮互作对夏玉米植株氮素吸收与利用紧密关联。W1条件下，控释尿素释放氮素能力受到限制，同时氮素在土壤中的移动速度和根系活力受到抑制[24]，导致营养生长期参与形态建成的氮素减少，植株生长受到抑制，进而影响氮“库”的构建，氮素的积累总量受到限制，从而导致氮素的分配、再分配和运转不畅，严重影响了植株对氮素的利用，且随施氮量的增加氮素利用率降低。W2条件下氮素释放效率相对较高，对水分胁迫造成的分配、运转阻碍起到了一定的补偿作用，水氮互作效应显著，保证了氮素的有效性，提高了氮肥利用率，2014年中氮与高氮条件下氮素利用率差异不显著，2015年高氮条件下氮肥利用率显著高于中氮处理。W3条件下控释尿素的释放适中，水解阻力小，氮素移动较快，一定程度上避免了氮素的奢侈消费，有助于构建高产群体，同时根系保持较高的活力，有助于玉米对氮素的吸收和氮素在植株中的分配、运转，且随施氮量增加氮肥利用率降低。

水氮互作能在氮素吸收与利用上表现出协同促进作用[23–25]。协调好水肥关系以符合夏玉米生长发育需求, 以水带氮、肥水结合，才能提高氮素在各器官中的积累量，从而促进各器官中氮素向穗部的运转和合理的氮素分配。在各水分条件下，控释尿素释放契合夏玉米生长规律的氮素对夏玉米植株氮素吸收与利用表现出一定的补偿和促进作用。W1、W2条件下，表现补偿效应，W3条件下表现促进效应，W2N3与W3N2处理互作效应最显著，尤其在花后植株氮素积累量及其所占比例上更为明显。此外，W3条件下N2、N3处理在花前和花后植株对氮素的积累量上差异不显著，但是在氮肥农学效率、氮肥利用率以及氮肥生理效率上，N2处理显著优于N3。重度水分胁迫条件下夏玉米对氮素的吸收及利用都受到影响，氮肥利用率较低；轻度水分胁迫下增施氮肥保证了夏玉米的营养供给，水氮互作有利于提高氮肥利用率；正常水分条件下，适当的施氮量有利于肥水结合促进夏玉米生长发育，提高氮肥利用率。

前人研究表明，相同水分条件下，作物产量随着施氮量的增加呈增加趋势；相同氮肥水平条件下，产量随水分增加而增加[27,38–39]，这与本试验结果一致。邵国庆等[24]研究表明，氮素和水分在玉米产量上存在显著的正耦合效应。本研究表明，水氮互作对夏玉米产量影响显著。重度水分胁迫下，夏玉米穗位叶的光合生产能力下降[38]，植株干物质生产能力降低，光合产物向籽粒运转和分配减少，同时氮素的积累总量受到限制，导致氮素的分配、再分配和运转不畅，严重影响了植株对氮素的利用，从而使产量降低，增施氮肥对胁迫有所缓解，产量随着施氮量的增加呈增加趋势；轻度水分胁迫下N3的产量明显高于其他处理，且与正常水分条件下N2和N3处理差异不显著，表明适当增施控释尿素可以有效缓解轻度水分胁迫对干物质和氮素利用的影响，增产最显著。正常水分条件下N2与N3处理产量无显著差异，N2处理增产最大，表明在N2基础上继续增施氮肥，其干物质生产能力不再继续提高，增产效果不显著，控释尿素在整个生育期都保持较高的氮素水平，氮素释放缓慢而平稳，能够保证玉米后期的氮素供应。在W2N3处理下，控释尿素有效缓解了水分胁迫，使产量提高到正常水分条件下高氮水平，水氮互作效应显著。W3N3处理的产量没有继续增加，表明其施氮量可能过量，这与赵斌等[11]在控释肥上的研究结果一致。不同水分条件下控释尿素在土壤中的迁移影响夏玉米产量的机制有待进一步研究。

4 结论

水氮互作对夏玉米的干物质积累氮素积累及其氮效率具有显著的影响，合理的水分与氮素运筹方式有助于高产群体的构建，提高夏玉米的干物质和氮素积累量，协调氮素分配，加速氮素向穗部的转运，提高氮肥利用率，进而提高夏玉米产量，特别是能提高产量构成因素中的千粒重和穗粒数。本研究结果表明，施氮量为 210 kg/hm2的控释尿素与水分含量为田间持水量的75% ± 5%的土壤条件耦合效应最佳，在水分含量为田间持水量的55% ± 5%的土壤条件下，控释尿素施氮量以315 kg/hm2为宜。

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