周昌明 李援农 陈朋朋

(1.江西农业大学国土资源与环境学院， 南昌 330045；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

垄沟全覆盖栽培技术是我国干旱半干旱地区一项重要的栽培技术[1-2]。田间垄沟全覆盖地膜不仅能减少土壤水分的无效蒸发损失，改变作物生长的水、气、热、肥环境，促进产量的增加[3]，而且还能利用垄沟的坡度优势汇集降水，将无效降水转化为有效降水，提高了作物对降水资源的利用效率[4]。

随着垄沟全覆盖机械相关技术的研究与发展[5-8]，垄沟全覆盖种植技术能够有效改善和解决干旱地区水资源供应不足的问题，但在全覆膜条件下施肥却成为新的问题。为探索夏玉米一次性施肥技术，前人做了相关试验与研究。王宜伦等[9]研究发现，夏玉米苗期一次性开沟条施缓/控释氮肥的植株氮素累积量比常规2次施氮提高了6%～7%，产量提高了3%～4%。刘晓伟等[10]研究发现，根区一次性施氮的产量比常规施氮显著增产24.5%。姜超强等[11]研究发现，一次性根区穴施尿素能够替代当前的分次施肥，实现作物高产、稳产，对化学氮肥减量施用、提高肥料利用率具有很大的潜力和空间。也有研究认为，在农业生产过程中，采用一次性施肥方式会造成氮肥的利用效率低下，前期氮量供应过多、后期氮素供应不足，对产量的提升效果并不显著，再加上夏玉米生育期一般高温多雨，氮肥一次性施入可能会造成挥发淋溶等损失[12-14]。张美微等[15]研究发现，在相同施氮量条件下，使用免耕深松分层施肥技术的玉米干物质累积量、产量及氮肥利用效率均显著高于传统施肥技术。综上，只要施肥深度合理、施肥位置得当、离作物根区位置适宜，一次性施肥效果优于传统分次施肥，而采用氮肥一次性全田撒施，不考虑作物与氮肥之间的吸收利用关系，其效果低于传统分次施肥。目前，很多研究都采用缓释氮肥来达到一次性施肥的效果[16-18]，虽然可有效提高肥料利用率，但我国的缓控释肥发展尚处于起步阶段，且成本较高，推广比较困难。因此，研究全膜垄沟覆盖下施用普通氮肥和一次性施肥模式对发展地膜覆盖技术、提高夏玉米产量以及降低后期追肥成本等具有重要意义。

本研究通过田间试验比较氮肥一次性根区穴施(N1)、一次性沟内条施(N2)、一次性全田撒施(N3)以及不施肥对照处理(CK)4种施肥方式的效果，研究垄沟全膜覆盖种植方式下一次性施肥模式对夏玉米生长和氮素运移、累积以及夏玉米对氮素吸收利用效率的影响，旨在为干旱半干旱地区地膜覆盖条件下合理施肥、提高肥料利用效率和夏玉米产量等提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2015年6—11月和2016年6—11月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室的灌溉试验站进行。试验站位于陕西杨凌(108°24′E，34°20′N，海拔521 m)，多年平均蒸发量为1 510 mm左右，年平均降水量约为632 mm(主要集中在7—9月)，夏玉米生育期近5年平均降水量为301.9 mm，其中2015年和2016年夏玉米生育期平均降水量分别为283.9、299.0 mm。试验地土壤为中壤土，耕作层土壤容重为1.35 g/cm3，田间土壤持水率为22.5%(质量含水率)，0～40 cm表层基础土壤平均养分为：有机质质量比11.23 g/kg、碱解氮质量比74.51 mg/kg、速效磷质量比24.67 mg/kg、速效钾质量比133.20 mg/kg、全氮质量比0.93 g/kg、全磷质量比0.60 g/kg、全钾质量比14.0 g/kg、pH值约为7.8。

1.2 供试材料

2年供试作物为夏玉米“漯单9号”，该品种根系发达、出苗率高，由河南金囤种业有限公司生产。试验所用降解膜为环保型生物降解膜(杨凌瑞丰环保科技有限公司生产)，主要由30%淀粉、50%PCL(聚已内酯)及其他助剂组成，膜宽100 cm、厚0.008 cm，使用寿命较长，100 d左右开始降解并出现细小裂痕，可保障夏玉米整个生育期的覆盖效果。所用钾肥为农业用硫酸钾，氧化钾(K2O)质量分数大于等于51.0%；供试磷肥为过磷酸钙，有效P2O5质量分数大于等于16.0%；供试氮肥为尿素，总氮质量分数大于等于46.4%，肥料均在当地农资化肥点购买。

1.3 试验设计

试验处理均采用连垄全降解膜覆盖，除了施肥方式不同外，其他农业耕作措施均相同。试验共设置了4种不同的施肥方式，分别为：不施肥处理(CK)、一次性根区穴施(N1)、一次性沟内条施(N2)、一次性全田撒施(N3)。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积20 m2(4 m×5 m)，南北走向，小区内均起垄种植，垄高25 cm，垄宽60 cm，于2015年6月18日和2016年6月17日按照行间距60 cm、株间距28 cm进行覆盖种植，每行18株夏玉米，一共6行，共108株夏玉米，每平方米种植6株夏玉米(用于产量计算)，小区四周均设有保护行。根据当地多年施肥经验，肥料施用量为氮肥180 kg/hm2、磷肥60 kg/hm2、钾肥80 kg/hm2。

所有小区的磷肥、钾肥处理相同，均在起垄播种前一次性均匀施入土壤表层，再经过耕整地后均匀混于0～40 cm耕作层。氮肥施用方法：CK不作氮肥处理；N3处理的氮肥与磷肥、钾肥施入方法一致，在播种前一次性全部施入土壤表层，每个小区施入尿素646.5 g；N2处理在小区起垄后，在偏离沟中心玉米种植行12 cm左右处人工开沟进行条施尿素，条深10 cm，每条施入尿素107.5 g，一共施6条；N1处理在小区起垄后，在对应种植玉米位置偏离12 cm处进行穴施尿素，穴深10 cm，每穴施入尿素6 g，一共108穴。所有小区在种植施肥完成后再进行垄沟全降解膜覆盖，薄膜四周用土压实，保护降解膜以防风雨天气对降解膜的破坏。出苗后及时放苗和间苗，除了施肥方式与传统夏玉米种植方式不同外，其他田间管理均与当地大田处理一致。

1.4 指标测定与方法

(1)夏玉米生育期

以全田50%的植株达到各生育时期标准的日期为各生育时期的记载标准。本试验夏玉米平均生育期为：播种-出苗期8 d，出苗-拔节期24 d，拔节-大喇叭口期14 d，大喇叭口-吐丝期14 d，吐丝-灌浆期25 d，灌浆-成熟期24 d，全生育期一共109 d。

(2)夏玉米干物质量、含氮量

分别在夏玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期以及成熟期采集夏玉米地上部样品，分为叶、茎及果穗3部分存于档案袋，每个处理选3株，称完鲜质量后放入干燥箱在105℃杀青0.5 h，75℃恒温干燥至质量恒定，用电子天平称量干物质量。所有植物样品均干燥后粉碎，并过0.5 mm筛，在阴凉干燥处密闭保存，测量时，植物样品用H2SO4-H2O2消煮，并用流动分析仪测定各部分全氮含量并折算植株含氮量。

(3)夏玉米籽粒含水率、产量

在夏玉米成熟期取具有代表性的果穗样品，手工脱粒，取果穗中部籽粒，采用直接干燥法进行籽粒含水率的测定，每个处理取5份样品，重复3次，以平均值作为籽粒含水率。成熟期每个小区收获内侧4行测产，根据质量均值法取有代表性的12穗样穗进行自然风干、脱粒、称量，得到籽粒产量。

(4)夏玉米氮肥利用率计算

氮肥偏生产力(PFP，kg/kg)计算公式为

PFP=Y/N

(1)

式中Y——产量，kg/hm2

N——施氮量，kg/hm2

氮肥表观利用效率(AUE，kg/kg)计算公式为

AUE=(Ni-N0)/N

(2)

式中Ni——施肥区夏玉米氮素累积量，kg/hm2

N0——对照区夏玉米氮素累积量，kg/hm2

氮肥农学利用效率(NUE，kg/kg)计算公式为

NUE=(Yi-Y0)/N

(3)

式中Yi——施肥区夏玉米籽粒产量，kg/hm2

Y0——对照区夏玉米籽粒产量，kg/hm2

氮肥生理利用效率(NPE，%)计算公式为

NPE=(Yi-Y0)/(Ni-N0)×100%

(4)

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理；采用SPSS 19进行试验数据统计分析，方差分析使用最小显著差异(Least-significant difference，LSD)法进行；采用OriginPro 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对夏玉米产量及构成因子的影响

表1为不同施肥处理对夏玉米产量及构成因子的影响。由表1可知，4种处理下夏玉米2年平均籽粒含水率处于30.10%～32.60%之间，N2、N1处理籽粒含水率较高，与CK差异显著(P<0.05)，N3处理籽粒含水率略低于N2、N1处理，3种施肥处理间籽粒含水率差异不显著。3种一次性施肥模式(N3、N2、N1)下的夏玉米平均产量、穗粒数和百粒质量均高于CK对照处理，除了N3处理百粒质量与CK对照差异不显著外，其他差异均达到显著水平(P<0.05)。N3、N2、N1处理较CK对照2年平均增产30.23%、44.16%、54.65%，穗粒数2年平均增加25.21%、32.06%、39.42%，百粒质量2年平均增加3.12%、7.37%、9.69%。 3种一次性施肥处理中，一次性穴施(N1)处理产量高于N2、N3处理，与N3差异显著(P<0.05)，较N3处理2年平均增产18.75%，N1与N2处理差异不显著。综合而言，施肥处理有助于夏玉米生长及产量的增加，垄沟全覆盖条件下一次性穴施(N1)与一次性条施(N2)增产幅度较为显著。

2.2 不同施肥方式对干物质量的影响

图1(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)为不同施肥处理对夏玉米秸秆干物质量、籽粒干物质量的影响。由图1可知，3种一次性施肥处理下的夏玉米秸秆干物质量、籽粒干物质量均高于CK对照处理，且差异显著(P<0.05)。N3、N2、N1处理的2年平均秸秆干物质量较CK对照增加了14.40%、14.07%、15.30%；2年平均籽粒干物质量较CK对照增加了10.88%、21.20%、27.23%。在3种一次性施肥处理中，N3、N2、N1处理下的秸秆干物质量无显著差异，平均干物质量达到了6.47～6.54 t/hm2。3种一次性施肥处理下夏玉米籽粒干物质量差异显著(P<0.05)，N3、N2、N1处理2年平均籽粒干物质量分别为9.89、10.81、11.34 t/hm2，其中N1处理夏玉米籽粒干物质量累积最多，2年平均籽粒干物质量较N3、N2处理增加了14.75%、4.98%。总的来说，3种一次性施肥处理均能促进夏玉米秸秆干物质量和籽粒干物质量的累积，其中一次性穴施氮肥(N1)累积量最高，效果更为显著。

图1 不同处理对夏玉米秸秆干物质量和籽粒干物质量的影响Fig.1 Effect of different treatments on straw and grain dry matters of summer maize

2.3 不同生育期植株氮素累积变化

表2为不同施肥处理对夏玉米不同生育期植株体内氮素累积变化的影响。由表2可知，3种一次性施肥方式下的夏玉米氮素累积量在不同生育期均高于CK对照处理，其中成熟期氮素累积量差异最大，N1、N2、N3处理下2年氮素累积量较CK对照平均增加52.0%、74.9%、97.8%，增加幅度大且差异显著(P<0.05)。对3种一次性施肥方式而言，在吐丝期之前，N1、N2处理下的氮素累积量高于N3处理，2年氮素累积量在吐丝期分别较N3处理提高22.34%、26.49%，且差异显著(P<0.05)；N1与N2处理之间差异不显著，在灌浆期后N1与N2处理之间的差异才开始达到显著水平。在成熟期，氮素累积量从高到低依次为N1、N2、N3，其中N1比N2、N3氮素累积量2年平均增加30.2%和11.9%。

表2 夏玉米不同生育时期氮累积量的变化Tab.2 Effects of different treatments on N accumulation at different growth stages of summer maize kg/hm2

2.4 夏玉米氮素阶段累积量及阶段吸收速率

表3为不同施肥处理对夏玉米不同生育期2年平均氮素阶段累积量、吸收速率的影响。由表3可知，不同处理下夏玉米氮素阶段累积量变化趋势大体相同，均表现为在拔节-大喇叭口期、吐丝-灌浆期较多，出苗-拔节期、灌浆-成熟期次之，大喇叭口-吐丝期最少的变化趋势。以拔节-大喇叭口期为例，N3、N2、N1处理的夏玉米2年平均氮素阶段累积量分别为30.60、35.11、37.74 kg/hm2，均高于CK对照处理下的19.07 kg/hm2，且差异显著(P<0.05)，但4种处理下氮素阶段累积量占总量比例却比较接近，均处于26.40%～27.87%之间，说明不同施肥处理对夏玉米氮素阶段累积量影响较大，但对夏玉米吸氮关键时期以及所占比例影响较小。通过N3、N2、N1处理下的全生育期氮素吸收速率可知，同等量的氮肥，施入方式不同，夏玉米在不同生育期对氮素的吸收速率不同，N1、N2处理下的氮素阶段吸收速率在灌浆期前均高于N3处理，且差异显著(P<0.05)，灌浆期-成熟期N2与N3处理差异不显著。N1处理下夏玉米氮素阶段吸收速率在出苗-拔节期、拔节-大喇叭口期、大喇叭口-吐丝期与N2差异不显著，而在吐丝-灌浆期、灌浆-成熟期与N2差异显著(P<0.05)。说明不同施肥处理在前期对作物的吸收速率影响较大，氮素在夏玉米根区的分布量不同，穴施氮肥更容易向作物根区提供氮素。而均匀撒施，氮素分布太过分散，氮素大多处于作物根区之外很难被作物所吸收利用，所以N3处理下的氮素阶段吸收速率显著低于N2、N1处理。

表3 夏玉米氮素阶段累积量及阶段吸收速率Tab.3 Accumulation and uptake rate of summer maize plant N at different growth stages

2.5 植株茎叶果氮素累积量

图2为不同施肥处理对夏玉米茎叶果氮素累积量的影响，由图2可知，随着夏玉米生育期的进行，各处理下的夏玉米氮素累积量表现为逐渐增加的趋势，其中在吐丝期夏玉米体内氮素主要累积于茎、叶部位，其中叶片所占比例为58.31%～62.37%，为主要的氮素累积部位。进入灌浆期后，夏玉米体内氮素逐渐开始向果穗部位累积，最后在成熟期达到最大，且氮素累积量在体内分布由大到小依次为：果、叶、茎，果穗氮素累积占总量的比例为67.68%～69.52%，说明后期进入生殖生长阶段后，养分的累积部位逐渐从叶片向果穗转移。与CK对照相比， N3、N2、N1处理下的夏玉米各部位氮素累积量均显著提高，且差异显著(P<0.05)。在3种一次性施肥处理中，N1处理下的茎叶果氮素累积高于N2、N3处理。以灌浆期为例， N1处理下茎氮素累积量比N3、N2分别提高了3.96%、17.42%，叶氮素累积量提高了7.36%、26.59%，果氮素累积量提高了6.25%、31.86%。

图2 夏玉米各器官氮素累积与分配Fig.2 Accumulation and distribution of plant N in various organs

2.6 不同施肥处理对夏玉米氮肥利用效率的影响

表4为不同施肥处理对夏玉米氮肥利用效率的影响，由表4可知，3种一次性施肥处理下2年氮肥生理利用率无显著差异。综合2年试验表明，N1处理下的夏玉米氮肥农学利用率最高，平均为21.27 kg/kg，N2处理次之，平均为17.19 kg/kg，N3处理下的氮肥农学利用率最低，平均为11.77 kg/kg，且3种处理之间差异显著(P<0.05)。N1处理下的氮肥偏生产力、表观利用率也均高于N2、N3处理，其中氮肥偏生产力2年平均值较N2、N3提高7.28%、18.75%；氮肥表观利用率2年平均值较N2、N3提高30.61%、88.28%。可见，同等量施肥条件下，施肥方式或者施肥区域不同，对夏玉米的氮肥利用效率差异不同，一次性穴施氮肥更能有效地促进夏玉米氮肥利用效率的提高。

表4 不同施肥处理对夏玉米氮肥利用效率的影响Tab.4 Effects of different treatments on N fertilizer use efficiency of summer maize

3 讨论

3.1 不同施肥方式对夏玉米氮素累积的影响

植株体内氮素含量的累积直接关系到氮肥利用效率的高低，提高氮素累积量可促进作物正常生长发育以及产量和品质的提高[19-21]。姜超强等[11]研究发现，一次性根区穴施尿素提高了氮肥在耕层土壤的集中度，降低了氮素释放速度，达到缓控释肥的效果，其中一次性穴施的植株氮素累积量与传统追肥的无显著差异。葛均筑等[22]研究发现，一次性施肥显著降低了春玉米生育前期氮素累积量，生育中后期玉米养分累积速率加快，成熟期氮素累积量差异不显著。本研究发现，3种一次性施肥方式下的夏玉米氮素累积量在不同生育期均高于CK对照处理，其中一次性穴施处理下植株体内氮素累积量显著高于条施和一次性撒施，与姜超强等[11]研究结论一致。

通过对夏玉米整个生育阶段氮素累积量和吸收速率的研究发现，穴施下夏玉米氮素累积量和吸收速率要显著高于条施、撒施，其中在吐丝-灌浆期、灌浆-成熟期穴施与条施差异显著，这与葛均筑等[22]的研究结论不一致，可能原因在于两地的降雨量和种植方式不同，前人很多的研究都没有进行覆盖处理，且降水量较大，这种情况下氮素的淋溶效果会增大，氮素挥发和向深层渗漏量会增加，从而导致后期氮素供应不足，穴施和条施与CK对照无显著差异。本研究在垄沟全覆盖条件下进行，地膜在土壤表层形成了一层分隔膜，将土壤耕作层水、气、热环境与土壤表层环境分隔开，不仅可减少土壤水分无效蒸发、氮素挥发，而且还能有效避免降雨直接对土壤氮素进行淋溶损失。特别是穴施和条施，水分汇集到沟中会从种植行出苗破膜处流下去，间接减少了对土壤氮素的冲刷和淋洗，而作物氮素累积量与根区附近氮素的供应有很大的关系，穴施对作物根区提供的氮素高于条施和撒施，因此在整个生育期不同施肥区域对氮素的累积量产生不同影响。

本研究进一步对夏玉米不同部位的吸氮量做了相关分析，吐丝期夏玉米体内氮素主要累积于茎、叶两个部位，其中叶片所占比例为58.31%～62.37%，为主要的氮素累积部位。进入灌浆期后，果穗氮素累积量占总量的比例为67.68%～69.52%。其中拔节期至大喇叭口期和吐丝期至灌浆中期是夏玉米两个氮素吸收关键时期，这与王宜伦等[23]研究结论一致。这说明随着夏玉米的生长发育，生长中心不断转移，导致氮素分配中心分异，也是导致器官养分含量和数量变化的主要原因。

3.2 不同施肥方式对夏玉米产量及氮肥利用效率的影响

如何提高肥料利用率、促进作物产量的提高是当前农业发展和环境保护迫切需要解决的问题[24]。一次性施肥相对传统分次施肥具有减少劳动投入、提高生产效率的优势[25-27]。孙旭东等[28]研究发现，一次性全田施撒尿素较不施氮相比可以显著提高玉米产量，其中夏玉米郑单958和登海605一次性施用尿素较CK处理2年平均增产18.9%和19.4%。本研究发现，3种一次性施肥模式下的夏玉米产量、穗粒数和百粒质量均高于CK对照处理，增产效果显著，其中一次性全田施撒处理下夏玉米增产幅度(30.23%)略高于前人研究[28]，这个差异可能与种植方式和地区气候有一定的关系，但最终增产效果一致。

姜超强等[11]研究发现，一次性根区穴施比一次性条施夏玉米增产9.8%，得出优化施肥位置的根区一次性施氮能够实现作物增产的结论。本研究发现，一次性穴施(N1)比一次性全田撒施(N3)处理2年平均增产18.75%，但与一次性条施(N2)处理差异不显著。这与前人结论不同，可能原因在于种植方式的不同。前人很多研究都是在田间土壤裸露的情况下开展不同施肥的试验[11]，且条施和穴施氮肥的集中程度不一样将会造成氮肥与土壤接触面不同，全田撒施下氮肥与土壤的接触面最大，其次是条施氮肥，接触面最小的是穴施。接触面越大，氮素稀释释放的速率也就越高，后期对作物供应的氮素量也就越少，从而导致作物对氮素的吸收量减少。本研究耕作层均采用连垄全覆盖种植方式，一次性条施的氮肥和一次性穴施的氮肥均存在于偏离沟种植中心12 cm处，且都属于根区施肥，氮肥利用效率较高，虽然穴施产量高于条施，但产量差异未达到显著水平。此外，可能与施肥深度也有一定的关系，前人很多研究的施肥深度在12 cm左右，也有研究采用不同的深度[15，29]，本试验施肥深度是在10 cm左右，而夏玉米生长过程中根系不断生长，施肥位置太深会造成前期根系吸氮困难，施肥太浅会导致后期氮素供应不足。使氮肥的释放范围与作物根系生长范围耦合是提高氮肥利用效率，促进作物氮素吸收最为理想的方式。施肥深度与夏玉米根系生长的关系、使氮素向深层迁移的速率与根系生长的速率一致还需要更进一步的研究和探讨。

提高氮肥利用效率、探究最佳的施肥方式是目前减少氮肥污染、保护环境亟待解决的主要问题。有关研究结果表明一次性施肥氮肥表观利用率高达49.8 g/kg[30]；一次性穴施氮肥表观利用率可达 50.1～58.9 g/kg[18]。本试验N1、N2、N3处理下氮肥表观利用率2年平均值分别为39.28、30.07、20.86 kg/kg，低于前人的研究结果[11,30]。可能原因在于施肥量的不同，前人的结论均在施氮量为240、300 kg/hm2的高氮水平下获得，而本试验施氮水平为180 kg/hm2，为当地多年经验施肥量。施肥量是目前公认的影响肥料利用率的最主要因素，在一定范围内提高氮肥施用量能有效提高作物产量和氮肥利用效率，但众多的研究表明，避免过量施肥可以显著提高肥料利用率。依据报酬递减律，过量施用的肥料不一定增产，且难以被作物吸收，也更容易损失[24]，因此，在不同的地区、不同的品种以及不同的种植方式下，能够提高肥量利用效率，保证产量不降低，氮肥污染最小的适宜施氮量需进一步研究。

4 结论

(1)采用一次性施肥模式对夏玉米干物质量的大田试验表明，3种一次性施肥处理模式下的夏玉米秸秆干物质量、籽粒干物质量均高于CK对照处理，N1处理下夏玉米籽粒干物质量累积最多，2年平均籽粒干物质量较N3、N2增加了14.75%、4.98%。

(2)在吐丝期之前，N1、N2处理下的氮素累积量高于N3处理，2年氮素累积量在吐丝期分别比N3处理提高了22.34%、26.49%；在成熟期，氮素累积量从高到低依次为N1、N2、N3，其中N1比N2、N3氮素累积量2年平均增加30.2%和11.9%；N1处理下氮素吸收速率均高于N2、N3处理，且在前期的出苗-拔节期、拔节-大喇叭口期与N2、N3差异显著；N1处理下的茎、叶、果中氮素累积高于N2、N3处理。

(3)对产量和氮肥利用效率而言， N3、N2、N1处理比CK对照2年平均增产30.23%、44.16%、54.65%；3种一次性施肥处理中，一次性穴施(N1)处理产量高于N2、N3处理，比N3处理2年平均增产18.75%；N1处理下的夏玉米氮肥农学利用率最高，N1处理下氮肥偏生产力2年平均值较N2、N3提高7.28%、18.75%，氮肥表观利用率2年平均值较N2、N3提高30.61%、88.28%。

(4)在垄沟全降解膜覆盖种植方式下，一次性穴施(N1)有助于夏玉米产量的提高和干物质的累积，同时能够有效改善氮素的释放环境，提高作物对氮素的利用效率，可为干旱半干旱地区一次性施肥提供参考依据。