减氮增密配施生物炭在玉米生产上的应用

2023-05-21常佳星王春莲

种子科技 2023年7期

常佳星王春莲

摘要：氮是影响玉米产量的主要元素之一，氮代谢酶是玉米氮素积累转运的关键因子。大量研究表明，适当减氮增密能增加玉米的单株产量，且能改善氮代谢酶的活性。生物炭作为一种新型的绿色肥料，能够更有效地保留土壤中的水分、调和土壤中的水气关系，从而增加土壤中的有机质种类与营养含量，改善土壤中氮代谢酶的活性，提高作物的品质。文章综述了春玉米氮代谢酶及氮素积累转运的相关研究进展，以期实现我国农业生产绿色、优质、高产的目标。

关键词：减氮；增密；生物炭；玉米

文章编号：1005-2690（2023）07-0103-03 中国图书分类号：S513 文献标志码：A

随着我国生态农业发展，生物炭作为一种新型绿色肥料被广泛应用在农业生产领域中，极大地缓解了大量施用传统肥料导致的土壤资源受损问题，提高了作物的生产效益。玉米是我国最主要的经济作物之一，玉米的产量与品质是保证我国粮食充足、食品安全的关键之一。随着我国乃至世界耕地面积的日益缩减，提高玉米单位面积产量就显得至关重要。氮素代谢是玉米体内的基本生理代谢过程之一，包括氮素同化、积累和蛋白质合成等过程，与玉米植株的生长发育、玉米的产量和品质有着密切联系。

1 氮代谢酶对氮素积累转运的影响

衡量作物氮素吸收情况的一个重要指标是氮肥利用率[1]。氮素是玉米生长发育过程中最重要的营养元素之一，可以显著影响玉米养分的积累效率、器官生长发育情况以及源库关系。玉米籽粒中的氮素40％来源于土壤和所施肥料，60％由其他营养器官转运而来。不同器官对籽粒氮素的分配量差异很大，玉米叶片中转运分配出来的氮素最多（其中穗位叶最多），苞叶和茎秆其次，穗轴较少。在玉米生育前期，叶片中氮素积累较多，至籽粒形成期停止积累，之后向其他器官转运；叶鞘、茎秆、雄穗中的氮素积累至抽雄期停止，而后向外转运；而雌穗特别是籽粒一直是氮素的输入器官[2]。玉米植株的产量由植株的干物质积累量同运送效率决定，提高玉米的干物质生产效率以及同化物向籽粒的运送效率、协调源库关系是提高玉米产量的有效途径。在玉米生育后期，由于根系吸取含氮物质的能力明显减弱，由其他器官所转移出的含氮物质占玉米籽粒氮素积累量的主要部分，所以玉米生长后期各营养器官的氮素积累量和转移率是影响玉米籽粒产量的主要因素。研究表明，玉米植株地上部分的干物质积累速率随着施氮量的增加呈现先增加后减少的曲线变化趋势，适量施用氮肥有利于增加叶片中叶绿素相关酶的活性及含量，提高光合作用效率，使得玉米在生育后期仍可继续保持较高的干物质积累速率，且有效增加高强度光合作用的时长，延长了干物质高效积累的时间，进一步维持玉米生育期内干物质的持续积累。

植物吸收的氮肥主要包括有机氮化物和无机态氮。植物并不能直接将空气中的氮气转换利用，一般吸收利用土壤或者环境中的NO3-或者NH4+，在相应氮代谢酶的作用下合成谷氨酰胺和谷氨酸，然后经过转氨作用形成不同的氨基酸，再进一步合成蛋白质[3]。植物体中与氮素代谢生理反应有关的酶主要有硝酸还原酶（NR）、亞硝酸还原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成化酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（NADH GDH），这些酶都参与了玉米吸收铵态氮、硝态氮的过程。铵态氮进入玉米根部会被同化成酰胺甚至是氨基酸，除去供应玉米自身需要的营养物质外，主要向植株部分输送。硝态氮可以在玉米根、茎、叶组织内被同化成氨，最后产生氨基酸。科学研究证实，在特定范围内提高氮肥的施用量，硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶的功能都有很大程度提高，但超出范围后，氮代谢相关酶的活性反而会降低。过量的氮肥不利于玉米器官中蛋白质的转运和降解，最终导致玉米产量降低。

2 生物炭在玉米生产上的应用优势

生物炭是在缺氧条件下对农林废弃物等有机质进行热裂解后形成的新型富碳产品，制造过程中同时还能得到合成气和液态焦油等物质，在发展农业、提高能源利用率与保护生态方面都有着十分重要的作用和广阔的应用前景。

生物炭具备原料来源广泛、孔隙构造好、热吸收能力强的优点，并对硫、磷等作物所需营养物质有着很强的保持功能，防止养分流失的同时又能够满足玉米对养分的需求量[4]。通过生物炭的配施可以有效提高玉米在生育后期叶片中GS、GLDH、NR、NIR、GOGAT等氮代谢关键酶的活力，从而有效提高玉米氮素转化和积累效率，增加玉米产量[5]。玉米植株的需氮期较长，我国大部分地区皆采用一次性施用氮肥的方式，而传统肥料不能在土地中长时间留存，造成前期氮素大量流失、玉米生育后期土壤含氮量不足[6]。由于尿素在土壤中转化速度较快，肥效时间也相对较短，通过配施生物炭可以有效降低并控制养分释放速度，满足玉米在生长发育关键时期的氮素需求，降低了化肥挥发量与淋溶损失，改善了玉米生长发育中后期叶片中氮代谢酶的活力，进而提高了此阶段玉米中含氮物质的转换速度和积累量[7]。

在农业生产中，将大量秸秆资源化利用的最有效方法之一是秸秆炭化还田[8]。科学研究证实，向耕地中施用适量的生物炭能有效减少土壤容重和降低土壤严实度，从而增加土地中的水以及碱解磷、速效钾、有机质等含量，进而改善地力[9]。另外，施用生物质基肥可以缓解我国农民多年从土地“取多给少”所引起的地力减少现象。添加秸秆生物炭能够提高植物对肥料的吸收利用率，有效节肥并提高玉米产量，也可以使土壤的理化特性朝良性循环方向发展，对土壤氮素产生“削峰填谷”的调控作用[10]。

充分利用生物炭对土壤性质、营养离子含量、作物发育情况的有利影响，发挥与肥料配施形成的良性“减量增效”作用，对于改善农产品的肥料利用效率、提高土壤肥力质地和地力条件、推动农作物可持续生长都有着重要的作用。

3 减氮增密对玉米农艺性状的调控

氮素对玉米的生物特征和生产能力影响很大，因此氮肥的合理施用在玉米增产中占据重要地位[11]。由于氮肥的过度投放和过低的氮肥利用率，导致土壤中的硝酸盐大量累积，大量的营养物质丧失，土层越来越“薄”，酸化、土壤板结等现象越来越严重，土地品质明显降低，同时也更容易引发土地和水域的富营养化过程等环境污染风险[12]，因此农业农村部已明确提出了肥料使用量零增长的目标。

导致氮肥施用量损失最主要的因素是氮肥供给量和作物吸收量不相符。相关科学研究证实，在较高浓度含氮物质供给的条件下，玉米根部和侧根的生长发育受限，具体表现为总根量较少，植株根部分布较浅，土壤吸水效能低下[13]。高浓度氮肥供给削弱了植株根部向土壤中深插的能力，间接抑制了其利用土壤深层营养和水分的能力，从而影响了玉米生产水平和水肥资源利用率[14]。

在一定范围内，玉米单位面积产量随种植密度的变化而呈现单峰曲线的改变趋势，在最适宜的种植密度条件下玉米产量达到最高。一旦种植密度超过最适宜的密度条件，由于玉米的作物生长率、氮肥的积累利用速率、透光性物质向玉米和玉米籽粒中转化分配率降低，果穗秃尖率和玉米单株生产力的变化速率提高，造成玉米产量明显降低。在特定栽培密度下，随着氮肥施用量的提高，氮素利用率一般呈现先增后减的态势，在一定的氮肥施用量下氮素利用率随种植密度的提高而上升，这也就是增密降氮的主要理论依据之一[15]。

调整植株密度和控制氮肥施用量是调控玉米产量和光合效率最有效的技术手段。随着植株密度的增加，玉米的叶面积及地上部干物质的积累量均呈现增高的趋势。随着植株密度的不断提高，玉米品种产量潜力的发挥程度呈降低的趋势。通过合理密植使整个玉米群体的冠层透光率及光合有效面积增大，从而提高玉米产量。增施氮肥后，玉米的叶面积指数（LAI）最高值维持期明显延长，叶子的脱落时间延后，冠层植物的叶片光合性能改善、光合产量提高。目前，我国玉米品种的优质高产主要依靠各种肥料的大规模施用，落后的肥料施用方法造成肥料浪费以及肥料利用率降低，导致玉米冠层结构不合理，加快了我国玉米正常生育后期叶面积指标降低的速度。另外，适当控制玉米的氮肥施用量也可以有效协调玉米个体之间的资源竞争，提高植株的光合作用和物质产生能力。在中、高密度时，适当施用氮肥可降低顶部籽粒败育，从而使秃尖数量减少、瘪籽粒数降低、穗粒数量增加，并使玉米叶片保持较好的光合特性，向成形时的玉米籽粒供应足够的光合碳量，从而促进碳氮向籽粒转移，提高农业生产率；同时促进了由植物吸收的含氮物在玉米籽粒内的有效分配，增加了氮肥的利用效率[16]。但在生产技术上，氮肥施用量与种植密度等主要栽培因素互相影响，氮肥利用效率往往难以估计与衡量，尤其是“特定的土壤或肥力环境下，氮肥施用量怎样与种植密度相配合，才能有效增加玉米群体中含氮物的吸收效率”方面，缺乏进一步探讨[17]。

4 展望

大量实践证明，无论是生物炭的配施或减氮增密的调控，都对春玉米相关的农艺性状产生了较为显著的正面影响，究其原因是由于显著改善了氮代谢酶的活性，从而使前期玉米植株整体的氮素积累效率或后期各器官到籽粒的氮素转运效率得到大幅度提升。

我国是氮肥使用大国，投放的大量氮肥中仅有一小部分被作物吸收，从而导致了大量氮素流失，并造成一定的环境问题。生物炭是一种新型肥料，通过配施生物炭，不但减少了氮肥的施用量，而且能提高氮代谢酶的活力，从而大大提高了植物对含氮物质的吸收利用率，缓解了土壤中残存的含氮物质引起的环境问题。生物炭独特的孔隙构造和吸收功能，对于因大量施用化肥而受到损伤及贫瘠的土地具有良好的修复作用。配施生物炭与减氮增密相结合，能够更加准确直观地了解到春玉米相关氮代谢酶的活性变化，并实现对氮素积累转运的动态调控，为进一步研究氮素的分配及响应机制以及对氮高效玉米品种选育作出参考。

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[11]陈妮娜，纪瑞鹏，米娜，等.春玉米生长发育、产量和籽粒品质对减量施氮的响应[J].气象与环境学报，2021（4）：86-92.