郭 丽,王广恩,李义红,史建硕,王丽英,李东晓,蒋龙刚

(1.河北省农林科学院 农业资源环境研究所,河北 石家庄 050051;2.河北省农林科学院 棉花研究所,河北 石家庄 050051;3.河北省肥料技术创新中心,河北 石家庄 050051;4.河北农业大学,河北 保定 071001)

河北低平原区的夏播作物中,夏玉米种植面积占有较大比例,因此,保障该区夏玉米高产稳产对国家粮食安全和经济发展具有重要作用。氮素作为关键养分资源,调控着夏玉米生长发育。人们为了获得高产,在玉米种植中氮素投入数量不断增加,造成氮素淋溶出根层区,降低氮肥利用效率,导致农田氮盈余量和损失量增加,引发区域内农业面源环境污染等问题。精量的氮素供应,是实现氮素优化施用、减少氮素损失、提高氮肥利用效率的主要途径[1-2]。

迄今,诸多学者已开展了较多有关夏玉米氮素吸收利用及不同器官氮素分配的研究探讨,但受环境、地域、品种及栽培方式的影响,结果不尽一致。中国西北地区夏玉米滴灌下,150,210 kg/hm2的施氮量分为4次施用时,渗滤液平均硝态氮含量浓度分别为19.2,24.1 mg/L,而籽粒产量相当,但施氮量减少28.6%[3]。石灰性紫色土湿润气候下,麦-玉连作秸秆还田一定施氮范围内氮肥提高了后茬夏玉米氮、磷和钾养分的吸收[4]。基于华北平原82个夏玉米研究结果表明,夏玉米的氮素利用效率低于28%,且单独施用氮肥、灌溉或秸秆还田可以显著提高施氮的分项因子生产力和地上氮吸收,并在此基础上提出了以调节施氮量为核心,采用免耕和秸秆还田提高土壤肥力的适宜耕作措施[5]。华北平原京津冀地区冬小麦-夏玉米轮作农田中,冬小麦生长季的累积硝态氮淋失量大多低于10 kg/hm2,而夏玉米生长季的硝态氮淋失量要高得多,大多为20～100 kg/hm2,认为实现夏玉米季更高的氮利用效率和更低的地下水硝酸盐污染尤为重要[6]。可见,氮素精量施用及减少氮素损失是提高夏玉米氮素利用效率主要手段。目前,河北山前平原和低平原区多集中于当季施氮量对夏玉米氮素利用及土壤硝态氮的研究并提出夏玉米优化施氮量,但未详细阐明在上茬作物的氮素投入的基础上、夏玉米季施氮量对土壤和植株氮磷钾养分的变化。本研究通过2 a田间定位试验,在冬小麦-夏玉米复种轮作制度下,冬小麦季氮素投入相同,夏玉米季不同氮投入量,研究夏玉米季土壤速效氮磷钾、植株养分吸收利用及产量的变化,旨在探明上茬冬小麦氮投入量一定时,夏玉米季土壤养分、植株氮吸收利用对当季施氮量的反应。本研究为该区夏玉米氮素高效利用提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019年和2020年6月10日—10月7日在武强国家现代农业示范区进行(38°12′ N,114°38′ E),为2 a定位试验。种植制度为冬小麦-夏玉米复种轮作,2019年和2020年 6—9月玉米季降雨量分别为15.3,191.4,75.0,20.7 mm和45.1,45.2,150.1,16.1 mm。该区为河北低平原,土壤为黏壤质洪冲积石灰性潮土。2019年试验开始时0～20 cm土壤基础养分为有机质15.7 mg/kg、硝态氮16.28 mg/kg、速效磷 11.41 mg/kg、速效钾 161.6 mg/kg。2 a的前茬冬小麦全生育期施纯氮、P2O5和K2O分别为240,150,90 kg/hm2,两季秸秆全部还田。

1.2 试验方案

试验于夏玉米季开展,2 a供试玉米品种均为仓玉76,采用随机区组排列,设置0,90,195,300 kg/hm24个不同施氮处理,分别记作N0、N1、N2和N3,重复3次,小区长20 m,宽7 m ,行距60 cm,株距24 cm。供试氮肥为尿素,其中50%氮作底肥,其余50%于大喇叭口期追施;各处理的磷、钾肥用量分别为48 kg/hm2(P2O5)和72 kg/hm2(K2O),以磷酸二铵、氯化钾全部作底肥,底肥采用种肥同播技术。每年6月10日播种,2019年灌出苗水,2020年灌出苗水和大喇叭口期灌水,每次灌水量75 mm,2019年结合降雨撒施追肥,2020年结合灌水撒施追肥。病虫草害防治处理间一致。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 土壤硝态氮、速效磷和速效钾 夏玉米收获后,利用土钻分别取0～20 cm,20～40 cm土壤,采用对角线取样方法每区取3个样点,将3个取样点的土壤混匀,迅速装入封口袋,-20 ℃保存,测定时将样品解冻、过2 mm筛用1 mol/L的KCl溶液50 mL浸提 1 h,测硝态氮含量,硝态氮测完后剩余的土壤风干,用于测定速效磷和速效钾,土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.3.2 植株干质量 夏玉米成熟期,各处理均选取长势均匀一致的5株,将5株的茎、叶、穗轴和籽粒于105 ℃杀青30 min, 75 ℃烘至恒质量,计算单位面积各器官干质量。

1.3.3 植株养分含量及累积量 将成熟期5株植株不同部位,烘干至恒质量后粉碎。用浓硫酸过氧化氢法进行消煮,采用Auto Analyzer3(AA3)流动注射分析仪,测定样品全氮和全磷含量,采用火焰分光光度计法测定样品全钾含量。有关氮、磷、钾素吸收利用的计算公式如下:

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量

①

氮肥生产效率(kg/kg)=籽粒产量/施氮量

②

氮肥利用效率(kg/kg)=籽粒产量/植株地上部氮素积累量

③

氮累积量(kg/hm2)=含氮量(%)×干质量(kg/hm2)

④

磷累积量(kg/hm2)=含磷量(%)×干质量(kg/hm2)

⑤

钾累积量(kg/hm2)=含钾量(%)×干质量(kg/hm2)

⑥

1.3.4 产量构成因素及产量测定 于玉米成熟期,每小区数取长势一致相邻3行的株数,计算每公顷株数;每区收获3行连续10株的果穗,每个果穗计数穗行数和2行的行粒数,计算行粒数和穗粒数;采用小型脱粒机脱粒、风干、测定籽粒含水量后,折算成含水量为 13%的产量。

1.3.5 数据分析 用 SPSS 17.0 软件进行施肥量-作物产量关系的直线加平台数学模拟分析,模拟后得到最佳施氮量、最佳产量、相关系数等指标,并用 SPSS 17.0 软件进行方差分析,图表制作Excel分析。线性加平台肥料效应模型方程为:

y= a+ bx(x≤C)

⑦

y= p(x>C)

⑧

式中,y为籽粒产量,x为肥料用量,a为截距,b 为回归系数,C 为直线与平台的交点(即最佳施肥量),p 为平台产量(即最高籽粒产量)。

2 结果与分析

2.1 施氮量对茎秆、叶片和穗轴干质量的影响

施氮量对夏玉米茎秆、叶片、穗轴干物质量的影响见表1,2019年,茎秆干质量表现为N0分别较N1、N2和N3下降11.0%,23.6%,26.4%, N2和N3均显著高于N0和N1,而N2和N3处理间差异不显著;叶片干质量表现为N2处理最高,分别较N0和N1处理提高23.5%,19.4%,而与N3处理无显著差异;穗轴干质量表现为N0较N1、N2和N3分别下降13.9%,12.7%,16.5%,显著低于N1、N2和N3处理,但N1、N2和N3间无显著差异。2020年,不同施氮量下夏玉米茎秆、叶片和穗轴干质量N0处理显著低于N2和N3处理,其中,茎秆干质量N0处理分别较N2和N3下降10.6%,13.0%,叶片干质量N0处理分别较N2和N3下降12.5%,13.4%,穗轴干质量N0处理分别较N2和N3下降10.6%,11.6%,但N2和N3处理茎秆、叶片和穗轴干质量无显著差异。上述2 a研究结果表明,当前茬冬小麦季氮素投入量为240 kg/hm2,夏玉米季施氮0～195 kg/hm2,茎秆、叶片和穗轴干质量随施氮量增加而上升,施氮量超出该范围时提高夏玉米茎秆、叶片和穗轴干质量的效应无显著差异。

表1 不同施氮量对夏玉米茎秆、叶片和穗轴干质量的影响 Tab.1 Effects of different nitrogen application on stem,leaves and corn cobs of dry matter mass in summer maize kg/hm2

2.2 不施氮量对夏玉米季土壤硝态氮、速效磷和速效钾的影响

不同施氮量对土壤硝态氮的影响见图1,2019年,夏玉米收获时, 0～20 cm土层, N3处理土壤硝态氮含量最高,显著高于N0、N1,其中,N3处理土壤硝态氮含量分别是N0和N1的2.25,1.68倍;20～40 cm土层, N0和N1处理的土壤硝态氮含量较N3处理分别下降54.7%,47.0%,存在统计学差异。2020年0～20 cm土层硝态氮含量N3处理分别较N0、N1和N2处理提高58.0%,36.9%,6.9%,显著高于N0 和N1处理;20～40 cm土壤硝态氮含量表现为N0～N3呈上升趋势,且不同施氮处理间差异显著,N0、N1和N2分别较N3下降75.2%,53.4%,16.1%。2 a试验下不同施氮处理对同一土层土壤速效磷和速效钾含量的影响无显著差异。上述结果表明,夏玉米季施氮量提高了0～40 cm土壤硝态氮含量,而土壤速效磷钾对施氮量的反应较小。由于夏玉米生长雨热同季,容易加剧土壤硝态氮向下淋洗,有关40 cm土层以下硝态氮淋洗对施氮量的反应待进一步研究。

不同字母表示同一年份不同氮处理差异达5%显著水平。Different letters for the same year mean significant differences among nitrogen treatments at 5% level.

2.3 氮素对夏玉米各器官氮含量及氮累积量的影响

氮素对夏玉米各器官氮含量及氮累积量的影响见表2,2 a试验结果表明,不同施氮量下各器官氮含量表现为籽粒>叶片>茎秆>穗轴,各器官氮累积量与氮含量表现一致,其中籽粒氮累积量占植株地上部氮素总累积量的59.4%～63.5%。 2019年,茎、叶氮含量表现为N0和N1处理显著低于N2和N3处理;穗轴氮含量所有处理间无显著差异;籽粒氮含量表现为N3处理分别较 N0和N1处理提高11.0%,10.3%,存在显著差异。茎秆、叶和籽粒氮累积量均表现为N0和N1处理显著低于N2和N3处理,穗轴氮累积量表现为不施氮处理显著低于施氮处理,氮总累积量表现为N0～N2的施氮范围呈显著上升,但N3与N2处理差异不显著,说明当氮施用量高于195 kg/hm2,夏玉米氮累积量不再显著增加。2020年,茎氮含量表现为随施氮量增加而上升;叶、穗轴和籽粒的氮含量对施氮量的反应较小;茎、叶、穗轴、籽粒氮累积量和氮总累积量表现趋势与2019年相似。综上,施氮量对茎、叶、穗轴和籽粒氮含量均呈不同程度的影响,但对茎秆氮含量影响最大;植株不同器官氮含量和干质量调控着氮总累积量,当玉米季氮投入量高于195 kg/hm2,茎、叶、穗轴和籽粒的氮累积量及氮总累积量无显著增加。

表2 施氮量对夏玉米氮含量及氮累积量的影响Tab.2 Effects of nitrogen application rate on nitrogen content and accumulation amount in summer maize

2.4 施氮处理对夏玉米各器官磷含量及磷累积量的影响

氮素对夏玉米各器官磷含量及磷累积量的影响见表3,不同施氮量处理各器官磷含量表现为籽粒>叶片>茎秆≈穗轴,各器官磷累积量表现为籽粒>叶片>茎秆>穗轴,其中,籽粒磷累积量占植株地上部磷素总累积量的75.3%～79.0%,叶磷累积量占14.8%～18.4%,茎磷累积量占3.5%～4.6%,穗轴磷累积量仅占1.5%～1.7%。2019年,不同施氮量对夏玉米茎、叶、穗轴和籽粒磷含量的影响无显著差异;茎秆磷累积量表现为N0显著低于N2和N3处理,叶片、穗轴磷累积量不同施氮处理间无显著差异,籽粒磷累积量和磷总累积量在N0～N2处理间随氮素增加而上升,施氮量高于195 kg/hm2,籽粒磷吸收量和磷总累积量不再增加。2020年,夏玉米不同器官磷含量对施氮量的反应较小,无显著差异;茎、叶、穗轴、籽粒磷累积量和磷总累积量表现为N0～N2处理的施氮范围内随氮素的提高而上升,而N2与N3处理间无显著差异。综上表明,施氮量对夏玉米不同器官磷含量影响较小,夏玉米植株磷累积量主要受光合产物的调控。

表3 施氮量对夏玉米磷含量及磷累积量的影响Tab.3 Effects of nitrogen application rate on phosphorus content and accumulation amount in summer maize

2.5 不同施氮处理对夏玉米各器官钾含量及钾累积量的影响

氮素对夏玉米各器官钾含量及钾累积量的影响见表4,不同施氮量处理下各器官钾含量表现为茎>叶片>穗轴>籽粒,各器官钾累积量总体表现为茎>叶片>籽粒>穗轴,其中,籽粒钾累积量占植株地上部钾素总累积量的13.5%～14.9%,叶片钾累积量占37.0%～38.5%,茎秆钾累积量占39.6%～42.2%,穗轴钾累积量占6.7%～7.3%。经2 a研究试验表明,施氮量对夏玉米不同器官的钾含量无显著影响,而不同器官钾累积量及植株地上部钾总累积量总体表现为随施氮量的增加呈上升趋势。综上可见,夏玉米茎、叶、穗轴、籽粒的钾含量对施氮量的反应较小,而植株钾累积量对施氮量的响应主要受干质量的调控,与影响夏玉米磷累积量的因素基本一致。

表4 施氮量对夏玉米钾含量及钾累积量的影响Tab.4 Effects of nitrogen application rate on potassium content and accumulation amount in summer maize

2.6 不同施氮量对产量、氮肥利用效率参数的影响

由表5可知,2019年,穗粒数和籽粒产量表现为N0～N2处理间随氮素增加而提高,而N2与N3处理差异不显著;氮肥农学效率表现N1与N2处理无显著差异,N3处理氮肥农学效率显著低于N1与N2处理;氮肥生产效率表现为N1>N2>N3,且存在显著差异,氮肥利用效率N0与N1处理显著高于N2、N3处理。2020年,穗粒数、籽粒产量、氮肥农学效率、氮肥生产效率和氮肥利用效率表现为与2019年相似趋势;2 a结果的千粒质量变化较小。2 a结果试验表明,施氮0～195 kg/hm2可提高穗粒数和籽粒产量;超出该范围氮肥农学效率显著下降;氮肥生产效率和氮肥利用效率随施氮量增加而下降,综上说明,在前茬冬小麦季氮素投入量为240 kg/hm2的背景下,夏玉米季氮素投入超过195 kg/hm2,氮肥农学效率显著降低,增施氮素无提高籽粒产量效应。

表5 施氮量对夏玉米籽粒产量和氮素利用效率参数的影响Tab.5 Effects of nitrogen amount on grain yield and nitrogen use efficiency parameter in summer maize

2.7 施氮量与产量、氮肥效率、土壤速效养分的相关分析及优化氮肥量的确定

利用SPSS分析软件对施氮量和穗粒数、籽粒产量、氮肥农学效率、氮肥生产效率、土壤硝态氮、速效磷钾含量、植株氮磷钾累积量进行了相关分析(表6),本试验条件下,施氮量与穗粒数、籽粒产量、氮累积量、茎秆干质量、穗轴干质量呈显著正相关,与土壤硝态氮含量、钾累积量、叶片干质量呈极显著正相关,与氮肥生产效率、氮肥利用效率呈极显著负相关;施氮量与氮肥农学效率、土壤速效磷钾和磷总累积量相关性未达显著水平。采用线性加平台的模型确定了氮肥优化量(图2),该模型的决定系数为0.963,说明拟合程度可较好地反映优化推荐施氮量。氮素效应模型结果表明,在0～189 kg/hm2的施氮范围内,产量随施氮量增加而上升,高于189 kg/hm2产量不再上升。

图2 夏玉米籽粒产量不同氮肥效应模型Fig.2 Models of nitrogen fertilizer effect for summer maize yield

表6 施氮量与氮素利用效率参数的相关性Tab.6 Correlation between nitrogen application rate and nitrogen use efficiency parameter

3 结论与讨论

氮肥施用为粮食高产稳产做出了巨大贡献。但近些年,为了追求高产,氮肥施用普遍过量,农民施氮量远远高于作物最高产量的地上部吸氮量[7]。氮肥投入增加,产量提升效果下降,氨挥发和硝态氮淋洗损失明显增多[8-10]。华北平原降雨量少,土壤氮素硝化和矿化能力较强,大量未吸收的氮素以硝态氮的形式累积在土壤中,而夏玉米生长基本是雨热同季,因此淋洗加重,成为氮肥损失的主要途径[11]。华北地区,小麦-玉米轮作体系氮盈余量高达227 kg/hm2[12-13],而夏玉米季施氮量是影响土壤硝态氮残留量及向土壤深层淋洗的主要原因[14-16]。在12季(6个小麦-玉米轮作周期)冬小麦和夏玉米收获期,土壤硝态氮含量表现为冬小麦季累积、夏玉米季淋洗的特点,施氮量越高,土壤硝态氮残留量越大,向土壤深层淋洗量也越多[17]。本项目研究了夏玉米季不同施氮量对土壤硝态氮、土壤速效磷和速效钾的影响,结果表明,施氮量增加显著增加了0～20 cm,20～40 cm的土壤硝态氮含量,且年际间存在相似趋势,这与前人研究结果基本一致。同一施氮量下,相同土层速效磷钾对施氮量的反应较小。经2 a田间试验可见,夏玉米不同施氮量对0～40 cm土壤硝态氮具有明显调控效应,而对土壤速效磷和速效钾影响不明显。

玉米苗期—开花期的氮、磷、钾积累量均随施氮量的增加而上升,而灌浆期—成熟期,则表现为随施氮水平的增加先增后降[18];不同器官氮素籽粒贡献率由大到小依次为叶、茎、穗轴和苞叶,各器官氮素转运量占籽粒氮素累积量的18.29%～44.29%[19],本研究发现,不同施氮量通过调控茎、叶、穗轴和粒的氮含量和干质量,进一步影响氮累积量,但对植株不同器官的磷钾含量影响较小,因此,植株磷钾累积量主要受氮素对光合产物调控的影响。

氮肥合理施用可显著提高氮素利用效率[20-22]。在夏玉米季缓控释尿素,投入纯氮120 kg/hm2,一次基施处理较常规尿素投入纯氮160 kg/hm2,且分别基施40%和拔节期60%,氮利用效率提高22.67%[23]。研究氮效率不同的品种发现,玉米品种氮素吸收效率、氮肥利用效率、氮素生理效率、氮肥农学效率和氮肥偏生产效率均随施氮量增加而降低,且氮肥对耐低氮品种各指标影响更大[24]。而本研究在前茬冬小麦施氮240 kg/hm2的基础上,经2 a田间定位试验发现,夏玉米氮肥生产效率和氮肥利用效率因施氮量增加而下降,这一结果与前人研究结果相似,但在一定施氮范围内氮素提升光合产物效应较大时,施氮量对氮肥农学效率影响较小,但当氮素无增产效应或较小时,氮素农学效率明显降低。Ju等[25]研究表明,在我国冬小麦-夏玉米复种轮作体系下,氮肥用量从 588 kg/hm2降到 286 kg/hm2产量和品质无显著变化,在河北山前区中高产区,采用限水或滴灌的灌溉方式,利用直线加平台、二次多项式加平台及一元二次方程模拟最佳施氮量为174～187 kg/hm2[26-27];徐明杰等[28]在河北曲周采用15N 同位素示踪技术,明确了夏玉米施氮量为185 kg/hm2时,能获得玉米高产。在中国西北地区,旱作夏玉米施氮200 kg/hm2加覆盖措施,可实现农艺、经济和环境效益之间更好的平衡[29]。上述研究结果可知,不同生态环境及种植模式下,夏玉米产量受施氮量的影响存在一定差异。本研究通过相关分析表明,施氮量与穗粒数、籽粒产量、土壤硝态氮、植株氮总累积量、钾总累积量呈显著或极显著正调控效应,与氮肥生产效率和氮肥利用效率呈极显著负相关。采用直线加平台模型对2 a产量与施氮量的关系进行分析,发现当施氮量高于189 kg/hm2籽粒产量不再上升,该模型模拟结果与前人研究结果相近。因此,在低平原区,麦玉复种轮作种植制度且秸秆全部还田下,结合试验设置的施氮量和方程模拟结果综合分析得出,在冬小麦季氮用量达到240 kg/hm2时夏玉米季的最优施氮量为189～195 kg/hm2。

综上,在前茬冬小麦施氮240 kg/hm2的基础上,经2 a夏玉米季不同施氮量田间定位试研究,结果表明,夏玉米季在施氮0～195 kg/hm2,茎、叶、轴干质量随氮量增加而上升;增加施氮量显著提高0～20 cm,20～40 cm的土壤硝态氮含量,对相同土层速效磷、钾影响较小;不同施氮量下,茎、叶、轴和籽粒的氮含量、植株氮总累积量变化较大,而磷钾含量变化较小;当氮素投入超过195 kg/hm2,氮肥农学效率显著降低。采用直线加平台模型模拟产量与施氮量的关系,表明施氮量高于189 kg/hm2,籽粒产量不再增加。综上,结合试验和方程模型结果,建议该区在冬小麦优化施氮的前提下,夏玉米季的施氮量控制在189～195 kg/hm2。