控释尿素基施深度对夏玉米产量和氮素利用的影响

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丁相鹏^,, 李广浩, 张吉旺, 刘鹏, 任佰朝, 赵斌^,山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室,山东泰安 271018

Effects of Base Application Depths of Controlled Release Urea on Yield and Nitrogen Utilization of Summer Maize

DING XiangPeng^,, LI GuangHao, ZHANG JiWang, LIU Peng, REN BaiZhao, ZHAO Bin^,College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong

通讯作者: 赵斌,E-mail：zhaobin@sdau.edu.cn

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2020-05-11接受日期:2020-07-29网络出版日期:2020-11-01

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0300603
国家重点研发计划.2017YFD0301001

Received:2020-05-11Accepted:2020-07-29Online:2020-11-01
作者简介 About authors
丁相鹏,E-mail：1751592368@qq.com

摘要
【目的】探究控释尿素不同施肥深度对氮素吸收与利用的影响,明确控释尿素一次性基施在黄淮海夏玉米区实现高产、高效、稳产的适宜施肥深度。【方法】在大田条件下选用郑单958为供试品种,设置不施氮肥（CK）、地表撒施（DP0）、沟施深度5 cm（DP5）、10 cm（DP10）、15 cm（DP15）、20 cm（DP20）、25 cm（DP25）7个处理,系统研究控释尿素基施深度对夏玉米生长发育和产量及氮素利用的影响。【结果】在施用等量控释尿素条件下,施肥深度均对夏玉米产量存在显著影响。夏玉米产量随基施深度增加呈先增后减的趋势,并且2013年和2014年夏玉米产量与施肥深度间的关系符合二次曲线关系,二者的相关性均达到显著水平,2年获得最高产量的理论施肥深度分别为12.5 cm和12.2 cm,而实际生产中DP15处理产量最高,DP15和DP10处理产量差异不显著,较CK分别显著增产16.72%和16.50%（P<0.05）。与DP0处理相比,随施肥深度增加,夏玉米的氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率均呈现出先增加后降低的趋势,其中氮肥农学效率、氮肥利用率均符合二次曲线关系,氮素收获指数和氮肥农学效率2年平均以DP10处理最大,分别为61.91%和6.68 kg·kg^-1,而氮肥偏生产力、氮肥利用率以DP15处理最高,分别为47.27 kg·kg^-1和46.97%。施肥深度在10 cm和15 cm 较地表撒施（DP0）能增加土壤硝态氮和铵态氮含量并且减少氮素损失,花后氮素积累量2年均值增加38.93%和41.88%,促进了植株花后氮素积累量,并且分别显著增加夏玉米植株总吸氮量20.45%和22.36%。相关性分析可以看出,夏玉米产量与干物质积累量、氮素总积累量、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥利用率均成显著正相关,与氮素籽粒生产效率成显著负相关。【结论】在施氮量为225 kg N·hm^-2时,控释尿素一次性基施深度控制在10—15 cm可显著提高夏玉米的氮素吸收积累量,增加氮素利用效率,降低氮素损失,提高干物质积累量,最终获得较高籽粒产量,实现高产高效,可作为夏玉米控释尿素种肥同播的适宜施肥深度。
关键词： 夏玉米;控释尿素;施肥深度;氮素利用率;产量

Abstract

【Objective】 The effects of different fertilization depths of controlled-release urea on nitrogen absorption and utilization were investigated, and then the suitable fertilization depth for achieving high, efficient and stable yield of controlled- release urea in the Huang-Huai-Hai summer maize area was determined.【Method】 Zhengdan958 was selected as the test variety under field conditions, and seven treatments were set, including no nitrogen fertilizer (CK), surface application (DP0), furrow dressing depth of 5 cm (DP5), 10 cm (DP10), 15 cm (DP15), 20 cm (DP20) and 25 cm (DP25). The effects of urea application depth on growth, yield and nitrogen utilization of summer maize were studied systematically.【Result】Under the same amount of controlled-release urea application, the yield of summer maize was significantly affected by fertilization depth. The yield of summer maize increased at first and then decreased with the increase of basal fertilization depth. Moreover, the relationship between maize yield and fertilization depth in the summer of 2013 and 2014 conformed to the quadratic curve and the correlation between them reached a significant level as well. The theoretical fertilization depth that obtained the highest yield was 12.5 cm and 12.2 cm in 2013 and 2014, respectively. While in actual production, the DP15 treatment produced the highest yield with no significant difference between DP15 and DP10 treatment, with a significant increase of 16.72% and 16.50%, separately, compared with CK (P<0.05). Compared with DP0, nitrogen harvest index, partial nitrogen productivity, nitrogen agronomic efficiency and nitrogen utilization rate of summer maize all showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of basal fertilization depth. The agricultural efficiency of nitrogen fertilizer and the utilization rate of nitrogen fertilizer fit the quadratic curve. The nitrogen harvest index and nitrogen fertilizer agronomic efficiency were the largest under DP10 treatment in two years, achieving to 61.91% and 6.68 kg·kg^-1, respectively, however, the highest nitrogen fertilizer efficiency was 47.27 kg·kg^-1 and 46.97% under DP15 treatment, respectively. Compared with DP0, fertilization depth of 10 cm and 15 cm could increase soil nitrate and ammonium nitrogen content and reduce nitrogen loss. The mean value of nitrogen accumulation after flowering was 38.93% and 41.88% in 2013 and 2014, respectively, which promoted the post-flowering nitrogen accumulation and significantly increased the total nitrogen uptake above-ground by 20.45% and 22.36%, respectively. Correlation analysis showed that summer maize yield was significantly positively correlated with dry matter accumulation, total nitrogen accumulation, partial nitrogen productivity, nitrogen agronomic efficiency and nitrogen use efficiency, and significantly negatively correlated with nitrogen grain production efficiency.【Conclusion】 In nitrogen application rate of 225 kg N·hm^-2, controlled release urea one-time basal application depth in 10 to 15 cm could significantly improve nitrogen absorption accumulation of summer maize, increase nitrogen use efficiency, reduce nitrogen loss, improve the dry matter accumulation, eventually obtain higher grain yield. Furthermore, it also realized higher production and efficiency, and could be used as controlled release urea suitable fertilization depth for summer maize sowing and manuring simultaneously.

Keywords：summer maize;controlled release urea;base application depth;nitrogen use efficiency;yield

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丁相鹏, 李广浩, 张吉旺, 刘鹏, 任佰朝, 赵斌. 控释尿素基施深度对夏玉米产量和氮素利用的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(21): 4342-4354 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.004
DING XiangPeng, LI GuangHao, ZHANG JiWang, LIU Peng, REN BaiZhao, ZHAO Bin. Effects of Base Application Depths of Controlled Release Urea on Yield and Nitrogen Utilization of Summer Maize[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(21): 4342-4354 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.004

0 引言

【研究意义】全球农业对氮肥的需求一直在增加^[1],我国是氮肥生产和消费的最大国家,在寻求生产足够的粮食以满足日益增长的需求过程中氮肥一直不可或缺^[2]。然而在粮食生产中氮肥的过度使用和不合理的施用方法导致了氮素的大量损失^[3,4],造成氮肥利用率低^[5,6]和环境污染严重^[7]。有研究表明,分次施肥可以减少氮素损失,增加产量和氮素利用率^[1,8]。但这与当前劳动力不足的情况相矛盾,在实际生产中难以实现^[9,10]。因此,探索一套既省工节本又稳定高产高效的轻简化施肥技术,从而提高肥料利用率,减少施肥不当带来的资源浪费十分重要。【前人研究进展】控释尿素是采用特殊膜材料,使养分释放匹配作物对氮素的需求^[11]。控释尿素较常规尿素在大田生产中可使玉米增产5%—15%,氮素吸收和积累提高14%左右,具有降低氮素损失造成的环境污染和减少生产成本等优势^[10,12-15],但要提高控释肥料利用率还需与施肥技术相结合。控释尿素的养分释放速率主要受外界环境温度的影响,并随温度升高释放速率加快^[16,17],而土壤表层较深层更易受到太阳辐射和气温的影响^[18]。表面放置的肥料比地下放置的肥料更容易受到风和水的侵蚀,因此不同的施肥深度会对土壤有效养分转化、植株养分吸收产生影响^[19]。适宜施肥深度可以通过减少氮素径流损失而显著增加氮肥利用率,并增加产量^[20,21]。因此,缓控释肥料适宜的施肥深度成为满足夏玉米养分需求、解决劳动力短缺、实现简化栽培的重要技术措施。【本研究切入点】当前农业生产中施肥大部分仍以浅施为主,并且传统玉米生产管理中氮肥需要分期追施,生育后期追肥时为节省成本常采用一次性地表撒施的方式^[22,23,24],而追肥撒施易造成资源浪费,严重影响了肥料的高效利用和吸收。当前随着玉米全程机械化进程的加快,一次性施肥或种肥同播势必替代传统的分次施肥技术。目前关于缓控释肥料研究大多是对其替代常规尿素以及一次性基施方面。在不增加氮肥投入条件下,缓控释肥一次性基施深度对提高夏玉米产量与氮肥利用率来达到氮素利用最大化的研究鲜有报道。因此,系统研究控释尿素一次性基施深度在产量、养分吸收和地上干物质积累的差异,分析施肥深度对夏玉米产量及氮素利用的影响具有重大意义。【拟解决的关键问题】本研究通过探究控释尿素一次性基施在黄淮海夏玉米区实现高产、高效、稳产的适宜施肥深度,进一步明确其高产高效的作用机理,为黄淮海夏玉米区一次性施肥技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地状况

本试验于2013—2014年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心（36.09°N,117.09°E）进行,地处黄淮海平原,属于半湿润暖温带大陆性季风气候区,图1为夏玉米生育期气象数据。2013年测得试验用土壤为棕色壤土,耕层0—20 cm土壤pH 6.1,含有机质11.5 g·kg^-1、全氮1.1 g·kg^-1、碱解氮124.4 mg·kg^-1、速效磷45.2 mg·kg^-1、速效钾81.8 mg·kg^-1,土壤田间持水量为21.1%,土壤容重1.5 g·cm^-3。

图1

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图12013年和2014年夏玉米生育期降雨量及温度变化

Fig. 1Changes of rainfall and temperature during the growth period of summer maize in 2013 and 2014

1.2 试验设计

试验设置7个施肥模式处理,分别为不施氮肥（CK）、地表撒施（DP0）、沟施深度5 cm（DP5）、10 cm（DP10）、15 cm（DP15）、20 cm（DP20）、25 cm（DP25）。肥料为山东农业大学资环学院自主研发的树脂包膜控释尿素（N含量42%,控释周期为3个月）,控释尿素施氮量为纯氮225 kg·hm^-2。所有处理氮肥以及P₂O₅ 120 kg·hm^-2、K₂O 240 kg·hm^-2均作为基肥一次性施入。其中沟施通过人工行间挖沟,并在相应深度施用控释尿素然后回填。供试玉米品种为郑单958,播种密度为67 500株/hm²,行距为60 cm,株距为25 cm,小区长15 m,宽3 m,每个处理重复3次。2013年和2014年均在6月10日播种,10月5日收获,其他田间管理同高产田。

1.3 试验取样

1.3.1 植株干物质累积量及氮含量测定分别于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（R1）、灌浆期（R2）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）、成熟期（R6）系统取样,每处理取样5株。吐丝期前植株分为叶片和茎秆,吐丝期后植株分为叶片、茎秆、叶鞘、雄穗、苞叶和籽粒,分别于105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重。样品粉碎后过0.05 mm筛,采用浓H₂SO₄-H₂O₂联合消煮,采用 BRAN+LUEBBE AA3 型连续流动分析仪测定植物样品全氮含量。花前氮素积累量=开花期干物质量×氮素含量;花后氮素积累量=成熟期干物质量×氮素含量-花前氮素积累量。

1.3.2 土壤硝态氮、铵态氮含量测定 2014年分别于VT、R3、R6共取3次土样,每小区取2个样点,每点取土深度为100 cm,每20 cm为一土层分层取土,2个样点同层土壤混匀,装于塑料自封袋中带回室内,立即冷冻。解冻后混匀称取10 g土于250 mL可密封塑料瓶中,加入2 mol·L^-1的KCl溶液100 mL,振荡浸提0.5 h,浸提液过滤于可密封胶卷盒中,立即冷冻;同时测定土壤含水量。解冻后用德国产TRAACS 2000型连续流动分析仪测定土壤硝态氮、铵态氮含量。

1.3.3 产量测定玉米成熟期（乳线消失,黑层出现）收获,大田各小区分别收获中间三行用于测产,然后随机取30个果穗,用于考种,主要测定穗长、穗粗、秃顶长、穗行数、行粒数、千粒重,产量按照籽粒14%含水量计算。

1.4 相关指标计算公式

植株氮素吸收及氮素利用效率的计算公式^[12,25]如下：

收获指数（HI）=籽粒产量/生物产量;

氮素积累量=某生育期植株干物质量×氮素含量;

氮收获指数（NHI,kg·kg^-1）=籽粒氮积累总量/植株氮积累总量;

氮肥偏生产力（NPFP,kg·kg^-1）=单位面积产量/单位面积施氮量;

氮肥农学效率（NAE,kg·kg^-1）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量;

氮肥利用效率（NUE,%）=（施氮区地上部氮的吸收量-不施氮区地上部氮的吸收量）/施氮量;

氮素籽粒生产效率（NGPE,kg·kg^-1）=籽粒产量/氮素积累总量。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2013处理数据,Sigmplot 10.0软件进行作图,用SPSS 21.0软件进行处理间LSD法多重比较（P<0.05）和相关性分析。

2 结果

2.1 控释尿素不同基施深度对夏玉米产量及构成因素的影响

由表1可知,年份和施肥深度对穗粒数、千粒重和产量影响显著。2013年和2014年施用控释尿素较CK平均增产14%,差异显著（P<0.05）,2年产量分别以DP15和DP10处理最高。随施肥深度增加,各处理产量2年均值较CK分别增产10.24%（DP0）、13.45%（DP5）、16.52%（DP10）、16.88%（DP15）、14.41%（DP20）、9.24%（DP25）;较DP0处理增产2.92%、5.71%、6.04%、3.79%、-0.85%。表明适宜施肥深度更有利于控释尿素发挥其增产作用。此外,施肥深度对产量构成因素穗粒数和千粒重的影响趋势与产量相似,可见控释尿素适宜深施能通过增加穗粒数和千粒重提高夏玉米产量。

Table 1
表1
表1控释尿素基施深度对夏玉米产量及其构成因素的影响
Table 1Effects of controlled release urea and fertilization depth on yield and yield components of summer maize

年份 Year	处理 Treatment	穗长 Ear length (cm)	秃尖长 Bald tip length (cm)	穗粒数 Kernel number per spike	千粒重 Weight of 1000-kernels (g)	产量 Yield (kg·hm^-2)	收获指数 Harvest index
2013	CK	15.97c	0.54a	518.26d	271.4b	8902.5d	0.43b
	DP0	16.24b	0.31ab	540.94c	283.7ab	9954.0bc	0.49ab
	DP5	16.74b	0.17b	544.79bc	285.0ab	10137.5b	0.51a
	DP10	17.22a	0.19b	572.71a	291.8a	10443.0a	0.52a
	DP15	17.11a	0.21b	579.26a	295.6a	10492.5a	0.52a
	DP20	16.91a	0.12b	562.93ab	286.4a	10308.3ab	0.51a
	DP25	16.61b	0.19b	526.83cd	280.3b	9855.0c	0.48ab
2014	CK	16.40a	0.17a	527.73c	301.8c	9315.0d	0.47b
	DP0	17.04a	0.11ab	558.13b	307.0bc	10122.0c	0.48b
	DP5	16.84a	0.10ab	561.53b	317.0ab	10406.5b	0.52ab
	DP10	17.12a	0.03b	579.33a	323.3a	10780.5a	0.55a
	DP15	17.04a	0.07ab	576.26a	326.2a	10790.5a	0.55a
	DP20	16.81a	0.15a	567.48ab	319.6a	10526.2ab	0.54a
	DP25	16.63a	0.09ab	556.75b	306.5bc	10040.5c	0.51ab
方差分析 ANOVA
年份（Y）		NS	**	**	**	**	NS
施肥深度（D）		**	**	**	**	**	*
年份×施肥深度（Y×D）		NS	**	*	*	NS	NS

CK：不施肥;DP0：地表撒施;DP5：施肥深度5 cm;DP10：施肥深度10 cm;DP15：施肥深度15 cm;DP20：施肥深度20 cm;DP25：施肥深度25 cm。不同字母表示差异达到显著水平（P<0.05）。NS、*和**分别表示无显著性差异及在 0.05 和 0.01 水平上差异显著。下同
CK: No fertilizer; DP0: surface application; DP5: fertilization depth 5 cm: DP10: fertilization depth 10 cm; DP15: fertilization depth 15 cm; DP20: fertilization depth 20 cm; DP25: fertilization depth 25 cm. different letters indicate that the difference has reached a significant level (P<0.05). NS, *, ** indicate non-significant or significant at P<0.05 or P<0.01, respectively. The same as below

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通过对2年玉米产量与施肥深度间的关系模拟,发现二者之间符合二次曲线关系,且二者的相关性达到显著水平（图2）。从图中可以看出,2013年相关曲线y = -3.7106x² + 92.324x + 9903.3（R² = 0.95）,2014年相关曲线y = -4.2124x² + 102.78x + 10158（R² = 0.97）。由方程可知,2013年和2014年夏玉米最高产量的施控释尿素深度分别为12.5 cm和12.2 cm。

图2

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图2控释尿素不同施肥深度与夏玉米产量拟合曲线

Fig. 2Fitting curve between different fertilization depth of controlled release urea and yield of summer maize

2.2 控释尿素不同施肥深度对夏玉米干物质积累量的影响

不同处理植株干物质积累量均随夏玉米生育期推进而逐渐增加,到成熟期达到最大值（图3）。各生育时期施用控释尿素处理的干物质积累量均高于CK,成熟期DP0、DP5、DP10、DP15、DP25和DP25处理干物质积累量均值较CK分别增加27.34%、32.42%、40.18%、41.72%、36.36%和20.18%。2年开花期前各施氮处理干物质积累无显著差异,DP0、DP25处理干物质积累量要略低于其他处理,开花期后总体呈现出DP15>DP10>DP20>DP5>DP0>DP25,并且随着生育期的推进差异增大,成熟期DP5、DP10、DP15、DP20处理植株干物质积累量较DP0处理分别提高了4.04%、10.12%、11.34%、7.21%,而DP25处理比DP0处理降低了5.54%。可以看出增加施肥深度有利于植株干物质的积累,玉米的干物质累积量并不是随着施氮深度的增加而同步线性增加的,在施肥深度10—15 cm有利于促进植株的生长发育,增加夏玉米植株干物质积累量。

图3

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图3控释尿素不同施肥深度对夏玉米干物质积累的影响

V6：拔节期,V12：大喇叭口期,R1：吐丝期,R2：灌浆期,R3：乳熟期,R5：蜡熟期,R6：成熟期。下同
Fig. 3Effects of different fertilization depths of controlled release urea on dry matter accumulation of summer maize

V6: Jointing stage; V12: Trumpeting stage; R1: Silking stage; R2: Filling stage; R3: Milking stage; R5: Dough stage; R6: Maturity stage. The same as below

2.3 控释尿素不同施肥深度对氮素积累影响

2年夏玉米氮素积累量在花前和花后控释尿素处理均显著高于CK,氮素积累量和花后氮素同化量随施氮深度增加呈先升高后降低趋势（图4）。开花期前各施氮处理植株氮素积累量2年均值较CK增加16.34%（DP0）、21.90%（DP5）、33.03%（DP10）、35.12%（DP15）、27.48%（DP20）和14.58%（DP25）,2年控释尿素处理之间均存在显著性差异。开花期前DP5、DP10、DP15、DP20处理氮素积累量较DP0处理增加5.10%、17.69%、19.79%、10.60%,而DP25处理氮素积累量较DP0处理降低1.95%。花后DP5、DP10、DP15、DP20处理氮素积累量2年均值较DP0处理提高27.76%、38.9%、41.9%和22.19%,DP25处理较DP0处理降低10.56%。成熟期氮素总积累量的2年变化趋势一致,各处理之间地上部总吸氮量的大小顺序依次为DP15>DP10>DP20>DP5>DP0>DP25。其中,DP5、DP10、DP15、DP20处理氮素积累量2年均值较DP0处理提高8.62%、20.45%、22.36%、14.44%,而DP25处理较DP0处理降低4.00%。说明控释尿素施肥深度在10—15 cm可有效调控控释尿素中氮素的释放,夏玉米对氮素的吸收与积累效果显著。

图4

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图4控释尿素不同施肥深度对夏玉米氮素积累量的影响

Fig. 4Effects of different fertilization depths of controlled release urea on nitrogen accumulation of summer maize

2.4 控释尿素不同施肥深度对氮素利用效率的影响

施肥深度对氮素吸收利用指标均有显著影响（表2）。与DP0处理相比,随施肥深度增加,夏玉米的氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率均呈现出先增加后降低的趋势,氮素收获指数和氮肥农学效率2年均值以DP10处理最大,分别为61.91%和6.68 kg·kg^-1,而氮肥偏生产力、氮肥利用率以DP15处理最大,分别为47.27 kg·kg^-1和46.97%。增加施肥深度处理氮素收获指数2年均值比DP0处理提高了1.45%、20.68%、16.41%、12.15%和-2.63%。DP5、DP10、DP15、DP20、DP25处理氮肥农学效率和氮肥利用率2年均值较DP0处理差异显著,平均提高了18.90%、39.26%、39.05%、30.04%、-13.00%和31.66%、71.31%、81.91%、52.78%、-14.61%。可见控释尿素适宜深施能显著提高氮肥吸收和利用效率。氮素籽粒生产效率与氮素利用效率趋势相反,表现为DP25>DP0>DP5>DP20>DP10>DP15。说明夏玉米植株吸收的氮素一部分用于营养器官生长并未全部转运到籽粒中。

Table 2
表2
表2控释尿素不同施肥深度对夏玉米氮肥利用效率的影响
Table 2Effects of different fertilization depths of controlled release urea on nitrogen use efficiency of summer maize

年份 Year	处理 Treatment	氮素收获指数 NHI (kg·kg^-1)	氮肥偏生产力 NPFP (kg·kg^-1)	氮肥农学效率 NAE (kg·kg^-1)	氮肥利用率 NUE (%)	氮素籽粒生产效率 NGPE (kg·kg^-1)
2013	CK	0.61a	—	—	—	60.50a
	DP0	0.52bc	44.24a	4.67c	27.37c	47.69bc
	DP5	0.50c	45.23a	5.67b	36.74b	45.60bc
	DP10	0.61a	46.41a	6.85a	43.77a	42.51bc
	DP15	0.59ab	46.63a	7.07a	47.15a	41.43c
	DP20	0.61a	46.21a	6.65a	42.00a	43.03bc
	DP25	0.52bc	43.80a	4.23c	23.10c	49.49b
2014	CK	0.58ab	—	—	—	57.50a
	DP0	0.50c	41.40b	4.92c	24.27c	48.11b
	DP5	0.55bc	46.32ab	5.74b	34.20b	44.39bc
	DP10	0.62a	47.14ab	6.51a	44.70a	41.06c
	DP15	0.60ab	47.91a	6.27ab	46.80a	40.13c
	DP20	0.55bc	47.67ab	5.83ab	36.90b	43.37bc
	DP25	0.48c	45.51ab	4.11d	21.00c	48.94b
方差分析 ANOVA
年份（Y）		NS	**	**	**	**
施肥深度（D）		**	**	**	**	**
年份×施肥深度（Y×D）		NS	**	*	*	NS

NHI：氮素收获指数;NPFP：氮肥偏生产力;NAE：氮肥农学效率;NUE：氮肥利用率;NGPE：氮素籽粒生产效率。下同
NHI: Nitrogen harvest index; NPFP: Nitrogen partial factor productivity; NAE: Nitrogen agronomic efficiency; NUE: Nitrogen use efficiency; NGPE: Nitrogen grain production efficiency. The same as below

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施肥深度与氮素农学效率、氮素利用率显著相关,随施肥深度增加两者均呈现出单峰趋势（图5）。通过拟合曲线得出氮素农学效率在13 cm（2013年）和12 cm（2014年）处达到峰值,而氮素利用率2年均在12 cm左右达到峰值,综合控释尿素在不同施肥深度下与氮素农学效率、氮素利用率曲线拟合的结果,施肥深度在12—13 cm处更有利于控释尿素释放氮素的吸收和利用。

图5

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图5控释尿素不同施肥深度与氮素农学效率、氮素利用率的拟合方程

Fig. 5Fitting equation between different fertilization depth of controlled release urea and nitrogen agronomic efficiency and nitrogen use efficiency

2.5 控释尿素不同施肥深度对土壤硝态氮、铵态氮的影响

施用控释尿素后土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量在0—100 cm范围内总体显著高于CK,说明施控释尿素能显著增加土壤无机氮的含量（图6）。从开花到成熟期,不同施肥深度对夏玉米不同生育时期0—100 cm各土层土壤NO₃^--N含量的影响不同,均随土层深度增加表现出先减少后增加的趋势。0—20 cm土层中NO₃^--N含量表现为DP10>DP15>DP5>DP0>DP20>DP25;20—40 cm土层中NO₃^--N则表现为DP5>DP10>DP15>DP0>DP25>DP20。在不同生育时期,40—100 cm各土层的NO₃^--N含量均低于上层土壤,说明控释尿素有效减少NO₃^--N淋失。对NH₄⁺-N含量而言,从开花期到成熟期,0—100 cm各土层土壤NH₄⁺-N含量均随土层深度增加呈降低趋势。0—20 cm土层的NH₄⁺-N含量表现为DP10>DP15>DP5>DP20>DP0>DP25;20—40 cm土层的NH₄⁺-N含量表现为DP10>DP15>DP5>DP0>DP25>DP20。40—100 cm各土层中各施肥深度处理土壤NH₄⁺-N含量无显著差异。由于根系对于养分的吸收和NO₃^--N向下的迁移,表层NH₄⁺-N和NO₃^--N含量在成熟期显著降低。此外,各土层NO₃^--N含量要高于NH₄⁺-N含量,并且开花期到成熟期变化更显著。可以看出控释尿素适当深施,更有利于根区土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量提高,减缓土壤氮素向更深土层的淋失,提高肥料利用率。

图6

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图6控释尿素不同施肥深度对土壤硝态氮、铵态氮的影响（2014年）

Fig. 6Effects of different fertilization depths of controlled release urea on soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen (2014)

2.6 夏玉米产量及其构成因素与干物质总积累量、氮素总积累量和氮素利用效率的相关性

2年夏玉米成熟期干物质积累量、氮素总积累量、氮肥农学效率和氮肥利用率与产量呈极显著正相关。氮肥偏生产力与产量呈显著正相关,而氮素籽粒生产效率和产量呈极显著负相关（表3）。控释尿素不同施肥深度与夏玉米产量显著相关,适宜施肥深度通过提高氮素供应,协调夏玉米生育期养分的吸收,增加干物质及氮素积累量,提高氮素利用效率最终实现增产增效。

Table 3
表3
表3夏玉米产量及其构成因素与干物质总积累量、氮素总积累量和氮素利用效率的相关性
Table 3Correlation of summer maize yield and its components with total dry matter accumulation, total nitrogen accumulation and nitrogen use efficiency

	产量 Yield	干物质积累量 Dry accumulation amount	氮素总积累量 Total N accumulation	氮肥偏生产力 NPFP	氮肥农学效率 NAE	氮肥利用率 NUE	氮素籽粒生产效率NGPE
产量 Yield	1
干物质积累量 Dry accumulation amount	0.990**	1
氮素总积累量 Total N accumulation	0.981**	0.993**	1
氮肥偏生产力 NPFP	0.943**	0.896**	0.869*	1
氮肥农学效率 NAE	0.998**	0.990**	0.981**	0.943**	1
氮肥利用率 NUE	0.981**	0.993**	0.998**	0.869*	0.981**	1
氮素籽粒生产效率 NGPE	-0.993**	-0.996**	-0.997**	-0.905**	-.993**	-0.997**	1

*和**分别表示在 0.05 和 0.01 水平显著相关
* and ** indicated a significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

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3 讨论

3.1 控释尿素不同施肥深度对产量及其构成因素的影响

减缓氮素释放^[26]以及适当深施氮肥^[20]是提高作物产量的重要措施。本研究表明,随控释尿素施肥深度增加,产量呈先增后减趋势,理论施肥深度在12—13 cm时玉米产量达到最大（图2）,而实际DP10和DP15处理产量较高,较DP0（地表撒施）增产幅度较大。施肥深度在10—15 cm产量最高,可能是由于发育健全的玉米功能根群主要集中在5—20 cm土层^[27],肥料养分在土壤中迁移能力有限,氮肥由肥际横向扩散到非肥际也多数在3—6 cm以内^[28]。施肥深度10—15 cm缩短了肥料与根系的接触距离,并且处于主根区,扩大了接触面积,有利于植株对于氮素的吸收利用进而提高产量。通过施氮协调发展产量构成因素,提高任意一个因素都是增产的重要途径^[12]。本研究对产量构成因素分析表明,控释尿素不同施肥深度处理间产量存在差异是受穗粒数和粒重的综合影响,DP10和DP15处理穗粒数和千粒重高于其他处理,说明控释尿素施肥深度10—15 cm有利于增加土壤无机氮含量,满足玉米开花期和灌浆期对氮素养分的需求,使叶片制造积累较多的同化产物,为雌穗分化发育及籽粒形成提供充足的碳源,促进有效粒数的形成和发育,减少籽粒败育^[29],进而增加穗粒数和千粒重。而姜超强等^[21]对夏玉米普通尿素一次施肥位点研究表明,不同施肥位置对穗粒数和千粒重影响不显著。这可能是试验条件不同,养分释放与作物吸收存在差异。此外,本研究还表明玉米产量同处理间2014年较2013年略高,可能是由于2014年夏玉米灌浆期间降水量比2013年明显增多,有利于养分的吸收,促进籽粒灌浆,提高产量。

3.2 控释尿素不同施肥深度对氮素利用率的影响

施肥位置对于促进氮素吸收,提高氮肥利用率和作物产量具有十分重要的作用^[21,28]。氮肥农学效率、氮肥利用率是反映作物对氮肥吸收、利用效果的有效指标^[13]。研究表明在不同施肥条件下一次性深施包膜尿素有助于玉米对养分的吸收及氮素利用率的提高^[30]。本研究中控释尿素不同施肥深度氮素利用不同,以DP10处理氮肥农学效率最高,DP15处理氮肥利用率最高,但DP10和DP15处理间差异不显著,但均显著高于地表撒施。说明一次性控释尿素施肥深度在10—15 cm有利于根系的发育,扩大氮素的吸收空间^[27],促进夏玉米氮素的吸收积累（图4）,更好地发挥控释尿素“前控后保”的特性^[11],满足植株对不同时期养分的需求^[31],从而提高氮素积累量。而作物对氮素的吸收又是作物光合产物的基础^[12]。控释尿素施肥深度在10—15 cm时不仅协调了整个生育期的氮素养分供应,促进夏玉米的生长发育,而且为生殖阶段提供充足的氮素,减少了花后营养器官氮素再动员,从而提高光合作用^[32],有利于干物质的积累（图3）,最终增加产量。这与刘威等^[33]关于控释尿素增加条施深度对玉米地上部干物质积累和氮素吸收的影响基本一致。此外,本研究DP10、DP15处理氮素收获指数维持较高水平（0.59—0.62 kg·kg^-1）,而DP10、DP15处理氮素籽粒生产效率低于其他处理,可见控释尿素施肥深度10—15 cm实现增产不是通过增加氮素向籽粒中的再转运,而是主要提高了夏玉米生育期中氮素的吸收与积累,而且植株中氮素的积累并未高效提高籽粒产量,可能改变施肥深度对于提高夏玉米产量的潜力还是有限的。

3.3 控释尿素不同施肥深度对土壤硝态氮、铵态氮的影响

氮肥施用不仅要满足作物需求,而且要减少氮素养分通过淋洗、径流或氨挥发等途径损失^[34],从而促进养分的吸收利用,这是实现玉米高产高效的重要途径^[10]。肥料类型^[26]和施肥方式^[23,28]会显著影响氮素损失。硝态氮和铵态氮是植株可以利用的主要氮素形态,通常把施肥后土壤中硝态氮和铵态氮含量作为养分转化特点的指标^[31]。本研究中,土壤硝态氮和铵态氮的含量与控释尿素施肥深度密切相关。从开花期到成熟期,DP10和DP15处理在0—100 cm各土层土壤硝态氮和铵态氮的含量总体均优于其他施肥深度处理,并且氮素积累量（图4）和氮素利用效率（表2）也显著增加。这说明施肥深度10—15 cm能更好地将肥料养分固定,并通过提高植株的吸收利用进一步减少氮素损失。前人研究表明,普通尿素施肥深度增加到10 cm以上时,相对产量和养分吸收量随放置深度增加呈增加趋势^[35]。而本研究表明,DP20处理产量出现降低趋势,DP25处理较DP0处理产量无显著差异,可见控释尿素增加施肥深度并非一直增产。DP25处理在0—40 cm土层硝态氮含量显著低于其他处理,而40—100 cm土层硝态氮含量与其他处理差异较小,并且DP25处理氮素积累量（图4）和氮素利用效率（表2）低于DP0处理,说明施肥深度25 cm导致控释尿素中氮素释放缓慢,肥料养分的供应不能满足玉米养分需求,植株前期吸收的氮素较少,并且由于氮素在土壤中是可以移动的元素,深层的氮素主要通过硝态氮淋失向下层移动^[36,37],减少了主根层（0—20 cm）的氮素吸收,氮素利用率低,造成氮素积累量和干物质积累量较地表撒施（DP0）降低,最终导致产量下降。可见施肥深度10—15 cm是减少氮素损失和提高氮素利用,并使两者达到平衡的适宜施肥深度。从夏玉米高氮素积累量（图4）以及土壤硝态氮和铵态氮0—100 cm各土层含量（图6）来看,一次性深施控释尿素的方式有进一步降低氮肥用量的空间,关于减氮条件下控释尿素适宜基施深度研究值得进一步验证。已有研究表明,肥料施用深度实际投送与目标投送深度基本吻合^[38],这为更精准的一次性深施技术提供农业机械支持。

4 结论

控释尿素一次性深施促进夏玉米干物质积累,增加玉米生育后期氮素吸收并减少氮素损失,进而提高氮素利用效率,实现夏玉米的增产增效。在施纯氮225 kg·hm^-2条件下,控释尿素施肥深度在10—15 cm较撒施或浅施地上干物质积累量增加,氮素吸收积累和氮素利用效率显著提高,而氮素损失降低。施肥深度在12—13 cm时产量达到峰值,施肥深度在10—15 cm范围内产量差异不显著,但显著高于其他处理。考虑到实际生产中增加施肥深度会加大劳动力投入和机械损耗以及施肥机械控制的精准度,综合产量和氮素利用效率,本研究建议在黄淮海地区生产中控释尿素一次性基施深度控制在10—15 cm。

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