0 引言
【研究意义】陕西关中平原是中国粮食的主产地之一,是陕西省最大的粮食产地,夏玉米/冬小麦轮作为当地主要种植制度。该地区玉米产量占全省的60%以上[1-2]。施化肥,特别是施氮肥作为农业增产的主要措施之一[3-4],在关中平原粮食持续生产中起到了很大的作用。据统计,陕西省1980年粮食产量为757万吨,而2015年已增加至1 227万吨[5],但同期化肥施用量从30万吨增加到197万吨,增加了556%,可以看出粮食产量的增幅远低于化肥的增加幅度。研究表明,陕西关中地区农业生产玉米纯氮施用量约为（288±113）kg·hm-2,而推荐量为112—205 kg·hm-2 [6],普遍存在氮肥过量施用问题,氮肥利用率显著下降[7-9]。缓释氮肥是可延缓氮素释放速率,减少氮素损失并供植物持续吸收利用的氮肥[10-11]。缓释氮肥在提高作物产量和氮肥利用率等方面有较多的研究和应用 [12-14],但是施用缓释氮肥对作物不同生育期内能否被更有效地吸收利用,特别是与传统氮肥配合施用对作物生长、氮素吸收和产量的影响机理等还需要进行探索研究。因此,研究不同施氮条件下缓释氮肥与传统氮肥掺混对作物生长和氮素吸收的影响对氮肥高效生产有重要的理论与实际意义。【前人研究进展】缓释氮肥通过改变内核尿素粒子与交界环境中的扩散通量,可有效控制氮素释放速率[15],不仅促进作物生育后期的氮素供应,还能有效增加氮素转换与积累,协调作物各器官养分吸收与分配,使作物产量和氮肥利用率大大提高,减少了氮素的淋溶损失[16-17]。近年来,施用缓释肥能促进作物营养生长和生殖生长,抗倒伏能力强,提高肥料利用率,增产效果和经济效益明显,且不用追肥,减少工时[18-21]。缓释肥可根据作物对养分的需要控制其养分释放模式,使养分释放与作物养分吸收同步,尤其在节水条件下,控盐和增产效果显著[22-24]。在2年的水稻田间试验中发现施用缓释氮肥能够减少氮肥的花费和施肥频率[25]。姬景红等在控释掺混肥对春玉米产量、光合特性及氮肥利用率的影响研究中发现不同比例掺混缓释肥能够延缓叶片衰老,提高产量,增加0—30 cm土层的硝态氮含量,减少30—90 cm土层硝态氮残留量[26];王宜伦等在缓/控释氮肥对玉米氮代谢、氮素积累及产量的影响的研究表明,施用缓释肥既提高了玉米植株的氮素累积和氮肥利用率,又增加了产量[27]。此外,不同品牌新型肥料在玉米中的研究表明,3种新型肥料（金阳牌、金正大和红四方纳米）均提高了玉米产量和氮肥利用率,其中红四方纳米控释肥对玉米增产和改善品质效果最好[28];不同包膜缓释肥在水稻中的研究表明,树脂包膜和硫加树脂包膜缓释肥的处理在水稻产量上无明显差异,较传统肥料增产14.1%—15.0%[29]。研究不同包膜缓释肥在夏玉米/冬小麦轮作系统表明施用缓释掺混肥和硫加树脂包膜缓释肥均可提高氮收获指数和籽粒产量[30]。【本研究切入点】以往对于缓释氮肥的研究主要集中在不同品牌、不同包膜方式的缓释氮肥以及不同品牌掺混的缓释氮肥对作物生长及氮素在土壤中的分布、运移和在植株体内的吸收、分配等方面,关于缓释氮肥的田间应用主要以水稻[31]和生育期较长的春玉米为主,而对于关中地区主要的粮食作物夏玉米的研究甚少。【拟解决的关键问题】本研究把普通尿素与新型肥料缓释氮肥掺混同尿素和缓释氮肥单独施用作比较,通过研究不同的氮肥类型和施氮量及两者的交互作用对玉米生长、产量及其组成因素、氮肥利用率和土壤硝态氮残留的影响,旨在探究适合关中平原玉米生长的氮肥类型及合理的施氮量,为玉米高产高效安全的尿素掺混缓释氮肥推广应用提供科学的依据。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2016年6—10月在陕西杨凌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节水灌溉试验站（108°24′E、34°20′N）进行。试验区属于暖温带季风半湿润气候区,海拔 524.7 m,年平均温度为12.9℃,多年平均降水量580 mm（主要集中在7、8、9月）,年平均蒸发量1 500 mm。试验区土壤质地为重壤土,0—100 m土层的田间持水量为23%—25%,凋萎含水量为8.5%,0—20 cm土层的土壤pH为8.14,有机质含量为12.0 g·kg-1、全氮为0.89 g·kg-1、速效磷为8.21 mg·kg-1、碱解氮为55.30 mg·kg-1。1.2 试验设计
试验设置3种氮肥类型：尿素（U）、缓释肥（S）和尿素缓释肥3﹕7掺混（SU）;4个施氮水平：N1（90 kg·hm-2）、N2（120 kg·hm-2）、N3（180 kg·hm-2）和N4（240 kg·hm-2）,以不施氮肥N0为对照,共13个处理。各处理小区随机排列,重复3次,小区面积为3 m×7 m=21 m2,试验区周围布设2 m保护带。试验所用氮肥为尿素（含N≥46%）和史丹利缓释氮肥（含N≥28%）,磷肥为过磷酸钙（含P2O5≥16%）,钾肥为硫酸钾（含K2O≥50%）。其中缓释肥（S）和尿素掺混缓释氮肥（SU）均作为基肥,播种前一次性施入,尿素（U）基追比为3﹕7,追肥在拔节期（7月14日）进行。各处理磷肥（120 kg·hm-2 P2O5）和钾肥（60 kg·hm-2 K2O）均作为基肥一次性施入。
供试玉米品种为郑单958,行距为60 cm、株距为25 cm,播种密度为67 000株/hm2,于2016年6月10日播种,10月1日收获。由于伏旱时期过长,在8月16日灌水30 mm,生育期内无明显病虫害和杂草出现。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 植株生长指标测定 在玉米苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期测定株高、茎粗和叶面积,每个小区在苗期选取长势一致的3株幼苗,3次重复共计9株进行挂牌标记。株高用卷尺测定;茎粗用游标卡尺测定;叶面积测量单个叶片的长和宽后,采用长×宽×0.75计算单株叶面积,叶面积指数=单株叶面积×种植密度/土地面积。1.3.2 植株干物质累积量与产量测定 在玉米成熟期破坏性取样,每个小区随机取样3株,3次重复共计9株,在105℃下杀青30 min,接着在75℃下烘至恒重;根干物质量测定,收获后用铁锹挖玉米主根区40 cm深,用清水冲洗干净,并用吸水纸将根表面的水分吸干,在105℃条件下杀青30 min后,置于75℃条件下烘至恒重;产量及其构成要素测定在玉米成熟期各小区随机选取10株,3次重复共计30株,风干脱粒测定总重及其构成要素,最终折算成含水率为14%的籽粒百粒重和产量,并折算成公顷产量。
1.3.3 植株氮素吸收量测定 玉米各生育时期取样,吐丝期分茎和叶片2部分,成熟期按茎、叶片、包皮+穗轴和籽粒分为4部分。样品放入105℃烘箱中杀青30 min,75℃烘至恒重,称取干物质重,磨碎,采用浓硫酸消煮,用连续流动分析仪（Auto Analyzer-III,德国Bran Luebbe公司）测定植物样品全氮含量。
1.3.4 土壤硝态氮含量测定 在玉米收获后,用土钻取0—120 cm土层土样,20 cm为一层,晾干磨细过筛后,称取5 g土壤样品,加入50 mL 2 mol·L-1的KCl溶液,振荡30 min后过滤,浸提液用连续流动分析仪（Auto Analyzer-III,德国Bran Luebbe公司）测定土壤硝态氮含量。硝态氮累积量计算公式[32]如下：
\(M=\frac{CHY}{10}\)
式中,M为土壤硝态氮的积累量（kg·hm-2）;C为土壤硝态氮含量（mg·kg-1）;H为土层深度（cm）;Y为土壤容重（g·cm-3）。
1.3.5 相关指标计算公式 植株氮素吸收与转运及
氮素利用效率的计算公式[33-34]：
植株氮素吸收量=植株氮素含量（%）×干物质质量;
营养器官氮素转移量=吐丝期营养器官氮素吸收量-成熟期营养器官氮素吸收量;
吐丝期后氮素吸收量=成熟期氮素吸收总量-吐丝期营养器官氮素吸收量;
营养器官氮素转移率（NRE）（%）=营养器官氮素转移量/吐丝期营养器官氮素吸收量×100;
氮素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮素累积量/施氮量;
氮素利用效率（kg·kg-1）=籽粒产量/植株氮素累积量;
氮肥利用效率（kg·kg-1）=籽粒产量/施氮量;
氮素收获指数=籽粒氮素吸收量/植株氮素吸收量。
采用SPSS23.0统计分析软件对试验数据进行显著性方差分析;采用Microsoft Excel 2013进行数据处
理;Origin8.0软件绘图。
2 结果
2.1 尿素掺混缓释氮肥对玉米生长的影响
2.1.1 玉米株高 株高是反映作物生长的重要指标。不同施氮量对玉米株高较CK处理均有明显的促进作用,且在吐丝期达到最大,吐丝期以后株高有所下降（图1）。在苗期各处理之间株高差异不明显。在拔节期尿素追肥,U处理玉米株高增长最快,而S和SU处理与U处理的株高在拔节期并无显著性差异,说明缓释氮肥在这一时期能释放大量的养分供玉米生长。拔节期以后,U和SU处理株高随着施氮量的增加而增加,而施氮量为N4时株高反而下降,其中U和SU处理在N3玉米株高分别高于其他施氮量1.2%— 16.4%和1.5%—12.4%;S处理中N2玉米株高分别高于其他施氮量1.2%—5.9%。在所有处理中SU处理中N3玉米株高达到最大值,株高的整体趋势是SU处理>S处理>U处理。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同氮肥对玉米株高的影响
-->Fig. 1Effects of different nitrogen fertilizer on maize plant height
-->
2.1.2 玉米茎粗 随着玉米的生长,各处理茎粗较CK处理都有不同程度的增加,但在拔节期以后开始减小,这可能与玉米前期生长旺盛耗水过多后期严重缺水抑制了玉米的生长有关（图2）。在玉米苗期到拔节期茎粗增加较快,且随着施氮量的增加而增加,但在拔节期以后N4略微降低,这是因为施氮量过高,不利于玉米生长。在U和SU处理中N3的茎粗高于其他施氮量4.1%—21.5%和3.3%—18.9%,S处理中拔节期以后N2的茎粗高于其他施氮量4.4%—24.9%。SU处理茎粗在各个生育期均显著高于U和S处理。U处理的N3与S处理的N2在各生育期的茎粗无显著差异,这说明缓释氮肥的氮肥利用效率高于普通尿素,作物长势相同,能够节省肥料用量。
2.1.3 玉米叶面积指数 由图3可以看出,随着生育时期的推进玉米叶面积指数呈现先增加后减小的趋势,吐丝期叶面积指数达到最大。苗期不同处理叶面积指数无显著性差异。苗期到拔节期叶面积指数随施氮量的增加而增加,同时这一时期也是叶面积指数增加速率最大。但是在拔节期以后各氮肥N4处理的叶面积指数明显下降,这是由于施氮量过高,抑制了作物的生长,使得叶面积指数降低。其中S处理中的N4叶面积指数在灌浆期以后快速下降,在成熟期N2的叶面积指数高于其他施氮量;SU处理的N3的叶面积指数在拔节期和吐丝期高于其他施氮量7.3%—57.7%和6.3%—32.3%,但是到灌浆期叶面积指数有所下降,低于N4 5.46%,在成熟期叶面积指数高于其他处理30.4%—69.5%。吐丝期各处理叶面积指数达到最大,其中SU处理中N3叶面积指数最大为4.2,较其他处理叶面积指数高出1.9%—18.2%。玉米主要生育时期不同处理的叶面积指数总体上呈现出SU处理>S处理>U处理。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同氮肥对玉米茎粗的影响
-->Fig. 2Effects of different nitrogen fertilizer on stem diameter of maize
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同氮肥对玉米叶面积指数的影响
-->Fig. 3Effects of different nitrogen fertilizer on leaf area index of maize
-->
2.2 尿素掺混缓释氮肥对玉米干物质累积的影响
如图4所示,施氮能够明显的促进作物生长,施氮各处理的干物质累积量比CK处理平均高出了10.6%—78.9%。但是玉米的干物质累积量并不是随着施氮量的增加而同步线性增加的,施氮量为0—180 kg·hm-2能够促进作物生长,施氮量高于180 kg·hm-2抑制玉米的生长,导致植株干物质累积量下降。U处理中N3干物质累积量高于其他施氮量处理13.0%— 26.7%,在茎和籽粒中比例最大;S处理中N2干物质累积量高于其他施氮量处理15.7%—43.9%,在根、茎和籽粒中有明显差异;SU处理中N3干物质累积量高于其他3个施氮量16.0%—42.2%,在根、茎、叶和籽粒中都具有明显差异。SU处理干物质累积量最高可达17 927.9 kg·hm-2,比U和S处理干物质累积量最大值分别高出了18.5%和12.4%。玉米成熟期的干物质累积量主要集中在籽粒中,籽粒重占干物质累积量的39.9%—48.3%。虽然U和S处理整体差异不明显,但是S处理的施氮量比U处理施氮量减少了30%,节约了肥料的用量;而SU处理的N3较S处理N2干物质累积增加了12.4%。成熟期干物质累积量整体呈现出SU处理>S处理>U处理。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同氮肥对玉米干物质累积量的影响
-->Fig. 4Effects of different nitrogen fertilizer on dry accumulation amount of maize
-->
2.3 尿素掺混缓释氮肥对玉米吐丝期前后氮素累积及运转的影响
由表1可以看出,不同氮肥下,玉米植株营养器官在吐丝期贮存的氮素吸收量大于成熟期,这说明吐丝期后营养器官中贮存的氮素向籽粒中发生转移。随着施氮量的增加,玉米吐丝期后营养器官氮素向籽粒的转运量和转运效率均呈先增大后减小的变化趋势;U处理和SU处理的氮素转运量在N3达最大,其他施氮量较N3减少了19.8%—60.3%和21.8%—56.7%,S处理的N2最大,其他施氮量较N2减少了10.7%—59.0%,其中SU处理中N3转运量比U处理中N3和S处理中N2分别增加14.7%和8.2%。但不同氮肥类型中N2、N3和N4施氮量下的玉米氮素转运效率之间没有显著性差异。这说明,玉米籽粒中氮素的吸收量除吐丝期后营养器官中氮素向籽粒的转移外,还有吐丝期后玉米从土壤中吸收同化的氮素;适宜的施氮量更有利于吐丝期后营养器官中的氮素向籽粒中转移。Table 1
表1
表1不同氮肥对玉米吐丝期前后氮素累积及运转的影响
Table 1Effect of different nitrogen fertilizers on pre-and post silking N accumulation and remobilization of maize
| 处理 Treatment | 吐丝期营养器官含氮量 Vegetative N content at silking (kg·hm-2) | 成熟期植株含氮量 N content at maturity(kg·hm-2) | 吐丝期后氮 素吸收量 Post-silking N uptake (kg·hm-2) | 营养器官氮素转运量 Vegetative N remobilization (kg·hm-2) | 氮素转运效率 N remobilization efficiency (NRE)(%) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 营养器官 Vegetative | 整株 Total | ||||||
| CK | N0 | 63.89h | 50.31h | 93.27h | 29.38bcd | 13.59i | 21.19c |
| U | N1 | 72.63g | 55.79g | 107.5g | 34.87ab | 16.84hi | 23.88bc |
| N2 | 99.56d | 65.57c | 129.38d | 29.81abcd | 33.99ef | 32.15a | |
| N3 | 112.2b | 69.84b | 141.14b | 28.94cd | 42.36bc | 33.75a | |
| N4 | 90.74e | 63.02de | 117.07f | 26.33de | 27.72g | 31.65a | |
| S | N1 | 73.83g | 55.19g | 109.09g | 35.26a | 18.64hi | 26.6b |
| N2 | 114.94b | 69.37b | 144.39b | 29.45bcd | 45.57ab | 36.17a | |
| N3 | 106.95c | 66.28c | 134.65c | 27.69d | 40.67bcd | 34.75a | |
| N4 | 91.85e | 61.56e | 120.51ef | 28.65cd | 30.29fg | 31.89a | |
| SU | N1 | 80.17f | 58.69f | 115.41f | 35.23a | 21.49h | 26.06b |
| N2 | 103.5cd | 66.85c | 135.12c | 31.61abcd | 36.65de | 32.99a | |
| N3 | 122.04a | 72.38a | 156.06a | 34.01bc | 49.66a | 36.18a | |
| N4 | 103.2cd | 64.36cd | 125.37de | 22.17e | 38.85cde | 33.77a | |
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2.4 尿素掺混缓释氮肥对玉米产量及其构成因素的影响
如表2所示,施氮肥均能提高玉米籽粒产量,不同氮肥类型和施氮量对玉米产量及其影响因素有不同程度的影响。氮肥类型对穗行数、百粒重具有极显著性影响,对穗长、产量具有显著性影响;施氮量对穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重、产量有极显著性影响,对穗长具有显著性影响。两者交互作用对穗长和百粒重有极显著影响,对穗粗和产量具有显著性影响,对其他产量性状均无显著性差异。SU处理各施氮量玉米产量均比U和S处理高,其中SU处理中N3产量最高,达6 200.4 kg·hm-2,比SU处理中其他施氮量处理高12.1%—32.6%,较U和S处理中最高产量分别高出了20.7%和19.8%,比CK处理高81.3%。U和SU处理中N4玉米产量比N3分别减少了16.5%和16.0%;S处理中N3和N4的玉米产量比N2分别减少了9.9%和20.9%。在同一施氮量下SU处理的玉米产量及其构成因素均较U和S处理有明显的优势,S处理在施肥量减少30%的情况下仍与U处理的产量相齐平。
Table 2
表2
表2不同氮肥对玉米产量及产量构成因素的影响
Table 2Effects of different nitrogen fertilizers on yield and yield components of maize
| 处理 Treatment | 穗长 Ear length (cm) | 穗粗 Ear coarse (mm) | 秃尖长 Bald ear length (cm) | 穗行数 Ear row | 行粒数 Kernel number per row | 百粒重 hundred - grain weight(g) | 产量 Yield (kg·hm-2) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | N0 | 12.6g | 40.78de | 2.37a | 13.33bc | 24.33f | 25.01h | 3419.55e |
| U | N1 | 12.91efg | 40.73de | 1.25bcd | 13cde | 27.67cd | 25.37gh | 3661.17de |
| N2 | 13.38cde | 41.63cde | 1.18bcd | 14ab | 29.67ac | 26.62def | 4562.54bcde | |
| N3 | 13.94bc | 42.83ab | 0.93cd | 14.33a | 30.33ab | 27.55cd | 5136.04abc | |
| N4 | 12.69fg | 40.56e | 1.29bcd | 13.67ab | 29.33bc | 26.07fgh | 4290.43cde | |
| S | N1 | 12.75fg | 40.98de | 1.45bc | 12.67de | 27e | 25.75gh | 3888.41de |
| N2 | 14.07b | 43.37a | 1.18bcd | 14ab | 30.33ab | 28.88ab | 5174.99abc | |
| N3 | 13.54bcd | 41.88bc | 1.34bc | 13.33bc | 30ab | 27.29cde | 4663.28bcd | |
| N4 | 13.09defg | 41.14de | 1.36bc | 13cde | 27e | 26.17efgh | 4090.73cde | |
| SU | N1 | 13.08defg | 40.71de | 1.62b | 12.33e | 27.33de | 26.2efg | 4677.1bcd |
| N2 | 13.23def | 41.68bcde | 1.21bcd | 13.33bc | 29.67ab | 27.85bc | 5531.91ab | |
| N3 | 14.74a | 42.78abc | 0.8d | 14ab | 31.67a | 29.57a | 6200.41a | |
| N4 | 13.62bcd | 41.5de | 1.11bcd | 13cde | 29bcde | 26.75cde | 5210.38abc | |
| 显著性检验（F值）Significant level (F value) | ||||||||
| 肥料类型Type | 6.58* | 1.920 | 1.07 | 13.08** | 0.380 | 32.45** | 5.41* | |
| 施肥量N level | 32.261** | 22.17** | 3.94* | 19.87** | 19.90** | 52.26** | 13.01** | |
| 肥料类型×施肥量Type×N level | 6.27** | 3.24* | 1.31 | 1.50 | 1.42 | 5.68** | 1.12* | |
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2.5 尿素掺混缓释氮肥对玉米氮肥利用率的影响
如表3示,植株氮素累积量并不是随着施氮量的增加而增加的,施氮处理的植株氮素累积量比对照增加了15.3%—67.3%,整体上呈现出SU处理>S处理>U处理,与植株干物质累积量有相同的趋势。氮素吸收效率和氮肥利用率随着施氮量的增加呈下降趋势,SU各处理氮素率较U和S处理显著增加,但是在不同氮肥类型中N2氮素吸收效率反而增加,说明这一施氮量下玉米吸收氮肥达到最高水平,玉米吸收的养分主要用于形成籽粒,提高产量。氮收获指数在U与SU处理 N3与S处理N2中达到0.51—0.52,说明这3个处理籽粒含氮量占植株含氮量50%以上,养分主要储存在籽粒中。氮肥类型对所有氮素吸收利用指标均有极显著影响。施氮量对植物养分累积量、氮素吸收效率、氮收获指数和氮肥利用率均有极显著性影响,两者的交互作用对植物养分累积量、氮素吸收效率和氮肥利用有极显著性影响。Table 3
表3
表3不同氮肥对玉米氮素吸收利用的影响
Table 3Effects of different nitrogen fertilizers on nitrogen uptake and use efficiency of maize
| 处理 Treatment | 氮素累积量 Accumulation N uptake (kg·hm-2) | 氮素吸收效率 N uptake efficiency (kg·kg-1) | 氮素利用率 N use efficiency (kg·kg-1) | 氮肥利用率 N productive efficiency (kg·kg-1) | 氮收获指数 N harvest index | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | N0 | 93.27h | 0 | 36.65bcd | 0 | 0.46d |
| U | N1 | 107.5g | 1.19b | 35.61d | 42.53b | 0.48cd |
| N2 | 129.38d | 1.08d | 35.26d | 38.03c | 0.49bc | |
| N3 | 141.14b | 0.78f | 36.38cd | 28.53e | 0.51abc | |
| N4 | 117.07f | 0.49h | 36.64bcd | 17.88g | 0.46d | |
| S | N1 | 109.09g | 1.21b | 35.65d | 43.21b | 0.49abc |
| N2 | 144.39b | 1.2b | 36.77bcd | 44.24b | 0.51ab | |
| N3 | 134.65c | 0.75g | 34.66d | 25.91e | 0.5abc | |
| N4 | 120.51ef | 0.5h | 33.94d | 17.04g | 0.49bc | |
| SU | N1 | 115.41f | 1.28a | 39.65abc | 50.86a | 0.49bc |
| N2 | 135.12c | 1.13c | 39.96ab | 44.99b | 0.51abc | |
| N3 | 156.06a | 0.87e | 39.72abc | 34.45d | 0.52a | |
| N4 | 125.37de | 0.52h | 40.51a | 21.16f | 0.49c | |
| 显著性检验（F值）Significant level (F value) | ||||||
| 肥料类型 Type | 40.0** | 51.44** | 9.64** | 63.4** | 11.2** | |
| 施肥量N level | 339.4** | 187.5** | 0.2 | 64.2** | 14.16** | |
| 肥料类型*施肥量 Type*N level | 15.86** | 18.1** | 1.33 | 10.37** | 1.340 | |
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2.6 尿素掺混缓释氮肥对土壤硝态氮的影响
2.6.1 土壤硝态氮的分布 如图5所示,玉米收获后0—120 cm土层内硝态氮含量随着施氮量的增加而增加,不同肥料明显地影响土壤硝态氮的分布,其中CK土壤硝态氮含量最低,随深度的增加呈下降趋势。U处理土壤硝态氮含量随着土层深度的增加呈先减小后增大再减小的趋势,S与SU处理土壤硝态氮含量随着土层的增加逐渐减小。通过计算0—120 cm各土层硝态氮累积量占整个土层累积量的比例可知,0—40 cm土层硝态氮累积量占0—120 cm土层累积量的比例满足S处理>SU处理>U处理。S处理与SU处理在0—120 cm土层硝态氮含量明显低于U处理,这说明在相同施氮量下,与尿素相比缓释氮肥和尿素掺混缓释氮肥处理不仅能增加0—40 cm土层硝态氮含量,还能够减少土壤氮素向更深土层的淋失,降低土壤硝态氮的残留量,提高氮肥利用率。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图50—120 cm土层硝态氮的分布
-->Fig. 5Distribution of NO3--N at 0—120 cm soil layer
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2.6.2 土壤硝态氮的累积量 由图6可知,玉米0—120 cm土层内硝态氮累积总量随着施氮量的增加而增加,施氮量相同时土壤硝态氮累积量整体上呈现为U处理>S处理>SU处理。S处理和SU 处理在0—40 cm土层中硝态氮含量,比U处理各施氮量在0—40 cm土层中硝态氮含量平均增加了29.3%和12.8%,在40—120 cm,U处理各施氮量土层硝态氮含量比S处理和SU 处理各施氮量平均增加了35.1%和40.8%,这说明S处理和SU处理中硝态氮主要残留在表层还能被下季作物利用,降低了淋失风险。以上结果表明,S和SU处理的土壤硝态氮主要集中在土壤表层;而U处理随着施氮量的增加,过多的硝态氮随水下移至土壤深层,更容易发生淋失。施氮量相同时,SU处理在0—40 cm的硝态氮含量较S处理平均将低了13.3%,这说明SU处理较S处理更有利于玉米植株对氮素的吸收,从而使得0—40 cm土层中硝态氮含量降低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图60—120 cm土层硝态氮累积量
-->Fig. 6NO3--N accumulation amount at 0—120 cm soil layer
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3 讨论
本文研究不同类型氮肥供应对玉米各生长指标、产量及其构成因素、氮肥利用率和土壤硝态氮残留的影响。结果表明,不同类型的氮肥均能提高玉米株高、茎粗、叶面积指数、干物质量、产量和氮肥利用率,其整体变化趋势表现为SU处理>S处理>U处理。不同氮肥与施氮量对玉米的生长有明显的影响,有研究表明,缓释氮肥与尿素掺混能够促进玉米中后期生长[20,26]。在本试验中玉米茎粗和叶面积指数生长指标均表现为随施氮量的增加呈先增加后减小的趋势。本试验结果表明,尿素处理和尿素掺混缓释氮肥的N3处理玉米各项生长指标最优。缓释氮肥N2处理和尿素N3处理玉米各生长指标无明显差异,但是尿素掺混缓释氮肥N3处理比缓释氮肥N2处理在株高上有所增加,叶面积指数提高了12.2%。这说明尿素掺混缓释氮肥释放的养分大多数能被作物吸收利用,比普通尿素处理氮素利用效率提高,这与银敏华[35]等的氮肥运筹对玉米根系生长与氮素利用效率的影响研究结果相一致。
施氮对玉米干物质累积和产量及其构成因素的影响更为显著。在缓释氮肥一次基施与普通尿素分次施用的效果研究上表明,采用缓释氮肥在作物产量及其构成因素方面可取得与速效氮肥分次施用接近或显著增加的效果[36-37]。本试验结果表明尿素掺混缓释氮肥和缓释氮肥均能在一次性施肥的基础上较尿素在拔节期追肥提高作物产量,尿素掺混缓释氮肥处理所收获最高干物质累积量与产量比尿素处理最大值有显著性提高。其中尿素和缓释氮肥处理干物质累积量与产量最大值无明显差异,但是S处理施氮量比尿素施氮量减少了30%,节约了肥料的用量。而且缓释氮肥处理的干物质累积量、穗长、穗粗、百粒重和产量较尿素掺混缓释氮肥低,这可能是由于缓释肥释放需要一定的时间,玉米前期养分供应不足造成脱肥现象,而后期氮素供应大于玉米所需养分,又造成氮肥收获指数低,植株氮素累积量较高。
在玉米上研究发现,在相同施肥量情况下,施用树脂包膜缓释氮肥和硫磺包膜缓释氮肥均能够显著增加玉米产量,在减少25%施肥量情况下,仍能显著增加玉米产量[38];在小麦、稻与油菜轮作中研究表明,减少1/3的缓释肥施入量和普通尿素处理在小麦上的产量相同,并且在减少50%的控释氮肥的情况下水稻产量显著高于100%的尿素处理的产量[39-40]。本试验研究表明即使尿素掺混缓释氮肥处理减少施氮量也能增加玉米产量,尿素掺混缓释氮肥N3处理产量达到最大,缓释氮肥N2处理产量最大,但尿素掺混缓释氮肥处理最大产量比尿素与缓释氮肥处理最大产量分别提高了20.7%和16.8%;尿素掺混缓释氮肥N3处理产量比尿素处理和缓释氮肥N3处理的产量高出20.7%和33.0%,当尿素掺混缓释氮肥施氮量为N2时比尿素N3减少30%的施氮量时产量仍高出7.7%;缓释氮肥N2处理产量最大为5 175.0 kg·hm-2,尿素在N3时产量达到最大为5 136.0 kg·hm-2,这说明收获相的产量时,缓释氮肥比尿素节省30%的施氮量。
有研究表明缓释氮肥与普通尿素掺混可以提高氮肥利用率,使更多的氮素向籽粒中运转,从而提高作物产量[41]。在本研究中,各处理玉米营养器官氮素转移量和转移效率均随着施氮量的增加呈先增加后减小的变化趋势,其中尿素掺混缓释氮肥处理N3中的氮素向籽粒中转运量最高,向籽粒中转运效率也最大,但是与N2、N4施氮量的氮肥转运率无显著性差异,这是由于籽粒中的氮素来源于两部分,一部分为吐丝期前吸收并贮存在营养器官中于吐丝期后转移到籽粒中的氮素,另一部分为吐丝期后植株吸收同化的氮素[33]。氮素吸收效率和氮肥利用率是随着施氮量的增加而降低的。氮肥利用率为单位有效氮素所形成的籽粒产量,本试验中氮肥利用率尿素掺混缓释氮肥处理高于尿素处理,这与隋常玲[30]在不同包膜控释氮肥适用对轮作作物养分利用效率的影响略有差异,可能是因为试验环境不同,对作物吸收与肥料的养分释放有不同的影响。
施氮可以明显增加作物产量,在玉米生长时期是雨水比较充沛的季节,氮素的淋溶被认为是氮损失的最主要的原因,尤其发生在施氮量过高的地区[42]。土壤中氮素的不足或者残留过多往往与不同氮肥的供给和不同作物的需求差异有关。张务帅等[43]的研究结果表明：缓释氮肥处理中氮的投入绝对量较小,且由于肥料本身缓慢释放的特性,相比一次大量施用速效氮肥,使得氮素向土壤深层次淋溶的风险降低,从而减少对地下水的潜在硝酸盐污染。在本试表明,硝态氮在土壤中的累积量与氮肥用量密切相关,施氮量从120 kg·hm-2增加到240 kg·hm-2,0—40 cm土层的硝态氮累积量显著提高,尤其在0—20 cm土层内。在本试验中,等施氮量条件下与普通尿素相比,缓释氮肥以及尿素掺混缓释氮肥的处理土壤硝态氮残留量在0—40 cm土层显著增加,但是在40—120 cm的土层中有相反的趋势,这说明缓释氮肥与尿素掺混缓释氮肥不仅明显的降低了氮肥向深层土壤的淋失,同时还增加了土壤耕作层的养分含量,可供下一季作物生长。
由于气候特点、作物品种、种植模式及产量水平的影响,加之不同地区玉米养分需求也存在一定的差异,在其他地区施用尿素掺混缓释氮肥还需进一步研究,而且本试验只设置了尿素和缓释氮肥的一种比例混掺,局限性较大,在今后的试验中应该设置不同混掺比例,在不同的试验点,综合考虑产量、经济效益和环境效应来确定最佳施肥类型和施肥量。
4 结论
与尿素和缓释氮肥单施相比,尿素与缓释氮肥3﹕7掺混施用能显著提高玉米的株高、茎粗、叶面积指数和干物质积累量,且随施氮量的提高呈现先增加后减小的趋势;吐丝期后营养器官氮素的转运量随着施氮量的增加先增大后减小,尿素掺混缓释氮肥N3处理的转运量达最大,促使营养器官中的氮素向籽粒中转运,提高玉米产量;在玉米吐丝期后营养器官转移氮素和吸收同化氮素的共同作用下,尿素掺混缓释氮肥N3处理玉米籽粒中氮素的吸收量和氮素转运效率最大;玉米产量随着施氮量的增加先增大后减小,在尿素掺混缓释氮肥N3处理时收获最大,较尿素掺混缓释氮肥处理中其他施氮量处理高12.1%—32.6%,较尿素和缓释氮肥处理中最高产量分别高出了20.7%和19.8%;收获后尿素掺混缓释氮肥处理土壤硝态氮累积量明显低于尿素处理,在耕作层的硝态氮含量高于尿素处理,低于缓释氮肥处理,尿素掺混缓释氮肥处理提高氮素吸收利用,减少硝态氮向土壤深层淋失。综上所述,在尿素与缓释氮肥掺混情况下,施氮量180 kg·hm-2为该试验区玉米高效生产的最佳施氮量。
The authors have declared that no competing interests exist.
