魯中夏玉米水肥一體化下減氮增效技術研究

吳廣俊,黃志銀,張超,路篤旭,翟乃家,喬健,劉蔚霞,王寧寧,王光明

(山東省農業(yè)科學研究院淄博分院,山東 淄博 255033)

玉米是我國主要糧食作物，在保障國家糧食安全體系中占有重要地位。而水肥作為糧食的“糧食”，能夠顯著提高農田產出效率，增加作物養(yǎng)分吸收效率，為糧食增產、增效提供保障[1]。但是近年來人們對肥料的依賴性不斷增加，主要通過增施肥料尤其是氮肥來提高籽粒產量，形成了依靠化肥過量投入，實現(xiàn)增產的高強度農田利用體系[2]。隨著氮肥用量的提高，氮肥生產率明顯下降，出現(xiàn)氮肥報酬遞減現(xiàn)象，增產效果和利用效率均顯著下降[3]。前人對中國43個玉米高產紀錄做過總結，氮肥利用率和氮肥偏生產力顯著降低[4]?；实拇罅渴┯迷斐傻亓魇Ш偷叵滤跛猁}污染嚴重、農田地力變差[5]，農田生態(tài)環(huán)境受到嚴重威脅[6]。因此，減肥增效已成為農業(yè)調結構、轉方式，實現(xiàn)綠色發(fā)展的關鍵措施。

水肥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng)，根據(jù)作物需水需肥規(guī)律，將水肥均勻、緩慢、準確、適量地輸送到作物根部附近的土壤表面，滿足玉米對水分和養(yǎng)分的需求，既能實現(xiàn)水肥同步管理和合理利用，又能最大限度提高水肥利用效率[7-8]，避免了普通氮肥一次性施入土壤后，前期氮肥過剩易揮發(fā)淋洗，后期氮肥不足，影響玉米產量，降低肥料利用率的不足[9]。尹彩俠等[10]研究表明，在控釋氮肥減量25%保證不減產的情況下，氮素利用效率可以提高18.4%。劉彩彩等[11]研究顯示，微噴水肥一體化可實現(xiàn)節(jié)水減氮高產栽培，可減少灌水量50%，減施氮肥24.16%。張瑜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌水肥一體化在合理的種植鋪管模式下也能提高氮素利用率和籽粒產量。研究表明，水肥一體化可提高小麥光合速率和水分利用效率[13]，也能提高玉米籽粒產量[14]。

在減肥增效和全球變暖的大背景下，農業(yè)農村部開始實施化肥零增長行動，提出“精、調、改、替”四字方針，來指導糧食作物的可持續(xù)生產。但近幾年氣候變化多樣，夏玉米季高溫干旱頻繁發(fā)生，在實際生產中水肥不協(xié)調導致減產、資源利用效率降低的問題突出，協(xié)調水肥關系，促進玉米高產高效綠色發(fā)展需進一步研究。當前勞動力短缺，傳統(tǒng)的常規(guī)施肥費時費力，增加勞動成本，既容易造成環(huán)境污染，又無法實現(xiàn)肥料的高效利用。而水肥一體化既能為作物高效精準地進行水肥供應，提高水肥利用效率，又能大大節(jié)省勞動力，減少資源浪費。目前魯中地區(qū)夏玉米水肥一體化技術應用較少，而通過水肥一體化減氮來減少農田殘留，增加作物氮素吸收與積累特性以及轉運規(guī)律更是鮮見報道。本文在前人研究的基礎上，研究了水肥一體化減氮對玉米產量及養(yǎng)分吸收利用的影響，以期為促進夏玉米生產減肥增效可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年在山東省農業(yè)科學研究院淄博分院試驗基地進行，該區(qū)屬于暖溫帶季風氣候。試驗點夏玉米前茬作物為冬小麥，麥收后深松翻地。試驗點0—40 cm耕層土壤有機質含量11.6 g·kg-1，速效氮含量13.7 mg·kg-1、速效磷含量7.5 mg·kg-1、速效鉀含量為48.2 mg·kg-1。

試驗采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積216 m2(長30 m、寬7.2 m)，重復3次。供試品種為登海605，種植密度為67 500 株·hm-2，行距60 cm，株距24.7 cm。減氮處理的施氮量為240 kg·hm-2(N1)，正常施氮處理的施氮量為300 kg·hm-2(N2)；設置水肥一體化(W1)和常規(guī)管理(W2)。以不施氮處理為對照(CK)，水肥一體化減氮處理(W1N1)、水肥一體化施氮處理(W1N2)、常規(guī)水肥管理減氮處理(W2N1)、常規(guī)水肥管理施氮處理(W2N2)共5種水肥管理模式。所有處理的P2O5、K2O施用量相同，分別為105、210 kg·hm-2，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 40%)。總施氮量的40%用作基肥(尿素，含N 46%)，其余60%的施氮量分別于大喇叭口期追施30%，灌漿期追施30%。磷、鉀肥全部作為基肥施入。常規(guī)水肥管理采用開溝追施，氮肥為含N 46%的尿素，灌溉方式采用漫灌。水肥一體化追施為含N 32%的水溶肥。微噴灌主管道及支管道選用0.5 MPa、直徑10.0 cm 的涂塑軟管，各處理的微噴帶長30 m，微噴帶選用斜5孔噴孔，設計工作壓力為0.1 MPa，流量為 0.1 m3·h-1·m-1。其他管理措施同一般大田。

1.2 測定項目及方法

1.2.1產量 成熟期，隨機選取30個果穗進行考種，包括穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿頂長、千粒重等，最后按14%含水量計算產量。

1.2.2干物質 分別于玉米大口期(V12)、開花期(VT)、乳熟期(R3)、完熟期(R6)系統(tǒng)取樣，取樣時每個小區(qū)選取有代表性的3株，首先將地上部取下，按照莖稈、葉片、雄穗、籽粒、穗軸、苞葉分開，105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重，測定地上部干物質積累量。

1.2.3氮素含量 稱重后的各器官粉碎后用H2SO4-H2O2法消煮，用BRAN+LUEBBE Ⅲ型連續(xù)流動分析儀(德國)測定全氮含量。

1.2.4氮素利用效率計算[15]

氮積累量(g·株-1)=植株含氮量×生物量

(1)

氮素轉運量(g·株-1)=開花期氮素積累量-成熟期營養(yǎng)體氮素積累量

(2)

氮素轉運率=氮素轉運量/開花期營養(yǎng)體氮素積累量×100%

(3)

氮素轉運對籽粒的貢獻率=氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%

(4)

氮肥偏生產力(nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg·kg-1)=籽粒產量/施氮量

(5)

氮肥農學效率(nitrogen agronomic efficiency,AEN,kg·kg-1)=(施氮處理產量-不施氮處理產量)/施氮量

(6)

1.3 統(tǒng)計方法

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)，并用DPS 15.10軟件進行方差分析(α=0.05，LSD 方法)。用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥管理對夏玉米產量及其構成因素的影響

由表1可知，不同水肥管理模式產量呈現(xiàn)W1N2>W2N2>W1N1>W2N1>CK的趨勢。W1N2產量最高，為11.18 t·hm-2，各處理間差異顯著。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2較CK分別增產9.55%、15.69%、3.76%和12.83%。W1N1和W2N2產量差異不顯著。此外，不同水肥處理顯著影響產量的構成因素，W1N2影響最顯著，W1N2較CK的穗粒數(shù)、千粒重分別增加17.40%、11.22%。

表1 不同處理下夏玉米的產量及其構成Table 1 Grain yields and its components of summer maize under different treatments

2.2 不同水肥管理單株干物質量積累及分配

水肥處理可增加各生育時期干物質積累量，以W1N2增加較為顯著，而W1N1和W2N2差異不顯著(圖1)。圖2顯示，干物質積累量在開花后所占比重較大，花前W1N1、W1N2、W2N1、W2N2干物質積累量較CK分別增加15.83%、13.96%、10.00%和19.82%，尤以W2N2增加最多；花后W1N1、W1N2、W2N1、W2N2干物質積累量較CK分別增加30.47%、59.16%、13.55%、34.97%，W1N2增加較為明顯。表2顯示，水肥處理后除穗軸外的各器官干物質積累較CK處理均有不同程度的增加。其中不同處理籽粒的干物質積累量差異較為顯著，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2籽粒干物質積累量較CK增加幅度分別為17.99%、51.48%、11.44%、28.41%。

表2 不同處理下完熟期夏玉米干物質分配量及分配比例Table 2 Dry matter allocation and proportion of summer maize at maturity stage under different treatments

圖2 開花期前后不同處理下夏玉米的地上部干物質積累量Fig.2 Aboveground dry matter accumulation of summer maize during pre-silking and post-silking

2.3 不同水肥管理的氮素積累與分配

表3顯示，不同水肥處理在開花期和完熟期夏玉米植株總氮素積累量有明顯差異，總體趨勢表現(xiàn)為W1N2>W2N2>W1N1>W2N1>CK。在開花期W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的植株總氮素積累量較CK分別增加23.53%、41.72%、21.32%和35.52%。其中，W1N1莖稈氮素積累量和CK沒有差異，W1N2、W2N1、W2N2莖稈氮素積累量較CK提高15.96%、6.20%和18.20%；W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的葉片氮素積累量較CK分別增加42.02%、64.94%、36.79%和49.85%；除W2N1的雄穗氮素積累量比CK略有降低外，其余處理的雄穗氮素積累量均增加。完熟期W1N1、W1N2、W2N1、W2N2植株總氮素積累量較CK提高51.25%、90.14%、6.62%和60.42%。其中各處理之間尤以籽粒差異較為顯著，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的籽粒氮素積累量較CK提高43.98%、99.36%、14.26%和65.51%。從開花前后氮素積累所占比例可知，開花前所占比例W2N1和CK高于其他處理，花后所占比例W1N1、W1N2高于其他處理，說明水肥一體化提高了花后氮素積累比例。

表3 不同處理下夏玉米開花期和完熟期氮素積累量Table 3 Nitrogen accumulation of summer maize at VT and R6 stage under different treatments (g·plant-1)

2.4 不同水肥管理的氮素轉運

表4顯示，施氮各處理氮素轉運量、轉運率和對籽粒貢獻率均顯著高于不施氮處理。W1N1轉運量和轉運率均高于其他水肥處理，但W2N1對籽粒貢獻率略高于W1N1。與CK相比，W1N1的氮素轉運量提高了120.51%。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2的氮素轉運率和對籽粒氮貢獻率分別較CK提高了72.78%、32.55%、61.47%、52.14%和53.51%、1.70%、56.99%、26.69%。W1N1和W1N2的氮素偏生產力(PFPN)和氮素農學效率(AEN)差異不顯著，W1N1和W1N2的氮素偏生產力比W2N1、W2N2分別提高7.93%、17.09%和5.47%、14.41%，W1N1和W1N2的氮素農學效率較W2N1、W2N2分別提高245.87%、26.68%和211.93%、14.25%。正常水肥管理條件下，減氮氮素農學效率顯著降低。水肥一體化處理可顯著提高氮素偏生產力，水肥一體化條件下減氮處理較正常氮素水平氮素偏生產力和氮素農學效率略有提升。因此，水肥一體化條件下可以適當減少氮素投入。

表4 不同處理下夏玉米的氮素轉運特征Table 4 Nitrogen transportation characteristics of summer maize under different treatments

3 討論

適宜的水分和合理的養(yǎng)分對玉米生長發(fā)育和產量的形成起著重要作用[16]，但是在當前農業(yè)生產中，長期大量的高氮肥投入不僅沒有使產量得到進一步提升，而且還造成農田土壤污染等一系列問題。近年來，我國水肥一體化的大力推廣，可以將水分和養(yǎng)分根據(jù)作物需要均勻地運輸?shù)礁鶇^(qū)附近，滿足作物生長所需，提高產量。夏玉米產量受穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重3因素控制。研究表明，氮素不足影響籽粒發(fā)育，使結實率降低，穗粒數(shù)減少，氮素充足可提高穗粒數(shù)和千粒重，進而增加產量[17-18]。本研究顯示，高氮條件下，穗粒數(shù)和千粒重增加，產量提升，但在水肥一體化減氮和常規(guī)施肥高氮條件下產量差異不大，說明水肥一體化分次減氮能滿足玉米生長發(fā)育過程中對氮素的吸收利用，進而協(xié)調氮素平衡實現(xiàn)植株各個時期對氮的需求，促使更多的氮向籽粒中轉移，維持較好的產量水平。其中穗粒數(shù)的增加可能與降低籽粒敗育有關，千粒重的增加可能與灌漿期充足的氮素供應，籽粒灌漿速率加快有關。干物質積累是夏玉米產量形成的物質基礎，玉米產量的提高與生物產量增加有關[19]。Jia等[20]研究顯示，玉米籽粒產量受花前干物質積累分配和花后干物質向籽粒中轉移的影響?；ê蠊夂仙a干物質量對籽粒形成的貢獻率較大[21]。本研究顯示，同等施氮條件下水肥一體化顯著增加植株干物質積累量，尤其促進花后干物質積累量，提高花后干物質分配比例，增加成熟期玉米生物量。因為水肥一體化能在大喇叭口期和灌漿期分次精準施肥，避免后期出現(xiàn)脫肥現(xiàn)象，延緩后期植株衰老，促進灌漿期各器官營養(yǎng)向籽粒中轉移，增加后期干物質生物量。高氮條件下水肥一體化花后干物質積累較大，但是水肥一體化減氮條件下可維持和常規(guī)肥水處理高氮條件下相當?shù)母晌镔|積累量。

氮素是影響玉米產量的重要因素，合理運籌氮素是玉米獲得高產的重要措施。氮肥施用不當容易造成氮素淋溶、揮發(fā)等損失，降低氮素利用率，增加環(huán)境負擔[22-23]?；诖耍r業(yè)農村部制定出臺了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》[24]。近年來，各界專家學者也通過不同的施肥技術、方法等來提高氮肥利用率。姜超強等[25]研究顯示，12 cm深施氮肥提高氮素表觀利用率；楊巖等[26]研究表明，減量20%控釋氮投入提高氮肥偏生產力，節(jié)約氮量，增加收入；魏淑麗等[27]、謝英荷等[28]研究表明，施氮量超過150 kg·hm-2過量施氮既沒有提高群體碳氮積累總量，也沒有提高個體生產力，氮肥利用效率偏低；裴瑞杰等[29]研究顯示，15%+3 000 kg·hm-2腐殖酸能夠促進植株對氮素的吸收利用，提高氮肥利用率，獲得較高的產值和收益；徐泰森等[30]采用水肥一體化施肥方式研究發(fā)現(xiàn)，吉林省適宜的水氮可以提高植株葉面積指數(shù)，增加干物質積累量，促進氮素的有效吸收，提高產量。不同的施肥方法、技術及不同的環(huán)境、氣候、地域條件，研究結果也各有差異。本研究發(fā)現(xiàn)，水肥一體化施肥增加花后氮素的分配比例，為灌漿期籽粒吸氮提供動力，促進氮素向籽粒中轉移，提高玉米對籽粒氮貢獻率，實現(xiàn)花后氮素的高效利用，說明水肥一體化分次施氮在保證氮素總量控制情況下，可以滿足不同生育時期玉米植株對氮素的需求，尤其可保證玉米后期養(yǎng)分的供應，降低氮素損失，增加氮素積累量。水肥一體化和常規(guī)肥水處理在高氮條件下植株氮素積累量均處于較高水平，水肥一體化減氮條件下植株氮素積累量略有降低，但是水肥一體化減氮條件下提高了玉米氮素轉運量、氮素轉運率，表明水肥一體化減氮具有較高的氮素轉運能力。養(yǎng)分偏生產力的高低是評估減肥增效技術效果的一個重要指標[31]，水肥一體化減氮氮素偏生產力和農學效率，較常規(guī)肥水處理高氮條件下增加17.09%和26.68%，表明水肥一體化實現(xiàn)了玉米按需供應水肥，減少氮素的奢侈吸收，實現(xiàn)了夏玉米氮素需求和根區(qū)養(yǎng)分在時空上的一致，從而使玉米養(yǎng)分需求與各生育時期氮素供應相匹配，提高水氮資源的高效利用，增加產量。因此，在兼顧產量、氮素吸收利用效率和經濟效益的前提下，水肥一體化減氮是最佳處理。

水肥一體化可實現(xiàn)玉米高產、高效、可持續(xù)生產。本研究通過水肥一體化和常規(guī)肥水處理不同施氮量下比較顯示，同等施氮量下水肥一體化增加干物質積累與分配、提高氮素利用率，增加產量。同時水肥一體化減氮條件下與常規(guī)肥水高氮條件下籽粒產量無差異，氮素轉運率和對籽粒貢獻率以及氮素偏生產力和氮素農學效率均顯著提高，促進了夏玉米對氮素的吸收利用。綜合考慮，魯中地區(qū)夏玉米水肥一體化可實現(xiàn)減氮增效的目的。