摘 要: 添加纳米矿物类控失剂的控失尿素可通过吸附作用, 减少施入土壤后的氮素损失, 明确该控失尿素施用量、与常规尿素合理配比在夏玉米上的效应, 可为夏玉米一次性施肥、氮肥减施增效提供依据。在不同产量水平(高、中、低产田)土壤上, 通过田间试验研究常规尿素(纯氮 210 kg hm–2)、控失尿素常量及减施(减量 10%, 即纯氮 189 kg hm–2; 减量 20%, 即纯氮 168 kg hm–2)、控失尿素与常规尿素配施(配比分别为 7∶3、5∶5 和 3∶7)对夏玉米产量、地上部生物量、养分积累量、光合特性及氮肥利用效率的影响。结果表明, 氮肥施用可显著提高夏玉米产量, 常量控失尿素施用下夏玉米增产率达 22.96%~27.55%, 在高、中产田上产量较常规尿素有显著提升。与常量控失尿素相比, 控失尿素减施 10%和 20%通过提升穗粒数使得高、中产田夏玉米产量不降低, 控失尿素减施 20%处理下高产田氮肥利用率高达 41.60%。控失尿素与常规尿素 7∶3 配施下的氮素积累量与常量控失尿素处理无显著差异, 高产田和中产田夏玉米产量、秸秆干物重均未显著降低, 同时可显著提高低产田夏玉米产量、秸秆干物重。综上, 控失尿素(纯氮 210 kg hm–2)一次性施用可显著提高夏玉米产量和氮肥利用效率, 控失尿素减量 20%处理下高、中产田夏玉米产量未显著减产, 氮肥利用率显著提升, 是高、中产田适宜的氮肥用量; 控失尿素常量施用或与常规尿素 7∶3 配合施用更适宜低产田夏玉米生长。
关键词: 夏玉米; 控失尿素; 氮肥减施; 氮肥配比; 高产高效
玉米是世界上种植最广泛、产量最高和增产潜力最大的谷类粮食作物, 也是世界贸易量最大的粮食产品, 常年种植面积约 1.6 亿公顷, 占粮食播种总面积的 23%及总产量的 34%。夏玉米吸肥能力强, 需肥量大, 科学施肥是提高玉米产量的关键技术手段[1]。随着世界人口的增长和粮食单产的提高, 预计到 2050 年世界氮肥需求量将增长到 2.36 亿吨。施用氮肥增产是缓解耕地资源不足、实现粮食安全的重要措施, 但我国氮肥施用强度是发达国家的两倍, 2009 年每公顷土地上的氮素盈余量达 175 kg, 这一环境盈余已经接近欧洲的限量指标。化肥减施增效是全球性重大科学命题, 2015 年我国的玉米种植面积达 3811.931 万公顷, 其中华北地区是我国夏玉米的主产区, 种植面积占全国的 26.38%, 华北地区小麦玉米体系氮投入高达 588 kg hm–2, 是肥料减施增效的重要研究区域。
肥料的过量投入带来了资源浪费、环境污染和农产品质量安全等问题, 张福锁等报道目前我国粮食作物氮肥利用率为 27.5% [2], 尿素和碳酸氢铵等常用氮肥的气体损失率高达 15%~20%, 近年来随着控释/失肥的推广和农业劳动力的紧缺, 简化施肥技术已成为夏玉米栽培的施肥趋势。华北地区夏玉米季雨热同期, 控失尿素利用高分子复合材料将常规尿素包裹, 其高活性表面、纳米孔道结构能产生离子交换吸附作用固定氮素, 降低夏玉米季湿热环境导致的养分损失, 提高氮肥利用效率[3], 实现氮肥减施目标。田间试验表明, 与常规尿素相比, 控失尿素基施可提高夏玉米的氮肥偏生产力 39% [4], 且能明显减少氨挥发损失、提高产量和氮肥利用率[5]。刘学军等[6]、马存金等[7]研究报道了适当减少氮肥用量有利于促进根系发育, 提高作物氮肥利用率、减少氮残留与表观损失。同时, 控失尿素与常规尿素配施可显著提高水稻产量, 且控失尿素/常规尿素配比 1∶3 效果最佳, 控失尿素减施 15%可保证水稻不减产[8]。赵欣楠等[9]研究表明, 控失尿素/常规尿素 7∶3 配施马铃薯产量最高, 较常规尿素提高 9.2%, 控失尿素减量 15%时, 马铃薯产量较常规尿素提高 2.7%。控失尿素与常规尿素 7∶3 配合施用同样是新疆滴灌玉米高产的最佳氮肥管理模式, 为产量和氮肥利用率协同提高的有效途径[10]。我国地域广阔、气候多变、土壤类型以及作物种植制度复杂, 这些因素均会影响控失尿素的性能, 从而影响控失尿素的减氮效应和增产效果。目前, 控失尿素在水稻、番茄和马铃薯等作物上的研究较多, 在不同产量水平农田上, 针对控失尿素减施及不同配比对夏玉米产量及氮肥效率的影响还鲜见报道。
本文通过在不同产量水平土壤上研究控失尿素减量、控失尿素与常规尿素配施情况下, 夏玉米生理特性、干物质积累、养分吸收、产量及氮肥利用率的响应, 明确不同产量水平农田上控失尿素减施潜力及与常规尿素合理的配施比例, 探索夏玉米高产高效的一次性施肥技术, 为夏玉米科学施肥提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验分别于 2016 年 6 月至 10 月于河南省鹤壁市钜桥镇刘寨村(35°40'2''N, 114°18'3''E)和焦作修武县五里源乡李固村(35°14'24''N, 113°25'12''E)布置, 2017 年 6 月至 10 月在河南省原阳县河南农业大学科研基地(35°38'48''N, 113°34'36''E)进行, 三地区属于温带大陆性季风气候, 种植制度为小麦-玉米轮作。供试土壤均为潮土, 各地点土壤农化性状见表 1, 依据杨建波等[11]研究分别将 3 个试验地点划分为高、中、低产田。
1.2 试验设计
试验共设 8 个处理, 氮肥用量及控失尿素与常规尿素的不同配比如表 2 所示。常规尿素含氮量 46.4%, 控失尿素含氮量为 43.2%, 控失剂添加比例 4%, 该控失尿素利用天然一维纳米矿物材料— —凹凸棒土复配有机絮凝剂聚丙烯酰胺和无机絮凝剂聚合氯化铝铁为材料, 控失剂遇水自组装微纳分子网络, “网捕”住化肥养分, 达到将氮素固定在土壤中, 减少因淋溶、径流及挥发等途径造成的氮素损失。各处理等磷(P2O5 75 kg hm–2)、等钾(K2O 90 kg hm–2)设计, 磷、钾肥分别为过磷酸钙(P2O5 16%) 和氯化钾(K2O 60%)。鹤壁、修武、原阳供试品种分别为豫安 3 号、中种 8 号和浚单 29, 玉米播种密度为 67,500 株 hm–2, 施肥方式为五叶期一次性施肥, 小区面积 36 m2 , 各处理 3 次重复, 随机区组排列, 灌溉、病虫草害防治及其他田间管理措施同当地农民习惯一致。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤样品的采集与分析 于玉米播种前采集 0~20 cm 混合土壤样品, 自然风干后, 分别过 20 目和 60 目筛进行基础土壤理化性状测定。采用重铬酸钾容量法-外加热法(丘林法)测定土壤有机质, 碱解-扩散法测定土壤碱解氮, 0.5 mol L–1 碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定土壤速效磷; 乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。
1.3.2 夏玉米叶片硝酸还原酶活性、SPAD 值和光合特性的测定 分别于吐丝期和灌浆期, 采集高产田各处理夏玉米穗位叶片, 去除主脉的叶中部分后迅速保存于液氮中供硝酸还原酶活性测定, 以单位时间内产生的亚硝酸盐(NO2 )量表示酶活性。选取高产田各小区代表性夏玉米 30 株, 采用日本 Minolta 公司生产的 SPAD-502 型叶绿素测定大喇叭期和吐丝期最新完全展开叶、灌浆期穗位叶 SPAD 值。于夏玉米大喇叭口期、吐丝期、灌浆期选择晴朗无云天气状况, 在 9:00—11:00 之间利用 LI-6400 便携式光合仪(美国 Li-Cor 公司), 测定内置光源光强 1100 μmol m–2 s–1 下高产田各小区夏玉米叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等光合参数。
1.3.3 夏玉米产量与养分积累量测定 玉米成熟后收获中间 2 行, 每行收获 15 穗, 晒干后脱粒称其质量, 以含水量 14%折算作为产量, 对其中 20 穗玉米进行考种, 调查穗粒数和千粒重。另采集每个小区具有代表性的植株 2 株, 于 105˚C 下杀青 15 min, 然后在 65˚C 下烘干至质量恒定, 测定植株干物质量, 将玉米籽粒与植株分别粉碎后分析其养分含量。采用浓 H2SO4-H2O2 消煮, AA3 全自动流动注射分析仪测定全氮含量, 钼黄比色法测定全磷含量, 火焰光度计法测定全钾含量[12]。
1.4 氮素相关指标计算与数据处理依据
Moll 等[13]、Cassman 等[14]和冯涛等[15]的方法, 计算氮素利用效率指标如下:
养分积累量(nutrient accumulation amount, kg hm–2) = 干物重×养分含量;
氮肥利用率(recovery efficiency of applied nitrogen, REN, %) = (施氮区氮素积累量不施氮区氮素积累量)/施氮量×100;
氮肥农学效率(agronomic efficiency of applied nitrogen, AEN, kg kg–1) = (施氮区籽粒产量不施氮区籽粒产量)/施氮量;
氮肥偏生产力(partial factor productivity from applied N, PFPN, kg kg–1) = 施氮区产量/施氮量;
增产率(%) = (施肥区产量不施肥区产量)/不施肥区产量×100;
所有数据采用 Microsoft Excel 2016 和 SAS 9.0 进行统计分析, 利用 Origin 9.0 作图。
2 结果与分析
2.1 控失尿素减施及不同配比对夏玉米产量及其构成因子的影响
图 1 表明, 夏玉米施用氮肥显著增产, CL 增产效果最好, 增产率达 22.96%~27.55%, 并且随着产量水平降低, 增产率相继提高。与 CF 相比, 高产田和低产田上 CL 分别显著增产 8.32%和 11.82%。与 CL 相比, CL10 和 CL20 在高产田和中产田上未造成夏玉米显著减产, 但是低产田夏玉米产量显著降低。随控失尿素施用比例的降低, 产量呈下降趋势。CL7:3 处理下高产田和中产田上夏玉米产量与 CF 无显著差异, 低产田 CL7:3 较 CF 显著增产 12.53%。分析夏玉米产量构成因子发现(表 3), 高产田产量主要决定于千粒重, 中产田产量受千粒重和穗粒数影响, 低产田产量主要取决于穗粒数。可见控失尿素在高产田和低产田较常规尿素显著增产, 高、中产田上控失尿素可减施 10%和减施 20%, 控失尿素与常规尿素 7∶3 配施在低产田具有较好的增产效果。
2.2 控失尿素减施及不同配比对夏玉米地上部干物重的影响
统计夏玉米地上部干物重发现(图 2), 高、中产田上 CL 的总干物重最高, 在高产田上较 CF 显著提升 11.48%, 且显著提高了高产田秸秆干物重。与CL相比, CL20 对高产田、CL10 对中产田夏玉米总干物重、籽粒干物重、籽粒干物重无显著降低作用(图 2-a, b)。
低产田上 CL7:3 的总干物重和秸秆干物重显著高于 CL , 中产田籽粒干物重未显著降低(图 2-c)。整体上, 高、中产田上控失尿素减施 10%和减施 20%可保证夏玉米干物质累积, 控失尿素与常规尿素 7∶3 配施更有利于低产田夏玉米干物质积累。
2.3 控失尿素减施及不同配比对夏玉米养分积累量的影响
施用氮肥普遍显著提高了不同产量水平土壤上夏玉米养分积累量(图 3), CL 较 CF 显著提高了籽粒氮素积累量达 23.18% (图 3-a~c), 同时提高了高、中产田籽粒磷素积累量(图 3-d, e)和中、低产田钾素积累量(图 3-h, i)。与 CL 相比, CL10 和 CL20 处理下高产田夏玉米籽粒氮素和秸秆磷素积累量未显著降低, 但显著降低了中、低产田籽粒氮素积累量和各产量水平夏玉米秸秆钾素积累量, CL10 未显著降低秸秆氮素积累量和中、低产田磷素积累量以及中产田钾素积累量(图 3)。与 CL 相比, CL7:3 在不同产量水平土壤上夏玉米籽粒氮素积累量无显著差异, 显著提高低产田磷素和钾素积累量(图 3-f, i)。可见, 控失尿素可显著提高夏玉米籽粒养分积累量, 高、中产田上控失尿素减施 10%可保证夏玉米地上部养分吸收, 控失尿素与常规尿素 7∶3 配施更有利于低产田夏玉米养分积累。
2.4 控失尿素减施及不同配比对夏玉米氮肥利用效率的影响
总体上, 低产田各处理氮肥利用率高于高、中产田(表 4)。高产田 CL20 的氮肥利用率显著高于 CF、 CL、CL10, 达 41.60%, 其中 CF 显著最低, 仅为 20.53%, 这一规律与低产田类似, 中产田上夏玉米氮肥利用率以 CL 和 CL7:3 显著最高。各处理的氮肥农学效率差异较小, 但控失尿素的效果明显优于常规尿素, 在高产田上 CL 和 CL20 较好, 中产田 CL 和 CL10 表现较好, 低产田上则为 CL 和 CL7:3。随着控失尿素用量的减少, 氮肥的偏生产力呈增加趋势, CL20 的夏玉米氮肥偏生产力为 51.20%~60.26%。可见, 控失尿素施用显著提高了夏玉米氮肥利用率, 高产田上控失尿素减施 20%、低产田上控失尿素与常规尿素 7∶3 配施可进一步提高氮肥利用效率。
2.5 控失尿素减施及不同配比对高产田夏玉米叶片硝酸还原酶及 SPAD 值的影响
CL 较 CF 显著提高了高产田吐丝期和灌浆期的夏玉米叶片硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)活性 (图 4), 控失尿素减施处理仅显著降低了吐丝期夏玉米叶片 NR 活性, 灌浆期 CL、CL10、CL20 之间无显著差异。吐丝期 CL3:7、灌浆期 CL5:5 和 CL3:7 的 NR 活性较 CL 显著降低。CK、CF、CL 的高产田夏玉米叶片 SPAD 值随生育期提高(图 5), 减施及配施处理的 SPAD 值在吐丝期最高。氮肥施用显著提高了 3 个关键生育期叶片 SPAD 值, 但 CF、减施及各配施处理较 CL 均无显著差异。可见, 控失尿素常量施用及与常规尿素 7∶3 配施有利于提高高产田夏玉米生理活性。
2.6 控失尿素减施及不同配比对高产田夏玉米光合特性的影响
表 5 表明, 氮肥施用普遍有利于提高夏玉米光合特性, CF、CL 和 CL10 较 CK 可显著提高灌浆期夏玉米光合速率, 控失尿素减施未显著降低吐丝期和灌浆期夏玉米气孔导度且显著提高了大喇叭口期和吐丝期夏玉米胞间 CO2 浓度, CL 较 CF 显著提高灌浆期胞间 CO2 浓度达 43.92%, CL5:5 和 CL3:7 可显著提高吐丝期夏玉米光合速率和气孔导度。吐丝期 CL3:7 的蒸腾速率显著高于 CL, 灌浆期则为 CL7:3 显著最高。可见, 控失尿素减施及与常规尿素合理配比可以保证高产田夏玉米光合速率。
3 讨论
华北地区夏玉米种植常采用“一炮轰”的施肥方式, 且因生长期高温多雨, 极易造成氮素的淋洗和损失, 使夏玉米生长后期发生脱肥早衰的问题[16]。控释/失肥是有效提高肥料利用率的新型肥料, 控释肥具有养分释放与作物吸收同步的特点, 控释肥一次性 10~15 cm 基施配合适宜的水分条件, 较常规氮肥可以实现夏玉米增产 9.5%~27.3%, 肥料利用率达 32.76%~46.97%, 对夏玉米生长具有明显的 “前控后保”作用[17-20]。控失肥从控制养分流失的原理出发, 将更多的养分保持在作物根区, 供肥能力持久, 控失肥基施在水稻[21]、玉米[22]、小麦[23]、棉花[24]和马铃薯[25]等作物上增产提质显著, 较常规肥料养分流失少, 是实现夏玉米肥料减施及轻简化施肥的有效途径。控失肥一次性基施使雨养区沙质壤土和沙姜黑土夏玉米分别增产 10%~11% [26]和 10.5%~20.5% [27], 本研究中, 常量控失尿素在不同产量水平土壤上的施用对夏玉米的增产率达 22.96%~27.55%, 并且随着产量水平的降低, 增产率相继提高, 对低产田夏玉米千粒重、产量的提升最为显著, 这与周宝元等研究结果一致[28]。常量氮素投入下(纯氮 210 kg hm–2), 控失尿素施用通过提高玉米叶片硝酸还原酶活性和光合作用强度来促进植株对营养的吸收, 较常规尿素进一步显著增加高、低产田夏玉米产量, 增产率达 4.43%~11.82%, 主要是通过显著提高千粒重来实现增产的, 而孙克刚等[29]发现控失尿素通过增加潮土夏玉米千粒重和穗粒数而实现夏玉米显著增产 13.7%, 这一差异可能是玉米品种特性导致的[30-31]。
探究控失氮肥减施具有重要的实践意义, 黄淮海南部沙浆黑土区上控失肥减氮 25%一次性基施夏玉米产量、经济效益与常规氮肥(纯氮 262.50 kg hm–2) 一次性基施及基追比 5∶5 施用处理相当[22], 氮肥利用率、农学利用率和偏生产力均有显著提高, 实现了玉米氮肥减量及轻简化施肥。我们发现控失尿素减施 10%和 20%通过一定程度的提高夏玉米穗粒数来实现高、中产田夏玉米不减产, 但在低产田上造成夏玉米显著减产。同时, 中产田上控失尿素减施 20%下夏玉米产量和籽粒干物重有明显的降低趋势, 这表明中产田上控失尿素连续多季减施 20%可能会导致夏玉米显著减产, 夏玉米定位试验显示氮肥连续 3 年减施至纯氮 180 kg hm–2 未显著影响山东省[32] 和河北省[33]潮土地区夏玉米产量, 但是关于河南省中产田上夏玉米控失尿素减施 10%和 20%的长期效果仍需进一步试验分析验证。控失尿素减施 10%和 20%虽未显著降低高产田夏玉米籽粒氮素积累量以及主要生育期的光合特性, 但在中、低产田上对籽粒氮素积累量的降低作用已达显著水平, 从而导致了中产田控失尿素减施处理远低于高产田控失尿素减施 20%处理的氮肥利用率(41.60%), 这可能表明了中、低产田的氮肥减施需要配合秸秆还田及畜禽粪肥施用等地力提升技术才可实现, 在维持土壤肥力的基础上, 满足夏玉米的养分需求[34-35]。
控失尿素与常规尿素配施为夏玉米高产高效提供了新的途径, 郭萍等[36]通过对控失尿素和常规尿素配比的研究发现, 采用适宜的配施比例, 能够提高玉米植株的干物质积累, 并且, 在一定范围内随着控失尿素施用比例增加, 玉米产量和氮素吸收积累量逐渐提高, 新疆加工番茄的光合特性最好[37]。本文发现, 尽管控失尿素减量施用在中、低产田上效果不佳, 控失尿素与常规尿素 7∶3 配施下中、低产田的夏玉米氮素积累量均为最高, 产量与常量控失尿素处理无显著差异。与常规尿素相比, 控失尿素与常规尿素 7∶3 配比在高产田和中产田夏玉米地上部干物重无显著差异, 能显著提高低产田地上部干物重, 且该处理下低产田夏玉米氮肥利用率和农学效率均较高。这可能是因为, 控失尿素与常规尿素配施既可以弥补低产沙质潮土上因单施控失尿素出现的夏玉米生长前期养分短缺问题, 也有利于土壤氮素持续有效供应, 弥补因常规尿素养分损失率高而导致的夏玉米生长后期供肥不足现象, 并且维持灌浆期夏玉米光合速率, 保证夏玉米花后生殖生长的需要, 提高夏玉米花后干物质和氮素积累量[10,22,38], 这与控失肥通过提高小麦灌浆期叶面积指数和光合强度实现冬小麦增产和品质改善的结果相一致[23]。
4 结论
合理施用控失尿素可有效提高夏玉米产量和氮肥利用效率, 是解决华北地区夏玉米一次性施肥氮素损失的途径之一。不同产量水平土壤上, 控失尿素(纯氮 210 kg hm–2)一次性施用较等氮量常规尿素施用可显著提高夏玉米产量、地上部生物量和氮肥利用效率。在高产田上控失尿素减施 20% (纯氮 168 kg hm–2)可满足夏玉米氮素吸收, 实现夏玉米氮肥减施增效的目标, 控失尿素常量施用或与常规尿素7∶3 配施可调节氮素供应速率, 提高夏玉米光合强度, 更适用于低产田夏玉米种植体系, 短期内中产田上两种方式均可。进一步从土壤养分库、作物养分积累与品质、产量等多方面来明确控失尿素减施在不同肥力土壤上的长期效应, 可为我国科学施用化学氮肥提供理论和技术依据。 ——论文作者：张 倩 韩本高 张 博 盛 开 李岚涛 王宜伦*
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