李廣浩,董樹亭,趙 斌,張吉旺,劉 鵬
(作物生物學國家重點實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,山東泰安 271018)
玉米是我國第一大糧食作物,在糧食生產(chǎn)中舉足輕重。隨著人口的增長及耕地面積的減少,玉米生產(chǎn)越來越重要。水分與氮素運籌是調控作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量的重要措施。適宜的水分條件在提高自然降水和灌溉水利用效率方面存在巨大潛力[1]。在土壤適度干旱狀況下增施氮肥,或者在適度降低施肥量條件下增加灌水量,均可顯著提高玉米產(chǎn)量;在節(jié)水節(jié)肥條件下,通過氮素與水分耦合也可以實現(xiàn)玉米高產(chǎn)[2–4]。
當前,品種改良和化肥投入是玉米總產(chǎn)增長的貢獻因子中最主要的因素[5–7]。氮肥生產(chǎn)會耗費大量的資源和能量,而目前玉米肥料施用量大,利用率不高,不僅造成大量資源和能量的浪費[8],而且嚴重影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[9–10]。如何協(xié)調肥料投入與產(chǎn)量之間的矛盾已經(jīng)引起廣泛重視。一些研究認為合理的氮肥運籌方式能改善夏玉米干物質運轉、分配和積累速率,提高氮素利用率[11–13],但無論何種氮肥運籌方式無疑都會增加勞動投入。因此,氮素釋放速率與作物的需肥規(guī)律基本一致, 一次性基施可滿足生產(chǎn)需要, 同時能有效提高氮肥利用率, 提高生產(chǎn)效率和減少人工投入的控釋肥的研發(fā)與應用被寄予厚望[14–17]。
前人將控釋肥應用于玉米并進行了大量研究,對施用控釋肥提高氮肥利用率及增產(chǎn)效應進行了探索[16,18–19]。研究結果表明,控釋肥能夠顯著地提高夏玉米氮素利用效率和產(chǎn)量。氮肥管理[11,13]和水分管理[20–22]與夏玉米干物質與氮素的積累與運轉有著緊密聯(lián)系并且存在顯著的互作效應[23–27]。但控釋尿素與水分對夏玉米干物質和氮素積累的互作效應,特別是花后干物質和氮素積累所占比例影響的研究鮮見報道。如何協(xié)調控釋尿素與水分之間的關系,以達到增加夏玉米產(chǎn)量、提高氮肥利用率及減少勞動投入的目的,值得深入研究。為此,本試驗在前期研究的基礎上,通過設置3個水分水平和4個不同控釋尿素水平展開研究,以期為節(jié)水高產(chǎn)型夏玉米生產(chǎn)的氮肥運籌提供理論依據(jù)。
試驗于2014年和2015年在山東農(nóng)業(yè)大學黃淮海區(qū)域玉米技術創(chuàng)新中心 (36°10′N,117°09′E) 進行。該地位于黃淮海平原,屬于半濕潤暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。供試土壤類型為棕壤,0—20 cm耕層土壤基本理化性狀見表1。
為了更好地模擬實際大田生產(chǎn),根據(jù)冬小麥、夏玉米根系分布特征[28],制作高1.5 m、直徑30 cm的原狀土柱。土柱利用兩個內徑30 cm的特制圓形鐵制模具 (一個高1 m、一個高0.5 m),根據(jù)農(nóng)田實際土壤特性 (容重) 分層裝土。具體做法是:先從試驗區(qū)具有代表性的田塊中分層次 (每20 cm為一層,深1.5 m) 取土,把取回的土壤按層充分混勻,將油氈紙卷裹在高1 m的鐵質模具內,直立在挖好的深1.5 m的方形土坑中,按照大田的密度計算行株距排列。根據(jù)大田土壤容重從下往上分層裝土 (裝前測定土壤實際水分含量,根據(jù)土壤容重確定每層用土量),裝至80~90 cm高時,將另一個高0.5 m的模具用螺栓固定在第一個模具上,形成1.5 m高的土柱模具,然后繼續(xù)分層裝土。1.5 m土柱裝好后,將模具撤下。試驗用土柱在夏玉米播種前1個月一次性提前裝好,填好土柱周圍土壤,充分定量灌水使其自然沉實,備用。
試驗選用夏玉米品種‘鄭單958’,采用防雨旱棚 (控制自然降水)。設置3個水分處理:W1,保持整個生育期土壤含水量為最大田間持水量的35% ±5% (重度水分脅迫);W2,保持整個生育期土壤含水量為最大田間持水量的55% ± 5% (輕度水分脅迫);W3,保持整個生育期土壤含水量為最大田間持水量的75% ± 5% (正常水分條件),采用CAIPOS土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)控制土壤水分,每小時自動讀取一次土壤含水量,并自動存儲,每天早晨和傍晚各讀取一次以確定每天的澆水量。采用山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院研制的樹脂包膜控釋尿素 (氮素含量42%,控釋周期為3個月),設置4個控釋尿素處理,分別為不施氮 (N0)、N 105 kg/hm2(N1)、N 210 kg/hm2(N2)、N 315 kg/hm2(N3),每個土柱分別施用氮素0、2.222、3.333 和 4.444 g。
本試驗共12個處理,每個處理30個土柱,每個土柱種1株玉米,總共360個土柱。直立在挖好的深1.5 m的方形土坑中,每個處理兩行,處理間留30 cm過道,種植密度67500 株/hm2。各處理于播種時底施P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2,即每個土柱施P2O51.778 g、K2O 3.556 g。所有氮肥、磷肥和鉀肥均于播種前距玉米植株8~10 cm處環(huán)狀開溝作底肥一次性施入。播種前灌水至田間持水量,以保證全苗、壯苗。
1.4.1 植株干物質與氮素積累 分別在吐絲期 (R1)、籽粒建成期 (R2)、乳熟期 (R3)、蠟熟期 (R5) 和完熟期 (R6),在每處理中選取生長一致的植株3株,按照不同器官 (莖鞘、葉片、籽粒和穗軸) 分開置恒溫箱內,105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重分別稱重。樣品稱重后經(jīng)粉碎過0.15 mm篩,用于測定植株各器官的氮含量。用濃H2SO4–H2O2消煮后以Alliance全自動連續(xù)流動分析儀測定氮含量。
計算方法如下[11,30-31]:
氮積累量 (g/plant) = 植株含氮量 (%) × 生物量
氮收獲指數(shù) (%) = 籽粒氮積累總量/植株氮積累總量
氮素籽粒生產(chǎn)效率 (NGPE,kg/kg) = 籽粒產(chǎn)量/氮素積累總量
氮肥農(nóng)學效率 (ANUE,kg/kg) = (施氮區(qū)玉米產(chǎn)量 – 對照區(qū)玉米產(chǎn)量)/施氮量
氮肥利用率 (NUE, %) = (施氮區(qū)玉米地上部吸氮量 – 對照區(qū)玉米地上部吸氮量)/施氮量 × 100
氮肥生理效率 (PNUE,kg/kg N) = (施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-對照區(qū)玉米產(chǎn)量)/(施氮區(qū)玉米地上部吸氮量 –對照區(qū)玉米地上部吸氮量)
表 1 試驗地0—20 cm耕層土壤理化性狀Table 1 The basic physical and chemical characteristics of the experimental 0–20 cm soil
1.4.2 測產(chǎn) 成熟期收獲 (苞葉枯黃、乳線消失和黑層出現(xiàn)) 各處理剩余果穗,曬干,室內考種,調查穗長、穗粗、禿頂長、穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重。單株產(chǎn)量 (g) = 穗粒數(shù) × 千粒重 (g)/1000 × [1 – 含水量(%)]/(1 – 14%)。
氮素利用數(shù)據(jù)為2014年的數(shù)據(jù),其余均為2014年和2015年的試驗數(shù)據(jù)。采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理,用DPS 7.05軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析,在0.05水平進行顯著性檢驗 (LSD法),利用Sigma Plot 10.0軟件作圖。
圖 1 水氮互作對夏玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響Fig. 1 Interaction of controlled release urea and water on yields and yield components in summer maize
水氮互作對夏玉米產(chǎn)量及其構成因素具有顯著影響 (圖1)。兩年結果趨勢一致,2015年產(chǎn)量整體略高于2014年。相同水分條件下,夏玉米的產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈增加趨勢,其中重度水分脅迫(W1) 下,分別比N0增產(chǎn)18.51%~27.42%;輕度水分脅迫 (W2) 下,增產(chǎn)幅度相對較大,較N0處理增產(chǎn)10.81%~31.75%,且N3處理產(chǎn)量與正常水分條件下差異不顯著;而正常水分 (W3) 條件下比N0處理增產(chǎn)12.21%~25.82% (2014年)。相同控釋尿素水平,不同水分條件下各處理產(chǎn)量也呈現(xiàn)隨著水分的增加而增加的趨勢,N0水平下,W3和W2水分處理分別比W1水分處理增產(chǎn)25.52%和16.75%;N1水平下,W3和W2水分處理分別增產(chǎn)18.85%和9.16%;N2水平下,W3和W2水分處理分別增產(chǎn)32.28%和17.26%;N3水平下,W3和W2處理分別增產(chǎn)23.42%和20.72% (2014年)。從圖1還可看出,在W1和W2水分條件下,各施氮處理中以N3產(chǎn)量最高,差異顯著。W3水分條件下,N2與N3處理間產(chǎn)量無顯著差異,說明N2水平施肥量適宜,N3水平過量。
千粒重和穗粒數(shù)的變化趨勢與產(chǎn)量一致。水分和控釋尿素在千粒重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量上均表現(xiàn)出顯著的互作效應,在產(chǎn)量構成因素中,千粒重和穗粒數(shù)是影響夏玉米產(chǎn)量的關鍵因素,產(chǎn)量高的處理其千粒重與穗粒數(shù)均顯著高于產(chǎn)量低的處理。
從圖2可以看出,控釋尿素和水分在夏玉米植株干物質積累總量上表現(xiàn)出顯著的互作效應?;ê箅S著時間的推進,各處理的干物質積累總量逐步增加,呈S型曲線,到成熟期達到最大積累量。吐絲期,各處理的干物質積累量差異不顯著,成熟期水分處理總體表現(xiàn)為W3 > W2 > W1,差異顯著。W1條件下,各處理的干物質增長緩慢,成熟期最大干物質量相對較低,隨施氮量增加干物質積累量呈增加的趨勢,2014年吐絲期到乳熟期N1與N2處理差異不顯著,蠟熟期和成熟期N2與N3處理差異不顯著;2015年從抽雄期到成熟期N1與N2均差異不顯著。W2條件下,從吐絲期開始,干物質積累量增長相對較快,施氮處理顯著高于N0,N3水平增長速度最快,N2、N1水平次之;W3條件下,各處理的干物質積累量快速增長,特別是從籽粒建成期到蠟熟期增長最快,表現(xiàn)為N3 > N2 > N1,其中N3與N2水平差異不顯著。從吐絲期到成熟期,W3條件下各施氮水平的平均干物質積累量要顯著高于其他兩個水分處理,其中W2條件下N3處理與W3條件下N3和N2處理三者無顯著差異,均顯著高于其他處理。水氮互作通過影響干物質積累速率及快速積累天數(shù)影響干物質的積累總量,其中W2N3、W3N3和W3N2處理更有利于干物質總量的快速積累。
圖 2 水氮互作對夏玉米植株干物質積累總量的影響Fig. 2 Interaction of controlled release urea and water on dry matter accumulation of summer maize plants
氮素的積累量反映玉米整個生育期對氮素營養(yǎng)的吸收情況。從圖3可以看出,隨著生育期的推進,夏玉米植株氮素積累總量逐漸增長,到成熟期達到最大值。相同水分條件下,各處理氮素積累總量隨著施氮量的增加而增加。W1條件下,各處理的氮素積累量在整個生育期都增長緩慢,最大積累量相對較低;W2條件下,氮素積累量的增長速度明顯加快,表現(xiàn)為 N3 > N2 > N1 > N0,差異顯著,后期優(yōu)勢更加明顯,2015年N3水平優(yōu)勢更顯著;W3條件下,各處理的氮素積累增長較快,N2水平低于N3水平,但差異不顯著,顯著高于其他處理,后期差距更加顯著。不同水分處理間比較,整體表現(xiàn)為W3 > W2 > W1。兩年均表現(xiàn)為成熟期 W2N3、W3N2和W3N3的氮素總積累量最大,三者差異不顯著,均顯著高于其他處理。
表2結果表明,相同水分條件下,隨著施氮量的增加各處理花前與花后干物質與氮素積累量呈增加趨勢,兩年結果趨勢一致。W1水分條件下,N3、N2、N1水平的花前干物質積累量分別比N0提高49.7%、31.9%、25.6%,而花后干物質積累量分別提高59.8%、43.3%、27.5%;W2水分條件下,N3、N2、N1的花前干物質積累量分別比N0提高40.4%、25.6%、16.6%,而花后干物質積累量分別提高55.5%、32.2%、18.0%;W3水分條件下,N3、N2、N1的花前干物質積累量分別比N0提高29.6%、22.2%、12.1%,而花后干物質積累量分別提高34.7%、41.0%、26.7% (2014年)。W2N3與W3N2處理的花前、花后干物質積累量與花后干物質所占比例在所有處理中均最高。花前花后的氮素積累變化與干物質積累變化一致,W1水分條件下,N3、N2、N1的花前氮素積累量分別比N0提高65.3%、33.7%、33.7%,而花后氮素積累量分別提高96.2%、75.5%、35.8%;W2水分條件下,N3、N2、N1的花前氮素積累量分別比N0提高54.8%、37.3%和27.0%,而花后干物質積累量分別提高108%、71.0%、46.8%;W3水分條件下,N3、N2、N1的花前干物質積累量分別比N0提高59.6%、47.8%、38.2%,而花后干物質積累量分別提高66.7%、73.1%、25.6% (2014年)。W2N3與W3N2處理的花前、花后氮素積累量與花后氮素積累所占比例比其他處理高。
圖 3 水氮互作對夏玉米植株氮素積累總量的影響Fig. 3 Interaction of controlled release urea and water on nitrogen accumulation of summer maize plants
表 2 不同水氮處理夏玉米花前與花后干物質與氮素積累 (g/plant)Table 2 Dry matter and nitrogen accumulation of summer maize before and after the silking stage under different water and nitrogen conditions
不同水分條件下控釋尿素能顯著影響夏玉米氮素生產(chǎn)和氮肥利用效率 (表3)。不同水分條件下產(chǎn)量差異極其顯著,表現(xiàn)為 W3 > W2 > W1 (圖 1),氮素收獲指數(shù)表現(xiàn)為W1 > W2 > W3,兩年結果趨勢一致。相同水分條件下,隨著施氮量增加氮素收獲指數(shù)與氮素籽粒生產(chǎn)效率呈下降趨勢。W1、W3條件下,氮肥農(nóng)學效率、氮肥利用率和氮肥生理效率均表現(xiàn)為N1 > N2 > N3,差異顯著,而W2條件下氮肥農(nóng)學效率和氮肥利用率則表現(xiàn)為N1 > N3 > N2,氮肥生理效率表現(xiàn)為N3 > N1 > N2。2014年,W2N3處理的氮肥農(nóng)學效率、氮肥利用率及氮肥生理效率分別比W2N2和W3N3處理提高22.6%、0.8%、22.2%和35.4%、14.4%、18.2%;2015年優(yōu)勢更明顯,分別為41.2%、18.2%、25.8%和41.2%、50.2%、2.1%。W3條件下,N2水平比N3水平氮肥農(nóng)學效率、氮肥利用率和氮肥生理效率在2014年和2015年分別高54.17%、34.93%、14.43%和58.8%、55.2%、26.1%,而產(chǎn)量差異不顯著 (圖1),表明N2水平優(yōu)于N3水平。兩年結果均表明W2N3和W3N2處理水氮互作效應最顯著,能保持氮素的高效釋放,有利于高產(chǎn)群體的建成,從而提高夏玉米植株氮素積累、協(xié)調氮素分配,有效提高氮素利用率。水分和控釋尿素具有協(xié)同互作效應使夏玉米氮素生產(chǎn)和利用效率提高,W2N3和W3N2處理為本試驗最佳處理。
表 3 水氮互作對夏玉米氮素利用率的影響Table 3 Interaction of controlled release urea and water on nitrogen use efficiencies of summer maize
于志青等[32]和隋方功等[33]研究認為,不同水分條件下夏玉米植株干物質的積累存在差異。本研究表明,W3水分處理較W2、W1水分處理顯著提高夏玉米植株干物質積累量。其原因是充足的水分有效促進了玉米地上部和根系的生長,保證了高產(chǎn)群體的形成,一定程度上起到了擴“庫”增“源”的作用,而W1、W2水分處理由于干旱脅迫使植株生長受阻,對干物質積累造成不利影響。徐祥玉等[34]和申麗霞等[35]研究表明,適度增施氮肥可明顯促進夏玉米植株地上部干物質積累量的增加,本研究結果也表明,相同水分條件下隨控釋尿素用量增加干物質積累量呈增加的趨勢,但W3N2與W3N3間無顯著差異,表明在W3條件下N3處理比N2處理氮肥用量增加,而干物質積累量沒有增加。W2N3處理的干物質積累與W3條件下N2和N3差異不顯著,水氮互作效應顯著,表明輕度水分脅迫下可以通過適當增施氮肥緩解水分脅迫的不利影響,而且能夠達到正常水分條件下高氮的水平。干物質是籽粒產(chǎn)量形成的物質基礎,高產(chǎn)的基本途徑是盡量增加干物質產(chǎn)量并使之盡可能多地分配到籽粒中去[36]。干物質積累在各器官中的分配隨著生長中心轉移而變化,花后籽粒干物質呈快速增加的趨勢,戴明宏等[37]研究表明,施氮能夠明顯促進生育后期植株營養(yǎng)體干物質向籽粒的轉運[11],本研究也得到類似結果,并發(fā)現(xiàn)花后夏玉米植株干物質積累量及其所占比例的增加是產(chǎn)量提高的主要原因之一。
水分與氮肥管理和氮素運轉與分配密切相關,玉米灌漿至成熟期需要維持適當?shù)乃謼l件,在保證吸收利用土壤氮素、保持莖鞘氮素積累量的基礎上,增加葉片氮素積累,進一步提高穗部的氮素積累量,有利于獲得高產(chǎn),提高氮素利用率[22]。本研究表明,水氮互作對夏玉米植株氮素吸收與利用緊密關聯(lián)。W1條件下,控釋尿素釋放氮素能力受到限制,同時氮素在土壤中的移動速度和根系活力受到抑制[24],導致營養(yǎng)生長期參與形態(tài)建成的氮素減少,植株生長受到抑制,進而影響氮“庫”的構建,氮素的積累總量受到限制,從而導致氮素的分配、再分配和運轉不暢,嚴重影響了植株對氮素的利用,且隨施氮量的增加氮素利用率降低。W2條件下氮素釋放效率相對較高,對水分脅迫造成的分配、運轉阻礙起到了一定的補償作用,水氮互作效應顯著,保證了氮素的有效性,提高了氮肥利用率,2014年中氮與高氮條件下氮素利用率差異不顯著,2015年高氮條件下氮肥利用率顯著高于中氮處理。W3條件下控釋尿素的釋放適中,水解阻力小,氮素移動較快,一定程度上避免了氮素的奢侈消費,有助于構建高產(chǎn)群體,同時根系保持較高的活力,有助于玉米對氮素的吸收和氮素在植株中的分配、運轉,且隨施氮量增加氮肥利用率降低。
水氮互作能在氮素吸收與利用上表現(xiàn)出協(xié)同促進作用[23–25]。協(xié)調好水肥關系以符合夏玉米生長發(fā)育需求, 以水帶氮、肥水結合,才能提高氮素在各器官中的積累量,從而促進各器官中氮素向穗部的運轉和合理的氮素分配。在各水分條件下,控釋尿素釋放契合夏玉米生長規(guī)律的氮素對夏玉米植株氮素吸收與利用表現(xiàn)出一定的補償和促進作用。W1、W2條件下,表現(xiàn)補償效應,W3條件下表現(xiàn)促進效應,W2N3與W3N2處理互作效應最顯著,尤其在花后植株氮素積累量及其所占比例上更為明顯。此外,W3條件下N2、N3處理在花前和花后植株對氮素的積累量上差異不顯著,但是在氮肥農(nóng)學效率、氮肥利用率以及氮肥生理效率上,N2處理顯著優(yōu)于N3。重度水分脅迫條件下夏玉米對氮素的吸收及利用都受到影響,氮肥利用率較低;輕度水分脅迫下增施氮肥保證了夏玉米的營養(yǎng)供給,水氮互作有利于提高氮肥利用率;正常水分條件下,適當?shù)氖┑坑欣诜仕Y合促進夏玉米生長發(fā)育,提高氮肥利用率。
前人研究表明,相同水分條件下,作物產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈增加趨勢;相同氮肥水平條件下,產(chǎn)量隨水分增加而增加[27,38–39],這與本試驗結果一致。邵國慶等[24]研究表明,氮素和水分在玉米產(chǎn)量上存在顯著的正耦合效應。本研究表明,水氮互作對夏玉米產(chǎn)量影響顯著。重度水分脅迫下,夏玉米穗位葉的光合生產(chǎn)能力下降[38],植株干物質生產(chǎn)能力降低,光合產(chǎn)物向籽粒運轉和分配減少,同時氮素的積累總量受到限制,導致氮素的分配、再分配和運轉不暢,嚴重影響了植株對氮素的利用,從而使產(chǎn)量降低,增施氮肥對脅迫有所緩解,產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈增加趨勢;輕度水分脅迫下N3的產(chǎn)量明顯高于其他處理,且與正常水分條件下N2和N3處理差異不顯著,表明適當增施控釋尿素可以有效緩解輕度水分脅迫對干物質和氮素利用的影響,增產(chǎn)最顯著。正常水分條件下N2與N3處理產(chǎn)量無顯著差異,N2處理增產(chǎn)最大,表明在N2基礎上繼續(xù)增施氮肥,其干物質生產(chǎn)能力不再繼續(xù)提高,增產(chǎn)效果不顯著,控釋尿素在整個生育期都保持較高的氮素水平,氮素釋放緩慢而平穩(wěn),能夠保證玉米后期的氮素供應。在W2N3處理下,控釋尿素有效緩解了水分脅迫,使產(chǎn)量提高到正常水分條件下高氮水平,水氮互作效應顯著。W3N3處理的產(chǎn)量沒有繼續(xù)增加,表明其施氮量可能過量,這與趙斌等[11]在控釋肥上的研究結果一致。不同水分條件下控釋尿素在土壤中的遷移影響夏玉米產(chǎn)量的機制有待進一步研究。
水氮互作對夏玉米的干物質積累氮素積累及其氮效率具有顯著的影響,合理的水分與氮素運籌方式有助于高產(chǎn)群體的構建,提高夏玉米的干物質和氮素積累量,協(xié)調氮素分配,加速氮素向穗部的轉運,提高氮肥利用率,進而提高夏玉米產(chǎn)量,特別是能提高產(chǎn)量構成因素中的千粒重和穗粒數(shù)。本研究結果表明,施氮量為 210 kg/hm2的控釋尿素與水分含量為田間持水量的75% ± 5%的土壤條件耦合效應最佳,在水分含量為田間持水量的55% ± 5%的土壤條件下,控釋尿素施氮量以315 kg/hm2為宜。
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