茍志文，胡發(fā)龍，趙 財，于愛忠，樊志龍，殷 文，柴 強

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，蘭州 730070）

氮肥是提高作物產(chǎn)量的重要前提和保證，但是為追求高產(chǎn)，氮肥投入不斷加大[1–2]，超過了作物需求量，造成了土壤氮素盈余，這些盈余的氮素會通過徑流以及化學(xué)反應(yīng)進入水體和大氣，造成資源浪費的同時帶來了一系列環(huán)境問題[3–4]，故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高作物氮肥利用率在促進作物增產(chǎn)的同時，對緩解氮肥浪費所帶來的環(huán)境壓力有重要意義[5]。研究表明，增大種植密度[6]、優(yōu)化施氮量[7–9]、氮肥后移等農(nóng)藝措施均能顯著提高玉米的氮肥利用率[10–11]。在干旱地區(qū)，地膜覆蓋結(jié)合滴灌是玉米節(jié)水增產(chǎn)的常用措施[12]，其中地膜覆蓋具有縮短作物生育期、促進作物對土壤養(yǎng)分吸收的作用[13–14]。然而，地膜覆蓋結(jié)合供水使得玉米前期生長速率過快，后期土壤有效氮積累降低[15]，容易導(dǎo)致玉米氮素供需錯位，出現(xiàn)后期脫氮現(xiàn)象，影響了植株后期氮素吸收和向籽粒的轉(zhuǎn)運，從而降低了玉米的氮肥利用率[16–17]。因此，研究適用于地膜覆蓋結(jié)合滴灌條件的氮肥運籌方案，對進一步挖掘覆蓋、滴灌和氮肥間的耦合潛力，優(yōu)化干旱地區(qū)玉米高效管理措施具有重要的指導(dǎo)意義。

在提高作物氮肥利用率的眾多措施中，氮肥后移技術(shù)是在總施氮量不變的前提下，適當(dāng)減少作物生長前期的氮肥施用量，并將節(jié)省的氮肥重點施于作物旺盛生長后期[18]，以期實現(xiàn)增產(chǎn)與增效的目標(biāo)。氮肥后移可以使玉米產(chǎn)量、干物質(zhì)積累及耗水特性等方面都有所促進和改善[19–20]。研究表明，氮肥后移使超高產(chǎn)夏玉米氮素供需吻合度較習(xí)慣施氮得到改善，能顯著提高玉米的氮肥利用率和產(chǎn)量[10]。鑒于地膜覆蓋栽培易導(dǎo)致作物后期脫氮的問題，將氮肥后移技術(shù)集成于該生產(chǎn)模式，可能存在緩解脫氮問題的潛力，但考慮到作物各生育時期生長特性不同、生育前后期發(fā)育速度不同等問題，后移可行性及后移比例均需實證研究。本研究在河西綠洲灌區(qū)將氮肥后移與全膜滴灌技術(shù)集成在玉米生產(chǎn)中，探討不同處理玉米的氮素積累特征、氮肥利用率以及產(chǎn)量和氮肥后移的關(guān)系，以期為優(yōu)化河西綠洲灌區(qū)全膜覆蓋玉米氮肥管理技術(shù)及高產(chǎn)高效栽培提供理論支撐和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于2012年3月至2014年10月在武威市甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)試驗站進行，該站位于甘肅河西走廊東端，屬溫帶干旱區(qū)，大陸性氣候，太陽輻射總量6000 MJ/m2，日照時數(shù)2945 h，年平均氣溫7.2℃，常年平均降雨量156 mm，玉米生育期內(nèi)降雨量三年分別為288.2、159.1、241.0 mm。該區(qū)光熱資源豐富，屬于典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，春玉米是當(dāng)?shù)刂饕姆N植作物之一，其種植主要采用全膜覆蓋方式，施氮量普遍偏高且氮肥追施制度粗放、利用率低，浪費嚴(yán)重。試驗地土壤為砂壤土，土壤pH 8.2，有機質(zhì) 12.5 g/kg、全氮 0.68 g/kg、有效磷 29.2 mg/kg、速效鉀 152.6 mg/kg，容重 1.57 g/cm3。

1.2 試驗材料

玉米 (Zea mays L.) 品種為“先玉 335”；氮肥為尿素 (含氮量 46%)，磷肥為過磷酸鈣 (含 P2O520.0%)；農(nóng)用地膜厚 0.008 mm，膜寬 140 cm。

1.3 試驗設(shè)計

采用當(dāng)?shù)赜衩赘弋a(chǎn)施氮水平450 kg/hm2為總施氮量，20%基施和40%大喇叭口期追施量不變，其余40%的氮肥在拔節(jié)期和花后期的比例設(shè)為三個處理：N1為拔節(jié)期氮肥后移20個百分點，即拔節(jié)期和花后期施氮分別為10%和30%；N2為拔節(jié)期氮肥后移10個百分點，即拔節(jié)期和花后期施氮分別為20% 和20%，N3為當(dāng)?shù)亓?xí)慣比例 (30%和10%)，同時設(shè)不施氮對照N0，每個處理3次重復(fù)。按照N∶P為2∶1的比例，各處理均施磷225 kg/hm2，全部作為基肥施用，由于試驗地土壤富鉀，故不施用鉀肥。不同處理的代碼及其施氮制度見表1。

表1 各處理氮肥分配量 (kg/hm2) 和分配百分數(shù)Table1 N fertilizer allocation amount (kg/hm2) and percentage at different stages of maize in each treatment

玉米種植密度9萬株/hm2，行距40 cm、株距27 cm，全膜覆蓋、膜下滴灌，全生育期灌水總量為525 mm。小區(qū)寬4.8 m、長8 m。其余管理措施同地方習(xí)慣。2012年4月21日播種，9月28日收獲；2013年4月22日播種，9月22日收獲；2014年4月25日播種，9月29日收獲。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 植株含氮量 自苗期第一次取樣開始，每隔15天取樣一次。取樣時選取長勢均勻、有代表性的玉米5株，于105℃下殺青30 min，再于80℃下烘干至恒重，然后用小型粉碎機粉碎，過0.15 mm篩裝袋測定植株含氮量，玉米生長后期，采集適量新鮮樣品并重復(fù)上述操作。玉米成熟期留取適量粉碎后的莖葉等器官和籽粒樣品，分別測定各器官的氮素含量。植株氮素含量采用Elemantar元素分析儀進行測定，測定時稱取60 mg樣品，用錫紙包好，用專用工具制樣后放入元素分析儀，測定過程中元素分析儀燃燒管溫度1150℃，還原管900℃。

1.4.2 產(chǎn)量及收獲指數(shù) 測產(chǎn)以小區(qū)為單位，單打單收，于玉米成熟期自然風(fēng)干后稱其總重。收獲指數(shù)根據(jù)玉米籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量的比值進行計算。

1.4.3 吸氮量 相關(guān)計算公式[6]如下：

秸稈吸氮量 (kg/hm2) = 秸稈干物質(zhì)重 × 秸稈含氮量

籽粒吸氮量 (kg/hm2) = 籽粒產(chǎn)量 × 籽粒含氮量植株吸氮量 (kg/hm2) = 秸稈吸氮量+籽粒吸氮量

1.4.4 玉米氮肥利用相關(guān)指標(biāo) 計算公式[7]：氮肥利用率 (NUE，%) = (施氮區(qū)吸氮量–不施氮區(qū)吸氮量)/施氮量 × 100

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (NAE，kg/kg) = (施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥生理利用率 (NPE，kg/kg) = (施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部吸氮量–不施氮區(qū)地上部吸氮量)

氮素收獲指數(shù) (NHI) = 籽粒吸氮量/植株吸氮量

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007進行整理匯總，使用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件進行顯著性分析 (Duncan’s multiple range tests，P＜0.05)、主效應(yīng)檢驗及互作效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理玉米的產(chǎn)量及收獲指數(shù)

施氮制度對玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量以及收獲指數(shù)均有顯著影響，年份對籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有顯著影響，而對收獲指數(shù)無顯著影響，主要原因是三年中降雨以及其他氣象因子不同。年份和施氮制度互作只對玉米籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生顯著的影響 (表2)。N1處理2012與2013年度玉米籽粒產(chǎn)量無顯著差異，而2014年度較前兩年籽粒產(chǎn)量分別提高12.3%和8.7%，差異顯著；N2處理2013和2014年度玉米籽粒產(chǎn)量無顯著差異，而上述兩年較2012年度籽粒產(chǎn)量分別提高7.3%和12.4%，差異顯著。與N3相比，N1處理三年均顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，分別提高11.4%～24.2%和6.8%～19.1%；2013年度N2處理較傳統(tǒng)施氮玉米籽粒產(chǎn)量提高20.7%，差異達到顯著水平；2013、2014年N2處理較傳統(tǒng)施氮收獲指數(shù)分別提高14.5%和6.6%。2012、2014年，N1較N2玉米籽粒產(chǎn)量分別提高了6.9%和6.8%，差異顯著。各施氮處理生物產(chǎn)量三年均無顯著差異。說明氮肥后移處理較傳統(tǒng)施氮顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，能有效促進玉米光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移。

表2 各處理玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)Table2 Grain yield, biomass and harvest index of different treatments

2.2 不同施氮制度對玉米氮素積累的影響

2.2.1 不同處理全生育期植株氮素積累動態(tài) 玉米生育期前期 (15～60 d) 各施氮處理植株氮素積累無顯著差異 (圖1)，出苗后75 d即第二次追肥時，植株氮素積累量N3較N1處理三年平均提高6.8%，說明氮肥后移處理在生育期前期追施較少氮肥并不影響該階段玉米植株的氮素積累，而玉米出苗后75 d追施氮肥可提高植株氮素積累量。玉米出苗后135 d，N1較N3處理植株氮素積累量三年平均提高9.5%，而N2處理與N3無顯著差異，且玉米出苗后135 d較105 d各處理植株氮素積累增加81.1% (N0)、70.0% (N1)、55.3% (N2) 和 52.2% (N3)，各施氮處理中以N1處理植株氮素積累增加幅度最大。玉米生育期末期 (出苗后 135 d 至 165 d)，各處理植株氮素積累量均有不同程度的下降。主效應(yīng)分析表明，施氮制度對玉米成熟期 (出苗后165 d) 的氮素積累量有顯著影響 (Sig施氮= 0.000＜0.05)，在玉米成熟期植株氮素積累量三年均表現(xiàn)為：N1 ＞ N2 ＞ N3，該時期N1和N2處理植株氮素積累量分別較N3處理提高10.0%和2.5%，氮肥后移處理在玉米成熟期氮素的損失相對較小。說明增大玉米花后10 d的氮肥追施量能顯著促進玉米植株氮素積累量的增加，且后移20個百分點處理 (N1) 能保持較高的氮素積累量。

2.2.2 不同處理籽粒及秸稈吸氮量差異 不同處理籽粒及秸稈吸氮量為玉米收獲期 (出苗后165 d) 籽粒及秸稈的氮素積累量 (圖2)。與N3相比，N1處理顯著提高了玉米籽粒吸氮量，三年平均提高44.6%，而N2處理較傳統(tǒng)施氮只在2013年度顯著提高 (20.2%)，其余兩年均無顯著差異；N1較N2處理籽粒吸氮量三年平均提高33.4%，但秸稈吸氮量三年均無顯著差異，且各處理間植株總吸氮量差異不顯著。因此，氮肥后移20個百分點處理能顯著提高玉米籽粒中的氮素積累量。

圖1 氮肥后移對玉米植株氮素積累動態(tài)的影響Fig.1 Effect of the postponed application of N fertilizer on dynamic of N acquisition in maize plant圖2 氮肥后移對玉米籽粒及秸稈吸氮量的影響Fig.2 Effect of the postponed application of N fertilizer on N uptake of grain and straw of maize[注（Note）：柱上不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Different letters above the bars are significantly different among treatments at 0.05 level.]

圖1 氮肥后移對玉米植株氮素積累動態(tài)的影響Fig.1 Effect of the postponed application of N fertilizer on dynamic of N acquisition in maize plant圖2 氮肥后移對玉米籽粒及秸稈吸氮量的影響Fig.2 Effect of the postponed application of N fertilizer on N uptake of grain and straw of maize[注（Note）：柱上不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Different letters above the bars are significantly different among treatments at 0.05 level.]

2.2.3 不同處理的氮素收獲指數(shù) 不同生產(chǎn)年份對玉米氮素收獲指數(shù)無顯著影響 (Sig年份= 0.112 ＞ 0.05)，而施氮制度對玉米氮素收獲指數(shù)影響顯著 (Sig施氮=0.000＜0.05)，且二者的交互作用對玉米氮素收獲指數(shù)無顯著影響。與上述籽粒吸氮量的結(jié)果相似，N1較N2處理和傳統(tǒng)施氮顯著提高玉米氮素收獲指數(shù) (圖3)，三年平均分別提高24.0%和31.0%；與N3相比，2013年度N2處理玉米氮素收獲指數(shù)提高16.5%，其余兩年均無顯著差異。由圖3還可以看出，相同生產(chǎn)年份N1和N0的氮素收獲指數(shù)并無顯著差異。

2.3 不同施氮制度下玉米的氮肥利用率

圖3 氮肥后移對玉米氮素收獲指數(shù)的影響Fig.3 Effect of the postponed application of N fertilizer on NHI of maize[注（Note）：柱上不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Different letters above the bars are significantly different among treatments at 0.05 level.]

表3 氮肥后移對玉米氮肥利用率的影響Table3 Effect of postponed application of N fertilizer onnitrogen use efficiency of maize

施氮制度顯著影響玉米氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥生理利用率，對玉米氮肥利用率的影響在年度間相同，而其余兩指標(biāo)的影響在年度間則不同，生產(chǎn)年度和施氮制度的互作效應(yīng)只對氮肥生理利用率有顯著影響 (表3)。三年玉米氮肥利用率均表現(xiàn)為N1處理顯著高于N2和N3處理，三年平均分別提高9.8個百分點和15.1個百分點，而N2較N3處理只在2012年度顯著提高玉米氮肥利用率，提高了6.4個百分點；N1處理較N3處理玉米氮肥農(nóng)學(xué)效率提高了79.4%，2013年度，N2較N3處理氮肥農(nóng)學(xué)效率提高115.4%，差異顯著。N1處理氮肥生理利用率2012和2013年度無顯著差異，較2014年度玉米氮肥生理利用率分別提高35.6%和29.0%，差異顯著，N2處理氮肥生理利用率具有相似結(jié)果，N2處理氮肥生理利用率，2012和2013年較2014年分別提高32.7%和47.3%。N1較N3處理玉米氮肥生理利用率三年平均提高了55.7%，差異均達顯著水平。2013、2014年度N2較N3處理氮肥生理利用率分別提高77.7%和35.0%。綜上可知，氮肥后移20個百分點處理可顯著提高玉米的氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥生理利用率。

3 討論

3.1 氮肥后移與玉米產(chǎn)量的關(guān)系

作物產(chǎn)量是土壤生產(chǎn)力與外界非生物因素的集中體現(xiàn)[21]，玉米籽粒產(chǎn)量的提高不僅由生物量和氮素的高積累決定，光合產(chǎn)物和氮素向籽粒分配也是重要因素之一[11]，氮肥一次性基施使得玉米前期氮素累積過多，對后期氮素吸收以及轉(zhuǎn)運有抑制作用，不利于籽粒灌漿而使產(chǎn)量降低[22]，可見玉米籽粒形成期對氮肥仍有較高需求，若玉米生育前期氮素供應(yīng)適量，適當(dāng)增施花粒肥可顯著提高玉米產(chǎn)量[11]。并且合理運籌氮肥使土壤有效氮含量顯著提高，可增大玉米生育后期的葉面積系數(shù)及光合生產(chǎn)性能，是實現(xiàn)高產(chǎn)的重要保證[10,23]。本研究中氮肥后移20個百分點較傳統(tǒng)施氮顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，且氮肥后移20個百分點處理較氮肥后移10個百分點處理籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)明顯提高，其主要原因是氮肥后移即玉米生育后期適宜增氮保證了土壤有效氮的供應(yīng)[17]，有效協(xié)調(diào)了地膜覆蓋玉米生長后期的需氮特性，增大玉米灌漿期葉片凈光合速率和蒸騰速率[24]，促進了光合同化物向籽粒的轉(zhuǎn)移。

3.2 氮肥后移的玉米氮素積累特性

玉米生長中后期是植株干物質(zhì)和氮素積累量最大的時期[25]，若氮肥供應(yīng)不足會引起玉米葉片早衰，不利于植株進一步吸收氮素[26]，而合理的氮肥運籌是防止早衰、保證玉米生育后期植株氮素積累的有效措施之一[9,23]。相關(guān)研究表明，氮肥后移較傳統(tǒng)施氮能延遲玉米植株氮素積累速率最大值的出現(xiàn)，使得氮素積累最大速率持續(xù)天數(shù)延長[11]，能顯著提高玉米植株氮素積累量，尤其是花后氮素積累量[27]。本研究中，氮肥后移未影響玉米生育前期植株氮素的積累，而花后10 d追肥后植株氮素積累量大幅度增加，且增加量最大的是氮肥后移20%處理。成熟期各處理的植株氮素積累量均有不同程度的下降，是因為玉米生長后期葉片衰老脫落造成一定的氮素損失[25]，但該時期氮肥后移20個百分點處理和后移10個百分點處理較傳統(tǒng)施氮植株氮素積累量分別提高10.0%和2.5%，說明氮肥后移能提高玉米生長后期植株氮素積累量，并且降低了玉米成熟期植株氮素的損失。在一定范圍內(nèi)，增施氮肥能有效減緩玉米植株的衰老速率，進而延長玉米干物質(zhì)積累時間，同時玉米的干物質(zhì)積累量與施氮量成正比關(guān)系[6,28]，所以氮肥后移20%處理促進玉米植株后期氮素積累量的增加，是因為追施較多氮肥顯著提高了玉米的干物質(zhì)積累量和延長了干物質(zhì)積累活躍天數(shù)[19]。

玉米分次追施氮肥較拔節(jié)期一次性施用氮肥顯著提高植株總吸氮量和籽粒吸氮量，且籽粒吸氮量的提高更加顯著[11]。與之相似，本研究中氮肥后移處理較傳統(tǒng)施氮能顯著增加玉米籽粒吸氮量，且氮肥后移20個百分點處理較后移10個百分點處理玉米籽粒吸氮量提高24.0%，因為氮肥后移顯著提高玉米花后籽粒氮素的同化量[29]，同時適當(dāng)增加后移比例可使花后玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性保持較高水平，保證玉米葉片中氮代謝系統(tǒng)的暢通和高效運轉(zhuǎn)，提高玉米籽粒對氮素的吸收[11]。但也有研究者認為，玉米籽粒氮素積累的決定因素是施氮量，花粒期追施氮肥降低了氮素的轉(zhuǎn)移效率，不利于籽粒吸收氮素[30]，說明在光照以及降雨充足的地區(qū)，無地膜覆蓋玉米氮肥后移的比例應(yīng)適當(dāng)減小。綜上，全膜覆蓋雖然影響了玉米全生育期的生長進程，其需氮規(guī)律也隨之改變，但是氮肥后移處理提高了地膜覆蓋玉米的氮素供需吻合度，有效緩解因地膜覆蓋造成的后期脫氮現(xiàn)象而使得玉米植株氮素積累量明顯增加[15]，為成熟期玉米籽粒氮素吸收提供良好的條件，且以氮肥后移20個百分點處理效果更好。

3.3 玉米氮肥利用率對氮肥后移的響應(yīng)

本研究中氮肥后移處理較傳統(tǒng)施氮顯著提高氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率以及氮肥生理利用率，同時氮肥后移20個百分點較后移10個百分點氮肥利用率也顯著提高，較氮肥后移10個百分點處理和傳統(tǒng)施氮玉米氮素收獲指數(shù)分別提高24.0%和31.0%。玉米生育期內(nèi)施花粒肥20%～40%可顯著提高籽粒吸氮量[11]，其主要原因是籽粒吸氮為灌漿期玉米氮素吸收提供了主要動力[31]，適當(dāng)增大該時期的氮肥投入，使得玉米籽粒吸氮量提高，從而提高了玉米氮素收獲指數(shù)和氮肥利用率。本研究還發(fā)現(xiàn)不施氮肥處理與氮肥后移20%處理氮素收獲指數(shù)無顯著差異，說明不施氮肥情況下玉米植株在土壤中吸收的氮素優(yōu)先滿足籽粒的氮素積累[32]。傳統(tǒng)施氮由于在玉米生長前期追施較多氮肥，植株營養(yǎng)生長過快，從而阻礙了玉米生長后期從其他器官向籽粒轉(zhuǎn)運氮素，導(dǎo)致氮肥利用率降低[11,22]。此外，玉米生長后期維持植株較高的氮素積累量是籽粒產(chǎn)量提高的先決條件[28]，合理的氮肥運籌模式使得玉米植株內(nèi)氮代謝相關(guān)酶活性提高，有利于玉米生長后期植株氮素的代謝與轉(zhuǎn)運[10]，是提高籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的重要保障措施[23]，而氮肥后移20個百分點處理同時具備以上兩個有利條件，所以氮肥后移20個百分點較其他兩種施氮制度能顯著提高玉米產(chǎn)量和氮肥利用率?？紤]到玉米生長后期追肥有一定的困難，而近年來滴灌技術(shù)以及緩控釋肥廣泛應(yīng)用于玉米生產(chǎn)中，本研究也為其提供了實踐依據(jù)，所以可通過上述兩項技術(shù)實現(xiàn)氮肥的后移，但是使產(chǎn)量和氮肥利用率提高的具體后移比例則需更深入的量化研究。

4 結(jié)論

氮肥后移20個百分點的施氮制度顯著提高了全膜覆蓋玉米生育后期植株的氮素積累量，有效降低玉米成熟期植株的氮素損失，顯著增加玉米籽粒吸氮量和氮素收獲指數(shù)，有效協(xié)調(diào)地膜覆蓋玉米全生育期的氮素供需矛盾，進而顯著提高了玉米產(chǎn)量及氮肥利用率。與傳統(tǒng)施氮相比，氮肥后移20個百分點的玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率分別提高15.8%和15.1個百分點。因此，氮肥后移20個百分點的施氮制度 (玉米拔節(jié)期追肥45 kg/hm2、大喇叭口期追肥180 kg/hm2、花后 10 d 追肥 135 kg/hm2) 可作為河西綠洲灌區(qū)全膜覆蓋玉米生產(chǎn)的氮肥運籌方式之一。