王國偉，李 陽，王嘉欣

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學信息技術學院，吉林 長春 130118；2.吉林省生物信息學研究中心，吉林 長春 130000)

【研究意義】我國人口眾多，糧食安全必須給予足夠的重視，其中小麥、水稻等是我國最主要的糧食作物，玉米也是糧食作物的重要組成部分，不僅具有較強的生長適應性，還能夠提供較為豐富的營養(yǎng)，在我國的糧食生產(chǎn)安全中發(fā)揮著不可忽視的作用，關乎我國的民生問題，因此研究玉米的生長特性對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。近年來，隨著玉米品種的不斷改良優(yōu)化，加之種植技術的不斷提升，玉米產(chǎn)量不斷上升，但對于化肥等養(yǎng)料的依賴也在不斷加強[4-5]。就春玉米種植而言，施用的化肥主要是氮、磷肥等，這些肥料存在著明顯的不合理問題，氮、磷肥料施用過多，鉀肥卻相對缺乏，導致施肥不均勻而影響作物生長，不利于土壤肥力的保持及作物產(chǎn)量的提升，同時施肥期難以充分與作物生長周期相匹配[6-8]，也就是施肥粗放，肥料的作用沒有充分發(fā)揮出來，不利于作物的生長，導致單產(chǎn)和質(zhì)量下降[9]，關于玉米的種植而言，施肥的合理性對于肥料利用非常關鍵，需要綜合多方面進行考慮?！厩叭搜芯窟M展】對于春玉米，對肥料的吸收利用不僅與施肥種類息息相關，同時更受到施肥方式的直接影響，作物生長不僅需要有機肥料，同時還需要無機肥料，二者的合理結(jié)合才能使得肥料充分發(fā)揮應有的作用，這也是合理利用肥料的關鍵環(huán)節(jié)，對于提升肥料效率和作物產(chǎn)量起著關鍵作用[10]。在東北地區(qū)具有大量的春玉米種植區(qū)，但是對于東北地區(qū)而言，其典型的黑土特性直接影響作物生長，其土壤不僅具有淺、薄的特點[11-13]，同時酸性小、粘性大，具有相對較高的肥力，同時對于肥料及水分的吸收利用水平較高，因此該地區(qū)土地利用效率較高，這樣自然會產(chǎn)生較高水平的作物產(chǎn)量[14]。但是近年來該地區(qū)深受季節(jié)性干旱的影響，這對于其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴重的不利影響，對于春玉米而言，其對肥料的需求相對較大，如何合理施肥成為玉米生產(chǎn)的關鍵之一[15-16]；就肥料和作物而言，二者是互惠互利，肥料的合理使用能夠有效促進作物生長和產(chǎn)量提升，作物生長發(fā)育健康能夠利于肥料的高效吸收，植物成為肥料發(fā)揮其功能和作用的載體[17]；合理、適時的施肥能夠為作物生長提供所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，同時對于土壤肥力和活力的保持具有重要現(xiàn)實意義，此外，合理施肥能夠?qū)⒆魑锟鼓嫘缘玫接行嵘?，對于其新陳代謝活動起到明顯促進作用，對于作物產(chǎn)量的提升作用顯著。大量的研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷、鉀等肥料對于玉米生長尤為重要，且能夠促進干物質(zhì)積累量的提升，增強作物對養(yǎng)分的吸收利用能力，更大程度上降低肥力淋失等[18-19]?！颈狙芯壳腥朦c】以往的研究更多的關注的是肥料的搭配等對作物生長的影響，對于施肥模式對作物影響的研究相對較少。【擬解決的關鍵問題】有鑒于此，本研究從不同的施肥模式開展施肥對作物生長的影響研究，為春玉米作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升提供有益借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本實驗的時間為2015-2017年，所選擇的實驗基地位于吉林農(nóng)業(yè)大學，實驗區(qū)域土壤為黑土，實驗之前該地區(qū)0～20 cm土壤耕層的特點如下：有機質(zhì)、全氮的含量分別為23.03、2.52 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別為95.16、23.36、75.15 mg/kg，pH值達到6.1。本實驗區(qū)域利用田間定位小區(qū)，并根據(jù)施肥狀況進行3個處理分區(qū)：第一是不施肥處理分區(qū)CK，第二是優(yōu)化施肥處理分區(qū)OPT，第三是生物有機肥分區(qū)FP；對于OPT施肥而言，氮、磷、鉀施用量分別要求達到200、80、120 kg/hm2，其中分3次施氮肥，并在播種前施用30 %，然后在玉米拔節(jié)期施用50 %，在抽雄期施用20 %，而磷肥、鉀肥直接在初次施肥時一次性施用。對于FP而言，在實地調(diào)查后確定施用量，氮、磷、鉀施用分別是260、140、100 kg/hm2，該肥料在玉米播種之前一次性施用。對于氮肥而言，采用含N為46 %的尿素；對于鉀肥而言，K2O含量為60 %。本實驗中采用先玉335，要求其密度達到50 000株/hm2，在每年的5月播種，于10月初收割，每個小區(qū)的種植面積達到30 m2，種植小區(qū)屬于隨機，為提升實驗準確性，共分3次重復。

1.2 實驗設置

1.2.1 玉米生長指標的測定 為了了解施肥帶來的作物生長情況，在抽穗時期就測量各個分區(qū)植株的生長特性，尤其是株高和莖粗等，首先在各區(qū)選擇10株玉米，要求其長勢基本一致，通過卷尺及游標卡尺對株高等進行測量，并做好記錄；然后對根系長度等進行測量，利用挖掘法進行，首先將根系挖出，借助于40目篩進行沖洗干凈，然后鑷子拉直后測定其根長，然后在65 ℃溫度下將根系烘干，對生物量干重測量；之后進行根系形態(tài)測定，要求范圍為田間長寬均為60 cm的范圍之內(nèi)，至地下30 cm處將根系連土挖出，自來水沖洗之后，將根系的水分吸干，在掃描后利用WinRHIZO 4.2計算根系總長；利用烘干法對地上、地下部分進行干重測定，對于葉面積的處理借助于數(shù)字圖像處理技術，其中葉面積的處理包括葉柄。

1.2.2 玉米葉片生理指標的測定 在各小區(qū)采取葉片，要求玉米上、中、下部分的葉片均要足夠多，混合均勻后洗凈，并在80℃下烘干、粉碎，過1.5 mm篩后測定相應的碳、氮、磷、鉀等含量，其中對碳、氮的測定利用元素分析儀，用光度法測定磷、鉀含量；此外，還要進行新鮮葉片的葉綠素等含量測定，首先要去除葉脈的新鮮葉片研磨，并在80 %的丙酮溶液之中進行長達一天一夜的浸提處理，借助于葉綠素儀計算葉綠素a、b值，分別借助于染色法、比色法對可溶性蛋白、糖含量進行測定，對游離脯氨酸含量的測定通過比色法，為提升實驗準確性，以上測定均進行3次重復測定[20]。

1.2.3 玉米產(chǎn)量及構成的測定 在實驗過程中對玉米的拔節(jié)等各個生長期準確時間做好記錄，并通過 3 種處理分區(qū)加以區(qū)分；對于其不同的成熟期，在各個小區(qū)抽取玉米50株，并對穗數(shù)和千粒重進行計算，同時記錄好成穗率，待成熟后收割。

為測定土壤的硝態(tài)氮含量，需要從地表向下30 cm深度采集土壤樣品，要求每隔10 cm進行一次采樣，首先在分化期、抽穗期進行土壤采集，然后在成熟期也要進行土壤采集，各小區(qū)隨機選取5個樣點，之后將采集到的土壤置于-18 ℃保存，以備后續(xù)開展指標測定等分析[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥模式對春玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 生長特性 由表1可以看出，玉米生長受到施肥模式的明顯影響，盡管其生長周期不同，但是在FP處理條件下，不僅其株高、莖粗達到最高水平，而且其葉面積、比葉重、生物量也達到了最大水平，其次是OTP處理下，而CK處理下這些指標最低。而CK處理下的R/S指標最高，其次是OTP，而FP最低。隨著玉米生長的進行，3種施肥處理下R/S均逐漸降低；在作物生長過程中，OTP、FP與CK之間的差異越來越明顯，且在成熟期其差異達到0.01的顯著水平，其中差異最大的是FP處理分區(qū)。綜合來講，OTP、FP對于玉米生長起到了明顯的促進作用，利于其生物量積累。

2.1.2 生理生化特性 從表2可以看出，對于葉綠素a和b、碳水化合物、蛋白質(zhì)而言，OTP、FP條件下其含量相對較高，且在有機施肥模式下達到了最高，其次是優(yōu)化施肥處理。隨著玉米生長的進行，其含量不斷增加；但是OTP、FP與CK之間的差異也越來越明顯，在成熟期的差異最大。而就蛋白質(zhì)而言，在玉米分化期，OTP、FP施肥模式與CK之間的差異并不顯著，綜合來說，OTP、FP施肥模式均促進了玉米對肥料的吸收利于，利于作物生長，其中效果較為明顯的有機施肥FP。

2.1.3 葉片酶活性 由表3可以看出，對于歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶而言，雖然玉米生長時期不同，但是其活性均在有機施肥FP條件下達到最高，其次是優(yōu)化施肥，隨著生長周期的進行，酶活性也相應增加，但是優(yōu)化施肥和有機施肥與不施肥之間的差異也更為明顯，在分化期達到0.05的顯著性水平。而對于丙二醛來講，隨著作物生長，其含量不斷降低，在分化期呈現(xiàn)顯著差異。整體而言，施肥利于酶活性的提升，促進了丙二醛的合成，其中作用最大的有機施肥，且在各個時期作用顯著。

2.2 不同施肥方式對春玉米產(chǎn)量及構成因素的影響

由表4可知，2016和2017年2年春玉米產(chǎn)量結(jié)果趨勢保持一致。其中2017年產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均低于2016年，說明長期的施肥對春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重有所抑制。對于2016年，與CK相比，春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為FP>OTP>CK，且三者之間差異均顯著(P<0.05)，與CK相比，F(xiàn)P和OTP產(chǎn)量分別提高了61.65 %和85.24 %、穗粒數(shù)分別提高了了17.59 %和21.99 %、千粒重分別提高了12.84 %和17.01 %。對于2017年，與CK相比，春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為FP>OTP>CK，且三者之間差異均顯著(P<0.05)，與CK相比，F(xiàn)P和OTP產(chǎn)量分別提高了39.08 %和48.08 %、穗粒數(shù)分別提高了14.69 %和31.14 %、千粒重分別提高了13.38 %和18.15 %。綜合分析可知，F(xiàn)P和OTP處理增產(chǎn)的原因促進穗粒數(shù)和千粒重的提高，從而提高產(chǎn)量。

表1 施肥模式對春玉米植株生長特性的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05), the same as below.

表2 施肥模式對春玉米植株生理生化特性的影響

表3 施肥模式對春玉米植株葉片酶活性的影響

表4 不同施肥方式對春玉米產(chǎn)量及構成因素的影響

2.3 不同施肥模式對土壤中硝態(tài)氮分布和累積的影響

從圖1可以看出，土壤硝態(tài)氮的累積主要集中在0～10 cm土層，各處理0～10 cm土層中硝態(tài)氮的含量占土壤硝態(tài)氮含量(0～30 cm土層)的15.32 %～35.64 %，這說明土壤硝態(tài)氮具有表聚性；20～30 cm土層中硝態(tài)氮含量無明顯變化。在春玉米分化期內(nèi)，不同施肥模式0～30 cm土層中硝態(tài)氮含量隨著生長期的延長而降低。春玉米不同生育時期表層土壤中硝態(tài)氮的含量均高于CK，說明施肥影響土壤中硝態(tài)氮的含量。抽穗期到成熟期，0～30 cm土層中硝態(tài)氮含量基本表現(xiàn)為FP>OTP>CK，其中FP硝態(tài)氮含量最高；在垂直分布，土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，在20～30 cm土層，不同處理間的土壤硝態(tài)氮含量基本保持一致。與CK相比，氮肥施入量的減少，一定程度上降低了土壤中硝態(tài)氮的含量，既減少了肥料的浪費，又降低環(huán)境污染風險。

圖1 不同施肥模式對硝態(tài)氮的影響

圖2 不同施肥模式對氮素利用率

2.4 不同施肥模式對春玉米氮肥利用率的影響

由圖2可以看出，施氮肥對春玉米均有增產(chǎn)作用，其中總氮吸入量表現(xiàn)為FP>OTP>CK，不同處理間差異均顯著(P<0.05)。與CK相比，F(xiàn)P和OTP處理下春玉米總氮吸入量分別提高了58.9和82.9 kg/hm2，其中FP處理下氮肥利用率最高。由此可以得出，施用緩控釋肥比習慣施肥方式增產(chǎn)作用大。

3 討論與結(jié)論

整體而言，無論是優(yōu)化施肥還是有機施肥，均對于植株養(yǎng)分的提升起到顯著作用，說明施肥能夠為玉米生長提供較為充足的養(yǎng)分，改善土壤肥力和活性，為植物生長創(chuàng)造更為有利的條件，促進養(yǎng)分累積和土壤有機質(zhì)分解，提升植株養(yǎng)分來促進其生長，同時利于作物吸收利用土壤養(yǎng)分[10,22]。對于玉米生長而言，其在各個生長周期都需要大量的養(yǎng)分，僅僅依賴土壤養(yǎng)分難以充分滿足其生長需要，必須通過施肥等來增加外界養(yǎng)分供給，這樣作物能夠從土壤及肥料中吸收所需大量營養(yǎng)，此外，養(yǎng)分的淋失也是必須要考慮的[23]。因此，在根據(jù)玉米的生長周期和特點，合理控制施肥量，注重施肥的時機，在合適的時候施用適量的、正確的肥料，從而利于玉米吸收利用，最終提供作物產(chǎn)量和質(zhì)量，提高肥料利用效率，保障作物肥料均衡。無論是優(yōu)化施肥還是有機施肥，均能促進玉米生長，不僅帶來了較多的分蘗，同時葉面積也較大，對于光合作用起到促進作用，生長狀況優(yōu)于非施肥條件下作物[24]。植株光合作用對其產(chǎn)量產(chǎn)生直接而重要的影響，在葉面積更大的情況下，植株的光合作用會相應增強，對光能的利用水平也更高，而發(fā)達的根系、較低的R/S，均利于植株的新陳代謝活動[21]，通過實驗發(fā)現(xiàn)，施肥處理下促進了春玉米的光合作用，進而提升了其新陳代謝活動，最終促進了玉米生長。

溫度在作物生長過程中起著關鍵作用之一，無論是各個生長周期均是如此，隨著玉米生長的不斷進行，對于葉綠素、碳水化合物及蛋白質(zhì)而言，在同一時期其最高的是有機施肥FP，其次是優(yōu)化施肥OTP，而非施肥CK水平最低，施肥促進了葉綠素含量的提升，這對于玉米光合作用的增強起到了關鍵作用，因此施肥能夠促進作物生長。膜脂過氧化最終能夠產(chǎn)生丙二醛MDA，而該產(chǎn)物能夠有效反映膜結(jié)構的穩(wěn)定性，代表著過氧化強度，在該含量較高的情況下，說明種子具有較強的受膜透性，發(fā)生了氧化脅迫[25]。通過本實驗研究發(fā)現(xiàn)，玉米的MDA含量降低，說明在施肥影響下細胞膜透性增強，細胞的鹽類等物質(zhì)滲出，形成了細胞活性氧，進而導致葉片生理功能下降。

對于谷類產(chǎn)量而言，穗數(shù)、千粒重等直接制約著產(chǎn)量，可以說在種植密度基本一致的情況下，該指標就是產(chǎn)量的體現(xiàn)[26]。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于優(yōu)化施肥而言，該施肥不僅控制了施肥量，還對施肥周期進行了把控，對于玉米花后養(yǎng)分的提升作用明顯，使得穗數(shù)、千粒重得以提高，最終促進了玉米產(chǎn)量和質(zhì)量。在農(nóng)民以往的習慣施肥條件下，玉米的花前氮積累得到了一定的提升，但是花后該含量未得到有效提升，且養(yǎng)分積累并不明顯提升，其作用弱于優(yōu)化施肥[27-28]。在優(yōu)化施肥作用下，施肥量和施肥時機得到了控制，花后光合作用增強、根系生長加強，使得玉米對養(yǎng)分的吸收利用能力增強，光合作用顯著提升，最終促進其產(chǎn)量和質(zhì)量提升。而以往傳統(tǒng)的習慣性施肥，僅僅促進前期的作物生長，卻導致后期養(yǎng)分不足的問題，且容易導致前期生長過旺，使得營養(yǎng)不均衡，不利于作物生長。

綜合來看，施肥能夠利于春玉米生長發(fā)育，對于其產(chǎn)量提升具有明顯作用，施肥控制了肥料投入量，使得施肥時機更為合理，能夠促進植株光合作用，增強其吸收利用養(yǎng)分的效率，同時對于調(diào)節(jié)玉米激素平衡具有重要作用[29-30]，說明施肥在玉米生長過程中調(diào)節(jié)作用明顯。