王玉鳳, 武 鵬,, 李 慶, 張 鵬,賈志寬, 薛盈文, 楊克軍

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院, 黑龍江 大慶 163319; 2.黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室,黑龍江 大慶 163319;3.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院, 陜西 楊凌 712100 ;4.中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100)

玉米作為我國第一大糧-經(jīng)-飼作物在我國糧食生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，研究表明我國玉米增產(chǎn)潛力巨大；施用氮肥是提高玉米產(chǎn)量的有效方式[1-6]，但是實際生產(chǎn)中農(nóng)戶過量施氮帶來一系列環(huán)境污染問題[7]。玉米從拔節(jié)期開始進入旺盛生長階段，根系和穗位葉不斷發(fā)育，花后葉片和根系的衰老與產(chǎn)量形成同步進行，此時保證充足的氮素供應(yīng)可延緩根系和葉片衰老，對于產(chǎn)量形成意義重大[8-9]。緩釋尿素作為一種長效尿素通過“前控后?！弊饔脕肀ＷC作物整個生育時期對氮素的需求，現(xiàn)在已經(jīng)成為輕簡化一次施肥的重要發(fā)展方向。因此探究合理高效的緩釋尿素施用方式來延緩葉片和根系衰老，提高葉片光合特性，促進光合產(chǎn)物形成是玉米高產(chǎn)生理的重要課題之一。前人研究表明，植物生育后期葉片將營養(yǎng)運送到籽粒中時會產(chǎn)生代謝與營養(yǎng)脅迫的矛盾，細胞間活性氧產(chǎn)生與清除之間的平衡遭到破壞，積累的活性氧對細胞造成傷害，促使細胞膜脂過氧化，進而引起葉片衰老[10]。植物體內(nèi)SOD、POD和CAT具有清除氧自由基的作用[11-12]，是重要的保護酶；MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，其含量高低代表膜脂過氧化水平，其含量升高表示植株衰老[13-14]；可溶性蛋白含量也能反映植株衰老情況[15]，所以SOD、POD、CAT、MDA和可溶性蛋白可用來作為代表葉片和根系衰老的生理生化指標。耿計彪等[16]研究發(fā)現(xiàn)緩釋與普通尿素以不同比例配置后一次基施能顯著提高葉片光合速率、SOD、POD活性和可溶性蛋白含量，降低MDA含量，延緩葉片衰老。李廣浩等[17-18]通過緩釋尿素水氮耦合試驗表明緩釋尿素水氮耦合能夠提高玉米花后穗位葉功能，促進光合產(chǎn)物的產(chǎn)生。前人主要是將緩釋尿素與普通尿素以不同比例配施一次基施來探究其對玉米生理特性的影響，關(guān)于分層施肥報道較少，本研究在不同深度土層將緩釋尿素與普通尿素以不同比例配施作為基肥，探究其對玉米生理特性的影響，以期找到更加適宜、高效的施肥方式來延緩玉米衰老和促進增產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2017―2018年在黑龍江八一農(nóng)墾大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室試驗基地(125°11′E，46°37′N)進行，該基地位于松嫩平原，全年降水偏少，屬于半干旱區(qū)。玉米生長期內(nèi)多年日平均氣溫4.2℃，降雨量427.5 mm，蒸發(fā)量1 635 mm。供試土壤為鹽化草甸土，基礎(chǔ)肥力見表1。供試玉米品種為“慶單3號”，供試肥料為樹脂包膜尿素(PCU，N 45%，山東茂施生態(tài)肥料有限公司生產(chǎn))，普通尿素(PU，N 46%，中國石油天然氣股份有限公司-昆侖尿素)，硫酸鉀(K2O 50%，國投新疆羅布泊鉀鹽有限公司)，過磷酸鈣(P2O512%，中化化肥有限公司生產(chǎn))。

表1 供試土壤基礎(chǔ)肥力

1.2 試驗設(shè)計

本研究為大田試驗，采用隨機區(qū)組設(shè)計，以不施氮肥為空白對照(CK)，設(shè)置7個氮肥處理，分別為：PU1：普通尿素一次性施入，施肥深度為種子下方5～10 cm(當?shù)夭糠洲r(nóng)戶的“一炮轟”施肥方式)；PU2：普通尿素分兩次施入，基追比為6∶4，施肥深度均為種子下方5～10 cm(當?shù)夭糠洲r(nóng)戶機械施基肥加機械追肥施肥方式)；PU3：普通尿素在種子下方5～10、15～20 cm和25～30 cm分別一次性施純氮的20%、30%和50%；PCU1～PCU4為緩釋尿素與普通尿素分層配施處理，種子下方5～10、15～20、25～30 cm分別施純氮的20%、30%和50%，其中5～10 cm均施普通尿素，15～20 cm和25～30 cm土層分別施用不同配比的緩釋尿素和普通尿素，PCU1在15～20 cm和25～30 cm緩釋尿素與普通尿素配施比例均為3∶7；PCU2均為5∶5；PCU3在15～20 cm配施比例為3∶7，25～30 cm為5∶5；PCU4在15～25 cm配施比例為5∶5，25～30 cm為3∶7，共8個處理。每個處理3次重復，每個小區(qū)面積52 m2(10 m行長，每小區(qū)8行，行距0.65 m)。各處理統(tǒng)一在種子下方5～10 cm基施磷肥(P2O5120 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 90 kg hm-2)，與此層尿素同時一次施入。各處理氮肥用量均為220 kg·hm-2，施肥方式為人工開溝，每施入一層肥料后人工覆一層土，最后播種、覆土和人工踩壓。播種時間為2017年5月9日和2018年4月28日，種植密度均為75 000株·hm-2，田間管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。由于數(shù)據(jù)量較大，且2017年和2018年數(shù)據(jù)趨勢相同，因此除產(chǎn)量和經(jīng)濟效益外其它數(shù)據(jù)取2 a的平均值進行分析計算。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土樣采集與測定 整地前取0～30 cm土層土壤，按常規(guī)法測定土壤基本理化性質(zhì)[19-21]。同時在玉米生育吐絲期和灌漿期用五點取樣法取玉米壟上2株玉米之間地下0～30 cm土樣，帶回實驗室后冷藏，采用紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮含量[19]，KCl浸提—靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮含量[19]。

1.3.2 葉片和根系酶活性的測定 在玉米拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期每個小區(qū)選取長勢均勻一致的3株植株，剪下穗位葉迅速用塑封袋密封放入冰盒，帶回實驗室放入-80℃冰柜冷藏以備測定；砍下地上部分植株后取0～30 cm根系，迅速用冰盒帶回實驗室在水龍頭下沖洗干凈后放入-80℃冰柜冷藏備測。SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法[22]測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[23]，CAT活性采用紫外吸收法測定[24]，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[25]，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法[26]。

1.3.3 穗位葉光合特性的測定 在玉米拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期選取晴天的9∶30～12∶00使用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor.Inc，美國)，在各小區(qū)選取3株生育進程一致、具有代表性、照光均勻的植株(穗位葉完全展開前選取頂部第1片完全展開葉，穗位葉完全展開后選取穗位葉，且避開葉脈)循環(huán)測定自然光源下葉片蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測定 玉米成熟期，收獲各小區(qū)中間兩壟連續(xù)5 m長的所有果穗，統(tǒng)計有效穗數(shù)，計算平均穗重，選取具代表性的20個果穗，進行室內(nèi)考種，記錄穗粒數(shù)及百粒重，計算14%含水率下的玉米產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理及作圖采用軟件Excel 2003和Origin 2018，方差分析采用統(tǒng)計軟件DPS 7.05，多重比較采用LSD檢驗法。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋與普通尿素分層配施對土壤氮素含量的影響

注：不同小、大寫字母分別表示P<0.05和P<0.01水平下差異顯著，下同。Note: Different lowercase and majuscule letters indicate significant difference at P<0.05 and P<0.01 probability levels. The same below.圖1 緩釋與普通尿素分層配施對土壤氮素含量的影響Fig.1 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on soil nitrogen content

2.2 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系及葉片衰老的影響

2.2.1 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系及葉片保護酶活性的影響 如圖2所示，施肥顯著影響玉米根系和穗位葉的3種保護酶(SOD、POD、CAT)活性。整體來看，同一生育時期穗位葉的保護酶活性均高于根系，隨著生育時期的推進穗位葉和根系保護酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，在吐絲期活性最高。拔節(jié)期，除CK處理的穗位葉和根系活性顯著低于其它處理外，各施氮處理間無顯著差異。吐絲期和灌漿期，緩釋與普通尿素分層配施處理之間SOD、POD和CAT活性無明顯差異，各處理中PCU4的SOD、POD、CAT活性均最高；吐絲期，PCU4處理穗位葉和根系的SOD活性較PU1、PU2和PU3提高了9.22%～18.68%和7.93%～16.14%，POD提高了7.72%～17.91%和19.09%～37.44%，CAT提高了7.66%～19.99%和9.71%～32.76%；灌漿期，PCU4處理穗位葉和根系SOD活性較PU1、PU2和PU3提高了14.85%～26.75%和11.39%～22.75%，POD提高了9.95%～23.35%和22.16%～42.13%，CAT提高了10.02%～22.96%和26.59%～60.98%。

2.2.2 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系及葉片可溶性蛋白的影響 從圖3可以看出，在生育期內(nèi)葉片的可溶性蛋白含量高于根系，葉片可溶性蛋白含量呈先升高后降低趨勢，根系可溶性蛋白含量則不斷減少。拔節(jié)期除CK外各處理間可溶性蛋白含量無顯著差異；吐絲期和灌漿期PCU1～PCU4間可溶性蛋白含量無顯著差異但是均高于其它施氮處理，葉片可溶性蛋白含量較PU1、PU2、PU3在吐絲期和灌漿期分別提高了16.25%～30.83%和11.67%～32.98%，根系可溶性蛋白含量分別提高了12.42%～45.97%和40.54%～103.57%。

圖3 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系 及葉片可溶性蛋白的影響Fig.3 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on soluble protein content in maize roots and leaves

2.2.3 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系及葉片MDA含量的影響 從圖4可以看出，隨著生育時期推進，葉片和根系的MDA含量不斷增加且葉片高于根系。拔節(jié)期，葉片CK處理MDA含量顯著高于其它處理，根系所有處理間無顯著差異；吐絲期和灌漿期施氮處理的MDA含量低于對照CK，PCU1～PCU4處理的MDA含量低于PU1、PU2、PU3處理，葉片MDA含量在吐絲期和灌漿期分別降低了2.37%～17.30%和8.23%～37.53%，根系分別降低了3.01%～22.73%和6.66%～31.60%。葉片和根系中，PCU4處理的MDA含量均是所有處理中最低且顯著低于PU1、PU2、PU3處理。

圖4 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系 及葉片MDA含量的影響Fig.4 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on MDA content in maize roots and leaves

注: V6:拔節(jié)期; R1:吐絲期; R3:灌漿期。下同。Note： V6: Jointing stage；R1:Silking stage；R3:Filling stage. The same below.圖2 緩釋與普通尿素分層配施對玉米根系及葉片SOD、POD和CAT活性的影響Fig.2 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on SOD, POD and CAT activities of maize roots and leaves

2.3 緩釋與普通尿素分層配施對玉米穗位葉光合特性的影響

2.3.1 緩釋與普通尿素分層配施對玉米穗位葉凈光合速率的影響 各處理葉片的Pn均表現(xiàn)為先升高后降低(表2)，吐絲期達到峰值。拔節(jié)期除CK外其它處理間無顯著差異，其中PU1處理Pn最高為38.64 μmol CO2·(m2·s)-1；吐絲期、灌漿期、成熟期緩釋與普通尿素分層配施基施處理Pn均高于其它處理，分別較PU1、PU2和PU3提高5.10%～8.73%，7.35%～36.37%和12.92%～40.63%，PCU4最高分別為44.97、6.81 μmol·(m2·s)-1和15.68 μmol·(m2·s)-1。

隨生育時期推進玉米葉片Tr呈先升高后降低變化，各處理葉片Tr在吐絲期達到峰值。拔節(jié)期處理PU1、PU2和PU3間無顯著差異，但比PCU1、PCU2、PCU3、PCU4高9.37%～20.51%，其中PU1最高為5.64 mmol·(m2·s)-1；吐絲期除PU1外其它處理間無顯著差異，PCU1、PCU2、PCU3和PCU4比PU1、PU2、PU3處理提高14.29%～24.72%；灌漿期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4較PU1、PU2、PU3葉片Tr分別提高13.245～35.89%和23.41%～66.23%，PCU4的Tr最高，分別為4.96 mmol·(m2·s)-1和3.84 mmol·(m2·s)-1。

從表2可以看出，施氮可以提高葉片Gs且隨著玉米生育時期推進Gs先升高后降低。拔節(jié)期除CK外其它各處理間無顯著差異，其中PU1葉片氣孔導度最大為0.25 mol·(m2·s)-1；吐絲期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4間無顯著差異但較PU1、PU2、PU3提高1.56%～15.11%，PCU4葉片Gs最大為0.45 mol·(m2·s)-1；灌漿期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4較PU1、PU2、PU3提高Gs2.50%～14.53%和16.33%～56.30%，其中PCU4最大為0.24 mol·(m2·s)-1和0.20 mol·(m2·s)-1。

從表2可以看出，隨著生育時期推進，不同處理葉片Ci呈U型變化，吐絲期各處理葉片Ci最低。除CK外各處理間胞間CO2濃度在拔節(jié)期無顯著差異；吐絲期、灌漿期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4比PU1、PU2、PU3降低11.52%～20.22%、5.15%～19.84%和1.15%～10.82%，吐絲期PCU2葉片Ci最低為64.19 μmol·mol-1，灌漿期和成熟期PCU4葉片Ci最低分別為104.24 μmol·mol-1和130.46 μmol·mol-1。

2.4 緩釋與普通尿素分層配施對玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

從圖5可以看出，施氮顯著增加玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，2017年產(chǎn)量和經(jīng)濟效益均高于2018年。與普通尿素一次性施肥、普通尿素傳統(tǒng)施肥相比，分層施肥產(chǎn)量分別提高了0.04%～26.16%和2.37%～22.36%；PCU1～PCU4處理產(chǎn)量較其它處理提高2.32%～26.16%和1.32%～22.36%，經(jīng)濟效益增加1.67%～31.84%和0.33%～27.49%。2 a中PCU4處理產(chǎn)量最高，分別為13 899.08 kg·hm-2和12 439.35 kg·hm-2，經(jīng)濟效益分別為17 022.25元·hm-2和14 832.65元·hm-2。

3 討 論

注：經(jīng)濟效益=玉米產(chǎn)值-氮肥成本-其它成本。玉米價格為1 500元·t-1，緩釋尿素價格為3 500元·t-1，普通尿素價格為2 100元·t-1，其它成本包括磷肥900 元·t-1，鉀肥3 600元·t-1，種子1 134元·hm-2，共計2 610元·hm-2，由于試驗為理論探究試驗，故在核算成本時未考慮田間機械和人工成本。Note:Economic benefits = maize output value-nitrogen fertilizer cost-other costs. The price of maize was 1 500 yuan·t-1, the price of slow-release urea was 3 500 yuan·t-1, and the price of common urea was 2 100 yuan·t-1. Other costs include: 900 yuan·t-1 of phosphate fertilizer, 3 600 yuan·t-1 of potash fertilizer, 1 134 yuan·hm-2 of seeds, and a total of 2 610 yuan·hm-2. As the experiment was a theoretical exploration experiment, field machinery and labor costs were not considered in the cost accounting.圖5 緩釋與普通尿素分層配施對玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響Fig.5 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on maize yield and economic benefit

玉米花后籽粒形成和根系及葉片衰老并進，延緩根系衰老吸收養(yǎng)分來延長綠葉持續(xù)期進而延長籽粒有效灌漿是玉米獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)[30-31]。葉片和根系不斷衰老，植株體內(nèi)用來表征衰老程度的SOD、POD、CAT活性不斷下降，可溶性蛋白含量降低，MDA含量增加，引起蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子降解和生物膜脂過氧化，導致葉片和根系生理功能衰退，所以延緩葉片和根系衰老是提高玉米產(chǎn)量的有效措施。研究表明不同的氮肥種類和用量對葉片和根系衰老影響顯著[32]， SOD、POD和CAT含量與玉米產(chǎn)量達顯著水平[33]。本研究結(jié)果表明，施氮處理能夠延緩吐絲后葉片和根系的衰老，在氮素施用量相同情況下，不同種類尿素的施用方式對葉片和根系保護酶活性影響顯著，其中緩釋與普通尿素分層配施基施，在吐絲期和灌漿期通過保證充足的氮素供應(yīng)來為保護酶的合成提供充足的氮源，使保護酶體系維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，顯著提高根系和葉片中SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白含量，降低MDA含量，說明緩釋尿素的施用更有利于花后葉片和根系衰老的延緩，這與邵國慶[34]的研究結(jié)果一致。普通尿素的施用在前期氮素釋放很快，到了生育后期造成氮素供應(yīng)不足，而緩釋尿素與普通尿素配施在前期較慢釋放氮素來滿足作物前期生長對氮素的需求，生育后期其不斷釋放來滿足后期需求，進而保證整個生育時期的需求；充足的氮素供應(yīng)有利于改善細胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除之間的平衡關(guān)系，更好滿足源庫關(guān)系，促進根系細胞分裂素向地上運輸，進而保證生育后期葉片和根系的活力較強，延緩衰老[35-36]。

有研究表明緩釋尿素能夠繼續(xù)維持玉米生育后期葉片光合特性[37-39]，本試驗結(jié)果與其一致，緩釋與普通尿素分層配施基施處理葉片在吐絲期和灌漿期凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率都保持較高水平，胞間CO2濃度顯著降低，主要是由于光合速率影響植物在光合作用中吸收的CO2量,從而影響單位時間、單位面積所轉(zhuǎn)化的同化物質(zhì)，為玉米產(chǎn)量增加奠定基礎(chǔ)；同時植物進行光合作用時經(jīng)由氣孔吸收CO2，氣孔根據(jù)環(huán)境條件的變化來調(diào)節(jié)開度而使植物在損失水分較少的條件下獲取最多的CO2，光合作用時在胞內(nèi)大量消耗利用CO2，需要胞間CO2來補充，因此降低了其濃度，最終顯著增加作物產(chǎn)量[40]。

玉米產(chǎn)量形成受到多種因素的影響，花后氮素是否供應(yīng)充足是影響產(chǎn)量的重要因素，本研究中施用緩釋尿素延緩玉米生育后期葉片和根系的衰老，保證后期光合作用的持續(xù)進行，使更多的太陽能轉(zhuǎn)化成有機物質(zhì)，提高玉米產(chǎn)量。據(jù)報道已研制出分層施肥器械[41-42]，將來應(yīng)用該項技術(shù)時可一次將肥料施入土層中，省去了后期追肥的機械投入和機械進地過程，可不用機械壓實土壤，達到一次施肥且減少成本的目的。因此緩釋與普通尿素分層配施在生產(chǎn)實踐中具有應(yīng)用前景，本研究為其提供了部分理論參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

普通尿素分層施肥和緩釋與普通尿素分層配施能增加玉米生育后期氮素含量，延緩根葉衰老，提升葉片光合特性，增加玉米產(chǎn)量。各處理中以緩釋與普通尿素在種子下方15～20 cm和25～30 cm處分別以5∶5和3∶7比例配施處理效果最佳，可為當?shù)鼐忈屇蛩氐耐茝V提供理論依據(jù)。