陳妮娜 紀(jì)瑞鵬 米娜 張淑杰 于文穎 方緣 張玉書(shū)

(1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110166;3.中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

引言

玉米具有較高的單位面積產(chǎn)量和巨大的增產(chǎn)潛力，是僅次于小麥和水稻的世界第三大糧食作物[1]，在解決人類糧食安全保障方面具有重要作用。氮素是玉米生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的元素，也是影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)最重要的礦質(zhì)元素[2]。玉米產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善的一項(xiàng)重要栽培措施就是施氮[3]，合理施氮，不僅能促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育，還能增加產(chǎn)量，提高品質(zhì)，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。但是為了追求高產(chǎn)，中國(guó)農(nóng)田氮肥用量不斷攀升，而當(dāng)玉米產(chǎn)量達(dá)到一定水平，過(guò)量施氮造成了氮肥利用率低下，不僅不能持續(xù)提高玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益，而且也造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，污染大氣、土壤、水體生態(tài)環(huán)境及降低生物多樣性[4-7]。因此，合理減量施氮，優(yōu)化氮肥的科學(xué)管理技術(shù)逐漸成為近年來(lái)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題[8]。

目前國(guó)內(nèi)外很多專家對(duì)減量施氮進(jìn)行了研究。梁二等[9]針對(duì)氮減量施用對(duì)旱作玉米生產(chǎn)的影響研究發(fā)現(xiàn)，氮減量15%施用后，玉米產(chǎn)量無(wú)顯著減少；位高生等[10]對(duì)琯溪蜜柚進(jìn)行氮減量施肥試驗(yàn)表明，減少氮用量不會(huì)導(dǎo)致琯溪蜜柚減產(chǎn)，反而具有增產(chǎn)和明顯改善果實(shí)品質(zhì)的效果；韓瑞蕓等[11]發(fā)現(xiàn)東北坡崗地上氮肥減量25%，玉米產(chǎn)量最高。由此可見(jiàn)，減量施氮是可行的。有關(guān)玉米減量施氮方面的研究主要集中在氮利用率、土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量[9,11-12]等方面，對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成、籽粒含水量及品質(zhì)的影響有較少報(bào)道。

東北地區(qū)是中國(guó)春玉米的主產(chǎn)區(qū)和重要的商品糧基地，在中國(guó)的糧食生產(chǎn)中占有重要地位[13]。近30 a來(lái)該地區(qū)春玉米產(chǎn)量不斷提高的重要措施就是增施氮肥，為獲得高產(chǎn)，過(guò)量施氮的現(xiàn)象普遍存在[14]。目前，春玉米的氮肥施用量約為240—280 kg·hm-2，有的已超過(guò)300 kg·hm-2，遠(yuǎn)超當(dāng)前產(chǎn)量水平的需求量和專家推薦量[15]，氮肥利用率僅為19%—28%[16]，遠(yuǎn)低于30%—51% 的全國(guó)平均水平[17]。因此，減少氮肥施用量，改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境，提高氮肥利用效率，實(shí)現(xiàn)作物的無(wú)公害生產(chǎn)已成為亟待解決的問(wèn)題。目前，減量施氮對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成、籽粒含水量及品質(zhì)的影響規(guī)律尚不明確。因此，研究春玉米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)對(duì)減量施氮的響應(yīng)，可為氮肥的區(qū)域合理調(diào)控與配置提供理論依據(jù)。本研究以遼寧錦州雨養(yǎng)農(nóng)田玉米農(nóng)民習(xí)慣性施氮量為對(duì)照，分析不同程度減量施氮對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的影響，以期為減少氮肥施用投入提供科學(xué)依據(jù)，為減緩中國(guó)東北地區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測(cè)站(41°08′N，121°10′E，海拔高度為27.4 m)，所在區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛Ъ撅L(fēng)型氣候，年平均氣溫為9.5℃，年均降水量為565.9 mm，主要作物玉米的生育期為5—9月。試驗(yàn)地土壤為棕壤，容重為1.61 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)為1.8%，0—100 cm 土壤田間持水量平均值為21.6%，其初始肥力見(jiàn)表1。觀測(cè)時(shí)間為2019年，年平均氣溫為11.5 ℃，年降水量為607.7 mm。選用玉米品種丹玉405為供試材料，采用東西行向種植，行株距為50 cm×35 cm，種植密度為5.7 株·m-2，小區(qū)面積為15 m2(長(zhǎng)5 m、寬3 m)。土壤相對(duì)濕度為75%±5%，以氮肥施用數(shù)量為調(diào)控因素，有機(jī)肥及磷、鉀肥用量均一致(商品有機(jī)肥1.5 t·hm-2，P2O590 kg·hm-2+K2O 80 kg·hm-2)，氮肥為尿素(含氮46%)，玉米栽種及其他田間管理措施一致。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，具體如下：

表1 2019年遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測(cè)站試驗(yàn)地土壤初始肥力情況Table 1 The initial soil fertility of the experimental site at Jinzhou agroecological observation station in Liaoning province in 2019

T1：N 0 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣性施氮量基礎(chǔ)上減少100%；T2：N 120 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣性施氮量基礎(chǔ)上減少55.5%；T3：N 240 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣性施氮量基礎(chǔ)上減少11.1%；T4：N 270 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣性施氮量，CK。

各處理有機(jī)肥及磷、鉀肥全部作基肥；氮肥20%作基肥，40%作普遍拔節(jié)期(6月17日)追肥，40%作普遍抽雄期(7月15日)追肥，均施于0—20 cm土層。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤濕度觀測(cè)

采用時(shí)域反射儀(德國(guó)TRIME-IPH)在春玉米全生育期(播種—成熟)內(nèi)每3 d 分5層(每層20 cm)測(cè)定土壤含水量，用于計(jì)算補(bǔ)水量，以控制試驗(yàn)過(guò)程中的土壤濕度。

1.2.2 生長(zhǎng)發(fā)育觀測(cè)

從三葉普遍期開(kāi)始，每個(gè)發(fā)育期每小區(qū)選3株，分別觀測(cè)記錄試驗(yàn)區(qū)不同處理的玉米發(fā)育期、株高、葉面積、生物量，觀測(cè)按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[18]進(jìn)行。

1.2.3 產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析

玉米成熟后，各小區(qū)分別取樣30株，自然風(fēng)干后進(jìn)行產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析，分別測(cè)定各小區(qū)果穗長(zhǎng)、果穗粗、禿尖長(zhǎng)、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成要素，并計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(g·m-2)。

1.2.4 品質(zhì)測(cè)定

主要測(cè)蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、氨基酸四個(gè)指標(biāo)。蛋白質(zhì)含量用k氏定氮法測(cè)定[19]，脂肪含量用油重法測(cè)定，淀粉含量用HCL—銅還原直接測(cè)定法測(cè)定[20]，氨基酸含量用“日立—853”型氨基酸自動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及作圖采用Microsoft Excel 2010，方差分析采用SPSS17。

2 結(jié)果分析

2.1 減量施氮對(duì)春玉米地上部生長(zhǎng)的影響

2.1.1 株高

減量施氮后，不同處理玉米各發(fā)育期株高的變化不同(圖1和表2)。三葉到抽雄期，減氮導(dǎo)致株高降低，降低程度隨減氮量的增加而增加。而乳熟期，減氮11.1%和55.5%處理下，株高不但未降低，反而略微增加；減氮100%，僅造成株高減少4.4%。由此可見(jiàn)，雖然在株高迅速發(fā)展的時(shí)期(尤其是三葉期)，減氮的負(fù)影響較為明顯，但株高基本穩(wěn)定后，減氮的影響減弱。

表2 2019年不同程度減氮對(duì)不同發(fā)育期春玉米株高影響較對(duì)照變化量Table 2 Variations of plant height of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

圖1 2019年不同處理春玉米各發(fā)育期株高Fig.1 Plant heights at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

2.1.2 葉面積指數(shù)

拔節(jié)前，玉米處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，葉面積指數(shù)迅速增加，減氮造成葉面積指數(shù)明顯減少，到拔節(jié)普遍期，減氮11.1%、55.5%和100%處理分別減少葉面積指數(shù)5.1%、14.4%和23.3%，隨著減氮量增加，葉面積指數(shù)減少程度增加。玉米進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段(抽雄期)后，減氮對(duì)葉面積指數(shù)的影響不明顯，減氮11.1%和55.5%處理下，葉面積指數(shù)略微增加(圖2和表3)。

圖2 2019年不同處理春玉米各發(fā)育期葉面積指數(shù)Fig.2 Leaf area index at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表3 2019年不同程度減氮對(duì)不同發(fā)育期春玉米葉面積指數(shù)較對(duì)照影響變化量Table 3 Variations of leaf area index of spring maize at different growth stages under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.1.3 生物量

拔節(jié)期前，減氮后，玉米生物量鮮重和干重均減少(表4和表5)，且隨著減氮量的增加，減少程度增加。進(jìn)入抽雄期后，減氮11.1%生物量干重不但不減少反而增加，進(jìn)入乳熟期后，減氮11.1%生物量鮮重增加。說(shuō)明減氮對(duì)生物量的影響在拔節(jié)前玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段較大，進(jìn)入生殖生長(zhǎng)后，影響減小。

表4 2019年不同處理各發(fā)育期春玉米生物量干、鮮重及葉片干、鮮重占地上生物量的比例Table 4 Dry and fresh weights of biomass，the percentage of dry and fresh leaf weight to above-ground biomass at different growth stages of spring maize under different treatments in 2019

表5 2019年不同減氮處理對(duì)各發(fā)育期春玉米地上生物量及葉片占比較對(duì)照變化量Table 5 Variations of above-ground biomass and leaf proportions at different growth stages of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

葉片的比重在玉米整個(gè)發(fā)育期呈拋物線型，先增加后減少，七葉期最高，乳熟期最低。拔節(jié)期以前，玉米發(fā)育以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主，營(yíng)養(yǎng)器官葉、莖的比例較高，進(jìn)入抽雄期后，玉米發(fā)育以生殖生長(zhǎng)為主，干物質(zhì)對(duì)器官的分配轉(zhuǎn)向生殖器官。減氮對(duì)葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例的影響與其對(duì)生物量鮮重和干重的影響類似，在玉米苗期，減氮導(dǎo)致葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例明顯下降，苗期過(guò)后，減氮11.1%的處理，葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例變化不明顯，減氮55.5%的處理，葉鮮重、葉干重占地上生物量的比例反而增加。說(shuō)明玉米苗期，減氮不利于玉米地上部的生長(zhǎng)，株高、莖粗、葉面積指數(shù)和生物量等生物學(xué)性狀均明顯減少。玉米苗期以后，適量減氮促進(jìn)玉米地上部的生長(zhǎng)，株高、莖粗、葉面積指數(shù)和生物量等生物學(xué)性狀有增加趨勢(shì)。

另外本研究發(fā)現(xiàn)減氮后葉片占比和葉面積指數(shù)也出現(xiàn)了上述相似規(guī)律。說(shuō)明玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(苗期)，減氮不利于干物質(zhì)向葉片分配，隨著減氮量增加玉米生長(zhǎng)發(fā)育變化增大；進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，減氮導(dǎo)致干物質(zhì)向葉片的分配增加。

2.2 減量施氮對(duì)春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

減量施氮對(duì)玉米產(chǎn)量的影響通過(guò)果穗長(zhǎng)、果穗粗、百粒重、禿尖比等產(chǎn)量構(gòu)成因素來(lái)體現(xiàn)。春玉米產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)性狀對(duì)減量施氮的響應(yīng)見(jiàn)表6和表7。適量減氮導(dǎo)致果穗長(zhǎng)、果穗粗增加。減氮11.1%二者增加幅度最大，分別增加1.9%和3.7%。隨著減氮量的增加，增加幅度減小。同樣的規(guī)律，適量減氮導(dǎo)致百粒重和理論產(chǎn)量增加。三個(gè)減氮水平(減氮11.1%、55.5%、100%)導(dǎo)致百粒重的變化量分別為2.8%、2.6%和-0.1%；導(dǎo)致理論產(chǎn)量的變化量分別為11.5%、10.2%和0.5%。隨著減氮量的增加，百粒重和理論產(chǎn)量變化幅度減少，說(shuō)明減氮量為11.1%時(shí)，對(duì)玉米產(chǎn)量增加最明顯。從不同程度減氮對(duì)籽粒含水量的影響來(lái)看，減氮導(dǎo)致玉米籽粒含水量增加，三個(gè)施氮水平分別增加14.3%、33.8%、56.7%。由此可見(jiàn)，隨著減氮量的增加，玉米籽粒含水量所受影響程度增大。

表6 2019年不同減氮處理下春玉米產(chǎn)量和構(gòu)成Table 6 Yields and its components of spring maize under different degrees of nitrogen reduction in 2019

表7 2019年不同減氮處理春術(shù)米產(chǎn)量和構(gòu)成較對(duì)照變化量Table 7 Variation of yield and its components of spring maize under different degree of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

2.3 減量施氮對(duì)春玉米籽粒品質(zhì)的影響

玉米籽粒品質(zhì)是決定玉米品種優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是玉米作為加工原材料的重要參考要素，它的形成與土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況有密切聯(lián)系。氮肥通過(guò)玉米籽粒淀粉、脂肪、氨基酸、粗蛋白等物質(zhì)的含量來(lái)影響品質(zhì)。減量施氮對(duì)春玉米籽粒品質(zhì)的影響見(jiàn)圖3和表8。

表8 2019年不同程度減氮對(duì)春玉米品質(zhì)影響較對(duì)照變化量Table 8 Variations of grain quality of spring maize under different degrees of nitrogen reduction relative to the control in 2019 %

圖3 2019年不同處理春玉米籽粒品質(zhì)脂肪(a)、淀粉(b)、氨基酸(c)、粗蛋白(d)Fig.3 Grain quality fat (a),starch (b),amino acid (c) and crude protein (d) of spring maize under different treatments in 2019

2.3.1 脂肪

脂肪含量占籽粒重的2.9%，減量施氮導(dǎo)致玉米籽粒脂肪含量呈減少趨勢(shì)。三種減氮水平對(duì)脂肪含量的減少量分別為27.3%、18.2%和6.1%，說(shuō)明隨著減氮量的增加，脂肪含量減少幅度減小。減氮11.1%時(shí)，玉米籽粒脂肪含量最少，為2.4 g·100 g-1。

2.3.2 淀粉

淀粉是細(xì)胞中碳水化合物最普遍的儲(chǔ)藏形式，是反映玉米等糧食作物質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。本研究中淀粉含量占籽粒重的73.6%，是玉米籽粒中最主要的組成成分，這與Nuss和Tanumihardjo[21]的研究結(jié)果基本一致。

減氮導(dǎo)致玉米籽粒淀粉含量不同程度的增加。三種減氮水平對(duì)淀粉含量的增加量分別為13.4%、17.5%和30.0%，可見(jiàn)隨著減氮量的增加，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。

2.3.3 氨基酸

氨基酸的合成與氮密切相關(guān)，減氮導(dǎo)致玉米籽粒氨基酸含量先增加后減少。三種減氮水平對(duì)氨基酸含量的影響量分別為15.9%、2.5%和-8.8%。減氮11.1%時(shí)，玉米籽粒氨基酸含量最大，為83.9 μmol·g-1。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的合成也與氮密切相關(guān)，其含量占籽粒重的6.2%。減氮導(dǎo)致玉米籽粒粗蛋白含量先增加后減少。三種減氮水平對(duì)粗蛋白含量的影響量分別為5.9%、-12.5%和-7.0%。減氮11.1%時(shí)，玉米籽粒粗蛋白含量最高，為6.8%。

3 結(jié)論與討論

(1)從2019年遼寧省錦州市農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測(cè)站玉米生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)看，玉米苗期，減氮導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)(株高、莖粗、葉面積指數(shù)、生物量干、鮮重、葉片比重等)均減少，不利于地上部的生長(zhǎng)和干物質(zhì)向葉片分配，隨著減氮量的增加，減少幅度增加。苗期以后，適量減氮促進(jìn)玉米地上部的生長(zhǎng)，株高、莖粗、葉面積指數(shù)、生物量和葉片占比等生物學(xué)性狀有增加趨勢(shì)。也有研究指出，株高等生長(zhǎng)指標(biāo)隨著減氮量的增加而減少[17-20]，這與本研究結(jié)果一致。

(2)從產(chǎn)量構(gòu)成及籽粒含水量來(lái)看，適量減氮導(dǎo)致果穗長(zhǎng)、果穗粗、百粒重、理論產(chǎn)量和籽粒含水量增加。隨著減氮量的增加，果穗長(zhǎng)、果穗粗、百粒重和理論產(chǎn)量增加幅度均減小，籽粒含水量增加幅度增大。減氮11.1%時(shí)，果穗長(zhǎng)、果穗粗和理論產(chǎn)量增加幅度最大，分別為1.9% 、3.7%和11.5%。當(dāng)減氮11.1%(施氮量為240 kg·hm-2)時(shí)，玉米產(chǎn)量達(dá)到最大，為945.4 g·m-2。大量的研究表明，施氮可以增加玉米穗粒數(shù)、果穗長(zhǎng)、果穗粗、百粒重，從而增加產(chǎn)量。隨著施氮量的增加，果穗長(zhǎng)、果穗粗及產(chǎn)量增加[22-25]，過(guò)高的施氮量并不會(huì)立即表現(xiàn)為倒伏和產(chǎn)量下降[26]。本研究結(jié)果與一些學(xué)者的觀點(diǎn)一致[14,27-28]。當(dāng)施氮量為240 kg·hm-2時(shí)，本研究地區(qū)春玉米產(chǎn)量達(dá)到最大值。品種、種植條件和土壤條件不同，合理的施氮量也有所差異[29]。草甸土春玉米的合理施氮量為200 kg·hm-2左右[30]；黑土地春玉米的推薦施氮量為165 kg·hm-2以內(nèi)[31]。由此可見(jiàn)，氮肥施用過(guò)多并不能有效的促進(jìn)產(chǎn)量的形成，而適宜的氮肥施用量可以在降低氮肥投入的同時(shí)保證產(chǎn)量的穩(wěn)定提高。

(3)從籽粒品質(zhì)來(lái)看，減氮導(dǎo)致玉米丹玉405籽粒脂肪含量減少，淀粉含量增加，氨基酸和粗蛋白含量呈先增加后減少趨勢(shì)。隨著減氮量的增加，脂肪含量減少幅度減小，玉米籽粒淀粉含量增加幅度提高。減氮11.1%時(shí)，玉米籽粒脂肪含量最少，為2.4 g·100 g-1；氨基酸含量最大，為83.9 μmol·g-1；粗蛋白含量最高，為6.8%。安江勇等[32]發(fā)現(xiàn)，減氮減少玉米淀粉和粗蛋白含量。這可能是由于不同玉米品種的基因型以及某些酶的影響，籽粒品質(zhì)是由基因型和外界環(huán)境條件等諸多因素共同決定的[33]。已有大量研究表明[34-35],適量減氮能提高玉米品質(zhì)，過(guò)量施氮玉米品質(zhì)會(huì)下降。為了進(jìn)一步探究減量施氮對(duì)玉米品質(zhì)的影響機(jī)理，需要對(duì)不同品種的情況進(jìn)行全面研究。