尉亞囡, 薄其飛, 唐安, 高嘉瑞, 馬田, 尉熊熊, 張方方, 周祥利，岳善超, 2, 李世清, 2

長期覆膜和施用有機肥對黃土高原春玉米產量和品質的效應

1西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3西北農林科技大學生命科學學院，陜西楊凌 712100

【目的】通過田間定位試驗探究長期覆膜和施用有機肥對春玉米產量、品質、干物質累積和氮素吸收的影響?！痉椒ā块L期定位試驗在中國科學院水利部水土保持研究所長武黃土高原農業(yè)生態(tài)試驗站開展。試驗設4個處理：覆膜，不施氮，作為對照（F）；不覆膜，施氮225 kg·hm-2（N）；覆膜，施氮225 kg·hm-2（FN）；覆膜，施氮225 kg·hm-2，并施有機肥（FSN）。2020和2021年在玉米吐絲期（R1）和收獲期（R6）分別采集植株樣品，測定植株生物量，并按器官分類測定不同部位的氮含量，收獲期測定玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉含量。【結果】（1）施氮條件下覆膜顯著提高春玉米產量，覆膜條件下增施有機肥能使產量進一步提高。不覆膜施氮處理與對照相比增產106%—176%，覆膜處理在此基礎上產量增加21%—75%，在覆膜條件下增施有機肥后進一步增產6%—8%。（2）施氮條件下覆膜顯著提高春玉米干物質累積和氮素吸收，施用有機肥后二者進一步得到提高。（3）不覆膜施氮處理的粗蛋白含量為8.67%—8.94%，施氮條件下覆膜使粗蛋白含量提高至8.99%—9.34%，增施有機肥后粗蛋白含量沒有進一步提高。3個處理間粗脂肪和粗淀粉含量沒有顯著差異?！窘Y論】覆膜（FN）可以顯著提高春玉米產量和粗蛋白含量，覆膜條件下增施有機肥（FSN）在維持籽粒粗蛋白含量的基礎上進一步增加產量，實現(xiàn)春玉米的高產優(yōu)質。

春玉米；覆膜；有機肥；產量；粗蛋白；粗脂肪；粗淀粉

0 引言

【研究意義】玉米是重要的糧食、飼料和經濟兼用作物，在我國主要糧食作物中播種面積最大，總產量最高[1]。2020年全國玉米平均產量6.3 t·hm-2，僅實現(xiàn)產量潛力的45%左右，還存在極大的增產空間[2-4]。從營養(yǎng)的角度看，玉米是淀粉、蛋白質和脂質的良好來源，到2050年全球對于作物蛋白質的需求將增加110%左右[5]。除了食用價值，玉米淀粉和脂肪在工業(yè)和生物等領域也具有非常廣泛的用途[6]，這意味著玉米的高品質與高產同樣重要?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明，玉米的產量和品質均受遺傳特性、栽培措施、生態(tài)環(huán)境和土壤養(yǎng)分狀況等的影響[7-10]。遺傳特性對于玉米產量產生的影響主要表現(xiàn)在不同品種間的產量差異，自20世紀中期至今，我國玉米產量持續(xù)穩(wěn)定增長離不開優(yōu)良品種的不斷更新[11-12]。但事實上，在影響產量增加的因素中，遺傳因素只占比13%，農藝管理措施卻占比高達39%，是遺傳因素占比的3倍，玉米雜交種的產量和品質在空間上沒有顯著變化[13]，這意味著未來作物產量的增長將越來越依賴農藝措施的改進[14]。因地制宜的栽培措施更有利于作物基因型的表達[15]，通過覆蓋、起壟等措施改善土壤水熱狀況，在我國西北地區(qū)使作物最高增產84.7%[16]。合理施用氮肥不僅可以提高生育期內氮素累積和干物質累積進而達到增產效果[17-20]，有機無機肥配施也可以在保持玉米高產的同時改善土壤肥力[21-22]。但隨著玉米單產的不斷提高，籽粒蛋白質濃度等品質卻有所下降[3]。因此，在保障玉米增產的同時確保品質的提高具有重要意義。目前針對玉米籽粒營養(yǎng)品質的研究多集中在品種與施氮量方面，對于長期覆膜、施用有機肥等措施能否在穩(wěn)定高產的條件下保持籽粒高品質尚不明確。【本研究切入點】黃土高原地區(qū)是我國典型旱作區(qū)，玉米是當?shù)刂饕Z食作物，近年來覆膜作為增產的關鍵技術在該區(qū)域得到大面積推廣應用，但對于覆膜、有機肥施用的研究主要集中在籽粒產量和農田土壤固碳方面，明確長期覆膜和施用有機肥在增產的同時能否保持玉米籽粒高品質具有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于2009年開始的定位試驗，研究長期地膜覆蓋和有機肥施用對玉米產量和籽粒品質的影響，以期為黃土高原旱作玉米持續(xù)優(yōu)質高產提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間定位試驗在中國科學院水利部水土保持研究所長武黃土高原農業(yè)生態(tài)試驗站進行。該站位于陜西省咸陽市長武縣洪家鎮(zhèn)王東村（35°12′N，107°40′E，海拔1 220 m），屬典型的旱作農業(yè)區(qū)，地貌為高原溝壑，地帶性土壤為黑壚土。試驗區(qū)氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水578 mm（其中73%分布于5—9月，與春玉米生長季重合）；年均氣溫9.7℃（5—9月平均溫度為19℃），無霜期171 d。長期試驗從2009年開始，種植作物為春玉米，單作，每年4月底播種，9月底收獲，至本研究樣品采集時，已經連續(xù)11年。試驗開始前0—20 cm土層理化性質見表1。2020和2021年春玉米生育期日均氣溫和降雨情況如圖1所示，兩年春玉米生育期內降水量分別為413和380 mm。

表1 試驗前土壤基本理化性質

圖1 2020和2021年試驗區(qū)降雨量和氣溫

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設置4個處理，即覆膜，不施氮，作為對照（F）；不覆膜，施氮225 kg·hm-2（N）；覆膜，施氮225 kg·hm-2（FN）；覆膜，施氮225 kg·hm-2并施入有機肥（FSN）。小區(qū)面積為56 m2（7 m×8 m），白色地膜全膜覆蓋模式，玉米品種為先玉335。

氮肥分3次施入，基肥在播種前施入，拔節(jié)期和吐絲期進行追肥，3次施肥按照4﹕3﹕3的比例施用。施入的氮肥為含氮量46%的尿素。磷肥、鉀肥和有機肥在玉米播種前一次施入，施入量為40 kg P2O5·hm-2、80 kg K2O·hm-2，磷肥品種為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥品種為硫酸鉀（含K2O 45%），有機肥為自然堆腐牛糞，施用量為30 t·hm-2。

2020年4月24日播種，9月24日收獲計產；2021年4月30日播種，9月22日收獲計產。分別在玉米吐絲期（R1）及收獲期（R6）采集植株樣品。R1期時將植株按器官分為莖、葉及穗，R6期將植株按器官分為莖、葉、籽粒、穗軸及苞葉。所有植物樣品在105℃下殺青30 min后，在80℃下烘至恒重，稱干重后，用粉碎機粉碎植物樣品，測定植株全氮含量。收獲時每個小區(qū)選取8 m2作為測產區(qū)，計算籽粒產量（按含水量15.5%折算）。采用DA-7250近紅外谷物分析儀測定玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉含量。

1.3 計算公式

氮素累積量=干物質累積量×氮素含量；

吐絲后氮素累積量=成熟期氮素累積量-吐絲期氮素累積量；

收獲指數(shù)（HI）=籽粒產量/收獲期干物質累積量；

氮素收獲指數(shù)（NHI）=收獲期籽粒氮素累積量/收獲期地上部氮素累積量；

粗蛋白產量=籽粒產量×粗蛋白含量；

粗脂肪產量=籽粒產量×粗脂肪含量；

粗淀粉產量=籽粒產量×粗淀粉含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Microsoft Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，采用 SPSS 18.0 進行方差齊性檢驗，方差分析和相關性分析，采用Origin2021b作圖。

2 結果

2.1 春玉米籽粒產量和各項品質指標

施氮和覆膜顯著影響春玉米產量（表2）。F處理產量最低，僅為4.24—4.94 t·hm-2，不覆膜施氮處理（N）的產量為10.24—11.74 t·hm-2，和對照（F）相比增產106%—176%。覆膜條件下（FN），產量提高至14.19—17.84 t·hm-2，和不覆膜（N）相比增加了21%—74%。在覆膜條件下增施有機肥后產量進一步提高至15.04—19.34 t·hm-2，進一步增產6%—8%。

玉米粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉產量的變化趨勢和籽粒產量的變化趨勢基本一致。兩年間的粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉產量均為FSN＞FN＞N＞F處理。對于粗蛋白產量，相比于不施氮肥處理，不覆膜施氮處理增加192%—264%，與不覆膜相比覆膜增加26%—81%，在覆膜條件下增施有機肥后進一步增加4%—12%。各處理粗蛋白產量的增加比例均高于籽粒產量的增加比例。對于粗脂肪產量，相比于不施氮肥處理，不覆膜施氮處理增加95%—135%，增加比例低于籽粒產量的增加比例；和不覆膜相比覆膜增加26%—61%，在覆膜條件下增施有機肥后進一步增加8%—17%。對于粗淀粉含量的增加比例，和籽粒產量的增加比例基本一致。

表2 春玉米籽粒產量與粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉產量

F：覆膜、不施氮肥（對照）；N：不覆膜、施氮225 kg·hm-2；FN：覆膜、施氮225 kg·hm-2；FSN：覆膜、施氮225 kg·hm-2，并施入有機肥。每年同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

F: Film mulching no nitrogen fertilizer treatment (control); N: No film mulching, nitrogen 225 kg·hm-2; FN: Film mulching, nitrogen 225 kg·hm-2; FSN: Film mulching, nitrogen 225 kg·hm-2, and apply organic fertilizer. Values followed by different lowercase letters in the same column each year are significantly different between the treatments at the 0.05 level. The same as below

2.2 春玉米干物質累積及收獲指數(shù)

施氮和覆膜都顯著提高了春玉米總干物質累積量（圖2），兩年間總干物質累積量大小均依次為FSN＞FN＞N＞F處理。和不施氮肥處理，不覆膜施氮處理總干物質累積量增加84%—171%，與不覆膜相比，覆膜處理總干物質累積量增加16%—78%，在覆膜條件下增施有機肥后總干物質累積量進一步增加9%—10%。對于吐絲前干物質累積量，與不覆膜相比，覆膜處理增加32%—116%，在覆膜條件下增施有機肥后進一步增加20%—42%。而對于吐絲后干物質累積量，和不覆膜處理相比，覆膜處理增加7%—59%，在覆膜條件下增施有機肥后沒有進一步增加。不覆膜施氮處理、覆膜施氮處理和覆膜條件下增施有機肥處理的HI無顯著差異，均在0.50—0.56之間。

2.3 春玉米氮素累積和氮收獲指數(shù)

施氮和覆膜都顯著提高了春玉米總吸氮量（圖3），兩年間總吸氮量大小均依次為FSN＞FN＞N＞F處理。和不施氮肥處理相比，不覆膜施氮處理總吸氮量增加255%—284%，與不覆膜施氮處理相比，覆膜處理總吸氮量增加24%—80%，在覆膜條件下增施有機肥后總吸氮量進一步增加15%—22%。對于吐絲前吸氮量，和不覆膜處理相比，覆膜處理增加33%—87%，在覆膜條件下增施有機肥后吐絲前吸氮量進一步增加42%—53%。而對于吐絲后吸氮量，和不覆膜處理相比，覆膜處理增加12%—72%，在覆膜條件下增施有機肥后沒有進一步增加。不覆膜施氮處理、覆膜施氮處理和覆膜條件下增施有機肥處理的NHI無顯著差異，均在0.69—0.76之間。

2.4 玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪和粗淀粉含量

圖4顯示，施用氮肥顯著提高了春玉米籽粒粗蛋白含量。F處理的粗蛋白含量最低，僅為6.15%—6.80%；N處理為8.67%—8.94%。覆膜條件下（FN），粗蛋白含量提高至8.99%—9.34%，而在覆膜條件下增施有機肥后，粗蛋白含量沒有進一步提高。對于粗脂肪含量，F(xiàn)處理最高，其余處理間無顯著差異，含量范圍為3.53%—5.05%。施氮及覆膜對于籽粒粗淀粉含量沒有顯著影響，兩年籽粒粗淀粉含量都穩(wěn)定在75%左右。

雙變量Pearson檢驗結果（表3）顯示，粗蛋白含量與吐絲前吸氮量呈顯著正相關關系（=0.807，=0.015＜0.05），與吐絲后吸氮量也呈顯著正相關關系（=0.736，=0.037＜0.05），與總吸氮量呈極顯著正相關關系（=0.894，=0.003＜0.01），而粗脂肪和粗淀粉含量與吸氮量不存在相關關系。

柱上不同字母表示在不同處理之間差異顯著（P＜0.05），圖a、b不同大寫字母表示生育時期總干物質累積之間差異顯著（P＜0.05），不同小寫字母分別表示吐絲前、吐絲后干物質累積差異顯著（P＜0.05）。下同

表3 春玉米籽粒品質與氮素吸收的相關性分析

*.＜0.05, **.＜0.01

圖3 2020—2021年各處理春玉米氮素吸收量（吐絲前和吐絲后）和氮收獲指數(shù)

3 討論

3.1 長期覆膜和施用有機肥對旱作春玉米籽粒產量的影響

相比于不覆膜施氮處理，在施氮條件下覆膜顯著提高了春玉米籽粒產量。在本研究中，施氮和覆膜同時實現(xiàn)了高產量和高品質。兩年中，F(xiàn)N和FSN實現(xiàn)的籽粒產量分別為14.19、17.84 t·hm-2和15.04、19.34 t·hm-2，分別達到了西北地區(qū)產量潛力的71%、90%和76%和97%，顯著高于全國平均產量，這一產量水平略高于美國玉米帶和南歐的產量水平[23]。水分是干旱地區(qū)作物生長的關鍵因素，缺乏水分會導致作物氮素吸收、轉移和運輸受限。地膜覆蓋可以顯著增加土壤貯水量[24]，保證氮肥在土壤中的轉移、吸收和植物體內的代謝，充分發(fā)揮肥效[25-27]。同時地膜覆蓋的增溫保墑作用也促進了作物根系生長發(fā)育，有利于根系對水分和養(yǎng)分的吸收利用[28]，進而提高作物干物質累積和吸氮量，為籽粒高產奠定物質基礎。FN和FSN的高產主要來源于其高干物質累積和高氮素吸收，這一結果與前人研究一致[29-31]。但高產玉米普遍在吐絲后具有更高的干物質累積[30-31]，而2020年，F(xiàn)SN處理吐絲后干物質累積（12.1 t·hm-2）略低于吐絲前干物質累積（13.2 t·hm-2），這可能是由于2020年生育前期降雨較多，冠層結構較差，冠層內透光率低[32]；生育后期降雨較少，溫度較低，不利于光合速率、SPAD和LAI等有利于改善干物質累積和氮素吸收的因素[33]維持在較高水平，導致吐絲后干物質累積較低。生育后期養(yǎng)分的持續(xù)供應是春玉米高產的重要因素[34]。有機肥中的氮素緩速釋放，使土壤具有更加持久的供氮能力，在作物生育后期能夠獲得更充足的氮素供應。同時有機肥能夠提高土壤中微生物的活性和數(shù)量，使更多無機氮被微生物快速固定，提高氮素利用效率。施用有機肥通過增加農田土壤團聚體穩(wěn)定性進而提高土壤固碳速率，有利于土壤中有機碳的累積，提高土壤肥力[35]，彌補了覆膜可能導致的土壤質量下降問題[36]，因此獲得了更高的產量。

圖4 2020、2021年各處理春玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量

3.2 長期覆膜和施用有機肥對旱作春玉米籽粒品質的影響

FN和FSN處理兩年平均籽粒粗蛋白含量分別達到9.16%和9.23%，顯著高于F（6.48%）和N（8.80%）處理，并且高于1991—2011年全球玉米蛋白質含量的統(tǒng)計平均值（7.5%）[3]，說明適量施氮條件下覆膜會在提高產量的同時提高籽粒粗蛋白含量，不會引起產量提高導致的“稀釋效應”[37]，這與前人研究結果一致[38-40]。籽粒粗蛋白的含量取決于植物體的吸氮量，覆膜條件下土壤水分良好，有利于玉米生育后期根系發(fā)育和保持活力，促進根系對氮素的吸收[41]。有機肥施用保證了吐絲后較高的氮吸收，改善了玉米在灌漿階段碳和氮代謝之間的不協(xié)調，也滿足了籽粒中蛋白質合成的氮素需求，最終提高了玉米籽粒粗蛋白含量[42]。其次，覆膜有效促進了花前吸收的氮素向籽粒轉移[18]，使得最終籽粒粗蛋白含量增加。

有研究結果表明，玉米籽粒含油量隨著施氮量的降低而降低[43]，更多研究結果表明，玉米籽粒含油量的高低與氮肥施用并沒有顯著相關關系，而是由催化油合成的最后一步的酶二?；视王；D移酶決定[44-45]。在本研究中，除對照外，地膜覆蓋和有機肥施用并沒有影響籽粒粗脂肪和粗淀粉的含量。

4 結論

在黃土高原旱作區(qū)，覆膜可以提高春玉米氮素吸收和干物質累積，在增加籽粒產量的同時也顯著提高籽粒粗蛋白含量。覆膜條件下配施有機肥更有利于提高春玉米產量，避免因產量提高而導致籽粒品質的“稀釋效應”，實現(xiàn)春玉米的高產優(yōu)質。

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Effects of Long-Term Film Mulching and Application of Organic Fertilizer on Yield and Quality of Spring Maize on the Loess Plateau

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi;2State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi;3College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The aim of this study was to investigate the effects of long-term film mulching and application of organic fertilizer on yield, quality, dry matter accumulation and nitrogen uptake of spring maize through long-term localized field experiments. 【Method】The long-term experiment began in 2009 at the Changwu Agri-Ecological Station, and the samples were collected in 2020 and 2021. The field experiments were conducted with four treatments: mulching, no N (F), no mulching, N 225 kg·hm-2(N), mulching, N 225 kg·hm-2(FN), and mulching, N 225 kg·hm-2and apply organic fertilizer (FSN). Plant samples for measuring total biomass were collected at silking stage (R1) and harvest stage (R6). The samples were divided into different parts as required, and the total N content was determined. Crude protein, crude fat and crude amylum concentrations of maize grain were determined at harvest. 【Result】(1) Mulching under nitrogen application significantly increased the yield of spring maize, while additional application of organic fertilizer under mulching further increased the yield. Compared with the control, the N treatment increased the yield by 106%-176%. The FN treatment increased the yield by 21%-75% on this basis, and the FSN treatment was further increased by 5.6%-8.4%. (2) Mulching under nitrogen application significantly increased the dry matter accumulation and N uptake of spring maize, and the two indicators were further improved after the application of organic fertilizer. (3) The crude protein content under N treatment was 8.67%-8.94%, while the crude protein content under FN treatment increased to 8.99%-9.34%. The crude protein content of the FSN treatment was not further improved. There were no significant differences in crude fat and crude amylum content between the treatments. 【Conclusion】FN treatment significantly increased the yield and crude protein content of spring maize. The application of organic fertilizer under FSN further increased the yield on the basis of maintaining the crude protein content of the grain, and realized the high yield and high quality of spring maize.

spring maize; plastic mulching; organic fertilizer; yield; crude protein; crude fat; crude amylum

2022-03-31；

2022-06-24

國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1900700）

尉亞囡，E-mail：1500624759@qq.com。通信作者李世清，E-mail：sqli@ms.iswc.ac.cn。通信作者岳善超，E-mail：yueshanchao@ms.iswc.ac.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.008

（責任編輯 李云霞）