淺埋滴灌下尿素減量配施UAN對(duì)春玉米干物質(zhì)積累及氮效率的影響

邰繼承，韓鎂琪，楊恒山，張玉芹，馬金慧，郭曉旭

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028043)

玉米是我國三大主糧作物之一，玉米種植對(duì)我國糧食安全的保障起著重要支撐作用[1]。西遼河平原地處北緯45°附近的世界黃金玉米帶，土地集中連片并有較好的井灌條件，具有實(shí)現(xiàn)玉米大面積高產(chǎn)的優(yōu)勢，種植面積常年穩(wěn)定在6.0×105hm2左右，單產(chǎn)較全國平均高40%以上，總產(chǎn)約占自治區(qū)玉米總產(chǎn)的30%，已成為我國玉米種植的主要地區(qū)之一[2]。有研究表明，化肥投入對(duì)玉米增產(chǎn)貢獻(xiàn)率達(dá)46.2%[3-4]。氮是促進(jìn)玉米生長的重要元素，前人研究表明，施氮可以顯著提高產(chǎn)量，但施氮到一定程度，產(chǎn)量增加不明顯甚至?xí)霈F(xiàn)下降[5-6]。為追求作物高產(chǎn)而多量施氮在我國已成常態(tài)，文獻(xiàn)報(bào)道西遼河平原區(qū)玉米氮肥的推薦施用量為 150.0～211.5 kg/hm2[7-8]。而張玉芹等[9]近年來在該地區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，玉米氮平均施用量達(dá) 272 kg/hm2，遠(yuǎn)超過推薦量；其中施氮量大于 240 kg/hm2的比例高達(dá)69.5%[10]。過量施氮會(huì)造成土壤中氮素大量盈余，并通過氨揮發(fā)及硝酸鹽淋溶污染環(huán)境，這在我國已成為典型的農(nóng)業(yè)面源污染問題。鑒于此，2015 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)的《關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》中提出，開展“一控兩減三基本”行動(dòng)，旨在通過政策引導(dǎo)減少農(nóng)田化肥施用量[11]。

西遼河平原屬半干旱地區(qū)，人均水資源量683 m3，僅為全國人均的1/4[12]。由于地表水資源匱乏，地下水資源作為主要供水來源，超采面積不斷增加，并形成了明顯的地下水漏斗區(qū)，平均地下水埋深由20世紀(jì)80年代的 2.39 m增加到6.23 m，個(gè)別地區(qū)達(dá)到 15.6 m[13]。農(nóng)業(yè)用水總量占總用水量的60%以上，且利用系數(shù)僅為0.52，遠(yuǎn)低于歐美國家的0.70～0.80水平，西遼河平原未來發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行[14-15]。淺埋滴灌技術(shù)是一種高效根系局部灌溉形式，2004年該地區(qū)開始嘗試應(yīng)用于玉米種植，現(xiàn)已在玉米種植上得到廣泛應(yīng)用。UAN溶液(Urea Ammonium Nitrate)即尿素硝酸銨溶液，1961年生產(chǎn)于美國，2010年我國開始進(jìn)口，2012年河南晉開集團(tuán)UAN溶液項(xiàng)目開始投產(chǎn)。在多個(gè)地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，UAN可顯著提高氮效率，獲得可觀的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[16-17]。也有研究表明，其與尿素相比更適用于滴灌系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊[18]。春玉米淺埋滴灌技術(shù)現(xiàn)已成為內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)主推技術(shù)，而施氮品種相對(duì)較為單一，仍以尿素為主，未見UAN及其他高效液體肥施用的相關(guān)報(bào)道[19-21]。

本試驗(yàn)通過2 a大田試驗(yàn)，研究西遼河平原春玉米淺埋滴灌種植中尿素減量配施UAN不同配比對(duì)其物質(zhì)積累、氮利用效率及產(chǎn)量的影響，以期尋求淺埋滴灌條件下尿素+UAN的適宜配比，從而為實(shí)現(xiàn)西遼河平原春玉米持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和養(yǎng)分資源高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地區(qū)自然概況

試驗(yàn)于2018—2019年在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)高新科技示范園區(qū)(43°36′N，122°22′E，海拔高度為178 m)進(jìn)行，試驗(yàn)地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期且光熱資源充足，年平均氣溫6.80 ℃；無霜期150 d左右，年均降水量380 mm，試驗(yàn)期間氣象條件見表1。試驗(yàn)地土壤為灰色草甸土，是當(dāng)?shù)刂饕寥李愋?。播前土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.85 g/kg、全氮含量為0.81 g/kg、堿解氮含量為46.78 mg/kg、速效磷含量為10.23 mg/kg、速效鉀含量為101.23 mg/kg。

表1 試驗(yàn)期間氣象條件Tab.1 The meteorological conditions during the test

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試液體肥為晉開雨露UAN 營養(yǎng)液，總氮含量32.0%，其中NH4+-N、NO3--N含量均為7.8%，酰胺態(tài)氮含量為16.5%，pH值6.80，由河南省晉開化工投資集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)；種植玉米品種為農(nóng)華101，大小壟種植(40，80 cm)，密度7.50萬株/hm2。各處理均底施過磷酸鈣(P2O5≥18%)500 kg/hm2，硫酸鉀(0-0-50)90 kg/hm2。試驗(yàn)以常規(guī)追施尿素(CK1，570 kg/hm2)為對(duì)照，同時(shí)，設(shè)置不施氮處理(CK2)用于計(jì)算氮效率，在此基礎(chǔ)上設(shè)置2個(gè)不同比例減施尿素梯度和相應(yīng)配施UAN處理(見表2)。本試驗(yàn)中各處理均采用淺埋滴灌方式，追施氮肥按3∶6∶1的比例分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期隨滴灌進(jìn)行。采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)處理面積400 m2。2018年4月28日種植，9月30日收獲；2019年4月29日種植，10月1日收獲。

表2 試驗(yàn)各處理施氮水平及方式Tab.2 The nitrogen application level and method of each treatment were tested

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 各小區(qū)測產(chǎn)面積24 m2，人工脫粒后折算成含水率14%的產(chǎn)量；并調(diào)查該面積內(nèi)株數(shù)、穗數(shù)、雙穗數(shù)、空稈數(shù)、倒伏數(shù)；同時(shí)，每小區(qū)取樣10穗帶回實(shí)驗(yàn)室，待自然風(fēng)干后進(jìn)行考種調(diào)查穗粒數(shù)，測定千粒質(zhì)量。

1.3.2 測定項(xiàng)目和指標(biāo) 分別在吐絲期和完熟期選取有代表性連續(xù)3株植株，3次重復(fù)，按器官分離，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒質(zhì)量測定干物質(zhì)質(zhì)量；之后分別取樣品適量進(jìn)行粉碎，用半微量凱氏定氮法測定各器官氮含量[22]。氮積累量=器官干物質(zhì)質(zhì)量×相應(yīng)氮含量[23]。

1.4 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

吐絲前干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量=吐絲期干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量；吐絲后干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量=完熟期-吐絲期干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量；干物質(zhì)(養(yǎng)分)轉(zhuǎn)運(yùn)量=吐絲后15 d營養(yǎng)器官干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量-完熟期相應(yīng)器官干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量；干物質(zhì)(養(yǎng)分)轉(zhuǎn)運(yùn)率=器官干物質(zhì)(養(yǎng)分)轉(zhuǎn)運(yùn)量/吐絲期后15 d營養(yǎng)器官干物質(zhì)(養(yǎng)分)積累量×100%；干物質(zhì)(養(yǎng)分)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率=干物質(zhì)(養(yǎng)分)轉(zhuǎn)運(yùn)量/完熟期籽粒干質(zhì)量(養(yǎng)分積累量)×100%；氮肥農(nóng)學(xué)效率(Nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/氮肥施用量；氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen partial factor productivity，NPFP，kg/kg)=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量；氮肥吸收效率(Nitrogen uptake efficiency，NUPE，kg/kg)=完熟期植株總積累氮量/施氮量；氮肥貢獻(xiàn)率(Nitrogen contribution efficiency，NCE，%)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%[24]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法檢驗(yàn)處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響

由表3可知，從2 a玉米產(chǎn)量和氮投入角度來看，N2U處理表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。N2U處理產(chǎn)量最高，N2U顯著高于 N1U處理(P<0.05)，2018年和2019年N2U處理產(chǎn)量分別較N1U增加6.14%和6.03%；CK1處理亦顯著高于N1U處理，但N2U與CK1處理的差異不顯著。綜合來看，與CK1相比，N2U處理在總體減氮25.12%條件下，產(chǎn)量無顯著影響，但N1U處理在總體減氮51.42%條件下產(chǎn)量顯著降低(P<0.05)。

表3 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effect of urea reduction with UAN on yield and its components of spring maize

2.2 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米各器官干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒貢獻(xiàn)率的影響

由表4可知，不同處理間總干物質(zhì)積累量(莖鞘+葉片+籽粒)在吐絲期和完熟期均表現(xiàn)為N2U處理最高，其次是N1U處理，但二者間除完熟期2019年外差異不顯著；N2U處理總干物質(zhì)積累量顯著高于CK1處理(P<0.05)，N2U處理較CK1處理分別在吐絲期、完熟期高了12.84%～16.40%和6.05%～9.76%。N2U處理莖鞘、葉片干物質(zhì)積累量在吐絲期和完熟期均最高，吐絲期與N1U處理的差異不顯著，但顯著高于CK1處理(P<0.05)；N1U處理和CK1處理的差異不顯著。完熟期籽粒積累量也均表現(xiàn)為N2U處理最高，與CK1差異顯著。

表4 尿素減量配施UAN配施對(duì)春玉米各器官干物質(zhì)積累量的影響Tab.4 Effect of urea reduction with UAN on dry matter accumulation in organs of spring maize

由表5可知，不同處理均表現(xiàn)為莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量大于葉片，而處理間的比較發(fā)現(xiàn)莖鞘和葉片群體干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量N2U處理最高，其次依次是N1U和CK1處理，CK2處理最?。籒2U處理與CK1處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，但N2U與N1U處理差異不顯著；總干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量2 a也是均表現(xiàn)為N2U處理最高，這與莖鞘和葉片群體干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量的變化是一致的。不同處理的器官轉(zhuǎn)運(yùn)率均表現(xiàn)為莖鞘大于葉片；莖鞘和葉片的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率也是N2U處理最高，并與CK1處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；N1U處理葉片的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率顯著高于CK1處理(P<0.05),葉片器官轉(zhuǎn)運(yùn)率在CK1的基礎(chǔ)上，N2U、N1U處理分別提高10.51%～18.79%，9.84%～11.93%。各器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率N2U處理最高，并與CK1處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表5 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米群體干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和籽粒貢獻(xiàn)率的影響Tab.5 Effect of urea reduction with UAN on the dry matter translocation and dry matter translocation rate and grain contribution rate of spring maize

2.3 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒貢獻(xiàn)率的影響

由表6可知，不同處理均表現(xiàn)吐絲期葉片氮積累量大于莖鞘，完熟期氮積累量除CK2處理以外則表現(xiàn)為莖鞘大于葉片。吐絲期無論是總氮積累量(莖鞘+葉片+籽粒)還是莖鞘、葉片氮積累量均為N2U處理最高，其次為N1U，然后是CK1處理，各處理間差異均達(dá)顯著差異(P<0.05)。完熟期總氮積累量(莖鞘+葉片+籽粒)以N2U處理最高，并與其他處理間達(dá)顯著差異水平，分別高出N1U、CK1處理13.54%～15.09%，20.55%～42.29%；籽粒氮積累量N2U處理顯著高于其他各處理(P<0.05)，N1U處理與CK1處理差異不顯著。

表6 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米氮積累量的影響Tab.6 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen accumulation of spring maize

由表7可知，各處理葉片的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量均大于莖鞘；總氮(莖鞘+葉片)轉(zhuǎn)運(yùn)量、莖鞘氮轉(zhuǎn)運(yùn)量和葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)量的變化趨勢一致，均為N2U處理最高，并與其他處理間達(dá)到顯著差異(P<0.05)；N1U處理其次，除了2018年葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)量以外，也是顯著高于CK1處理(P<0.05)?？偟D(zhuǎn)運(yùn)量N2U處理較CK1提高41.95%～47.27%，N1U處理較CK1提高17.34%～24.55%；N2U處理較N1U提高18.24%～20.97%。春玉米群體氮轉(zhuǎn)運(yùn)率各處理均為葉片大于莖鞘；莖鞘和葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)率N2U、N1U和CK1處理之間均無顯著差異。莖鞘和葉片的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率N2U、N1U處理間差異不顯著，但均顯著高于CK1處理(P<0.05)。

表7 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)率及籽粒貢獻(xiàn)率的影響Tab.7 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen transshipment and nitrogen translocation rate and grain contribution rate of spring maize population

2.4 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米氮效率的影響

氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥吸收效率均有隨著施氮量減少而增加的趨勢，N1U處理由于相比N2U和CK1處理總施氮量減少35.12%和51.42%，而氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥吸收效率均顯著高于N2U和CK1處理，N2U處理亦是顯著高于CK1處理(表8)。而氮肥貢獻(xiàn)率N2U處理最高，但與CK1處理差異不顯著，二者均顯著高于N1U處理(P<0.05)。

表8 尿素減量配施UAN對(duì)春玉米氮肥效率的影響Tab.8 Effect of urea reduction with UAN on nitrogen efficiency of spring maize

3 討論與結(jié)論

玉米持續(xù)增產(chǎn)是保障我國糧食安全的關(guān)鍵，氮是玉米生長發(fā)育中重要的營養(yǎng)元素之一，又是土壤中相對(duì)較為缺乏的元素。因而為了獲得較高的產(chǎn)量，大量施氮成為廣大種植戶采用的普遍措施，但大多數(shù)種植戶對(duì)氮肥施用缺乏合理、科學(xué)的判斷。而過量氮肥施用不僅不會(huì)提高產(chǎn)量可能還會(huì)降低產(chǎn)量，同時(shí)引起農(nóng)業(yè)面源污染[25]。適宜的氮肥投入，則應(yīng)該是在保障作物高產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)高效利用和生態(tài)友好。

以往研究表明，不同氮施用量和種類處理氮肥利用率也明顯不同，因此，玉米生產(chǎn)中合理施用氮肥尤為重要。任世鑫等[26]研究表明，內(nèi)蒙古玉米種植氮肥施用量達(dá)到配方肥施用上限值的 1.5倍以上，氮肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。尿素因其含氮量高以及較好的溶解性而成為主要施用的氮肥品種，但易受環(huán)境影響而發(fā)生各種途徑的損失[27]。有研究表明，無論是喜銨作物還是喜硝作物，銨硝混合營養(yǎng)較相對(duì)單一營養(yǎng)更能使作物獲得高產(chǎn)[28-29]。國內(nèi)在馬鈴薯[30]、番茄[31]和棉花[32]上開展的相關(guān)研究均表明，施用 UAN 與傳統(tǒng)尿素相比提高了氮素利用率，并有較好的增產(chǎn)效果。本試驗(yàn)結(jié)果表明，尿素減量配施UAN，完熟期總氮積累量以N2U處理最高，顯著高于常規(guī)尿素CK1處理，相比CK1提高20.55%～42.29%，籽粒氮積累量N2U處理顯著高于其他各處理；但N1U處理與CK1處理差異不顯著。說明尿素減量配施UAN，可以發(fā)揮UAN多態(tài)氮素的優(yōu)勢，保障最終產(chǎn)量，提高氮素利用率，但大量減施尿素，少量增施UAN可能會(huì)影響產(chǎn)量。這與張運(yùn)紅等[33]在小麥上施用UAN 的效果研究一致，同等施氮條件下，優(yōu)于尿素，UAN 減氮 20% 處理與尿素全量處理相比也不減產(chǎn)。但與徐麗萍等[34]在潮土玉米種植試驗(yàn)減施 UAN 20% 降低了玉米籽粒的干質(zhì)量和吸氮量結(jié)果不同。這可能與土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分條件有關(guān)，徐麗萍等[34]所用潮土氮素水平較低，堿解氮含量32.7 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量僅3.68 g/kg，供氮強(qiáng)度和供氮潛力均較低。所以，本研究2 a的試驗(yàn)結(jié)果可能存在一定的時(shí)間效應(yīng)；同期試驗(yàn)也表明，UAN具有相對(duì)較高的氮素利用率和產(chǎn)量，是由于多態(tài)氮促進(jìn)了玉米根系生長，提高了根系活力特別是深層根系活力，增加了對(duì)土壤中存在的原有氮素的吸收利用能力。所以，當(dāng)大量減少氮肥的用量時(shí)，或者長期試驗(yàn)下土壤中氮素養(yǎng)分消耗至某一水平，則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。王寅等[35]研究也表明，施用 UAN在促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收的同時(shí)降低了土壤內(nèi)氮的殘留量。

物質(zhì)積累是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，其積累量在一定程度上也決定著最終籽粒產(chǎn)量的高低。玉米籽粒產(chǎn)量是由生育期內(nèi)干物質(zhì)和養(yǎng)分的積累、分配和轉(zhuǎn)移特性所決定的。圍繞玉米的物質(zhì)和養(yǎng)分積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，結(jié)果表明，籽粒灌漿物質(zhì)來源除花后同化產(chǎn)物，還包括花前儲(chǔ)存于營養(yǎng)器官中，后轉(zhuǎn)移到籽粒中去的同化產(chǎn)物[36]。黃智鴻等[37]的研究結(jié)果進(jìn)一步表明，玉米籽粒產(chǎn)量在很大程度上取決于后期的光合生產(chǎn)能力。本研究結(jié)果表明，尿素減量配施UAN玉米生育后期具有較大的干物質(zhì)積累優(yōu)勢，N2U處理雖然相比CK1減氮25.12%，但N2U處理總干物質(zhì)積累量顯著高于CK1處理，吐絲期、完熟期分別高了12.84%～16.40%和6.05%～9.76%。N1U處理可能由于相比CK1減氮量較大，達(dá)51.42%，導(dǎo)致與CK1處理差異不顯著。葉片器官轉(zhuǎn)運(yùn)率在CK1的基礎(chǔ)上，N2U處理提高10.51%～18.79%，N1U處理也提高9.84%～11.93%，表明在具有較大后期干物質(zhì)積累優(yōu)勢同時(shí)，尿素減量配施UAN也提高了花前生產(chǎn)的儲(chǔ)存于營養(yǎng)器官中，后轉(zhuǎn)移到籽粒中去的同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)量，而其提高幅度沒有達(dá)到劉克禮等[38]研究春玉米各器官向籽粒轉(zhuǎn)移的干物質(zhì)量超過20%會(huì)導(dǎo)致葉片早衰的試驗(yàn)結(jié)果的程度，說明本試驗(yàn)條件下尿素減量配施UAN的N2U處理創(chuàng)造了比較適宜的源庫關(guān)系，從而為春玉米的高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

本研究表明，西遼河平原淺埋滴灌條件下尿素減量配施適量UAN多態(tài)氮溶液對(duì)春玉米群體干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)、氮素利用效率和產(chǎn)量均有顯著影響，與單施尿素相比，配施UAN 有增加玉米的物質(zhì)積累和氮素吸收量的趨勢。本研究條件下，與追施570 kg/hm2尿素處理相比，375 kg/hm2尿素+75 kg/hm2UAN組合具有較好的高產(chǎn)高效優(yōu)勢，在總氮投入量減少25.12%的條件下不減少春玉米產(chǎn)量，同時(shí)有效提高氮素利用率，降低土壤內(nèi)氮的殘留，減少氮素環(huán)境釋放，是西遼河平原灌區(qū)同等地力條件下玉米淺埋滴灌水肥一體化種植模式相對(duì)較為合理的施肥模式。