引用本文
靳立斌, 崔海岩, 李波, 杨今胜, 董树亭, 赵斌, 刘鹏, 张吉旺. 综合农艺管理对夏玉米氮效率和土壤硝态氮的影响. 作物学报, 2013, 39(11): 2009-2015[JIN Li-Bin, CUI Hai-Yan, LI Bo, YANG Jin-Sheng, DONG Shu-Ting, ZHAO Bin, LIU Peng, ZHANG Ji-Wang. Effects of Integrated Agronomic Practices on Nitrogen Efficiency and Soil Nitrate Nitrogen of Summer Maize. 作物学报, 2013, 39(11): 2009-2015]  
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综合农艺管理对夏玉米氮效率和土壤硝态氮的影响
靳立斌1, 崔海岩1, 李波1, 杨今胜2, 董树亭1, 赵斌1, 刘鹏1, 张吉旺1,*
1作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018
2山东登海种业股份有限公司 / 山东省玉米育种与栽培技术企业重点实验室, 山东莱州 261448
* 通讯作者(Corresponding author): 张吉旺, E-mail:jwzhang@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8245838
收稿日期:2013-06-09
基金:本研究由国家自然科学基金项目(31271662),山东省现代农业产业技术体系项目,国家公益性行业(农业)科研专项(201203100),国家科技支撑计划项目(2011BAD16B09)和山东省玉米育种与栽培技术企业重点实验室开放课题资助。
摘要

通过对播种方式、播种时间、施肥时期及用量和收获时间等农艺措施的优化组合, 设置综合农艺管理和施氮量试验, 研究了对夏玉米氮效率和土壤硝态氮积累的影响。结果表明, 随着施氮量的增加, 氮肥偏生产力显著提高, 氮肥农学利用效率显著下降, 氮素利用效率和氮收获指数先增加后降低, 施氮184.5 kg hm-2时达到最高; 施氮显著提高了花前氮素积累量和0~30 cm土层硝态氮累积量; 0~30 cm土层硝态氮累积量随施氮量的增加逐渐提高, 即单一氮肥运筹下, 氮效率不能持续提高, 且土壤硝态氮积累量却因增施氮肥而逐渐升高。综合农艺管理的再高产高效处理(Opt-2)的氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮素利用效率和氮收获指数均最高; 花前氮素积累量较低, 收获后植株氮素积累总量高于农民习惯处理且低于超高产处理; 玉米收获后, 0~30 cm、30~60 cm和60~90 cm土层硝态氮累积量均低于农民习惯处理, 即通过优化的综合农艺管理, 夏玉米氮效率显著提高, 生育期内氮素积累趋势合理, 玉米收获后土壤硝态氮积累量较低。

关键词: 夏玉米; 综合农艺管理; 氮效率; 硝态氮; 高产高效
Effects of Integrated Agronomic Practices on Nitrogen Efficiency and Soil Nitrate Nitrogen of Summer Maize
JIN Li-Bin1, CUI Hai-Yan1, LI Bo1, YANG Jin-Sheng2, DONG Shu-Ting1, ZHAO Bin1, LIU Peng1, ZHANG Ji-Wang1,*
1State Key Laboratory of Crop Biology, Agronomy College of Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
2Shandong Denghai Seeds Co. Ltd, Shandong Provincial Key Laboratory of Corn Breeding and Cultivation Technology, Laizhou 261448, China
Abstract

A field study with an integrated management experiment and a nitrogen (N) application rate test was conducted to explore the effects of integrated agronomic practices such as sowing methods, sowing time, fertilizers amount and applied date and harvest time on N efficiency and nitrate N of summer maize. Results showed that, with increasing N application amount partial factor productivity of applied N increased and N fertilizer agricultural utilization efficiency decreased significantly; N use efficiency and N harvest index increased first and then decreased gradually, and both of them reached the maximum at a N application of 184.5 kg ha-1; the N accumulation before tasseling stage and nitrate N accumulation in 0-30 cm soil increased. That means that it is difficult to realize high N efficiency and lower soil N accumulation persistently. Under integrated management of further high yield and high efficiency treatment (Opt-2), the partial factor productivity of applied N, N fertilizer agricultural utilization efficiency, N use efficiency and N harvest index all increased significantly; the N accumulation before tasseling stage was low, but the N accumulation of plants was higher than that under farmers’ traditional cultivation and lower than that under high yield treatment at harvest time; after harvesting, the nitrate N accumulation in 0-30, 30-60, and 60-90 cm soils was lower than that under farmers’ practices. Therefore the N efficiency of summer maize was increased significantly and the N accumulation trend was reasonable in growing season and the soil nitrate N accumulation was lower after harvesting when the integrating agronomic practices are performed.

Keyword: Summer maize; Integrated agronomic practices; N efficiency; Nitrate N; High yield and high efficiency
引言

黄淮海区域“小麦-玉米”轮作体系中, 夏玉米的平均产量为5.4 t hm-2左右[1], 但氮肥施用量已达360 kg hm-2, 远远超过可实现高产的施氮水平[2]。过量施肥现象非常严重, 氮肥利用率极低[3]。随着氮肥的长期过量投入, 土壤矿物态氮含量逐渐升高, 除少部分被作物吸收利用之外, 大部分通过淋溶和氨挥发等途径损失, 污染地下水资源和大气环境[4,5]。硝态氮是土壤矿质氮的主要部分, 硝态氮淋溶损失也是农田生态系统中氮素损失的主要途径之一[6,7]。适当降低施氮量使作物对氮肥的需求与供给达到平衡, 能够缩短无机氮在土壤溶液中的存在时间, 有效避免氮素淋洗损失[8]。同时, 合理的氮肥管理可提高玉米产量和氮效率[9]。因此, 合理的氮肥管理是实现高产高效玉米生产的有效措施。

2007年以来, 传统的麦套玉米容易引发玉米粗缩病毒病(MRDV), 造成玉米严重减产甚至绝收。采用麦后免耕直播适当推迟播期的种植方式, 可以有效降低MRDV的发病率, 提高玉米产量[10]。种植密度偏低是黄淮海夏玉米生产的另一主要问题。据报道, 适当增加种植密度, 可显著提高群体冠层光能利用效率, 实现玉米高产[11]; 同时, 玉米植株耐受氮肥能力因密度的提高而下降, 但群体需氮量却相对提高, 在一定程度上提高了氮肥的利用效率[12]。因此, 优化种植方式、提高种植密度, 是夏玉米高产高效生产的关键。

关于提高玉米产量、氮素利用效率, 降低土壤硝态氮积累, 前人已从栽培方式、氮肥施用量和施用 时期以及肥料种类等方面作了大量的报道[13,14], 但仅限于对某一个或两个因素交互效应的研究, 且较少涉及大田生态。尽管从作物生产管理系统栽培角度研究夏玉米生长发育已有相关报道[15,16], 但其重点在于提高产量和氮效率, 缺乏对土壤硝态氮积累的研究。因此, 本文将栽培方式和肥料运筹相结合, 研究综合农艺管理对夏玉米氮素利用效率和土壤硝态氮积累的影响, 旨在为夏玉米高产高效生产提供理论和技术支持。

1 材料与方法
1.1 试验设计

试验于2010—2011年在山东省泰安市岱岳区大汶口镇(36°11′N, 117°06′E, 海拔178 m)进行。玉米生育期内(5月至10月)两年平均降雨量为576.9 mm。试验田土壤为棕壤, 播前耕层土壤养分含量2年平均为, 有机质12.76 g kg-1、全氮1.01 g kg-1、碱解氮65.1 mg kg-1、速效磷70.36 mg kg-1、速效钾96.15 mg kg-1。以目前我国主导品种郑单958为试验材料, 设计综合农艺管理试验和施氮量试验。

综合农艺管理试验(MT)即将播种方式、播种时间、收获时间、种植密度、肥料施用量及施用时期系统整合, 设置农民习惯栽培(Control)、高产高效栽培(Opt-1)、超高产栽培(HY)和再高产高效栽培(Opt-2)等4个试验处理。每处理设4次重复, 小区面积为240 m2, 随机区组排列。具体栽培管理和肥料运筹见表1。不同试验处理的其他田间管理一致。

表1 综合农艺管理试验的栽培措施 Table 1 Cultivation management of integrated management practices

施氮量试验(NT)为单因素试验, 设置4个施氮水平, 即0、129.0、184.5和300.0 kg N hm-2, 分别用N0、N1、N2和N3表示。4个氮肥处理的播种方式、播种时间、收获时间及种植密度与Opt-2相同。所用氮肥为尿素(N, 46.6%), 分别于播前、拔节期、抽雄期按照16.5︰48.5︰35.0施入, 磷钾肥施用量及施用时期均与Opt-2完全相同。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 氮效率 分别在拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)、抽雄后2周(2WAT)、4周(4WAT)、6周(6WAT)、成熟期(R6)选择有代表性的植株, 每处理5株, 于105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重后粉碎混匀, H2SO4-H2O2联合消煮, 用AA3连续流动分析仪(SFA CFA FIA BRAN+LUEBBE III)测定植株全氮含量。

氮肥偏生产力(PFPN, kg kg-1) = 施氮小区产量/施氮量

氮素利用效率(NUE, kg kg-1) = 籽粒产量/植株吸氮量[17]

氮肥农学利用率(AEN, kg kg-1) = (施氮小区籽粒产量-不施氮小区籽粒产量)/施氮量

氮素收获指数(NHI, kg kg-1) = 籽粒吸氮量/植株吸氮量

1.2.2 土壤硝态氮含量 分别在播前、开花期及成熟期每小区选取3处具有代表性的试验点, 采集0~90 cm土壤剖面土样, 每30 cm保存一层。称取5.0 g新鲜土样, 用50 mL 1 mol L-1的KCl浸提, 振荡60 min过滤, 用AA3连续流动分析仪(SFA CFA FIA BRAN+LUEBBE III)测定土壤硝态氮含量。

1.2.3 产量 每小区收获玉米3行, 共30个果穗, 考种, 测产(按14%折算含水率)。

产量(kg hm-2) = 有效公顷穗数×穗粒数×千粒重/1000 × (1 -含水量)/(1 -14%)

1.3 统计分析

采用 Microsoft Excel 2003处理数据。用SPSS 17.0软件统计分析, 在0.05水平进行显著性检验(LSD, least significant difference test)。

2 结果与分析
2.1 对氮素积累及其分配的影响

由表2可知, 整个生育期内HY的氮素积累量均高于其他3个处理, Control、Opt-1和Opt-2之间差异不显著。不同综合农艺管理对夏玉米花前和花后的氮素分配比例影响不同。HY的花前氮素积累量最高( P<0.05), 较Control、Opt-1和Opt-2分别高30.5%、45.8%和36.7%, Control、Opt-1和Opt-2之间差异不显著。HY的花后氮素积累量仍最高( P<0.05), Control、Opt-1和Opt-2之间的花后氮素积累量没有显著差异。综合农艺管理对夏玉米花前氮素积累所占比例影响显著。其中, Opt-2、Opt-1和HY分别较Control低11.3%、18.0%和38.0%, 且Opt-2>Opt-1>HY( P<0.05)。

随着施氮量的增加, 各施氮量处理在全生育期内的氮素积累呈递增的趋势(表2)。其中N0最低, 其他3个处理之间差异不显著。施氮显著提高了玉米花前氮素积累量, N1、N2和N3分别较N0提高了43.0%、57.7%和69.5%; 施氮处理之间差异不显著。施氮也显著提高了花后氮素积累量, 趋势与花前一致。增施氮肥, 花前氮素积累所占比例差异不显著, 不同施氮处理的花前氮素积累所占比例在0.54~0.63之间。

表2 综合农艺管理和施氮量对夏玉米氮素积累特性的影响 Table 2 Effects of integrated management practices and N application treatments on N accumulation characteristics of summer maize
2.2 对氮效率的影响

由表3可知, HY与Control的PFPN差异不显著; Opt-1和Opt-2的PFPN分别较Control高102.4%和115.7%; Opt-2的PFPN略高于Opt-1 ( P >0.05)。HY与Control的NUE差异不显著; Opt-1和Opt-2的NUE显著高于HY和Control, Opt-2的NUE较Opt-1高25.8% ( P<0.05)。Opt-2的NHI最高, 较Control平均提高15.8%; Opt-1和HY的NHI分别较Control提高14.2%和12.2%。

施氮129.0 kg hm-2(N1)到300 kg hm-2(N3), PFPN显著下降(表3)。增施氮肥, NUE显著升高, N1和N2的NUE分别较N0提高了11.7%和22.3%; 但当施氮量超过184.5 kg hm-2后, NUE有所下降, N2的NUE较N3低6.12%( P<0.05)。N1与N2的AEN没有显著差异, 但当施氮量超过184.5 kg hm-2后, AEN有所下降, N3的AEN较N2低40.9% ( P<0.05)。随着施氮量的增加, NHI显著提高, 但施氮量超过184.5 kg hm-2后, NHI没有显著提高。

表3 综合农艺管理和施氮量对夏玉米氮效率的影响 Table 3 Effects of integrated management practices and N application treatments on N efficiency of summer maize (kg kg-1)
2.3 对土壤中硝态氮积累的影响

由表4可知, 不同综合农艺管理体系对0~90 cm土层硝态氮累积量影响不同。2年平均, 夏玉米播种前HY的0~30 cm和30~60 cm土层硝态氮累积量最高( P<0.05)。抽雄期各处理0~30 cm和30~60 cm土层硝态氮累积量显著高于60~90 cm。收获后, Opt-2的0~30 cm、30~60 cm土层硝态氮累积量均低于Control ( P >0.05), 分别低15.5%和20.4%。从播种前到收获后, HY的0~30、30~60和60~90 cm土层硝态氮累积量均较高, Opt-2较低; Opt-1和Opt-2的差异不显著。

不施氮的情况下(N0), 0~30 cm和30~60 cm土层硝态氮累积量随生育时期的推进呈下降趋势, 说明随着玉米的生长发育, 土壤中的硝态氮呈现逐渐损耗的趋势。随着施氮量的增加, 各施氮处理0~30、30~60和60~90 cm土层硝态氮累积量提高( P<0.05)。玉米收获后, 与N0相比, 施氮显著提高了0~30 cm土层硝态氮累积量, N1、N2和N3分别较N0高86.6%、98.7%和108.9%; 随着施氮量的提高, 0~30 cm土层硝态氮累积量显著提高。两年结果趋势一致。

3 讨论

前人研究表明, 施用氮肥可显著提高玉米产量; 但当施氮量超过一定水平后, 产量降低[9], 而且大量盈余氮肥也会因氨挥发或者淋洗而损失, 造成资源浪费和环境污染[18]。与常规施氮水平(180 kg hm-2)相比, 在较高的施氮水平下(>300 kg hm-2)土壤积累硝态氮含量显著提高[13]。在本试验条件下, 随着施氮量的增加, 0~30、30~60和60~90 cm土层硝态氮累积量呈递增趋势。夏玉米收获后, 0~30 cm土层硝态氮累积量在施氮处理之间差异不显著, 但均显著高于N0, 说明施氮显著提高了土壤剖面硝态氮累积量; 过量施氮, 超过植株对氮素的吸收利用能力, 引起土壤中硝态氮的大量积累。本试验表明, 随着施氮量的增加, 植株氮素积累量呈上升趋势; 施氮显著

表4 综合农艺管理和施氮量对土壤硝态氮积累的影响 Table 4 Effects of integrated management practices and N application treatments on residual Nitrate-N content in 0-90 cm soil (mg kg-1)

提高了花前氮素积累量。施氮量不超过184.5 kg hm-2 (N2)时, 随着氮肥用量的增加, 产量显著提高; 施氮量超过184.5 kg hm-2后, 产量没有显著提高, 即一定范围内, 产量随施氮量的增加而增加[16]。增施氮肥, 氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著下降, 氮收获指数显著提高。氮素利用效率随施氮量的增加而显著提高, 但当施氮量超过184.5 kg hm-2后氮素利用效率显著下降, 即过量施氮超过了植株对氮素的吸收利用能力, 氮肥利用率较低。

黄淮海区域作为我国重要的夏玉米生产区, 玉米单产不断提高, 也创造出了大量的高产典型地 块[14,19], 但肥料过量施用现象却普遍存在[3]。“一炮轰”的施肥方式是降低肥料利用率和造成环境污染的主要原因[20]。栽培方式对于进一步提高产量和氮素利用效率, 减少土壤积累硝态氮含量具有重要作用[21,22]。本试验中, 传统的麦套种植方式收获时间较早, 导致其粒重较低; “一炮轰”的施肥方式, 使肥效不能持续到籽粒灌浆阶段, 不利于提高肥料利用率和促进增产。夏玉米改麦套为直播, 可显著降低粗缩病毒病的发生, 利于增产[10]; 推迟播期结合适当晚收, 能充分利用9月底10月初有利于籽粒灌浆的光热资源, 发挥品种的产量潜力[23]。本研究中的高产高效处理将播期推迟至6月中旬, 并且对于穗粒数和穗数, 直播显著高于农民习惯种植方式, 这是其产量显著提高的主要原因[16]。高产高效处理将“一炮轰”的施肥方式改为在播种和拔节期分次施入, 显著提高了氮肥偏生产力和氮素利用效率。氮肥分次追施, 从一定程度上提高了对氮素的吸收利用效率[14], 减少了土壤积累硝态氮含量; 收获后, 高产高效处理的0~30 cm土层硝态氮累积量显著低于农民习惯种植方式。但由于其种植密度(6.0万株 hm-2)较实现超高产的种植密度(8~10万株 hm-2)[11]低33.3%~66.7%, 若进一步合理密植, 玉米产量仍可进一步提高。

通过提高种植密度, 可增加玉米群体光能截获率, 进而实现高产[24]。本试验超高产处理将种植密度提高到8.7万株 hm-2, 充分发挥了群体增产潜力, 但由于投入大量肥料, 其花前氮素积累量显著高于其他3个处理, 导致其氮肥偏生产力和氮素利用效率较低。整个生育期, 超高产处理的0~30 cm和60~90 cm土层硝态氮累积量均最高, 氮素积累量大。通过改套种为直播, 推迟播期, 适时晚收, 并结合适宜肥料用量和种植密度, 再高产高效处理的产量较超高产处理有所降低, 但由于穗粒数和穗数较农民习惯种植方式的高, 相比仍增产76.7%。与农民习惯种植方式比, 再高产高效处理的氮肥施用量低18.0%, 但其植株吸氮量却高7.88%, 氮肥偏生产力、氮素利用效率和氮收获指数均显著高, 收获后, 0~30 cm、30~60 cm和60~90 cm土层硝态氮累积量均较低。整个生育期内再高产高效处理的植株吸氮量显著低于超高产处理, 土壤硝态氮积累量显著低于其他3个处理。因此, 再高产高效处理在提高产量和氮效率的同时, 减少了土壤硝态氮积累量, 即实现了高产高效的同时, 减少了对土壤生态环境的 破坏。

4 结论

单一增施氮肥, 夏玉米氮效率无法实现持续提高, 且土壤硝态氮含量增加; 优化的综合农艺管理可以实现夏玉米氮素利用效率与产量的协同提高, 并将土壤硝态氮积累量维持在较低水平, 实现夏玉米高产高效生产。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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