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包膜控释尿素对玉米花后干物质和氮素积累与分配的影响

范文

郭松喻华曾祥忠

摘要：玉米作为我国三大粮食作物之一，其氮肥的合理施用关乎我国粮食安全和农业绿色发展。为明确合理施用控释尿素对川中丘陵区春玉米花后干物质和氮素积累与分配的影响，以当地主推品种成单30为试验材料，设置无氮肥（CK）、N 300 kg/hm2普通尿素（U300）、N 225 kg/hm2树脂包膜控释尿素（CU225）和N 300 kg/hm2树脂包膜控释尿素（CU300）共4个处理。测定吐丝期和成熟期植株各器官的干物质和氮含量，并在花后0、10、20、30 d动态检测叶片的SPAD值和光合速率。结果表明：成熟期玉米各器官中干物质和氮素分配规律一致，均为籽粒>茎>叶> 穗轴>苞叶，而且籽粒中氮素占比高于干物质占比，茎、穗轴和苞叶中氮素占比低于干物质占比。与U300处理相比，干物质积累在CU300处理下增加4.2%，CU225处理下降低1.8%，而氮素积累在CU300处理下提高20.1%，CU225处理下降低0.2%，但统计分析差异均不显著。CU225处理与U300处理玉米花后氮素吸收比例在46.7%～49.3%之间，而叶片光合速率和SPAD值的变化没有显著差异。因此，在本试验条件下，川中丘陵区春玉米通过树脂包膜控释尿素替代普通尿素，其氮肥施用量减少25%仍可保障玉米花后正常的干物质生产和氮素需求，保证玉米产量稳定。

关键词：玉米;包膜控释尿素;干物质积累与分配;氮素吸收利用;光合速率

中图分类号： S513.06 ?文献标志码： A ?文章编号：1002-1302（2019）17-0088-05

氮是影响作物生长和产量提高的最关键营养元素。自20世纪60年代开始，农田中氮肥的施用量在不断增加。据统计，2010年我国化肥消费量达到5 561.7万t，占世界消费总量的1/3，其中氮肥为3 200万t[1]。然而不合理的氮肥投入导致一系列的环境问题，严重影响我国农业的绿色发展[2]。玉米作为我国最重要的粮食作物之一，其化肥减施增效技术研究是我国“十三五”期间的重点研究方向。

控释尿素作为一种高效兼环境友好的新型肥料，可以通过一次施用满足玉米整个生育期对养分的需求，并减少养分损失[3]。目前对控释尿素的研究报道较多，如控释氮肥施用可提高春玉米和夏玉米产量，提高氮肥利用效率[4-5]。在夏玉米生育期中，树脂包膜尿素的氨挥发累计总量与常规尿素相比下降幅度达17%以上[6]。在东北地区树脂包膜尿素处理的玉米产量高于硫包衣尿素和普通尿素处理，且氮素损失量最低[7]。而夏伟光等发现树脂包膜控释尿素和普通尿素配施处理效果更好[8]。在玉米苗期，树脂包膜尿素的缓释性能强于淀粉包膜尿素[9]。但是先前的研究多集中在控释尿素对玉米产量、氮利用效率、环境效应和释放特性等方面，对于包膜尿素影响玉米干物质生产和氮肥减施增效机制的报道较少。因此，本研究选择川中丘陵区典型的玉米种植制度，主要研究树脂包膜尿素施用对玉米花后干物质积累与分配和氮素吸收利用的影响，并分析可能的机制，旨在为玉米高产及氮肥减施增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

田间试验于2014年4—8月，在四川省农业科学院川中丘陵区现代农业试验示范基地进行。该试验基地位于四川省德阳市中江县，地理坐标为30°36.784′N，105°01.322′E。玉米生长季降雨量为470 mm，平均气温为28.6 ℃。土壤基本理化性质如下：pH值7.78（1 ∶ 2.5土水比），土壤容重 1.38 g/cm3，有机质11.53 g/kg，总氮1.1 g/kg，碱解氮 98.4 mg/kg，有效磷6.97 mg/kg，速效钾146.1 mg/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为成单30，于2014年4月10日播种，8月16日收获。试验采用随机区组设计，共设4个氮肥处理，分别为无氮肥（CK）、N 300 kg/hm2普通尿素（U300）、N 225 kg/hm2 树脂包膜控释尿素（CU225）和N 300 kg/hm2树脂包膜控释尿素（CU300），每个处理3次重复。小区长5 m，宽4 m，小区面积20 m2。种植密度为50 000株/hm2，窝距为20 cm，行距为宽窄行（130 cm ∶ 70 cm）。磷肥为过磷酸钙，P2O5施用量为90 kg/hm2;钾肥为氯化钾，K2O施用量为 150 kg/hm2;树脂包膜控释尿素含氮量为42%，释放期为 90 d。磷肥、钾肥和树脂包膜尿素在播前作为基肥一次性施用，普通尿素在播前和拔节期分2次施用（基 ∶ 追=1 ∶ 1），除试验设计的肥料外，不施用其他任何肥料，其他措施与当地高产栽培一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 SPAD值和光合速率测定在玉米开花期标记同一天开花且长势一致的单株（每小区标记5株），从玉米开花期开始，分别在开花期、开花后10、20、30 d测定穗位叶SPAD值和净光合速率。采用LI-6400型光合作用系统（LI-COR，美国）于晴天09：00—11：00之间选取标记叶片测定净光合速率[μmol/（m2·s）]。同时采用手持式SPAD-502叶绿素测定仪（柯尼卡美能达，日本）测定叶绿素值，每株叶片重复测定3次，取平均值。

1.3.2 植株干物质和养分测定在开花期，每小区取3株混合样，分茎、叶2部分。在成熟期，每小区取3株混样，分茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒5部分。在75 ℃烘箱烘干，测定样品干物质含量，粉样，用凯氏定氮法测定样品氮含量。

1.3.3 相关参数计算[10-11]

收获指数=籽粒干质量/成熟期干物质积累量×100%;

氮素收獲指数=籽粒含氮量/成熟期氮素积累量×100%;

花前干物质积累率=花前干物质积累量/成熟期干物质积累量×100%;

花后干物质积累率=花后干物质积累量/成熟期干物质积累量×100%;

花前氮素积累率=花前氮素积累量/成熟期氮素积累量×100%;

花后氮素积累率=花后氮素积累量/成熟期氮素积累量×100%。

1.3.4 数据处理采用Excel 2007进行数据处理，用IBM SPSS23软件进行显著性分析，用Sigma Plot 10.0和Adobe Illustrator CS11软件作图。

2 结果与分析

2.1 树脂包膜控释尿素对玉米干物质和氮素积累的影响

从图1可以看出，CK、U300、CU225、CU300的总干物质积累量分别为172.36、276.88、271.98、288.5 g/株，总氮积累量分别为1.82、2.78、2.78、3.34 kg/hm2，C300、CU225和CU300处理较CK均显著提高玉米干物质和氮的积累。U300、CU225和CU300处理相对于CK处理分别使玉米籽粒干物质增加71.9%、64.2%、77.4%，总干物质积累增加 60.6%、57.8%、67.4%，同时总氮积累分别增加53.4%、53.1%、84.2%，但是对籽粒氮浓度没有显著影响。对作物干物质和氮积累的影响，CU225和U300处理之间没有显著差异，说明施肥处理效果相同。

2.2 树脂包膜控释尿素对玉米干物质和氮素分配的影响

施肥处理影响玉米干物质和氮素在各个器官的分配（图2）。在成熟期，各器官干物质和氮素分配规律一致，比重依次为籽粒>茎>叶>穗轴>苞叶。其中50%以上的干物质分配到籽粒中，20%左右分配到茎中，12%～17%分配到叶片中，10%左右在穗轴中，5%以下在苞叶中。但是籽粒中氮素分配比例为60.9%～68.9%，比干物质分配比例高10%以上，而茎、穗轴和苞叶中氮素分配比例低于干物质分配比例，叶片中两者基本一致。

在CK处理下，籽粒干质量占比50.4%，茎、叶分别占17.2%、17.0%。施用300 kg/hm2普通尿素后，籽粒干质量占比即收获指数增加到53.9%，茎干质量占比增加到209%，叶干质量占比降低到11.8%。施用225、300 kg/hm2的包膜控释尿素与300 kg/hm2的普通尿素效果相同，即增加籽粒和茎中干物质的比例，降低叶片中干物质的比例，对穗轴和苞叶的比例没有影响。以上结果说明施氮肥可以增加玉米的收获指数，降低叶片中干物质的比例，充足的氮肥促进作物生长，生产更多的干物质积累到籽粒和茎秆中。缺氮条件下玉米叶片干物质比例较高是为维持玉米花后正常生长和叶片光合作用的需要。氮素分配的趋势与干物质一致，但是分配到籽粒中的比例更高，氮素收获指数达到60%以上。因为氮是维持玉米叶片光合作用的重要营养元素，所以各个处理下的叶片氮素比例都维持在10%左右。U300、CU225和CU300处理下的籽粒中比例最高，茎中次之，而穗轴和苞叶中比例较小，说明植物吸收更多的氮被储存到籽粒和茎中。

U300、CU225和CU300的总干物质积累量和总氮吸收量较CK处理有显著增加，但是处理间花前和花后的干物质积累率没有显著差异。花前干物质积累率在35.0%～41.0%之间，花后干物质积累率在59.0%～65.0%之间（表1）。氮的积累率在处理之间出现差异，CK处理的花前氮积累率达到66.2%，显著高于U300和CU300处理。同时CK处理的花后氮积累率只有33.8%，显著低于U300和CU300处理。U300、CU225和CU300处理之间的干物质积累率没有差异，说明包膜控释尿素替代尿素不影响花前和花后干物质的分配比例。等量氮肥施用量下，控释尿素（CU300）处理较普通尿素（U300）处理使花后氮积累率增加6.1百分点。

2.3 树脂包膜控释尿素对玉米花后叶片SPAD值和光合速率的影响

叶片SPAD值受氮肥水平的影响，在各个时期施氮肥处理都显著高于CK处理（图3）。在开花期、花后10 d、20 d和30 d，施氮肥处理（U300、CU225和CU300）较CK处理的SPAD值分别提高26.4%～39.6%、24.9%～29.2%、26.2%～38.3% 和33.9%～49.1%。在开花期、开花后10 d和开花后20 d，U300、CU225和CU300处理之间的SPAD值没有差异，均在52～57左右。到开花后30 d，CU225处理的叶片SPAD值出现降低，测定值为51，低于U300和CU300处理的57和54。U300和CU300处理在各个时期都没有差异。结果表明与普通尿素相比，施用包膜控释尿素对花后玉米叶片的SPAD值无显著影响。

花后干物质积累与光合速率密切相关，玉米叶片的光合速率在花后呈先升高后降低的趋势，在花后30 d（灌浆后期）开始下降（图4）。其中开花期的平均净光合速率为 13.8 μmol/（m2·s），开花后10 d为15.7 μmol/（m2·s），开花后20 d为14.8 μmol/（m2·s），到开花后30 d降低至 12.1 μmol/（m2·s）。氮肥对光合作用影响较大，由于受缺氮影响，CK处理下的叶片光合速率一直较低。施用225～300 kg/hm2的氮肥后，叶片光合速率较CK处理分别在开花期提高9.9%～15.1%，在花后10 d提高45.1%～62.8%，在花后20 d提高70.6%～104.1%，花后30 d提高72.8%～79.7%。以上结果说明持续的氮肥供应是维持玉米花后光合作用的重要保证。虽然受叶片衰老的影响，叶片光合速率出现较大变异，但是普通尿素与包膜尿素对光合作用的影响没有差异。

3 讨论

玉米施氮增产效果显著，同时干物质积累和氮素吸收也显著增加。有研究表明氮肥施用量在0～300 kg/hm2的范围内，可明显影响干物质的积累速率和氮素吸收速率，施氮量越高，表现越明显[12]。我们发现CU300处理的干物质积累量和氮素吸收量都略高于U300处理，但是差异不显著。减施25%的控释尿素处理（CU225）与普通尿素处理（U300）相比，籽粒干物质积累、总干物质积累量和氮素吸收量都没有显著差异（图1）。之前的研究表明成熟期各器官干物质和氮素分配比重依次为籽粒>茎>叶>穗轴>苞叶或者籽粒>叶>茎> 穗轴>苞叶，在不同的试验条件下显示的规律不同[13-14]。而且高氮处理下玉米茎中氮素分配比例高于低氮处理[11]。有人通过15N的示踪试验发现在低氮下，花后吸收的氮主要进入籽粒中，而高氮条件下，花后吸收的氮主要积累在茎和叶中[15]。本研究结果与之一致，籽粒是干物质和氮素分配的主要器官，茎次之（图1）。从各器官干物质和氮素的分配比例可以看出，CU300处理下的茎中干物质分配比例较U300高2.3%，茎中氮分配比例高5.3%。而CU225和U300处理下的干物质和氮素积累量、各器官分配比例基本一致，所以通过树脂包膜控释尿素替代普通尿素，减量25%的条件下仍可保证玉米成熟期的干物质和氮素积累量。另外一次性施肥具有节约劳动力成本和经济成本的作用，但是普通尿素在玉米播前的一次性施肥容易导致烧苗、倒伏和氮素流失的问题[3]。控釋尿素的一次性施用较普通尿素的基肥、追肥2次施用，既减少了氮肥用量又节约了劳动力。因为树脂包膜尿素的控释效果，可以在90 d内缓慢释放，所以在川中丘陵区CU225处理基本满足了该地区春玉米各个时期对氮素的需求。

花后是玉米产量形成的关键时期，研究表明50%～80%的籽粒干物质来源于花后灌浆期的干物质积累[16]，35%～55%的籽粒氮素来源于花后的氮素吸收[17]。Chen等发现现代品种具有较高的花后干物质积累和氮素吸收量[18]。本研究发现CU300处理与U300处理的花后干物质分配比例没有差异，但是花后氮素分配比例提高6.1%，说明控释尿素可以在花后持续供应较高的氮素满足玉米需求，提高了花后吸氮量和分配比例。研究表明氮肥水平显著影响玉米花后的氮素吸收和分配[11]，而CU225处理和U300处理对玉米花后氮素吸收的影响基本一致（表1）。有研究表明控释肥处理下小麦与玉米硝酸还原酶活性高峰持续影响时间较长而且延后，中后期还能维持较高水平，表明养分在缓控条件下的释放有利于硝酸还原酶活性保持较高活性，进而促进碳氮素代谢和作物高产[19]。

灌浆期叶片的光合作用是作物产量形成的基础，而光合作用与叶片中的氮素密切相关[20]。叶片SPAD值是诊断光合器官中叶绿素含量的有效手段[21]。从SPAD值来看，等量氮素处理下玉米花后叶片中叶绿素含量，在控释尿素与普通尿素之间没有差异，均显著高于不施氮肥处理（图3）。叶片光合速率的变化趋势与叶绿素含量一致（图4）。有报道发现相同施肥量的控释氮肥能提高玉米花后叶绿素含量和净光合速率，降低土壤中可溶性氮的流失[19]。而在减少氮用量50%条件下，小麦叶片叶绿素、千粒质量、产量等与普通肥料相比没有明显差别[22]。本研究发现控释尿素CU225处理与普通尿素U300处理的花后叶片光合速率和叶绿素含量没有差异，说明减量25%的控释尿素可以保证玉米在灌浆期的正常生长。在花后30 d，玉米叶片的光合速率开始降低，而叶绿素含量仍保持稳定，是因为在灌浆期一部分光合酶起到氮素储存的作用，且光合速率的下降速度大于叶绿素的降解速率[23]。

4 结论

研究发现，在川中丘陵区播前一次性施用树脂包膜控释尿素可以满足春玉米花后生育期对氮肥的需求。相对于普通尿素的常规施用，包膜控释尿素减施25%仍然可以到达同样的干物质生产水平和氮素吸收量，并且不影响玉米花后叶片的叶绿素含量和光合速率。因此，在川中丘陵区合理施用减量25%的树脂包膜控释尿素，既可保障玉米花后正常的干物质生产和氮素需求，又能降低过量氮肥投入带来的环境风险。

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