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氮肥施用和地膜覆盖对旱作春玉米氮素吸收及分配的影响

王泽林 白炬 李阳 岳善超 李世清

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氮肥施用和地膜覆盖对旱作春玉米氮素吸收及分配的影响

    作者简介: 王泽林 E-mail: wangzelinlaiyang@163.com;
    通讯作者: 李世清, E-mail:sqli@ms.iswc.ac.cn

Effects of nitrogen application and plastic film mulching on nitrogen uptake and allocation in dry-land spring maize

    Corresponding author: LI Shi-qing, E-mail:sqli@ms.iswc.ac.cn
  • 摘要: 【目的】 通过田间试验探究黄土旱塬氮肥施用和地膜覆盖对春玉米干物质累积、产量和氮素吸收利用的影响。 【方法】 田间试验于2016年和2017年在中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站进行。该站位于陕西省咸阳市长武县洪家镇,地貌为高原沟壑区,地带性土壤为黑垆土,供试作物为春玉米。试验采用裂区设计,主区为地膜覆盖和不覆盖,副区为4个施氮水平 (0、100、250和400 kg/hm2)。在玉米六叶期 (V6)、十叶期 (V10)、吐丝期 (R1)、乳熟期 (R3) 及完熟期 (R6) 5个时期采集植株样品,测定生物量并按照需要分为不同部位测定植株全氮含量。 【结果】 1) 氮肥施用和地膜覆盖显著提高春玉米籽粒产量,地膜覆盖条件下氮肥提高春玉米籽粒产量效果更显著。地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理春玉米籽粒获得高产,产量达12.8~16.4 t/hm2,两个施氮量间春玉米籽粒产量差异不显著;不覆盖条件下,施氮量400 kg/hm2处理春玉米籽粒产量显著低于250 kg/hm2处理。2) 氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米花前和花后氮素累积量,二因素互作对春玉米花后氮素和干物质累积作用较花前更大,地膜覆盖条件下施氮处理花后氮素和干物质累积量比例分别为51.5%~54.9%和51.1%~59.9%,为春玉米籽粒产量提高奠定物质基础,地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理可获得高的花前和花后氮素和干物质累积量,但施氮量400 kg/hm2处理的氮素和干物质累积量与施氮量250 kg/hm2处理的均差异不显著。3) 由于氮肥施用和地膜覆盖互作显著提高花前氮素累积和促进花后的生长发育,二因素协同促进春玉米营养器官氮素转移量,地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理均能有效促进花前储存更多的氮素向籽粒转运,提高花后期氮同化量,促进籽粒产量的提高。相同覆盖条件下,施氮量400 kg/hm2处理营养器官氮素转移量与施氮量250 kg/hm2差异不显著。4) 地膜覆盖显著提高相同施氮量下氮肥农学效率和氮肥偏生产力;地膜覆盖和氮肥用量及二因素互作显著提高氮收获指数,地膜覆盖条件下,施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理可获得较高的氮收获指数,氮收获指数达65.1%~75.4%,但施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理氮收获指数差异不显著。 【结论】 在该试验条件下,氮肥施用和地膜覆盖互作显著提高春玉米花前和花后的氮素吸收和干物质累积,但二因素互作对春玉米花后氮素吸收和干物质累积影响更大,从而促进了营养器官氮素转移,提高了春玉米产量和氮收获指数。
  • 图 1  2016和2017年春玉米生长季降雨量和日均气温

    Figure 1.  Precipitation and daily average temperature during spring maize growing seasons in 2016 and 2017

    图 2  春玉米不同生育时期干物质累积变化趋势

    Figure 2.  Dry matter accumulation curves of spring maize at different growth stages

    图 3  春玉米不同生育时期地上部氮素累积变化趋势

    Figure 3.  Aboveground N accumulation curves of spring maize at different growth stages

    表 1  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米产量及其产量构成因素的影响

    Table 1.  Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on yield and yield component of spring maize

    年份
    Year
    施氮处理
    N treatment
    产量 (t/hm2)
    Grain yield
    每公顷穗数 (× 103/hm2)
    Spikes
    穗粒数 (No./ear)
    Kernels
    百粒重 (g,DW)
    100-grain weight
    FM NM FM NM FM NM FM NM
    2016 N0 2.01 c 0.96 d 66.2 b 59.2 b 202 c 128 c 17.2 c 15.0 b
    N100 7.02 b 5.96 c 72.8 ab 68.7 ab 508 b 492 b 21.7 b 17.0 ab
    N250 14.9 a 8.82 a 78.9 a 76.8 a 685 a 594 a 27.2 a 19.1 a
    N400 16.4 a 7.67 b 80.8 a 78.2 a 678 a 568 a 29.0 a 18.2 a
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** * ** **
    覆膜Film mulching (FM) ** ns ** **
    N × FM ** ns ** **
    2017 N0 2.84 c 0.60 d 72.5 a 35.9 c 227 c 121 c 17.7 c 15.2 b
    N100 9.28 b 3.26 c 78.1 a 55.7 b 546 b 343 b 22.2 b 17.8 ab
    N250 14.7 a 6.40 a 79.9 a 66.2 a 640 a 508 a 27.8 a 19.5 a
    N400 12.8 a 5.44 b 76.2 a 60.7 a 622 a 501 a 26.8 a 18.4 a
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** * ** **
    覆膜Film mulching (FM) ** ** ** **
    N × FM ** ** ** **
    注(Note):N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2;同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);“ns” 表示差异不显著 ( P > 0.05);* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at 0.05 level for the same factor; ns means no significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.
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    表 2  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米氮素转运的影响

    Table 2.  Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on nitrogen translocation of spring maize

    年份
    Year
    施氮处理
    N treatment
    氮素转移量 (kg/hm2)
    N translocation amount
    转移氮素贡献率 (%)
    Contribution of N translocation
    氮素转移率 (%)
    N translocation proportion
    茎Stem 叶Leaf 茎Stem 叶Leaf 茎Stem 叶Leaf
    FM NM FM NM FM NM FM NM FM NM FM NM
    2016 N0 4.2 c 2.5 c 8.9 c 4.9 c 20.4 a 22.1 a 41.2 a 43.8 a 58.3 a 41.1 a 56.3 a 41.3 a
    N100 15.0 b 10.4 b 32.1 b 21.5 b 18.5 a 20.2 a 39.8 a 41.6 a 61.3 a 53.8 a 62.9 a 57.9 a
    N250 31.6 a 16.1 a 66.6 a 35.6 a 17.8 a 18.9 a 37.5 a 40.2 a 57.9 a 49.7 a 63.2 a 56.3 a
    N400 34.9 a 19.9 a 78.9 a 37.1 a 16.3 a 18.1 a 36.8 a 44.3 a 54.2 a 48.9 a 60.3 a 54.2 a
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** ** ns ns ns ns
    覆膜Film mulching (FM) ** ** ns ns ns ns
    N × FM ** ** ns ns ns ns
    2017 N0 4.1 c 0.8 c 8.5 c 1.3 c 21.2 a 23.8 a 43.5 a 42.2 a 54.9 a 38.5 a 58.6 a 43.7 a
    N100 18.3 b 5.9 b 40.0 b 11.5 b 19.1 a 21.5 a 41.7 a 41.8 a 59.0 a 47.2 a 63.5 a 54.4 a
    N250 30.7 a 13.0 a 65.6 a 30.8 a 17.6 ab 20.6 a 37.6 ab 41.6 a 52.4 a 47.4 a 65.5 a 57.6 a
    N400 27.7 a 13.2 a 61.4 a 26.7 a 15.9 b 19.8 a 35.2 b 40.2 a 47.8 a 45.5 a 58.0 a 51.0 a
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** ** ns ns ns ns
    覆膜Film mulching (FM) ** ** ns ns ns ns
    N × FM ** ** ns ns ns ns
    注(Note):FM—覆膜 Plastic film mulching;NM—不覆盖 No mulching;N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2;同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);ns—差异不显著;* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at the 0.05 level; ns—No significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.
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    表 3  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米氮素利用效率的影响

    Table 3.  Effects of N application rates and plastic film mulching on nitrogen utilization efficiency of spring maize

    年份
    Year
    施氮处理
    N treatment
    农学效率 (kg/kg N)
    Agronomy efficiency
    偏生产力 (kg/kg)
    N partial factor productivity
    氮收获指数 (%)
    N harvest index
    FM NM FM NM FM NM
    2016 N0 55.4 c 39.5 c
    N100 50.6 a 50.0 a 70.2 a 59.6 a 67.6 b 55.1 b
    N250 46.3 a 31.5 b 59.4 b 35.3 b 75.4 a 66.6 a
    N400 35.9 b 16.8 c 41.0 c 19.2 c 74.8 ab 69.5 a
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** ** **
    覆膜Film mulching (FM) ** ** **
    N × FM ns ns **
    2017 N0 61.5 c 43.2 c
    N100 64.5 a 26.6 a 92.8 a 32.6 a 69.7 ab 55.8 b
    N250 47.4 b 23.2 a 58.7 b 25.6 b 71.1 a 61.9 a
    N400 24.8 c 12.1 b 31.9 c 13.6 c 65.1 bc 56.7 ab
    变异来源Source of variation
    施氮量N rate (N) ** ** **
    覆膜Film mulching (FM) ** ** **
    N × FM ns ns **
    注(Note):FM—覆膜 Plastic film mulching;NM—不覆盖 No mulching;N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);ns 表示差异不显著 ( P > 0.05);* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。 N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at the 0.05 level; ns means no significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-30
  • 刊出日期:  2019-01-01

氮肥施用和地膜覆盖对旱作春玉米氮素吸收及分配的影响

    作者简介:王泽林 E-mail: wangzelinlaiyang@163.com
    通讯作者: 李世清, sqli@ms.iswc.ac.cn
  • 1. 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100
  • 2. 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100

摘要:  目的 通过田间试验探究黄土旱塬氮肥施用和地膜覆盖对春玉米干物质累积、产量和氮素吸收利用的影响。 方法 田间试验于2016年和2017年在中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站进行。该站位于陕西省咸阳市长武县洪家镇,地貌为高原沟壑区,地带性土壤为黑垆土,供试作物为春玉米。试验采用裂区设计,主区为地膜覆盖和不覆盖,副区为4个施氮水平 (0、100、250和400 kg/hm2)。在玉米六叶期 (V6)、十叶期 (V10)、吐丝期 (R1)、乳熟期 (R3) 及完熟期 (R6) 5个时期采集植株样品,测定生物量并按照需要分为不同部位测定植株全氮含量。 结果 1) 氮肥施用和地膜覆盖显著提高春玉米籽粒产量,地膜覆盖条件下氮肥提高春玉米籽粒产量效果更显著。地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理春玉米籽粒获得高产,产量达12.8~16.4 t/hm2,两个施氮量间春玉米籽粒产量差异不显著;不覆盖条件下,施氮量400 kg/hm2处理春玉米籽粒产量显著低于250 kg/hm2处理。2) 氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米花前和花后氮素累积量,二因素互作对春玉米花后氮素和干物质累积作用较花前更大,地膜覆盖条件下施氮处理花后氮素和干物质累积量比例分别为51.5%~54.9%和51.1%~59.9%,为春玉米籽粒产量提高奠定物质基础,地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理可获得高的花前和花后氮素和干物质累积量,但施氮量400 kg/hm2处理的氮素和干物质累积量与施氮量250 kg/hm2处理的均差异不显著。3) 由于氮肥施用和地膜覆盖互作显著提高花前氮素累积和促进花后的生长发育,二因素协同促进春玉米营养器官氮素转移量,地膜覆盖条件下施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理均能有效促进花前储存更多的氮素向籽粒转运,提高花后期氮同化量,促进籽粒产量的提高。相同覆盖条件下,施氮量400 kg/hm2处理营养器官氮素转移量与施氮量250 kg/hm2差异不显著。4) 地膜覆盖显著提高相同施氮量下氮肥农学效率和氮肥偏生产力;地膜覆盖和氮肥用量及二因素互作显著提高氮收获指数,地膜覆盖条件下,施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理可获得较高的氮收获指数,氮收获指数达65.1%~75.4%,但施氮量250 kg/hm2和400 kg/hm2处理氮收获指数差异不显著。 结论 在该试验条件下,氮肥施用和地膜覆盖互作显著提高春玉米花前和花后的氮素吸收和干物质累积,但二因素互作对春玉米花后氮素吸收和干物质累积影响更大,从而促进了营养器官氮素转移,提高了春玉米产量和氮收获指数。

English Abstract

  • 春玉米是黄土塬旱作农业区重要的粮食作物之一,黄土高原地区降雨资源短缺,水分是限制旱地作物产量最主要的因素[1]。由于地膜在改善土壤水热状况进而促进作物生长发育及提高作物产量等方面的突出作用[24],已经广泛应用于黄土高原旱作玉米栽培。而合理施用氮肥对提高玉米产量和氮肥利用率具有重要意义。

    玉米籽粒产量是由生育期内干物质及养分的累积、分配和转移特性所决定的。前人围绕施氮量对玉米干物质和氮素累积和运转报道较多,但结论不一致。李广浩等[5]研究表明,黄淮海区域施氮量在0~360 kg/hm2范围时,群体干物质累积量、植株氮素总累积量及花后氮素同化量均随着施氮量的增加而增加;Liu等[6]研究表明,在黄土旱塬地区覆膜栽培条件下,施氮量在0~250 kg/hm2范围时,春玉米氮素累积量、干物质累积量和花后干物质累积量随施氮量增加而显著提高;Meng等[78]研究指出,与农户常规产量水平相比,高产条件下干物质总累积量显著增加,且玉米花后干物质累积比例和氮素累积比例增加更为显著。郑伟等[9]研究报道,增施氮肥虽提高玉米营养体氮素转运量和转运效率,但对籽粒氮的贡献率则保持在50.8%~62.9%;而曹国军等[10]研究表明超高产玉米籽粒中77.52%的氮素由营养器官转运;但Osaki等[11]研究表明过量氮素运转则导致玉米叶片早衰及光合能力下降,不利于产量的提高;何萍等[12]认为,随氮肥用量的增加玉米营养器官的氮素运转率呈先增加后降低趋势。虽然围绕地膜覆盖和施氮玉米对氮素吸收利用、干物质累积和产量的影响开展了大量研究,但玉米品种、栽培措施和产量水平的不同,施氮量对干物质累积及花后干物质累积与氮素累积、分配和转移影响均不同。

    近年来,李世清课题组构建了黄土旱塬地区旱地春玉米高产高效栽培模式,该模式基于全膜双垄沟种植技术,通过Hybrid-Maize模型优化品种、播期和密度,实现旱作春玉米15 t/hm2左右产量水平,该体系适宜施氮量为250 kg/hm2[1315]。但是氮肥施用和地膜覆盖对该地区高产春玉米 (产量15 t/hm2) 干物质累积及氮素累积、分配和转移的影响研究较少,而且地膜覆盖对其影响不清楚。本研究通过2年大田试验,以春玉米“先玉335”为供试品种,探讨黄土旱塬地区地膜覆盖和氮肥施用对高产春玉米干物质累积动态及氮素吸收分配及产量的影响,为合理施氮与产量协同提高提供理论依据。

    • 田间试验于2016—2017年在中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站进行。该站位于陕西省咸阳市长武县洪家镇王东村 (35°12′N,107°40′E,海拔1220 m),属典型的旱作农业区,地貌为高原沟壑区,地带性土壤为黑垆土。试区气候属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水578 mm (其中73%分布于5—9月,即春玉米生长季);年均气温9.7℃ (5—9月平均温度为19.0℃),无霜期171 d。试验开始前0—20 cm土壤理化性质为有机质14.1 g/kg、土壤全氮0.9 g/kg、矿质氮10.5 mg/kg、有效磷15.9 mg/kg、速效钾136.7 mg/kg、pH为8.4。2016年和2017年春玉米生育期日均气温和降雨情况如图1所示,两年春玉米生育期总降水量分别为374 mm和364 mm。

      图  1  2016和2017年春玉米生长季降雨量和日均气温

      Figure 1.  Precipitation and daily average temperature during spring maize growing seasons in 2016 and 2017

    • 试验在地膜覆盖 (FM) 和不覆盖 (NM) 两种条件下设置4个施氮水平,氮素用量分别为0 (对照N0)、100 (施氮不足N100)、250 (适宜施氮N250) 和400 kg/hm2 (过量施氮N400),共8个处理,处理代号分别为FM-N0、FM-N100、FM-N250、FM-N400、NM-N0、NM-N100、NM-N250和NM-N400。采用随机区组排列,重复3次。玉米品种为“先玉335”,种植密度85000株/hm2,采用宽窄行双垄沟种植模式,宽行60 cm,窄行40 cm。

      氮肥为含氮量46%的尿素,分3次施入,其中40%作为基肥,30%于十叶期追施,30%于吐丝期追施。磷肥为过磷酸钙,每公顷施纯磷40 kg;钾肥为硫酸钾,每公顷施纯钾80 kg。基施氮肥和磷、钾肥,于播前撒施于地表后翻耕。

      2016年4月24日播种,9月15日收获计产;2017年4月25日播种,9月14日收获计产。分别在玉米六叶期 (V6)、十叶期 (V10)、吐丝期 (R1)、乳熟期 (R3) 及完熟期 (R6) 采集植株样品。十叶期时,将植株按器官分为叶和茎两部分;吐丝期,将植株按器官分为叶、茎及穗;在乳熟期和完熟期将植株按器官分为叶、茎、籽粒和穗轴及苞叶。所有样品在105℃下杀青30 min后,在80℃下烘至恒重,称干重后,用粉碎机粉碎植物样品,测定植株全氮含量。

    • 氮素累积量 (kg/hm2) = 氮素含量 × 干物质质量

      氮素转移量 (kg/hm2) = 吐丝期营养器官氮素最大累积量 – 成熟期氮素累积量

      氮素转移率 = (氮素转移量/吐丝期营养器官氮素最大累积量) × 100%

      转移氮素对籽粒的贡献率 = (氮素转移量/成熟期籽粒氮素累积量) × 100%

      氮肥农学效率 (kg/kg,N) = (施氮处理产量 – 不施氮处理产量)/施氮量

      氮肥偏生产力 (kg/kg,N) = 产量/施氮量

      氮收获指数 = 成熟期籽粒氮素累积总量/成熟期植株氮积累总量 × 100%

    • 试验数据利用Excel和Origin Pro 2015进行整理,SAS 9.0进行统计分析。

    • 表1可知,氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米籽粒产量。相同覆盖措施条件下,春玉米产量均以N250处理最高,显著高于N0和N100处理,在地膜覆盖条件下过量施氮没有进一步提高籽粒产量,而不覆盖条件下过量施氮显著降低了籽粒产量。在相同施氮量条件下,地膜覆盖处理的产量均显著高于不覆盖处理,以N250处理为例,FM-N250处理产量比NM-N250处理高68.9% (2016年) 和130% (2017年)。

      年份
      Year
      施氮处理
      N treatment
      产量 (t/hm2)
      Grain yield
      每公顷穗数 (× 103/hm2)
      Spikes
      穗粒数 (No./ear)
      Kernels
      百粒重 (g,DW)
      100-grain weight
      FM NM FM NM FM NM FM NM
      2016 N0 2.01 c 0.96 d 66.2 b 59.2 b 202 c 128 c 17.2 c 15.0 b
      N100 7.02 b 5.96 c 72.8 ab 68.7 ab 508 b 492 b 21.7 b 17.0 ab
      N250 14.9 a 8.82 a 78.9 a 76.8 a 685 a 594 a 27.2 a 19.1 a
      N400 16.4 a 7.67 b 80.8 a 78.2 a 678 a 568 a 29.0 a 18.2 a
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** * ** **
      覆膜Film mulching (FM) ** ns ** **
      N × FM ** ns ** **
      2017 N0 2.84 c 0.60 d 72.5 a 35.9 c 227 c 121 c 17.7 c 15.2 b
      N100 9.28 b 3.26 c 78.1 a 55.7 b 546 b 343 b 22.2 b 17.8 ab
      N250 14.7 a 6.40 a 79.9 a 66.2 a 640 a 508 a 27.8 a 19.5 a
      N400 12.8 a 5.44 b 76.2 a 60.7 a 622 a 501 a 26.8 a 18.4 a
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** * ** **
      覆膜Film mulching (FM) ** ** ** **
      N × FM ** ** ** **
      注(Note):N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2;同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);“ns” 表示差异不显著 ( P > 0.05);* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at 0.05 level for the same factor; ns means no significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

      表 1  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米产量及其产量构成因素的影响

      Table 1.  Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on yield and yield component of spring maize

      氮肥施用和地膜覆盖对产量构成因素也有影响。氮肥施用显著提高每公顷穗数,2016年N400与N250处理公顷穗数显著高于N0处理,但N100、N250和N400处理差异不显著;地膜覆盖和氮肥施用与地膜覆盖二因素互作对公顷穗数无显著影响,而2017年地膜覆盖对公顷穗数影响达极显著水平 (P < 0.01),氮肥施用与地膜覆盖二因素互作对公顷穗数影响达显著水平,与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下N100、N250和N400处理穗数增加幅度分别为40.2%、20.7%和25.5%。氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高穗粒数和百粒重。相同覆盖措施下,N250和N400处理穗粒数显著高于N100和N0处理,但N250和N400处理无显著差异。在地膜覆盖条件下,N400和N250处理百粒重显著高于N100和N0处理,但不覆盖条件下,N400与N250处理百粒重显著高于N0处理,N100、N250和N400处理间差异不显著。

      造成氮肥施用和地膜覆盖对产量和产量构成要素的影响存在年际差异的原因主要是土壤含水量和气象因素。2017年不覆盖处理播前土壤含水量显著低于2016年,且2017年播种到出苗阶段无降雨 (图1),导致2017年不覆盖条件下出苗率低于2016年。2017年不覆盖处理由于六叶期至吐丝期降雨量较2016年低57.2 mm,土壤水分含量较2016年显著降低,造成干旱胁迫,可能会影响到玉米的雌穗分化,同时也导致随后开花、授粉受到严重影响;随着生育期推进,耗水进一步增加,土壤水分含量进一步下降,吐丝期是玉米需水关键期,也是穗粒数形成的关键时期,对水分胁迫最敏感,土壤水分含量下降导致氮素吸收受到抑制进而影响有效粒数的形成,导致2017年不覆盖处理穗数和穗粒数及产量显著低于2016年。而地膜覆盖提高降雨截获效率,抑制土壤水分无效蒸发及具有增温保墒作用,使春玉米吐丝期提前,从而减轻了这种不利影响,使得两年地膜覆盖处理穗粒数差异较少。

    • 图2表明,各处理春玉米干物质累积动态呈相同的变化趋势,均呈“S”型曲线,吐丝期至灌浆期玉米干物质累积速率最快,其次是十叶期至吐丝期,灌浆期至成熟期干物质累积速率趋于平缓,成熟期干物质量达到最大值。氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米各生育时期干物质累积量。吐丝期前各生育时期,地膜覆盖条件下N250和N400处理干物质累积量显著高于N100处理,而不覆盖条件下N100和N250和N400处理间无显著差异。与不覆盖处理相比,地膜覆盖使春玉米吐丝期提前7~10天,N100、N250和N400处理吐丝期干物质累积量增加幅度分别为6.78%、38.3%和69.8% (2016年),91.9%、65.1%和69.6% (2017年)。

      图  2  春玉米不同生育时期干物质累积变化趋势

      Figure 2.  Dry matter accumulation curves of spring maize at different growth stages

      氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米花后干物质累积量及累积比例。地膜覆盖条件下,N100处理花后干物质累积量为6.36 t/hm2 (2016年) 和8.97 t/hm2 (2017年),花后累积比例为51.1% (2016年) 和51.6% (2017年),N250处理花后干物质累积量及累积比例显著高于N100处理,N250处理花后干物质累积量为13.5 t/hm2 (2016年) 和14.1 t/hm2 (2017年),花后干物质累积比例为58.8% (2016年) 和59.9% (2017年),但N250与N400处理无显著差异。与不覆盖处理相比,地膜覆盖N100、N250和N400处理花后干物质累积量增幅分别为35.0%、108%和164% (2016年),165%、182%和188% (2017年),花后累积比例增幅分别为10.2%、20.9%和24.4% (2016年),15.0%、28.4%和30.4% (2017年);不覆盖条件下,N250花后干物质累积量最大分别为6.47 t/hm2 (2016年) 和5.29 t/hm2 (2017年),显著高于N0、N100和N400处理,而N400处理花后干物质累积量显著高于N100处理,但N100、N250和N400处理花后干物质累积比例维持在41.3%~48.7%。

    • 春玉米氮素累积量变化趋势与干物质累积变化趋势相似,各处理春玉米氮素累积动态均呈现“S”型曲线 (图3)。氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米各生育时期氮素累积量。N100、N250和N400处理各生育时期氮素累积量显著高于N0处理,但N400和N250处理差异不显著。吐丝期前各生育时期,地膜覆盖条件下N250和N400处理氮素累积量显著高于N100处理,而不覆盖条件下仅2017年十叶期N250和N400处理氮素累积量显著高于N100处理。在吐丝期,与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下N100、N250和N400处理吐丝期氮素累积量增加幅度分别为11.0%、62.8%和83.1% (2016年),151%、78.5%和81.6% (2017年)。

      图  3  春玉米不同生育时期地上部氮素累积变化趋势

      Figure 3.  Aboveground N accumulation curves of spring maize at different growth stages

      氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米花后氮素累积量。地膜覆盖条件下,施氮处理花后氮素累积比例为51.1%~54.9%,N400处理花后氮素累积量及累积比例最高,花后累积量为157 kg/hm2 (2016年) 和142 kg/hm2 (2017年),花后累积比例为54.9% (2016年) 和52.9% (2017年),N250与N400处理无显著差异,但N250和N400处理花后氮素累积量显著高于N100处理。与不覆盖处理相比,地膜覆盖N100、N250和N400处理花后氮素累积量增加幅度分别为52.0%、98.6%和197% (2016年),216%、133%和199% (2017年),花后累积比例增幅分别为17.9%、10.5%和28.0% (2016年),12.6%、13.7%和30.5% (2017年);不覆盖条件下,施氮处理花后氮素累积比例为40.5%~48.2%,N250处理花后氮素累积量和累积比例最大,花后氮素累积量为61.9 kg/hm2 (2016年) 和57.9 kg/hm2 (2017年),花后累积比例为47.3% (2016年) 和48.2% (2017年),但N400与N250处理间花后氮素累积量无显著差异,均显著高于N100处理。

    • 表2可以看出,春玉米氮素转移量、转移氮素贡献率叶片均高于茎秆。氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作显著提高春玉米茎和叶氮素转移量,在相同覆盖措施下,茎和叶氮素转移量均以N250处理最高,显著高于N0和N100处理,但过量施氮并没有进一步提高茎和叶的氮素转移量。与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下N100、N250和N400处理茎氮素转移量增幅分别为44.2%、96.3%和75.4% (2016年),209%、136%和110% (2017年),N100、N250和N400处理叶氮素转移量增幅分别为49.3%、87.1%和113% (2016年),248%、113%和130% (2017年)。地膜覆盖条件下,N250和N400处理茎氮素转移量与N100处理相比分别提高了111%和133% (2016年),67.8%和51.4% (2017年),N250和N400处理叶转移量与N100处理相比分别提高了108%和146% (2016年),64.0%和53.5% (2017年)。不覆盖条件下,N250和N400处理茎氮素转移量与N100处理相比分别提高了54.8%和91.3% (2016年),120%和123% (2017年),N250和N400处理叶氮素转移量与N100处理相比分别提高了65.6%和72.6% (2016年),168%和132% (2017年)。但氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作对转移氮素贡献率和氮素转移率影响不显著。

      年份
      Year
      施氮处理
      N treatment
      氮素转移量 (kg/hm2)
      N translocation amount
      转移氮素贡献率 (%)
      Contribution of N translocation
      氮素转移率 (%)
      N translocation proportion
      茎Stem 叶Leaf 茎Stem 叶Leaf 茎Stem 叶Leaf
      FM NM FM NM FM NM FM NM FM NM FM NM
      2016 N0 4.2 c 2.5 c 8.9 c 4.9 c 20.4 a 22.1 a 41.2 a 43.8 a 58.3 a 41.1 a 56.3 a 41.3 a
      N100 15.0 b 10.4 b 32.1 b 21.5 b 18.5 a 20.2 a 39.8 a 41.6 a 61.3 a 53.8 a 62.9 a 57.9 a
      N250 31.6 a 16.1 a 66.6 a 35.6 a 17.8 a 18.9 a 37.5 a 40.2 a 57.9 a 49.7 a 63.2 a 56.3 a
      N400 34.9 a 19.9 a 78.9 a 37.1 a 16.3 a 18.1 a 36.8 a 44.3 a 54.2 a 48.9 a 60.3 a 54.2 a
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** ** ns ns ns ns
      覆膜Film mulching (FM) ** ** ns ns ns ns
      N × FM ** ** ns ns ns ns
      2017 N0 4.1 c 0.8 c 8.5 c 1.3 c 21.2 a 23.8 a 43.5 a 42.2 a 54.9 a 38.5 a 58.6 a 43.7 a
      N100 18.3 b 5.9 b 40.0 b 11.5 b 19.1 a 21.5 a 41.7 a 41.8 a 59.0 a 47.2 a 63.5 a 54.4 a
      N250 30.7 a 13.0 a 65.6 a 30.8 a 17.6 ab 20.6 a 37.6 ab 41.6 a 52.4 a 47.4 a 65.5 a 57.6 a
      N400 27.7 a 13.2 a 61.4 a 26.7 a 15.9 b 19.8 a 35.2 b 40.2 a 47.8 a 45.5 a 58.0 a 51.0 a
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** ** ns ns ns ns
      覆膜Film mulching (FM) ** ** ns ns ns ns
      N × FM ** ** ns ns ns ns
      注(Note):FM—覆膜 Plastic film mulching;NM—不覆盖 No mulching;N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2;同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);ns—差异不显著;* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at the 0.05 level; ns—No significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

      表 2  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米氮素转运的影响

      Table 2.  Effects of nitrogen application rate and plastic film mulching on nitrogen translocation of spring maize

    • 表3可知,在相同覆盖措施条件下,施氮显著降低了氮肥农学效率和氮肥偏生产力,而地膜覆盖显著增加了氮肥农学效率和氮肥偏生产力,二者无交互作用。在相同覆盖条件下,氮收获指数均以N250处理最大,但过量施氮N400处理并没有进一步提高氮收获指数。与不覆盖处理相比,地膜覆盖提高了氮收获指数,N100、N250和N400处理的增幅分别为22.7%、13.2%和7.63% (2016年),24.9%、14.9%和14.8% (2017年),氮肥施用和地膜覆盖及二因素互作对氮收获指数均影响显著。

      年份
      Year
      施氮处理
      N treatment
      农学效率 (kg/kg N)
      Agronomy efficiency
      偏生产力 (kg/kg)
      N partial factor productivity
      氮收获指数 (%)
      N harvest index
      FM NM FM NM FM NM
      2016 N0 55.4 c 39.5 c
      N100 50.6 a 50.0 a 70.2 a 59.6 a 67.6 b 55.1 b
      N250 46.3 a 31.5 b 59.4 b 35.3 b 75.4 a 66.6 a
      N400 35.9 b 16.8 c 41.0 c 19.2 c 74.8 ab 69.5 a
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** ** **
      覆膜Film mulching (FM) ** ** **
      N × FM ns ns **
      2017 N0 61.5 c 43.2 c
      N100 64.5 a 26.6 a 92.8 a 32.6 a 69.7 ab 55.8 b
      N250 47.4 b 23.2 a 58.7 b 25.6 b 71.1 a 61.9 a
      N400 24.8 c 12.1 b 31.9 c 13.6 c 65.1 bc 56.7 ab
      变异来源Source of variation
      施氮量N rate (N) ** ** **
      覆膜Film mulching (FM) ** ** **
      N × FM ns ns **
      注(Note):FM—覆膜 Plastic film mulching;NM—不覆盖 No mulching;N0、N100、N250、N400 表示施氮 0、100、250、400 kg/hm2 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05);ns 表示差异不显著 ( P > 0.05);* 和 ** 分别表示差异显著 ( P < 0.05)、极显著 ( P < 0.01)。 N0, N100, N250 and N400 represent N application rates of 0, 100, 250 and 400 kg/hm 2; Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among treatments at the 0.05 level; ns means no significant difference (P > 0.05); * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

      表 3  氮肥施用和地膜覆盖对春玉米氮素利用效率的影响

      Table 3.  Effects of N application rates and plastic film mulching on nitrogen utilization efficiency of spring maize

    • 本试验中地膜覆盖显著提高了春玉米的产量,以N250处理为例,地膜覆盖能实现14.7~14.9 t/hm2的产量,与不覆盖相比,产量提高68.9%~130%。地膜覆盖在促进产量提高的同时,显著提高了氮肥的偏生产力和氮收获指数。以N250处理为例,地膜覆盖条件下氮肥偏生产力为59.4 kg/kg (2016年) 和58.7 kg/kg (2017年),与我国优化管理的高产玉米田的氮肥偏生产力 (平均为57 kg/kg) 基本一致[16];FM-N250处理氮收获指数最高,分别为75.4% (2016年) 和71.1% (2017年),与美国高产玉米氮收获指数 (76%左右) 基本一致[17]

      水肥运筹与氮素的吸收、转移及分配有着紧密联系且存在显著交互作用,充足的土壤水分是保证旱地氮肥充分发挥肥效的重要因素,对氮肥在土壤中的转化、迁移、作物吸收以及在体内的代谢均有显著影响[1820]。在干旱地区,水分缺乏会通过减少植株氮素吸收、转移和运输限制作物生长[21]。本课题组之前结果表明,地膜覆盖显著提高了春玉米播前到六叶期5 cm深土壤温度和0—200 cm土层储水量,平均土壤温度较不覆盖处理在播前到六叶期提高1~1.5℃左右,在六叶期地膜覆盖处理的平均土壤贮水量较不覆盖处理高20.4~60.5 mm[14]。在地膜覆盖条件下,氮肥施用不仅使春玉米苗期全氮含量显著增加,而且干物质量也显著增加,说明二因素互作不仅促进氮素吸收,同时促进春玉米苗期生长发育。地膜覆盖实现了土壤增温、保水、矿化养分等多种正效应的互作与耦合,使玉米克服了生育前期的低温、干旱等自然条件的限制,加快玉米营养生长期植株冠层的生长发育速度,提高冠层捕获的有效光合辐射、玉米光合势、光合速率及气孔导度,提前到达吐丝期[2224]。地膜覆盖处理不仅较不覆盖处理春玉米吐丝期提前了7~10天,而且显著提高春玉米吐丝期氮素累积量和干物质累积量。与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下施氮处理花前干物质累积量增幅趋势与花前氮素累积量增幅趋势一致。2017年不覆盖处理十叶期至吐丝期降雨量较2016年低近70 mm,使得2017年不覆盖处理吐丝期氮素累积量低于2016年,导致2017年吐丝期干物质累积量显著低于2016年不覆盖处理。

      生育后期同化产物积累是超高产栽培春玉米籽粒产量的主要来源[25],高产、超高产玉米生育后期具有较高的干物质累积优势[26]。该研究结果表明地膜覆盖和氮肥施用二因素互作增加花后干物质累积量和比例。地膜覆盖处理较不覆盖处理春玉米吐丝期提前了7~10天,使提前到达吐丝期春玉米具有较高的干物质快速累积速率和较长的干物质迅速累积持续期,二者有机结合显著提高春玉米花后干物质累积量和比例。地膜覆盖条件下施氮处理花后干物质量为6.36~14.9 t/hm2,花后累积比例为51.1%~59.9%,而不覆盖条件下施氮处理花后干物质量为3.58~6.47 t/hm2,花后累积比例为41.3%~48.7%。靳小利等[27]研究表明,高产玉米花后干物质累积比例为60%左右。本研究结果表明,地膜覆盖条件下N250处理实现14.7~14.9 t/hm2的籽粒产量,其花后干物质累积比例为58.8%~59.9%。

      吐丝后氮素累积是籽粒中的氮素重要来源。李婷等[28]研究表明,地膜覆盖不仅显著增加春玉米吐丝前氮素累积量,而且显著增加了吐丝后氮素累积量。葛均筑等[29]研究表明,覆膜和施氮显著提高各生育时期氮素累积量,但二因素互作仅对吐丝期氮素累积量影响显著。本研究表明,地膜覆盖条件下施氮处理春玉米良好的营养建成为春玉米花后氮素吸收和干物质累积奠定良好的基础,在地膜覆盖条件下氮肥施用提高花后氮素累积量和比例的效果更显著,地膜覆盖条件下施氮处理花后氮素累积量为62.3~157.0 kg/hm2,花后氮素累积比例在51.5%~54.9%,不覆盖条件下施氮处理花后氮素累积量为22.4~61.9 kg/hm2,花后氮素累积比例在40.5%~48.2%。与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下施氮处理具有较高的花后氮素累积优势,花后氮素累积量高于花前,花后氮素吸收促进玉米花后干物质累积,地膜覆盖条件下施氮对春玉米生育后期的影响大于前期,为春玉米高产奠定基础。

      籽粒氮素累积是由吐丝后氮素累积和吐丝前累积的氮素再转移共同作用的结果[17]。本研究表明,玉米养分转运对籽粒养分的贡献要大于吐丝后养分累积对籽粒养分的贡献,玉米养分转运对籽粒养分的贡献为50.1%~66.0%。李文娟等[30]研究指出,籽粒中54.5%~60.6%的氮可以依赖于营养体的转运。氮素转移量取决于吐丝期可用氮素量和氮素转移效率[17],本研究中氮肥施用和地膜覆盖二因素互作对氮素转移率无显著影响。与不覆盖处理相比,地膜覆盖条件下施氮处理茎和叶氮素转移量分别提高44.2%~209%和49.3%~248%。因此吐丝期较高的氮素累积量是营养器官氮素转移量提高的基础,地膜覆盖和氮肥施用二因素互作显著提高吐丝期氮素累积量,进而提高营养器官的氮素转移量。

    • 氮肥施用和地膜覆盖互作不仅显著提高春玉米苗期氮素吸收和干物质累积,而且对春玉米生育后期氮素和干物质累积的影响更大,为高产奠定物质基础,而氮肥施用和地膜覆盖二因素协同促进营养器官氮素转移量,从而提高春玉米籽粒产量和氮收获指数。

参考文献 (30)

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