• ISSN 1008-505X
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氮肥投入及有机无机肥配比对陇中旱农区玉米光合特性及产量的影响

郭喜军 谢军红 李玲玲 王嘉男 康彩睿 彭正凯 王进斌 Setorkwami Fudjoe 王林林

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氮肥投入及有机无机肥配比对陇中旱农区玉米光合特性及产量的影响

    作者简介: 郭喜军E-mail:2830538369@qq.com;
    通讯作者: 李玲玲, E-mail:lill@gsau.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金(31761143004);甘肃省教育厅项目(2017C-12);“十二五”国家科技支撑计划(2015BAD22B04-3)。

Appropriate nitrogen fertilizer amount and accepted organic N ratio for satisfactory photosynthesis and yield of maize in dry farming area of Longzhong, Gansu Province

    Corresponding author: LI Ling-ling, E-mail:lill@gsau.edu.cn ;
  • 摘要:   【目的】  甘肃气候干旱,土壤肥力不高,玉米生产对化肥氮素的依赖性高。因此,我们研究了该地区适宜的氮肥投入量及有机无机肥比例,为该地区玉米生产可持续高产提供理论和技术依据。  【方法】  2016–2018年,在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站,以先玉335玉米为试验材料,进行了三年田间试验。共设9个氮素投入量和有机无机肥配比处理,T1处理为不施氮肥;T2~T6处理的施氮量均为200 kg/hm2,其中商品有机肥氮的替代比例依次为50%、37.5%、25%、12.5%、0;T7处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为N 225 kg/hm2和22.2%,T8处理分别为N 225 kg/hm2和40%,T9处理分别为N 225 kg/hm2和54.5%。于拔节期、开花期和灌浆期测定了玉米光合指标和干物质积累量,收获后测产及产量构成。  【结果】  相同施氮量下提高有机氮比例,玉米叶绿素含量和叶面积指数没有同步增加,光合效率没有明显增加。提高氮肥总施用量可以显著提高叶面积指数和光合效率,增加玉米干物质积累量。相同施氮量下,有机无机肥配施处理 (T2~T5) 在拔节期和开花期光合效率低于单施化肥处理 (T6),但灌浆期干物质积累量与单施化肥处理 (T6) 差异不显著;成熟期有机氮替代比例为12.5%的T5处理干物质积累较50%有机氮替代比例 (T2) 显著增加48.5%。相同施氮量下,增加有机氮比例提高了成熟期干物质向籽粒的分配率,以40.0%有机氮替代比例 (T8) 和50.0%有机氮替代比例 (T2) 的籽粒干物质分配率相对较高,其值分别为56.9%、56.0%,但40.0%有机氮替代比例 (T8) 玉米产量与单施化肥 (T6) 没有显著差异。在丰水年,以有机肥形式增加施氮量 (T7、T8、T9) 不能显著增加玉米生物产量和籽粒产量,在等氮量 (200 kg/hm2) 投入条件下,增加有机肥比例降低了生物产量,但没有显著降低籽粒产量;在干旱年份,有机氮替代比例37.5% (T3) 和50.0% (T2) 的玉米籽粒产量较单施化肥 (T6) 分别增加了16.9%和14.5%,氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率提高。  【结论】  陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米,投入总氮量200 kg/hm2较为合理,增加有机肥施用比例在50%左右,可以保持现有产量不降低,且增加了玉米对氮素的总吸收量,有利于减少氮素在土壤中的残留,能够协调玉米全生育期内的土壤氮素供给,优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系,促进光合产物和氮素向籽粒转运,从而提高氮素利用效率和玉米籽粒产量。
  • 图 1  2016—2018年试验区月平均降水量

    Figure 1.  Average monthly rainfall in 2016–2018

    图 2  不同施肥处理下玉米各生育期叶片SPAD值

    Figure 2.  Chlorophyll content (SPAD) of maize at different growing stages under different treatments

    图 3  不同施肥处理下玉米叶面积指数的变化

    Figure 3.  Changes of leaf area index of maize under different fertilization treatments

    图 4  不同施肥处理下玉米光合特性的变化

    Figure 4.  Changes of photosynthetic characteristics of maize under different fertilization treatments

    表 1  试验各处理有机无机氮投入量及有机氮的比例

    Table 1.  Details of chemical and organic N input and the ratio of organic N in each treatment

    处理
    Treatment
    基肥Basalt fertilizer (kg/hm2)追施尿素
    Top dressing urea
    (N kg/hm2)
    总氮投入量
    Total N input
    (N kg/hm2)
    有机氮占比
    Organic N ratio
    (%)
    尿素氮
    Urea N
    有机肥氮
    Manure N
    P2O5
    T1 0 0150 0 00
    T2 0100 15010020050.0
    T3257515010020037.5
    T4505015010020025.0
    T5752515010020012.5
    T6100 01501002000
    T7755015010022522.2
    T850100 15010025040.0
    T925150 15010027554.5
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    表 2  不同施肥处理下玉米光合指标的日均值

    Table 2.  Daily average value of photosynthesis index of maize under different fertilization treatments

    处理TreatmentPn[μmol/ (m2·s)]Tr[mmol/ (m2·s)]Gs [mmol/ (m2·s)]Ci (mg/kg)
    T115.8 ± 1.2 f2.9 ± 0.6 c98.8 ± 7.2 h345.0 ± 9.9 a
    T218.0 ± 1.2 ef3.5 ± 0.8 bc123.1 ± 14.1 gh320.9 ± 48.4 ab
    T319.2 ± 0.7 def3.8 ± 0.8 bc141.6 ± 6.1 fg277.2 ± 9.8 bcd
    T420.7 ± 1.3 cde4.5 ± 0.5 abc170.0 ± 12.1 de244.5 ± 11.7 cde
    T525.7 ± 1.1 ab5.3 ± 0.5 ab202.0 ± 7.8 bc228.0 ± 20.7 def
    T628.9 ± 0.8 a6.2 ± 0.1 a260.3 ± 5.6 a180.1 ± 12.7 f
    T726.8 ± 1.3 ab5.7 ± 1.1 ab224.1 ± 7.7 b204.8 ± 14.3 ef
    T824.1 ± 0.5 bc4.1 ± 0.2 abc155.5 ± 6.0 ef263.5 ± 4.1 bcde
    T923.0 ± 2.4 bcd4.7 ± 0.8 abc183.7 ± 6.4 cd304.4 ± 9.1 abc
    注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 3  不同施肥处理玉米各生育时期干物质累积及成熟期干物质分配

    Table 3.  Dry matter accumulation and distribution at maturity of maize

    处理
    Treatment
    干物质积累量Dry matter accumulation (g/plant) 成熟期干物质分配Dry matter distribution at maturity (%)
    拔节期
    Jointing
    开花期
    Flowering
    灌浆期
    Filling
    成熟期
    Maturity

    Leaf

    Stem
    雄穗
    Spike
    穗轴
    Cob
    籽粒
    Grain
    T122.3 ± 2.0 b74.7 ± 9.0 d177.8 ± 46.7 b283.3 ± 11.5 c11.4 24.50.49.654.0
    T2 32.9 ± 4.1 ab 95.4 ± 11.0 cd 229.7 ± 41.0 ab342.5 ± 28.9 c9.925.60.48.056.0
    T350.1 ± 4.7 a 126.1 ± 12.7 bc 288.3 ± 48.3 ab421.6 ± 19.8 b9.027 0.49.354.3
    T4 44.1 ± 10.5 a 98.0 ± 11.8 cd 300.0 ± 61.5 ab502.5 ± 20.2 a9.729.20.39.051.7
    T5 33.5 ± 4.9 ab 137.1 ± 11.3 ab 356.0 ± 75.5 ab508.6 ± 14.2 a9.426.80.38.754.8
    T649.6 ± 4.3 a163.6 ± 4.1 a 392.7 ± 71.0 a 485.8 ± 11.3 ab10.3 28.30.29.251.9
    T745.8 ± 2.8 a155.3 ± 5.5 ab374.9 ± 70.2 a485.7 ± 8.3 ab10.3 30.40.37.651.4
    T8 36.8 ± 3.7 ab 155.4 ± 11.5 ab 324.0 ± 57.5 ab 448.4 ± 19.6 ab8.426.50.37.956.9
    T940.5 ± 8.0 a 101.4 ± 10.1 cd 348.8 ± 37.7 ab 436.9 ± 49.1 ab9.727.60.38.553.8
    注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同施肥处理玉米籽粒产量和生物产量

    Table 4.  Grain yield and biomass of maize under different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    籽粒产量Grain yield (kg/hm2) 生物产量Biomass (kg/hm2)
    201620172018平均Mean 201620172018平均Mean
    T13810 ± 397 e2477 ± 52 c8319 ± 653 b4869 15629 ± 424 a11456 ± 395 a18753 ± 1030 d15280
    T26681 ± 151 ab5717 ± 940 a11094 ± 577 a7831 13550 ± 87 bc13529 ± 2376 a22947 ± 607 c16675
    T368230 ± 293 a4808 ± 791 ab10999 ± 577 a7546 14462 ± 853 b14660 ± 589 a26163 ± 280 b18428
    T45797 ± 106 bc4933 ± 706 ab11670 ± 577 a7467 12571 ± 292 c14317 ± 1048 a30778 ± 1404 a19222
    T55349 ± 170.2 cd3512 ± 486 bc12924 ± 1155 a7262 12958 ± 406 c14360 ± 1226 a31026 ± 219 a19448
    T65840 ± 552.5 bc4240 ± 32 abc13330 ± 347 a7804 16284 ± 192 a14473 ± 293 a31947 ± 984 a20901
    T74510 ± 159.2 de2969 ± 517 c13313 ± 577 a6931 15802 ± 48 a13171 ± 556 a32997 ± 1439 a20656
    T84084 ± 211.3 e3658 ± 283 bc12682 ± 1155 a6808 13730 ± 227 bc12224 ± 1184 a30757 ± 946 a18904
    T95617 ± 355.3 c3937 ± 50 bc12403 ± 271 a7319 14290 ± 139 b12900 ± 828 a30712 ± 189 a19301
    注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2,and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 5  玉米叶片光合特性与产量的相关性 (2018年)

    Table 5.  Correlation between leaf photosynthetic characteristics and yield of maize (2018 year)

    项目ItemPnTrCiSPADLAI籽粒产量
    Grain yield
    生物产量
    Biomass
    Gs0.951**0.996**–0.912** 0.908**0.958**0.881**0.850**
    Pn0.949**–0.892** 0.957**0.931**0.934**0.884**
    Tr–0.914** 0.912**0.960**0.886**0.858**
    Ci–0.844** –0.919** –0.832** –0.828**
    SPAD0.938**0.958**0.909**
    LAI0.890**0.818**
    GY0.936**
    注(Note):Pn—光合速率 Photosynthetic rate; Tr—蒸腾速率 Transpiration rate; Gs—气孔导度 Stomatal conductance; Ci—胞间 CO2 浓度 Intercellular CO2 concentration; SPAD—叶绿素含量 Chlorophyll content; LAI—叶面积指数 Leaf area index.
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    表 6  2016—2018年不同施肥处理玉米氮素偏生产力和农学效率 (kg/kg)

    Table 6.  Nitrogen partial factor productivity and agronomic use efficiency of maize under different fertilization treatments (2016–2018)

    处理
    Treatment
    偏生产力Partial factor productivity农学利用效率Agronomic N use efficiency
    201620172018 201620172018
    T233.4 ± 0.8 a28.6 ± 4.7 a55.5 ± 2.0 bc14.4 ± 0.8 a16.2 ± 4.7 a13.9 ± 2.0 c
    T334.1 ± 1.5 a24.0 ± 4.0 ab55.0 ± 1.4 bc15.1 ± 1.5 a11.7 ± 4.0 ab13.4 ± 1.4 c
    T429.0 ± 0.5 b24.7 ± 3.5 ab58.3 ± 1.3 b9.9 ± 0.5 b12.3 ± 3.5 ab16.8 ± 1.3 bc
    T526.7 ± 0.9 b17.6 ± 2.4 bc64.6 ± 2.2 a7.7 ± 0.9 b5.2 ± 2.4 bc23.0 ± 2.2 a
    T629.2 ± 2.8 b21.2 ± 0.2 abc66.7 ± 1.7 a10.1 ± 2.8 b8.8 ± 0.2 abc25.1 ± 1.7 a
    T720.0 ± 0.7 c13.2 ± 2.3 c59.2 ± 0.9 b3.1 ± 0.7 cd2.2 ± 2.3 c22.2 ± 0.9 ab
    T816.3 ± 0.8 c14.6 ± 1.1 c50.7 ± 2.2 c1.1 ± 0.8 d4.7 ± 1.1 bc17.5 ± 2.2 bc
    T920.4 ± 1.3 c14.3 ± 0.2 c45.1 ± 0.6 d6.6 ± 1.3 bc5.3 ± 0.2 bc14.8 ± 0.6 c
    注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
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  • 收稿日期:  2019-07-18

氮肥投入及有机无机肥配比对陇中旱农区玉米光合特性及产量的影响

    作者简介:郭喜军E-mail:2830538369@qq.com
    通讯作者: 李玲玲, lill@gsau.edu.cn
  • 甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院,兰州 730070
  • 基金项目: 国家自然科学基金(31761143004);甘肃省教育厅项目(2017C-12);“十二五”国家科技支撑计划(2015BAD22B04-3)。
  • 摘要:   【目的】  甘肃气候干旱,土壤肥力不高,玉米生产对化肥氮素的依赖性高。因此,我们研究了该地区适宜的氮肥投入量及有机无机肥比例,为该地区玉米生产可持续高产提供理论和技术依据。  【方法】  2016–2018年,在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站,以先玉335玉米为试验材料,进行了三年田间试验。共设9个氮素投入量和有机无机肥配比处理,T1处理为不施氮肥;T2~T6处理的施氮量均为200 kg/hm2,其中商品有机肥氮的替代比例依次为50%、37.5%、25%、12.5%、0;T7处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为N 225 kg/hm2和22.2%,T8处理分别为N 225 kg/hm2和40%,T9处理分别为N 225 kg/hm2和54.5%。于拔节期、开花期和灌浆期测定了玉米光合指标和干物质积累量,收获后测产及产量构成。  【结果】  相同施氮量下提高有机氮比例,玉米叶绿素含量和叶面积指数没有同步增加,光合效率没有明显增加。提高氮肥总施用量可以显著提高叶面积指数和光合效率,增加玉米干物质积累量。相同施氮量下,有机无机肥配施处理 (T2~T5) 在拔节期和开花期光合效率低于单施化肥处理 (T6),但灌浆期干物质积累量与单施化肥处理 (T6) 差异不显著;成熟期有机氮替代比例为12.5%的T5处理干物质积累较50%有机氮替代比例 (T2) 显著增加48.5%。相同施氮量下,增加有机氮比例提高了成熟期干物质向籽粒的分配率,以40.0%有机氮替代比例 (T8) 和50.0%有机氮替代比例 (T2) 的籽粒干物质分配率相对较高,其值分别为56.9%、56.0%,但40.0%有机氮替代比例 (T8) 玉米产量与单施化肥 (T6) 没有显著差异。在丰水年,以有机肥形式增加施氮量 (T7、T8、T9) 不能显著增加玉米生物产量和籽粒产量,在等氮量 (200 kg/hm2) 投入条件下,增加有机肥比例降低了生物产量,但没有显著降低籽粒产量;在干旱年份,有机氮替代比例37.5% (T3) 和50.0% (T2) 的玉米籽粒产量较单施化肥 (T6) 分别增加了16.9%和14.5%,氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率提高。  【结论】  陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米,投入总氮量200 kg/hm2较为合理,增加有机肥施用比例在50%左右,可以保持现有产量不降低,且增加了玉米对氮素的总吸收量,有利于减少氮素在土壤中的残留,能够协调玉米全生育期内的土壤氮素供给,优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系,促进光合产物和氮素向籽粒转运,从而提高氮素利用效率和玉米籽粒产量。

    English Abstract

    • 玉米是我国种植范围最广、用途最多、总产量最高的作物,发展玉米生产对保障我国粮食安全和满足市场需要发挥着至关重要的作用[1]。近年来,由于全膜双垄沟播技术的应用,打破了玉米种植的自然水热限制,使玉米成了陇中旱农区新的主栽作物之一,玉米产量可达10 t/hm2左右[2]。但陇中旱农区土壤瘠薄,因此亟需及时足量补充土壤养分以确保玉米持续高产。

      玉米是喜氮作物,氮肥对玉米的增产效果明显,然而,化肥氮长期过量施用易导致土壤板结,养分失衡,作物品质降低,氮肥利用效率逐年下降[3-4]。有机肥能够改善土壤结构和理化性质[5],提高土壤肥力[6],但有机肥相对于化肥存在肥效缓慢,养分含量低等问题[7-9]。因此,如果能以适宜的比例和用量将有机肥与无机肥配施,就可能既满足玉米养分需求,维持陇中旱农区玉米持续高产,又避免大量使用无机氮肥造成的一系列问题。谢军红等[10]研究表明,在施氮水平为200 kg/hm2下,全膜双垄沟播玉米50%有机氮替代无机氮较单施化肥具有抗旱稳增产作用。关于施用化肥对玉米光合特性影响的研究很多,吴亚男等[11]研究认为,适当的施氮量可使玉米群体维持较高叶面积指数的时间延长、漏光损失减少、净光合速率提高、延缓中后期叶片衰老进程;刘剑钊等[12]研究认为,合理的氮肥施用比例可改善灌浆中前期干物质积累速率及积累量,保持较高的叶片生理活性,提高光合效能,可获得较高的产量和生物量。光合作用是作物产量形成的生理基础[13],作物通过光合作用形成的有机物占植株总干物质量的95%左右,矿质元素仅占5%左右,而玉米是C4作物,具有光合效率高的特点,所以,其光合性能研究一直倍受关注[14],研究施肥对作物光合作用的影响对解析施肥影响作物产量的生理机制具有重要意义[15]

      施肥对玉米产量的影响历来备受关注,在“双减”的政策背景下研究有机无机肥配施比例对玉米产量的影响,并从光合特性角度探讨其影响机制,对于化肥减施意义深远。为此,本研究设计了不同的氮素投入量及有机无机肥配施的比例,拟通过其对玉米产量及光合特性的研究,探究有利于陇中旱农区玉米持续高产的有机无机肥配施方案,并从光合作用角度解析其影响玉米产量的主要机制,以期为“双减”背景下陇中旱农区玉米可持续高产提供理论依据和技术指导。

      • 本研究于2016—2018年在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行。试区属中温带典型的半干旱雨养农业区,平均海拔2000 m,年均太阳辐射529.9 kcal/cm2,日照时数2476.6 h,年均气温6.4℃,≥ 0℃积温2933.5℃,≥ 10℃积温2239.1℃,无霜期140天,年均降水390.9 mm,年蒸发量1531 mm,干燥度2.53,为典型的雨养农业区。试验地土壤为黄绵土,凋萎含水率7.33%、饱和含水率28.6%、pH 8.36、土壤有机质12.01 g/kg、全氮0.76 g/kg、全磷1.77 g/kg。试验期间,2016年降水量300.2 mm,属于干旱年,自花期开始遭遇了严重的干旱胁迫;2017年降水量为357.5 mm,但7月14日遭受了严重的冰雹灾害;2018年降水量为472.1 mm,属于丰水年。2016—2018年,玉米生长季的降水量分别为233.1、309.1和377.6 mm (图1)。

        图  1  2016—2018年试验区月平均降水量

        Figure 1.  Average monthly rainfall in 2016–2018

      • 供试玉米品种为先玉335。参试有机肥用项目组与甘肃大行农业科技有限公司研制的以牛粪为主要原料的玉米专用商品有机肥,其中氮、磷、钾含量分别为3.3%、1.0%、0.7%,有机质含量 > 64%;化肥为尿素 (总氮46%);磷肥为过磷酸钙 (P2O5 > 20%)。

        试验采用单因素设计,包括不同的氮素投入量、有机无机肥配比,共9个处理,各处理施肥方案如表1。除了不施氮的对照,各处理追肥均为尿素 (纯N 100 kg/hm2)。每处理3次重复,共27小区,小区面积37.4 m2 (8.5 m × 4.4 m),种植密度5.25万株/hm2。所有的商品有机肥、磷肥全部作基肥深施;追肥在拔节期和大喇叭口期沿行向穴施于两株玉米中间。

        表 1  试验各处理有机无机氮投入量及有机氮的比例

        Table 1.  Details of chemical and organic N input and the ratio of organic N in each treatment

        处理
        Treatment
        基肥Basalt fertilizer (kg/hm2)追施尿素
        Top dressing urea
        (N kg/hm2)
        总氮投入量
        Total N input
        (N kg/hm2)
        有机氮占比
        Organic N ratio
        (%)
        尿素氮
        Urea N
        有机肥氮
        Manure N
        P2O5
        T1 0 0150 0 00
        T2 0100 15010020050.0
        T3257515010020037.5
        T4505015010020025.0
        T5752515010020012.5
        T6100 01501002000
        T7755015010022522.2
        T850100 15010025040.0
        T925150 15010027554.5
      • 于2018年分别在拔节期、开花期、灌浆期用SPAD-502测定叶绿素含量,测定部位是每株玉米最大展开叶的中部,每个小区测定9株,求平均值。

      • 于2018年分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期各小区随机取样3株,用直尺测量每株各叶片长度 (Lij) 和最大叶宽 (Bij),计算叶面积指数 (LAI)。

        $ LAI=0.75{\rm{\rho }}_{\text{种}}\frac{\displaystyle\sum _{j=1}^{m}\displaystyle\sum _{i=1}^{n}\left ({L}_{ij}\times {B}_{ij}\right) }{m} $

        式中:nj株的总叶片数;m为测定株数;ρ为种植密度。

      • 于2018年在玉米开花期,选择晴朗天气,9:00―19:00之间采用GFS-3000便携式光合作用-荧光测量系统测定玉米单叶叶片光合速率 (Pn)、蒸腾速率 (Tr)、气孔导度 (Gs) 和胞间CO2浓度 (Ci),测定部位为穗位叶。各小区重复3次。

      • 于2018年分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期各小区随机取样3株,105℃烘箱杀青0.5 h,然后80℃烘干至恒重计为各时期干物质量,成熟期还分别测定叶、茎、穗、穗轴和籽粒的干物质积累量,并依此计算其分配率。按小区实收,测定籽粒产量和生物产量。

      • 于2016、2017和2018年玉米收获后,按小区测定籽粒产量和生物产量,最后换算为单位面积产量 (kg/hm2)。

      • 氮肥农学利用效率 (kg/kg) = (施氮区籽粒产量 − 不施氮区籽粒产量) /施氮量;氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区籽粒产量/施氮量

      • 采用Microsoft Office Excel 2010 进行数据处理,用SPSS 21.0软件进行相关分析,采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验。

      • 图2可以看出,拔节期各施氮肥处理玉米叶绿素含量差异最大,灌浆期各施氮肥处理间无显著差异。拔节期,随着有机氮比例下降,SPAD值基本呈增加趋势,以有机氮比例为0的T6最高;开花期以施用有机氮12.5%的T5处理最高,但与25%有机氮替代比例 (T4)、单施化肥 (T6) 处理差异不显著,显著高于50%有机氮替代比例 (T2) 和T3 (37.5%)。提高总氮量的处理22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 拔节期SPAD值显著低于12.5%有机氮替代比例 (T5) 和单施化肥 (T6),与T3 (37.5%)、T4 (25%) 接近;开花期54.5%有机氮替代比例 (T9) 显著低于施用有机氮12.5%的T5处理,22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 与12.5%有机氮替代比例 (T5)、不施肥 (T1) 之外的处理没有显著差异。因此,增加有机肥替代比例,即使总氮量超过当地推荐的氮素合理用量 (200 kg/hm2),玉米叶绿素含量不会同步增加,且替代比例越高,叶绿素含量降低越多。

        图  2  不同施肥处理下玉米各生育期叶片SPAD值

        Figure 2.  Chlorophyll content (SPAD) of maize at different growing stages under different treatments

      • 图3可知,玉米叶面积指数处理之间的差异规律与SPAD值一样,在拔节期最大,开花期减小,灌浆期除不施肥 (T1) 对照外,几乎没有差异。拔节期以有机氮比例为0的T6叶面积指数最大,显著高于除12.5%有机氮替代比例 (T5) 外的所有处理;开花期以有机氮比例为0的T6最大,但与T3 (37.5%)、T5 (12.5%) 差异不显著。提高氮肥总量的22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理在拔节期叶面积指数显著低于有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4)、12.5% (T5)、0 (T6) 的处理,开花期和灌浆期54.5%有机氮替代比例 (T9) 差异不再显著,而22.2%有机氮替代比例和40.0%有机氮替代比例 (T8) 始终低于12.5%有机氮替代比例 (T5) 和单施化肥 (T6) (P < 0.05)。表明施氮肥量和有机氮比例均影响叶面积指数,超过合理施氮量显著降低全生育期的叶面积指数。合理施氮水平下,有机氮比例超过25%会显著降低拔节期和开花期的叶面积指数。

        图  3  不同施肥处理下玉米叶面积指数的变化

        Figure 3.  Changes of leaf area index of maize under different fertilization treatments

      • 在观测时间段 (9:00—19:00) 内,9个处理的蒸腾速率 (Tr)、净光合速率 (Pn)、气孔导度 (Gs)、胞间CO2浓度 (Ci) 均呈现出双峰日变化特征。各处理PnTrGs最大日均值出现在11:00—13:00,13:00—15:00出现明显的光合午休 (图4)。各施氮肥处理相对于不施氮肥 (T1) 处理,各个时间点PnTrGs增大,Ci减小,玉米叶片光合作用增强。在各观测时间段内,随着有机氮比例下降,蒸腾速率、净光合速率、气孔导度基本呈增加趋势,以有机氮比例为0的T6最高,含有机氮50%的T2最低,胞间CO2浓度相反;净光合速率12.5%有机氮替代比例 (T5)、单施化肥 (T6) 差异不显著,但显著高于50%有机氮替代比例 (T2) 和37.5%有机氮替代比例 (T3)。提高总氮量的处理40.0%有机氮替代比例 (T8) 和54.5%有机氮替代比例 (T9) 的蒸腾速率、净光合速率、气孔导度显著低于单施化肥 (T6),与12.5%有机氮替代比例 (T5) 接近;胞间CO2浓度40.0%有机氮替代比例 (T8) 和54.5%有机氮替代比例 (T9) 显著低于单施化肥 (T6),但40.0%有机氮替代比例 (T8) 和54.5%有机氮替代比例 (T9) 与50%有机氮替代比例 (T2) 处理没有显著差异。

        图  4  不同施肥处理下玉米光合特性的变化

        Figure 4.  Changes of photosynthetic characteristics of maize under different fertilization treatments

        表2可以看出,叶片PnTrGs的日平均值均以不施氮肥 (T1) 处理最低,单施化肥200 Nkg/hm2 处理 (T6) 最高。合理施氮下,有机氮占总氮比例为50.0% (T2)、37.5% (T3)、25.0% (T4)、12.5% (T5) 的玉米叶片净光合速率 (Pn) 分别比单施化肥 (T6) 处理降低37.5%、33.4%、28.2%、10.8%。增施氮肥后,22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理在开花期的净光合速率显著低于单施化肥 (T6),40.0%有机氮替代比例 (T8) 和54.5%有机氮替代比例 (T9) 差异不再显著,但22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 始终高于有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4) 与不施肥 (T1)。因此,施氮肥增强玉米叶片光合作用,但在总施氮量不变的情况下提高有机肥的比例削弱光合作用。

        表 2  不同施肥处理下玉米光合指标的日均值

        Table 2.  Daily average value of photosynthesis index of maize under different fertilization treatments

        处理TreatmentPn[μmol/ (m2·s)]Tr[mmol/ (m2·s)]Gs [mmol/ (m2·s)]Ci (mg/kg)
        T115.8 ± 1.2 f2.9 ± 0.6 c98.8 ± 7.2 h345.0 ± 9.9 a
        T218.0 ± 1.2 ef3.5 ± 0.8 bc123.1 ± 14.1 gh320.9 ± 48.4 ab
        T319.2 ± 0.7 def3.8 ± 0.8 bc141.6 ± 6.1 fg277.2 ± 9.8 bcd
        T420.7 ± 1.3 cde4.5 ± 0.5 abc170.0 ± 12.1 de244.5 ± 11.7 cde
        T525.7 ± 1.1 ab5.3 ± 0.5 ab202.0 ± 7.8 bc228.0 ± 20.7 def
        T628.9 ± 0.8 a6.2 ± 0.1 a260.3 ± 5.6 a180.1 ± 12.7 f
        T726.8 ± 1.3 ab5.7 ± 1.1 ab224.1 ± 7.7 b204.8 ± 14.3 ef
        T824.1 ± 0.5 bc4.1 ± 0.2 abc155.5 ± 6.0 ef263.5 ± 4.1 bcde
        T923.0 ± 2.4 bcd4.7 ± 0.8 abc183.7 ± 6.4 cd304.4 ± 9.1 abc
        注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
      • 各处理整个生育时期的干物质量及成熟期干物质分配情况如表3所示,玉米干物质累积量前期增长迅速,后期增长速度减缓。各生育时期的平均干物质积累量分别为39.5、123.0、310.3、435.0 g/株,开花期、灌浆期和成熟期比拔节期分别增长211.3%、152.2%、40.2%。灌浆期之前都是单施化肥200 Nkg/hm2的处理干物质量最高,灌浆后有机无机肥配施的处理干物质量增长迅速,成熟期施氮肥处理间差距缩小,但12.5%有机氮替代比例 (T5) 最高。

        表 3  不同施肥处理玉米各生育时期干物质累积及成熟期干物质分配

        Table 3.  Dry matter accumulation and distribution at maturity of maize

        处理
        Treatment
        干物质积累量Dry matter accumulation (g/plant) 成熟期干物质分配Dry matter distribution at maturity (%)
        拔节期
        Jointing
        开花期
        Flowering
        灌浆期
        Filling
        成熟期
        Maturity

        Leaf

        Stem
        雄穗
        Spike
        穗轴
        Cob
        籽粒
        Grain
        T122.3 ± 2.0 b74.7 ± 9.0 d177.8 ± 46.7 b283.3 ± 11.5 c11.4 24.50.49.654.0
        T2 32.9 ± 4.1 ab 95.4 ± 11.0 cd 229.7 ± 41.0 ab342.5 ± 28.9 c9.925.60.48.056.0
        T350.1 ± 4.7 a 126.1 ± 12.7 bc 288.3 ± 48.3 ab421.6 ± 19.8 b9.027 0.49.354.3
        T4 44.1 ± 10.5 a 98.0 ± 11.8 cd 300.0 ± 61.5 ab502.5 ± 20.2 a9.729.20.39.051.7
        T5 33.5 ± 4.9 ab 137.1 ± 11.3 ab 356.0 ± 75.5 ab508.6 ± 14.2 a9.426.80.38.754.8
        T649.6 ± 4.3 a163.6 ± 4.1 a 392.7 ± 71.0 a 485.8 ± 11.3 ab10.3 28.30.29.251.9
        T745.8 ± 2.8 a155.3 ± 5.5 ab374.9 ± 70.2 a485.7 ± 8.3 ab10.3 30.40.37.651.4
        T8 36.8 ± 3.7 ab 155.4 ± 11.5 ab 324.0 ± 57.5 ab 448.4 ± 19.6 ab8.426.50.37.956.9
        T940.5 ± 8.0 a 101.4 ± 10.1 cd 348.8 ± 37.7 ab 436.9 ± 49.1 ab9.727.60.38.553.8
        注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).

        成熟期玉米干物质分配比例籽粒最高,其次为茎、叶,穗轴、雄穗最低,平均分配率为53.9%、27.3%、9.8%、8.7%、0.3%。总体上籽粒干物质分配率不随着有机肥施用量的增大而增大,其次序从大到小依次为T8 > T2 > T5 > T3 > T1 > T9 > T6 > T4 > T7。40.0%、50.0%替代水平的籽粒分配率相对较高,其值分别为56.9%、56.0%。拔节期和灌浆期有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4)、12.5% (T5) 干物质积累差异不显著,成熟期随着有机氮比例下降,干物质积累基本呈增加趋势,以有机氮比例为0的T6最高,有机肥占比50%的T2最低。提高氮肥总量的22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理在拔节期干物质积累高于12.5%有机氮替代比例 (T5)、50%有机氮替代比例 (T2) 与不施肥 (T1),开花期22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 低于单施化肥 (T6),灌浆期22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 差异不显著,而22.2%有机氮替代比例和40.0%有机氮替代比例 (T8) 始终低于单施化肥 (T6) (p < 0.05),成熟期22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 低于12.5%有机氮替代比例 (T5) 和25%有机氮替代比例 (T4)。表明施氮肥量和有机氮比例均影响干物质积累,施氮肥增加了玉米干物质积累量,超过合理施氮量会降低玉米干物质积累量,有机无机肥配施后期效应显著。合理施氮水平下,有机氮比例超过37.5%会显著降低开花期和成熟期的干物质积累。

      • 表4可知,降水年型和不同施肥方案显著影响玉米的籽粒产量和生物产量。在试验期间总体产量水平和降水情况基本吻合,2018年降水最多、产量也最高,2017年玉米生长关键期遭受严重冰雹灾害、产量也最低。不同年份籽粒产量平均值不施氮肥 (T1) 最低,单施化肥 (T6) 最高,50%有机氮替代比例 (T2) 次之,且不同年份单施化肥 (T6) 与50%有机氮替代比例 (T2) 籽粒产量差异不显著,50%有机氮替代比例 (T2) 处理3年平均产量仅比单施化肥 (T6) 降低了1.1%。不同年份生物产量平均值大小顺序为T6 > T7 > T5 > T4 > T9 > T8 > T3 > T2 > T1。随着有机肥比例的提高,有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4)、12.5% (T5) 处理的籽粒产量均值为T2 > T3 > T4 > T5,生物产量为T5 > T4 > T3 > T2。提高氮肥总量的22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理的籽粒产量均值低于有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4)、12.5% (T5)、0 (T6) 的处理,但生物产量却高于有机肥氮的替代比例依次为50% (T2)、37.5% (T3)、25% (T4)、12.5% (T5)。因此,与不施氮肥 (T1) 处理相比,施氮肥处理均增加了玉米的籽粒产量和生物产量,但施氮量超过200 Nkg/hm2后,以有机肥形式增加施氮量不能显著增加籽粒产量,但生物产量会增加。在施氮量相同情况下,虽然增加有机肥的比例降低了生物产量,但不显著降低籽粒产量。

        表 4  不同施肥处理玉米籽粒产量和生物产量

        Table 4.  Grain yield and biomass of maize under different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        籽粒产量Grain yield (kg/hm2) 生物产量Biomass (kg/hm2)
        201620172018平均Mean 201620172018平均Mean
        T13810 ± 397 e2477 ± 52 c8319 ± 653 b4869 15629 ± 424 a11456 ± 395 a18753 ± 1030 d15280
        T26681 ± 151 ab5717 ± 940 a11094 ± 577 a7831 13550 ± 87 bc13529 ± 2376 a22947 ± 607 c16675
        T368230 ± 293 a4808 ± 791 ab10999 ± 577 a7546 14462 ± 853 b14660 ± 589 a26163 ± 280 b18428
        T45797 ± 106 bc4933 ± 706 ab11670 ± 577 a7467 12571 ± 292 c14317 ± 1048 a30778 ± 1404 a19222
        T55349 ± 170.2 cd3512 ± 486 bc12924 ± 1155 a7262 12958 ± 406 c14360 ± 1226 a31026 ± 219 a19448
        T65840 ± 552.5 bc4240 ± 32 abc13330 ± 347 a7804 16284 ± 192 a14473 ± 293 a31947 ± 984 a20901
        T74510 ± 159.2 de2969 ± 517 c13313 ± 577 a6931 15802 ± 48 a13171 ± 556 a32997 ± 1439 a20656
        T84084 ± 211.3 e3658 ± 283 bc12682 ± 1155 a6808 13730 ± 227 bc12224 ± 1184 a30757 ± 946 a18904
        T95617 ± 355.3 c3937 ± 50 bc12403 ± 271 a7319 14290 ± 139 b12900 ± 828 a30712 ± 189 a19301
        注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2,and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).

        表5可知,玉米籽粒产量和生物产量与气孔导度、净光合速率、蒸腾速率、SPAD值、LAI均极显著正相关,与胞间CO2浓度极显著负相关。

        表 5  玉米叶片光合特性与产量的相关性 (2018年)

        Table 5.  Correlation between leaf photosynthetic characteristics and yield of maize (2018 year)

        项目ItemPnTrCiSPADLAI籽粒产量
        Grain yield
        生物产量
        Biomass
        Gs0.951**0.996**–0.912** 0.908**0.958**0.881**0.850**
        Pn0.949**–0.892** 0.957**0.931**0.934**0.884**
        Tr–0.914** 0.912**0.960**0.886**0.858**
        Ci–0.844** –0.919** –0.832** –0.828**
        SPAD0.938**0.958**0.909**
        LAI0.890**0.818**
        GY0.936**
        注(Note):Pn—光合速率 Photosynthetic rate; Tr—蒸腾速率 Transpiration rate; Gs—气孔导度 Stomatal conductance; Ci—胞间 CO2 浓度 Intercellular CO2 concentration; SPAD—叶绿素含量 Chlorophyll content; LAI—叶面积指数 Leaf area index.
      • 表6可知,不同年份施肥处理的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的表现不同,丰水年的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率最高,干旱年份次之,2017年由于遭受了严重的冰雹灾害,植株受损严重,氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的表现较低。2016年以有机氮替代比例37.5%处理 (T3) 的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率最高,2017年50.0%有机氮替代处理 (T2) 最高,2018年单施化肥处理 (T6) 最高。干旱年份 (2016),随着有机氮比例增加,氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率基本呈增加趋势,以有机氮替代比例为50%处理 (T2) 最高;丰水年 (2018) 以含有机氮比例为0的T6处理最高,但与12.5%有机氮替代比例 (T5)、单施化肥 (T6) 差异不显著,显著高于50%和37.5%有机氮替代比例 (T2、T3)。提高总氮量的处理22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 干旱年份氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率显著低于12.5%有机氮替代比例 (T5) 和单施化肥 (T6);丰水年22.2%有机氮替代比例 (T7)、40%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 显著低于T5 (12.5%有机氮),T8 (40.0%有机氮) 与T2 (50%有机氮)、T3 (37.5%有机氮),处理间没有显著差异。

        表 6  2016—2018年不同施肥处理玉米氮素偏生产力和农学效率 (kg/kg)

        Table 6.  Nitrogen partial factor productivity and agronomic use efficiency of maize under different fertilization treatments (2016–2018)

        处理
        Treatment
        偏生产力Partial factor productivity农学利用效率Agronomic N use efficiency
        201620172018 201620172018
        T233.4 ± 0.8 a28.6 ± 4.7 a55.5 ± 2.0 bc14.4 ± 0.8 a16.2 ± 4.7 a13.9 ± 2.0 c
        T334.1 ± 1.5 a24.0 ± 4.0 ab55.0 ± 1.4 bc15.1 ± 1.5 a11.7 ± 4.0 ab13.4 ± 1.4 c
        T429.0 ± 0.5 b24.7 ± 3.5 ab58.3 ± 1.3 b9.9 ± 0.5 b12.3 ± 3.5 ab16.8 ± 1.3 bc
        T526.7 ± 0.9 b17.6 ± 2.4 bc64.6 ± 2.2 a7.7 ± 0.9 b5.2 ± 2.4 bc23.0 ± 2.2 a
        T629.2 ± 2.8 b21.2 ± 0.2 abc66.7 ± 1.7 a10.1 ± 2.8 b8.8 ± 0.2 abc25.1 ± 1.7 a
        T720.0 ± 0.7 c13.2 ± 2.3 c59.2 ± 0.9 b3.1 ± 0.7 cd2.2 ± 2.3 c22.2 ± 0.9 ab
        T816.3 ± 0.8 c14.6 ± 1.1 c50.7 ± 2.2 c1.1 ± 0.8 d4.7 ± 1.1 bc17.5 ± 2.2 bc
        T920.4 ± 1.3 c14.3 ± 0.2 c45.1 ± 0.6 d6.6 ± 1.3 bc5.3 ± 0.2 bc14.8 ± 0.6 c
        注(Note):T1 处理为不施氮肥; T2~T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中商品有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7~T9 处理的施氮量和商品有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 225 kg/hm2 和 40%, N 225 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期不同肥料处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; In treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input were 225, 250 and 270 kg/hm2, and the manure N ratio were 22.2%, 40.0% and 54.5%; Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).
      • 氮肥管理对黄土高原半干旱区玉米产量形成和养分利用效率有重要影响[16]。郎晓峰等[17]研究表明适当的有机肥配施化肥增加植株氮素积累量,使其干物质增加多,因而显著提高了玉米产量。本研究发现,在施氮水平为200 kg/hm2[10],提高基施氮肥中有机肥氮的比例,较不施氮肥具有增产作用,氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率呈上升趋势,较单施化肥具有稳产作用,与单施化肥 (T6) 相比,也不会显著降低玉米籽粒产量 (表4)。这主要是通过前期控氮,将部分氮后移可以提高干物质转化效率[18],从而提高籽粒产量。随着总氮肥投入量继续增大,玉米生物产量和籽粒产量都不会同步增加,22.2%有机氮替代比例、40.0%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理与单施化肥 (T6) 间均无明显差异,这主要是随着总氮肥投入量继续增大会导致土壤肥力下降,作物产量降低,影响氮肥资源利用效率[19],过高的总氮肥投入量会降低氮素利用率,从而导致玉米产量不会明显的提升。与25%有机氮替代比例 (T4) 处理相比,40.0%有机氮替代比例 (T8) 处理的籽粒产量和生物产量分别降低了9.1%、1.6%,12.5%有机氮替代比例 (T5)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理间无显著性差异。这说明在基施尿素氮不变的条件下,分别增加有机氮含量不会提高玉米产量。吕凤莲[20]研究认为,有机肥、无机肥混合施用可以显著提高玉米产量。谢军等[21]研究认为,施氮显著增加了玉米籽粒产量和生物产量,在农民习惯施氮基础上合理减少施氮量对玉米氮素需求无影响,可保证玉米稳产,实现减氮增效。

        因此,虽然有机肥相对于化肥肥效相对迟缓,但对玉米一生来说,增施有机肥改良了土壤中的氮素供给关系[22-23],使土壤养分能够平稳释放[24],能够在关键期满足玉米的养分需求,增加了光合有机物和氮素向籽粒转运[25-26],从而提高氮素利用效率和玉米籽粒产量。

      • 产量形成是以光合作用为基础,最大限度的利用光能,提高光合效率,是作物高产的首要条件[24]。通过增施有机肥可增强植物的光合性能[27-28]。杨玉玲[29]等研究表明合理的有机氮配施能显著增加玉米的净光合速率。本研究发现,和不施氮对照比较,施氮明显提高玉米叶片中的光合速率、气孔导度、蒸腾速率,降低胞间CO2浓度,增强玉米叶片光合作用。这可能是因为养分成为限制玉米光合作用的关键因子,合理的氮肥提高了土壤肥力,使玉米光合作用显著增强。在总施氮量N 200 kg/hm2时,增加有机肥的比例延长了玉米叶片的持绿时间,延缓了玉米叶片的衰老和脱落,扩大了灌浆到成熟期间的光合面积,增加了灌浆到成熟期间光合产物向籽粒的运转分配,从而提高玉米的籽粒产量。与25%有机氮替代比例 (T4) 处理相比,40.0%有机氮替代比例 (T8) 处理的光合速率提高了16.4%,12.5%有机氮替代比例 (T5)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理间无显著性差异。这说明,在基施尿素氮不变的条件下,继续增加有机氮含量却对提升光合效率不明显。合适的有机肥与化肥配施比例可以提高玉米植株光合特性,从而提高玉米的籽粒产量。

        因此,虽然有机肥肥效相对于化肥较迟缓,降低早期的叶面积和叶绿素含量,但对玉米主要光合器官叶片和叶绿素在全生育期的发展动态来说,有机肥肥效相对于化肥更为有利,有助于协调叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系,促进光合产物向籽粒转移,最终达到高产。

      • 陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米,保持总氮量200 kg/hm2是较为合理的投入量,增加有机肥施用比例50%左右,可以保持现有产量不降低,且增加了玉米对氮素的总吸收量,有利于减少氮素在土壤中的残留,能够协调玉米全生育期内的土壤氮素供给,优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系,促进光合产物和氮素向籽粒转运,从而提高氮素利用效率和玉米籽粒产量。

    参考文献 (29)
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