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包膜控釋尿素對玉米花后干物質和氮素積累與分配的影響

2019-11-13 03:11:12 江蘇農業科學 2019年17期

郭松 喻華 曾祥忠

摘要:玉米作為我國三大糧食作物之一,其氮肥的合理施用關乎我國糧食安全和農業綠色發展。為明確合理施用控釋尿素對川中丘陵區春玉米花后干物質和氮素積累與分配的影響,以當地主推品種成單30為試驗材料,設置無氮肥(CK)、N 300 kg/hm2普通尿素(U300)、N 225 kg/hm2樹脂包膜控釋尿素(CU225)和N 300 kg/hm2樹脂包膜控釋尿素(CU300)共4個處理。測定吐絲期和成熟期植株各器官的干物質和氮含量,并在花后0、10、20、30 d動態檢測葉片的SPAD值和光合速率。結果表明:成熟期玉米各器官中干物質和氮素分配規律一致,均為籽粒>莖>葉> 穗軸>苞葉,而且籽粒中氮素占比高于干物質占比,莖、穗軸和苞葉中氮素占比低于干物質占比。與U300處理相比,干物質積累在CU300處理下增加4.2%,CU225處理下降低1.8%,而氮素積累在CU300處理下提高20.1%,CU225處理下降低0.2%,但統計分析差異均不顯著。CU225處理與U300處理玉米花后氮素吸收比例在46.7%~49.3%之間,而葉片光合速率和SPAD值的變化沒有顯著差異。因此,在本試驗條件下,川中丘陵區春玉米通過樹脂包膜控釋尿素替代普通尿素,其氮肥施用量減少25%仍可保障玉米花后正常的干物質生產和氮素需求,保證玉米產量穩定。

關鍵詞:玉米;包膜控釋尿素;干物質積累與分配;氮素吸收利用;光合速率

中圖分類號: S513.06 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)17-0088-05

氮是影響作物生長和產量提高的最關鍵營養元素。自20世紀60年代開始,農田中氮肥的施用量在不斷增加。據統計,2010年我國化肥消費量達到5 561.7萬t,占世界消費總量的1/3,其中氮肥為3 200萬t[1]。然而不合理的氮肥投入導致一系列的環境問題,嚴重影響我國農業的綠色發展[2]。玉米作為我國最重要的糧食作物之一,其化肥減施增效技術研究是我國“十三五”期間的重點研究方向。

控釋尿素作為一種高效兼環境友好的新型肥料,可以通過一次施用滿足玉米整個生育期對養分的需求,并減少養分損失[3]。目前對控釋尿素的研究報道較多,如控釋氮肥施用可提高春玉米和夏玉米產量,提高氮肥利用效率[4-5]。在夏玉米生育期中,樹脂包膜尿素的氨揮發累計總量與常規尿素相比下降幅度達17%以上[6]。在東北地區樹脂包膜尿素處理的玉米產量高于硫包衣尿素和普通尿素處理,且氮素損失量最低[7]。而夏偉光等發現樹脂包膜控釋尿素和普通尿素配施處理效果更好[8]。在玉米苗期,樹脂包膜尿素的緩釋性能強于淀粉包膜尿素[9]。但是先前的研究多集中在控釋尿素對玉米產量、氮利用效率、環境效應和釋放特性等方面,對于包膜尿素影響玉米干物質生產和氮肥減施增效機制的報道較少。因此,本研究選擇川中丘陵區典型的玉米種植制度,主要研究樹脂包膜尿素施用對玉米花后干物質積累與分配和氮素吸收利用的影響,并分析可能的機制,旨在為玉米高產及氮肥減施增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和地點

田間試驗于2014年4—8月,在四川省農業科學院川中丘陵區現代農業試驗示范基地進行。該試驗基地位于四川省德陽市中江縣,地理坐標為30°36.784′N,105°01.322′E。玉米生長季降雨量為470 mm,平均氣溫為28.6 ℃。土壤基本理化性質如下:pH值7.78(1 ∶ 2.5土水比),土壤容重 1.38 g/cm3,有機質11.53 g/kg,總氮1.1 g/kg,堿解氮 98.4 mg/kg,有效磷6.97 mg/kg,速效鉀146.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為成單30,于2014年4月10日播種,8月16日收獲。試驗采用隨機區組設計,共設4個氮肥處理,分別為無氮肥(CK)、N 300 kg/hm2普通尿素(U300)、N 225 kg/hm2 樹脂包膜控釋尿素(CU225)和N 300 kg/hm2樹脂包膜控釋尿素(CU300),每個處理3次重復。小區長5 m,寬4 m,小區面積20 m2。種植密度為50 000株/hm2,窩距為20 cm,行距為寬窄行(130 cm ∶ 70 cm)。磷肥為過磷酸鈣,P2O5施用量為90 kg/hm2;鉀肥為氯化鉀,K2O施用量為 150 kg/hm2;樹脂包膜控釋尿素含氮量為42%,釋放期為 90 d。磷肥、鉀肥和樹脂包膜尿素在播前作為基肥一次性施用,普通尿素在播前和拔節期分2次施用(基 ∶ 追=1 ∶ 1),除試驗設計的肥料外,不施用其他任何肥料,其他措施與當地高產栽培一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 SPAD值和光合速率測定 在玉米開花期標記同一天開花且長勢一致的單株(每小區標記5株),從玉米開花期開始,分別在開花期、開花后10、20、30 d測定穗位葉SPAD值和凈光合速率。采用LI-6400型光合作用系統(LI-COR,美國)于晴天09:00—11:00之間選取標記葉片測定凈光合速率[μmol/(m2·s)]。同時采用手持式SPAD-502葉綠素測定儀(柯尼卡美能達,日本)測定葉綠素值,每株葉片重復測定3次,取平均值。

1.3.2 植株干物質和養分測定 在開花期,每小區取3株混合樣,分莖、葉2部分。在成熟期,每小區取3株混樣,分莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒5部分。在75 ℃烘箱烘干,測定樣品干物質含量,粉樣,用凱氏定氮法測定樣品氮含量。

1.3.3 相關參數計算[10-11]

收獲指數=籽粒干質量/成熟期干物質積累量×100%;

氮素收獲指數=籽粒含氮量/成熟期氮素積累量×100%;

花前干物質積累率=花前干物質積累量/成熟期干物質積累量×100%;

花后干物質積累率=花后干物質積累量/成熟期干物質積累量×100%;

花前氮素積累率=花前氮素積累量/成熟期氮素積累 量×100%;

花后氮素積累率=花后氮素積累量/成熟期氮素積累 量×100%。

1.3.4 數據處理 采用Excel 2007進行數據處理,用IBM SPSS23軟件進行顯著性分析,用Sigma Plot 10.0和Adobe Illustrator CS11軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 樹脂包膜控釋尿素對玉米干物質和氮素積累的影響

從圖1可以看出,CK、U300、CU225、CU300的總干物質積累量分別為172.36、276.88、271.98、288.5 g/株,總氮積累量分別為1.82、2.78、2.78、3.34 kg/hm2,C300、CU225和CU300處理較CK均顯著提高玉米干物質和氮的積累。U300、CU225和CU300處理相對于CK處理分別使玉米籽粒干物質增加71.9%、64.2%、77.4%,總干物質積累增加 60.6%、57.8%、67.4%,同時總氮積累分別增加53.4%、53.1%、84.2%,但是對籽粒氮濃度沒有顯著影響。對作物干物質和氮積累的影響,CU225和U300處理之間沒有顯著差異,說明施肥處理效果相同。

2.2 樹脂包膜控釋尿素對玉米干物質和氮素分配的影響

施肥處理影響玉米干物質和氮素在各個器官的分配(圖2)。在成熟期,各器官干物質和氮素分配規律一致,比重依次為籽粒>莖>葉>穗軸>苞葉。其中50%以上的干物質分配到籽粒中,20%左右分配到莖中,12%~17%分配到葉片中,10%左右在穗軸中,5%以下在苞葉中。但是籽粒中氮素分配比例為60.9%~68.9%,比干物質分配比例高10%以上,而莖、穗軸和苞葉中氮素分配比例低于干物質分配比例,葉片中兩者基本一致。

在CK處理下,籽粒干質量占比50.4%,莖、葉分別占17.2%、17.0%。施用300 kg/hm2普通尿素后,籽粒干質量占比即收獲指數增加到53.9%,莖干質量占比增加到209%,葉干質量占比降低到11.8%。施用225、300 kg/hm2的包膜控釋尿素與300 kg/hm2的普通尿素效果相同,即增加籽粒和莖中干物質的比例,降低葉片中干物質的比例,對穗軸和苞葉的比例沒有影響。以上結果說明施氮肥可以增加玉米的收獲指數,降低葉片中干物質的比例,充足的氮肥促進作物生長,生產更多的干物質積累到籽粒和莖稈中。缺氮條件下玉米葉片干物質比例較高是為維持玉米花后正常生長和葉片光合作用的需要。氮素分配的趨勢與干物質一致,但是分配到籽粒中的比例更高,氮素收獲指數達到60%以上。因為氮是維持玉米葉片光合作用的重要營養元素,所以各個處理下的葉片氮素比例都維持在10%左右。U300、CU225和CU300處理下的籽粒中比例最高,莖中次之,而穗軸和苞葉中比例較小,說明植物吸收更多的氮被儲存到籽粒和莖中。

U300、CU225和CU300的總干物質積累量和總氮吸收量較CK處理有顯著增加,但是處理間花前和花后的干物質積累率沒有顯著差異。花前干物質積累率在35.0%~41.0%之間,花后干物質積累率在59.0%~65.0%之間(表1)。氮的積累率在處理之間出現差異,CK處理的花前氮積累率達到66.2%,顯著高于U300和CU300處理。同時CK處理的花后氮積累率只有33.8%,顯著低于U300和CU300處理。U300、CU225和CU300處理之間的干物質積累率沒有差異,說明包膜控釋尿素替代尿素不影響花前和花后干物質的分配比例。等量氮肥施用量下,控釋尿素(CU300)處理較普通尿素(U300)處理使花后氮積累率增加6.1百分點。

2.3 樹脂包膜控釋尿素對玉米花后葉片SPAD值和光合速率的影響

葉片SPAD值受氮肥水平的影響,在各個時期施氮肥處理都顯著高于CK處理(圖3)。在開花期、花后10 d、20 d和30 d,施氮肥處理(U300、CU225和CU300)較CK處理的SPAD值分別提高26.4%~39.6%、24.9%~29.2%、26.2%~38.3% 和33.9%~49.1%。在開花期、開花后10 d和開花后20 d,U300、CU225和CU300處理之間的SPAD值沒有差異,均在52~57左右。到開花后30 d,CU225處理的葉片SPAD值出現降低,測定值為51,低于U300和CU300處理的57和54。U300和CU300處理在各個時期都沒有差異。結果表明與普通尿素相比, 施用包膜控釋尿素對花后玉米葉片的SPAD值無顯著影響。

花后干物質積累與光合速率密切相關,玉米葉片的光合速率在花后呈先升高后降低的趨勢,在花后30 d(灌漿后期)開始下降(圖4)。其中開花期的平均凈光合速率為 13.8 μmol/(m2·s),開花后10 d為15.7 μmol/(m2·s),開花后20 d為14.8 μmol/(m2·s),到開花后30 d降低至 12.1 μmol/(m2·s)。氮肥對光合作用影響較大,由于受缺氮影響,CK處理下的葉片光合速率一直較低。施用225~300 kg/hm2的氮肥后,葉片光合速率較CK處理分別在開花期提高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%。以上結果說明持續的氮肥供應是維持玉米花后光合作用的重要保證。雖然受葉片衰老的影響,葉片光合速率出現較大變異,但是普通尿素與包膜尿素對光合作用的影響沒有差異。

3 討論

玉米施氮增產效果顯著,同時干物質積累和氮素吸收也顯著增加。有研究表明氮肥施用量在0~300 kg/hm2的范圍內,可明顯影響干物質的積累速率和氮素吸收速率,施氮量越高,表現越明顯[12]。我們發現CU300處理的干物質積累量和氮素吸收量都略高于U300處理,但是差異不顯著。減施25%的控釋尿素處理(CU225)與普通尿素處理(U300)相比,籽粒干物質積累、總干物質積累量和氮素吸收量都沒有顯著差異(圖1)。之前的研究表明成熟期各器官干物質和氮素分配比重依次為籽粒>莖>葉>穗軸>苞葉或者籽粒>葉>莖> 穗軸>苞葉,在不同的試驗條件下顯示的規律不同[13-14]。而且高氮處理下玉米莖中氮素分配比例高于低氮處理[11]。有人通過15N的示蹤試驗發現在低氮下,花后吸收的氮主要進入籽粒中,而高氮條件下,花后吸收的氮主要積累在莖和葉中[15]。本研究結果與之一致,籽粒是干物質和氮素分配的主要器官,莖次之(圖1)。從各器官干物質和氮素的分配比例可以看出,CU300處理下的莖中干物質分配比例較U300高2.3%,莖中氮分配比例高5.3%。而CU225和U300處理下的干物質和氮素積累量、各器官分配比例基本一致,所以通過樹脂包膜控釋尿素替代普通尿素,減量25%的條件下仍可保證玉米成熟期的干物質和氮素積累量。另外一次性施肥具有節約勞動力成本和經濟成本的作用,但是普通尿素在玉米播前的一次性施肥容易導致燒苗、倒伏和氮素流失的問題[3]。控釋尿素的一次性施用較普通尿素的基肥、追肥2次施用,既減少了氮肥用量又節約了勞動力。因為樹脂包膜尿素的控釋效果,可以在90 d內緩慢釋放,所以在川中丘陵區CU225處理基本滿足了該地區春玉米各個時期對氮素的需求。

花后是玉米產量形成的關鍵時期,研究表明50%~80%的籽粒干物質來源于花后灌漿期的干物質積累[16],35%~55%的籽粒氮素來源于花后的氮素吸收[17]。Chen等發現現代品種具有較高的花后干物質積累和氮素吸收量[18]。本研究發現CU300處理與U300處理的花后干物質分配比例沒有差異,但是花后氮素分配比例提高6.1%,說明控釋尿素可以在花后持續供應較高的氮素滿足玉米需求,提高了花后吸氮量和分配比例。研究表明氮肥水平顯著影響玉米花后的氮素吸收和分配[11],而CU225處理和U300處理對玉米花后氮素吸收的影響基本一致(表1)。有研究表明控釋肥處理下小麥與玉米硝酸還原酶活性高峰持續影響時間較長而且延后,中后期還能維持較高水平,表明養分在緩控條件下的釋放有利于硝酸還原酶活性保持較高活性,進而促進碳氮素代謝和作物高產[19]。

灌漿期葉片的光合作用是作物產量形成的基礎,而光合作用與葉片中的氮素密切相關[20]。葉片SPAD值是診斷光合器官中葉綠素含量的有效手段[21]。從SPAD值來看,等量氮素處理下玉米花后葉片中葉綠素含量,在控釋尿素與普通尿素之間沒有差異,均顯著高于不施氮肥處理(圖3)。葉片光合速率的變化趨勢與葉綠素含量一致(圖4)。有報道發現相同施肥量的控釋氮肥能提高玉米花后葉綠素含量和凈光合速率,降低土壤中可溶性氮的流失[19]。而在減少氮用量50%條件下,小麥葉片葉綠素、千粒質量、產量等與普通肥料相比沒有明顯差別[22]。本研究發現控釋尿素CU225處理與普通尿素U300處理的花后葉片光合速率和葉綠素含量沒有差異,說明減量25%的控釋尿素可以保證玉米在灌漿期的正常生長。在花后30 d,玉米葉片的光合速率開始降低,而葉綠素含量仍保持穩定,是因為在灌漿期一部分光合酶起到氮素儲存的作用,且光合速率的下降速度大于葉綠素的降解速率[23]。

4 結論

研究發現,在川中丘陵區播前一次性施用樹脂包膜控釋尿素可以滿足春玉米花后生育期對氮肥的需求。相對于普通尿素的常規施用,包膜控釋尿素減施25%仍然可以到達同樣的干物質生產水平和氮素吸收量,并且不影響玉米花后葉片的葉綠素含量和光合速率。因此,在川中丘陵區合理施用減量25%的樹脂包膜控釋尿素,既可保障玉米花后正常的干物質生產和氮素需求,又能降低過量氮肥投入帶來的環境風險。

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