缓释尿素一次性施用在玉米减氮增效中的作用
李欢 李扬 杨清夏 吴开贤 何澍然 赵平 张小卓 龙光强
摘要：【目的】探討缓释尿素减量对玉米产量和土壤养分供应的影响，为缓释氮肥在玉米减氮增效上的应用提供理论基础和实践依据。【方法】在常规施氮（普通尿素，施氮250 kg/ha）基础上，设减氮20%和40%的普通尿素与缓释尿素处理的田间小区试验，基于土壤氮供应和植株氮吸收动态、光合特征、氮同化关键酶活性及产量构成，评价缓释氮肥在玉米种植中的减氮增效潜力。【结果】与常规施氮相比，减氮20%处理的玉米产量无显著变化（P>0.05），但显著增加了收获指数（P<0.05，下同）;而减氮40%后玉米显著减产20.6%～22.5%;各减氮处理均导致地上部氮吸收量显著降低，减氮20%缓释尿素处理各生育期的地下部氮吸收量显著高于其他处理。减氮20%处理显著增加了氮肥表观利用率，提高了玉米叶片气孔导度和光合氮利用效率;减氮40%处理的氮吸收总量、净光合速率和光合氮利用效率显著下降。氮同化酶中谷氨酸脱氢酶和谷草转氨酶对减氮敏感，活性分别显著降低18.6%～61.0%和13.8%～29.7%。与常规施氮相比，减氮40%处理显著降低了土壤硝态氮含量（苗期除外）;减氮20%处理显著增加了各生育期的铵态氮含量。相关分析结果表明，产量与生物量、收获指数、氮吸收总量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、光合氮利用率及小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期和成熟期的硝态氮含量均呈极显著正相关（P<0.01，下同），与胞间CO2浓度呈极显著负相关，与秃尖长、谷氨酸合成酶及大喇叭口期和抽穗期的铵态氮含量呈显著正相关;氮肥表观利用率与收获指数呈显著正相关，与谷氨酸脱氢酶呈极显著负相关，与谷草转氨酶呈显著负相关。【结论】在常规施氮基础上减氮20%后，施用普通尿素和缓释尿素均可维持玉米产量，而减氮40%后玉米产量大幅下降;与普通尿素相比，缓释氮肥一次性施用无显著的减氮增效优势。导致减氮后玉米产量变化的主要影响因素是氮吸收总量、光合氮利用效率和土壤硝态氮含量。
关键词：
缓释尿素;减氮增效;玉米产量;氮肥表观利用率;氮同化酶
中图分类号：
S143.1 文献标志码：
A 文章编号：2095-1191（2021）04-0967-09
Effects of slow-release urea one-time application on nitrogen reduction and efficiency improvement in maize cropping
LI Huan1，2， LI Yang1， YANG Qing-xia1，2， WU Kai-xian3， HE Shu-ran1，
ZHAO Ping1，2， ZHANG Xiao-zhuo4， LONG Guang-qiang1，2*
（1College of Resources and Environment Science， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China; 2 Yunnan Scientific Observation Station for Cultivated Land Conservation of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Kunming 650201， China; 3College of Agronomy and Biotechnology， Yunnan Agricultural University，
Kunming 650201， China; 4Yunnan Lüzhiyuan Fertilizer Co.， Ltd.， Kunming 650699， China）
Abstract：【Objective】The effects of application rate reduction based on slow-release urea on maize yield and soil nutrient supply were discussed in order to provide the theoretical and practical basis for fertilization reduction and efficiency improvement in maize cultivation. 【Method】Based on conventional nitrogen（N） fertilizer application（common urea at a N rate of 250 kg/ha）， field plot experiments of common urea and slow-release urea application with a N reduction of 20% and 40% were conducted in this study. Soil N supply and crop N absorption dynamics， photosynthetic characteristics， activity of key enzymes for N assimilation and yield composition were measured for evaluating the potential of slow-release N fertilizer in N reduction and efficiency improvement under maize plantation. 【Result】Compared with conventional N-fertilizer application， the 20% reduction of common urea and slow-release urea did not significantlydecrease the maize yield（P>0.05） but significantly increased the harvest index（P<0.05， the same below）. Maize yield significantly reduced by 20.6%-22.5% at 40% N reduction relative to conventional N-fertilizer application. The shoot N uptake was significantly reduced in all N reduction treatments， and the root N uptake in 20% N reduction with slow-release urea was significantly higher than that in other treatments. Compared with the conventional N-fertilizer application， the apparent N use efficiency， stomatal conductance and photosynthetic N use efficiency of maize leaves were significantly increased by 20% N reduction. After 40% N reduction， the total N uptake， net photosynthetic rate and photosynthetic N use efficiency decreased significantly compared with the conventional N-fertilizer application. Glutamate dehydrogenase and glutamic oxaloacetic transaminase were sensitive to N reduction， and their activities were significantly reduced by 18.6%-61.0% and 13.8%-29.7%， respectively. Compared with the conventional N application， 40% N reduction significantly decreased soil nitrate-N content（except at seedling stage）; the treatment of 20% N reduction significantly increased the ammonium-N content at each growth stage. The correlation analysis showed that the yield extremely positively correlated with biomass， harvest index， total N uptake， net photosynthetic rate， transpiration rate， stomatal conductance， photosynthetic N utilization rate and nitrate-N content at small bell stage， big bell stage， heading stage and maturity stage（P<0.01， the same below），and extremely negatively correlated with intercellular CO2 concentration， and significantly negatively correlated with bald tip length， glutamate dehydrogenase， and ammonium-N content at big bell and heading stage. Nitrogen apparent use efficiency was significantly positively correlated with harvest index， extremely negatively correlated with glutamate dehydrogenase activity and significantly negatively correlated with glutamate-oxalacetic transaminase activity. 【Conclusion】In maize plantation under the conditions of this study， both common urea and slow-release urea application with 20% N reduction can maintain maize yield， while the 40% N reduction would greatly reduce the yield. One-time application of slow-release urea has no significant advantages in yield and nutrient utilization compared with that of common urea under the same N reduction. The main factors influencing maize yield after N reduction are total nitrogen uptake， photosynthetic N use efficiency and soil nitrate-N content.
Key words：
slow-release urea; nitrogen reduction and efficiency improvement; maize yield; nitrogen apparent use efficiency; nitrogen assimilation enzyme
Foundation item：
National Natural Science Foundation of China（41967004）; Key Research and Development Pro-ject of Yunnan（2018BB015）; Yunnan Young and Middle-aged Talent Reserve Project（2017HB027）
0 引言
【研究意義】玉米（Zea mays L.）是我国种植面积最大的主要粮食作物之一，同时又具有对氮素供应敏感、需氮量偏高的特征（高磊等，2017）。氮肥合理施用可显著增加玉米产量，提高氮肥利用率，减少氮素环境损失等（张宏等，2011;徐明杰等，2015;解文艳等，2019），但以尿素为主的传统施氮技术存在环境损失风险高及劳动力投入较大等问题。近年来随着缓释肥料生产成本的逐渐下降，运用缓释肥料进行一次性施肥，可有效提高氮肥利用率，对减少氮素损失和劳动力投入及实现农业机械化耕作具有重要意义（Yang et al.，2017;侯建伟等，2018;李广浩等，2018）。因此，在当前减肥增效、减少农业氮肥投入的背景下，基于缓释氮肥替代传统尿素，研究玉米的减氮增效理论与技术，对实现我国农业种植绿色发展具有重要意义（米国华等，2018）。【前人研究进展】缓释肥料通过添加一定量的缓释剂后使得养分释放速率减慢，释放期延长，以满足作物在整个生长期对养分的需求，其中缓释氮肥在当前的研究和应用中最为广泛。目前缓释氮肥常用的缓释剂有硝化抑制剂和脲酶抑制剂等，而添加双效抑制剂（硝化抑制剂+脲酶抑制剂）则效果更佳（史吉平，2004;李东坡等，2007）。一方面，缓释氮肥可保障整个玉米生育期氮素需求，具有提高玉米产量和养分利用率的潜力。缓释尿素与普通尿素配施能增强土壤中脲酶活性2.49%～8.33%、过氧化氢酶活性7.25%～28.12%和蔗糖酶活性1.05%～13.79%，提高土壤碱解氮含量11.57%～43.30%（王鑫等，2005;武鹏等，2018）;与常规施氮（270 kg/ha）相比，在不同耕作方式下施270 kg/ha缓释氮肥，可增加产量6.3%～13.9%，提高养分利用率15.0%～18.2%（周宝元等，2016）。另一方面，前人研究得出，同时添加脲酶抑制剂与硝化抑制剂处理的氨挥发损失有效降低78%（安文博等，2020），施用缓释氮肥比施用普通氮肥的CO2、CH4和N2O排放通量分别减少24.7%、3.0%和 26.8%（丁维军等，2013）。此外，周翔等（2019）研究发现，覆膜条件下缓释氮肥与尿素基施相比能有效减缓玉米叶面积衰减速率和时间，显著提高后期氮素转运和吸收，提高春玉米生育后期干物质积累速率，最终实现增产5.6%～19.9%。刘苹等（2020）研究指出，不同缓控释肥品种对玉米的养分吸收、氮肥利用率及产量的影响也存在差异。【本研究切入点】前人研究主要关注缓释氮肥增产作用和机理（周宝元等，2016;武鹏等，2018;周翔等，2019;刘苹等，2020），但对于缓释肥一次性施用的减氮增效潜力，特别是在云南光热资源丰富的坝区施用缓释氮肥的研究报道相对较少。【拟解决的关键问题】在不同减氮梯度下进行缓释氮肥一次性施用，基于产量和氮肥利用率，评价缓释氮肥在玉米种植中的减氮增效潜力，并从产量构成、光合特征、氮素同化酶活性与土壤硝态氮和铵态氮供应等层面探讨可能机制，旨在为缓释氮肥在玉米减氮增效中的应用提供理论基础和实践依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地点及试验材料
田间试验于 2019 年5月1日—10月1日在云南农业大学现代农业教育教学科研基地（东经103°13′，北纬23°32′）进行。试验地位于昆明市东北部，属北亚热带季风气候，年平均气温14.5 ℃，年均降水量1045 mm，集中分布于7—9月。种植前试验地土壤pH 7.78，含有机质12.07 g/kg，全氮1.16 g/kg，全磷0.14 g/kg，全钾12.39 g/kg，硝态氮1.72 mg/kg，铵态氮0.86 mg/kg，速效磷5.10 mg/kg，速效钾132.33 mg/kg。供试玉米品种为江苏省农垦大华种子集团有限公司以9014和齐319为亲本选育而成的杂交种华单1号。
1. 2 试验方法
试验以不施氮为空白处理（N0），在以常规施氮（U100，普通尿素，施氮量250 kg/ha）为对照的基础上，分别设普通尿素和缓释尿素的2个减氮梯度，即减氮20%的普通尿素（U80，200 kg/ha）、减氮40%的普通尿素（U60，150 kg/ha）、减氮20%的缓释尿素（H80，200 kg/ha）和减氮40%的缓释尿素（H60，150 kg/ha）处理。供试肥料中普通尿素为0.85～2.80 mm粒径的颗粒尿素，缓释尿素由缓释剂与常规尿素混合配制而成，其中缓释剂为硝化抑制剂和脲酶抑制剂，主要成分为双氰胺、硫脲、3，4二甲基吡唑磷酸盐等，添加比例为肥料质量的0.7%。
试验小区按随机区组设计，每处理3次重复。小区面积27.5 m2（5.5 m×5.0 m），小区周边设1.5 m宽的玉米保护行;玉米种植株距25 cm、行距50 cm，种植密度为80000株/ha。U100、U80和U60处理的氮肥分3次施入，分别为基肥40%，小喇叭口期25%和大喇叭口期35%。而H80和H60处理的氮肥全部作为基肥一次性施入。各处理中所用磷钾肥分别为普钙和硫酸钾，均以基肥施入，分别为磷肥（P2O5）75 kg/ha，钾肥（K2O）75 kg/ha。玉米于2019年5月初播种，10月人工收获，按照当地习惯进行水分、杂草和病虫害等田间管理。
1. 3 样品采集与测定
在玉米的5个生育期（苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期和成熟期），每小区内随机采集4个样点构成的混合土样，用于硝态氮和铵态氮测定，同时采集植株测定其地上部、地下部全氮含量，分析植株氮吸收动态，并计算氮肥表观利用率（NUE）和氮肥生理利用率（NPE）。
NUE（%）=（施氮区植株总吸氮量-不施氮区植
株总吸氮量）/氮肥施用量×100
NPE（kg/kg）=（施氮区作物产量-不施氮区作物
产量）/（施氮区植株总吸氮量-不
施氮区植株总吸氮量）
在抽穗期测定玉米光合参数和氮同化酶活性。光合参数中净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）采用LI-6400便携式光合测定仪测定，光合氮利用效率（PNUE）参照李大勇等（2013）的方法测定;氮同化酶活性按照试剂盒（苏州格锐思生物科有限公司）说明进行测定。在玉米成熟期测定穗长、穗行数、穗粒数、秃尖长和百粒重，计算各部分干物质质量，分析产量构成。
1. 4 统计分析
利用Excel 2010进行数据处理，采用SPSS 20.0进行差异显著性检验和相关分析，采用Canoco 5.0进行冗余分析。
2 结果与分析
2. 1 不同处理的玉米产量及产量构成
由图1可看出，2个梯度的减氮对玉米产量和生物量的影响存在差异。其中，减氮20%的U80和H80处理的玉米产量与U100处理差异不显著（P>0.05，下同）;而减氮40%后，U60和H60处理的玉米产量较U100处理分别显著降低20.6%和22.5%（P<0.05，下同）。与U100处理相比，各减氮處理的生物量无显著变化。然而，与U80处理相比，H80处理导致玉米产量和生物量均显著下降，降幅分别达13.5%和21.3%;在减氮40%时，U60和H60处理的产量与生物量间均无显著差异。
由表1可知，与U100处理相比，减氮20%的H80处理及减氮40%的U60和H60处理均导致玉米穗长和秃尖长显著减少，对穗行数和行粒数无显著影响，U80处理对上述指标均无显著影响。同时，所有减氮处理均导致百粒重显著降低，较U100处理下降7.4%～15.8%。减氮20%后，U80和H80处理的玉米收获指数较U100处理分别显著提高56.1%和31.7%，且H80处理比U80处理的穗行数和收获指数显著下降，行粒数显著增加;而当减氮40%时，H60处理在增加穗长和减少秃尖长方面较U60处理表现出优势。
2. 2 不同处理的玉米氮素吸收及分配
由图2可看出，玉米的地上部和地下部氮吸收量均随生育期推进而升高。与U100处理相比，所有减氮处理在不同生育期均导致地上部氮吸收量显著降低。在减氮20%水平上，U80处理地上部氮吸收量显著高于H80处理。当减氮40%时，U60和H60地上部氮吸收量在成熟期无显著差异，其余生育期均表现为U60处理显著高于H60处理。H80处理在各生育期的地下部氮吸收量均显著高于其他处理，同时U100、U80、U60和H60处理间无显著差异。
由表2可知，在各部位吸氮量中，籽粒吸氮量占氮吸收总量的64.4%～76.6%，秸秆和根系吸氮量分别占14.3%～31.4%和4.2%～11.0%。与U100处理相比，U80和H80处理显著降低了玉米秸秆吸氮量，同时玉米的氮肥表观利用率有效提高35.3%和20.4%;而U60和H60处理导致氮吸收总量显著下降29.8%和13.6%。与U80处理相比，H80处理显著降低了根系吸氮量和氮吸收总量。与U60处理相比，H60处理有效增加了秸秆吸氮量和氮吸收总量，同时显著降低了氮肥生理利用率。
2. 3 不同处理的玉米叶片光合生理与氮同化酶活性
由表3可知，与U100处理相比，U80和H80处理的Gs和PNUE分别显著提高34.8%～39.1%和17.5%～21.2%;而U60和H60处理均导致Pn、Tr、Gs和PNUE显著降低，同时显著增加了Ci。与U80处理相比，H80处理有效提高了Pn和Ci，分别提高11.5%和31.3%。H60处理的Pn较U60处理显著提高14.6%，而Ci较U60处理显著降低15.3%。
由图3可看出，与U100处理相比，各减氮处理的谷氨酸脱氢酶（NADH-GDH）和谷草转氨酶（GOT）活性均有不同程度的下降，分别显著降低18.6%～61.0%和13.8%～29.7%; U80处理的谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（FD-GOGAT）活性与U100处理相比无显著差异，U60和H60处理则显著降低了FD-GOGAT活性。与U80处理相比，H80处理显著提高了NADH-GDH和FD-GOGAT活性，显著降低了GS活性。H60处理较U60处理显著降低了NADH-GDH活性，但显著提高了GOT、GS和FD-GOGAT活性。
2. 4 土壤硝态氮和铵态氮含量动态
由图4可看出，土壤中硝态氮和铵态氮含量随生育期的推进均表现出先上升后下降的变化趋势，大喇叭口期的硝态氮和铵态氮含量最高。与U100处理相比，U80处理显著增加了小喇叭口期和成熟期的硝态氮含量;U60和H60处理显著降低了小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期和成熟期的硝态氮含量。与U80处理相比，H80处理显著增加了苗期硝态氮含量，却显著降低了其余4个生育期的硝态氮含量。对比U100处理，U80和H80处理显著增加了各生育期的铵态氮含量，H60处理显著降低了小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期和成熟期的铵态氮含量。
2. 5 产量和氮肥表观利用率的影响因素分析
由表4可知，产量与生物量、收获指数、氮吸收总量、Pn、Tr、Gs、PNUE及小喇叭口期、大喇叭口期、抽穗期和成熟期的硝态氮含量均呈极显著正相关（P<0.01，下同），与Ci呈极显著负相关，与秃尖长、FD-GOGAT活性及大喇叭口期和抽穗期的铵态氮含量呈显著正相关;氮肥表观利用率与收获指数呈显著正相关，与NADH-GDH活性呈极显著负相关，与GOT活性呈显著负相关。
由图5可看出，以产量和氮肥表观利用率为响应变量，其他指标作为环境解释变量进行冗余分析，结果可累计解释响应变量变异的95.63%。通过蒙特卡罗置换检验评估环境因子对产量和氮肥表观利用率的贡献率，发现氮吸收总量是造成产量和氮肥表观利用率发生变化的主要因素（71.6%），其次是PNUE（22.6%）。此外，土壤硝态氮含量、Pn、FD-GOGAT活性也是减氮中影响产量的重要因素。
3 讨论
3. 1 减氮对玉米产量和氮素利用率的影响
氮肥施用量与作物产量密切相关，适当增施氮肥可以提高作物产量，但过量施氮却不能进一步增产（付浩然等，2020）。前人研究表明，与常规施氮（250 kg/ha）相比，减量20%（200 kg/ha）是兼顾产量、氮肥吸收和生产效率的最佳用量（郑利芳等，2019）。本研究中，减氮20%的U80和H80处理与常规施氮U100处理相比，玉米收获指数显著提高56.1%和31.7%，氮肥表观利用率提高35.3%和18.7%。杨宪龙等（2013）在麦玉轮作体系试验中发现，年施氮量在165～495 kg/ha 时，氮肥利用率为 33.3%～56.6%，与本研究的氮肥表现利用率（42.13%～57.00%）相近。本研究发现，当减氮20%时，H80与U80处理相比大幅降低了玉米产量，减产的原因可能与土壤类型、缓释肥种类及加入缓释剂的剂量等有关（安文博等，2020）;U80和H80处理与常规施氮U100处理相比，虽然减氮20%，但产量却未显著降低，推测减氮后可能会降低氮素损失，但尚需进一步的研究证实;减氮40%时，U60和H60处理的施氮量为150 kg/ha，此时造成玉米减产20.6%～22.5%，而氮肥表观利用率和收获指数与U100处理相比并无显著差异。根据前期大量研究，推测施氮量为150 kg/ha可能是玉米减氮的下限（吴得峰等，2016），然而本研究中緩释氮肥处理导致大幅减产，表明在较低的氮投入下缓释氮肥一次性施用的优势仍难以发挥，尤其是在土壤基础肥力较低的条件下，仍有必要采用配施有机肥等其他措施（王玉军，2013）。
3. 2 光合特征和氮同化酶活性对减氮的响应
维持和提高光合作用是保证作物高产的基础。本研究中，施氮量为200 kg/ha的U80和H80与常规施氮U100处理（250 kg/ha）相比有效提高了Gs和PNUE，进而促进了光合作用。而减氮40%的U60和H60处理与常规施氮U100处理相比，导致玉米光合作用大幅下降。这可能是合理的施氮量能够减缓叶片衰老速率，提高玉米Pn及Gs，进一步增强玉米光合作用（张建军等，2015）。玉米氮代谢同化途径关键酶包括NADH-GDH、GOT、GS和FD-GOGAT等。GS和FD-GOGAT构成的循环反应是高等植物氨同化的主要途径，在无机氮转化为有机氮的过程中起关键作用（Lea and Miflin，1974）。本研究得出，各处理NADH-GDH和GOT活性与U100处理相比均有不同程度的降低，然而NADH-GDH活性下降幅度达18.6%～61.0%，表明NADH-GDH对氮素减少最敏感。可能是由于减氮导致植株叶片对氮素的转运降低，NADH-GDH活性下降，使得无机氮转化为有机氮的过程受限（张智猛等，2008）。在减氮20%和减氮40%水平上，缓释尿素较普通尿素均能有效提高FD-GOGAT活性，表明施用缓释肥对FD-GOGAT活性具有促进效果。
3. 3 减氮影响玉米产量的驱动因素
综合相关分析和冗余分析结果得出，氮吸收总量、PNUE和土壤硝态氮含量是影响玉米产量的主要因素。与常规施氮相比，减氮20%并未降低氮吸收总量，因而玉米产量也未降低;减氮40%的2个处理大幅降低了氮吸收总量，导致玉米产量严重下降。同时，保持玉米的光合作用，提高光合氮利用效率，增强氮素吸收的能力也十分关键（郭喜军等，2020）。在本研究中，减氮20%有效提高PNUE 17.5%～21.2%，增强了光合作用，说明关注早期玉米生长对适应低氮很重要，同时通过遗传改良选育新品种以提高光合氮利用效率也是减氮增效的重要途径（焦念元等，2013）。前人研究表明，施肥和植物吸收利用是影响土壤硝态氮含量和时空分布的重要因素（郭胜利等，2003）。本研究中，铵态氮在2次追肥后的含量相对较高，但硝态氮和铵态氮含量在成熟期明显降低。硝态氮和铵态氮含量在成熟期含量相对低于其他时期可能是由于抽穗期到成熟期植株对土壤氮素吸收和利用处于较高水平。因此，维持土壤硝态氮供应，特别是在氮素大量吸收时期和吸收敏感期十分重要，可通过进一步精准调节土壤养分供应实现（赵聪等，2020）。
收获指数是植株茎叶等营养器官积累养分向籽粒转运能力的体现（冯亚阳等，2018;王泽林等，2019），是影响氮肥表观利用率的主要因素。在本研究中，减氮20%处理显著提高了玉米收获指数，有效提高了氮肥表观利用率，而减氮40%处理的收获指数和氮肥表观利用率与常规施氮处理无显著差异。提高收获指数需增加生长后期干物质向籽粒的转移，需合理施用氮肥促进生育后期同化产物积累，进而提高营养器官氮素累积量。因此，针对植株干物质和养分再利用与分配的深入研究仍值得关注（张喜军等，2020）。
4 结论
本研究结果表明，在常规施氮基础上减氮20%后，施用普通尿素和缓释尿素均可维持玉米产量，而减氮40%后玉米产量大幅下降;与普通尿素相比，缓释氮肥一次性施用无显著的减氮增效优势。导致减氮后玉米产量变化的主要影响因素是氮吸收总量、PNUE和土壤硝态氮含量。
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（责任编辑 王 晖）
