应用液体有机肥减施氮肥对玉米氮素利用效率及产量的影响

姜佰文，牛 煜，王春宏，李 威，邵 慧，席赫阳，李欣儒，杨浩楠

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

玉米是我国第一大粮食作物，其增产稳产对于国家粮食安全具有重要意义。而氮素是玉米生育过程中所需最多元素，也是限制生长和产量的首要因素[1]。由于土壤中氮素含量较低，应通过施用氮肥满足玉米对氮素需求。目前农民生产中常用的“一炮轰”施肥方式存在前期氮素营养过量和后期氮素营养不足等问题，出现脱肥早衰现象[2]。因此，为追求高产，农民开始过度投入化学氮肥，但产量增长速率相对平缓，并导致土壤板结、肥力减弱等严重后果[3]。大量研究表明，有机无机配施有利于改良土壤，协调玉米养分供需关系，提高玉米产量[4-5]。

据原农业部统计，我国每年畜禽粪污产生量高达38 亿t，但综合利用率却不足60%[6]。我国当前每年产生的动物有机肥（畜禽粪便）总量约为1 400 万t 纯氮，相当于化学氮肥年生产量一半，但收集还田率仅为40%左右[7]。使用畜禽粪污替代部分化学氮肥，我国三大主要粮食作物产量有效提高6.8%，氮素吸收量提高6.5%，氮肥利用率提高10.4%[8]。但黑龙江省有机粪肥以干清粪为主，其回收利用效率低，肥分以磷肥居多，养分释放缓慢[9-10]。

利用液体有机肥可不施用种肥，并减少化学氮肥用量。采用液体有机肥可高效回收利用尿液粪水，其养分以氮素居多，并较快释放养分。本研究通过田间大区试验探究基施液体有机肥、减量追施化学氮肥的施肥模式对玉米氮素吸收利用效率及产量影响，了解玉米氮素积累动态，旨在为东北春玉米应用液体有机肥合理搭配氮肥施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018～2019年在黑龙江省哈尔滨市双城区长产村同一块试验田开展定位试验，试验区年均气温4.4 ℃，降水量615 mm，有效积温2 700～2 900 ℃。供试玉米品种为金诚316，种植密度为6.1 万株·hm-2。供试化学肥料：尿素（N：46%），重过磷酸钙（P2O5：46%），氯化钾（K2O：60%）。供试液体有机肥由哈尔滨丹青农业科技股份有限公司提供，为无害化处理的养殖牛粪污（2018年养分含量：N：0.34%、P2O5：0.23%、K2O：0.26%、有机质：2.91%、水不溶物含量：0.38%、干物质＜12%；2019年养分含量：N：0.37%、P2O5：0.20%、K2O：0.24%、有机质：3.03%、水不溶物含量：0.47%、干物质＜12%）。供试土壤类型为草甸黑土，2018 年土壤基础肥力为：有机质22.46 g·kg-1，pH 6.41，碱解氮193.1 mg·kg-1，速效磷110.8 mg·kg-1，速效钾227.5 mg·kg-1，全氮1.02 g·kg-1；2019 年土壤基础肥力为：有机质23.67 g·kg-1，pH 6.76，碱解氮216.4 mg·kg-1，速效磷111.7 mg·kg-1，速效钾285.9 mg·kg-1，全氮1.35 g·kg-1。

1.2 方法

本试验采取田间大区试验，共设6个处理，每个处理播种8 垄，垄长500 m，垄宽0.65 m，采用精准机械作业播种施肥。在上一年秋季玉米收获同时秸秆粉碎，马斯奇奥灭茬机灭茬后，Tm、Tmf40、Tmf60 和Tmf80 处理采用丹麦Samson 液体施肥机（由哈尔滨丹青农业科技股份有限公司提供） 将液体有机肥67.5 t·hm-2作为基肥喷洒地表，均采用五铧翻转犁将秸秆及有机肥翻至深度25～30 cm。每年5 月1 日前播种，6 月25 日拔节后追肥，其中种肥和追肥均为化肥。T0 处理为不施氮肥； Tf100 处理为双城地区常规施肥量； Tm、Tmf40（减氮60%）、Tmf60（减氮40%）、Tmf80（减氮20%）处理均应用液体有机肥作基肥，且化学磷钾肥追施量与Tf100总量相同，但化学氮肥追施量分别为Tf100总量0、40%、60%、80%。施肥方案如表1所示。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米氮素含量测定

分别在拔节期（6 月17～20 日）、抽雄期（7 月20～25日）、灌浆期（9月1～5日）、成熟期（10月15～20 日），每处理3 次重复，每重复随机抽选取9 株玉米，将植株按叶、茎、苞叶、穗轴、籽粒分开，洗净后置于烘箱105 ℃杀青30 min，再调至65 ℃烘干至恒重，并测定各器官干物质重。将器官粉碎后，经H2SO4-H2O2方法消煮，AA3 双通道流动分析仪测定植物氮含量。

1.3.2 玉米产量测定

每处理随机选取3 处（10 m2）长势一致玉米晒干后脱粒称重，折算为14%含水率的产量；再随机选取30 穗玉米考种，测定行粒数、穗行数和百粒重等指标。

表1 肥料运筹情况Table 1 Fertilizer operation situation （kg·hm-2）

1.4 计算公式

氮素积累量（kg·hm-2）=干物重×氮含量；

氮素吸收速率（kg·hm-2·d-1）=氮素积累量/天数；

氮素收获指数=籽粒氮积累量/植株氮积累量；

收获指数=籽粒干物质积累量/植株干物质积累量；

增产率（%）=（施氮区产量-Tf100施肥区产量）/Tf100施肥区产量×100%；

化肥氮利用率（%）=（施氮处理植株氮积累量-对照植株氮积累量）/化肥氮施用量×100%；

化肥氮农学利用率（kg·kg-1）=（施氮处理籽粒产量-对照籽粒产量）/化肥氮施用量；

化肥氮偏生产力（kg·kg-1）=籽粒产量/化肥施氮总量；

化肥氮贡献率（%）=（施氮肥区产量-对照区产量）/施氮肥区产量×100%；

其中，Tf100处理的对照为T0，Tmf40、Tmf60、Tmf80处理的对照为Tm。

1.5 数据处理方法

采用Excel 2013、Origin 8.5 和SPSS 19.0 软件分析统计数据。多重比较采用Duncan 法，在P＜0.05显著水平下作相关性检验。

2 结果与分析

2.1 应用液体有机肥减施氮肥对玉米氮素积累及吸收速率的影响

2.1.1 液体有机肥减施氮肥对玉米叶片氮积累量的影响

玉米叶片氮积累见图1，在拔节期上升，抽雄期氮积累达到最高，然后开始下降，成熟期最低。在拔节期，2018 和2019 年未施用种肥且应用液体有机肥在同一水平下Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 处理氮积累量均高于常规Tf100 处理。在抽雄期，叶片氮积累量迅速增加，两年中Tmf60处理较Tf100 处理分别显著提高9.76% 和3.36%（P＜0.05）， Tmf80 处理较Tf100 处理分别显著提高7.62%和7.68%（P＜0.05）。在灌浆期，氮素逐渐向籽粒转移，各处理叶片氮积累量均开始下降，Tf100、Tmf60、Tmf80 处理差异不显著（P＞0.05）。在成熟期，玉米叶片氮积累量最低，叶片氮已完全向籽粒转移，其中Tmf60、Tmf80 处理下降幅度较大，两年中Tmf60 处理较Tf100 处理分别下降43.56%和18.34%，Tmf60 处理较Tf100 处理分别下降54.30%和24.68%。

2.1.2 液体有机肥减施氮肥对玉米茎秆氮积累量的影响

玉米茎杆氮积累见图2。在拔节期，2018年和2019 年Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 处理茎秆氮积累均显著高于Tf100处理。抽雄期茎秆氮积累量迅速增加，两年中Tmf60 处理较Tf100 处理分别显著提高4.70%和18.6%（P＜0.05），Tmf80 处理与Tf100处理相比分别显著提高25.45%和28.4%（P＜0.05）。灌浆期茎秆氮积累量开始下降，Tmf60、Tmf80 处理下降幅度较大，说明Tmf60、Tmf80处理向籽粒转移的氮素较多。成熟期植株茎秆氮积累量降至最低，两年中从抽雄到成熟期Tmf60处理茎秆氮素积累量下降幅度分别是Tf100 处理的44.09%和1.4 倍，Tmf80处理较Tf100处理分别下降54.30%和1.3倍。

2.1.3 液体有机肥减施氮肥对玉米各器官氮素分配的影响

玉米生育期氮素分配如图3 所示，在拔节期，2018 年和2019 年Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 处理植株总氮积累量显著高于Tf100处理。抽雄期是植株营养生长旺盛阶段，两年中Tmf60、Tmf80 处理氮素积累量较快，Tmf60 处理植株总氮积累量较Tf100 处理分别显著提高7.68%和8.82%（P＜0.05），Tmf80 处理较Tf100 处理分别显著提高14.97%和15.1%（P＜0.05）。在灌浆期，两年中Tmf60、Tmf80处理总氮积累量稍高于Tf100处理，但差异不显著（P＞0.05）。灌浆期是植株生殖生长迅速时期，两年中Tmf60、Tmf80 处理籽粒吸氮量分别占植株总氮量47.43%和46.90%、45.81%和46.79%，Tf100 处理为44.37%和43.16%。在成熟期，两年中Tmf60处理总氮积累量较Tf100 处理分别显著提高5.28%和10.0%（P＜0.05），Tmf80处理较Tf100处理分别显著提高3.78%和2.95%（P＜0.05）。成熟期植株各器官氮素向籽粒转移，籽粒氮积累量达最大值，两年中Tmf60 处理籽粒氮积累量较Tf100 处理分别提高11.67%和22.37%，Tmf80处理较Tf100处理分别提高13.19%和9.58%。

2.1.4 液体有机肥减施氮肥对玉米氮素吸收速率的影响

不同处理玉米氮素吸收速率及氮素收获指数见表2。由表2 可知，播种-拔节期阶段植株氮素吸收速率较为缓慢，应用液体有机肥且未施用种肥的Tm、Tmf40、Tmf60、Tmf80 处理氮素吸收速率显著高于常规处理，说明应用液体有机肥替代施用化肥种肥可满足追肥前苗期玉米氮素营养需求。拔节期-抽雄期阶段是植株营养生长旺盛阶段，也是植株吸收氮素最为迅速时刻。2018 年和2019 年Tmf60处理氮素吸收速率较Tf100 处理分别提高7.11%（P＜0.05）和5.43%，Tmf80处理较Tf100处理分别显著提高16.42%（P＜0.05）和12.97%（P＜0.05）。抽雄期-灌浆期植株从营养生长转变为生殖生长，营养器官氮素也逐渐向籽粒中转移。两年中Tmf60 处理籽粒氮素吸收速率较Tf100 处理分别显 著 提 高7.58%（P＜0.05）和11.73%（P＜0.05），Tmf80 处理较Tf100 显著提高4.50%和13.41%（P＜0.05）。灌浆期-成熟期阶段植株氮素吸收速率最缓慢，籽粒对氮素吸收能力也开始减弱。两年中Tmf60 处理植株氮素吸收速率均为最高，较Tf100处理分别显著提高53.57%（P＜0.05）和1.07 倍（P＜0.05）。且Tmf60处理籽粒氮素吸收速率较Tf100处理分别显著提高21.34%（P＜0.05）和38.18%（P＜0.05）。两年中Tmf60处理氮素收获指数较Tf100分别显著提高7.24%（P＜0.05）和10.29%（P＜0.05），Tmf80处理与Tf100处理分别提高4.35%和5.88%。

2.2 应用液体有机肥减施氮肥对玉米产量及构成因子的影响

玉米产量及产量构成因子如表3 所示。由表3可知，在2018 年和2019 年Tmf60 处理百粒重较Tf100 处理分别提高5.17%和3.16%，Tmf80 处理较Tf100 处理分别提高2.55%和0.53%。两年中Tmf60处理较Tf100 处理分别增产9.92%和8.42%，Tmf80处理较Tf100 处理分别增产6.36%与5.78%，且与其他处理产量均达显著差异（P＜0.05）。两年中Tmf60 处理收获指数较Tf100 分别显著提高6.17%（P＜0.05）和10.64%（P＜0.05），Tmf80 处理与Tf100处理分别提高4.03%和2.13%。本试验中2018年和2019年应用液体有机肥减量施用40%、20%化学氮肥显著提高玉米产量，以Tmf60处理产量最高，达12 097.34和11 057.35 kg·hm-2。

2.3 应用液体有机肥减施氮肥对玉米化学氮肥利用效率的影响

由表4 可知，在2018 年和2019 年Tmf60 处理化学氮利用率较Tf100 处理分别显著提高9.9%（P＜0.05）和21.8%（P＜0.05）。两年中Tmf60处理化学氮利用率较Tf100处理分别显著提高10.6 kg·kg-1（P＜0.05）和9.3 kg·kg-1（P＜0.05），Tmf80 处理较Tf100处理分别提高2.5 kg·kg-1（P＜0.05）和2.7 kg·kg-1（P＜0.05）。两年中Tmf60 处理化肥氮偏生产力较Tf100 处理分别显著提高50.9 kg·kg-1（P＜0.05）和45.7 kg·kg-1（P＜0.05），Tmf80 较Tf100 处理分别提高20.2 kg·kg-1（P＜0.05）和18.3 kg·kg-1（P＜0.05）。两年中Tmf60 处理化肥氮贡献率较Tf100 处理分别显著提高1.2%和1.5%（P＜0.05）。

表2 不同处理玉米氮素吸收速率及氮素收获指数Table 2 Nitrogen uptake rate and nitrogen harvest index of maize at different treatments

表4 不同处理化学氮肥利用效率Table 4 Utilization efficiency of chemical nitrogen fertilizer at different treatments

3 讨论与结论

有机肥和无机肥配合施用可提高土壤转化酶活性以及有效营养成分，为作物提供良好生长环境[11-12]。本试验研究表明，应用液体有机肥不施用种肥可在拔节期为玉米茎叶提供充足氮素，显著提高植株氮素积累量。李前等研究也表明，施用基肥不施用种肥在拔节期促进玉米生长[13]。而刘占军等研究发现，有机肥替代30%化肥氮使玉米氮积累量在拔节期和抽雄期显著低于习惯施肥[14]。因传统粪肥在玉米生长前期仍有大部分养分需释放矿化，消耗土壤中养分与能量，导致其与作物争夺土壤中养分[15]。而液体有机肥具有较多速效养分，利于玉米生长前期养分吸收，从而提高拔节期和抽雄期氮积累量。

本研究表明，应用液体有机肥减施40%化学氮肥有效提高籽粒氮积累量。米国华等研究指出，籽粒灌浆的氮素主要来源，包括花后氮素贮藏与运输及花前营养器官氮素积累向籽粒中转移[16]。本研究表明，应用液体有机肥减施40%化学氮肥在生殖生长阶段叶片与茎秆中氮素下降幅度较大，且籽粒氮素积累量较多，说明其更利于氮素向籽粒中富集，并合理分配氮素。高洪军等也表明，施用农家肥替代部分氮素使叶和茎鞘总的素转移量增加11.8 kg·hm-2[17]。玉米产量受植株内部氮素转运与外部氮素吸收的双重影响[18]，而如何调控花后从外部吸收的氮使其高效输送至籽粒，是提高氮素利效率重要举措[19]。本研究表明，在生殖期应用液体有机肥减施40%化学氮肥加快籽粒吸收氮素营养速率，且在抽雄-灌浆期控制营养生长，优先籽粒吸收氮素。在灌浆-成熟期，此处理为植株提供充足氮素，延长生殖生长期，满足籽粒充分发育的氮素吸收条件，提高氮素收获指数。谢军等[20]与刘斌祥等[21]也同样发现，有机肥替代部分氮肥促进玉米对氮吸收累积和向籽粒转运。

Wen 和Geng 等研究发现，有机无机配施可通过调控氮素的养分释放最终显著影响作物干物质和氮素积累与转运， 促进灌浆和增加籽粒重量[22-23]。因此在生育后期能否有充足氮素供应，对玉米高产增收具有决定性作用。本试验同样表明，应用液体有机肥减施40%化学氮肥在生殖生长期为籽粒提供充足氮素并显著提高氮素积累量，进而优化产量构成因子，显著提高玉米收获指数，达到增产增效目的。Jat 等认为，有机肥投入刺激土壤微生物活动及作物对养分吸收，增加光合有机物和氮素向籽粒转运，从而提高产量[24]。

朱菜红等研究发现，配施有机肥提高化肥氮利用率，其机制为促进土壤微生物对化肥氮的有效调控，使化肥氮更好被转化利用[25]。李孝良等研究表明，化肥减量20%配施有机肥具有较好化肥利用效率，化学氮利用率为39.4%、化肥氮农学利用效率为12.2 kg·kg-1、化肥氮偏生产力为49.2 kg·kg-1[26]，而本研究经两年试验发现，应用液体有机肥减施40%化学氮肥化学氮利用率最高达到54.0%、化肥氮农学利用效率最高达到21.8 kg·kg-1、化肥氮偏生产力最高达到112.0 kg·kg-1。因本试验采用未施用种肥并减量追施化学氮肥施肥模式，有效阻控化肥养分流失，进而提高化学氮肥利用效率，减缓化肥对生态环境污染的影响。

本试验发现，相较于常规施肥处理，基肥应用液体有机肥不施用种肥的施肥方式不仅利于玉米前期生长发育，还提高粪污资源利用效率和播种效率，且应用液体有机肥减施40%化学氮肥可在玉米生育后期保证充足氮素供应，增加氮素积累量及籽粒氮素吸收速率，提高化学氮肥利用效率，达到减肥增效目的。