减氮配施液体牛粪对寒地玉米花后期干物质积累和养分吸收转运规律的影响

姜佰文，董雯昕，王春宏，刘学生，邵 慧，王殿尧，迟海航，刘俊辉，梁 源

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030）

我国畜禽粪污养分资源数量大、分布广，总体呈快速增长稳定发展的趋势，但利用率低，若处置不当会造成一系列环境问题[1-2]。近年来，为提高畜禽粪污养分资源利用率，畜禽养殖污染防治标准从注重达标排放向注重全量利用倾斜，为此农业农村部提出“养分平衡，以养促种”的新思路，推进畜禽粪污养分还田利用，提高粪污资源化利用水平[3]。畜禽粪污养分还田可有效减少无机肥料施用，宋大利等统计得出，若将其养分全量还田，理论上每年氮、磷、钾施用量可减少37.3%、87.6%和65.9%[4]。由此可见，畜禽粪污替代化肥空间巨大，充分高效利用畜禽粪尿养分资源是实现化肥减施增效重要途径[5]。

传统畜禽粪污还田多为固体形式，养分释放缓慢，而液体畜禽粪污可有效利用尿液等以氮素居多的速效养分资源，满足作物生长关键时期所需养分，肥效价值较高。研究发现，施用液体畜禽粪污可迅速向植物提供可溶性有机物质、速效养分和水分，促进作物吸收养分，增加地上部生物量，更具生态效益[6-8]。发酵速度快，可缩短发酵时间，节约贮存成本。作物花后期养分供应充足为干物质积累、稳产高产提供必要的养分保障[9-10]。因此，根据作物需肥规律，通过优化施肥方案，充分利用液体畜禽粪污还田优势，促进作物干物质积累和养分吸收与转运并减少化肥施用，可实现农牧业种养平衡。本试验为田间大区试验，以发酵液体牛粪为原料，利用液体牛粪作为基肥可免种肥，但单施液体牛粪作为基肥可能导致作物花后期养分供应不足。因此，本试验充分考虑其肥料特性，采用无害化处理的发酵液体粪肥配施化肥的施肥方案，近一步探索应用液体牛粪作为基肥，免种肥，拔节期追施化肥的新方案对寒地玉米花后期干物质积累、养分吸收转运规律及产量形成的影响，以期促进农牧循环、提高畜禽粪污养分资源利用效率，为寒地玉米黑土区有机养分资源合理利用和更新玉米施肥方案提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019~2020年在黑龙江省哈尔滨市双城区长产村（126°38'E，45°48'N）开展定位试验，海拔约为178 m。该地年平均气温4.4℃，年均降雨量615 mm，有效积温2 700~2 900℃。供试土壤类型为草甸黑土，试验前耕层土壤基础肥力如下：有机质23.67 g·kg-1，全氮1.35 g·kg-1，pH 6.76，碱解氮216.4 mg·kg-1，有效磷111.7 mg·kg-1，速效钾285.9 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试玉米品种为金诚316。

供试氮磷钾肥分别为普通尿素（N：46%），重过磷酸钙（P2O5：46%），氯化钾（K2O：60%）。

供试液体牛粪（N：0.37%，P2O5：0.20%，K2O：0.24%，有机质：3.03%）由哈尔滨丹青农业科技股份有限公司提供。

1.3 试验设计

本试验采用田间大区试验，共5个处理，各处理地块不变连续种植两年。包括：①不施氮肥（CK）；②常规施肥（FP）；③67.5 t·hm-2液体牛粪（N0PKM）；④减氮40%配施67.5 t·hm-2液体牛粪（N1PKM）；⑤减氮20%配施67.5 t·hm-2液体牛粪（N2PKM）；减氮配施液体牛粪处理为在应用液体牛粪基础上，磷、钾肥施用量保持不变，氮肥在拔节期后（约6月25日）采用精准机械减量追施40%、20%。其中各处理种肥追肥均为化肥，具体施肥方案如表1所示。

表1 不同施肥处理下肥料施用情况Table 1 Fertilizer application under different fertilization treatments (kg·hm-2)

在2018年10月玉米收获同时粉碎秸秆，用马斯奇奥灭茬机灭茬，液体牛粪处理N0PKM、N1PKM和N2PKM采用丹麦Samson液体施肥机将67.5 t·hm-2液体牛粪（折合纯养分N 250 kg·hm-2；P2O5135 kg·hm-2；K2O 162 kg·hm-2）作为基肥施于地表，如图1所示，经五铧翻转犁将秸秆和液体牛粪一同翻耕后启垄，垄长500 m，垄宽0.65 m。次年5月1日前后采用精准机械作业播种施肥，每处理播种8垄。两年种植密度均为6.0万株·hm-2。10月20日前后收获，籽粒以14%水分标准计产。

图1 丹麦滴流管式液体施肥车Fig.1 Danish drip-tube liquid fertilizer truck

1.4 样品采集与测定

分别在拔节期V6（6月17~20日）、抽雄期VT（7月16~20日）、灌浆期R3（8月28日~9月1日）、成熟期R6（10月20~23日）采集植物样品并测定指标，每处理设3次重复，每重复随机选取3株具有代表性植株，将植株按茎秆和籽粒分开，洗净、杀青、烘干至恒重，测定干物质重，粉碎，采用H2SO4-H2O2法消煮，联合测定植物氮、磷、钾含量[11]。

1.5 数据处理与分析

养分积累量（kg·hm-2）=干物质重×养分含量×保苗密度；

养分转运量（kg·hm-2）=茎叶最大养分累积量-成熟期茎叶养分累积量；

养分转运率（%）=养分转运量/茎叶最大养分积累量×100；

养分转运对籽粒的贡献率（%）=养分转运量/成熟期籽粒养分积累量×100；

干物质花后积累比例（%）=（成熟期干物质重-开花前干物质重）/成熟期干物质重×100。

以播种后天数（t）为自变量，测得单株地上部干物质重为因变量（Y），采用Logistic方程Y=A/（1+Be-kt）拟合玉米干物质增长过程中最大干物质增长速率及其出现天数，其中，A为最大生长量；B为初值参数；k为生长速率参数[12]。

土壤养分表观平衡（kg·hm-2）=有机和化学肥料施入总量-作物地上部养分吸收量，不考虑氮沉降、灌溉水输入、氨挥发、硝态氮淋溶等影响，仅考虑总养分投入以及作物对养分的吸收[13]。

试验数据均采用Origin 2019b作图，SPSS 20.0软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 减氮配施液体牛粪对玉米干物质积累动态的影响

各生育时期不同施肥处理玉米干物质积累动态如表2所示，年份和处理对各时期玉米干物质积累量均有显著影响（P<0.05）。除拔节期外，两年氮磷钾平衡施肥各处理干物质积累量均显著高于不施氮肥CK处理（P<0.05）；在成熟期，两年减氮配施液体牛粪N1PKM和N2PKM处理较常规施肥FP处理干物质积累量平均增幅分别为15.26%、20.24%；减氮配施液体牛粪处理可提高花后期干物质积累比例，有利于玉米生长中后期保持较高的干物质积累量，其中N1PKM和N2PKM处理较FP处理平均分别提高3.50%、2.91%，单施液体牛粪N0PKM处理在花后期干物积累量及积累比例则均低于N1PKM和N2PKM处理。

表2 不同时期不同施肥处理玉米干物质积累动态变化Table 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different fertilization treatments in different periods (kg·hm-2)

回归分析表明（见表3），各施肥处理和年份对玉米最大增长速率、最大增长速率出现时间及平均增长速率均影响显著（P<0.05）。不同施肥处理玉米干物质积累可用Logistic回归方程较好拟合（R2=0.989~0.999）。由表3可知，不施氮肥CK处理干物质最大增长速率两年均为最低；从最大增长速率出现时间看，减氮配施液体牛粪可延后玉米干物质最大增长速率出现时间，总体呈单施液体牛粪<常规施肥<减氮配施液体牛粪规律。2019年，FP处理干物质最大增长速率出现时间提前，较N1PKM和N2PKM处理提前10.6和15.2 d。2020年，FP处理干物质最大增长速率出现时间提前，较N1PKM和N2PKM处理提前1.4和1.2 d；减氮配施有机肥可提高作物平均增长速率，其中两年N1PKM和N2PKM较常规化肥FP处理平均增长速率平均提高16.07%和20.14%，N0PKM平均增长速率均小于减氮配施液体牛粪处理。说明常规施肥、单施液体牛粪有利于玉米花前期干物质积累，而减氮配施液体牛粪模式可使玉米生育中后期保持较高增长速率，保证作物生长发育平稳，促进作物稳产高产。

表3 玉米干物质积累Logistic方程回归分析Table 3 Logistic equation analysis for dry matter accumulation of maize

2.2 减氮配施液体牛粪对玉米地上部养分积累、转运及籽粒贡献率的影响

2.2.1 减氮配施液体牛粪对玉米地上部养分积累量的影响

玉米花后期养分积累、转运和再分配对其生长发育、干物质合成、运输及经济产量有重要意义[14]。玉米地上部氮、磷、钾积累情况如图2所示，平衡施肥处理玉米氮、磷、钾积累量均高于不施氮肥CK处理，单施液体牛粪N0PKM处理在花后期氮、磷、钾积累量小于减氮配施液体牛粪N1PKM、N2PKM处理。

图2 不同施肥处理玉米地上部氮、磷、钾积累量Fig.2 Nitrogen,phosphorus and potassium accumulation in maize shootunder different fertilization treatments

除CK处理外，其他处理地上部氮积累量均随生育期推移而增加。N1PKM、N2PKM处理在花后期氮积累量高于常规施肥FP处理，但差异不显著（P>0.05）。开花后，玉米进入生殖生长，此时需充足养分积累及转运供籽粒形成。在灌浆期，N1PKM、N2PKM处理氮积累量较常规施肥FP处理分别提高2.79%和4.43%；成熟期玉米氮积累量达到最大，N1PKM、N2PKM处理氮积累量较常规施肥FP处理分别提高10.04%和2.98%，其中N1PKM与FP相比呈显著差异（P<0.05）。

地上部磷积累量随生育期推移呈上升趋势。其中，N1PKM、N2PKM处理在花后期磷积累量始终保持较高水平且显著高于FP处理（P<0.05）。在灌浆期和成熟期，N1PKM、N2PKM处理较常规施肥FP处理分别平均提高14.39%、18.90%和14.03%、17.42%。

玉米地上部钾积累量随生育期推移呈上升趋势，与磷积累量不同，从花后期开始，钾积累量逐渐下降。在成熟期，N1PKM、N2PKM处理地上部钾积累量较FP处理平均高33.33%和26.38%，在开花后期减氮配施液体牛粪有利于保存玉米体内钾素，防止其过度流失。

由此可见，减氮配施液体牛粪施肥模式可使玉米生育中后期保持较高养分积累速率，有效促进开花后期养分积累，有利于养分向籽粒转运。

2.2.2 减氮配施液体牛粪对玉米地上部养分转运及籽粒贡献率的影响

玉米籽粒养分主要来源于花后期养分积累以及营养器官转运，绝大部分来源于后者[15]。由表4可知，各处理对玉米地上部养分转运及籽粒贡献率影响显著（P<0.05）。减氮配施液体牛粪N1PKM、N2PKM处理氮、磷、钾总转运量均高于常规施肥FP处理，相应提高营养体养分转运率及对籽粒贡献率；从养分转运率看，两年间N1PKM、N2PKM处理较FP处理氮转运率平均高20.90%和21.98%，磷转运率平均高59.73%和25.97%；从氮、磷转运量对籽粒贡献率看，两年间N1PKM、N2PKM处理较FP处理平均增幅10.15%、40.97%和42.97%、37.97%；钾转运率以及对籽粒贡献率变化规律则不明显。

表4 不同施肥处理玉米地上部养分转运量、转运率及对籽粒贡献率Table 4 Amounts of nutrient translocation,translocation rate and contribution rate to grain in maize shoot under different fertilization treatments

2.3 减氮配施液体牛粪对玉米产量及构成因子的影响

如表5所示，从两年试验结果可见，各施肥处理对玉米产量和百粒重影响显著，而年份则对产量及其构成因子影响均不显著（P<0.05）。减氮配施液体牛粪可显著提高玉米产量，其中2019年以减少40%氮肥施入量并配施液体牛粪的N1PKM处理产量最高，折合14%水分标准后为11 057.35 kg·hm-2，2020年以减少20%氮肥施入量并配施液体牛粪的N2PKM处理产量最高，折合14%水分标准后为10 444.83 kg·hm-2；所有施肥处理玉米产量均明显高于不施肥氮肥CK处理，且差异显著（P<0.05），表明肥料是影响玉米产量重要因素，施肥可显著提高产量；2019年和2020年，N1PKM和N2PKM处理产量较FP、N0PKM处理均达到显著性差异水平（P<0.05），两年分别平均增产5.74%、6.72%和12.35%、13.14%。从产量构成因素来看，N1PKM、N2PKM处理较FP处理百粒重平均分别提高4.81%、6.42%。

表5 不同施肥处理玉米产量及其构成因子Table 5 Yield and its components in maize under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理下土壤养分表观平衡

2019年和2020年，各处理年均氮磷钾收支情况见表6。

由表6可知，土壤中氮磷钾素收支差异原因主要是作物养分吸收以及肥料投入。不施氮肥处理（CK）土壤中氮素平均亏缺138.58 kg·hm-2，而当施氮量为180 kg·hm-2时，仍无法满足玉米对氮素需求。当施氮量超过250 kg·hm-2时，氮素当季表现出盈余状态，且随施氮量增加，玉米氮素吸收量先增后降，氮素当季盈余量与投入量之比增大，增加氮素损失及进入环境风险；不施氮肥处理（CK），土壤中钾素同氮素相似，两年平均亏缺28.92 kg·hm-2，磷素在2019年表现为盈余状态，当年盈余量为14.28 kg·hm-2；2020年表现为亏缺状态，当年亏缺32.46 kg·hm-2。在有机肥和化肥均平衡施用情况下（N1PKM和N2PKM处理），土壤中磷、钾素盈余量较N0PKM处理两年内平均分别降低15.48%、26.79%和25.05%、42.37%。减氮配施液体牛粪可促进玉米对磷、钾吸收，降低养分盈余量。

表6 不同施肥处理土壤氮、磷、钾素表观平衡Table 6 Apparent balance of soil N,P2O5 and K2O under different fertilization treatments (kg·hm-2)

3 讨论与结论

干物质积累决定作物经济产量高低。黄智鸿等研究指出，籽粒产量较大程度上取决于玉米生育后期生长发育，增加作物花后干物质积累比例为提高作物产量关键因素之一[16]。孟超然等研究发现，有机肥替代部分化肥可增加玉米花后干物质积累比例，约为3.23%~11.81%[17]。本试验表明，除单施液体牛粪外，不同减氮比例配施液体牛粪均使玉米花后干物质积累量及积累比例较FP提高，增幅为2.67%~3.56%，最终使玉米增产3.06%~8.42%。可能归因于减氮配施液体牛粪较常规施肥，养分时效长，可提高土壤养分供应能力，促进花后期玉米地上部吸收养分，花后期干物质积累是籽粒产量主要来源，减氮配施液体牛粪有利于玉米花后期养分供应，提高该生育阶段干物质积累速率，提高成熟期干物质积累量，为高产稳产奠定基础，与魏延邦等研究结果一致[18]。本研究花后干物质积累比例增幅偏小，这可能与试验中所用液体牛粪养分含量较低相关，因此，单施液体牛粪不能满足作物生长对养分全部需求，还需追施化肥。

本试验中，N1PKM和N2PKM处理干物质最大增长速率和平均增长速率均高于FP处理，干物质最大增长速率出现时间延后，与侯云鹏等研究结果一致[19]。氮肥在玉米拔节期一次性追施，土壤养分供应与作物养分需求时期不匹配，导致玉米前期生长旺盛，干物质积累过快，易倒伏，而开花后养分供应不足，光合速率降低，影响光合产物合成及运输，干物质最大增长速率出现过早[20]，而玉米在花后期具有较高光合能力，是实现玉米高产生理基础[21]。

作物干物质累积量与养分积累关系密切，养分积累是干物质累积基础，也是作物产量形成基础[22]。掌握玉米养分吸收规律及单位籽粒产量养分需求量为控制施肥总量重要标准[23]。杨恒山等研究表明，玉米花后期保持较高养分吸收及转运能力是促进高产的基础[24]，因籽粒在花后期对养分吸收速率增加较快。张奇茹等研究显示，有机无机配施可促进营养器官养分转运和对籽粒贡献率及开花后对土壤养分吸收[25-26]。本研究表明，在花后期，减氮配施液体牛粪处理植株地上部氮磷钾积累、转运量均高于常规施肥处理，说明液体牛粪配施化肥促进玉米花后期养分积累和转运，与前人研究结果一致。因化肥减量配施有机肥使土壤养分供应平缓，避免作物生长后期脱肥，有利于花后期干物质积累和养分吸收转运，促进籽粒灌浆，达到增产效果[27-29]。在花后期，植物体内钾素充足有利于生殖生长阶段吸收养分，促进营养器官中养分再分配以及对籽粒贡献率[15]。在整个生育时期，玉米地上部钾积累量随生育期推移先升高至灌浆期达到最大，而后降低，因玉米主要在生育前期吸收钾素，从灌浆期开始至成熟期，植物体内钾素外排，通过根系转入土壤[30]，而本试验研究发现，减氮配施液体牛粪有利于保存花后期玉米体内钾素，防止其过量流失，提高养分对籽粒贡献率，同时创设协调源库关系，在花后期保持较高养分转运能力，为增产奠定基础。

土壤养分表观平衡指在某段时间内，以肥料形式施入土壤中养分量与作物吸收养分量差值，是作物稳产高产基础[13]。有机肥配施化肥可促进作物吸收养分，提高肥料利用率，降低养分盈余[31]。本试验发现，减氮配施液体牛粪可促进作物对磷钾吸收，降低磷钾养分盈余量，提高养分利用效率，这与高菊生等研究结果一致[13]。

本试验得出，相较于常规施肥和单施液体牛粪处理，减氮40%配施液体牛粪可显著提高寒地玉米干物质平均增长速率和最大增长速率，推迟最大增长速率出现时间，有利于玉米生长发育平稳；使玉米花后期干物质和养分积累量、转运及对籽粒贡献率显著增加，实现玉米稳产高产；同时降低土壤磷钾养分盈余，提高养分利用效率。且相较于减氮20%，各指标差异不显著，更节约经济成本，实现减肥增效。长期减氮配施液体牛粪需考虑当季作物吸收养分及后效问题，后期试验应增设不同液体牛粪施用量处理。