熊偉仡，徐開未，劉明鵬，肖華，裴麗珍，彭丹丹，陳遠(yuǎn)學(xué)

不同氮用量對(duì)四川春玉米光合特性、氮利用效率及產(chǎn)量的影響

熊偉仡，徐開未，劉明鵬，肖華，裴麗珍，彭丹丹，陳遠(yuǎn)學(xué)

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130

【】明確不同施氮量下春玉米產(chǎn)量形成的光合機(jī)制，分析不同施氮量對(duì)氮肥利用率、土壤氮素盈余量等的影響，為當(dāng)?shù)睾侠硎┯玫?，促進(jìn)春玉米高產(chǎn)高效提供理論參考。以玉米品種仲玉3號(hào)為試驗(yàn)材料，分別于2019、2020年在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的肥效長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地進(jìn)行田間試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)供氮水平，分別為0（不施氮）、90 kg·hm-2（低氮）、180 kg·hm-2（適量氮）、270 kg·hm-2（農(nóng)民習(xí)慣施氮）、360 kg·hm-2（高氮），記為N0、N1、N2、N3、N4。于拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期測(cè)定葉面積，分別計(jì)算葉面積指數(shù)、光合勢(shì)；于灌漿期測(cè)定穗位葉凈光合速率等光合參數(shù)以及吐絲期、灌漿期測(cè)定葉綠素含量；吐絲期、灌漿期、收獲期測(cè)定地上部群體干物質(zhì)積累量，收獲時(shí)測(cè)定產(chǎn)量，分析各部位氮含量，計(jì)算土壤氮素盈余量、春玉米氮素利用效率和施氮經(jīng)濟(jì)效益。（1）春玉米產(chǎn)量隨施氮量增加先升后持平，2019、2020兩年都是N2處理的產(chǎn)量最高，平均為9 746 kg·hm-2，相較于N0、N1處理分別增產(chǎn)179%、28.7%（＜0.05），而N2與N3、N4處理間產(chǎn)量無(wú)顯著差異。兩年產(chǎn)量經(jīng)線性+平臺(tái)擬合，平臺(tái)施氮量為134.8 kg·hm-2，平臺(tái)產(chǎn)量為9 604 kg·hm-2，此時(shí)產(chǎn)投比也最高（12.6）。（2）適量施氮（N2）相比不施氮均顯著提高穗位葉葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及葉面積指數(shù)和光合勢(shì)等，繼續(xù)增施氮肥上述指標(biāo)無(wú)顯著差異甚至顯著降低。（3）結(jié)合光合特性與收獲期產(chǎn)量的相關(guān)性分析及偏最小二乘法分析表明，春玉米光合勢(shì)、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉面積指數(shù)、葉綠素a+b與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），且影響春玉米產(chǎn)量的主導(dǎo)因素是葉綠素a+b。（4）收獲期籽粒氮素積累量和地上部氮總積累量?jī)赡甓际请S施氮量增加先顯著上升，在N2處理后（超過180 kg·hm-2）微弱上升或基本持平；經(jīng)擬合表明土壤氮素盈余量為0時(shí)施氮量為139 kg·hm-2；春玉米氮肥表觀利用率兩年都是N2處理最高，平均達(dá)73.7%，較N1處理提高10.8%（＜0.05），繼續(xù)增施氮肥，氮肥表觀利用率則顯著下降，N3、N4處理氮肥表觀利用率相較于N2處理分別降低32.9%和48.1%（＜0.05）。適量施氮能明顯提高春玉米葉片光合性能，延緩穗位葉總?cè)~綠素的降解，延長(zhǎng)光合作用持續(xù)期，優(yōu)化總?cè)~綠素、葉面積指數(shù)和光合勢(shì)在春玉米產(chǎn)量形成中的作用。同時(shí)，適量施氮能顯著增加地上部群體干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量，促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收與積累，降低土壤氮素殘留，提高氮肥表觀利用率。綜合產(chǎn)量、施肥經(jīng)濟(jì)效益、氮肥表觀利用率和氮素盈余量等因素，試驗(yàn)區(qū)（四川雅安）氮素投入量為139—180 kg·hm-2能維持春玉米的高產(chǎn)高效目標(biāo)。

春玉米；氮用量；光合特性；產(chǎn)量；氮肥表觀利用率；氮素盈余量

0 引言

【研究意義】自2013年起，玉米成為我國(guó)第一大糧食作物，對(duì)維護(hù)國(guó)家糧食安全具有重要作用[1]。但當(dāng)前我國(guó)玉米平均畝產(chǎn)只有416.7 kg，僅相當(dāng)于美國(guó)的57.9%[2]。四川省旱耕地以紫色土為主，玉米生育期內(nèi)降雨頻繁，土壤易遭受沖刷，易導(dǎo)致土壤氮素淋失[3]，以四川雅安為例，氮肥表觀淋失率可達(dá)17.8%[4]。同時(shí)該地區(qū)玉米生產(chǎn)普遍存在氮素過量施用和氮肥利用率低等問題。陳尚洪等[5]調(diào)研四川丘陵地區(qū)玉米種植戶發(fā)現(xiàn)氮素過量施入的比例為71.9%；徐春麗等[6]分析了在西南地區(qū)開展的508個(gè)玉米田間試驗(yàn)，表明四川省玉米氮肥利用率僅為33.3%。過量或不合理施氮易導(dǎo)致土壤氮素盈余量較高，造成氮素面源污染[4]，不利于玉米生產(chǎn)；且玉米作為高光效C4植物，葉片光合作用對(duì)于產(chǎn)量形成具有重要作用[7]。因此，研究氮素合理投入（施肥經(jīng)濟(jì)效益）、氮肥利用率、土壤氮素盈余量與玉米光合和氮營(yíng)養(yǎng)效率特征對(duì)于理解玉米光合機(jī)制，指導(dǎo)合理施氮和玉米高產(chǎn)高效具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】葉片是玉米主要的營(yíng)養(yǎng)器官和光合器官[8]，葉片葉綠素含量對(duì)玉米等作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量均至關(guān)重要[9]；同時(shí)氮素是限制玉米生長(zhǎng)的重要因素，其通過參與玉米體內(nèi)多種生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而直接或間接影響整個(gè)光合作用環(huán)節(jié)[10]，且光合作用是玉米生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，因此對(duì)于其光合性能方面的研究一直備受關(guān)注。關(guān)于不同生態(tài)區(qū)、土壤類型下施氮對(duì)玉米光合特性及生長(zhǎng)的影響，前人已有許多研究。李強(qiáng)等[11]在四川簡(jiǎn)陽(yáng)紫色土上研究發(fā)現(xiàn)，相較于不施氮，施氮量為180—270 kg·hm-2可以顯著提高玉米地上部群體干物質(zhì)積累量、葉面積指數(shù)和葉片凈光合速率，并顯著提高吐絲后葉綠素含量，從而提高玉米產(chǎn)量。SU等[12]在陜西黑壚土上研究發(fā)現(xiàn)，氮素投入量為225 kg·hm-2時(shí)玉米生育后期功能葉仍能維持較高的凈光合速率和葉面積指數(shù)，并能延緩葉片衰老，提高玉米地上部群體干物質(zhì)積累量以促進(jìn)籽粒增產(chǎn)。LIU等[13]在山東棕壤土上研究發(fā)現(xiàn)，施氮185 kg·hm-2左右可通過增強(qiáng)玉米凈光合速率，提高葉綠素含量，增加穗粒數(shù)和千粒重以使玉米籽粒增產(chǎn)。關(guān)于長(zhǎng)期施氮對(duì)玉米光合特性及生長(zhǎng)的影響，前人也有相關(guān)研究。王帥等[14]依托沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤土進(jìn)行的長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)期適量施用氮肥可以顯著提高玉米葉綠素含量、蒸騰速率和凈光合速率，在花后仍能維持較高的葉面積指數(shù)，促進(jìn)籽粒增產(chǎn)。曹彩云等[15]在河北潮土上進(jìn)行的長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)研究表明，施秸稈9 000 kg·hm-2配施360 kg·hm-2氮素能顯著改善玉米光合性能，促進(jìn)葉面積指數(shù)增大，延長(zhǎng)穗位葉花后持綠時(shí)間，延緩葉片衰老，為后期干物質(zhì)積累提供大而長(zhǎng)的產(chǎn)出源，進(jìn)而促進(jìn)玉米籽粒產(chǎn)量提升。可見前人關(guān)于施氮對(duì)玉米光合特性及生長(zhǎng)的影響研究較為深入，不同生態(tài)區(qū)不同土壤類型上玉米功能葉延緩衰老、促進(jìn)增產(chǎn)的適宜施氮量差異較大[11-15]，且在不同施氮量對(duì)玉米光合特性影響結(jié)合施肥經(jīng)濟(jì)效益[16]、氮素吸收利用[17-18]的響應(yīng)也有較多研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】四川雅安位于四川盆地西緣，土壤以紫色土為主，玉米生育期內(nèi)寡照多雨，年降雨量可達(dá)1 800 mm左右，土壤氮素易發(fā)生淋失，影響氮肥肥效和玉米生產(chǎn)。為監(jiān)測(cè)氮肥效應(yīng)，于2010年開始設(shè)置的5個(gè)氮水平試驗(yàn)，至2019年已連續(xù)定位了10年，先后進(jìn)行了大量的玉米生長(zhǎng)發(fā)育、農(nóng)藝性狀、干物質(zhì)積累等內(nèi)容的研究，但是，不同氮營(yíng)養(yǎng)條件下玉米的光合特性，氮肥利用效率及土壤氮素盈余表觀平衡尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于10年氮肥效應(yīng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究長(zhǎng)期不同施氮量下春玉米葉面積指數(shù)、葉綠素含量、相關(guān)光合參數(shù)及干物質(zhì)積累的變化特征，分析不同施氮量對(duì)春玉米氮素吸收利用、土壤氮素盈余量及施肥經(jīng)濟(jì)效益等的影響，解析影響產(chǎn)量形成的光合機(jī)制，分析提出該地區(qū)維持春玉米高產(chǎn)高效的適宜施氮量區(qū)間。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)漬江試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（29°58′54″N，102°59′09″E，海拔595 m），是開始于2010年并一直持續(xù)至今的施氮肥效長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地，本試驗(yàn)于2019、2020年進(jìn)行了2年（長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的第10、11年）。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，2019年，年均溫21℃，年日照時(shí)數(shù)722 h，春玉米季降雨量達(dá)1 561 mm；2020年，年均溫16.8℃，年日照時(shí)數(shù)721 h，春玉米季降雨量達(dá)1 328 mm。

試驗(yàn)地土壤類型為紫色土，質(zhì)地為黏質(zhì)重壤土，俗稱“紫色大土”，定位試驗(yàn)前（2010年）的土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 6.33，有機(jī)質(zhì)34.9 g·kg-1，堿解氮61.1 mg·kg-1，有效磷40.5 mg·kg-1，速效鉀73.1 mg·kg-1。2019年春玉米播種前土壤基本理化性質(zhì)如表1。

表1 2019年耕種前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

供試玉米品種為仲玉3號(hào)，由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所選育。

試驗(yàn)所用肥料為尿素（N：46.4%）、過磷酸鈣（P2O5：12%）、氯化鉀（K2O：60%），均采購(gòu)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施與田間管理

為方便長(zhǎng)期定位施氮管理，試驗(yàn)采用單因素大區(qū)設(shè)計(jì)，即以5個(gè)氮處理為大區(qū)，每個(gè)大區(qū)面積為79.8 m2（8.4 m×9.5 m），大區(qū)之間設(shè)2 m間隔，再在大區(qū)內(nèi)劃分3個(gè)小區(qū)作為3次重復(fù)，小區(qū)面積26.6 m2（9.5 m×2.8 m）；試驗(yàn)區(qū)周圍設(shè)保護(hù)行，大區(qū)之間2 m間隔帶中種一行玉米作為隔離保護(hù)行。

2019、2020年繼續(xù)執(zhí)行定位施用5個(gè)氮水平，分別為0（不施氮）、90 kg·hm-2（低氮）、180 kg·hm-2（適量氮）、270 kg·hm-2（農(nóng)民習(xí)慣施氮）、360 kg·hm-2（高氮），分別以N0、N1、N2、N3、N4表示（表2）。另外，一致施用磷鉀肥，用量為P2O575 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2。玉米播種前打窩，窩深20 cm左右，將30%的氮和全部磷、鉀肥施于窩內(nèi)作底肥，然后覆土；另在玉米拔節(jié)期追施30%的氮肥，12葉期追施剩余40%的氮肥（表2），均兌清水沖施于玉米植株旁。不施氮處理以等量清水澆灌。

玉米采用寬窄行種植，寬行距0.9 m，窄行距0.5 m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)有兩個(gè)玉米帶幅，共4行。玉米實(shí)行點(diǎn)播，每窩播種4—5粒種子，于4葉期每窩定壯苗2株，種植密度為6.75×104株·hm-2；2019年4月4日播種，2020年4月3日播種。整個(gè)玉米生育期內(nèi)做好防蟲除草防病工作，按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培方法進(jìn)行田間管理。分別于2019年8月24日和2020年9月6日收獲。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定與方法

1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定 收獲時(shí)實(shí)收小區(qū)中的一個(gè)2行帶幅，現(xiàn)場(chǎng)脫粒稱重，用上海綠洲LDS-IG谷物水分測(cè)量?jī)x測(cè)定籽粒含水量，以14%標(biāo)準(zhǔn)含水率計(jì)算產(chǎn)量。

表2 試驗(yàn)各處理氮素投入量

1.3.2 地上部群體干物質(zhì)積累量測(cè)定 2019年和2020年于玉米吐絲期、灌漿期每小區(qū)隨機(jī)選4株，收獲期每小區(qū)隨機(jī)選5株，從莖稈基部砍下，帶回實(shí)驗(yàn)室后分莖稈、葉鞘、葉片、穗軸、苞葉、籽粒分開制樣，立即105℃殺青30 min，再在75℃下烘干至恒重稱量，折算各時(shí)期單位面積玉米的地上部干物質(zhì)積累量。

1.3.3 光合指標(biāo)測(cè)定 2019、2020年于吐絲期、灌漿期（吐絲后20 d）每小區(qū)隨機(jī)選取10片玉米穗位葉，并用剪刀剪取穗位葉中部葉脈一側(cè)的葉片5 cm長(zhǎng)左右，混合均勻后放入自封袋于冰盒中保存，帶回實(shí)驗(yàn)室采用丙酮提取法[19]測(cè)定葉綠素含量。

2019、2020年于拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期每小區(qū)選取4株，使用浙江托普云農(nóng)YMJ-B活體葉面積測(cè)量?jī)x測(cè)定植株葉面積。

2019、2020年于灌漿期每小區(qū)隨機(jī)選取10株，使用LI-6800型光合儀（LI-COR，美國(guó)）于晴天上午9：00—12：00在田間原位測(cè)定穗位葉的凈光合速率（n）、氣孔導(dǎo)度（s）、胞間二氧化碳濃度（i）和蒸騰速率（r）。

相關(guān)光合指標(biāo)計(jì)算如下：

葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）= （單株葉面積×單位土地面積內(nèi)株數(shù)）/（單位土地面積）；

光合勢(shì)（leaf area duration，LAD）=[(LAI1+LAI2)×(t2-t1)]/2。式中，LAI1、LAI2分別為t1、t2測(cè)定時(shí)期的葉面積指數(shù)，t2-t1為測(cè)定時(shí)間的間隔天數(shù)。

1.3.4 植株含氮量測(cè)定 植株分莖稈、葉鞘、葉片、穗軸、苞葉、籽粒等不同部位制樣，殺青烘干后用天津泰斯特FZ-102植物粉碎機(jī)粉碎后過0.25 mm篩，樣品用自封袋保存。用H2O2-H2SO4法消煮，蒸餾滴定法[20]測(cè)定各部位的氮含量。

1.3.5 相關(guān)氮素利用效率指標(biāo)計(jì)算 氮肥表觀利用率（nitrogen apparent recovery efficiency，NARE，%）=（施氮處理玉米地上部氮積累量-不施氮處理玉米地上部氮積累量）/施氮量×100[21]；

氮素農(nóng)學(xué)利用效率（agronomy efficiency of nitrogen applied，NAE，kg·kg-1）=（施氮處理玉米產(chǎn)量-不施氮處理玉米產(chǎn)量）/總施氮量[21]；

氮素生理利用效率（physiological efficiency of nitrogen，NPE，kg·kg-1）=（施氮處理玉米產(chǎn)量-不施氮處理玉米產(chǎn)量）/（施氮處理玉米地上部氮積累量-不施氮處理玉米地上部氮積累量）[21]；

氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity of nitrogen，NPFP）=玉米產(chǎn)量/施氮量[21]；

氮素盈余量（nitrogen surplus，NS，kg·hm-2）=氮素輸入量-氮素輸出量[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)與分析，SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）和Pearson相關(guān)分析，用LSD法對(duì)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（=0.05），用Origin 2021軟件進(jìn)行偏最小二乘法分析及作圖，用SAS 9.4和Microsoft Excel 2021軟件進(jìn)行不同變量間的模擬分析。

2 結(jié)果

2.1 不同施氮量對(duì)春玉米地上部群體干物質(zhì)積累量的影響

隨生育期的推進(jìn)，長(zhǎng)期定位施氮至10、11年，即2019、2020兩年間春玉米地上部群體干物質(zhì)積累量均隨生育進(jìn)程呈逐漸升高趨勢(shì)，表現(xiàn)為收獲期＞灌漿期＞吐絲期。吐絲期、灌漿期和收獲期地上部群體干物質(zhì)積累量N2（適量氮）處理兩年平均分別為7 078、12 035和18 158 kg·hm-2，較N0（不施氮）處理分別增加103%、172%和147% （＜0.05），較N1（低氮）處理分別增加26.3%、26.2%和29.9%（＜0.05）。當(dāng)施氮量達(dá)180 kg·hm-2（N2）后再繼續(xù)增施氮肥，春玉米地上部群體干物質(zhì)積累量并無(wú)顯著提升（圖1）。

2.2 不同施氮量對(duì)春玉米葉面積指數(shù)、穗位葉葉綠素含量的影響

不同施氮量下葉面積指數(shù)（LAI）、葉綠素含量差異見表3。從中可知年份和施氮量互作對(duì)吐絲期、灌漿期穗位葉葉綠素a（Chl a）含量、吐絲期LAI、葉綠素b（Chl b）含量和葉綠素a+b（Chl a+b）含量的影響均達(dá)到顯著水平（＜0.05）。LAI兩年變化趨勢(shì)一致，都是吐絲期大于灌漿期；吐絲期LAI N2（180 kg·hm-2，適量氮）處理較N0（不施氮）、N1（低氮）處理兩年平均分別增加132%和27.3%（＜0.05）；灌漿期LAI N2處理較N0、N1處理兩年平均分別增加136%和23.5%（＜0.05）；施氮超過180 kg·hm-2后兩年灌漿期及2019年吐絲期LAI無(wú)顯著差異，2020年吐絲期LAI甚至顯著降低。

不同施氮量顯著影響穗位葉葉綠素含量。除Chl b外，兩年吐絲期和灌漿期Chl a、Chl a+b含量變化趨勢(shì)一致；除N0處理外，Chl a+b含量在生育期間均表現(xiàn)為灌漿期＞吐絲期，吐絲期N2處理Chl a+b含量相較于N0、N1處理，兩年平均分別增加78.2%和17.9%（＜0.05），灌漿期N2處理Chl a+b含量相較于N0、N1處理，兩年平均分別增加113%和19.1%（＜0.05）；施氮量超過180 kg·hm-2后兩年吐絲期和灌漿期Chl a和Chl a+b含量無(wú)顯著差異，2020年灌漿期Chl b顯著降低。說(shuō)明適量施氮可通過在花后維持較高的光合色素含量，增加玉米葉片的持綠時(shí)間以延長(zhǎng)光合作用持續(xù)期。

誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤，柱上不同小寫字母表示同年度同一生育期不同處理間差異顯著（P＜0.05）。下同

表3 不同施氮量下春玉米葉面積指數(shù)、穗位葉葉綠素含量的差異

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同年度同一生育期不同處理間差異顯著（＜0.05）；*表示在0.05水平上相關(guān)性顯著，**表示在0.01水平上相關(guān)性顯著，ns表示0.05水平上相關(guān)性不顯著。下同

Different small letters after values mean significant difference (＜0.05) among different treatments at the same year and growth period; * indicates significantly different at 0.05 probability level, ** indicates significantly different at 0.01 probability level, and ns indicates no significant correlation at 0.05 probability level. The same as below

2.3 不同施氮量對(duì)春玉米光合勢(shì)的影響

從圖2可知，2019、2020年拔節(jié)期—吐絲期和吐絲期—灌漿期春玉米光合勢(shì)（LAD）變化趨勢(shì)一致，相較于不施氮（N0處理），施氮均顯著增加穗位葉LAD，拔節(jié)期—吐絲期穗位葉LAD N2處理相較于N0（不施氮）、N1（低氮）處理兩年平均分別增加102%、21.7% （＜0.05），吐絲期—灌漿期N2處理相較于N0、N1處理兩年平均分別增加124%、24.1% （＜0.05）；N2（適量氮）、N3（農(nóng)民習(xí)慣施氮）、N4（高量氮）處理間差異均不顯著。說(shuō)明適量施氮能顯著增加LAD。

圖2 不同施氮量對(duì)春玉米光合勢(shì)的影響

2.4 不同施氮量對(duì)春玉米穗位葉光合作用的影響

不同施氮量下春玉米穗位葉凈光合速率（n）、胞間二氧化碳濃度（i）、蒸騰速率（r）、氣孔導(dǎo)度（s）差異見表4。可知年份和施氮量互作對(duì)n、r的影響均達(dá)到顯著水平（＜0.05）。2019年和2020年N2處理n均達(dá)到最高，分別為17.2 μmol·m-2·s-1和19.7 μmol·m-2·s-1，顯著高于N1（低氮）和N0（不施氮）處理；施氮量高于180 kg·hm-2（N2）后，2019年n在N2—N4處理間差異未達(dá)顯著水平，而2020年nN4（360 kg·hm-2）處理較N2、N3處理顯著降低；兩年N2處理r、s均達(dá)到最高，施氮量超過180 kg·hm-2后均顯著下降；i隨著施氮量的增加而逐漸下降。

2.5 春玉米光合特性與收獲期產(chǎn)量的相關(guān)性分析和偏最小二乘法分析

由表5可知，春玉米LAD、n、r、s、i、LAI、Chl a+b與收獲期產(chǎn)量相關(guān)性顯著（＜0.01），且通過偏最小二乘法分析得知，影響產(chǎn)量的核心因素是Chl a+b，其次是LAI和LAD，與氣體交換參數(shù)（n、r、i、s）的關(guān)系相對(duì)較小，說(shuō)明可以通過增加春玉米的Chl a+b含量及潛在光合面積來(lái)提高其籽粒產(chǎn)量。

2.6 不同施氮量對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響

由圖3所示，春玉米產(chǎn)量隨施氮量增加先顯著增加，至N2（適量氮）處理達(dá)最高，兩年平均為9 746 kg·hm-2，相較于N0、N1處理分別增產(chǎn)179%、28.7%（＜0.05），而施氮量超過180 kg·hm-2后，N2、N3、N4處理的產(chǎn)量基本持平，之間無(wú)顯著差異。使用SAS軟件對(duì)兩年產(chǎn)量進(jìn)行“線性+平臺(tái)”擬合，擬合方程為=3 488+ 45.4（＜134.8），=9 604 （≥134.8），2=0.872**，表明該區(qū)域春玉米平臺(tái)施氮量為134.8 kg·hm-2，平臺(tái)產(chǎn)量為9 604 kg·hm-2。

表4 不同施氮量下春玉米穗位葉光合特性比較

表5 春玉米光合特性與收獲期產(chǎn)量相關(guān)分析及偏最小二乘法分析

LAD：光合勢(shì)；n：凈光合速率；r：蒸騰速率；i：胞間二氧化碳濃度；s：氣孔導(dǎo)度；LAI：葉面積指數(shù)；Chl a+b：葉綠素a+b

LAD: Leaf area duration;n: Net photosynthetic rate;r: Transpiration rate;i: Intercellular CO2concentration;s: Stomatal conductance; LAI: Leaf area index; Chl a+b: Chlorophyll a+b

2.7 不同施氮量經(jīng)濟(jì)效益分析

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)投比是衡量種植收益的靜態(tài)指標(biāo)[23]。從表6可知施氮處理相較于不施氮處理均顯著增加產(chǎn)值，增加范圍為8 983—13 767元·hm-2。隨著施氮量的增加肥料成本在不斷增加，但是凈收入并不完全是隨施氮量的增加而增加。平臺(tái)施氮量（134.8 kg·hm-2）時(shí)的產(chǎn)值（21 129元·hm-2）與N2（180kg·hm-2）處理產(chǎn)值（21 441元·hm-2）無(wú)顯著差異，繼續(xù)增施氮肥產(chǎn)值并無(wú)顯著變化。平臺(tái)施氮量的凈收入（19 458元·hm-2）與N2處理（19 515元·hm-2）無(wú)顯著差異，較N0（0 kg·hm-2）、N1（90 kg·hm-2）處理分別增加188%和27.7%（＜0.05），施氮超過180kg·hm-2后凈收入顯著降低，N3（農(nóng)民習(xí)慣施氮，270 kg·hm-2）、N4（高量氮，360 kg·hm-2）處理凈收入較N2處理分別降低6.00%和6.61%（＜0.05）。產(chǎn)投比以平臺(tái)施氮量最高（12.6），較N0、N1處理分別增加49.3%和6.78%（＜0.05），施氮超過139 kg·hm-2后產(chǎn)投比顯著降低，N2（180 kg·hm-2）、N3（270 kg·hm-2）、N4（360 kg·hm-2）處理產(chǎn)投比相較于施氮量為139 kg·hm-2時(shí)的產(chǎn)投比（12.5）分別下降11.2%、31.8%、42.5%（＜0.05）。產(chǎn)值增產(chǎn)率以N2處理最高（179%）。另外，經(jīng)曲線擬合，土壤氮素盈余量為0時(shí)的施氮量為139 kg·hm-2（圖4），此時(shí)產(chǎn)值、凈收入和產(chǎn)投比與產(chǎn)量平臺(tái)施氮量均無(wú)顯著差異。綜上所述，產(chǎn)量平臺(tái)施氮量能獲得最高產(chǎn)投比，氮肥施用量為180 kg·hm-2能獲得最大產(chǎn)值增產(chǎn)率。

圖中產(chǎn)量數(shù)據(jù)為2019、2020兩年平均值；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤，柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（P＜0.05）

2.8 不同施氮量對(duì)春玉米氮素吸收利用及氮素平衡的影響

如表7所示，年份和施氮量互作對(duì)籽粒氮素累積量、春玉米氮肥表觀利用率（NARE）、氮素農(nóng)學(xué)利用效率（NAE）、氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP）和土壤氮素盈余量的影響均達(dá)到顯著水平（＜0.05）。地上部氮素積累量和籽粒氮素積累量均隨施氮量的增加先顯著上升，施氮量超過180 kg·hm-2后，籽粒和地上部氮素積累量均無(wú)顯著差異。NARE隨施氮量的增加先增后降，兩年均在N2處理達(dá)到峰值，平均達(dá)73.7%，2019年NARE N1和N2處理間無(wú)顯著差異，而2020年NARE N2處理相較于N1處理增加12.4%（＜0.05）；繼續(xù)增施氮肥NARE則顯著降低，N3、N4處理相較于N2處理兩年平均分別降低32.9%和48.1%（＜0.05）。NAE、NPE和NPFP均隨施氮量的增加呈逐漸下降趨勢(shì)。當(dāng)施氮量為180 kg·hm-2時(shí)，兩年土壤氮素盈余量分別為15.7 kg·hm-2和18.8 kg·hm-2，繼續(xù)增施氮肥氮素盈余量顯著提高，說(shuō)明過量施氮（大于180 kg·hm-2）會(huì)增加土壤氮素殘留[4]，加大氮素面源污染。

表6 不同施氮量的經(jīng)濟(jì)效益

凈收入指除勞動(dòng)成本外的凈收入，凈收入=產(chǎn)值-肥料成本，產(chǎn)值=玉米產(chǎn)量×玉米價(jià)格（玉米產(chǎn)量為2019、2020兩年的平均產(chǎn)量，當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格玉米為2.2元/kg），肥料成本=肥料用量×肥料價(jià)格（尿素價(jià)格為2.6元/kg，過磷酸鈣為0.81元/kg，氯化鉀為2.3元/kg）；134.8 kg·hm-2為平臺(tái)施氮量（圖3），139 kg·hm-2為土壤氮素盈余量為0時(shí)的施氮量（圖4）

The profits refers to profits excluding labor costs, profits = output value - fertilizer input, output value = maize yield × maize price(maize yield is the average value of 2019 and 2020, the local market price of maize is 2.2 yuan/kg), fertilizer input = fertilizer level × fertilizer price (the price of urea, superphosphate, potassium chloride is 2.6, 0.81, 2.3 yuan/kg, respectively); 134.8 kg·hm-2is the platform nitrogen application level (Fig. 3), and 139 kg·hm-2is the nitrogen level when the soil nitrogen surplus reach to zero (Fig. 4)

圖4 不同施氮量對(duì)土壤氮素盈余量的影響

表7 不同施氮量對(duì)春玉米氮素吸收利用及氮素平衡的影響

GNA：籽粒氮素積累量；ANA：地上部氮素積累量

GNA: Grain nitrogen accumulation; ANA: Aboveground nitrogen accumulation

3 討論

3.1 不同施氮量對(duì)春玉米產(chǎn)量、氮素吸收利用、氮素平衡及施氮經(jīng)濟(jì)效益的影響

適量施氮可顯著提高春玉米產(chǎn)量。本研究中適量施氮處理（N2）的籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮（N0）和低氮（N1）處理，施氮量高于180 kg·hm-2（N2）時(shí)產(chǎn)量無(wú)顯著差異，這與前人研究結(jié)果一致[24]，可能是由于過量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致更多的氮素?fù)p失，吸收的氮也大量在營(yíng)養(yǎng)器官中累積，向籽粒轉(zhuǎn)移的比例降低，造成庫(kù)源平衡失調(diào)，不利于籽粒產(chǎn)量升高，甚至?xí)斐僧a(chǎn)量下降。趙營(yíng)等[25]研究也表明，過量增施氮肥的增產(chǎn)效果并不顯著，甚至?xí)档彤a(chǎn)量。巨曉棠等[26]研究表明高量施氮、氮肥施用方法不合理等會(huì)顯著降低玉米氮肥利用率。本研究中當(dāng)施氮量為180 kg·hm-2時(shí)，兩年氮肥表觀利用率均最高，最高氮肥表觀利用率平均為73.7%，高于西南地區(qū)玉米生產(chǎn)平均水平[6]。施氮量為180 kg·hm-2時(shí)顯著促進(jìn)春玉米地上部群體干物質(zhì)積累量（圖1）和籽粒氮素積累量的增加（表7），繼續(xù)增施氮肥則無(wú)顯著差異。對(duì)兩年土壤氮素盈余量進(jìn)行擬合，得知氮素盈余量為0時(shí)施氮量為139 kg·hm-2（圖4），說(shuō)明當(dāng)?shù)赝度肓慷嘤?39 kg·hm-2時(shí)土壤氮素開始?xì)埩簟?/p>

結(jié)合春玉米地上部氮素總積累量和土壤氮素盈余量來(lái)看，施氮量超過180 kg·hm-2，春玉米地上部吸氮量達(dá)173 kg·hm-2后增加不顯著（表7），繼續(xù)增施氮肥則會(huì)導(dǎo)致多余氮素在土壤中累積（表7）。本試驗(yàn)地位于有“天漏”之稱的雅安市，2019、2020年春玉米生育期降雨量分別高達(dá)1 561 mm和1 328 mm，土壤中累積的氮素大量淋失，導(dǎo)致氮素淋失量呈指數(shù)上升[4]，威脅地下水水質(zhì)安全。本試驗(yàn)建立在10年長(zhǎng)期定位施氮的研究基礎(chǔ)上，前期研究發(fā)現(xiàn)，在定位至9、10年時(shí)施氮量為180 kg·hm-2處理的氮肥表觀淋失率最低，為10.9%，當(dāng)施氮量為360 kg·hm-2時(shí)氮淋失量和淋失率均達(dá)到最大，分別為70.5 kg·hm-2和17.8%[4]。因此，適量施氮（180 kg·hm-2左右）較農(nóng)民習(xí)慣施氮大大降低了氮肥用量，同時(shí)也明顯降低了氮素在土壤中的殘留和氮肥表觀淋失率，減輕氮肥面源污染，氮肥利用率明顯提高，驗(yàn)證了合理施氮的重要性。

本研究中，玉米產(chǎn)量與施氮量為“線性+平臺(tái)”關(guān)系（圖3）,平臺(tái)氮肥用量為134.8 kg·hm-2，平臺(tái)產(chǎn)量為9 604 kg·hm-2。另從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，施氮量為134.8 kg·hm-2（平臺(tái)氮肥用量）時(shí)春玉米產(chǎn)投比最高（12.6），繼續(xù)增施氮肥導(dǎo)致N2（180 kg·hm-2）處理產(chǎn)投比顯著下降，且平臺(tái)氮肥用量的凈收入和N2處理無(wú)顯著差異，在180 kg·hm-2基礎(chǔ)上繼續(xù)增施氮肥凈收入顯著降低，說(shuō)明氮肥投入量為134.8 kg·hm-2時(shí)能夠節(jié)約種植成本，獲取最大種植收益。根據(jù)產(chǎn)量擬合方程（圖3）顯示，當(dāng)施氮量為134.8 kg·hm-2和139 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量基本一致，而氮肥投入量為139 kg·hm-2時(shí)土壤氮素盈余量為0（圖4），且此時(shí)（139 kg·hm-2）產(chǎn)投比（12.5）與平臺(tái)施氮量（134.8 kg·hm-2）產(chǎn)投比（12.6）無(wú)顯著差異（表6），其種植收益均顯著高于其余處理（N0、N1、N2、N3和N4）。

因此，該地區(qū)投入氮肥總量為139—180 kg·hm-2可以促進(jìn)春玉米地上部群體干物質(zhì)積累量及籽粒氮素積累量的增加，在節(jié)肥、控制氮肥投入成本和減少氮素在土壤中殘留的情況下提高氮肥表觀利用率，并維持春玉米高產(chǎn)高效，實(shí)現(xiàn)減氮增效目標(biāo)。

3.2 不同施氮量下影響春玉米產(chǎn)量形成的光合機(jī)制

干物質(zhì)積累量是玉米產(chǎn)量的主要決定因素之一[27]，玉米作為高光效C4植物，前人研究表明玉米干物質(zhì)的形成主要通過光合作用實(shí)現(xiàn)[28]，保持較高的光合效率有助于玉米籽粒增產(chǎn)。景立權(quán)等[27]研究表明，凈光合速率（n）、蒸騰速率（r）、氣孔導(dǎo)度（s）隨著施氮量的增加呈逐漸上升趨勢(shì)，超過一定施氮閾值后逐漸下降，過量施氮不利于葉片光合性能的提升。本研究結(jié)果與其基本一致，與不施氮（N0）相比，適量施氮（N2）均顯著促進(jìn)春玉米穗位葉n、r、s的增加，施氮高于180 kg·hm-2后兩年灌漿期r、s及2020年灌漿期n均顯著降低。胞間二氧化碳濃度（i）變化趨勢(shì)則相反，低氮甚至不施氮反而促進(jìn)i的提升，這與朱曉軍等[29]研究結(jié)果一致。說(shuō)明本試驗(yàn)中在180 kg·hm-2基礎(chǔ)上繼續(xù)增施氮肥導(dǎo)致n和r顯著降低的原因是非氣孔因素引起的，可能是過量施氮導(dǎo)致光合作用關(guān)鍵酶活性降低而抑制了n和r的提高[30]。

前人研究表明，玉米葉面積指數(shù)和光合勢(shì)能直接反應(yīng)植株葉片的生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況和潛在的光合面積[31]。蔡曉等[32]研究證實(shí)，葉面積指數(shù)隨施氮量的增加呈逐漸上升趨勢(shì)，但高于某一施氮量后增加效果不顯著。曹彩云等[15]研究認(rèn)為施氮均促進(jìn)玉米葉面積指數(shù)，葉綠素含量的提高，能延緩玉米葉片衰老，延長(zhǎng)其光合作用時(shí)間，促進(jìn)玉米產(chǎn)量提升。本研究中與不施氮（N0）相比，適量施氮（180 kg·hm-2）均顯著促進(jìn)葉面積指數(shù)、光合勢(shì)和葉綠素含量的增加，繼續(xù)增施氮肥上述指標(biāo)無(wú)顯著差異甚至顯著降低；其中除N0處理外，N1、N2、N3和N4處理葉綠素a+b含量灌漿期＞吐絲期，且適量施氮處理（180 kg·hm-2）相較于N0、N1處理均顯著提高春玉米穗位葉的葉綠素a+b含量。表明適量施氮能延長(zhǎng)葉片的持綠時(shí)間和光合作用持續(xù)期，延緩總?cè)~綠素分解，顯著促進(jìn)干物質(zhì)積累（圖1）和籽粒氮素積累（表7），進(jìn)而促進(jìn)春玉米產(chǎn)量提升。

分析不同施氮量下春玉米光合特性與產(chǎn)量之間的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，春玉米葉面積指數(shù)、光合勢(shì)、葉綠素a+b、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度與收獲期產(chǎn)量顯著正相關(guān)（＜0.01）（表5），且上述指標(biāo)按照對(duì)產(chǎn)量的重要性大小排序?yàn)椋喝~綠素a+b＞葉面積指數(shù)和光合勢(shì)＞凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度。說(shuō)明影響春玉米產(chǎn)量的核心因素是葉綠素a+b，其次是葉面積指數(shù)和光合勢(shì)，氣體交換參數(shù)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響相對(duì)較小。生產(chǎn)中可通過適量施氮（180kg·hm-2）強(qiáng)化春玉米葉片光合能力，提高光合面積，增加總?cè)~綠素含量以延緩葉片總?cè)~綠素的降解和延長(zhǎng)光合作用持續(xù)期，并有助于協(xié)調(diào)總?cè)~綠素、葉面積指數(shù)和光合勢(shì)在春玉米產(chǎn)量形成中的關(guān)系，從而積累更多光合產(chǎn)物以促進(jìn)籽粒增產(chǎn)。

4 結(jié)論

適量施氮可顯著提高春玉米葉片光合能力，并延緩葉片總?cè)~綠素的降解和延長(zhǎng)葉片持綠時(shí)間，有助于優(yōu)化總?cè)~綠素、葉面積指數(shù)和光合勢(shì)在春玉米產(chǎn)量形成中的作用。同時(shí)，適量施氮能顯著增加地上部群體干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量，促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收與積累，降低土壤氮素殘留，提高氮肥表觀利用率。綜合產(chǎn)量、施肥經(jīng)濟(jì)效益、氮肥表觀利用率和土壤氮素盈余量等因素，施氮量為139—180 kg·hm-2能維持當(dāng)?shù)卮河衩赘弋a(chǎn)高效目標(biāo)。

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Effects of Different Nitrogen Application Levels on Photosynthetic Characteristics, Nitrogen Use Efficiency and Yield of Spring Maize in Sichuan Province

XIONG WeiYi, XU KaiWei, LIU MingPeng, XIAO Hua, PEI LiZhen, PENG DanDan, CHEN YuanXue

College of Resource Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130

【】In order to clarify the photosynthetic mechanism affecting the yield formation of spring maize under different nitrogen application levels, the effects of different nitrogen application levels on nitrogen use efficiency and soil nitrogen surplus were analyzed, so as to provide the theoretical reference for rational application of nitrogen fertilizer and promoting high yield and high efficiency of spring maize.【】Using the maize of variety Zhongyu 3 as experimental material, the field experiments were carried out in 2019 and 2020 at the long-term fertilizer effect experimental site of Ya’an Experimental Farm of Sichuan Agricultural University. Nitrogen supply included five levels, such as 0 (no nitrogen application), 90 (low nitrogen), 180 (appropriate amount of nitrogen), 270 (farmers’ habitual nitrogen application), and 360 kg·hm-2(high nitrogen), which were marked as N0, N1, N2, N3, and N4, respectively. The leaf area was measured at jointing period, silking period and grain-filling period, and the leaf area index and leaf area duration were calculated, respectively. The photosynthetic parameters, such as net photosynthetic rate of ear leaves were measured at grain-filling period, and chlorophyll content was measured at silking period and grain-filling period. The dry matter accumulation of aboveground population was measured at silking period, grain-filling period, and harvest period, the yield was measured at harvest, the nitrogen content of each part was analyzed, and the soil nitrogen surplus, nitrogen use efficiency of spring maize and economic benefit of nitrogen application were calculated.【】(1) The spring maize yield increased first and then remained flat with the increase of nitrogen application levels. In 2019 and 2020, the yield under N2 treatment was the highest, with an average of 9 746 kg·hm-2, which was 179% and 28.7% higher than that of N0 and N1 treatments (＜0.05), respectively, but there was no significant difference among N2, N3, and N4 treatments. 2-year yield was fitted by linear + platform fitting, the platform nitrogen application level was 134.8 kg·hm-2, the platform yield was 9 604 kg·hm-2, and the output-input ratio of platform nitrogen fertilizer (134.8 kg·hm-2) was the highest (12.6). (2) Compared with no nitrogen application, the appropriate amount of nitrogen application (N2) significantly increased chlorophyll content, net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate of ear leaves, leaf area index and leaf area duration. However, with the increase of nitrogen fertilizer application, there was no significant difference or even decreased significantly in the above indexes. (3) Combined with the correlation analysis and partial least square analysis of photosynthetic characteristics and harvest yield, the yield was significant positively correlated with leaf area duration, net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate, leaf area index, chlorophyll a+b of spring maize (＜0.01), and the main factor affecting spring maize yield was chlorophyll a+b. (4) During the harvest period, the grain nitrogen accumulation and total aboveground nitrogen accumulation increased significantly with the increase of nitrogen application level, and increased slightly or basically flat after N2 treatment (more than 180 kg·hm-2) in the two years. The fitting results showed that the nitrogen application level was 139 kg·hm-2when the soil nitrogen surplus was 0 kg·hm-2; The nitrogen apparent recovery efficiency of spring maize under N2 treatment was the highest in the two years, with an average of 73.7%, which was 10.8% higher than that under N1 treatment (＜0.05), the nitrogen apparent recovery efficiency decreased significantly with the continuous application of nitrogen fertilizer. Compared with N2 treatment, the nitrogen apparent recovery efficiency of N3 and N4 treatments decreased by 32.9% and 48.1%, respectively (＜0.05).【】The proper amount of nitrogen application could obviously improve the photosynthetic performance of spring maize leaves, delay the degradation of total chlorophyll in ear leaves, prolong the duration of photosynthesis, and optimize the role among total chlorophyll, leaf area index and leaf area duration in the yield formation of spring maize. At the same time, the proper amount of nitrogen application could significantly increase the dry matter accumulation of aboveground population and grain yield, promote the absorption and accumulation of nitrogen to maize, reduce nitrogen residue in soil, and improve the nitrogen apparent recovery efficiency. Considering the factors such as yield, economic benefit of fertilization, apparent nitrogen use efficiency and nitrogen surplus, the nitrogen input of 139-180 kg·hm-2could maintain the goal of high yield and high efficiency of spring maize in the experimental area (Ya’an, Sichuan).

spring maize; amount of nitrogen; photosynthetic characteristics; yield; nitrogen apparent recovery efficiency; nitrogen surplus

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.004

2021-08-12；

2021-12-16

四川省科技計(jì)劃（2020YJ0354）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300301-02）、國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-02-04）

熊偉仡，E-mail：1450481194@qq.com。徐開未，E-mail：xkwei@126.com。熊偉仡和徐開未為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者陳遠(yuǎn)學(xué)，E-mail：cyxue11889@163.com

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）