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综合农艺措施实现东北玉米生产和环境效益及土壤肥力的同步提升

花匠小妙招
2024-11-04 20:26

东北平原是我国最重要的玉米产区，常年种植面积约1530万hm2，总产量1.0亿t，分别占全国玉米种植面积的37.3%和总产的40.2%[1]。近几十年来，随着品种更替和栽培技术发展，玉米产量得到了极大提高[2]。然而，通常情况下，东北农户玉米实际产量与高产记录产量之间存在较大差距，实际产量仅为记录产量的45%左右[3]。同时，施肥不当等农艺措施导致玉米产量和肥料利用率低下[4]，且对环境产生不利影响，如大量硝酸盐淋溶、氧化亚氮排放和氨挥发等[5]，造成了严重的大气和水污染。因此，在进一步改善玉米产量的同时，提高肥料利用效率，避免环境污染是东北玉米种植业发展面临的重要挑战。

目前生产上，东北地区大多数农户常常过量施用氮肥，施氮量远超过当前玉米产量水平下对氮素的需求量[6]。此外，近一半的农户对氮肥采取播前一次性施用的方式，即便追肥的农户大部分也在拔节期前进行[7]，而玉米生长前期对氮素的需求相对较低，只有约10%的氮素被有效利用，剩余的氮素则通过不同的途径损失到环境中，导致玉米生育中后期对氮素需求较高时土壤氮素供应不足，脱氮现象严重，影响了植株生育后期对氮素的吸收，降低了玉米产量和氮肥利用率，同时给环境带来风险[8]。因此，须优化氮素管理以满足作物的需求和减少氮素损失。提高种植密度，降低单株施氮量，是提高玉米产量和氮肥利用率的有效途径。玉米高产记录通常在高密度下获得，在东北地区，玉米种植密度在8.0～10.0万株/hm2范围内时，可获得大于15.0 t/hm2的籽粒产量[9]。然而，实际生产中农户种植密度要低得多，平均密度不足6万株/hm2[7]，低密度导致光能等资源浪费，限制玉米产量和资源效率进一步提升。此外，东北地区玉米长期采用播前土壤浅层旋耕和连续小马力农机具作业，导致土壤形成“厚、实、硬”的犁底层，土壤容重变大[10]，犁底层和高的土壤容重阻碍了根系生长和分布，限制了其对深层土壤营养物质的吸收[11-12]，易导致植株早衰，使得产量和养分利用效率降低。因此，生产上需改进耕作方式来消减土壤障碍对玉米产量和氮肥利用率的不利影响。

前人从栽培方式、种植密度、肥料管理、土壤耕作等管理措施或这些措施耦合作用等方面，对玉米干物质积累与转运、根系形态与分布、氮素吸收与利用、土壤无机氮积累与矿化等进行了较多研究[13-17]，综合不同技术措施的管理模式在提高玉米产量、氮素利用率等方面已取得较好的效果[18-19]。综合农艺措施对土壤–作物系统的影响是各项农艺措施共同作用的结果，但已有的对土壤氮素供应与作物养分需求的匹配研究明显不足，且玉米长期连作下土壤–作物系统氮素平衡的研究相对薄弱，这种基于系统化对比试验的缺乏显然不利于作物生产系统综合管理技术的改进及推荐应用。因此，本研究将种植密度、养分管理、耕作措施等技术进行组合，分析综合农艺措施对春玉米氮素积累与分配、氮素利用率、土壤无机氮积累及氮素平衡的影响，以期为春玉米高效生产提供参考依据。

1. 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2019年，在吉林省农安县吉林省农业科学院哈拉海综合实验站(44°05′N, 125°51′E)进行。试验地年平均气温4.7℃，≥10℃以上年活动积温平均为2800℃，年总日照时数平均为2581.1 h，年平均降水量约520 mm，降水主要集中在7—9月份，该区域为典型的雨养农业区，生育期气象条件(平均温度、降雨量)如图1所示。土壤类型为黑土，试验开始时0—20 cm耕层土壤有机质27.4 g/kg、全氮1.7 g/kg、速效氮110 mg/kg、速效磷26.8 mg/kg、速效钾201 mg/kg，pH 7.2。

图 1 玉米生长季节气象条件

Figure 1. Meteorological conditions in the 2017, 2018 and 2019 growing seasons

1.2 试验设计

供试玉米品种为富民108，设置4种不同农艺措施组合的栽培模式，分别为基础地力模式(不施肥，CK)、农户模式(农户常规生产方式，FP)、高产高效模式(在FP基础上优化集成种植密度、耕作方式和肥料运筹，HH)和超高产模式(结合不同地区高产攻关经验，在HH基础上进一步强化相关措施，实现最高产量，SH)，不同栽培模式具体管理措施详见表1。同时在FP、HH和SH 3种模式下分别设置不施氮肥的空白处理，用于不同模式氮素利用率及土壤氮素平衡的计算。2017、2018和2019年的播种日期分别为5月5日、5月5日和5月7日，收获日分别为9月30日、10月2日和10月4日。试验所用氮、磷、钾肥分别为普通尿素(含N 46%)、重过磷酸钙(含P2O5 46%)和氯化钾(含K2O 60%)，所用有机肥为腐熟的猪粪。试验采用随机区组试验设计，不同处理试验区12行，行长25 m，行距0.65 m，肥料空白试验区6行，行长12 m，行距0.65 m，重复3次。

表 1 栽培模式具体措施

Table 1. Measurement and treatment details under different cultivation modes

处理
Treatment种植密度
Planting density
(×104/hm2)耕作方式
Tillage肥料
Fertilizer肥料施用时期和施用量 (kg/hm2)
Fertilization period and rate总用量 Total基肥 Basal拔节期 V6大喇叭口期 V12开花期 R1 CK6.0浅旋
Shallow rotaryFP6.0浅旋
Shallow rotaryN270270P2O5120120K2O135135HH7.5深松/深翻
Deep losing/deep ploughN2254567.567.545P2O5120120K2O120120SH9.0深松/深翻
Deep losing/deep ploughN360144108108P2O5120120K2O150150有机肥
Manure1500015000 注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。
Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. V6—6-Leaf stage; V12—12-leaf stage; R1—Silking stage. 1.3 测定项目 1.3.1 植株干物质积累及全氮含量

于玉米三叶期(V3)、拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、开花期(R1)、灌浆期(R3)和成熟期(R6)，每个处理选取有代表性的植株3株，V3、V6、V12期植株器官不进行分解，R1期分解为叶片和茎鞘，R3和R6期分解为叶片、茎鞘(含苞叶、穗轴)和籽粒，分解后样品于105℃烘箱内杀青30 min，75℃烘至恒重后称量。称重后的样品粉碎混匀，用浓H2SO4–H2O2湿灰化法进行消煮，稀释后用凯氏定氮仪(KjelFlexK-360, BüCHI)测定不同器官氮含量。

1.3.2 土壤无机氮含量

玉米收获后，用土钻采集土层深度100 cm的新鲜土壤样品，其中每20 cm为一层，共5层。同时在玉米拔节期(V6)、大口期(V12)、开花期(R1)、灌浆期(R3)及成熟期(R6)采集0—40 cm土壤样品，每20 cm为一层。每小区按“S”形随机选取5点，将每小区相同土层土壤样品混匀后，装入塑封袋，放入冰盒，带回实验室冷冻保存。土壤样品过8 mm筛后，称取5 g加入50 mL 1 mol/L KCl振荡浸提，采用Auto Analyzer 3 (AA3) 型流动注射分析仪(SFA CFA FIA BRAN+LUEBBE III)测定各层土壤中硝态氮与铵态氮含量。同时采用环刀法测定每层土壤容重，采用烘干法测定土壤含水量，根据各层土壤容重将矿质氮含量换算成0—100 cm土体矿质氮积累量。

1.3.3 产量及产量构成

于玉米生理成熟期，每个试验区选取3个10 m2地块，将全部果穗进行人工收获，计数有效穗数，用均值法选取30穗，自然风干后进行室内考种，测定穗粒重、穗粒数、百粒重及含水量，最终籽粒产量按14%标准含水量进行折算。

1.4 参数计算与统计分析 1.4.1 参数计算

植株氮积累量=∑" role="presentation">∑地上部各器官干物质积累量×各器官氮含量(%)；

氮转运量=开花期各营养器官氮积累量–收获期各营养器官氮积累量；

氮转运率(%)=氮转运量/开花期地上部氮积累量×100；

花后氮素积累量=成熟期植株氮素积累量–开花期植株氮积累量；

花前氮积累比例(%)=开花期氮积累量/成熟期氮积累量；

花后氮积累量对籽粒氮的贡献率=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮积累量；

氮素偏生产力(PFPN, kg/kg)=籽粒产量/施氮量；

氮素农学效率(AEN, kg/kg)=(施氮区籽粒产量–不施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮素吸收效率(REN,%)=(施氮区植株氮积累量–不施氮区植株氮积累量)/施氮量×100；

氮素生理效率(PEN, kg/kg)=(施氮区籽粒产量–不施氮区籽粒产量)/(施氮区植株氮积累量–不施氮区植株氮积累量)；

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株氮素总积累量；

土壤无机氮残留量(kg/hm2)=土层深度×土壤容重×土壤无机氮含量；

土壤氮素净矿化量(kg/hm2)=不施氮区作物氮积累量+不施氮区土壤无机氮残留量–不施氮区土壤起始无机氮累积量；

土壤氮素表观损失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤起始无机氮累积量+土壤氮素净矿化量)–(作物吸氮量+土壤无机氮残留量)；

氮素盈余量(kg/hm2)=氮素表观损失量+收获后土壤无机氮残留量。

1.4.2 统计分析

数据采用Microsoft Excel 2016软件进行处理，采用SPSS 19.0软件(SPSS Institute Inc.)进行单因素方差分析(ANOVA)，检验不同处理平均值间的差异。为了确定处理间效果，使用最小显著性差异(LSD)进行多重比较。采用Sigmaplot 14.0软件作图。

2. 结果与分析

2.1 不同栽培模式的玉米产量

试验年份和不同栽培模式对玉米籽粒产量均有显著影响，且两因素互作效应对玉米产量的影响也达到了显著水平(图2)。不同栽培模式玉米籽粒产量3年均表现为超高产模式(SH)最高，高产高效模式(HH)次之，基础地力模式(CK)最低，SH比HH、FP、CK平均分别提高了8.76%、20.16%、106.91%。其中，2017年，SH比HH、FP、CK分别提高了8.20%、24.75%、72.91%；2018年，SH比HH、FP、CK分别提高了8.95%、14.88%、130.83%；2019年，SH比HH、FP、CK分别提高了8.28%、37.04%、122.84%。

图 2 不同栽培模式下玉米产量

注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。柱上不同小写字母表示同一年份不同栽培模式间在0.05水平差异显著。方差分析中：Y—试验年份，T—处理，*和**分别表示效果达0.05和0.01显著水平

Figure 2. Maize yield under different cultivation modes

Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among cultivation models at the 0.05 level in the same year. In ANOVA, Y— Experiment year, T—Cultivation modes, * and ** indicate significant effect at 0.05 and 0.01 levels, respectively

2.2 不同栽培模式的氮素积累、分配与转运 2.2.1 氮素积累

如图3所示，植株氮积累量不同年份不同生育期均表现为CK显著低于其他栽培模式(P<0.05)，而FP、HH、SH植株氮素积累量在苗期(V3)至拔节期(V6)不同年份均无显著差异(P>0.05)，大喇叭口期(V12)至成熟期(R6)氮素积累量均表现为SH显著高于HH，HH显著高于FP (P<0.05)，且随着生育进程的推进植株氮积累量处理间差异逐渐增大，SH与HH、HH与FP相比，3年增幅平均分别为8.38%、9.99% (大喇叭口期)、11.08%、10.72% (开花期)、12.82%、13.32% (灌浆期)、15.04%、17.96% (成熟期)。

图 3 不同栽培模式下玉米氮素积累动态

注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。V3、V6、V12、R1、R3、R6分别表示三叶期、拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期、成熟期

Figure 3. Dynamics of nitrogen accumulation in maize under different cultivation modes

Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. V3, V6, V12, R1, R3 and R6 represent the growing stages of 3-leaf, 6-leaf, 12-leaf, silking, milk ripening and maturity

2.2.2 开花前后氮素积累量在氮素总积累量中的占比

对不同栽培模式玉米花前花后氮素积累量占整个生育期总氮积累量的比例进一步分析(图4)显示，花前氮素积累量占比FP、CK要显著高于SH和HH。花后氮素积累量占氮素总积累量的比例平均分别为SH (36.21%)、HH (34.60%)、FP (29.75%)、CK (26.33%)。花后氮素积累量占氮素总积累量的比例SH比HH、FP、CK分别提高4.38%、16.47%、19.42% (2017年)，7.86%、36.36%、51.90% (2018年)，1.37%、15.48%、32.47% (2019年)。

图 4 不同栽培模式玉米花前花后氮素积累量在氮素总积累量中的占比

注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。同一图案柱内不同小写字母表示不同栽培模式间在0.05水平差异显著

Figure 4. Proportion of nitrogen accumulation before and after silking in total nitrogen accumulation under different cultivation modes

2.2.3 花前氮素的转运量对籽粒氮的贡献率

如表2所示，除花前营养器官氮素转运贡献率年份间差异显著(P<0.05)外，其他指标年份间均无显著差异，不同栽培模式间各指标均达显著差异，而年份和不同栽培模式交互作用对籽粒氮积累量及氮素转运贡献率的影响差异显著，对其他指标均无显著影响。其中，籽粒氮积累量SH比HH、FP、CK平均分别提高了12.48%、39.33%、129.26%，营养器官氮素转运量SH比HH、FP、CK平均分别提高4.44%、6.92%、29.99%，而营养器官氮素转运率表现出与氮素转运量相反的趋势，SH比HH、FP、CK平均降低6.70%、9.17%、27.35%；氮素转运贡献率与氮素转运率变化趋势一致，其中SH比HH、FP、CK平均分别降低了3.14、13.01、24.88个百分点。可见，籽粒氮素积累量主要来自开花前营养器官氮素的转运，但与FP相比，HH和SH花后氮素吸收对籽粒氮积累的贡献更具优势。

表 2 不同栽培模式玉米花前营养器官氮素转运及对籽粒氮积累的贡献率

Table 2. Nitrogen remobilization in pre-silking vegetative organs and its contribution to grain nitrogen accumulation in maize under different cultivation modes

Year
年份处理
Treatment籽粒氮积累量 (kg/hm2)
Grain N accumulation氮素转运量 (kg/hm2)
N remobilization氮素转运率 (%)
N remobilization
efficiency氮素转运量对籽粒氮贡献率 (%)
Contribution rate of N remobilization
to grain N accumulation 2017CK80.27 d66.01 c57.29 a82.23 aFP144.26 c79.40 b54.48 a55.04 bHH180.64 b83.84 ab50.93 b46.41 cSH203.72 a89.04 a48.19 b43.71 c2018CK77.89 d70.09 b66.52 a89.99 aFP128.13 c89.43 a63.38 ab69.80 bHH160.27 b94.13 a60.09 b58.73 cSH180.85 a95.55 a56.28 c52.83 d2019CK84.91 d75.30 b64.23 a79.34 aFP144.01 c88.19 a51.19 b61.24 bHH174.92 b85.16 a49.87 b51.33 cSH195.62 a90.22 a46.52 b50.51 c方差分析 ANOVA年份 Year (Y)nsnsns*处理 Treatment (T)******Y×T*nsns* 注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。同列数据后不同小写字母表示同一年不同栽培模式间在0.05水平差异显著。方差分析中，*和**分别表示变量的影响效果达到0.05和0.01显著水平，ns表示不显著。
Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. Different small letters after data in a column indicate significant difference among different cultivation modes in the same year at 0.05 level. In ANOVA, * and ** indicate the significant effect of variable at 0.05 and 0.01 levels, and ns means no significant effect. 2.3 不同栽培模式的氮素利用率

表3显示，栽培模式对不同氮素利用率指标均有显著或极显著影响，且年份和栽培模式对氮素回收效率和氮素生理效率具有显著的交互作用(P<0.05)。氮素偏生产力不同年份间均表现为HH>FP>SH，与FP和SH相比，HH增幅分别为33.39%和3.64% (2017年)，39.09%和47.13% (2018年)，41.61%和45.28% (2019年)；氮素农学效率、氮素回收率不同年份间均表现为HH>SH>FP，其中氮素农学效率HH比SH、FP平均分别提高21.21%、35.72%，而氮素回收率HH比SH、FP平均分别提高9.69%、63.56%；氮素生理效率2017和2019年表现为HH最高，FP最低，其中HH比FP、SH平均分别提高15.40%、4.23%，而2018年表现为HH最高，SH最低，HH比FP和SH分别提高5.11%和8.15%；氮素收获指数除CK均显著低于其他模式外，不同年份其他处理均无显著差异。

表 3 不同栽培模式玉米氮素利用率

Table 3. Maize nitrogen use efficiency under different cultivation modes

年份
Year处理
Treatment氮素偏生产力 (kg/kg)
PFPN氮素农学效率 (kg/kg)
AEN氮素回收率 (%)
REN氮素生理效率 (kg/kg)
PEN氮素收获指数
NHI 2017CK61.99 bFP42.61 b9.02 b22.25 c46.62 b68.50 aHH56.84 a12.59 a35.24 a52.10 a69.10 aSH39.57 b9.26 b32.35 b50.14 a68.03 a2018CK68.83 bFP38.27 b8.18 c21.16 c45.22 ab71.26 aHH53.23 a11.06 a36.36 a47.53 a71.94 aSH36.18 b9.94 b33.33 b43.95 b70.90 a2019CK62.27 bFP40.33 b9.70 c25.15 c41.44 b66.79 aHH57.11 a12.84 a40.36 a49.52 a67.14 aSH39.03 b11.03 b36.34 b47.36 a67.35 a方差分析 ANOVA年份 Year (Y)nsns**ns处理 Treatment (T)******Y×Tnsns**ns 注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。同列数据后不同小写字母表示同一年份不同栽培模式间在0.05水平差异显著。方差分析中，*和**分别表示变量的影响效果达到0.05和0.01显著水平，ns表示不显著。
Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. PFPN—Partial factor productivity of N; AEN—Agronomic efficiency of N; REN—Recovery efficiency of N; PEN—Physiological Efficiency of N; NHI—N harvest index. Different small letters after data in a column indicate significant difference among different cultivation modes in the same year at 0.05 level. In ANOVA, * and ** indicate the significant effect of variable at 0.05 and 0.01 levels, and ns means no significant effect. 2.4 不同栽培模式土壤无机氮 (铵态氮和硝态氮)含量

由图5可知，0—20 cm土层，不同栽培模式土壤无机氮含量均随着生育时期的推进而逐渐降低，不同年份变化趋势基本一致；20—40 cm土层，不同栽培模式间土壤无机氮含量变化趋势年份间有所不同，FP模式，2017年无机氮含量随着生育期的推进而降低，而2018和2019年无机氮含量表现为灌浆期达到最低后成熟期又有所升高的变化趋势；HH、SH模式，无机氮含量2017年均表现为拔节期>开花期>灌浆期>大喇叭口期>成熟期，而2018和2019年表现为拔节期>开花期>大喇叭口期>成熟期>灌浆期。0—20 cm土层，拔节期到开花期土壤无机氮含量不同年份均表现为FP最高，与HH、SH相比，平均分别提高了36.93%、27.21% (拔节期)，29.19%、28.67% (大喇叭口期)，12.20%、4.43% (开花期)，而灌浆期到成熟期则表现为SH最高，与FP、HH相比，SH平均分别提高了14.12%、2.35% (灌浆期)，9.69%、5.36% (成熟期)；20—40 cm土层，拔节期和大喇叭口期土壤无机氮含量同样表现为FP最高，与HH、SH相比，FP平均分别提高了13.28%、7.34% (拔节期)，26.69%、8.96% (大喇叭口期)，而开花期到成熟期土壤无机氮含量表现为SH最高，与FP、HH相比，SH平均分别提高了10.85%、1.21% (开花期)，14.83%、6.93% (灌浆期)，19.01%、6.66% (成熟期)。可见，与FP相比，HH、SH模式生育后期0—20、20—40 cm土层土壤无机氮含量显著提高。

图 5 不同栽培模式玉米生长季0—20、20—40 cm土层无机氮动态变化

注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。V6、V12、R1、R3、R6分别表示拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期、成熟期。柱上不同小写字母表示同一生育期不同栽培模式间在0.05水平上差异显著

Figure 5. Dynamics of soil inorganic nitrogen contents in 0−20 cm and 20−40 cm depth during maize growing seasons under different cultivation modes

Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. V6, V12, R1, R3 and R6 represent the growing stages of 6-leaf, 12-leaf, silking, milk ripening and maturity. Different lowercase letters above the bars indicated significant difference among different cultivation modes at 0.05 level in the same growth period

2.5 不同栽培模式的氮素平衡

不同栽培模式玉米收获期0—100 cm土壤氮素平衡研究结果表明，作物氮素携出量、无机氮残留量、氮素表观损失量和氮素盈余量均受试验年份及不同栽培模式显著影响，且二者交互作用达显著或极显著水平(表4)。在氮素输入项中，氮素总输入量不同栽培模式均以施氮量为主，且随施氮量的增加占比提高，FP、HH、SH的施氮量分别占氮素总输入量的58.64%、54.88%、66.38% (2017)，50.20%、51.04%、58.90% (2018)，48.78%、50.44%、57.32% (2019)，但随着试验年份的延长起始无机氮积累量在氮素总输入量中的比例不断提高，而氮素矿化量所占比例略有降低；在氮素输出项中，主要以作物携出氮素量为主，但氮素携出量在氮素总输出量的比例并没有随施氮量的增加而提高，不同年份所占比例均表现为HH>SH>FP，随着试验年份的增加无机氮残留量在氮素输出量中所占比例呈增加趋势。从氮素表观损失分析，FP、HH、SH 3种模式不同年份间有所不同，2017和2019年表现为SH最高，2018年为FP最高，SH与FP间无显著差异，而HH不同年份间均显著低于FP和SH；从氮素盈余来看，FP、HH、SH 3种模式的氮素盈余量分别为施氮量的92.52%、66.04%、67.44% (2017年)，136.29%、92.88%、98.61% (2018年)，124.14%、85.04%、93.78% (2019年)。FP土壤氮素盈余量比HH、SH分别平均高23.36%、5.25%。可见，不同年份间氮素盈余量占施氮量的比例均以FP模式最多，表明FP模式的氮肥投入量超出了作物的最大需氮量。

表 4 不同栽培模式下0—100 cm土层的氮素平衡

Table 4. Nitrogen balance in 0−100 cm soil depth under different cultivation modes

年份
Year处理
Treatment氮输入 N input (kg/hm2)氮输出 N output (kg/hm2)氮素盈余
N surplus
(kg/hm2)施氮量
N rate起始无机氮
Initial inorganic N氮矿化量
N mineralization总输入量
Total input作物携出
Crop uptake无机氮残留
Residual inorganic N氮表观损失
Apparent N loss 2017CK0 d119.5 a73.9 a193.4 d129.5 d101.4 c–37.5 d63.9 cFP270 b119.5 a70.9 a460.4 b210.6 c199.5 a50.3 b249.8 aHH225 c119.5 a65.5 b410.0 c261.4 b146.2 b2.4 c148.6 bSH360 a119.5 a62.8 c542.3 a299.5 a203.7 a69.1 a242.8 a2018CK0 d75.5 c70.6 a146.1 d113.2 d85.5 c–52.6 c32.9 cFP270 b210.4 a67.4 b537.8 b179.8 c212.1 a155.9 a368.0 aHH225 c150.3 b65.5 b440.8 c222.8 b153.5 b64.5 b218.0 bSH360 a180.6 a70.1 a610.7 a255.1 a202.3 a153.3 a355.6 a2019CK0 d90.3 c65.9 a156.2 d142.4 d74.8 d–55.3 d19.5 cFP270 b220.4 a63.1 a553.5 b218.3 c246.9 a88.3 b335.2 aHH225 c160.2 b60.9 b446.1 c254.8 b157.4 c33.9 c191.3 bSH360 a210.4 a57.7 b628.1 a290.5 a210.6 b127 a337.6 a方差分析 ANOVA年份 Year (Y)*nsns*****处理 Treatment (T)**ns********Y×T*ns****** 注：CK、FP、HH、SH分别表示基础地力模式、当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。同列数据后不同小写字母表示同一年栽培模式间在0.05水平差异显著；*和**分别表示变量的影响效果达到0.05和0.01显著水平，ns表示不显著。
Note: CK, FP, HH and SH represent basic soil fertility mode, local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. Different small letters after data in a column indicate significant difference among cultivation modes in the same year at 0.05 level. * and ** indicate the significant effect of variables at 0.05 and 0.01 levels, ns means no significant effect. 2.6 不同栽培模式成本收益分析

如表5所示，由于产量的差异，玉米平均总产出同样表现为SH>HH>FP，但SH由于肥料(化肥+有机肥)投入过多及土壤作业成本等的提高，导致其净收益最低，而HH虽然同样增加了土壤作业及肥料追施的成本，但HH田间肥料投入量大大减少，且始终保持较高的产量，从而使得其净收益最高，净收益HH比FP、SH分别提高了14.38%、18.30%。

表 5 不同栽培模式玉米经济效益(元/hm2)

Table 5. Economic benefits of maize under different cultivating modes (yuan/hm2)

处理
Treatment项目
Item单项成本
Single cost总成本
Total cost总产出
Total output净收益
Net income FP土壤耕作 Tillage6005350.015499.510149.5播种 Sowing300收获 Harvest800肥料 Fertilizer2550种子 Seed750农药及除草剂 Pesticides and herbicides350HH土壤耕作 Soil tillage13006355.017964.011609.0播种 Sowing300追肥 Topdressing450收获 Harvest800肥料 Fertilizer2215种子 Seed940农药及除草剂 Pesticides and herbicides350SH土壤耕作 Soil tillage13009725.019538.39813.3播种 Sowing300追肥 Topdressing300收获 Harvest800肥料 Fertilizer3300种子 Seed1125农药及除草剂 Pesticides and herbicides350有机肥 (猪粪) Organic fertilizer (pig manure)2250 注：FP、HH、SH分别表示当地农户模式、高产高效模式、超高产模式。2017—2019年玉米价格平均按1.5元/kg计算。
Note: FP, HH and SH represent local farmers’mode, high-yield and high-efficiency mode, super-high-yield mode, respectively. Maize price was calculated at 1.5 yuan/kg on average in 2017–2019.

3. 讨论

综合农艺措施是指一个综合系统管理框架，主要包括种植密度、水肥管理、土壤耕作、播种和收获日期等农业管理措施，通过这些措施因子的交互耦合作用，使作物产量、品质和养分利用率都得到了大幅度提高[20-21]。本研究在传统农户栽培模式(FP)基础上，通过提高种植密度，优化养分管理，同时结合深松、深翻等土壤耕作措施，集成了高产高效(HH)和超高产(SH) 2种综合栽培模式。研究表明，与FP相比，HH、SH产量平均分别提高了10.54%和20.16%，与HH相比，SH产量平均提高了8.76% (图2)。

玉米植株氮素积累量随产量增加而提高，同时生育后期氮素吸收比例随产量增加也显著提高，建议在中后期增加氮肥以满足高产的需求[6]。高产模式不仅在全生育期对氮的需求量较高，而且在生殖生长期的需氮量更高[22]。本研究发现，所有处理氮素积累量最大增长时期均发生在拔节期到大喇叭口期，在大喇叭口期不同栽培模式氮积累量与CK表现出明显差距，且生殖生长阶段(R1至R6)的氮素积累量占氮素总积累量的比例表现为SH>HH>FP>CK，即花后氮素积累对总氮积累的贡献随产量提高而提高(图3)，表明植株花后氮素吸收受栽培措施的影响，高产栽培条件下植株的吸氮特性对维持生育期营养器官中氮素的分配比例、延缓营养器官早衰，促进产量形成具有重要作用[23]。前人研究表明，氮素会从所有的营养器官中转移，并在灌浆期开始运往籽粒[24]。Chen等[25]认为营养器官中氮的转运作为一个整体不受氮素施用量的影响，然而也有研究表明，低氮胁迫提高了各营养器官同化物质的再转运，增加了氮素的转运效率[26]。本研究显示，氮素转运率随产量增加而降低，即CK>FP>HH>SH (表2)，这可能与不同栽培模式的氮素运筹有关。本研究条件下，FP模式采用氮肥播前一次性施入的方式，这可能导致玉米生育后期氮素缺乏，而为了满足氮素对籽粒的供应，大量氮素从叶片、茎秆等营养体转移到籽粒中，导致与高产水平相比，低产水平有更高的氮素转运率。氮素缺乏是引发衰老的外部因素之一，如果生殖生长过程中不能保持对氮的吸收，而营养体中氮素又转运过多，就会导致叶片早衰和光合活性降低[27]。叶片光合活性下降导致运输到根系中同化物减少，负反馈导致根系活力下降，不利于根系对氮素的吸收[28]。本研究中，籽粒中积累的氮素来自花后根系吸收氮的比例随产量增加而提高，SH、HH、FP、CK花后氮吸收对籽粒氮积累的贡献率分别为48.43%、44.78%、40.40%和35.39% (表2)。可见，随产量水平提高，有更高比例的籽粒氮素来自于开花后根系吸收，而非营养器官的氮素转运。因此，通过优化养分管理和土壤耕作等农艺措施可减少氮素转运，延缓叶片衰老、维持光合性能，为籽粒生长和根系提供充足的光合产物，对获得高产具有重要作用[29]。

鉴于氮肥增产的有效性，近年来东北地区农民习惯在播种前施用大量氮肥以追求作物高产，以至于形成了一种肥料施用越多产量就越高的错误理念[30]。但前人研究发现，作物获得最高产量和最佳经济效益施肥量处理，其肥料利用效率通常不是最高的，增施氮肥在提高产量的同时降低了氮素效率 [31]。密植、优化施肥技术等措施在玉米增产或增效中发挥了重要作用。增密通常需与增氮相结合，而氮素施用量过高或不合理导致产量增加不明显甚至减产，氮素利用率显著降低[32]。此外，密植条件下根系生长可能会受到抑制，玉米倒伏率提高[33-34]，而深翻、深松及有机肥培肥等改土措施有效加深了耕层厚度，形成良好耕层结构，利于根系下扎，促进了根系对养分的吸收，增强玉米抗倒伏能力[11]。诸多研究证实，施入土壤中的氮肥经常因种植方式、氮肥运筹及土壤耕作等技术措施的不同，致使肥料氮在作物氮素吸收、土壤氮残留和氮素损失3个去向上的分配比例存在着明显差异[35]。一般认为，氮肥分次施用利用率要显著高于氮肥一次性施入。此外，采用缓控释肥、需肥敏感期施肥可显著提高氮素利用效率[36-37]。本研究发现，与氮肥播前“一炮轰”的农户习惯栽培模式相比，HH 模式在FP基础上适当增加种植密度、优化施肥时期和降低施肥量，同时结合深翻等耕作措施使得玉米产量、氮素积累量和氮素利用率等指标均显著提高(图2、表3)，而土壤氮素残留量和氮素损失量显著降低(表4)。与HH相比，SH在HH模式基础上继续提高种植密度、加大肥料投入量，有效提高了玉米花后氮素积累量和籽粒产量，但SH模式氮肥利用效率显著降低，而土壤氮素残留量与表观损失量却显著增加，且由于肥料等成本投入高，导致经济效益显著降低(表3、表4、表5)。通过产量、肥料施用量和氮素生产效率三者之间的关系发现，高产和氮高效的矛盾关系导致二者很难同时实现，高产通常意味着效率不高，高效又意味着产量不高，只有相对高产和氮高效是可行的。所以，一定范围内随施氮量增加，植株氮素积累量逐渐增加，但氮素过量时，植株氮素积累量相对于产量会出现奢侈吸收现象[38]，氮素吸收过多对产量的提高来说是无效的，如何将无效氮素转化为有效氮，是未来研究工作的重点。同时，要减少氮损失，实现产量和氮效率进一步提高，需继续优化种植密度与氮肥运筹等栽培措施，而高产高效的生理生化机制也需进一步探究。

4. 结论

高产高效模式显著提高了氮素利用率，降低了土壤氮残留率和氮损失量，而超高产模式虽然产量进一步显著增加，但降低了氮效率、提高了土壤氮素残留与表观损失量。综合考虑产量、氮素利用率、经济效益及潜在环境风险，将玉米种植密度由6.0万株/hm2提至7.5万株/hm2，氮肥播前一次性基施改为减量分次施用，配套秋季深翻、夏季深松的高产高效模式，可以实现春玉米产量和氮效率的同步提高。