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氮肥用量及有机无机肥配比对陇中旱农区玉米光合特性及产量的影响

花匠小妙招
2024-11-10 10:25

玉米是我国种植范围最广、用途最多、总产量最高的作物，发展玉米生产对保障我国粮食安全和满足市场需要发挥着至关重要的作用[1]。近年来，由于全膜双垄沟播技术的应用，打破了玉米种植的自然水热限制，使玉米成了陇中旱农区新的主栽作物之一，玉米产量可达10 t/hm2左右[2]。但陇中旱农区土壤瘠薄，因此亟需及时足量补充土壤养分以确保玉米持续高产。

玉米是喜氮作物，氮肥对玉米的增产效果明显，然而化肥氮长期过量施用易导致土壤板结，土壤养分失衡，作物品质降低，氮肥利用效率逐年下降[3-4]。有机肥能够改善土壤结构和理化性质[5]，提高土壤肥力[6]，但有机肥相对于化肥存在肥效缓慢、养分含量低等问题[7-9]。因此，如果能以适宜的比例和用量将有机肥与无机肥配施，就可能既满足玉米养分需求，维持陇中旱农区玉米持续高产，又避免大量施用无机氮肥造成的一系列问题。谢军红等[10]研究表明，在施氮200 kg/hm2水平下，与单施化肥相比，全膜双垄沟播玉米50%有机氮替代无机氮更能抗旱稳产。关于施用化肥对玉米光合特性影响的研究很多，吴亚男等[11]研究认为，适当的施氮量可使玉米群体维持较高叶面积指数的时间延长、漏光损失减少、净光合速率提高、延缓中后期叶片衰老进程；刘剑钊等[12]研究认为，合理的氮肥施用比例可改善灌浆中前期干物质积累速率及积累量，保持较高的叶片生理活性，提高光合效能，可获得较高的产量和生物量。光合作用是作物产量形成的生理基础[13]，作物通过光合作用形成的有机物占植株总干物质量的95%左右，矿质元素仅占5%左右，而玉米是C4作物，具有光合效率高的特点，所以其光合性能研究一直倍受关注[14]，研究施肥对作物光合作用的影响，对揭示施肥影响作物产量的生理机制具有重要意义[15]。

在“双减”的政策背景下研究有机无机肥配施比例对玉米产量的影响，并从光合特性角度探讨其影响机制，对于化肥减施意义深远。为此，本试验研究了不同的氮素投入量及有机无机肥配施的比例对玉米产量及光合特性的影响，这将有利于确定陇中旱农区玉米持续高产的有机无机肥配施方案，并从光合作用角度解析其影响玉米产量的主要机制，以期为“双减”背景下陇中旱农区玉米可持续高产提供理论依据和技术指导。

1. 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2016—2018年在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行。试验区属中温带典型的半干旱雨养农业区，平均海拔2000 m，年均太阳辐射529.9 kcal/cm2，日照时数2476.6 h，年均气温6.4℃，≥ 0℃积温2933.5℃，≥ 10℃积温2239.1℃，无霜期140天，年均降水390.9 mm，年蒸发量1531 mm，干燥度2.53，为典型的雨养农业区。试验地土壤为黄绵土，凋萎含水率7.33%、饱和含水率28.6%、pH 8.36、土壤有机质12.01 g/kg、全氮0.76 g/kg、全磷1.77 g/kg。试验期间，2016年降水量300.2 mm，属于干旱年，自花期开始遭遇了严重的干旱胁迫；2017年降水量为357.5 mm，但7月14日遭受了严重的冰雹灾害；2018年降水量为472.1 mm，属于丰水年。2016—2018年，玉米生长季的降水量分别为233.1、309.1和377.6 mm (图1)。

图 1 2016—2018年试验区月平均降水量

Figure 1. Average monthly precipitation in 2016–2018

1.2 试验材料和试验设计

玉米品种为先玉335。供试有机肥为本项目组与甘肃大行农业科技有限公司研制的以牛粪为主要原料的玉米专用商品有机肥，其中氮、磷、钾含量分别为3.3%、1.0%、0.7%，有机质含量 > 64%；氮肥为尿素 (总氮46%)；磷肥为过磷酸钙 (P2O5 > 20%)。

试验采用单因素设计，包括不同的氮素投入量、有机无机肥配比，共9个处理，各处理施肥方案如表1。除了不施氮的对照，各处理追肥均为尿素 (纯N 100 kg/hm2)。每处理3次重复，共27小区，小区面积37.4 m2 (8.5 m × 4.4 m)，种植密度5.25万株/hm2。所有的商品有机肥、磷肥全部作基肥深施；追肥在拔节期和大喇叭口期沿行向穴施于两株玉米中间。

表 1 试验各处理有机无机氮投入量及有机氮的比例

Table 1. Details of chemical and organic N input and the ratio of organic N in each treatment

处理
Treatment基肥Basal fertilizer (kg/hm2)追施尿素
Top dressing urea
(N kg/hm2)总氮投入量
Total N input
(N kg/hm2)有机氮占比
Organic N ratio
(%)尿素氮
Urea N有机肥氮
Manure NP2O5 T1 0 0150 0 00 T2 0100 15010020050.0T3257515010020037.5T4505015010020025.0T5752515010020012.5T6100 01501002000 T7755015010022522.2T850100 15010025040.0T925150 15010027554.5 1.3 测定项目及方法 1.3.1 叶绿素含量的测定

于2018年分别在拔节期、开花期、灌浆期用SPAD-502测定叶绿素含量，测定部位是每株玉米最大展开叶的中部，每个小区测定9株，求平均值。

1.3.2 叶面积指数的测算

于2018年分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期各小区随机取样3株，用直尺测量每株各叶片长度 (Lij) 和最大叶宽 (Bij)，计算叶面积指数 (LAI)。

LAI=0.75ρ种∑j=1m∑i=1n(Lij×Bij)m" role="presentation">LAI=0.75ρ种∑j=1m∑i=1n(Lij×Bij)m

式中：n为j株的总叶片数；m为测定株数；ρ种为种植密度。

1.3.3 叶片光合参数

于2018年玉米开花期，选择晴朗天气，在9:00—19:00采用GFS-3000便携式光合作用–荧光测量系统测定玉米单叶叶片光合速率 (Pn)、蒸腾速率 (Tr)、气孔导度 (Gs) 和胞间CO2浓度 (Ci)，测定部位为穗位叶。各小区重复3次。

1.3.4 干物质积累和产量测定

于2018年分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期各小区随机取样3株，105℃烘箱杀青0.5 h，然后80℃烘干至恒重，计为各时期干物质量。成熟期还分别测定叶、茎、穗、穗轴和籽粒的干物质积累量，并依此计算其分配率。按小区实收，测定籽粒产量和生物产量。

1.3.5 产量测定

于2016、2017和2018年玉米收获后，按小区测定籽粒产量和生物产量，最后换算为单位面积产量 (kg/hm2)。

1.3.6 氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力

氮肥农学利用效率 (kg/kg) = (施氮区籽粒产量 − 不施氮区籽粒产量) /施氮量；

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区籽粒产量/施氮量

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010 进行数据处理，用SPSS 21.0进行相关分析，采用Duncan’ s新复极差法进行差异显著性检验。

2. 结果与分析

2.1 氮肥用量及有机无机肥配比对玉米各生育时期叶绿素含量的影响

从图2可以看出，拔节期各施氮肥处理玉米叶绿素含量差异最大，灌浆期各施氮肥处理间无显著差异。在拔节期和开花期，随着有机氮比例的下降，SPAD值基本呈增加趋势，其中以有机氮比例为0%的T6处理最高；灌浆期以施用有机氮12.5%的T5处理最高，但与25.0%有机氮替代比例 (T4)、单施化肥 (T6) 处理差异不显著，显著高于不施氮肥 (T1) 处理。提高总氮量及54.5%有机氮替代比例的处理 (T9) 拔节期SPAD值显著低于单施化肥 (T6)，与T3 (37.5%)、T4 (25.0%) 间差异不显著；在开花期，22.2%有机氮替代比例 (T7)、40.0%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 与12.5%有机氮替代比例 (T5)和单施化肥 (T6) )处理间差异不显著；灌浆期22.2%有机氮替代比例 (T7)、40.0%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 与除不施肥 (T1) 外的其他处理无显著差异。因此，增加有机肥替代比例，即使总氮量超过当地推荐的氮合理用量 (200 kg/hm2)，叶绿素含量也不会同步增加，且替代比例越高，叶绿素含量降低越多。

图 2 不同施肥处理下玉米各生育期叶片SPAD值

[注（Note）：T1处理为不施氮肥；T2～T6处理的施氮量均为200 kg/hm2，其中有机肥氮的替代比例依次为50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0%；T7～T9处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为N 225 kg/hm2和22.2%，N 250 kg/hm2和40.0%，N 275 kg/hm2和54.5%。柱上不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is no N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratios of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0%, respectively; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratios are 22.2%, 40.0% and 54.5%, respectively. Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at the same growth stage (P < 0.05).]

Figure 2. Chlorophyll contents of maize at different growth stages under different treatments

2.2 氮肥用量及有机无机肥配比对玉米生育时期叶面积指数的影响

由图3可知，玉米叶面积指数处理之间的差异性与SPAD值一样，在拔节期最大，开花期减小，灌浆期T3～T6和54.5%有机氮替代比例 (T9) 间没有显著差异。拔节期以有机氮比例为0%的T6处理叶面积指数最大，显著高于除T5外的所有处理；在开花期，T6处理最大，但与T3 、T5处理差异不显著。提高氮肥总量的T7、T8、T9处理在拔节期叶面积指数显著低于T2、T3、T4、T5和T6处理，在开花期和灌浆期，T9与 T3～T6 处理间差异不显著，而T7和T8 始终低于T5 和T6处理。这表明施氮肥量和有机氮比例均影响叶面积指数，超过合理施氮量显著降低全生育期的叶面积指数。合理施氮水平下，有机氮比例超过25.0%会显著降低拔节期和开花期的叶面积指数。

图 3 不同施肥处理下玉米叶面积指数的变化

[注（Note）：T1处理为不施氮肥；T2～T6处理的施氮量均为200 kg/hm2，其中有机肥氮的替代比例依次为50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0%；T7～T9处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为N 225 kg/hm2和22.2%，N 250 kg/hm2和40.0%，N 275 kg/hm2和54.5%。柱上不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is no N control；in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratios of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0%, respectively; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%, respectively. Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at the same growing stage (P < 0.05).]

Figure 3. Changes of leaf area index of maize under different fertilization treatments

2.3 氮肥用量及有机无机肥配比对玉米光合特性的影响

在观测时间段 (9:00—19:00) 内，9个处理的蒸腾速率 (Tr)、净光合速率 (Pn)、气孔导度 (Gs)、胞间CO2浓度 (Ci) 均呈现出双峰日变化特征。各处理Pn、Tr、Gs最大日均值均出现在11:00—13:00，13:00—15:00出现明显的光合午休 (图4)。各施氮肥处理相对于不施氮肥 (T1) 处理，各个时间点Pn、Tr、Gs增大，Ci减小，玉米叶片光合作用增强。在各观测时间段内，随着有机氮比例下降，蒸腾速率、净光合速率、气孔导度基本呈增加趋势，以单施化肥的T6处理最高，T2处理最低，胞间CO2浓度变化趋势相反；T5和T6处理净光合速率差异不显著，但显著高于不施氮 (T1) 处理。提高T8和T9处理的蒸腾速率、净光合速率、气孔导度低于T6处理，与T5处理接近；T8和T9处理的胞间CO2浓度高于T6处理，但T8 和T9处理与T2 处理没有显著差异。

图 4 不同施肥处理下玉米花期光合特性的变化

[注（Note）：T1处理为不施氮肥；T2～T6处理的施氮量均为200 kg/hm2，其中有机肥氮的替代比例依次为50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0%；T7～T9处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为N 225 kg/hm2和22.2%，N 250 kg/hm2和40.0%，N 275 kg/hm2和54.5%。T1 treatment is no N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratios of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0%, respectively; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%, respectively.]

Figure 4. Changes of photosynthetic characteristics of maize at flowering stage under different fertilization treatments

从表2可以看出，叶片Pn、Tr、Gs的日平均值均以不施氮肥 (T1) 处理最低，单施化肥 N 200 kg/hm2 处理 (T6) 最高。合理施氮量下，T2)、37.5% (T3、T4、T5的玉米叶片净光合速率 (Pn) 分别比T6处理降低了37.5%、33.4%、28.2%、10.8%。增施氮肥后，T7、T8、T9 处理在开花期的净光合速率显著低于T6处理，T8和T9处理与T5处理差异不显著，但T7、T8、T9处理高于T2、T3、T4与T1处理。因此，施氮肥增强玉米叶片光合作用，但在总施氮量不变的情况下提高有机肥的比例削弱光合作用。

表 2 不同施肥处理下玉米花期光合指标的日均值

Table 2. Daily average values of photosynthesis indices of maize at flowering stage under different fertilization treatments

处理TreatmentPn [μmol/(m2·s)]Tr [mmol/(m2·s)]Gs [mmol/(m2·s)]Ci (mg/kg) T115.8 ± 1.2 f2.9 ± 0.6 c98.8 ± 7.2 h345.0 ± 9.9 aT218.0 ± 1.2 ef3.5 ± 0.8 bc123.1 ± 14.1 gh320.9 ± 48.4 abT319.2 ± 0.7 def3.8 ± 0.8 bc141.6 ± 6.1 fg277.2 ± 9.8 bcdT420.7 ± 1.3 cde4.5 ± 0.5 abc170.0 ± 12.1 de244.5 ± 11.7 cdeT525.7 ± 1.1 ab5.3 ± 0.5 ab202.0 ± 7.8 bc228.0 ± 20.7 defT628.9 ± 0.8 a6.2 ± 0.1 a260.3 ± 5.6 a180.1 ± 12.7 fT726.8 ± 1.3 ab5.7 ± 1.1 ab224.1 ± 7.7 b204.8 ± 14.3 efT824.1 ± 0.5 bc4.1 ± 0.2 abc155.5 ± 6.0 ef263.5 ± 4.1 bcdeT923.0 ± 2.4 bcd4.7 ± 0.8 abc183.7 ± 6.4 cd304.4 ± 9.1 abc 注（Note）：T1 处理为不施氮肥; T2～T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中有机肥氮的替代比例依次为 50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0; T7～T9 处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 250 kg/hm2 和 40.0%, N 275 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is no N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0; In treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%. Values followed by different small letters mean significant difference among treatments (P < 0.05). 2.4 氮肥用量及有机无机肥配比对玉米干物质积累和分配的影响

各处理整个生育时期的干物质量及成熟期干物质分配情况如表3所示，玉米干物质累积量前期增长迅速，后期增长速度减缓。各生育时期的平均干物质积累量分别为39.5、123.0、310.3、435.0 g/株，开花期、灌浆期和成熟期比拔节期分别增长211.3%、152.2%、40.2%。灌浆期之前都是单施化肥 N 200 kg/hm2的处理干物质量最高，灌浆后有机无机肥配施的处理干物质量增长迅速，成熟期施氮肥处理间差距缩小，但12.5%有机氮替代比例的处理 (T5) 干物质量最高。

表 3 不同施肥处理玉米各生育时期干物质累积及成熟期干物质分配

Table 3. Dry matter accumulation and distribution at maturity of maize under different fertilization treatments

处理
Treatment干物质积累量Dry matter accumulation (g/plant) 成熟期干物质分配Dry matter distribution at maturity (%) 拔节期
Jointing开花期
Flowering灌浆期
Filling成熟期
Maturity 叶
Leaf茎
Stem雄穗
Spike穗轴
Cob籽粒
Grain T122.3 ± 2.0 b74.7 ± 9.0 d177.8 ± 46.7 b283.3 ± 11.5 c11.4 24.50.49.654.0T2 32.9 ± 4.1 ab 95.4 ± 11.0 cd 229.7 ± 41.0 ab342.5 ± 28.9 c9.925.60.48.056.0T350.1 ± 4.7 a 126.1 ± 12.7 bc 288.3 ± 48.3 ab421.6 ± 19.8 b9.027 0.49.354.3T4 44.1 ± 10.5 a 98.0 ± 11.8 cd 300.0 ± 61.5 ab502.5 ± 20.2 a9.729.20.39.051.7T5 33.5 ± 4.9 ab 137.1 ± 11.3 ab 356.0 ± 75.5 ab508.6 ± 14.2 a9.426.80.38.754.8T649.6 ± 4.3 a163.6 ± 4.1 a 392.7 ± 71.0 a 485.8 ± 11.3 ab10.3 28.30.29.251.9T745.8 ± 2.8 a155.3 ± 5.5 ab374.9 ± 70.2 a485.7 ± 8.3 ab10.3 30.40.37.651.4T8 36.8 ± 3.7 ab 155.4 ± 11.5 ab 324.0 ± 57.5 ab 448.4 ± 19.6 ab8.426.50.37.956.9T940.5 ± 8.0 a 101.4 ± 10.1 cd 348.8 ± 37.7 ab 436.9 ± 49.1 ab9.727.60.38.553.8 注（Note）：T1 处理为不施氮肥; T2～T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中有机肥氮的替代比例依次为 50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0; T7～T9 处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 250 kg/hm2 和 40.0%, N 275 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is no N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%. Values followed by different small letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).

成熟期玉米干物质分配比例以籽粒最高，其次为茎、叶，穗轴、雄穗最低，平均分配率为53.9%、27.3%、9.8%、8.7%、0.3%。总体上籽粒干物质分配率不随着有机肥施用量的增大而增大，其次序从大到小依次为T8 > T2 > T5 > T3 > T1 > T9 > T6 > T4 > T7。40.0%、50.0%有机氮替代水平的籽粒干物质分配率相对较高，其值分别为56.9%、56.0%。在拔节期和灌浆期，T2、T3、T4、T5 的干物质积累量差异不显著，在开花期随着有机氮比例下降，干物质积累量基本呈增加趋势，以T6处理最高，T2处理最低。提高氮肥总量的T7、T8、T9的处理在拔节期干物质积累量高于T5、T2 与T1处理，在开花期T7、T8、T9处理低于T6处理，在灌浆期除不施氮肥 (T1) 外，T2～T9处理间差异不显著，而T7和T8处理低于T6处理，T7、T8、T9 低于T5和T4处理。这表明施氮肥量和有机氮比例均影响干物质积累，施氮肥增加了玉米干物质积累量，超过合理施氮量会降低玉米干物质积累量。合理施氮水平下，有机氮比例超过37.5%会显著降低开花期和成熟期的干物质积累量。

2.5 不同施肥方案对玉米产量的影响及其与光合特性的关系

由表4可知，降水年型和不同施肥方案显著影响玉米的籽粒产量和生物产量。在试验期间总体产量水平和降水情况基本吻合，2018年降水最多、产量也最高，2017年玉米生长关键期遭受严重冰雹灾害、产量也最低。不同年份籽粒产量平均值以不施氮肥处理 (T1) 最低，T2处理最高，T6次之，且不同年份T6与T2处理籽粒产量差异不显著，T2处理3年平均生物产量比T6处理降低了20.2%。不同年份生物产量平均值大小顺序为T6 > T7 > T5 > T9 > T4 > T8 > T3 > T2 > T1。随着有机肥比例的提高，各处理处理的籽粒产量均值表现为T2 > T3 > T4 > T5，生物产量表现为T5 > T4 > T3 > T2。提高氮肥总量的T7、T8、T9处理的籽粒产量均值低于T2、T3、T4、T6处理，但生物产量均值表现为T8低于T4和T5，T9低于T5。因此，与不施氮肥 (T1) 处理相比，施氮肥处理均增加了玉米的籽粒产量和生物产量，但施氮量超过 N 200 kg/hm2后，增加施氮量 (T7、T8、T9) 不能显著增加籽粒产量，但生物产量会增加。在施氮量相同情况下，虽然增加有机肥的比例降低了生物产量，但不显著降低籽粒产量。

表 4 不同施肥处理玉米籽粒产量和生物产量

Table 4. Grain yield and biomass of maize under different fertilization treatments

处理
Treatment籽粒产量Grain yield (kg/hm2) 生物产量Biomass (kg/hm2)201620172018平均Mean 201620172018平均Mean T13810 ± 397 e2477 ± 52 c8319 ± 653 b4869 15629 ± 424 a11456 ± 395 a18753 ± 1030 d15280T26681 ± 151 ab5717 ± 940 a11094 ± 577 a7831 13550 ± 87 bc13529 ± 2376 a22947 ± 607 c16675T368230 ± 293 a4808 ± 791 ab10999 ± 577 a7546 14462 ± 853 b14660 ± 589 a26163 ± 280 b18428T45797 ± 106 bc4933 ± 706 ab11670 ± 577 a7467 12571 ± 292 c14317 ± 1048 a30778 ± 1404 a19222T55349 ± 170.2 cd3512 ± 486 bc12924 ± 1155 a7262 12958 ± 406 c14360 ± 1226 a31026 ± 219 a19448T65840 ± 552.5 bc4240 ± 32 abc13330 ± 347 a7804 16284 ± 192 a14473 ± 293 a31947 ± 984 a20901T74510 ± 159.2 de2969 ± 517 c13313 ± 577 a6931 15802 ± 48 a13171 ± 556 a32997 ± 1439 a20656T84084 ± 211.3 e3658 ± 283 bc12682 ± 1155 a6808 13730 ± 227 bc12224 ± 1184 a30757 ± 946 a18904T95617 ± 355.3 c3937 ± 50 bc12403 ± 271 a7319 14290 ± 139 b12900 ± 828 a30712 ± 189 a19301 注（Note）：T1 处理为不施氮肥; T2～T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中有机肥氮的替代比例依次为 50%、37.5%、25%、12.5%、0; T7～T9 处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 250 kg/hm2 和 40%, N 275 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is No N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N in the basal fertilizer are 50%, 37.5%, 25%, 12.5% and 0; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%. Values followed by different small letters mean significant differences among treatments (P < 0.05).

由表5可知，玉米籽粒产量和生物产量与气孔导度、净光合速率、蒸腾速率、SPAD值、LAI均呈极显著正相关，与胞间CO2浓度极显著负相关。

表 5 玉米叶片光合特性与产量的相关性 (2018年)

Table 5. Correlation between leaf photosynthetic characteristics and yield of maize (2018 year)

项目ItemPnTrCiSPADLAI籽粒产量
Grain yield生物产量
Biomass Gs0.951**0.996**–0.912** 0.908**0.958**0.881**0.850**Pn0.949**–0.892** 0.957**0.931**0.934**0.884**Tr–0.914** 0.912**0.960**0.886**0.858**Ci–0.844** –0.919** –0.832** –0.828** SPAD0.938**0.958**0.909**LAI0.890**0.818**Grain yield0.936** 注（Note）：Pn—光合速率 Photosynthetic rate; Tr—蒸腾速率 Transpiration rate; Gs—气孔导度 Stomatal conductance; Ci—胞间 CO2 浓度 Intercellular CO2 concentration; SPAD—叶绿素含量 Chlorophyll content; LAI—叶面积指数 Leaf area index.**—P<0.01. 2.6 不同施肥处理下玉米的氮素利用效率

由表6可知，不同年份施肥处理的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的表现不同，丰水年份 (2018年) 的氮肥偏生产力和农学利用效率最高，干旱年份 (2016年) 次之。2017年由于遭受了严重的冰雹灾害，植株受损严重，氮肥偏生产力和农学利用效率较低。2016年以T3处理的氮肥偏生产力和农学利用效率最高，2017年以T2处理最高，2018年以T6处理最高。在等氮量 (200 kg/hm2) 条件下，干旱年份 (2016年)的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率以T3处理最高，T5处理最低；丰水年份 (2018年) 以T6处理最高，但与T5差异不显著，但显著高于T2和T3处理。提高总氮量的T7、T8、T9处理在干旱年份的氮肥偏生产力和农学利用效率均低于T5和T6处理；在丰水年份，T7、T8和T9低于T5处理，T8与T2、T3处理间没有显著差异。

表 6 2016—2018年不同施肥处理玉米氮素偏生产力和农学利用效率

Table 6. Nitrogen partial factor productivity and agronomic use efficiency of maize under different fertilization treatments (2016–2018)

处理
Treatment偏生产力Partial factor productivity (kg/kg)农学利用效率Agronomic N use efficiency (kg/kg)201620172018 201620172018 T233.4 ± 0.8 a28.6 ± 4.7 a55.5 ± 2.0 bc14.4 ± 0.8 a16.2 ± 4.7 a13.9 ± 2.0 cT334.1 ± 1.5 a24.0 ± 4.0 ab55.0 ± 1.4 bc15.1 ± 1.5 a11.7 ± 4.0 ab13.4 ± 1.4 cT429.0 ± 0.5 b24.7 ± 3.5 ab58.3 ± 1.3 b9.9 ± 0.5 b12.3 ± 3.5 ab16.8 ± 1.3 bcT526.7 ± 0.9 b17.6 ± 2.4 bc64.6 ± 2.2 a7.7 ± 0.9 b5.2 ± 2.4 bc23.0 ± 2.2 aT629.2 ± 2.8 b21.2 ± 0.2 abc66.7 ± 1.7 a10.1 ± 2.8 b8.8 ± 0.2 abc25.1 ± 1.7 aT720.0 ± 0.7 c13.2 ± 2.3 c59.2 ± 0.9 b3.1 ± 0.7 cd2.2 ± 2.3 c22.2 ± 0.9 abT816.3 ± 0.8 c14.6 ± 1.1 c50.7 ± 2.2 c1.1 ± 0.8 d4.7 ± 1.1 bc17.5 ± 2.2 bcT920.4 ± 1.3 c14.3 ± 0.2 c45.1 ± 0.6 d6.6 ± 1.3 bc5.3 ± 0.2 bc14.8 ± 0.6 c 注（Note）：T1 处理为不施氮肥; T2～T6 处理的施氮量均为 200 kg/hm2, 其中有机肥氮的替代比例依次为 50.0%、37.5%、25.0%、12.5%、0; T7～T9 处理施氮量和有机肥氮替代比例分别为 N 225 kg/hm2 和 22.2%, N 250 kg/hm2 和 40.0%, N 275 kg/hm2 和 54.5%。同列数据后不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著 (P < 0.05)。T1 treatment is no N control; in treatments of T2, T3, T4, T5 and T6, the total N inputs are 200 kg/hm2, and the ratio of manure N are 50.0%, 37.5%, 25.0%, 12.5% and 0; in treatments of T7, T8 and T9, the total N input are 225, 250 and 275 kg/hm2, and the manure N ratio are 22.2%, 40.0% and 54.5%. Values followed by different small letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).

3. 讨论

3.1 有机无机肥配施对玉米产量和氮肥利用的影响

氮肥管理对黄土高原半干旱区玉米产量形成和养分利用效率有重要影响[16]。郎晓峰等[17]研究表明，适宜的有机肥配施化肥可增加植株氮素积累量，增加干物质，因而显著提高玉米产量。本研究发现，在施氮水平为200 kg/hm2下[10]，提高基施氮肥中有机肥氮的比例，较不施氮肥处理具有增产作用，氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率呈上升趋势，较单施化肥具有稳产作用，与单施化肥 (T6) 相比，也不会显著降低玉米籽粒产量 (表4)。这主要是通过前期控氮，将部分氮后移可以提高干物质转化效率[18]，从而提高籽粒产量。随着总氮肥投入量继续增大，玉米生物产量和籽粒产量都不会同步增加，22.2%有机氮替代比例 (T7)、40.0%有机氮替代比例 (T8)、54.5%有机氮替代比例 (T9) 处理与单施化肥 (T6)处理间均无明显差异，这主要是因为随着总氮肥投入量继续增大，会导致土壤肥力下降，作物产量降低，影响氮肥资源利用效率[19]，过高的总氮肥投入量会降低氮素利用率，从而导致玉米产量不会明显的提升。与25.0%有机氮替代比例 (T4) 处理相比，40.0%有机氮替代比例 (T8) 处理的籽粒产量和生物产量分别降低了9.1%、1.6%，12.5%有机氮替代比例 (T5)、22.2%有机氮替代比例 (T7) 处理间无显著性差异。这说明在基施尿素氮不变的条件下，增加有机氮比例不会提高玉米产量。吕凤莲等[20]研究认为，有机肥、无机肥混合施用可以显著提高玉米产量。谢军等[21]研究认为，施氮显著增加了玉米籽粒产量和生物产量，在农民习惯施氮基础上合理减少施氮量对玉米氮素需求无影响，可保证玉米稳产，实现减氮增效。

因此，虽然有机肥相对于化肥肥效较迟缓，但对玉米一生来说，增施有机肥可改良土壤中的氮素供给关系[22-23]，使土壤养分能够平稳释放[24]，能够在关键期满足玉米的养分需求，可增加光合有机物和氮素向籽粒转运[25-26]，从而有望提高氮素利用效率和玉米籽粒产量。

3.2 有机无机肥配施影响玉米产量的光合机制

产量形成是以光合作用为基础，最大限度的利用光能，提高光合效率，是作物高产的首要条件[24]。通过增施有机肥可增强植物的光合性能[27-28]。杨玉玲等[29]研究表明，合理的有机氮配施能显著增加玉米的净光合速率。本研究发现，与不施氮对照相比，施氮明显提高玉米叶片中的光合速率、气孔导度、蒸腾速率，降低胞间CO2浓度，增强玉米叶片光合作用。这可能是因为养分成为限制玉米光合作用的关键因子，适宜的氮肥施用提高了土壤肥力，使玉米光合作用显著增强。在总施氮量N 200 kg/hm2时，增加有机肥的比例延长了玉米叶片的持绿时间，延缓了玉米叶片的衰老和脱落，扩大了灌浆到成熟期间的光合面积，增加了灌浆到成熟期间光合产物向籽粒的运转分配，从而提高玉米的籽粒产量。与25.0%有机氮替代比例 (T4) 处理相比，40.0%有机氮替代比例 (T8) 处理的光合速率提高了16.4%，12.5%有机氮替代比例 (T5)、22.2%有机氮替代比例 (T7) 处理间无显著性差异。这说明，在基施尿素氮不变的条件下，继续增加有机氮比例对提升光合效率不明显。适宜的有机肥与化肥配施比例可以提高玉米植株光合特性，进而提高玉米的籽粒产量。

因此，虽然有机肥肥效相对于化肥较迟缓，降低早期的叶面积和叶绿素含量，但对玉米主要光合器官叶片和叶绿素在全生育期的发展动态来说，有机肥肥效相对于化肥更为有利，有助于协调叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系，促进光合产物向籽粒转移，最终增产。

4. 结论

陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米，保持总氮用量200 kg/hm2较为合理，增加有机肥施用比例至50%左右，可以保持现有产量不降低，且增加了玉米对氮素的总吸收量，有利于减少氮素在土壤中的残留，能够协调玉米全生育期内的土壤氮素供给，优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系，促进光合产物和氮素向籽粒转运，从而提高玉米氮素利用效率和籽粒产量。