玉米是重要的粮食作物，在粮食储备、饲料和工业加工等领域占有重要地位。随着我国人口的日益增长，提高玉米产量对我国粮食安全、农牧业的健康发展具有重大意义^[1-2]。氮素是玉米生长中的第一大必需营养元素，农业生产中不合理施用氮肥，造成我国当季氮肥利用率只有 30%～35%^[3]。氮肥施入土壤后的主要去向有作物吸收携出、土壤残留、含氮气体排放和土壤氮素深层淋溶损失等。根据作物需肥特性研究合理的氮素施用形态，提高氮肥利用率和土壤供氮能力，在保证高产稳产的同时减少氮肥表观损失，是解决生产中氮肥效率低和氮素损失较大问题的主要途径之一。

植物可以吸收利用的土壤氮素主要为硝态氮和铵态氮^[4]。旱地作物，植株主要吸收土壤硝化作用产生的硝态氮，铵态氮在土壤中的作用没有引起足够重视^[5]。氮素形态对不同作物生长发育的影响存在差异，氮肥形态及其配比也是影响肥效的主要因素^[6]。樊明寿等^[7]研究表明，在燕麦生长发育过程中硝态氮和铵态氮配施优于单施铵态氮或硝态氮。硝态氮在玉米幼苗上的施用效果好于铵态氮^[8]。合理的氮肥运筹是实现玉米高产的必要因素之一^[9-10]，可以减少土壤无机氮残留和氮素表观损失，提高氮肥利用率^[3]。

国内外关于合理氮肥运筹的研究在氮肥施用量及施肥方式对作物产量的影响及其生理机制、不同氮素形态对南方地区作物产量和养分利用的影响等方面较多，而北方小麦 / 玉米旱作系统研究尚少。因此，本文针对河北黑龙港地区旱地粮田碱性土壤生产中玉米无论基肥还是追肥农民均习惯施用酰胺态尿素、氮肥利用效率较低等问题，采用田间原位方法，研究不同氮素形态（酰胺态氮肥、铵态氮肥、硝态氮肥及硝 / 铵态氮肥配施）供应对玉米干物质积累量、氮素吸收利用、产量及土壤氮素的影响，以期为研究区促进玉米增产、提高氮肥利用效率、改进氮肥施用品种、减少氮素损失等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在河北省邢台市宁晋县贾家口镇白木村 （37°36′51″N，115°07′23″E）进行，年平均气温 12.8℃，无霜期 198 d，年均日照时间 2538.1 h，年均降水量 449.1 mm。0～20 cm 供试土壤基础理化性质为：轻壤质潮土，pH 8.37，有机质 20.8 g·kg^-1，全氮 1.14 g·kg^-1，有效磷 13.49 mg·kg^-1，速效钾 143.45 mg·kg^-1。供试肥料为控释尿素（N 44%）、硫酸铵（N 21%）、硝酸钙（N 16.5%）、过磷酸钙（P₂O₅ 16%）、氯化钾（K₂O 60%），供试玉米为郑单 958。

1.2 试验设计

本季夏玉米试验是在前茬冬小麦试验完成的基础之上，继续设置 5 个处理：不施氮肥（CK）、酰胺态氮肥（尿素，T1）、铵态氮肥（硫酸铵，T2）、硝态氮肥（硝酸钙，T3）、硝 / 铵态氮肥（硝酸钙 / 硫酸铵 1∶1，T4）。每个处理重复 3 次，共 15 个小区，小区面积 48 m²。不同形态氮肥处理的氮磷钾肥用量相同，均为 N 225 kg·hm^-2、P₂O₅ 120 kg·hm^-2、K₂O 150 kg·hm^-2，全部肥料作为底肥一次性施入。6 月 14 日播种，灌水方式采用微喷灌，根据当地农民习惯，玉米季共灌水 2 次，播种后第 1 次灌水 600 m³ ·hm^-2，大喇叭口期第 2 次灌水 600 m³ ·hm^-2，总灌水量 1200 m³ ·hm^-2，玉米生长期间除了氮肥施用种类不同外，其余措施均采用当地高产田间管理办法，9 月 26 日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤氮素

在玉米播种前和收获后，取 0～200 cm 土样 （每 20 cm 一层），玉米生长的拔节、抽雄吐丝和成熟期分别取 0～20、20～40 cm 土层土样。新鲜土样用 KCl 溶液浸提过滤后，采用 Smart Chem 200 全自动化学分析仪测定硝态氮和铵态氮含量^[11]。本试验不考虑降水输入的氮素，也不考虑氮肥激发效应，假定施氮肥处理的土壤氮素矿化量和无氮区相同，作物生长过程中的土壤氮素净矿化量是根据不施氮区玉米成熟期氮含量、播种前和收获后土壤无机氮累积量净变化估计，相关计算公式^[12]如下：

硝（ 铵） 态氮累积量（kg·hm^-2）= 土层厚度（cm）× 容重（g·cm^-3）× 硝（铵）态氮含量（mg·kg^-1）/10

土壤无机氮累积量 = 硝态氮累积量 + 铵态氮累积量

土壤氮素净矿化量 = 不施氮区作物氮含量 + 不施氮区土壤残留无机氮-不施氮区土壤起始无机氮

土壤氮素表观损失 = 施氮量 + 土壤起始无机氮 + 土壤氮素净矿化量-作物携出量-收获后土壤残留无机氮

1.3.2 玉米干物质积累量、氮素积累量和产量

在玉米生长的拔节（7 月 16 日）、大喇叭口 （8 月 3 日）、抽雄吐丝（8 月 21 日）、灌浆（9 月 8 日）和成熟期（9 月 26 日）各小区选取具有代表性的 2 株玉米，分叶片、茎秆、籽粒、穗轴取样，新鲜样品在烘箱中于 105℃杀青 30 min 后，调至 75℃下烘至恒重，按照密度和面积折算得到玉米干物质积累量。在成熟期，每个小区连续选取 15 个果穗，风干脱粒后，用谷物水分测定仪测定其中的含水量，核算含水量为 14% 的玉米籽粒产量。

1.3.3 相关氮效率指标计算

各器官干样磨碎混匀，采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，Smart Chem 200 全自动化学分析仪测定全氮含量^[13]，计算氮素吸收量。

（1）氮素吸收量 = 植株各器官干重 × 植株各器官氮素浓度

（2）氮肥利用率 =（施氮区植株氮素吸收量-不施氮区植株氮素吸收量）/ 施氮量

（3）氮肥农学效率 =（施氮区籽粒产量-不施区籽粒产量）/ 施氮量

（4）氮肥生产效率 = 施氮区籽粒产量 / 施氮量

（5）土壤氮素依存率 = 不施氮区吸氮量 / 施氮区吸氮量 ×100%

1.4 数据处理

采用 Excel 2010 进行数据的处理和相关图表绘制，使用 SPSS 22.0（Duncan）进行显著性检验， DPS 7.5 计算 Logistic 模型参数及其特征值，图表中数据为平均值 ± 标准差。

2 结果与分析

2.1 氮素形态对玉米干物质积累和分配的影响

不同氮素形态对玉米干物质积累的影响可用 Logistic 生长函数进行拟合。表1 表明，施用氮肥可以延长玉米的旺盛生长时期 6～11 d。施氮处理玉米干物质积累速率在播种后 53～96 d 最快，此时玉米正处于大喇叭口-灌浆期，是营养器官和生殖器官并进时期，玉米干物质积累量从大喇叭口期的 20% 左右增加到灌浆期的 80% 左右。合理的氮肥运筹推迟了干物质积累速率达到峰值的时间，T4 较其他施氮处理的干物质积累速率最大的时间推迟 1～3 d。表明 T4 可延长玉米生长旺盛期，推迟干物质累积速率达到峰值的时间，有利于植株干物质的积累。

注：表中 y 为干物质积累量（t·hm^-2），t 为玉米出苗后天数（d），t₁ 和 t₂ 为 Logistic 曲线的两个拐点，Δt 为玉米生长的旺盛期所持续天数， t₀ 为干物质积累速率最大的时间。下同。

图1 表明，拔节期各施氮处理间无显著差异，但显著高于 CK；大喇叭口期 T4 的干物质积累较 T3 增加 5.4%，较 T1、T2 显著增加 9.9%～19.0%；抽雄吐丝、灌浆和成熟期 T4 的干物质较其他施氮处理分别增加 2.6%～11.0%、6.9%～8.9%、6.3%～15.0%；说明氮肥促进玉米干物质积累，不同氮素形态对玉米干物质积累量有一定影响，T4 更有利于干物质的积累，T3 次之，T2 最低。

随生育期推进，整株干物质积累逐渐增加，但营养器官所占比例逐渐减少，生殖器官所占比例逐渐上升。大喇叭口期的茎秆、叶片分别占植株干重的 59.2%～64.1%、35.9%～40.8%；抽雄吐丝期的茎秆、叶片分别占植株干重的 54.5%～57.71%、 30.1%～33.0%，穗轴占植株干物重的 11.8%～12.4%，营养器官占比有所下降；灌浆期随籽粒的形成，营养器官占比进一步下降，生殖器官占比达 45% 左右；成熟期生殖器官占比达 56.7%～58.3%，其中籽粒为 46.9%～47.8%，显著高于其他器官。图1 表明，各施氮处理间各器官干物质积累量占比无显著差异。

注：柱上不同字母表示相同生育期下各处理间差异显著（P <0.05）。下同。

2.2 氮素形态对玉米氮素积累和分配的影响

表2 表明施用氮肥可以延长玉米氮素积累的旺盛时期所持续天数，施氮处理较 CK 延长 9～15 d， T3、T4 较 T1、T2 延长 4～5 d。合理的氮肥运筹也可推迟氮素积累速率达到峰值的时间，T4 较其他施氮处理推后 1～3 d。施氮处理玉米氮素积累速率在播种后 48～84 d 最快，此时玉米正处于大喇叭口-灌浆期。表明 T4 可延长玉米氮素积累的旺盛期，推迟氮素积累速率达到峰值的时间，有利于植株氮素积累。

图2 表明，随着玉米生育期的推移，各处理玉米氮素积累量逐渐增加直到成熟期。拔节期 T3 的氮素积累量较其他施氮处理增加 5.0%～7.9%；大喇叭口、抽雄吐丝期的 T4 氮素积累量较 T1、T2 分别显著增加 21.6%～29.7%、18.6%～27.4%，与 T3 无显著差异；灌浆期除 T2 处理外各施氮处理间氮素积累量无显著差异；成熟期 T4 氮素积累量与 T3 无显著差异，较 T1、T2 分别显著增加 12.2%、 30.1%。可见，适宜的氮素形态促进玉米植株氮素积累。

氮素的吸收利用直接影响作物的生长发育，进而影响最终产量。生长前期，全氮积累量主要在叶片。大喇叭口期茎秆、叶片的全氮积累量分别占整株的 36.7%～43.0%、57.0%～63.3%；抽雄吐丝期营养器官的全氮积累量占比有所下降，茎秆、叶片分别占整株的 33.5%～40.2%、46.4%～55.2%，穗轴占整株的 11.2%～13.5%；灌浆期是生殖器官迅速生长的阶段，营养器官占比进一步下降，生殖器官籽粒和穗轴占整株氮素积累量的 39.8%～43.9%；成熟期玉米氮素积累量主要在籽粒，籽粒氮素积累量占整株的 62.8%～75.2%，显著高于其他器官。图2 表明，各施氮处理间各器官氮素积累量占比无显著差异。

2.3 氮素形态对玉米氮素吸收及氮肥效率的影响

表3 表明，氮肥利用率、氮肥生产效率、氮肥农学效率均以 T4 最优，T3 次之，T2 最低，T4 较其他施氮处理分别提高 6.8%～25.9%、7.3%～14.4%、2 1.3%～48.3%，T3 的土壤氮素依存率较 T1、T2 降低 5.2%～18.1%，T4 的土壤氮素依存率较 T1、T2 降低 10.9%～23.1%。可见，T4 处理对提高氮素吸收量和氮肥效率、降低土壤氮素依存率效果明显。

注：数据后小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.4 氮素形态对玉米产量性状的影响

表4 表明，氮素形态对玉米产量性状有明显影响。T4 的穗长、穗粗、穗粒数、百粒重较其他施氮处理分别提高 0.8%～5.1%、4.5%～6.3%、 5.9%～11.6%、1.5%～3.7%，籽粒产量 T4>T3>T1>T2>CK，T3 较 T1、T2 分别增产 2.1%、6.6%， T4 较其他施氮处理增产 7.3%～14.4%，说明 T4 增产效果较好。

2.5 氮素形态对土壤无机氮及氮素平衡的影响

表5 表明，随着玉米生长发育，各处理间同一层次土壤硝态氮含量逐渐减少。0～20 cm 土层，拔节期、抽雄吐丝期 T3 的土壤硝态氮含量较 T1、T2、T4 处理分别提高 3.1%～11.4%、 16.6%～19.3%、1.3%～1.7%；成熟期各处理土壤硝态氮含量降低，各施氮处理间无显著差异，但显著高于 CK。20～40 cm 土层，拔节期 T3 硝态氮含量较其他施氮处理显著增加 16.5%～21.4%；在抽雄吐丝期、成熟期各施氮处理间无显著差异，但除抽雄吐丝期 T2 处理均显著高于 CK。

各处理间同一层次土壤铵态氮含量随玉米生长也逐渐减少。0～20 cm 土层，拔节期 T4 的土壤铵态氮含量较其他施氮处理显著提升 8.0%～31.8%；抽雄吐丝期 T2 较其他施氮处理减少 2.3%～8.9%；成熟期各处理铵态氮含量降低，各施氮处理间差异不显著；20～40 cm 土层，土壤铵态氮含量在拔节、抽雄吐丝、成熟期变化较小，各施氮处理间无显著差异。

表6 是氮素形态对土壤氮素残留及表观损失的影响。各施氮处理的土壤氮素残留和表观损失均以 T2 最高，T1 次之，T4 最低。T1、T2 的土壤氮素残留较 T3 和 T4 提高 1.54%～3.1%，T4 的氮素表观损失较 T1 和 T2 分别显著降低 12.8% 和 49.1%，可见，酰胺态氮和铵态氮处理会增加土壤中氮素残留，增加氮素表观损失。T4 植物吸氮量较高，有利于增加作物产量，且土壤氮素残留和表观损失较低。

3 讨论

植物对铵态氮和硝态氮的吸收、运输、储藏和同化等方面存在很大差异，这些直接影响植物的生理过程和生长发育^[14]。有研究表明，硝态氮对小麦和玉米等旱田作物生长的影响优于铵态氮^[15-16]，且供应混合氮源比供应单一硝态氮或铵态氮有利于小麦和玉米生长^[17-18]。本试验条件下，植株干物质积累和氮素动态积累均适用 Logistic 模型且动态积累过程基本同步（表1 和 2），T4 延长了玉米干物质积累旺盛期 1～11 d，推迟了植株干物质积累速率最大时刻 1～10 d；延长了植株氮素积累旺盛期 1～15 d，推迟了植株氮素积累速率最大时间 1～6 d（表1 和 2）；有利于玉米干物质和氮素积累（图1 和 2），从而产量更高（表4）。由 Logistic 模型分析，大喇叭口期-灌浆期是玉米生长发育及氮素吸收积累的关键期。在玉米生产中可进行氮肥分施，在大喇叭口期追施部分氮肥，可能更利于保障玉米的氮素需求。

土壤中的无机氮含量直接反映土壤的供氮能力^[19]，其含量随作物生育期推进逐渐下降^[20-21]。本试验条件下，T4 在各生育期土壤硝态氮和铵态氮含量相对处于较高水平，能够持续供应玉米生长所需的氮素养分（表5）。T2 在玉米生育前期土壤铵态氮含量相对较高，随玉米生长，土壤铵态氮含量逐渐下降；在后期 T2 耕层土壤铵态氮含量相对较低，由于试验田是碱性土壤，铵态氮肥容易挥发，氮素损失增加。土壤无机氮含量与作物吸收利用关系密切，在等量氮素投入的情况下，成熟期将氮肥提供的氮素充分吸收利用，各施氮处理间土壤无机氮含量无显著差异。整个生育期，各处理成熟期土壤硝态氮、铵态氮含量分别较拔节期平均降低 65%、48%，其中土壤硝态氮降幅较大 （表5）。

李学俊等^[22] 发现，以铵态氮作为单一氮源时，会破坏根系膜结构，降低根系结构稳定性，从而影响根系吸收功能，导致作物减产。土壤中硝态氮移动性强，各生育期 20～40 cm 土层硝态氮含量处于较高水平，能够为根系提供充足养分。土壤中铵态氮会通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶途径被同化利用^[23-24]，作物对铵根离子的吸收耗能较低，吸收速率通常较快。在铵态氮营养中适当施加硝态氮可以缓解铵根离子引起的代谢失调现象，而在硝态氮营养中适量增加铵态氮的比例，又会减少较高浓度硝酸根离子消耗的大量还原力和光量子能量^[25-26]。本研究表明硝 / 铵态氮肥混施在玉米生长过程中起到互补作用，可以提高氮肥利用率，增加作物产量，T4 效果较好，该处理的玉米氮素积累量较优，土壤氮素依存率较低（表4），可以减弱作物对土壤氮的依赖性，增强对肥料氮的依赖性，保护土壤肥力，提高氮肥利用率。T4 的土壤氮素残留和氮素表观损失也表现为最低，其氮素表观损失较酰胺态氮肥和铵态氮肥分别显著降低 12.8%、 49.1%（ 表6），籽粒产量分别显著增加 9.6%、 14.4%（表4），这有利于实现玉米高产高效的安全生产。

4 结论

与单一酰胺态氮、铵态氮和硝态氮肥相比，硝 / 铵态氮肥配施（T4）能够提高玉米关键生育时期土壤硝态氮和铵态氮含量，延长玉米干物质和氮素积累旺盛期和积累速率最大时间，促进成熟期植株干物质及氮素积累量，提高氮肥效率，平均增产 10.4%。硝 / 铵态氮肥配施（T4）较农民习惯施酰胺态尿素（T1）降低了土壤氮素依存率，减弱了作物对土壤氮素的依赖，减少了氮素表观损失，保护了土壤肥力。因此，黑龙港地区玉米生产上，选用硝 / 铵态氮肥配施可保证关键生育时期土壤供应较多有效氮素，较高的肥料利用率，较少的氮素损失，有利于玉米获得较高产量，以保证安全生产。

参考文献