摘要
旨在探讨内蒙古自治区土默川平原灌区无膜浅埋滴灌条件下不同氮肥管理策略对玉米干物质积累及氮肥利用率的影响，以期为氮肥精准施用提供依据。以玉米品种 S1602 为供试材料，采用裂区设计，以施氮量为主区，设置 0（N0）、240 kg/hm2 （N240）、300 kg/hm2 （N300）、360 kg/hm2 （N360）4 个水平，以施肥次数为副区，设全生育期 3 次施肥（T3）、5 次施肥（T5）和 7 次施肥（T7），通过调查产量、干物质和氮素积累与转运，研究不同氮肥运筹对玉米干物质积累动态、氮素吸收利用的影响。结果表明，分次施氮显著促进花后氮素向籽粒的转运，优化氮肥利用效率，但当施氮量超过 300 kg/hm2 后，产量和氮肥利用效率趋于稳定甚至下降。与 N240-T7 和 N300-T3 相比，N300-T7 干物质量分别增加了 9.76% 和 5.21%，干物质快速积累持续时间分别延后了 3 和 2 d，干物质最大积累量分别提高了 9.32% 和 12.58%；籽粒氮素积累量分别增加了 6.50% 和 10.52%。N300-T7 玉米产量较 N240-T7 和 N300-T3 分别增加了 4.59% 和 6.26%；氮肥利用率较 N240-T7、N300-T3 和 N300-T5 分别增加了 5.33%、30.19% 和 12.95%。合理的施氮量和施氮次数可显著提高玉米的干物质积累和转运，提高氮肥利用率而不降低产量。在土默川平原灌区无膜浅埋滴灌下玉米全生育期施氮量为 300 kg/hm2 ，施氮次数为 7 次，对提高玉米产量和氮肥利用效率效果最佳。
Abstract
This study aimed to explore the effects of different nitrogen fertilizer management strategies on maize dry matter accumulation and nitrogen fertilizer utilization efficiency under filmless shallow buried drip irrigation conditions in the Tumochuan Plain irrigation area，in order to provide a basis for the precise application of nitrogen fertilizer. Maize variety S1602 was used as the test material，and a split-plot design was used. The nitrogen application amount was used as the main plot，and four levels of 0（N0），240 kg/hm2 （N240），300 kg/hm2 （N300）and 360 kg/hm2 （N360）were set up. The number of fertilizations was used as the sub-plot，and 3 times of fertilization（T3），5 times of fertilization（T5）and 7 times of fertilization（T7）in the whole growth period were set up. By investigating the yield，dry matter and nitrogen accumulation and translocation，the effects of different nitrogen fertilizer strategies on the dynamics of maize dry matter accumulation and nitrogen absorption and utilization were studied. The results showed that divided nitrogen application significantly promoted the transfer of nitrogen to grains after flowering and optimized nitrogen fertilizer use efficiency. However，when the nitrogen application rate exceeded 300 kg/hm2 ，the yield and nitrogen fertilizer use efficiency tended to be stable or even decrease. Compared with N240-T7 and N300-T3，the dry matter mass of N300-T7 increased by 9.76% and 5.21%，respectively，the duration of rapid dry matter accumulation was delayed by 3 and 2 d，respectively，and the maximum dry matter accumulation increased by 9.32% and 12.58%，respectively；Grain nitrogen accumulation increased by 6.50% and 10.52%，respectively. The maize yield of N300-T7 increased by 4.59% and 6.26%，respectively，compared with N240-T7 and N300-T3；The nitrogen utilization rate increased by 5.33%，30.19% and 12.95%，compared with N240-T7，N300-T3 and N300-T5. Reasonable nitrogen application amount and frequency could significantly improve the dry matter accumulation and transport of maize，and improve nitrogen fertilizer utilization efficiency without reducing yield. In the Tumochuan plain irrigation area，the nitrogen application rate of 300 kg/hm2 during the whole growth period of maize under shallow buried drip irrigation without film combined with 7 times of fertilization had the best effect on improving maize yield and nitrogen fertilizer use efficiency.
内蒙古自治区是我国 13 个粮食主产省和 5 个粮食净调出省之一，玉米作为内蒙古自治区第一大粮食作物，是保障国家粮食安全、促进农牧民增产增收的重要保障。同时，玉米作为 C4 作物，具有较高的光合作用效率，对于提升农业生产力、稳定饲料供应链和探索生物质能源以缓解能源危机具有关键意义[1-2]。
在水肥一体化条件下适宜的氮肥供应可明显促进玉米对氮素的吸收，提高氮肥的利用效率[3]。研究表明，适量施氮可以改善叶片生理特性[4]，延长玉米叶片光合功能持续期[5]，增加光系统活性、增强光合作用[6]，促进硝酸还原酶[7]和花后氮代谢酶[8]的活性，促进淀粉积累，使籽粒充分填充，提高籽粒产量[9]，前人关于施氮量对玉米营养器官氮素向籽粒中转运的影响报道虽不一致，但普遍认为过量施氮降低了籽粒氮素积累，影响了氮素的利用效率[10-11]，因此，在不增加施肥总量的情况下，氮肥的追施时期或次数是影响玉米生长发育和产量的主要原因[12-15]。增加氮肥施用频次作为一种优化施肥策略，能够更贴合作物的需肥规律。研究显示，与传统一次性施用基肥相比，分阶段追施或推迟氮肥施用时间，可以显著提高玉米叶片的光合功能和叶绿素水平[16]，增强籽粒的灌浆效率[17]，有效促进氮素的转运和营养器官对籽粒的贡献[18]，减少氮肥的淋溶[19]，提高氮肥的利用率[20]，增加玉米的花后干物质积累[21]，从而实现产量提升，为高产打下良好基础[22]。因此，科学合理地调整氮肥的分次施用比例，对于提高氮肥利用效率、促进玉米稳产高产以及实现农业绿色发展具有重要意义。
浅埋滴灌技术作为一种水肥一体化的节水灌溉方式，在近年来得到广泛应用，它在发挥去膜、节水、减肥、增效优势的同时，也避免了残膜污染等问题，具有较大的实际应用价值[23-25]。内蒙古自治区土默川平原灌区具有丰富的光热资源优势，但灌溉水缺乏，小面积应用的浅埋滴灌技术粗放，玉米氮肥精准投入不明确，氮肥利用率较低，无法满足田间管理需求。因此本研究开展氮肥调控试验，分析不同氮肥用量及施用时期对玉米生长发育及产量的影响，明确土默川平原玉米合理的施氮量及施氮时期，为玉米精准施肥提供理论依据与技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于 2022 和 2023 年在内蒙古呼和浩特市毕克齐镇兵州亥村（40°26′N，110°47′E）进行。试验地前茬作物为玉米，土壤为砂壤土，土壤基础肥力特征见表1。该地区属典型大陆性半干旱季风气候，2022 和 2023 年具体降水量如图1所示。 2022 年于 4 月 20 日播种，10 月 2 日收获，2023 年 4 月 22 日播种，10 月 3 日收获。
表1供试耕层土壤基础肥力
图12022—2023 年降水量及平均气温
1.2 试验设计
本试验在浅埋滴灌水肥一体化技术下进行，试验采用裂区设计，以施氮量为主区，在玉米的全生育期内设定 4 个施氮量，分别为不施氮（N0）， 240 kg/hm2 （N240），300 kg/hm2 （N300），360 kg/hm2 （N360）4 个水平，追氮次数为副区，分别为全生育期 3 次施肥（T3）、5 次施肥（T5）和 7 次施肥（T7）。全生育期 3 次施肥，分别于拔节期、大口期和吐丝期 3 个时期按 3∶6∶1 的比例追施；全生育期 5 次施肥，分别于拔节期、大口期、吐丝期、吐丝后 10 d 和吐丝后 20 d 5 个时期按 2∶3∶3∶1∶1 的比例追施；全生育期 7 次施肥，分别于拔节期、小口期、大口期、吐丝期、吐丝后 10 d、吐丝后 20 d 和吐丝后 30 d 7 个时期按 1∶1∶2∶2∶2∶1∶1 的比例追施。具体施用时期和施氮量如表2所示。
表2氮肥施用次数与施氮量
注：V6 为拔节期，V9 为小口期，V12 为大口期，R1 为吐丝期， R1+10 d 为吐丝后 10 d，R1+20 d 为吐丝后 20 d，R1+30 d 为吐丝后 30 d。
供试玉米品种为 S1602，种植密度为 8.25 万株 / hm2，行距 60 cm，株距 20 cm，磷、钾肥于播前施入，磷肥为过磷酸钙 105 kg/hm2，钾肥为硫酸钾 45 kg/hm2，不同追氮次数从拔节期（6 叶期）开始，以尿素为氮源，采用 50 L 压差式施肥罐连接施肥阀进行随水追肥，所有处理的全生育期灌水量均为 7 次，所有处理的单次灌溉量（450 m3 /hm2）和总灌溉量（3150 m3 /hm2）均相同。生育期内严格控制杂草及防治病虫害。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤基础养分的测定
于播种前采集 0～30 cm 土层的土壤，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用比色法测定有效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量，pH 值利用 pH 计测定。
1.3.2 干物质积累与转运
在玉米拔节期、大口期、吐丝期、乳熟期、成熟期进行取样，每个处理选取 3 株长势均匀的代表性植株，取其地上部分，吐丝期将玉米分为茎秆、叶片、雌穗 3 部分，乳熟期和成熟期将植株分为茎秆、叶片、苞叶、穗轴和籽粒 5 部分，105℃杀青 30 min，80℃烘干至恒重，称重。相关计算公式：
花后干物质积累量（kg/hm2）= 成熟期干物质积累量-吐丝期干物质积累量；
花前营养器官干物质转运量（kg/hm2）= 吐丝期营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量；
花前营养器官干物质转运率（%）= 吐丝前营养器官干物质转运量 / 吐丝期干物质积累量 ×100；
花前营养器官干物质对籽粒干物质积累贡献率 （%）= 吐丝前营养器官干物质转运量 / 成熟期籽粒干重 ×100。
1.3.3 氮素转运与积累
将得到的各处理的干样粉碎并充分混匀，采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，并计算植株全氮含量。根据玉米产量、干物质量和氮素含量进行相关计算，计算公式：
氮素转运量（kg/hm2）= 开花期氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；
氮肥农学利用效率（kg/kg）=（施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量）/ 施氮量；
氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮处理籽粒产量 / 施氮量；
氮肥利用率（%）=（施氮处理植株氮素积累量-不施氮处理植株氮素积累量）/ 施氮量 ×100。
1.3.4 测产与考种
在成熟期每个产区选择中间 2 行 5 m为测产区，调查测产区内所有穗数、空秆数、双穗数，计算空秆率、双穗率，并折算公顷穗数。测产区玉米全部收获，晒干脱粒称重，另取 10 穗玉米进行考种。用校准后的谷物水分测定仪（PM-8188）测定籽粒含水量，将考种数据与大田测产数据相结合，再按 14% 的籽粒含水量计算其产量。
1.4 数据统计与分析
采用 Excel 2019 处理数据，运用 SAS 9.3 进行裂区方差分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行显著性检验，采用 Origin 2022 作图。
2 结果与分析
2.1 干物质积累与转运
2.1.1 干物质积累
由表3可知，试验年份间成熟期的干物质积累量具有显著差异，2022 年成熟期干物质量显著低于 2023 年。施氮量和施氮次数对吐丝期、乳熟期和成熟期干物质积累量均具有极显著影响 （P<0.01）。干物质积累量随着施氮量的增加而增加，随着施氮次数的增加，大口期和吐丝期的干物质积累量显著下降，成熟期增加，因此，过多的施氮次数会降低吐丝前的干物质积累量，但有助于后期的物质形成。2022 和 2023 年各处理拔节期干物质积累量之间均不存在显著性差异。大口期干物质积累量 N300-T7 处理显著低于 N300-T3 处理，降低了 15.71%；在吐丝期各个处理之间的差异显著， N300-T7 处理干物质积累量显著低于 N300-T3 处理和 N300-T5 处理；乳熟期时，N300-T7 处理干物质量较 N240-T7 处理增加了 7.09%；N300-T7 处理成熟期干物质量与 N240-T7、N300-T3 处理差异显著，分别增加了 9.76% 和 5.61%。
氮肥追施次数对玉米干物质的积累有显著的影响（表4）。在两年的试验中，玉米从播种至成熟的整个生长周期内，其干物质积累的过程符合 1ogistic 曲线的变化规律。在相同施氮量下，7 次施氮比 3 次和 5 次施氮处理有更长的干物质快速积累持续时间和更快的物质快速积累速率，N300-T7 处理与 N300-T3 和 N300-T5 处理相比，干物质快速积累持续时间分别延后了 4、3 d（2022 年）和 4、1 d（2023 年）；干物质快速积累速率分别提高了 2.39%、0.23%（2022 年）和 1.08%、1.12%（2023 年）；干物质最大积累分别提高了 10.33%、5.05% （2022 年）和 8.31%、2.35%（2023 年）。N300-T7 处理较 N360-T7、N240-T7 处理干物质快速积累持续时间分别延后了 4、3 d（2022 年）和 2、1 d （2023 年）；干物质快速积累速率分别提高了 3.38%、 7.97%（2022 年）和 8.89%、12.26%（2023 年）；干物质最大积累量分别提高了 8.95%、11.99%（2022 年） 和 10.62%、13.16%（2023 年）。
表3不同处理模式下的干物质积累量
注：*、**、NS 分别表示处理间差异显著、极显著和不显著。同列不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
表4不同处理模式下的干物质积累特征
注：t1 为干物质快速积累开始时间；t2 为干物质快速积累结束时间；T 为干物质快速积累持续时间；Vmax 为干物质最大积累速率；Wmax 为干物质最大积累量。
2.1.2 干物质转运
由表5可知，施氮量和施氮次数对玉米花前干物质转运量、花后干物质积累量、花前干物质转运率和花前转运对籽粒的贡献率的影响达到极显著水平（P<0.01）。2022 年与 2023 年试验结果基本一致 （图2），N300-T7 处理的花前干物质转运量、花后干物质积累量、花前干物质转运率和花前转运对籽粒的贡献率与 N240-T7、N300-T3、N300-T5 处理比较均存在显著性差异，其中，花后干物质积累量分别增加了 8.56%、27.75%、11.37%。
表5不同处理模式下的干物质转运交互作用分析
图2不同处理模式下的干物质转运方差分析
注：同年不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 氮素积累和转运
由表6可知，试验年份对吐丝期叶片氮素积累有显著性差异，2022 年吐丝期叶片氮素积累显著高于 2023 年。施氮量对两年试验中吐丝期茎、叶、雌穗氮素积累均达到极显著水平（P<0.01），施氮次数对 2022 年茎、叶、雌穗氮素积累达到极显著水平（P<0.01），2023 年茎和雌穗氮素积累达到极显著或显著水平（茎 P<0.01，雌穗 P<0.05）；成熟期施氮量对所有器官的氮素积累均达到极显著水平 （P<0.01），施氮次数在 2022 年对茎、叶、苞叶的氮素积累具有显著或极显著影响（P<0.01），2023 年对茎、叶、穗轴、苞叶和籽粒的氮素积累均达到显著或极显著水平（P<0.05 或 P<0.01）。
随着施氮量的增加，吐丝期和成熟期的氮素积累均显著提高。在吐丝期，氮素主要积累于茎和叶片，结果显示，2022 年，N300-T7 处理的茎秆氮素积累量与 N360-T7 处理相比减少了 12.57%，而 2023 年两者之间无显著差异。叶片氮素含量方面，2022 年 N300-T7 处理与 N240-T7 处理无显著差异，与 N360-T7 处理相比减少了 7.51%；2023 年，N300-T7 处理显著高于 N240-T7 处理，增加了 13.73%，与 N360-T7 处理无显著差异。在成熟期，氮素主要分配至籽粒，N300-T7 处理的籽粒氮素积累量与 N240-T7 处理相比显著增加，两年平均增加 6.32%，与 N360-T7 处理无显著差异。
施氮次数的增加对不同时期的氮素积累和转运的影响表现不同，在吐丝期，较少的施氮次数更有利于氮素积累的最大化，两年试验中，N300-T7 处理的茎秆和叶片氮素积累量与 N300-T3 处理均存在显著性差异，分别降低了 37.55% 和 13.55%； 2022 年，N300-T7 处理的茎秆和叶片氮素积累量与 N300-T5 处理之间也存在显著差异，分别降低 7.60% 和 11.21%，但 2023 年两者差异不显著。在成熟期，更多的施氮次数能够更有效地促进氮素向籽粒的转运。结果表明，N300-T7 处理的籽粒氮素积累量与 N300-T3 和 N300-T5 处理均存在显著差异，两年平均增幅分别为 11.77% 和 5.99%。
2.3 玉米产量与氮肥利用率
由表7可知，两年试验中施氮量和施氮次数对玉米产量、氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率的影响均极显著（P<0.01）。
表6吐丝期和成熟期不同器官氮素分配
注：同列不同小写字母表示同一器官不同处理间差异显著（P<0.05）。
对不同处理模式下的氮肥效率（图3）进行分析。N300-T7 处理玉米产量与 N360-T7 和 N300-T5 处理没有显著性差异，较 N240-T7 处理和 N300-T3 处理分别增加 4.59% 和 6.26%；N300-T7 处理氮肥农学利用效率与 N240-T7、N300-T5 和 N360-T7 处理没有显著差异，较 N300-T3 处理增加 53.2%；N300-T7 处理氮肥偏生产力与 N300-T3 和 N300-T5 处理无显著差异，较 N360-T7 处理增加 17.26%；N300-T7 处理氮肥利用率与 N240-T7、N360-T7、N300-T3 和 N300-T5 处理均存在显著差异，分别增加 5.33%、30.19%、12.95% 和 19.96%。
表7不同处理模式下玉米产量、氮肥效率交互作用分析
图3不同处理模式下玉米氮肥效率方差分析
3 讨论
3.1 不同氮肥运筹对干物质积累与转运的影响
过去 30 年中，玉米对氮素吸收的依赖性显著增加，而提高干物质积累能力被认为是实现玉米高产的关键，玉米干物质积累量与氮素积累量呈极显著正相关关系，随着施氮量的增加，干物质积累量表现出上升趋势，但是当施氮量到达一定水平后，干物质积累趋势会逐渐平缓，继续增加施氮量甚至会出现下降趋势[26-27]。本研究中，在浅埋滴灌水肥一体化条件下，N300-T7 处理较 N240-T7 处理干物质积累量提高了 9.76%，继续增加施氮量，干物质积累量没有显著增加，与前人研究结果一致， 2022 年成熟期干物质量显著低于 2023 年，这可能源于年度间气候条件的差异。李元薇等[28]研究发现，西辽河平原在浅埋滴灌条件下，施氮量为 210 kg/hm2 时，在拔节期、大喇叭口期和吐丝期 3 个时期按 3∶6∶1 的比例追施，干物质积累能力最佳。本试验研究结果表明，土默川平原灌区在施氮量为 300 kg/hm2，施氮次数为 7 次，于拔节期、小口期、大口期、吐丝期、吐丝后 10 d、吐丝后 20 d 和吐丝后 30 d 7 个时期按 1∶1∶2∶2∶2∶1∶1 的比例追施，是优化干物质积累并获得高产的最佳氮肥管理策略。
3.2 不同氮肥运筹对氮素积累与转运的影响
适量施氮能够有效促进氮素吸收、提高干物质积累，进而改善籽粒品质提升产量，但持续增施氮肥对提高产量没有进一步的贡献[29-31]。在 7 次施氮下，N300 处理较 N240 处理产量提高了 4.59%，但是与 N360 处理不存在显著性差异，未出现产量下降的趋势。除了氮肥施用量外，作物生物量、氮素的高效积累，以及光合产物和氮素向籽粒的分配等因素也会影响玉米籽粒产量[32-33]。一次性施肥会使玉米前期氮素积累过多，不利于后期氮素吸收转运，而分次施肥能够更好地满足玉米全生育期的氮素需求，促进灌浆速率，优化源库特性，从而提高产量[34-36]。在 N300 施氮量下，随着施氮次数的增加，T7 处理较 T3 处理产量提高了 6.26%，但是与 T5 处理不存在显著性差异。Scharf 等[37]研究发现，当氮肥施用被延迟到 12 叶期至 16 叶期时，有 3 项试验（共 8 项试验）出现了约 3% 的轻微产量损失，这与本研究结果一致。这表明，对于大多数试验而言，即使氮肥施用时间相对推迟至较晚生长阶段，玉米产量并不会受到显著影响。
3.3 不同氮肥运筹对产量及氮肥利用率的影响
根据作物的氮素需求，减少基肥用量，并在生长季中适时追施氮肥以满足作物需求，是实现精准施肥的重要策略[38]。在一定范围内，植株的氮素吸收量和氮含量会随着施氮量的增加而提高，但当施氮量继续增加时，植株氮含量反而会下降[39]，而氮肥后移，分次施氮可以提高氮肥的农学利用效率，从而显著提高产量[40-41]。本试验中，在相同施氮量下，成熟期各器官的含氮量随施氮次数的增加而增加，氮肥农学利用效率也随着施氮次数呈现增加趋势，与前人研究结果一致。2022 年吐丝期叶片氮素积累显著高于 2023 年，可能是由于 2023 年 7 月的降水量多于 2022 年，降水过多加剧了氮肥淋溶，导致植株吸收氮素减少[42]。与一次性施氮相比，玉米分次追施氮肥显著提高了植株的总吸氮量和籽粒吸氮量，且籽粒吸氮量的提升更加显著[32]，在吐丝期后施用氮肥，植株可以迅速吸收氮素并将吸收的氮素分配到穗部[43]，因为氮肥后移显著提高玉米花后籽粒氮素的同化量[44]，这与本研究结果相吻合，在 N300 施氮量下，T7 处理较 T3 和 T5 处理籽粒氮素积累量分别提高了 11.77% 和 5.96%。此外，本研究表明，当施氮次数从 3 次增加至 5 次时，作物的氮肥利用率随施氮次数的增加而逐渐提高。但在相同施氮次数下，氮肥利用率会随着施氮量的增加呈先增加后下降的趋势。这表明合理优化施氮量与施氮次数的组合，是提高氮素利用效率和实现玉米产量提升的关键。
适当增加施氮次数能够有效延缓叶片衰老，延长高灌浆速率的持续时间，同时促进光合产物向籽粒的转运，提高花后氮素积累量，进而提升干物质积累和产量水平[45-46]。因此，在整个生育过程中，将氮素供应与玉米氮素需求相匹配，是实现玉米干物质积累和产量提升的关键策略[47-49]。本试验在无膜浅埋滴灌条件下通过水肥一体化技术，适当增加施氮量和施氮次数，显著提高玉米的氮素吸收效率，从而增加干物质积累量和籽粒产量。
4 结论
（1）适量增施氮肥可以显著提高干物质积累量，增加施氮次数延长了高灌浆速率的持续时间，并提升了干物质积累速率。N300-T7 处理干物质量较 N240-T7 和 N300-T3 处理分别增加了 9.76% 和 5.21%，干物质快速积累持续时间分别延后了 3 和 2 d，快速积累速率分别提高了 10.12% 和 1.74%。
（2）合理的氮肥运筹可以满足玉米的生育期需求，提升玉米产量。N300-T7 处理较 N240-T7 和 N300-T3 处理产量分别增加了 4.59% 和 6.26%，与 N360-T7 处理之间无显著差异。
（3）合理的氮肥运筹可以优化氮素积累，提高氮肥利用率。N300-T7 较 N300-T3 处理籽粒氮素积累量增加了 11.77%，氮肥利用率较 N240-T7、N300-T3 和 N360-T7 处理分别增加了 5.33%、12.95% 和 30.19%。
综上，在土默川平原灌区，无膜浅埋滴灌水肥一体化条件下，玉米最佳氮肥管理策略为：施氮量 300 kg/hm2，分别于拔节期、小口期、大口期、吐丝期、吐丝后 10 d、吐丝后 20 d 和吐丝后 30 d 7 个时期按 1∶1∶2∶2∶2∶1∶1 的比例分次追施。