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摘要 [目的] 闡明甜玉米产量和氮磷养分利用效率对氮肥施用量的响应模式，从而为改善甜玉米的氮肥管理方案、提高养分利用效率提供支撑。[方法] 在云南省大理市的洱海流域开展田间试验，设置5个氮肥施用量处理（0、100、200、300、400 kg/hm2），测定鲜穗产量、籽粒产量、地上部生物量产量，以及茎叶、苞叶、籽粒、穗轴等的氮磷含量;计算收获指数、籽粒吸氮量和吸磷量、地上部吸氮量和吸磷量、氮肥和磷肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮和磷利用效率、氮和磷收获指数及氮偏平衡。在此基础上，分析以上指标对氮肥施用量的响应模式。[结果] 鲜穗产量、籽粒产量、籽粒吸氮量、籽粒吸磷量及磷肥偏生产力随氮肥施用量的增加呈渐近增长的模式，最大增长幅度均为17.2%（与不施氮肥的对照相比）。地上部生物量产量、地上部吸氮量和吸磷量随氮肥施用量的增加呈渐近增长的趋势，但其统计模型不显著。氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率及籽粒氮肥利用效率在施氮量为100 kg/hm2时最大，分别为27.20 、2.51 kg/kg 及3.2%，三者随氮肥施用量的增加而指数下降，最大下降幅度分别为73.6%、59.8%及59.9%。收获指数、氮肥回收率、籽粒氮利用效率、氮收获指数、籽粒磷利用效率及磷收获指数等指标在处理间的变化范围分别为22.9%～25.5%、5.5%～11.9%、22.3～25.1 kg/kg 、28.3%～31.9%、30.1～34.3 kg/kg 及20.2%～23.0%，且随氮肥施用量的增加呈下降趋势，但有关模型不显著。施氮量为115 kg/hm2时，以地上部总吸氮量计算所得的氮平衡值等于1.0。[结论] 研究区域的土壤基础肥力较高，导致在较低施氮量时有较高的氮肥偏生产力，以及较低的氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率。茎叶吸收的氮向玉米穗和籽粒转移效率较低，由此进一步降低研究区域甜玉米的氮利用效率。增施氮肥能提高甜玉米对磷的利用效率。施氮量在115 kg/hm2左右是研究区域甜玉米施氮量的合理参考值。
关键词 甜玉米;氮肥利用效率;氮偏平衡;磷肥利用效率;洱海流域
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）19-0157-09
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.042
Abstract [Objective] To elucidate the response patterns of yield and nitrogen （N） and phosphorus （P） use efficiency of sweet corn （Zea mays L. saccharata Sturt） to N input rate， and then provide scientific support for improving N fertilizer management programmes， and increasing nutrient use efficiency of sweet corn. [Method] A field experiment amended with five N fertilizer input rate （i.e. 0， 100， 200， 300， and 400 kg/hm2） at Erhai watershed， Dali， Yunnan， PR China was conducted. The yield of fresh ear， grain， and aboveground biomass， and N and P content in stalks and leaves， husk leaves， grains， and shanks were analyzed， and then harvest index （HI）， N and P uptake in grain， N and P uptake in aboveground biomass， partial factor productivity of N and P fertilizer （PFPNF and PFPPF）， agronomic use efficiency of N fertilizer （AUENF）， recovery efficiency of N fertilizer （RENF）， grain utilization efficiency of N fertilizer （GUENF）， N and P use efficiency of grain （NUEgrain and PUEgrain）， harvest index of N and P （HIN and HIP）， and partial N balance （PNB） were calculated， and thereafter exploring the response patterns of the above mentioned indices to N fertilizer input rate. [Result] Fresh ear yield， grain yield， N and P uptake in grain， and PFPPF response to N fertilizer input rate presented an asymptotic growth model， and the maximum increment extent was 17.2% when compared with the control. Aboveground biomass and N and P uptake in aboveground biomass tended to increase asymptotically with N input rate， the associated statistical models， however， were not significant. The maximum PFPNF， AUENF， and GUENF was observed at the N input rate of 100 kg/hm2， and with the value of 27.20 kg/kg， 2.51 kg/kg， and 3.2%， respectively. Increasing N input rate induced exponentially decrease of PFPNF， AUENF， and GUENF， and the maximum decrease extent was 73.6%， 59.8%， and 59.9%， respectively. HI， RENF， NUEgrain， HIN， PUEgrain， and HIP of the five treatments were within the range of 22.9%-25.5%， 5.5%-11.9%， 22.3-25.1 kg/kg， 28.3%-31.9%， 30.1-34.3 kg/kg， and 20.2%-23.0%， respectively， and these indices tended to decrease with N input rate， however， the associated models were not significant. PNB was 1.0 when N input rate was 115 kg/hm2 and when PNB was calculated with aboveground N uptake. [Conclusion] Taken together， the basic fertility of the soil in the study area was relatively high， which resulted in the high PFPNF and low AUENF， RENF， and GUENF at low N input rate. N utilization efficiency of the sweet corn in the study area was further reduced by the low efficiency of N transformation from stalks and leaves to ears and grains. Increasing N fertilizer input could enhance P use efficiency of sweet corn. The recommended N fertilizer rate for sweet corn of the study area was 115 kg/hm2. Key words Sweet corn;Nitrogen fertilizer use efficiency;Partial nitrogen balance;Phosphorus fertilizer use efficiency;Erhai watershed
基金项目 国家自然科学基金项目（41963007）;大理大学博士科研启动费项目（KYBS2018028）。
作者简介 崔玉涛（1997—），女，重庆人，从事植物养分管理研究。*通信作者，讲师，博士，从事作物养分管理与农田养分循环研究。
收稿日期 2020-03-24;修回日期 2020-04-13
甜玉米（Zea mays L.saccharata Sturt）是兼具粮、果、蔬等三重用途的重要经济作物，在国内外被广泛种植[1]。统计数据显示，包括甜玉米在内的鲜食玉米种植在2015年占全國玉米种植面积的3%[2]。随着社会经济的发展和生活水平的提高，消费市场对甜玉米的需求量还将持续增长，甜玉米的种植规模将进一步扩大[3]。氮肥是作物种植所需的最关键肥料，其对作物生长和产量建成的促进作用早已被广泛认知[4-6]。然而，由于缺乏科学的管理和对作物产量的盲目追求，氮肥不合理施用已成为国内外普遍存在的现象，特别是偏施氮肥的现象更为突出，由此导致氮肥利用效率低、生态环境遭受严重负面影响等问题[7-9]。在此背景下，合理施用氮肥、提高氮肥利用效率、降低氮肥对生态环境的不良影响已成为当前农业生产研究中最为关注的重大问题之一[10-13]。甜玉米作为需氮量很大的一类作物，研究其对氮肥的吸收和利用特征、提高氮肥利用效率，将对其生产提质增效和农业绿色发展有重要指导意义。
迄今，针对提高普通玉米的氮肥利用效率研究较多，研究者从土壤与植物营养、农学、育种等多学科角度着手，探索出系列管理技术，如确定合理的氮肥施用量和施用时间、配方施肥、优化种植密度及播种时间、改善品种等[14-17]。在已有的所有技术中，确定氮肥的合理施用量是其中的核心之一，大多围绕这一主题展开[5，18]。目前，研究表明，我国玉米生产的氮肥平均施用量应控制在214～256 kg/hm2，此时可兼顾较高的产量和较高的氮肥利用效率，在保证粮食安全的同时有效降低氮肥对生态环境的负面影响（产量为12 600～14 200 kg/hm2，氮肥偏生产力为56～59 kg/kg[18]。
相比之下，国内外对甜玉米氮肥需求规律的研究则异常匮乏，与此有关的针对性研究仅见少量报道。资料显示，与普通玉米及北美地区的甜玉米种植相比，我国甜玉米的氮肥管理显得较为粗放，有关研究也显得较为薄弱。当前，我国甜玉米的氮肥施用量普遍较高，大多数研究均超过250 kg/hm2，在一些研究中高达458～607 kg/hm2[19-23];而在一些农技推广指导中，除大量施用有机肥外，同时额外增施的化学氮肥用量甚至达345～500 kg/hm2[24-26]。然而，美国和加拿大的甜玉米施氮量基本在150 kg/hm2以下，只有个别研究中的施氮量达200 kg/hm2左右[27-32]。
造成我国甜玉米氮肥施用量偏高的一个主要原因是当前的甜玉米种植以高产为主要目标，很少考虑氮肥施用量对氮肥利用效率及生态环境的影响。迄今，仅发现4篇文献对氮肥施用量与甜玉米产量间的关系做过较为细致的研究，而这其中仅有一篇文献同时报道了氮肥利用效率对氮肥施用量的响应特征[33-36]。这4项研究表明，仅权衡产量和玉米穗农艺性状表现时，其中一项研究的甜玉米最佳施氮量为210 kg/hm2[36]，另外3项研究的甜玉米最佳施氮量可高达300～405 kg/hm2[33-35]。但如果同时权衡产量、氮肥利用效率及经济效益时，甜玉米最佳施氮量需从400 kg/hm2下调到250 kg/hm2，下调幅度高达38%[34]。因此，在我国甜玉米生产中，关于氮肥施用量对甜玉米氮肥利用效率的影响亟待深入研究。
在评价玉米氮肥利用效率时，对普通玉米的有关研究已经发展出系列指标，包括氮肥偏生产力（partial factor productivity of nitrogen fertilizer，PFPNF）、氮肥农学利用效率（agronomic use efficiency of nitrogen fertilizer，AUENF）、氮肥回收率（recovery efficiency of nitrogen fertilizer，RENF）、籽粒氮肥利用效率（grain utilization efficiency of nitrogen fertilizer，GUENF）、籽粒氮利用效率（nitrogen use efficiency of grain，NUEgrain）、氮收获指数（harvest index of nitrogen，HIN）及氮偏平衡（partial nitrogen balance，PNB）等[37-39]。对这些指标分别进行分析，能较为全面地认识调控甜玉米氮肥利用效率的各内外环节所起的作用，从而为改进管理技术提供有针对性的指导[37]。当前，在普通玉米的研究中，对这些指标的认识与应用已臻成熟，值得在甜玉米的研究中对其进行借鉴和采纳。基于以上背景，笔者通过在云南大理洱海流域开展田间试验，解析氮肥施用量对甜玉米产量和氮磷养分利用效率的影响规律，以期为改善区域甜玉米氮肥管理现状提供理论基础和技术参考。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
研究地点位于云南省大理市的大理大学农学实验站，地理坐标为100°10′30″ E，25°41′3″ N，海拔2 002 m。该区域属亚热带高原季风气候类型，气温年较差小，日较差大，雨热同季。近30年间，年均温15.5 ℃，最暖月和最冷月分别为7月和1月（月均温分别为20.1和8.6 ℃）;年降水量1 060 mm，6—10月为雨季（降水量占全年降水量的80.3%），11—次年5月为旱季。0～50 cm土层pH为5.3，容重为1.22～1.46 g/cm3，有机质含量为30～67 g/kg，速效磷含量为76.4～225.3 mg/kg（表1）。 1.2 田间试验设计和管理
用耘甜8号（广东现代金穗种业有限公司）作为供试甜玉米品种。研究因素为氮肥施用量，设置5个水平（0、100、200、300、400 kg/hm2）。所用氮肥为尿素（N含量46%），分3次施用，分别为基肥、六叶期及抽雄期3个阶段各施入全生育期氮肥施用总量的30%、35%及35%。磷肥和钾肥分别用过磷酸钙（P2O5含量16%）和硫酸钾（K2O含量50%），二者皆全部用作基肥，施用量均为100 kg/hm2（按P2O5和K2O计）。基肥于整地前撒施于地表，整地时与表层30 cm土层混匀。作为追肥的氮肥先撒施于地表，之后浇水。试验小区采用随机区组排列，设4次重复，小区面积为9.5 m×1.9 m=17.5 m2。2018年6月20日播种，乳熟期收获（10月1日），共持续105 d。甜玉米株距和行距分别为25 cm和60 cm（66 667株/hm2）。田间试验期间为研究区域的雨季，除追施氮肥时进行少量浇水外，其余时间未浇水，并做好排水工作。
1.3 样品采集与测定
整地前采集土壤样品，用于测定土壤容重、pH、有机质及速效磷含量。采集土壤样品时，在整个试验区随机选取4个采样点（即4次重复），对各采样点的0～10、10～30及30～50 cm 3个土层土壤进行分层采样。
产量测定及玉米样品采集于甜玉米达到最佳鲜食程度时进行（乳熟期，10月1日）。测产时，在各小区内部选取2行玉米，每行连续采玉米6株，2行共12株;在田间测定各株玉米的茎叶鲜重及对应的穗鲜重（包括苞叶、籽粒及穗轴3个部分的总种）。然后从各小区的12株玉米中分别随机采茎叶样品1份，玉米穗样品3穗，带回实验室测定茎叶、籽粒、苞叶及穗轴等的水分含量、干物质重量、氮磷养分元素含量及出籽率。
气候数据源自附近的大理气象观测站。土壤容重用环刀法测定;pH用pH计测定;有机质含量用灼烧法测定[40];速效磷含量用NH4F-HCl溶液浸提-钼锑抗显色法测定[41]。田间试验期间的土壤温度和体积含水量动态变化用土壤温湿度监测仪EM50（Decagon Devices，Inc.USA）监测;在田间选取2个监测点，在10和30 cm深度土层安装温湿度探头（即每个深度2次重复），每10 min采集一次土壤温湿度数据。玉米样品在60 ℃的烘箱中烘干至恒重后计算含水量。玉米茎叶、籽粒、苞叶及穗轴等用H2SO4-H2O2消煮，之后用凯氏定氮法测定全氮含量，用钼锑抗显色法测定磷含量[42]。
1.4 数据计算与统计分析
土壤温湿度各监测点在一天当中的温度和水分含量日均值、最大值及最小值分别用各探头一天中记录的全部数据（144个数据/d）的均值、最大值及最小值表示;各土层2个重复一天中的温湿度日均值、最大值及最小值的均值作为试验区相应土层温湿度的日均值、最大值及最小值。
鲜穗产量包括苞叶、籽粒及穗轴的总鲜重，以各小区12株玉米的鲜穗总重来换算成相应小区的产量。籽粒、苞叶及穗轴的干物质产量分别以他们各自占鲜穗的百分数和鲜穗产量来计算。地上部生物量产量以干物质计，包括茎叶、籽粒、苞叶、穗轴的干物质总重。收获指数（harvest index，HI）为籽粒产量占地上部总生物量的百分数（均以干重计）[43]。籽粒吸氮量和吸磷量为籽粒干物质产量分别乘以籽粒含氮量和含磷量;地上部吸氮量和吸磷量为地上部茎叶、籽粒、苞叶及穗轴各自的干物质产量分别乘以他们各自的氮磷含量后相加取和。
氮利用效率用如下7项指标表征：氮肥偏生产力（PFPNF）、氮肥农学利用效率（AUENF）、氮肥回收率（RENF）、籽粒氮肥利用效率（GUENF）、籽粒氮利用效率（NUEgrain）、氮收获指数（HIN）、氮偏平衡（PNB）。
PFPNF=Ygrain/Nr。式中，PFPNF，氮肥偏生产力，kg/kg;Ygrain，籽粒产量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[39]。
AUENF=（YgrainN-Ygrain0）/Nr。式中，AUENF，氮肥农学利用效率，kg/kg;YgrainN，施氮区籽粒产量，kg/hm2;Ygrain0，不施氮区籽粒产量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[44-45]。
RENF =（UNN-UN0）/Nr×100%。式中，RENF，氮肥回收率，%;UNN，施氮区玉米地上部吸氮总量，kg/hm2;UN0，不施氮区玉米地上部吸氮總量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[46-47]。
GUENF=（GNN-GN0）/Nr×100%。式中，GUENF，籽粒氮肥利用效率，%;GNN，施氮区籽粒吸氮总量，kg/hm2;GN0，不施氮区籽粒吸氮总量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[45，48]。
NUEgrain =Ygrain/UN。式中，NUEgrain，籽粒氮利用效率，kg/kg;Ygrain，籽粒产量，kg/hm2;UN，地上部吸氮总量，kg/hm2[49]。
HIN=GN/UN×100%。式中，HIN，氮收获指数，%;GN，籽粒吸氮量，kg/hm2;UN，玉米地上部吸氮总量，kg/hm2[43]。
PNB=UN/Nr。式中，PNB，氮偏平衡，无量纲;UN，收获物中带走的氮养分量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[38]。该研究中，用籽粒吸氮量、玉米穗（包括苞叶、籽粒及穗轴）吸氮量及地上部（包括茎叶和玉米穗）吸氮量等3种方法分别计算收获物中带走的氮养分量，然后再分别计算氮偏平衡。 磷肥偏生产力（PFPPF）、籽粒磷利用效率（PUEgrain）及磷收获指数（HIP）分别按氮肥偏生产力、籽粒氮利用效率及氮收获指数的公式进行计算，其中的磷肥施用量和玉米磷吸收量以P2O5计。
氮肥施用量与鲜穗产量、籽粒产量、地上部生物量产量、籽粒吸氮量、地上部吸氮量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量、磷肥偏生产力之间的关系用渐近增长模型拟合[50-51]：
y=α+δ（1-e-βx）
式中，y，应变量;α，未施用氮肥时应变量的取值;δ，应变量对氮肥施用的最大响应程度（即氮肥供应充足时，应变量的最大增加潜力）;β，应变量对氮肥施用量增加的响应速率;x，氮肥施用量。
氮肥施用量与收获指数之间的关系用简单线性模型拟合。氮肥施用量与氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率、氮收获指数、籽粒磷利用效率、磷收获指数及氮偏平衡之间的关系用指数下降模型拟合[52]：
y=θe-kx
式中，y，应变量;θ，拟合参数，相当于应变量可能达到的最大值;k，应变量对氮肥施用量的响应速率;x，氮肥施用量。用SigmaPlot（version 12.0）软件进行模型的拟合，并在α=0.05的水平上检验统计模型显著性。
2 结果与分析
2.1 土壤温湿度状况
田间试验期间，土壤温度较高，水分充足。10和30 cm深度土层中，日均温分别在19.2～25.1 ℃和19.8～23.6 ℃，瞬时最低温分别为18.1和19.5 ℃，瞬时最高温分别为29.7和24.1 ℃（图1A和B）;水分含量日均值分别在0.19～0.39和0.20～0.43 m3/m3，瞬时最低含水量分别为0.18和0.19 m3/m3，瞬时最高含水量分别为0.48和0.44 m3/m3（图1C和D）。
2.2 产量指标对氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理鲜穗产量和籽粒产量分别为17 510和2 469 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加幅度分别为3 015和425 kg/hm2（渐近增长模型的参数δ），二者的增加量均为17.2%（图2A和B）。地上部生物量产量随氮肥施用量的增加呈渐近增长的趋势，但其模型不显著。处理间地上部生物量产量的变异范围为9 758～12 575 kg/hm2，最高产量的处理（400 kg/hm2处理）比最低产量的处理（0 kg/hm2处理）高28.9%（图2C）。收获指数在处理间的变异范围为22.9%～25.5%，随施氮量的增加呈下降趋势，但其模型不显著（图2D）。
2.3 氮磷养分吸收对氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理，籽粒吸氮量和吸磷量分别为31.36和16.57 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量分别为5.40和2.85 kg/hm2（渐近增长模型的参数δ），增加幅度均为17.2%（图3A和C）。地上部吸氮总量和吸磷总量在处理间的变异范围分别为99.2～129.2和72.7～95.6 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加呈上升趋势，但统计模型不显著（图3B和D）。
2.4 氮利用效率对氮肥施用量的响应
施氮量为100 kg/hm2时，氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率及籽粒氮肥利用效率分别为27.20、2.51 kg/kg及3.2%，三者均随氮肥施用量的增加而下降（P<0.05），最大下降幅度分别为73.6%、59.8%及59.9%（图4A、B和D）。如果以鲜穗产量计，氮肥施用量为100、200、300、400 kg/hm2时，各自的氮肥偏生产力依次为193、100、68及51 kg/kg，氮肥农学利用效率依次为17.79、12.66、9.66及7.17 kg/kg。
氮肥回收率、籽粒氮利用效率及籽粒氮收获指数在处理间的变异范围分别为5.45%～11.87%、22.25～25.09 kg/kg及28.3%～31.9%，三者均随氮肥施用量的增加呈下降趋势，下降幅度分别为54.1%、11.3%及11.3%，但三者与氮肥施用量关系的模型不显著（图4C、E和F）。如果以全穗吸氮量（包括籽粒、穗轴、苞叶）计算，氮收获指数随氮肥施用量增加呈下降趋势，但二者之间的线性模型不显著，氮收获指数在34.8%～39.2%，平均值为37.5%。
氮偏平衡在施氮量为100 kg/hm2时最高，此时以地上部总吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量来计，氮偏平衡的值分别为1.11、0.42及0.35。3种计算方法所得到的氮偏平衡值均随施氮量的增加呈指数下降模式（P<0.05），在施氮量为400 kg/hm2时降到最低，此时以地上部总吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量计算所得的氮偏平衡值分别是0.32、0.11及0.09。根据统计模型的计算结果，施氮量为115 kg/hm2时，以地上部总吸氮量计算所得的氮偏平衡值等于1.0（图5）。
2.5 磷利用效率對氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理磷肥偏生产力为24.69 kg/kg，且随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量为4.25 kg/kg（渐近增长模型的参数δ），增加幅度为17.2%（图6A）。籽粒磷利用效率和磷收获指数的变异范围分别为30.1～34.3 kg/kg和20.2%～23.0%，二者均随氮肥施用量的增加呈下降趋势，下降幅度均为12.2%，但二者与氮肥施用量关系的模型不显著（图6B和C）。
3 讨论
3.1 甜玉米产量建成对氮肥的需求
该研究中，未施氮肥的处理甜玉米鲜穗产量为17 510 kg/hm2，施用氮肥最多使产量增加17.2%。这表明研究区域的土壤基础肥力很高（包括有机质和速效磷均处于较高水平），能够供应甜玉米所需氮素的82.8%。一项在江苏2个甜玉米品种不施氮肥的处理鲜穗产量分别约为8 000和9 000 kg/hm2[53];在广东的一项研究中，不施氮肥的鲜穗产量为8 500～10 000 kg/hm2[54];在广东的另一项研究中，不施氮肥的鲜穗产量为5 432 kg/hm2，氮肥施用量在400 kg/hm2左右时产量达到最高值，约为18 031 kg/hm2，增产232%[34]。 与现有大多数研究结果相似，玉米产量随氮肥施用量的增加呈典型的渐近增长模式，表明随着施氮量的增加，单位质量氮肥的增产效果将减弱[33，52，55]。但在不同研究中，达到最高产量所需的氮肥用量差异很大，在112～607 kg/hm2[21，29]。研究表明，甜玉米达到最高产量所需的氮肥施用量与该研究相近，约为400 kg/hm2[34-35]。但在江苏的一项研究中，氮肥施用量在225 kg/hm2时，2个品种的甜玉米产量均达到最大值，分别约为14 500和16 500 kg/hm2，之后进一步增施氮肥将导致产量下降[53]。在广东的一项研究中，氮肥施用量为300 kg/hm2左右达到最高产量，此时的鲜穗产量约为16 300 kg/hm2[33]。此外，在一些追求高产的研究中，氮肥施用量最高可达458～607 kg/hm2[21]。在美国田纳西州（Tennessee，USA）的一项研究表明，氮肥施用量在112 kg/hm2时产量最高[29]。
掌握作物的产量潜力，从而为今后提高作物产量提供管理目标，是粮食作物生产所关注的一个重要问题，这一问题在过去10年间已引起广泛关注[5，55-58]。当前，研究者普遍认为粮食作物生产达到产量潜力的80%是未来二三十年的努力目标，实现这一目标不仅能保障全球粮食安全，而且有希望通过技术手段实现农业生产的可持续发展[55]。该研究中，根据鲜穗产量对氮肥施用量的响应模型，施用氮肥最多使甜玉米鲜穗产量达20 525 kg/hm2，这基本能反映供试甜玉米品种在研究区域的产量潜力。因为一方面，试验期间的环境温湿度状况比较适宜，也未出现明显的病虫草害，这些外部条件不太可能成为产量形成的限制因子;另一方面，该研究的磷肥和钾肥施用量均为100 kg/hm2（分别按P2O5和K2O计），二者的施用量及其施用方式应该能够满足玉米对磷肥和钾肥的需求，不太可能成为甜玉米产量对氮肥施用量响应的限制因子[52，57]。在现有研究中，玉米磷肥施用量在45～135 kg/hm2[22，53，59-61]，钾肥施用量在72～112 kg/hm2，仅个别研究可达200 kg/hm2[21-22，53，61]。
与已有的研究结果相比，该研究的产量潜力属于较高水平。如2015年，全国甜玉米试验区区试研究的平均产量仅为13 392 kg/hm2[1]。近几年报道的一些甜玉米高产新品种的产量在14 782～19 200 kg/hm2[19，62-65]，仅个别研究中的甜玉米产量达28 206 kg/hm2[66]。除品种和气候条件差异外[66]，导致该研究甜玉米产量潜力较高的一个可能主要原因是种植密度较大，达66 667株/hm2。这一种植密度与普通玉米相比属于中等水平[67]，但在甜玉米中属于较高水平。种植密度是玉米高产研究的一项重要内容，通常情况下，在一定的范围内，增加种植密度能有效提高玉米产量[22，68-71]。在现有的甜玉米种植研究中，种植密度大多在45 000～60 000株/hm2[19，21，34，53，62-63]，仅个别研究中的种植密度与该研究相近（达67 500 株/hm2）[72]。美国的甜玉米种植密度为43 000～86 000株/hm2，平均為56 000株/hm2[73-74]。
3.2 甜玉米对氮的利用效率
氮肥偏生产力及氮肥农学利用效率在一定程度上能反映土壤的基础肥力及供氮水平，如果在较低施氮水平得到较高的氮肥偏生产力及较低的氮肥农学利用效率，则表明土壤基础肥力及供氮水平较高[38]。该研究中，施氮量为100 kg/hm2的处理，以鲜穗产量所计的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率分别为193和17.8 kg/kg。与相近施氮量的其他研究相比，该研究的氮肥偏生产力偏高，氮肥农学利用效率偏低。如在施氮量约为100 kg/hm2时，国内4项研究的氮肥偏生产力为93～148 kg/kg，氮肥农学利用效率为30～43 kg/kg[33-34，36，66];北美3项研究的氮肥偏生产力为72～100 kg/kg，氮肥农学利用效率为22～57 kg/kg[27，29，32]。因此，该研究氮肥偏生产力及氮肥农学利用效率的结果也表明，研究区域的土壤基础肥力及供氮能力处于较高水平。
该研究中，5个施氮量处理的甜玉米氮肥回收率为5.45%～11.87%。在已有的文献中，其中1项研究的甜玉米氮肥回收率为11.6%～22.7%[54]，另1项研究的氮肥回收率在15.9%～31.6%[34]。因此，氮肥回收率的结果表明，对于该研究所在的区域而言，即使施氮量为100 kg/hm2，甜玉米也不能非常有效地吸收利用所施氮肥，同时也进一步表明研究区域的土壤供氮能力较强。
目前，对甜玉米氮收获指数的研究不仅较少，且计算方法也不统一，分别有用籽粒吸氮量和全穗（包括苞叶、籽粒、穗轴）吸氮量占地上部总吸氮量百分数2种方法计算。该研究的5个施氮量处理中，以籽粒吸氮量和全穗吸氮量计算所得的氮收获指数分别为28.3%～31.9%和34.8%～39.2%，与其他研究相比，这一结果处于较低水平。如在广东的1项研究中，以籽粒吸氮量计算所得的氮收获指数高达66%～82%[22];其他研究以全穗吸氮量计算所得的氮收获指数为45%～76%[34，54，75]。因此，甜玉米地上部吸收的氮向籽粒及玉米穗转移的效率较低也是限制该研究氮肥利用效率提升的一个重要因素。
与作物氮利用效率响应施氮量增长的典型模式一致，该研究的氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率及氮收获指数等各项氮利用效率指标均随施氮量的增加而降低（或呈降低趋势），表明随着氮肥施用量的增加，单位质量氮肥对甜玉米产量增加的促进作用减弱，同时有更大比例的氮不能被玉米吸收利用而存留在环境中[27，29，32-34，36，52，54]。
与普通玉米相比，该研究中甜玉米氮利用效率的各项指标都明显偏低。如当前我国普通玉米氮肥偏生产力的平均水平为40 kg/kg（平均施氮量为266 kg/hm2），而该研究中以甜玉米籽粒干重计算所得的氮肥偏生产力最高为27.20 kg/kg（施氮量为100 kg/hm2）。在我国华北地区的一项研究表明，通过优化管理措施，河北、山东及河南（施氮量分别为270、150及240 kg/hm2）3个省的普通玉米氮肥农学利用效率分别达3.9、9.5及3.2 kg/kg，氮肥回收率分别达18.0%、34.2%及20.1%[61];而该研究中，甜玉米的氮肥农学利用效率和氮肥回收率最高分别为2.51 kg/kg（施氮量为100 kg/hm2）和11.87%（施氮量为200 kg/hm2）。甜玉米氮利用效率严重偏低的一个重要原因是由甜玉米自身的商品特性所决定。由于甜玉米的收获期是在乳熟期，而普通玉米的收获期是在完熟期，乳熟期至完熟期是玉米籽粒干物质积累及氮元素向籽粒转移的重要时期，甜玉米在乳熟期进行收获必然降低其氮利用效率。如该研究中，甜玉米的收获指数（以籽粒干重计）和籽粒氮收获指数分别为22.9%～25.5%和28.3%～31.9%，而普通玉米的收获指数和氮收获指数分别约为50%和60%[67，76];该研究甜玉米收获时的茎叶氮含量为1.13%，而普通玉米收获时的茎叶氮含量仅为0.80%左右，后者下降到仅为前者的71%[67，76]。 3.3 甜玉米对磷的利用效率
该研究中，增施氮肥通过促进甜玉米生物量和籽粒产量的增加而增加对磷的吸收（图3C和D），同时提升磷肥偏生产力（图6A）。赵荣芳等[22]在广东的1项研究中，甜玉米磷肥偏生产力（以籽粒干重计）为13～15 kg/kg，籽粒磷利用效率为99～130 kg/kg，磷收获指数为48%～54%。与其相比，该研究的磷肥偏生产力高1倍，籽粒磷利用效率和磷收获指数则分别仅为其25%～36%和41%～46%。与普通玉米相比，甜玉米的磷利用效率显著偏低，如1项在河北、河南、山东、山西4省的研究表明，在优化养分管理的条件下，磷肥偏生产力为92～171 kg/kg[61]，另1项在华北地区的研究表明，普通玉米的磷收获指数约为70%[77]。
3.4 氮肥合理施用量的确定
包括氮肥管理在内的作物养分管理中，存在增施氮肥提高作物产量，但同时又必然降低氮利用效率这一矛盾，在权衡二者的过程中如何确定合适的氮肥施用量则是今后研究重点关注的问题[52]。为实现对作物产量和养分利用效率的科学平衡，当前的普遍共识：以达到产量潜力的80%作为生产目标，此时有希望通过优化各种管理措施实现较高的养分利用效率[52，57]。该研究中，如果以最高产量作为研究区域的甜玉米产量潜力，即使不施氮肥的对照产量已经达到产量潜力的86%。然而，这表明研究区域土壤的短期基础供氮能力高，对于集约化农业生产而言，不施氮肥是不可持续的生产方式。因此，用氮偏平衡可作为氮肥施用量的有效参考指标。在不进行秸秆还田的情况下，该研究以地上部吸氮总量计算所得的氮偏平衡值在施氮量为115 kg/hm2时的氮平衡值等于1.0，表明施氮量高于这一水平才有可能维持土壤的持续供氮能力，且此时的产量已达到产量潜力的95%，进一步增施氮肥将显著降低产量增加对氮肥的响应及氮利用效率。因此，115 kg/hm2左右是研究区域甜玉米施氮量的参考值。
4 结论
该研究结果表明，研究区域的土壤基础肥力较高，导致氮肥在较低施氮量时有较高的氮肥偏生产力，以及较低的氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率。增施氮肥能提高甜玉米对磷的利用效率。115 kg/hm2左右是研究区域甜玉米施氮量的合理参考值。与普通玉米及北美地区的甜玉米相比，当前我国的甜玉米不仅施氮量偏高，且氮利用效率严重偏低。因此，亟需对甜玉米的氮肥管理进行更加广泛深入的研究。
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关键词 甜玉米;氮肥利用效率;氮偏平衡;磷肥利用效率;洱海流域
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）19-0157-09
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.042
Abstract [Objective] To elucidate the response patterns of yield and nitrogen （N） and phosphorus （P） use efficiency of sweet corn （Zea mays L. saccharata Sturt） to N input rate， and then provide scientific support for improving N fertilizer management programmes， and increasing nutrient use efficiency of sweet corn. [Method] A field experiment amended with five N fertilizer input rate （i.e. 0， 100， 200， 300， and 400 kg/hm2） at Erhai watershed， Dali， Yunnan， PR China was conducted. The yield of fresh ear， grain， and aboveground biomass， and N and P content in stalks and leaves， husk leaves， grains， and shanks were analyzed， and then harvest index （HI）， N and P uptake in grain， N and P uptake in aboveground biomass， partial factor productivity of N and P fertilizer （PFPNF and PFPPF）， agronomic use efficiency of N fertilizer （AUENF）， recovery efficiency of N fertilizer （RENF）， grain utilization efficiency of N fertilizer （GUENF）， N and P use efficiency of grain （NUEgrain and PUEgrain）， harvest index of N and P （HIN and HIP）， and partial N balance （PNB） were calculated， and thereafter exploring the response patterns of the above mentioned indices to N fertilizer input rate. [Result] Fresh ear yield， grain yield， N and P uptake in grain， and PFPPF response to N fertilizer input rate presented an asymptotic growth model， and the maximum increment extent was 17.2% when compared with the control. Aboveground biomass and N and P uptake in aboveground biomass tended to increase asymptotically with N input rate， the associated statistical models， however， were not significant. The maximum PFPNF， AUENF， and GUENF was observed at the N input rate of 100 kg/hm2， and with the value of 27.20 kg/kg， 2.51 kg/kg， and 3.2%， respectively. Increasing N input rate induced exponentially decrease of PFPNF， AUENF， and GUENF， and the maximum decrease extent was 73.6%， 59.8%， and 59.9%， respectively. HI， RENF， NUEgrain， HIN， PUEgrain， and HIP of the five treatments were within the range of 22.9%-25.5%， 5.5%-11.9%， 22.3-25.1 kg/kg， 28.3%-31.9%， 30.1-34.3 kg/kg， and 20.2%-23.0%， respectively， and these indices tended to decrease with N input rate， however， the associated models were not significant. PNB was 1.0 when N input rate was 115 kg/hm2 and when PNB was calculated with aboveground N uptake. [Conclusion] Taken together， the basic fertility of the soil in the study area was relatively high， which resulted in the high PFPNF and low AUENF， RENF， and GUENF at low N input rate. N utilization efficiency of the sweet corn in the study area was further reduced by the low efficiency of N transformation from stalks and leaves to ears and grains. Increasing N fertilizer input could enhance P use efficiency of sweet corn. The recommended N fertilizer rate for sweet corn of the study area was 115 kg/hm2. Key words Sweet corn;Nitrogen fertilizer use efficiency;Partial nitrogen balance;Phosphorus fertilizer use efficiency;Erhai watershed
基金项目 国家自然科学基金项目（41963007）;大理大学博士科研启动费项目（KYBS2018028）。
作者简介 崔玉涛（1997—），女，重庆人，从事植物养分管理研究。*通信作者，讲师，博士，从事作物养分管理与农田养分循环研究。
收稿日期 2020-03-24;修回日期 2020-04-13
甜玉米（Zea mays L.saccharata Sturt）是兼具粮、果、蔬等三重用途的重要经济作物，在国内外被广泛种植[1]。统计数据显示，包括甜玉米在内的鲜食玉米种植在2015年占全國玉米种植面积的3%[2]。随着社会经济的发展和生活水平的提高，消费市场对甜玉米的需求量还将持续增长，甜玉米的种植规模将进一步扩大[3]。氮肥是作物种植所需的最关键肥料，其对作物生长和产量建成的促进作用早已被广泛认知[4-6]。然而，由于缺乏科学的管理和对作物产量的盲目追求，氮肥不合理施用已成为国内外普遍存在的现象，特别是偏施氮肥的现象更为突出，由此导致氮肥利用效率低、生态环境遭受严重负面影响等问题[7-9]。在此背景下，合理施用氮肥、提高氮肥利用效率、降低氮肥对生态环境的不良影响已成为当前农业生产研究中最为关注的重大问题之一[10-13]。甜玉米作为需氮量很大的一类作物，研究其对氮肥的吸收和利用特征、提高氮肥利用效率，将对其生产提质增效和农业绿色发展有重要指导意义。
迄今，针对提高普通玉米的氮肥利用效率研究较多，研究者从土壤与植物营养、农学、育种等多学科角度着手，探索出系列管理技术，如确定合理的氮肥施用量和施用时间、配方施肥、优化种植密度及播种时间、改善品种等[14-17]。在已有的所有技术中，确定氮肥的合理施用量是其中的核心之一，大多围绕这一主题展开[5，18]。目前，研究表明，我国玉米生产的氮肥平均施用量应控制在214～256 kg/hm2，此时可兼顾较高的产量和较高的氮肥利用效率，在保证粮食安全的同时有效降低氮肥对生态环境的负面影响（产量为12 600～14 200 kg/hm2，氮肥偏生产力为56～59 kg/kg[18]。
相比之下，国内外对甜玉米氮肥需求规律的研究则异常匮乏，与此有关的针对性研究仅见少量报道。资料显示，与普通玉米及北美地区的甜玉米种植相比，我国甜玉米的氮肥管理显得较为粗放，有关研究也显得较为薄弱。当前，我国甜玉米的氮肥施用量普遍较高，大多数研究均超过250 kg/hm2，在一些研究中高达458～607 kg/hm2[19-23];而在一些农技推广指导中，除大量施用有机肥外，同时额外增施的化学氮肥用量甚至达345～500 kg/hm2[24-26]。然而，美国和加拿大的甜玉米施氮量基本在150 kg/hm2以下，只有个别研究中的施氮量达200 kg/hm2左右[27-32]。
造成我国甜玉米氮肥施用量偏高的一个主要原因是当前的甜玉米种植以高产为主要目标，很少考虑氮肥施用量对氮肥利用效率及生态环境的影响。迄今，仅发现4篇文献对氮肥施用量与甜玉米产量间的关系做过较为细致的研究，而这其中仅有一篇文献同时报道了氮肥利用效率对氮肥施用量的响应特征[33-36]。这4项研究表明，仅权衡产量和玉米穗农艺性状表现时，其中一项研究的甜玉米最佳施氮量为210 kg/hm2[36]，另外3项研究的甜玉米最佳施氮量可高达300～405 kg/hm2[33-35]。但如果同时权衡产量、氮肥利用效率及经济效益时，甜玉米最佳施氮量需从400 kg/hm2下调到250 kg/hm2，下调幅度高达38%[34]。因此，在我国甜玉米生产中，关于氮肥施用量对甜玉米氮肥利用效率的影响亟待深入研究。
在评价玉米氮肥利用效率时，对普通玉米的有关研究已经发展出系列指标，包括氮肥偏生产力（partial factor productivity of nitrogen fertilizer，PFPNF）、氮肥农学利用效率（agronomic use efficiency of nitrogen fertilizer，AUENF）、氮肥回收率（recovery efficiency of nitrogen fertilizer，RENF）、籽粒氮肥利用效率（grain utilization efficiency of nitrogen fertilizer，GUENF）、籽粒氮利用效率（nitrogen use efficiency of grain，NUEgrain）、氮收获指数（harvest index of nitrogen，HIN）及氮偏平衡（partial nitrogen balance，PNB）等[37-39]。对这些指标分别进行分析，能较为全面地认识调控甜玉米氮肥利用效率的各内外环节所起的作用，从而为改进管理技术提供有针对性的指导[37]。当前，在普通玉米的研究中，对这些指标的认识与应用已臻成熟，值得在甜玉米的研究中对其进行借鉴和采纳。基于以上背景，笔者通过在云南大理洱海流域开展田间试验，解析氮肥施用量对甜玉米产量和氮磷养分利用效率的影响规律，以期为改善区域甜玉米氮肥管理现状提供理论基础和技术参考。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
研究地点位于云南省大理市的大理大学农学实验站，地理坐标为100°10′30″ E，25°41′3″ N，海拔2 002 m。该区域属亚热带高原季风气候类型，气温年较差小，日较差大，雨热同季。近30年间，年均温15.5 ℃，最暖月和最冷月分别为7月和1月（月均温分别为20.1和8.6 ℃）;年降水量1 060 mm，6—10月为雨季（降水量占全年降水量的80.3%），11—次年5月为旱季。0～50 cm土层pH为5.3，容重为1.22～1.46 g/cm3，有机质含量为30～67 g/kg，速效磷含量为76.4～225.3 mg/kg（表1）。 1.2 田间试验设计和管理
用耘甜8号（广东现代金穗种业有限公司）作为供试甜玉米品种。研究因素为氮肥施用量，设置5个水平（0、100、200、300、400 kg/hm2）。所用氮肥为尿素（N含量46%），分3次施用，分别为基肥、六叶期及抽雄期3个阶段各施入全生育期氮肥施用总量的30%、35%及35%。磷肥和钾肥分别用过磷酸钙（P2O5含量16%）和硫酸钾（K2O含量50%），二者皆全部用作基肥，施用量均为100 kg/hm2（按P2O5和K2O计）。基肥于整地前撒施于地表，整地时与表层30 cm土层混匀。作为追肥的氮肥先撒施于地表，之后浇水。试验小区采用随机区组排列，设4次重复，小区面积为9.5 m×1.9 m=17.5 m2。2018年6月20日播种，乳熟期收获（10月1日），共持续105 d。甜玉米株距和行距分别为25 cm和60 cm（66 667株/hm2）。田间试验期间为研究区域的雨季，除追施氮肥时进行少量浇水外，其余时间未浇水，并做好排水工作。
1.3 样品采集与测定
整地前采集土壤样品，用于测定土壤容重、pH、有机质及速效磷含量。采集土壤样品时，在整个试验区随机选取4个采样点（即4次重复），对各采样点的0～10、10～30及30～50 cm 3个土层土壤进行分层采样。
产量测定及玉米样品采集于甜玉米达到最佳鲜食程度时进行（乳熟期，10月1日）。测产时，在各小区内部选取2行玉米，每行连续采玉米6株，2行共12株;在田间测定各株玉米的茎叶鲜重及对应的穗鲜重（包括苞叶、籽粒及穗轴3个部分的总种）。然后从各小区的12株玉米中分别随机采茎叶样品1份，玉米穗样品3穗，带回实验室测定茎叶、籽粒、苞叶及穗轴等的水分含量、干物质重量、氮磷养分元素含量及出籽率。
气候数据源自附近的大理气象观测站。土壤容重用环刀法测定;pH用pH计测定;有机质含量用灼烧法测定[40];速效磷含量用NH4F-HCl溶液浸提-钼锑抗显色法测定[41]。田间试验期间的土壤温度和体积含水量动态变化用土壤温湿度监测仪EM50（Decagon Devices，Inc.USA）监测;在田间选取2个监测点，在10和30 cm深度土层安装温湿度探头（即每个深度2次重复），每10 min采集一次土壤温湿度数据。玉米样品在60 ℃的烘箱中烘干至恒重后计算含水量。玉米茎叶、籽粒、苞叶及穗轴等用H2SO4-H2O2消煮，之后用凯氏定氮法测定全氮含量，用钼锑抗显色法测定磷含量[42]。
1.4 数据计算与统计分析
土壤温湿度各监测点在一天当中的温度和水分含量日均值、最大值及最小值分别用各探头一天中记录的全部数据（144个数据/d）的均值、最大值及最小值表示;各土层2个重复一天中的温湿度日均值、最大值及最小值的均值作为试验区相应土层温湿度的日均值、最大值及最小值。
鲜穗产量包括苞叶、籽粒及穗轴的总鲜重，以各小区12株玉米的鲜穗总重来换算成相应小区的产量。籽粒、苞叶及穗轴的干物质产量分别以他们各自占鲜穗的百分数和鲜穗产量来计算。地上部生物量产量以干物质计，包括茎叶、籽粒、苞叶、穗轴的干物质总重。收获指数（harvest index，HI）为籽粒产量占地上部总生物量的百分数（均以干重计）[43]。籽粒吸氮量和吸磷量为籽粒干物质产量分别乘以籽粒含氮量和含磷量;地上部吸氮量和吸磷量为地上部茎叶、籽粒、苞叶及穗轴各自的干物质产量分别乘以他们各自的氮磷含量后相加取和。
氮利用效率用如下7项指标表征：氮肥偏生产力（PFPNF）、氮肥农学利用效率（AUENF）、氮肥回收率（RENF）、籽粒氮肥利用效率（GUENF）、籽粒氮利用效率（NUEgrain）、氮收获指数（HIN）、氮偏平衡（PNB）。
PFPNF=Ygrain/Nr。式中，PFPNF，氮肥偏生产力，kg/kg;Ygrain，籽粒产量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[39]。
AUENF=（YgrainN-Ygrain0）/Nr。式中，AUENF，氮肥农学利用效率，kg/kg;YgrainN，施氮区籽粒产量，kg/hm2;Ygrain0，不施氮区籽粒产量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[44-45]。
RENF =（UNN-UN0）/Nr×100%。式中，RENF，氮肥回收率，%;UNN，施氮区玉米地上部吸氮总量，kg/hm2;UN0，不施氮区玉米地上部吸氮總量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[46-47]。
GUENF=（GNN-GN0）/Nr×100%。式中，GUENF，籽粒氮肥利用效率，%;GNN，施氮区籽粒吸氮总量，kg/hm2;GN0，不施氮区籽粒吸氮总量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[45，48]。
NUEgrain =Ygrain/UN。式中，NUEgrain，籽粒氮利用效率，kg/kg;Ygrain，籽粒产量，kg/hm2;UN，地上部吸氮总量，kg/hm2[49]。
HIN=GN/UN×100%。式中，HIN，氮收获指数，%;GN，籽粒吸氮量，kg/hm2;UN，玉米地上部吸氮总量，kg/hm2[43]。
PNB=UN/Nr。式中，PNB，氮偏平衡，无量纲;UN，收获物中带走的氮养分量，kg/hm2;Nr，氮肥施用量，kg/hm2[38]。该研究中，用籽粒吸氮量、玉米穗（包括苞叶、籽粒及穗轴）吸氮量及地上部（包括茎叶和玉米穗）吸氮量等3种方法分别计算收获物中带走的氮养分量，然后再分别计算氮偏平衡。 磷肥偏生产力（PFPPF）、籽粒磷利用效率（PUEgrain）及磷收获指数（HIP）分别按氮肥偏生产力、籽粒氮利用效率及氮收获指数的公式进行计算，其中的磷肥施用量和玉米磷吸收量以P2O5计。
氮肥施用量与鲜穗产量、籽粒产量、地上部生物量产量、籽粒吸氮量、地上部吸氮量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量、磷肥偏生产力之间的关系用渐近增长模型拟合[50-51]：
y=α+δ（1-e-βx）
式中，y，应变量;α，未施用氮肥时应变量的取值;δ，应变量对氮肥施用的最大响应程度（即氮肥供应充足时，应变量的最大增加潜力）;β，应变量对氮肥施用量增加的响应速率;x，氮肥施用量。
氮肥施用量与收获指数之间的关系用简单线性模型拟合。氮肥施用量与氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率、氮收获指数、籽粒磷利用效率、磷收获指数及氮偏平衡之间的关系用指数下降模型拟合[52]：
y=θe-kx
式中，y，应变量;θ，拟合参数，相当于应变量可能达到的最大值;k，应变量对氮肥施用量的响应速率;x，氮肥施用量。用SigmaPlot（version 12.0）软件进行模型的拟合，并在α=0.05的水平上检验统计模型显著性。
2 结果与分析
2.1 土壤温湿度状况
田间试验期间，土壤温度较高，水分充足。10和30 cm深度土层中，日均温分别在19.2～25.1 ℃和19.8～23.6 ℃，瞬时最低温分别为18.1和19.5 ℃，瞬时最高温分别为29.7和24.1 ℃（图1A和B）;水分含量日均值分别在0.19～0.39和0.20～0.43 m3/m3，瞬时最低含水量分别为0.18和0.19 m3/m3，瞬时最高含水量分别为0.48和0.44 m3/m3（图1C和D）。
2.2 产量指标对氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理鲜穗产量和籽粒产量分别为17 510和2 469 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加幅度分别为3 015和425 kg/hm2（渐近增长模型的参数δ），二者的增加量均为17.2%（图2A和B）。地上部生物量产量随氮肥施用量的增加呈渐近增长的趋势，但其模型不显著。处理间地上部生物量产量的变异范围为9 758～12 575 kg/hm2，最高产量的处理（400 kg/hm2处理）比最低产量的处理（0 kg/hm2处理）高28.9%（图2C）。收获指数在处理间的变异范围为22.9%～25.5%，随施氮量的增加呈下降趋势，但其模型不显著（图2D）。
2.3 氮磷养分吸收对氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理，籽粒吸氮量和吸磷量分别为31.36和16.57 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量分别为5.40和2.85 kg/hm2（渐近增长模型的参数δ），增加幅度均为17.2%（图3A和C）。地上部吸氮总量和吸磷总量在处理间的变异范围分别为99.2～129.2和72.7～95.6 kg/hm2，二者均随氮肥施用量的增加呈上升趋势，但统计模型不显著（图3B和D）。
2.4 氮利用效率对氮肥施用量的响应
施氮量为100 kg/hm2时，氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率及籽粒氮肥利用效率分别为27.20、2.51 kg/kg及3.2%，三者均随氮肥施用量的增加而下降（P<0.05），最大下降幅度分别为73.6%、59.8%及59.9%（图4A、B和D）。如果以鲜穗产量计，氮肥施用量为100、200、300、400 kg/hm2时，各自的氮肥偏生产力依次为193、100、68及51 kg/kg，氮肥农学利用效率依次为17.79、12.66、9.66及7.17 kg/kg。
氮肥回收率、籽粒氮利用效率及籽粒氮收获指数在处理间的变异范围分别为5.45%～11.87%、22.25～25.09 kg/kg及28.3%～31.9%，三者均随氮肥施用量的增加呈下降趋势，下降幅度分别为54.1%、11.3%及11.3%，但三者与氮肥施用量关系的模型不显著（图4C、E和F）。如果以全穗吸氮量（包括籽粒、穗轴、苞叶）计算，氮收获指数随氮肥施用量增加呈下降趋势，但二者之间的线性模型不显著，氮收获指数在34.8%～39.2%，平均值为37.5%。
氮偏平衡在施氮量为100 kg/hm2时最高，此时以地上部总吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量来计，氮偏平衡的值分别为1.11、0.42及0.35。3种计算方法所得到的氮偏平衡值均随施氮量的增加呈指数下降模式（P<0.05），在施氮量为400 kg/hm2时降到最低，此时以地上部总吸氮量、玉米穗吸氮量及籽粒吸氮量计算所得的氮偏平衡值分别是0.32、0.11及0.09。根据统计模型的计算结果，施氮量为115 kg/hm2时，以地上部总吸氮量计算所得的氮偏平衡值等于1.0（图5）。
2.5 磷利用效率對氮肥施用量的响应
未施氮肥的处理磷肥偏生产力为24.69 kg/kg，且随氮肥施用量的增加而增加（P<0.05），最大增加量为4.25 kg/kg（渐近增长模型的参数δ），增加幅度为17.2%（图6A）。籽粒磷利用效率和磷收获指数的变异范围分别为30.1～34.3 kg/kg和20.2%～23.0%，二者均随氮肥施用量的增加呈下降趋势，下降幅度均为12.2%，但二者与氮肥施用量关系的模型不显著（图6B和C）。
3 讨论
3.1 甜玉米产量建成对氮肥的需求
该研究中，未施氮肥的处理甜玉米鲜穗产量为17 510 kg/hm2，施用氮肥最多使产量增加17.2%。这表明研究区域的土壤基础肥力很高（包括有机质和速效磷均处于较高水平），能够供应甜玉米所需氮素的82.8%。一项在江苏2个甜玉米品种不施氮肥的处理鲜穗产量分别约为8 000和9 000 kg/hm2[53];在广东的一项研究中，不施氮肥的鲜穗产量为8 500～10 000 kg/hm2[54];在广东的另一项研究中，不施氮肥的鲜穗产量为5 432 kg/hm2，氮肥施用量在400 kg/hm2左右时产量达到最高值，约为18 031 kg/hm2，增产232%[34]。 与现有大多数研究结果相似，玉米产量随氮肥施用量的增加呈典型的渐近增长模式，表明随着施氮量的增加，单位质量氮肥的增产效果将减弱[33，52，55]。但在不同研究中，达到最高产量所需的氮肥用量差异很大，在112～607 kg/hm2[21，29]。研究表明，甜玉米达到最高产量所需的氮肥施用量与该研究相近，约为400 kg/hm2[34-35]。但在江苏的一项研究中，氮肥施用量在225 kg/hm2时，2个品种的甜玉米产量均达到最大值，分别约为14 500和16 500 kg/hm2，之后进一步增施氮肥将导致产量下降[53]。在广东的一项研究中，氮肥施用量为300 kg/hm2左右达到最高产量，此时的鲜穗产量约为16 300 kg/hm2[33]。此外，在一些追求高产的研究中，氮肥施用量最高可达458～607 kg/hm2[21]。在美国田纳西州（Tennessee，USA）的一项研究表明，氮肥施用量在112 kg/hm2时产量最高[29]。
掌握作物的产量潜力，从而为今后提高作物产量提供管理目标，是粮食作物生产所关注的一个重要问题，这一问题在过去10年间已引起广泛关注[5，55-58]。当前，研究者普遍认为粮食作物生产达到产量潜力的80%是未来二三十年的努力目标，实现这一目标不仅能保障全球粮食安全，而且有希望通过技术手段实现农业生产的可持续发展[55]。该研究中，根据鲜穗产量对氮肥施用量的响应模型，施用氮肥最多使甜玉米鲜穗产量达20 525 kg/hm2，这基本能反映供试甜玉米品种在研究区域的产量潜力。因为一方面，试验期间的环境温湿度状况比较适宜，也未出现明显的病虫草害，这些外部条件不太可能成为产量形成的限制因子;另一方面，该研究的磷肥和钾肥施用量均为100 kg/hm2（分别按P2O5和K2O计），二者的施用量及其施用方式应该能够满足玉米对磷肥和钾肥的需求，不太可能成为甜玉米产量对氮肥施用量响应的限制因子[52，57]。在现有研究中，玉米磷肥施用量在45～135 kg/hm2[22，53，59-61]，钾肥施用量在72～112 kg/hm2，仅个别研究可达200 kg/hm2[21-22，53，61]。
与已有的研究结果相比，该研究的产量潜力属于较高水平。如2015年，全国甜玉米试验区区试研究的平均产量仅为13 392 kg/hm2[1]。近几年报道的一些甜玉米高产新品种的产量在14 782～19 200 kg/hm2[19，62-65]，仅个别研究中的甜玉米产量达28 206 kg/hm2[66]。除品种和气候条件差异外[66]，导致该研究甜玉米产量潜力较高的一个可能主要原因是种植密度较大，达66 667株/hm2。这一种植密度与普通玉米相比属于中等水平[67]，但在甜玉米中属于较高水平。种植密度是玉米高产研究的一项重要内容，通常情况下，在一定的范围内，增加种植密度能有效提高玉米产量[22，68-71]。在现有的甜玉米种植研究中，种植密度大多在45 000～60 000株/hm2[19，21，34，53，62-63]，仅个别研究中的种植密度与该研究相近（达67 500 株/hm2）[72]。美国的甜玉米种植密度为43 000～86 000株/hm2，平均為56 000株/hm2[73-74]。
3.2 甜玉米对氮的利用效率
氮肥偏生产力及氮肥农学利用效率在一定程度上能反映土壤的基础肥力及供氮水平，如果在较低施氮水平得到较高的氮肥偏生产力及较低的氮肥农学利用效率，则表明土壤基础肥力及供氮水平较高[38]。该研究中，施氮量为100 kg/hm2的处理，以鲜穗产量所计的氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率分别为193和17.8 kg/kg。与相近施氮量的其他研究相比，该研究的氮肥偏生产力偏高，氮肥农学利用效率偏低。如在施氮量约为100 kg/hm2时，国内4项研究的氮肥偏生产力为93～148 kg/kg，氮肥农学利用效率为30～43 kg/kg[33-34，36，66];北美3项研究的氮肥偏生产力为72～100 kg/kg，氮肥农学利用效率为22～57 kg/kg[27，29，32]。因此，该研究氮肥偏生产力及氮肥农学利用效率的结果也表明，研究区域的土壤基础肥力及供氮能力处于较高水平。
该研究中，5个施氮量处理的甜玉米氮肥回收率为5.45%～11.87%。在已有的文献中，其中1项研究的甜玉米氮肥回收率为11.6%～22.7%[54]，另1项研究的氮肥回收率在15.9%～31.6%[34]。因此，氮肥回收率的结果表明，对于该研究所在的区域而言，即使施氮量为100 kg/hm2，甜玉米也不能非常有效地吸收利用所施氮肥，同时也进一步表明研究区域的土壤供氮能力较强。
目前，对甜玉米氮收获指数的研究不仅较少，且计算方法也不统一，分别有用籽粒吸氮量和全穗（包括苞叶、籽粒、穗轴）吸氮量占地上部总吸氮量百分数2种方法计算。该研究的5个施氮量处理中，以籽粒吸氮量和全穗吸氮量计算所得的氮收获指数分别为28.3%～31.9%和34.8%～39.2%，与其他研究相比，这一结果处于较低水平。如在广东的1项研究中，以籽粒吸氮量计算所得的氮收获指数高达66%～82%[22];其他研究以全穗吸氮量计算所得的氮收获指数为45%～76%[34，54，75]。因此，甜玉米地上部吸收的氮向籽粒及玉米穗转移的效率较低也是限制该研究氮肥利用效率提升的一个重要因素。
与作物氮利用效率响应施氮量增长的典型模式一致，该研究的氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率、籽粒氮利用效率及氮收获指数等各项氮利用效率指标均随施氮量的增加而降低（或呈降低趋势），表明随着氮肥施用量的增加，单位质量氮肥对甜玉米产量增加的促进作用减弱，同时有更大比例的氮不能被玉米吸收利用而存留在环境中[27，29，32-34，36，52，54]。
与普通玉米相比，该研究中甜玉米氮利用效率的各项指标都明显偏低。如当前我国普通玉米氮肥偏生产力的平均水平为40 kg/kg（平均施氮量为266 kg/hm2），而该研究中以甜玉米籽粒干重计算所得的氮肥偏生产力最高为27.20 kg/kg（施氮量为100 kg/hm2）。在我国华北地区的一项研究表明，通过优化管理措施，河北、山东及河南（施氮量分别为270、150及240 kg/hm2）3个省的普通玉米氮肥农学利用效率分别达3.9、9.5及3.2 kg/kg，氮肥回收率分别达18.0%、34.2%及20.1%[61];而该研究中，甜玉米的氮肥农学利用效率和氮肥回收率最高分别为2.51 kg/kg（施氮量为100 kg/hm2）和11.87%（施氮量为200 kg/hm2）。甜玉米氮利用效率严重偏低的一个重要原因是由甜玉米自身的商品特性所决定。由于甜玉米的收获期是在乳熟期，而普通玉米的收获期是在完熟期，乳熟期至完熟期是玉米籽粒干物质积累及氮元素向籽粒转移的重要时期，甜玉米在乳熟期进行收获必然降低其氮利用效率。如该研究中，甜玉米的收获指数（以籽粒干重计）和籽粒氮收获指数分别为22.9%～25.5%和28.3%～31.9%，而普通玉米的收获指数和氮收获指数分别约为50%和60%[67，76];该研究甜玉米收获时的茎叶氮含量为1.13%，而普通玉米收获时的茎叶氮含量仅为0.80%左右，后者下降到仅为前者的71%[67，76]。 3.3 甜玉米对磷的利用效率
该研究中，增施氮肥通过促进甜玉米生物量和籽粒产量的增加而增加对磷的吸收（图3C和D），同时提升磷肥偏生产力（图6A）。赵荣芳等[22]在广东的1项研究中，甜玉米磷肥偏生产力（以籽粒干重计）为13～15 kg/kg，籽粒磷利用效率为99～130 kg/kg，磷收获指数为48%～54%。与其相比，该研究的磷肥偏生产力高1倍，籽粒磷利用效率和磷收获指数则分别仅为其25%～36%和41%～46%。与普通玉米相比，甜玉米的磷利用效率显著偏低，如1项在河北、河南、山东、山西4省的研究表明，在优化养分管理的条件下，磷肥偏生产力为92～171 kg/kg[61]，另1项在华北地区的研究表明，普通玉米的磷收获指数约为70%[77]。
3.4 氮肥合理施用量的确定
包括氮肥管理在内的作物养分管理中，存在增施氮肥提高作物产量，但同时又必然降低氮利用效率这一矛盾，在权衡二者的过程中如何确定合适的氮肥施用量则是今后研究重点关注的问题[52]。为实现对作物产量和养分利用效率的科学平衡，当前的普遍共识：以达到产量潜力的80%作为生产目标，此时有希望通过优化各种管理措施实现较高的养分利用效率[52，57]。该研究中，如果以最高产量作为研究区域的甜玉米产量潜力，即使不施氮肥的对照产量已经达到产量潜力的86%。然而，这表明研究区域土壤的短期基础供氮能力高，对于集约化农业生产而言，不施氮肥是不可持续的生产方式。因此，用氮偏平衡可作为氮肥施用量的有效参考指标。在不进行秸秆还田的情况下，该研究以地上部吸氮总量计算所得的氮偏平衡值在施氮量为115 kg/hm2时的氮平衡值等于1.0，表明施氮量高于这一水平才有可能维持土壤的持续供氮能力，且此时的产量已达到产量潜力的95%，进一步增施氮肥将显著降低产量增加对氮肥的响应及氮利用效率。因此，115 kg/hm2左右是研究区域甜玉米施氮量的参考值。
4 结论
该研究结果表明，研究区域的土壤基础肥力较高，导致氮肥在较低施氮量时有较高的氮肥偏生产力，以及较低的氮肥农学利用效率、氮肥回收率、籽粒氮肥利用效率。增施氮肥能提高甜玉米对磷的利用效率。115 kg/hm2左右是研究区域甜玉米施氮量的合理参考值。与普通玉米及北美地区的甜玉米相比，当前我国的甜玉米不仅施氮量偏高，且氮利用效率严重偏低。因此，亟需对甜玉米的氮肥管理进行更加广泛深入的研究。
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