作物杂志, 2021, 37(4): 166-171 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.025

生理生化·植物营养·栽培耕作

宛氏拟青霉提取物对夏玉米产量及氮素利用的影响

王庆彬,1,2, 聂振田3, 卢洁春2, 彭春娥3, 张民,1, 孟慧2, 刘治国2, 耿全政2

1土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院,271018,山东泰安

2山东蓬勃生物科技有限公司,271018,山东泰安

3作物生物学国家重点实验室/山东农业大学生命科学学院,271018,山东泰安

Effects of Paecilomyces variotii Extract on Yield and Nitrogen Utilization of Summer Maize

Wang Qingbin,1,2, Nie Zhentian3, Lu Jiechun2, Peng Chun’e3, Zhang Min,1, Meng Hui2, Liu Zhiguo2, Geng Quanzheng2

1National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources/College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China

2Shandong Pengbo Biotechnology Co., Ltd., Tai’an 271018, Shandong, China

3State Key Laboratory of Crop Biology/College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China

通讯作者: 张民,长期从事土肥资源高效利用、新型肥料创制研究,E-mail:minzhang2002@163.com

收稿日期: 2020-09-2   修回日期: 2021-06-18   网络出版日期: 2021-07-19

基金资助: 国家十三五重点研发计划课题“功能型缓控释肥料研发与产业化”(2017YFD0200706)
2019年山东省重大科技创新工程“作物免疫调控机制及其用于病害精准防控的绿色集成技术”(2019JZZY020608)

Received: 2020-09-2   Revised: 2021-06-18   Online: 2021-07-19

作者简介 About authors

王庆彬,主要从事天然化合物源新型肥料的研发及其对植物营养的影响,E-mail:wangqingbin1203@163.com

摘要

以品种郑单958为材料,宛氏拟青霉提取物(ZNC)为诱抗剂,探讨施氮量、氮肥种类和ZNC对夏玉米产量、氮素利用和经济收益的影响。结果表明,与没有配施ZNC相比,氮肥配施ZNC后,玉米增产2.14%~9.00%,氮素利用率显著提高11.21%~104.00%,净收益显著增加379.05~1743.38元/hm2。控释尿素配施ZNC(CRUZ)较尿素配施ZNC处理(UZ)产量、氮素利用率和净收益分别显著增加5.73%、185.00%和1311.61元/hm2。尿素减氮20%配施ZNC(80%UZ)处理与未减量处理(U)产量差异不显著,但其氮素利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著增加,净收益显著增加647.89元/hm2,实现了减肥稳产。因此控释尿素配施ZNC可实现对玉米产量、氮肥利用率和净收益的协同增效,减施20%普通尿素配施ZNC可实现对其减肥增效。

关键词: 玉米; 氮肥; 宛氏拟青霉提取物; 产量; 氮素利用率

Abstract

To explore the effects of nitrogen application amount, nitrogen fertilizer types, and Paecilomyces variotii extract (ZNC) on yield, nitrogen utilization efficiency (NUE), and economic returns of summer maize, a field experiment was carried out with "Zhengdan 958" as the material and "ZNC" as plant immune inducer. The results showed that compared with nitrogen fertilizer without ZNC, nitrogen fertilizer with ZNC increased the yield of maize by 2.14%-9.00%, NUE of maize significantly increased by 11.21%-104.00%, and net profit increased by 379.05-1743.38 yuan/ha. Meanwhile, yield, NUE, and net profit of controlled-release urea with ZNC (CRUZ) treatment increased by 5.73%, 185.00%, and 1311.61 yuan/ha, respectively, compared with that of urea with ZNC. In addition, compared with conventional urea treatment, treatment with urea nitrogen reduced by 20% had no significant difference in yield when applied with ZNC but NUE, N agronomic efficiency, and N partial productivity of it increased significantly which led to the net income increased significantly by 647.89 yuan/ha. Therefore, the combination of controlled release urea with ZNC could achieve a synergistic effect on yield, nitrogen utilization efficiency, and net profit of summer maize while the combination of reducing 20% conventional urea with ZNC reduced the amount of fertilizer but achieved increasing production of maize.

Keywords: Maize; Nitrogen fertilizer; Paecilomyces variotii extract; Yield; Nitrogen utilization efficiency

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本文引用格式

王庆彬, 聂振田, 卢洁春, 彭春娥, 张民, 孟慧, 刘治国, 耿全政. 宛氏拟青霉提取物对夏玉米产量及氮素利用的影响. 作物杂志, 2021, 37(4): 166-171 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.025

Wang Qingbin, Nie Zhentian, Lu Jiechun, Peng Chun’e, Zhang Min, Meng Hui, Liu Zhiguo, Geng Quanzheng. Effects of Paecilomyces variotii Extract on Yield and Nitrogen Utilization of Summer Maize. Crops, 2021, 37(4): 166-171 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.025

玉米是我国主要的粮食作物,在粮食安全中占有重要地位。氮是玉米生长发育所必需的营养元素。近年来,氮肥施用量持续增加,但氮肥利用率低,未显著增加作物经济产量,同时造成农田氮素损失、资源浪费和农业源污染等问题,研发提高大田氮肥利用率的技术手段是国内外研究的热点[1,2]

缓控释肥料具有养分释放模式与作物吸收规律相同步的特点,可实现一次性施肥,同时又具有省工省时、挥发淋溶少、环保高效和显著提高肥料利用率的优点,为提高氮肥利用率、解决肥料资源浪费和农业面源污染等问题提供了有效途径[3]。解文艳等[4]研究表明,缓控释氮肥处理能够促进氮素吸收,显著提高春玉米产量。关瑞等[5]研究表明,与常规施肥相比,控释尿素一次性基施可提高产量和氮肥农学利用率。尹彩侠等[6]研究表明,控释氮肥减氮25%处理较农民习惯用肥的玉米产量提高4.50%。

植物诱抗剂可激活植物体内分子免疫系统,激发植物体内的一系列代谢调控系统,促进植物生长和叶绿素含量提高,具有抗逆防病和提质增产的作用[7,8,9]。研究[10,11,12,13,14]表明,植物内生菌能够产生大量的活性代谢产物,具有植物免疫诱抗剂的多种功能,在生物固氮、生物降解、生物防治、促进生长和提高抗逆性方面功效显著。沙棘内生菌宛氏拟青霉(Paecilomyces variotii)提取物(ZNC)含有较多的碳水化合物、氨基酸和烷基结构,是一种安全、无毒和超高活性的植物免疫诱抗剂,研究[15]发现其可促进植物生长、增加产量、提高抗逆性和抗病性。前人研究[16]表明,ZNC(2.50μg/L)浸种及灌根处理可显著提高樱桃萝卜块根产量、干物质积累量、根冠比和品质。控释尿素配施ZNC可显著提高小麦产量14.50%,增加氮肥利用率和纯收益[17]。包膜磷酸二铵配施ZNC可提高玉米关键生育期根际土壤磷酸酶活性,增强叶片光合酶、淀粉酶活性,提高磷肥利用率[18]。玉米拔节期常规磷酸二铵配施ZNC较常规磷酸二铵总根长和根表面积增加,3个玉米种植季平均增产3.60%[19]。然而不同施氮量、氮肥配施ZNC作用于玉米的协同增效研究鲜有报道。因此本试验探讨了尿素和控释尿素不同施用量配施ZNC对玉米产量及其构成因素、氮肥利用和净收益的影响,为提高玉米产量和氮肥利用率提供有效依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年6月在山东省泰安市天宝镇天宝四村(117°21′20″E,35°56′36″N)进行,该地属暖温带半湿润大陆性季风型气候,2019年平均气温14.60℃,降水量487.30mm[20]。供试土壤为棕壤土,在中国土壤系统分类中为普通简育湿润淋溶土。土壤基本理化性质为有机质20.13g/kg、速效氮75.84mg/kg、有效磷55.68mg/kg、速效钾66.38 mg/kg、pH 6.00。当地习惯种植制度为小麦–玉米和小麦–花生,一年两熟。供试玉米品种为郑单958,生育期96~125d,百粒重约33.00g。供试肥料为普通尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 16%)、硫酸钾(K2O 51%)和控释尿素(CRU,为树脂包膜,N 45.20%,释放期4个月);植物诱抗剂为ZNC,提取物原液的干物质含量为5.00mg/mL,由山东蓬勃生物科技有限公司生产。

1.2 试验设计

采用随机区组设计,设9个处理,肥料施用方案见表1。所有处理设4次重复,小区面积40m2。玉米种植方式为直播,行距60cm,株距20cm。

表1   不同处理的施肥种类和用量

Table 1  Types and dosage of fertilization in different treatments

编号
Number
处理
Treatment
N(控释尿素)
N (controlled release urea) (kg/hm2)
N(尿素)
N (urea) (kg/hm2)
ZNC
(mg/hm2)
P2O5
(kg/hm2)
K2O
(kg/hm2)
CK不施氮肥---75150
80%U尿素减氮20%-180-75150
80%UZ尿素减氮20%配施ZNC-18037575150
U常规尿素-225-75150
UZ常规尿素配施ZNC-22537575150
80%CRU控释尿素减氮20%180--75150
80%CRUZ控释尿素减氮20%配施ZNC180-37575150
CRU控释尿素225--75150
CRUZ控释尿素配施ZNC225-37575150

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1.3 指标测定与方法

1.3.1 鲜重 每个小区于开花期选3株长势一致的植株测定植株鲜重。

1.3.2 植株全氮含量 将各处理的茎叶和籽粒样品在85℃下杀青30min,随后在75℃下烘干至恒重,粉碎后过0.50mm筛,采用H2SO4-H2O2消煮,用凯氏定氮仪测定氮含量。

1.3.3 玉米产量 于玉米成熟期每个小区选取中间2行收获全部果穗测产,折算出小区产量。从测产的果穗中选出10个标准穗,调查穗长、穗粗、穗粒数和百粒重。

1.4 数据分析

采用WPS 2019和SPSS 22.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥配施ZNC对玉米开花期植株鲜重的影响

80%CRUZ处理可显著提高玉米秸秆重和穗重(图1)。与80%U处理相比,80%UZ处理的秸秆重提高17.05%;80%CRUZ较80%CRU处理的秸秆重提高31.14%,均达到显著差异水平。80%UZ较80%U处理穗重增加了10.99%;80%CRUZ较80%CRU处理穗重显著提高32.14%。说明在减氮水平下,尿素和控释尿素配施ZNC均可较好地促进植株生长,且控释尿素配施ZNC效果更好。

图1

图1   氮肥配施ZNC对玉米开花期植株鲜重的影响

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著

Fig.1   Effects of nitrogen fertilizer combined with ZNC on the fresh weight of maize at flowering stage

Different lowercase letters show significant difference at the level of 0.05


2.2 氮肥配施ZNC对玉米产量及其构成因素的影响

氮肥配施ZNC对玉米产量及产量构成因素存在不同程度的影响(表2)。产量随氮肥施用量增加而提高,较CK增产17.41%~40.54%。在常规施氮水平下,与U处理相比,CRU处理提高穗行数和百粒重,增产5.52%;CRUZ处理行粒数显著增高5.62%,增产8.00%,差异达显著水平。在减氮水平下,与80%U处理相比,80%UZ处理行粒数显著增高6.17%,增产9.00%,差异达显著水平;80%CRUZ处理提高玉米行粒数和百粒数,增产8.63%,差异达显著水平。表明控释尿素配施ZNC可以有效提高穗行数、行粒数和百粒重,最终提高产量,特别是减氮20%条件下。

表2   氮肥配施ZNC对玉米产量及其构成因素的影响

Table 2  Effects of nitrogen fertilizer combined with ZNC on maize yield and its components

处理
Treatment
穗行数
Row number per ear
行粒数
Seed number per row
百粒重
100-grain weight (g)
产量
Yield (kg/hm2)
增产Yield increase (%)
80%UU
CK13.80±0.35b26.00±0.58d32.69±1.29b7 793.97±138.45f-14.83-23.15
U15.20±0.23a29.35±0.14b34.13±0.45ab10 142.37±249.18bcd10.84-
UZ15.07±0.27a29.45±0.03b35.06±0.40ab10 359.42±154.56abc13.212.14
CRU15.33±0.74a29.20±0.81b35.99±0.95a10 702.51±322.08ab16.965.52
CRUZ14.90±0.40ab31.00±0.46a35.63±0.49a10 953.42±271.95a19.708.00
80%U14.60±0.53ab27.55±0.03c34.19±0.51ab9 150.69±232.19e--9.78
80%UZ14.40±0.00ab29.25±0.72b35.17±1.65ab9 974.36±168.11cd9.00-1.66
80%CRU14.67±0.13ab27.75±0.20c35.66±0.27a9 664.58±88.48de5.62-4.71
80%CRUZ14.67±0.13ab28.40±0.40bc35.86±0.77a9 940.67±30.80cd8.63-1.99

不同字母表示不同处理之间存在显著差异(P<0.05),下同

Different letters indicate significant difference between different treatments (P < 0.05), the same below

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2.3 氮肥配施ZNC对玉米氮素利用率的影响

控释尿素配施ZNC显著提高了玉米的氮肥利用率,减氮水平下氮肥偏生产力显著提高(表3)。正常施氮水平下,与U处理相比,UZ、CRU和CRUZ处理的氮素积累量分别显著增加2.39%、23.75%和46.01%;氮素利用率显著提高11.21%、107.00%和217.00%;氮肥农学效率提高10.19%、24.90%和36.83%;氮肥偏生产力显著增加5.87%、10.82%和13.11%。在减氮水平下,控释尿素配施ZNC(CRUZ)较尿素配施ZNC(UZ)处理产量、氮素利用率分别显著增加5.73%和185.00%。与80%U处理相比,80%UZ、80%CRU和80%CRUZ处理的氮素积累量分别显著增加了9.11%、3.30%和20.78%;氮素利用率显著提高67.83%、24.59%和155.00%;氮肥农学效率显著增高37.15%、23.22%和34.77%;氮肥偏生产力显著增加11.61%、3.93%和5.95%。与处理U相比,80%UZ氮素积累量无显著差异,80%CRUZ处理氮素积累量显著增加9.95%;80%UZ和80%CRUZ处理的氮素利用率显著提高21.03%、83.60%,氮肥农学效率分别显著提高16.44%和14.42%。表明控释尿素配施ZNC可增加玉米氮素积累量和氮素利用率;氮肥配施ZNC后,减氮较正常施氮量下的氮素利用率和氮肥农学效率有所增加。

表3   氮肥配施ZNC对玉米氮素利用的影响

Table 3  Effects of nitrogen fertilizer combined with ZNC on nitrogen utilization of maize

处理
Treatment
氮素积累量
N accumulation (kg/hm2)
氮素投入量
N input (kg/hm2)
氮素利用率
N utilization efficiency (%)
氮肥农学效率
N agronomic efficiency (kg/kg)
氮肥偏生产力
N partial productivity (kg/kg)
CK152.30±0.81h0---
U190.21±0.89e22517.93±0.40f10.40±0.05e44.09±0.50f
UZ194.75±0.88d22519.94±0.39e11.46±0.10cde46.68±0.24e
CRU235.39±0.58b22537.08±0.27b12.99±0.11b48.86±0.60d
CRUZ277.73±1.42a22556.82±0.63a14.23±0.33a49.87±0.24d
80%U173.16±0.26g18012.93±0.14h8.83±0.02f52.13±0.02c
80%UZ188.94±0.42e18021.70±0.23d12.11±0.93bc58.18±0.66a
80%CRU178.88±0.66f18016.11±0.37g10.88±0.01de54.18±0.01b
80%CRUZ209.14±0.08c18032.92±0.05c11.90±0.05bcd55.23±0.17b

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2.4 氮肥配施ZNC对玉米经济效益的影响

氮肥配施ZNC后,玉米经济效益增加(表4)。与CK相比,随施氮量增加,玉米净收益增高2142.92~4929.07元/hm2。正常施氮水平下,与U处理相比,UZ、CRU和CRUZ处理净收益分别显著增加379.05、885.69和1690.66元/hm2;CRUZ较UZ处理净收益显著增加1311.61元/hm2。与80%U处理相比,80%UZ、80%CRU和80%CRUZ处理净收益分别显著增加1743.38、556.31和856.52元/hm2。表明控释尿素配施ZNC可提高玉米经济效益;常规施氮水平下,控释尿素和ZNC协同增加经济效益;减氮水平下,尿素配施ZNC经济效益最高。

表4   氮肥配施ZNC对玉米经济效益的影响

Table 4  The effects of nitrogen fertilizer combined with ZNC on maize economic benefit

处理
Treatment
产量
Yield (kg/hm2)
肥料投入(元/hm2)
Fertilizer input (yuan/hm2)
总成本(元/hm2)
Total cost (yuan/hm2)
产值(元/hm2)
Output value (yuan/hm2)
净收益(元/hm2)
Net profit (yuan/hm2)
CK7 793.97±138.45f720.128 720.1212 470.36±221.52g3 717.48±56.74i
U10 142.37±249.18bcd1 260.189 260.1816 227.79±398.69cd6 955.89±20.29e
UZ10 359.42±154.56abc1 260.189 260.1816 575.08±247.30bc7 334.94±34.72d
CRU10 702.51±322.08ab1 305.189 305.1817 146.76±39.40ab7 841.58±39.40b
CRUZ10 953.42±271.95a1 305.189 305.1817 594.22±119.06a8 646.55±87.36a
80%U9 150.69±232.19e1 152.159 152.1515 012.55±6.29f5 860.40±6.29h
80%UZ9 974.36±168.11cd1 152.159 152.1516 755.92±191.14bc7 603.78±191.14c
80%CRU9 664.58±88.48de1 188.159 188.1515 463.32±141.57ef6 416.71±3.21g
80%CRUZ9 940.67±30.80cd1 188.159 188.1515 905.07±49.27de6 716.92±49.27f

尿素120元/50kg,硫酸钾200元/50kg,过磷酸钙80元/50kg,ZNC 650元/kg,玉米售价1.6元/kg

Urea is 120 yuan/50kg, potassium sulfate is 200 yuan/50kg, superphosphate is 80 yuan/50kg, ZNC is 650 yuan/kg, corn price is 1.6 yuan/kg

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3 讨论

3.1 施氮量

玉米对氮的需求量高于对其他任何元素,氮是组成蛋白质、酶、叶绿素、核酸、磷脂以及一些激素的重要成分,对玉米植株的生长发育起到重要作用。施氮量与作物产量密切相关,在一定程度上施氮是获得作物高产的重要措施[21,22,23]。前人研究[24,25]表明,增施氮肥可增加玉米产量,但当施氮量超过300kg/hm2时产量不再增加;适当增加施氮量提高玉米成熟期氮素积累量和氮素利用效率,降低氮肥偏生产力[26]。本试验中,施氮量在180~225kg/hm2范围内,随施氮量增加,增产17.41%~40.54%,氮素积累量、氮素利用率和氮肥农学效率增高,氮肥偏生产力降低,这与前人研究结果一致,说明合理的施氮量与土壤耕层条件有关。

3.2 氮肥种类

前人研究[27,28,29]表明,缓释氮肥较传统尿素能够明显增加夏玉米的产量,提高氮肥农学利用效率、氮肥利用率和氮肥偏生产力,促进氮素吸收。玉米谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)是玉米氮素代谢、氨同化过程中谷氨酸合成循环的限速酶,其活性高低能表征氮素同化能力的强弱[30,31]。郭萍等[32]研究表明,在玉米吐丝期,与普通尿素相比,控释尿素可提高玉米叶片GS和GOGAT活性。本试验中,控释尿素较尿素处理增产5.52%~5.62%,氮素积累量、氮素利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均提高,净收益增加556.31~885.69元/hm2。这与前人研究结果一致。控释尿素处理下产量和氮素利用率提高可能是由于其增强玉米叶片氮代谢关键酶活性,促进氮素代谢,提高产量和氮素利用率。

3.3 配施ZNC

ZNC具有安全、超高活性、成本低和用量少等优势,可诱导作物生长素合成相关基因(YUCCA8YUCCA9)表达,根尖生长素含量增加;同时,ZNC还促进一些转运蛋白基因的转录,以调节N和P的吸收[33]。前人研究[17]表明,尿素和控释尿素配施ZNC较尿素处理可提高氮肥利用率、小麦产量和净收益,且与控释尿素配施效果更好。Wang等[34]研究表明,3个水稻种植季节相比,控释尿素与ZNC(87.50mL/hm2)结合施用可显著提高水稻产量8.70%~12.10%,氮肥利用率和净收益提高。包膜磷酸二铵配施ZNC可增强玉米功能叶片光合效应相关酶活性,提高磷肥利用率,在减磷20%条件下,依然保持稳产[18]。本试验中,氮肥配施ZNC可提高玉米氮素利用率进而增加其产量和净收益。这是因为ZNC诱导了玉米根系生长素和赤霉素的积累,使根系伸长区显著增加20%~60%,增加了根尖细胞数量,扩大植物获取营养的有效面积80%以上;刺激作物根系分泌有机酸来增加土壤内磷钾等元素的有效性,为玉米提供更多的营养[19,33]。同时,与尿素配施ZNC处理相比,控释尿素配施ZNC后产量进一步增加5.73%,氮素利用率和净收益分别显著增加185.00%和1311.61元/hm2。这是因为ZNC调节后玉米对养分的需求量增加,而缓控释氮素在土壤中缓慢释放,使玉米一直处于适宜的氮浓度下,可为其生长提供充足的营养,但施用常规尿素则会在玉米生长后期出现营养短缺的问题[17]。此外,本研究表明,在尿素减氮20%水平下,80%UZ处理较80%U处理显著增加玉米开花期秸秆重和穗重,促进玉米生长,显著提高产量9.00%;较U处理产量无显著减少,且氮素利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著增加。玉米对普通尿素的吸收和利用主要在其开花前期,此后随着尿素的挥发、淋溶和反硝化,土壤中氮素含量显著降低,玉米需要将秸秆中的部分营养转运籽粒中,因此玉米前期营养的储藏对后期产量的形成至关重要,而ZNC促进了玉米开花前期养分的积累,使得80%UZ处理在开花期的生物量与U处理相当,因此即使在减肥条件下,玉米仍然稳产。以上结果说明ZNC促进玉米生长,有利于提高玉米产量和氮肥利用率;控释尿素配施ZNC可实现对玉米产量、氮肥利用率和纯收益的协同增效,普通尿素配施ZNC可实现对其减肥增效。

4 结论

氮用量在180~225kg/hm2范围内,配施ZNC可提高夏玉米产量、氮素累积量、氮肥利用率和经济收益;控释尿素配施ZNC可实现对玉米产量、氮肥利用率和净收益的协同增效,减施20%普通尿素配施ZNC可实现对其减肥增效,为夏玉米的高产高效种植提供可靠参考。

参考文献

陈迪文, 周文灵, 敖俊华, .

海藻提取物对甜玉米产量、品质及氮素利用的影响

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