減氮增密配施生物炭在玉米生產上的應用

常佳星 王春蓮

摘 ? ?要：氮是影響玉米產量的主要元素之一，氮代謝酶是玉米氮素積累轉運的關鍵因子。大量研究表明，適當減氮增密能增加玉米的單株產量，且能改善氮代謝酶的活性。生物炭作為一種新型的綠色肥料，能夠更有效地保留土壤中的水分、調和土壤中的水氣關系，從而增加土壤中的有機質種類與營養含量，改善土壤中氮代謝酶的活性，提高作物的品質。文章綜述了春玉米氮代謝酶及氮素積累轉運的相關研究進展，以期實現我國農業生產綠色、優質、高產的目標。

關鍵詞：減氮；增密；生物炭；玉米

文章編號：1005-2690（2023）07-0103-03 ? ? ? 中國圖書分類號：S513 ? ? ? 文獻標志碼：A

隨著我國生態農業發展，生物炭作為一種新型綠色肥料被廣泛應用在農業生產領域中，極大地緩解了大量施用傳統肥料導致的土壤資源受損問題，提高了作物的生產效益。玉米是我國最主要的經濟作物之一，玉米的產量與品質是保證我國糧食充足、食品安全的關鍵之一。隨著我國乃至世界耕地面積的日益縮減，提高玉米單位面積產量就顯得至關重要。氮素代謝是玉米體內的基本生理代謝過程之一，包括氮素同化、積累和蛋白質合成等過程，與玉米植株的生長發育、玉米的產量和品質有著密切聯系。

1 氮代謝酶對氮素積累轉運的影響

衡量作物氮素吸收情況的一個重要指標是氮肥利用率[1]。氮素是玉米生長發育過程中最重要的營養元素之一，可以顯著影響玉米養分的積累效率、器官生長發育情況以及源庫關系。玉米籽粒中的氮素40％來源于土壤和所施肥料，60％由其他營養器官轉運而來。不同器官對籽粒氮素的分配量差異很大，玉米葉片中轉運分配出來的氮素最多（其中穗位葉最多），苞葉和莖稈其次，穗軸較少。在玉米生育前期，葉片中氮素積累較多，至籽粒形成期停止積累，之后向其他器官轉運；葉鞘、莖稈、雄穗中的氮素積累至抽雄期停止，而后向外轉運；而雌穗特別是籽粒一直是氮素的輸入器官[2]。玉米植株的產量由植株的干物質積累量同運送效率決定，提高玉米的干物質生產效率以及同化物向籽粒的運送效率、協調源庫關系是提高玉米產量的有效途徑。在玉米生育后期，由于根系吸取含氮物質的能力明顯減弱，由其他器官所轉移出的含氮物質占玉米籽粒氮素積累量的主要部分，所以玉米生長后期各營養器官的氮素積累量和轉移率是影響玉米籽粒產量的主要因素。研究表明，玉米植株地上部分的干物質積累速率隨著施氮量的增加呈現先增加后減少的曲線變化趨勢，適量施用氮肥有利于增加葉片中葉綠素相關酶的活性及含量，提高光合作用效率，使得玉米在生育后期仍可繼續保持較高的干物質積累速率，且有效增加高強度光合作用的時長，延長了干物質高效積累的時間，進一步維持玉米生育期內干物質的持續積累。

植物吸收的氮肥主要包括有機氮化物和無機態氮。植物并不能直接將空氣中的氮氣轉換利用，一般吸收利用土壤或者環境中的NO3-或者NH4+，在相應氮代謝酶的作用下合成谷氨酰胺和谷氨酸，然后經過轉氨作用形成不同的氨基酸，再進一步合成蛋白質[3]。植物體中與氮素代謝生理反應有關的酶主要有硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成化酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（NADH GDH），這些酶都參與了玉米吸收銨態氮、硝態氮的過程。銨態氮進入玉米根部會被同化成酰胺甚至是氨基酸，除去供應玉米自身需要的營養物質外，主要向植株部分輸送。硝態氮可以在玉米根、莖、葉組織內被同化成氨，最后產生氨基酸?？茖W研究證實，在特定范圍內提高氮肥的施用量，硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶的功能都有很大程度提高，但超出范圍后，氮代謝相關酶的活性反而會降低。過量的氮肥不利于玉米器官中蛋白質的轉運和降解，最終導致玉米產量降低。

2 生物炭在玉米生產上的應用優勢

生物炭是在缺氧條件下對農林廢棄物等有機質進行熱裂解后形成的新型富碳產品，制造過程中同時還能得到合成氣和液態焦油等物質，在發展農業、提高能源利用率與保護生態方面都有著十分重要的作用和廣闊的應用前景。

生物炭具備原料來源廣泛、孔隙構造好、熱吸收能力強的優點，并對硫、磷等作物所需營養物質有著很強的保持功能，防止養分流失的同時又能夠滿足玉米對養分的需求量[4]。通過生物炭的配施可以有效提高玉米在生育后期葉片中GS、GLDH、NR、NIR、GOGAT等氮代謝關鍵酶的活力，從而有效提高玉米氮素轉化和積累效率，增加玉米產量[5]。玉米植株的需氮期較長，我國大部分地區皆采用一次性施用氮肥的方式，而傳統肥料不能在土地中長時間留存，造成前期氮素大量流失、玉米生育后期土壤含氮量不足[6]。由于尿素在土壤中轉化速度較快，肥效時間也相對較短，通過配施生物炭可以有效降低并控制養分釋放速度，滿足玉米在生長發育關鍵時期的氮素需求，降低了化肥揮發量與淋溶損失，改善了玉米生長發育中后期葉片中氮代謝酶的活力，進而提高了此階段玉米中含氮物質的轉換速度和積累量[7]。

在農業生產中，將大量秸稈資源化利用的最有效方法之一是秸稈炭化還田[8]?？茖W研究證實，向耕地中施用適量的生物炭能有效減少土壤容重和降低土壤嚴實度，從而增加土地中的水以及堿解磷、速效鉀、有機質等含量，進而改善地力[9]。另外，施用生物質基肥可以緩解我國農民多年從土地“取多給少”所引起的地力減少現象。添加秸稈生物炭能夠提高植物對肥料的吸收利用率，有效節肥并提高玉米產量，也可以使土壤的理化特性朝良性循環方向發展，對土壤氮素產生“削峰填谷”的調控作用[10]。

充分利用生物炭對土壤性質、營養離子含量、作物發育情況的有利影響，發揮與肥料配施形成的良性“減量增效”作用，對于改善農產品的肥料利用效率、提高土壤肥力質地和地力條件、推動農作物可持續生長都有著重要的作用。

3 減氮增密對玉米農藝性狀的調控

氮素對玉米的生物特征和生產能力影響很大，因此氮肥的合理施用在玉米增產中占據重要地位[11]。由于氮肥的過度投放和過低的氮肥利用率，導致土壤中的硝酸鹽大量累積，大量的營養物質喪失，土層越來越“薄”，酸化、土壤板結等現象越來越嚴重，土地品質明顯降低，同時也更容易引發土地和水域的富營養化過程等環境污染風險[12]，因此農業農村部已明確提出了肥料使用量零增長的目標。

導致氮肥施用量損失最主要的因素是氮肥供給量和作物吸收量不相符。相關科學研究證實，在較高濃度含氮物質供給的條件下，玉米根部和側根的生長發育受限，具體表現為總根量較少，植株根部分布較淺，土壤吸水效能低下[13]。高濃度氮肥供給削弱了植株根部向土壤中深插的能力，間接抑制了其利用土壤深層營養和水分的能力，從而影響了玉米生產水平和水肥資源利用率[14]。

在一定范圍內，玉米單位面積產量隨種植密度的變化而呈現單峰曲線的改變趨勢，在最適宜的種植密度條件下玉米產量達到最高。一旦種植密度超過最適宜的密度條件，由于玉米的作物生長率、氮肥的積累利用速率、透光性物質向玉米和玉米籽粒中轉化分配率降低，果穗禿尖率和玉米單株生產力的變化速率提高，造成玉米產量明顯降低。在特定栽培密度下，隨著氮肥施用量的提高，氮素利用率一般呈現先增后減的態勢，在一定的氮肥施用量下氮素利用率隨種植密度的提高而上升，這也就是增密降氮的主要理論依據之一[15]。

調整植株密度和控制氮肥施用量是調控玉米產量和光合效率最有效的技術手段。隨著植株密度的增加，玉米的葉面積及地上部干物質的積累量均呈現增高的趨勢。隨著植株密度的不斷提高，玉米品種產量潛力的發揮程度呈降低的趨勢。通過合理密植使整個玉米群體的冠層透光率及光合有效面積增大，從而提高玉米產量。增施氮肥后，玉米的葉面積指數（LAI）最高值維持期明顯延長，葉子的脫落時間延后，冠層植物的葉片光合性能改善、光合產量提高。目前，我國玉米品種的優質高產主要依靠各種肥料的大規模施用，落后的肥料施用方法造成肥料浪費以及肥料利用率降低，導致玉米冠層結構不合理，加快了我國玉米正常生育后期葉面積指標降低的速度。另外，適當控制玉米的氮肥施用量也可以有效協調玉米個體之間的資源競爭，提高植株的光合作用和物質產生能力。在中、高密度時，適當施用氮肥可降低頂部籽粒敗育，從而使禿尖數量減少、癟籽粒數降低、穗粒數量增加，并使玉米葉片保持較好的光合特性，向成形時的玉米籽粒供應足夠的光合碳量，從而促進碳氮向籽粒轉移，提高農業生產率；同時促進了由植物吸收的含氮物在玉米籽粒內的有效分配，增加了氮肥的利用效率[16]。但在生產技術上，氮肥施用量與種植密度等主要栽培因素互相影響，氮肥利用效率往往難以估計與衡量，尤其是“特定的土壤或肥力環境下，氮肥施用量怎樣與種植密度相配合，才能有效增加玉米群體中含氮物的吸收效率”方面，缺乏進一步探討[17]。

4 展望

大量實踐證明，無論是生物炭的配施或減氮增密的調控，都對春玉米相關的農藝性狀產生了較為顯著的正面影響，究其原因是由于顯著改善了氮代謝酶的活性，從而使前期玉米植株整體的氮素積累效率或后期各器官到籽粒的氮素轉運效率得到大幅度提升。

我國是氮肥使用大國，投放的大量氮肥中僅有一小部分被作物吸收，從而導致了大量氮素流失，并造成一定的環境問題。生物炭是一種新型肥料，通過配施生物炭，不但減少了氮肥的施用量，而且能提高氮代謝酶的活力，從而大大提高了植物對含氮物質的吸收利用率，緩解了土壤中殘存的含氮物質引起的環境問題。生物炭獨特的孔隙構造和吸收功能，對于因大量施用化肥而受到損傷及貧瘠的土地具有良好的修復作用。配施生物炭與減氮增密相結合，能夠更加準確直觀地了解到春玉米相關氮代謝酶的活性變化，并實現對氮素積累轉運的動態調控，為進一步研究氮素的分配及響應機制以及對氮高效玉米品種選育作出參考。

參考文獻：

[1]裴世娟，張萌，李向嶺，等.冀東地區晚播春玉米氮素積累、分配與轉運特性[J].核農學報，2022（8）：1676-1684.

[2]李波，陳喜昌，樸琳，等.氮肥一次性供給量對寒地春玉米氮素利用及物質積累的調控效應[J].黑龍江農業科學，2022（6）：31-38.

[3]于祥，梁熠，王浩，等.覆蓋及配施控釋尿素對玉米氮素利用及產量的影響[J].甘肅農業大學學報，2022（2）：54-63.

[4]趙建兵，朱俊波，莊長福，等.玉米秸稈生物炭對水中鉛、鎘的去除性能及作用機理研究[J].生物質化學工程，2022（4）：15-24.

[5]劉遵奇，蘭宇，楊鐵鑫，等.減肥條件下生物炭施用方式對土壤肥力及酶活性的影響[J].農業資源與環境學報，2020（4）：544-551.

[6]謝婷婷，趙歡，肖厚軍，等.緩效和速效氮配施對春玉米產量、養分積累及氮肥利用的影響[J].玉米科學，2022（1）：130-137.

[7]楊清夏，龍光強，吳開賢，等.控釋尿素一次性施用的玉米減氮增效研究[J].西北農業學報，2022（1）：34-43.

[8]曹兵，黃志浩，吳廣利，等.控釋摻混肥一次性減量施用對夏玉米產量、氮肥利用和葉片氮代謝酶活性的影響[J].中國土壤與肥料，2021（3）：127-133.

[9]任芳芳，張金霞，劉興榮，等.生物炭添加對農田土壤環境及作物生長影響研究[J].水利規劃與設計，2022（8）：93-96.

[10]裴麗珍，陳遠學，張雯雯，等.有機物料還田對夏玉米穗位葉光合性能及氮代謝的影響[J].作物學報，2022（8）：2115-2124.

[11]陳妮娜，紀瑞鵬，米娜，等.春玉米生長發育、產量和籽粒品質對減量施氮的響應[J].氣象與環境學報，2021（4）：86-92.

[12]劉慧嶼，婁春榮，韓英祚，等.秸稈生物炭與減量氮肥配施對玉米氮素利用率及土壤結構的影響[J].土壤通報，2020（5）：1180-1188.

[13]趙暉，李尚中，樊廷錄，等.種植密度與施氮量對旱地地膜玉米產量、水分利用效率和品質的影響[J].干旱地區農業研究，2021（5）：169-177.

[14]張杰，金梁，李艷，等.不同施肥措施對黑土區玉米氮效率及碳排放的影響[J].植物營養與肥料學報，2022（3）：414-425.

[15]楊恒山，張明偉，張瑞富，等.滴灌灌溉量、施氮量和種植密度對春玉米產量的影響[J].灌溉排水學報，2021（5）：16-22.

[16]佟桐，李彩鳳，顧萬榮，等.氮肥和密度對黑龍江春玉米物質積累、抗倒伏及產量的影響[J].西北農業學報，2019（3）：377-387.

[17]隋陽輝，王延波，徐亮，等.氮密互作對玉米遼單575產量和氮素積累的影響[J].玉米科學，2021（2）：140-148.