周年氮磷鉀配施模式對砂姜黑土麥玉輪作體系籽粒產量和養分利用效率的影響

王永華，黃源，辛明華，苑沙沙，康國章，馮偉，謝迎新，朱云集，郭天財

（河南農業大學農學院/河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002）

周年氮磷鉀配施模式對砂姜黑土麥玉輪作體系籽粒產量和養分利用效率的影響

王永華，黃源，辛明華，苑沙沙，康國章，馮偉，謝迎新，朱云集，郭天財

（河南農業大學農學院/河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002）

【目的】探討周年不同氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉輪作體系產量及養分利用效率的影響，明確適宜豫東南砂姜黑土麥玉一體化種植的氮磷鉀配施模式。【方法】于2012—2014年連續兩年在河南省周口市商水縣典型砂姜黑土區設置氮磷鉀不同配施大田定位試驗，研究磷鉀肥總用量不變、2種氮用量投入水平下麥玉兩季磷鉀配施模式對冬小麥-夏玉米輪作種植體系氮、磷、鉀養分吸收利用及產量的調控效應。其中，氮肥設全年用量360.00 kg·hm-2和540.00 kg·hm-2兩個梯度，磷鉀肥總量不變，設計4種配施方式，即麥季全磷玉米全鉀（磷肥和鉀肥分別全部施用于小麥季和玉米季）、麥季全磷玉米重鉀（磷肥全部施用于小麥季，鉀肥按麥玉兩季42﹕58的比例分配）、麥季重磷玉米全鉀（磷肥按麥玉兩季64﹕36的比例分配，鉀肥全部施用于玉米季）、麥季重磷玉米重鉀（磷肥按麥玉兩季64﹕36的比例分配，鉀肥按麥玉兩季42﹕58的比例分配）。【結果】高氮水平下麥玉兩季磷鉀肥分施能促進作物產量三要素的協調發展，顯著提高冬小麥的穗數和夏玉米的穗長與行粒數，且兩年度單季作物和全年籽粒產量均以麥季重磷且玉米季重鉀P8處理最高，周年產量分別達21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。砂姜黑土區冬小麥和夏玉米地上部養分含量大小均表現為氮＞鉀＞磷。與低氮水平相比，高氮水平有利于提高植株地上部總氮、磷、鉀的含量，然而氮素的偏生產力（NPFP）、吸收效率(NUPE)、利用效率(NUE)有所降低。磷鉀肥分施不僅能促進冬小麥和夏玉米對氮素的吸收，還可有效防止元素的流失，提高作物對磷素和氮素的吸收和利用，顯著提高磷鉀兩類元素的偏生產力（PFP）、吸收效率(UPE)。而磷鉀全施在麥玉某一季作物上，由于磷肥易固定、鉀肥易流失的原因，造成肥料后效減小，下茬作物因養分供給不平衡而影響作物對氮磷鉀的吸收利用，致使產量降低。低氮水平下麥季重磷、玉米季重鉀P4處理的氮磷鉀養分利用較其他處理表現較優；高氮水平下麥季重磷、玉米季重鉀P8處理的單季和周年氮素偏生產力及吸收效率均顯著高于其他處理。【結論】綜合考慮養分利用效率和籽粒產量，在本試驗條件下，麥季重磷、玉米季重鉀配施模式有利于養分效率和產量的同步提高，可作為豫東南砂姜黑土及相似生態類型區冬小麥-夏玉米輪作種植高產高效施肥的優選模式。

冬小麥-夏玉米輪作；氮磷鉀配施；養分利用效率；產量

0 引言

【研究意義】砂姜黑土作為黃淮平原最大的中低產土壤類型之一，是中國重要的商品糧調出區和未來糧食的主要增產區，在區域糧食生產發展及國家糧食安全戰略中具有舉足輕重的地位。冬小麥-夏玉米輪作是黃淮海平原一年兩熟種植區獨具特色的糧食作物種植模式，但現實生產中由于作物種植習慣、傳統生產管理理念等原因，農民往往不能根據冬小麥-夏玉米對養分的需求量及需肥特點而進行科學施肥，尤其對夏秋兩季作物肥料周年運籌上缺乏科學性，生產中常存在單季或全年施肥總量隨意、作物追肥時期不明確、兩季作物養分投入與分配比例不合理等現象，導致肥料浪費嚴重且利用率低下、生態環境污染加重等突出問題，因此，對麥玉輪作種植體系進行周年肥料一體化科學設計，實現麥玉兩熟作物周年均衡增產和肥料高效利用顯得尤為必要。【前人研究進展】氮磷鉀肥料用量[1-2]、施肥時期[3-4]、施肥比例[5-6]以及夏秋兩季作物間肥料分配比例[7-8]等單季或周年肥料運籌對作物生長發育、產量品質形成及養分利用效率的影響已有諸多報道。研究者普遍認為，氮磷鉀三元素均有適宜的施用量，且在一定的肥料施用量范圍內和其他因素相對穩定的條件下，產量和肥料利用率分別與施肥量呈正相關和負相關的關系[9]，施肥過多或過少均不利于作物生長、產量提高和品質改善[10-13]。宋永林等[14]研究表明，潮褐土條件下，單一施氮和氮、磷、鉀的兩兩配合，在麥玉輪作的產量和養分利用率方面，效果不及含氮磷鉀配合的各處理，說明氮磷鉀全元素肥料施入土壤，對作物的養分吸收和利用具有累加作用，兩兩配合及單一施氮的幾個處理中以氮磷處理效果最好。武際等[15]研究也發現，在一定氮肥施用基礎上，配施磷鉀肥可促進玉米的營養生長，且有利于協調玉米經濟性狀。大量生產實踐和試驗研究結果表明，冬小麥、夏玉米生育時期和所需養分不同，合理的肥料配施是獲得高產的基礎和保障。【本研究切入點】縱觀前人對冬小麥-夏玉米施肥研究則多集中于施肥對單季作物的影響，較少將冬小麥、夏玉米作為整體來統籌考慮周年輪作種植體系的適宜施肥量與施肥模式，并且現有研究也往往局限于高產田，對中低產田有所忽視，特別是砂姜黑土農田。【擬解決的關鍵問題】本試驗在前人研究的基礎上，針對砂姜黑土冬小麥-夏玉米周年肥料運籌中存在的實際問題，通過在典型砂姜黑土區麥玉輪作條件下設置氮磷鉀不同配施大田定位試驗，在麥玉周年種植體系肥料總用量不變的前提下，探討兩種氮肥投入水平下麥玉兩季作物間磷鉀不同配施對冬小麥、夏玉米單季及全年作物氮、磷、鉀養分吸收利用和產量的影響，以尋找綜合表現最佳的周年肥料運籌模式，為建立砂姜黑土區適宜于麥玉兩熟作物氮磷鉀周年合理配施模式提供科學依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于 2012—2014連續兩年度在河南省典型砂姜黑土區的周口市商水縣農場14分場進行。該試驗點屬暖溫帶大陸性季風氣候，位于北緯 33°32'，東經114°29'，海拔46.5 m。根據1961—2005年連續30年的商水縣氣象資料統計，該區常年平均降雨量806.40 mm，年平均氣溫14.8℃，年日照時數達2 072.3 h。本研究兩季作物生長期間氣象數據由本試驗點小型氣象站測定獲取。2012—2013年冬小麥生長季平均氣溫9.6°C，降雨量為205.30 mm，主要集中在4月和5月，占小麥全生育期降雨量的58.8%；2013年夏玉米生長季平均氣溫27.1°C，降雨量為303.00 mm，主要集中在 7—9月，占玉米全生育期降雨量的 95.0%。2013—2014年冬小麥生長季平均氣溫 10.7°C，降雨量為173.40 mm；2014年夏玉米生長季平均氣溫24.6°C，降雨量為308.00 mm。兩年度分別于小麥播種前取土對耕作層土壤養分狀況進行化驗分析，2012—2013年度供試土壤 pH為7.37；0—20 cm土層有機質含量為18.56 g·kg-1，全氮含量 1.13 g·kg-1，有效磷 17.05 mg·kg-1，速效鉀279.27 mg·kg-1；20—40 cm有機質含量為14.76 g·kg-1，全氮含量0.91 g·kg-1，有效磷9.39 mg·kg-1，速效鉀233.97 mg·kg-1。2013—2014年度土壤的pH為7.13，0—20 cm土層有機質含量為22.41 g·kg-1、全氮含量1.48 g·kg-1、有效磷17.46 mg·kg-1、速效鉀203.63 mg·kg-1；20—40 cm有機質含量為16.06 g·kg-1、全氮含量1.23 g·kg-1、有效磷8.58 mg·kg-1、速效鉀163.26 mg·kg-1。由于2013年玉米收獲后對定點試驗地塊進行了土地平整，因此兩年度土壤基礎肥力存在一定差異。

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為周麥27，夏玉米品種為鄭單958。小麥季播量187.50 kg·hm-2，采用從山東鄆城功力有限公司引進的2BJK-6型寬幅精量播種機播種，行距22 cm，基本苗數約為262萬株/hm2；玉米季采用等行距60.00 cm種植，均控制在67 500株/hm2。

試驗共設8種周年肥料運籌模式（表1），在全年磷、鉀肥總用量不變的前提下，設置兩種氮肥投入水平下麥玉兩季作物間磷鉀不同配施處理，即氮肥、磷肥、鉀肥多因素試驗，其中氮肥設兩個梯度（其全年氮肥用量分別為360.00 kg·hm-2和540.00 kg·hm-2），磷肥設兩種配施方式（P1：小麥季施入全部磷肥210.00 kg·hm-2，玉米季不施磷肥；P2：小麥季重施磷肥，麥玉磷肥分配比64﹕36，即小麥季施入135.00 kg·hm-2，玉米季施入75.00 kg·hm-2）；鉀肥亦設兩種配施方式（K1：小麥季不施鉀肥，玉米季施入全部鉀肥180.00 kg·hm-2；K2：玉米季重施鉀肥，麥玉鉀肥分配比 42﹕58，小麥季施入 75.00 kg·hm-2，玉米季施入 105.00 kg·hm-2），具體設置見表1。每處理種植小區面積54 m2（9 m×6 m），田間隨機排列，重復3次。試驗中氮肥為尿素（含純氮46%），磷肥為重過磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為KCl（含K2O 60%）。小麥季全部磷、鉀肥以及氮肥的50%于播種前底施，其余50%于拔節期結合澆水追施；玉米季磷、鉀肥和40%的氮肥于苗期一次性施入，剩余60%的氮肥于大喇叭口期開溝結合澆水追施。2012—2013年度冬小麥于 2012年10月14日播種，2013年6月5日收獲；2013—2014年度冬小麥于2013年10月12日播種，2014年6月4日收獲。2013年夏玉米于6月10日播種，9月26日收獲；2014年夏玉米于6月8日播種，9月28日收獲。

表1 不同處理純養分用量Table 1 Fertilizer amount of different treatments (kg·hm-2)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品獲取 冬小麥季分別于開花期和成熟期取樣，每小區隨機取10株，按葉片、莖、葉鞘、穗軸+穎殼、籽粒5部分器官分樣；玉米季分別在吐絲期和成熟期取樣，每小區隨機取兩株，將植株按葉、莖、鞘、苞葉、穗軸、籽粒等部位分樣。均在105.0℃下殺青30 min，80℃烘至恒重。將烘干植株樣品粉碎，密封保存，以備植株氮磷鉀養分含量測定。

1.3.2 氮磷鉀養分含量測定 將備好的植株樣品用H2SO4-H2O2消煮法制備待測液，采用凱氏定氮法測定全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量[16]。

1.3.3 氮、磷、鉀的相關指標計算方法[17]：

（1）植株氮（磷、鉀）素總積累量（kg·hm-2）=Σ植株各器官干重×氮（磷、鉀）含量；

（2）氮（磷、鉀）肥偏生產力（kg·kg-1）=施氮（磷、鉀）作物產量/施氮（磷、鉀）量；

（3）氮（磷、鉀）素利用效率（kg·kg-1）=籽粒產量/植株氮（磷、鉀）素積累量；

（4）氮（磷、鉀）素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮（磷、鉀）素積累量/施氮（磷、鉀）量；

（5）氮（磷、鉀）素收獲指數=籽粒氮（磷、鉀）素積累量／成熟期植株氮（磷、鉀）素總積累量。

1.3.4 計產與考種 冬小麥成熟期調查各處理穗數，連根整株收獲1 m雙行固定樣段進行室內考種，調查穗部性狀，并測定其每穗粒數和粒重。成熟時各重復種植區各處理計產小區分別收割8.4 m2（1.4 m×6 m），脫粒曬干，按含水量13%折算成實際產量（kg·hm-2）；夏玉米每小區收30株折算實際產量。同時每小區取兩株，用以考察穗部性狀與產量構成（穗長、穗粗、穗行數、行粒數、穗粒數及百粒重等）。

1.4 數據處理與統計方法

采用 Excel 2007進行數據處理和表格制作，OriginPro 8繪圖，通過SPSS 17.0統計分析軟件進行統計分析和差異顯著性檢驗（LSD法）。

2 結果

2.1 氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉兩熟作物產量及其構成因素的影響

2.1.1 對砂姜黑土冬小麥產量及其構成因素的影響從表2可以看出，與低氮水平相比，高氮水平下的麥玉兩季作物不同磷鉀配施處理的冬小麥成穗數有所提高，平均增幅達11.4%，兩年度成穗數均以P8處理最多，其次為P6處理，P1處理最少，且P8和P6的成穗數顯著高于P1、P3、P7年不顯著（P＜0.05）。低氮和高氮兩種氮肥水平下麥玉兩季磷鉀配施處理的穗粒數和粒重在年度與處理間的變化不盡一致。2012—2013年度，低氮和高氮兩種水平下的4種磷鉀配施處理對穗粒數的調控效應不明顯，同一施氮條件下處理間差異不顯著，但相應磷鉀配施的穗粒數除 P2與P6處理外基本上表現為高氮大于低氮，P5與P1，P7與P3，P8與P4相比，每穗粒數分別增加0.9粒、1.6粒和1.5粒；2013—2014年度，麥玉兩季不同磷鉀配施處理均對穗粒數有明顯的調控效應，且處理間差異達顯著水平，除P5與P1處理外基本上亦表現為高氮大于低氮，P6與 P2，P7與P3，P8與P4相比，每穗粒數分別增加2.7粒、1.0粒和3.2粒。兩年度低氮和高氮下的4種處理的千粒重平均值表現不一，2012—2013年度表現為高氮＞低氮，高氮較低氮增幅達6.1%，而2013—2014年度則表現為低氮＞高氮，高氮較低氮降幅為4.4%；兩年度P5與P1，P6與P2，P7與P3的粒重變化不同，但兩年度P8較P4處理的千粒重均增加，其平均增加值分別為1.1g和3.6g。高氮水平的籽粒產量與低氮水平相比有所提高，平均增幅為 12.1%，2012—2013年度和 2013—2014年度分別以P6和P8處理最高，兩個年度中兩處理間差異不顯著，但顯著高于除 P5以外的其余各處理。兩年度均以P1處理的籽粒產量最低，高氮水平下各處理的籽粒產量相較低氮水平得到了提高。由此可見，無論低氮還是高氮水平，麥季全磷或重磷且玉米季重鉀的磷鉀配施處理 P2、P4、P6、P8兩年度均獲得較高的籽粒產量，且高氮水平下的 P6和P8處理有利于冬小麥三要素的協調發展，因而產量最高。

2.1.2 對砂姜黑土夏玉米產量及其構成因素的影響從表3可以看出，除穗粗和穗行數以外，兩年度2種氮肥水平下不同麥玉磷鉀配施處理的產量以及產量構成因素存在較大差異。無論高氮還是低氮水平下，不同磷鉀配施處理間的穗粗、穗行數的差異不顯著，但由于各處理間穗長、行粒數和粒重三性狀存在顯著差異，從而造成最終籽粒產量不同。兩年度低氮水平下行粒數和粒重除2013年行粒數為P1最大外，其余都為P3最大，且P1與P3相比較差異不顯著，P1較P2、P3較P4的行粒數和百粒重的平均增幅分別達8.75%、7.60%和6.27%、6.81%。而高氮水平下兩年度均以P8的磷鉀配施處理的穗長、行粒數最大，尤其是行粒數顯著高于P5和P7處理，這是其獲得較高產量的主要原因。

表3 不同氮磷鉀配施處理的夏玉米產量，收獲指數及產量構成因素Table 3 Yield, harvest index and yield components of summer maize in different treatments of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.1.3 對砂姜黑土麥玉輪作體系周年產量及收獲指數的影響 由圖1可知，兩年度麥玉兩季作物周年產量均以P8處理籽粒產量最高，分別為21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。由表2和3可知，兩年度低氮水平的冬小麥季收獲指數均表現為P1最高，且顯著高于P3和P4處理，而高氮水平兩年度的收獲指數則有所不同，2012—2013年度為P5最高，2013—2014年度為P8最高。從全年來看，冬小麥2012—2013年度以低氮水平下的 P1最高，顯著高于其他磷鉀配施處理，而2013—2014年度則以高氮水平下的P8和P6的收獲指數較高。兩年度夏玉米無論低氮和高氮水平下收獲指數變化一致，表現為低氮水平下麥玉磷鉀配施處理的收獲指數大于高氮水平下的相應處理，且P1顯著高于P3、P4、P6、P7、P8處理，兩年度低氮水平下 4種磷鉀配施處理的收獲指數平均值較高氮水平平均增幅達2.7%。由此可見，磷肥全部或重施在小麥季，磷肥后效作用明顯，有利于麥玉兩季作物干物質向籽粒中轉運與分配，獲得高收獲指數，而麥玉鉀肥分施促進了植株生長，總生物量提高，經濟產量增加的同時卻使收獲指數降低。但磷鉀全施在單季作物上，均不利于單季作物和周年產量的提高。本試驗結果以高氮水平下麥季重施磷肥且玉米季重施鉀肥的P8處理麥玉輪作周年產量最高，可作為砂姜黑土區的最優周年肥料運籌模式。

圖1 砂姜黑土麥玉輪作體系周年產量Fig. 1 Yield in the whole year of wheat/maize rotation system in lime concretion black soil

表4 年份以及處理與年份的交互作用對冬小麥產量、夏玉米產量和周年產量的影響Table 4 Effect of years and years and treatment interaction in the global analyses of yield of winter wheat, yield of summer maize and yield in whole year

2.1.4 年份以及處理與年份的交互作用對冬小麥產量、夏玉米產量和周年產量的影響 由表4可知，年份差異方面，兩年度的冬小麥產量和周年產量年度間差異顯著，夏玉米產量年度間差異不顯著，可能是由于2013年夏玉米收獲后對試驗地塊進行了土地平整，影響土地基礎地力而致，同時，年度間溫度、降水等氣候因素的差異也會對產量的形成造成一定影響。但是處理和年份的交互作用方面，冬小麥產量、夏玉米產量以及周年產量均表現為差異不顯著。

2.2 氮磷鉀配施對砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作體系氮素吸收與利用的影響

2.2.1 對砂姜黑土冬小麥氮素吸收與利用的影響從表5可以看出，麥玉兩季不同氮磷鉀配施處理對小麥植株總吸氮量、氮肥偏生產力（NPFP）、氮素吸收效率（NUPE）、氮素利用效率（NUE）和氮素收獲指數（NHI）均具有明顯的調控效應。高氮水平各處理（P5—P8）的小麥植株總吸氮量多為顯著高于低氮水平各處理（P1—P4），兩年度均以 P7的總吸氮量最高，顯著高于 P6和低氮水平下的各處理，分別較P6、P4、P3、P2、P1的平均增幅為15.1%、24.8%、35.5%、34.0%、45.7%，但與P8處理間無顯著差異。低氮水平下兩年均以P4處理的小麥植株吸氮量最大，顯著高于P1，說明P4最有利于小麥氮素的積累。低氮水平下各處理的NPFP均較高氮水平下的相應處理顯著增大，且低氮水平下以P2的NPFP最高，兩年度均顯著高于高氮水平下的4種磷鉀配施處理；高氮水平下兩年度均以P5的NPFP最高，但僅在2013—2014年度顯著大于 P8處理，與高氮條件下其余磷鉀配施處理間無顯著差異。所有處理中NUPE最大為P4處理，顯著高于除P3以外的其他各處理；NUE在低氮水平下表現為P1＞P2＞P3＞P4，高氮水平表現為P5＞P6＞P7＞P8。高氮和低氮水平下不同磷鉀配施處理的NHI變化規律不明顯。

表5 不同氮磷鉀配施處理冬小麥氮素吸收利用效率Table 5 Nitrogen uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.2.2 對砂姜黑土夏玉米氮素吸收與利用的影響 由表6可知，兩年夏玉米季均以P8處理的植株總吸氮量最大，顯著高于P1、P2、P3、P4、P5，其平均增幅分別達26.2%、33.4%、16.2%、18.9%和17.8%。與低氮水平下各處理相比，兩年度夏玉米高氮水平下各處理的NPFP、NUPE、NUE均有所降低。低氮水平下NPFP值以P3（2014年）或P4（2013年）處理最大，顯著高于P1、P2處理，其平均增幅分別為6.8%、4.9%或6.1%和4.2%；高氮水平下NPFP以P8處理最大，2013年以P5處理最小，2014年以P6處理最小，且P8顯著高于P6，與P7處理間差異不顯著。低氮水平下各處理的NUPE以P3最大，顯著高于P1、P2和高氮水平下的各處理；高氮水平下NUPE以P8處理最大，顯著高于P5、P6、P7。低氮水平下各處理的NUE以P2（2013年）或P1（2014年）最大，但各處理間差異不顯著；高氮水平下各處理的 NUE兩年分別為P5（2013年）和P7（2014年）最大，均顯著高于P8，但P5、P6、P7處理間無明顯差異。兩年度各處理NHI數值變化存在一定差異，2013年低氮水平下 P1、P4處理間NHI差異不顯著，但二者均顯著高于其他處理，且高氮水平下各處理間差異不顯著，而2014年度則以P3處理最大，P8處理最小。由此說明，在高氮水平下麥季磷肥重施、玉米季鉀肥全施或重施的磷鉀配施模式能促進夏玉米植株對氮的吸收，其地上部總吸氮量、NPFP、NUPE、NUE均較高。

表6 不同氮磷鉀配施處理夏玉米氮素吸收利用效率Table 6 Nitrogen uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.2.3 對麥玉輪作全年氮素吸收與利用的影響 從表7可以看出，兩年度高氮水平下各處理的作物地上部全年總吸氮量較低氮水平下的相應處理顯著提高，平均增幅為19.0%，且2012—2013年度總吸氮量數值普遍大于2013—2014年度；而高氮水平下各處理的全年NPFP、NUPE、NUE則較低氮水平下各處理對應值減小，其減幅分別為28.3%、20.0%、9.5%。兩年度地上部植株總吸氮量均以P8最大，顯著大于除 P7外的其他各處理，較 P1、P2、P3、P4、P5、P6平均增幅分別為33.9%、31.5%、24.0%、20.0%、10.8%、12.9%。低氮水平下，全年NPFP和NUPE于2012—2013年度以P4處理最大，2013—2014年度以P2處理最大，且兩個參數在 P2、P3、P4處理間無顯著差異，除2012—2013年度NUPE在低氮水平4處理中差異不顯著外，其它均顯著大于P1處理；高氮水平下均以P8處理的全年NPFP和NUPE最大，但P8與P5、P6、P7處理間的全年NPFP無顯著差異，P8、P7處理的全年NUPE顯著大于P5、P6，但NUPE在P8與P7、P6與P5兩處理間差異不顯著。低氮水平下全年NUE以P2最大，而高氮水平下則以P6最大， P7處理的全年NUE最小，與P7相比，P2、P6的全年NUE平均增幅分別達22.9%、13.4%。兩年度各處理的全年 NHI差異不大，且變化規律不明顯。由此說明，麥季重磷且玉米季重鉀的磷鉀配施模式處理 P8，不僅可增強麥玉兩季作物植株對氮素的吸收利用能力，而且還可提高全年NPFP、NUPE。高氮條件下麥季全磷玉米重鉀P6處理的全年NUE和NHI雖高，但其全年植株吸氮總量、NPFP、NUPE降低，表明 P6處理的磷鉀配施比例還有待于進一步優化。

表7 不同氮磷鉀配施處理麥玉輪作全年氮素利用效率Table 7 Nitrogen uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3 氮磷鉀配施對砂姜黑土冬小麥-夏玉米磷素吸收與利用的影響

2.3.1 對冬小麥磷素吸收與利用的影響 由表 8可知，兩年度低氮水平下，冬小麥地上部植株總吸磷量以P4最大，其次為P2，P3最小，且P4顯著大于P3，其平均增幅為 59.3%；高氮水平下，冬小麥地上部植株總吸磷量以P8最大，其次為P5，兩年度中最小值分別為P6（2012—2013年度）和P7（2013—2014年度），且P6與P7處理間差異不顯著。低氮水平下磷肥PFP表現為P4＞P3＞P2＞P1，且P4顯著大于P2與P1；高氮水平下的磷肥PFP在2012—2013年度以P8最大，2013—2014年度以P7最大，且均顯著大于P5、P6。 P1、P2和P5、P6的PPFP均較低，說明磷肥全施在麥季不利于冬小麥PPFP的升高。兩年度P4處理的PUPE顯著大于P1、P2、P3，但P1、P2、P3處理間無顯著差異；P8處理的PUPE顯著大于P5、P6、P7，且P5、P6、P7處理間差異達顯著水平。低氮水平下P3處理的PUE顯著高于P4、P2、P1，增幅達57.1%、34.5%、47.0%；高氮水平下P8處理的PUE顯著高于P5、P6、P7，其增幅分別達38.5%、40.6%、25.8%。低氮水平下各處理的 PHI在兩年度間變化不一，2012—2013年度冬小麥 PHI各處理之間除P5顯著小于其他各處理外，其他處理間并無顯著差異；2013—2014年度低氮水平下以P2處理的 PHI最大，顯著高于 P1、P3、P4，高氮水平下 P7、P8處理的PHI較高，顯著高于P5處理。低氮水平下，除 PUE外，冬小麥地上部植株總吸磷量、PPFP、PUPE、PHI均以P4最大，高氮水平下P8處理的冬小麥植株總吸磷量以及磷素效率各參數均較高，這表明麥季重施磷肥有利于增強冬小麥植株對磷素的吸收能力，提高磷素利用效率。

表8 不同氮磷鉀配施處理冬小麥磷素吸收利用效率Table 8 Phosphorus uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3.2 氮磷鉀配施對夏玉米磷素吸收與利用的影響由表9可知，2014年度各處理的夏玉米地上部植株總吸磷量較2013年有所下降，各處理的夏玉米地上部植株總吸磷量在氮肥投入水平和年度間的變化表現不一致，但均以P1處理最小，兩年度低氮水平下均表現為P2＞P1、P4＞P3，P2較P1、P4較P3的平均增幅分別為44.4%、20.8%，除2014年P3與P4之間差異不顯著外，其他均差異顯著；高氮水平下兩年度表現相反，2013年處理間表現為P8＞P6＞P5＞P7，2014年為P5＞P6＞P7＞P8。低氮水平下，2013年PPFP表現為P4＞P3，差異不顯著，但2014年表現為P3＞P4，差異顯著；高氮水平兩年都表現為P8＞P7，且2014年處理間差異達顯著。PUPE在低氮水平下均為P4＞P3，且處理間差異顯著，而在高氮水平下各處理間無明顯差異。兩年度PUE，低氮水平下以P1最大，與P2、P4差異顯著；但在高氮水平下，4種配施模式處理間差異均不顯著。兩年度PHI存在一定差異，2013年低氮水平下P4顯著高于其他3個處理，高氮水平下則無顯著差異；2014年則為低氮水平下P2顯著高于各處理，高氮水平下P6顯著高于其他各處理。

表9 不同氮磷鉀配施處理夏玉米磷素吸收利用效率Table 9 Phosphorus uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3.3 氮磷鉀配施對麥玉輪作全年磷素吸收與利用的影響 從表10可以看出，麥玉輪作周年氮磷鉀配施處理的全年植株吸磷總量年度間的變化規律不一致，2013—2014年度較2012—2013年度數值有所減小，多數表現為磷鉀肥分施到麥玉兩季作物上的全年植株總吸磷量較高。兩年度麥玉輪作全年PPFP均以P8最高，P1最低，且P8的PPFP顯著高于其他處理，較P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7各處理平均增漲16.8%、11.2%、12.6%、11.4%、8.4%、3.6%、8.3%。兩年度麥玉輪作全年PUPE 變化不同，低氮水平下均以P4最大，P1和P3最小，且P4顯著大于P1和P3；高氮水平下兩年度各處理表現不同，2012—2013年度以P5、P8最大，二者顯著大于P6與P7，但P5與P8、P6與P7間差異不顯著，2013—2014年度則以P5的 PUPE最大，顯著大于其他各處理。兩年度麥玉輪作全年PUE均以低氮水平下的P3處理最高，P4（2012—2013年度）或P2（2013—2014年度）處理最低，且P3顯著大于P1、P2、P4；高氮水平下兩年度各處理的PUE數值大小表現不同，2012—2013年度以P7最大，且與P6差異不顯著，與P5、P8差異顯著，2013—2014年度則以P8處理的PUE最大，顯著大于其他各處理。由此表明，高氮水平下麥季重磷且玉米季重鉀的麥玉磷鉀配施模式處理可明顯提高麥玉輪作全年吸磷量，且能穩定獲得較高的磷肥PPFP、PUPE。

表10 不同氮磷鉀配施處理麥玉輪作全年磷素利用效率Table 10 Phosphorus uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.4 氮磷鉀配施對砂姜黑土冬小麥-夏玉米鉀素吸收與利用的影響

2.4.1 氮磷鉀配施對冬小麥鉀素吸收與利用的影響由表11可知，兩年度各處理間地上部總吸鉀量均表現為高氮水平下的各處理顯著高于低氮水平下的處理，高氮和低氮水平下4個處理間差異不顯著，且均以 P8處理的地上部總吸鉀量最大，P3（2012—2013年度）或 P1（2013—2014年度）最小，最大處理較最小處理的平均增幅為39.2%。兩年度KPFP表現為P8＞P2＞P6＞P4，P8顯著大于P4，增幅為7.8%。兩年度KUPE均以P6最大，P2最小。兩年度KUE的變化不同，2012—2013年度各處理KUE以P2最大，P7最小，且P2顯著大于P6、P7，但與P1、P3、P4、P5、P8處理間的差異不顯著；2013—2014年度則以P4和P8的KUE最大，顯著高于P1、P2。KHI表現為麥季施鉀處理（P2，P4，P6，P8）顯著高于不施鉀肥處理（P1，P3，P5，P7）。由此表明，麥季全磷或重磷且玉米重鉀的 P8、P6麥玉兩季磷鉀配施模式有利于增強冬小麥植株對鉀素的吸收能力，進而獲得較高的KPFP、KUPE、KUE和KHI。

表11 不同氮磷鉀配施處理冬小麥鉀素吸收利用效率Table 11 Potassium uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.4.2 氮磷鉀配施對夏玉米鉀素吸收與利用的影響由表12可知，低氮水平下，兩年度P4處理的地上部總鉀、KPFP、KUPE均高于P1、P2、P3，且上述指標均以P1最小，P4較P1的總吸鉀量、KPFP、KUPE平均增幅分別達20.8%、82.0%、107.1%；高氮水平下，兩年度均為P8處理的地上部總鉀、KPFP、KUPE最大；兩年度植株吸鉀量最小值表現不一致，2013年以P6最小，P8較P6增加11.4%，而2014年則以P5最小，P8較P5增加19.1%；KPFP、KUPE均以P5最小，P8處理的KPFP、KUPE顯著高于P5。兩年度低氮水平下KUE和KHI較高氮水平有所升高，兩年度P8處理的植株吸鉀總量、KPFP、KUPE雖最高，但其KHI最低，其降低的生理機理及原因有待進一步深入研究。

2.4.3 氮磷鉀配施對麥玉輪作全年鉀素吸收與利用的影響 由表13可知，盡管麥玉兩季不同氮磷鉀配施處理的全年鉀肥用量相同（180 kg·hm-2），但由于麥玉兩季作物間分配比例及前茬肥料對后茬作物的后效等，致使麥玉輪作全年的總吸鉀量及鉀肥利用效率存在差異，多數表現為在一定氮水平下磷鉀配施有利于全年植株地上部鉀的積累。低氮水平下，鉀肥分施到兩季作物的周年吸鉀量較大，其中除 2013—2014年度 P2＜P1外，其他皆為鉀肥分施處理的地上部鉀積累量大于全施，即2012—2013年度 P2＞P1，兩年度P4＞P3；高氮水平下，鉀肥全施到玉米季的全年吸鉀量較大，表現為P5＞P6、P7＞P8，P5較P6、P7較P8的平均增幅分別達5.6%、3.7%；兩年度各處理全年KPFP規律表現一致，均以P8處理最高。全年KUPE變化不大，且差異不顯著。全年KUE與PUE相比，顯著下降，這和鉀易流失轉移的特性有關。全年KHI較低，且變幅范圍較小，和小麥季相比有所提高，但小于玉米的KHI。

表12 不同氮磷鉀配施處理夏玉米鉀素吸收利用效率Table 12 Potassium uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

3 討論

3.1 氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉籽粒產量及其構成因素的影響

譚和芳等[18]研究表明，小麥生產發育所需的氮磷鉀3種大量營養元素中，氮肥對小麥的產量效應最大，其次為鉀肥和磷肥，同時3種肥料配合施用更能提高小麥產量，促進小麥對營養元素的吸收，提高肥料的利用率。本條件下，兩年度冬小麥籽粒產量最高為P6和P8，且差異不顯著，成穗數均以P8最多，且顯著高于 P1、P3、P7處理，這與前人的研究結果相一致。但是，兩年度冬小麥的穗粒數和千粒重在年度與處理間變化各異，究其原因可能是受年度間溫度、降雨等氣候因子，以及前茬作物肥料投入的后效差異等因素的影響。研究表明，氮肥用量對玉米株高、穗位的影響較顯著，磷肥和鉀肥對玉米籽粒發育及產量的形成有重要影響[19]，在一定用量范圍內增施鉀肥可減小玉米禿尖長度，明顯增加玉米產量[20]。兩年度夏玉米以 P8處理的穗長、行粒數以及產量最大，這也與前人研究相符合。從單季作物來看，砂姜黑土區在高氮水平下磷鉀肥均施能促進產量三要素的協調發展，麥玉兩季作物周年產量也顯示，兩年度均為P8處理的全年籽粒產量最高，分別為21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。由此可見，在砂姜黑土區磷肥用量全部或重施在小麥季，磷肥后效作用明顯，有利于麥玉兩季作物干物質向籽粒中轉運與分配，而鉀肥分施在兩季促進了植株生長，總生物量提高，經濟產量也隨之增加。若磷鉀肥全施在單季作物上，均不利于單季作物和周年產量的提高。在本試驗條件下以高氮水平下麥季重施磷肥且玉米季重施鉀肥 P8處理的麥玉輪作周年產量最高，在不考慮產投比和肥料利用率的情況下，可作為砂姜黑土區適宜的最優周年肥料運籌模式。

表13 不同氮磷鉀配施處理麥玉輪作全年鉀素利用效率Table 13 Potassium uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

3.2 氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉氮素吸收的影響

趙俊曄等[21]研究指出，施氮量增加，氮素吸收效率和氮素利用效率下降，氮肥生產效率降低，氮素收獲指數亦降低。本研究表明，高氮水平下麥玉兩季不同磷鉀配施處理的地上部植株氮吸收總量顯著高于低氮水平下的磷鉀配施處理，但其氮素的偏生產力NPFP、吸收效率NUPE、利用效率NUE卻降低，這與前人的研究結果一致。閆鴻媛等[22]研究發現，長期單一施用氮肥會使小麥的NUE隨年限增加而降低，而均衡施用氮磷鉀則NUE呈上升趨勢。同時，楊小梅等[23]也發現，平衡施肥能夠顯著提高玉米的氮肥利用率。增施氮肥是提高土壤供氮潛力的基礎，但是過多的氮肥會造成養分淋失，適量的氮肥與磷鉀配施有利于促進作物對氮素的吸收，從而降低養分的淋失量[24-25]。因此，合理的氮磷鉀配比可以促進小麥玉米對氮素的吸收和利用。本研究結果表明，低氮水平下冬小麥-夏玉米兩年度均以P4處理較其他分配方案更有利于氮素的積累；在高氮水平下單季作物和周年的吸氮量以 P8處理表現較好，但NPFP、NUPE等均與低氮水平下的處理相比有所降低。由此可見，麥季重磷且玉米季重鉀的磷鉀配施方案，能夠更好地促進小麥玉米對氮素的吸收，提高其利用率，這也與前人的研究結果一致。綜合來看，麥季全磷或重磷且玉米季重鉀的磷鉀配施模式，不僅能增強麥玉兩季作物植株對氮素的吸收利用能力，而且還可提高全年的NPFP、NUPE。雖然高氮水平下NPFP、NUPE、NUE相較低氮水平有所降低，但綜合考慮產量以及磷鉀的吸收和利用，高氮水平還是較優的選擇。

3.3 氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉磷素吸收的影響

研究表明，供磷水平影響植株體內的磷含量、磷凈吸收量，在低磷條件下，植株磷含量、磷凈吸收量明顯降低，生物量顯著減小[26]，但是土壤中施用的磷肥當季利用率僅為10%—15%，近75%—90%的磷積累在土壤中且其后效很高[27]。本文研究表明，無論低氮和高氮水平，兩年度冬小麥地上部植株總吸磷量均以麥季重磷且玉米季重鉀的P4和P8處理較高，且兩磷鉀配施模式處理的PFP、PUPE值較其他處理增大。這表明麥季重施磷肥有利于增強冬小麥植株對磷素的吸收能力，可實現冬小麥籽粒產量與磷素效率的同步提高。但與冬小麥相比，夏玉米植株地上部磷含量有明顯的下降。低氮水平下，兩年度夏玉米的 PPFP、PUPE、PUE變化不完全一致，而高氮水平下P8處理的磷肥PPFP和PUPE均最高，PHI以P6處理的最大，且顯著高于其他處理。林國林等[28]在潮土條件下研究小麥季磷肥施用對后作玉米的影響時發現，在小麥季高施磷量187.5 kg P2O5·hm-2基礎上減少磷肥用量20%或40%，甚至不施磷肥，對后作玉米生長均無明顯影響，玉米產量、生物量、吸磷量未表現出明顯差異。這與本研究結果存在一定差異，原因應該是砂姜黑土相比潮土較為貧瘠，數據顯示，其使用的潮土，小麥播前0—20 cm土壤有效磷為34.60 mg·kg-1，是本研究使用的砂姜黑土的兩倍。綜合研究結果來看，磷鉀肥分施到麥玉兩季作物上的全年植株總吸磷量較高，全年磷肥 PPFP均以高氮水平下麥季重磷且玉米季重鉀配施模式P8處理最高，表明高氮水平下麥季重磷且玉米季重鉀的磷鉀配施模式處理可明顯提高麥玉全年吸磷量，且能穩定獲得較高的磷肥PPFP、PUPE，可作為砂姜黑土麥玉輪作種植區較優的磷鉀配施模式。

3.4 氮磷鉀配施對砂姜黑土麥玉鉀素吸收的影響

武際等[29]發現，氮鉀肥配合施用促進了小麥對氮、鉀養分吸收及植株氮、鉀含量的提高，小麥對氮鉀養分的吸收表現出一定的正交互作用。本研究表明，兩年度麥玉兩季不同氮磷鉀配施處理冬小麥植株地上部總吸鉀量均表現為高氮水平下的不同處理顯著高于低氮水平下的處理，其中以高氮水平下P8處理最大，KHI表現為麥季施鉀處理顯著高于不施鉀肥處理，這與前人研究相一致。與冬小麥相比，夏玉米地上部總鉀量較高，這也驗證了玉米是喜鉀作物。低氮水平下，兩年度P4處理的地上部總鉀量、KPFP、KUPE均高于其他處理，且低氮水平下夏玉米的KUE和KHI較高氮水平有所提高；而高氮水平下，兩年度均以P8處理的植株吸鉀總量、KPFP、KUPE最大，但其KHI較低。在麥玉兩季不同氮磷鉀配施處理的全年鉀肥用量相同（180 kg·hm-2）的情況下，由于麥玉兩季作物間分配比例及前茬肥料對后茬作物的后效等[30]，致使麥玉輪作體系全年的總吸鉀量及鉀肥利用效率存在差異，多數表現為在一定氮水平下磷鉀配施有利于全年植株地上部鉀的積累，但全年的 KHI較低，因此，對本試驗條件下兩季作物間鉀肥分配比例有待進一步研究和調整。

4 結論

高氮水平下麥玉兩季磷鉀肥分施能促進兩季作物產量三要素的協調發展，顯著提高冬小麥的單株成穗數和夏玉米的穗長與行粒數，并獲得最高的周年產量。

高氮水平下麥玉兩季磷鉀肥分施能夠顯著提高周年和單季作物對氮、磷、鉀的吸收量，麥玉兩季磷鉀肥分施不僅能促進冬小麥和夏玉米對氮素的吸收，同時可以有效防止營養元素的流失，提高作物對磷素和氮素的吸收和利用，顯著提高磷鉀兩類元素的偏生產力（PFP）、吸收效率（UPE）。而磷鉀全施在麥玉某一季作物上，由于磷肥易固定、鉀肥易流失的原因，造成肥料后效減小，下茬作物會因養分供給不平衡而影響作物對氮磷鉀的吸收利用，從而影響到產量。

綜合考慮麥玉兩季作物養分利用效率與籽粒產量，在本試驗條件下，全年施純氮540 kg·hm-2的高氮水平下，麥季重磷且玉米季重鉀的 P8模式，可作為豫東南雨養砂姜黑土區冬小麥-夏玉米輪作種植體系高產高效的氮磷鉀配施優選模式。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Effects of the Year-Round Management Model of N, P and K Combined Application on Grain Yield and Nutrient Efficiency of Wheat-Maize Rotation System in Lime Concretion Black Soil

WANG YongHua, HUANG Yuan, XIN MingHua, YUAN ShaSha, KANG GuoZhang, FENG Wei, XIE YingXin, ZHU YunJi, GUO TianCai
（College of Agronomy, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002）

【Objective】This research was conducted to explore the effect of different year-round management models ofcombined application of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) nutrients on grain yields and nutrient efficiency of wheat-maize rotation system in lime concretion black soil and identify an optimal model for the use efficiency of the combined N, P, and K fertilizers in integrated wheat and maize planting system in the lime concretion black soil in the southeast area of Henan province.【Method】A field experiment of combined application of N, P, and K fertilizers was persistently performed in a typical lime concretion black soil area located in Shangshui country, Zhoukou city of Henan province during two continuous wheat-maize growing seasons (2012.09-2013.08 and 2013.09-2014.08). In this experiment, a wheat-maize rotation system was designed, in which the amounts of total P and K fertilizers were not changed while two different amounts of N fertilizers and different application methods of P and K fertilizers were applied. And the effects of this rotation on absorbance and utilization of N, P, and K fertilizers by wheat and maize crops were studies. In this study, two different amounts of N fertilizers were applied at two levels of 360.00 kg·hm-2and 540.00 kg·hm-2in every year. The amounts of total P and K fertilizers were not changed, whereas these two fertilizers were applied with four different ways: all P and K fertilizers were applied in wheat and maize growing seasons, respectively; all P fertilizers were applied in wheat growing seasons, and K fertilizers were applied in both wheat and maize seasons and the ratio of K fertilizer applied in these two seasons was 42:58; all K fertilizers were applied at maize growing season and P fertilizers were applied in both wheat and maize seasons with 64:36 ratio for these two crops; P and K fertilizers were simultaneously applied into soil in both wheat and maize seasons and the ratios of P and K fertilizers applied in these two seasons were 64:36 and 42:58, respectively. The aim of this study is to find an optimal combined mode of application of N, P and K fertilizers in wheat/maize rotation system in the lime concretion black soil.【Result】Results of the experiment indicated that under large amount of the applied N fertilizer condition, simultaneous application of P and K fertilizers in both wheat and maize crops could promote the coordinated development of three key components of wheat and maize yields, and significantly improved the spike number of wheat and the lengths as well as row grains of maize spikes. Of all treatments in these two continuous crop growing seasons, P8 treatment (a larger amount of P fertilizer applied to wheat and a larger amount of K fertilizer applied to maize) harvested the highest grain yields in both a single or two seasons, and year-round yields were respectively 21 274.2 kg·hm-2and 20 219.1 kg·hm-2in two growing seasons (2012.09-2013.08 and 2013.09-2014.08). The nutrient contents in aboveground tissues of wheat and maize crops showed N>K>P in lime concretion black soil. Compared with low amounts of the applied N fertilizer condition, large amounts of the applied N fertilizers were helpful to improvement of the contents of total N, P and K nutrients in the aboveground tissues of these two crops, whereas reduced nitrogen partial factor productivity (NPFP), nitrogen uptake efficiency (NUPE) and nitrogen use efficiency (NUE). Simultaneous application of P and K fertilizers to both wheat and maize crops in one growing year improved the absorbance of N fertilizers, prevented the loss of major nutrients, improved the absorption and utilization of P and K fertilizers of both wheat and maize crops, and significantly increased partial productivity (PFP) and uptake efficiency (UPE) of P and K fertilizers. However, application of total P or K fertilizers in single wheat or maize resulted in the reduced use efficiency of major nutrients and the decreased yields of the subsequently planted crops for unbalanced nutrient supply and the reduced absorbance of N, P and K fertilizers, because P fertilizer is easily immobilized into soil and K fertilizer is easily washed away from soil, respectively. The yield of subsequently planted crops would decrease in this way, because the crops could not absorb and utilize N, P and K in the soil environment of unbalanced nutrient supply. Under small amount of the applied N fertilizer condition, absorbance and utilization of N, P and K nutrients in P4 treatment (a larger amount of P fertilizer applied to wheat and a larger amount of K fertilizer applied to maize) were the highest among all treatments. Under large amount of the applied N fertilizer condition, however, NPFP of N fertilizer in single season or year-round in P8 treatment was the highest among all treatments.【Conclusion】 Based on the efficiency of nutrient utilization and yields of wheat and maize crops, a larger amount of P and K fertilizers separately applied in wheat and maize crops could help synchronously to improve the utilization efficiency of three main nutrients and yields of wheat and maize crops. This can be an optimal model of main nutrient application for wheat and maize yields and use efficiency of fertilizers in wheat/maize rotation system in lime concretion black soil area of southeast Henan province or other similar ecological regions.

wheat-maize rotation system; combined application of nitrogen, phosphorus and potassium; nutrient use efficiency; yield

2016-09-05；接受日期：2016-11-15

國家自然基金面上項目（31471439）、國家重點研發計劃（2016YFD0300105）、國家現代農業產業技術體系建設專項（CARS-03）、“十二五”國家科技支撐計劃項目（2015BAD26B01）、“國家糧食豐產科技工程”河南課題（2013BAD07B07）

聯系方式：王永華，E-mail：wangyonghua88@126.com。通信作者郭天財，E-mail：gtcxiaomai@163.com