不同控失肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和肥料農(nóng)學(xué)效率的影響

白珊珊，萬(wàn)書勤，康躍虎，劉士平

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

控失肥是中國(guó)科學(xué)院離子束生物工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一種新型高效環(huán)保肥料[1]，其原理是在普通化肥中添加一種由微納米多孔天然礦物材料等精準(zhǔn)復(fù)配而成的“控失劑”，利用其溶解后形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將肥料營(yíng)養(yǎng)成分“網(wǎng)捕”或“定植”在植株根系周圍土壤中，從而減少了肥料養(yǎng)分的流失，減緩養(yǎng)分釋放速率[2-4]。白巖等[5]研究發(fā)現(xiàn)，與施用普通肥料相比，冬小麥生育期內(nèi)基施控失肥，冬小麥產(chǎn)量提高了7.7%～14%。徐汝民等[6]指出在皖北地區(qū)，與常規(guī)配方肥相比，小麥生育期內(nèi)施用控失肥，小麥平均增產(chǎn)8.4%。邱冠男等[7]在黃渤海地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)施用控失型復(fù)合肥，并設(shè)置和常規(guī)施肥等養(yǎng)分施肥試驗(yàn)和養(yǎng)分減量試驗(yàn)，結(jié)果表明，控失型復(fù)合肥平均單產(chǎn)較普通復(fù)合肥增產(chǎn)4.2%，氮肥農(nóng)學(xué)利用率提高14.7%。減量試驗(yàn)表明，控失型復(fù)合肥較普通復(fù)合肥在平均氮肥減少28%的情況下，產(chǎn)量幾乎相平，其氮肥農(nóng)學(xué)利用率提高36.6%。

環(huán)渤海低平原區(qū)是我國(guó)冬小麥的主產(chǎn)區(qū)。冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)干旱少雨，為了獲得可觀的產(chǎn)量，該地區(qū)水肥資源的投入量大，水肥損失量大、利用率低，是冬小麥生產(chǎn)中存在的普遍問(wèn)題[8-9]。有研究指出該區(qū)域大部地區(qū)氮肥利用率僅有20%，通過(guò)揮發(fā)、淋溶和反硝化的氮素?fù)p失率高達(dá)14%～45%[10-13]。

基于控失肥養(yǎng)分流失率低，本研究探索環(huán)渤海低平原區(qū)雨養(yǎng)條件下(最多灌一次底墑水，保證出苗率)，施用控失肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素和肥料農(nóng)學(xué)效率的影響，為環(huán)渤海低平原區(qū)糧食增產(chǎn)提供新思路。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014-2015，2015-2016年2個(gè)冬小麥生長(zhǎng)季在河北省滄州市南皮縣中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(38°00′N，116°40′E，海拔11 m)進(jìn)行。該地區(qū)年均氣溫12.3 ℃，多年平均降水量480 mm，但季節(jié)分配不均，多集中在夏秋季，冬春則比較干旱，即冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)降水較少。

供試土壤基本理化性質(zhì)詳見表1。試驗(yàn)區(qū)土壤0～60 cm為砂質(zhì)壤土，60～100 cm為粉砂壤土，偏堿性。土壤硝態(tài)氮含量剖面分布不均勻，土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量大致沿剖面從上而下逐漸降低，速效鉀含量較高。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)參考當(dāng)?shù)囟←湹氖┓柿亢褪┓史桨?CF)：底肥磷酸二銨375 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，拔節(jié)期(2015年4月3日和2016年4月5日)追施尿素300 kg/hm2，即60% N 和100% P底施，拔節(jié)期追施40% N。

2014-2015，2015-2016年，選用2種控失肥：控失型磷酸二銨N-P2O5-K2O：16-45-0(K1)和控失型復(fù)合肥N-P2O5-K2O：24-12-12(K2)。在保證同當(dāng)?shù)豊和P2O5施肥量基本一致條件下，設(shè)置了3個(gè)控失肥試驗(yàn)處理，另設(shè)一個(gè)完全不施肥的處理(CK)作為對(duì)照。冬小麥具體施肥處理試驗(yàn)方案詳見表2，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組布置。

2014-2015年供試冬小麥品種為邯6172，2015-2016年供試冬小麥品種為小偃81。2014-2015年，所有處理分別灌了底墑水25 mm，保證出苗率；2015-2016年，因前期降雨豐富，所有處理播種后均無(wú)灌水。

表2 冬小麥?zhǔn)┓侍幚碓囼?yàn)方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

冬小麥產(chǎn)量指標(biāo)：冬小麥成熟收獲時(shí)，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選擇25株考種，包括：株高、穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等。另分別選取1×1 m3的樣方脫粒后進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，每個(gè)處理的小麥產(chǎn)量均以3次重復(fù)的平均值代表實(shí)際產(chǎn)量。

肥料農(nóng)學(xué)效率(Agronomic efficiency， AE)是指特定施肥條件下，單位施肥量所增加的作物產(chǎn)量，計(jì)算公式如下：AE=(Y-Y0)/F，式中：AE為肥料農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)，Y為施肥條件下作物的產(chǎn)量(kg/hm2)，Y0為不施肥條件下作物的產(chǎn)量(kg/hm2)，F(xiàn)為肥料純養(yǎng)分(N、P2O5和K2O)的投入量(kg/hm2)[14]。肥料農(nóng)學(xué)效率直接反映了施肥的增產(chǎn)狀況[15]，是評(píng)價(jià)肥料增產(chǎn)效應(yīng)較為準(zhǔn)確的指標(biāo)[16-17]。

肥料貢獻(xiàn)率(Fertilizer contribution rate， FCR)即肥料對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式如下：FCR=(Y-Y0)/Y×100%，式中FCP為肥料貢獻(xiàn)率(%)，Y為施肥條件下作物的產(chǎn)量(kg/hm2)，Y0為不施肥條件下作物的產(chǎn)量(kg/hm2)[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel軟件處理并作圖。方差分析采用SAS 軟件ANOVA過(guò)程處理，并采用 Duncan method進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期的降水量

降雨是影響肥料利用率的因素之一，強(qiáng)度大的降雨不僅會(huì)引起養(yǎng)分的地表徑流損失，更會(huì)造成養(yǎng)分的深層滲漏。2年冬小麥生育期內(nèi)的降水量如圖1所示。2014-2015年冬小麥生育期內(nèi)，累計(jì)降水量?jī)H68 mm，降水量分布極不均勻，播種-返青期降水量?jī)H有3 mm，拔節(jié)-抽穗期降水量較多，為56 mm。最大的一次降雨量(19.7 mm)發(fā)生在2015年4月2日，降雨后第2天進(jìn)行的追肥，不會(huì)造成顯著的養(yǎng)分流失。

2015-2016年冬小麥生育期內(nèi)累計(jì)降水量108.6 mm，播種-返青期降水量較多(75.6 mm)，占總降水量的70%，返青-拔節(jié)期無(wú)降水量，起身灌漿盛期降水33 mm，僅占降水量的30%。參考河北省冬小麥生長(zhǎng)季多年平均降雨量(139.01±24.61 mm)[19]，可知2015-2016年冬小麥生長(zhǎng)季的總降雨量偏少，而2014-2015年過(guò)少。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)的降水量

2.2 控失肥對(duì)冬小麥株高、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成和肥料農(nóng)學(xué)效率的影響

2.2.1 控失肥對(duì)冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)株高的影響 不同施肥處理的冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)株高如圖2所示。2年不同控失肥處理和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理之間冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)株高均無(wú)顯著差異。這2年冬小麥株高矮小并且遠(yuǎn)小于該品種的平均株高，這主要是因?yàn)?014-2015年冬小麥拔節(jié)期遇到低溫，并且生育期的降水量少；2015-2016年降水量主要集中在返青期前，拔節(jié)期溫度低且降水量少。

2014-2015，2015-2016年度冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，不施肥處理(CK)的株高最小，當(dāng)?shù)厥┓侍幚?CF)處理次之。2014-2015年底肥為控失肥追肥尿素和磷酸二氫鉀處理(K2Z)的株高最大，相比CF處理提高了4.1%。2015-2016年底肥為控失肥不追肥處理(K2)的株高最大66.2 cm，相比CF處理提高了5.8%。

這2年，相比CF處理，控失型磷酸二銨(K1Z)處理的株高平均提高了1.1%，一次性底施控失復(fù)合肥(K2)處理的株高平均提高了1.2%，K2Z處理株高平均提高了4.2%。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表3、圖3-4同。Different letters mean significant difference(P<0.05).The same as Tab.3，F(xiàn)ig.3-4.

2.2.2 控失肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響 表3為不同施肥條件下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素狀況。從表中可知，2014-2015，2015-2016年這2年冬小麥的產(chǎn)量分別平均為4 969，4 787 kg/hm2。

2014-2015，2015-2016年的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，CK的產(chǎn)量最低，CF的產(chǎn)量次之。相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理(CF)，2014-2015年底施控失型復(fù)合肥(24-12-12)，追施尿素和磷酸二氫鉀顯著提高了冬小麥產(chǎn)量，而2015-2016年施用控失肥處理均顯著提高了冬小麥的產(chǎn)量。這2年均表現(xiàn)為底施控失型復(fù)合肥(24-12-12)，追施尿素和磷酸二氫鉀處理(K2Z)的產(chǎn)量最高，比CF分別提高了29%和19%；底肥控失型磷酸二銨和尿素，追施尿素處理(K1Z)的產(chǎn)量次之，比CF分別提高了24%和17%；一次性施入控失肥處理(K2)冬小麥產(chǎn)量比CF的產(chǎn)量均提高了17%。從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，除不施肥處理(CK)外，控失肥處理和常規(guī)施肥處理在結(jié)實(shí)小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量方面均無(wú)顯著差異。但施用控失肥處理冬小麥的穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等表現(xiàn)均較優(yōu)，從而產(chǎn)量較高。

2014-2015，2015-2016年當(dāng)?shù)囟←湴喂?jié)期增加1次灌溉(90～120 m3/hm2)、同CF施肥的產(chǎn)量分別為6 375.0，6 584.0 kg/hm2。與該產(chǎn)量相比，施用控失肥僅灌1次底墑水(2014-2015年)或無(wú)灌水(2015-2016年)時(shí)，冬小麥產(chǎn)量分別降低了10%～17%和18%～19%，但減少了拔節(jié)期的灌水，節(jié)省灌溉量900～1 200 m3/hm2。這表明：在環(huán)渤海低平原區(qū)淡水資源緊缺條件下，在干旱和偏干旱年份，在保證冬小麥齊苗后，通過(guò)施用控失肥也可保證獲得80%以上的冬小麥產(chǎn)量。

2014-2015，2015-2016年，相比CF處理，控失型磷酸二銨(K1Z)處理的冬小麥產(chǎn)量平均提高了21%，一次性底施控失復(fù)合肥(K2)處理的冬小麥產(chǎn)量均提高了17%，K2Z處理產(chǎn)量平均提高了24%。施用控失肥處理冬小麥的穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等表現(xiàn)均較優(yōu)，從而產(chǎn)量較高。綜合分析可知，施用控失肥可以提高冬小麥產(chǎn)量17%以上；如果60%N通過(guò)控失肥底施、40%N通過(guò)常規(guī)肥料(尿素)追施，可以提高冬小麥產(chǎn)量21%以上；當(dāng)基礎(chǔ)土壤速效鉀含量較高時(shí)，與施用不含鉀元素的控失肥相比，施用含鉀元素的控失肥僅可以提高冬小麥產(chǎn)量3%左右。

表3 不同施肥處理的冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Tab.3 The yield and yield characteristics for different fertilization treatments

2.2.3 控失肥對(duì)冬小麥肥料農(nóng)學(xué)效率的影響 肥料農(nóng)學(xué)效率也稱農(nóng)藝?yán)寐剩硎締挝皇┓柿?N、P2O5、K2O)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，反映了單位施肥量增產(chǎn)作物的能力[20]。通過(guò)計(jì)算控失型磷酸二銨和尿素處理(K1Z)和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)磷酸二銨和尿素處理(CF)的肥料農(nóng)學(xué)效率，對(duì)比分析控失肥和常規(guī)肥料的增產(chǎn)能力。本研究中計(jì)算農(nóng)學(xué)利用率所用的施肥量為氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量之和。

2014-2015，2015-2016年控失型磷酸二銨和尿素處理(K1Z)和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)磷酸二銨和尿素處理(CF)的肥料農(nóng)學(xué)效率如圖3所示。2年均表現(xiàn)出K1Z的肥料農(nóng)學(xué)效率較高，分別為3.0，3.9 kg/kg。相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理(CF)，K1Z的肥料農(nóng)學(xué)效率分別提高了228%和71%，可見控失肥可顯著提高肥料農(nóng)學(xué)效率。

2.2.4 控失肥對(duì)冬小麥肥料貢獻(xiàn)率的影響 肥料貢獻(xiàn)率即肥料對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，將不施肥處理(CK)的產(chǎn)量視為基礎(chǔ)地力對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，以其為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算年投入肥料的生產(chǎn)能力[16，21]。由圖4可知，這兩年當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理(CF)的肥料貢獻(xiàn)率最低，分別為11%和26%，平均18%。2014-2015，2015-2016年底施控失型磷酸二銨追施尿素處理(K1Z)的肥料貢獻(xiàn)率平均為33%，一次性底施控失肥(K2：24-12-12)的肥料貢獻(xiàn)率平均為31%，K2Z處理的肥料貢獻(xiàn)率平均為34%。

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥(CF)的肥料貢獻(xiàn)率僅18%，而兩種控失肥的肥料貢獻(xiàn)率均大于31%?？厥Х实姆柿县暙I(xiàn)率顯著高于常規(guī)施肥的肥料貢獻(xiàn)率。

圖3 K1Z和CF的肥料農(nóng)學(xué)效率Fig.3 Agronomic nutrient efficiency for K1Z和CF

圖4 不同施肥處理冬小麥的肥料貢獻(xiàn)率

綜合分析這兩年的試驗(yàn)結(jié)果：在保證同當(dāng)?shù)豊和P2O5施肥量基本一致、相同雨養(yǎng)條件下，底施控失肥不追肥(K2)可以提高冬小麥的產(chǎn)量，其產(chǎn)量比CF的提高了17%，60% N通過(guò)控失肥底施、40%N通過(guò)常規(guī)肥料(尿素)追施(K1Z、K2Z)的增產(chǎn)效果更顯著，相比CF的產(chǎn)量分別提高了21%和24%；不同控失肥處理冬小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異，這主要是因?yàn)樗刑幚淼腘和P2O5施肥量基本一致，添加的“控失劑”并沒(méi)有改變肥料的營(yíng)養(yǎng)成分。由此也可以知道當(dāng)基礎(chǔ)土壤速效鉀含量較高時(shí)，冬小麥生育期內(nèi)可不施用K肥(K2中增加了K肥，但小麥的產(chǎn)量并不比K1Z高)；雨養(yǎng)條件下(最多灌一次底墑水，保證出苗)，冬小麥?zhǔn)┯每厥Х时瘸Ｒ?guī)施肥、拔節(jié)期灌溉條件下的產(chǎn)量降低了10%～19%，但可減少拔節(jié)期的1次灌水，節(jié)省灌溉量900～1 200 m3/hm2；控失肥可減少養(yǎng)分的流失，顯著提高肥料農(nóng)學(xué)效率。相比常規(guī)施肥，控失肥處理K1Z的肥料農(nóng)學(xué)效率提高了71%～228%?？厥Х实姆柿县暙I(xiàn)率顯著高于常規(guī)施肥的。相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)肥料，控失肥的肥料貢獻(xiàn)率提高了53%。

3 結(jié)論與討論

施用控失肥可以有效提高作物有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，從而提高產(chǎn)量[22-23]。本研究結(jié)果表明，控失肥可提高冬小麥產(chǎn)量，在冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等方面均表現(xiàn)較優(yōu)。相比常規(guī)肥料，施用控失肥的冬小麥產(chǎn)量提高了17%～29%，且不同類型控失肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響；底施控失肥、并在拔節(jié)期追肥(60%N通過(guò)控失肥底施、40%N通過(guò)常規(guī)肥料追施)，冬小麥增產(chǎn)幅度大，增產(chǎn)21%～24%；如果控失肥作為底肥一次性施入，冬小麥產(chǎn)量提高了17%，但減少了追肥的勞動(dòng)力成本，這可有效緩解環(huán)渤海低平原區(qū)冬小麥生產(chǎn)用工的矛盾。

控失肥可明顯提高肥料農(nóng)學(xué)利用率，達(dá)到節(jié)本增益的效果，減少化肥的淋溶流失，削減化肥面源污染，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[24]。本研究也表明，控失肥顯著提高了肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率。相比常規(guī)肥料，控失肥的肥料農(nóng)學(xué)效率提高了71%～228%，肥料貢獻(xiàn)率提高了53%。這說(shuō)明在保證N和P2O5施肥量同當(dāng)?shù)厥┓柿炕疽恢?、相同雨養(yǎng)條件下，施用控失肥不僅能提高冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素，還可以提高肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率，進(jìn)而提高冬小麥產(chǎn)量。

與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥、拔節(jié)期灌溉的冬小麥產(chǎn)量相比，施用控失肥但僅灌一次底墑水(2014-2015年)或無(wú)灌水(2015-2016年)時(shí)，冬小麥的產(chǎn)量降低了10%～19%，但減少了拔節(jié)期的1次灌水，可節(jié)省淡水灌溉量900～1 200 m3/hm2。這可有效緩解環(huán)渤海低平原區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季淡水資源匱乏的矛盾。

由此可知，環(huán)渤海低平原區(qū)小麥生產(chǎn)中施用新型環(huán)保控失肥可達(dá)到增產(chǎn)的效果，同時(shí)提高肥料利用效率，減少肥料的流失；并且在勞動(dòng)力較少的情況下，可將控失肥作底肥一次性施入，以減少追肥的勞動(dòng)力成本；在淡水資源非常緊缺時(shí)，保證冬小麥齊苗后，雨養(yǎng)條件下通過(guò)施用控失肥，也可獲得80%以上的冬小麥產(chǎn)量。

本研究?jī)H探討了控失肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和肥料農(nóng)學(xué)效率、肥料貢獻(xiàn)率的影響，需要進(jìn)一步開展施用控失肥對(duì)土壤養(yǎng)分含量和冬小麥生理生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，綜合分析施用控失肥對(duì)土壤、植物以及環(huán)境的影響。