氮肥運籌對夏玉米產量、氮素利用率及土壤養分殘留量的影響

楊 峰，閆秋艷，魯晉秀，李 峰，王 苗，董 飛

(山西省農業科學院 小麥研究所，山西 臨汾 041000)

玉米是我國的主要糧食作物之一，占世界總面積的17.2%[1]。玉米需肥量大，施肥是提高玉米產量的關鍵措施之一[2]。而氮肥運籌是提高玉米單產水平的重要措施[3-5]。氮肥施用模式通常是在基肥的基礎上再追施2～3次以上的速效氮肥(尿素)，這種模式雖然增加作物產量和提高氮肥利用率，但同時也增加了施肥的勞動強度和成本，這與當前我國農村勞動力短缺和老齡化的現實情況不相適應[6]。近年來，隨著農業機械化設計和玉米輕簡化技術的不斷完善，采用現代化技術措施，對田間作物工序刪繁就簡等輕簡化處理，以達到省工、省力、高效和增產的方式已成為一種必然趨勢。

一次性簡化施肥技術正逐漸成為玉米生產中一種主要施肥方式。我國北方玉米主產省平均有50%的農戶采用一次性施肥法[2]。但是，目前對一次性施肥技術增產效果存在爭議。一次性施肥容易導致玉米生育前期養分供應過剩，揮發淋溶等損失，后期出現脫氮現象[7]。尤其是肥料種類及用量等因素直接關系玉米整個生育期養分的供應情況。緩控釋肥能減緩或控制養分的釋放，肥效期長且穩定，能滿足玉米整個生育期對養分的需要[8]，其鹽指數低，一次性大量施用不會造成“燒苗”，節省勞動力，降低成本[9]。隨著緩控釋肥生產成本的降低和產量的增加，緩釋肥在玉米等作物生產上的廣泛應用已成為化學肥料發展的趨勢之一。眾多研究針對一次性基施緩/控釋肥的研究結論基本一致，控釋肥能提高肥料利用率和作物產量[10-11]。

目前，有關玉米一次性施肥側重于產量和植株養分吸收上，對土壤速效養分殘留及其環境效應報道較少。實際上，肥料表觀利用率低主要是由于大量的肥料養分殘留在土壤中，未能被作物充分吸收。因此，對土壤養分殘留量的考察也是評價施肥合理的重要標準。此外，許多研究對施肥量的控制以氮肥為主，忽視磷鉀肥的作用。

為了科學評價和合理應用一次性施肥技術，減輕勞動強度和成本，本研究在等氮磷鉀水平下，比較了復合肥、控釋摻混肥、脲甲醛雙膜肥一次性施肥與常規尿素底肥+追肥方式對夏玉米養分吸收、土壤養分殘留和產量的影響，以明確一次性施肥養分供應特征及土壤環境效應，旨在為農民制定合理的施肥決策提供理論依據，促進我國農業可持續發展，改善生態環境。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014，2015年在山西省臨汾市吳村鎮洪堡村試驗基地進行。該區地處半干旱、半濕潤季風氣候區，年平均氣溫12.9 ℃，年平均降水量550 mm，年無霜期203 d。試驗地常年以冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式為主。試驗地土壤類型為石灰性褐土，耕層(0～20 cm)土壤基礎肥力pH值8.13，有機質15.20 g/kg，EC值141.40 μS/cm，全氮1.28 g/kg，堿解氮76.69 mg/kg，有效磷10.64 mg/kg，速效鉀117.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試肥料處理為：CF.復合肥(N-P2O5-K2O為24-10-5)；BBF.摻混肥料(N-P2O5-K2O為24-12-13)；CRF.脲甲醛雙膜緩釋肥(N-P2O5-K2O為27-7-7)；U.尿素(含N 46%)。其中，磷肥為過磷酸鈣(含12% P2O5)，鉀肥為硫酸鉀(含40% K2O)。施肥量經過對試驗田土壤測試后夏玉米目標產量推薦以及參考相關文獻標準[12]，在等氮磷鉀條件下，施純N量為225 kg/hm2，純P量為90 kg/hm2，純K量為120 kg/hm2，其具體設置處理如表1所示。同時以不施氮肥作為對照(CK)。

供試玉米品種為強盛369。2014年6月7日播種，2014年9月28日收獲。2015年6月18日播種，2015年10月7日收獲。采用隨機區組設計，每處理3次重復，每個小區面積為2.5 m×20 m=50 m2，株距為24.7 cm，行距60 cm，種植密度為67 500株/hm2。

表1 試驗設計

1.3 樣品采集及測定

試驗分別在苗期(播種后34 d)、大喇叭口期(播種后64 d)和成熟期(播種后115 d)采集植株樣品。取樣后用純水洗干凈，用脫脂棉將植株擦干，剪成5 cm左右碎段，105 ℃烘箱殺青30 min，于75 °C烘干24 h后，稱重、粉碎過篩后備用。參照魯如坤[13]方法，通過H2SO4-H2O2消煮，采用半自動凱氏定氮儀測定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度計法測定全鉀含量。

在成熟期(2014年9月28日和2015年10月7日)，各處理選取有代表性植株，采集果穗20個，測定單穗重、穗長、穗粗、穗行數，風干脫粒測量百粒質量，根據小區產量折算公頃產量。每處理選取6.66 m2進行產量測定(按照含水率14%折算)，測產前每小區隨機選取20個果穗進行考種。

增產率=(施氮區作物產量-不施氮區作物產量)/不施氮區作物產量×100%；地上部氮素積累量(kg/hm2)=地上部干物質量×地上部干物質量含氮量；氮素表觀平衡(kg/hm2)=氮投入量-氮吸收量；氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區植株產量-無氮區植株產量)/施氮量；氮素表觀利用率=(施氮區作物地上部植株氮素積累量-不施氮區作物地上部植株氮素積累量)/氮肥施用量×100%。

試驗分別在玉米種植前、苗期、大喇叭口期和成熟期按照“S”曲線，采用土鉆分別取0～20 cm和20～40 cm土層的新鮮土壤樣品，自然風干，研磨過2 mm篩備用。土壤基本理化性質測定參照魯如坤[13]的方法測定。

1.4 數據處理

試驗數據經Microsoft Excel 2007和Sigmplot 12.0軟件計算、繪圖。用SPSS 10.0軟件進行差異顯著性檢驗，顯著性水平設定為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素分析

從表2可以看出，2014，2015年施氮肥處理比不施氮肥(CK)均增產，增產幅度分別為5.72%～27.71%和6.05%～27.84%，2年數據均表現為U3處理產量最高，比CRF處理增產3.77%和5.46%，比BBF處理增產6.52%和7.12%，但與BBF和CRF處理間差異不顯著；CF和U2處理間產量差異不顯著。說明一次性施用緩控釋肥能顯著提高夏玉米產量，實現常規尿素2次或3次施肥的產量，節約追肥成本。CF處理增產效果不如BBF和CRF處理，但與U2處理增產效果接近。尿素分次施肥次數越多，增產效果越明顯。

由表2可知，2014，2015年結果均顯示，玉米穗粗和穗長在各施氮處理間差異不顯著，但均高于CK；2014，2015年施氮處理較CK夏玉米百粒質量分別增加0.84～5.58 g和1.08～4.73 g，除U1處理與CK處理間無顯著差異外，其余處理均高于CK。U3處理下玉米穗粒數和單穗粒重最大，2年平均比CK分別增加15.96%和17.65%；BBF和CRF處理玉米穗粒數與U2和U3處理間無顯著差異(2015年U2處理除外)；施氮肥處理較CK夏玉米單穗粒重2年平均增產幅度為11.73%～21.44%，其中，BBF和CRF處理玉米百粒質量、穗粒數和單穗粒重等指標較優。

表2 夏玉米產量及其構成因素分析Tab. 2 Effects of different fertilize treatments on maize yield and its components

注：同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表3-5同。

Notes：Values within each column followed by the different letters show significant difference (P<0.05). The same as Tab.3-5.

2.2 各生育期養分吸收量分析

從表3可以看出，與不施氮肥CK處理相比，施氮肥處理夏玉米全生育期各器官氮磷鉀吸收量增加，苗期養分吸收量增加幅度分別為N 0.58%～23.34%，P 8.81%～37.28%，K 3.56%～24.39%；大喇叭口期增加幅度分別為N 45.44%～69.58%，P 2.06%～15.62%，K 5.43%～16.05%；成熟期增加幅度分別為N 31.99%～47.85%，P 2.91%～16.82%，K 6.24%～23.16%。U3處理玉米氮素總吸收量在不同生育期均較高，BBF和CRF處理氮總吸收量低于U3，但處理間差異不顯著。苗期和大喇叭口期葉片是氮素的分配中心，成熟期莖和葉中分配的養分比例減少，氮素養分逐漸由莖葉轉向籽粒，莖和葉中氮素吸收量減少，籽粒氮素分配最多；玉米不同組織隨生育期磷吸收與氮吸收趨勢相似；莖和葉中鉀素吸收量隨生育期持續增加，與氮磷吸收趨勢不同。

表3 夏玉米不同生育期不同組織氮磷鉀養分吸收量分析Tab 3 Accumulation of plant N， P and K in various organs in different growth periods of summer maizekg/hm2

注：表中數據為2014，2015年的平均值。表5同。

Note：Values in this table represent mean of 2014 and 2015. The same as Tab.5.

2.3 氮肥利用率分析

由表4可知，氮素表觀平衡在U1處理下2014，2015年均最高，分別達37.50，38.19 kg/hm2，CF處理次之；U3處理氮素表現平衡最小，且常規尿素施肥次數越少，氮素表觀平衡越小。BBF和CRF處理下氮素表觀平衡量低于U3，高于U2。U3處理氮肥農學效率在2年試驗結果中均最高，平均比BBF高21.29%，比CRF處理高41.77%，U3，BBF和CRF處理間差異不顯著。U3處理氮肥表觀利用率最高，兩年平均達30.39%。BBF和CRF處理平均為29.59%和28.95%，高于CF處理(22.27%)，但3種處理間無顯著差異。CF處理氮肥表觀利用率低于U2，高于U1。氮肥農學效率和表觀利用率隨尿素分次施肥次數增加而增加。

表4 各施氮肥處理氮肥利用率分析Tab. 4 Utilization efficiency of fertilizer under different fertilization modes

2.4 土壤速效養分殘留量分析

從表5可以看出，玉米苗期施氮處理0～20 cm土層堿解氮含量均高于CK，U1與CK間無顯著差異；20～40 cm土層堿解氮含量無顯著差異，苗期0～20 cm土層堿解氮含量在一次性施肥處理中表現為BBF>CF>CRF，這與不同肥料養分有效性有關。苗期0～20 cm土層速效磷含量在CF、BBF和CRF處理中較低，可能是由于部分磷元素在肥料中存在一定的釋放時間；苗期20～40 cm土層速效磷含量在處理間無顯著差異。苗期0～40 cm土層緩效鉀在各處理間差異不顯著。隨著玉米生育期推進，植株對氮素需求量也增加，大喇叭口期CK處理0～20 cm土壤堿解氮含量有降低趨勢，20～40 cm土層堿解氮含量基本不變。 隨著肥料養分釋放增多以及追肥等，施氮肥處理0～20 cm和20～40 cm土層的堿解氮含量較苗期均有所增加，尤其是20～40 cm土層堿解氮含量增加較多，尿素分次施肥處理增加最明顯，說明速效氮肥運移性較強。大喇叭口期BBF和CRF處理的土壤堿解氮含量大于CF。大喇叭口期0～40 cm土層速效磷含量較苗期均有所增加，BBF和CRF處理速效磷含量較高。緩效鉀含量在BBF和CRF處理下較高，其余處理間差異不顯著；與大喇叭口期相比，成熟期0～20 cm土壤堿解氮含量有所下降，同時20～40 cm土層堿解氮含量均略有升高，其中，U1處理20～40 cm土層堿解氮殘留量較高，尿素追肥次數越多，土壤堿解氮殘留量越少。0～20 cm土層速效磷除U3處理降低外，其余處理間差異不顯著，20～40 cm土層CK處理較低，其余處理間差異不顯著。0～20 cm土層緩效鉀含量在各處理間差異不顯著，施氮肥處理20～40 cm土層緩效鉀含量均顯著高于CK處理。

3 結論與討論

本研究在石灰性褐土上，通過2年試驗比較了不同氮肥一次性施用與普通尿素分次施肥的效果，結果顯示，在簡化施肥環節的條件下，采用緩控釋肥在不減少作物產量的基礎上可取得與速效氮肥(尿素)分次施用接近或者增加的效果。一次性基施緩控釋肥處理(BBF和CRF)夏玉米產量接近常規尿素3次施肥(U3)，且處理間無顯著差異，比常規尿素2次施肥(U2)和1次施肥(U1)夏玉米產量均增加。一次性基施普通復合肥(CF)處理增產幅度與U2處理接近，但低于BBF和CRF處理。2014，2015年增產幅度分別為5.72%～27.71%和6.05%～27.84%。尿素分次施肥次數越多，增產效果越明顯。施氮肥處理使夏玉米百粒質量增加0.84～5.58 g，穗粒數增加幅度為1.50%～16.23%，單穗粒重增產幅度為11.16%～22.83%。BBF和CRF處理的夏玉米穗粒數、單穗粒重和百粒質量等產量構成因素均較優，與U3處理間差異不顯著。可見，在一次性簡化施肥條件下可以實現夏玉米的增產，這與多數研究一致[1，7，14]，因施肥種類不同增產效果各異。本研究從增產效果來看，一次性基施緩控釋肥優于普通復合肥。

表5 夏玉米不同生育時期0～40 cm土層速效養分含量分析Tab. 5 Available nutrient content of 0-40 cm layer in different growth periods of summer maize

本研究一次性基施不同肥料對玉米的增產效果各異，這可能與肥料本身養分釋放速率有一定關系[7]，特別是在玉米不同生育階段養分釋放量直接關系到植株的吸收量。養分吸收和干物質積累是籽粒產量形成的物質基礎[14]。本研究結果顯示，玉米隨生育期總氮素累積量呈上升趨勢，但成熟期葉片和莖氮素積累量較苗期和大喇叭口期逐漸降低，生長中心開始向籽粒轉移，籽粒氮吸收量較高，同時氮參與合成的光合產物也由莖和葉向籽粒轉移，以提高籽粒的產量和品質[9]。可見，后期保證氮素供應對玉米獲得高產十分重要，后期供氮能夠提高成熟期籽粒及營養器官氮素積累量[2]。U3處理玉米氮素吸收量在不同生育期均較高，BBF和CRF處理低于U3，但處理間差異不顯著，這也是尿素3次施肥下夏玉米產量高的主要原因。高洪軍等[15]研究指出，在氮素供應較好的條件下，營養體氮素再分配率和對籽粒氮貢獻率越高，越有利于經濟產量的形成。本研究結果表明，籽粒產量與氮素積累量呈正相關關系，尤其是氮素階段供應更有利于植株高效吸收。BBF和CRF處理下玉米氮素積累量優于CF處理。趙斌等[9]研究結果也表明，包膜控釋肥較等量普通復合肥顯著增加夏玉米單株干物質積累和氮素積累量，這與本研究結果一致。植株氮磷鉀吸收量在成熟期增加幅度分別為N 31.99%～47.85%，P 2.91%～16.82%，K 6.24%～23.16%。可見，氮素增加幅度大于磷和鉀。蔣遷等[16]對鄭單958的研究結果也表明，控釋肥處理較常規施肥處理總氮、磷和鉀積累量高，植株對三要素的吸收量大小表現為氮>磷>鉀。玉米不同組織隨生育期變化磷吸收與氮吸收趨勢相似。與氮磷吸收趨勢不同，莖和葉中鉀素積累量隨生育期持續增加。玉米對氮素積累量差異較磷鉀積累量大[17]。

肥料利用效率是評價施肥是否合理的重要指標。本研究結果施氮處理氮肥表觀利用率在20.20%～30.56%，氮肥農學效率為2.20～10.95 kg/kg。張福鎖等[18]對2004-2005年不同作物和不同區域試驗結果分析發現，目前我國主要糧食作物氮肥利用率變幅為10.8%～40.5%，平均為27.5%。本研究夏玉米施肥氮肥利用率接近或高于全國平均水平[19-20]。其中，2014年BBF、CRF、U3處理氮肥利用率達29.04%，28.89%和30.21%，2015年BBF、CRF、U3處理氮肥利用率分別達30.15%，29.01%和30.56%，這也說明氮肥分階段供應有利于提高氮肥利用率。

施肥不僅要考慮作物對養分吸收，更要關注其對土壤產生的環境效應。氮肥有效性及供應能力對獲得玉米高產較為關鍵，特別是氮素釋放速率與養分吸收間的協同性是施肥考慮的關鍵點[8]。本研究結果顯示，各施肥處理速效氮含量在各生育期差異較大。玉米苗期施氮處理0～20 cm土層堿解氮含量均高于CK。玉米營養生長前期對氮肥的需求較少，多余的氮素會積累在土壤中，后期隨著玉米植株生長，氮肥需求量增加[9，21]；大喇叭口期CK處理堿解氮含量下降較明顯，但施氮處理0～20 cm土層堿解氮含量仍保持較高水平。紀德智等[8]研究結果表明，大喇叭口期各施氮肥處理表層速效氮含量較苗期均有降低趨勢，這與本研究結果不同，可能是由于其與不同緩控釋肥養分釋放期存在較大關系。本研究中，BBF和CRF處理持續提供氮素的能力較強，0～40 cm土壤堿解氮含量表現為先低后高再低的趨勢，其有利于植株對氮素的吸收。后期20～40 cm土層堿解氮含量在各處理間出現較大差異，說明速效氮向下層土壤運移增加，尤其是U1處理，下移趨勢明顯。可見，施用緩釋肥既可保證產量又能降低淺層地下水氮污染的風險[10，22]。胡娟等[23]研究表明，緩控釋肥較普通尿素可提高0～20 cm土層硝態氮含量，對20～60 cm土層硝態氮含量提高作用不明顯，減少了氮素向中層土壤的轉移，減少氮損失。本研究玉米收獲后，施氮肥處理0～20 cm土壤堿解氮殘留量除U1較高外，其余處理間差異不大，保持在83.45～93.21 mg/kg，比種植前土壤背景值(76.69 mg/kg)稍高。其中，BBF和CRF處理土壤堿解氮含量高于U3，但低于U2。CF處理和U1處理20～40 cm土層堿解氮含量顯著高于其他處理，可能是養分有效性高，前期向下移動趨勢較大。一次性施用復合肥增產效果不如控釋肥，這與氮素釋放速率有一定關系，普通復合肥可溶性強，可能導致前期氮肥供應充足，后期脫氮[24]。控釋肥處理氮素釋放速率與夏玉米氮吸收形成一定協同效應，特別是控釋肥能較好控制后期氮素供應，保證夏玉米整個生育期的氮素供應。本研究施磷鉀水平雖然在各處理間水平一致，土壤中速效磷和速效鉀變化差異在各生育期的差異大于施肥處理，可能是由于玉米對磷鉀肥的需求量小，補充的過磷酸鈣和硫酸鉀肥可以滿足植株對磷鉀養分的需求，肥料中所包含的磷鉀肥即使存在釋放速率的差異，但對植株吸收影響不大[25]。

綜合作物產量、土壤-作物系統養分吸收利用等指標，等氮磷鉀條件下，一次性基施緩控釋肥在夏玉米產量及其構成因素和養分吸收量優于一次性基施普通復合肥，接近或等同于常規尿素3次或2次施肥處理，能較好地協調夏玉米整個生育期的氮素養分供應，提高氮素利用率，減少土壤養分殘留和損失，降低氮的環境效應，同時簡化了施肥程序，實現了夏玉米簡化、高產和高效施肥的目的。一次性基施普通復合肥增產效果不如緩控釋肥，可能是由于肥料本身可溶性強，前期供肥充足，后期養分缺乏，致使其氮肥利用率低。本試驗中，一次性施肥考慮緩控釋肥為主。