氮肥運(yùn)籌對(duì)潮土冬小麥/夏玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響*

張偉納 劉宇娟 董 成 謝迎新? 馬冬云 趙 旭 岳艷軍王晨陽(yáng) 郭天財(cái)

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002）

（2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng) 453730）

冬小麥/夏玉米周年輪作是黃淮平原典型的作物種植制度。氮肥施用，尤其是氮肥的合理施用是提高小麥、玉米等作物產(chǎn)量的重要因素［1］。氮肥用量和施肥方式對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量及氮肥利用率均有重要影響［2-3］。2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)化肥施用量已達(dá)6.023×107t，其中，氮肥用量達(dá)2.362× 107t，占化肥總量39.2%［4］。然而，中國(guó)化肥施用量持續(xù)增加，特別是氮肥的過(guò)量施用并未顯著增加作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量［5-7］，且導(dǎo)致一系列問(wèn)題出現(xiàn)，如氮肥利用率持續(xù)下降［7-8］、地下水污染加重［9］，進(jìn)而可能加重對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境威脅［10］。

國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)化肥制造工藝分為緩釋肥（如脲甲醛等）和控釋肥（控釋尿素、控失尿素等），控釋肥料是指能減緩或控制養(yǎng)分釋放速度的新型肥料，而控失肥則是通過(guò)內(nèi)置包裹型材料控制肥效損失的一種新型緩釋肥料，廣義上而言，緩釋肥料是控釋肥料一種［11］。多數(shù)研究表明，緩/控釋氮肥的施用對(duì)增加農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、提高氮肥利用率和降低環(huán)境污染具有明顯效果［12-14］。然而，有關(guān)緩/控釋氮肥的應(yīng)用報(bào)道不盡相同。有研究認(rèn)為，在保證總氮情況下，控釋尿素與普通尿素配施顯著提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率［15］。相反的研究則認(rèn)為，在等氮量供應(yīng)條件下，一次性施用控釋尿素較分期施用普通尿素可顯著提高作物產(chǎn)量［16-17］。此外，也有因氮肥種類(lèi)不同而導(dǎo)致減施效果存在明顯差異的報(bào)道，如孫曉等［18］研究認(rèn)為，與常規(guī)施肥（225 kg·hm-2）相比，普通尿素減施20%可導(dǎo)致春玉米減產(chǎn)，而控釋尿素減施20%則可增加作物產(chǎn)量、提高氮肥利用率和經(jīng)濟(jì)效益。此外，有關(guān)控釋尿素與普通尿素的運(yùn)籌方式的報(bào)道認(rèn)為，基施控釋氮肥與拔節(jié)期追施普通尿素可顯著提高小麥產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)效率［19］。總體而言，不同的氮肥運(yùn)籌方式對(duì)作物產(chǎn)量和氮肥利用效率均有顯著影響［13,16-19］，但目前黃淮小麥/玉米輪作區(qū)尚缺乏對(duì)氮肥運(yùn)籌方式的系統(tǒng)研究，且前人的研究報(bào)道不一致也將影響該區(qū)氮肥的合理施用，致使該區(qū)氮肥的盲目施用等不合理現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

為此，本文結(jié)合當(dāng)前黃淮冬小麥/夏玉米典型輪作種植區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中所應(yīng)用的主要氮肥類(lèi)型、施氮方式及氮肥用量，通過(guò)連續(xù)兩周年的氮肥運(yùn)籌田間定位試驗(yàn)，研究冬小麥/夏玉米高產(chǎn)栽培的氮肥施用技術(shù)，以期為該地區(qū)農(nóng)田氮肥優(yōu)化管理和化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供一定的理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年10月—2017年10月在位于黃淮典型冬小麥/夏玉米輪作種植區(qū)的河南省封丘縣中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（34°01′N(xiāo)，114°45′E）進(jìn)行。該站位于河南省東北部，新鄉(xiāng)市東南隅，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14 ℃；降水量分布不均勻，多集中在6—8月。2015—2016年冬小麥/夏玉米生育期降水量為676.8 mm，2016—2017年冬小麥/夏玉米生育期降水量為501 mm，無(wú)霜期214 d，日照時(shí)數(shù)1 928.5 h。本試驗(yàn)連續(xù)2個(gè)輪作周期逐月降水量和溫度見(jiàn)圖1。試驗(yàn)地土壤為黃河沉積物上發(fā)育的砂質(zhì)潮土，其0～20 cm耕層有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為11.2 g·kg-1、0.79 g·kg-1、36.1 mg·kg-1、10.5 mg·kg-1、92.1 mg·kg-1，pH為8.30。

圖1 2015—2017連續(xù)2個(gè)冬小麥/夏玉米輪作逐月降雨量和日平均溫度變化Fig. 1 Monthly rainfall and daily temperature during the 2 wheat/maize rotation cycles from 2015 to 2017

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試作物為國(guó)審冬小麥品種豫麥49-198和國(guó)審夏玉米品種鄭單958。氮肥品種為控失尿素（總氮大于等于43.2%，為內(nèi)質(zhì)包裹型新型緩釋尿素，專(zhuān)利號(hào)ZL201210392722.7 ; Loss control urea；簡(jiǎn)稱(chēng)LCU）和普通尿素（Urea）兩種，均由河南心連心化肥有限公司提供。施氮量設(shè)0、80、160和240 kg·hm-2（以N計(jì)，下同）四個(gè)水平。兩個(gè)冬小麥和夏玉米作物季氮、磷、鉀肥施用量相同。氮肥施用每季均按照6∶4基追比例進(jìn)行：基肥在播種前撒施土壤表面，然后翻入土壤耕層15～20 cm處；追肥冬小麥季在拔節(jié)期，夏玉米季在大喇叭口期，追施方式分別為冬小麥撒施加灌水，夏玉米穴施加灌水。磷、鉀肥分別按照P2O5150 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2用量作為基肥一次性施用。各試驗(yàn)小區(qū)氮肥運(yùn)籌方式和施氮量水平詳見(jiàn)表1。所有試驗(yàn)處理均設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)排列，各小區(qū)面積為16 m2。試驗(yàn)各小區(qū)四周水泥澆筑以阻止小區(qū)間水肥互串。試驗(yàn)區(qū)其他管理與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Experiment scheme

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

地上植株樣品分籽粒和秸稈（冬小麥為莖稈、葉和穎殼，夏玉米分莖稈和葉）部位分開(kāi)置于烘箱中于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱(chēng)重。樣品粉碎后采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量。

于冬小麥、夏玉米成熟期各試驗(yàn)小區(qū)單打單收，經(jīng)烘干后按照13%標(biāo)準(zhǔn)水分含量計(jì)算籽粒和秸稈產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=（施氮區(qū)每季產(chǎn)量—不施氮區(qū)每季產(chǎn)量）/施氮量

累積氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=（施氮區(qū)累積產(chǎn)量—不施氮區(qū)累積產(chǎn)量）/累積施氮量

累積氮素吸收效率(kg·kg-1)=施氮區(qū)累積地上部吸氮量/累積施氮量

經(jīng)濟(jì)效益核算：肥料成本按照尿素1 800 yuan·t-1，控失尿素2 500 yuan·t-1，磷肥P2O53 000 yuan·t-1，鉀肥K2O 3 200 yuan·t-1計(jì)算；籽粒產(chǎn)量收益根據(jù)當(dāng)年市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，2015—2016年和2016—2017年冬小麥價(jià)格分別為2.4 yuan·kg-1和2.5 yuan·kg-1，夏玉米分別價(jià)格為1.4 yuan·kg-1和1.7 yuan·kg-1；每季作物追肥勞動(dòng)力按當(dāng)?shù)仄骄鶆趧?dòng)力水平420 yuan·hm-2計(jì)算；其他投入包括種子、農(nóng)藥、整地、播種、灌溉、收獲等每季作物按2 600 yuan·hm-2計(jì)算。

采用Microsoft Excel 2 013處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并采用最小顯著差異（LSD）法比較不同處理間的差異性，Origin Pro 8.0繪圖。圖表中的不同小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá)P＜0.05顯著水平。

2 結(jié) 果

2.1 氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥/夏玉米產(chǎn)量及氮肥效率的影響

兩年作物產(chǎn)量存在年際變異（表2）：2016—2017年冬小麥/夏玉米各施氮處理的產(chǎn)量及氮肥利用率較2015—2016年高。160～240 kg·hm-2等量施氮水平下，冬小麥/夏玉米兩年產(chǎn)量均表現(xiàn)為T(mén)1優(yōu)于T2、T3、T4，且在施氮量為160 kg·hm-2下產(chǎn)量最高。 與T2～T4相比，2015—2016年和2016—2017年T1小麥產(chǎn)量增產(chǎn)率分別高出1.4%～4.6%和 9.3%～22.4%，玉米產(chǎn)量增產(chǎn)率分別高出3.1%～10.7%和 5.6%～18.5%。從2年4季平均數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著施氮量增加，作物平均產(chǎn)量均表現(xiàn)為先升高后降低趨勢(shì)，兩年度氮肥運(yùn)籌方式間產(chǎn)量均以T1處理相對(duì)較高。

冬小麥/夏玉米各季氮肥農(nóng)學(xué)效率隨著施氮量的增加呈下降趨勢(shì)（表2）。施氮量為160 kg·hm-2和240 kg·hm-2時(shí)，T1較T2、T3和T4高，兩年累積氮肥農(nóng)學(xué)效率也表現(xiàn)為相同規(guī)律（表3）。2016—2017年度的作物氮肥農(nóng)學(xué)效率較2015—2016年度高，這主要與連續(xù)兩年不施氮對(duì)照處理下土壤氮損耗有關(guān)。

年份、施氮量和氮肥運(yùn)籌三因素分析結(jié)果表明（表2），年份和施氮量是影響作物產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)效率的重要影響因素，對(duì)冬小麥夏玉米均有顯著影響；氮肥運(yùn)籌方式僅對(duì)生育期相對(duì)較長(zhǎng)的冬小麥有重要影響，而對(duì)生育期相對(duì)較短的夏玉米影響不顯著。

表2 氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥/夏玉米產(chǎn)量和氮肥效率的影響Table 2 Effects of nitrogen application (mode and rate) on yield and nitrogen use efficiency of winter wheat / summer maize

續(xù)表

隨施氮量增加，各氮肥運(yùn)籌方式下冬小麥/夏玉米作物累積氮素吸收量（兩年4季）均表現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì)，而氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素吸收效率則顯著降低（表3）。每季160 kg·hm-2施氮水平（4季總用量640 kg·hm-2）下，T1累積氮素吸收量最高，且其氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素吸收效率也顯著高于T2、T3和T4。

2.2 不同氮肥運(yùn)籌模式下經(jīng)濟(jì)效益

相同氮肥運(yùn)籌方式下，兩年度N 160 kg·hm-2周年產(chǎn)量和產(chǎn)值及純效益均優(yōu)于其他施氮處理（表4）。160～240 kg·hm-2等量施氮水平下，盡管T1氮肥運(yùn)籌方式肥料成本較高，但因其節(jié)省了追肥人工成本，并取得相對(duì)較高的周年產(chǎn)量和產(chǎn)值，使得兩年度T1純經(jīng)濟(jì)效益均高于T2、T3和T4，且在施氮量160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大。

2.3 產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系

相同氮肥運(yùn)籌方式下，對(duì)兩年冬小麥、夏玉米平均產(chǎn)量與施氮量間的關(guān)系進(jìn)行一元二次方程擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表5），氮肥運(yùn)籌方式T1下施氮量為169 kg·hm-2時(shí)小麥產(chǎn)量較高（7 518 kg·hm-2），施氮量為173 kg·hm-2時(shí)玉米產(chǎn)量最高（11 757 kg·hm2）。

3 討 論

通常情況下，隨著氮肥用量增加作物產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但在超過(guò)一定施氮量后產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢或不再增加［20］。當(dāng)前，有關(guān)北方小麥/玉米輪作體系氮肥最佳用量的研究，結(jié)果不盡相同。薛澤民等［21］在晉南地區(qū)小麥/玉米輪作田間試驗(yàn)研究認(rèn)為，總氮量控制在420 kg·hm-2情況下，小麥?zhǔn)┑?31 kg·hm-2和玉米施氮189 kg·hm-2時(shí)可獲得周年輪作最高產(chǎn)量。茹淑華等［22］在河北山前平原連續(xù)種植6年小麥/玉米定位試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥最佳施氮量為250 kg·hm-2，玉米最佳施氮量為180 kg·hm-2。本研究中，隨著施氮量增加，連續(xù)4季作物產(chǎn)量均呈現(xiàn)先增加后緩慢降低趨勢(shì)，一次性基施控失尿素160 kg·hm-2可起到控量節(jié)本、增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及提高氮素利用率的作用。一次性基施控失尿素實(shí)現(xiàn)氮肥減量穩(wěn)產(chǎn)的可能原因如下：一是與控失肥本身在生產(chǎn)過(guò)程中添加“控失劑”有關(guān)，控失劑遇水形成一張“網(wǎng)”，養(yǎng)分被“鎖”在土壤中，防止肥料流失，能供應(yīng)作物全生長(zhǎng)生育期內(nèi)所需養(yǎng)分［23］；二是與播種前控失尿素一次性深施（15～20 cm）減少氮素?fù)p失有關(guān)［24］。本研究適宜施氮量略低于前人關(guān)于該區(qū)適宜氮肥用量的報(bào)道［25］，分析原因可能與試驗(yàn)環(huán)境、播種時(shí)期、氮肥種類(lèi)以及氮肥運(yùn)籌方式不同有關(guān)。

表3 氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥夏玉米兩周年累積氮肥效率的影響（2015—2017年）Table 3 Effects of nitrogen application (mode and rate) on accumulative nitrogen use efficiency of winter wheat and summer maize in 2015—2017

氮肥利用率的提高是降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入和農(nóng)田面源污染的重要舉措，而緩/控氮肥適宜的運(yùn)籌方式可以起到提高作物氮肥利用率的作用［25-26］。梁熠等［26］認(rèn)為，在總施氮225 kg·hm-2時(shí)控釋尿素基施(60%)+尿素追施(40%)處理春玉米的農(nóng)學(xué)效率高于一次性全部基施控釋尿素處理。周麗平等［14］認(rèn)為，一次性施用控失尿素的氮肥利用率較一次性施用普通尿素高。陳祥等［27］研究認(rèn)為，50%基施+50%返青期追施尿素的氮肥利用率明顯高于“一炮轟”傳統(tǒng)施肥。于淑芳等［16］在山東恒臺(tái)小麥玉米輪作試驗(yàn)研究認(rèn)為，在80%正常施氮量下一次性基施控釋尿素（小麥168 kg·hm-2和玉米180 kg·hm-2）可明顯提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力。然而，也有減施10%控失尿素處理可顯著降低農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力的相反報(bào)道［28］。本研究中，隨施氮量增加，累積氮肥利用率呈降低趨勢(shì)，且在等量氮肥供應(yīng)水平下施用控失尿素可明顯提高氮肥利用率和氮素吸收效率，特別是在160 kg·hm-2施氮水平下控失氮肥一次性基肥深施更有利于提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量，說(shuō)明基施控失尿素可能有利于提高籽粒氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)［29］，而分期施用普通尿素、基施控失尿素加追施普通尿素以及基施普通尿素加追施控失尿素處理在冬小麥/夏玉米生育后期籽粒器官所需氮素營(yíng)養(yǎng)未被有效地吸收利用。

有研究指出，減量20%基施緩/控尿素不僅能提高氮肥利用率，還可維持作物高產(chǎn)，降低肥料成本和勞動(dòng)力成本，增加純效益［18］。本試驗(yàn)條件下，等量施氮160 kg·hm-2時(shí)，2015—2016年純效益為一次性基施控失尿素（T1處理）較高，尿素基施加控失尿素追施（T4處理）次之；2016—2017年T1處理周年產(chǎn)量、周年產(chǎn)值及純效益同樣均顯著高于其他施氮方式處理。由于評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益不能單從單季作物或者單個(gè)輪作作物，應(yīng)至少2個(gè)

表4 氮肥施用經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Economic benefit analysis of nitrogen application (mode and rate)

表5 兩年平均冬小麥/夏玉米產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系Table 5 Relationship between winter wheat and summer maize yield and nitrogen rate in two years

注：**表示相關(guān)性達(dá)到P=0.01極顯著水平Note: “**” indicates that the correlation reaches P=0.01 extremely significant level輪作周期以上進(jìn)行評(píng)價(jià)［30］。因此，綜合考慮兩年的平均純效益、不確定的地力因素、冬小麥夏玉米最佳經(jīng)濟(jì)施氮量、糧食價(jià)格及肥料價(jià)格，結(jié)合氮肥與產(chǎn)量模擬曲線方程，認(rèn)為適合當(dāng)前本地區(qū)的適宜施氮量在160～173 kg·hm-2范圍，施氮方式為一次性基施控失尿素處理。此外，考慮到當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)村僅剩下留守老人和婦女務(wù)農(nóng)，以及新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體的大量涌現(xiàn)，急需省時(shí)省力的簡(jiǎn)約化肥料施用技術(shù)［22］的時(shí)代背景，本研究在160～173 kg·hm-2施氮范圍內(nèi)一次性基施控失尿素的施肥方式迎合了國(guó)家當(dāng)前對(duì)農(nóng)業(yè)的“兩減”（減肥減藥）中“減氮”目標(biāo)，同時(shí)滿足了農(nóng)業(yè)對(duì)輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)的需求，具有一定的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

隨施氮量增加，連續(xù)兩周年冬小麥/夏玉米籽粒產(chǎn)量均呈先增加后緩慢降低的趨勢(shì)，其中以160～173 kg·hm-2一次性基施控失尿素處理增產(chǎn)增收效果最好。與農(nóng)戶習(xí)慣施肥（尿素一基一追）相比，一次性基施控失尿素主要通過(guò)節(jié)約施肥人工成本和小幅增加作物產(chǎn)量進(jìn)而起到控量節(jié)本、增產(chǎn)增效及提高氮素利用率的作用，迎合當(dāng)前提倡的輕簡(jiǎn)化施肥技術(shù)需求，可作為潮土區(qū)黃淮平原較適宜的集約化農(nóng)田氮肥運(yùn)籌方式。