氮肥統籌對麥玉周年產量及氮肥利用效率的影響

韓小偉 高英波 張慧 薛艷芳 錢欣

摘要：為進一步提高麥玉周年產量及氮肥利用效率，探討麥玉周年氮素分配比例，以玉米品種鄭單958和小麥品種濟麥22為供試材料，采用裂區設計研究周年氮素分配比例（4∶6、5∶5和6∶4）及肥料種類（樹脂包膜尿素、脲酶抑制劑型肥料和脲甲醛型肥料）對麥玉周年產量及氮肥利用效率的影響。結果表明，麥玉周年氮素分配比例為5∶5時效果較好，較4∶6和6∶4處理，麥玉周年產量分別提高1.3%和3.8%，氮素積累量分別提高8.0%和8.6%，氮肥表觀利用率分別提高23.6%和25.8%，氮肥農學利用率分別提高8.8%和26.5%，氮肥偏生產力分別提高1.5%和3.7%。施肥種類對麥玉周年產量、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率的影響均以樹脂包膜尿素較高，但各處理間無顯著性差異。

關鍵詞：麥玉周年產量;氮素分配比例;氮肥種類;氮素利用效率

中圖分類號：S512.106+S513.06文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）04-0079-06

Abstract In order to further improve the annual yield and nitrogen use efficiency and explore the nitrogen allocation ratios of wheat and maize， the maize variety Zhengdan 958 and wheat variety Jimai 22 were used to study the effects of annual nitrogen allocation ratio （4∶6， 5∶5 and 6∶4） and fertilizer types （resin coated urea， urease inhibitory fertilizer， urea-formaldehyde fertilizer） on their annual yields and nitrogen use efficiency by split plot design. The results showed that the annual nitrogen allocation ratio as 5∶5 of wheat and maize had the best effect. Compared with the ratios of 4∶6 and 6∶4， the annual yield of wheat and maize increased by 1.3% and 3.8%， the nitrogen accumulation amounts increased by 8.0% and 8.6%， the nitrogen fertilizer utilization efficiencies increased by 23.6% and 25.8%， the nitrogen agronomic utilization efficiencies increased by 8.8% and 26.5%， and the nitrogen fertilizer partial productivities increased by 1.5% and 3.7%， respectively. Resin-coated urea was the most suitable fertilizer for annual yield， nitrogen fertilizer partial productivities，nitrogen agronomic utilization efficiency of wheat and maize， but there were no significant differences among the treatments.

Keywords Annual yield of wheat and maize; Nitrogen allocation ratio; Nitrogen fertilizer type; Nitrogen use efficiency

氮素是影響作物產量和品質的最關鍵營養元素[1]。中國是全球最大的氮肥生產國和消費國，2017年尿素產量和消費量分別高達5 340×104 t和4 886×104 t，預計到 2050 年會占世界消費量的一半以上[2]，單位面積農田每年氮肥施用量約是世界平均施用量的4倍[3]。但我國農業生產氮肥利用率僅為25%～30%，而同期世界平均水平約為42%[4]。冬小麥—夏玉米輪作是華北平原典型的種植制度，由于現實生產中傳統的生產觀念及種植習慣導致農民不能根據冬小麥—夏玉米養分需求規律進行科學施肥[5]。冬小麥、夏玉米兩季氮肥管理上存在很大的隨意性，缺乏周年氮肥統籌觀念，造成單季作物或周年氮肥施用過量、分配比例不合理等問題，致使氮素過量盈余且利用效率不高[6]。1997—2007年農戶調研數據表明，華北平原冬小麥生產中農民習慣的氮肥用量高于 300 kg/hm2，夏玉米氮肥施用量 200 kg/hm2左右，而冬小麥和夏玉米單季作物氮的吸收量僅在160 kg/hm2左右[7]，導致該地區的氮肥盈余高達 227 kg/hm2[8]。同時，氮肥的大量使用和流失造成了一系列嚴重的環境問題，如土壤酸化、水體富營養化和溫室氣體排放增加等[9-11]。近年來，以提高氮素養分利用效率為目標的綠色增產增效技術已成為糧食作物領域的研究熱點和突破口[12]。因此，有必要統籌考慮冬小麥—夏玉米周年輪作種植制度下的氮肥管理，進一步研究其合理的作物間氮素分配比例及其調控措施，有助于提高糧食作物產量和氮素利用效率，并對發展主要糧食作物綠色增產增效技術具有重要指導作用。

前人從氮肥總用量、施氮時期、周年氮素分配比例等單季或周年氮肥運籌對作物產量、氮肥利用效率、氮盈余等方面作了諸多研究[6， 13， 14]。薛澤民等[15]研究認為冬小麥—夏玉米輪作體系下，總氮量為420 kg/hm2時冬小麥、夏玉米氮素分配比例為55∶45產量和凈收益最高。張宏等[16]研究認為冬小麥—夏玉米輪作體系下，冬小麥、夏玉米分別施氮120 kg/hm2和240 kg/hm2，即冬小麥輕、夏玉米重的氮肥分配方式，作物產量及氮肥利用效率相對較高。黃立梅等[17]研究認為，冬小麥、夏玉米分別施氮300 kg/hm2和225 kg/hm2，即冬小麥重、夏玉米輕的氮肥分配方式，作物產量及經濟效益相對較高。大多數研究局限于氮肥用量或施肥方式等單因素或多因素對單季或周年作物的影響，把周年氮素分配比例與氮肥種類綜合考慮的研究相對較少。據此，本試驗特就冬小麥、夏玉米輪作種植制度下合理的氮素分配比例及適宜的肥料種類對麥玉周年產量及氮肥利用率的影響進行研究，以期為冬小麥—夏玉米周年增產增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年和2018年在山東省農業科學院玉米研究所章丘龍山試驗基地（117°32′E，36°43′N）和小麥玉米國家工程實驗室進行。試驗基地位于華北平原冬小麥、夏玉米一年兩熟種植區，該區域年均降水量為693.4 mm，年均氣溫為13.6℃，年均日照時數2 558.3 h，無霜期209 d，土壤類型為棕壤。試驗地0～40 cm土層基礎地力：有機質含量15.0 g/kg，堿解氮58.8 mg/kg，速效磷39.0 mg/kg，速效鉀120.0 mg/kg，其pH值7.9。

1.2 試驗設計

供試材料：玉米品種鄭單958，小麥品種濟麥22。

采用裂區設計（表1），設置空白區（CK），主處理為小麥季與玉米季氮素分配比例，分別為：4∶6、5∶5、6∶4;副處理為玉米季肥料類型，樹脂包膜尿素（N-P2O5-K2O=28-8-8）、脲酶抑制劑型肥料（N-P2O5-K2O=26-11-11）、脲甲醛型肥料（N-P2O5-K2O=26-6-8）。隨機區組排列，重復3次。小區面積5 m×6 m=30 m2。小麥季氮肥統一施用尿素。玉米季氮肥均做種肥施入，小麥季依照基追比例2∶3分別做基肥、返青追肥施入。周年氮肥總用量為480 kg/hm2，小麥、玉米季均基施P2O5 120 kg/hm2（過磷酸鈣）、K2O 120 kg/hm2（硫酸鉀）。玉米種植密度為60 000株/hm2，小麥播種量為165 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株樣品采集與測定 夏玉米于成熟期取樣，每小區選取3株長勢一致的植株。冬小麥于成熟期取樣，每小區選取0.3 m2長勢一致的植株。

植株樣品在105℃條件下殺青20 min，75℃下烘干至恒重，稱量其干物質重;粉碎后，采用濃硫酸消煮，利用凱氏定氮法[18]測定各器官含氮量。

1.3.2 收獲和測產 冬小麥田間測產：成熟期隨機選取有代表性小麥2.2 m2進行脫粒計產;每小區選取有代表性麥穗0.5 m2，調查其成穗數，另取長勢一致的20穗，調查其穗粒數。脫粒后晾干數200粒稱重，換算成千粒重，重復3次。

夏玉米田間測產和室內考種：成熟期每個小區取2行，調查穗數;后將其2行收獲裝袋，脫粒稱重，并換算為14%標準含水量產量。用均重法取10穗，測其穗行數、行粒數，稱千粒重等。

1.3.3 相關指標的計算 植株氮素積累量（kg/hm2）=干物質積累量×植株氮濃度;氮肥表觀利用率（NUE，%）=（施氮區氮積累量-無氮區氮積累量）/施氮量×100;氮肥偏生產力（PFP，kg/kg）=籽粒產量/施氮量;氮肥農學效率（NAE，kg/kg）=（施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量）/施氮量。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2016處理數據，采用SPSS 23.0軟件進行數據分析，并用Duncans法進行多重比較（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮肥統籌對麥玉周年產量的影響

由表2看出，麥玉周年氮素分配比例為5∶5時，周年產量最高，較N6∶4處理顯著提高3.8%較N4∶6提高1.3%。小麥季，麥玉周年氮素分配比例為6∶4時產量最高，較N4∶6處理顯著提高7.3%。玉米季，麥玉周年氮素分配比例為5∶5時產量最高，較N6∶4處理顯著提高8.6%。樹脂包膜尿素對夏玉米及周年產量影響均高于其它兩種肥料，但各處理間無顯著性差異。表明麥玉周年產量之間差異主要由氮素分配比例所引起;當氮素分配比例為5∶5時，麥玉周年產量最高。

2.2 氮肥統籌對冬小麥、夏玉米產量構成因素的影響

由表3可知，小麥公頃穗數和穗粒數均以N6∶4處理最多，較N4∶6和N5∶5處理，穗數分別提高0.2%和0.5%，穗粒數均提高5.3%，各處理間無顯著性差異。玉米公頃穗數以N5∶5最多，較N4∶6和N6∶4處理分別提高 1.1%和2.4%;穗粒數、千粒重均隨施氮量的增加而增加，N4∶6處理較N5∶5和N6∶4處理相比，穗粒數分別提高1.0%和5.3%，千粒重分別提高2.1%和2.9%，且穗數、千粒重差異不顯著，穗粒數N4∶6與N6∶4處理差異顯著。肥料種類對夏玉米產量構成因素影響均無顯著性差異。

2.3 氮肥統籌對麥玉周年氮素積累量的影響

由表4可知，麥玉氮素分配比例為5∶5時，周年氮素積累量最高，較N4∶6和N6∶4分別顯著提高8.0%和8.6%。小麥季，氮素積累量隨施氮量增加而增加，以N6∶4最優，較N4∶6顯著提高25.2%;玉米季，氮素積累量隨施氮量的增加而增加，以N4∶6最優，較N6∶4顯著提高21.8%。表明無論是小麥還是玉米施氮均能夠增加其植株氮素積累量，且周年氮素積累之間差異主要由氮素分配比例所引起;當氮素分配比例為5∶5時，周年氮素積累量最高。脲酶抑制劑型肥料對夏玉米及周年作物氮素積累量的影響均高于其它兩種肥料，但各處理間無顯著性差異。

2.4 氮肥統籌對麥玉周年氮素利用率的影響

由表5可知，麥玉氮素分配比例為5∶5時，周年氮肥表觀利用率（NUE）、氮肥農學利用率（NAE）及氮肥偏生產力（PFP）均最高，與N4∶6和N6∶4處理比較，麥玉周年氮肥表觀利用效率分別提高23.6%和25.8%，氮肥農學利用率分別提高8.8%和26.5%，氮肥偏生產力分別提高1.5%和3.7%。肥料種類之間對麥玉周年氮肥利用效率的影響均無顯著性差異。

3 討論與結論

在農田生態系統中，水、氣、熱及栽培措施等因素將會直接影響作物生長發育，當以上因素相對一致情況下，肥料種類及投入不同將會對作物起關鍵性作用，而當肥料總量控制不變情況下，周年氮素分配同樣會對作物產量及氮效率產生影響[19]。本研究表明在控制總施氮量（480 kg/hm2）條件下，氮素分配比例不同會影響麥玉周年產量和氮肥效率。麥玉周年氮素分配比例為5∶5時，周年作物產量最高，較N4∶6和N6∶4分別提高 1.3%和3.8%，且氮素利用效率相對較高。

前人研究表明，施氮量與小麥、玉米產量呈二次函數關系，當超過臨界值時，籽粒產量不增反減;在一定施氮范圍內，植株吸氮量與施氮量呈正相關[20-22]。在不同栽培措施、品種、地力條件下，小麥施氮范圍應控制在150～240 kg/hm2[23， 24]。本研究顯示在施氮 0～240 kg/hm2范圍內，產量及氮肥表觀利用率隨施氮量的增加而增加;當施氮量超過240 kg/hm2時，產量及氮肥表觀利用率增加不顯著，而氮肥農學利用率及偏生產力相對較低，不利于氮素有效利用。夏玉米高產田最佳施氮量應控制在240～300 kg/hm2之間，產量及氮肥利用率相對較高[25-27]，與其結果相似。但也有研究認為夏玉米施氮量應控制在200 kg/hm2以內[28， 29]。本研究顯示施氮量為240 kg/hm2時，玉米產量及氮肥表觀利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力相對較高。與前人研究結果有所異同，可能與栽培措施、地力條件、品種等有主要關系。

前人研究發現，周年氮素總量在600、450、240 kg/hm2條件下，且冬小麥—夏玉米氮素分配比例為5∶5時，周年作物產量和氮肥利用效率均相對較高[22， 30， 31]。但也有研究認為總氮量在420 kg/hm2條件下，且小麥玉米分配比例為55∶45或4∶3時，周年產量及氮肥利用效率最高[15， 32]。本研究表明在氮肥總量（480 kg/hm2）不變條件下，統籌兼顧麥玉周年產量及氮效率，確定最佳氮素分配比例為5∶5。本研究中所設氮素分配比例處理較少，如進一步細化氮素分配比例范圍，增加試驗處理，結果可能有所不同。氮肥用量及周年氮素分配比例存在互作效應，應統籌考慮，才能保障作物高產高效。

不同類型肥料釋放規律不同：樹脂包膜尿素能夠根據作物生長規律，設定其釋放速率，以此來保證植物養分供應;脲酶抑制劑型肥料由于受到脲酶活性抑制，水解速度減緩，從而達到緩釋效果;脲甲醛型肥料是尿素與甲醛反應生成的聚合物，肥效較其它兩種肥料相對持久[33-35]。周麗平等[36]研究認為氮肥進行緩控釋處理在一定程度上能夠提高玉米產量及氮肥利用效率，其中樹脂包膜尿素較脲甲醛型肥料處理玉米產量及氮肥利用效率相對較高。李玥[37]研究認為樹脂包膜尿素對水稻產量的影響要好于硝化抑制劑包膜尿素。本研究認為玉米季及周年作物產量、氮肥偏生產力及氮肥農學效率方面以樹脂包膜尿素最優，氮肥表觀利用率以脲酶抑制劑型肥料最優。由于環境、肥料制作工藝、氮肥用量等方面的不同，可能導致其結果有所差異，對此有待進一步探討。

參 考 文 獻：

[1] 上官周平，李世清. 旱地作物氮素營養生理生態[M]. 北京： 科學出版社， 2004.

[2] Good A G， Beatty P H. Fertilizing Nature： Atragedy of excess in the commons[J]. PLoS Biology， 2011， 9（8）： e1001124.

[3] Chen X， Cui Z， Vitousek P M， et al. Integrated soil-crop system management for food security[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2011， 108（16）： 6399.

[4] Zhang X， Davidson E A， Mauzerall D L， et al. Managing nitrogen for sustainable development[J]. Nature， 2015， 528： 51-59.

[5] 張震，鐘雯雯，王興亞，等. 前茬冬小麥栽培措施對后茬夏玉米光合特性及產量的影響[J]. 華北農學報，2017，32（4）： 155-161.

[6] 王永華，黃源，辛明華，等. 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[J]. 中國農業科學，2017，50（6）： 1031-1046.

[7] Cui Z， Zhang F， Chen X， et al. In-season nitrogen management strategy for winter wheat：maximizing yields， minimizing environmental impact in an over-fertilization context[J]. Field Crops Research， 2010， 116（1/2）：140-146.

[8] Vitousek P M， Naylor R， Crews T， et al. Nutrient imbalances in agricultural development[J]. Science，2009，324（5934）：1519-1520.

[9] Guo J H， Liu X J， Zhang Y， et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science，2010， 327（5968）： 1008-1010.

[10]Liu X J， Zhang Y， Han W， et al. Enhanced nitrogen deposition over China[J].Nature，2013， 494（7438）： 459-462.

[11]Zhang W F， Dou Z X， He P， et al. New technologies reduce greenhouse gas emissions from nitrogenous fertilizer in China[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A，? 2013，110（21）：8375-8380.

[12]Chen X P， Cui Z L， Fan M S， et al. Producing more grain with lower environmental costs[J]. Nature，2014，514（7523）：486-489.

[13]楊利華，馬瑞崑，張麗華，等. 冬小麥、夏玉米品種搭配及氮磷鉀統籌施肥技術研究[J]. 河北農業大學學報，2006， 29（4）： 1-5.

[14]李若楠，王麗英，張彥才，等. 氮肥追施時期及包膜控釋氮肥對冬小麥產量和氮素吸收的影響[J]. 中國生態農業學報，2010， 18（2）： 277-280.

[15]薛澤民，要娟娟，趙萍萍，等. 氮肥分配對冬小麥/夏玉米輪作產量和氮肥效率的影響[J]. 中國土壤與肥料，2012（1）： 59-63.

[16]張宏，周建斌，劉瑞，等. 不同栽培模式及施氮對半旱地冬小麥/夏玉米氮素累積、分配及氮肥利用率的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2011， 17（1）： 1-8.

[17]黃立梅，黃紹文，韓寶文. 冬小麥—夏玉米適宜氮磷用量和平衡施肥效應[J]. 中國土壤與肥料，2010（5）： 38-44.

[18]王宏庭，趙萍萍，郭軍玲，等. 不同施氮運籌對夏玉米產量、凈收益及氮肥利用率的影響[J]. 山西農業科學，2010（10）： 30-33.

[19]王月福，姜東，于振文，等. 氮素水平對小麥籽粒產量和蛋白質含量的影響及其生理基礎[J]. 中國農業科學，2003，36（5）： 513-520.

[20]郭麗，鄭春蓮，曹彩云，等. 土壤肥力和施肥措施對冬小麥—夏玉米產量地力貢獻率和土壤容重的影響[J]. 河北農業科學，2016，20（2）： 29-33.

[21]邢永鋒，王洪慶，張相武，等. 小麥—玉米一體化氮肥運籌對小麥群體質量的影響[J]. 安徽農業科學，2014，42（29）： 10094-10096.

[22]牛巧龍，曹高燚，杜錦，等. 施氮量對玉米產量及葉片部分酶活性的影響[J]. 華北農學報， 2017， 32（1）： 187-192.

[23]張福鎖，陳新平，陳清，等. 中國主要作物施肥指南[M]. 北京： 中國農業大學出版社， 2009： 66-67.

[24]楊利玲，季保平，喬顯亮. 不同施氮量及運籌對小麥生長和土壤養分的影響[J]. 甘肅農業，2004（5）： 46.

[25]王俊忠，黃高寶，張超男，等. 施氮量對不同肥力水平下夏玉米碳氮代謝及氮素利用率的影響[J]. 生態學報，2009， 29（4）： 2045-2052.

[26]呂鵬，張吉旺，劉偉，等. 施氮量對超高產夏玉米產量及氮素吸收利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2011， 17（4）： 852-860.

[27]岳克，馬雪，宋曉，等. 新型氮肥及施氮量對玉米產量和氮素吸收利用的影響[J]. 中國土壤與肥料，2018（4）： 75-81.

[28]高肖賢，張華芳，馬文奇，等. 不同施氮量對夏玉米產量和氮素利用的影響[J]. 玉米科學， 2014， 22（1）： 121-126， 131.

[29]郭戰玲，寇長林，張香凝，等. 潮土區夏玉米高產與環境友好的氮肥投入量研究[J]. 中國農學通報，2017， 33（28）：1-6.

[30]張經廷，陳青云，呂麗華，等. 冬小麥—夏玉米輪作產量與氮素利用最佳水氮配置[J]. 植物營養與肥料學報，2016， 22（4）： 886-896.

[31]李金秀，王震，張彬，等. 小麥/玉米一體化氮肥運籌對矮抗58產量的影響[J]. 山西農業科學，2016， 44（9）： 1304-1307.

[32]張玉娥. 耕作模式與氮肥運籌對土壤主要理化性狀及小麥玉米產量的影響[D]. 鄭州：河南農業大學， 2017.

[33]鄭文魁. 控釋尿素在小麥—玉米輪作體系中的養分高效利用研究[D]. 泰安：山東農業大學， 2017.

[34]周麗娜，金建新，李鳳霞，等. 尿素配施脲酶抑制劑對春玉米株高和生物量的影響[J]. 寧夏農林科技，2017（12）：53-55.

[35]倪露，白由路，楊俐蘋，等. 不同組分脲甲醛緩釋肥的夏玉米肥料效應研究[J]. 中國農業科學，2016，49（17）：3370-3379.

[36]周麗平，楊俐蘋，白由路，等. 夏玉米施用不同緩釋化處理氮肥的效果及氮肥去向[J]. 中國農業科學，2018， 51（8）： 1527-1536.

[37]李玥. 緩控釋氮肥及配施對機插稻氮素利用特征、產量及土壤理化性質的影響[D]. 成都：四川農業大學， 2016.