控釋氮肥在小麥玉米輪作體系中的養(yǎng)分高效利用研究

葉青??+曹國軍??+耿玉輝??

摘要：通過對連續(xù)7年小麥玉米輪作體系中施用控釋肥田間定位試驗玉米收獲后土壤樣品的測定和分析，研究了在不同施氮條件對玉米產(chǎn)量、肥料利用率、硝銨態(tài)氮累積和分布、土壤全氮和有機質(zhì)含量等的影響。結(jié)果表明，施用氮肥對夏玉米與冬小麥有顯著的增產(chǎn)作用，但過量施用氮肥會造成籽粒減產(chǎn)，小麥和玉米產(chǎn)量的最高增產(chǎn)幅度分別為6.0%～287%、5.5%～71.9%。等氮條件下，施用控釋氮肥可以增加土壤中全氮和有機質(zhì)的含量，減少肥料養(yǎng)分的淋溶與揮發(fā)損失，從而顯著提高肥料利用率?？蒯尩试谛←溣衩纵喿魃弦淮涡曰┤〉酶弋a(chǎn)的小麥最佳施氮量范圍為120～240 kg/hm2，玉米最佳施氮量范圍為150～300 kg/hm2。

關(guān)鍵詞：玉米；控釋氮肥；養(yǎng)分累積；肥料利用率；輪作體系

中圖分類號： S512.106；S513.06文獻標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0124-06

小麥、玉米是我國重要的糧食作物，其作用不言而喻，因此提高肥料利用率，降低環(huán)境污染的風(fēng)險，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)安全的重要任務(wù)[1]。土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，長久維持和提高土壤生產(chǎn)力、保持以及提高土壤肥力是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。但是化肥對于玉米增產(chǎn)的貢獻是顯著的，資料顯示，1985—1994年，我國化肥在玉米增產(chǎn)總額中發(fā)揮了 51.5% 的作用，施用化肥逐漸成為最主要的糧食增產(chǎn)措施[3]。然而目前我國肥料的當(dāng)季利用率偏低[4]，這不僅會引起經(jīng)濟損失，還會導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境破壞、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等嚴重問題[5]。

控釋肥的出現(xiàn)為如何提高肥料利用率以及避免因施肥引起的環(huán)境問題提供了新的思路[6]。早在20世紀60年代，美國、日本等發(fā)達國家已開始研制并推出控釋緩控釋肥料產(chǎn)品，大大提高了肥料利用率[7]。研究表明控釋肥可較速效氮肥提高13.6%～164.1%的氮肥利用率[8]。我國自20世紀70年代開始緩/控釋肥的研究，起步較晚，但經(jīng)過我國部分高校及科研單位的努力已取得較大成果，研制出的控釋肥產(chǎn)品在土壤中的控釋時間和釋放模式已達到了可釋放的要求和標(biāo)準(zhǔn)[9]。我國學(xué)者對控釋肥的肥效研究表明控釋肥可提高土壤供肥能力、增加土壤微生物量、提高酶活性[10]；稻田中施用控釋肥可顯著提高氮肥利用率及水稻產(chǎn)量[11]，控釋肥減氮30%時，仍可較速效氮肥增產(chǎn)15.1%[12]；旱田中施用控釋肥可顯著提高肥料偏生產(chǎn)力[13]?？蒯尫士梢蕴岣叻柿系睦寐?，減輕環(huán)境污染，改善作物的生長發(fā)育狀況，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，這將會成為解決化肥問題的最理想的選擇[14]。

緩控釋肥緩慢釋放的特性能夠提高小麥、玉米籽粒產(chǎn)量及生物量[15]。其中小麥、玉米都以中氮量50%控氮比的釋摻混肥處理產(chǎn)量最高，分別較常規(guī)施肥處理增產(chǎn)1 217.7、754.0 kg/hm2[16]。氮肥用量相同，控釋尿素和普通尿素2種氮肥合理摻混（控釋尿素70%+普通尿素30%）時，玉米和小麥產(chǎn)量都高于2種氮肥單施時的產(chǎn)量[17]。高產(chǎn)冬小麥—夏玉米輪作體系一基一追施肥模式下采用100%緩釋尿素或80%-20%緩釋-普通尿素組合2種處理，較好地滿足了冬小麥和夏玉米中后期的氮素需求，促進了植株對氮素的吸收和積累，因而2個輪作周期氮肥利用率和產(chǎn)量均高于一基三追施肥模式下100%普通尿素處理，且產(chǎn)量均超過 22 500 kg/hm2[18]。

雖然該應(yīng)用已有相關(guān)方面研究，但是大多數(shù)研究都不系統(tǒng)，現(xiàn)在機械化程度逐漸提高，研究控釋摻混肥在小麥玉米輪作體系中對小麥、玉米產(chǎn)量及對土壤養(yǎng)分吸收、遷移的影響，還有其后效等方面的內(nèi)容具有十分重要的意義。本試驗于2008年6月玉米季開始，至2015年6月小麥季結(jié)束，數(shù)據(jù)為7年統(tǒng)計結(jié)果。本研究主要解決的問題是：研究控釋氮肥在冬小麥和夏玉米上一次性基施取得高產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，主要技術(shù)難題是控釋肥一次施用能否滿足小麥、玉米各生育期的需求，尤其是小麥、玉米最大需肥期的要求。

1材料與方法

[BT2+*5]1.1試驗材料與試驗設(shè)計

1.1.1玉米試驗方案本試驗于2008年6月1日實施，試驗區(qū)設(shè)在山東省淄博市桓臺縣中國農(nóng)大生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展實驗站，試驗作物玉米品種為“登海661”，第1年6月中旬播種，10月份左右收獲，生育期為120～130 d。玉米種百粒質(zhì)量為34.37 g，種植密度8.25萬株/hm2，行距65 cm，株距 19 cm。種植方式為夏玉米直播。

試驗區(qū)控釋肥按氮1個因素、4個水平、7個處理。4個水平的含義是：0水平為不施肥，2水平為當(dāng)?shù)刈罴咽┓柿康慕浦担?水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5（該水平為過量施肥水平）（表1），重復(fù)3次。所施肥料種類為山東金正大集團生產(chǎn)的玉米專用控釋尿素摻混肥（控釋氮占70%，普通尿素氮占30%），磷肥用過磷酸鈣（P2O5=16%）、鉀肥用氯化鉀（K2O=60%）。核心試驗區(qū)每小區(qū)面積為26 m2（長10 m ，寬2.6 m）=0.039畝，48個小區(qū)為1 248 m2，50個小區(qū)為1 300 m2。

1.2冬小麥試驗方案試驗區(qū)設(shè)在淄博市桓臺縣中國農(nóng)大桓臺生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展實驗站，試驗作物冬小麥品種為“魯原502”，生育期230～240 d，于上一季玉米收獲的10月份播種，至第2年6月份收獲。千粒質(zhì)量43.6 g，播種量 168.75 kg/hm2，行距21.7 cm，小區(qū)面積26 m2。

核心試驗區(qū)控釋肥按氮 1因素、4個水平、7個處理。4個水平的含義是：0水平為不施肥，2水平為當(dāng)?shù)刈罴咽┓柿康慕浦担?水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5（該水平為過量施肥水平）（表2），重復(fù)3次。保護行不施肥。所施肥料種類為山東金正大集團生產(chǎn)的小麥專用控釋尿素摻混肥（控釋氮占70%，普通尿素氮占30%），[HJ1.4mm]磷肥用富過磷酸鈣（P2O5=30%）、硫酸鉀（K2O=50%），硫酸鋅（ZnSO4）30 kg/hm2（78 g/26 m2）。尿素：70%包膜尿素[70%硫包[JP3]（34%）+30%樹脂包（42%）]+30%尿素（46%）=39.3%（N）。

1.2.1植株試驗開始后，小麥于返青期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期取樣，玉米于苗期、拔節(jié)、大喇叭口、抽雄、灌漿和成熟期取樣，小麥玉米植株地上部干物質(zhì)質(zhì)量：植株分為籽粒和莖稈，分別于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量。小麥玉米植株全氮、全磷、全鉀含量的測定：將上述已烘干至恒質(zhì)量的葉片、籽粒和莖稈磨碎過篩，植株樣品采用濃 H2SO4-H2O2 法消煮提取，凱氏定氮法測全氮含量，釩鉬黃比色法測全磷含量，火焰光度計法測全鉀含量。

1.2.2土樣試驗開始后分別于小麥玉米成熟期取樣，每小區(qū)用土鉆取 3個點，混勻后風(fēng)干，研磨過2 mm篩。 采用 1 ∶[KG-*3]2.5 土水比，PHSJ-3F型pH計測定土壤pH值；采用 1 ∶[KG-*3]5 土水比，DDS II A型電導(dǎo)儀測定土壤EC值；用 0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，水土比10 ∶[KG-*3]1，AA3-A001-02E型流動注射分析儀測定土壤NO3--N和NH4+-N含量。采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量；鉬銻抗法測定土壤速效磷含量；火焰光度計法測定土壤速效鉀含量；重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定土壤有機質(zhì)含量。

1.2.3氮肥利用效率計算

[JZ（]氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；[JZ）]

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN，kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥利用效率（NUE，%）=（施氮區(qū)地上部吸氮量-對照區(qū)地上部吸氮量）/施氮量×100%。

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本研究所有試驗測定數(shù)據(jù)采用美國SAS程序軟件進行統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同氮肥處理對氮肥利用率的影響

由表3可知，不同氮肥處理間冬小麥籽粒產(chǎn)量差異顯著，均較N0處理有顯著的增產(chǎn)效果，N2處理時小麥產(chǎn)量達到最高，當(dāng)控釋氮肥在240 kg/hm2的施氮水平下（N2）產(chǎn)量最高。等氮條件下，N2、N3兩處理的籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均高于SN2、SN3。由此表明控釋氮肥養(yǎng)分的控制釋放可以有效提高小麥的產(chǎn)量，并且一次基肥施用不用追肥，利用效率又高，在保證產(chǎn)量的前提下，可以節(jié)省施肥的費用。

2.2不同氮肥處理對土壤中氮素狀況的影響

氮素是作物所需大量元素之一，我國農(nóng)田普遍缺氮，施氮肥是提高土壤供氮能力的重要措施[7]。

2.2.1不同氮肥處理對土壤無機氮的影響氮肥施入土壤中后因氨化、硝化過程對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量影響較大[19-21]。從圖1-a可以看出，在小麥成熟期土壤0～20 cm土層中，普通氮肥SN3處理銷態(tài)氮含量最高，而控釋肥N1處理N2和N3處理之間差異不顯著，而與空白處理差異顯著。從圖1-b可以看出，從0～20 cm土層到20～40 cm土層土壤NO3--N急劇減少，然后從20～40 cm土層到180～200 cm 土層，土壤NO3--N又逐漸增多，同時等氮條件下，控釋肥處理比普通肥料處理土壤銷態(tài)氮含量低。說明在等氮條件下施用控釋肥有利于減少硝態(tài)氮的淋溶，提高肥料利用率。

從圖2-a看出，在小麥成熟期土壤中0～20 cm土層的N0處理土壤中銨態(tài)氮含量最高，SN3處理土壤中銨態(tài)氮含量最低，其他處理的銨態(tài)氮含量無顯著差異。從圖2-b看出，在玉米季土壤中，從0～20 cm到20～40 cm土層，土壤銨態(tài)氮急劇減少，從20～40 cm到180～200 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量保持相對穩(wěn)定，土壤銨態(tài)氮含量在等氮處理條件下，控釋肥處理比普通肥料處理土壤NH4+-N含量少。說明在等氮條件下施用控釋肥有利于減少銨態(tài)氮損失，提高肥料利用率。

2.2.2不同氮肥處理對土壤全氮和有機質(zhì)的影響施用化肥可在短時間內(nèi)迅速提高土壤速效氮含量[7]。從圖3看出，小麥成熟期全氮在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增加，超過范圍之后，隨著土壤施氮量的增加而減少。等量施肥條件下，全氮含量控釋肥處理比普通肥料處理要高，所以合理施控釋肥更加有利于氮素的積累。

從圖3-a可以看出，種植玉米過后的玉米成熟期土壤與玉米播種時即上季小麥成熟期的土壤，在0～20 cm土層中各處理間的差異的趨勢基本相同，在一季小麥玉米輪作之后，土壤中的氮素得到積累。土壤全氮的含量隨著土層的加深逐漸減[CM（25]少，并且各處理間的差異逐漸減少，到40～60[KG*3]cm土層時，[CM）]

各處理間幾乎沒有差異。

土壤有機質(zhì)與土壤物理性質(zhì)的改善、養(yǎng)分供給及防止土壤侵蝕有重要關(guān)系[22]。從圖4-a可以看出，小麥成熟期耕層土壤在相同的磷鉀施用水平下，不同處理中土壤有機質(zhì)含量均較無氮處理有顯著增高。相同施肥量的控釋氮肥N2處理比普通氮肥SN2處理含有機質(zhì)量高，達到顯著水平。同時控釋氮肥N2處理區(qū)土壤有機質(zhì)含量最高與其他處理差異顯著，說明適宜的氮肥施用，有利于土壤有機質(zhì)的積累，過多或過少施用氮肥都對土壤有機質(zhì)的積累不利。

從圖4-b可以看出，玉米成熟期土壤與玉米播種時即上季小麥成熟期的土壤，在0～20 cm土層中各處理間的差異基本相同，在一季小麥玉米輪作之后，土壤中的有機質(zhì)得到積累。土壤有機質(zhì)的含量隨著土層的加深，逐漸減少，并且各處理間的差異逐漸減少，到40～60 cm土層時，各處理間幾乎沒有差異。

2.3不同氮肥處理對土壤有效磷的影響

小麥成熟期土壤在磷鉀施肥水平相同條件下，施氮量對土壤有效磷含量有顯著影響（圖5-a），N0處理時土壤有效磷含量達到最大水平，除土壤空白外，普通氮肥SN3 處理區(qū)的土壤有效磷含量最低，3組控釋肥N1處理、N2處理和N3處理之間差異不顯著，但與普通氮肥SN3處理差異顯著，控釋氮肥N3處理與普通氮肥SN3處理差異不顯著，部分說明控釋氮肥N3處理與普通氮肥SN3處理區(qū)的植株生長得比較好，從土壤有效磷側(cè)面反映植株生長狀況這個角度看，普通氮肥SN3處理可能是最適合的土壤施肥量。

玉米成熟期土壤與玉米播種時即上季小麥成熟期的土壤有效磷的情況基本一致（圖5-b），土壤有效磷的含量隨著土層的加深逐漸減少，并且各處理間的差異逐漸減少。除土壤空白外，其他各處理施磷量是一樣的，假設(shè)損耗是一樣的，土壤中剩余的多，說明植株吸收的少，單從這一角度看，土壤中有效磷剩余的少的施氮處理對植株和籽粒產(chǎn)量有利，也體現(xiàn)了氮磷肥的配施有正交互作用[22-23]。

2.4不同氮肥處理對土壤速效鉀的影響

土壤交換性鉀的水平高低決定鉀肥的施用[24]。小麥成熟[CM（25]期土壤在在相同的磷鉀施用水平下，施用氮肥可以顯著影[CM）]

響土壤速效鉀含量（圖6-a），N0處理土壤速效鉀含量最低，與其他處理差異顯著。N0處理時土壤速效鉀含量達到最大水平，而土壤空白CK的速效鉀含量最低，與其他處理差異顯著。速效鉀含量氮含量不相同的條件下，氮鉀元素相互作用，隨施氮量的增加土壤速效鉀含量減少。這可能與植物的長勢

相對應(yīng)，在施用磷鉀相同的條件下，適宜的氮使植株能夠生長旺盛，從而吸收消耗的土壤養(yǎng)分多，相對應(yīng)的土壤中剩余的養(yǎng)分就少。通過土壤速效鉀的含量側(cè)面反映植株的生長狀況，反應(yīng)氮的作用，從中看出施用控釋氮肥的2組N2和N3處理和普通肥料SN3P2K2處理之間差異不顯著，與氮空白N0處理相比差異最顯著，說明這3組的施氮量對植株生長最合適，而從節(jié)省環(huán)保的角度看，控釋肥處理N2最合適。

玉米成熟期土壤與玉米播種時即上季小麥成熟期的0～20 cm土層各處理間的差異基本一致（圖6-b），除土壤空白N0和普通肥料N2土壤有效鉀含量減少之外其他處理經(jīng)過小麥玉米一茬輪作之后，土壤速效鉀含量增加，說明種植作物時需要施用鉀肥來彌補被作物吸收利用的鉀，也要適量，不能施用過多造成浪費。同時隨著土層的加深，土壤速效鉀含量逐漸降低。

2.5不同氮肥處理對土壤電導(dǎo)率的影響

小麥成熟期的耕層土壤除空白N0處理電導(dǎo)率最低、控釋肥N3處理電導(dǎo)率最高外，其他各處理間差異不顯著（圖7-a）?？蒯尫蔔3處理與控釋肥N2處理和普通氮肥處理SN3之間差異顯著，說明在磷鉀水平相同條件下一定范圍內(nèi)土壤電導(dǎo)率隨施氮量的增加而增加，而在同等施氮量條件下，施用控釋氮肥比施用普通氮肥土壤電導(dǎo)率高。從圖7-b看出，玉米成熟期土壤在0～20 cm土層到20～40 cm土層深度電導(dǎo)率下降，而40 cm以下土壤電導(dǎo)率總體表現(xiàn)不變，同時在0～200 cm土層中，在等氮處理的條件下，使用控釋肥的N3處理和N2處理與普通氮肥SN3處理和SN2處理相比一直保持電導(dǎo)率高的趨勢。土壤電導(dǎo)率包含了土壤養(yǎng)分與理化特性的豐富信息[25]，綜上可知控釋肥對提高肥料的利用率、減輕施肥對環(huán)境的污染有重要意義。

3討論與結(jié)論

經(jīng)過7年小麥玉米輪作，施用氮肥比不施氮肥籽粒產(chǎn)量大幅度提高，小麥產(chǎn)量最高處理（N2）較其他處理增產(chǎn)幅度為6.0%～287%，玉米產(chǎn)量最高處理（N2）較其他處理增幅度為5.5%～71.9%。但是過量施用氮肥會造成籽粒減產(chǎn)，小麥籽粒減產(chǎn)幅度為6.2%～7.7%，玉米籽粒減產(chǎn)幅度為 5.3%～6.7%。在等氮條件下，施用控釋氮肥的小麥籽粒產(chǎn)量比施用普通氮肥的處理增產(chǎn)3.7%～6.0%，施用控釋氮肥的處理玉米籽粒產(chǎn)量比施用普通氮肥的處理增產(chǎn)3.9%～5.5%。

施用控釋氮肥能提高氮肥利用效率，表現(xiàn)為在等氮條件下小麥玉米的施用控釋氮肥N2、N3兩處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均高于速效氮 SN2、SN3。

施用氮肥能夠增加土壤中養(yǎng)分含量，各施氮處理均較空白N0差異顯著，土壤中全氮和有機質(zhì)隨著施氮量的增加而增加，到N2處理時含量最高，隨后隨施氮量增加土壤全氮和有機質(zhì)含量差異不顯著或是減少。玉米成熟期土壤整個剖面來看施用氮肥比空白N0電導(dǎo)率高，在0～40 cm到土層深度，土壤電導(dǎo)率下降，而40 cm以下土壤電導(dǎo)率總體表現(xiàn)不變，同時在0～200 cm土層中，在等氮處理的條件下，使用控釋肥的N3處理和N2處理與普通氮肥SN3處理和SN2處理相比一直保持電導(dǎo)率高的趨勢。

控釋氮肥的釋放與作物利用同步，有益于減少肥料的浪費，提高利用率[26-27]。從0～20 cm土層到20～40 cm土層土壤NO3--N含量急劇減少，然后從20～40 cm土層到180～200 cm 土層，土壤NO3--N含量又逐漸增多，同時等氮條件下，控釋肥處理比普通肥料處理土壤銷態(tài)氮含量低。說明在等NO3--N條件下施用控釋肥有利于減少硝態(tài)氮的淋溶，提高肥料利用率。在玉米成熟期土壤中，從0～20 cm土層到20～40 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量急劇減少，從20～40 cm 土層到180～200 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量保持相對穩(wěn)定，在等氮處理條件下，控釋肥處理比普通肥料處理土壤NH4+-N含量少。說明在等氮條件下施用控釋肥有利于減少銨態(tài)氮損失，提高肥料利用率。

施用控釋氮肥能夠促進作物對磷鉀的吸收，表現(xiàn)為土壤中的速效鉀、有效磷隨施氮量的增加而減少。

綜合以上條件，控釋氮肥在小麥玉米輪作上一次性基施取得高產(chǎn)的小麥最佳施氮量范圍為120～240 kg/hm2，玉米最佳施氮量范圍為150～300 kg/hm2。

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