氮肥運籌對夏玉米產(chǎn)量、氮素利用率及土壤養(yǎng)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(nóng)業(yè)科學(xué)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(chǎn)量的關(guān)鍵措施之一[2]。而氮肥運籌是提高玉米單產(chǎn)水平的重要措施[3-5]。氮肥施用模式通常是在基肥的基礎(chǔ)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(chǎn)量和提高氮肥利用率，但同時也增加了施肥的勞動強(qiáng)度和成本，這與當(dāng)前我國農(nóng)村勞動力短缺和老齡化的現(xiàn)實情況不相適應(yīng)[6]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計和玉米輕簡化技術(shù)的不斷完善，采用現(xiàn)代化技術(shù)措施，對田間作物工序刪繁就簡等輕簡化處理，以達(dá)到省工、省力、高效和增產(chǎn)的方式已成為一種必然趨勢。

一次性簡化施肥技術(shù)正逐漸成為玉米生產(chǎn)中一種主要施肥方式。我國北方玉米主產(chǎn)省平均有50%的農(nóng)戶采用一次性施肥法[2]。但是，目前對一次性施肥技術(shù)增產(chǎn)效果存在爭議。一次性施肥容易導(dǎo)致玉米生育前期養(yǎng)分供應(yīng)過剩，揮發(fā)淋溶等損失，后期出現(xiàn)脫氮現(xiàn)象[7]。尤其是肥料種類及用量等因素直接關(guān)系玉米整個生育期養(yǎng)分的供應(yīng)情況。緩控釋肥能減緩或控制養(yǎng)分的釋放，肥效期長且穩(wěn)定，能滿足玉米整個生育期對養(yǎng)分的需要[8]，其鹽指數(shù)低，一次性大量施用不會造成“燒苗”，節(jié)省勞動力，降低成本[9]。隨著緩控釋肥生產(chǎn)成本的降低和產(chǎn)量的增加，緩釋肥在玉米等作物生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用已成為化學(xué)肥料發(fā)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(jié)論基本一致，控釋肥能提高肥料利用率和作物產(chǎn)量[10-11]。

目前，有關(guān)玉米一次性施肥側(cè)重于產(chǎn)量和植株養(yǎng)分吸收上，對土壤速效養(yǎng)分殘留及其環(huán)境效應(yīng)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(yǎng)分殘留在土壤中，未能被作物充分吸收。因此，對土壤養(yǎng)分殘留量的考察也是評價施肥合理的重要標(biāo)準(zhǔn)。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(xué)評價和合理應(yīng)用一次性施肥技術(shù)，減輕勞動強(qiáng)度和成本，本研究在等氮磷鉀水平下，比較了復(fù)合肥、控釋摻混肥、脲甲醛雙膜肥一次性施肥與常規(guī)尿素底肥+追肥方式對夏玉米養(yǎng)分吸收、土壤養(yǎng)分殘留和產(chǎn)量的影響，以明確一次性施肥養(yǎng)分供應(yīng)特征及土壤環(huán)境效應(yīng)，旨在為農(nóng)民制定合理的施肥決策提供理論依據(jù)，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)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(zhèn)洪堡村試驗基地進(jìn)行。該區(qū)地處半干旱、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，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(chǔ)肥力pH值8.13，有機(jī)質(zhì)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(shè)計

供試肥料處理為：CF.復(fù)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(jīng)過對試驗田土壤測試后夏玉米目標(biāo)產(chǎn)量推薦以及參考相關(guān)文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[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(shè)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(qiáng)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(jī)區(qū)組設(shè)計，每處理3次重復(fù)，每個小區(qū)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(shè)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(shù)，風(fēng)干脫粒測量百粒質(zhì)量，根據(jù)小區(qū)產(chǎn)量折算公頃產(chǎn)量。每處理選取6.66 m2進(jìn)行產(chǎn)量測定(按照含水率14%折算)，測產(chǎn)前每小區(qū)隨機(jī)選取20個果穗進(jìn)行考種。

增產(chǎn)率=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮區(qū)作物產(chǎn)量)/不施氮區(qū)作物產(chǎn)量×100%；地上部氮素積累量(kg/hm2)=地上部干物質(zhì)量×地上部干物質(zhì)量含氮量；氮素表觀平衡(kg/hm2)=氮投入量-氮吸收量；氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施氮區(qū)植株產(chǎn)量-無氮區(qū)植株產(chǎn)量)/施氮量；氮素表觀利用率=(施氮區(qū)作物地上部植株氮素積累量-不施氮區(qū)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(fēng)干，研磨過2 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)測定參照魯如坤[13]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2007和Sigmplot 12.0軟件計算、繪圖。用SPSS 10.0軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)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(chǎn)，增產(chǎn)幅度分別為5.72%～27.71%和6.05%～27.84%，2年數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為U3處理產(chǎn)量最高，比CRF處理增產(chǎn)3.77%和5.46%，比BBF處理增產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量，實現(xiàn)常規(guī)尿素2次或3次施肥的產(chǎn)量，節(jié)約追肥成本。CF處理增產(chǎn)效果不如BBF和CRF處理，但與U2處理增產(chǎn)效果接近。尿素分次施肥次數(shù)越多，增產(chǎn)效果越明顯。

由表2可知，2014，2015年結(jié)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(zhì)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(shù)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(shù)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(chǎn)幅度為11.73%～21.44%，其中，BBF和CRF處理玉米百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和單穗粒重等指標(biāo)較優(yōu)。

表2 夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)分比例減少，氮素養(yǎng)分逐漸由莖葉轉(zhuǎn)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(xù)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(yǎng)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(shù)據(jù)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(dá)37.50，38.19 kg/hm2，CF處理次之；U3處理氮素表現(xiàn)平衡最小，且常規(guī)尿素施肥次數(shù)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(nóng)學(xué)效率在2年試驗結(jié)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(dá)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(nóng)學(xué)效率和表觀利用率隨尿素分次施肥次數(shù)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(yǎng)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(xiàn)為BBF>CF>CRF，這與不同肥料養(yǎng)分有效性有關(guān)。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(jìn)，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(yǎng)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(qiáng)。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(shù)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(jié)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(jié)果顯示，在簡化施肥環(huán)節(jié)的條件下，采用緩控釋肥在不減少作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)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(chǎn)量接近常規(guī)尿素3次施肥(U3)，且處理間無顯著差異，比常規(guī)尿素2次施肥(U2)和1次施肥(U1)夏玉米產(chǎn)量均增加。一次性基施普通復(fù)合肥(CF)處理增產(chǎn)幅度與U2處理接近，但低于BBF和CRF處理。2014，2015年增產(chǎn)幅度分別為5.72%～27.71%和6.05%～27.84%。尿素分次施肥次數(shù)越多，增產(chǎn)效果越明顯。施氮肥處理使夏玉米百粒質(zhì)量增加0.84～5.58 g，穗粒數(shù)增加幅度為1.50%～16.23%，單穗粒重增產(chǎn)幅度為11.16%～22.83%。BBF和CRF處理的夏玉米穗粒數(shù)、單穗粒重和百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素均較優(yōu)，與U3處理間差異不顯著?？梢?，在一次性簡化施肥條件下可以實現(xiàn)夏玉米的增產(chǎn)，這與多數(shù)研究一致[1，7，14]，因施肥種類不同增產(chǎn)效果各異。本研究從增產(chǎn)效果來看，一次性基施緩控釋肥優(yōu)于普通復(fù)合肥。

表5 夏玉米不同生育時期0～40 cm土層速效養(yǎng)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(chǎn)效果各異，這可能與肥料本身養(yǎng)分釋放速率有一定關(guān)系[7]，特別是在玉米不同生育階段養(yǎng)分釋放量直接關(guān)系到植株的吸收量。養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累是籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。本研究結(jié)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(zhuǎn)移，籽粒氮吸收量較高，同時氮參與合成的光合產(chǎn)物也由莖和葉向籽粒轉(zhuǎn)移，以提高籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)[9]?？梢?，后期保證氮素供應(yīng)對玉米獲得高產(chǎn)十分重要，后期供氮能夠提高成熟期籽粒及營養(yǎng)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(chǎn)量高的主要原因。高洪軍等[15]研究指出，在氮素供應(yīng)較好的條件下，營養(yǎng)體氮素再分配率和對籽粒氮貢獻(xiàn)率越高，越有利于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成。本研究結(jié)果表明，籽粒產(chǎn)量與氮素積累量呈正相關(guān)關(guān)系，尤其是氮素階段供應(yīng)更有利于植株高效吸收。BBF和CRF處理下玉米氮素積累量優(yōu)于CF處理。趙斌等[9]研究結(jié)果也表明，包膜控釋肥較等量普通復(fù)合肥顯著增加夏玉米單株干物質(zhì)積累和氮素積累量，這與本研究結(jié)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%?？梢?，氮素增加幅度大于磷和鉀。蔣遷等[16]對鄭單958的研究結(jié)果也表明，控釋肥處理較常規(guī)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(xiàn)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(xù)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(biāo)。本研究結(jié)果施氮處理氮肥表觀利用率在20.20%～30.56%，氮肥農(nóng)學(xué)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(qū)域試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，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(dá)29.04%，28.89%和30.21%，2015年BBF、CRF、U3處理氮肥利用率分別達(dá)30.15%，29.01%和30.56%，這也說明氮肥分階段供應(yīng)有利于提高氮肥利用率。

施肥不僅要考慮作物對養(yǎng)分吸收，更要關(guān)注其對土壤產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)。氮肥有效性及供應(yīng)能力對獲得玉米高產(chǎn)較為關(guān)鍵，特別是氮素釋放速率與養(yǎng)分吸收間的協(xié)同性是施肥考慮的關(guān)鍵點[8]。本研究結(jié)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(yǎng)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(jì)德智等[8]研究結(jié)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(jié)果不同，可能是由于其與不同緩控釋肥養(yǎng)分釋放期存在較大關(guān)系。本研究中，BBF和CRF處理持續(xù)提供氮素的能力較強(qiáng)，0～40 cm土壤堿解氮含量表現(xiàn)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(xiàn)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?？梢?，施用緩釋肥既可保證產(chǎn)量又能降低淺層地下水氮污染的風(fēng)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(tài)氮含量，對20～60 cm土層硝態(tài)氮含量提高作用不明顯，減少了氮素向中層土壤的轉(zhuǎn)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(yǎng)分有效性高，前期向下移動趨勢較大。一次性施用復(fù)合肥增產(chǎn)效果不如控釋肥，這與氮素釋放速率有一定關(guān)系，普通復(fù)合肥可溶性強(qiáng)，可能導(dǎo)致前期氮肥供應(yīng)充足，后期脫氮[24]?？蒯尫侍幚淼蒯尫潘俾逝c夏玉米氮吸收形成一定協(xié)同效應(yīng)，特別是控釋肥能較好控制后期氮素供應(yīng)，保證夏玉米整個生育期的氮素供應(yīng)。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(bǔ)充的過磷酸鈣和硫酸鉀肥可以滿足植株對磷鉀養(yǎng)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(chǎn)量、土壤-作物系統(tǒng)養(yǎng)分吸收利用等指標(biāo)，等氮磷鉀條件下，一次性基施緩控釋肥在夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和養(yǎng)分吸收量優(yōu)于一次性基施普通復(fù)合肥，接近或等同于常規(guī)尿素3次或2次施肥處理，能較好地協(xié)調(diào)夏玉米整個生育期的氮素養(yǎng)分供應(yīng)，提高氮素利用率，減少土壤養(yǎng)分殘留和損失，降低氮的環(huán)境效應(yīng)，同時簡化了施肥程序，實現(xiàn)了夏玉米簡化、高產(chǎn)和高效施肥的目的。一次性基施普通復(fù)合肥增產(chǎn)效果不如緩控釋肥，可能是由于肥料本身可溶性強(qiáng)，前期供肥充足，后期養(yǎng)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。