氮肥调控对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响

刘　欢,陈苗苗,孙志梅,3,刘建涛,甄文超

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定　071001;2.河北农业大学 科学技术研究院,河北 保定　071001;

3.河北省农田生态环境重点实验室,河北 保定　071001;4.河北农业大学 植物保护学院,河北 保定　071001)



氮肥调控对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响

刘欢1,陈苗苗2,孙志梅1,3,刘建涛1,甄文超4

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定071001;2.河北农业大学 科学技术研究院,河北 保定071001;

3.河北省农田生态环境重点实验室,河北 保定071001;4.河北农业大学 植物保护学院,河北 保定071001)

摘要：为了实现小麦/玉米高产高效生产,采用田间小区试验方法,研究了不同氮肥管理措施对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响。结果表明,小麦季在农民常规施肥的基础上适当减少追氮量不会对小麦产量产生明显影响,在施氮总量195 kg/hm2基础上配施调控剂处理小麦增产8.3%~24.6%,氮肥偏生产力、表观利用率和农学效率及氮肥贡献率均得到相应提高。在玉米季,以一次性基施适量氮肥同时配施抑制剂的氮肥管理方案为最佳,在施氮240 kg/hm2水平上与不添加抑制剂等氮量一次性基施和基追结合处理相比,增产幅度分别为7.4%~9.6%和13.9%~16.2%,氮肥贡献率、肥料偏生产力和农学效率亦得到显著提高;经过一个轮作周期后,农田土壤氮素盈余量为63.94~126.83 kg/hm2。在总施氮量435 kg/hm2的情况下,与单施尿素相比较,配施氮素调控剂的氮素盈余量降低了27.4%~44.2%,其中脲酶与硝化抑制剂配施效果最佳。但在总施氮量480 kg/hm2的情况下,即使施用了氮素调控剂,氮素平衡盈余率仍在20%以上,存在较大的环境风险。

关键词：冬小麦;夏玉米;氮肥调控;脲酶/硝化抑制剂;产量;氮素利用;农田氮素表观平衡

目前,我国氮肥过量施用现象已相当普遍,导致农业生产中肥料利用率明显下降[1]。据统计,我国主要粮食作物氮肥利用率,已由20世纪末的35%,下降到目前的27%[2]。过低的肥料利用率,不仅意味着资源和能源的巨大浪费,超量的氮肥还会通过各种途径进入环境,破坏生态平衡,对人类的健康生存构成严重威胁[3]。因此,氮肥的合理施用,是实现作物高产优质高效与环境友好的重要前提。

华北地区是我国粮食主产区,研究表明,该地区小麦/玉米轮作体系农田氮素已处于大量赢余状态[4]。在保证国家粮食安全的前提下,从提高氮肥施用的生态效益和经济效益出发,探讨适应于不同生态条件下的氮肥合理施用模式及调控技术,成为现代农业发展中迫切需要解决的问题。脲酶和硝化抑制剂是农业生产中应用广泛的氮素调控剂,前者可以抑制尿素在土壤中的水解,达到尿素缓释长效目的,后者则可以通过抑制土壤硝化微生物硝化反应,延缓土壤铵态氮向硝态氮转化,减少肥料氮素损失。近年来,国内外学者对脲酶/硝化抑制剂在农业生产中调控土壤氮素转化,减少土壤氮素损失,提高作物产量和氮肥利用率方面已有研究[5-7],但由于受土壤环境条件、作物体系等多方面因素的影响,对其应用效果的报道也不太一致。本研究以华北平原典型农田生态系统太行山前平原藁城地区和黑龙港流域深州地区为研究区域,通过一年两季的田间小区试验,研究了秸秆还田条件下小麦/玉米体系不同氮肥管理措施对作物产量、氮素利用以及农田氮素输入输出平衡状况的影响,以期为华北平原小麦/玉米轮作体系氮肥的科学施用及氮肥资源的高效管理提供理论依据和技术支撑。

1材料和方法

1.1供试材料

试验地播前耕层土壤基本理化性状见表1。供试肥料为尿素(含N 46%)、重过磷酸钙(含P2O546%)和氯化钾(含K2O 60%)。

表1　供试土壤基本理化性状

1.2小麦季试验设计

试验于2012年10月-2013年6月进行,藁城试验点设置不施氮肥,基施N 120 kg/hm2,追施N 75,120 kg/hm2,同时配施脲酶和硝化抑制剂(分别用UI和NI表示),共计9个处理,分别表示为:① N0;②N120+N120;③N120+NI+N120;④N120+NI+N120+NI;⑤N120+N75;⑥N120+NI+N75;⑦N120+UI+N75;⑧N120+UI+NI+N75;⑨N120+UI+NI+N75+NI。供试小麦品种为石新18,播量187.5 kg/hm2。

为进一步了解施用抑制剂对小麦产量的影响,在衡水深州同时设置如下5个处理,分别为:①N0;②N120+N120;③N120+UI+N120;④N120+NI+N120;⑤N120+UI+NI+N120。各处理基追纯N均为120 kg/hm2,供试小麦品种为良兴99,播量300 kg/hm2。

两试验点小区面积均为35 m2,各处理设3次重复,随机区组排列。底肥在按试验设计施用尿素的同时,按P2O5135 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2的用量,于整地前一次性施入重过磷酸钙和氯化钾。2012年10月8-10日播种,拔节期追施尿素,脲酶抑制剂UI和硝化抑制剂NI根据设计要求于基肥或追肥前与肥料充分混匀后施入,其他管理措施同一般大田的常规管理。

小麦收获时,每小区收获2个2 m2用于测定产量和生物量,之后取部分植物样,分秸秆和籽粒两部分,烘干粉碎后用于测定植株全氮含量。

1.3玉米季试验设计

藁城试验点在上茬小麦收获后继续进行玉米试验。设置一次基肥、基追结合、配施氮肥调控剂几种施氮模式,施氮总量为240 kg/hm2,同时设置不施氮的处理作为对照,总计9个处理,分别为:①N0;②N90+N150;③N90+NI+N150;④ N90+NI+N150+NI;⑤N90+UI+NI+N150+NI;⑥N240;⑦N240+UI;⑧N240+NI;⑨N240+UI+NI。

为进一步了解氮肥调控技术对玉米生长发育的影响,同时在衡水深州进行小区试验,总施氮量195 kg/hm2,设置如下9个处理:①N0;②N75+N120;③N195;④N75+NI+N120;⑤N75+NI+N120+NI;⑥N195+NI;⑦N195+UI;⑧N195+UI+NI;⑨N75+UI+NI+N120+NI。

两试验点供试玉米品种均为郑单958,播量30 kg/hm2。小区面积均为35 m2,随机区组排列。底肥在施用尿素的同时按P2O575 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2的用量,于整地前一次性施入重过磷酸钙和氯化钾。脲酶抑制剂UI和硝化抑制剂NI根据设计要求于基肥或追肥前与肥料充分混匀后施入。2013年6月15-17日播种,追肥处理的肥料于大喇叭口期追施,其他管理措施同一般大田的常规管理。

玉米收获时,每小区收获2株玉米用于统计生物量和养分测定,再随机连续收获50穗现场称重(用于产量统计)后,再在其中随机取15个玉米穗,带回试验室自然风干后考种,并统计出粒率。植物样分茎秆、叶和籽粒3部分,粉碎后用于测定植株全氮含量。

1.4测定方法及相关指标的计算

粉碎后的植物样品经浓H2SO4-H2O2消煮后,凯氏蒸馏法测定全N[8]。

植株氮素累积与氮素利用相关指标计算公式[9-10]:

氮肥贡献率(NCR,%)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100;

氮肥偏生产力(PFP-N,kg/kg)=施氮后的作物产量/施氮量;

氮肥农学效率(NAE,kg/kg)=(施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/施氮量;

氮肥表观利用率(NUE,%)=(施氮植株累积吸氮量-不施氮植株累积吸氮量)/施氮量×100;

农田氮素平衡盈余量=氮素输入-氮素支出;

农田氮素平衡盈余率(%)=(氮素输入-氮素支出)/氮素支出×100。

在本研究中,计算小麦/玉米轮作体系周年农田氮素平衡时,输入项主要考虑化肥、秸秆还田带入的氮量、灌溉以及大气沉降带入的氮量;输出项主要考虑作物收获带走的氮以及氨挥发和硝态氮淋溶这2种主要的氮素损失途径。氨挥发、灌溉带入的氮量参考赵荣芳等[11]的研究结果,秸秆、大气沉降带入氮量参考斐宏伟等[12]的研究结果,硝态氮淋溶率参考徐鹏等[13]的研究结果,硝化抑制剂对硝态氮淋溶损失减少量参考Wolt[14]的研究结果。

数据用Excel 2003软件进行处理和绘图,SPSS 17.0软件进行统计分析,多重比较采用Duncan法。

2结果与分析

2.1对小麦产量和氮素利用的影响

2.1.1对小麦产量的影响藁城试验结果表明(图1),与对照N0比较,各施肥处理的产量均显著提高,增产幅度为10.2%~37.3%。各施氮处理间比较,在底施氮素120 kg/hm2的基础上,于拔节期追施氮素75 kg/hm2的小麦产量(N120+N75)与追施氮素120 kg/hm2(N120+N120)的产量基本相当,可见减量施氮并没有对小麦产量产生明显影响。在195 kg/hm2施氮水平上,与单施氮肥相比,底肥同时配施UI或NI的处理,或追肥同时配施NI的处理,小麦均表现出了一定的增产趋势,增产8.3%~24.6%。而与N120+N75和N120+N120相比,底施120 kg/hm2,追施75 kg/hm2的基础上同时底施UI和NI(N120+UI+NI+N75),小麦产量分别提高了23.1%和19.5%。处理N120+UI+NI+N75+NI的产量最高,但与N120+UI+NI+N75差异不显著。此结果表明,氮肥是影响小麦产量的关键因素。对目前底追纯N各120 kg/hm2的高产管理方案而言,氮肥施用量还有下调空间。在底施氮肥的基础上通过UI和NI的配合施用调控氮素转化,可以显著提高小麦产量。但综合考虑生产的经济效益,于拔节期追施氮肥时再施用氮肥调控剂的意义不大。

对深州小麦产量结果的分析表明,与N0处理相比,各施肥处理的产量同样显著提高,但以N120+N120增产率最低,为6.5%,尿素配施脲酶和硝化抑制剂的处理增产率最高,达到26.1%。底肥配施UI、NI和UI+NI的3个处理,与N120+N120相比较,小麦产量亦显著提高,增产率分别为11.4%,7.4%,18.4%。

2.1.2对小麦氮素利用效率的影响氮肥调控剂对藁城小麦氮素利用效率的影响结果表明(表2),与N120+N120处理相比较,N120+NI+N120和N120+NI+N120+NI的氮肥贡献率分别提高了30.3%和37.2%,差异显著。农学效率和表观利用率都得到显著提高,可见抑制剂能增加小麦在生育期内对氮素的吸收利用,从而有利于小麦在营养生长期所积累的干物质有更大比例向生殖生长阶段的转化[15]。而减氮处理N120+N75与N120+N120相比较,氮肥偏生产力和氮肥表观利用率分别提高了19.5%和48.9%(P<0.05),说明在一定范围减少氮肥用量能够减少氮肥损失,提高氮肥利用效率。在减少氮肥施用量基础上同时配施UI和NI时(N120+UI+NI+N75和N120+UI+NI+N75+NI),氮肥利用效率最高,但追肥时再配施NI的增效作用不显著。

不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。图2-3、表2-3同。

处理Treatments施氮量/(kg/hm2)Nlevel氮肥贡献率/%NCR氮肥偏生产力/(kg/kg)PFP-N氮肥农学效率/(kg/kg)NAE氮肥表观利用率/%NUEN00----N120+N751959.26d38.98bc3.61d17.48dN120+NI+N7519516.75b42.49b7.12b30.63bN120+UI+N7519516.18b42.20b6.83b24.10cN120+UI+NI+N7519526.26a47.97a12.60a38.25aN120+UI+NI+N75+NI19527.17a48.57a13.20a35.72aN120+N12024011.87c32.61c3.87d11.74eN120+NI+N12024015.47b34.00c5.26c13.22dN120+NI+N120+NI24016.28b34.33c5.59c19.14cd

2.2对玉米产量和氮素利用的影响

2.2.1对玉米产量的影响对藁城玉米产量分析表明(图2),与对照相比,各施肥处理的玉米产量显著提高,增产幅度达 29.3%~50.3%。各施氮处理之间比较,以施氮量240 kg/hm2一次性基施,同时配施UI(N240+UI),或NI(N240+NI),或UI+NI(N240+UI+NI)的产量水平较高,与一次性基施等量氮素不添加抑制剂处理相比,增产7.4%~9.6%,与基追结合处理N90+N150相比,增产13.9%~16.2%,差异显著,说明氮肥与抑制剂配施做底肥一次性施入就可满足玉米整个生育期的氮素需求。在基追结合的施氮模式下,只有底追同时配施NI的产量(N90+NI+N150+NI)显著高于N90+N150,其他2种施用抑制剂的方式(N90+NI+N150、N90+UI+NI+N150+NI)对玉米产量影响不显著。

深州的产量结果与藁城试验点相似(图3),同样以不施氮肥的处理最低,以氮肥一次性基施同时配施抑制剂的N195+UI、N195+NI和N195+UI+NI的产量较高。与N195相比,增产7.2%~9.7%,而与N75+N120处理相比,增产率为9.5%~12.0%,差异显著。基追结合施用氮肥的各处理之间相比较,N75+NI+N120+NI和N75+UI+NI+N120+NI的产量差异不大,但显著高于N75+N120处理,而基肥配施硝化抑制剂的N75+NI+N120处理增产效果不明显。一次性基施和底追结合2种氮肥施用模式相比较,在等施氮量条件下,无论单施氮肥还是氮肥中配施抑制剂,产量差异均不明显。因此,考虑到施肥的劳动用工和成本,玉米季采用播前一次性基施并配施抑制剂的氮肥管理模式为最佳。

图2　藁城不同处理的玉米产量

2.2.2对玉米氮素利用率的影响对藁城玉米氮素利用效率进行分析,由表3可以看出,与小麦氮素利用率试验结果相似,一次性基施同时配施抑制剂的处理(N240+NI和N240+UI+NI)氮肥贡献率、偏生产力、农学效率及表观利用率均高于N90+N150和N240。N240+NI处理与N240+UI处理相比,前者氮肥表观利用

率显著高于后者,与小麦试验结果相似,说明NI的增效作用优于UI。基追结合并配施抑制剂的氮肥调控模式虽然可以获得较高的氮肥表观利用率,但其他3个指标却没有表现出明显优势。由此可见,与基肥加追肥的氮肥管理模式相比,氮肥一次性基施在获得较高产量的同时,由于节约了人工追肥的用工和费用,施肥的经济效益也因而会得到进一步提高。

图3　深州不同处理的玉米产量

处理Treatments施氮量/(kg/hm2)Nrate氮肥贡献率/%NCR氮肥偏生产力/(kg/kg)PFP-N氮肥农学效率/(kg/kg)NAE氮肥表观利用率/%NUEN00----N90+N15024022.66d40.08d9.89d25.72cN90+NI+N15024025.81c41.78cd11.58cd31.60abN90+NI+N150+NI24028.54bc43.38bc13.19bc33.77aN90+UI+NI+N150+NI24026.67c42.27cd12.07cd33.45aN24024027.06c42.50cd12.31cd27.90cN240+NI24033.45a46.58a16.39a33.16aN240+UI24032.08a45.64ab15.44ab28.62bcN240+UI+NI24032.50a45.92ab15.73ab33.29a

2.3氮肥调控对农田氮素表观平衡的影响

在小麦/玉米周年轮作体系的氮素输入中,化学氮肥是农田氮素的重要来源,约占氮素输入总量的80%(表4)。在两季总施氮量分别为435,480 kg/hm2的管理模式下,与单施尿素处理相比,施用抑制剂可使轮作体系两季的氮肥表观利用率分别提高14.5%~52.9%和19.6%~84.0%,其中又以小麦季减氮并配施UI和NI处理氮肥表观利用率最高,达到35.51%。

从整体上看,藁城农田各处理的氮平衡在周年生产中均有盈余,盈余量为63.94~126.83 kg/hm2。在两季总施氮量分别为435,480 kg/hm2的情况下,与单施尿素相比较,配施抑制剂处理的氮素盈余量分别降低了27.4%~44.2%和0.9%~13.5%,其中UI与NI配施盈余量最低。施氮量480 kg/hm2时,即使施用了抑制剂,氮素平衡盈余率仍在20%以上,氮素损失风险较高。在施氮量435 kg/hm2时,单施氮肥的氮素平衡盈余率为23.71%;添加抑制剂处理(N120+NI+N75+N240+NI、N120+UI+N75+N240+UI、N120+UI+NI+N75+N240+NI+UI、N120+UI+NI+N75+NI+N90+UI+NI+N150+NI)的氮素平衡盈余率分别仅为15.87%,17.22%,13.24%,14.83%,基本可以实现氮素的表观平衡[16]。

表4　小麦/玉米轮作体系氮素平衡状况分析

3讨论与结论

现代农业生产高投入高产出的管理模式,虽然获得了较高的作物产量,但其造成的浪费和对环境的破坏,使得人们不得不从生态的角度重新审视农田氮素的副作用。从本试验结果上看,华北地区小麦/玉米轮作体系秸秆还田条件下,在农户习惯施肥基础上适当减少小麦季氮肥(减氮19%)投入,不会对小麦产量产生明显影响。这一方面是由于冬小麦根系分布较深,对100～200 cm深层土壤氮素均能吸收,能够高效回收利用前茬玉米季深层土壤残留氮素[17];另一方面,在华北地区传统种植模式中,较高的施氮量,使土壤中氮素存量超过获得最高产量时作物的需氮量,加之长期高量施氮使土壤对减氮施肥有较强的缓冲能力,因此,减少氮肥用量近20%情况下也不会对小麦最终产量产生明显影响,反而由于用氮量的减少,提高了施氮的经济效益,降低了施氮所带来的环境风险。需要考虑的是,在当地土壤肥力条件下,减氮量多少以及减少氮肥用量后长期种植会不会对土壤供氮产生影响,需要进一步探讨。

研究氮素循环与平衡状况,对氮素的输入输出等各个过程及其循环规律进行系统分析,明确小麦/玉米轮作体系农田生态系统中氮素的来源和去向并对其进行定量化,对于维持和提高农田生态系统生产力水平,提高氮肥资源利用效率具有重要意义。本研究结果表明,华北地区小麦/玉米周年轮作体系中,各施肥处理氮素平衡处于盈余状态,在当前农民的常规施肥习惯下(480 kg/hm2),氮素盈余量高达126.83 kg/hm2,虽然多余的氮素可以补充土壤氮库,有利于培肥地力,但氮素输入量远高于输出量,造成氮素资源浪费严重的同时存在较大的环境风险。有研究表明[22],耕地化肥投入量和氮养分盈余量呈极显著线性相关,因此，虽然施用氮肥可以显著提高作物产量和吸氮量,但过量施肥使施入土壤中的累积氮量远高于作物吸氮量,必然造成农田氮素盈余和损失,降低施肥经济效益。本试验结果表明,适当减少氮肥投入和脲酶/硝化抑制剂配施可以有效减少华北地区小麦/玉米轮作体系农田氮素盈余量,控制盈余率在20%以下,基本实现农田氮素的表观平衡。

综上所述,小麦季在农民常规施肥的基础上适当减少氮肥用量不会对小麦产量产生明显影响,在195 kg/hm2施氮水平上,配施抑制剂处理可使小麦增产9.0%~24.6%;在玉米季,与不添加抑制剂等氮量一次性基施和基追结合处理相比,施氮240 kg/hm2并配施抑制剂一次性基施增产幅度分别为7.2%~9.7%和13.9%~16.2%。同时可促进植株对氮素的吸收累积,提高氮素利用效率。小麦/玉米周年轮作体系中,适当降低氮肥投入以及氮肥与调控剂的配施可以明显减少氮素表观平衡盈余量,降低氮素平衡盈余率,这对于减少氮肥资源的浪费和缓解环境污染有着积极作用。

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Effects of Different Nitrogen Management Practice on Crop Yield,N Utilization and N Apparent Balance in Wheat/Maize Rotation System

LIU Huan1,CHEN Miao-miao2,SUN Zhi-mei1,3,LIU Jian-tao1,ZHEN Wen-chao4

(1.College of Resource and Environmental Science,Agricultural University of Hebei,Baoding071001,China;2.College of Science and Technology,Agricultural University of Hebei,Baoding071001,China;3.Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province,Baoding071001,China;4.College of Plant Protection,Agricultural University of Hebei,Baoding071001,China)

Abstract：In order to achieve high yield and high efficiency production in the wheat/maize rotation system,field experiments were conducted to investigate the effects of different nitrogen management practices on the crop yield,nitrogen utilization and N apparent balance.The results indicated that,based on the farmers routine fertilization,appropriately reducing the amount of nitrogen-dressing had no significant effect on wheat yield.The application of nitrogen regulators could increase the wheat yield by 8.3%-24.6% when nitrogen rate was 195 kg/ha,and thereby improve the N partial factor productivity,N use efficiency,N agronomic efficiency and N contribute rate.In the maize growing season,compared with the treatments applied equal amount nitrogen as basal fertilizer or base-topdressing fertilizer without the addition of nitrogen regulators,the combination of nitrogen with nitrogen regulators as basal fertilizer was the best nitrogen management practice,which increased the corn yield around 7.4%-9.6% and 13.9%-16.2% when nitrogen rate was 240 kg/ha.And the N contribute rate,N partial factor productivity and N agronomic efficiency were also increased.After a period of crop rotation,the surplus amount of soil nitrogen was 63.94-126.83 kg/ha.When the total amount of nitrogen was 435 kg/ha,compared with the single application of urea,the surplus amount of nitrogen in the treatment with nitrogen regulators reduced by 27.4%-44.2%,and the application of urease inhibitor combined with nitrification inhibitor had the most obvious effect.However,when the total amount of nitrogen was 480 kg/ha in wheat/maize rotation system,N balance surplus rate was still more than 20% even combined with the application of nitrogen regulators,which might cause a serious environmental risk.

Key words:Winter wheat;Summer maize;Nitrogen regulation;Urease/nitrification inhibitor;Yield;Nitrogen use efficiency;Apparent nitrogen balance

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.037

中图分类号：S158.5

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0232-07

作者简介：刘欢(1990-),男,河北邯郸人,在读硕士,主要从事植物营养与高效施肥研究。通讯作者：孙志梅(1969-),女,河北衡水人,教授,博士,博士生导师，主要从事新型肥料及高效施肥技术研究。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目“粮食丰产科技工程”(2011BAD16B08;2012BAD04B06;2013BAD07B05)

收稿日期：2015-10-09