晉南冬小麥—夏玉米輪作體系的氮肥運(yùn)籌

薛澤民，要娟娟，趙萍萍，王宏庭

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原 030006）

施肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。美國(guó)科學(xué)家Hoeft認(rèn)為，如果立即停止施用化肥，全世界的農(nóng)作物產(chǎn)量將減少40%～50%[1]。目前，我國(guó)的氮肥用量約占全世界氮肥總用量的1/3[2]，但肥料施用的當(dāng)季利用率較低，低于發(fā)達(dá)國(guó)家10～20百分點(diǎn)，這不僅造成了經(jīng)濟(jì)和資源的巨大浪費(fèi)，還帶來了巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。合理施肥可以通過減弱和消除養(yǎng)分限制因子而獲得大幅度的增產(chǎn)[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)冬小麥或夏玉米單季作物的合理施肥量和施肥方法已開展了許多研究[5-13]，但針對(duì)冬小麥—夏玉米輪作整體考慮的施肥管理研究相對(duì)較少，仍缺乏簡(jiǎn)單實(shí)用的施肥管理技術(shù)。目前，華北地區(qū)冬小麥—夏玉米輪作體系中氮肥過量施用已相當(dāng)嚴(yán)重[14-17]，增肥不增產(chǎn)，肥料利用率低下，潛在環(huán)境壓力加大已成為冬小麥—夏玉米輪作體系面臨的最突出問題[17-19]。晉南地區(qū)是山西省小麥—玉米輪作主產(chǎn)區(qū)，面臨著施肥過量和施肥不足及養(yǎng)分不平衡施用的嚴(yán)重問題，影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

筆者以冬小麥—夏玉米輪作體系為研究對(duì)象，在控制總氮量條件下，研究氮肥在其體系內(nèi)的分配，擬形成適合晉南地區(qū)冬小麥—夏玉米輪作體系的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的養(yǎng)分管理技術(shù)，以便為晉南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

臨汾市是晉南地區(qū)重要的冬小麥—夏玉米輪作主產(chǎn)區(qū)，屬半干旱溫帶大陸性氣候，年均氣溫在12.6℃左右，年均降水量498 mm，無霜期195 d左右。山西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所課題組人員自2002年以來，針對(duì)晉南冬小麥—夏玉米輪作開展了肥料施用量及施肥方法的一系列研究，已明確了冬小麥—夏玉米輪作體系合理的氮肥施用量。本研究重點(diǎn)開展冬小麥—夏玉米輪作體系內(nèi)氮肥分配（控制氮肥總量420 kg/hm2）對(duì)作物產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和純收益及肥料利用率的影響。試驗(yàn)設(shè)在臨汾市襄汾縣襄汾原種場(chǎng)，土壤類型為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤。

試驗(yàn)設(shè) 6個(gè)處理，即 W0M0，W40M60，W45M55，W50M50，W55M45，W60M40。其中，W代表冬小麥季，M代表夏玉米季，字母后的數(shù)字代表總氮量的百分比，重復(fù)4次，隨機(jī)排列。試驗(yàn)前采取耕層（0～20 cm）土壤樣品進(jìn)行養(yǎng)分分析（ASI法）[20]。土壤養(yǎng)分分析結(jié)果列于表1。

表1 土壤養(yǎng)分分析結(jié)果 mg/L

供試品種：冬小麥為舜麥1718，夏玉米為晉單54。田間小區(qū)面積為50 m2。所用肥料為尿素（46%N）、過磷酸鈣（12%P2O5）和氯化鉀（60%K2O）。磷鉀肥于小麥播前一次性施入，氮肥按方案設(shè)計(jì)比例施用，小麥季氮肥的1/3 N底施，2/3 N于小麥拔節(jié)期追施；玉米季N在大喇叭口時(shí)期一次性追施。試驗(yàn)方案列于表2。

表2 冬小麥—夏玉米輪作施肥方案

冬小麥于2009年10月3日進(jìn)行季底施肥料，2009年10月4日播種，播量225 kg/hm2，南北向種植，行距20 cm，2009年11月11—13日連降大雪，未澆冬水；2010年3月31日追施小麥季剩余氮肥，并分別于小麥返青期和抽穗期各澆水1次，于2010年6月18日收獲。夏玉米于2010年6月26日播種，2010年7月9日定苗，密度為60 000株/hm2，2010年8月12日追施氮肥后中耕1次，2010年10月10日收獲。收獲時(shí)采集所有處理的植株樣品和土壤樣品，植株樣品按常規(guī)方法分析全氮、全磷和全鉀，土壤樣品則分析硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀。

值得指出的是，試驗(yàn)期間氣候因素影響較大，2009年11月11—13日連降大雪，降雨量39.7 mm，未澆冬水，極大影響了冬前小麥的分蘗。2010年3月小麥返青，但氣溫偏低，較常年同期明顯偏低約2.8℃，且3月24日出現(xiàn)霜凍，最低溫度達(dá)-3.5℃，造成大面積凍害，嚴(yán)重地塊新葉全部發(fā)黃干枯，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量。2010年7—8月，夏玉米播種后沒有有效降雨，氣候干旱，影響了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，延遲了玉米收獲。

數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

氮農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）＝（施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量）／施肥量；

氮肥利用率＝（施氮區(qū)吸氮量－不施氮區(qū)吸氮量）／施氮量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥分配對(duì)冬小麥—夏玉米輪作產(chǎn)量的影響

表3結(jié)果顯示，在總氮量控制的條件下，氮肥在冬小麥—夏玉米輪作的分配會(huì)使冬小麥—夏玉米輪作體系的總產(chǎn)量增加，增產(chǎn)率為8.4%～17.4%，處理1總產(chǎn)量最低，為11 095 kg/hm2；處理5的總產(chǎn)最高，為13 026 kg/hm2。方差結(jié)果顯示，處理間產(chǎn)量達(dá)顯著水平。多重比較進(jìn)一步顯示，所有施氮處理的輪作總產(chǎn)量均較不施氮達(dá)顯著水平，處理5與處理1，6相比，達(dá)顯著水平，與處理2，3，4相比，未達(dá)顯著水平。單從冬小麥產(chǎn)量看，氮肥施用的增產(chǎn)幅度為277～908 kg/hm2，增產(chǎn)率為5.7%～18.7%。處理3施氮189 kg/hm2產(chǎn)量最高，為5 771 kg/hm2，增產(chǎn)率為18.7%。而處理6較處理1的增產(chǎn)幅度最低，增產(chǎn)率僅為5.7%。氮肥施用量和冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系符合曲線y＝-0.048 8x2＋13.547x＋486 3，R2＝0.968 5**，可以求得獲得冬小麥最高產(chǎn)量的施氮量為138.8 kg/hm2。而夏玉米季受前茬殘余肥力的影響，以處理5產(chǎn)量最高，為7 590 kg/hm2，較處理1增產(chǎn)21.8%。

表3 氮肥分配對(duì)作物產(chǎn)量的影響

2.2 氮肥分配對(duì)冬小麥—夏玉米輪作農(nóng)學(xué)效益和凈收益的影響

從表4可以看出，不同的氮肥分配比例影響輪作體系氮肥的農(nóng)學(xué)效率，1 kg N可生產(chǎn)糧食2.2～4.6 kg，其中，處理 5最高，為 4.6 kg；處理 6最低，為2.2 kg。說明在總氮量控制的條件下，冬小麥季施N231 kg/hm2、夏玉米季施氮189 kg/hm2能獲得較高的氮肥農(nóng)學(xué)效率。從冬小麥季氮肥的農(nóng)學(xué)效率看，隨著施氮量的增加（施氮比例加大），氮肥農(nóng)學(xué)效率呈降低趨勢(shì)。

從氮肥分配對(duì)冬小麥—夏玉米輪作凈收益的影響看，處理5（W55M45）的總產(chǎn)最高，總產(chǎn)值也最高，凈收益也表現(xiàn)最高，為22 146元/hm2，高于處理1；處理6凈收益最低，為20223元/hm2。除處理5外，其他處理均較處理1凈收益有所降低，出現(xiàn)增產(chǎn)不增收的情況，究其原因：一方面氣候因素影響產(chǎn)量的潛力發(fā)揮，另一方面受肥料價(jià)格飛漲的影響較大。因此，評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益不僅要從單季作物或單個(gè)輪作看，還應(yīng)從較長(zhǎng)時(shí)間（兩三個(gè)輪作）總體評(píng)價(jià)。

表4 氮肥分配對(duì)農(nóng)學(xué)效益和凈收益的影響

2.3 氮肥分配對(duì)冬小麥—夏玉米輪作體系氮肥利用率的影響

由表5可知，不施氮處理的的吸氮量在小麥季和玉米季均表現(xiàn)最低。方差結(jié)果顯示，處理間吸氮量達(dá)顯著水平，氮肥施用均可增加作物對(duì)氮養(yǎng)分的吸收，但由于作物生長(zhǎng)期間受氣候影響較大（春寒和夏旱），造成氮素吸收量偏低，氮肥利用效率普遍不高，致使產(chǎn)量較往年明顯偏低。但不同的氮肥分配仍表現(xiàn)出氮肥利用率的差異，小麥季W(wǎng)45M55處理的氮肥利用率表現(xiàn)最高，為25.4%，而W60M40處理的肥料利用率最低，僅為7.2%；如不考慮前茬殘余肥力的影響，玉米季以W55M45處理的肥料利用率表現(xiàn)最高，為26.1%，同樣以W60M40處理的肥料利用率表現(xiàn)最低，為16.4%。就整個(gè)輪作而言，W55M45處理的氮肥利用率略高于其他處理，為20.8%。在氣候異常的年份，獲得這樣的產(chǎn)量和肥料利用率也是可以接受的結(jié)果，畢竟試驗(yàn)期間部分農(nóng)田受氣候因素影響減產(chǎn)幅度較大，甚至絕收。

表5 氮肥分配對(duì)氮肥利用率的影響

3 小結(jié)與討論

在農(nóng)田生產(chǎn)條件下，作物生長(zhǎng)發(fā)育往往受水、肥、氣、熱及栽培管理措施等因素的影響，在栽培管理措施相對(duì)一致的情況下，肥料投入的多少直接影響作物的產(chǎn)量。但在肥料投入量一定的條件下，何時(shí)施用、如何分配比例同樣會(huì)影響肥料效益的發(fā)揮[5]。本研究結(jié)果表明，在氮肥總量（N 420 kg/hm2）控制下，不同氮肥分配會(huì)影響冬小麥—夏玉米輪作生物量、產(chǎn)量、收益、農(nóng)學(xué)效率及肥料利用率。冬小麥季施氮231 kg/hm2（55%N）、夏玉米季施氮189 kg/hm2（45%N），能獲得輪作的最大生物量和最大產(chǎn)量，分別為28 361，13026kg/hm2。同時(shí)，在冬小麥季施氮231 kg/hm2、夏玉米季施氮189 kg/hm2，還獲得了最高的氮肥農(nóng)學(xué)效益，為4.6 kg/kg，最高的氮肥利用率20.8%以及最大凈收益22 146元/hm2。

冬小麥季施氮231 kg/hm2及基追比例與文獻(xiàn)[6-8]（小麥季施氮量應(yīng)控制在240 kg/hm2以下）基本一致。氮肥基追比例與文獻(xiàn)[7]（小麥季基肥追肥比例為4∶6）的研究基本一致。而與孔令聰?shù)萚8]研究結(jié)果（小麥?zhǔn)┑?225～300 kg/hm2）相比，小麥?zhǔn)┑恳泊篌w一致，但氮肥的基追比例相反，文獻(xiàn)為基肥2/3、追肥1/3，本研究為基肥1/3、追肥2/3，這可能與土壤肥力基礎(chǔ)及氣候有關(guān)。另?yè)?jù)尹曉芳等[11]研究結(jié)果，當(dāng)施氮量超過150 kg/hm2時(shí)，多施入的氮大部分都累積在土壤中，但本研究并沒有監(jiān)測(cè)到大量的硝態(tài)氮的累積和淋洗（數(shù)據(jù)未顯示），這也可能與土壤結(jié)構(gòu)和降雨量有關(guān)。就夏玉米而言，本研究施肥量與陳祥等[12]的研究結(jié)果相一致。趙榮芳等[13]認(rèn)為，在華北地區(qū)冬小麥—夏玉米輪作體系下，進(jìn)行氮素資源優(yōu)化管理，提高氮肥利用率，保持土壤肥力，兼顧生態(tài)效益是當(dāng)前需要解決的根本問題。值得指出的是，本研究試驗(yàn)期間受氣候因素影響，致使作物產(chǎn)量和氮肥效益及肥料利用率較同一試驗(yàn)點(diǎn)正常年份的相關(guān)研究偏低，冬小麥減產(chǎn)近1/4，夏玉米也減產(chǎn)10%，氮肥利用率也較正常年份降低近13百分點(diǎn)左右。但就合理的施肥量及單季作物肥料的分配比例的效果看，與以往相關(guān)研究大體一致[5，21]，這也說明本研究的氮肥施用量及分配比例對(duì)晉南地區(qū)的冬小麥—夏玉米輪作體系具有理論指導(dǎo)作用。因此，在華北地區(qū)冬小麥—夏玉米輪作體系下，只有進(jìn)行輪作體系下的氮素資源優(yōu)化管理，提高氮肥利用率，保持土壤肥力，兼顧作物產(chǎn)量、農(nóng)民收益和生態(tài)效益，才是當(dāng)前需要解決的根本問題。

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