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    氮肥統(tǒng)籌對麥玉周年產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

    2019-06-03 03:28:10韓小偉高英波張慧薛艷芳錢欣
    山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年4期

    韓小偉 高英波 張慧 薛艷芳 錢欣

    摘要:為進(jìn)一步提高麥玉周年產(chǎn)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(jì)麥22為供試材料,采用裂區(qū)設(shè)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(chǎn)量及氮肥利用效率的影響。結(jié)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(chǎn)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(nóng)學(xué)利用率分別提高8.8%和26.5%,氮肥偏生產(chǎn)力分別提高1.5%和3.7%。施肥種類對麥玉周年產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)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(guān)鍵詞:麥玉周年產(chǎn)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(xiàn)標(biāo)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(chǎn)量和品質(zhì)的最關(guān)鍵營養(yǎng)元素[1]。中國是全球最大的氮肥生產(chǎn)國和消費(fèi)國,2017年尿素產(chǎn)量和消費(fèi)量分別高達(dá)5 340×104 t和4 886×104 t,預(yù)計到 2050 年會占世界消費(fèi)量的一半以上[2],單位面積農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)實生產(chǎn)中傳統(tǒng)的生產(chǎn)觀念及種植習(xí)慣導(dǎo)致農(nóng)民不能根據(jù)冬小麥—夏玉米養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行科學(xué)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(tǒng)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(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)表明,華北平原冬小麥生產(chǎn)中農(nóng)民習(xí)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(dǎo)致該地區(qū)的氮肥盈余高達(dá) 227 kg/hm2[8]。同時,氮肥的大量使用和流失造成了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題,如土壤酸化、水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放增加等[9-11]。近年來,以提高氮素養(yǎng)分利用效率為目標(biāo)的綠色增產(chǎn)增效技術(shù)已成為糧食作物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和突破口[12]。因此,有必要統(tǒng)籌考慮冬小麥—夏玉米周年輪作種植制度下的氮肥管理,進(jìn)一步研究其合理的作物間氮素分配比例及其調(diào)控措施,有助于提高糧食作物產(chǎn)量和氮素利用效率,并對發(fā)展主要糧食作物綠色增產(chǎn)增效技術(shù)具有重要指導(dǎo)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(yùn)籌對作物產(chǎn)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(rèn)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(chǎn)量和凈收益最高。張宏等[16]研究認(rèn)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(chǎn)量及氮肥利用效率相對較高。黃立梅等[17]研究認(rèn)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(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益相對較高。大多數(shù)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(jù)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(chǎn)量及氮肥利用率的影響進(jìn)行研究,以期為冬小麥—夏玉米周年增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

    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(nóng)業(yè)科學(xué)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(jìn)行。試驗基地位于華北平原冬小麥、夏玉米一年兩熟種植區(qū),該區(qū)域年均降水量為693.4 mm,年均氣溫為13.6℃,年均日照時數(shù)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(chǔ)地力:有機(jī)質(zhì)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(shè)計

    供試材料:玉米品種鄭單958,小麥品種濟(jì)麥22。

    采用裂區(qū)設(shè)計(表1),設(shè)置空白區(qū)(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(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次。小區(qū)面積5 m×6 m=30 m2。小麥季氮肥統(tǒng)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(qū)選取3株長勢一致的植株。冬小麥于成熟期取樣,每小區(qū)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(zhì)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(chǎn) 冬小麥田間測產(chǎn):成熟期隨機(jī)選取有代表性小麥2.2 m2進(jìn)行脫粒計產(chǎn);每小區(qū)選取有代表性麥穗0.5 m2,調(diào)查其成穗數(shù),另取長勢一致的20穗,調(diào)查其穗粒數(shù)。脫粒后晾干數(shù)200粒稱重,換算成千粒重,重復(fù)3次。

    夏玉米田間測產(chǎn)和室內(nèi)考種:成熟期每個小區(qū)取2行,調(diào)查穗數(shù);后將其2行收獲裝袋,脫粒稱重,并換算為14%標(biāo)準(zhǔn)含水量產(chǎn)量。用均重法取10穗,測其穗行數(shù)、行粒數(shù),稱千粒重等。

    1.3.3 相關(guān)指標(biāo)的計算 植株氮素積累量(kg/hm2)=干物質(zhì)積累量×植株氮濃度;氮肥表觀利用率(NUE,%)=(施氮區(qū)氮積累量-無氮區(qū)氮積累量)/施氮量×100;氮肥偏生產(chǎn)力(PFP,kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量;氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE,kg/kg)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-無氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量。

    1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

    采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù),采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并用Duncans法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 氮肥統(tǒng)籌對麥玉周年產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量之間差異主要由氮素分配比例所引起;當(dāng)?shù)胤峙浔壤秊?∶5時,麥玉周年產(chǎn)量最高。

    2.2 氮肥統(tǒng)籌對冬小麥、夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

    由表3可知,小麥公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)均以N6∶4處理最多,較N4∶6和N5∶5處理,穗數(shù)分別提高0.2%和0.5%,穗粒數(shù)均提高5.3%,各處理間無顯著性差異。玉米公頃穗數(shù)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(shù)、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(shù)分別提高1.0%和5.3%,千粒重分別提高2.1%和2.9%,且穗數(shù)、千粒重差異不顯著,穗粒數(shù)N4∶6與N6∶4處理差異顯著。肥料種類對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素影響均無顯著性差異。

    2.3 氮肥統(tǒng)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(yōu),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(yōu),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(dāng)?shù)胤峙浔壤秊?∶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(tǒng)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(nóng)學(xué)利用率(NAE)及氮肥偏生產(chǎn)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(nóng)學(xué)利用率分別提高8.8%和26.5%,氮肥偏生產(chǎn)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(jié)論

    在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,水、氣、熱及栽培措施等因素將會直接影響作物生長發(fā)育,當(dāng)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(guān)鍵性作用,而當(dāng)肥料總量控制不變情況下,周年氮素分配同樣會對作物產(chǎn)量及氮效率產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量呈二次函數(shù)關(guān)系,當(dāng)超過臨界值時,籽粒產(chǎn)量不增反減;在一定施氮范圍內(nèi),植株吸氮量與施氮量呈正相關(guān)[20-22]。在不同栽培措施、品種、地力條件下,小麥?zhǔn)┑秶鷳?yīng)控制在150~240 kg/hm2[23, 24]。本研究顯示在施氮 0~240 kg/hm2范圍內(nèi),產(chǎn)量及氮肥表觀利用率隨施氮量的增加而增加;當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時,產(chǎn)量及氮肥表觀利用率增加不顯著,而氮肥農(nóng)學(xué)利用率及偏生產(chǎn)力相對較低,不利于氮素有效利用。夏玉米高產(chǎn)田最佳施氮量應(yīng)控制在240~300 kg/hm2之間,產(chǎn)量及氮肥利用率相對較高[25-27],與其結(jié)果相似。但也有研究認(rèn)為夏玉米施氮量應(yīng)控制在200 kg/hm2以內(nèi)[28, 29]。本研究顯示施氮量為240 kg/hm2時,玉米產(chǎn)量及氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力相對較高。與前人研究結(jié)果有所異同,可能與栽培措施、地力條件、品種等有主要關(guān)系。

    前人研究發(fā)現(xiàn),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(chǎn)量和氮肥利用效率均相對較高[22, 30, 31]。但也有研究認(rèn)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(chǎn)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(tǒng)籌兼顧麥玉周年產(chǎn)量及氮效率,確定最佳氮素分配比例為5∶5。本研究中所設(shè)氮素分配比例處理較少,如進(jìn)一步細(xì)化氮素分配比例范圍,增加試驗處理,結(jié)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(yīng),應(yīng)統(tǒng)籌考慮,才能保障作物高產(chǎn)高效。

    不同類型肥料釋放規(guī)律不同:樹脂包膜尿素能夠根據(jù)作物生長規(guī)律,設(shè)定其釋放速率,以此來保證植物養(yǎng)分供應(yīng);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(dá)到緩釋效果;脲甲醛型肥料是尿素與甲醛反應(yīng)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(rèn)為氮肥進(jìn)行緩控釋處理在一定程度上能夠提高玉米產(chǎn)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(chǎn)量及氮肥利用效率相對較高。李玥[37]研究認(rèn)為樹脂包膜尿素對水稻產(chǎn)量的影響要好于硝化抑制劑包膜尿素。本研究認(rèn)為玉米季及周年作物產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥農(nóng)學(xué)效率方面以樹脂包膜尿素最優(yōu),氮肥表觀利用率以脲酶抑制劑型肥料最優(yōu)。由于環(huán)境、肥料制作工藝、氮肥用量等方面的不同,可能導(dǎo)致其結(jié)果有所差異,對此有待進(jìn)一步探討。

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