不同耕作方式和氮肥減施量對小麥產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

聶勝委,張浩光,張巧萍,許紀東,張玉亭

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.遂平縣農(nóng)業(yè)科學試驗站，河南 遂平 463100)

小麥是我國三大糧食作物之一，進入21世紀以來，我國小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)記錄不斷刷新，一方面與品種和田間栽培管理措施改進有關(guān)，另一方面也與化肥持續(xù)過量投入密不可分。雖然獲得了較高的小麥產(chǎn)量，但也引起了氮淋失、水污染、土壤板結(jié)以及環(huán)境惡化等不容忽視的問題[1-2]。為此，國家提出了“控制農(nóng)業(yè)用水總量；減少化肥、農(nóng)藥使用量，化肥、農(nóng)藥用量實現(xiàn)零增長” 等目標，特別是化肥施用量到2020年實現(xiàn)“零增長”。

在當前大背景下，小麥生長季氮肥施用水平總體偏高，以陜西省為例，20.2%的農(nóng)戶施氮偏高，43.5%很高，施氮過量農(nóng)戶占總農(nóng)戶數(shù)的63.7%[3]。而且，不同農(nóng)戶施肥最高水平與最低水平相差太大，用量最低為33 kg/hm2，最高為454 kg/hm2，平均為188 kg/hm2[4]。在氮肥減施研究中，以華北地區(qū)為例，選取的氮肥減施基準值也存在較大差異。有研究認為，在225 kg/hm2基礎上，氮肥減施10%～20%不會影響小麥產(chǎn)量，反而能增加產(chǎn)投比[5]；還有研究認為，在180 kg/hm2基礎上，減施5%～10%的氮肥可使小麥增產(chǎn)4%～7%，氮肥利用率提高7%～8%[6]；更有研究認為，在153 kg/hm2基礎上，減施25%～75%的氮肥，盡管顯著降低冬小麥產(chǎn)量，但是短期內(nèi)并不顯著影響土壤機械穩(wěn)定性團聚體的平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)[7]?？傊?，在氮肥減施研究中，對減施后的綜合經(jīng)濟效益關(guān)注較少，且減施研究持續(xù)時間往往只有1個生長季，持續(xù)時間短。

因此，在小麥季300 kg/hm2氮肥過量投入基準水平[8]基礎上，連續(xù)2個小麥生長季(2017—2018、2018—2019年)研究常規(guī)旋耕[(12±5)cm]、立式旋耕[(30±5)cm]2種耕作方式下，不同氮肥減施量處理小麥的綜合經(jīng)濟效益，為實現(xiàn)氮肥減量施用、資源高效利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省遂平縣農(nóng)業(yè)科學試驗站(33°15′N、113°98′E)內(nèi)，該地氣候溫和，雨量充沛，光照充足，四季分明，亞熱帶向暖溫帶過渡性氣候特征較明顯。年平均氣溫、日照、降水量、無霜期分別為15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤類型為砂姜黑土，重壤偏黏，土地肥沃，基礎土樣的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為6.52 g/kg、18.6 mg/kg、110.40 mg/kg、139.10 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為常規(guī)旋耕(Traditonal rotary tillage,XG)、立式旋耕(Vertical rotary tillage,FL) 2種耕作方式，副區(qū)為施肥水平。FL：用立式旋耕機深旋耕作業(yè)1遍，耕層深度為(30±5)cm，然后用旋耕機輕度(入土5～10 cm)旋耕平整1遍，施肥，播種；XG：用旋耕機旋耕[(12±5)cm]2遍，施肥，播種。過量施氮肥[EF(CK)]處理：施N 300 kg/hm2；減氮10%(RF10)處理：施N 270 kg/hm2；減氮20%(RF20)處理：施N 240 kg/hm2；減氮30%(RF30)處理：施N 210 kg/hm2。所有處理均施P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。每個小區(qū)0.2 hm2，3次重復。

試驗于2017—2018、2018—2019小麥季進行，小麥品種為遂選101(豫審麥2015004)，分別于2017、2018年10月下旬播種，機播，播量150 kg/hm2，行距20 cm，次年(2018、2019年)6月初收獲。氮肥的70%和全部磷、鉀肥作基肥在整地時施入，剩余30%氮肥作追肥在拔節(jié)期施入，其他田間管理措施均保持一致。本研究中小麥生長季采用全程機械化管理，整個小麥生長季農(nóng)事操作主要包括整地、滅茬、播種、管理(打藥、施肥等)、收獲等環(huán)節(jié)，所有投入、產(chǎn)出各環(huán)節(jié)費用見表1。

表1 小麥季不同農(nóng)事操作項目及投入費用Tab.1 Different agricultural items and inputs during wheat seasons

1.3 測定項目及方法

小麥成熟期，每個小區(qū)實收4 m2測產(chǎn)，并計算純收入、產(chǎn)投比。

純收入=小麥季產(chǎn)出-小麥季所有投入；

產(chǎn)投比=小麥季產(chǎn)出/小麥季所有投入。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007、SPSS 2.0等進行處理，用LSD法進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式和氮肥減施量對小麥產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，F(xiàn)L方式下，與過量施氮肥處理相比，2018年，僅RF20處理小麥產(chǎn)量增加，差異不顯著，RF10、RF30處理減產(chǎn)，其中RF30處理達到顯著水平；2019年，RF10、RF20處理小麥產(chǎn)量增加，RF30處理產(chǎn)量下降，差異均不顯著。XG方式下，與過量施氮肥處理相比，2018年，僅RF20處理小麥產(chǎn)量略有增加，差異不顯著，其他處理均下降，其中RF30處理達到顯著水平；2019年與2018年相似，僅RF20處理小麥產(chǎn)量略有增加，差異不顯著，其他減氮處理均下降，差異也均不顯著。

所有處理之間，2018年，XG-RF20處理小麥產(chǎn)量最高，然后依次為XG-EF、FL-RF20處理，F(xiàn)L-RF30處理產(chǎn)量最低，各處理產(chǎn)量具體表現(xiàn)為XG- RF20>XG-EF>FL-RF20>XG-RF10>FL-EF>FL-RF10>XG-RF30>FL-RF30。2019年，XG-RF20處理小麥產(chǎn)量最高，然后依次為FL-RF20、FL-RF10處理，XG-RF30處理最低，各處理產(chǎn)量具體表現(xiàn)為XG-RF20>FL-RF20>FL-RF10>FL- EF>FL-RF30>XG-EF>XG-RF10>XG-RF30。綜上可以看出，在FL、XG方式下，連續(xù)2個小麥季減氮20%處理均可以實現(xiàn)減肥不減產(chǎn)。

表2 不同耕作方式和氮肥減施量對小麥產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of reduced application rates of nitrogen on yields of wheat under different tillage methods kg/hm2

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P≤0.05)。
Note:The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments at 0.05 level.

2.2 不同耕作方式和氮肥減施量對小麥經(jīng)濟效益的影響

2.2.1 FL 由圖1可知，F(xiàn)L方式下，2018年，EF、RF10、RF20、RF30處理純收入分別為8 030.5、7 342.4、8 891.7、5 742.9元/hm2；僅RF20處理的純收入高于EF處理，增收861.2元/hm2，其他減氮處理純收入均下降，但不顯著；2019年，上述各處理純收入分別為13 791.5、14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2，RF10、RF20、RF30處理分別比EF處理增收439.7、825.3、32.3元/hm2，差異均不顯著。綜合分析，連續(xù)2個小麥季減氮20%處理能夠持續(xù)獲得相對較高純收益，而減氮10%、30%處理在減施的第1個小麥季收益下降，第2個小麥季則增加。

不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P≤0.05),下同The different lowercase letters mean significant differences among different treatments at 0.05 level,the same below圖1 FL方式下不同氮肥減施量處理的小麥純收入Fig.1 Net incomes of wheat applied with different nitrogen application rates under vertical rotary tillage

產(chǎn)投比能較好地反映資源投入的效率，2018年，與FL-EF(1.83)處理相比，僅FL-RF20處理產(chǎn)投比較高，為1.95，各處理間差異均不顯著(圖2)。2019年，各處理產(chǎn)投比表現(xiàn)為FL-RF20(2.65)>FL-RF30(2.59)>FL-RF10(2.58)>FL-EF(2.50)，各處理間差異均不顯著(圖2)。綜合來看，連續(xù)2個小麥季減氮20%處理均可以保持較高的產(chǎn)投比，而減氮10%、30%處理則在減施當季產(chǎn)投比略有下降，在第2個小麥季提高。

圖2 FL方式下不同氮肥減施量處理的小麥產(chǎn)投比Fig.2 Ratio of output to input of wheat applied with different nitrogen application rates under vertical rotary tillage

2.2.2 XG 由圖3可知，XG方式下，2018年，EF、RF10、RF20、RF30處理純收入分別為9 190.0、8 832.5、9 714.7、7 205.4元/hm2，與EF相比，僅RF20處理純收入升高，增加524.7元/hm2，其他處理均下降，其中，RF30處理達到顯著水平；2019年，上述各處理純收入分別為13 452.6、13 257.1、15 022.4、12 465.6元/hm2，僅RF20處理純收入高于EF處理，增加569.8元/hm2，各處理間差異均不顯著?？梢娺B續(xù)2個小麥季減氮20%處理能夠持續(xù)獲得較高純收入，而減氮10%、30%處理不僅在減氮當季純收入下降，且在第2個小麥季持續(xù)下降。

圖3 XG方式下不同氮肥減施量處理的小麥純收入Fig.3 Net incomes of wheat applied with different nitrogen application rates under traditional rotary tillage

由圖4可知，2018年，與XG-EF(1.98)相比，XG-RF20(2.08)處理的產(chǎn)投比較高，XG-RF30處理顯著降低；2019年，XG-RF10、XG-RF20處理的產(chǎn)投比分別與XG-EF(2.53)持平、增加，為2.53、2.77，XG-RF30處理則較低，各處理間差異均不顯著。綜合兩季來看，連續(xù)2個小麥季減氮20%處理能夠持續(xù)保證較高的產(chǎn)投比，而減氮10%處理則在減施當季產(chǎn)投比略有下降，在減施第2個小麥季產(chǎn)投比與EF處理持平，減氮30%處理則持續(xù)維持較低水平。

圖4 XG方式下不同氮肥減施量處理的小麥產(chǎn)投比Fig.4 Ratio of output to input of wheat applied with different nitrogen application rates under traditional rotary tillage

2.3 不同耕作方式下小麥經(jīng)濟效益分析

耕作方式之間，由于FL方式在耕作深度及對土壤的擾動程度和動力消耗等方面均與XG方式存在較大差距，特別是耕作深度和土壤結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方面，有效提高了土壤庫容和對肥、水保蓄能力，改變了小麥生長的基礎土壤環(huán)境，為發(fā)揮資源潛力提供了外在保障。綜合兩季小麥平均產(chǎn)量、投入、純收入、產(chǎn)投比(表3)可知，F(xiàn)L方式下兩季小麥平均產(chǎn)量、總投入、純收入、產(chǎn)投比分別為8 189.7 kg/hm2、8 721.2元/hm2、10 278.8元/hm2、2.19；XG方式下兩季小麥平均產(chǎn)量、總投入、純收入、產(chǎn)投比分別為7 934.2 kg/hm2、8 346.2元/hm2、10 061.1元/hm2、2.20。FL方式總投入比XG方式多375.0元/hm2，年均增產(chǎn)255.5 kg/hm2，純收入增加217.7元/hm2，產(chǎn)投比略低。綜合來看，F(xiàn)L方式好于XG方式；此外，F(xiàn)L方式的土壤耕層深度為(30±5)cm，而XG方式的深度則為(12±5)cm，F(xiàn)L方式既增加土壤耕層厚度，又能調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤性能，取得良好的經(jīng)濟效益，促進小麥可持續(xù)生產(chǎn)。

表3 不同耕作方式下小麥經(jīng)濟效益分析Tab.3 Economical benefits of wheat under different tillage methods

3 結(jié)論與討論

有關(guān)小麥季施肥與經(jīng)濟效益的研究中，張衛(wèi)峰等[9]研究認為，黃淮海平原區(qū)(河北省)農(nóng)戶小麥季平均經(jīng)濟效益為2 211.0元/hm2，最大經(jīng)濟效益為3 214.5元/hm2。黃淮地區(qū)(河南省)在施氮量225 kg/hm2水平上，減少10%～20%不會造成大幅度減產(chǎn)，同時能夠增加產(chǎn)投比，提高小麥經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益為14 100～16 100元/hm2[5]。本研究認為，在施氮量300 kg/hm2水平上，F(xiàn)L方式下，2018年，減氮20%處理比EF處理增收861.2元/hm2，達到8 891.7元/hm2；2019年，減氮10%、20%、30%處理分別比EF處理增收439.7、825.3、32.3元/hm2，分別為14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2。XG方式下，2018年，減氮20%處理比EF處理增收524.7元/hm2，為9 714.7元/hm2；2019年，減氮20%處理比EF處理增收569.8元/hm2，為15 022.4元/hm2。說明適宜減氮不會減產(chǎn)和降低經(jīng)濟效益，無論在XG還是FL方式下均可以實現(xiàn)。

FL方式是近年來新研發(fā)的一種新型農(nóng)田耕作方式，采用垂直螺旋鉆頭直立旋轉(zhuǎn)切磨粉碎土壤，鉆軸入土深度30～60 cm[10]。研究認為，在相同施肥量條件下，與其他常規(guī)耕作方式相比，F(xiàn)L方式可以提高小麥[11-13]、玉米[14-15]、水稻[16]、木薯[17-19]等作物產(chǎn)量，這為解決小麥季農(nóng)田氮肥投入過高問題提供了很好的思路。本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)L方式下[(30±5)cm]，連續(xù)2個小麥季減氮20%處理能夠持續(xù)獲得較高純收入，而減氮10%、30%處理在減施第1個小麥季純收入下降，第2個小麥季則增加。XG方式下[(12±5)cm]，連續(xù)2個小麥季減施20%氮肥能夠持續(xù)獲得較高純收入，而減氮10%、30%不僅在當季會造成純收入下降，在第2個小麥季持續(xù)下降。這說明氮肥減施研究需要進行連續(xù)跟蹤才能得出較為準確的結(jié)果；而且，改進耕作方式、增加土壤耕層厚度、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤自身功能是減肥增效的重要途徑。

本研究結(jié)果表明，在300 kg/hm2施氮水平和FL方式下，連續(xù)2個小麥季減氮20%可以實現(xiàn)減氮不減產(chǎn)；減氮20%處理能夠獲得相對較高的純收入和產(chǎn)投比，而減氮10%、30%處理在減施當季純收入、產(chǎn)投比下降，第2個小麥季則增加。2018年，F(xiàn)L-EF(CK)、FL-RF10、FL-RF20、FL-RF30處理純收入分別為8 030.5、7 342.4、8 891.7、5 742.9元/hm2；2019年，純收入分別為13 791.5、14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2。

在300 kg/hm2施氮肥水平和XG方式下，連續(xù)兩季減氮20%可以實現(xiàn)減氮不減產(chǎn)；減氮20%能夠獲得較高的純收益和產(chǎn)投比，而減施10%、30%氮肥不僅在當季會造成純收入下降，在第2個小麥季純收入持續(xù)下降。2018年，XG-EF、XG-RF10、XG-RF20、XG-RF30處理純收入分別為9 190.0、8 832.5、9 714.7、7 205.4元/hm2；2019年，上述各處理純收入分別為13 452.6、13 257.1、15 022.4、12 465.6元/hm2。

FL方式優(yōu)于XG方式，F(xiàn)L方式總投入比XG方式多375.0元/hm2，但其增收217.7元/hm2。此外，F(xiàn)L方式能增加土壤耕層厚度，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤性能。