緩/控釋肥條施對(duì)春玉米產(chǎn)量、吸氮量與氮平衡的影響

趙 營(yíng)，劉曉彤，羅健航，趙天成，張學(xué)軍

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002）

我國(guó)是世界上最大的氮肥消費(fèi)國(guó)，但過(guò)量和不合理施用氮肥造成我國(guó)主要作物氮肥利用率僅30%～35%［1］，大量施用氮肥已造成土壤酸化、水體污染和大氣污染等一系列環(huán)境問(wèn)題［2-4］。近年來(lái)，國(guó)家已明確提出了化肥減量施用的發(fā)展戰(zhàn)略，傳統(tǒng)的常規(guī)化肥品種已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠色高質(zhì)量發(fā)展。緩/控釋肥料的養(yǎng)分釋放周期長(zhǎng)，養(yǎng)分釋放時(shí)間可控，氮肥利用率可大幅度提高［5-6］，同時(shí)降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)［7］，且一次性基施可滿足作物整個(gè)生育期對(duì)氮素的需求，降低了生產(chǎn)成本［8-9］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，高效緩/控釋肥料成為了新型肥料研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，在其生產(chǎn)工藝技術(shù)、養(yǎng)分釋放特性和田間施用效應(yīng)等方面已做了大量研究［10-13］，在緩/控釋肥料施用技術(shù)上也有所突破［14-15］。緩/控釋肥已逐漸成為傳統(tǒng)常規(guī)肥料的重要替代產(chǎn)品。

寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)集約化水平高，過(guò)量施肥和大水灌溉的粗放管理模式造成了農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題嚴(yán)重［16-17］。寧夏引黃灌區(qū)主要作物平均施N 337.4 kg/hm2、P2O5160.5 kg/hm2，氮磷過(guò)量施用十分突出，且以傳統(tǒng)的常規(guī)肥料為主［18］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年寧夏全區(qū)玉米播種面積為30.6 萬(wàn)hm2，占糧食作物總面積的42.3%，而其產(chǎn)量占全區(qū)糧食總產(chǎn)的58.1%［19］。近年來(lái)，寧夏全區(qū)對(duì)玉米產(chǎn)業(yè)帶進(jìn)行了區(qū)域規(guī)劃，已逐步形成了引黃灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)帶、揚(yáng)黃灌區(qū)糧飼兼用玉米產(chǎn)業(yè)帶和南部山區(qū)優(yōu)質(zhì)飼用玉米產(chǎn)業(yè)帶，但與之配套的高效施肥技術(shù)和新型肥料產(chǎn)品的研發(fā)還明顯不足。緩/控釋肥一次性條施對(duì)寧夏春玉米的產(chǎn)量效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)研究成為亟待解決的首要問(wèn)題，研究結(jié)果可為玉米生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合提供技術(shù)與產(chǎn)品支撐。因此，本文利用自主研制的玉米專用緩釋肥和控釋摻混肥，以普通復(fù)合肥和農(nóng)民習(xí)慣施肥為對(duì)照，探討了緩/控釋肥一次性條施對(duì)春玉米產(chǎn)量、吸氮量、土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩襞c氮素表觀平衡的影響，為寧夏引黃灌區(qū)春玉米一次性施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在寧夏引黃灌區(qū)的吳忠市利通區(qū)東塔寺鄉(xiāng)劉堿灘村進(jìn)行，位于東經(jīng)106°14′9″，北緯38°1′6″。年均降水量不足200 mm，引黃河水自流灌溉，種植模式為年際間水旱輪作，上茬作物為水稻。供試土壤為灌淤土，0 ～20 cm 土壤pH 7.92，全鹽0.92 g/kg，有機(jī)質(zhì)19.8 g/kg，全氮1.24 g/kg，無(wú)機(jī)氮（NO3--N+NH4+-N）31.7 mg/kg，有效磷 51.0 mg/kg，速效鉀 200.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春玉米品種為晉單73，2017 年4 月10 日 播種，等行距60 cm，株距20 cm，栽培密度為7.37萬(wàn)株/hm2。5 月25 日（苗期，10 展葉期）施基肥，除農(nóng)民習(xí)慣施肥處理外，其它施肥處理都為一次施肥；9 月13 日收獲取樣。共設(shè)置5 個(gè)施肥處理:①不施任何肥料（CK）；②農(nóng)民習(xí)慣施肥（CON），施肥量折合純N 360 kg/hm2（普通尿素N 46%），P2O5135 kg/hm2（重過(guò)磷酸鈣P2O546%），K2O 90 kg/hm2（氯化鉀K2O 60%），60%的氮肥與全部磷鉀肥在苗期（5 月25 日）側(cè)條施用，40%的氮肥在大喇叭口期（7 月21 日）結(jié)合灌水撒施追肥；③普通復(fù)合肥（CF，15-15-15）；④自研制春玉米緩釋肥（SRF，22-8-6），由尿素（N 46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）和雙氰胺組合材料按比例復(fù)合生產(chǎn)；⑤自研制春玉米控釋摻混肥（BB，17-20-8，一種含聚氨酯包膜尿素的BB 肥），由聚氨酯包膜尿素（N ≥43%，釋放周期90 d 以上）［20］、重過(guò)磷酸鈣（P2O546%）和氯化鉀（K2O 60%）按配方比例復(fù)混而成；處理②、③、④、⑤折合純N 用量都為240 kg/hm2，在春玉米苗期用小型中耕機(jī)械全部一次性側(cè)條施用，即將肥料一次性呈條狀集中施在玉米行的一側(cè)10 cm 左右，施肥深度5 ～8 cm。采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)施肥試驗(yàn)區(qū)面積為150 m2（6 m×25 m），隨機(jī)排列。其它灌水、除草、噴藥等管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 樣品采集與測(cè)定

春玉米成熟后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)重復(fù)3 次，取6行18 m2樣方（不帶苞葉）全收，統(tǒng)計(jì)收獲地上部子粒和秸稈鮮重，同時(shí)每個(gè)施肥處理樣方中各隨機(jī)取10 個(gè)玉米棒子和10 株秸稈樣，折算子粒和秸稈產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算公式與統(tǒng)計(jì)方法

氮肥表觀利用率、表觀殘留率、表觀損失率及氮素表觀平衡的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［21］。

圖表數(shù)據(jù)均采用Excel 2007 及DPS 7.05 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多重比較為L(zhǎng)SD 法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩/控釋肥條施對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響

表1 可以看出，不同施肥處理下春玉米子粒、秸稈產(chǎn)量分別為9.6 ～15.6、11.3 ～14.2 t/hm2，施肥可顯著提高春玉米子粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。相對(duì)于CK 處理，施肥處理下春玉米子粒增產(chǎn)了35.4%～62.5%，秸稈增產(chǎn)了10.6%～25.7%。與CON 處理相比，SRF 和BB 處理下玉米子粒產(chǎn)量分別顯著增加了19.2%和20.0%，而緩/控釋肥條施處理間產(chǎn)量基本相當(dāng)，CF 處理下子粒產(chǎn)量沒(méi)有差異。不同施肥處理下春玉米收獲指數(shù)為0.46 ～0.55，BB 和SRF 處理下相對(duì)較高，較CON處理分別提高了0.04 和0.07。這表明緩/控釋肥條施較農(nóng)民習(xí)慣施肥，能顯著提高春玉米的子粒產(chǎn)量，從而顯著提高其收獲指數(shù)。

表1 不同施肥處理下春玉米產(chǎn)量與收獲指數(shù)

2.2 緩/控釋肥條施對(duì)春玉米氮素吸收利用的影響

表2 結(jié)果顯示，不同施肥處理下春玉米子粒N、秸稈N 和地上部N 吸收量分別為112.0 ～192.0、60.4 ～100.7、172.4 ～292.7 kg/hm2，SRF 和BB 處理下相對(duì)較高。與CON 和CF 處理相比，SRF 和BB處理能顯著提高春玉米子粒N 和地上部N 的累積量，但對(duì)秸稈N 吸收影響不明顯。不同施氮處理下氮肥偏生產(chǎn)力為36.2 ～65.2 kg/kg，表明每施入1 kg氮肥，SRF 和BB 處理可生產(chǎn)64.5、65.2 kg 的玉米子粒，而CON 處理下僅36.2 kg，顯著低于緩/控釋肥和普通復(fù)合肥處理。由此可見(jiàn)，緩/控釋肥條施較農(nóng)民習(xí)慣施肥，能顯著促進(jìn)氮素在玉米子粒中累積，提高了其地上部氮的吸收利用。

表2 不同施肥處理下春玉米吸氮量與氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）

2.3 不同施肥處理下0 ～100 cm 土壤剖面無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅?/h3>

圖1 為不同施肥處理下春玉米收獲后0 ～100 cm 土壤剖面硝態(tài)氮和銨態(tài)氮?dú)埩?，可看出，春玉米種植前，0 ～100 cm 土壤各剖面硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?3.2 ～86.2 kg/hm2，主要累積在0 ～40 cm 土層；而玉米收獲后，CON 處理下各層土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?7.3 ～97.4 kg/hm2，主要累積層次下移 到60 ～100 cm 土 層。SRF、BB、CF 處 理 下0 ～100 cm 土壤各剖面硝態(tài)氮?dú)埩袅颗cCK 差異不大，且主要累積在0 ～20 和20 ～40 cm 土層，而40 ～100 cm 深層土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^CON 處理明顯降低。春玉米種植前，0 ～100 cm 土壤各剖面銨態(tài)氮?dú)埩魞H1.4 ～3.7 kg/hm2，玉米收獲后，不同施肥處理0 ～100 cm 土壤剖面銨態(tài)氮?dú)埩袅坎町惒淮?，總體在1.0 ～3.0 kg/hm2之間波動(dòng)，其殘留量很有限。因此，相對(duì)于農(nóng)民習(xí)慣施肥，緩/控釋肥條施能明顯降低0 ～100 cm 土壤剖面的硝態(tài)氮?dú)埩?，而?duì)銨態(tài)氮?dú)埩粲绊懖幻黠@；農(nóng)民習(xí)慣施肥造成硝態(tài)氮向60 ～100 cm 深層土壤淋洗的趨勢(shì)明顯。

圖1 不同施肥處理下春玉米收獲后0 ～100 cm 土壤剖面硝態(tài)氮和銨態(tài)氮?dú)埩?/p>

2.4 春玉米-土壤體系氮素表觀平衡

表3 結(jié)果顯示，氮肥為氮素輸入主要來(lái)源（N 240.0 ～360.0 kg/hm2），其次為試驗(yàn)前0 ～100 cm土體Nmin殘留量（200.0 kg/hm2），玉米全生育期氮素表觀礦化量為29.0 kg/hm2，CON 處理下氮肥總輸入量589.0 kg/hm2。玉米地上部吸N 量為氮素主要輸出項(xiàng)，CON 處理下0 ～100 cm 土體Nmin殘留量高達(dá)216.1 kg/hm2，SRF、BB、CF 處理使其分別顯著降低了62.8%、56.2%、63.1%。相對(duì)于CON（140.8 kg/hm2），SRF 和BB 處理下氮素表觀損失分別顯著降低了23.9%和42.0%，普通復(fù)合肥（CF處理）施用造成氮素表觀損失不容忽視。氮素表觀平衡分析表明，緩/控釋肥條施較農(nóng)民習(xí)慣施肥不僅顯著降低了0 ～100 cm 土體Nmin殘留量，而且顯著降低了氮素表觀損失量。

表4 為春玉米種植下氮肥表觀去向分析，可以看出，不同施肥處理下春玉米當(dāng)季氮肥表觀利用率為16.6%～50.1%，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理下利用率最低，而SRF 和BB 處理下其利用率提高了2.7 ～3.0倍。不同施肥處理下春玉米氮肥表觀殘留率為8.3%～44.3%，CON 處理下最高，SRF、BB、CF處理下殘留率顯著降低。當(dāng)季氮肥表觀損失率以CF 處理最高，達(dá)62.5%，顯著高于其它施氮處理?？傮w來(lái)說(shuō)，CON 和CF 處理下氮素表觀盈余率（殘留率+損失率）分別達(dá)83.4%和70.8%，而SRF 和BB 處理分別僅為54.5%和49.8%，降低了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 不同施肥處理下春玉米-土壤體系氮素表觀平衡 （N，kg/hm2）

表4 不同施肥處理下春玉米-土壤體系氮肥表觀去向 （%）

3 討論

緩/控釋肥是提高作物產(chǎn)量和肥料利用率，降低生產(chǎn)成本和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的重要替代肥料產(chǎn)品。有研究發(fā)現(xiàn)，緩/控釋肥對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)不明顯（相對(duì)農(nóng)民習(xí)慣施肥增產(chǎn)率為5%），但顯著提高了其千粒重和行粒數(shù)，同時(shí)節(jié)氮30%［22］。河南和山東地區(qū)的夏玉米試驗(yàn)結(jié)果表明，兩省區(qū)專用緩釋肥一次性基施分別較習(xí)慣施肥增產(chǎn)了6.95%～8.28%和6.37%～9.64%［9］。與農(nóng)民傳統(tǒng)施肥相比，緩/控釋肥一次性基施可使玉米、小麥、水稻三大糧食作物產(chǎn)量顯著提高3.1%～31.7%、氮肥利用率顯著提高6.2%～86.6%［23］。本研究條件下，與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理相比，緩/控釋一次性條施使春玉米子粒產(chǎn)量顯著增加了20.0%左右，氮肥利用率提高了2.7 ～3.0 倍，其增產(chǎn)幅度明顯高于夏玉米。寧夏引黃灌區(qū)春玉米的氮肥施用嚴(yán)重過(guò)量，再加上引黃大水灌溉，農(nóng)民習(xí)慣施肥造成玉米當(dāng)季氮肥表觀利用率僅16.6%（表4），施入氮肥的83.4%未被當(dāng)季作物吸收利用，進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)明顯提高。

作物干物質(zhì)累積量是形成子粒高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。同等氮磷鉀供應(yīng)水平下，施用緩釋肥處理下玉米的干物質(zhì)累積量顯著高于農(nóng)民傳統(tǒng)施肥，但其子粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異［24］。施用包膜尿素和穩(wěn)定性肥料有利于春玉米后期子粒干物質(zhì)累積及養(yǎng)分向子粒的轉(zhuǎn)移，而在氮肥用量較高時(shí)造成玉米生育后期養(yǎng)分的再利用率降低［25］。在東北春玉米種植區(qū)域，在農(nóng)民習(xí)慣施肥減氮20%的基礎(chǔ)上施用緩/控釋肥，3 年平均增產(chǎn)3.3%，與秸稈還田配化肥處理的產(chǎn)量基本相當(dāng)，都沒(méi)達(dá)顯著水平［26］。緩/控釋肥料能控制肥料中養(yǎng)分釋放速率，一次施用能滿足玉米生育期內(nèi)養(yǎng)分需求，從而提高玉米的氮肥生產(chǎn)效率和利用率。脲醛肥料和包膜尿素等緩/控釋肥在東北黑土土壤中的氮素釋放天數(shù)為60 d 左右，釋放高峰在播種后32 d 前后，之后土壤速效氮含量呈下降趨勢(shì)［27］，這與本試驗(yàn)中緩/控釋肥的氮素釋放特性一致。本研究中，自研制緩/控釋肥在土壤中的氮素釋放天數(shù)在65 d 以上，釋放高峰在施入土壤的第32 d 前后，65 d 后土壤中依然有低量的肥料氮釋放［28］，能夠?qū)崿F(xiàn)一次性條施。本研究條件下，緩/控釋肥條施較農(nóng)民習(xí)慣施肥，能顯著促進(jìn)玉米子粒氮素累積，并提高了氮肥偏生產(chǎn)力，氮肥當(dāng)季表觀利用率達(dá)45.5%～50.1%，與東北黑土春玉米緩/控釋肥的利用率43.5%～48.7%比較接近［27］，都明顯高于我國(guó)主要作物平均氮肥利用率30%～35%［1］。在黃土高原區(qū)域，施用長(zhǎng)效氮肥和脲甲醛較農(nóng)民習(xí)慣施肥，春玉米的氮肥農(nóng)學(xué)效率及偏生產(chǎn)力分別增加了20.2%～23.2%和21.9%～23.7%，0 ～200 cm 土層硝態(tài)氮?dú)埩袅糠謩e減少了47.9%、49.6%，同時(shí)施氮量減少20%［29］。本試驗(yàn)春玉米收獲后，相對(duì)于農(nóng)民習(xí)慣施肥，緩/控釋肥條施能明顯降低0 ～100 cm 土壤硝態(tài)氮?dú)埩?，氮素表觀損失也分別顯著降低了23.9%和42.0%，而農(nóng)民習(xí)慣施肥造成硝態(tài)氮向深層土壤淋洗，普通復(fù)合肥施用造成氮素表觀損失與農(nóng)民習(xí)慣施肥相當(dāng)。由此可見(jiàn)，緩/控釋肥可以在寧夏引黃灌區(qū)春玉米生產(chǎn)中一次性條施，但其產(chǎn)量效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的長(zhǎng)期持續(xù)地綜合評(píng)價(jià)還需深入探討。

4 結(jié)論

相對(duì)于農(nóng)民習(xí)慣施肥和商品復(fù)合肥，緩/控釋肥均可實(shí)現(xiàn)一次性條施，同時(shí)顯著提高春玉米子粒產(chǎn)量，促進(jìn)作物氮素吸收，顯著提高當(dāng)季氮肥利用率，降低土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩?、氮素表觀損失和表觀盈余量，同時(shí)將化肥氮減量30%以上（為農(nóng)民習(xí)慣施氮的1/3），達(dá)到減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。