一次性施用減氮增磷鉀配方肥對夏玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的影響

孫笑梅，武慶慧，李宏杰，黃玉芳，趙亞南，葉優(yōu)良

1.河南省土壤肥料站，鄭州 450002；2.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；3.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，鄭州 450002

玉米是我國主要糧食作物之一，我國農(nóng)戶在玉米種植過程中，存在氮磷鉀養(yǎng)分比例不合理、施肥方式粗放、底肥施用量大、追肥比例小等現(xiàn)象，一些地方農(nóng)戶“一炮轟”的施肥方式非常普遍，這是造成肥料利用率偏低的重要原因［1］。此外，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在地塊面積小、土地分散經(jīng)營、小農(nóng)戶管理的特點，導致我國糧食生產(chǎn)方式以費時耗力的勞動密集型為主，因此，節(jié)本、省工、高產(chǎn)、高效的輕簡化農(nóng)業(yè)管理方式越來越受到重視［2］。由于玉米生育期較短，關于玉米一次性施肥的研究越來越多，通過控釋技術和改進施肥方法等措施，可以在一次性施肥下實現(xiàn)玉米高產(chǎn)和養(yǎng)分高效利用［3-4］。

近年來，我國農(nóng)戶在肥料施用過程中，通過復合肥投入的養(yǎng)分比例越來越高，在這種趨勢下設計合理的肥料配方對于保障糧食產(chǎn)量、促進科學施肥具有重要意義［5-6］。有研究表明，養(yǎng)分配比會影響作物的產(chǎn)量［7-8］。安景文等［9］在遼寧省應用不同氮磷鉀用量配比對玉米進行一次性深施肥試驗，發(fā)現(xiàn)施用包膜尿素、增施鉀肥和一次性深施肥能提高氮肥利用率；吳良泉等［10］根據(jù)我國不同生態(tài)區(qū)域的氣候、栽培和土壤條件差異，將我國玉米主產(chǎn)區(qū)劃分為4個大區(qū)和12 個施肥亞區(qū)，并在養(yǎng)分推薦用量基礎上針對12個亞區(qū)確定了12 個基追結合施肥下的配方和4 個一次性施肥配方。

河南省是我國農(nóng)業(yè)大省，玉米種植面積和產(chǎn)量在全國占居重要地位。但針對河南省不同地區(qū)玉米施肥調研發(fā)現(xiàn)，玉米種植存在氮肥用量偏高和磷鉀施用不足等現(xiàn)象，同時肥料一次性施用現(xiàn)象比較普遍［11］。針對河南省玉米氮素需求和施氮量的估算表明，河南省玉米生產(chǎn)具有很大的節(jié)氮潛力［12］；張國合等［13］研究了夏玉米主產(chǎn)區(qū)土壤理化性狀也認為，玉米施肥應控氮減磷補鉀。復合肥是玉米養(yǎng)分投入的載體，但關于玉米配方肥一次性施用效果對比的研究較少。本研究通過田間試驗，分析不同肥料配方一次性施用對夏玉米養(yǎng)分吸收利用、產(chǎn)量、經(jīng)濟效應的影響，旨在明確不同配方在夏玉米上的施用效果，為肥料配方優(yōu)化和一次性施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017 年6―10 月在河南省潁縣杜曲鎮(zhèn)（33°47′N，113°50′E）開展，土壤類型為潮土，質地為輕黏壤，前茬作物為小麥。試驗前0～20 cm 耕層土壤理化性質為：pH 7.3，有機質23.5 g/kg，全氮1.68 g/kg，速效磷（Olsen-P）10.0 mg/kg，速效鉀（NH4OAc-K）80.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗設置6個肥料配方，配方肥實物用量保持一致，通過養(yǎng)分配比的差異調控氮、磷、鉀養(yǎng)分投入量和比例，因此，各處理間養(yǎng)分投入總量和比例并不一致（表1）。其中，30-5-5 和33-5-8 為當?shù)剞r(nóng)戶常用的高氮配方，28-7-9是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的華北夏玉米區(qū)一次性施肥配方［14］，27-7-12 在28-7-9 基礎上提高鉀肥用量，28-11-10和29-6-10為高磷和低磷配方。

表1 試驗處理及養(yǎng)分投入量Table 1 Experimental design and nutrient inputkg/hm2

每個處理3 次重復，共18 個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)長、寬均為8 m。各配方肥施用量均為750 kg/hm2，種肥同播一次性基施。玉米品種為登海605，種植密度為66 000 株/hm2，于2017 年6 月15 日播種，2017年6月23日出苗，2017年9月28日收獲。

1.3 樣品采集與測定

玉米播種后8 d 出苗，分別在出苗后22 d（拔節(jié)期）、37 d（大喇叭口期）、49 d（抽雄期）、71 d（灌漿期）、102 d（成熟期）隨機選取5株玉米，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒質量，然后稱取質量。烘干后的植株樣品粉碎，采用常規(guī)方法測定養(yǎng)分含量，濃硫酸-過氧化氫消解獲取植株待測液，凱氏定氮法（海能D9840）測定氮含量、釩鉬黃比色法（元析UV-5100）測定磷含量、火焰光度計法（元析FP640）測定鉀含量［15］。

1.4 產(chǎn)量與產(chǎn)量構成

在玉米收獲期，每個小區(qū)連續(xù)收獲40 株裝入網(wǎng)袋中，脫粒后稱質量，然后用谷物水分測定儀（農(nóng)奧LDS-1G）測定含水量，按照含水量13%的標準換算玉米產(chǎn)量。同時，選出長勢均勻、具有代表性的10個玉米穗，分別測定穗粗、穗長、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重等指標［16］。

1.5 指標計算

本研究采用養(yǎng)分收獲指數(shù)、養(yǎng)分內部效率、肥料偏生產(chǎn)力來評價玉米氮、磷、鉀利用率。以氮為例，氮素收獲指數(shù)（nitrogen harvest index,NHI)、氮素內部效率（nitrogen internal efficiency,NIE)、氮肥偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor productivity,NPFP)計算公式[17]如下：

磷素收獲指數(shù)（PHI）、磷素內部效率（PIE）、磷肥偏生產(chǎn)力（PPFP）以及鉀素收獲指數(shù)（KHI）、鉀素內部效率（KIE）、鉀肥偏生產(chǎn)力（KPFP）計算同上。

采用肥料成本、總收入、凈收益評價不同配方處理下的經(jīng)濟效益，其中凈收益為總收益除去肥料、種子、灌水、農(nóng)藥、機械等成本投入。

式（4）中，玉米收購單價為1.6 元/kg；氮、磷、鉀投入按4.5元/kg N、4.8元/kg P2O5、5.6 元/kg K2O計。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 整理數(shù)據(jù)和制圖；用SPSS 20.0 進行統(tǒng)計分析，處理間差異采用單因素方差分析，Duncan’s法進行多重比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量

由表2 可見，不同配方處理下，配方33-5-8 的玉米產(chǎn)量最低，其次為30-5-5，二者顯著（P＜0.05）低于其他配方。配方33-5-8 和30-5-5 的籽粒千粒重顯著較低，且配方33-5-8的穗粒數(shù)低于其他配方處理。配方27-7-12 的玉米穗長顯著低于29-6-10 和30-5-5，而不同配方間玉米穗粗、行數(shù)、行粒數(shù)差異均不顯著。相對于2 個高氮配方，4 個增磷鉀配方降低了玉米禿尖長和缺粒數(shù)，提高了結實率。配方28-7-9穗部禿尖長最小，其次為27-7-12，配方33-5-8 禿尖長最大。30-5-5和33-5-8 處理缺粒數(shù)均高于其他處理，而籽粒結實率低于其他處理。總體來看，與高氮配方（33-5-8 和50-5-5）相比，4 個增磷鉀配方提高了玉米產(chǎn)量，主要是增加了穗粒數(shù)和千粒重。

表2 不同配方處理下的玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構成、穗部性狀Table 2 Maize yield，yield components and ear traits under different formulas

2.2 養(yǎng)分吸收

玉米氮磷鉀養(yǎng)分累積量隨著其生長生育逐漸增加，在大喇叭口期前氮素累積速率較慢，積累量較低，之后迅速增加（圖1）。在拔節(jié)期，配方27-7-12 的氮磷鉀累積量均低于其他處理，配方33-5-8和28-11-10 氮素累積量較高；配方27-7-12 磷素累積量較低，其次29-6-10；配方28-11-10 鉀素累積量最高。在抽雄期，配方27-7-12 氮素累積最高，其次為33-5-8，29-6-10 最低；磷素累積量最高的為28-11-10，35-5-8 和29-6-10 較??；27-7-12 的鉀素累積較高，30-5-5 最低。在灌漿期，氮素累積量最大為28-11-10，其次為30-5-5，最小的處理為27-7-12；磷素累積量差異相對較小。成熟期各處理氮素累積量為236.5～246.1 kg/hm2，處理間差異性不顯著；磷素累積量為75.4～86.1 kg/hm2，處理30-5-5、29-6-10、28-7-9 的磷素吸收相對高于其他3 個處理；鉀素累積量245.9～263.4 kg/hm2，以28-11-10 較低?？梢钥闯?，不同配方處理玉米養(yǎng)分吸收量在生育前期差異相對較小，在生育后期高氮配方并沒有提高玉米氮素吸收，且33-5-8處理的磷鉀養(yǎng)分吸收較增磷鉀配方偏低。

圖1 不同配方處理下玉米氮（A）、磷（B）、鉀（C）累積Fig.1 N（A），P（B）and K（C）accumulation of maize under different formulas

2.3 養(yǎng)分利用率

玉米氮磷鉀收獲指數(shù)分別為60.9%、78.0%、28.4%，不同處理間33-5-8 和30-5-5 兩個高氮配方的氮磷鉀收獲指數(shù)低于其他4個增磷鉀配方。配方29-6-10的氮收獲指數(shù)最高，顯著高于33-5-8、30-5-5、28-11-10；配方28-7-9 的磷收獲指數(shù)顯著高于33-5-8；配方27-7-12、29-6-10、28-11-10的鉀收獲指數(shù)高于其他處理（圖2A、B、C）。玉米氮磷鉀素內部效率分別為41.9～45.7、119.7～145.6、37.8～43.9 kg/kg，平均值為44.2、131.7、40.7 kg/kg。高氮配方30-5-5 和33-5-8 的氮素內部效率較低；配方27-7-12 和28-11-10 的磷素內部效率較高，30-5-5 相對較低；處理為33-5-8和30-5-5 的鉀素內部效率顯著低于28-11-10，其他處理間差異不顯著（圖2D、E、F）。不同配方之間肥料偏生產(chǎn)力差異很大：配方33-5-8和30-5-5的氮肥偏生產(chǎn)力顯著低于其他4個增磷鉀配方，而磷肥偏生產(chǎn)力低于其他處理，其中增磷配方28-11-10最低；配方30-5-5 的鉀素比例最低，因此其鉀肥偏生產(chǎn)力高于其他處理，而高鉀配方27-7-12 最低（圖2G、H、I）。綜合不同指標來看，增磷鉀處理提高了玉米養(yǎng)分向籽粒的轉運（收獲指數(shù)）和利用效率（單位養(yǎng)分形成的產(chǎn)量），同時提高氮肥偏生產(chǎn)力；但磷肥和鉀肥投入量相對較高導致磷鉀偏生產(chǎn)力降低。

圖2 不同配方處理下玉米的氮磷鉀收獲指數(shù)（A，B，C）、內部效率（D，E，F(xiàn)）和偏生產(chǎn)力（G，H，I）Fig.2 NPK harvest index（A，B，C），internal efficiency（D，E，F(xiàn)）and partial factor productivity（G，H，I）under different formulas

2.4 經(jīng)濟效益

不同配方下夏玉米的毛收入為16 501～18 527元/hm2，其中33-5-8 和30-5-5 低于其他增磷鉀處理。肥料成本為1 403～1 761 元/hm2，28-11-10 相對最高，而30-5-5 成本最低。除去肥料、種子、機械、人工后，凈收益為8 496～9 848 元/hm2，配方33-5-8最低，其次為30-5-5，其他4 個增磷鉀處理比30-5-5 增收6.5%～9.7%，比33-5-8增收19.3%～20.8%。

以上表明，盡管配方30-5-5 的肥料投入略低，但相對于30-5-5 和33-5-8 兩個高氮配方，其他增磷鉀配方的毛收益和凈收益均明顯提高，實現(xiàn)增產(chǎn)增收。

圖3 不同配方處理下的玉米經(jīng)濟效益Fig.3 Economic benefits of maize under different formulas

3 討 論

一次性施肥有助于促進糧食生產(chǎn)輕簡化和機械化管理。玉米是生育期較短的作物，關于玉米一次性施肥的研究相對較多，多側重于肥料的控釋技術和施用技術。王宜倫等［3］研究表明，采用粒片狀肥料一次性施用可以實現(xiàn)夏玉米的高產(chǎn)；姜超強等［4］通過施肥位點來調控優(yōu)化尿素一次性施用效果。本研究在其他條件相同下，對比了常規(guī)肥料不同配方一次性施用對夏玉米的影響，結果表明減氮增磷鉀配方處理（28-7-9、27-7-12、28-11-10、29-6-10）的玉米產(chǎn)量均達到10.5 t/hm2，說明一次性施肥可以實現(xiàn)玉米高產(chǎn)。此外，一次性施肥能夠減少玉米管理成本投入，符合很多農(nóng)戶“一炮轟”施肥習慣；一些農(nóng)戶在玉米生長后期撒施追肥也會增加投入成本，同時也會增加環(huán)境風險［18］。因此，對比不同配方一次性施用效果將有利于夏玉米一次性施肥技術應用和推廣。

本研究發(fā)現(xiàn)，相對于農(nóng)戶習慣采用的高氮配方，4 個減氮增磷鉀配方均提高了玉米的產(chǎn)量，增產(chǎn)作用主要是由于提高了穗粒數(shù)和千粒重，且玉米禿尖長和缺粒數(shù)降低，從而結實率增加。這主要是因為配方的不同導致了氮磷鉀養(yǎng)分投入數(shù)量和配比的差異［5］。本試驗條件下，土壤氮素供應能力較強，而土壤磷、鉀供應能力較弱，因此，高氮配方處理下較高的氮投入可能導致造成玉米貪青晚熟、倒伏、抗逆性差等情況，進而影響籽粒產(chǎn)量［16］；磷、鉀投入不足可能會影響生育后期籽粒灌漿，磷素與植株體內碳和脂肪代謝有關系，并影響光合作用進行，而鉀素有利于提高葉片光合強度，同時能影響庫源關系，促進光合同化產(chǎn)物的運輸，使同化產(chǎn)物更多地輸入到結實器官，進而提高玉米的結實率和千粒重等穗部性狀［19-20］。在養(yǎng)分分配方面，養(yǎng)分收獲指數(shù)反映了吸收的養(yǎng)分向籽粒轉運的比例，內部利用效率是單位養(yǎng)分產(chǎn)生的經(jīng)濟產(chǎn)量，反映了綜合利用效率［17］，可以看出，無論收獲指數(shù)還是內部利用效率，相較于2 個高氮配方，4 個減氮增磷增鉀配方均呈現(xiàn)增加的趨勢，這也表明調控肥料配方能夠改善養(yǎng)分流的作用，促使前期養(yǎng)分向籽粒轉運，進而提高產(chǎn)量。

經(jīng)濟收益是農(nóng)戶選擇肥料的重要依據(jù)。盡管養(yǎng)分含量和磷、鉀比例較高的配方一定程度會增加投入成本，但與收益的增加相比，成本變化較小，配方30-5-5 和33-5-8 的總收益和凈收益明顯低于其他配方。很多研究表明，近年來隨著農(nóng)戶大量施用化肥和秸稈還田等措施，河南省農(nóng)田土壤氮素供應能力提高，而土壤無機氮殘留過高，但農(nóng)戶在施肥時仍然存在氮肥用量過高和磷鉀施用不足等現(xiàn)象［11-12］，因此，玉米生產(chǎn)中具有很大的節(jié)氮潛力，減氮增磷鉀配方肥的應用對于河南省玉米合理施肥及區(qū)域減肥增效增收具有重要意義。