機(jī)械深施基肥對麥季氮肥利用效率的影響

劉德坤， 張雅芬， 駱瑤倩， 郭 智， 張?jiān)婪迹?劉紅江

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院句容稻米產(chǎn)業(yè)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212444；2.江蘇省句容市后白鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇鎮(zhèn)江 212444； 3.江蘇省句容市農(nóng)技推廣中心，江蘇句容 212400；4.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014)

小麥?zhǔn)俏覈笾饕Z食作物之一，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2018年我國小麥種植面積為2 430萬hm。黃淮海平原是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，近年來隨著優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種的不斷育成，以及配套栽培技術(shù)的不斷進(jìn)步，小麥產(chǎn)量水平獲得了持續(xù)提高，高產(chǎn)小麥產(chǎn)量已達(dá)到8.7 t/hm。在小麥產(chǎn)量提高的同時(shí)，麥季的肥料施用量也在逐步增加，部分高產(chǎn)麥田的純氮施用量達(dá)到360 kg/hm。據(jù)報(bào)道，我國小麥等主要作物的氮肥利用率只有30%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平。農(nóng)田大量施用氮肥，除了增加生產(chǎn)成本、降低經(jīng)濟(jì)效益外，也帶來了諸多環(huán)境問題，如加速土壤酸化、加劇農(nóng)田溫室效應(yīng)、增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面源污染風(fēng)險(xiǎn)等。前人關(guān)于麥田化肥減量增效技術(shù)的研究，主要集中在秸稈還田、適期播種、合理密植、優(yōu)化肥料運(yùn)籌、有機(jī)無機(jī)肥配施和施用新型肥料等方面。而在機(jī)條播小麥條件下，采用機(jī)械深施基肥措施，減少氮肥施用量，以提高麥季氮肥利用效率方面的研究報(bào)道較少。因此，本研究于2015—2016年度和2016—2017年度麥季在江蘇省金湖縣吉莊水稻種植專業(yè)合作社試驗(yàn)田，通過設(shè)置不施用氮肥、當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)氮肥運(yùn)籌和減少15%氮肥施用量3個(gè)處理，探索結(jié)合機(jī)械條播條件下，深施基肥對小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素及麥季氮肥吸收利用的影響，以期為我國小麥生產(chǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益和提升農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2015年11月至2017年6月連續(xù)2個(gè)麥季在江蘇省淮安市金湖縣陳橋鎮(zhèn)吉莊水稻種植專業(yè)合作社試驗(yàn)田(118°59′E，33°09′N)開展，該地為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均溫度14.6 ℃左右，年平均降水約110 d，年均降水量約1 100 mm，年日照時(shí)長 2 100 h左右，年均無霜期約220 d，輪作方式為麥—稻兩熟。試驗(yàn)土壤為黃泥土，其主要理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量22.38 g/kg、全氮含量1.63 g/kg、速效氮含量45.13 mg/kg、總磷含量0.57 g/kg、速效磷含量18.23 mg/kg、速效鉀含量162.01 mg/kg、容重1.25 g/cm、pH值6.52。

1.2 試驗(yàn)處理

上季水稻收獲時(shí)，將秸稈切碎勻鋪再用中拖耕翻還田。試驗(yàn)設(shè)空白對照(0N)處理，不施用氮肥，磷肥和鉀肥施用量均為112.5 kg/hm，磷、鉀肥在小麥播種時(shí)全部采用人工基施，小麥播種方式也為人工撒播。

采用走訪和問卷調(diào)查相結(jié)合的前提下，設(shè)置當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施肥水平處理(FN)，施用純氮(N)、磷(PO)、鉀(KO)肥分別為300.0、112.5、112.5 kg/hm。小麥采用人工撒播，氮肥運(yùn)籌同農(nóng)民常規(guī)施肥，按時(shí)間順序基肥40%(11月6日)、返青肥20%(翌年2月10日)、拔節(jié)肥20%(翌年3月5日)和孕穗肥20%(翌年4月3日)進(jìn)行人工撒施，磷肥和鉀肥均作為基肥人工撒施。

在農(nóng)民常規(guī)施肥量(FN)基礎(chǔ)上，減少15%的施氮量(RN)，即氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別為255.0、112.5、112.5 kg/hm，機(jī)械條播小麥，行距為20 cm，氮肥運(yùn)籌按照基肥60%(11月6日)、拔節(jié)肥10%(翌年3月5日)、穗肥30%(翌年4月3日)的比例運(yùn)籌，磷肥和鉀肥全部基施，采用太倉項(xiàng)氏農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的“六位一體”化機(jī)械，機(jī)條播小麥同步機(jī)械深施基肥，拔節(jié)肥和穗肥人工撒施。本試驗(yàn)共3個(gè)處理組合，即0N、FN、RN。

2015—2016年度和2016—2017年度，2季小麥播種時(shí)間均為11月6日，播種量225.0 kg/hm。供試小麥品種為揚(yáng)麥19。試驗(yàn)用肥為含15% N、15% PO、15% KO的復(fù)合肥，氮、磷、鉀肥不足部分用含46.2% N的尿素、含12% PO的過磷酸鈣、含60% KO的氯化鉀補(bǔ)齊。各試驗(yàn)小區(qū)500.0 m，設(shè)置3次重復(fù)。麥田日常管理同當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥栽培方法一致。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 小麥生物產(chǎn)量 小麥成熟期，各小區(qū)在小麥長勢均衡的位點(diǎn)，分別調(diào)查2個(gè)1 m小麥穗數(shù)，折算平均穗數(shù)，據(jù)此取樣20株，分別測定植株的莖鞘、葉片和穗等器官干物質(zhì)質(zhì)量(105 ℃殺青30 min后，于70 ℃下烘干至恒質(zhì)量)，計(jì)算小麥生物產(chǎn)量。

1.3.2 小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 各小區(qū)分別調(diào)查2個(gè)1 m小麥穗數(shù)，折算平均穗數(shù)；據(jù)此取樣20株調(diào)查每穗平均粒數(shù)，測定千粒質(zhì)量；計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.3.3 植株氮素含量 將小麥成熟期樣品按莖鞘、葉片和穗分別粉碎、消煮、定容后，用半微量蒸餾-滴定法測定植株全N含量。

1.3.4 土壤速效氮素含量 在小麥拔節(jié)、抽穗和成熟3個(gè)時(shí)期，各小區(qū)選3個(gè)采樣點(diǎn)，取0～20 cm深度的耕作層土樣，混勻后放置于自封袋，暫存在保鮮盒中，隨即帶回實(shí)驗(yàn)室分成小塊，將植物根系及石子等用鑷子挑出，待檢。用濃度為2 mol/L 的氯化鉀浸提后，采用分光光度計(jì)比色法分別測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。將各處理3個(gè)采樣點(diǎn)的測得值平均，得到測定值。

1.3.5 氮肥吸收利用率 氮肥處理區(qū)在扣除空白區(qū)本底小麥籽粒產(chǎn)量后施用單位氮肥所增產(chǎn)的谷物產(chǎn)量為氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)；小麥氮肥施用區(qū)在扣除空白區(qū)本底吸氮量后占比氮肥投入量的多少為氮肥吸收利用率(%)；氮肥處理區(qū)小麥產(chǎn)量和氮素累積量在同步減掉空白本底小麥產(chǎn)量和氮素累積量后之間的比值為氮肥生理利用率(kg/kg)；各氮肥處理區(qū)小麥產(chǎn)量與其純氮施用量的比值為氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)。

籽粒產(chǎn)量除以全株吸氮量為小麥氮素籽粒生產(chǎn)效率(g/g)；籽粒吸氮量除以全株吸氮量為小麥氮素收獲指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007整理并制圖，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)。不同處理間差異用()最小顯著差數(shù)法進(jìn)行判定，大于和標(biāo)準(zhǔn)的分別被認(rèn)為差異顯著和極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 基肥深施減氮條件下小麥產(chǎn)量及構(gòu)成

如表1所示，有效穗數(shù)方面，小麥有效穗數(shù)在年度間差異顯著；基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理平均下降7.83%，2個(gè)處理差異顯著。每穗粒數(shù)方面，2015—2016年度基肥深施減氮處理與農(nóng)民常規(guī)施肥處理差異不大；2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理增加6.87%，處理間的差異達(dá)顯著水平。千粒質(zhì)量方面，年度間小麥千粒質(zhì)量差異顯著；基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理平均增高4.03%，處理間的差異達(dá)顯著水平。

不施氮肥處理小麥產(chǎn)量最低，比農(nóng)民常規(guī)施肥平均下降46.14%。與農(nóng)民常規(guī)施肥相比較，氮肥施用量減少15%條件下機(jī)械深施基肥，2015—2016年度小麥產(chǎn)量增加0.80%，2016—2017年度小麥產(chǎn)量降低2.13%，處理間的差異均不顯著；2016—2017年度小麥產(chǎn)量比2015—2016年度小麥產(chǎn)量顯著降低，主要是因?yàn)?016—2017年度小麥千粒質(zhì)量顯著降低。

表1 基肥深施減氮條件下小麥產(chǎn)量及構(gòu)成

2.2 基肥深施減氮條件下小麥生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)

如圖1所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥生物產(chǎn)量分別下降2.85%和5.26%，不同年度處理間的差異均達(dá)顯著水平；不同年度間小麥生物產(chǎn)量差異顯著。小麥的經(jīng)濟(jì)系數(shù)以農(nóng)民常規(guī)施肥處理最低，不施氮肥處理最高；2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥經(jīng)濟(jì)系數(shù)分別提高3.43%和3.30%，2015—2016年度處理間差異均達(dá)顯著水平；不同年度間小麥經(jīng)濟(jì)系數(shù)差異不明顯。小麥籽粒產(chǎn)量是其生物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)系數(shù)的乘積。雖然，小麥生物產(chǎn)量基肥深施減氮處理顯著低于農(nóng)民常規(guī)施肥處理，但是其經(jīng)濟(jì)系數(shù)顯著增加，因此能保證其產(chǎn)量不減。

2.3 基肥深施減氮條件下小麥氮素累積量

如圖2所示，2015—2016年度氮肥減量處理小麥氮素累積量比農(nóng)民常規(guī)施肥處理提高7.11%，2016—2017年度氮肥減量處理小麥氮素累積量比農(nóng)民常規(guī)施肥處理降低0.58%，2015—2016年度處理間的差異達(dá)到顯著水平；年度間小麥氮素累積量差異顯著。

2.4 基肥深施減氮條件下小麥氮素效率及收獲指數(shù)

如圖3所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮素籽粒生產(chǎn)效率分別降低6.11%、3.30%，不同處理間差異未達(dá)顯著水平；小麥氮素籽粒生產(chǎn)效率年度間差異也不顯著。小麥氮素收獲指數(shù)方面，2015—2016和2016—2017年度氮肥減量處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理分別提高1.63%、0.61%，處理間的差異均未達(dá)顯著水平；年度間農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮素收獲指數(shù)差異顯著。小麥氮素收獲指數(shù)為小麥籽粒中所含氮素占地上部分氮素累積量的比例。氮肥減量處理提高了小麥氮素收獲指數(shù)，說明通過氮肥減量處理能夠促進(jìn)小麥植株氮素向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.5 基肥深施減氮對小麥氮素利用率的影響

如表2所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別提高19.78%和12.55%，處理間的差異均達(dá)顯著水平；年度間基肥深施減氮處理小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用率差異不顯著。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮肥吸收利用率分別提高28.82%和16.75%，處理間的差異均達(dá)顯著水平；小麥氮肥吸收利用率年度間差異也達(dá)顯著水平。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮肥生理利用率分別下降6.97%和3.64%，處理間的差異均達(dá)顯著水平；2016—2017年度小麥氮肥生理利用率顯著大于2015—2016年度。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理小麥氮肥偏生產(chǎn)力分別提高18.58%和15.11%，處理間的差異均達(dá)顯著水平；小麥氮肥偏生產(chǎn)力年度間差異顯著。綜上，通過基肥深施以及合理肥料運(yùn)籌，施用氮肥量減少15%能夠提高小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用率、吸收利用率以及氮肥的偏生產(chǎn)力。

表2 基肥深施減氮對小麥氮素利用率的影響

2.6 基肥深施減氮條件下土壤速效氮素養(yǎng)分

如表3所示，隨著小麥生長發(fā)育的進(jìn)展，基肥深施減氮和農(nóng)民常規(guī)施肥處理土壤速效氮素養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)曲線均表現(xiàn)出先增加再減少開口向下拋物線的二次函數(shù)關(guān)系，這可能與試驗(yàn)?zāi)甓塞溂镜蔬\(yùn)籌模式相關(guān)?；噬钍p氮處理比農(nóng)民常規(guī)施肥處理麥田土壤速效氮含量，在小麥拔節(jié)、抽穗和成熟期分別提高7.49%、10.07%和8.83%，處理間差異顯著。說明麥季通過機(jī)械深施基肥的同時(shí)減少氮肥使用量，在小麥生育中、后期仍然維持較高的麥田土壤速效氮素含量，保證小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。

表3 基肥深施減氮條件下麥田土壤速效氮素養(yǎng)分含量

3 討論與結(jié)論

氮素是小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要營養(yǎng)元素。但超量投入氮肥，不僅不會(huì)提高小麥產(chǎn)量，還會(huì)增加生產(chǎn)成本，降低氮肥吸收利用效率。影響麥季氮肥施用量的主要因素有小麥品種、土壤肥力、氣候條件、降水量、目標(biāo)產(chǎn)量等。此外，通過改進(jìn)施肥方式，可以實(shí)現(xiàn)小麥氮肥減量，提高肥料利用效率，確保小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。麥季不同耕作模式研究表明，輪耕處理有利于提高田間土壤的保水保肥能力，提高小麥的干物質(zhì)累積量和谷物產(chǎn)量，2年深松結(jié)合1年免耕處理增產(chǎn)效果尤為顯著。采用緩控釋氮肥替代普通尿素，在減少20%氮肥施用量時(shí)，能夠保證小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并提高麥季氮肥吸收利用效率和小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。增施有機(jī)肥能夠有效改善生育中后期土壤水分狀況，提高氮肥利用效率，增加地上部生物量的積累，使小麥產(chǎn)量提高9.1%。本研究表明，機(jī)械深施基肥條件下，將氮肥施用量減少15%，小麥產(chǎn)量和農(nóng)民常規(guī)施肥大致持平，使氮肥吸收利用率提高了22.8%。說明通過改進(jìn)農(nóng)藝管理措施，在實(shí)現(xiàn)麥季氮肥減量的同時(shí)，保證了小麥籽粒產(chǎn)量，提高了氮肥利用效率，本研究與前人的結(jié)果基本一致。主要是因?yàn)閷⑿←溁噬钍瑴p少麥季氮肥隨降雨產(chǎn)生地表徑流流失風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免肥料表施后形成氨揮發(fā)和氧化亞氮等氣態(tài)損失，從而提高了氮素肥料利用效率。

從小麥氮肥吸收利用率來看，四川盆地小麥氮肥減量試驗(yàn)2年的研究表明，與習(xí)慣施肥相比，減少50%氮肥施用量仍可維持小麥產(chǎn)量，并使小麥氮肥吸收利用率提高69.1%，氮肥偏生產(chǎn)力提高79.2%，但也導(dǎo)致土壤氮素虧缺，需注意土壤養(yǎng)分平衡問題。渭北旱塬有機(jī)無機(jī)肥配施，在降低27.1%氮肥投入量條件下，可以使小麥產(chǎn)量提高14.7%，其中150 kg/hm化學(xué)氮肥施用量配施有機(jī)肥處理小麥氮肥吸收利用率為最高，達(dá)到42%。本研究結(jié)果顯示，與農(nóng)民常規(guī)施肥比較，機(jī)械深施基肥條件下，將施氮量減少15%，小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別平均提高16.17%、22.79%和16.85%。本研究小麥氮肥吸收利用率明顯小于前人的研究結(jié)果，主要是因?yàn)楸狙芯康蕼p量的幅度明顯小于前人的研究，減少了氮肥被當(dāng)季小麥的吸收比例。

關(guān)于麥田養(yǎng)分管理對土壤肥力的影響，溫延臣等研究表明，通過商品有機(jī)肥部分替代化肥，減少化學(xué)氮肥的施用量，施用3年后，能確保小麥產(chǎn)量不減，并能夠培肥地力，使土壤全氮含量提高12.3%。本研究表明，與農(nóng)民常規(guī)施肥相比較，機(jī)械深施基肥，氮肥施用量減少15%，小麥產(chǎn)量不減，麥田土壤速效氮含量在小麥不同生育時(shí)期均得到顯著提高。說明通過改進(jìn)施肥方式，機(jī)械深施基肥，將氮肥施用量減少15%，可提高麥季氮肥吸收利用效率，保證小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時(shí)保持麥田土壤肥力不減，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效和可持續(xù)發(fā)展。氮肥減量50%的研究表明，經(jīng)過連續(xù)2季的試驗(yàn)，雖然能保證小麥產(chǎn)量不減，但是土壤氮素盈余為-30.2 kg/hm，土壤氮素出現(xiàn)了較大幅度虧缺。表明需要在確保土壤養(yǎng)分平衡條件下減施氮肥，以維持長期地力，減量幅度不宜過大。 而連續(xù)4季的研究表明，通過施用控釋氮肥減氮30%，較常規(guī)施用化肥處理對小麥產(chǎn)量和麥田土壤氮素養(yǎng)分狀況無顯著影響。說明本研究如果采用緩控釋氮肥替代普通化肥，并通過機(jī)械深施，可能會(huì)進(jìn)一步減少麥季氮肥施用量，具體減量幅度有待于進(jìn)一步研究。

在蘇北平原，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)種植小麥方式相比較，通過使用播種施肥一體化機(jī)械條播小麥的同時(shí)深施小麥基肥，并降低15%的化學(xué)氮肥投入量，能夠提高小麥的氮素吸收利用率，保證小麥生長發(fā)育的氮素養(yǎng)分供應(yīng)，獲得小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并維持地力不減。麥季采用播種施肥一體化機(jī)械作業(yè)可以減少麥田氮肥的投入量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)，具有推廣應(yīng)用前景。關(guān)于播種施肥一體化機(jī)械作業(yè)對小麥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的影響，有待于進(jìn)一步研究和評估。