何 杰，張敬昇，王昌全，附文軍，李新悅，古 珺，梁靖越，李 冰，尹 斌( 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，四川 成都630; 中國科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京0008)

冬小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，施氮是提高小麥產(chǎn)量和改善小麥品質(zhì)的有效措施[1]。目前，農(nóng)民常采用多次追施尿素或過量施氮來實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)的目的[2-4]，這不僅會增大勞動投入，還會造成大量氮素流失，引起環(huán)境惡化[5-6]?？蒯尩示哂醒娱L氮素釋放周期，匹配作物需氮規(guī)律的特點(diǎn)，能有效提高作物產(chǎn)量[7-8]，但控釋肥料價(jià)格較高，不利于其推廣[9]。同時(shí)有研究表明，單施控釋氮肥可能會引起作物前期供氮不足，后期貪青晚熟，抑制作物高產(chǎn)[10-11]。故將控釋氮肥摻混尿素進(jìn)行一次性基施，尿素有利于前期供氮，促進(jìn)作物的生長，控釋氮肥有利于后期氮素補(bǔ)充，保證小麥的攻穗結(jié)實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)提高氮肥利用率和經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前有關(guān)控釋氮肥增產(chǎn)和提高氮素利用率的研究較多[4,12-13]，且針對恰當(dāng)配施比例的研究逐漸成為熱點(diǎn)。因此，本試驗(yàn)以單施尿素為對照，采用尿素配施不同比例控釋氮肥，在成都平原進(jìn)行2個(gè)年度冬小麥大田試驗(yàn)，探討不同配比施肥對冬小麥氮素積累、分配、利用率和產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的影響并分析其原因，以期為成都平原冬小麥生產(chǎn)尋找適宜的控釋氮肥配施比例。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)分別于2014年11月至2015年5月和2015年11月至2016年5月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)崇州市榿泉鎮(zhèn)試驗(yàn)基地進(jìn)行。該區(qū)域年均氣溫15.9 ℃，年均日照時(shí)數(shù)1 161.5 h，年均降雨量1 012.4 mm，年均無霜期285 d。供試土壤類型為水稻土，土壤含有機(jī)質(zhì)29.57 g/kg、全氮1.44 g/kg、堿解氮60.76 mg/kg、速效磷13.82 mg/kg、速效鉀110.60 mg/kg，pH值6.43。

1.2 供試材料

聚合物包膜控釋氮肥(N 41.4%)，氮素釋放周期為90 d，中國科學(xué)院南京土壤研究所研制；尿素(N 46.4%)，四川美豐化工有限公司生產(chǎn)；過磷酸鈣(P2O512%)，湖北祥云化工股份有限公司生產(chǎn)；氯化鉀(K2O 60%)，湖北宜昌涌金工貿(mào)有限公司生產(chǎn)。供試小麥品種為內(nèi)麥836，由四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理:CK(不施氮肥)；T1(100%普通尿素)；T2(控釋氮肥10%+普通尿素90%)；T3(控釋氮肥20%+普通尿素80%)；T4(控釋氮肥40%+普通尿素60%)；T5(控釋氮肥80%+普通尿素20%)；T6(控釋氮肥100%)。除CK不施氮處理外，各處理氮、磷、鉀用量一致，施氮量150 kg/hm2，施磷量90 kg/hm2，施鉀量90 kg/hm2；氮、磷、鉀肥均作為基肥一次性基施。2個(gè)年度試驗(yàn)均在同一地塊進(jìn)行，后茬作物為水稻(F優(yōu)498)。試驗(yàn)小區(qū)面積30 m2(5 m×6 m)。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)排列。小區(qū)田埂設(shè)農(nóng)膜，四周設(shè)保護(hù)行，避免水肥相互滲透，田間管理以當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。

1.4 樣品采集及測定

施肥前采集試驗(yàn)地0～20 cm土層土樣，分析其理化性質(zhì)[14]。分別于冬小麥分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期，在每個(gè)小區(qū)用多點(diǎn)混合采樣法采集0～20 cm土層土樣，同時(shí)各取代表性植株樣品30株，其中抽穗期用直尺量取旗葉及倒二葉長和寬，計(jì)算葉面積。地上部由分蘗期至抽穗期均為秸稈，成熟期分為秸稈與籽粒兩部分。各植株采集后先在105 ℃殺青30 min，然后在70 ℃烘干至恒質(zhì)量。產(chǎn)量按小區(qū)單打單收，統(tǒng)計(jì)各產(chǎn)量構(gòu)成因子。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮、全氮分別采用靛酚藍(lán)比色法、紫外雙波段法、擴(kuò)散法、凱氏定氮法測定[14]，微生物量氮含量采用熏蒸法測定[15]。植株全氮含量采用濃H2SO4-H2O2-凱氏定氮法測定。

1.5 計(jì)算方法

純收益=產(chǎn)值-投入；純收益新增率=(處理區(qū)純收益-對照區(qū)純收益)/對照區(qū)純收益×100%[16];邊際成本效率=(處理區(qū)產(chǎn)值-對照區(qū)產(chǎn)值)/(處理區(qū)成本-對照區(qū)成本)[16];旗葉面積=旗葉長×旗葉寬×0.83[17-18];倒二葉面積=倒二葉長×倒二葉寬×0.83[17-18];頂二葉面積=旗葉面積+倒二葉面積;氮積累量(kg/hm2)=干物質(zhì)量×氮含量/100；氮肥偏生產(chǎn)力 (NPP,kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量;氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE,kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量;氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)=植株地上部氮素累積量/施氮量;氮肥表觀利用率(NAUE,%)=(施氮區(qū)植株吸氮量-不施氮區(qū)植株吸氮量)/施氮量×100%;氮收獲指數(shù)(NHI,%)=籽粒中氮含量/植株氮素累積量×100%;土壤氮依存率(CRSN,%)=不施氮區(qū)植株吸氮量/施氮區(qū)植株吸氮量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋氮肥對冬小麥產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的影響

2.1.1 產(chǎn)量構(gòu)成 由表1可以看出，施氮可顯著提高小麥穗長和穗粒數(shù)。穗長以T4處理最大，與T1處理差異顯著，2014和2015年分別較T1處理增加1.28和1.33 cm。穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量在各施氮處理間無顯著差異。

小麥旗葉面積以T4處理最大，與T1處理差異顯著；除T2處理外，倒二葉面積隨控釋氮肥施用比例的增大呈先增大后減小的趨勢，在T4處理達(dá)到峰值；添加20%及以上控釋氮肥的處理小麥頂二葉面積較T1處理顯著提高，兩年分別提高1.38～2.19 cm2(2014年)和4～9.24 cm2(2015年)，且均以T4處理最大。

表1 包膜控釋氮肥配施尿素對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成及葉面積的影響Table 1 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on wheat yield components and leaf area

2.1.2 產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益 由表2可以看出，施氮處理均可顯著提高小麥產(chǎn)量。除T2處理外，隨控釋氮肥施用比例的提高，小麥產(chǎn)量先增高后降低，且兩年產(chǎn)量均以T4處理最大，較單施尿素的T1處理增產(chǎn)697.06 kg/hm2(2014年)和521.02 kg/hm2(2015年)，較單施控釋氮肥的T6處理增產(chǎn)383.86 kg/hm2(2014年)和400.43 kg/hm2(2015年)。經(jīng)濟(jì)效益方面，投入隨控釋氮肥施用比例的升高而增大。小麥兩年的純收益新增率均以T4處理最大，T3處理次之，較其余處理均具有明顯經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。兩年的邊際成本效率顯示，T3、T4處理經(jīng)濟(jì)效益顯著，分級結(jié)果高于其余處理。由純收益水平結(jié)合純收益新增率與邊際成本效率可知，T3與T4處理的純收益水平優(yōu)勢明顯，較單施尿素的T1處理提高了16.73%～23.24%(2014年)和4.05%～14.31%(2015年)。

注:效益分析時(shí)，肥料及小麥價(jià)格為尿素2.25元/kg，控釋氮肥3.5元/kg，磷肥1.0元/kg，鉀肥3.5元/kg，小麥1.9元/kg。凈利潤分級采用純收益新增率和邊際成本效率來表征，分級方法參考袁從等[16]的方法，純收益新增率1～5級分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，邊際成本效率1～5級分別記為①、②、③、④、⑤。同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Efficiency analysis,the price of fertilizer and wheat are Urea 2.25 Yuan/kg,controlled nitrogen fertilizer 3.5 Yuan/kg,phosphate fertilizer 1.0 Yuan/kg,potassium fertilizer 3.75 Yuan/kg,and Wheat 1.9 Yuan/kg.The net income could be showed quantitatively by the newly-increased net income rate and rate of remuneration of marginal cost.The classification is based on Yuan et al.[16].The newly-increased net income rate has five degrees,marked as Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,and Ⅴ;and the rate of remuneration of marginal cost has five degrees,marked as ①,②,③,④,and ⑤.Values followed by different letters are significantly different among treatments at 5% level.

2.2 控釋氮肥對冬小麥氮素積累與利用率的影響

2.2.1 地上部氮素的累積與分配 由圖1可以看出，小麥地上部氮素累積量在抽穗期前緩慢上升，抽穗期到成熟期積累迅速。除2015年小麥分蘗期的T6處理外，施氮處理均可顯著增加小麥各生育期地上部氮素累積量。分蘗期，單施尿素的T1處理對小麥氮素積累效果影響最優(yōu)，與其余施氮處理差異顯著。隨生育期的推移，配施控釋氮肥處理的小麥地上部氮素累積量隨控釋肥施用比例的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且均以T4處理最優(yōu)。成熟期，T4處理小麥地上部氮素累積量較單施尿素的T1處理顯著增加16.79%(2014年)和24.44%(2015年)，較單施控釋氮肥的T6處理顯著增加5.14%(2014年)和15.56%(2015年)。

小麥成熟期籽粒氮素累積量明顯高于秸稈，籽粒占60%～70%，且各施氮處理均可明顯提高籽粒氮素累積量與分配比例，其中T4處理的籽粒氮素累積量最多，比其余施氮處理增加了4.09%～21.78%(2014年)和5.97%～25.56%(2015年)。

2.2.2 氮素的利用率 從表3可以看出，配施控釋氮肥的處理均能有效提高小麥氮素利用率；除T2處理外，隨著控釋氮肥施用比例的上升，小麥氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮素吸收效率、氮肥表觀利用率均先升高后降低，在T4處理出現(xiàn)峰值；相較單施尿素的T1處理，配施控釋氮肥的處理以上指標(biāo)在2014年增長了-4.65%～14.21%，-8.91%～27.26%，-5.00%～17.50%和-6.88%～29.89%，在2015年增長了-4.76%～9.97%，-8.91%～20.08%，0～23.26%和0.09%～48.77%。兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，小麥氮收獲指數(shù)差異較小，2014年以T1處理較高，2015年則是T4處理最大。施用控釋氮肥處理間，土壤氮依存率隨控釋氮肥施用比例的上升呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，在T4處理出現(xiàn)最小值，較其余施氮處理降低4.72%～17.69%(2014年)和4.68%～19.64%(2015年)。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different small letters above column indicate significant difference among treatments (P<0.05)圖1 包膜控釋氮肥配施尿素對冬小麥氮素累積量的影響Fig.1 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on nitrogen accumulation in wheat

表3 包膜控釋氮肥配施尿素對冬小麥氮素利用率的影響Table 3 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined withurea on nitrogen use efficiency of wheat

2.3 控釋氮肥對土壤氮素養(yǎng)分變化的影響

由表4可知，施氮能有效提高小麥?zhǔn)斋@后土壤氮素養(yǎng)分。配施20%及以上控釋氮肥的處理土壤銨態(tài)氮含量較CK處理顯著增加，以單施控釋氮肥的T6處理較優(yōu)，但其與T3、T4、T5處理間無顯著差異。土壤硝態(tài)氮含量隨控釋氮肥施用比例的升高而增大，單施控釋氮肥的T6處理較T1處理提高33.33 mg/kg(2014年)和22.47 mg/kg(2015年)。小麥?zhǔn)斋@后土壤微生物量氮、堿解氮和全氮隨控釋氮肥施用比例的增加而總體升高，且以施用40%及以上控釋氮肥的處理影響效果較優(yōu)，與單施尿素的T1處理差異顯著，其中微生物量氮兩年分別提高50.65%～62.85%(2014年)和54.23%～61.58%(2015年)，堿解氮提高16.84%～23.01%(2014年)和18.28%～22.55%(2015年)、全氮提高5.10%～5.73%(2014年)和3.85%～4.49%(2015年)。

表4 包膜控釋氮肥配施尿素對冬小麥土壤氮素養(yǎng)分變化的影響Table 4 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on content of soil nitrogen after wheat harvest

3 討 論

控釋氮肥與尿素的合理配施能促進(jìn)作物增產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益[19]。大量研究表明，施用控釋氮肥或采用控釋氮肥配施尿素能有效提高作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子[20-21]，這與本研究結(jié)果類似。采用40%控釋氮肥與60%尿素配施可有效提高小麥產(chǎn)量，較單施尿素的T1和單施控釋氮肥的T6處理兩年平均增產(chǎn)609.04 和392.15 kg/hm2，且施氮處理不同程度改善了作物產(chǎn)量構(gòu)成因子，以T4處理綜合效果較佳，其原因可能是恰當(dāng)?shù)呐浔仁┓蕛?yōu)化了小麥生育期內(nèi)土壤氮素供應(yīng)特征[22]，匹配小麥需氮規(guī)律，進(jìn)而保證了小麥的良好生長發(fā)育，促進(jìn)小麥增產(chǎn)。研究表明，增大旗葉面積能有效提高小麥產(chǎn)量[23]，倒二葉與頂二葉葉面積與小麥籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[24]。本試驗(yàn)中，T4處理小麥旗葉、倒二葉及頂二葉面積均最大，表明該處理的小麥生長較優(yōu)，具有較強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)運(yùn)潛力?？蒯尩食杀据^高[25]，降低了凈利潤，限制了配施80%～100%控釋氮肥處理的推廣應(yīng)用。新增純收益率和邊際成本效益作為經(jīng)濟(jì)上有力的定量指標(biāo)能有效指示作物經(jīng)濟(jì)效益[16]。本研究中，這兩項(xiàng)指標(biāo)均在配施20%～40%控釋氮肥處理上表現(xiàn)出優(yōu)勢，凈利潤較單施尿素的T1處理提高797.77～1 108.12元/hm2(2014年)和218.88～773.64元/hm2(2015年)。

小麥對氮素的吸收、累積、分配與小麥產(chǎn)量和氮素利用率有密切關(guān)系[26]。氮素累積是作物生長的前提保證[27]，冬小麥前期生長緩慢，地上部氮素累積量較少，且受低溫的影響，控釋氮肥氮素釋放緩慢[28]。本研究中，分蘗期小麥地上部氮素累積量隨控釋氮肥施用比例的升高而逐漸下降；拔節(jié)期后小麥生長迅速，氮素累積量增大，T4處理小麥地上部氮素累積量優(yōu)于其余處理；成熟期T4處理氮素累積較T1處理和T6處理顯著提高。其可能原因是T4處理通過前期的尿素供氮保證了小麥的健康生長，中后期控釋氮肥持續(xù)供氮，使小麥整個(gè)生育期氮素供應(yīng)充足且持續(xù)[29]，從而保證小麥生長狀況良好，促進(jìn)了中后期植株氮素累積。小麥成熟期氮素累積量表現(xiàn)為籽粒明顯高于秸稈，且施氮可有效提高小麥氮素利用率，這與前人的研究結(jié)果一致[30]。本試驗(yàn)中，T4處理籽粒氮素累積量最多，較其余施氮處理增加4.09%～25.56%，有利于小麥的攻穗結(jié)實(shí)，促進(jìn)小麥增產(chǎn)。多項(xiàng)研究表明，施加控釋氮肥對氮素利用率有積極影響[2,12,31]，將尿素與控釋氮肥合理配施，能有效調(diào)節(jié)作物生育期內(nèi)的供氮狀況，匹配作物的需氮規(guī)律，進(jìn)一步提高氮素利用率[23,32]。本試驗(yàn)中，施加20%及以上控釋氮肥的處理較單施尿素的T1處理能有效提高氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮素吸收效率、氮肥表觀利用率，降低土壤氮依存率，其中以T4處理影響最優(yōu)，T3處理次之。這可能是由于配施控釋氮肥比例低于20%的處理中，尿素所占比例較高，前期大量的氮素供應(yīng)不僅可能造成小麥無效分蘗增多，還可能導(dǎo)致后期供氮不足，作物生長不良；而配施控釋氮肥比例高于40%處理中，控釋氮肥施用量過高，前期供氮量低，后期可能出現(xiàn)貪青晚熟現(xiàn)象[11]，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。同時(shí)，也有少量學(xué)者針對小麥控釋氮肥與尿素配施的最佳比例進(jìn)行了研究，李偉等[32]提出配施50%控釋氮肥為小麥最佳配比，王弘菲等[22]研究認(rèn)為控釋氮肥與尿素按質(zhì)量比2∶1配施效果較佳。各研究結(jié)果的差異可能與控釋氮肥類別、施氮量、土壤狀況、水熱條件等因素有關(guān)，故實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)緊密結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行合理配施。

前人對多種作物的相關(guān)研究表明，施加控釋氮肥較常規(guī)處理能有效提高作物生育中后期土壤的氮素含量，且隨著控釋氮肥配施比例的增加作用效果更明顯[33-35]，這與本研究結(jié)果基本一致。本試驗(yàn)中，配施20%以上控釋氮肥的處理較單施尿素處理能有效增加小麥?zhǔn)斋@后的氮素養(yǎng)分，其中硝態(tài)氮、微生物量氮、堿解氮和全氮含量在兩季小麥?zhǔn)斋@后均增長顯著，平均提高12.10～27.90 mg/kg、11.09～12.86 mg/kg、18.86～24.45 mg/kg和0.07～0.08 g/kg，可為下季作物提供潛在氮素補(bǔ)充。然而配施80%及以上控釋氮肥處理的小麥產(chǎn)量及氮素利用率明顯低于T4處理，這表明控釋氮肥配施比例為80%～100%的處理氮素供應(yīng)特征與小麥全生育期需氮規(guī)律不匹配，致使氮素向小麥穗部的積累轉(zhuǎn)運(yùn)量較少，氮素利用率相對較低，且收獲期殘留氮素相對較高，氮肥的整體利用率低下，可能增加養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

2014和2015年的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，控釋氮肥與尿素合理配施能有效提高小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和氮素利用率。本試驗(yàn)條件下，尿素配施20%～40%控釋氮肥處理能通過合理調(diào)節(jié)氮素釋放速率，促進(jìn)小麥關(guān)鍵生育時(shí)期旗葉發(fā)育與氮素積累，提高氮素向籽粒部分的轉(zhuǎn)運(yùn)分配，小麥產(chǎn)量和氮素利用率綜合效果較佳，同時(shí)能有效提高經(jīng)濟(jì)效益，故在成都平原冬小麥生產(chǎn)上推薦控釋氮肥配施比例為20%～40%。

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