解文艷，周懷平，楊振興，劉志平，杜艷玲，郭 晉，呂倩倩

(1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 太原 030031；2.山西大學生物工程學院，山西 太原 030006)

氮素是影響玉米生長發(fā)育的最重要因素之一，合理施用氮肥是提高玉米產(chǎn)量的重要技術措施[1-2]。研究表明，中國氮肥利用率為30%～35%，低于發(fā)達國家水平10%～15%，每年有約1 500萬t氮素(約占氮肥用量的60%)損失進入大氣和水體[3]。近年來北方地區(qū)為追求玉米高產(chǎn)而過量施肥的現(xiàn)象愈加嚴重，受春季農(nóng)村勞動力外出務工、人力缺乏等條件限制，許多地區(qū)農(nóng)戶施肥方式從基肥+追肥模式轉變?yōu)榈追室淮涡允┯谩未芜^量施用氮肥不僅會對玉米的產(chǎn)量和品質產(chǎn)生不良影響，還會嚴重影響生態(tài)環(huán)境，引發(fā)土壤酸化、地下水污染及大氣活性氮排放增加等環(huán)境問題[4-6]。

控釋氮肥具有延緩養(yǎng)分釋放速率，與作物養(yǎng)分吸收基本同步，有效減少氮肥損失、減輕環(huán)境污染、提高肥料利用率等優(yōu)點[7-11]。但全量施用控釋肥料成本太高[2]，且會造成作物前期供氮不足[12]，可能無法達到既增產(chǎn)又增收的效果[13],故出現(xiàn)了較多有關控釋氮肥與其他肥料混合施用的研究[2,14-15]。李偉等[16]研究表明，將控釋氮肥減量或將控釋與普通氮肥摻混配施有助于解決目前氮肥過量施用引發(fā)的問題，控釋氮肥與普通尿素摻混施用不僅能提高經(jīng)濟效益，肥效還更優(yōu)于控釋氮肥[17]。區(qū)域氣候環(huán)境、土壤特性、控釋肥料種類、農(nóng)業(yè)措施等因素均是導致最佳摻混配施比例不同的原因。因此，黃土高原東部春玉米生產(chǎn)不能簡單借鑒其他地區(qū)的控釋氮肥施肥指導。本研究通過3 a的田間定位試驗，探討控釋尿素與普通尿素不同配施比例對黃土高原東部地區(qū)春玉米產(chǎn)量、氮素利用和經(jīng)濟效益的影響，并建立控釋尿素配施比例與產(chǎn)量、氮肥表觀利用率和施肥收益之間的關系以確定最佳配施比例，為篩選適于在黃土高原東部推廣應用控釋摻混配方肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期定位試驗于2016—2018年在國家農(nóng)業(yè)環(huán)境壽陽觀測實驗站(113°06′E，37°58′N)進行。該實驗站海拔1 130 m，年均氣溫7.4℃，≥10℃積溫3 400℃，無霜期約130 d，年蒸發(fā)量1 600～1 800 mm，年日照時數(shù)2 858.3 h，年均降水量501.1 mm，70%左右的降水集中在6—9月，干燥度為1.3，屬暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)。試驗地塊基本平坦，土層深厚，地下水埋深在10 m以下。土壤為褐土性土，成土母質為馬蘭黃土，屬黃土旱塬地。種植制度為一年一作。試驗初始時0～20 cm土層土壤基本性質為：有機質25.63 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1，全鉀20.18 g·kg-1，堿解氮81.58 mg·kg-1，有效磷64.85 mg·kg-1，有效鉀172.27 mg·kg-1，緩效鉀371.08 mg·kg-1，pH為7.9。2016、2017和2018年試驗區(qū)年降水量分別為473.7、555.9 mm和502.1 mm。

1.2 試驗材料

供試肥料：氮肥采用普通尿素(含氮量46.0%，中國石油天然氣股份有限公司生產(chǎn))和硫包衣尿素(含氮量37.0%，漢楓緩釋肥料有限公司生產(chǎn))，磷肥采用過磷酸鈣(含P2O5量16%，云南祥豐化肥股份有限公司生產(chǎn))，鉀肥采用氯化鉀(含K2O量60%，浙江浙農(nóng)愛普貿(mào)易有限公司生產(chǎn))。

供試玉米品種為‘晉單81’，種植密度6.6萬株·hm-2。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗設置6個處理：不施氮肥(CK),普通尿素100%(CRU0%),控釋尿素25%和普通尿素75%配施(CRU25%),控釋尿素50%和普通尿素50%配施(CRU50%),控釋尿素75%和普通尿素25%配施(CRU75%),控釋尿素100%(CRU100%)。每個處理3次重復，小區(qū)面積55 m2(5 m×11 m)，隨機區(qū)組排列。除不施氮處理外，各處理氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥用量分別為240、90 kg·hm-2和90 kg·hm-2，均在整地后播種前一次性底施，玉米生長期間不施肥，無灌溉。玉米播種日期為每年4月下旬，收獲時間為每年10月上旬。各小區(qū)栽培管理措施一致，田間管理措施主要是除草和防治病蟲害。

施肥收益分析中， 2016—2018年玉米價格分別為1.4、1.6元·kg-1和1.4元·kg-1，普通尿素分別為1.35、1.55元·kg-1和1.95元·kg-1，控釋氮肥分別為2.4、2.5元·kg-1和2.6元·kg-1，過磷酸鈣分別為1.2、1.2元·kg-1和1.4元·kg-1，氯化鉀分別為3.0、3.1元·kg-1和3.2元·kg-1。本研究各處理投入包括耕作投入(播種、翻地、收獲等)、材料投入(農(nóng)藥、種子等)和肥料投入，各處理種植、管理等措施一致，所以除肥料投入不同外，其他投入一致。相比不施氮肥處理，各施氮處理的收益由增加的產(chǎn)值減去增加的肥料投入計算得出。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 11.5統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

參考巨曉棠[18-19]、王寅[20]等的方法計算以下參數(shù)：

氮肥農(nóng)學效率

NAUE(kg·kg-1)=(Y-YCK)/FN

氮肥偏生產(chǎn)力NPFP(kg·kg-1)=Y/FN

土壤氮素依存率NCRS(%)=YCK/Y

氮肥表觀利用率

NAUR(%)=(UN-UCK)/FN×100%

氮肥表觀殘留率

NARR(%)=(IN-INCK)/FN×100%

氮肥表觀損失率

NALR(%)=100%-NAUR-NARR

施肥收益

NFB(元·hm-2)=(Y-YCK)×PM-FN×PN

式中，Y表示施氮區(qū)產(chǎn)量(kg·hm-2)，YCK表示不施氮區(qū)產(chǎn)量(kg·hm-2)，F(xiàn)N表示施氮量(kg·hm-2)，UN表示施氮區(qū)作物吸氮量(kg·hm-2)，UCK表示不施氮區(qū)作物吸氮量(kg·hm-2)，IN表示施氮區(qū)土壤無機氮殘留量(kg·hm-2)，INCK表示不施氮區(qū)土壤無機氮殘留量(kg·hm-2)，PM表示玉米價格(元·kg-1)，PN表示氮肥價格(元·kg-1)。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理對春玉米產(chǎn)量的影響

由表1可知，控釋尿素與普通尿素配施處理較單施普通尿素處理增產(chǎn)效果顯著，而不同配施比例之間無明顯差異。與CRU0%處理相比，CRU75%的增產(chǎn)幅度最大，3 a平均增產(chǎn)達11.89%(1.27 t·hm-2)，CRU25%、CRU50%和CRU100%分別平均增產(chǎn)7.65%、9.31%和7.41%。可見，與單施普通尿素相比，控釋尿素與普通尿素的配合施用有助于春玉米獲得高產(chǎn)。施氮處理與不施氮對照相比，CRU75%、CRU50% 、CRU25%、CRU100%和CRU0%平均增產(chǎn)率分別為39.02%、35.81%、33.75%、33.45%和24.21%。

2.2 不同施氮處理對春玉米收獲期地上部干物質量和氮素吸收量的影響

如表1所示，春玉米收獲期地上部干物質量和氮素吸收量在不同處理間存在顯著差異。3 a平均數(shù)據(jù)顯示，CRU75%處理的干物質量最高，達23.58 t·hm-2，較不施氮肥(CK)處理提高31.53%(5.66 t·hm-2)，較CRU0%處理提高10.88%(2.31 t·hm-2)。各處理3 a平均地上部干物質量大小順序為CRU75%>CRU50% >CRU100%>CRU25%>CRU0%>CK。春玉米3 a連作中，收獲期氮素吸收量均以CK處理最低，施氮后氮素吸收量顯著提高，且隨控釋尿素配施比例的提高呈先升高后降低的趨勢。CRU75%處理的地上部吸氮量3 a平均為最高，高達267.07 kg·hm-2。3 a平均結果顯示，與CRU0%處理相比，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%地上部吸氮量平均提高了15.47%、11.66%、10.06%和5.85%。

2.3 不同施氮處理對氮素利用的影響

2.3.1 對氮肥利用的影響 由表2可知，3 a不同控釋尿素與普通尿素配施處理之間的氮素利用效率有明顯的差異。CRU75%的氮肥農(nóng)學利用效率最高，與CRU0%處理相比，3 a平均提高了5.32 kg·kg-1，CRU25%、CRU50%和CRU100%的氮肥農(nóng)學利用效率3 a平均提高了3.43、4.17 kg·kg-1和3.32 kg·kg-1。CRU0%處理3 a春玉米的氮肥偏生產(chǎn)力平均為44.61 kg·kg-1?？蒯屇蛩嘏c普通尿素配施各處理氮肥偏生產(chǎn)力均有所提高，且整體上隨配施比例的增加呈先升高后降低的趨勢。氮肥偏生產(chǎn)力在控釋尿素配施比例為75%時最高，平均為49.93 kg·kg-1。土壤氮素依存率與氮肥農(nóng)學效率和氮肥偏生產(chǎn)力變化規(guī)律相反，整體上隨控釋尿素配施比例的增加呈先下降后升高的趨勢，平均土壤氮素依存率從CRU0%處理的80.74%顯著降至CRU75%處理的71.97%，后升至CRU100%處理的75.06%。2018年各處理的氮肥農(nóng)學效率和氮肥偏生產(chǎn)力均最高，土壤氮素依存率最低。

2.3.2 對春玉米連作周期內(nèi)土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡的影響 由三季春玉米連作的土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡狀況可以看出(表3)：(1)氮素輸入項中，施用氮肥帶入氮素為主要方式，占施氮處理氮素總輸入量的61.6%，氮素礦化量和播前土壤無機氮量分別占氮素總輸入量的24.6%和13.8%；(2)氮素輸出方式以作物吸收帶走氮素為主，平均占氮素總輸出量的64.5%(59.4%～68.6%)；(3)氮素盈余項中，各處理土壤無機氮殘留量和表觀損失在3 a里均存在差異，其中，CRU75%處理由于大部分氮素被作物吸收利用，其無機氮殘留量和氮素表觀損失最低，最終氮素表觀盈余最少。三季春玉米連作后，各處理的土壤無機氮殘留量大小順序依次為CRU0%> CRU100%> CRU25%> CRU50%> CRU75%，氮素表觀損失量大小順序依次為CRU0%> CRU25%> CRU100%> CRU50%> CRU75%。3 a平均來看，與CRU0%處理相比，CRU25%、CRU100%、CRU50%和CRU75%處理的氮素表觀盈余分別下降40.6 kg·hm-2(8.6%)、69.8 kg·hm-2(14.7%)、80.8 kg·hm-2(17.0%)和107.3 kg·hm-2(22.6%)。

表1 不同處理春玉米產(chǎn)量、地上部干物質量和氮素吸收量

表2 不同處理的氮肥利用指標

表3 不同處理對春玉米連作周期內(nèi)土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡的影響/(kg·hm-2)

2.3.3 對春玉米連作周期內(nèi)氮肥表觀利用、殘留和損失的影響 2016—2018年春玉米連作體系中氮肥的表觀利用率、殘留率及損失率(表4)顯示，控釋尿素與普通尿素配施顯著提高了春玉米的氮肥表觀利用率，降低氮肥表觀殘留率和氮肥表觀損失率。3 a連作體系中，CRU75%處理的平均氮肥表觀利用率高達37.6%，CRU50%、CRU100%、CRU25%和CRU0%處理的平均氮肥表觀利用率分別為33.9%、32.4%、28.3%和22.7%。與CRU0%處理相比，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%處理平均氮肥表觀利用率分別提高了65.64%、49.34%、42.73%和24.67%。3 a平均來看，與CRU0%處理相比，CRU75%、CRU100%、CRU50%和CRU25%處理的氮肥表觀殘留率分別降低了20.58%、14.35%、13.37%和9.32%，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%處理的氮肥表觀損失率分別降低了18.18%、15.74%、10.98%和5.54% 。

2.4 不同施氮處理對春玉米經(jīng)濟效益的影響

圖1表明，3 a試驗CK處理春玉米產(chǎn)值平均為12 650元·hm-2；施氮后顯著提高，從CRU0%處理的15 681元·hm-2增加至CRU75%處理的17 575元·hm-2，而后有所降低?？蒯屇蛩嘏c普通尿素配施處理的氮肥施肥收益明顯高于普通尿素處理，3 a平均提高了957～1 735元·hm-2，3 a平均增收率為36.2%～65.6%。CRU75%處理的施氮肥收益顯著高于其他處理。

2.5 春玉米控釋尿素的適宜配施比例

對不同年份的控釋尿素配施比例與春玉米產(chǎn)量、氮肥表觀利用率和施肥收益之間的關系進行擬合表明(表5)，每年3項指標與控釋尿素配施比例均呈顯著的一元二次關系。根據(jù)一元二次模型方程，以產(chǎn)量為指標時各試驗春玉米的控釋尿素最佳配施比例分布在63.4%～65.3%之間，以氮肥表觀利用率為指標時分布在64.3%～78.0%之間，以施肥收益為指標時分布在60.6%～63.1%之間。

以x為控釋尿素配比比例，與玉米產(chǎn)量的方程模型為y=-2863x2+3682x+10719(R2=0.958)，與氮肥表觀利用率的方程模型為y=-26.99x2+38.46x+21.85(R2=0.937)，與施肥收益的方程模型為y=-4225x2+5225x+2655(R2=0.948)。由上述方程模型推算得出，控釋尿素配施比例為64.3%、71.2%、61.8%時玉米產(chǎn)量最高、氮肥利用率最佳、施肥收益最好。綜合各因素確定黃土高原東部春玉米生產(chǎn)的控釋尿素適宜配比為60%～75%。

3 討 論

控釋氮肥與普通尿素的配合施用效果受作物的養(yǎng)分需求特性、氣候狀況、土壤條件及種植模式等多方面因素影響[12]。眾多影響因素中以氣候因素的影響最為強烈，主要原因是溫度和水分顯著影響控釋氮肥的養(yǎng)分釋放特征及其在土壤中的轉化運移過程，適宜摻混比例可以調(diào)控養(yǎng)分供應，從而實現(xiàn)與作物吸收在時間和空間上的同步[12,21]。本研究區(qū)域2016、2017年和2018年春玉米生育期內(nèi)降水量分別為327.39、367.68 mm和446.97 mm，分別為偏旱年、平水年和豐水年。3 a田間試驗發(fā)現(xiàn)，硫包衣尿素與普通尿素配施各處理與普通尿素處理相比增產(chǎn)效果顯著，2016、2017年和2018年增產(chǎn)幅度分別為9.04%～13.19%、7.34%～15.59%和5.79%～7.79%。本研究的前期結果表明，在黃土高原東部春玉米主產(chǎn)區(qū)，不同控釋氮肥處理能夠明顯提高春玉米產(chǎn)量，其中硫包衣尿素效果最好[22]。本研究試驗田塊土壤養(yǎng)分狀況、種植和管理措施一致，因此，硫包衣尿素的肥效受本區(qū)域氣候條件的變化影響較小，適宜在本區(qū)域推廣應用。

表4 不同處理對春玉米連作周期內(nèi)氮肥表觀利用、殘留和損失的影響/%

圖1 不同處理對春玉米產(chǎn)值和施肥收益的影響Fig.1 Effect of different treatments on output and fertilization profit of spring maize

表5 控釋尿素最佳配施比例與玉米產(chǎn)量、氮肥表觀利用率偏生產(chǎn)力和施肥利潤的關系

氮肥合理運籌的最終目的是減少施肥量、降低勞動力投入、保證作物高產(chǎn)、減輕氮素殘留，達到經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一[21]。本研究中，全部施用普通尿素，一方面易造成玉米生長的前期可供應氮量高于玉米實際需求量，導致肥料氮素的浪費和增加環(huán)境污染風險(表3和表4)，另一方面會使玉米生長后期氮素養(yǎng)分供應不足，造成植株脫肥，影響產(chǎn)量的提高。全部施用控釋氮肥，一方面會導致成本增加而經(jīng)濟收益降低，大多數(shù)農(nóng)戶難以接受；另一方面玉米生育前期養(yǎng)分釋放緩慢，在氮素需求量大的時期，不能滿足植株養(yǎng)分需求，即使后期氮肥供應充足，仍會影響產(chǎn)量(表1)；另外控釋氮肥的養(yǎng)分釋放受氣候因素特別是水分和溫度的影響較大，田間生產(chǎn)中氣候具有不確定性，100%施用控釋氮肥可能會對玉米產(chǎn)量或環(huán)境造成不利影響。因此，采用控釋尿素與普通尿素合理配合施用是經(jīng)濟可行的一次性施肥技術。

王寅等[12]研究結果表明，東北地區(qū)春玉米施N量為185 kg·hm-2時，控釋氮肥與尿素摻混施用相比普通尿素一次性全施可增加植株氮素吸收，顯著提高春玉米產(chǎn)量；且控釋氮肥摻混比例在30%時產(chǎn)量最高，較普通尿素一次性基施增產(chǎn)9.0%。李偉等[16-17]研究表明，在等氮(N180 kg·hm-2)條件下，控釋摻混處理夏玉米產(chǎn)量以控氮比50%處理最高，比常規(guī)施肥處理增產(chǎn)9.43%。本研究結果表明，黃土高原東部春玉米施N量為240 kg·hm-2條件下，隨著控釋尿素比例的增加，春玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中，控釋尿素配施比例在75%時產(chǎn)量最高，較普通尿素一次性基施增產(chǎn)11.89%。本研究結果與馮小杰等[23]在遼中南地區(qū)的研究結果一致(施氮量為240 kg·hm-2和220 kg·hm-2)。

氮肥利用率、農(nóng)學效率和偏生產(chǎn)力是表征氮肥利用效率的重要指標[24]。王寅等[12]研究表明，控釋氮肥與尿素摻混施用有利于維持較高的土壤氮素水平，減少氮素損失，從而提高氮肥利用率。施用控釋尿素顯著提高水稻、玉米、小麥等作物的氮肥利用率和氮肥農(nóng)學效率[16,25-26]。本研究結果表明，控釋尿素與普通尿素配施處理的氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均顯著高于普通尿素處理，且隨配施比例的增加，三者均呈先升高后降低趨勢。當控釋尿素與普通尿素配施比例為75∶25施用時，氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率最高，分別為14.01 kg·kg-1、49.93 kg·kg-1和37.57%。于飛等[24]研究表明，當前我國玉米氮肥用量180～240 kg·hm-2時，氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率分別為10.3 kg·kg-1、45.5 kg·kg-1和31.0%。本研究結果表明氮肥利用率的3項指標均高于目前中國氮肥利用率的平均水平。

合理施氮除了要考慮產(chǎn)量和經(jīng)濟效益等指標外，同時還應將施肥后植物—土壤系統(tǒng)的氮素平衡狀況和氮素去向考慮在內(nèi)[12]。戴明宏等[27]對春玉米的研究表明，習慣施肥處理(普通尿素240 kg·hm-2分次施用)的氮肥表觀損失率為 42.6%。王寅等[12]研究表明，兩季連作春玉米表觀殘留率在控釋氮肥摻混施用后均顯著提高，而表觀損失率從普通尿素一次性全施處理的37.3%顯著下降至摻混比例為45%時的6%。本研究結果表明，三季連作春玉米在普通尿素一次性全施處理的氮肥表觀損失率和殘留率分別為40.0%和37.4%，控釋尿素與普通尿素混施顯著降低了氮肥表觀損失率和表觀殘留率。其中，摻混比例為75%的處理降低效果更明顯，較普通尿素處理分別下降18.18%和20.58%。

土壤無機氮殘留量過高是導致氮素損失的重要原因，因此其被要求控制在一定范圍內(nèi)以兼顧作物吸收與環(huán)境友好。鐘茜等[28]研究表明，中國華北冬小麥-夏玉米輪作區(qū)土壤無機氮的殘留量不宜超過150 kg·hm-2，而歐盟國家一般要求0～90 cm土層硝態(tài)氮殘留應低于90 kg·hm-2。本研究中，相比普通尿素一次性全施處理，控釋尿素與普通尿素混施處理可以降低土壤中的無機氮殘留量?？蒯屇蛩嘏c普通尿素混施處理3個生長季的土壤無機氮殘留量分布在119.8～130.8 kg·hm-2之間，總體上處于較適宜水平。摻混比例為75%時的土壤無機氮殘留量最低，三季連作春玉米后為119.8 kg·hm-2。因此，從土壤-植物系統(tǒng)氮素平衡的觀點看，控釋尿素與普通尿素摻混施用技術通過減少氮素表觀損失，降低土壤氮素盈余，從而增加植株氮素吸收，提高了氮肥利用率。

本研究3 a田間定點試驗研究顯示，黃土高原東部春玉米施N量為240 kg·hm-2時，隨著控釋尿素比例的增加，春玉米產(chǎn)量、氮素表觀利用率和施肥收益均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，春玉米產(chǎn)量、氮素利用率和施肥收益最佳的配施比例分別為64.3%、71.2%和61.8%。因此，從產(chǎn)量、氮素效率和施肥收益等方面綜合考慮，黃土高原東部春玉米主產(chǎn)區(qū)控釋尿素的最佳配施比例為60.0%～75.0%。各個學者關于控釋尿素與普通尿素摻混施用研究結果差異較大，根本原因是地域差異，因為不同的區(qū)域環(huán)境氣候、土壤類型及養(yǎng)分含量不同，同時還受控釋氮肥種類等的影響。因而開展地域性研究，篩選出適宜本區(qū)域的最佳控釋尿素及其配施比例對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結 論

科學的控釋尿素與普通尿素配合施用能夠提高春玉米產(chǎn)量，促進植株氮素吸收，提高肥料利用效率，同時減少氮素表觀損失，降低土壤氮素盈余，增加經(jīng)濟效益，因而可作為推薦的一次性施肥技術。從玉米產(chǎn)量、氮素利用和施肥收益等方面綜合考慮，當前生產(chǎn)條件下，黃土高原東部春玉米主產(chǎn)區(qū)控釋尿素的最佳配施比例為60.0%～75.0%。