肖 強,劉東生,劉建斌,武鳳霞,衣文平

(1.北京市農林科學院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,北京 100097;2.北京市緩控釋肥料工程技術研究中心,北京 100097)

華北小麥-玉米輪作區(qū)是我國重要的糧食主產區(qū)之一,該區(qū)小麥產量占全國小麥總產量的40%以上,玉米產量占全國玉米產量的20%以上,在糧食生產中的地位舉足輕重[1]。然而,目前該區(qū)氮肥過量施用相當嚴重。研究表明,華北地區(qū)冬小麥農田化肥氮平均用量已達281 kg/(hm2·a),夏玉米農田化肥氮平均用量已達276 kg/(hm2·a)[2],冬小麥-夏玉米輪作農田化肥氮平均用量已高達545 kg/(hm2·a),遠遠超過目前全國氮肥平均用量378 kg/(hm2·a)[3]。然而,過量施氮并不能增加冬小麥、夏玉米的產量和吸氮量[4-5],反而會降低氮肥利用率,造成土壤氮素盈余[3,6],甚至引起一系列嚴重的環(huán)境污染問題[5,7-13]。因此,在保證作物產量的同時優(yōu)化施氮量并提高氮肥利用率,是實現華北地區(qū)作物高效生產的重要保證。

控釋尿素具有養(yǎng)分釋放與作物吸收同步的優(yōu)點,被認為是增加作物產量[14-18]、提高氮肥利用率[19-22]和減少土壤耕層氮素向深層淋溶[22-23]的有效途徑,也是實現輕簡化施肥的重要技術產品[24]。然而,控釋尿素的高成本制約了其在大田作物上的推廣應用[25-26]。因此,研究既能發(fā)揮控釋尿素的優(yōu)勢又能節(jié)省生產成本的施氮技術對控釋尿素的推廣應用和作物生產的增產增效具有重要的意義。近年來,對此方面開展了一定研究工作,總體認為,全量基施控釋肥料不僅成本高且難以穩(wěn)定地增產[26-27]。因此,對上述問題的研究目前仍集中于控釋肥料配施普通肥料的比例以及不同比例配施后的施用量研究。分析國內外的文獻發(fā)現,對于配施量的研究,基本集中在減氮0～30%,大多數集中于10%或20%方面的研究[28-31]。而本研究將減氮的研究擴大到40%,即在減氮0～40%量級范圍內去研究控釋肥料與普通肥料的配施效果,通過對比,來進一步確定優(yōu)化的施氮量,這對于之前的研究是一個有益的補充甚至突破,可能會進一步推動輕簡化施肥量的技術發(fā)展和研究思路的拓寬。此外,對控釋肥料在不同季節(jié)田間條件下的供氮速率,匹配冬小麥、夏玉米吸氮速率進行綜合比較分析意義重大,但對此方面的全面研究目前鮮見或不夠系統和深入。因此,闡明上述問題對降低華北麥玉輪作區(qū)化學氮肥投入、提高氮肥利用率和促進土壤氮素收支平衡等方面均具有重要的推動作用,起到了有力的支撐作用。基于此,本研究采取3 a 6季的小麥-玉米輪作田間定位試驗,探究了不同減氮條件下普通尿素配施控釋尿素適宜比例的應用效果,在前期明確控釋尿素與普通尿素配比的基礎上優(yōu)化施氮量,以期為華北麥玉輪作區(qū)化學氮肥的減施增效和控釋尿素的推廣應用提供技術參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2017年10月—2020年9月在北京市房山區(qū)閻村鎮(zhèn)試驗地(N 39°38′,E 115°72′)進行。試驗區(qū)年平均氣溫11.6 ℃,年降水量602.5 mm。試驗地耕層土壤(0～20 cm)含有機質量11.8 g/kg、硝態(tài)氮18.4 mg/kg、銨態(tài)氮2.2 mg/kg、有效磷14.0 mg/kg、速效鉀53.7 mg/kg,pH值8.1。

1.2 供試材料

供試冬小麥、夏玉米品種分布為輪選987、鄭丹958,肥料為控釋尿素(養(yǎng)分釋放期為60 d;冬小麥季所用控釋尿素包膜率為7.1%,含N 0.43%;夏玉米季所用控釋尿素包膜率為5.5%,含N 0.44%)、普通尿素(含N≥46%)、過磷酸鈣(含P2O5≥18%)、氯化鉀(含K2O≥60%)。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 采用完全隨機設計,設置6個定位試驗處理,其詳細施氮量及施肥方式見表1。各處理均設置3個重復小區(qū),小區(qū)面積為48 m2。各處理磷肥(冬小麥季120 kg/hm2;夏玉米季60 kg/hm2)和鉀肥(90 kg/hm2)均作基肥一次性施入。冬小麥季秸稈還田。

表1 不同處理施氮量及施肥方式Tab.1 N rate and fertilization method of treatments

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 產量 冬小麥成熟期選取長勢均勻一致的1 m2區(qū)域調查單位面積穗數,從中選取30個單莖調查穗粒數和粒質量;選取長勢均勻的2 m2的區(qū)域進行人工收割、脫粒,風干后調整含水量為13%得到籽粒產量。夏玉米臘熟期選取長勢均勻一致15 m2區(qū)域,手工近地面收割青貯玉米,稱量鮮質量得到青貯產量。

1.3.2.2 累計氮肥利用率 冬小麥成熟期隨機選取30個單莖,人工分為籽粒、營養(yǎng)器官,于80 ℃烘干至恒質量,稱質量。夏玉米蠟熟期隨機選取5株玉米,手工近地面收割,人工分為穗、營養(yǎng)器官,其中營養(yǎng)器官切碎混勻并留取混合樣(1 kg),于105 ℃殺青30 min、80 ℃烘干至恒質量,稱質量。

稱質量后的植株樣品分別用兩裝粉碎機(RT-02A)進行粉碎,再利用凱式定氮儀(KDY-9820)測定樣品氮素含量。樣品干質量與其氮素含量的乘積即氮素積累量。累計氮肥利用率的計算公式[32]:累計氮肥利用率=(一段時期內施氮區(qū)作物累計氮素吸收量(kg/hm2)-該時期不施氮區(qū)作物累計氮素吸收量(kg/hm2))/該時期內累計氮肥投入量(kg/hm2)×100%。

1.3.2.3 土壤無機氮(為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和) 冬小麥、夏玉米收獲后,以20 cm為一層,采集0～100 cm土壤樣品。每份土樣分為2份,一份用于測定土壤含水量,另一份冷凍保存用于測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。土壤含水量采用鋁盒-烘干法進行測定,硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度計法進行測定,銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法進行測定[33]。土壤無機氮積累量計算公式[34]:土壤無機氮積累量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×(土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)+土壤銨態(tài)氮含量(mg/kg))/10。

1.3.2.4 氮素累積釋放率 控釋尿素于25 ℃靜水中的氮素累積釋放率根據農業(yè)部行業(yè)標準(NY/T 2267—2016;NY/T 3040—2016)測試,在田間的氮素累積釋放率采用埋袋法測試[35]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理和繪圖,采用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析。方差分析采用Fisher Protected Least significance difference(LSD)判別法判斷各影響因素的顯著性;若該因素影響顯著,處理間的多重比較采用LSD法進行判別,判別標準為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 控釋尿素氮素累積釋放曲線

不同控釋尿素在25 ℃水中的氮素釋放特征見圖1,初期溶出率反映出包膜不完整的肥料比例,本研究冬小麥、夏玉米控釋尿素的初期氮素溶出率分別為2.0%,10.6%,均低于12%。28 d累積養(yǎng)分釋放率分別為48.1%,63.6%,均低于75%,養(yǎng)分釋放期的累積養(yǎng)分釋放率分別為83.5%,85.2%,均大于80%,均符合控釋肥料現行標準(HG/T 4215—2011)要求。

圖1 冬小麥、夏玉米控釋尿素25 ℃靜水氮素累積釋放率Fig.1 N accumulative release rate for CRU in water(at 25 ℃)

2.2 控釋尿素的養(yǎng)分釋放動力學特征

冬小麥、夏玉米控釋尿素的氮素釋放率可用數學模型進行擬合(表2),從決定系數R2看,2種控釋尿素的氮素釋放率用一級動力學方程擬合效果較好(R2分別為0.982 2,0.983 5)。在一級動力學方程中,K值反映氮素釋放率,從K值看,冬小麥控釋尿素的K值(0.083 606)小于夏玉米控釋尿素,表明冬小麥控釋尿素的氮素釋放率慢而夏玉米控釋尿素的氮素釋放率慢,這與冬小麥全生育期較長而夏玉米全生育期較短相適應。

表2 不同控釋尿素氮素在25 ℃靜水中釋放的動力學參數Tab.2 Kinetic parameters of N release from CRU in water(at 25 ℃)

2.3 控釋尿素的田間氮素釋放特征

不同控釋尿素田間氮素釋放特征見圖2,其中,冬小麥季控釋尿素在播種—成熟期的田間氮素累積釋放率以2019—2020年最高(91.0%)、2017—2018年次之(83.6%)、2018—2019年最低(78.8%),且年際間差異顯著,這可能與各年份冬小麥生育期內的氣象條件有關。而不同年份夏玉米季控釋尿素在播種—蠟熟期的田間氮素累積釋放率無顯著差異。在冬小麥季,控釋尿素在冬前(52 d)的田間氮素累積釋放率為40.8%～53.4%,在冬前—返青(97 d)的田間氮素累積釋放率為7.2%～18.8%,在返青—成熟(101 d)的田間氮素累積釋放率為20.7%～31.3%,而在夏玉米季,控釋尿素在播種—拔節(jié)(25 d)的田間氮素累積釋放率為26.8%～35.6%,在拔節(jié)—小喇叭口(17 d)的田間氮素累積釋放率為13.6%～22.6%,在小喇叭口—蠟熟(61 d)的田間氮素累積釋放率為23.5%～40.8%?？梢?控釋尿素的田間氮素釋放特征與冬小麥、夏玉米需肥規(guī)律基本一致。

小麥中W1、W2和W3分別代表2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年冬小麥控釋尿素田間氮素累積釋放率;B、R、H、A、F和M分別代表冬小麥冬前、返青、抽穗、開花、灌漿和成熟期。夏玉米中,M1、M2和M3分別代表2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年夏玉米控釋尿素田間氮素累積釋放率。J、S、B、F、T和D分別代表夏玉米拔節(jié)、小喇叭口、大喇叭口、開花、抽雄和蠟熟期。In winter wheat,W1,W2 and W3 refer to N accumulative release rate for CRU in winter wheat field over 2017—2018,2018—2019,and 2019—2020,respectively.B,R,H,A,F and M refer to before overwintering,recovering,heading,anthesis,filling and maturity stage,respectively.In summer maize,M1,M2 and M3 refer to N accumulative release rate for CRU in summer maize field in 2017—2018,2018—2019,and 2019—2020,respectively.J,S,B,F,T and D refer to jointing,small flare,big flare,flowering,tasseling and dough stage,respectively.圖2 控釋尿素田間氮素累積釋放率Fig.2 Nitrogen accumulative release rate for CRU in field

2.4 不同減氮條件下配施控釋尿素對土壤無機氮積累與分布的影響

如圖3所示,不同年份間,冬小麥收獲后0～100 cm土層內無機氮積累量在2018—2019年最高、2017—2018年次之、2019—2020年最低,這可能與各年冬小麥季控釋尿素田間氮素累積釋放率、氮素積累量及產量差異有關。而不同年份夏玉米收獲后0～100 cm土層內無機氮積累量表現無明顯差異。在各生育季內,N1、N2、N3和N4處理0～100 cm土層內無機氮積累量均低于FH處理,且在冬小麥季分別比FH平均降低39.7%,38.7%,51.1%,42.2%,在夏玉米季分別比FH平均降低10.9%,14.9%,41.7%,38.3%,說明減氮后配施控釋尿素可降低土壤無機氮的殘留。

W1、W2、W3分別表示2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年冬小麥季;M1、M2、M3分別表示2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年夏玉米季。圖4同。W1,W2 and W3 refer to winter wheat season in 2017—2018,2018—2019 and 2019—2020,respectively.M1,M2 and M3 refer to summer maize season in 2017—2018,2018—2019 and 2019—2020,respectively.The same as Fig.4.圖3 施肥處理冬小麥和夏玉米收獲后0～100 cm土層土壤無機氮積累量Fig.3 Inorganic N accumulation in the 0—100 cm soil layer after harvesting winter wheat and summer maize

不同處理各年冬小麥、夏玉米收獲后0～100 cm內各層土壤無機氮積累量如圖4所示,各減氮處理冬小麥收獲后0～20 cm土層土壤無機氮積累量在2017—2018年均顯著低于FH,2018—2019年,2019—2020年與FH無顯著差異,而各年60～100 cm土層土壤無機氮積累均顯著低于FH。而在各年夏玉米收獲后,N1處理0～60 cm土層土壤無機氮積累量顯著高于FH,而60～100 cm土層土壤無機氮積累量顯著低于FH。N2處理夏玉米收獲后的土壤無機氮分布在2017—2018年表現為0～40 cm土層內無機氮積累量與FH無顯著差異,40～100 cm土層內無機氮積累量顯著低于FH,而在2018—2019年,2019—2020年,其表現與N1處理一致。N3和N4處理的夏玉米收獲后0～40 cm土層土壤無機氮積

圖4 施肥處理冬小麥、夏玉米收獲后0～100 cm土層土壤無機氮分布Fig.4 Inorganic N distribution in the 0—100 cm soil layer after harvesting winter wheat and summer maize

累量在不同年份表現不一致,但40～100 cm土層土壤無機氮積累量均顯著低于FH?？梢?冬小麥季減氮并配施40%控釋尿素可使0～20 cm土層土壤維持較高的氮素供應,同時顯著降低60～100 cm土層土壤無機氮殘留;夏玉米季在減氮10%和減氮20%條件下配施30%控釋尿素可顯著提高0～40 cm土層土壤氮素供應,在各減氮條件下配施30%控釋尿素均可顯著降低60～100 cm土層土壤無機氮殘留。

2.5 不同減氮條件下配施控釋尿素對冬小麥-夏玉米輪作體系累計氮肥利用率的影響

考慮到輪作體系小麥、玉米對氮肥利用具有累加與轉移效應,因而將小麥季和玉米季作為一個整體,以研究氮肥用量與整個體系累計氮肥利用率的關系。如表3所示,隨著種植年份的推移,體系累計氮肥利用率逐漸增加。各處理6季作物累計氮肥利用率的變幅為24.4%～35.7%,明顯高于第1季的氮肥利用率(15.6%～32.0%),可見氮肥存在后效。在各個種植年份,各減氮處理作物累計氮肥利用率均高于FH處理,且經6季作物輪作后,N1、N2的累計氮肥利用率較FH的增幅(11.3,10.9百分點)明顯高于N3、N4處理(8.5,6.8百分點),這主要緣于在N1、N2條件下減氮配施控釋尿素,其6季作物的累計氮素積累量分別比FH提高10.6%,5.3%,但在N3、N4條件下減氮配施控釋尿素,其6季作物的累計氮素積累量分別比FH降低1.8%,7.7%。

2.6 不同減氮條件下配施控釋尿素對冬小麥和夏玉米產量的影響

如表4所示,N1處理的冬小麥籽粒產量在2017—2018年,2019—2020年顯著高于FH,且分別增產4.0%,5.4%,在2018—2019年增產1.6%(3季平均增產3.7%),但差異不顯著,這主要因其冬小麥千粒質量在2017—2018年,2019—2020年比FH提高6.1%,7.8%,而在2018—2019年僅提高1.4%。這種年際間的差異可能與各年冬小麥季的氣象條件有關,使得2018—2019年冬小麥季控釋尿素在播種—成熟期的田間氮素累積釋放率顯著低于其他年份(圖1),進而導致該年冬小麥季各處理千粒質量、產量以及N1較FH的增產幅度也低于其他年份(表4)。N2、N3和N4處理的冬小麥產量和千粒質量在不同年份表現不一致?？梢?冬小麥季在減氮10%條件下配施40%控釋氮肥可獲得高產或穩(wěn)產。與冬小麥季不同,在夏玉米季,與FH相比,N1、N2處理青貯產量在2017—2018年,2018—2019和2019—2020年均顯著提高,且N1分別提高9.6%,5.3%,18.0%(平均10.9%),N2分別提高了5.0%,5.6%,9.2%(平均6.6%)。不同年份N3、N4處理的夏玉米青貯產量表現不一致?？梢?夏玉米季在減氮10%,20%條件下配施30%控釋尿素均可獲得高產,只是在減氮10%條件下配施30%控釋尿素增產效果更明顯。

表4 施肥處理對冬小麥和夏玉米產量的影響Tab.4 Yield of winter wheat and summer maize under different treatments

3 結論與討論

減緩氮素釋放和優(yōu)化施氮量是提高作物產量的重要措施。本研究表明,優(yōu)化施氮量并配施一定比例的控釋尿素可較農民習慣全量單施普通尿素增產,其中,冬小麥季在減氮10%條件下配施40%控釋尿素處理的增產效果最好,可使冬小麥在2017—2018年,2019—2020年顯著增產4.0%,5.4%,即使在2018—2019年各處理產量水平均降低且其他減氮處理均減產的情況下,減氮10%條件下配施40%控釋尿素處理的冬小麥產量仍較農民習慣提高1.6%,而在夏玉米季,減氮10%,20%后配施30%控釋尿素處理的增產效果均較好,可分別比農民習慣顯著增產10.9%,6.6%。這與前人在減氮20%～25%后配施50%～75%控釋氮肥條件下的施肥效果是一致的[36-38]?？梢?適量減氮并配施一定比例控釋尿素比常規(guī)單施普通尿素更有利于作物增產,這可能是由于優(yōu)化施氮后配施控釋尿素可比多施且單施普通尿素更有利于協調氮肥供應與作物需求之間的關系,因而其更有利于促進作物生長和產量形成[36]?？梢?優(yōu)化施氮后冬小麥季配施40%CRU配合夏玉米季配施30%CRU,更有利于提高冬小麥-夏玉米輪作中的作物產量。

施氮不僅要滿足作物需求,也要減少氮素淋失,從而促進氮肥被作物高效利用。由于土壤中能被植物吸收利用的氮素形態(tài)主要為包含硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的無機氮,因此通常把土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮[39-41]或者無機氮含量[34]作為養(yǎng)分轉化特點的指標。本研究表明,減氮后配施一定控釋尿素(冬小麥季配施40%CRU、夏玉米季配施30%CRU)可降低各季作物收獲后的0～100 cm土層土壤無機氮積累量,這與郭金金等[36]在減氮后配施70%控釋氮肥顯著降低玉米收獲后0～120 cm土壤硝態(tài)氮積累量的研究結果是一致的。并且,在本試驗條件下,減氮10%后在冬小麥季配施40%控釋尿素配合在夏玉米季配施30%控釋尿素,不僅能明顯降低土壤無機氮向深層土壤淋失,還能維持、甚至是增加土壤耕層中的無機氮積累量,以供下一季作物生長,這與前人[16,27,36]在常規(guī)或減量施氮條件下單施控釋尿素的研究結果也是一致的。可見,減氮后配施一定比例控釋尿素不僅能降低土壤無機氮素累積,還能維持、甚至是增加耕層土壤氮素積累,并減少土壤無機氮素向深層土壤淋失。

施氮量和氮肥類型不僅顯著影響作物產量和土壤無機氮的積累與分布,也顯著影響農田氮肥施用效益[27,42-43]。氮肥利用率是衡量農田氮肥施用經濟效應和環(huán)境效應的重要指標,而累計氮肥利用率因其可消除年際間的差異和肥料的后效而廣泛用于小麥-玉米輪作體系多年定位試驗的氮肥利用狀況及后效的評價[32,40,44]。本研究表明,小麥-玉米輪作體系累計氮肥利用率隨種植季推移緩慢增加,各處理6季作物累計氮肥利用率的變幅為24.4%～35.7%,明顯高于第1季的氮肥利用率(15.6%～32.0%),可見氮肥存在后效,這與王寅等[41]的研究結果一致。經6季作物輪作后,在減氮10%條件下配施一定控釋尿素處理的累積氮肥利用率最高,且較農民習慣提高了11.3百分點。這可能是由于優(yōu)化施氮后再配施一定比例控釋尿素可比多施且單施普通尿素更有利于協調氮肥供應與作物需求之間的關系,因而其更有利于促進作物對氮素的吸收積累[36,45],從而改善作物對農田施入氮肥的利用狀況。

在本試驗條件下,冬小麥、夏玉米的優(yōu)化施氮量分別為243,216 kg/hm2,在此施氮條件下冬小麥季配施40%控釋尿素、夏玉米季配施30%控釋尿素,冬小麥和夏玉米產量分別提高3.7%,10.9%,6季作物累計氮肥利用率提高11.3百分點,0～100 cm,60～100 cm土層土壤無機氮積累量均顯著降低。