李嵐?jié)? 任 麗, 尹煥麗, 郭 婭, 王海標(biāo), 張 倩, 王宜倫

施氮模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和氮吸收利用的影響*

李嵐?jié)? 任 麗, 尹煥麗, 郭 婭, 王海標(biāo), 張 倩, 王宜倫**

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450002)

為明確適宜豫北平原夏玉米-冬小麥一體化種植的高效施氮管理模式, 2016—2017年分別在豫北典型高產(chǎn)田區(qū)河南省鶴壁市和中產(chǎn)田區(qū)河南省原陽縣開展了夏玉米-冬小麥周年輪作不同施氮模式對(duì)夏玉米與冬小麥產(chǎn)量、氮素吸收和利用效率影響的田間試驗(yàn)。共設(shè)5種處理: 不施氮肥(T1)、普通尿素按210 kg(N)×hm-2一次性基施(T2)、普通尿素分次施用且總施氮量同T2(T3)、控釋尿素與普通尿素配比氮素減量施用(T4)和控釋尿素與普通尿素配比氮素足量施用(T5)。分別于夏玉米和冬小麥關(guān)鍵生育期測(cè)試葉片SPAD值、植株與籽粒氮含量及生物量等氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo), 并于成熟期測(cè)定產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子, 分析計(jì)算植株氮積累量與吸收利用特征。結(jié)果表明, 處理間, 高、中產(chǎn)區(qū)夏玉米與冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子及氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)整體變化趨勢(shì)均為T5>T4>T3>T2>T1。產(chǎn)區(qū)間, 各處理夏玉米和冬小麥產(chǎn)量性狀及氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)為高產(chǎn)區(qū)顯著優(yōu)于中產(chǎn)區(qū)。綜合各處理平均值, 高產(chǎn)區(qū)夏玉米產(chǎn)量、植株氮含量和氮素積累量相比于中產(chǎn)區(qū)分別平均提高58.0%、19.2%和47.1%, 冬小麥增幅則分別為34.7%、33.3%和85.9%。氮利用效率方面, 高、中產(chǎn)田在氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和100 kg籽粒需氮量變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為T5>T4>T3>T2>T1, 處理間差異顯著; 氮素收獲指數(shù)則與此相反。豫北平原夏玉米-冬小麥周年輪作制在作物穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)條件下, 采用尿素與緩釋氮肥摻混配施的氮肥優(yōu)化施用模式不僅可有效減少肥料用量, 還能顯著提升肥料利用率, 降低氮肥損失。

夏玉米-冬小麥輪作; 高、中產(chǎn)田; 尿素; 緩釋氮肥; 氮肥利用率

夏玉米()-冬小麥()輪作(玉-麥輪作)是黃淮海平原典型的一年兩熟制糧食作物栽培模式, 也是我國糧食高產(chǎn)以及超高產(chǎn)創(chuàng)建的核心產(chǎn)區(qū)[1-2]。氮(N)是玉米、小麥生命繁衍、成長(zhǎng)和發(fā)育所必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一, 也是玉-麥輪作體系變化的主控因子[3-4]。研究表明, 黃淮海玉-麥輪作區(qū)在氮肥管理上隨意性很高, 玉米、小麥兩季作物施氮時(shí)極少考慮氮肥的盈余量, 其氮肥偏生產(chǎn)力均在10 kg×kg-1左右, 大田實(shí)際生產(chǎn)中則可能更低[5], 遠(yuǎn)低于國際上的18 kg×kg-1和24 kg×kg-1[6]。同時(shí)我國玉米、小麥生產(chǎn)中其氮肥用量明顯高于國際上相應(yīng)的平均水平, 按照作物報(bào)酬遞減率, 相對(duì)應(yīng)的每千克氮肥所增加的產(chǎn)量效應(yīng)必然會(huì)有所降低[7-8]。因此, 增強(qiáng)農(nóng)田氮素管理水平, 優(yōu)化氮素施用模式是降低氮素?fù)p失、提高氮素利用率的重要途徑[9]。其中一項(xiàng)重要措施則是研發(fā)新型肥料并推廣使用綠色、高效施氮技術(shù)[10-11]。楊峰等[12]利用2年田間試驗(yàn)研究指出, 采用緩控釋肥一次性基施模式的夏玉米產(chǎn)量接近或高于常規(guī)尿素3次和2次施肥, 增產(chǎn)效果優(yōu)于一次性基施等量普通復(fù)合肥處理。此外, 在同等施氮量下, 與普通尿素相比, 施用緩釋尿素水稻氮素利用率可提高20%以上, 且在氮肥減施30%條件下其產(chǎn)量仍比施用普通尿素提高3.0%~5.9%[13]。另有研究指出, 采用控釋肥與尿素配施的施肥模式不僅可有效滿足前期作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分需求[14], 又能確保作物穩(wěn)產(chǎn)甚至高產(chǎn)[15], 同時(shí)還可有效減少旱地N2O及水田CH4、N2O的排放[16-17]。因此, 制定因時(shí)、因地的玉-麥周年輪作體系下合理的施氮模式, 對(duì)提高黃淮海平原糧食產(chǎn)量、氮肥利用率以及降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)本增效等均具有重要意義。

前人有關(guān)作物氮肥施用模式的研究主要集中于“4R施肥技術(shù)”(正確的施肥量、施肥時(shí)期、施肥方法和施肥地點(diǎn))的用量、時(shí)期和方法方面, 而很少考慮地力水平不同所造成的差異。馮洋等[18]通過布置水稻()氮肥效應(yīng)田間試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)田與中產(chǎn)田對(duì)氮肥響應(yīng)靈敏度明顯弱于低產(chǎn)田, 且地力水平間適宜施氮量變化趨勢(shì)為低產(chǎn)田>中產(chǎn)田>高產(chǎn)田。研究表明, 同等施氮模式下, 高產(chǎn)田氮素利用率較中、低產(chǎn)田更低[19]。河南省位于黃淮海平原腹地, 地域跨度大, 各糧食產(chǎn)區(qū)間地力水平參差不齊。宋艷華等[20]調(diào)查指出, 河南省高、中、低產(chǎn)田比例分別占全省耕地面積的20%、50%和30%左右, 其中, 高產(chǎn)田區(qū)農(nóng)業(yè)科技條件對(duì)作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)低于中、低產(chǎn)田, 而中、低產(chǎn)田區(qū)的耕地質(zhì)量、施肥技術(shù)和管理水平對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)均遠(yuǎn)低于高產(chǎn)田區(qū)。研究發(fā)現(xiàn), 每公頃高產(chǎn)田作物產(chǎn)量相當(dāng)于1.4~3.8倍或2.1~6.0倍的中、低產(chǎn)田, 同時(shí)高產(chǎn)田對(duì)我國糧食貢獻(xiàn)率高達(dá)54.1%[21], 未來作物糧食增產(chǎn)的核心仍然為中、高產(chǎn)田[22]。因此, 有效開展因時(shí)、因地和因量的玉-麥輪作體系氮肥施用模式研究, 對(duì)制定科學(xué)、合理的農(nóng)田養(yǎng)分管理技術(shù)意義重大。基于此, 本文以豫北典型的玉-麥周年輪作種植模式為研究對(duì)象, 選取代表性高產(chǎn)田區(qū)(河南省鶴壁市)與中產(chǎn)田區(qū)(河南省原陽縣)布置并開展不同氮肥施用模式下玉-麥輪作田間試驗(yàn), 探究不同氮肥施用措施對(duì)玉-麥周年輪作模式下作物產(chǎn)量、氮素吸收利用以及物質(zhì)分配與轉(zhuǎn)運(yùn)特性影響, 以期為玉-麥一體化栽培中節(jié)氮增效潛力空間分析及制定適宜的氮肥施用技術(shù)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

2016年6月—2017年10月, 分別于河南省鶴壁市高產(chǎn)糧示范區(qū)(114°18′E, 35°40′N, 高產(chǎn)區(qū))和新鄉(xiāng)市原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(113°56′E, 35°6′N, 中產(chǎn)區(qū))選取代表性田塊開展玉-麥輪作下氮肥施用模式肥效試驗(yàn)。兩地均屬于溫帶半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候, 多年平均氣溫和降雨量分別為14.5 ℃和650 mm左右。供試土壤鶴壁為黏壤質(zhì)潮土, 原陽是砂質(zhì)潮土, 0~20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。分析發(fā)現(xiàn), 除pH高產(chǎn)區(qū)(鶴壁)低于中產(chǎn)區(qū)(原陽)外, 其余5項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)均顯著高于后者, 有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀增幅分別高達(dá)49.4%、53.7%、20.6%、94.7%和56.9%。

表1 供試地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高、中產(chǎn)區(qū)夏玉米與冬小麥大田試驗(yàn)均設(shè)5種氮肥施用模式, 具體信息如表2所示。

其中, T3處理中冬小麥季按基肥∶返青肥=1∶1施用, 夏玉米季按基肥∶大喇叭口期追肥=1∶1施入; T4中冬小麥季按包膜尿素∶普通尿素=3∶1配方于播種前一次性基施, 夏玉米季采用含N 26%的包膜尿素按750 kg·hm-2于播種時(shí)一次性施入; T5處理中冬小麥季包膜尿素與普通尿素仍按3∶1于播種前一次性施入, 夏玉米季采用含N28%的包膜尿素按750 kg·hm-2于播種時(shí)一次性施入。各處理均設(shè)3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積36.0 m2(寬×長(zhǎng)= 3.6 m×10.0 m)。除氮肥外, 磷、鉀肥用量分別按P2O590 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2做基肥一次性施入。肥料品種分別為普通尿素(含N 46%)、ESN樹脂包膜尿素(含N 44%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。

供試夏玉米和冬小麥品種均為國審主推高產(chǎn)新品種, 在試驗(yàn)區(qū)具有廣泛的推廣種植面積和環(huán)境適應(yīng)性。其中, 夏玉米品種高產(chǎn)區(qū)為‘豫安3號(hào)’, 中產(chǎn)區(qū)為‘浚單29’, 種植密度為67 500株·hm-2; 冬小麥品種高產(chǎn)區(qū)為‘淮麥33’, 中產(chǎn)區(qū)為‘設(shè)農(nóng)999’, 兩地播種密度分別為210 kg·hm-2和180 kg·hm-2。播種以及收獲日期: 高產(chǎn)區(qū)夏玉米2016年6月17日播種, 9月29日收獲, 小麥11月4日播種, 2017年6月8日收獲。中產(chǎn)區(qū)冬小麥2016年10月16日播種, 2017年6月2日收獲; 夏玉米6月7日播種, 9月28日收獲。除草、灌溉、除蟲噴霧等其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣一致。

表2 試驗(yàn)各處理具體信息

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 基礎(chǔ)土樣采集與分析

分別于夏玉米和冬小麥播種施肥前, 采用“S型”取樣法采集試驗(yàn)地0~20 cm耕層土壤樣品, 風(fēng)干后過20目與100目篩, 分別測(cè)定土壤pH(電極法水土比2.5∶1)、有機(jī)質(zhì)(K2Cr2O7容量-外加熱法)、全氮(半微量開氏法)、堿解氮(堿解擴(kuò)散法)、速效磷(0.5 mol·L-1NaHCO3法)和速效鉀(NH4OAC浸提, 火焰光度法)含量(表1)。

1.3.2 植株樣品采集與分析

分別于高產(chǎn)區(qū)夏玉米播種后27 d(六葉期)、46 d(十葉期)、61 d(十四葉期)、70 d(吐絲期)、76 d(水泡期)、91 d(乳熟期)和104 d(成熟期), 中產(chǎn)區(qū)夏玉米播種后33 d、54 d、69 d、76 d、85 d、101 d和113 d(生育期同高產(chǎn)區(qū)); 高產(chǎn)區(qū)冬小麥播種后105 d(越冬期)、137 d(拔節(jié)期)、160 d(抽穗期)、182 d(灌漿期)和216 d(成熟期), 中產(chǎn)區(qū)冬小麥播種后94 d、146 d、156 d、178 d、201 d(乳熟期)和229 d(生育期同高產(chǎn)區(qū)), 各小區(qū)選擇有代表性夏玉米與冬小麥各20株, 于光照充足、太陽高度角變化較小的上午10:00—12:00, 利用葉綠素計(jì)SPAD儀測(cè)定夏玉米最新完全展開葉和冬小麥旗葉SPAD值, 同一小區(qū)內(nèi)測(cè)試結(jié)果求取平均值。

葉片SPAD值測(cè)定結(jié)束后, 各小區(qū)選取有代表性玉米4株和1 m雙行小麥樣方1處, 夏玉米吐絲期前不分部位, 吐絲期后分植株與籽粒兩部分; 冬小麥除成熟期外, 均未分部位進(jìn)行樣品采集與前處理。處理后樣品先置于105 ℃烘箱中殺青30 min, 后置于65 ℃烘箱中烘至恒重, 計(jì)算生物量。H2SO4- H2O2法消煮, AA3流動(dòng)注射分析儀測(cè)定植株和籽粒氮含量(g?kg-1), 計(jì)算氮素積累量, 即各部位生物量(kg·hm-2)與氮含量(g?kg-1)的乘積。

1.3.3 測(cè)產(chǎn)與考種

于夏玉米和冬小麥?zhǔn)斋@期, 于各小區(qū)測(cè)產(chǎn)區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的玉米和小麥樣方10.8 m2(寬×長(zhǎng)=3.6 m×3.0 m), 自然風(fēng)干后于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)考種分析, 測(cè)定穗粒數(shù)和千粒重, 并測(cè)算小麥樣方內(nèi)有效穗數(shù); 采用PM- 8188-A型谷物水分測(cè)定儀測(cè)試夏玉米和冬小麥籽粒含水量, 換算成14.0%含水量的作物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

按照黃明等[23]和魯艷紅等[24]描述方法分別計(jì)算夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率(apparent use efficiency of nitrogen, AUN, %)、氮肥農(nóng)學(xué)效率(agronomic efficiency of nitrogen, AEN, kg×kg-1)、100 kg籽粒需氮量[nitrogen amount for producing 100 kg grains, NAPG, kg×(100)kg-1]和氮素收獲指數(shù)(nitrogen harvest index, NHI):

AUN(%)=(施氮處理地上部氮積累量-對(duì)照處理地上部氮積累量)/施氮量′100 (1)

AEN(kg·kg-1)=(施氮處理作物產(chǎn)量-對(duì)照處理作物產(chǎn)量)/施氮量 (2)

NAPG[kg×(100kg)-1]=植株總氮積累量/籽粒產(chǎn)量′100 (3)

NHI=籽粒氮積累量/地上部氮積累量′100 (4)

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入與前期處理; SPSS 20.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)與氮肥施用模式處理間方差分析和顯著性檢驗(yàn)(LSD法), 顯著性水平設(shè)定為<0.05、<0.01和<0.001; Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

玉-麥周年輪作下不同氮肥施用模式對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子影響顯著(圖1)。夏玉米產(chǎn)量, 2016—2017年高產(chǎn)區(qū)與中產(chǎn)區(qū)田塊均以T5處理(控釋尿素與普通尿素配比施用)最高, 相比于T1(不施氮肥)處理, 產(chǎn)量增幅分別為37.2%和34.3%, 差異顯著。冬小麥產(chǎn)量, 不同氮肥施用模式產(chǎn)量變化趨勢(shì)與夏玉米相似, 仍以T5最高, T4次之, T1最低。進(jìn)一步分析可知, 兩試驗(yàn)?zāi)攴莞弋a(chǎn)區(qū)田塊不同氮肥施用模式作物產(chǎn)量均高于中產(chǎn)區(qū)田塊的相應(yīng)處理, 其中高產(chǎn)區(qū)夏玉米和冬小麥產(chǎn)量與中產(chǎn)區(qū)相比, 分別平均提高58.0%和34.7%。交互作用方差分析結(jié)果表明, 試驗(yàn)點(diǎn)(S)和處理(T)對(duì)作物產(chǎn)量影響均達(dá)極顯著水平(<0.001)。

由表3可知, 氮肥施用模式和試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)夏玉米和冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子影響較為明顯, 但各指標(biāo)間表現(xiàn)出較大的差異性。高產(chǎn)區(qū)夏玉米處理間穗粒數(shù)、冬小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)差異均達(dá)顯著水平(<0.05), 千粒重則無明顯差異; 中產(chǎn)區(qū)變化趨勢(shì)與此一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 試驗(yàn)點(diǎn)和處理互作(S×T)無顯著影響, 該結(jié)果與產(chǎn)量分析效應(yīng)相同。主要原因可能是交互作用分析時(shí)高產(chǎn)區(qū)與中產(chǎn)區(qū)各指標(biāo)在數(shù)值大小上差異較大, 變異系數(shù)的提高降低了互作分析的靈敏度與響應(yīng)度。

2.2 氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作體系作物葉片SPAD值的影響

葉片SPAD值是反映作物色素含量及光合潛力的重要指標(biāo), 與氮素營(yíng)養(yǎng)關(guān)系緊密, 可直接用于表征植株氮含量豐缺狀況, 評(píng)估氮肥施用效果。圖2為玉-麥輪作下高、中產(chǎn)區(qū)不同氮肥施用模式葉片SPAD值時(shí)空變化特異性。結(jié)果表明, 不同氮肥調(diào)控模式間, 2016—2017年夏玉米與冬小麥葉片SPAD值于各生育期均整體表現(xiàn)為T1

圖1 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量的影響

各處理具體介紹見表2。小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。NS和***分別表示試驗(yàn)地點(diǎn)、處理及其交互作用不顯著和在0.001水平上顯著。Detailed information of treatments was shown in Table 2. Different letters above columns mean significant difference among treatments (< 0.05). NS and *** represent not significant effect, significant effect at 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions.

表3 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

各處理具體介紹見表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點(diǎn)不同處理間在0.05水平上差異顯著。NS、*、**和***分別表示試驗(yàn)地點(diǎn)、處理及其交互作用不顯著、在0.05、0.01和0.001水平上顯著。Detailed information of treatments is shown in Table 2. Values followed by different lowercase letters in the same column of the same site are significantly different (< 0.05). NS, *, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.05, 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions.

2.3 氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)作物氮含量影響分析

生育期間, 隨播種后天數(shù)增加, 無論夏玉米亦或冬小麥, 其地上部植株氮含量(plant nitrogen concentration, PNC, g?kg-1)均表現(xiàn)為逐步降低趨勢(shì), 這與冬小麥葉片SPAD值表現(xiàn)效果略有差異。各氮肥施用模式間, 與葉片SPAD值變化趨勢(shì)相一致, 玉-麥周年輪作下夏玉米和冬小麥PNC在各處理間仍表現(xiàn)為T1

圖2 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)各生育期作物葉片SPAD值的影響

各處理具體介紹見表2。NS、**和***分別表示試驗(yàn)地點(diǎn)、處理及其交互作用不顯著、在0.01和0.001水平上顯著。Detailed information of treatments is shown in Table 2. NS, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions.

圖3 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)作物植株和籽粒氮含量的影響

各處理具體介紹見表2。圖3a-d的右側(cè)圖為夏玉米和冬小麥生殖生長(zhǎng)期籽粒氮含量。柱圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Detailed information of treatments is shown in Table 2. The right side charts in figure 3a-d show the grain nitrogen contents of summer maize and winter wheat at reproduction stage. In two column figures, different lowercase letters mean significant differences among treatments at< 0.05.

2.4 氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)作物氮積累量影響分析

由圖4可知, 隨生育進(jìn)程推進(jìn), 各氮肥施用模式高、中產(chǎn)區(qū)夏玉米與冬小麥植株氮積累量(plant nitrogen accumulation, PNA, kg·hm-2)均呈先升高后降低趨勢(shì)。其中, 兩產(chǎn)區(qū)夏玉米分別至播種后70 d和76 d達(dá)峰值, 冬小麥則分別至182 d與201 d時(shí)最高。產(chǎn)區(qū)間, 高產(chǎn)區(qū)夏玉米和冬小麥PNA均顯著優(yōu)于中產(chǎn)區(qū), 增幅分別高達(dá)47.0%和85.9%。氮肥施用模式間, 無論高產(chǎn)區(qū)亦或中產(chǎn)區(qū), 夏玉米和冬小麥PNA均表現(xiàn)為T1

2.5 氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)作物氮肥利用率影響分析

在2016—2017年4個(gè)氮肥施用模式試驗(yàn)中, 高、中產(chǎn)田在氮肥表觀利用率(AUN)、氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN)和100 kg籽粒需氮量(NAPG)的變化趨勢(shì)一致, T1-T5間隨處理數(shù)增加均呈顯著升高趨勢(shì), 而氮素收獲指數(shù)(NHI)則與此相反。其中, 高產(chǎn)區(qū)夏玉米和冬小麥AUN、AEN和NAPG指標(biāo)均明顯優(yōu)于中產(chǎn)區(qū), 實(shí)現(xiàn)了氮營(yíng)養(yǎng)上的“高吸收高利用”和“高產(chǎn)高效”。與前述指標(biāo)變化趨勢(shì)相反, 高產(chǎn)區(qū)NHI低于中產(chǎn)區(qū)(表4)。交互作用分析表明, 夏玉米和冬小麥, 試驗(yàn)地點(diǎn)(S)對(duì)所選用的4個(gè)氮肥利用率指標(biāo)均產(chǎn)生了極顯著(<0.01或<0.001)影響, 處理(T)除冬小麥NHI外, 影響效果與S相同; 但兩者交互作用僅對(duì)夏玉米AUN和NAPG產(chǎn)生影響(<0.01), 其余指標(biāo)均不顯著(表4)。

3 討論

本文利用氮肥效應(yīng)田間試驗(yàn), 系統(tǒng)探究了不同地力水平下氮肥施用模式對(duì)玉-麥周年輪作體系中產(chǎn)量及構(gòu)成因子、氮素吸收與利用效率的影響, 確定了適宜豫北平原玉-麥輪作系統(tǒng)的尿素與緩釋氮肥摻混配施的高效施氮管理模式。研究表明, 控釋肥與尿素配施是當(dāng)前作物集約化種植條件下行之有效的施肥措施, 可有效解決作物生長(zhǎng)前期因控釋肥養(yǎng)分不能有效釋放而導(dǎo)致的作物減產(chǎn)問題[25-26]。紀(jì)洋等[17]指出, 采用純控釋肥施用模式和控釋肥與尿素配施模式雖然均可顯著提高水稻產(chǎn)量, 但后者產(chǎn)量比前者增加9.1%~26.3%。本試驗(yàn)中, 改進(jìn)農(nóng)民習(xí)慣施氮措施(普通尿素一次性基施或分次施用), 優(yōu)化氮肥施用模式(普通尿素與控釋尿素配合減施或足量施用)可顯著提高玉-麥輪作下成熟期產(chǎn)量, 并大幅提高氮肥利用率, 這表明普通尿素與緩釋氮肥配施的優(yōu)化氮肥管理模式在穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)的同時(shí)較大幅度提高氮肥利用率是可行的。與此同時(shí), 與常規(guī)施氮方法相比, 優(yōu)化氮肥施用模式還可顯著提高玉-麥輪作下各生育期葉片SPAD值、植株或籽粒氮含量以及氮素積累量。主要原因是一方面控釋尿素比普通尿素養(yǎng)分利用率普遍較高, 肥料養(yǎng)分在土壤中可保持較長(zhǎng)時(shí)間的高有效性, 并能大幅降低肥料損失, 提高養(yǎng)分利用率[27]; 另一方面, 兩者配施后更具有多重優(yōu)點(diǎn), 如既能滿足作物苗期對(duì)養(yǎng)分需求, 又能維持中后期養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)[28-29]。另有研究表明, 充足的氮肥供應(yīng)是作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的前提, 科學(xué)有效的氮營(yíng)養(yǎng)管理則是將適宜的氮肥品種與合適的氮肥用量在適宜的時(shí)期基施或追施于恰當(dāng)?shù)奈恢? 并與最佳作物農(nóng)藝管理措施相融合, 方能實(shí)現(xiàn)作物綠色、高產(chǎn)、高效[30-31]。緩釋氮肥可控制養(yǎng)分釋放速率, 具有肥效期長(zhǎng)、養(yǎng)分供養(yǎng)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。因此, 尿素?fù)交炀忈尩逝涫┑淖魑锏使芾砟Ｊ浇陙肀徽J(rèn)為是一種肥效穩(wěn)定長(zhǎng)久、節(jié)本增效潛力較大的一種新型氮肥管理制度[32-33]。郭金金等[34]系統(tǒng)分析了不同施氮量下尿素與緩釋氮肥摻混對(duì)大田夏玉米生理特性、氮素吸收及土壤NO3--N殘留的影響, 發(fā)現(xiàn)相比于普尿與緩釋尿素單施, 兩者摻混后施用玉米凈光合速率分別提高6.9%~88.6%和3.4%~90.3%, 氮素吸收率則分別提高8.1%~67.3%和6.2%~54.1%, 差異顯著。本課題前期試驗(yàn)結(jié)果同樣表明[35], 施氮156.8 kg·hm-2(控釋尿素∶普通尿素=3∶1)措施下冬小麥產(chǎn)量、氮肥利用率和農(nóng)學(xué)效率較農(nóng)民習(xí)慣施肥分別提高6.6%、13.6%和2.3 kg·kg-1, 這與本研究結(jié)論相符合。

此外, 氮肥表觀利用率、農(nóng)學(xué)效率、100 kg籽粒需氮量等均是表征作物氮肥吸收利用效率的常用指標(biāo), 從不同側(cè)面反映了作物對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的吸收、同化和利用潛力[36], 在較優(yōu)化的氮肥管理措施下, 其利用率一般在50%左右[37-38]。本試驗(yàn)中, 高產(chǎn)區(qū)夏玉米和冬小麥優(yōu)化施氮方式(T4與T5處理)氮肥表觀利用率為60%~75%, 中產(chǎn)區(qū)也在40%左右, 而常規(guī)施氮方式下其氮肥利用率也在30%左右, 100 kg籽粒需氮量結(jié)果同樣有所偏高。究其原因: 1)本試驗(yàn)各處理小區(qū)四周均獨(dú)立設(shè)梗, 梗的高度約30~40 cm, 降低了氮素徑流損失; 2)肥料在施用時(shí)均采用條施翻土覆蓋的方式進(jìn)行, 避免了肥料直接撒施在土壤表面所造成的揮發(fā)損失; 3)本試驗(yàn)區(qū)灌溉設(shè)施較為先進(jìn), 均采用微管噴頭噴灑方式進(jìn)行, 肥料釋放較為徹底, 減少了肥料的揮發(fā)損失, 促進(jìn)了作物對(duì)氮素的吸收利用效能。

圖4 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)各作物植株和籽粒氮積累量的影響

各處理具體介紹見表2。圖4a-d的右側(cè)圖為夏玉米和冬小麥生殖生長(zhǎng)期籽粒氮積累量。NS、*、**和***分別表示試驗(yàn)地點(diǎn)、處理及其交互作用不顯著、在0.05、0.01和0.001水平上顯著。柱圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Detailed information of treatments is shown in Table 2. The right side charts in figure 4a-d show the grain nitrogen accumulation of summer maize and winter wheat at reproduction stage. In two column figures, different lowercase letters mean significant differences among treatments at< 0.05. NS, *, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.05, 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions.

表4 氮肥施用模式對(duì)高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)夏玉米-冬小麥周年輪作系統(tǒng)作物氮素利用率的影響

各處理具體介紹見表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點(diǎn)不同處理間在0.05水平上差異顯著。NS、**和***分別表示試驗(yàn)地點(diǎn)、處理及其交互作用不顯著、在0.01和0.001水平上顯著。Detailed information of treatments is shown in Table 2. Values followed by different lowercase letters in the same column of the same site are significantly different (< 0.05). NS, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions.

充足的養(yǎng)分供應(yīng)是作物獲得高產(chǎn)的前提, 而土壤養(yǎng)分庫容大小則是其養(yǎng)分供應(yīng)能力的根本保障。因此, 土壤基礎(chǔ)肥力高低至關(guān)重要[39-40]。本文中, 0~20 cm耕層土壤理化性狀顯示高產(chǎn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀相比于中產(chǎn)區(qū)原陽點(diǎn)分別顯著提高49.4%、53.7%、20.6%、94.7%和56.9%, 這也是高產(chǎn)區(qū)夏玉米和冬小麥產(chǎn)量特征與氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)均明顯高于中產(chǎn)區(qū)的主要原因。王俊忠等[41]試驗(yàn)指出, 高產(chǎn)田夏玉米產(chǎn)量明顯優(yōu)于中產(chǎn)田, 且前者隨氮肥用量增加其增產(chǎn)效應(yīng)顯著低于中產(chǎn)田。在增產(chǎn)機(jī)制上, 高產(chǎn)田作物葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性均明顯高于中、低產(chǎn)田, 而上述酶活性則是促使作物氮素同化、物質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵動(dòng)力[42-43]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 不同產(chǎn)區(qū)間玉-麥輪作體系各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為高產(chǎn)區(qū)明顯優(yōu)于中產(chǎn)區(qū), 且不同氮肥施用模式間變化趨勢(shì)均一致。因此, 根據(jù)土壤肥力水平、區(qū)域特點(diǎn)和作物目標(biāo)產(chǎn)量、需肥特性等確定適宜的氮肥施用模式, 有效協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)、資源高效和生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的矛盾, 對(duì)實(shí)現(xiàn)氮肥施用的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。此外, 隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步及新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展, 夏玉米和冬小麥輕簡(jiǎn)化以及機(jī)械化施肥技術(shù)將逐步得以快速推廣與應(yīng)用。本研究中緩釋氮肥與普通尿素配合施用的施肥模式及相應(yīng)配方, 亦滿足于機(jī)械化及快捷化施肥的需求。同時(shí), 如能將本試驗(yàn)結(jié)果與河南省不同糧食主產(chǎn)區(qū)(高、中、低產(chǎn)田)作物產(chǎn)量及地力性狀相結(jié)合, 研制適合于區(qū)域特性玉-麥輪作下作物專用配方肥, 實(shí)施種、肥同播, 這對(duì)玉米、小麥綠色、高產(chǎn)高效施肥技術(shù)創(chuàng)建及普及推廣具有重要意義和發(fā)展前景。

4 結(jié)論

本文選取河南省典型高、中產(chǎn)區(qū)田塊為試驗(yàn)點(diǎn), 以玉-麥周年輪作制下作物氮營(yíng)養(yǎng)特性和高效施氮模式為切入點(diǎn), 分析不同氮肥施用措施對(duì)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用及轉(zhuǎn)運(yùn)效率變化規(guī)律影響, 結(jié)果表明: 玉-麥周年輪作下不同氮肥施用模式間夏玉米和冬小麥產(chǎn)量均以控釋尿素與普通尿素配比氮足量施用最佳(T5), 氮素減量施用次之(T4), 但T4與T5間產(chǎn)量差異未達(dá)顯著水平; 常規(guī)施氮方式中普通尿素分次施用(T3)和一次基施(T2)產(chǎn)量效果則相對(duì)次之, 對(duì)照處理最差(T1)。產(chǎn)量構(gòu)成因子、葉片SPAD值、植株和籽粒氮含量、氮素積累量等氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)變化趨勢(shì)與此相似, 上述結(jié)果在不同年份和區(qū)域的夏玉米與冬小麥試驗(yàn)結(jié)果相一致。表明在作物穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)的前提下, 優(yōu)化氮肥管理模式可有效減少氮肥用量, 并能較大幅度提高氮肥利用效率。此外, 優(yōu)化氮肥管理模式可有效促進(jìn)高產(chǎn)區(qū)夏玉米花后氮素合成、分配與轉(zhuǎn)運(yùn)效率, 中產(chǎn)區(qū)則主要集中于花前; 冬小麥變化趨勢(shì)則與此相反。該結(jié)果對(duì)進(jìn)一步掌握高、中地力條件下夏玉米與冬小麥各自氮營(yíng)養(yǎng)吸收與同化特異性, 研制適合不同生態(tài)區(qū)的作物專用配方肥或緩控釋肥提供了重要試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論參考。

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Effects of nitrogen application methodologies on yield and nitrogen use efficiencies in a summer maize ()-winter wheat () rotation system*

LI Lantao, REN Li, YIN Huanli, GUO Ya, WANG Haibiao, ZHANG Qian, WANG Yilun**

(College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

This research was conducted to explore an appropriate nitrogen (N) management pattern for a summer maize ()-winter wheat () rotation system (SM-WW) and to study the effects of N application methodologies on crop yields and N use efficiencies in a SM-WW in high and medium yield areas of Henan Province, North China. An appropriate N management strategy was analyzed and established in this study. The detailed N application strategies for the SM-WW were as follows: (i) no N application (T1); (ii) one-off application of urea with the rate of 210 kg(N)·hm?2(T2); (iii) fractional application of urea with the rate of 210 kg(N)·hm?2(T3); (iv) combined application of controlled-release N fertilizer with urea at the rate of 180 kg (N)·hm?2for wheat and 195 kg (N)·hm?2for maize (T4); (v) combined application of controlled-release N fertilizer with urea at the rate of 210 kg(N)·hm?2for wheat and maize (T5). The Soil-Plant Analyses Development (SPAD) chlorophyll meter (Minolta Camera Co., Japan) was used to determine SPAD values. Plant and/or grain N content and biomass were measured at different growth stages for the SM-WW and used to calculate different N indicators. Results showed that N fertilization methodologies could significantly affect the yield, yield components, and N indicators among the five treatments, with the overall trend being T5 > T4 > T3 > T2 > T1. Moreover, the yield and N parameters in high-yield area were significantly higher than those in medium-yield area. Compared with the medium-yield condition, the average values among the five treatments for yield, plant N content, and accumulation increased by 58.0%, 19.2%, and 47.1% for maize and 34.7%, 33.3%, and 85.9% for wheat, respectively, under high-yield conditions. Regarding the N use efficiencies, from T1 to T5,apparent N use efficiency, agronomic N use efficiency, and N absorption amount for producing 100 kg of grain were increased both in the high- and medium-yield areas. However, the opposite trend was found for N harvest index. The results showed that an optimal N fertilization treatment, such as T4 or T5, had great potential in improving N use efficiency without adversely affecting grain yield and could be an appropriate model of N nutrient application during the SM-WW in Henan Province, China.

Summer maize-winter wheat rotation system; High- and medium-yield area; Urea; Slow-release nitrogen fertilizer; Nitrogen use efficiency

李嵐?jié)? 任麗, 尹煥麗, 郭婭, 王海標(biāo), 張倩, 王宜倫. 施氮模式對(duì)玉-麥周年輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和氮吸收利用的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(11): 1682-1694

LI L T, REN L, YIN H L, GUO Y, WANG H B, ZHANG Q, WANG Y L. Effects of nitrogen application methodologies on yield and nitrogen use efficiencies in a summer maize ()-winter wheat () rotation system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(11): 1682-1694

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD23B02)資助

王宜倫, 主要從事作物營(yíng)養(yǎng)與高效施肥技術(shù)方面研究。E-mail: wangyilunrl@henau.edu.cn

李嵐?jié)? 主要從事作物養(yǎng)分精準(zhǔn)管理方面研究。E-mail: lilantao@henau.edu.cn

2019-03-27

2019-06-14

* This work was funded by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (2015BAD23B02).

, E-mail: wangyilunrl@henau.edu.cn

Jun. 14, 2019

Mar. 27, 2019;

S146; S513

2096-6237(2019)11-1682-13

10.13930/j.cnki.cjea.190223