缓释氮肥运筹对稻麦轮作周年作物产量和氮肥利用率的影响

许仙菊, 马洪波, 宁运旺, 汪吉东, 张永春

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部江苏耕地保育科学观测实验站，南京210014)



缓释氮肥运筹对稻麦轮作周年作物产量和氮肥利用率的影响

许仙菊, 马洪波, 宁运旺, 汪吉东, 张永春*

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部江苏耕地保育科学观测实验站，南京210014)

【目的】稻麦轮作是我国一种重要的农业种植模式。缓/控释肥作为高效兼环境友好的肥料类型，在多种作物单季种植上具有增产和提高肥效的作用，但是缓释肥在周年轮作体系中的肥效研究鲜有报道。因此研究稻麦轮作体系中的肥料施用模式，有助于提高稻麦产量，降低化肥用量，提高化肥利用率。【方法】本文通过稻麦轮作两周年四季作物的田间小区试验，以不施氮和习惯施氮为对照，研究了4种不同缓释肥减氮处理[进口树脂包膜尿素减氮24.3%、国产硫包衣尿素减氮24.3%、国产尿素加NAM(长效氮肥添加剂)减氮24.3%和国产尿素加NAM减氮10.8%]对水稻和小麦产量、氮肥利用率、第二周年稻麦收获后土壤养分含量和两周年土壤氮养分表观平衡的影响。【结果】与不施氮对照相比，所有施氮处理均提高了两周年稻麦4季作物产量，习惯施氮增产幅度最高，小麦的氮肥增产效果总体高于水稻，第二周年高于第一周年; 与当地习惯施氮量相比，所有的缓释氮肥减氮24.3%或10.8%处理均无显著降低两季小麦产量，进口树脂包膜尿素减氮24.3%处理和国产尿素加NAM减氮10.8%处理也无显著降低两季水稻产量，但是国产尿素加NAM减氮24.3%处理显著降低了第二季水稻产量，国产硫包衣尿素减氮24.3%显著降低了两季水稻产量; 与当地习惯施氮量相比，4个缓释氮肥减氮处理均提高了第一和第二周年氮肥利用率，显著降低了两周年稻田土壤养分氮盈余量，其中国产尿素加NAM减氮24.3%处理氮肥利用率较高，同时土壤氮盈余量较少，说明缓释氮肥减量在提高肥料利用率和降低氮的环境效应上具有一致的优势; 不同缓释氮肥对土壤养分含量的影响无明显规律性。【结论】在目前稻麦轮作体系中，缓释氮肥减施对小麦产量具有较好的稳定效果，但是个别缓释氮肥减施对水稻有减产风险，有必要依据稻田土壤氮素转化特点，研制水稻专用缓释氮肥，适当降低水稻季缓释氮肥的施用量。

稻麦轮作; 缓释肥料; 氮减量; 产量; 土壤养分

缓/控释肥被称为高效兼环境友好的肥料类型，其原理是通过减缓或控制肥料养分在土壤中的转化过程和释放速率，达到养分的释放与作物需求同步，实现高产高效的目的[6-9]。据报道，在多种粮食作物和经济作物上，包括水稻、小麦、玉米、大豆、茶叶、西瓜、烟草、棉花、甜菜、高粱和一些园林植物等，缓/控释肥具有增产、提高肥料利用率和保护生态环境的作用[7-8]。另外，也存在缓/控释肥不增产的观点[7]。目前，缓/控释肥的肥效研究主要集中在单季作物，关于缓/控释肥对周年轮作作物产量和肥料利用率的影响报道较少，多年轮作的报道更少。由于缓/控释肥的养分释放速率低，从而减少了肥料的挥发、淋失和固定[7]。与普通肥料相比，缓/控释肥的肥效时间更长，其肥效在后季作物中也可能进一步发挥。另外，肥料表观利用率低的另一个主要原因是大量的肥料残留在土壤中，未被当季作物吸收利用。实际上这部分残留肥料对作物仍是有效的[10]。因此，研究缓/控释肥对多年轮作体系作物产量和肥料利用率的影响具有重要意义。本研究通过稻麦轮作两周年4季作物的田间小区试验，研究了缓释氮肥减量对稻麦轮作体系中作物产量、氮肥利用率和土壤养分含量的影响，以期为缓释肥在稻麦轮作体系中的应用提供技术支持。

1　材料与方法

1.1供试材料

试验地位于江苏镇江扬中市油坊镇，试验时间为2009年10月至2011年10月。试验地土壤为水稻土，2009年10月试验开始前0—20 cm土层土壤有机质含量31.3 g/kg，碱解氮95.2 mg/kg，Olsen-P 4.13 mg/kg，速效钾95.5 mg/kg，pH 7.82。供试小麦品种为扬麦18，水稻品种为镇稻10号。

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，共设6个处理: 1)不施氮对照(N0); 2)习惯施肥(根据当时农民的习惯施肥量); 3)缓释氮肥处理Ⅰ(20%普通尿素+80%国产硫包衣尿素); 4)缓释氮肥处理Ⅱ(20%普通尿素+80%进口树脂包膜尿素); 5)缓释氮肥处理Ⅲ(普通尿素+0.8%NAM抑制剂，充分混匀); 6)缓释氮肥处理Ⅳ(普通尿素+0.8%NAM抑制剂，充分混匀)。每个处理重复3次。NAM是长效氮肥添加剂，主要成分是硝化抑制剂和脲酶抑制剂。试验各处理具体施肥量见表1。习惯施肥处理按照农民的施肥习惯施肥，氮肥分基肥和追肥多次施用，其它缓释氮肥处理的氮肥进行一次性施肥。小区设计、其他养分施用量、水分和田间管理等具体措施同文献[11]。小区面积为20 m2(2.5 m×8 m)，每小区和区组之间均筑田埂隔离，四周设保护行。麦季采取条播方式精量播种，每小区播种行数、播种量一致。氮肥为普通尿素，磷肥为普钙，钾肥为硫酸钾。稻麦2季磷、钾肥均一次性以基肥施入。麦季氮肥基蘖肥70%，拔节孕穗肥30%(追肥时间分别为2010年4月10日和2011年4月13日); 稻季氮肥基肥40%、蘖肥20%、穗肥25%、粒肥15%，基肥时间分别为2010年6月11日和2011年6月17日，追肥时间分别为2010年6月25日、8月25日、9月10日和2011年6月30日、8月30日、9月12日。小麦季分别于2009年10月12日和2010年10月15日播种，播种量135 kg/hm2，下年6月10日收获。水稻季于5月24日育秧，分别于2010年6月13 日和2011年6月15月移栽，行距30 cm，株距13.5 cm，每公顷24.6万穴。水分及其他田间管理均采用农民常规管理方式。

表1　试验各处理的稻麦轮作周年施肥量情况

注(Note): 减氮(%)和减磷(%)是根据稻麦轮作周年施肥量相对于习惯施肥量计算得出The percentages of N and P reduction are calculated on the basis of annual fertilizer amounts of the accustomed fertilization.

1.3分析项目与方法

土壤有机质用重铬酸钾容量法; 碱解氮用碱解扩散法; Olsen-P用0.5 mol/L (pH 8.5) NaHCO3溶液浸提—钼蓝比色法; 速效钾用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定; 土壤pH用电位法(水土比2.5 ∶1)测定[12]。

1.4数据处理

氮肥利用率(REN，%)=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/施氮量×100;

氮肥农学利用率(AEN，kggrain/kgN)=(施氮区子粒产量-不施氮区子粒产量)/施氮量;

氮肥偏生产力(PFPN，kggrain/kgN)= 施氮区产量/施氮量;

原始“偶像崇拜”是对被赋予神灵意味的象征物的崇拜；新型“偶像崇拜”多是对人的崇拜。随着社会的发展，“偶像崇拜者”已经被“追星族”、“粉丝”等概念代替。本文所探讨的“偶像崇拜”主要是因“明星崇拜”出现的粉丝现象，以及粉丝社群对粉丝形象的重塑。

土壤氮素表观平衡=氮肥投入量-作物收获带走氮量

其中，肥料投入量包括化肥投入量，作物带走的氮量=经济产量×[1-经济产量样品含水量(%)]×经济产量样品的氮含量+废弃物量×[1-废弃物样品含水量(%)]×废弃物样品的氮含量。

试验数据采用SPSS11.5统计软件进行处理，邓肯检验进行多重比较。

2　结果与分析

2.1不同缓释氮肥处理对稻麦产量的影响

表2不同缓释氮肥处理的稻麦各季产量(kg/hm2)

Table 2Seasonal grain yields of different slow-release N fertilizers in the wheat and rice rotation system

处理Treatment20102011小麦Wheat水稻Rice小麦Wheat水稻Rice不施氮N03434b06100c03243b4617dab习惯施肥Customfertilizer6967a10351a07950a9250aab缓释氮肥ⅠSlow-releasefertilizerⅠ6500a09567b07450a8317cab缓释氮肥ⅡSlow-releasefertilizerⅡ6617a09884ab7500a8634abc缓释氮肥ⅢSlow-releasefertilizerⅢ6017a10184a07794a8484bca缓释氮肥ⅣSlow-releasefertilizerⅣ6134a10234a07850a9084abc

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

与习惯施肥相比，2010年和2011年4个缓释氮肥处理对小麦产量均无显著影响(表2)。说明在目前试验条件下，采用缓释氮肥，连续两年减氮24%，不会显著降低小麦产量。水稻与小麦的情况不同，与习惯施肥比较，2010年和2011年缓释氮肥处理Ⅰ的水稻产量显著降低，2011年缓释氮肥处理Ⅲ的水稻产量显著降低，其他缓释肥处理与习惯施氮处理之间无显著差异。缓释氮肥处理Ⅰ是国产硫包衣尿素，缓释氮肥处理Ⅱ为进口树脂包衣尿素，表明进口树脂包衣尿素在水稻上的效果优于国产硫包衣尿素。缓释氮肥处理Ⅲ和Ⅳ均使用普通尿素和NAM添加剂，缓释氮肥处理Ⅲ比缓释氮肥处理Ⅳ减氮量多13.5个百分点，因此在使用NAM添加剂时，过多地降低氮肥用量，也会降低第二季水稻产量。

表3　不同缓释氮肥处理对稻麦周年总产量的影响(kg/hm2)

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.2不同缓释氮肥处理对稻麦轮作周年作物吸氮量和氮肥利用率的影响

第一周年缓释氮肥Ⅱ的氮肥农学利用率显著高于缓释氮肥Ⅳ和习惯施肥处理，其他处理之间差异不显著; 第二周年缓释氮肥处理Ⅱ和Ⅲ的氮肥农学利用率显著高于习惯施肥处理，其他处理之间无显著差异。第一周年缓释氮肥处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的氮素偏生产力均显著高于缓释氮肥Ⅳ和习惯施肥处理，但前三者之间无显著差异，缓释氮肥Ⅳ和习惯施肥处理之间的氮素偏生产力差异不显著。第二周年所有缓释氮肥处理的氮素偏生产力均显著高于习惯施肥处理，缓释氮肥Ⅳ在所有缓释氮肥处理中的氮素偏生产力最低。总体来看，缓释氮肥处理Ⅱ和Ⅲ的氮肥利用率较高，对环境的影响相对较小。2.3不同缓释氮肥处理对第二周年稻麦收获后土壤养分含量的影响

分析不同缓释氮肥处理对第二周年稻麦收获后土壤pH、有机质、碱解氮和有效磷含量的影响(表5、表6)。可以看出，与不施氮处理相比，缓释氮肥处理Ⅰ和Ⅱ显著降低了小麦收获后的土壤pH(表5)，缓释氮肥处理Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ显著降低了水稻收获后的土壤pH(表6)，但是习惯施肥与不施氮处理之间pH无显著差异。这表明缓释氮肥比习惯施肥有加重土壤酸化的趋势，其具体原因尚不清楚。有机质在不同施肥处理之间的差异较小，其中小麦收获后习惯施肥处理和缓释氮肥处理I的土壤有机质含量较低(表5)，水稻收获后不同处理之间土壤有机质含量无显著差异(表6)。小麦收获后，缓释氮肥处理Ⅱ和Ⅲ的土壤碱解氮含量较低，而缓释氮肥处理Ⅳ的土壤碱解氮含量较高，其他处理居中(表5); 水稻收获后，习惯施肥和缓释氮肥处理Ⅰ土壤碱解氮含量显著高于其它处理(表6)。土壤有机质和碱解氮含量一般在长期多年试验条件下才会观察出有规律的变化，目前试验条件下的一些差异可能是因为一些间接原因导致的。与习惯施肥比较，稻、麦两季其他所有处理都显著降低了土壤有效磷含量(表5、表6)，这与这些处理的磷肥施用量较低有关(表1)。结果表明，不同缓释氮肥处理之间在对土壤养分含量的影响方面没有明显规律。

表4　不同缓释氮肥处理对周年吸氮量和氮肥利用率的影响

注(Note): TN—Total amount of N absorption; REN—Recovery efficiency of N; AEN—Agronomic efficiency of N; PFPN—Partial factor productivity of N. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

表5　不同缓释氮肥处理对第2周年小麦收获后土壤养分的影响

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.4不同缓释氮肥处理对稻麦轮作周年土壤养分表观平衡的影响

土壤养分表观平衡是衡量施肥状况的指标之一。通过对不同缓释氮肥处理二周年稻麦轮作的氮累积投入和作物氮携出的差值来计算土壤养分和表观平衡(表7)。可以看出，除不施氮处理氮亏缺外，其余处理均表现为氮盈余。其中习惯施肥处理的氮盈余量均显著高于其他缓释肥处理。缓释肥处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的氮盈余量无显著差异，缓释肥处理Ⅲ的氮盈余量显著低于缓释肥处理Ⅰ和Ⅳ。缓释肥处理Ⅲ的氮盈余量与Ⅱ无显著差异。说明4种缓释氮肥中缓释氮肥处理Ⅲ(普通尿素+0.8%NAM抑制剂，充分混匀)有利于作物吸收氮，使氮养分盈余更少，可减少对土壤环境的不良影响。

3　讨论

表6　不同缓释氮肥处理对第2周年水稻收获后土壤养分的影响

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

表7　小麦和水稻轮作2周年氮养分表观平衡(kg/hm2)

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

两季小麦产量在4个缓释氮肥之间均无显著差异，但是两季水稻产量在4个缓释氮肥之间具有显著差异。对于包膜肥料来说，国产硫包衣尿素(缓释氮肥处理Ⅰ)降低了第一季水稻产量，而树脂包膜尿素(缓释氮肥处理Ⅱ)没有降低第一季水稻产量，说明后者在水稻上效果优于前者。因此，选择合适的包膜材料对于水稻产量至关重要。关于NAM(主要成分为硝化抑制剂和脲酶抑制剂)的效果，减氮24.3%的缓释氮肥处理Ⅲ降低了第二季水稻产量，而减氮10.8%的缓释氮肥处理Ⅳ没有明显降低第二季水稻产量，二者均添加了0.8%的 NAM，说明前者供应的氮不能满足水稻生长。因此，添加NAM时，过量减氮会造成水稻减产。以前大量研究结果表明，缓释或控释氮肥在单季水稻上能够增产，减少氮的损失，提高氮肥利用率[7-8, 20-25]。但是，该稻麦两周年试验结果说明不同的缓释氮肥类型在水稻上的肥效不一样，有些缓释肥存在减产的风险，应该区别对待。另外，以前的研究大都比较了等氮量的控释肥与普通尿素之间肥效的差异。然而，由于缓/控释氮肥成本一般高于普通尿素，所以即使等氮量的缓/控释肥在水稻上的肥效高于普通尿素，在实际中也会因为价格原因推广起来较为困难。由于稻田土壤本身淹水，硝化能力比较弱，再加上水稻苗期需要充足的氮肥来促进分蘖，所以研究者认为水稻缓/控释氮肥在苗期的氮素释放速率不能过低，否则会引起苗期氮素供应不足，限制水稻苗期早发或分蘖，最终有可能导致减产。根据以上不同缓释肥对产量的影响，结合肥料利用率和土壤养分平衡结果进行综合分析，认为进口树脂包膜尿素减氮24.3%和国产尿素加NAM(主要成分为硝化抑制剂和脲酶抑制剂)减氮10.8%，在保持稻麦轮作中的作物产量、提高氮肥利用率和减少氮的损失方面具有一定优势。

4　结论

1)4种缓释氮肥减施24.3%或10.8%均没有降低两季小麦的产量，4种缓释氮肥适合于该区域稻麦轮作体系中在小麦季施用，实现“不降低小麦产量下降低施氮量”的目的，但是能否长期减量，仍值得进一步研究。

2)不同类型缓释氮肥减施对水稻产量影响存在差异。其中进口树脂包膜尿素减氮24.3%和国产尿素加NAM(长效氮肥添加剂)减氮10.8%没有降低两季水稻产量，但是国产硫包衣尿素和国产尿素加NAM减氮24.3%两个处理降低了水稻产量。因此，选择适宜的缓释氮肥，对于稻麦轮作体系水稻季缓释肥减施技术非常关键，不适宜的缓释氮肥减施对水稻有减产的风险。

3)虽然不同缓释氮肥减施在产量效应上存在差异，但是与习惯施氮相比，均提高了第一和第二周年的氮肥利用率，降低了氮在土壤中的残留，说明缓释氮肥在提高肥料利用率和降低氮的环境效应上具有一定的优势。

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Effects of slow-released nitrogen fertilizers with different application patterns on crop yields and nitrogen fertilizer use efficiency in rice-wheat rotation system

XU Xian-ju, MA Hong-bo, NING Yun-wang, WANG Ji-dong, ZHANG Yong-chun*

(InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences/ScientificObservingandExperimentalStationofArableLandConservation(Jiangsu),MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

【Objectives】Rice-wheat rotation is one of the most important agricultural cultivation systems in China where large amounts of fertilizer are applied. Yield increases of rice and wheat, decrease of fertilizer application amount, and increase of fertilizer use efficiency can benefit from research on application patterns and methods of various fertilizers in such rice-wheat rotation regions. Slow-released fertilizers as nutrient-efficient and environment-friendly fertilizers have been extensively reported to function in increasing yields and fertilizer use efficiencies in various crop species. However, less attention is paid to effects of slow-released fertilizers in crop rotation system, especially rice-wheat rotation system which is the most important rotation system in southern China. 【Methods】Here, the effects of different slow-released fertilizers on the yields of rice and wheat, the use efficiency of nitrogen fertilizer, the contents of soil nutrients, and the soil nitrogen balance were studied through a two-year field plot experiment of the rice-wheat rotation. There were six experimental treatments including no nitrogen, custom fertilizer, slow-release fertilizer Ⅰ (20% common urea + 80% sulfur coated urea), slow-release fertilizer Ⅱ (20% common urea + 80% polymer coated urea), slow-release fertilizer Ⅲ (common urea + 0.8% NAM) and slow-release fertilizer Ⅳ (common urea + 0.8% NAM). Among them, the nitrogen application amounts of the slow-release fertilizer Ⅰ, slow-release fertilizer Ⅱ and slow-release fertilizer Ⅲ were reduced by 24.3%, and the nitrogen application amount of slow-release fertilizer Ⅳ was reduced by 10.8%. 【Results】Compared with the no nitrogen application, all treatments with the nitrogen application increase the yields of wheat and rice in every year. Among these treatments, the custom fertilizer shows the highest yield increases. The effects of the fertilizer are more significant on wheat than on rice and in the second year than in the first year. Compared with the accustomed fertilization application, the decreases of the N application by 24.3% or 10.8% do not decrease wheat yields in two seasons for all investigated slow-released fertilizers, and the reductions of the nitrogen application by 24.3% using polymer coated urea and by 10.8% using common urea + NAM also do not decrease rice yields in two seasons. However, when the N application of slow-released fertilizers is reduced by 24.3%, the rice yields are decreased in the second season using the common urea + NAM, and in two seasons using the sulfur coated urea. The nitrogen fertilizer use efficiencies of all investigated slow-released fertilizers are higher than those of the accustomed fertilization application, and at the same time, there is less soil remaining nitrogen in the all treatments of the slow-release fertilizers compared with the accustomed fertilization application. Among 4 slow-release fertilizers, the slow-release fertilizer Ⅲ shows higher nitrogen fertilizer use efficiency and less soil remaining nitrogen, indicating its potential in the rice-wheat rotation system for increasing nitrogen use efficiency and decreasing nitrogen loss. No obvious change patterns are found in the effects of different slow-released fertilizers on soil nutrient contents.【Conclusions】These results suggest that, in the present condition of the rice-wheat rotation system, the slow-released fertilizers exhibit better effects on wheat than on rice, as the reduction of N application amount for some slow-released fertilizers decreases rice yields. Thus, it seems necessary to research and develop the specific slow-released fertilizers suitable for rice.

rice-wheat rotation; slow-released fertilizer; N reduction; yield; soil nutrients

2014-09-28接受日期: 2015-01-26网络出版日期: 2015-07-17

江苏省农业科技自主创新引导资金项目[CX(15)1004]; 公益性行业(农业)科研专项(201003014-1-2); 国家自然科学基金项目(41201278); 上海市科学技术委员会科研计划项目(14395810602)资助。

许仙菊(1976—)，女，山西绛县人，博士，副研究员，主要从事土壤质量管理方面的研究。

Tel: 025-84391171, E-mail: xuxianju76@163.com。 *通信作者Tel: 025-84390242, E-mail: yczhang66@sina.com

S344.1; S145.6

A

1008-505X(2016)02-0307-10