氮肥统筹对麦玉周年产量及氮肥利用效率的影响

韩小伟 高英波 张慧 薛艳芳 钱欣

摘要：为进一步提高麦玉周年产量及氮肥利用效率，探讨麦玉周年氮素分配比例，以玉米品种郑单958和小麦品种济麦22为供试材料，采用裂区设计研究周年氮素分配比例（4∶6、5∶5和6∶4）及肥料种类（树脂包膜尿素、脲酶抑制剂型肥料和脲甲醛型肥料）对麦玉周年产量及氮肥利用效率的影响。结果表明，麦玉周年氮素分配比例为5∶5时效果较好，较4∶6和6∶4处理，麦玉周年产量分别提高1.3%和3.8%，氮素积累量分别提高8.0%和8.6%，氮肥表观利用率分别提高23.6%和25.8%，氮肥农学利用率分别提高8.8%和26.5%，氮肥偏生产力分别提高1.5%和3.7%。施肥种类对麦玉周年产量、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率的影响均以树脂包膜尿素较高，但各处理间无显著性差异。

关键词：麦玉周年产量;氮素分配比例;氮肥种类;氮素利用效率

中图分类号：S512.106+S513.06文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）04-0079-06

Abstract In order to further improve the annual yield and nitrogen use efficiency and explore the nitrogen allocation ratios of wheat and maize， the maize variety Zhengdan 958 and wheat variety Jimai 22 were used to study the effects of annual nitrogen allocation ratio （4∶6， 5∶5 and 6∶4） and fertilizer types （resin coated urea， urease inhibitory fertilizer， urea-formaldehyde fertilizer） on their annual yields and nitrogen use efficiency by split plot design. The results showed that the annual nitrogen allocation ratio as 5∶5 of wheat and maize had the best effect. Compared with the ratios of 4∶6 and 6∶4， the annual yield of wheat and maize increased by 1.3% and 3.8%， the nitrogen accumulation amounts increased by 8.0% and 8.6%， the nitrogen fertilizer utilization efficiencies increased by 23.6% and 25.8%， the nitrogen agronomic utilization efficiencies increased by 8.8% and 26.5%， and the nitrogen fertilizer partial productivities increased by 1.5% and 3.7%， respectively. Resin-coated urea was the most suitable fertilizer for annual yield， nitrogen fertilizer partial productivities，nitrogen agronomic utilization efficiency of wheat and maize， but there were no significant differences among the treatments.

Keywords Annual yield of wheat and maize; Nitrogen allocation ratio; Nitrogen fertilizer type; Nitrogen use efficiency

氮素是影響作物产量和品质的最关键营养元素[1]。中国是全球最大的氮肥生产国和消费国，2017年尿素产量和消费量分别高达5 340×104 t和4 886×104 t，预计到 2050 年会占世界消费量的一半以上[2]，单位面积农田每年氮肥施用量约是世界平均施用量的4倍[3]。但我国农业生产氮肥利用率仅为25%～30%，而同期世界平均水平约为42%[4]。冬小麦—夏玉米轮作是华北平原典型的种植制度，由于现实生产中传统的生产观念及种植习惯导致农民不能根据冬小麦—夏玉米养分需求规律进行科学施肥[5]。冬小麦、夏玉米两季氮肥管理上存在很大的随意性，缺乏周年氮肥统筹观念，造成单季作物或周年氮肥施用过量、分配比例不合理等问题，致使氮素过量盈余且利用效率不高[6]。1997—2007年农户调研数据表明，华北平原冬小麦生产中农民习惯的氮肥用量高于 300 kg/hm2，夏玉米氮肥施用量 200 kg/hm2左右，而冬小麦和夏玉米单季作物氮的吸收量仅在160 kg/hm2左右[7]，导致该地区的氮肥盈余高达 227 kg/hm2[8]。同时，氮肥的大量使用和流失造成了一系列严重的环境问题，如土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放增加等[9-11]。近年来，以提高氮素养分利用效率为目标的绿色增产增效技术已成为粮食作物领域的研究热点和突破口[12]。因此，有必要统筹考虑冬小麦—夏玉米周年轮作种植制度下的氮肥管理，进一步研究其合理的作物间氮素分配比例及其调控措施，有助于提高粮食作物产量和氮素利用效率，并对发展主要粮食作物绿色增产增效技术具有重要指导作用。

前人从氮肥总用量、施氮时期、周年氮素分配比例等单季或周年氮肥运筹对作物产量、氮肥利用效率、氮盈余等方面作了诸多研究[6， 13， 14]。薛泽民等[15]研究认为冬小麦—夏玉米轮作体系下，总氮量为420 kg/hm2时冬小麦、夏玉米氮素分配比例为55∶45产量和净收益最高。张宏等[16]研究认为冬小麦—夏玉米轮作体系下，冬小麦、夏玉米分别施氮120 kg/hm2和240 kg/hm2，即冬小麦轻、夏玉米重的氮肥分配方式，作物产量及氮肥利用效率相对较高。黄立梅等[17]研究认为，冬小麦、夏玉米分别施氮300 kg/hm2和225 kg/hm2，即冬小麦重、夏玉米轻的氮肥分配方式，作物产量及经济效益相对较高。大多数研究局限于氮肥用量或施肥方式等单因素或多因素对单季或周年作物的影响，把周年氮素分配比例与氮肥种类综合考虑的研究相对较少。据此，本试验特就冬小麦、夏玉米轮作种植制度下合理的氮素分配比例及适宜的肥料种类对麦玉周年产量及氮肥利用率的影响进行研究，以期为冬小麦—夏玉米周年增产增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年和2018年在山东省农业科学院玉米研究所章丘龙山试验基地（117°32′E，36°43′N）和小麦玉米国家工程实验室进行。试验基地位于华北平原冬小麦、夏玉米一年两熟种植区，该区域年均降水量为693.4 mm，年均气温为13.6℃，年均日照时数2 558.3 h，无霜期209 d，土壤类型为棕壤。试验地0～40 cm土层基础地力：有机质含量15.0 g/kg，碱解氮58.8 mg/kg，速效磷39.0 mg/kg，速效钾120.0 mg/kg，其pH值7.9。

1.2 试验设计

供试材料：玉米品种郑单958，小麦品种济麦22。

采用裂区设计（表1），设置空白区（CK），主处理为小麦季与玉米季氮素分配比例，分别为：4∶6、5∶5、6∶4;副处理为玉米季肥料类型，树脂包膜尿素（N-P2O5-K2O=28-8-8）、脲酶抑制剂型肥料（N-P2O5-K2O=26-11-11）、脲甲醛型肥料（N-P2O5-K2O=26-6-8）。随机区组排列，重复3次。小区面积5 m×6 m=30 m2。小麦季氮肥统一施用尿素。玉米季氮肥均做种肥施入，小麦季依照基追比例2∶3分别做基肥、返青追肥施入。周年氮肥总用量为480 kg/hm2，小麦、玉米季均基施P2O5 120 kg/hm2（过磷酸钙）、K2O 120 kg/hm2（硫酸钾）。玉米种植密度为60 000株/hm2，小麦播种量为165 kg/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株样品采集与测定 夏玉米于成熟期取样，每小区选取3株长势一致的植株。冬小麦于成熟期取样，每小区选取0.3 m2长势一致的植株。

植株样品在105℃条件下杀青20 min，75℃下烘干至恒重，称量其干物质重;粉碎后，采用浓硫酸消煮，利用凯氏定氮法[18]测定各器官含氮量。

1.3.2 收获和测产 冬小麦田间测产：成熟期随机选取有代表性小麦2.2 m2进行脱粒计产;每小区选取有代表性麦穗0.5 m2，调查其成穗数，另取长势一致的20穗，调查其穗粒数。脱粒后晾干数200粒称重，换算成千粒重，重复3次。

夏玉米田间测产和室内考种：成熟期每个小区取2行，调查穗数;后将其2行收获装袋，脱粒称重，并换算为14%标准含水量产量。用均重法取10穗，测其穗行数、行粒数，称千粒重等。

1.3.3 相关指标的计算 植株氮素积累量（kg/hm2）=干物质积累量×植株氮浓度;氮肥表观利用率（NUE，%）=（施氮区氮积累量-无氮区氮积累量）/施氮量×100;氮肥偏生产力（PFP，kg/kg）=籽粒产量/施氮量;氮肥农学效率（NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量）/施氮量。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016处理数据，采用SPSS 23.0软件进行数据分析，并用Duncans法进行多重比较（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮肥统筹对麦玉周年产量的影响

由表2看出，麦玉周年氮素分配比例为5∶5时，周年产量最高，较N6∶4处理显著提高3.8%较N4∶6提高1.3%。小麦季，麦玉周年氮素分配比例为6∶4时产量最高，较N4∶6处理显著提高7.3%。玉米季，麦玉周年氮素分配比例为5∶5时产量最高，較N6∶4处理显著提高8.6%。树脂包膜尿素对夏玉米及周年产量影响均高于其它两种肥料，但各处理间无显著性差异。表明麦玉周年产量之间差异主要由氮素分配比例所引起;当氮素分配比例为5∶5时，麦玉周年产量最高。

2.2 氮肥统筹对冬小麦、夏玉米产量构成因素的影响

由表3可知，小麦公顷穗数和穗粒数均以N6∶4处理最多，较N4∶6和N5∶5处理，穗数分别提高0.2%和0.5%，穗粒数均提高5.3%，各处理间无显著性差异。玉米公顷穗数以N5∶5最多，较N4∶6和N6∶4处理分别提高 1.1%和2.4%;穗粒数、千粒重均随施氮量的增加而增加，N4∶6处理较N5∶5和N6∶4处理相比，穗粒数分别提高1.0%和5.3%，千粒重分别提高2.1%和2.9%，且穗数、千粒重差异不显著，穗粒数N4∶6与N6∶4处理差异显著。肥料种类对夏玉米产量构成因素影响均无显著性差异。

2.3 氮肥统筹对麦玉周年氮素积累量的影响

由表4可知，麦玉氮素分配比例为5∶5时，周年氮素积累量最高，较N4∶6和N6∶4分别显著提高8.0%和8.6%。小麦季，氮素积累量随施氮量增加而增加，以N6∶4最优，较N4∶6显著提高25.2%;玉米季，氮素积累量随施氮量的增加而增加，以N4∶6最优，较N6∶4显著提高21.8%。表明无论是小麦还是玉米施氮均能够增加其植株氮素积累量，且周年氮素积累之间差异主要由氮素分配比例所引起;当氮素分配比例为5∶5时，周年氮素积累量最高。脲酶抑制剂型肥料对夏玉米及周年作物氮素积累量的影响均高于其它两种肥料，但各处理间无显著性差异。

2.4 氮肥统筹对麦玉周年氮素利用率的影响

由表5可知，麦玉氮素分配比例为5∶5时，周年氮肥表观利用率（NUE）、氮肥农学利用率（NAE）及氮肥偏生产力（PFP）均最高，与N4∶6和N6∶4处理比较，麦玉周年氮肥表观利用效率分别提高23.6%和25.8%，氮肥农学利用率分别提高8.8%和26.5%，氮肥偏生产力分别提高1.5%和3.7%。肥料种类之间对麦玉周年氮肥利用效率的影响均无显著性差异。

3 讨论与结论

在农田生态系统中，水、气、热及栽培措施等因素将会直接影响作物生长发育，当以上因素相对一致情况下，肥料种类及投入不同将会对作物起关键性作用，而当肥料总量控制不变情况下，周年氮素分配同样会对作物产量及氮效率产生影响[19]。本研究表明在控制总施氮量（480 kg/hm2）条件下，氮素分配比例不同会影响麦玉周年产量和氮肥效率。麦玉周年氮素分配比例为5∶5时，周年作物产量最高，较N4∶6和N6∶4分别提高 1.3%和3.8%，且氮素利用效率相对较高。

前人研究表明，施氮量與小麦、玉米产量呈二次函数关系，当超过临界值时，籽粒产量不增反减;在一定施氮范围内，植株吸氮量与施氮量呈正相关[20-22]。在不同栽培措施、品种、地力条件下，小麦施氮范围应控制在150～240 kg/hm2[23， 24]。本研究显示在施氮 0～240 kg/hm2范围内，产量及氮肥表观利用率随施氮量的增加而增加;当施氮量超过240 kg/hm2时，产量及氮肥表观利用率增加不显著，而氮肥农学利用率及偏生产力相对较低，不利于氮素有效利用。夏玉米高产田最佳施氮量应控制在240～300 kg/hm2之间，产量及氮肥利用率相对较高[25-27]，与其结果相似。但也有研究认为夏玉米施氮量应控制在200 kg/hm2以内[28， 29]。本研究显示施氮量为240 kg/hm2时，玉米产量及氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力相对较高。与前人研究结果有所异同，可能与栽培措施、地力条件、品种等有主要关系。

前人研究发现，周年氮素总量在600、450、240 kg/hm2条件下，且冬小麦—夏玉米氮素分配比例为5∶5时，周年作物产量和氮肥利用效率均相对较高[22， 30， 31]。但也有研究认为总氮量在420 kg/hm2条件下，且小麦玉米分配比例为55∶45或4∶3时，周年产量及氮肥利用效率最高[15， 32]。本研究表明在氮肥总量（480 kg/hm2）不变条件下，统筹兼顾麦玉周年产量及氮效率，确定最佳氮素分配比例为5∶5。本研究中所设氮素分配比例处理较少，如进一步细化氮素分配比例范围，增加试验处理，结果可能有所不同。氮肥用量及周年氮素分配比例存在互作效应，应统筹考虑，才能保障作物高产高效。

不同类型肥料释放规律不同：树脂包膜尿素能够根据作物生长规律，设定其释放速率，以此来保证植物养分供应;脲酶抑制剂型肥料由于受到脲酶活性抑制，水解速度减缓，从而达到缓释效果;脲甲醛型肥料是尿素与甲醛反应生成的聚合物，肥效较其它两种肥料相对持久[33-35]。周丽平等[36]研究认为氮肥进行缓控释处理在一定程度上能够提高玉米产量及氮肥利用效率，其中树脂包膜尿素较脲甲醛型肥料处理玉米产量及氮肥利用效率相对较高。李玥[37]研究认为树脂包膜尿素对水稻产量的影响要好于硝化抑制剂包膜尿素。本研究认为玉米季及周年作物产量、氮肥偏生产力及氮肥农学效率方面以树脂包膜尿素最优，氮肥表观利用率以脲酶抑制剂型肥料最优。由于环境、肥料制作工艺、氮肥用量等方面的不同，可能导致其结果有所差异，对此有待进一步探讨。

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