氮肥种类及用量对旱地玉米肥料利用率和产量的影响

2019-12-18陶梦慧乌日力格王英杰

土壤与作物 2019年4期

陶梦慧乌日力格王英杰

(1.兴安盟农牧业科学研究所，内蒙古乌兰浩特 137400； 2.科尔沁右翼前旗农牧业和科学技术局农业技术推广中心，内蒙古科右前旗 137700)

0 引言

玉米是我国东部地区的主要粮食作物之一，种植面积和总产量均居于粮食作物的首位。玉米是一种需要养分多[1]，需肥量较大且以氮、磷、钾为主的作物，但由于其耐肥性强，肥料使用量以及施肥方式的不合理，导致肥料利用率低[2]，养分资源浪费，土壤肥力下降。因此，掌握玉米施肥规律对提高玉米产量具有重要意义。氮肥的合理施用有利于减少氮素损失而且提高玉米对氮素的吸收和利用。最近几年，虽然田间施用氮素量不断增加，但玉米产量并未增长趋势且氮肥利用效率大幅度下降。研究表明，在田间合理氮素限制条件下的玉米产量是提高玉米氮肥效率的根本途径[3-4]。氮磷钾肥配比及其施用量与玉米产量及化肥利用率之间的相互关系是当前的研究热点[5-12]，所以明确氮、磷和钾养分利用率与肥料施用量之间的关系是实现肥料减量及玉米产量增效的基础[13-17]。

缓释尿素作为轻简施肥及减量施肥的肥料,可以满足作物养分需求规律，作物高产的保证[18]。缓释氮肥具有增强植株氮素吸收利用和产量形成的效果，它通过相对缓慢释放肥效使玉米增产10%以上[19-21]。普通氮肥施入土壤后短期内可以溶解，但却不能全部被植物吸收利用[22]，普通氮肥主要为速溶性肥料，导致氮肥利用率较低[23]。缓释肥料是协调植物养分需求且保障养分供给和提高作物产量的一个新型肥料。它采用各种机制延缓或者控制养分的释放且使肥料养分释放时间和强度与作物养分吸收规律相吻合的一种肥料[24]。缓释肥料不仅降低氮素损失，而且提高氮肥利用率和促进作物生长及作物产量的有效途径[25-27]。缓释尿素对旱地玉米产量、干物质积累量及叶面积指数的影响也能直接影响到籽粒产量[28]。叶面积指数是反映玉米光合能力的重要指标之一[29-31]，叶面积指数能避免玉米叶片和植株间的相互遮蔽而能够创造出通风透光好的环境能够保证光热资源的有效利用，从而促进有机产物的积累和增产作用[32-33]。王庆成等[34]研究表明，干物质产量的积累是形成较高的籽粒产量的途径之一，是形成产量的物质基础。因此配施缓释肥料技术的研究与应用对于我国东部地区绿色农业的发展具有重要意义。

兴安盟地区属于半干旱气候，坡耕地面积大，为典型旱作农业区；尤其是近几年由于降水偏少，气象干旱趋于严重。玉米是兴安盟地区的主要粮食作物，随着土壤肥力的下降玉米产量的提高受到了限制。因此，如何有效增产是旱地玉米种植业中需要解决的问题之一。通过对普通半膜覆种植方式的改进，形成了垄沟集雨的种植方式，即通过地面垄沟状微地形，有效收集玉米生育期间降雨，同时降低蒸发量，提高水肥利用效率，进而提升玉米产量[35]。本研究基于全覆膜垄沟集雨玉米旱作模式，系统研究了不同施肥措施对玉米不同生育期植株氮、磷和钾主要养分的吸收及其产量的影响，旨在为兴安盟地区全覆膜垄沟集雨旱地玉米高产增效技术的建立和推广应用提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2015-2016年在兴安盟农牧业科学院试验基地(227°03′E，46°05′N)进行。土壤类型为栗钙土，pH为8.40，有机质为31.2 g·kg-1，全氮为1.45 g·kg-1，全磷为1.12 g·kg-1，碱解氮为54.7 mg·kg-1，速效磷为7.52 mg·kg-1，速效钾为46.8 mg·kg-1。由2015-2016年兴安盟气象资料分析可知(表1)。试验期间玉米生长季内，降水主要集中在7～8月份，年降雨量在450 mm左右，比历年平均值减少了61.4%。

供试玉米品种为先玉335，N肥使用的是普通尿素(含氮量为46.4%)、缓释尿素(含氮量为44%)和磷酸二铵(P2O5含量为45%、含氮量为16%)；磷肥为三料磷酸钙(P2O5含量为43%)，K肥为氯化钾(K2O:60%)。磷酸二铵(N-P2O-K2O:16-45-0)生产家为安徽六国化工股份有限公司；普通尿素(氮含量≥46.4%)和缓释尿素(含氮量为44%)生产家为内蒙古鄂尔多斯联合化工有限公司；氯化钾(K2O≥60%)生产家为二连浩特市天宇商贸有限责任公司；过磷酸钙(有效磷P2O5≥43%)生产家为云南云天化国际化工股份有限公司。

表1 2015-2016年气象资料Table 1 Meteorological data in 2015～2016

注：“+”代表当年比历年平均值的增加值，“-”代表当年比历年平均值的减少值。

Note:“+” and “-”indicates the study year value increase or decrease than annual average,respectivity.

1.2 试验设计

试验设有8个处理，每个处理30 m2(6.25 m×4.8 m)，3个重复。8个处理详见表2。玉米播种密度6.75万株·hm-2，行距60 cm，株距25 cm。采用行距开沟施肥，坐水人工点播。每年5月1日～5日施肥、浇水、播种、覆膜同步进行。

1.3 试验方法

在玉米生育期内的苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期，每个小区随机取5株，测定株高、茎粗和叶面积指数，同时按照根、茎和叶等器官分开，并测定鲜重和干物质重量。成熟后每个小区收获 7.5 m2(每小区两行)进行测产。

表2 施肥处理设计表Table 2 Design of fertilization treatments

土壤全氮测定方法：半微量开氏法；土壤全磷测定方法：NaOH熔融—钼锑抗比色法；土壤全钾测定方法：NaOH熔融，火焰光度法；植物全氮测定方法：H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法；植物全磷测定方法：H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法；植物全钾测定方法：H2SO4-H2O2消煮，火焰光度计法；有机质含量测定方法：重铬酸钾法；碱解氮含量测定方法：碱解扩散法；速效磷含量测定方法： 0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量测定方法：NH4OAc浸提-火焰光度法[36]；

单位面积需要的施肥量采用公式：

计划产量施肥量=(计划产量需养量-土壤供养量)/(肥料含养量×肥料养分利用率)

肥料农学效率AE=(Yf-Y0)/F

式中：AE是指肥料农学效率；Yf为某一特定的化肥施用下作物的经济产量；Y0为对照(不施特定化肥条件下)作物的经济产量；F为肥料纯养分(是指N、P2O5和K2O)投入量；

养分吸收量=(玉米籽粒产量×玉米籽粒养分(氮、磷、钾)含量系数+玉米秸秆产量×玉米秸秆养分(氮磷钾)含量系数)

肥料利用率RU=(U1-U0)/F×100%

式中：RE为肥料利用率；U1、U0分别为施肥区与缺素区作物吸收的养分量；F为肥料养分(指N、P2O5、K2O)投入量[37]。

统计分析(方差分析)采用SAS 9.2软件，Microsoft Excel 2007 对数据进行整理、作图与分析。

2 试验结果与分析

2.1 产量分析

2015-2016年不同肥料处理玉米籽粒产量差异显著(P<0.05)(表3)，配施缓释尿素处理的玉米籽粒产量普遍高于其它施肥处理。2015年，不同施肥处理玉米籽粒产量最高为处理NPK3，产量为10.1 t·hm-2，比CK产量高2.44 t·hm-2，增产率为31.9%；处理NPK2玉米籽粒产量为其次，产量为9.93 t·hm-2，比CK产量高2.27 t·hm-2，增产率为29.6%。2016年，不同施肥处理玉米籽粒产量处理NPK3为最高，为7.20 t·hm-2，比CK增产1.83 t·hm-2，增产率为34.1%；其次为处理NPK2，产量为7.07 t·hm-2，比CK高1.70 t·hm-2，增产率为31.7%。处理NPK4籽粒产量为6.74 t·hm-2，比CK增产1.37 t·hm-2，增产率为25.5%。

表3 2015-2016年不同施肥处理对玉米籽粒产量的影响Table 3 The effects of different fertilizations on maize grain yields in 2015-2016

注：不同小写字母代表同一时期不同处理在 0.05 水平上差异显著。下同。

Note: Different small letters indicate significant differences among treatments at the same stage at 0.05 level.The same is as below.

2.2 植株形态特性分析

各生理时期两年平均叶面积指数均有显著差异(P<0.05)，抽雄期叶面积指数平均最高，其次为灌浆期叶面积指数>成熟期叶面积指数>大喇叭口期叶面积指数>拔节期叶面积指数(表4)。配施缓释尿素处理NPK3和处理NPK4的叶面积指数普遍高于其它处理叶面积指数。

表4 各生育期不同施肥处理叶面积指数变化Table 4 The leaf area index with different fertilizations at different growth stages

2.3 玉米各器官干物质累积量及其吸收养分含量

成熟期籽粒氮磷钾含量差异均显著(P<0.05)(表5)，配施缓释尿素处理成熟期叶氮磷钾含量和籽粒氮磷钾含量均高于其他施肥处理的氮磷钾含量。配施缓释尿素处理(NPK2、NPK3和NPK4)氮含量平均值为65.2 g·hm-2，其它施肥处理氮含量平均值(NP、NK、PK和NPK1)为40.8 g·hm-2；配施缓释尿素处理磷含量平均值为25.5 g·hm-2，其它施肥处理磷含量平均值为14.5 g·hm-2；配施缓释尿素处理钾含量平均值为62.9 g·hm-2，其它施肥处理钾含量平均值为33.3 g·hm-2。成熟期叶片氮磷钾含量差异均显著(P<0.05)(表5)，配施缓释尿素处理(NPK2、NPK3和NPK4)氮含量平均值为36.8 g·hm-2，其它施肥氮含量处理平均值(NP、NK、PK和NPK1)为22.9 g·hm-2；配施缓释尿素处理磷含量平均值为19.2 g·hm-2，其它施肥处理磷含量平均值为6.91 g·hm-2；配施缓释尿素处理钾含量平均值为170 g·hm-2，其它施肥处理钾含量平均值为96.6 g·hm-2。说明配施缓释尿素不仅提高叶面积指数还提高籽粒及营养器官氮磷钾含量。

从表5可以看出，成熟期籽粒氮含量处理NPK3的值为最高，处理NPK3的农学效率及肥料利用率值也为最高(表6-8)。表明配施缓释尿素处理随着叶和籽粒氮磷钾含量的增高农学效率及肥料利用率也提高。

表5 成熟期叶和籽粒氮磷钾含量(g·hm-2)Table 5 Nitrogen,phosphorus and potassium contents in leaves and seeds at maturing stage

2015-2016两年的干物质积累平均量均有显著差异(P<0.05)，处理NPK3的植株干物质累积量及分配比例略高于其它处理，叶(包括叶鞘)干物质累积量范围为41.1～96.1 g·株-1，分配比例范围为拔节期45.9%～52.2%，大喇叭口期44.2%～49.4%，抽雄期45.7%～50.3%，灌浆期31.2%～37.5%，成熟期32.2%～34.9%(图1)。

茎干物质累积量范围为49.7～100 g·株-1，分配比例范围为拔节期47.8%～54.1%，大喇叭口期50.2%～55.9%，抽雄期49.7%～54.3%，灌浆期28.8%～34.538%，成熟期25.7%～33.2%(图2)。

灌浆期籽粒干重为72.1～98.1 g·株-1，灌浆期分配比例范围为30.6%～38.7%，成熟期籽粒干重为71.0～127 g·株-1，成熟期分配比例范围为31.9%～41.9%(图3)。

2.4 肥料农学效率和肥料利用率分析

不同施肥处理氮的农学效率变幅为4.10～16.2 kg·kg-1(表6)，处理NPK3的农学效率值略高于其它处理，其氮的农学效率值为16.2 kg·kg-1。不同施肥处理磷和钾的农学效率处理NPK2值均高于其它处理值，磷(P2O5)的农学效率值为13.4 kg·kg-1，钾(K2O)的农学效率值为21.1 kg·kg-1。

图2 2015年-2016年各生育期不同施肥处理茎干物质积累量变化Fig.2 The stem dry matter accumulations with different fertilizations at different growth stages in 2015-2016

图3 2015年-2016年各生育期不同施肥处理籽粒干物质积累量变化Fig.3 The seed dry matter accumulations with different fertilizations at different growth stages in 2015-2016

表6 不同施肥处理下氮、磷、钾的农学效率(kg·kg-1)Table 6 Agronomic efficiency of nitrogen,phosphorus and potassium with different fertilizations

不同施肥处理氮和磷的养分吸收量处理NPK3的值略高于其它处理(表7)；钾的养分吸收量处理NPK2的值略高于其它处理。从肥料利用率可以看出(表8)，配施缓释尿素处理氮肥利用率值高于普通尿素处理。磷肥利用率和钾肥利用率随着氮肥利用率的提高而提高。处理NPK3的氮、磷、钾的肥料利用率均高于其它处理。氮肥利用率值为5.90%～42.1%，均值为21.0%，以NPK3处理氮肥利用率最高为42.1% ，处理NP氮肥利用率最低为5.90%，说明适当添加缓释尿素即有利于氮肥利用率的提高，又能兼顾作物产量。磷肥利用率值为4.00%～23.4%，钾肥利用率值为 32.8%～51.2%。

表7 不同肥料处理下氮、磷、钾的养分吸收量(kg·hm-2)Table 7 The nutrient uptakes of nitrogen,phosphorus and potassium with different fertilizations

表8 不同肥料处理下氮、磷、钾的肥料利用率(%)Table 8 The utilization rates of nitrogen,phosphorus and potassium with different fertilizations

3 讨论

刘志琴[38]研究认为，玉米的株高、茎粗、穗位高和穗长值低的主要原因是缺氮，氮是作物生长必需的矿物质营养元素[39]，玉米对氮元素需求量比其它任何元素都多，玉米生长初期缺氮时植株生长缓慢呈绿黄色；生长中期缺氮时植株呈黄色且下部叶片开始干枯，随后植株从叶尖到中脉致全部干枯，从而影响籽粒产量[40]。

本研究中处理磷钾的籽粒产量和干物质积累量均低于其它处理(图1-图3)，这与朱广锋等[41]、黄丽达等[42]的无氮区由于后期供氮不足出现早衰，提早成熟而影响产量趋势是一致的。从氮肥利用率的角度分析，氮肥利用率是作物吸收利用氮肥的主要指标，反应植物体内养分的利用效应[43]。本研究中各处理氮肥利用率范围为5.90%～42.2%，稍微大于赵营等报道的氮肥利用率9.2%～22.6%[6]，这可能由于不同土壤条件和生态条件影响氮肥的效益和利用率，需要进一步研究。

磷的肥料利用率随着土壤速效磷的增加而减少，随着肥料施用量的增高而下降。配施氮钾肥能提高磷肥利用率。在试验中不施氮时磷肥利用率很低，随着施氮量的增加少量施磷肥，磷肥利用率明显提高[44]。这与本研究施用缓释尿素处理(NPK2、NPK3和NPK4)的磷肥利用率4.00%～23.4%结果类似。但肥料利用率是随施肥量的增加而降低的指标，所以不能将提高肥料利用率作为确定施肥量的依据[44]。只有合理调配氮、磷、钾肥料的用量，才能得到较高的肥料利用而充分发挥肥料的作用。

李波等指出，玉米对钾素的需求量也较高，抽雄期前钾素的吸收较好，施用钾肥有利于促进钾素从营养器官向籽粒中转运[45]；配施钾肥可以使玉米植株钾素吸收量显著提高[46]。配施钾肥可以使玉米植株钾素吸收量显著提高[46]。本研究中施用钾肥处理较CK增加钾素吸收量范围为12.0%～53.9%，接近张为涛等研究施钾肥处理比较CK显著增加钾素吸收量(35.4%～50.0%)[47]。在农田实验中，化肥的施用不仅是为了更高的产量，而是为了得到较高的经济效益。近几年，越来越多的农户一味地追求产量而过多施用化肥，不仅影响了玉米产量也增加了投入成本，反而降低了经济效益。所以需要对肥料经济效益进行进一步的研究。

玉米对肥料需求量较高，施肥方式及施肥量直接影响着养分的吸收和干物质的积累。在一定范围内，随着干物质积累量的增高籽粒产量也提高，干物质是产量形成的物质基础[48]。本研究结果表明，成熟期缓释尿素处理(NPK2、NPK3和NPK4)的玉米干物质积累量显著高于普通尿素处理干物质积累量，这是由于配施缓释尿素能够保证在生育后期为玉米提供充足的氮素养分的原因，所以配施缓释尿素能够增加玉米干物质量，这结果与赵斌等研究的关于缓释尿素研究结果类似[49]，从生育初期到生育中期，玉米叶(叶鞘)干物质积累量占茎干物质积累量的比例逐渐降低的趋势，茎和叶(叶鞘)的干物质积累量分配比例逐渐升高。生育中期到后期，茎和叶(叶鞘)的干物质积累量分配比例随着生育期的推进逐渐降低趋势，籽粒分配比例逐渐升高趋势[50]。本试验中，配施缓释尿素处理与普通尿素处理相比，抽雄期缓释尿素处理茎和叶(叶鞘)的干物质积累量分配比例较小；成熟期籽粒分配为31.9 % ～41.9%(图1～图3)，这结果显著高于普通尿素处理，本研究结果说明缓释尿素能够提高籽粒的分配比例，有利于生育后期叶(叶鞘) 、茎的干物质向籽粒转移，从而提高玉米籽粒产量。所以配施缓释尿素可以有效地提高叶面积指数和干物质积累量，而且可以增产、提高农学效率及肥料利用率。在农田试验中配施缓释尿素也可以增加秸秆产量，提高经济效益，可在实际生产中，施肥过多会影响玉米的养分吸收，且氮肥利用率降低，这样不仅造成肥料浪费还增加环境污染风险，导致玉米增产效果不显著，甚至存在减产风险，需要进一步研究。

本试验采用垄沟集雨种植玉米的方式，并设置不同施肥的处理，与王珂等[51]通过设置垄沟集雨种植小麦不同施肥量的试验相似，且均得到了较好的试验效果。垄沟集雨种植配施缓释尿素的玉米施肥方式比较适合兴安盟地区旱地玉米施肥方法。施肥尤其是氮肥施用是农业污染的重要来源之一，合理施用氮肥和提高氮肥利用率是农业环境保护的重要一环，因此筛选兴安盟地区垄沟集雨种植模式的施肥量对玉米生产和农村面源污染治理具有积极指导意义。