不同耕作方式和氮肥减施量对小麦产量及经济效益的影响

聂胜委,张浩光,张巧萍,许纪东,张玉亭

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.遂平县农业科学试验站，河南 遂平 463100)

小麦是我国三大粮食作物之一，进入21世纪以来，我国小麦单产和总产记录不断刷新，一方面与品种和田间栽培管理措施改进有关，另一方面也与化肥持续过量投入密不可分。虽然获得了较高的小麦产量，但也引起了氮淋失、水污染、土壤板结以及环境恶化等不容忽视的问题[1-2]。为此，国家提出了“控制农业用水总量；减少化肥、农药使用量，化肥、农药用量实现零增长” 等目标，特别是化肥施用量到2020年实现“零增长”。

在当前大背景下，小麦生长季氮肥施用水平总体偏高，以陕西省为例，20.2%的农户施氮偏高，43.5%很高，施氮过量农户占总农户数的63.7%[3]。而且，不同农户施肥最高水平与最低水平相差太大，用量最低为33 kg/hm2，最高为454 kg/hm2，平均为188 kg/hm2[4]。在氮肥减施研究中，以华北地区为例，选取的氮肥减施基准值也存在较大差异。有研究认为，在225 kg/hm2基础上，氮肥减施10%～20%不会影响小麦产量，反而能增加产投比[5]；还有研究认为，在180 kg/hm2基础上，减施5%～10%的氮肥可使小麦增产4%～7%，氮肥利用率提高7%～8%[6]；更有研究认为，在153 kg/hm2基础上，减施25%～75%的氮肥，尽管显著降低冬小麦产量，但是短期内并不显著影响土壤机械稳定性团聚体的平均质量直径、几何平均直径和分形维数[7]。总之，在氮肥减施研究中，对减施后的综合经济效益关注较少，且减施研究持续时间往往只有1个生长季，持续时间短。

因此，在小麦季300 kg/hm2氮肥过量投入基准水平[8]基础上，连续2个小麦生长季(2017—2018、2018—2019年)研究常规旋耕[(12±5)cm]、立式旋耕[(30±5)cm]2种耕作方式下，不同氮肥减施量处理小麦的综合经济效益，为实现氮肥减量施用、资源高效利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省遂平县农业科学试验站(33°15′N、113°98′E)内，该地气候温和，雨量充沛，光照充足，四季分明，亚热带向暖温带过渡性气候特征较明显。年平均气温、日照、降水量、无霜期分别为15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤类型为砂姜黑土，重壤偏黏，土地肥沃，基础土样的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为6.52 g/kg、18.6 mg/kg、110.40 mg/kg、139.10 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为常规旋耕(Traditonal rotary tillage,XG)、立式旋耕(Vertical rotary tillage,FL) 2种耕作方式，副区为施肥水平。FL：用立式旋耕机深旋耕作业1遍，耕层深度为(30±5)cm，然后用旋耕机轻度(入土5～10 cm)旋耕平整1遍，施肥，播种；XG：用旋耕机旋耕[(12±5)cm]2遍，施肥，播种。过量施氮肥[EF(CK)]处理：施N 300 kg/hm2；减氮10%(RF10)处理：施N 270 kg/hm2；减氮20%(RF20)处理：施N 240 kg/hm2；减氮30%(RF30)处理：施N 210 kg/hm2。所有处理均施P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。每个小区0.2 hm2，3次重复。

试验于2017—2018、2018—2019小麦季进行，小麦品种为遂选101(豫审麦2015004)，分别于2017、2018年10月下旬播种，机播，播量150 kg/hm2，行距20 cm，次年(2018、2019年)6月初收获。氮肥的70%和全部磷、钾肥作基肥在整地时施入，剩余30%氮肥作追肥在拔节期施入，其他田间管理措施均保持一致。本研究中小麦生长季采用全程机械化管理，整个小麦生长季农事操作主要包括整地、灭茬、播种、管理(打药、施肥等)、收获等环节，所有投入、产出各环节费用见表1。

表1 小麦季不同农事操作项目及投入费用Tab.1 Different agricultural items and inputs during wheat seasons

1.3 测定项目及方法

小麦成熟期，每个小区实收4 m2测产，并计算纯收入、产投比。

纯收入=小麦季产出-小麦季所有投入；

产投比=小麦季产出/小麦季所有投入。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2007、SPSS 2.0等进行处理，用LSD法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式和氮肥减施量对小麦产量的影响

由表2可以看出，FL方式下，与过量施氮肥处理相比，2018年，仅RF20处理小麦产量增加，差异不显著，RF10、RF30处理减产，其中RF30处理达到显著水平；2019年，RF10、RF20处理小麦产量增加，RF30处理产量下降，差异均不显著。XG方式下，与过量施氮肥处理相比，2018年，仅RF20处理小麦产量略有增加，差异不显著，其他处理均下降，其中RF30处理达到显著水平；2019年与2018年相似，仅RF20处理小麦产量略有增加，差异不显著，其他减氮处理均下降，差异也均不显著。

所有处理之间，2018年，XG-RF20处理小麦产量最高，然后依次为XG-EF、FL-RF20处理，FL-RF30处理产量最低，各处理产量具体表现为XG- RF20>XG-EF>FL-RF20>XG-RF10>FL-EF>FL-RF10>XG-RF30>FL-RF30。2019年，XG-RF20处理小麦产量最高，然后依次为FL-RF20、FL-RF10处理，XG-RF30处理最低，各处理产量具体表现为XG-RF20>FL-RF20>FL-RF10>FL- EF>FL-RF30>XG-EF>XG-RF10>XG-RF30。综上可以看出，在FL、XG方式下，连续2个小麦季减氮20%处理均可以实现减肥不减产。

表2 不同耕作方式和氮肥减施量对小麦产量的影响Tab.2 Effects of reduced application rates of nitrogen on yields of wheat under different tillage methods kg/hm2

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P≤0.05)。
Note:The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments at 0.05 level.

2.2 不同耕作方式和氮肥减施量对小麦经济效益的影响

2.2.1 FL 由图1可知，FL方式下，2018年，EF、RF10、RF20、RF30处理纯收入分别为8 030.5、7 342.4、8 891.7、5 742.9元/hm2；仅RF20处理的纯收入高于EF处理，增收861.2元/hm2，其他减氮处理纯收入均下降，但不显著；2019年，上述各处理纯收入分别为13 791.5、14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2，RF10、RF20、RF30处理分别比EF处理增收439.7、825.3、32.3元/hm2，差异均不显著。综合分析，连续2个小麦季减氮20%处理能够持续获得相对较高纯收益，而减氮10%、30%处理在减施的第1个小麦季收益下降，第2个小麦季则增加。

不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P≤0.05),下同The different lowercase letters mean significant differences among different treatments at 0.05 level,the same below图1 FL方式下不同氮肥减施量处理的小麦纯收入Fig.1 Net incomes of wheat applied with different nitrogen application rates under vertical rotary tillage

产投比能较好地反映资源投入的效率，2018年，与FL-EF(1.83)处理相比，仅FL-RF20处理产投比较高，为1.95，各处理间差异均不显著(图2)。2019年，各处理产投比表现为FL-RF20(2.65)>FL-RF30(2.59)>FL-RF10(2.58)>FL-EF(2.50)，各处理间差异均不显著(图2)。综合来看，连续2个小麦季减氮20%处理均可以保持较高的产投比，而减氮10%、30%处理则在减施当季产投比略有下降，在第2个小麦季提高。

图2 FL方式下不同氮肥减施量处理的小麦产投比Fig.2 Ratio of output to input of wheat applied with different nitrogen application rates under vertical rotary tillage

2.2.2 XG 由图3可知，XG方式下，2018年，EF、RF10、RF20、RF30处理纯收入分别为9 190.0、8 832.5、9 714.7、7 205.4元/hm2，与EF相比，仅RF20处理纯收入升高，增加524.7元/hm2，其他处理均下降，其中，RF30处理达到显著水平；2019年，上述各处理纯收入分别为13 452.6、13 257.1、15 022.4、12 465.6元/hm2，仅RF20处理纯收入高于EF处理，增加569.8元/hm2，各处理间差异均不显著。可见连续2个小麦季减氮20%处理能够持续获得较高纯收入，而减氮10%、30%处理不仅在减氮当季纯收入下降，且在第2个小麦季持续下降。

图3 XG方式下不同氮肥减施量处理的小麦纯收入Fig.3 Net incomes of wheat applied with different nitrogen application rates under traditional rotary tillage

由图4可知，2018年，与XG-EF(1.98)相比，XG-RF20(2.08)处理的产投比较高，XG-RF30处理显著降低；2019年，XG-RF10、XG-RF20处理的产投比分别与XG-EF(2.53)持平、增加，为2.53、2.77，XG-RF30处理则较低，各处理间差异均不显著。综合两季来看，连续2个小麦季减氮20%处理能够持续保证较高的产投比，而减氮10%处理则在减施当季产投比略有下降，在减施第2个小麦季产投比与EF处理持平，减氮30%处理则持续维持较低水平。

图4 XG方式下不同氮肥减施量处理的小麦产投比Fig.4 Ratio of output to input of wheat applied with different nitrogen application rates under traditional rotary tillage

2.3 不同耕作方式下小麦经济效益分析

耕作方式之间，由于FL方式在耕作深度及对土壤的扰动程度和动力消耗等方面均与XG方式存在较大差距，特别是耕作深度和土壤结构调节方面，有效提高了土壤库容和对肥、水保蓄能力，改变了小麦生长的基础土壤环境，为发挥资源潜力提供了外在保障。综合两季小麦平均产量、投入、纯收入、产投比(表3)可知，FL方式下两季小麦平均产量、总投入、纯收入、产投比分别为8 189.7 kg/hm2、8 721.2元/hm2、10 278.8元/hm2、2.19；XG方式下两季小麦平均产量、总投入、纯收入、产投比分别为7 934.2 kg/hm2、8 346.2元/hm2、10 061.1元/hm2、2.20。FL方式总投入比XG方式多375.0元/hm2，年均增产255.5 kg/hm2，纯收入增加217.7元/hm2，产投比略低。综合来看，FL方式好于XG方式；此外，FL方式的土壤耕层深度为(30±5)cm，而XG方式的深度则为(12±5)cm，FL方式既增加土壤耕层厚度，又能调节土壤结构，改善土壤性能，取得良好的经济效益，促进小麦可持续生产。

表3 不同耕作方式下小麦经济效益分析Tab.3 Economical benefits of wheat under different tillage methods

3 结论与讨论

有关小麦季施肥与经济效益的研究中，张卫峰等[9]研究认为，黄淮海平原区(河北省)农户小麦季平均经济效益为2 211.0元/hm2，最大经济效益为3 214.5元/hm2。黄淮地区(河南省)在施氮量225 kg/hm2水平上，减少10%～20%不会造成大幅度减产，同时能够增加产投比，提高小麦经济效益，经济效益为14 100～16 100元/hm2[5]。本研究认为，在施氮量300 kg/hm2水平上，FL方式下，2018年，减氮20%处理比EF处理增收861.2元/hm2，达到8 891.7元/hm2；2019年，减氮10%、20%、30%处理分别比EF处理增收439.7、825.3、32.3元/hm2，分别为14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2。XG方式下，2018年，减氮20%处理比EF处理增收524.7元/hm2，为9 714.7元/hm2；2019年，减氮20%处理比EF处理增收569.8元/hm2，为15 022.4元/hm2。说明适宜减氮不会减产和降低经济效益，无论在XG还是FL方式下均可以实现。

FL方式是近年来新研发的一种新型农田耕作方式，采用垂直螺旋钻头直立旋转切磨粉碎土壤，钻轴入土深度30～60 cm[10]。研究认为，在相同施肥量条件下，与其他常规耕作方式相比，FL方式可以提高小麦[11-13]、玉米[14-15]、水稻[16]、木薯[17-19]等作物产量，这为解决小麦季农田氮肥投入过高问题提供了很好的思路。本研究发现，FL方式下[(30±5)cm]，连续2个小麦季减氮20%处理能够持续获得较高纯收入，而减氮10%、30%处理在减施第1个小麦季纯收入下降，第2个小麦季则增加。XG方式下[(12±5)cm]，连续2个小麦季减施20%氮肥能够持续获得较高纯收入，而减氮10%、30%不仅在当季会造成纯收入下降，在第2个小麦季持续下降。这说明氮肥减施研究需要进行连续跟踪才能得出较为准确的结果；而且，改进耕作方式、增加土壤耕层厚度、改善土壤结构、提高土壤自身功能是减肥增效的重要途径。

本研究结果表明，在300 kg/hm2施氮水平和FL方式下，连续2个小麦季减氮20%可以实现减氮不减产；减氮20%处理能够获得相对较高的纯收入和产投比，而减氮10%、30%处理在减施当季纯收入、产投比下降，第2个小麦季则增加。2018年，FL-EF(CK)、FL-RF10、FL-RF20、FL-RF30处理纯收入分别为8 030.5、7 342.4、8 891.7、5 742.9元/hm2；2019年，纯收入分别为13 791.5、14 231.2、14 616.8、13 823.8元/hm2。

在300 kg/hm2施氮肥水平和XG方式下，连续两季减氮20%可以实现减氮不减产；减氮20%能够获得较高的纯收益和产投比，而减施10%、30%氮肥不仅在当季会造成纯收入下降，在第2个小麦季纯收入持续下降。2018年，XG-EF、XG-RF10、XG-RF20、XG-RF30处理纯收入分别为9 190.0、8 832.5、9 714.7、7 205.4元/hm2；2019年，上述各处理纯收入分别为13 452.6、13 257.1、15 022.4、12 465.6元/hm2。

FL方式优于XG方式，FL方式总投入比XG方式多375.0元/hm2，但其增收217.7元/hm2。此外，FL方式能增加土壤耕层厚度，调节土壤结构，改善土壤性能。