增效复合肥减氮施用对小麦-玉米产量和养分效率的影响

张富源，叶 赟，王 丽，朱 荣，刘子君，穆 静，齐永波，章力干

(安徽农业大学资源与环境学院，农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036)

肥料对种植业起着至关重要的作用，化肥投入是粮食增产的主要手段，有关数据表明化肥对粮食增产的贡献率高达40%[1]。农业生产中化肥的过量施用和养分不平衡投入，导致我国化肥实际利用率偏低（我国的化肥利用率平均仅33%[2]）。化肥的利用率低不仅造成资源浪费，还带来了一系列的耕地质量退化和农业生态环境问题[3]。化肥的减量施用和平衡施肥是当前农业绿色发展面临的重要课题[4]，目前化肥减量的重要技术手段之一就是肥料增效减量，通过添加新型增效载体而生产的新型增效肥料也应运而生。利用腐殖酸、氨基酸、海藻酸等增效载体添加生产的增效肥料最受业界关注[5-7]，是近年来投入成本低、技术工艺简单、产业化发展最快的新型肥料，有关腐殖酸、氨基酸、海藻酸增值复合肥对作物的生长、产量、品质和氮素吸收利用等方面的影响已有较多研究[8-10]，结果表明新型增效复合肥均能不同程度地促进水稻、棉花、马铃薯、玉米等作物的生长发育、提高作物产量、改善农产品品质和促进氮素吸收利用[11-14]。本研究从新型增效复合肥减氮施肥入手，探究3 种新型增效复合肥对安徽砂姜黑土小麦-玉米轮作体系的籽粒产量和养分利用效率的影响，为增效复合肥效应评价和合理施用提供理论依据，也为小麦-玉米轮作制化肥减量和丰产优质提供技术和产品支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验设计

试验位于安徽省亳州市涡阳县城东镇郭寨村民组（33°27′ N，115°53′ E），试验地属于温暖带半湿润大陆性季风气候。年均气温在14.4℃左右，年均降水量830 mm 左右，无霜期218 d。主要种植方式为麦-玉轮作。供试土壤类型为砂姜黑土，播前土壤基本理化性质：有机质含量25.90 g·kg-1，全氮1.47g·kg-1，速效磷 26.10 mg·kg-1，速效钾 210 mg·kg-1，pH 6.67（土∶水 = 1∶2.5）。

田间试验时间为2017 年10 月至2020 年6 月，种植体系为冬小麦和夏玉米一年两熟轮作，供试冬小麦品种为丰德纯麦1 号，夏玉米品种为华皖267。冬小麦于每年10 月播种，次年6 月收获，夏玉米于6 月播种，当年10 月收获。

试验共设9 个处理：（1）空白处理（CK）；（2）常规复合肥（CF）；（3）腐殖酸增效复合肥（HF）；（4）氨基酸增效复合肥（AF）；（5）海藻酸增效复合肥（SF）；（6）常规复合肥减氮20%（CR）；（7）腐殖酸增效复合肥减氮20%（HR）；（8）氨基酸增效复合肥减氮20%（AR）；（9）海藻酸增效复合肥减氮20%（SR）。每个处理3 次重复，田间随机排列，小区面积28 m2（长7 m×宽4 m）。试验中氮肥施用量均以纯N 计：冬小麦CF 处理施氮量为225 kg·hm-2，处理HF、AF、SF 施氮量与CF 处理一致；CR 处理施氮量为180 kg·hm-2，处理HR、AR、SR施氮量与CR 处理一致，氮素按基肥∶拔节肥按6∶4 施用，除CK 外，各处理磷肥和钾肥施用量相同，并作为基肥一次性施用；夏玉米CF 处理施氮量为300 kg·hm-2，处理HF、AF、SF 施氮量与CF 处理一致；CR 处理施氮量为240 kg·hm-2，处理HR、AR、SR 施氮量与CR 处理一致，氮素按基肥∶大喇叭口期肥按7∶3 施用，除CK 外，各处理磷肥和钾肥施用量相同，并作为基肥一次性施用。施肥时因各种肥料带入的氮素、磷素和钾素含量不同，故用尿素、普通过磷酸钙和氯化钾调配等养分，不同处理肥料用量见表1。

表1 不同处理肥料用量Table 1 Different fertilizer dosages (kg·hm-2)

供试肥料：小麦季腐植酸复合肥（N-P2O5-K2O=18-16-10，腐植酸添加量0.5%）、氨基酸复合肥（N-P2O5-K2O=26-12-10，氨基酸添加量0.5%）、海藻酸复合肥（N-P2O5-K2O=22-10-10，海藻酸添加量0.5%）；玉米季腐植酸复合肥（N-P2O5-K2O=26-6-8，腐植酸添加量0.5%）、氨基酸复合肥（N-P2O5-K2O=24-5-8，氨基酸添加量0.5%）、海藻酸复合肥（N-P2O5-K2O=28-6-8，海藻酸添加量0.5%）。3 种复合肥都是通过向普通肥料中添加天然活性物质腐植酸、氨基酸、海藻酸等，经过熔融或混合造粒而生产，分别由山东农大肥业科技有限公司、深圳芭田生态工程股份有限公司和江西开门子肥业集团有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 样品获取干物质累积量 每年小麦成熟期随机取10 株植株，玉米成熟期随机取5 株植株，测量干物质量。将成熟小麦和玉米按籽粒和茎叶两部分器官分样，置于烘箱 105 ℃杀青 15 min，然后转至 65 ℃ 烘箱烘干至恒重，其后称重磨细，用于植株氮素、磷素和钾素含量的测定。

1.2.2 测定项目 植株全氮、磷、钾参照中国农业出版社第三版《土壤农化分析方法》[15-16]进行测定。

1.2.3 相关指标计算公式[17-18]植株氮素总积累

量/（kg·hm-2）= Σ 植株各器官干重 × 氮含量

植株磷素总积累量/（kg·hm-2）=Σ 植株各器官干重×磷含量

植株钾素总积累量/（kg·hm-2）=Σ 植株各器官干重 × 钾含量

氮肥吸收利用率/% =植株氮素总积累量/施氮肥量×100

磷肥吸收利用率/%=植株磷素总积累量/施磷肥量×100（按P2O5折算）

钾肥吸收利用率/%=植株钾素总积累量/施钾肥量×100（按K2O 折算）

肥料农学效率/（kg·kg-1）=（施肥小区籽粒产量-不施肥小区籽粒产量）/施肥量

肥料偏生产力/（kg·kg-1）= 施肥作物产量/施肥量

1.2.4 计产与考种[18]每年小麦成熟期调查各处理穗数，成熟时各小区收割2 m2（1 m × 2 m）, 脱粒晒干，折算成实际产量（kg·hm-2），同时每小区取10株代表性植株进行室内考种，调查穗部性状, 并测定其每穗粒数和粒重。夏玉米每小区收30 株折算实际产量。同时每小区取5 株，用以考察产量构成。

1.2.5 数据处理与统计 试验数据处理及分析分别采用Microsoft Excel 2016 和SPSS Statistics 19（Duncan’s 新复极差法进行多重比较，显著性检验水平为0.05）完成。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对安徽砂姜黑土小麦产量及其构成因素的影响

由表 2 可见，不减氮的AF 处理小麦平均产量最高，其次是SF 和HF 处理，分别较CF 处理增产22.70%、21. 10%和20.30%，但AF、SF 和HF 处理间小麦产量在统计上无显著差异；氮肥减施的AR 处理小麦平均产量最高，2018 年最高达9 000.90 kg·h-2，2017、2019 年与HR 和SR 处理间无显著差异，AR、HR 和SR 处理较CR 处理增产显著，较CR 处理平均增产17.60%，3 种增效复合肥减氮处理较增效复合肥不减氮处理产量减低，平均降低了5.30%。从表3 小麦考种结果看，增效复合肥对小麦产量构成因素影响明显，主要影响小麦穗粒数。2017、2018 年AF、SF 和HF 处理小麦穗粒数显著高于CF 处理，分别较 CF 处理增加 23.10%、29.60%和20.60%，2019 年AF、SF 和HF 处理小麦穗数显著高于CF 处理，分别较CF 增加 4.40%、3.70%和6.10%，4 个处理间小麦千粒重无显著差异，SF 处理小麦平均千粒重最低。3 种增效肥减氮处理与CF 处理小麦千粒重间无显著差异，但AR 处理的穗粒数显著高于CR 处理。

表2 不同处理冬小麦产量Table 2 Yields of winter wheat under different treatments (kg·hm-2)

表3 不同处理冬小麦产量构成因素Table 3 Yield components of winter wheat under different treatments

2.2 不同施肥处理对安徽砂姜黑土玉米产量及其构成因素的影响

由表4 可以看出，不同施肥处理产量差异明显。在不减氮处理中SF处理产量最高，其次是HF处理，分别较CF 处理增产4.90%和2.30%，SF 和HF 处理间无显著差异；减氮处理中HR、AR 和SR 处理间产量无显著差异，较CR 处理平均增产5.90%，较CF 处理平均减产5.20%，较HF、AF 和SF 处理、平均减产7.90%。从玉米产量构成结果看(表5)，施肥较对照明显增加玉米穗粒数和千粒重，施肥处理间效应差异较大，其中SF 处理在玉米穗粒数和千粒重上效果相对CF 处理大多年份有明显增加，但HF 和AF 处理间玉米穗粒数和千粒重无显著差异。减氮施肥各处理间除2018 年外，穗粒数和千粒重均无显著差异。

表4 不同处理夏玉米产量Table 4 Yields of summer maize under different treatments (kg·hm-2)

表5 不同处理夏玉米产量构成因素Table 5 Yield components of summer maize under different treatments

2.3 不同施肥处理对安徽砂姜黑土麦玉周年影响

由表6 可知，不减氮处理中，HF、AF 和SF 处理较CF 处理增产显著，其中2019 年HF 处理产量最高达19 014.30 kg·hm-2，CK 处理产量逐年递减，3 种增效复合肥处理产量逐年递增；纵观3 个年份的周年产量，SF 处理增产效果较为稳定。减氮处理中，HR、AR 和SR 处理2017、2018 年较CF 处理增产显著，2019 年较CF 处理平均减产9.80%；HR、AR 和SR 处理较CR 处理平均增产14.70%，较增效肥不减氮处理平均减产11.90%。

表6 不同处理周年产量Table 6 Annual yields under different treatments (kg·hm-2)

2.4 不同施肥处理对安徽砂姜黑土麦玉养分吸收利用率的影响

由表7 可知，HF、AF 和SF 处理的小麦氮、磷和钾肥的利用率均值分别达到41.84%、24.48%和49.68%，较CF 处理分别提高了10.12%、3.49%和17.36%，其中SF 处理的磷肥和钾肥利用率最高分别达到28.62%和56.48%，AF 处理氮肥利用率最高达50.23%，3 种增效复合肥较CF 处理氮、磷和钾肥的利用率差异显著；减氮20%后，施用3 种增效复合肥处理对小麦的养分吸收利用均有不同程度的促进作用，与CR 处理相比，氮、磷和钾肥的吸收利用率分别提高了11.37%、2.03%和10.43%。由表8 可知，CF 处理的玉米氮、磷和钾的平均吸收利用率分别达到28.85%、21.27%和36.43%，HF、AF和SF 处理的玉米氮、磷和钾平均吸收利用率较CF处理分别提高了13.40%、3.90%和4.76%，其中，以SF 处理养分吸收效果最好，氮、磷和钾吸收利用率分别达到了43.32%、26.23%和42.39%；减氮20%后，施用3 种增效复合肥处理较CR 处理相比，氮、磷和钾肥的吸收利用率分别提高了4.87%、4.71%和9.03%。

表7 不同处理小麦养分利用率Table 7 Nutrient availability of wheat under different treatments

表8 不同处理玉米养分利用率Table 8 Nutrient utilization rates of maize under different treatments

2.5 不同施肥处理对肥料利用率的影响

由表9 可知，HF、AF 和SF 处理小麦季肥料的农学效率、偏生产力较CF 处理也分别平均提高了3.19 和3.17 kg·kg-1，减氮20%后，施用3 种增效复合肥处理肥料的农学效率、偏生产力较CR 处理也均提高明显，其中，AR 处理的肥料农学效率、偏生产力较CR 处理分别平均提高了3.72 和3.77 kg·kg-1；CF 处理玉米季肥料的农学效率、偏生产力也平均达到了6.93 和22.43 kg·kg-1，HF、AF 和SF处理玉米季肥料的农学效率、偏生产力较CF 处理也平均提高了0.97 和0.66 kg·kg-1，其中，SF 处理农学效率和偏生产力较CF 处理分别提高了24.10%和4.90%。减氮20%后，施用3 种增效复合肥处理肥料的农学效率、偏生产力较CR 处理也均提高明显，但总体上较不减氮的3 种增效复合肥处理有所降低。

表9 不同处理肥料利用率Table 9 Fertilizer utilization rate of different treatments kg·kg-1

3 讨论与结论

合理施肥及减肥，提高作物养分利用率和肥料效率对粮食生产安全和环境保护意义重大，而在肥料中氮素对作物产量影响最直接和明显[19-21]。

产量是评价施肥是否合理的重要依据之一，前人研究结果证实增效复合肥较普通肥料能明显提高小麦、玉米产量[22-27]，本试验进一步深入探究了3 种增效复合肥减氮20%对小麦-玉米轮作体系产量、产量构成、养分利用率和肥料效率的影响。结果表明：不减氮处理小麦和玉米3 年的平均产量分别为AF＞SF＞HF＞CF、SF＞HF＞AF＞CF；减氮处理小麦和玉米3 年的平均产量AR＞SR＞HR＞CR、HR＞SR＞ AR＞CR；周年平均产量SF＞AF＞HF＞AR＞SR＞HR＞ CF＞CR。等养分条件下，增效复合肥增产明显，较CR 处理周年产量增加10.40%，其中小麦季AF 增产效果最为明显，增效复合肥处理较CF 处理小麦平均增产22.70%，AR 处理小麦2018 年最高产量达 9 000.90 kg·hm-2，表现为减肥增产，与武金果[28]研究结果相一致；夏玉米季增效复合肥表现出同样的等养分增产稳产特征，其中海藻酸增效复合肥表现最明显，SF 处理较CF 处理增产4.90%，SR 处理较 CR 增产5.90%，与袁亮等[10]、李志坚等[29]研究结果相同。

增效复合肥减氮较不减氮施肥减产明显，本研究中增效肥减氮处理较不减氮处理小麦玉米周年产量降幅达6.37%；与常规复合肥不减氮处理(CF)比较，增效复合肥小麦季和玉米季表现出不同效应，小麦季增效肥减肥增产，平均增产达14.97%，而玉米季则表现为减肥减产，减幅达3.98%，周年产量则表现为小幅增产3.50%。本研究中，玉米季腐殖酸减氮20%较常规施氮复合肥处理(CF)产量下降5.20%，与李欢等[30]腐殖酸液肥减氮20%与常规施氮玉米产量无显著差异的研究结果不一致，可能与腐殖酸液肥和颗粒肥在养分吸收和转化过程上不同有关。有关增效复合肥种类在不同作物上的效应差异机制需要进一步深入研究。

另外，连续3 年的麦玉轮作试验结果显示作物产量趋势表现一致，和常规复合肥比较，增效复合肥减氮试验的持续进行未表现出明显的作物减产趋势。由此可见，在砂姜黑土麦-玉轮作体系采取增效复合肥减氮施用模式，可以保障作物持续丰产。有关减肥模式下的土壤—作物体系的养分平衡和土壤肥力的演变规律有待长期定位试验监测。

产量由产量构成因子共同决定，增效复合肥通过影响产量构成因子提高产量，施用增效复合肥的处理小麦穗粒数较CF 处理平均增加19.30%，施用增效复合肥的处理玉米穗粒数较CF 处理平均增加5.80%，增效复合肥减氮处理较不减氮处理小麦、玉米穗粒数分别下降3.40%和2.60%，其中SF 处理影响小麦穗粒数效果最为突出，较 CF 增产达22.10%。SR 处理较CF 处理增产12.80%。李金鑫等[31]研究发现海藻酸主要通过增加小麦穗数和粒重实现增产。

养分效率是影响小麦、玉米产量构成因子的主要因素，小麦季增效复合肥不减氮的处理氮、磷和钾肥利用率较CF 处理平均提高了10.32%，增效复合肥减氮处理氮、磷和钾肥吸收利用率与CR 处理相比平均提高了7.94%，HF、AF 和SF 处理小麦季肥料的农学效率、偏生产力较CF 处理分别提高了3.19、3.17 kg ·kg-1，减氮20%后，施用3 种增效复合肥的处理肥料农学效率、偏生产力较CR 处理均明显提高。与李欢等[30]、李金鑫等[31]的研究结果一致；玉米季增效复合肥不减氮的处理氮、磷和钾肥吸收利用率较CF 处理平均提高了7.35%，HF、AF和SF 处理玉米季肥料的农学效率、偏生产力较CF处理分别提高了0.97 和0.66 kg·kg-1，与周勇明[32]、计小江等[33]研究结果相一致，减氮20%后，施用3种增效复合肥的处理较CR 处理氮、磷和钾肥吸收利用率分别提高了4.87%、4.71%和9.03%与李欢等[30]、李金鑫等[31]研究结果基本吻合。连续3 年的增效复合肥减氮施用田间试验表明，腐殖酸、氨基酸和海藻酸增效复合肥均能明显提高小麦、玉米的穗粒数、养分利用率和肥料效率，从而提高作物产量。等养分投入时，增效复合肥均明显增产；减氮施肥时，常规复合肥小麦、玉米和周年产量均明显下降，而增效复合肥减肥较普通复合肥表现为小麦明显增产，玉米小幅减产，周年产量小幅增产趋势；减肥条件下，氮磷钾肥利用率提升明显；增效复合肥减氮施用较增效复合肥不减氮处理表现为明显减产。综合考虑产量和养分效率，增效复合肥减氮施用是经济可行的减肥增效技术路径。