-
我国是世界上最大的氮肥消费国，但过量和不合理施用氮肥造成我国主要作物氮肥利用率仅30%～ 35%[1]，大量施用氮肥已造成土壤酸化、水体污染和大气污染等一系列环境问题[2-4]。近年来， 国家已明确提出了化肥减量施用的发展战略，传统的常规化肥品种已不能满足现代农业的绿色高质量发展。缓/控释肥料的养分释放周期长，养分释放时间可控，氮肥利用率可大幅度提高[5-6]，同时降低环境污染风险[7]，且一次性基施可满足作物整个生育期对氮素的需求，降低了生产成本[8-9]。 进入21 世纪以来，高效缓/控释肥料成为了新型肥料研究领域的重点，在其生产工艺技术、养分释放特性和田间施用效应等方面已做了大量研究[10-13]，在缓/控释肥料施用技术上也有所突破[14-15]。缓/控释肥已逐渐成为传统常规肥料的重要替代产品。
-
宁夏引黄灌区农业集约化水平高，过量施肥和大水灌溉的粗放管理模式造成了农业面源污染问题严重[16-17]。宁夏引黄灌区主要作物平均施N 337.4 kg/hm2、P2O5 160.5 kg/hm2，氮磷过量施用十分突出，且以传统的常规肥料为主[18]。据统计，2017 年宁夏全区玉米播种面积为30.6 万hm2，占粮食作物总面积的42.3%，而其产量占全区粮食总产的58.1%[19]。近年来，宁夏全区对玉米产业带进行了区域规划，已逐步形成了引黄灌区玉米产业带、扬黄灌区粮饲兼用玉米产业带和南部山区优质饲用玉米产业带，但与之配套的高效施肥技术和新型肥料产品的研发还明显不足。缓/控释肥一次性条施对宁夏春玉米的产量效应和环境效应研究成为亟待解决的首要问题，研究结果可为玉米生产的农机农艺融合提供技术与产品支撑。因此，本文利用自主研制的玉米专用缓释肥和控释掺混肥，以普通复合肥和农民习惯施肥为对照，探讨了缓/控释肥一次性条施对春玉米产量、吸氮量、土壤无机氮残留与氮素表观平衡的影响，为宁夏引黄灌区春玉米一次性施肥提供理论依据。
-
1 材料与方法
-
1.1 试验地概况
-
试验在宁夏引黄灌区的吴忠市利通区东塔寺乡刘碱滩村进行，位于东经106°14′9″，北纬38°1′6″。年均降水量不足200 mm，引黄河水自流灌溉，种植模式为年际间水旱轮作，上茬作物为水稻。供试土壤为灌淤土，0 ～ 20 cm土壤pH 7.92， 全盐0.92 g/kg，有机质19.8 g/kg，全氮1.24 g/kg， 无机氮（NO3 --N+NH4 +-N）31.7 mg/kg，有效磷51.0 mg/kg，速效钾200.0 mg/kg。
-
1.2 试验设计
-
春玉米品种为晋单73，2017 年4 月10 日播种，等行距60 cm，株距20 cm，栽培密度为7.37 万株/hm2。5 月25 日（苗期，10 展叶期）施基肥， 除农民习惯施肥处理外，其它施肥处理都为一次施肥；9 月13 日收获取样。共设置5 个施肥处理： ①不施任何肥料（CK）；②农民习惯施肥（CON）， 施肥量折合纯N 360 kg/hm2（普通尿素N 46%）， P2O5 135 kg/hm2（重过磷酸钙P2O5 46%），K2O 90 kg/hm2（氯化钾K2O 60%），60%的氮肥与全部磷钾肥在苗期（5 月25 日）侧条施用，40%的氮肥在大喇叭口期（7 月21 日）结合灌水撒施追肥； ③普通复合肥（CF，15-15-15）；④自研制春玉米缓释肥（SRF，22-8-6）， 由尿素（N 46%）、 过磷酸钙（P2O5 12%）、氯化钾（K2O 60%）和双氰胺组合材料按比例复合生产；⑤自研制春玉米控释掺混肥（BB，17-20-8，一种含聚氨酯包膜尿素的BB肥），由聚氨酯包膜尿素（N ≥ 43%，释放周期90 d以上）[20]、重过磷酸钙（P2O5 46%）和氯化钾（K2O 60%）按配方比例复混而成；处理 ②、③、④、⑤折合纯N用量都为240 kg/hm2，在春玉米苗期用小型中耕机械全部一次性侧条施用， 即将肥料一次性呈条状集中施在玉米行的一侧10 cm左右，施肥深度5 ～ 8 cm。采用大区对比试验，每个施肥试验区面积为150 m2（6 m×25 m）， 随机排列。其它灌水、除草、喷药等管理同当地大田。
-
1.3 样品采集与测定
-
春玉米成熟后，在每个试验区重复3 次，取6 行18 m2 样方（不带苞叶）全收，统计收获地上部子粒和秸秆鲜重，同时每个施肥处理样方中各随机取10 个玉米棒子和10 株秸秆样，折算子粒和秸秆产量。
-
1.4 计算公式与统计方法
-
(1)
-
氮肥表观利用率、表观残留率、表观损失率及氮素表观平衡的计算方法参照文献[21]。
-
图表数据均采用Excel 2007 及DPS 7.05 进行统计分析，多重比较为LSD法检验。
-
2 结果与分析
-
2.1 缓/控释肥条施对春玉米产量的影响
-
表1 可以看出，不同施肥处理下春玉米子粒、 秸秆产量分别为9.6 ～ 15.6、11.3 ～ 14.2 t/hm2，施肥可显著提高春玉米子粒产量和秸秆产量。相对于CK处理，施肥处理下春玉米子粒增产了35.4%～ 62.5%，秸秆增产了10.6%～ 25.7%。 与CON处理相比，SRF和BB处理下玉米子粒产量分别显著增加了19.2%和20.0%，而缓/控释肥条施处理间产量基本相当，CF处理下子粒产量没有差异。不同施肥处理下春玉米收获指数为0.46 ～ 0.55，BB和SRF处理下相对较高，较CON处理分别提高了0.04 和0.07。这表明缓/控释肥条施较农民习惯施肥，能显著提高春玉米的子粒产量，从而显著提高其收获指数。
-
注：表中同一列数据不同小写字母为差异达5%显著水平，± 后数据为标准差。下同。
-
2.2 缓/控释肥条施对春玉米氮素吸收利用的影响
-
表2 结果显示，不同施肥处理下春玉米子粒N、秸秆N和地上部N吸收量分别为112.0 ～ 192.0、 60.4 ～ 100.7、172.4 ～ 292.7 kg/hm2，SRF和BB处理下相对较高。与CON和CF处理相比，SRF和BB处理能显著提高春玉米子粒N和地上部N的累积量，但对秸秆N吸收影响不明显。不同施氮处理下氮肥偏生产力为36.2 ～ 65.2 kg/kg，表明每施入1 kg氮肥，SRF和BB处理可生产64.5、65.2 kg的玉米子粒，而CON处理下仅36.2 kg，显著低于缓/控释肥和普通复合肥处理。由此可见，缓/控释肥条施较农民习惯施肥，能显著促进氮素在玉米子粒中累积，提高了其地上部氮的吸收利用。
-
2.3 不同施肥处理下0 ～ 100 cm土壤剖面无机氮残留量
-
图1 为不同施肥处理下春玉米收获后0 ～ 100 cm土壤剖面硝态氮和铵态氮残留，可看出，春玉米种植前，0 ～ 100 cm土壤各剖面硝态氮残留量为13.2 ～ 86.2 kg/hm2，主要累积在0 ～ 40 cm土层；而玉米收获后，CON处理下各层土壤硝态氮残留量为17.3 ～ 97.4 kg/hm2，主要累积层次下移到60 ～ 100 cm土层。SRF、BB、CF处理下0 ～ 100 cm土壤各剖面硝态氮残留量与CK差异不大，且主要累积在0 ～ 20 和20 ～ 40 cm土层，而40 ～ 100 cm深层土壤硝态氮残留量较CON处理明显降低。春玉米种植前，0 ～ 100 cm土壤各剖面铵态氮残留仅1.4 ～ 3.7 kg/hm2，玉米收获后，不同施肥处理0 ～ 100 cm土壤剖面铵态氮残留量差异不大，总体在1.0 ～ 3.0 kg/hm2 之间波动，其残留量很有限。因此，相对于农民习惯施肥，缓/控释肥条施能明显降低0 ～ 100 cm土壤剖面的硝态氮残留，而对铵态氮残留影响不明显；农民习惯施肥造成硝态氮向60 ～ 100 cm深层土壤淋洗的趋势明显。
-
图1 不同施肥处理下春玉米收获后0 ～ 100 cm土壤剖面硝态氮和铵态氮残留
-
2.4 春玉米-土壤体系氮素表观平衡
-
表3 结果显示，氮肥为氮素输入主要来源（N 240.0 ～ 360.0 kg/hm2），其次为试验前0 ～ 100 cm土体Nmin 残留量（200.0 kg/hm2），玉米全生育期氮素表观矿化量为29.0 kg/hm2，CON处理下氮肥总输入量589.0 kg/hm2。玉米地上部吸N量为氮素主要输出项，CON处理下0 ～ 100 cm土体Nmin 残留量高达216.1 kg/hm2，SRF、BB、CF处理使其分别显著降低了62.8%、56.2%、63.1%。相对于CON（140.8 kg/hm2），SRF和BB处理下氮素表观损失分别显著降低了23.9%和42.0%，普通复合肥（CF处理）施用造成氮素表观损失不容忽视。氮素表观
-
注：表中CK处理不发生氮素表观损失；表中同一行数据后不同小写字母为差异达5%显著水平；± 后数据为标准差。
-
平衡分析表明，缓/控释肥条施较农民习惯施肥不仅显著降低了0 ～ 100 cm土体Nmin 残留量，而且显著降低了氮素表观损失量。
-
表4 为春玉米种植下氮肥表观去向分析，可以看出，不同施肥处理下春玉米当季氮肥表观利用率为16.6%～ 50.1%，农民习惯施肥处理下利用率最低，而SRF和BB处理下其利用率提高了2.7 ～ 3.0 倍。不同施肥处理下春玉米氮肥表观残留率为8.3%～ 44.3%，CON处理下最高，SRF、BB、CF处理下残留率显著降低。当季氮肥表观损失率以CF处理最高，达62.5%，显著高于其它施氮处理。 总体来说，CON和CF处理下氮素表观盈余率（残留率 + 损失率）分别达83.4%和70.8%，而SRF和BB处理分别仅为54.5%和49.8%，降低了环境污染的风险。
-
表4 不同施肥处理下春玉米-土壤体系氮肥表观去向 （%）
-
3 讨论
-
缓/控释肥是提高作物产量和肥料利用率，降低生产成本和环境污染风险的重要替代肥料产品。有研究发现，缓/控释肥对陕西关中地区夏玉米的增产效应不明显（相对农民习惯施肥增产率为5%），但显著提高了其千粒重和行粒数，同时节氮30%[22]。河南和山东地区的夏玉米试验结果表明，两省区专用缓释肥一次性基施分别较习惯施肥增产了6.95%～ 8.28%和6.37%～ 9.64%[9]。 与农民传统施肥相比，缓/控释肥一次性基施可使玉米、小麦、水稻三大粮食作物产量显著提高3.1%～ 31.7%、氮肥利用率显著提高6.2%～ 86.6%[23]。 本研究条件下，与农民习惯施肥处理相比，缓/控释一次性条施使春玉米子粒产量显著增加了20.0%左右，氮肥利用率提高了2.7 ～ 3.0 倍，其增产幅度明显高于夏玉米。宁夏引黄灌区春玉米的氮肥施用严重过量，再加上引黄大水灌溉，农民习惯施肥造成玉米当季氮肥表观利用率仅16.6%（表4）， 施入氮肥的83.4%未被当季作物吸收利用，进入环境的风险明显提高。
-
作物干物质累积量是形成子粒高产的物质基础。同等氮磷钾供应水平下，施用缓释肥处理下玉米的干物质累积量显著高于农民传统施肥，但其子粒产量无显著差异[24]。施用包膜尿素和稳定性肥料有利于春玉米后期子粒干物质累积及养分向子粒的转移，而在氮肥用量较高时造成玉米生育后期养分的再利用率降低[25]。在东北春玉米种植区域，在农民习惯施肥减氮20%的基础上施用缓/控释肥，3 年平均增产3.3%，与秸秆还田配化肥处理的产量基本相当，都没达显著水平[26]。缓/控释肥料能控制肥料中养分释放速率，一次施用能满足玉米生育期内养分需求，从而提高玉米的氮肥生产效率和利用率。脲醛肥料和包膜尿素等缓/控释肥在东北黑土土壤中的氮素释放天数为60 d左右，释放高峰在播种后32 d前后，之后土壤速效氮含量呈下降趋势[27]，这与本试验中缓/控释肥的氮素释放特性一致。本研究中，自研制缓/控释肥在土壤中的氮素释放天数在65 d以上，释放高峰在施入土壤的第32 d前后，65 d后土壤中依然有低量的肥料氮释放[28]，能够实现一次性条施。本研究条件下，缓/控释肥条施较农民习惯施肥，能显著促进玉米子粒氮素累积，并提高了氮肥偏生产力，氮肥当季表观利用率达45.5%～ 50.1%，与东北黑土春玉米缓/控释肥的利用率43.5%～ 48.7%比较接近[27]，都明显高于我国主要作物平均氮肥利用率30%～ 35%[1]。在黄土高原区域，施用长效氮肥和脲甲醛较农民习惯施肥，春玉米的氮肥农学效率及偏生产力分别增加了20.2%～ 23.2%和21.9%～ 23.7%，0 ～ 200 cm土层硝态氮残留量分别减少了47.9%、49.6%，同时施氮量减少20%[29]。 本试验春玉米收获后，相对于农民习惯施肥，缓/控释肥条施能明显降低0 ～ 100 cm土壤硝态氮残留，氮素表观损失也分别显著降低了23.9%和42.0%，而农民习惯施肥造成硝态氮向深层土壤淋洗，普通复合肥施用造成氮素表观损失与农民习惯施肥相当。由此可见，缓/控释肥可以在宁夏引黄灌区春玉米生产中一次性条施，但其产量效应、环境效应和经济效应的长期持续地综合评价还需深入探讨。
-
4 结论
-
相对于农民习惯施肥和商品复合肥，缓/控释肥均可实现一次性条施，同时显著提高春玉米子粒产量，促进作物氮素吸收，显著提高当季氮肥利用率，降低土壤无机氮残留、氮素表观损失和表观盈余量，同时将化肥氮减量30%以上（为农民习惯施氮的1/3），达到减少环境污染风险和降低生产成本的目标。
-
参考文献
-
[1] 朱兆良.农田中氮肥的损失与对策[J].土壤与环境,2000,9(1):1-6.
-
[2] Guo J H,Liu X J,Zhang Y,et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science,2010,327:1008-1010.
-
[3] Conley D J,Paerl H W,Howarth R W,et al.Controlling eutrophication:nitrogen and phosphorus[J].Science,2009,323:1014-1015.
-
[4] Liu X J,Zhang Y,Han W X,et al.Enhanced nitrogen deposition over China[J].Nature,2013,494:459-462.
-
[5] Shaviv A,Mikklelsen R L.Slow release fertilizers for a safer environment maintaining high agronomic use efficiency[J].Fertilizer Research,1993,35:1-12.
-
[6] 朱国梁,毕军,夏光利,等.不同缓释肥料对黄瓜产量、品质及养分利用率的影响[J].中国土壤与肥料,2013,(1):68-73.
-
[7] 侯朋福,薛利祥,周玉玲,等.掺混控释肥侧深施对稻田田面水氮素浓度的影响[J].中国土壤与肥料,2019,(1):16-21.
-
[8] 徐明岗,孙小凤,邹长明,等.稻田控释氮肥的施用效果与合理施用技术[J].植物营养与肥料学报,2005,11(4):487-493.
-
[9] 王宜伦,卢艳丽,刘举,等.专用缓释肥对夏玉米产量及养分吸收利用的影响[J].中国土壤与肥料,2015,(1):29-32.
-
[10] 王茹芳.纳米材料胶结包膜型缓/控释肥生物学效应研究 [D].北京:中国农业科学院,2004.
-
[11] 陈剑秋,张民,陈宏坤,等.腐植酸缓控释肥的生产工艺及控释性能研究[J].化肥工业,2012,39(1):30-33.
-
[12] 陈杰,程锐,曲均峰,等.聚氨酯包膜控释尿素制备工艺与养分释放特性研究[J].化肥工业,2014,41(2):11-15.
-
[13] 王友平,李宗新,张书良,等.不同类型玉米控释肥的应用效果研究[J].山东农业科学,2014,46(10):83-87.
-
[14] 刘汝亮,李友宏,王芳,等.缓释肥侧条施肥技术对水稻产量和氮素利用效率的影响[J].农业资源与环境学报,2014,31(1):45-49.
-
[15] 王睿,刘汝亮,赵天成,等.缓/控释肥侧条施用对水稻产量与农学性状的影响[J].中国农学通报,2017,33(6):1-5.
-
[16] 闫莉,黄锦辉,张建军,等.宁夏农灌退水对黄河水质的影响研究[J].人民黄河,2007,29(3):35-36.
-
[17] 刘国强,杨世琦.宁夏引黄灌区农田退水污染现状分析 [J].灌溉排水学报,2010,29(1):104-108.
-
[18] 王明国,马玉兰,冯静,等.宁夏农户施肥调查与评价 [J].农业科学研究,2009,30(1):13-15.
-
[19] 宁夏回族自治区统计局.宁夏统计年鉴 2018[M].北京:中国统计出版社,2018.385-392.
-
[20] 赵营,赵天成,刘汝亮,等.几种聚氨酯包膜尿素的氮素释放特征研究[J].中国土壤与肥料,2016,(3):60-66.
-
[21] 赵营,同延安,赵护兵.不同施氮量对夏玉米产量、氮肥利用率及氮平衡的影响[J].土壤肥料,2006,(2):30-33.
-
[22] 高鹏,张睿.玉米缓控释肥的产量效应研究[J].陕西农业科学,2018,65(2):15-16,20.
-
[23] 刘兆辉,吴小宾,谭德水,等.一次性施肥在我国主要粮食作物中的应用与环境效应[J].中国农业科学,2018,51(20):3827-3839.
-
[24] 赵欢,张萌,刘海,等.新型肥料对贵州黄壤区玉米干物质积累、养分吸收及氮素利用率的影响[J].西南农业学报,2017,30(6):1390-1395.
-
[25] 李亚朋.不同新型缓控释肥减氮施用对玉米增产增效作用研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2018.
-
[26] 刘慧颖,华利民,牛世伟.施氮方式对玉米产量影响及其培肥效果评价[J].土壤通报,2014,45(2):407-412.
-
[27] 李前,秦裕波,孔丽丽,等.不同类型的缓/控释肥对玉米氮素吸收及土壤速效氮的影响[J].玉米科学,2017,25(4):123-128.
-
[28] 赵营,赵天成,王世荣.缓/控释肥料在土壤中的氮素释放特征及其对春玉米氮吸收的影响[J].中国农学通报,2015,31(17):163-168.
-
[29] 董强,吴得峰,党廷辉,等.黄土高原南部不同减氮模式对春玉米产量及土壤硝态氮残留的影响[J].植物营养与肥料学报,2017,23(4):856-863.
-
摘要
为实现宁夏引黄灌区春玉米一次性施肥目的,同时提高作物产量和氮肥利用率,降低环境污染风险。以晋单 73 春玉米为供试作物,在宁夏引黄灌区通过田间试验研究了不施肥(CK)、农民习惯施肥(CON,N 360 kg/hm2 ,基肥 N∶追肥 N=60%∶40%)、普通复合肥(CF,15-15-15,N 240 kg/hm2 ,一次性条施)、缓释肥(SRF, 22-8-6,N 240 kg/hm2 ,一次性条施)、控释掺混肥(BB,17-20-8,N 240 kg/hm2 ,一次性条施)5 个施肥处理对春玉米产量、氮素吸收利用、土壤无机氮残留和氮素表观平衡的影响。结果表明,与 CON 处理相比,SRF 和 BB 处理下子粒产量分别显著提高了 19.2% 和 20.0%,收获指数显著增加了 0.04 和 0.07。相对于 CON 和 CF 处理, SRF 和 BB 处理能显著促进春玉米子粒和地上部对氮素吸收累积。缓 / 控释肥条施明显降低 0 ~ 100 cm 土壤剖面硝态氮残留,而 CON 处理下硝态氮可淋洗到 60 ~ 100 cm 深层土壤。氮肥为主要氮素输入来源(N 240 ~ 360 kg/hm2 ),其次为试验前 0 ~ 100 cm 土体 Nmin 残留(N 200.0 kg/hm2 );玉米地上部吸氮量为氮素主要输出项 (N 172.4 ~ 292.7 kg/hm2 )。相对于 CON 处理,SRF、BB 处理土壤 Nmin 残留量、氮素表观损失分别显著降低了 62.8% 和 56.2%、23.9% 和 42.0%。与 SRF、BB 处理相比,同等施氮量下,CF 处理造成氮素表观损失高达 150.0 kg/hm2 ,氮素表观盈余率为 70.8%。不同施肥处理下春玉米当季氮肥表观利用率为 16.6% ~ 50.1%,SRF、BB 较 CON 处理提高了 2.7 ~ 3.0 倍,且其氮素表观盈余率分别降低到 54.5% 和 49.8%。因此,与农民习惯施肥相比,缓 / 控释肥均可实现一次性条施,同时显著提高春玉米子粒产量,促进作物氮素吸收利用,降低土壤无机氮残留和氮素表观损失,节约氮肥 30% 以上。
Abstract
To achieve one-time fertilization in spring maize in the Yellow River Irrigation Region of Ningxia,increase crop yield and N utilization,and reduce the risk of environmental pollution,a field experiment was conducted to study the effects of five fertilization methods on yield,N uptake and utilization,soil nitrogen content and apparent N balance using Jindan 73 of spring maize as test material.Five treatments were set up,including no fertilizers(CK),local farmers’ conventional fertilizers(CON,N 360 kg/hm2 ,base fertilizer N∶topdressing N=60%∶40%),commodity compound fertilizer(CF,15-15-15,N 240 kg/hm2 ,side bar application in one-time),slow release compound fertilizer for spring maize(SRF,22-8-6,N 240 kg/hm2 ,side bar application in one-time),controlled release fertilizer for spring maize (BB,17-20-8,N 240 kg/hm2 ,side bar application in one-time).The results showed that grain yields of spring maize in treatments SRF and BB were significantly increased by 19.2% and 20.0% in contrast to treatment CON,respectively;that of harvest index were significantly increased by 0.04 and 0.07,respectively.The grain N and shoot N uptake were significantly improved in treatments SRF and BB compared with treatments CON and CF.Soil residual nitrate N was obviously decreased in profile of 0 ~ 100 cm by side bar application of slow/controlled release fertilizers,however,nitrate N was leached to deep soil of 60 ~ 100 cm in treatment CON.Fertilizer N was the first important N input(N 240 ~ 360 kg/hm2 ),and the other important N input was the regional residual Nmin(200.0 kg/hm2 )in soil of 0 ~ 100 cm before the experiment; N uptake by spring maize was the main N output(172.4 ~ 292.7 kg/hm2 ).In contrast to treatment CON,soil residual Nmin were significantly decreased by 62.8% and 56.2%,and apparent N losses were significantly decreased by 23.9% and 42.0% in treatments SRF and BB,respectively.At the same N supplying of treatments SRF and BB, apparent N loss was 150.0 kg/hm2 in treatment CF, and apparent N surplus rate was 70.8%. Apparent seasonal N recovery rates were ranged from 16.6% ~ 50.1% in spring maize in different fertilization methods,that was increased 2.7 ~ 3.0 times in treatments SRF and BB than in treatment CON,and apparent N surplus rates were 54.5% and 49.8%,respectively.Therefore,compared with conventional fertilization,side bar application of slow/controlled release fertilizers in one time is a method for significantly increasing grain yield in spring maize,improving its shoot N uptake and utilization,decreasing soil residual Nmin and apparent N losses,and saving more than 30% of N fertilizers.