肖 强,刘东生,刘建斌,武凤霞,衣文平

(1.北京市农林科学院 植物营养与资源环境研究所,北京 100097;2.北京市缓控释肥料工程技术研究中心,北京 100097)

华北小麦-玉米轮作区是我国重要的粮食主产区之一,该区小麦产量占全国小麦总产量的40%以上,玉米产量占全国玉米产量的20%以上,在粮食生产中的地位举足轻重[1]。然而,目前该区氮肥过量施用相当严重。研究表明,华北地区冬小麦农田化肥氮平均用量已达281 kg/(hm2·a),夏玉米农田化肥氮平均用量已达276 kg/(hm2·a)[2],冬小麦-夏玉米轮作农田化肥氮平均用量已高达545 kg/(hm2·a),远远超过目前全国氮肥平均用量378 kg/(hm2·a)[3]。然而,过量施氮并不能增加冬小麦、夏玉米的产量和吸氮量[4-5],反而会降低氮肥利用率,造成土壤氮素盈余[3,6],甚至引起一系列严重的环境污染问题[5,7-13]。因此,在保证作物产量的同时优化施氮量并提高氮肥利用率,是实现华北地区作物高效生产的重要保证。

控释尿素具有养分释放与作物吸收同步的优点,被认为是增加作物产量[14-18]、提高氮肥利用率[19-22]和减少土壤耕层氮素向深层淋溶[22-23]的有效途径,也是实现轻简化施肥的重要技术产品[24]。然而,控释尿素的高成本制约了其在大田作物上的推广应用[25-26]。因此,研究既能发挥控释尿素的优势又能节省生产成本的施氮技术对控释尿素的推广应用和作物生产的增产增效具有重要的意义。近年来,对此方面开展了一定研究工作,总体认为,全量基施控释肥料不仅成本高且难以稳定地增产[26-27]。因此,对上述问题的研究目前仍集中于控释肥料配施普通肥料的比例以及不同比例配施后的施用量研究。分析国内外的文献发现,对于配施量的研究,基本集中在减氮0～30%,大多数集中于10%或20%方面的研究[28-31]。而本研究将减氮的研究扩大到40%,即在减氮0～40%量级范围内去研究控释肥料与普通肥料的配施效果,通过对比,来进一步确定优化的施氮量,这对于之前的研究是一个有益的补充甚至突破,可能会进一步推动轻简化施肥量的技术发展和研究思路的拓宽。此外,对控释肥料在不同季节田间条件下的供氮速率,匹配冬小麦、夏玉米吸氮速率进行综合比较分析意义重大,但对此方面的全面研究目前鲜见或不够系统和深入。因此,阐明上述问题对降低华北麦玉轮作区化学氮肥投入、提高氮肥利用率和促进土壤氮素收支平衡等方面均具有重要的推动作用,起到了有力的支撑作用。基于此,本研究采取3 a 6季的小麦-玉米轮作田间定位试验,探究了不同减氮条件下普通尿素配施控释尿素适宜比例的应用效果,在前期明确控释尿素与普通尿素配比的基础上优化施氮量,以期为华北麦玉轮作区化学氮肥的减施增效和控释尿素的推广应用提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2017年10月—2020年9月在北京市房山区阎村镇试验地(N 39°38′,E 115°72′)进行。试验区年平均气温11.6 ℃,年降水量602.5 mm。试验地耕层土壤(0～20 cm)含有机质量11.8 g/kg、硝态氮18.4 mg/kg、铵态氮2.2 mg/kg、有效磷14.0 mg/kg、速效钾53.7 mg/kg,pH值8.1。

1.2 供试材料

供试冬小麦、夏玉米品种分布为轮选987、郑丹958,肥料为控释尿素(养分释放期为60 d;冬小麦季所用控释尿素包膜率为7.1%,含N 0.43%;夏玉米季所用控释尿素包膜率为5.5%,含N 0.44%)、普通尿素(含N≥46%)、过磷酸钙(含P2O5≥18%)、氯化钾(含K2O≥60%)。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用完全随机设计,设置6个定位试验处理,其详细施氮量及施肥方式见表1。各处理均设置3个重复小区,小区面积为48 m2。各处理磷肥(冬小麦季120 kg/hm2;夏玉米季60 kg/hm2)和钾肥(90 kg/hm2)均作基肥一次性施入。冬小麦季秸秆还田。

表1 不同处理施氮量及施肥方式Tab.1 N rate and fertilization method of treatments

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 产量 冬小麦成熟期选取长势均匀一致的1 m2区域调查单位面积穗数,从中选取30个单茎调查穗粒数和粒质量;选取长势均匀的2 m2的区域进行人工收割、脱粒,风干后调整含水量为13%得到籽粒产量。夏玉米腊熟期选取长势均匀一致15 m2区域,手工近地面收割青贮玉米,称量鲜质量得到青贮产量。

1.3.2.2 累计氮肥利用率 冬小麦成熟期随机选取30个单茎,人工分为籽粒、营养器官,于80 ℃烘干至恒质量,称质量。夏玉米蜡熟期随机选取5株玉米,手工近地面收割,人工分为穗、营养器官,其中营养器官切碎混匀并留取混合样(1 kg),于105 ℃杀青30 min、80 ℃烘干至恒质量,称质量。

称质量后的植株样品分别用两装粉碎机(RT-02A)进行粉碎,再利用凯式定氮仪(KDY-9820)测定样品氮素含量。样品干质量与其氮素含量的乘积即氮素积累量。累计氮肥利用率的计算公式[32]:累计氮肥利用率=(一段时期内施氮区作物累计氮素吸收量(kg/hm2)-该时期不施氮区作物累计氮素吸收量(kg/hm2))/该时期内累计氮肥投入量(kg/hm2)×100%。

1.3.2.3 土壤无机氮(为铵态氮和硝态氮之和) 冬小麦、夏玉米收获后,以20 cm为一层,采集0～100 cm土壤样品。每份土样分为2份,一份用于测定土壤含水量,另一份冷冻保存用于测定土壤硝态氮和铵态氮。土壤含水量采用铝盒-烘干法进行测定,硝态氮含量采用紫外分光光度计法进行测定,铵态氮含量采用靛酚蓝比色法进行测定[33]。土壤无机氮积累量计算公式[34]:土壤无机氮积累量(kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×(土壤硝态氮含量(mg/kg)+土壤铵态氮含量(mg/kg))/10。

1.3.2.4 氮素累积释放率 控释尿素于25 ℃静水中的氮素累积释放率根据农业部行业标准(NY/T 2267—2016;NY/T 3040—2016)测试,在田间的氮素累积释放率采用埋袋法测试[35]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和绘图,采用SPSS 16.0软件进行数据统计分析。方差分析采用Fisher Protected Least significance difference(LSD)判别法判断各影响因素的显著性;若该因素影响显著,处理间的多重比较采用LSD法进行判别,判别标准为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 控释尿素氮素累积释放曲线

不同控释尿素在25 ℃水中的氮素释放特征见图1,初期溶出率反映出包膜不完整的肥料比例,本研究冬小麦、夏玉米控释尿素的初期氮素溶出率分别为2.0%,10.6%,均低于12%。28 d累积养分释放率分别为48.1%,63.6%,均低于75%,养分释放期的累积养分释放率分别为83.5%,85.2%,均大于80%,均符合控释肥料现行标准(HG/T 4215—2011)要求。

图1 冬小麦、夏玉米控释尿素25 ℃静水氮素累积释放率Fig.1 N accumulative release rate for CRU in water(at 25 ℃)

2.2 控释尿素的养分释放动力学特征

冬小麦、夏玉米控释尿素的氮素释放率可用数学模型进行拟合(表2),从决定系数R2看,2种控释尿素的氮素释放率用一级动力学方程拟合效果较好(R2分别为0.982 2,0.983 5)。在一级动力学方程中,K值反映氮素释放率,从K值看,冬小麦控释尿素的K值(0.083 606)小于夏玉米控释尿素,表明冬小麦控释尿素的氮素释放率慢而夏玉米控释尿素的氮素释放率慢,这与冬小麦全生育期较长而夏玉米全生育期较短相适应。

表2 不同控释尿素氮素在25 ℃静水中释放的动力学参数Tab.2 Kinetic parameters of N release from CRU in water(at 25 ℃)

2.3 控释尿素的田间氮素释放特征

不同控释尿素田间氮素释放特征见图2,其中,冬小麦季控释尿素在播种—成熟期的田间氮素累积释放率以2019—2020年最高(91.0%)、2017—2018年次之(83.6%)、2018—2019年最低(78.8%),且年际间差异显著,这可能与各年份冬小麦生育期内的气象条件有关。而不同年份夏玉米季控释尿素在播种—蜡熟期的田间氮素累积释放率无显著差异。在冬小麦季,控释尿素在冬前(52 d)的田间氮素累积释放率为40.8%～53.4%,在冬前—返青(97 d)的田间氮素累积释放率为7.2%～18.8%,在返青—成熟(101 d)的田间氮素累积释放率为20.7%～31.3%,而在夏玉米季,控释尿素在播种—拔节(25 d)的田间氮素累积释放率为26.8%～35.6%,在拔节—小喇叭口(17 d)的田间氮素累积释放率为13.6%～22.6%,在小喇叭口—蜡熟(61 d)的田间氮素累积释放率为23.5%～40.8%。可见,控释尿素的田间氮素释放特征与冬小麦、夏玉米需肥规律基本一致。

小麦中W1、W2和W3分别代表2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年冬小麦控释尿素田间氮素累积释放率;B、R、H、A、F和M分别代表冬小麦冬前、返青、抽穗、开花、灌浆和成熟期。夏玉米中,M1、M2和M3分别代表2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年夏玉米控释尿素田间氮素累积释放率。J、S、B、F、T和D分别代表夏玉米拔节、小喇叭口、大喇叭口、开花、抽雄和蜡熟期。In winter wheat,W1,W2 and W3 refer to N accumulative release rate for CRU in winter wheat field over 2017—2018,2018—2019,and 2019—2020,respectively.B,R,H,A,F and M refer to before overwintering,recovering,heading,anthesis,filling and maturity stage,respectively.In summer maize,M1,M2 and M3 refer to N accumulative release rate for CRU in summer maize field in 2017—2018,2018—2019,and 2019—2020,respectively.J,S,B,F,T and D refer to jointing,small flare,big flare,flowering,tasseling and dough stage,respectively.图2 控释尿素田间氮素累积释放率Fig.2 Nitrogen accumulative release rate for CRU in field

2.4 不同减氮条件下配施控释尿素对土壤无机氮积累与分布的影响

如图3所示,不同年份间,冬小麦收获后0～100 cm土层内无机氮积累量在2018—2019年最高、2017—2018年次之、2019—2020年最低,这可能与各年冬小麦季控释尿素田间氮素累积释放率、氮素积累量及产量差异有关。而不同年份夏玉米收获后0～100 cm土层内无机氮积累量表现无明显差异。在各生育季内,N1、N2、N3和N4处理0～100 cm土层内无机氮积累量均低于FH处理,且在冬小麦季分别比FH平均降低39.7%,38.7%,51.1%,42.2%,在夏玉米季分别比FH平均降低10.9%,14.9%,41.7%,38.3%,说明减氮后配施控释尿素可降低土壤无机氮的残留。

W1、W2、W3分别表示2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年冬小麦季;M1、M2、M3分别表示2017—2018年,2018—2019年,2019—2020年夏玉米季。图4同。W1,W2 and W3 refer to winter wheat season in 2017—2018,2018—2019 and 2019—2020,respectively.M1,M2 and M3 refer to summer maize season in 2017—2018,2018—2019 and 2019—2020,respectively.The same as Fig.4.图3 施肥处理冬小麦和夏玉米收获后0～100 cm土层土壤无机氮积累量Fig.3 Inorganic N accumulation in the 0—100 cm soil layer after harvesting winter wheat and summer maize

不同处理各年冬小麦、夏玉米收获后0～100 cm内各层土壤无机氮积累量如图4所示,各减氮处理冬小麦收获后0～20 cm土层土壤无机氮积累量在2017—2018年均显著低于FH,2018—2019年,2019—2020年与FH无显著差异,而各年60～100 cm土层土壤无机氮积累均显著低于FH。而在各年夏玉米收获后,N1处理0～60 cm土层土壤无机氮积累量显著高于FH,而60～100 cm土层土壤无机氮积累量显著低于FH。N2处理夏玉米收获后的土壤无机氮分布在2017—2018年表现为0～40 cm土层内无机氮积累量与FH无显著差异,40～100 cm土层内无机氮积累量显著低于FH,而在2018—2019年,2019—2020年,其表现与N1处理一致。N3和N4处理的夏玉米收获后0～40 cm土层土壤无机氮积

图4 施肥处理冬小麦、夏玉米收获后0～100 cm土层土壤无机氮分布Fig.4 Inorganic N distribution in the 0—100 cm soil layer after harvesting winter wheat and summer maize

累量在不同年份表现不一致,但40～100 cm土层土壤无机氮积累量均显著低于FH。可见,冬小麦季减氮并配施40%控释尿素可使0～20 cm土层土壤维持较高的氮素供应,同时显著降低60～100 cm土层土壤无机氮残留;夏玉米季在减氮10%和减氮20%条件下配施30%控释尿素可显著提高0～40 cm土层土壤氮素供应,在各减氮条件下配施30%控释尿素均可显著降低60～100 cm土层土壤无机氮残留。

2.5 不同减氮条件下配施控释尿素对冬小麦-夏玉米轮作体系累计氮肥利用率的影响

考虑到轮作体系小麦、玉米对氮肥利用具有累加与转移效应,因而将小麦季和玉米季作为一个整体,以研究氮肥用量与整个体系累计氮肥利用率的关系。如表3所示,随着种植年份的推移,体系累计氮肥利用率逐渐增加。各处理6季作物累计氮肥利用率的变幅为24.4%～35.7%,明显高于第1季的氮肥利用率(15.6%～32.0%),可见氮肥存在后效。在各个种植年份,各减氮处理作物累计氮肥利用率均高于FH处理,且经6季作物轮作后,N1、N2的累计氮肥利用率较FH的增幅(11.3,10.9百分点)明显高于N3、N4处理(8.5,6.8百分点),这主要缘于在N1、N2条件下减氮配施控释尿素,其6季作物的累计氮素积累量分别比FH提高10.6%,5.3%,但在N3、N4条件下减氮配施控释尿素,其6季作物的累计氮素积累量分别比FH降低1.8%,7.7%。

2.6 不同减氮条件下配施控释尿素对冬小麦和夏玉米产量的影响

如表4所示,N1处理的冬小麦籽粒产量在2017—2018年,2019—2020年显著高于FH,且分别增产4.0%,5.4%,在2018—2019年增产1.6%(3季平均增产3.7%),但差异不显著,这主要因其冬小麦千粒质量在2017—2018年,2019—2020年比FH提高6.1%,7.8%,而在2018—2019年仅提高1.4%。这种年际间的差异可能与各年冬小麦季的气象条件有关,使得2018—2019年冬小麦季控释尿素在播种—成熟期的田间氮素累积释放率显著低于其他年份(图1),进而导致该年冬小麦季各处理千粒质量、产量以及N1较FH的增产幅度也低于其他年份(表4)。N2、N3和N4处理的冬小麦产量和千粒质量在不同年份表现不一致。可见,冬小麦季在减氮10%条件下配施40%控释氮肥可获得高产或稳产。与冬小麦季不同,在夏玉米季,与FH相比,N1、N2处理青贮产量在2017—2018年,2018—2019和2019—2020年均显著提高,且N1分别提高9.6%,5.3%,18.0%(平均10.9%),N2分别提高了5.0%,5.6%,9.2%(平均6.6%)。不同年份N3、N4处理的夏玉米青贮产量表现不一致。可见,夏玉米季在减氮10%,20%条件下配施30%控释尿素均可获得高产,只是在减氮10%条件下配施30%控释尿素增产效果更明显。

表4 施肥处理对冬小麦和夏玉米产量的影响Tab.4 Yield of winter wheat and summer maize under different treatments

3 结论与讨论

减缓氮素释放和优化施氮量是提高作物产量的重要措施。本研究表明,优化施氮量并配施一定比例的控释尿素可较农民习惯全量单施普通尿素增产,其中,冬小麦季在减氮10%条件下配施40%控释尿素处理的增产效果最好,可使冬小麦在2017—2018年,2019—2020年显著增产4.0%,5.4%,即使在2018—2019年各处理产量水平均降低且其他减氮处理均减产的情况下,减氮10%条件下配施40%控释尿素处理的冬小麦产量仍较农民习惯提高1.6%,而在夏玉米季,减氮10%,20%后配施30%控释尿素处理的增产效果均较好,可分别比农民习惯显著增产10.9%,6.6%。这与前人在减氮20%～25%后配施50%～75%控释氮肥条件下的施肥效果是一致的[36-38]。可见,适量减氮并配施一定比例控释尿素比常规单施普通尿素更有利于作物增产,这可能是由于优化施氮后配施控释尿素可比多施且单施普通尿素更有利于协调氮肥供应与作物需求之间的关系,因而其更有利于促进作物生长和产量形成[36]。可见,优化施氮后冬小麦季配施40%CRU配合夏玉米季配施30%CRU,更有利于提高冬小麦-夏玉米轮作中的作物产量。

施氮不仅要满足作物需求,也要减少氮素淋失,从而促进氮肥被作物高效利用。由于土壤中能被植物吸收利用的氮素形态主要为包含硝态氮和铵态氮的无机氮,因此通常把土壤中硝态氮、铵态氮[39-41]或者无机氮含量[34]作为养分转化特点的指标。本研究表明,减氮后配施一定控释尿素(冬小麦季配施40%CRU、夏玉米季配施30%CRU)可降低各季作物收获后的0～100 cm土层土壤无机氮积累量,这与郭金金等[36]在减氮后配施70%控释氮肥显著降低玉米收获后0～120 cm土壤硝态氮积累量的研究结果是一致的。并且,在本试验条件下,减氮10%后在冬小麦季配施40%控释尿素配合在夏玉米季配施30%控释尿素,不仅能明显降低土壤无机氮向深层土壤淋失,还能维持、甚至是增加土壤耕层中的无机氮积累量,以供下一季作物生长,这与前人[16,27,36]在常规或减量施氮条件下单施控释尿素的研究结果也是一致的。可见,减氮后配施一定比例控释尿素不仅能降低土壤无机氮素累积,还能维持、甚至是增加耕层土壤氮素积累,并减少土壤无机氮素向深层土壤淋失。

施氮量和氮肥类型不仅显著影响作物产量和土壤无机氮的积累与分布,也显著影响农田氮肥施用效益[27,42-43]。氮肥利用率是衡量农田氮肥施用经济效应和环境效应的重要指标,而累计氮肥利用率因其可消除年际间的差异和肥料的后效而广泛用于小麦-玉米轮作体系多年定位试验的氮肥利用状况及后效的评价[32,40,44]。本研究表明,小麦-玉米轮作体系累计氮肥利用率随种植季推移缓慢增加,各处理6季作物累计氮肥利用率的变幅为24.4%～35.7%,明显高于第1季的氮肥利用率(15.6%～32.0%),可见氮肥存在后效,这与王寅等[41]的研究结果一致。经6季作物轮作后,在减氮10%条件下配施一定控释尿素处理的累积氮肥利用率最高,且较农民习惯提高了11.3百分点。这可能是由于优化施氮后再配施一定比例控释尿素可比多施且单施普通尿素更有利于协调氮肥供应与作物需求之间的关系,因而其更有利于促进作物对氮素的吸收积累[36,45],从而改善作物对农田施入氮肥的利用状况。

在本试验条件下,冬小麦、夏玉米的优化施氮量分别为243,216 kg/hm2,在此施氮条件下冬小麦季配施40%控释尿素、夏玉米季配施30%控释尿素,冬小麦和夏玉米产量分别提高3.7%,10.9%,6季作物累计氮肥利用率提高11.3百分点,0～100 cm,60～100 cm土层土壤无机氮积累量均显著降低。