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氮肥运筹对黄土塬区春玉米产量、效益和氮肥利用率的综合效应

李嘉 吕慎强 杨泽宇 李惠通 王吕 阳婷 王筱斐 王林权

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氮肥运筹对黄土塬区春玉米产量、效益和氮肥利用率的综合效应

    作者简介: 李嘉 E-mail:jia_lichn@163.com;
    通讯作者: 王林权, E-mail:linquanw@nwsuaf.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0200100);国家公益性行业(农业)科研专项(201503124)。

Comprehensive effects of nitrogen fertilizer management on yield, economic performance and nitrogen use efficiency of spring maize in Loess Plateau, China

    Corresponding author: WANG Lin-quan, E-mail:linquanw@nwsuaf.edu.cn
  • 摘要: 【目的】研究氮肥种类、施氮量、施肥方式及施肥位置对春玉米产量、氮素吸收、氮肥利用率和经济效益的综合效应,为黄土塬区雨养春玉米氮肥减量和轻简化施肥提供理论与技术支撑。【方法】本研究在黄土高原中南部陕西长武县进行,共设两个试验。1) 肥料效应试验 (2017—2018),供试作物为春玉米 (品种为‘先玉335’),一年一熟制,耕作方式为平作半膜覆盖。设8个处理:不施氮 (N0);常规施氮 (N225,分次施肥,膜间施肥);减量施氮 (N180,分次施肥,膜间施肥);普通尿素减量一次性膜间基施 (B-N180);硫包衣尿素减量一次性膜间基施 (B-SCU)和膜内基施 (B-SCUi);基质缓释尿素减量一次性膜间基施 (B-MU) 和膜内基施 (B-MUi)。生育期内测定耕层土壤矿质氮 (NH4+ + NO3) 含量及植株地上部氮素累积量,收获后测定产量及0—200 cm土壤剖面中矿质氮 (NH4+ + NO3) 残留量等指标。2) 肥料氮素释放试验,与2018生育季肥料效应试验同时同地进行,不种植玉米。设6个施肥处理:普通尿素膜间 (U) 和膜内 (Ui)、硫包衣尿素膜间 (SCU) 和膜内 (SCUi)、基质缓释尿素膜间 (MU) 和膜内 (MUi)。测定施肥区单位土体 (5 cm × 6 cm × 100 cm) 中矿质氮量,土体中矿质氮增量被视为肥料释放氮。【结果】氮肥种类、施氮量和施肥方式对春玉米产量、氮素累积量、氮肥利用率和经济收益等有显著影响,矿质氮在土壤剖面中的分布及其肥效受生育季降雨量及降雨分布的影响。施N 180~225 kg/hm2可显著增加黄土塬区春玉米产量,增产幅度为49.47%~84.73%。与N225处理相比,B-MU、B-MUi和B-N180等处理2个生育季均无减产效应,但氮肥利用率较常规施肥增加4.41%~23.61%,经济效益增加346~1586 yuan/hm2,同时减少了土壤矿质氮的残留;而B-SCUi处理产量显著下降,其氮素累积量、氮肥利用率及经济效益也均有所降低;N180处理2017生育季无显著减产效应,2018生育季减产23.31%,减少经济效益5623 yuan/hm2。膜际种植条件下,膜间施肥效果优于膜内施肥。基质缓释尿素的养分释放规律与当地水热条件和植株吸氮规律较匹配。【结论】黄土塬区氮肥全部膜间基施有利于雨养春玉米喇叭口期前吸收足够的氮素营养,减少氮肥追施可能带来的氮素损失或干旱季节无法追肥的风险,提高生产效率和氮肥利用率。基质缓释尿素所释养分与玉米根系在土壤中的分布匹配性较好,减少20%的氮肥投入量无减产效应,是当地轻简化施肥的推荐氮肥种类;硫包衣尿素在玉米生育前期养分释放量过少,不适宜一次性基施。
  • 图 1  春玉米生育季日降水量及日均气温

    Figure 1.  Daily precipitation and temperature in spring maize growing seasons

    图 2  2017和2018生育季各生育时期0—20和20—40 cm土层土壤矿质氮含量动态变化

    Figure 2.  Dynamic changes of mineral nitrogen contents in the 0–20 and 20–40 cm soil layers in 2017 and 2018

    图 3  2017和2018生育季成熟期0—200 cm土层矿质氮残留量

    Figure 3.  Distribution of residual mineral nitrogen in the 0–200 cm soil layer at harvest in 2017 and 2018 seasons

    图 4  氮肥释放过程中单位土体矿质氮增量动态变化

    Figure 4.  Dynamic changes of mineral nitrogen increment during release process in unit soil volume

    表 1  供试氮肥的含氮量、价格及生产厂家

    Table 1.  Nitrogen contents, prices and manufacturers of nitrogen fertilizers tested

    氮肥
    Fertilizer
    缩写
    Abb.
    含氮量 (%)
    N content
    价格 (yuan/t)
    Price
    生产企业
    Manufacturer
    基质缓释尿素
    Matrix-based slow-release urea
    MU422050河南心连心化肥有限公司
    Henan Xinlianxin Fertilizer Co.,Ltd
    硫包衣尿素
    Sulfur coated urea
    SCU321700河北忠农肥业有限公司
    Hebei Zhongnong Fertilizer Industry Co.,Ltd.
    普通尿素
    Common urea
    U461450陕西渭河重化工有限责任公司
    Shaanxi Weihe Heavy Chemical Co.,Ltd.
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    表 2  不同氮肥种类及施氮处理春玉米产量及经济效益

    Table 2.  Yields and economic performances of spring maize in different N sources and fertilization treatments

    生育季
    Season
    处理
    Treatment
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    增产幅度 (%)
    Increment
    经济效益 (yuan/hm2)
    Economic income
    增量 (yuan/hm2)
    Increment
    2017N0 7951 c 7038
    N22511894 a49.59113334295
    N18011681 a46.91111124074
    B-N18011701 a47.16128465808
    B-SCU11557 a45.35122135175
    B-SCUi 9776 b22.95 91842147
    B-MU12163 a52.97133206282
    B-MUi11534 a45.06122515213
    2018N0 7102 c 5594
    N22515914 a124.08 1816712572
    N18012523 b76.33125446949
    B-N18015807 a122.571982614232
    B-SCU 13867 ab95.251614010546
    B-SCUi12724 b79.16141978602
    B-MU15123 a112.94 1835212758
    B-MUi14881 a109.53 1794112346
    方差分析ANOVA
    生育季Season (S)****
    施氮处理N treatment (N)****
    施氮处理 × 生育季 (N × S)****
    注(Note):玉米单价为 1.7 yuan/kg; 氮肥: 普通尿素 (N) 3.15 yuan/kg, 硫包衣尿素 (N) 5.31 yuan/kg, 基质缓释尿素 (N) 4.88 yuan/kg。磷肥 (P2O5): 5.00 yuan/kg; 钾肥 (K2O): 5.48 yuan/kg; 种子 975 yuan/hm2; 地膜 960 yuan/hm2; 除草剂 750 yuan/hm2; 播种 825 yuan/hm2; 追肥劳动力成本 1700 yuan/hm2、旋地 900 yuan/hm2、收获 1430 yuan/hm2。同列数值后不同小写字母表示同一生育季处理间差异显著 (P < 0.05)。The unit price of maize was 1.7 yuan/kg; The price of N: common urea, sulfur-coated urea and matrix slow-release urea were 3.15, 5.31 and 4.88 yuan/kg N, respectively; The price of P2O5 and K2O were 5.00 yuan/kg P2O5 and 5.48 yuan/kg K2O, respectively; The price of seed, mulching film, herbicide, sowing, topdressing labor, rotating land and harvest were 975 yuan/hm2, 960 yuan/hm2, 750 yuan/hm2, 825 yuan/hm2, 1700 yuan/hm2, 900 yuan/hm2 and 1430 yuan/hm2, respectively. Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments in the same season (P < 0.05). *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 3  不同氮肥种类及施氮处理春玉米生育季内氮素累积量和氮肥利用率

    Table 3.  N accumulation and nitrogen use efficiency of spring maize in different N sources and fertilization treatments

    生育季
    Season
    处理
    Treatment
    氮素累积量N accumulation (kg/hm2)氮肥利用率(%)
    NUE
    喇叭口期Bell吐丝期Silking成熟期Maturity
    2017N038.77 c60.39 d102.73 c
    N22570.83 b83.59 abc200.16 a43.30 c
    N18064.79 b78.63 c188.35 a47.56 abc
    B-N18076.25 ab94.52 ab199.84 a53.95 ab
    B-SCU73.56 ab87.94 abc187.20 a46.93 bc
    B-SCUi74.02 ab81.45 bc153.13 b28.00 d
    B-MU72.24 b80.35 bc205.41 a57.04 a
    B-MUi90.67 a97.42 a189.10 a47.98 abc
    2018N040.38 e49.61 d62.83 d
    N22593.87 cd162.95 a237.84 a77.78 b
    N18090.28 d131.65 c185.94 bc68.40 bc
    B-N180112.68 a156.96 ab235.12 a95.72 a
    B-SCU104.56 abc135.25 bc174.23 c61.89 c
    B-SCUi96.24 bcd132.77 c181.82 bc66.11 bc
    B-MU103.92 abc147.31 abc192.76 bc72.19 bc
    B-MUi108.47 ab148.37 abc204.01 b78.44 b
    方差分析ANOVA
    生育季Season (S)********
    施氮处理Treatment (N)********
    施氮处理 × 生育季 (N × S)NS****
    注(Note):数值后不同小写字母表示同一生育季处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments in the same season (P < 0.05). *—P < 0.05; **—P < 0.01; NS—差异不显著 No significance.
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    [20] 谷佳林王崇旺李玉泉衣文平李亚星杨宜斌徐秋明 . 包膜尿素氮素释放特性及其采用接触式施肥对春玉米生长的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(6): 1486-1491. doi: 10.11674/zwyf.2010.0626
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-31
  • 网络出版日期:  2020-02-04
  • 刊出日期:  2020-01-01

氮肥运筹对黄土塬区春玉米产量、效益和氮肥利用率的综合效应

    作者简介:李嘉 E-mail:jia_lichn@163.com
    通讯作者: 王林权, linquanw@nwsuaf.edu.cn
  • 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0200100);国家公益性行业(农业)科研专项(201503124)。
  • 摘要: 【目的】研究氮肥种类、施氮量、施肥方式及施肥位置对春玉米产量、氮素吸收、氮肥利用率和经济效益的综合效应,为黄土塬区雨养春玉米氮肥减量和轻简化施肥提供理论与技术支撑。【方法】本研究在黄土高原中南部陕西长武县进行,共设两个试验。1) 肥料效应试验 (2017—2018),供试作物为春玉米 (品种为‘先玉335’),一年一熟制,耕作方式为平作半膜覆盖。设8个处理:不施氮 (N0);常规施氮 (N225,分次施肥,膜间施肥);减量施氮 (N180,分次施肥,膜间施肥);普通尿素减量一次性膜间基施 (B-N180);硫包衣尿素减量一次性膜间基施 (B-SCU)和膜内基施 (B-SCUi);基质缓释尿素减量一次性膜间基施 (B-MU) 和膜内基施 (B-MUi)。生育期内测定耕层土壤矿质氮 (NH4+ + NO3) 含量及植株地上部氮素累积量,收获后测定产量及0—200 cm土壤剖面中矿质氮 (NH4+ + NO3) 残留量等指标。2) 肥料氮素释放试验,与2018生育季肥料效应试验同时同地进行,不种植玉米。设6个施肥处理:普通尿素膜间 (U) 和膜内 (Ui)、硫包衣尿素膜间 (SCU) 和膜内 (SCUi)、基质缓释尿素膜间 (MU) 和膜内 (MUi)。测定施肥区单位土体 (5 cm × 6 cm × 100 cm) 中矿质氮量,土体中矿质氮增量被视为肥料释放氮。【结果】氮肥种类、施氮量和施肥方式对春玉米产量、氮素累积量、氮肥利用率和经济收益等有显著影响,矿质氮在土壤剖面中的分布及其肥效受生育季降雨量及降雨分布的影响。施N 180~225 kg/hm2可显著增加黄土塬区春玉米产量,增产幅度为49.47%~84.73%。与N225处理相比,B-MU、B-MUi和B-N180等处理2个生育季均无减产效应,但氮肥利用率较常规施肥增加4.41%~23.61%,经济效益增加346~1586 yuan/hm2,同时减少了土壤矿质氮的残留;而B-SCUi处理产量显著下降,其氮素累积量、氮肥利用率及经济效益也均有所降低;N180处理2017生育季无显著减产效应,2018生育季减产23.31%,减少经济效益5623 yuan/hm2。膜际种植条件下,膜间施肥效果优于膜内施肥。基质缓释尿素的养分释放规律与当地水热条件和植株吸氮规律较匹配。【结论】黄土塬区氮肥全部膜间基施有利于雨养春玉米喇叭口期前吸收足够的氮素营养,减少氮肥追施可能带来的氮素损失或干旱季节无法追肥的风险,提高生产效率和氮肥利用率。基质缓释尿素所释养分与玉米根系在土壤中的分布匹配性较好,减少20%的氮肥投入量无减产效应,是当地轻简化施肥的推荐氮肥种类;硫包衣尿素在玉米生育前期养分释放量过少,不适宜一次性基施。

    English Abstract

    • 春玉米是黄土塬区主要粮食作物之一,在保障区域粮食安全中具有重要地位。氮是重要营养元素之一[1],施氮可有效提高作物产量[2]。过量施氮与施肥技术落后则导致氮肥利用率下降,浪费资源且增加环境负担[3]。为达到作物高产与养分高效[4],保证供需肥规律一致,需分次施肥,但这与农村劳动力短缺及劳动力成本增加的现实相矛盾[5]。因此,探索一套既节肥节力,又稳产环保的轻简化施肥技术是大势所趋。

      缓控释肥具有养分释放与作物吸收同步的优点,可满足作物整个生育期的养分需求,提高肥料利用率,减少环境污染[6-7];还能减少施肥次数[8]。其研制和应用是解决上述问题的新途径[9-10]。研究表明[11],与普通尿素相比,缓/控释氮肥减量不减产。但其肥效受肥料种类、外界环境 (温度、水分等) 多种因素影响[12-13],应因地适宜的选用和推广缓控释肥品种及施肥技术。筛选的重点是缓控释肥养分释放规律与作物需肥规律的同步性。地膜覆盖保水增温[14],增产效应显著,在黄土塬区被广泛应用。但膜内外土壤水热条件和养分运移存在空间分异性,施肥位置将影响缓控释肥养分释放及植物对养分的吸收利用。因此研究地膜覆盖条件下一次性施用缓控释肥技术有一定理论与实践意义。

      春玉米氮肥简约减量施用的研究多集中在一次性施不同缓控释肥对春玉米产量、吸氮量等的影响。硫包衣尿素和基质缓释尿素适宜在黄土塬区春玉米上一次施用[15]。而综合研究氮肥种类、施氮量、施肥方式及施肥位置在黄土塬区春玉米上的施用效果鲜见报道。

      本研究拟解决的关键问题是探究黄土塬区雨养春玉米有无减氮潜力,并筛选适宜于当地雨养覆膜栽培条件的缓控释氮肥种类及与之配套的轻简化施肥技术。

      • 供试氮肥种类等见表1。其中,硫包衣尿素属无机包膜控释肥,是由硫磺和微晶蜡联合作用达到肥水隔离的控释效果;基质缓释尿素是通过添加具有较强离子交换性能的功能性吸附材料,将尿素分子吸附在功能性材料上,控制养分运移和损失[16]。供试磷肥为过磷酸钙 (P2O5 16%),钾肥为氯化钾 (K2O 60%)。

        表 1  供试氮肥的含氮量、价格及生产厂家

        Table 1.  Nitrogen contents, prices and manufacturers of nitrogen fertilizers tested

        氮肥
        Fertilizer
        缩写
        Abb.
        含氮量 (%)
        N content
        价格 (yuan/t)
        Price
        生产企业
        Manufacturer
        基质缓释尿素
        Matrix-based slow-release urea
        MU422050河南心连心化肥有限公司
        Henan Xinlianxin Fertilizer Co.,Ltd
        硫包衣尿素
        Sulfur coated urea
        SCU321700河北忠农肥业有限公司
        Hebei Zhongnong Fertilizer Industry Co.,Ltd.
        普通尿素
        Common urea
        U461450陕西渭河重化工有限责任公司
        Shaanxi Weihe Heavy Chemical Co.,Ltd.
      • 试验于2017—2018生育季在黄土高原中南部陕西长武进行,该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水580 mm,年均气温9.1℃,无霜期172天,属典型旱作农业区。2017和2018生育季内日降水量及日均气温见图1。试验地土壤 pH 8.06,有机质13.6 g/kg,全氮0.79 g/kg,矿质氮 (NH4+ + NO3) 9.88 mg/kg,速效磷7.78 mg/kg,速效钾143 mg/kg。

        图  1  春玉米生育季日降水量及日均气温

        Figure 1.  Daily precipitation and temperature in spring maize growing seasons

      • 采用不完全随机区组设计,设8个处理,3次重复。普通尿素处理包括施氮225 kg/hm2和180 kg/hm2,40%基施、60%喇叭口期追施 (N225、N180),和N 180 kg/hm2一次性膜间基施 (B-N180)。硫包衣尿素和基质缓释尿素处理均为N180 kg/hm2一次性施于膜间 (B-SCU、B-MU) 和膜内 (B-SCUi、B-MUi),以不施氮肥为对照 (N0)。各处理磷肥 (P2O5 40 kg/hm2) 和钾肥 (K2O 80 kg/hm2) 作基肥施入。所有肥料均沟施10 cm深。耕作方式为平作半膜覆盖,膜际种植。小区面积40 m2 (8.7 m × 4.6 m),种植密度65000株/hm2,行距55 cm,株距25 cm。供试玉米品种为‘先玉335’。两季分别于2017年4月25日播种,9月13日收获;2018年4月22日播种,9月14日收获。田间管理按农户常规方式。

      • 为测定不同种类氮肥在田间的养分释放特性,进行肥料氮素田间释放试验。本试验与2018生育季肥料效应试验同时同地进行,但不种植玉米。由于基质缓释尿素分子通过功能性材料的吸附而控制养分释放,并非控制其水解,施入土壤后迅速水解,故无法通过测定剩余肥料颗粒的养分含量,或采用称量法测定肥袋内剩余氮肥。因此肥料氮释放采用土壤无机氮增量法[17]测定。试验设计如下:普通尿素膜间 (U) 和膜内 (Ui);硫包衣尿素膜间 (SCU) 和膜内 (SCUi);基质缓释尿素膜间 (MU) 和膜内 (MUi) 等6个处理。称取粒径大于2 mm的等氮量 (N 2 g) 供试肥料样品,装入5 cm × 6 cm的100目尼龙网袋中,封口后平铺于试验田耕层10 cm处,袋与袋间隔30 cm。4月22日埋袋,然后第3、5、7、9、21、32、41、54、69、76、86、92、102、118、137、153天时取样,各处理每次取3袋。具体取样方法为:取肥袋处上下各10 cm土,作为0—20 cm土层的土样,然后用土钻取肥袋正下方20—100 cm土层的土样,20 cm为一层。测量各土层的矿质氮含量。施肥区单元土体 (5 cm × 6 cm × 100 cm) 中矿质氮增量为肥料氮释放量。

      • 分别于拔节期、喇叭口期、吐丝期、乳熟期和成熟期采集植株及土壤 (成熟期0—200 cm,其余时期0—40 cm) 样品。植物样于105℃杀青,80℃烘至恒重后粉碎,测定全氮含量;土样测定矿质氮含量 (NH4+ + NO3)。

        经济效益 (yuan/hm2) = 籽粒产量 × 玉米单价-投入成本 (肥料、种子、地膜、人力与机械成本);

        氮素累积量 (kg/hm2) = Σ各器官干物质重 × 器官全氮含量;

        氮肥利用率 (NUE,%) = (施氮处理植株地上部氮累积量-对照植株地上部氮累积量)/施氮量 × 100;

        矿质氮残留量 (N kg/hm2) = 土层厚度 (cm) × 土壤容重 (g/cm3) × 矿质氮含量 (mg/kg)/10;

        单元土体中矿质氮量 (N mg) = Σ土层厚度 (cm) × 土壤容重 (g/cm3) × 矿质氮含量 (mg/kg) × 30 cm2 × 103,其中,单元土体是指肥包下表面积为30 cm2(5 cm × 6 cm)、深度为100 cm的土体。

      • 采用Excel 2010进行数据处理,用SAS 8.1进行双因素方差分析 (Two-way ANOVA) 和多重比较 (LSD法),用OriginPro 2015作图。

      • 施氮处理和生育季降雨显著影响春玉米产量,且二者间存在显著交互效应 (表2)。与N0处理相比,施氮显著提高春玉米产量。两生育季B-MU、B-MUi、B-SCU和B-N180处理的产量与N225处理相当。与N180处理相比,2017生育季一次性基施肥处理的产量无显著差异 (B-SCUi处理除外),2018生育季均有增产,达1.61%~26.22%。与B-N180处理相比,缓控释肥处理差异不显著 (B-SCUi处理除外)。缓控释肥膜间施肥处理产量略高于膜内施肥,且硫包衣尿素在2017生育季差异达显著水平。降雨对氮肥种类、减量施肥和施肥方式等的产量具有显著影响,2018生育季产量显著高于2017生育季。

        表 2  不同氮肥种类及施氮处理春玉米产量及经济效益

        Table 2.  Yields and economic performances of spring maize in different N sources and fertilization treatments

        生育季
        Season
        处理
        Treatment
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        增产幅度 (%)
        Increment
        经济效益 (yuan/hm2)
        Economic income
        增量 (yuan/hm2)
        Increment
        2017N0 7951 c 7038
        N22511894 a49.59113334295
        N18011681 a46.91111124074
        B-N18011701 a47.16128465808
        B-SCU11557 a45.35122135175
        B-SCUi 9776 b22.95 91842147
        B-MU12163 a52.97133206282
        B-MUi11534 a45.06122515213
        2018N0 7102 c 5594
        N22515914 a124.08 1816712572
        N18012523 b76.33125446949
        B-N18015807 a122.571982614232
        B-SCU 13867 ab95.251614010546
        B-SCUi12724 b79.16141978602
        B-MU15123 a112.94 1835212758
        B-MUi14881 a109.53 1794112346
        方差分析ANOVA
        生育季Season (S)****
        施氮处理N treatment (N)****
        施氮处理 × 生育季 (N × S)****
        注(Note):玉米单价为 1.7 yuan/kg; 氮肥: 普通尿素 (N) 3.15 yuan/kg, 硫包衣尿素 (N) 5.31 yuan/kg, 基质缓释尿素 (N) 4.88 yuan/kg。磷肥 (P2O5): 5.00 yuan/kg; 钾肥 (K2O): 5.48 yuan/kg; 种子 975 yuan/hm2; 地膜 960 yuan/hm2; 除草剂 750 yuan/hm2; 播种 825 yuan/hm2; 追肥劳动力成本 1700 yuan/hm2、旋地 900 yuan/hm2、收获 1430 yuan/hm2。同列数值后不同小写字母表示同一生育季处理间差异显著 (P < 0.05)。The unit price of maize was 1.7 yuan/kg; The price of N: common urea, sulfur-coated urea and matrix slow-release urea were 3.15, 5.31 and 4.88 yuan/kg N, respectively; The price of P2O5 and K2O were 5.00 yuan/kg P2O5 and 5.48 yuan/kg K2O, respectively; The price of seed, mulching film, herbicide, sowing, topdressing labor, rotating land and harvest were 975 yuan/hm2, 960 yuan/hm2, 750 yuan/hm2, 825 yuan/hm2, 1700 yuan/hm2, 900 yuan/hm2 and 1430 yuan/hm2, respectively. Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments in the same season (P < 0.05). *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 经济效益在施氮处理和生育季间差异显著,且二者间存在显著交互效应 (表2)。与N0处理相比,施氮可显著增加玉米经济效益。与N225处理相比,2017生育季各减氮处理经济效益均有所增加 (除N180和B-SCUi处理外),增量为880~1987 yuan/hm2;2018生育季,B-N180和B-MU处理分别增加1659和185 yuan/hm2。与N180处理相比,一次性基施处理经济效益均有所增加 (除2017生育季B-SCUi处理外)。与B-N180处理相比,B-MU处理 (2017) 经济效益增加474 yuan/hm2,其余缓控释肥处理有所降低。与产量结果相同,膜间施肥效益优于膜内施肥。两生育季平均数据显示,B-N180和B-MU处理的经济效益均优于N225处理。2018生育季经济效益显著高于2017生育季。

      • 施氮处理和生育季降雨分布显著影响春玉米氮素累积量 (表3)。2017生育季,受6~7月份降雨少的影响,喇叭口期—吐丝期氮素吸收较少,但氮肥一次基施的B-N180和B-MUi处理氮素累积量较高,而分次施肥处理 (N225和N180) 由于基肥用量少而氮素累积量较低;吐丝期—成熟期,氮素吸收量较高,至成熟期N225、B-N180和B-MU处理氮素累积量高于其他处理。2018生育季的降雨分布较均匀,喇叭口期—吐丝期氮素累积较快,其中N225、B-N180、B-MU和B-MUi处理的吸氮量高于N180、B-SCU和B-SCUi处理;到成熟期N225和B-N180处理的氮素累积量显著高于其它各处理。

        表 3  不同氮肥种类及施氮处理春玉米生育季内氮素累积量和氮肥利用率

        Table 3.  N accumulation and nitrogen use efficiency of spring maize in different N sources and fertilization treatments

        生育季
        Season
        处理
        Treatment
        氮素累积量N accumulation (kg/hm2)氮肥利用率(%)
        NUE
        喇叭口期Bell吐丝期Silking成熟期Maturity
        2017N038.77 c60.39 d102.73 c
        N22570.83 b83.59 abc200.16 a43.30 c
        N18064.79 b78.63 c188.35 a47.56 abc
        B-N18076.25 ab94.52 ab199.84 a53.95 ab
        B-SCU73.56 ab87.94 abc187.20 a46.93 bc
        B-SCUi74.02 ab81.45 bc153.13 b28.00 d
        B-MU72.24 b80.35 bc205.41 a57.04 a
        B-MUi90.67 a97.42 a189.10 a47.98 abc
        2018N040.38 e49.61 d62.83 d
        N22593.87 cd162.95 a237.84 a77.78 b
        N18090.28 d131.65 c185.94 bc68.40 bc
        B-N180112.68 a156.96 ab235.12 a95.72 a
        B-SCU104.56 abc135.25 bc174.23 c61.89 c
        B-SCUi96.24 bcd132.77 c181.82 bc66.11 bc
        B-MU103.92 abc147.31 abc192.76 bc72.19 bc
        B-MUi108.47 ab148.37 abc204.01 b78.44 b
        方差分析ANOVA
        生育季Season (S)********
        施氮处理Treatment (N)********
        施氮处理 × 生育季 (N × S)NS****
        注(Note):数值后不同小写字母表示同一生育季处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments in the same season (P < 0.05). *—P < 0.05; **—P < 0.01; NS—差异不显著 No significance.
      • 施氮处理和生育季降雨显著影响春玉米氮肥利用率 (表3)。与N225处理相比,B-MU (2017)、和B-N180处理的NUE显著增加,B-SCU (2018) 和B-SCUi处理显著降低。与N180处理相比,B-N180处理的NUE (2018) 显著增加,其余减氮处理无显著差异 (除2017生育季B-SCUi处理外)。与B-N180处理相比,2017生育季一次性施缓控释肥处理无显著差异 (除B-SCUi处理外);2018生育季,B-SCUi等处理NUE显著下降18.05%~35.34%。两生育季均为B-MU和B-MUi处理的NUE高于B-SCU和B-SCUi处理。2018生育季NUE显著高于2017生育季。

      • 各施氮处理春玉米生育期耕层土壤矿质氮含量变化明显 (图2)。受降雨影响,两生育季各处理0—20 cm和20—40 cm土层矿质氮差异显著。

        图  2  2017和2018生育季各生育时期0—20和20—40 cm土层土壤矿质氮含量动态变化

        Figure 2.  Dynamic changes of mineral nitrogen contents in the 0–20 and 20–40 cm soil layers in 2017 and 2018

        2017生育季 (图2-ab) 苗期降雨较多,拔节期各处理0—20 cm土层矿质氮含量较低,但20—40 cm土层差异显著,以B-N180和B-MU处理含量较高,达97.38和80.09 mg/kg。受追肥影响,吐丝期0—20 cm土层N225和N180处理含量显著升高,为146.83和52.90 mg/kg,20—40 cm土层各处理维持稳定或降低。乳熟期各处理 (除N225和N180) 矿质氮含量在0—20 cm土层差异不大,20—40 cm土层仅N225处理略升高,其余各处理与吐丝期含量相当。

        2018生育季 (图2-cd) 拔节期0—20 cm土层B-N180、B-MUi和B-MU处理土壤矿质氮含量较高,分别为138.91、109.14和90.29 mg/kg,其次为B-SCUi和B-SCU处理,N225和N180处理较低,为19.96和10.19 mg/kg;20—40 cm土层B-MUi、B-SCUi处理含量较高。喇叭口期0—20 cm土层B-N180、B-MUi和B-MU处理含量降低为37.74、45.01和60.62 mg/kg,B-SCUi和B-SCU处理升高至74.48和83.58 mg/kg,N180与N0处理相当;20—40 cm土层的N225和N180处理仍较低。追肥后,吐丝期N225和N180处理0—20和20—40 cm土层土壤矿质氮含量均迅速增加。乳熟期0—40 cm土层N225和N180处理下降;成熟期0—40 cm土层各处理土壤矿质氮含量趋于一致。

      • 收获后0—200 cm土壤剖面有不同程度矿质氮残留 (图3)。常规施氮 (N225) 0—200 cm土层残留量 (N 144.2~167.4 kg/hm2) 大于一次减量基施处理 (N 82.9~157.5 kg/hm2),以B-MU处理残留最少。

        图  3  2017和2018生育季成熟期0—200 cm土层矿质氮残留量

        Figure 3.  Distribution of residual mineral nitrogen in the 0–200 cm soil layer at harvest in 2017 and 2018 seasons

        氮肥种类、施肥方式和位置对剖面中矿质氮残留量和残留位置产生影响。2017生育季 (图3-a):N225和N180处理矿质氮残留峰分别出现在40—80 cm (N 86.0 kg/hm2) 和60—80 cm土层 (N 44.4 kg/hm2);B-N180处理出现在80—100 cm土层 (N 35.3 kg/hm2);B-SCU处理出现在0—20 cm土层;而B-MU处理在整个剖面未见残留峰。2018生育季 (图3-b):N225和N180处理分别在0—40 cm (N 102.3 kg/hm2) 和20—80 cm土层 (N 136.5 kg/hm2) 残留最多;B-N180处理主要残留在60—120 cm土层 (N 62.6 kg/hm2)。B-SCU处理在0—20 cm (N 41.8 kg/hm2) 和80—100 cm土层 (N 21.7 kg/hm2) 有2个残留峰;B-SCUi处理主要残留于0—40 cm土层 (N 57.6 kg/hm2)。B-MUi处理在0—40 cm土层有残留 (N 52.3 kg/hm2);B-MU处理在60—120 cm土层有少量残留 (N 39.6 kg/hm2)。由此可见,减氮20%一次性基施处理土壤矿质氮残留量比常规处理少;膜内施肥矿质氮残留主要集中在0—40 cm土层,膜间施肥主要分布于60—120 cm土层。硫包衣尿素残留位置较普通尿素和基质缓释尿素浅。降雨分布也对土壤矿质氮残留产生重要影响。2017生育季收获前 (8月下旬) 降雨多,N225处理矿质氮淋洗较深 (40—100 cm土层);而2018生育季同期降雨较少,矿质氮淋洗少,残留较浅 (0—60 cm土层)。

      • 施肥后,土体中矿质氮增量快速升高,于5~9天内达到峰值,然后逐渐降低,100天后趋于平稳 (图4)。其中U和MU处理的峰值早且高,而SCU峰值晚且低。U和MU处理第5天达到峰值 (N 1000 mg),占施氮量的50%;SCU处理第9天达到峰值 (N 700 mg),占施氮量的1/3。出苗至拔节期,MU处理土壤矿质氮量始终高于U和SCU处理,利于植株吸收利用;喇叭口期,各氮肥处理的土壤矿质氮增量基本一致;吐丝期,MU和U处理土壤矿质氮增量出现小峰值。拔节期起,硫包衣尿素和基质缓释尿素处理不同施肥位置的土壤矿质氮增量变化趋势基本一致,但膜内始终高于膜间。

        图  4  氮肥释放过程中单位土体矿质氮增量动态变化

        Figure 4.  Dynamic changes of mineral nitrogen increment during release process in unit soil volume

      • 氮肥施用方式与春玉米养分吸收、产量及经济效益有着密切关系。有研究认为,等养分条件下一次性施肥效果较分次施肥差[18];但也有报道认为,分次施肥增加氮肥向下淋洗的风险,一次性施肥不但能保证作物产量[19],甚至氮肥减量一次性施比常规施肥增产11.5%,提高氮肥利用率等[20]。这些相互矛盾的结果可能与气候条件、肥料种类、种植和施肥方式等有关。2017生育季一次性基施与分次施肥产量差异不显著,但2018生育季一次性基施显著增产 (表2)。雨养条件下,降水量和降水时期为影响肥效的主要因素[21],植物生长期间降水对土壤含水量和矿质氮在剖面中的迁移转化有重要影响[22]。2017生育季6~7月份干旱少雨,正值春玉米需水需肥高峰期 (拔节—吐丝期)[23],影响了植株对氮素吸收和追肥效果。一次性基施肥前期供氮充足 (图2-ab),B-N180 (94.52 kg/hm2) 和B-MUi (97.42 kg/hm2) 吸收累积了较多氮素,N180 (78.63 kg/hm2) 累积较少 (表3);吐丝期后,尽管分次施肥处理 (N225和N180) 氮素累积量增加,但与一次性基施相比未表现出明显优势 (表3)。2018生育季降水分布较均衡,生育前期一次性基施处理0—20 cm土层矿质氮含量显著高于分次施肥处理 (图2-c),喇叭口期植株氮素累积量也高于分次施肥处理;但7月上旬追肥后191.8 mm的降水,增加了氮肥淋溶风险 (图2-d),影响了追肥效果,虽然分次施肥处理植株氮素累积量增加,但N180处理氮收获指数低于其他处理,说明后期吸收的氮素未形成经济产量。减氮20%情况下,一次性基施肥有利于春玉米生育前期,特别是拔节—喇叭口期氮素吸收;分次施肥减少喇叭口期前的土壤矿质氮供应与植株氮素吸收,而追肥受降雨影响,效果难以保证。

      • 干旱气候条件下春玉米一次性施用普通尿素,肥效不稳定,减产风险较大,因此应引入缓控释尿素[15, 18]。膜间施肥条件下,尽管3种尿素一次性基施的产量无显著差异,但经济效益和氮肥利用率为基质缓释尿素和普通尿素高于硫包衣尿素 (表2表3)。黄土塬区春玉米生育前期地温低,基质缓释尿素和普通尿素一次性基施在出苗—拔节期能够提供充足的矿质氮,有利于植株生长发育;而硫包衣尿素前期养分释放少 (图2图4),影响矿质氮供应和作物营养生长,其养分释放规律与当地雨热条件和春玉米需肥规律不匹配。基质缓释尿素由于添加改性功能性吸附材料可减少氮淋溶和氨挥发损失[16],增加作物吸收,减少土壤矿质氮残留量。普通尿素一次性基施效果优于硫包衣尿素,与前期研究结果不一致[15],这可能是因为受不同生育季降雨影响,仍需进一步验证。

      • 普通尿素施于膜内能够有效减少氨挥发损失和矿质氮淋溶,提高玉米产量和吸氮量[24]。本研究结果与此不同,可能与肥料种类、养分释放特性和种植模式有关。肥料养分释放受土壤温度、水分影响很大。玉米生育期内,0—20 cm土层土壤含水量膜内始终低于膜间,不利于缓控释尿素养分释放。覆膜可阻挡雨水下渗[25],导致膜内养分在0—20 cm土层聚集[24],特别是硫包衣尿素 (图3)。而玉米根系呈“介”字形生长,膜际种植条件下,根系在膜间土体分布较多;并且主要吸收根系分布区由苗期0—20 cm土层扩展到吐丝期0—40 cm土层[26]。此外,深层根系对地上部营养生长和产量构成也极为重要[27]。随雨水下渗的矿质氮促进玉米根系向深层土壤生长[28],提高对深层土壤养分和水分的吸收利用[29]。因此,膜内施肥的养分在土壤剖面上的分布与膜际种植的植株根系在空间分布上不匹配,可能是其肥效较差的原因。

      • 1) 黄土塬区氮肥全部基施有利于雨养春玉米在喇叭口期前吸收足够的氮素,这不仅减少了多雨季节氮肥追施可能带来的氮素淋洗损失,也可避免干旱季节难以追肥的困境。因此,一次性基施肥可实现增产增收和氮肥增效。

        2) 膜际种植条件下,膜内施用缓控释尿素,养分在土壤剖面的分布与玉米根系分布不匹配,因此,膜间施肥较为合理。

        3) 在供试黄土塬区水热条件下种植春玉米,硫包衣尿素在玉米生育前期养分释放量过少,不适宜一次性基施。基质缓释尿素的养分释放规律与玉米氮素吸收规律匹配性较好,一次性基施并减少20%的氮肥投入量可维持产量稳定,是轻简化施肥的适宜氮肥品种。

    参考文献 (29)

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