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生态集约化管理提高东北春玉米产量和氮素利用率

许瑞 徐新朋 侯云鹏 张佳佳 黄少辉 丁文成 刘迎夏 何萍

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生态集约化管理提高东北春玉米产量和氮素利用率

    作者简介: 许瑞 E-mail:xlxurui@126.com;
    通讯作者: 何萍, E-mail:heping02@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目课题“粮食作物养分推荐方法与限量标准”(2016YFD0200101)。

Increasing yield, nitrogen utilization efficiency and nitrogen balance of spring maize in northeast China through ecological intensification management

    Corresponding author: HE Ping, E-mail:heping02@caas.cn
  • 摘要: 【目的】针对我国春玉米生产中肥料过量和不合理施用带来的生态环境问题,研究生态集约化养分管理对东北春玉米产量、氮素利用率和氮素平衡的影响,旨在科学合理地施用氮肥,以提高氮肥利用效率、减少氮素损失。【方法】2009~2017年在吉林省公主岭市开展9年长期定位试验,试验采用双因素裂区设计,主区为两种养分管理措施:生态集约化养分管理 (EI) 和农民习惯施肥 (FP),副区为三种施氮方式,不施氮肥处理 (N0)、三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 和三年均施氮肥处理 (N3/3)。EI处理P 75 kg/hm2、K 90 kg/hm2、S 30 kg/hm2和Zn 5 kg/hm2全部基施,氮 (180 kg/hm2) 1/4基施,1/2于玉米拔节期追施,1/4于抽雄期追施。FP处理N 251 kg/hm2、P 145 kg/hm2、K 100 kg/hm2均一次性基施。调查了玉米产量、氮素吸收量、累积吸收量以及土壤氮素平衡。【结果】在N0处理中,从2010年开始玉米产量和氮素吸收量呈现下降趋势。在N2/3处理中,不施氮年份的产量和氮素吸收量降低,而在随后一年施氮的情况下,产量和氮素吸收量增加到N3/3处理的水平。在EI养分管理措施下,N3/3处理9年平均产量为11505 kg/hm2,而FP管理措施下N3/3的平均产量显著低于EI处理,为10764 kg/hm2。与FP处理相比,EI处理显著增加了氮素农学效率 (AEN)、氮素回收率 (REN) 和氮素偏生产力 (PFPN),分别提高了47.4%、39.6%和43.8%。EI处理的氮素残留量和氮素表观损失较FP处理分别降低了49.2%和63.9%【结论】9年长期试验结果表明,通过优化施肥量和施肥时间,以及采用优良的玉米品种和种植密度,生态集约管理能在减少氮素投入的前提下,保持作物产量,提高植株氮素吸收量和养分利用率,减少土壤氮素残留和氮素损失。持续适宜的氮肥投入对于保障东北玉米高产稳产至关重要。
  • 图 1  2009年至2017年春玉米生育期降水量和平均温度

    Figure 1.  Precipitation and average temperature during the growth stage of spring maize from 2009 to 2017

    图 2  2009—2017年不同养分管理方式下的玉米产量 (kg/hm2)

    Figure 2.  Yield of spring maize under different nutrient management practices during 2009–2017

    图 3  2009~2017年不同养分管理方式下的春玉米氮素吸收量

    Figure 3.  Nitrogen uptake of spring maize under different nutrient management practices during 2009–2017

    表 1  生态集约化养分管理措施 (EI) 和农民习惯施肥 (FP) 施氮量比较

    Table 1.  Comparison of fertilizer rate between ecological intensive management (EI) and farmer practice management (FP)

    处理
    Treatment
    氮肥用量 Nitrogen application rate (kg/hm2)
    200920102011201220132014201520162017
    EIN0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    N2/3 0180180 0180180 0200200
    N3/3180180180180180180200200200
    FPN0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    N2/3 0251251 0251251 0251251
    N3/3251251251251251251251251251
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    表 2  生态集约 (EI) 和农民习惯 (FP) 管理方式下N3/3处理的氮素利用率

    Table 2.  Nitrogen use efficiency of maize in treatment N3/3 under EI and FP

    年份YearREN(%)RENa(%)AEN(kg/kg)PFPN(kg/kg)
    2009EI28.1 a28.1 a20.8 a47.2 a
    FP18.3 b18.3 b 9.4 b29.8 b
    2010EI63.3 a45.7 a31.4 a61.6 a
    FP33.5 b25.9 b23.0 b45.3 b
    2011EI70.9 a54.1 a42.3 a64.8 a
    FP63.7 a38.5 b25.6 b40.8 b
    2012EI80.2 a60.6 a50.3 a68.5 a
    FP62.1 b44.4 b38.6 b49.4 b
    2013EI88.4 a66.2 a50.9 a63.4 a
    FP63.0 b48.1 b36.0 b43.7 b
    FP62.6 b50.5 b38.1 b46.0 b
    2015EI76.7 a70.4 a44.2 a55.0 a
    FP50.0 b50.5 b28.0 b38.3 b
    2016EI85.0 a72.4 a52.0 a63.9 a
    FP63.6 b52.1 b37.1 b47.9 b
    2017EI97.7 a76.8 a57.5 a63.8 a
    FP69.7 b54.8 b39.5 b44.8 b
    平均EI75.0 a45.1 a61.7 a
    MeanFP54.1 b30.6 b42.9 b
    注(Note):REN—氮素回收率 Nitrogen recovery; RENa—氮素累积回收率 Accumulated N recovery; AEN—氮肥农学效率 Agronomy efficiency of nitrogen fertilizer; PFPN—氮肥偏生产力 Partial productivity of nitrogen fertilizer; 不同小写字母表示同一年 EI 和 FP 处理之间玉米氮素利用率差异显著 Different small letters mean nitrogen use efficiency is significantly different between EI and FP in the same year (P < 0.05).
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    表 3  不同管理措施下春玉米田间的氮素平衡 (kg/hm2)

    Table 3.  Nitrogen balance in spring maize fields under different treatments

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    输入Input输出Output
    施氮量
    N rate
    起始氮
    Initial N
    净矿化氮
    Net N mineralization
    作物吸收
    Crop uptake
    残留
    Residual N
    表观损失
    Apparent N loss
    2009EI N005244.459.6 b36.8 c0
    FP N005264.759.8 b56.9 c0
    EI N2/305244.459.3 b62.8 c–25.7
    FP N2/305264.759.7 b38.7 c18.3
    EI N3/31805244.4110.3 a324.8 b–158.7
    FP N3/32515264.7105.8 a539.0 a–277.1
    2010EI N0036.865.573.3 b29.0 ab0
    FP N0056.956.693.2 b20.3 b0
    EI N2/318062.865.5180.1 a31.1 ab97.1
    FP N2/325138.756.6171.2 a34.3 ab140.8
    EI N3/3180324.865.5187.3 a86.3 a296.7
    FP N3/3251539.056.6177.1 a46.2 ab623.3
    2011EI N0029.036.346.3 b19.0 b0
    FP N0020.343.747.8 b16.2 b0
    EI N2/318031.136.3158.9 a52.2 b36.3
    FP N2/325134.343.7195.8 a205.0 a–71.8
    EI N3/318086.336.3173.8 a53.9 b74.9
    FP N3/325146.243.7207.6 a154.4 a–21.1
    2012EI N0019.043.439.0 d23.4 b0
    FP N0016.243.331.3 d28.2 b0
    EI N2/3052.243.474.0 c19.0 b2.6
    FP N2/30205.043.3142.4 b30.6 b75.3
    EI N3/318053.943.4183.3 a34.9 b59.1
    FP N3/3251154.443.3187.1 a101.2 a160.4
    2013EI N0023.428.824.8 b27.4 b0
    FP N0028.221.721.6 b28.3 b0
    EI N2/318019.028.8170.8 a49.7 b7.3
    FP N2/325130.621.7171.0 a37.3 b94.9
    EI N3/318034.928.8183.9 a35.0 b24.9
    FP N3/3251101.221.7179.7 a82.2 a112.0
    2014EI N0027.49.326.6 b10.1 b0
    FP N0028.38.526.0 b10.8 b0
    EI N2/318049.79.3178.9 a102.6 a–42.5
    FP N2/325137.38.5177.1 a26.4 b93.3
    EI N3/318035.09.3179.3 a130.4 a–85.4
    FP N3/325182.28.5183.2 a28.9 b129.6
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-18
  • 网络出版日期:  2020-03-07

生态集约化管理提高东北春玉米产量和氮素利用率

    作者简介:许瑞 E-mail:xlxurui@126.com
    通讯作者: 何萍, heping02@caas.cn
  • 1. 吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室,吉林长春 130118
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 3. 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所,吉林长春 130033
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目课题“粮食作物养分推荐方法与限量标准”(2016YFD0200101)。
  • 摘要: 【目的】针对我国春玉米生产中肥料过量和不合理施用带来的生态环境问题,研究生态集约化养分管理对东北春玉米产量、氮素利用率和氮素平衡的影响,旨在科学合理地施用氮肥,以提高氮肥利用效率、减少氮素损失。【方法】2009~2017年在吉林省公主岭市开展9年长期定位试验,试验采用双因素裂区设计,主区为两种养分管理措施:生态集约化养分管理 (EI) 和农民习惯施肥 (FP),副区为三种施氮方式,不施氮肥处理 (N0)、三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 和三年均施氮肥处理 (N3/3)。EI处理P 75 kg/hm2、K 90 kg/hm2、S 30 kg/hm2和Zn 5 kg/hm2全部基施,氮 (180 kg/hm2) 1/4基施,1/2于玉米拔节期追施,1/4于抽雄期追施。FP处理N 251 kg/hm2、P 145 kg/hm2、K 100 kg/hm2均一次性基施。调查了玉米产量、氮素吸收量、累积吸收量以及土壤氮素平衡。【结果】在N0处理中,从2010年开始玉米产量和氮素吸收量呈现下降趋势。在N2/3处理中,不施氮年份的产量和氮素吸收量降低,而在随后一年施氮的情况下,产量和氮素吸收量增加到N3/3处理的水平。在EI养分管理措施下,N3/3处理9年平均产量为11505 kg/hm2,而FP管理措施下N3/3的平均产量显著低于EI处理,为10764 kg/hm2。与FP处理相比,EI处理显著增加了氮素农学效率 (AEN)、氮素回收率 (REN) 和氮素偏生产力 (PFPN),分别提高了47.4%、39.6%和43.8%。EI处理的氮素残留量和氮素表观损失较FP处理分别降低了49.2%和63.9%【结论】9年长期试验结果表明,通过优化施肥量和施肥时间,以及采用优良的玉米品种和种植密度,生态集约管理能在减少氮素投入的前提下,保持作物产量,提高植株氮素吸收量和养分利用率,减少土壤氮素残留和氮素损失。持续适宜的氮肥投入对于保障东北玉米高产稳产至关重要。

    English Abstract

    • 作为总人口近14亿的农业大国,中国粮食安全问题不容忽视。2011年,联合国世界粮食计划署与英国著名风险分析公司Maplecroft将中国列为粮食安全“中度风险”国家[1],2008年国务院通过的《国家粮食安全中长期规划纲要》提出,至2020年粮食综合生产能力将达到5.4 × 108 t以上[2],在耕地面积不断减少[3]、耕地质量持续下降[4-5]的情况下,提高单产水平是粮食总产量提升的关键措施之一。有研究表明,美国采用优势玉米杂交品种,合理施用肥料和除草剂,使玉米产量从20世纪90年代的7.1 t/hm2增加到21世纪的9.4 t/hm2[6],而我国玉米产量从1999年的4.9 t/hm2增加到2017年的6.1 t/hm2,增长了24%[7]。在获得高产的同时,伴随着化肥、有机肥和农药等的大量投入,也导致一系列环境问题,包括水体富营养化[8]、温室气体排放[9]等。

      2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,提出到2020年,初步建立科学的施肥管理和技术体系,科学施肥水平明显提升。2015年到2019年,逐步将化肥使用量年增长率控制在1%以内;力争到2020年,主要农作物化肥使用量实现零增长。因此,迫切需要在保障粮食安全的基础上,科学减施化肥,提高肥料利用率,建立科学的农业种植管理体系。针对人口增长带来的巨大粮食需求压力和不当的养分管理措施给环境带来日益严重的污染这一背景,Cassman[10]从小麦、玉米和水稻生产的角度对“生态集约化”这一理念进行了新的阐述。这一理念的核心是通过综合运用一切可能的农艺措施尤其是养分管理措施,提高水肥利用效率和单位面积作物产量以实现环境友好的农业可持续发展[10]。实现这一目标需要提高投入品的使用精度,减少效率低下和损失[11]。已有学者从不同的角度对生态集约化养分管理进行了研究,豆科作物间作系统作为生态集约化养分管理的一个应用,在非洲莫桑比克取得了很好的效果[12]。在亚马逊河流域,优化种植密度和水肥管理可以提高水稻产量和水肥利用效率[13]

      我国对春玉米增产增效的相关研究较多,但大多集中在某一种管理措施,或者单一的因素对春玉米增产增效的影响[13-17]。本研究应用生态集约化养分管理概念,在我国东北春玉米种植体系中采用包括优质玉米品种、减少施氮量、氮肥分次施用、提高作物种植密度等措施,通过长期定位试验,探讨和分析了生态集约化养分管理措施在春玉米高产高效和降低环境风险中的潜力。

      • 长期定位试验始于2009年,在吉林省公主岭市刘房子镇 (43°34′51.9″N、124°53′55.4″E) 进行。研究区域属于温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温为5.6℃,年平均降水量为480~600 mm,无霜期为140 d。试验前0—20 cm土壤基础理化性质为:pH 6.1、有机质20.4 g/kg、全氮4.0 g/kg、碱解氮118 mg/kg、速效磷75.7 mg/kg、速效钾122 mg/kg、土壤容重1.14 g/cm3

        图  1  2009年至2017年春玉米生育期降水量和平均温度

        Figure 1.  Precipitation and average temperature during the growth stage of spring maize from 2009 to 2017

      • 试验采用裂区设计,主区为管理措施,分生态集约管理和农民习惯管理两种;裂区为氮肥施用方式,包括:不施氮肥处理 (N0)、三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 和三年均施氮肥处理 (N3/3),共计6个处理,每个处理4次重复。其中,农民习惯施肥量通过对该区域的农户调查来确定,代表了该地区典型的农民习惯施肥方式,生态集约处理的肥料施用量是基于养分专家推荐施肥系统 (Nutrient Expert) 模型确定的最佳用量,具体施氮方案见表1,生态集约处理磷肥用量为75 kg P2O5/hm2,钾肥用量为90 kg K2O/hm2,农民习惯处理磷肥用量为145 kg P2O5//hm2、钾肥用量为100 kg K2O/hm2。在2009年,土壤测试结果表明土壤中缺乏硫和锌等中、微量元素,因此生态集约处理增施S 30 kg/hm2和Zn 5 kg/hm2。生态集约施肥方法是1/4氮肥和全部磷、钾肥作底肥,1/2氮肥于玉米拔节期追施,1/4氮肥于抽雄期追施;农民习惯处理施肥方法为氮、磷、钾肥全部作基肥一次底施。

        表 1  生态集约化养分管理措施 (EI) 和农民习惯施肥 (FP) 施氮量比较

        Table 1.  Comparison of fertilizer rate between ecological intensive management (EI) and farmer practice management (FP)

        处理
        Treatment
        氮肥用量 Nitrogen application rate (kg/hm2)
        200920102011201220132014201520162017
        EIN0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        N2/3 0180180 0180180 0200200
        N3/3180180180180180180200200200
        FPN0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        N2/3 0251251 0251251 0251251
        N3/3251251251251251251251251251

        生态集约处理依据每年《吉林省农业农村厅关于发布吉林省农业主导品种和主推技术的通知》选择春玉米杂交品种,在2009~2011年,2013年为先玉335,2012年为绿育4119,2014~2016年华农101,2017年为富民985;而农民习惯处理选择当地农户使用的品种,在2009~2011年使用先玉335,2012年为绿育4119,2013年为绿育4117,2014~2017年为绿玉4119。生态集约化处理的种植密度达到65000株/hm2,而农民习惯处理的种植密度为50000株/hm2

      • 每个小区取中间两垄玉米计产、考种,玉米籽粒水分含量按14%计算。在作物成熟期,在每个小区随机采取2株有代表性的植株样品,分为秸秆和籽粒,于105℃杀青,80℃烘至恒重后,称重并粉碎,测定秸秆含水量,并用凯氏定氮法测定植株全氮含量。

        在作物播种前和收获后,采集每个小区0—100 cm土层土壤样品 (0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—60 cm、60—100 cm),测定土壤硝态氮与铵态氮含量,每个小区随机取四点混合为一个样品,置于–20℃冷冻保存。土壤样品使用0.01 mol/L CaCl2浸提,土液比为1∶10,用AA3 Auto Analyzer 3流动分析仪测定硝态氮与铵态氮含量。土壤含水量在105℃烘干测定。

      • 氮素利用参数包括氮素农学效率、氮素回收率、氮素累积回收率和氮素偏生产力。

        氮素回收率 (REN,%) = (施氮区作物地上部吸氮量 − 无氮区作物地上部吸氮量)/施氮量 × 100

        氮素累积回收率 (RENa,%) = (施氮区作物地上部累积吸氮量−无氮区作物地上部累积吸氮量)/累积施氮量 × 100

        氮素农学效率 (AEN,kg/kg) = (施氮区作物产量 − 空白区作物产量)/施氮量

        氮素偏生产力 (PFPN,kg/kg)=施氮区作物产量/施氮量

        土壤表观氮损失计算公式[18]

        氮素表观损失 = 施氮量 + 土壤起始氮 + 土壤氮素净矿化 − 作物地上部吸氮量 − 收获后土壤残留氮;

        土壤氮矿化量 = 不施氮小区作物地上部吸氮量 + 不施氮小区土壤残留氮 − 不施氮小区土壤起始氮

      • 采用Microsoft Excel处理数据,试验数据采用SPSS 20软件进行独立样本T检验和单因素方差分析,多重比较采用Duncan法和Tukey法。

      • 九年的田间定位试验表明,生态集约管理和农民习惯处理不施氮处理 (N0) 春玉米产量呈下降趋势 (图2),其中,2010年产量最高,分别为5441 kg/hm2和5585 kg/hm2,随后开始下降,从2013~2016年,生态集约管理和农民习惯处理不施氮肥产量均保持在2000 kg/hm2左右,而2017年产量进一步降低。由图2可知,在三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 中,不施氮的三个年份 (2009、2012和2015年),产量显著降低,而在随后一年施氮的情况下,产量显著增加。氮肥的施用显著影响春玉米籽粒产量,当季不施用氮肥会显著降低玉米产量,第二季补充氮肥后,作物产量显著提升。表明在当季土壤氮耗竭一年的情况下,第二季补施氮肥,土壤生产力会立即恢复,不会影响以后作物的产量。在三年均施氮肥处理 (N3/3) 中,生态集约处理有7年产量高于农民习惯处理,其中2009年、2011年、2015年、2017年生态集约处理产量显著高于农民习惯处理产量。生态集约处理最高产量出现在2016年,为12781 kg/hm2,农民习惯处理最高产量出现在2012年,为12781 kg/hm2,而最低产量都出现在2009年,生态集约管理和农民习惯处理的产量分别为8505 kg/hm2和7477 kg/hm2,主要是由于极端气候 (干旱) 原因导致产量降低。

        图  2  2009—2017年不同养分管理方式下的玉米产量 (kg/hm2)

        Figure 2.  Yield of spring maize under different nutrient management practices during 2009–2017

      • 由九年定位试验的春玉米氮素吸收量结果可见 (图3),生态集约和农民习惯处理在不施氮肥处理 (N0) 中,作物氮素吸收量无显著差异,且均呈下降趋势,表明土壤中的氮素在连续耕作中被逐渐耗竭。在三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 中,农民习惯氮素吸收量在2011~2013年高于生态集约氮素吸收量,但只有2012年差异达到显著水平,农民习惯处理氮素吸收量在2010年、2014~2017年低于生态集约管理氮素吸收量,2015~2017年差异均达到显著水平。不施氮的年份 (2009年、2012年、2015年) 植物氮素吸收量明显下降,2015年农民习惯处理的值最小,为71.8 kg/hm2。在三年均施氮肥处理 (N3/3) 中,在2016年和2017年生态集约化处理氮素吸收量显著高于农民习惯处理,其余年份差异不显著,生态集约化处理在2017年达到最大值为214.9 kg/hm2,农民习惯处理在2011年达到最大值为207.6 kg/hm2

        图  3  2009~2017年不同养分管理方式下的春玉米氮素吸收量

        Figure 3.  Nitrogen uptake of spring maize under different nutrient management practices during 2009–2017

      • 九年的三年均施氮肥处理 (N3/3) 中,生态集约处理的氮素回收率范围为28.1%~97.7%,平均值为75.0%,氮素农学效率范围为20.8~57.5 kg/kg,平均值为45.1 kg/kg,氮素偏生产力范围为47.2~68.5 kg/kg,平均值为61.7 kg/kg (表2)。而农民习惯处理的氮素回收率变化范围为18.3%~69.7%,平均值为54.1%,氮素农学效率范围为9.4~39.5 kg/kg,平均值为30.6 kg/kg,氮素偏生产力范围为29.8~49.4 kg/kg,平均值为42.9 kg/kg,农民习惯处理的氮素回收率、氮素农学效率和氮素偏生产力的平均值与生态集约处理相比均显著降低,降低幅度分别为28.3%、32.2%和30.5%。氮素累积回收率计算结果显示,生态集约处理的范围为28.1%~76.8%,农民习惯处理的范围为18.3%~54.8%。可以得出结论,随着试验年份的增加,各处理的氮素利用率均呈上升趋势,氮素累积回收率的增加幅度逐渐减小,而生态集约和农民习惯处理的氮素累积回收率差值保持稳定。

        表 2  生态集约 (EI) 和农民习惯 (FP) 管理方式下N3/3处理的氮素利用率

        Table 2.  Nitrogen use efficiency of maize in treatment N3/3 under EI and FP

        年份YearREN(%)RENa(%)AEN(kg/kg)PFPN(kg/kg)
        2009EI28.1 a28.1 a20.8 a47.2 a
        FP18.3 b18.3 b 9.4 b29.8 b
        2010EI63.3 a45.7 a31.4 a61.6 a
        FP33.5 b25.9 b23.0 b45.3 b
        2011EI70.9 a54.1 a42.3 a64.8 a
        FP63.7 a38.5 b25.6 b40.8 b
        2012EI80.2 a60.6 a50.3 a68.5 a
        FP62.1 b44.4 b38.6 b49.4 b
        2013EI88.4 a66.2 a50.9 a63.4 a
        FP63.0 b48.1 b36.0 b43.7 b
        FP62.6 b50.5 b38.1 b46.0 b
        2015EI76.7 a70.4 a44.2 a55.0 a
        FP50.0 b50.5 b28.0 b38.3 b
        2016EI85.0 a72.4 a52.0 a63.9 a
        FP63.6 b52.1 b37.1 b47.9 b
        2017EI97.7 a76.8 a57.5 a63.8 a
        FP69.7 b54.8 b39.5 b44.8 b
        平均EI75.0 a45.1 a61.7 a
        MeanFP54.1 b30.6 b42.9 b
        注(Note):REN—氮素回收率 Nitrogen recovery; RENa—氮素累积回收率 Accumulated N recovery; AEN—氮肥农学效率 Agronomy efficiency of nitrogen fertilizer; PFPN—氮肥偏生产力 Partial productivity of nitrogen fertilizer; 不同小写字母表示同一年 EI 和 FP 处理之间玉米氮素利用率差异显著 Different small letters mean nitrogen use efficiency is significantly different between EI and FP in the same year (P < 0.05).
      • 氮素平衡结果 (表3) 表明,9年氮素累积输出,在农民习惯与生态集约的三年均施氮肥处理 (N3/3) 中,作物氮素吸收量没有显著差异。生态集约处理的土壤氮残留和氮表观损失比农民习惯处理分别降低了838.8 kg/hm2和637.4 kg/hm2。而在三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 中,生态集约较农民习惯的土壤氮素残留降低了93.2 kg/hm2,氮素表观损失降低了352.2 kg/hm2,且均低于三年均施氮肥处理 (N3/3)。

        表 3  不同管理措施下春玉米田间的氮素平衡 (kg/hm2)

        Table 3.  Nitrogen balance in spring maize fields under different treatments

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        输入Input输出Output
        施氮量
        N rate
        起始氮
        Initial N
        净矿化氮
        Net N mineralization
        作物吸收
        Crop uptake
        残留
        Residual N
        表观损失
        Apparent N loss
        2009EI N005244.459.6 b36.8 c0
        FP N005264.759.8 b56.9 c0
        EI N2/305244.459.3 b62.8 c–25.7
        FP N2/305264.759.7 b38.7 c18.3
        EI N3/31805244.4110.3 a324.8 b–158.7
        FP N3/32515264.7105.8 a539.0 a–277.1
        2010EI N0036.865.573.3 b29.0 ab0
        FP N0056.956.693.2 b20.3 b0
        EI N2/318062.865.5180.1 a31.1 ab97.1
        FP N2/325138.756.6171.2 a34.3 ab140.8
        EI N3/3180324.865.5187.3 a86.3 a296.7
        FP N3/3251539.056.6177.1 a46.2 ab623.3
        2011EI N0029.036.346.3 b19.0 b0
        FP N0020.343.747.8 b16.2 b0
        EI N2/318031.136.3158.9 a52.2 b36.3
        FP N2/325134.343.7195.8 a205.0 a–71.8
        EI N3/318086.336.3173.8 a53.9 b74.9
        FP N3/325146.243.7207.6 a154.4 a–21.1
        2012EI N0019.043.439.0 d23.4 b0
        FP N0016.243.331.3 d28.2 b0
        EI N2/3052.243.474.0 c19.0 b2.6
        FP N2/30205.043.3142.4 b30.6 b75.3
        EI N3/318053.943.4183.3 a34.9 b59.1
        FP N3/3251154.443.3187.1 a101.2 a160.4
        2013EI N0023.428.824.8 b27.4 b0
        FP N0028.221.721.6 b28.3 b0
        EI N2/318019.028.8170.8 a49.7 b7.3
        FP N2/325130.621.7171.0 a37.3 b94.9
        EI N3/318034.928.8183.9 a35.0 b24.9
        FP N3/3251101.221.7179.7 a82.2 a112.0
        2014EI N0027.49.326.6 b10.1 b0
        FP N0028.38.526.0 b10.8 b0
        EI N2/318049.79.3178.9 a102.6 a–42.5
        FP N2/325137.38.5177.1 a26.4 b93.3
        EI N3/318035.09.3179.3 a130.4 a–85.4
        FP N3/325182.28.5183.2 a28.9 b129.6
      • 本研究中,九年长期定位试验生态集约处理的玉米氮肥投入比农民习惯处理平均减少了25%,但产量却比农民习惯处理高6.9%,农民习惯三年均施氮肥处理 (N3/3) 最高产量达12022 kg/hm2,平均值为10764 kg/hm2,生态集约三年均施氮肥处理 (N3/3) 最高产量达12781 kg/hm2,平均值为11505 kg/hm2,同样高于东北地区春玉米平均产量11300 kg/hm2[19]。而在东北地区,可获得的最高玉米产量达到15800 kg/hm2[20],目前生态集约处理的最高产量达到可获得的最高玉米产量的81%,而Van Ittersum等和Zhao等研究表明[21-22],产量达到可获得最高产量的85%就可以表明该管理系统是高效的,考虑到不同土壤类型对玉米产量的影响[23],生态集约化养分管理已经接近高效系统标准。与农民习惯处理相比,生态集约处理具有玉米高产的优势,导致产量差异的部分因素可能有:(1) 采用高产优化品种,通过玉米本身的遗传潜力来提高氮肥利用效率和产量。(2) 生态集约处理种植密度比农民习惯处理增加了15000株/hm2,耕作上可通过稳定氮肥用量并结合适量增加密度达到增产增效的目的。(3) 在作物的关键生育时期分次施用肥料。大量研究表明,合理的氮肥分次施用的产量大于一次性基肥投入[24-26],本研究中生态集约处理在春玉米的关键生育时期即播种前、拔节期和开花期分次施用氮肥,满足了春玉米在各生育时期对养分的需求[27]。但考虑到劳动力成本和机械投入成本等因素,分次施用肥料并不能很好地全面推广[28]。因此,在今后的研究中我们将考虑施用缓/控释肥以减少施肥次数,并采用玉米优势品种,合理增加种植密度来进一步提高产量[29]。而且,要加强生态集约化及加深对生物的理解,以此来提高农业系统的性能,包括生产力和环境服务[30],对农业生产系统进行更具体和根本的改变,其核心在于如何将养分管理与生物学相结合。

      • 春玉米作为东北地区的主要种植作物,过量的化肥投入在实现粮食高产的同时也带来了养分资源利用效率低以及环境污染等问题。因此,如何实现养分减施增效一直是科学家关注的热点[31-34]。在我们的研究中,生态集约处理中的氮素农学效率和氮素回收率分别为45.1 kg/kg和75.0%,农民习惯处理的氮素农学效率和氮素回收率分别为30.6 kg/kg、54.1%,生态集约和农民习惯处理的氮素农学效率和氮素回收率明显高于其他研究[36-37],这是由于在长期定位试验下不施氮肥处理 (N0) 土壤氮素逐年下降导致的,所以氮素回收率和氮素农学效率并不能直观表示长期定位试验下氮素的利用情况,因此我们进一步分析氮素偏生产力,生态集约处理氮素偏生产力的平均值为61.7 kg/kg,农民习惯处理氮素偏生产力的平均值为42.9 kg/kg,与生态集约处理相比,降低了30.5%,这与隽英华等[35]和尹彩霞等[36]的研究结果基本一致,说明当产量提高到一定水平后,增施肥料无助于作物产量的提高,反而会降低氮素利用率,而且合理的氮肥分次施用也是生态集约处理的氮素利用率高于农民习惯处理的原因[26, 27]。尽管生态集约处理氮素利用率高于农民习惯处理,但与世界上玉米氮素平均利用率 (回收率、农学效率、偏生产力分别为65.0%、24.2 kg/kg、72.0 kg/kg)[38]相比还有一定距离。造成这种差距的原因虽然与世界上 (包括非洲、亚洲、欧洲、美国和澳大利亚) 玉米氮肥平均施用量较低,仅为123 kg/hm2[38]有关,但更多的原因是由于我们缺少从整体上将影响产量的各个因素整合起来的综合农艺管理措施。

        氮素残留量与氮肥投入量紧密相关,氮肥的用量、施用时期及氮肥在土壤中的释放特性决定了作物生育期内土壤氮素的供应强度,在影响作物氮素吸收的同时,也影响土壤中氮素的累积及挥发和淋失[39]。生态集约和农民习惯的平均土壤氮素残留分别为96.2和189.4 kg/hm2,低于隽英华等[35]和侯云鹏等[31]的研究结果,而且2009年、2014年、2015年三年均施氮肥处理 (N3/3) 结果与其他年份差异较大,是因为降雨量少,试验结果受到影响,特别是2009年为试验开展第一年,而且当年干旱情况严重,试验结果受之前土地利用情况和极端天气的双重影响。从九年的数据可以看出,生态集约与农民习惯相比,作物氮素累积吸收无显著差异 (1458.0和1497.9 kg/hm2),但氮素表观损失远远小于农民习惯 (生态集约和农民习惯处理分别为360.6和998.0 kg/hm2),这说明过多的氮肥投入无法被作物吸收而残留在土壤中,在降雨量较大、温度较高、微生物活性增强等环境因素下,易通过淋溶、挥发等途径造成氮素损失[40,41]。因此,科学合理的施肥方法对提高作物产量和氮素利用率,同时减少对环境的污染具有重要意义。

      • 生态集约化的发展还需要对农业有一个更全面的看法,要考虑到几十年来整个系统的效率,而不仅仅是单一的投入对单一领域内效率的影响[30]。氮肥施用显著影响春玉米籽粒产量,当季不施用氮肥会显著降低作物产量,第二季补充施用氮肥后,作物产量显著提升。三年中二年施氮肥处理 (N2/3) 在土壤氮素耗竭一年的情况下,第二年补施氮肥并没有影响当年的作物产量。表明在当季土壤氮耗竭一年的情况下,第二季补施氮肥,土壤生产力会立即恢复,不会影响以后作物的产量。试验区域一年仅种植一季,相对来说土地利用强度较低,且东北有着漫长的冬季,耕层土壤冬季冻结,春季消融。这种冻融交替一方面加速了土壤有机氮的矿化和可溶性铵离子的释放,另一方面又促进了微生物脱氮化作用[42, 43],这样在一定程度上增加了土壤中无机氮的含量,缓解了上一季土壤无机氮素的耗竭状态,使第二年春播时土壤基础肥力有所恢复,因此在补施氮肥的情况下,没有显著影响当季作物氮素的积累量和产量的形成。

      • 通过九年长期定位试验观测与分析,生态集约化管理通过优化养分管理包括优化施肥量和施肥时间,采用优良的玉米品种及适宜的种植密度,能够保持玉米产量、提高植株氮素吸收和氮素利用率,减少土壤氮素残留和氮素损失。该试验结果还表明,东北土壤对氮肥的依赖性高,不施氮玉米产量显著降低,连续施氮不会带来土壤氮素的残留,因此,必须确保每年有适宜的施氮水平来实现玉米的高产稳产。

    参考文献 (43)
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