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氮肥种类和用量对黄河三角洲玉米产量及氮肥利用率的影响

苗琪 于宝超 孙福来 张济世 薛艳芳 崔振岭

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氮肥种类和用量对黄河三角洲玉米产量及氮肥利用率的影响

    作者简介: 苗琪Email:18255025980@163.com;
    通讯作者: 崔振岭, E-mail:cuizl@cau.edu.cn
  • 基金项目: 山东省重点科技创新项目(2017CXGX0311);山东省与以色列国际合作科技合作项目(2015SDY0105);国家重点研发计划(2018YFD0200603);山东省重点研发计划(2017CXGC0304)。

Effects of nitrogen fertilizer type and rate on maize yield and nitrogen use efficiency in the Yellow River delta

    Corresponding author: CUI Zhen-ling, E-mail:cuizl@cau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  为解决黄河三角洲地区玉米氮肥合理施用问题,在该地区田间条件下应用根层氮素实时监控技术,结合施用不同种类氮肥,研究不同施氮量及氮肥种类对玉米产量及氮素利用效率的影响,为区域玉米生产氮素管理提供理论依据和技术支撑。  【方法】  于2017—2018年在山东省黄河三角洲农业高新技术产业示范区开展为期2年的田间试验,以郑单958为供试品种,设计双因素试验,主处理为5个施氮水平,分别为不施氮 (CK)、基于根层氮素实时监控技术的优化施氮 (Opt)、优化下调施氮70% (Opt70%)、优化上调施氮30% (Opt130%)、农民传统施氮 (FNP);副处理为3个氮肥种类,分别为硫酸铵 (AS)、硝酸铵钙 (CAN) 和尿素 (UREA)。于玉米六叶期 (V6) 和吐丝期 (VT) 分别采集0—60和0—90 cm土壤样品,测定土壤硝态氮和无机氮含量。于收获期测定玉米产量、生物量、玉米植株和籽粒氮含量,计算吸氮量及氮素利用效率。  【结果】  相比FNP处理,2017和2018年应用根层氮素实时监控技术的优化施氮处理分别降低氮肥用量41%和63%,而两处理间产量无显著差异。Opt处理的生物量、籽粒氮含量、秸秆氮含量及吸氮量与Opt130%以及FNP处理无显著差异,氮肥利用率显著高于FNP,两年氮收获指数分别提高7和6个百分点,氮肥偏生产力分别提高71%和190%,氮肥回收利用率分别提高32和34个百分点。优化施氮水平下,2017年施用尿素和硝酸铵钙的玉米产量较施用硫酸铵提高15%和8%。Opt处理收获期土壤无机氮含量较FNP在两年分别降低29%和39%。  【结论】  在黄河三角洲地区,应用根层氮素实时监控技术能够在大幅度减少氮肥施用量的同时,不明显降低籽粒产量,进而提高氮肥利用率。在等氮量条件下,硝酸铵钙和尿素在节肥增产方面的效果优于硫酸铵。
  • 图 1  2017和2018年玉米生育期降水量与日均温

    Figure 1.  Precipitation and average daily temperature during the growth periods of maize in 2017 and 2018

    图 2  不同施氮处理玉米产量

    Figure 2.  Maize grain yield of different N treatments

    图 3  不同施氮处理玉米生长季0—30 cm土壤无机氮含量动态变化

    Figure 3.  The dynamic changes of soil inorganic N contents in 0–30 cm under different N treatments during the growth period of maize

    表 1  2017和2018年不同主处理施氮量 (N kg/hm2)

    Table 1.  N fertilization rates of different main treatments in 2017 and 2018

    处理
    Treatment
    20172018
    播种前Before sowing六叶期V6 stage吐丝期VT stage 播种前Before sowing六叶期V6 stage吐丝期VT stage
    CK 0 0 0 0 0 0
    Opt70%324242322121
    Opt456060453030
    Opt130%597878593939
    FNP180 100 0180 100 0
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    表 2  不同施氮处理玉米生物量及籽粒、秸秆氮含量和地上部吸氮量

    Table 2.  Maize biomass, and grain and straw N content and shoot N uptake at harvestunder different N treatments

    处理
    Treatment
    生物量Biomass (t/hm2)籽粒氮含量Grain N content (%)秸秆氮含量Straw N content (%)吸氮量N uptake (kg/hm2)
    ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA
    2017
    CK10.4 b10.4 c10.4 c1.03 c1.03 c1.03 c0.48 d0.48 d0.48 d 79 c 79 d 79 c
    Opt70%15.1 a16.2 b16.9 b1.26 b1.38 b1.38 b0.86 c0.87 c1.00 a160 b182 c193 b
    Opt16.1 a 17.6 ab19.5 a1.42 a 1.47 ab1.49 a 0.98 a 0.97 bc 0.90 bc194 a203 b230 a
    Opt130%15.1 a17.8 a19.1 a1.49 a1.58 a1.51 a0.86 c1.15 a 0.98 ab 178 ab226 a237 a
    FNP16.2 a17.9 a20.2 a1.46 a 1.49 ab1.48 a1.09 a 1.06 ab0.86 c195 a207 b224 a
    变异来源 Source of variation
    施氮量 N rate (N)********
    氮肥种类 N type (T)******
    N × Tnsns**ns
    2018
    CK 6.9 d 6.9 c 6.9 c1.07 d1.07 c1.07 c0.43 c0.43 c0.43 c 52 d 52 d 52 d
    Opt70%10.5 c10.9 b11.8 b1.28 c1.17 b1.21 b0.50 c0.54 b0.47 c 91 c 91 b 97 c
    Opt11.8 b13.5 a13.7 a1.36 b1.33 a1.32 a0.64 b0.60 b0.55 b115 b127 a124 b
    Opt130% 12.3 ab13.2 a 13.4 ab 1.33 bc1.41 a1.36 a0.63 b0.72 a0.57 b120 b137 a126 b
    FNP12.6 a13.0 a 13.4 ab1.47 a1.39 a1.39 a0.84 b0.77 a0.90 a143 a138 a149 a
    变异来源 Source of variation
    施氮量 N rate (N)********
    氮肥种类 N type (T)*ns*ns
    N × T nsns**ns
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一年份不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments in the same year at the 5% level;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著Not significant.
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    表 3  不同施氮处理的施氮量及氮肥利用率

    Table 3.  Nitrogen fertilizer rates and utilization efficiency of maize under different N treatments

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    施氮量
    N rate
    氮收获指数HIN (%) 氮肥偏生产力PFPN (kg/kg) 氮肥回收利用率REN (%)
    ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA
    2017CK 074 a74 a74 a
    Opt70%116 58 cd61 b 57 bc63 a70 a69 a70 a86 a95 a
    Opt16560 c58 c60 b49 b53 b57 b69 a73 b89 a
    Opt130%21564 b54 d59 b35 c41 c43 c46 b67 b72 b
    FNP28055 d50 e55 c28 d32 d34 d42 b44 c50 c
    变异来源 Source of variation
    施氮量 (N)
    N rate
    ******
    氮肥种类 (T)
    N type
    *****
    N × T**nsns
    2018CK 072 a72 a72 a
    Opt70% 74 69 ab66 b 69 ab66 a69 a74 a 53 ab52 b61 a
    Opt10565 b65 b67 b53 b69 a60 b61 a72 a69 a
    Opt130%13766 b 63 bc67 b43 c44 c45 c49 b 63 ab54 a
    FNP28060 c61 c57 c21 d21 d22 d33 c31 c35 b
    变异来源 Source of variation
    施氮量 (N)
    N rate
    ******
    氮肥种类 (T)
    N type
    nsnsns
    N × Tnsnsns
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一年份不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments in the same year at the 5% level;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著 Not significant.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-27
  • 网络出版日期:  2020-05-26
  • 刊出日期:  2020-04-01

氮肥种类和用量对黄河三角洲玉米产量及氮肥利用率的影响

    作者简介:苗琪Email:18255025980@163.com
    通讯作者: 崔振岭, cuizl@cau.edu.cn
  • 1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193
  • 2. 淮安市淮安区农业农村局,江苏淮安 223200
  • 3. 滨州市种子管理站,山东滨州 256600
  • 4. 山东省农业科学院玉米研究所,山东济南 250100
  • 基金项目: 山东省重点科技创新项目(2017CXGX0311);山东省与以色列国际合作科技合作项目(2015SDY0105);国家重点研发计划(2018YFD0200603);山东省重点研发计划(2017CXGC0304)。
  • 摘要:   【目的】  为解决黄河三角洲地区玉米氮肥合理施用问题,在该地区田间条件下应用根层氮素实时监控技术,结合施用不同种类氮肥,研究不同施氮量及氮肥种类对玉米产量及氮素利用效率的影响,为区域玉米生产氮素管理提供理论依据和技术支撑。  【方法】  于2017—2018年在山东省黄河三角洲农业高新技术产业示范区开展为期2年的田间试验,以郑单958为供试品种,设计双因素试验,主处理为5个施氮水平,分别为不施氮 (CK)、基于根层氮素实时监控技术的优化施氮 (Opt)、优化下调施氮70% (Opt70%)、优化上调施氮30% (Opt130%)、农民传统施氮 (FNP);副处理为3个氮肥种类,分别为硫酸铵 (AS)、硝酸铵钙 (CAN) 和尿素 (UREA)。于玉米六叶期 (V6) 和吐丝期 (VT) 分别采集0—60和0—90 cm土壤样品,测定土壤硝态氮和无机氮含量。于收获期测定玉米产量、生物量、玉米植株和籽粒氮含量,计算吸氮量及氮素利用效率。  【结果】  相比FNP处理,2017和2018年应用根层氮素实时监控技术的优化施氮处理分别降低氮肥用量41%和63%,而两处理间产量无显著差异。Opt处理的生物量、籽粒氮含量、秸秆氮含量及吸氮量与Opt130%以及FNP处理无显著差异,氮肥利用率显著高于FNP,两年氮收获指数分别提高7和6个百分点,氮肥偏生产力分别提高71%和190%,氮肥回收利用率分别提高32和34个百分点。优化施氮水平下,2017年施用尿素和硝酸铵钙的玉米产量较施用硫酸铵提高15%和8%。Opt处理收获期土壤无机氮含量较FNP在两年分别降低29%和39%。  【结论】  在黄河三角洲地区,应用根层氮素实时监控技术能够在大幅度减少氮肥施用量的同时,不明显降低籽粒产量,进而提高氮肥利用率。在等氮量条件下,硝酸铵钙和尿素在节肥增产方面的效果优于硫酸铵。

    English Abstract

    • 玉米作为我国主要的粮食作物之一,在保障我国粮食和饲料安全方面发挥了不可替代的作用[1]。随着人口的增长和居民生活水平的提高,未来对于玉米需求量将会进一步增加。施用氮肥作为当前农作物生产中的主要管理措施,在保证获得作物高产方面发挥着重要的作用。与此同时,农田土壤氮素资源具有来源多样性、去向多向性以及环境危害性、作物产量和品质对其反应敏感等特征[2]。当前在我国的一些地区,由于农民对高产夏玉米的氮素需求规律认识不够以及农田氮肥推荐施用技术的普及率低等原因,导致氮肥用量及施用时期不合理问题凸显,造成资源的浪费和环境的污染[3]

      黄河三角洲地处渤海之滨的黄河入海口,是我国三大河口三角洲之一,是较有代表性的滨海盐渍土区。由于该区域紧邻黄河,淡水资源相对丰富,使其成为易利用盐渍土类型[4]。土壤盐碱化、氮磷钾养分失衡等问题制约着该地区粮食生产能力提升[5-6]。该地区玉米种植有产量水平不高、肥料用量大的特点,2017年玉米单产仅为6 t/hm2,夏玉米的氮肥施用量高达N 280 kg/hm2[7-8]。因此,提高区域养分利用率尤其是氮肥利用率是区域玉米绿色种植的重要任务。

      目前,针对土壤氮素的时空变异大和作物氮素吸收与根层土壤氮素供应难以同步的现状,从根层土壤养分调控的思路出发,根据高产作物氮素吸收特征,实现来自土壤、环境和肥料的根层土壤氮素供应与作物氮素需求的同步,国内农田养分管理专家建立了以根层养分调控为核心的根层氮素实时监控技术,进行农田氮肥优化管理,力求实现玉米氮肥需求和根层氮素供应在时间上同步,数量上一致,空间上耦合[9-10]。多年的田间试验结果表明,运用根层氮素实时监控技术能够在不减少作物产量的前提下显著降低氮肥用量,减少氮素向环境迁移[9, 11]。该项技术在地处华北平原腹地的山东、河南等地的148个玉米田间试验上其效果也得到了验证,与农民传统施氮相比可以减少氮肥用量40%~60%,提高作物产量4%~5%,减少氮素损失65~116 kg/hm2[9]

      植物生长发育所能吸收的氮素形态主要为硝态氮和铵态氮。对于作物来说,获取氮素最主要的方式是通过根系吸收硝态氮和铵态氮后同化为氨基酸满足作物生长发育需求。不同作物对铵态氮和硝态氮的喜好不同,有研究表明NO3可以通过促进玉米侧根生长和叶片光合强度及蒸腾速率来增加生物量[12],也有研究表明,NH4+比NO3更能促进玉米根系生长,相对有更高的生物量[13],还有学者认为作物在铵硝混合条件下比在单一氮营养条件下有更高的氮素吸收、干物质积累和经济产量,即铵硝混合可能更利于植物的生长[14]。在温室盆栽条件下的研究表明,施用尿素比单施NH4+和NO3处理玉米苗期生物量增加10%[15]。但受土壤类型、栽培条件、水分管理等因素影响,施用不同形态氮肥对作物生长发育、产量和氮肥效应的影响的结果并不一致。黄河三角洲地区地理位置与土壤类型特殊,针对该地区施用不同形态氮肥对玉米产量及氮效率的影响研究十分有意义。

      因此,本研究对基于土壤硝态氮测试的根层氮素实时监控技术在黄河三角洲地区适宜性进行验证,同时通过改变氮肥种类进一步提高氮肥利用率。通过田间试验,分析不同氮肥种类与施氮水平下玉米的产量、吸氮量、氮肥利用率、土壤无机氮等指标,探讨适宜黄河三角洲区域玉米的氮素管理策略,为该区域玉米生产氮素管理提供理论依据和技术支撑。

      • 田间试验于2017和2018年在山东省黄河三角洲农业高新技术产业示范区科研试验基地 (118.65°E,37.32°N) 进行。试验起始于2016年夏玉米,设置5个施氮水平,于当年冬小麦开始裂区试验。该试验为冬小麦/夏玉米一年两熟轮作体系,供试玉米品种为郑单958,播种密度为75000株/hm2,行距为60 cm,玉米季为全生育期雨养无灌溉。2017年夏玉米于6月12日播种,10月3日收获测产,全生育期113天;2018年夏玉米于6月13日播种,10月4日收获测产,全生育期113天。供试土壤为滨海轻度盐化草甸土,供试土壤0—30 cm土层的基本理化性质如下:pH为7.71、有机碳12.1 g/kg、全氮1.72 g/kg、无机氮 18.3 mg/kg、速效磷7.88 mg/kg、速效钾 395 mg/kg、电导率为544 μS/cm。2017和2018年玉米生育期日均气温和降水量见图1,两年玉米生育期总降水量分别为286和746 mm。

        图  1  2017和2018年玉米生育期降水量与日均温

        Figure 1.  Precipitation and average daily temperature during the growth periods of maize in 2017 and 2018

        试验为两因素裂区设计,主处理为5个施氮水平,分别为不施氮肥处理CK;基于根层氮素实时监控技术的优化施氮处理 (Opt)[16];优化施氮量下调30% (Opt70%);优化施氮上调30% (Opt130%);农民传统施氮处理 (FNP)。FPN氮肥用量基于对山东东营地区农户调研情况,玉米季总计施用氮肥280 kg/hm2,其中180 kg/hm2在播种期基施,100 kg/hm2在玉米六叶期追施。冬小麦季施氮水平设置同夏玉米季,优化施氮量确定方法详见文献[17],农民传统施氮处理 (基于对山东东营地区农户调研情况,小麦季总计施用氮肥300 kg/hm2,其中200 kg/hm2在播种期基施,100 kg/hm2在小麦拔节期追施)。副处理为3个氮肥种类,分别为硫酸铵 (含氮21.2%,AS),硝酸铵钙 (含氮量15.5%,CAN) 和尿素 (含氮46.0%, UREA)。每个处理4次重复,完全随机区组排列。主处理小区面积为210 m2 (长15 m × 宽14 m),副处理裂区面积为70 m2 (宽5 m × 长14 m)。两年玉米季氮肥用量及施用时期见表1。氮肥在播种前基施,拔节期和吐丝期开沟深施。参考区域养分施用推荐标准[18],每季玉米播种前,P2O5 45 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2和ZnSO4·7H2O 30 kg/hm2全部作基肥,撒施旋耕入土 (0—20 cm)。每季小麦播种前,P2O5 90 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2全部作基肥,翻耕 (0—30 cm) 后撒施旋耕入土 (0—20 cm)。磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾。生育期内无严重病虫害和杂草发生。

        表 1  2017和2018年不同主处理施氮量 (N kg/hm2)

        Table 1.  N fertilization rates of different main treatments in 2017 and 2018

        处理
        Treatment
        20172018
        播种前Before sowing六叶期V6 stage吐丝期VT stage 播种前Before sowing六叶期V6 stage吐丝期VT stage
        CK 0 0 0 0 0 0
        Opt70%324242322121
        Opt456060453030
        Opt130%597878593939
        FNP180 100 0180 100 0
      • 试验区随机采集5点土样,均匀混合,分成3份,挑拣出未腐烂分解的根系、秸秆等,放在阴凉处自然风干。过2 mm筛,水土比2.5∶1浸提pH计测定pH;水土比5∶1浸提电导率仪测定电导率;0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定有效磷含量;1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定有效钾含量。过0.25 mm筛,碳氮元素分析仪测定有机碳和全氮含量。

      • 施肥前每个优化试验小区随机取3钻土样均匀混合。不同时期土壤采集深度不同,如玉米播种前采集0—30 cm,六叶期采集0—60 cm,抽雄吐丝期采集0—90 cm,每30 cm为一层。鲜土混匀后密封于自封袋中,迅速带回实验室进行分析。样品分为两部分,一部分按照新鲜土样与去离子水1∶1进行浸提,振荡0.5 h过滤后,用反射仪测定土壤溶液硝酸盐含量。另取25 g左右鲜土于105℃烘24 h左右至恒重,测定土壤含水量。

      • 在玉米播种前、六叶期 (V6)、吐丝期 (VT) 和成熟期 (R6) 采集0—90 cm土层土样,每30 cm为一层。将新鲜土壤样品通过0.5 cm网筛,称取12.0 g过筛后的土壤,加入100 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液,以180 r/min振荡60 min,过滤,浸提液用连续流动分析仪测定土壤无机氮浓度,并根据各土层土壤容重换算为土壤无机氮含量。

      • 在V6、VT和R6 (分为籽粒和秸秆两部分) 进行地上部样品采集,每个小区取两行连续4株玉米,在105℃杀青30 min,70℃烘至恒重,记录干物重,粉样,采用浓H2SO4—H2O2消煮,凯氏定氮法测定样品氮含量。

      • 各小区随机选取4行2 m进行测产。收获测产区内所有穗,称取鲜重,挑取6个代表性穗作为测产小样,称其鲜重并进行考种。将6穗小样脱粒烘干,换算出相应的籽粒含水量及出籽率等,最终折算成含水率为15.5%的产量。

      • 吸氮量 (N uptake,kg/hm2) = 氮素含量 × 干物质重

        氮收获指数 (HIN,%) = 成熟期籽粒吸氮量/成熟期地上部吸氮量 × 100%

        氮肥偏生产力 (PFPN,kg/kg) = 籽粒产量/施氮量

        氮肥回收利用率 (REN,%) = (成熟期施氮处理地上部吸氮量 - 成熟期不施氮处理地上部吸氮量) /施氮量 × 100%

        各土层无机氮积累量 (Nmin,N kg/hm2) = 土层厚度 × 土壤容重 × (土壤硝态氮含量 + 土壤铵态氮含量)

        上述公式所有数据基于样品干重计算。试验数据用Microsoft Excel 2017进行处理,SAS 8.0统计软件进行单因素及双因素方差分析法分析 (1%和5%水平的LSD检验法),Excel 2017软件作图。

      • 两年的试验结果(图2)均表明,当供氮量从0增加到Opt时,玉米产量显著增加,但供氮量进一步从Opt增加到FNP时,玉米产量无显著差异。不同供氮处理下,优化施氮处理在2017年平均产量为10.3 t/hm2,较对照和Opt70%处理平均增产53%和12%;在2018年平均产量为7.1 t/hm2,较对照和优化下调施氮处理平均增产60%和17%。

        图  2  不同施氮处理玉米产量

        Figure 2.  Maize grain yield of different N treatments

        同一施氮量下,与施用硫酸铵处理相比,施用硝酸铵钙和尿素均可提高籽粒产量,并在2017年达到显著水平,例如优化处理条件下,尿素和硝酸铵钙处理较硫酸铵分别增产15%和8%。但在2018年籽粒产量在各氮肥种类间无显著差异。

      • 两年的试验结果(表2)表明,氮肥种类与用量显著影响玉米收获期生物量,生物量未受到两者交互作用的显著影响。2017与2018年优化施氮处理下的平均生物量分别为17.7和13.0 t/hm2,均显著高于对照和优化下调施氮处理,分别提高70%和10% (2017年)、88%和17% (2018年)。而优化施氮与优化施氮以上氮肥用量处理生物量间没有显著差异。

        表 2  不同施氮处理玉米生物量及籽粒、秸秆氮含量和地上部吸氮量

        Table 2.  Maize biomass, and grain and straw N content and shoot N uptake at harvestunder different N treatments

        处理
        Treatment
        生物量Biomass (t/hm2)籽粒氮含量Grain N content (%)秸秆氮含量Straw N content (%)吸氮量N uptake (kg/hm2)
        ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA
        2017
        CK10.4 b10.4 c10.4 c1.03 c1.03 c1.03 c0.48 d0.48 d0.48 d 79 c 79 d 79 c
        Opt70%15.1 a16.2 b16.9 b1.26 b1.38 b1.38 b0.86 c0.87 c1.00 a160 b182 c193 b
        Opt16.1 a 17.6 ab19.5 a1.42 a 1.47 ab1.49 a 0.98 a 0.97 bc 0.90 bc194 a203 b230 a
        Opt130%15.1 a17.8 a19.1 a1.49 a1.58 a1.51 a0.86 c1.15 a 0.98 ab 178 ab226 a237 a
        FNP16.2 a17.9 a20.2 a1.46 a 1.49 ab1.48 a1.09 a 1.06 ab0.86 c195 a207 b224 a
        变异来源 Source of variation
        施氮量 N rate (N)********
        氮肥种类 N type (T)******
        N × Tnsns**ns
        2018
        CK 6.9 d 6.9 c 6.9 c1.07 d1.07 c1.07 c0.43 c0.43 c0.43 c 52 d 52 d 52 d
        Opt70%10.5 c10.9 b11.8 b1.28 c1.17 b1.21 b0.50 c0.54 b0.47 c 91 c 91 b 97 c
        Opt11.8 b13.5 a13.7 a1.36 b1.33 a1.32 a0.64 b0.60 b0.55 b115 b127 a124 b
        Opt130% 12.3 ab13.2 a 13.4 ab 1.33 bc1.41 a1.36 a0.63 b0.72 a0.57 b120 b137 a126 b
        FNP12.6 a13.0 a 13.4 ab1.47 a1.39 a1.39 a0.84 b0.77 a0.90 a143 a138 a149 a
        变异来源 Source of variation
        施氮量 N rate (N)********
        氮肥种类 N type (T)*ns*ns
        N × T nsns**ns
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一年份不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments in the same year at the 5% level;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著Not significant.

        不同种类氮肥施用结果表明,优化及以上施氮量,尿素与硝酸铵钙处理生物量显著高于硫酸铵处理,2017年优化施氮量下生物量分别较硫酸铵处理增加21%和9%,2018年分别增加16%和14%。施氮量显著影响了籽粒氮含量,2017与2018年分别在优化上调和农民传统施氮量下籽粒氮含量达到最大值,分别为1.53%和1.42%。而优化施氮与优化以上施氮量间籽粒氮含量无显著性差异。氮肥种类与用量显著影响了玉米秸秆氮含量,两者交互作用显著影响秸秆氮含量。2017与2018年均是在农民传统施氮量下秸秆氮含量达到最大值,分别为1.03%和0.84%。施氮量显著影响地上部吸氮量,2017与2018年优化施氮量处理下地上部吸氮量分别为209和122 kg/hm2,分别显著高于CK 165%和135%。优化施氮处理较农户传统施氮处理地上部吸氮量在2017年相当,2018年降低15%。

      • 表3可知,2017和2018年优化施氮处理比农民传统施氮处理分别减氮41%和63%。施氮量显著影响氮收获指数,随着施氮量的增加,2017年氮收获指数从74%降到53%,2018年氮收获指数从72%降到59%。优化施氮处理的氮收获指数显著高于农民传统施氮处理,2017和2018年分别提高7和6个百分点。在2017年施氮量与氮肥种类交互作用显著影响氮收获指数。施氮量显著影响氮肥偏生产力,随着施氮量的增加氮肥偏生产力降低,2017和2018年优化施氮处理较农民传统施氮处理氮肥偏生产力分别增加了71%和190%。氮肥回收利用率与氮肥偏生产力表现出一致的变化趋势,随着施氮量的增加,2017和2018年优化施氮处理较农民传统施氮处理的氮肥回收利用率分别提高了32和34个百分点。在2017年氮收获指数、氮肥偏生产力及氮肥回收利用率受氮肥种类显著影响,2018年三者均未受到氮肥种类的显著影响。

        表 3  不同施氮处理的施氮量及氮肥利用率

        Table 3.  Nitrogen fertilizer rates and utilization efficiency of maize under different N treatments

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        施氮量
        N rate
        氮收获指数HIN (%) 氮肥偏生产力PFPN (kg/kg) 氮肥回收利用率REN (%)
        ASCANUREA ASCANUREA ASCANUREA
        2017CK 074 a74 a74 a
        Opt70%116 58 cd61 b 57 bc63 a70 a69 a70 a86 a95 a
        Opt16560 c58 c60 b49 b53 b57 b69 a73 b89 a
        Opt130%21564 b54 d59 b35 c41 c43 c46 b67 b72 b
        FNP28055 d50 e55 c28 d32 d34 d42 b44 c50 c
        变异来源 Source of variation
        施氮量 (N)
        N rate
        ******
        氮肥种类 (T)
        N type
        *****
        N × T**nsns
        2018CK 072 a72 a72 a
        Opt70% 74 69 ab66 b 69 ab66 a69 a74 a 53 ab52 b61 a
        Opt10565 b65 b67 b53 b69 a60 b61 a72 a69 a
        Opt130%13766 b 63 bc67 b43 c44 c45 c49 b 63 ab54 a
        FNP28060 c61 c57 c21 d21 d22 d33 c31 c35 b
        变异来源 Source of variation
        施氮量 (N)
        N rate
        ******
        氮肥种类 (T)
        N type
        nsnsns
        N × Tnsnsns
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一年份不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments in the same year at the 5% level;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著 Not significant.
      • 图3表明,玉米关键生育期内,各施氮处理0—30 cm土层无机氮含量呈现先升高后下降的趋势,在六叶期达到最大值,随后逐渐下降。不同施氮量处理间,不同年份同一时期,CK、优化施氮与农民传统施氮处理间土壤无机氮含量均有显著差异,表层土壤无机氮含量随着施氮量增加而显著提升。2018年六叶期和吐丝期优化施氮处理表层土壤无机氮含量高于2017年。2017和2018年收获期,优化施氮处理较农民传统施氮处理表层土壤无机氮含量分别低了29%和39%。六叶期和吐丝期同一施氮量条件下,施用尿素处理土壤无机氮含量显著高于施用硫酸铵处理。

        图  3  不同施氮处理玉米生长季0—30 cm土壤无机氮含量动态变化

        Figure 3.  The dynamic changes of soil inorganic N contents in 0–30 cm under different N treatments during the growth period of maize

      • 玉米产量的提升依赖于高的干物质累积量和氮素吸收量[19],六叶期以后,玉米的干物质积累和氮素吸收量呈快速增长的趋势,六叶期至吐丝期是氮素吸收最快的阶段[20],因此对于这两个关键时期 (V6、VT) 的氮素管理显得尤为重要。基于此生长特性,颜鹏等[16]根据夏玉米的氮素需求规律,对于目标产量为10 t/hm2的夏玉米而言,每生产100 kg籽粒氮素需求量按2.25 kg计算,则地上部氮素吸收总量为225 kg/hm2,根据各阶段高产玉米的氮素需求规律和根层土壤缓冲值,确定播前0—30 cm根层土壤的氮素供应目标值为60 kg/hm2,六叶期到抽雄吐丝期0—60 cm根层土壤的氮素供应目标值为185 kg/hm2,抽雄吐丝期到收获期0—90 cm耕层土壤的氮素供应目标值为165 kg/hm2。依据此目标值,本研究2017年的优化施氮量为165 kg/hm2,2018年的优化施氮量为105 kg/hm2,较农民传统施氮分别节约氮肥41%和63%,但同时这一施肥量也低于华北地区玉米适宜氮肥用量[3],分析可能的原因:一是、由于试验田土壤无机氮背景值较高,在各时期只需施用少许氮肥便能满足玉米生长氮素需求;二是、2018年受暴雨影响 (单日最大降雨量达180 mm),玉米开花期生长受到胁迫,吸氮能力下降;三是、有研究表明,在华北平原每年大气干湿沉降的氮素为89 kg/hm2,0—90 cm土壤的氮素累积可达190 kg/hm2,玉米生长季的氮素矿化量为109 kg/hm2[3, 21]。虽然本研究优化施氮处理氮肥用量不高,但较农户传统施氮处理并未显著影响产量。这主要归因于研究区域农民施肥习惯偏重于基肥,而华北地区的雨水多集中在玉米生育后期,强降雨导致大量根层土壤硝态氮被淋洗到玉米根系有效性以外,导致氮素利用率不高[22]。本研究优化施氮相比农民传统施氮处理大幅降低了基施氮肥量,更加注重学界所认可的关键时期尤其是抽雄吐丝期氮肥的追施[19-20],结合土壤硝态氮速测结果及不同时期的土壤氮素供应目标值确定各时期追肥量,从而实现了夏玉米氮肥需求和根层养分在数量、时间和空间上的匹配,使得当季施入的氮肥尽可能多的转化为粮食生产力,因而在大幅度减少氮肥施用的基础上并没有降低玉米产量。不同氮肥种类在正常年份 (2017年) 显著影响玉米产量及生物量,施用尿素及硝酸铵钙效果最佳,这与前人[10, 23]在盆栽及田间的研究结果表现一致。而2018年生物量一定程度上受到氮肥种类影响,但最终不同施肥种类下产量未表现出显著差异,这可能主要是由于生育关键时期受淹水胁迫导致氮素吸收转移效率降低[24],进而弱化试验处理因素,因此需进一步进行田间验证。

        巨晓棠等[25]认为过量施用氮肥对作物增产没有任何意义。正常来讲,随着施氮量的提高,产量和吸氮量增加,氮肥回收利用率降低[26]。本研究表明,优化施氮的各项氮肥利用率指标均显著高于农民传统施氮,虽然优化施氮下调处理的各项氮肥利用率指标均较高,但该处理下的玉米产量和吸氮量却显著低于其他施氮处理。因此,协调产量与氮肥利用率之间的矛盾,应在保证作物产量达到平台的前提下,提高氮肥效率,同时减少氮素的奢侈吸收[27]。本研究优化施氮处理的氮肥回收利用率 (REN) 和肥料偏生产力 (PFPN) 要高于我国玉米生产平均水平[26],分析原因主要有:一是、由于黄河三角洲地区土壤质量差、综合肥力水平较低,区域产量水平不高,而该种情况下得到高的肥料利用率和农学效率相对较容易[28];二是、由于研究区域产量水平不高,应用氮素实时监控技术较农户传统施氮大幅度降低了施肥量,进而得到高的肥料利用率和农学效率相对容易。

        各种氮肥施入土壤后经过硝化或脲酶作用转化为作物可利用的无机氮 (硝态氮和铵态氮),土壤无机氮含量是反映土壤供氮能力与氮肥是否合理的重要指标。相关研究结果表明,无机氮的残留和损失量随着施氮量的增加显著增加[29-30],本研究的结果与之相符,优化施氮量条件下土壤无机氮随着施氮量与作物氮吸收量呈相应变化,而农民传统高量施氮,尤其是基施量较大的情况下,在六叶期表层土壤 (0—30 cm) 无机氮含量迅速提高,而作物在生长前期氮素需求量很少,该时期表层土壤大量氮素的累积造成氮素的损失增加及玉米花前养分的过量累积[31]。在山东惠民地区小麦–玉米轮作体系中,由于过高施氮量,导致在玉米收获后0—90 cm土壤中硝态氮累积量平均为227~275 kg/hm2[32],远远超出欧美国家要求的0—90 cm土壤中硝态氮残留小于45 kg/hm2的标准[33]。本研究正常年份 (2017年) 的农户传统施氮处理0—90 cm土壤中硝态氮也达到了282 kg/hm2的较高水平,而优化施氮处理该土层氮素残留仅为101 kg/hm2,相对已显著降低收获期土壤氮素残留。相对于硫酸铵及硝酸铵钙,施用等量的尿素能够使土壤无机氮含量有更显著的提升,这可能是由于硫酸铵施入土壤后直接水解成氨,随后挥发到大气中,结果导致肥料养分大量损失[34]。土壤无机氮含量的测定结果,进一步说明了根层氮素实时监控技术减肥的合理性,通过调控各时期土壤氮素供应达到与玉米养分需求相匹配,从而实现氮肥的高效。

        综上所述,在黄河三角洲玉米上应用根层氮素实时监控技术,使得氮肥施用、土壤供给和作物需求在时间和空间上更加匹配,进而实现节肥增效的目标。本研究结果可为黄河三角洲地区小农户提供区域氮素总量控制指标,再结合合理的分期调控手段,能在很大程度上减少该区域氮素资源的不合理投入,降低并控制农田土壤氮素残留,为黄河三角洲地区夏玉米生产中氮肥利用效率偏低和农田环境污染严重等问题的解决提供技术支撑。但不同种类氮肥受该区域气候条件、土壤类型和管理措施等影响而表现不同,因此需要通过长期定位试验获取更多的参数指标,进一步探讨不同种类氮肥节肥增效的机理。

      • 在黄河三角洲地区应用根层氮素实时监控技术能够在不显著降低籽粒产量的同时大幅度减少氮肥施用量,进而提高了氮肥利用率。在等氮量条件下,施用硝酸铵钙以及尿素在节肥增产方面与施用硫酸铵相比有较好表现。

    参考文献 (34)

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