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不同施氮水平下施用稳定性氮肥在辽宁春玉米上的减施效果及潜力

冯小杰 战秀梅 王颖 赵蔚 王雪鑫 李俊 何天池 陈坤 彭靖 韩晓日

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不同施氮水平下施用稳定性氮肥在辽宁春玉米上的减施效果及潜力

    作者简介: 冯小杰 E-mail:fengxiaojie920218@163.com;
    通讯作者: 战秀梅, E-mail:xiumeizhan@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0300303)。

Effect and potential of decreasing chemical nitrogen input through using stabilized fertilizer under different conventional fertilizer application levels in spring maize production of Liaoning, China

    Corresponding author: ZHAN Xiu-mei, E-mail:xiumeizhan@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  稳定性氮肥减量施用在玉米上表现出良好的稳产、增产效果,但缺乏针对不同土壤和气候条件下春玉米生产的推荐施用量。为此,我们在辽中、辽南地区春玉米上开展了稳定性氮肥一次性施用最佳用量试验。  【方法】  2017年在辽宁省沈阳市和海城市两地开展田间试验。供试稳定性氮肥中同时添加了脲酶抑制剂和硝化抑制剂。两个试验区均设置了不施氮处理 (CK)、普通尿素常规施氮量 (CK1) 和普通尿素减氮10%对照 (CK2)。沈阳试验区设置稳定性氮肥比其CK1(244 kg/hm2) 减氮10%、15%、20% 3个比例处理 (S1、S2、S3),海城试验区设置比其CK1(217 kg/hm2) 减10%、15% 2个比例处理 (S1、S2)。采集玉米生长季内各生育时期的土壤样品和植株样品,测定土壤无机氮含量和植株不同部位养分含量,每个小区单独采收,记录产量。  【结果】  与CK1相比,稳定性氮肥能显著提高玉米产量 (P < 0.05),且以减氮15%的S2处理肥效稳定,较CK1沈阳试验增产、增收幅度分别为7.5%、1795元/hm2,较CK2增产、增收幅度分别为11.1%、2808元/hm2;而海城试验产量与CK1没有显著区别,收入减少184元/hm2,与CK2相比,增产19.5%,增收2685元/hm2。与CK1相比,稳定性氮肥处理氮素表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力依次提高10.4%~12.4%、3.4%~6.2%和6.5%~10.8%;与CK2相比,分别提高10.2%~12.2%、3.3%~6.1%和3.3%~7.6%。与普通尿素相比,施用稳定性氮肥显著提高了玉米生育中后期植株氮素吸收强度,稳定性氮肥各处理氮素总积累量表现为S2 > S1 > S3 > CK1 > CK2。土壤无机氮含量主要在0—20、20—40 cm土层表现出较大差异,总体上稳定性氮肥处理 (S1、S2、S3) 耕层土壤无机氮含量在玉米生育前期 (苗期、拔节期) 低于普通尿素处理 (CK1、CK2),在玉米生育中后期 (大喇叭口期至成熟期)0—40 cm土层无机氮含量显著高于普通尿素处理,但总体上无机氮含量在0—40 cm土层中变化幅度较普通尿素处理平缓。  【结论】  在沈阳试区,稳定性尿素用量减少15%时,玉米的产量和经济效益,氮素累积总量和农业效率都最高,而在海城试区,由于普通尿素投入量相对较低,最佳稳定性尿素推荐量为减施10%。
  • 图 1  不同施氮处理对玉米氮素吸收量的影响 (沈阳)

    Figure 1.  Effects of different fertilizer treatments on nitrogen uptake by maize (Shenyang)

    图 2  不同施氮处理对氮素利用效率的影响 (沈阳)

    Figure 2.  Effects of different fertilizer treatments on nitrogen utilization efficiency (Shenyang)

    图 3  玉米各生育期0—20 cm土层土壤铵态氮动态变化 (沈阳)

    Figure 3.  Changes of NH4+-N content in 0–20 cm soil layer at different growth stages of maize (Shenyang)

    图 4  玉米各生育期0—20 cm土层土壤硝态氮动态变化 (沈阳)

    Figure 4.  Changes of NO3--N in 0-20 cm soil layer at different growth stages of maize (Shenyang)

    图 5  不同施肥处理对土壤无机氮含量的影响 (沈阳)

    Figure 5.  Effects of different fertilization treatments on inorganic nitrogen content in soil (Shenyang).

    图 6  不同施肥处理对收获期肥料氮残留量的影响 (沈阳)

    Figure 6.  Effects of different fertilization treatments on nitrogen residues of fertilizers in harvest period (Shenyang)

    图 7  不同施肥处理对玉米植株氮素吸收强度的影响 (沈阳)

    Figure 7.  Effects of different fertilization treatments on nitrogen absorption intensity of maize (Shenyang)

    表 1  供试土壤基本理化性状 (0—20 cm)

    Table 1.  Soil properties of the experimental sites

    试验地点
    Experimental site
    pH有机质 (g/kg)
    Organic matter
    无机氮 (mg/kg)
    Inorganic N
    全氮 (g/kg)
    Total N
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    速效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    沈阳 Shenyang5.1414.61 8.530.83 91.40 7.60 89.80
    海城 Haicheng5.1422.3018.250.86129.6027.42122.76
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    表 2  不同氮肥处理对春玉米产量和经济效益的影响

    Table 2.  Effects of different fertilizer treatments on yield and economic benefits of spring maize

    试验地点
    Experimental site
    处理
    Treatment
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    产值
    Output value
    (yuan/hm2)
    肥料投入
    Fertilizer input
    (yuan/hm2)
    人工投入
    Manual input
    (yuan/hm2)
    总成本
    Total cost
    (yuan/hm2)
    净收入
    Net income
    (yuan/hm2)
    沈阳ShenyangCK6855 d104201371225036216799 d
    CK110042 b 1526424322250468210582 b
    CK29307 c141462327225045779569 c
    S110887 ab1654926192250486911680 ab
    S211289 a 1715925322250478212377 a
    S310598 ab1610824472250469711411 ab
    海城HaichengCK7300 c110961031225032817815 c
    CK111850 a 1801219742250422413788 a
    CK29900 b1504818792250412910919 b
    S111716 a 1780822502250450013308 ab
    S211835 a 1798921352250438513604 a
    注(Note):尿素 Urea 2.00 yuan/kg, 稳定性氮肥 Stablizied urea 3.00 yuan/kg, 磷肥 Phosphate fertilizer 1.0 yuan/kg, 钾肥 Potassium fertilizer 3.75 yuan/kg, 人工费 Manual input 100 yuan per person per day, 玉米 Maize 1.52 yuan/kg; 同列数值后不同小写字母表示差异达到 5% 的显著水平 Values followed by different small letters in the same column mean significant at 5% levels.
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    [3] 周雯雯贾浩然张月李卫李保同汤丽梅 . 不同类型新型肥料对双季稻产量、氮肥利用率和经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.19269
    [4] 张平良郭天文刘晓伟李书田曾骏谭雪莲董博 . 密度和施氮量互作对全膜双垄沟播玉米产量、氮素和水分利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18128
    [5] 魏淑丽王志刚于晓芳孙继颖贾琦屈佳伟苏布达高聚林张永清 . 施氮量和密度互作对玉米产量和氮肥利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18084
    [6] 林洪鑫潘晓华袁展汽肖运萍刘仁根汪瑞清吕丰娟 . 施氮和木薯–花生间作对作物产量和经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17329
    [7] 张敬昇李冰王昌全向毫周杨洪尹斌梁靖越付月君 . 控释氮肥与尿素掺混比例对作物中后期土壤供氮能力和稻麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16099
    [8] 葛均筑徐莹袁国印田少阳李淑娅杨晓妮曹凑贵展茗赵明 . 覆膜对长江中游春玉米氮肥利用效率及土壤速效氮素的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.14445
    [9] 王秀斌徐新朋孙静文梁国庆刘光荣周卫 . 氮肥运筹对机插双季稻产量、氮肥利用率及经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15317
    [10] 张经廷陈青云吕丽华申海平贾秀领梁双波 . 冬小麦-夏玉米轮作产量与氮素利用最佳水氮配置. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15288
    [11] 李欠欠李雨繁高强李世清陈新平张福锁刘学军 . 传统和优化施氮对春玉米产量、氨挥发及氮平衡的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0303
    [12] 高洪军朱平彭畅张秀芝李强张卫建 . 等氮条件下长期有机无机配施对春玉米的氮素吸收利用和土壤无机氮的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0205
    [13] 刘芬同延安王小英赵佐平 . 渭北旱塬春玉米施肥效果及肥料利用效率研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0106
    [14] 隽英华汪仁孙文涛邢月华 . 基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0526
    [15] 林洪鑫袁展汽刘仁根肖运萍黄雪花汪瑞清 . 不同氮磷钾处理对木薯产量、 养分积累、 利用及经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.12107
    [16] 张宏周建斌刘瑞张鹏郑险峰李生秀 . 不同栽培模式及施氮对半旱地冬小麦/夏玉米氮素累积、分配及氮肥利用率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0101
    [17] 刘占军谢佳贵张宽王秀芳侯云鹏尹彩侠李书田 . 不同氮肥管理对吉林春玉米生长发育和养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0106
    [18] 易琼张秀芝何萍杨利熊桂云 . 氮肥减施对稻-麦轮作体系作物氮素吸收、利用和土壤氮素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0505
    [19] 李秋祝余常兵胡汉升孙建好陈伟李隆 . 不同竞争强度间作体系氮素利用和土壤剖面无机氮分布差异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0401
    [20] 李方敏樊小林陈文东 . 控释肥对水稻产量和氮肥利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0411
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  • 收稿日期:  2019-10-29

不同施氮水平下施用稳定性氮肥在辽宁春玉米上的减施效果及潜力

    作者简介:冯小杰 E-mail:fengxiaojie920218@163.com
    通讯作者: 战秀梅, xiumeizhan@163.com
  • 1. 沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室,辽宁沈阳 110866
  • 2. 农业农村部东北玉米营养与施肥科学观测实验站,辽宁沈阳 110866
  • 3. 辽宁省绿色农业技术中心,辽宁沈阳 110034
  • 4. 盘锦现代农业发展中心,辽宁盘锦 124000
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0300303)。
  • 摘要:   【目的】  稳定性氮肥减量施用在玉米上表现出良好的稳产、增产效果,但缺乏针对不同土壤和气候条件下春玉米生产的推荐施用量。为此,我们在辽中、辽南地区春玉米上开展了稳定性氮肥一次性施用最佳用量试验。  【方法】  2017年在辽宁省沈阳市和海城市两地开展田间试验。供试稳定性氮肥中同时添加了脲酶抑制剂和硝化抑制剂。两个试验区均设置了不施氮处理 (CK)、普通尿素常规施氮量 (CK1) 和普通尿素减氮10%对照 (CK2)。沈阳试验区设置稳定性氮肥比其CK1(244 kg/hm2) 减氮10%、15%、20% 3个比例处理 (S1、S2、S3),海城试验区设置比其CK1(217 kg/hm2) 减10%、15% 2个比例处理 (S1、S2)。采集玉米生长季内各生育时期的土壤样品和植株样品,测定土壤无机氮含量和植株不同部位养分含量,每个小区单独采收,记录产量。  【结果】  与CK1相比,稳定性氮肥能显著提高玉米产量 (P < 0.05),且以减氮15%的S2处理肥效稳定,较CK1沈阳试验增产、增收幅度分别为7.5%、1795元/hm2,较CK2增产、增收幅度分别为11.1%、2808元/hm2;而海城试验产量与CK1没有显著区别,收入减少184元/hm2,与CK2相比,增产19.5%,增收2685元/hm2。与CK1相比,稳定性氮肥处理氮素表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力依次提高10.4%~12.4%、3.4%~6.2%和6.5%~10.8%;与CK2相比,分别提高10.2%~12.2%、3.3%~6.1%和3.3%~7.6%。与普通尿素相比,施用稳定性氮肥显著提高了玉米生育中后期植株氮素吸收强度,稳定性氮肥各处理氮素总积累量表现为S2 > S1 > S3 > CK1 > CK2。土壤无机氮含量主要在0—20、20—40 cm土层表现出较大差异,总体上稳定性氮肥处理 (S1、S2、S3) 耕层土壤无机氮含量在玉米生育前期 (苗期、拔节期) 低于普通尿素处理 (CK1、CK2),在玉米生育中后期 (大喇叭口期至成熟期)0—40 cm土层无机氮含量显著高于普通尿素处理,但总体上无机氮含量在0—40 cm土层中变化幅度较普通尿素处理平缓。  【结论】  在沈阳试区,稳定性尿素用量减少15%时,玉米的产量和经济效益,氮素累积总量和农业效率都最高,而在海城试区,由于普通尿素投入量相对较低,最佳稳定性尿素推荐量为减施10%。

    English Abstract

    • 东北春玉米区是我国最大的玉米主产区,对全国粮食安全具有重要的地位和作用[1]。目前,随着土地集中流转和玉米规模化种植模式的发展,玉米产量和生产成本成为重要的玉米种植效益衡量指标。由于从事农业生产的劳动力短缺,农业用工的工资水平不断上涨,为降低成本,在东北平原地区一次性施肥现象十分普遍,而速效氮肥一次性基施,易造成作物生育前期氮素的大量损失以及生育后期脱氮[2-3],不但影响玉米产量和效益[4],也加剧了施肥对环境的污染程度[5-9]。缓/控释氮肥的应用对解决这些问题提供了思路[1, 10-11]。其中,稳定性氮肥是一类新型肥料,是在速效尿素中添加生化抑制剂进行改性的肥料,一次性基施可以减少劳动力的投入,降低生产成本,并且基本可以满足玉米整个生育期对氮素的需求,达到稳定和提高产量、增加经济效益以及减少氨挥发和氮素向土壤深层淋失、提高氮肥利用效率的目的[12-13]。因此,在玉米产区明确稳定性氮肥合理施用量,是协调作物稳产高产、氮肥高效利用和生态环境保护的一条可行性施肥措施。稳定性氮肥有3种类型,分别为只添加脲酶抑制剂的稳定性氮肥Ⅰ型、只添加硝化抑制剂的稳定性氮肥Ⅱ型和同时添加两种抑制剂的稳定性氮肥Ⅲ型[14]。“十二五”期间,稳定性氮肥已在我国22个省份的玉米、香蕉等12种作物上示范推广,肥料产品达60余种,累积推广面积已达2000万hm2 (3亿亩)[14],但由于不同类型的稳定性氮肥影响其养分释放因素不同,目前在不同土壤、作物背景下,肥料功效不一。张文学等[15]研究表明,肥料中脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合施用显著提高水稻孕穗期土壤中的NH4+-N含量、水稻提高产量及植株地上部氮素回收率,生产实践上具有氮肥后移的重要效果。Li等[16-17]通过对华北和西北地区3个典型的小麦-玉米轮作模式田间试验研究发现,稳定性氮肥较常规尿素施氮量处理减施20%,可使玉米保持稳产或者小幅度增产,又可显著降低NH3挥发损失,提高氮肥利用率。孙爱文等[18]研究表明,施用添加两种抑制剂的稳定性肥料较普通氮肥处理显著增加了玉米百粒重和产量。Qiao等[19]和Yang等[20]对全球不同玉米区施用硝化抑制剂的试验进行了Meta分析,发现肥料中添加硝化抑制剂可显著降低氧化亚氮的排放,减少NO3-N淋溶损失,同时显著增加产量和经济效益。张英鹏等[21]在华北小麦-玉米轮作体系下的研究结果表明,稳定性氮肥处理与普通尿素处理相比,能保证作物产量及地上部吸氮量,还能提高0—40 cm土层土壤无机氮含量以及降低40—100 cm土层土壤无机氮含量。大量研究表明稳定性氮肥减量施用在玉米上表现出良好的稳产、增产效果[16-17],但目前农业生产中缺乏针对不同土壤和气候条件下春玉米生产的稳定性氮肥推荐施用量。为此,我们在辽中、辽南地区开展了稳定性氮肥不同减施比例一次性施用在春玉米上的应用效果研究。针对辽中、南春玉米产区的土壤和气候特征,通过田间试验探究稳定性氮肥不同减氮施用条件下,春玉米的产量和效益特征、植株养分吸收特性与土壤无机氮含量动态的相互关系,旨在明确肥料养分释放与植株养分吸收同步性更好的稳定性氮肥用量,为当地春玉米生产中稳定性氮肥的施用提供科学依据。

      • 春玉米田间小区试验于2017年5—9月在沈阳农业大学北山科研基地 (沈阳,40°48′N、123°33′E) 和沈阳农业大学海城教学实习基地 (海城,40°85′N、122°75′E) 进行。沈阳农业大学北山科研基地处于松辽平原,年平均降水量574~684 mm,年平均气温7.0℃~8.1℃,无霜期为148~180 天;沈阳农业大学海城教学实习基地位于辽宁南部,辽东半岛北端,属暖温带大陆性季风气候区,年平均气温10℃以上,年积温在3000℃~3100℃,无霜期170天左右,年降水量在600~800 mm。土壤类型均为棕壤,属于淋溶土。供试肥料为普通尿素 (含N 46%,北方华锦化学工业股份有限公司生产)、过磷酸钙 (含P2O5 12%,铜陵市铜官山化工有限公司生产)、硫酸钾 (含K2O 50%,吉林金秋肥业科技有限公司生产)、稳定性氮肥 (同时添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂的一类肥料,沈阳中科新型肥料有限公司生产)。根据辽宁省21个测站1957―2000年共44年的1―12月份的月降水资料进行分析,其特征为从6月份开始增加、7月份陡升达到峰值、8月稍有回落、9月急剧减少[4]

        表 1  供试土壤基本理化性状 (0—20 cm)

        Table 1.  Soil properties of the experimental sites

        试验地点
        Experimental site
        pH有机质 (g/kg)
        Organic matter
        无机氮 (mg/kg)
        Inorganic N
        全氮 (g/kg)
        Total N
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        速效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        沈阳 Shenyang5.1414.61 8.530.83 91.40 7.60 89.80
        海城 Haicheng5.1422.3018.250.86129.6027.42122.76
      • 两个试验区均设置了不施氮处理 (CK)、普通尿素常规施氮量 (CK1) 和普通尿素减氮10%(CK2) 对照处理;稳定性氮肥处理 (S),其中沈阳试验区稳定性氮肥减氮处理设置了三个比例 (S1、S2、S3),海城试验区设置了两个比例 (S1、S2)。S1、S2、S3处理较 (CK1) 处理减氮量分别为10%、15%、20%;两个试验区常规施氮量 (CK1) 是根据辽宁省测土配方施肥项目推荐施肥量确定,沈阳试验区常规氮肥用量为244 kg/hm2,减氮10%氮肥用量为 220 kg/hm2,减氮15%氮肥用量为 207 kg/hm2,减氮20%氮肥用量为 195 kg/hm2;各处理磷、钾肥用量相同,施磷量 (P2O5) 97.5 kg/hm2、施钾量 (K2O)101.5 kg/hm2;海城试验区常规氮肥用量为 217 kg/hm2,减氮10%氮肥用量为 195 kg/hm2、减氮15%氮肥用量为 184 kg/hm2;各处理磷、钾肥用量相同,施磷量 (P2O5) 75 kg/hm2、施钾量 (K2O)90 kg/hm2。试验用氮肥包括普通尿素 (含N 46%)、稳定性氮肥 (含 N 26%,在常规肥料中添加脲酶/硝化抑制剂制成,属缓释氮肥)。施用稳定性氮肥的各处理,若稳定性氮肥中磷、钾数量不足,用过磷酸钙和硫酸钾补足。沈阳试验区于5月8日播种,9月26日收获,供试玉米品种为东单6531;海城试验区于5月11日播种,9月24日收获,供试玉米品种为铁研358。所有肥料均作基肥在播种当天一次性以垄施方式施到种子行侧下方8—10 cm土层。小区面积 30 m2。各处理均3次重复,随机区组排列,田间管理方法同当地。

      • 分别在播前、播种后7天、玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、乳熟期、成熟期,采集0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土样,测定土壤无机氮含量及含水量。

        于各时期取5株长势均匀一致的植株,按器官分离,在105℃杀青30 min后,80℃烘至恒重,测定玉米氮素吸收量。

        土壤无机氮含量 (土壤鲜样) 用0.01 mol/L CaCl2浸提,采用连续流动分析仪 (AA3,SEAL Analytical,德国) 测定;玉米植物样品经 H2SO4–H2O2 消煮后,用凯氏定氮仪测定全氮。玉米成熟期每处理小区测产15 m2,调查株数、双穗率和空秆率,按籽粒含水率14%折算产量。

        氮素相关参数计算:

        植株氮素积累量 (kg/hm2) = 单株干重 × 植株含氮量;

        氮肥农学利用率 (kg/kg) = (施氮小区籽粒产量 -不施氮小区籽粒产量)/施氮量;

        氮素表观利用率 (%) = (施氮区植株地上部吸氮量 - 不施氮区植株地上部吸氮量)/施氮量 × 100;

        氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮肥区产量/施氮肥量;

        植株氮素吸收强度[kg/(hm2·d)][3-4, 22] = (某个生育时期的氮素含量-上个生育时期的氮素含量)/天数;

        肥料氮残留量 (kg/hm2)[23] = 施氮处理当季无机氮残留量 (kg/hm2) - 不施氮处理当季无机氮残留量 (kg/hm2);

        肥料氮残留率[23] = 肥料氮残留量 (kg/hm2)/施氮量 (kg/hm2) × 100%;

        土壤无机氮残留量的计算[24]为:

        土壤硝态氮残留量 = 土层厚度 × 土壤面积 × 土壤容重 × 土壤无机氮含量

        此处无机氮指NH4+-N和NO3-N之和。

      • 采用 Microsoft Excel 2010整理数据、作图和SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析;两地间土壤无机氮和氮素利用试验数据趋势相近,用沈阳试验区数据呈现;采用Duncan法进行显著性检验,显著水平为P < 0.05。

      • 表2可知,两地产量均表现为施氮肥处理显著高于不施氮处理,表明施用氮肥对春玉米增产效果显著;稳定性氮肥各处理与普通尿素常规用量处理 (CK1) 相比,两地间产量和净收入没有显著差异,且在沈阳试验区表现出小幅度增产增效,海城试验区产量和净收入基本持平;与普通尿素减量施肥处理 (CK2) 相比,稳定性氮肥各处理产量和经济效益均表现出S2 > S3 > S1 > CK2,且差异显著 (两地结果一致);在肥料投入和净收入方面,稳定性氮肥处理比普通尿素处理分别高120~292元/hm2(沈阳)、256~353元/hm2(海城) 和1842~2808元/hm2(沈阳)、2389~2685元/hm2(海城)。结果说明,稳定性氮肥较 (CK1) 处理减氮10%~20%施用,可达到玉米稳产和增产的作用;施用稳定性氮肥虽然增加了肥料成本,但由于同时也大幅提高了玉米产量,因此净收入也显著提高;在各稳定性氮肥减氮处理中,以减氮15%(S2) 处理增产增收作用最显著,其中沈阳试验增产、增收幅度较CK1分别为7.5%、1795 元/hm2,较CK2分别为11.1%、2808 元/hm2;而海城试验产量与CK1没有显著区别,收入减少184 元/hm2,与CK2相比,增产19.5%,增收2685 元/hm2

        表 2  不同氮肥处理对春玉米产量和经济效益的影响

        Table 2.  Effects of different fertilizer treatments on yield and economic benefits of spring maize

        试验地点
        Experimental site
        处理
        Treatment
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        产值
        Output value
        (yuan/hm2)
        肥料投入
        Fertilizer input
        (yuan/hm2)
        人工投入
        Manual input
        (yuan/hm2)
        总成本
        Total cost
        (yuan/hm2)
        净收入
        Net income
        (yuan/hm2)
        沈阳ShenyangCK6855 d104201371225036216799 d
        CK110042 b 1526424322250468210582 b
        CK29307 c141462327225045779569 c
        S110887 ab1654926192250486911680 ab
        S211289 a 1715925322250478212377 a
        S310598 ab1610824472250469711411 ab
        海城HaichengCK7300 c110961031225032817815 c
        CK111850 a 1801219742250422413788 a
        CK29900 b1504818792250412910919 b
        S111716 a 1780822502250450013308 ab
        S211835 a 1798921352250438513604 a
        注(Note):尿素 Urea 2.00 yuan/kg, 稳定性氮肥 Stablizied urea 3.00 yuan/kg, 磷肥 Phosphate fertilizer 1.0 yuan/kg, 钾肥 Potassium fertilizer 3.75 yuan/kg, 人工费 Manual input 100 yuan per person per day, 玉米 Maize 1.52 yuan/kg; 同列数值后不同小写字母表示差异达到 5% 的显著水平 Values followed by different small letters in the same column mean significant at 5% levels.
      • 图1可见,稳定性氮肥各处理氮素总积累量均高于普通尿素处理,表现为S2 > S1 > S3 > CK1 > CK2;由图2可知,稳定性氮肥处理氮素表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均显著高于普通尿素处理,提高幅度依次为10.4%~12.4%、3.4%~6.2%和6.5%~10.8%(较CK1处理);10.2%~12.2%、3.3%~6.1% 和3.3%~7.6%(较CK2处理),各稳定性氮肥处理中以减氮15%的处理 (S2) 氮素利用效率最高。这是由于普通尿素和稳定性氮肥在玉米生育期间的供氮规律不同,普通尿素一般养分释放期为15天左右[25],稳定性氮肥可延长至60天左右[26],这对玉米生育中后期的氮素吸收影响尤为显著,稳定性氮肥在玉米生殖生长阶段氮素有效期仍可继续来满足玉米的氮素需求,因而植株氮素积累吸收总量显著增加,氮肥利用效率显著提高;而普通尿素此时养分已经释放殆尽 (图1图2),无法满足玉米籽粒灌浆的氮素需求,因而导致氮素吸收总量显著减少,氮肥利用效率显著降低。

        图  1  不同施氮处理对玉米氮素吸收量的影响 (沈阳)

        Figure 1.  Effects of different fertilizer treatments on nitrogen uptake by maize (Shenyang)

        图  2  不同施氮处理对氮素利用效率的影响 (沈阳)

        Figure 2.  Effects of different fertilizer treatments on nitrogen utilization efficiency (Shenyang)

      • 图3可见,不同处理玉米各生育期0—20 cm土层中铵态氮和硝态氮含量变化表现为先上升后下降的趋势。稳定性氮肥处理土壤NH4+-N含量在玉米苗期达到高峰,之后显著下降,但与普通尿素处理相比,仍然相对较高;而普通尿素处理土壤NH4+-N含量高峰出现在施肥后7天,之后便迅速下降,直至成熟期一直保持相对较低水平,说明施用稳定性氮肥由于脲酶抑制剂的添加延缓了氮素的释放,从而推迟了土壤中NH4+-N含量达到高峰的时间,且由于硝化抑制剂的添加,抑制了硝化作用速率,使得土壤中保持相对较高浓度的NH4+-N含量。

        图  3  玉米各生育期0—20 cm土层土壤铵态氮动态变化 (沈阳)

        Figure 3.  Changes of NH4+-N content in 0–20 cm soil layer at different growth stages of maize (Shenyang)

        图4可见,稳定性氮肥处理的土壤NO3-N含量在苗期达到高峰,但含量低于CK1处理;在拔节期和大喇叭口期与CK1和CK2相比也较低,但在抽雄至成熟期一直显著高于CK1和CK2;普通尿素处理在施肥后7天其土壤NO3-N含量就显著高于稳定性氮肥处理,且在大喇叭口期前基本维持较高含量水平,但在抽雄期至成熟期显著低于稳定性氮肥处理。说明施用稳定性氮肥能够延长氮肥的肥效,更有利于作物在生育中后期获得充足的氮素供应,从而促进作物产量和肥料利用效率的提高。

        图  4  玉米各生育期0—20 cm土层土壤硝态氮动态变化 (沈阳)

        Figure 4.  Changes of NO3--N in 0-20 cm soil layer at different growth stages of maize (Shenyang)

        图5可见,不同施氮处理土壤无机氮含量主要在0—20、20—40 cm土层表现出较大差异;在60—80 cm土层,普通尿素处理CK1、CK2无机氮含量与播前相比增加幅度相对稳定性氮肥处理更高。各处理0—40 cm土层无机氮含量在苗期最高,从苗期到抽雄期均呈显著下降趋势,至抽雄期降至整个生育期最低,成熟期又有小幅提高,但均显著大于播前 (BS)0—40 cm土层土壤无机氮含量,即经过玉米整个生育期,至收获时土壤中仍有一定量肥料氮素的残留 (图5)。总体上稳定性氮肥处理 (S1、S2、S3) 耕层土壤无机氮含量在玉米生育前期 (苗期、拔节期) 低于普通尿素处理 (CK1、CK2),在玉米生育中后期 (大喇叭口期至成熟期)0—40 cm土层无机氮含量显著高于普通尿素处理,但总体上无机氮含量在0—40 cm土层中变化较普通尿素处理平缓;且在0—40 cm土层内随氮肥用量增加,无机氮含量增加,施用普通尿素的两处理也表现出这一特征 (图5)。成熟期肥料氮素残留量 (图6) 显示,施用稳定性氮肥与普通尿素相比,可使0—40 cm土层土壤中残留更多的氮素,且随施氮量的增加而增加,这说明施用稳定性氮肥更有利于氮素保留在土壤中,从而减少了挥发和淋溶等损失,更有利于环境质量的提升。

        图  5  不同施肥处理对土壤无机氮含量的影响 (沈阳)

        Figure 5.  Effects of different fertilization treatments on inorganic nitrogen content in soil (Shenyang).

        图  6  不同施肥处理对收获期肥料氮残留量的影响 (沈阳)

        Figure 6.  Effects of different fertilization treatments on nitrogen residues of fertilizers in harvest period (Shenyang)

        图7可见,施用氮肥显著提高了玉米生育期内植株氮素吸收强度;各处理在整个生育期内均在拔节期出现一个显著的氮素吸收高峰,且在吸收高峰点各处理之间吸收强度数值接近。稳定性氮肥各处理在玉米生育前期如苗期、大喇叭口期氮素吸收强度均低于普通尿素处理,但在抽雄期和成熟期显著高于普通尿素处理;而普通尿素处理在拔节期氮素吸收高峰之后,其吸收强度便呈快速下降趋势,至成熟期降至与不施氮肥处理相近。

        图  7  不同施肥处理对玉米植株氮素吸收强度的影响 (沈阳)

        Figure 7.  Effects of different fertilization treatments on nitrogen absorption intensity of maize (Shenyang)

      • 作物产量、经济效益及肥料利用效率高低是施肥合理与否的重要评价指标[27-29]。已有研究表明,稳定性氮肥一次性较当地常规尿素用量减量20%基施,不但可保证作物不减产,并且还有小幅增产[16-17],还可减少氮素损失,提高氮肥利用率[15, 30]。稳定性氮肥与等氮磷钾养分含量的普通速效单质肥料相比价格偏高,即使在减氮20%情况下肥料成本也相对较高,但由于稳定性氮肥在增产和提高肥效方面的突出作用,仍然可以保证种粮的经济效益不降低[19],或者显著提高[20, 31]。本研究结果表明,稳定性氮肥减氮10%~20%施用均能维持和增加玉米产量,显著提高氮肥利用效率,其中以减氮15%的S2处理对产量和氮肥利用效率提升作用最显著。在减氮15%条件下,沈阳试验区的净收入较普通尿素增加17.0%,海城试验区基本持平。相关分析结果也表明,玉米产量、经济效益、氮素总积累量、氮肥利用率、氮肥农学效率和收获期氮素残留率均呈显著或极显著的正相关关系,其中经济效益、氮素总积累量、氮肥农学效率相关性最强。通过回归方程计算出的沈阳地区稳定性氮肥推荐施氮量为208.46 kg/hm2,与减氮15%条件下稳定性氮肥用量相近。

        肥料养分供应与作物养分需求在数量上匹配、时间上同步、空间上一致是获得作物高产、肥料高效利用[32-35]、经济效益较高的关键。在本研究中,根据辽中南地区土壤和气候条件,其中,土壤类型为棕壤,属于淋溶土,下层的持水能力强于上层,但其空间变异性弱于上层[36];对试验年份中辽中南地区降水的周期特征进行分析,2017年6—8月月总降雨量变化趋势,基本与辽宁省21个测站1957—2000年共44年的月降水资料的变化曲线相吻合,其表现出从6月份逐渐增加、7月份陡升达到峰值、8月稍有回落、9月急剧减少的趋势[4];施用稳定性氮肥条件下,在玉米整个生育期内无机氮主要分布在0—40 cm土层,在60—100 cm土层无机氮含量与播种前该土层无机氮含量无明显差异;这是因为稳定性氮肥中添加的硝化抑制剂降低了硝化作用速率,减少了硝态氮的生成,从而减少了硝态氮向深层土壤的淋溶[37],使氮素主要保存在0—40 cm土层;相关研究表明,在常年旋耕条件下玉米根系主要分布在上层土壤中,其中0—30cm土层根量最大[38],这说明稳定性氮肥的养分供应与玉米养分吸收在空间上更加一致。稳定性氮肥各处理土壤铵态氮含量高峰期较普通尿素处理延迟了2周,铵态氮和硝态氮含量均在苗期达到峰值,且铵态氮含量峰值显著高于普通尿素处理,硝态氮含量在达到峰值前一直处于较低水平,说明在辽中南地区土壤和气候特定条件下,稳定性氮肥中的脲酶抑制剂和硝化抑制剂有效延缓了玉米生育前期肥料氮素释放和硝化作用的速率,从而减少了氨挥发和硝态氮淋溶损失风险[20, 39]。这与已有的研究[21, 37]结果相似;在玉米整个生育期内,0—40 cm土层无机氮含量的变化较普通尿素处理更加平缓,特别是在玉米生育后期 (抽雄期至成熟期) 土壤中继续保持较高的无机氮含量水平,这是因为添加抑制剂延缓了氮素养分的释放速率,肥效期延长[14]。苗期-拔节期是玉米整个生育期内氮素吸收强度最大的时期 (图7),抽雄-成熟期是籽粒建成关键时期[40],稳定性氮肥既满足了氮素吸收高峰期对氮素养分的需求,又延长了肥效,保证了在籽粒建成期充足的氮素供应,使得肥料养分释放与作物氮素吸收强度更加匹配,因此获得了更高的产量;相关研究表明,花后养分供应和作物养分吸收状况对产量的影响显著,超高产夏玉米整个生育期能持续吸收养分,吐丝后适当追肥保证灌浆期养分充足供应对夏玉米超高产至关重要[41-42]。与施用普通尿素相比,稳定性氮肥在玉米生育后期维持较高的氮素供应水平,从而促进了氮肥利用效率和玉米产量的提高,在各稳定性氮肥处理中,以减氮15%处理 (S2) 表现最佳。这说明结合辽中南地区土壤和气候特定条件施用稳定性肥料,特别是在S2处理施肥量条件下,肥料养分供应与玉米养分吸收在时间上更同步,在数量上更匹配。

        施用普通尿素处理 (CK1、CK2) 其土壤铵态氮含量在施肥后7天就已达到峰值,硝态氮含量在玉米苗期达到峰值,但在此前已持续处于较高含量状态,相关研究也表明,普通尿素一般养分释放期为15天左右[26];说明在施用普通尿素情况下,肥料氮素的释放和硝化作用都非常迅速。在玉米植株尚未进入营养生长期,此阶段植株的氮素吸收能力还非常弱,在短时间内氮素大量释放和转化极易引起作物生育前期的大量氨挥发、硝态氮淋溶损失[21]及后期的氮素供应不足[2-3],另外施用普通尿素条件下在60—100 cm土层无机氮含量相对较高,因此肥料养分供应与植株养分吸收之间在时间上的不同步、数量上的不匹配、空间上的不一致,是导致玉米产量、效益和肥料利用效率显著下降的主要原因[4]

      • 结合辽中、辽南春玉米产区特定土壤和气候条件下,与常规施尿素相比,在沈阳研究点稳定性尿素用量减少15%时,玉米的产量和经济效益,氮素累积总量和农业效率都最高,而在海城点,由于普通尿素投入量相对较低,最佳稳定性尿素推荐量为减施10%。

    参考文献 (42)
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