控失尿素減施及不同配比對夏玉米產量及氮肥效率的影響

發布時間：2022-02-09所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要: 添加納米礦物類控失劑的控失尿素可通過吸附作用, 減少施入土壤后的氮素損失, 明確該控失尿素施用量、與常規尿素合理配比在夏玉米上的效應, 可為夏玉米一次性施肥、氮肥減施增效提供依據。在不同產量水平(高、中、低產田)土壤上, 通過田間試驗研究常規尿素(純氮

　　摘 要: 添加納米礦物類控失劑的控失尿素可通過吸附作用, 減少施入土壤后的氮素損失, 明確該控失尿素施用量、與常規尿素合理配比在夏玉米上的效應, 可為夏玉米一次性施肥、氮肥減施增效提供依據。在不同產量水平(高、中、低產田)土壤上, 通過田間試驗研究常規尿素(純氮 210 kg hm–2)、控失尿素常量及減施(減量 10%, 即純氮 189 kg hm–2; 減量 20%, 即純氮 168 kg hm–2)、控失尿素與常規尿素配施(配比分別為 7∶3、5∶5 和 3∶7)對夏玉米產量、地上部生物量、養分積累量、光合特性及氮肥利用效率的影響。結果表明, 氮肥施用可顯著提高夏玉米產量, 常量控失尿素施用下夏玉米增產率達 22.96%~27.55%, 在高、中產田上產量較常規尿素有顯著提升。與常量控失尿素相比, 控失尿素減施 10%和 20%通過提升穗粒數使得高、中產田夏玉米產量不降低, 控失尿素減施 20%處理下高產田氮肥利用率高達 41.60%�？厥�尿素與常規尿素 7∶3 配施下的氮素積累量與常量控失尿素處理無顯著差異, 高產田和中產田夏玉米產量、秸稈干物重均未顯著降低, 同時可顯著提高低產田夏玉米產量、秸稈干物重。綜上, 控失尿素(純氮 210 kg hm–2)一次性施用可顯著提高夏玉米產量和氮肥利用效率, 控失尿素減量 20%處理下高、中產田夏玉米產量未顯著減產, 氮肥利用率顯著提升, 是高、中產田適宜的氮肥用量; 控失尿素常量施用或與常規尿素 7∶3 配合施用更適宜低產田夏玉米生長。

　　關鍵詞: 夏玉米; 控失尿素; 氮肥減施; 氮肥配比; 高產高效

　　玉米是世界上種植最廣泛、產量最高和增產潛力最大的谷類糧食作物, 也是世界貿易量最大的糧食產品, 常年種植面積約 1.6 億公頃, 占糧食播種總面積的 23%及總產量的 34%。夏玉米吸肥能力強, 需肥量大, 科學施肥是提高玉米產量的關鍵技術手段[1]。隨著世界人口的增長和糧食單產的提高, 預計到 2050 年世界氮肥需求量將增長到 2.36 億噸。施用氮肥增產是緩解耕地資源不足、實現糧食安全的重要措施, 但我國氮肥施用強度是發達國家的兩倍, 2009 年每公頃土地上的氮素盈余量達 175 kg, 這一環境盈余已經接近歐洲的限量指標。化肥減施增效是全球性重大科學命題, 2015 年我國的玉米種植面積達 3811.931 萬公頃, 其中華北地區是我國夏玉米的主產區, 種植面積占全國的 26.38%, 華北地區小麥玉米體系氮投入高達 588 kg hm–2, 是肥料減施增效的重要研究區域。

　　肥料的過量投入帶來了資源浪費、環境污染和農產品質量安全等問題, 張福鎖等報道目前我國糧食作物氮肥利用率為 27.5% [2], 尿素和碳酸氫銨等常用氮肥的氣體損失率高達 15%~20%, 近年來隨著控釋/失肥的推廣和農業勞動力的緊缺, 簡化施肥技術已成為夏玉米栽培的施肥趨勢。華北地區夏玉米季雨熱同期, 控失尿素利用高分子復合材料將常規尿素包裹, 其高活性表面、納米孔道結構能產生離子交換吸附作用固定氮素, 降低夏玉米季濕熱環境導致的養分損失, 提高氮肥利用效率[3], 實現氮肥減施目標。田間試驗表明, 與常規尿素相比, 控失尿素基施可提高夏玉米的氮肥偏生產力 39% [4], 且能明顯減少氨揮發損失、提高產量和氮肥利用率[5]。劉學軍等[6]、馬存金等[7]研究報道了適當減少氮肥用量有利于促進根系發育, 提高作物氮肥利用率、減少氮殘留與表觀損失。同時, 控失尿素與常規尿素配施可顯著提高水稻產量, 且控失尿素/常規尿素配比 1∶3 效果最佳, 控失尿素減施 15%可保證水稻不減產[8]。趙欣楠等[9]研究表明, 控失尿素/常規尿素 7∶3 配施馬鈴薯產量最高, 較常規尿素提高 9.2%, 控失尿素減量 15%時, 馬鈴薯產量較常規尿素提高 2.7%�？厥�尿素與常規尿素 7∶3 配合施用同樣是新疆滴灌玉米高產的最佳氮肥管理模式, 為產量和氮肥利用率協同提高的有效途徑[10]。我國地域廣闊、氣候多變、土壤類型以及作物種植制度復雜, 這些因素均會影響控失尿素的性能, 從而影響控失尿素的減氮效應和增產效果。目前, 控失尿素在水稻、番茄和馬鈴薯等作物上的研究較多, 在不同產量水平農田上, 針對控失尿素減施及不同配比對夏玉米產量及氮肥效率的影響還鮮見報道。

　　本文通過在不同產量水平土壤上研究控失尿素減量、控失尿素與常規尿素配施情況下, 夏玉米生理特性、干物質積累、養分吸收、產量及氮肥利用率的響應, 明確不同產量水平農田上控失尿素減施潛力及與常規尿素合理的配施比例, 探索夏玉米高產高效的一次性施肥技術, 為夏玉米科學施肥提供理論依據和技術支撐。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區概況

　　試驗分別于 2016 年 6 月至 10 月于河南省鶴壁市鉅橋鎮劉寨村(35°40'2''N, 114°18'3''E)和焦作修武縣五里源鄉李固村(35°14'24''N, 113°25'12''E)布置, 2017 年 6 月至 10 月在河南省原陽縣河南農業大學科研基地(35°38'48''N, 113°34'36''E)進行, 三地區屬于溫帶大陸性季風氣候, 種植制度為小麥-玉米輪作。供試土壤均為潮土, 各地點土壤農化性狀見表 1, 依據楊建波等[11]研究分別將 3 個試驗地點劃分為高、中、低產田。

　　1.2 試驗設計

　　試驗共設 8 個處理, 氮肥用量及控失尿素與常規尿素的不同配比如表 2 所示。常規尿素含氮量 46.4%, 控失尿素含氮量為 43.2%, 控失劑添加比例 4%, 該控失尿素利用天然一維納米礦物材料— —凹凸棒土復配有機絮凝劑聚丙烯酰胺和無機絮凝劑聚合氯化鋁鐵為材料, 控失劑遇水自組裝微納分子網絡, “網捕”住化肥養分, 達到將氮素固定在土壤中, 減少因淋溶、徑流及揮發等途徑造成的氮素損失。各處理等磷(P2O5 75 kg hm–2)、等鉀(K2O 90 kg hm–2)設計, 磷、鉀肥分別為過磷酸鈣(P2O5 16%) 和氯化鉀(K2O 60%)。鶴壁、修武、原陽供試品種分別為豫安 3 號、中種 8 號和浚單 29, 玉米播種密度為 67,500 株 hm–2, 施肥方式為五葉期一次性施肥, 小區面積 36 m2 , 各處理 3 次重復, 隨機區組排列, 灌溉、病蟲草害防治及其他田間管理措施同當地農民習慣一致。

　　1.3 測定項目與方法

　　1.3.1 土壤樣品的采集與分析 于玉米播種前采集 0~20 cm 混合土壤樣品, 自然風干后, 分別過 20 目和 60 目篩進行基礎土壤理化性狀測定。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法(丘林法)測定土壤有機質, 堿解-擴散法測定土壤堿解氮, 0.5 mol L–1 碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定土壤速效磷; 乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀含量。

　　1.3.2 夏玉米葉片硝酸還原酶活性、SPAD 值和光合特性的測定 分別于吐絲期和灌漿期, 采集高產田各處理夏玉米穗位葉片, 去除主脈的葉中部分后迅速保存于液氮中供硝酸還原酶活性測定, 以單位時間內產生的亞硝酸鹽(NO2  )量表示酶活性。選取高產田各小區代表性夏玉米 30 株, 采用日本 Minolta 公司生產的 SPAD-502 型葉綠素測定大喇叭期和吐絲期最新完全展開葉、灌漿期穗位葉 SPAD 值。于夏玉米大喇叭口期、吐絲期、灌漿期選擇晴朗無云天氣狀況, 在 9:00—11:00 之間利用 LI-6400 便攜式光合儀(美國 Li-Cor 公司), 測定內置光源光強 1100 μmol m–2 s–1 下高產田各小區夏玉米葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等光合參數。

　　1.3.3 夏玉米產量與養分積累量測定 玉米成熟后收獲中間 2 行, 每行收獲 15 穗, 曬干后脫粒稱其質量, 以含水量 14%折算作為產量, 對其中 20 穗玉米進行考種, 調查穗粒數和千粒重。另采集每個小區具有代表性的植株 2 株, 于 105˚C 下殺青 15 min, 然后在 65˚C 下烘干至質量恒定, 測定植株干物質量, 將玉米籽粒與植株分別粉碎后分析其養分含量。采用濃 H2SO4-H2O2 消煮, AA3 全自動流動注射分析儀測定全氮含量, 鉬黃比色法測定全磷含量, 火焰光度計法測定全鉀含量[12]。

　　1.4 氮素相關指標計算與數據處理依據

　　Moll 等[13]、Cassman 等[14]和馮濤等[15]的方法, 計算氮素利用效率指標如下:

　　養分積累量(nutrient accumulation amount, kg hm–2) = 干物重×養分含量;

　　氮肥利用率(recovery efficiency of applied nitrogen, REN, %) = (施氮區氮素積累量不施氮區氮素積累量)/施氮量×100;

　　氮肥農學效率(agronomic efficiency of applied nitrogen, AEN, kg kg–1) = (施氮區籽粒產量不施氮區籽粒產量)/施氮量;

　　氮肥偏生產力(partial factor productivity from applied N, PFPN, kg kg–1) = 施氮區產量/施氮量;

　　增產率(%) = (施肥區產量不施肥區產量)/不施肥區產量×100;

　　所有數據采用 Microsoft Excel 2016 和 SAS 9.0 進行統計分析, 利用 Origin 9.0 作圖。

　　2 結果與分析

　　2.1 控失尿素減施及不同配比對夏玉米產量及其構成因子的影響

　　圖 1 表明, 夏玉米施用氮肥顯著增產, CL 增產效果最好, 增產率達 22.96%~27.55%, 并且隨著產量水平降低, 增產率相繼提高。與 CF 相比, 高產田和低產田上 CL 分別顯著增產 8.32%和 11.82%。與 CL 相比, CL10 和 CL20 在高產田和中產田上未造成夏玉米顯著減產, 但是低產田夏玉米產量顯著降低。隨控失尿素施用比例的降低, 產量呈下降趨勢。CL7:3 處理下高產田和中產田上夏玉米產量與 CF 無顯著差異, 低產田 CL7:3 較 CF 顯著增產 12.53%。分析夏玉米產量構成因子發現(表 3), 高產田產量主要決定于千粒重, 中產田產量受千粒重和穗粒數影響, 低產田產量主要取決于穗粒數�？梢娍厥�尿素在高產田和低產田較常規尿素顯著增產, 高、中產田上控失尿素可減施 10%和減施 20%, 控失尿素與常規尿素 7∶3 配施在低產田具有較好的增產效果。

　　2.2 控失尿素減施及不同配比對夏玉米地上部干物重的影響

　　統計夏玉米地上部干物重發現(圖 2), 高、中產田上 CL 的總干物重最高, 在高產田上較 CF 顯著提升 11.48%, 且顯著提高了高產田秸稈干物重。與CL相比, CL20 對高產田、CL10 對中產田夏玉米總干物重、籽粒干物重、籽粒干物重無顯著降低作用(圖 2-a, b)。

　　低產田上 CL7:3 的總干物重和秸稈干物重顯著高于 CL , 中產田籽粒干物重未顯著降低(圖 2-c)。整體上, 高、中產田上控失尿素減施 10%和減施 20%可保證夏玉米干物質累積, 控失尿素與常規尿素 7∶3 配施更有利于低產田夏玉米干物質積累。

　　2.3 控失尿素減施及不同配比對夏玉米養分積累量的影響

　　施用氮肥普遍顯著提高了不同產量水平土壤上夏玉米養分積累量(圖 3), CL 較 CF 顯著提高了籽粒氮素積累量達 23.18% (圖 3-a~c), 同時提高了高、中產田籽粒磷素積累量(圖 3-d, e)和中、低產田鉀素積累量(圖 3-h, i)。與 CL 相比, CL10 和 CL20 處理下高產田夏玉米籽粒氮素和秸稈磷素積累量未顯著降低, 但顯著降低了中、低產田籽粒氮素積累量和各產量水平夏玉米秸稈鉀素積累量, CL10 未顯著降低秸稈氮素積累量和中、低產田磷素積累量以及中產田鉀素積累量(圖 3)。與 CL 相比, CL7:3 在不同產量水平土壤上夏玉米籽粒氮素積累量無顯著差異, 顯著提高低產田磷素和鉀素積累量(圖 3-f, i)�？梢�, 控失尿素可顯著提高夏玉米籽粒養分積累量, 高、中產田上控失尿素減施 10%可保證夏玉米地上部養分吸收, 控失尿素與常規尿素 7∶3 配施更有利于低產田夏玉米養分積累。

　　2.4 控失尿素減施及不同配比對夏玉米氮肥利用效率的影響

　　總體上, 低產田各處理氮肥利用率高于高、中產田(表 4)。高產田 CL20 的氮肥利用率顯著高于 CF、 CL、CL10, 達 41.60%, 其中 CF 顯著最低, 僅為 20.53%, 這一規律與低產田類似, 中產田上夏玉米氮肥利用率以 CL 和 CL7:3 顯著最高。各處理的氮肥農學效率差異較小, 但控失尿素的效果明顯優于常規尿素, 在高產田上 CL 和 CL20 較好, 中產田 CL 和 CL10 表現較好, 低產田上則為 CL 和 CL7:3。隨著控失尿素用量的減少, 氮肥的偏生產力呈增加趨勢, CL20 的夏玉米氮肥偏生產力為 51.20%~60.26%�？梢�, 控失尿素施用顯著提高了夏玉米氮肥利用率, 高產田上控失尿素減施 20%、低產田上控失尿素與常規尿素 7∶3 配施可進一步提高氮肥利用效率。

　　2.5 控失尿素減施及不同配比對高產田夏玉米葉片硝酸還原酶及 SPAD 值的影響

　　CL 較 CF 顯著提高了高產田吐絲期和灌漿期的夏玉米葉片硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)活性 (圖 4), 控失尿素減施處理僅顯著降低了吐絲期夏玉米葉片 NR 活性, 灌漿期 CL、CL10、CL20 之間無顯著差異。吐絲期 CL3:7、灌漿期 CL5:5 和 CL3:7 的 NR 活性較 CL 顯著降低。CK、CF、CL 的高產田夏玉米葉片 SPAD 值隨生育期提高(圖 5), 減施及配施處理的 SPAD 值在吐絲期最高。氮肥施用顯著提高了 3 個關鍵生育期葉片 SPAD 值, 但 CF、減施及各配施處理較 CL 均無顯著差異�？梢�, 控失尿素常量施用及與常規尿素 7∶3 配施有利于提高高產田夏玉米生理活性。

　　2.6 控失尿素減施及不同配比對高產田夏玉米光合特性的影響

　　表 5 表明, 氮肥施用普遍有利于提高夏玉米光合特性, CF、CL 和 CL10 較 CK 可顯著提高灌漿期夏玉米光合速率, 控失尿素減施未顯著降低吐絲期和灌漿期夏玉米氣孔導度且顯著提高了大喇叭口期和吐絲期夏玉米胞間 CO2 濃度, CL 較 CF 顯著提高灌漿期胞間 CO2 濃度達 43.92%, CL5:5 和 CL3:7 可顯著提高吐絲期夏玉米光合速率和氣孔導度。吐絲期 CL3:7 的蒸騰速率顯著高于 CL, 灌漿期則為 CL7:3 顯著最高。可見, 控失尿素減施及與常規尿素合理配比可以保證高產田夏玉米光合速率。

　　3 討論

　　華北地區夏玉米種植常采用“一炮轟”的施肥方式, 且因生長期高溫多雨, 極易造成氮素的淋洗和損失, 使夏玉米生長后期發生脫肥早衰的問題[16]。控釋/失肥是有效提高肥料利用率的新型肥料, 控釋肥具有養分釋放與作物吸收同步的特點, 控釋肥一次性 10~15 cm 基施配合適宜的水分條件, 較常規氮肥可以實現夏玉米增產 9.5%~27.3%, 肥料利用率達 32.76%~46.97%, 對夏玉米生長具有明顯的 “前控后保”作用[17-20]�？厥Х蕪目刂起B分流失的原理出發, 將更多的養分保持在作物根區, 供肥能力持久, 控失肥基施在水稻[21]、玉米[22]、小麥[23]、棉花[24]和馬鈴薯[25]等作物上增產提質顯著, 較常規肥料養分流失少, 是實現夏玉米肥料減施及輕簡化施肥的有效途徑�？厥Х室淮涡曰�施使雨養區沙質壤土和沙姜黑土夏玉米分別增產 10%~11% [26]和 10.5%~20.5% [27], 本研究中, 常量控失尿素在不同產量水平土壤上的施用對夏玉米的增產率達 22.96%~27.55%, 并且隨著產量水平的降低, 增產率相繼提高, 對低產田夏玉米千粒重、產量的提升最為顯著, 這與周寶元等研究結果一致[28]。常量氮素投入下(純氮 210 kg hm–2), 控失尿素施用通過提高玉米葉片硝酸還原酶活性和光合作用強度來促進植株對營養的吸收, 較常規尿素進一步顯著增加高、低產田夏玉米產量, 增產率達 4.43%~11.82%, 主要是通過顯著提高千粒重來實現增產的, 而孫克剛等[29]發現控失尿素通過增加潮土夏玉米千粒重和穗粒數而實現夏玉米顯著增產 13.7%, 這一差異可能是玉米品種特性導致的[30-31]。

　　探究控失氮肥減施具有重要的實踐意義, 黃淮海南部沙漿黑土區上控失肥減氮 25%一次性基施夏玉米產量、經濟效益與常規氮肥(純氮 262.50 kg hm–2) 一次性基施及基追比 5∶5 施用處理相當[22], 氮肥利用率、農學利用率和偏生產力均有顯著提高, 實現了玉米氮肥減量及輕簡化施肥。我們發現控失尿素減施 10%和 20%通過一定程度的提高夏玉米穗粒數來實現高、中產田夏玉米不減產, 但在低產田上造成夏玉米顯著減產。同時, 中產田上控失尿素減施 20%下夏玉米產量和籽粒干物重有明顯的降低趨勢, 這表明中產田上控失尿素連續多季減施 20%可能會導致夏玉米顯著減產, 夏玉米定位試驗顯示氮肥連續 3 年減施至純氮 180 kg hm–2 未顯著影響山東省[32] 和河北省[33]潮土地區夏玉米產量, 但是關于河南省中產田上夏玉米控失尿素減施 10%和 20%的長期效果仍需進一步試驗分析驗證。控失尿素減施 10%和 20%雖未顯著降低高產田夏玉米籽粒氮素積累量以及主要生育期的光合特性, 但在中、低產田上對籽粒氮素積累量的降低作用已達顯著水平, 從而導致了中產田控失尿素減施處理遠低于高產田控失尿素減施 20%處理的氮肥利用率(41.60%), 這可能表明了中、低產田的氮肥減施需要配合秸稈還田及畜禽糞肥施用等地力提升技術才可實現, 在維持土壤肥力的基礎上, 滿足夏玉米的養分需求[34-35]。

　　控失尿素與常規尿素配施為夏玉米高產高效提供了新的途徑, 郭萍等[36]通過對控失尿素和常規尿素配比的研究發現, 采用適宜的配施比例, 能夠提高玉米植株的干物質積累, 并且, 在一定范圍內隨著控失尿素施用比例增加, 玉米產量和氮素吸收積累量逐漸提高, 新疆加工番茄的光合特性最好[37]。本文發現, 盡管控失尿素減量施用在中、低產田上效果不佳, 控失尿素與常規尿素 7∶3 配施下中、低產田的夏玉米氮素積累量均為最高, 產量與常量控失尿素處理無顯著差異。與常規尿素相比, 控失尿素與常規尿素 7∶3 配比在高產田和中產田夏玉米地上部干物重無顯著差異, 能顯著提高低產田地上部干物重, 且該處理下低產田夏玉米氮肥利用率和農學效率均較高。這可能是因為, 控失尿素與常規尿素配施既可以彌補低產沙質潮土上因單施控失尿素出現的夏玉米生長前期養分短缺問題, 也有利于土壤氮素持續有效供應, 彌補因常規尿素養分損失率高而導致的夏玉米生長后期供肥不足現象, 并且維持灌漿期夏玉米光合速率, 保證夏玉米花后生殖生長的需要, 提高夏玉米花后干物質和氮素積累量[10,22,38], 這與控失肥通過提高小麥灌漿期葉面積指數和光合強度實現冬小麥增產和品質改善的結果相一致[23]。

　　4 結論

　　合理施用控失尿素可有效提高夏玉米產量和氮肥利用效率, 是解決華北地區夏玉米一次性施肥氮素損失的途徑之一。不同產量水平土壤上, 控失尿素(純氮 210 kg hm–2)一次性施用較等氮量常規尿素施用可顯著提高夏玉米產量、地上部生物量和氮肥利用效率。在高產田上控失尿素減施 20% (純氮 168 kg hm–2)可滿足夏玉米氮素吸收, 實現夏玉米氮肥減施增效的目標, 控失尿素常量施用或與常規尿素7∶3 配施可調節氮素供應速率, 提高夏玉米光合強度, 更適用于低產田夏玉米種植體系, 短期內中產田上兩種方式均可。進一步從土壤養分庫、作物養分積累與品質、產量等多方面來明確控失尿素減施在不同肥力土壤上的長期效應, 可為我國科學施用化學氮肥提供理論和技術依據。 ——論文作者：張 倩 韓本高 張 博 盛 開 李嵐濤 王宜倫*

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