晋南冬小麦—夏玉米轮作体系的氮肥运筹

薛泽民，要娟娟，赵萍萍，王宏庭

（1.山西大学生物工程学院，山西太原 030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030006）

施肥在农业生产中发挥着重要的作用。美国科学家Hoeft认为，如果立即停止施用化肥，全世界的农作物产量将减少40%～50%[1]。目前，我国的氮肥用量约占全世界氮肥总用量的1/3[2]，但肥料施用的当季利用率较低，低于发达国家10～20百分点，这不仅造成了经济和资源的巨大浪费，还带来了巨大的环境风险[3]。合理施肥可以通过减弱和消除养分限制因子而获得大幅度的增产[4]。国内学者针对冬小麦或夏玉米单季作物的合理施肥量和施肥方法已开展了许多研究[5-13]，但针对冬小麦—夏玉米轮作整体考虑的施肥管理研究相对较少，仍缺乏简单实用的施肥管理技术。目前，华北地区冬小麦—夏玉米轮作体系中氮肥过量施用已相当严重[14-17]，增肥不增产，肥料利用率低下，潜在环境压力加大已成为冬小麦—夏玉米轮作体系面临的最突出问题[17-19]。晋南地区是山西省小麦—玉米轮作主产区，面临着施肥过量和施肥不足及养分不平衡施用的严重问题，影响农业的可持续发展。

笔者以冬小麦—夏玉米轮作体系为研究对象，在控制总氮量条件下，研究氮肥在其体系内的分配，拟形成适合晋南地区冬小麦—夏玉米轮作体系的高产、高效、优质、环保的养分管理技术，以便为晋南地区农业生产提供理论和实践指导。

1 材料和方法

临汾市是晋南地区重要的冬小麦—夏玉米轮作主产区，属半干旱温带大陆性气候，年均气温在12.6℃左右，年均降水量498 mm，无霜期195 d左右。山西省农科院农业环境与资源研究所课题组人员自2002年以来，针对晋南冬小麦—夏玉米轮作开展了肥料施用量及施肥方法的一系列研究，已明确了冬小麦—夏玉米轮作体系合理的氮肥施用量。本研究重点开展冬小麦—夏玉米轮作体系内氮肥分配（控制氮肥总量420 kg/hm2）对作物产量、农学效率和纯收益及肥料利用率的影响。试验设在临汾市襄汾县襄汾原种场，土壤类型为石灰性褐土，质地为中壤。

试验设 6个处理，即 W0M0，W40M60，W45M55，W50M50，W55M45，W60M40。其中，W代表冬小麦季，M代表夏玉米季，字母后的数字代表总氮量的百分比，重复4次，随机排列。试验前采取耕层（0～20 cm）土壤样品进行养分分析（ASI法）[20]。土壤养分分析结果列于表1。

表1 土壤养分分析结果 mg/L

供试品种：冬小麦为舜麦1718，夏玉米为晋单54。田间小区面积为50 m2。所用肥料为尿素（46%N）、过磷酸钙（12%P2O5）和氯化钾（60%K2O）。磷钾肥于小麦播前一次性施入，氮肥按方案设计比例施用，小麦季氮肥的1/3 N底施，2/3 N于小麦拔节期追施；玉米季N在大喇叭口时期一次性追施。试验方案列于表2。

表2 冬小麦—夏玉米轮作施肥方案

冬小麦于2009年10月3日进行季底施肥料，2009年10月4日播种，播量225 kg/hm2，南北向种植，行距20 cm，2009年11月11—13日连降大雪，未浇冬水；2010年3月31日追施小麦季剩余氮肥，并分别于小麦返青期和抽穗期各浇水1次，于2010年6月18日收获。夏玉米于2010年6月26日播种，2010年7月9日定苗，密度为60 000株/hm2，2010年8月12日追施氮肥后中耕1次，2010年10月10日收获。收获时采集所有处理的植株样品和土壤样品，植株样品按常规方法分析全氮、全磷和全钾，土壤样品则分析硝态氮、速效磷和速效钾。

值得指出的是，试验期间气候因素影响较大，2009年11月11—13日连降大雪，降雨量39.7 mm，未浇冬水，极大影响了冬前小麦的分蘖。2010年3月小麦返青，但气温偏低，较常年同期明显偏低约2.8℃，且3月24日出现霜冻，最低温度达-3.5℃，造成大面积冻害，严重地块新叶全部发黄干枯，严重影响小麦产量。2010年7—8月，夏玉米播种后没有有效降雨，气候干旱，影响了玉米的生长发育，延迟了玉米收获。

数据处理采用Excel和SPSS 16.0软件进行统计分析。

氮农学效率（kg/kg）＝（施氮区产量－不施氮区产量）／施肥量；

氮肥利用率＝（施氮区吸氮量－不施氮区吸氮量）／施氮量×100%。

2 结果与分析

2.1 氮肥分配对冬小麦—夏玉米轮作产量的影响

表3结果显示，在总氮量控制的条件下，氮肥在冬小麦—夏玉米轮作的分配会使冬小麦—夏玉米轮作体系的总产量增加，增产率为8.4%～17.4%，处理1总产量最低，为11 095 kg/hm2；处理5的总产最高，为13 026 kg/hm2。方差结果显示，处理间产量达显著水平。多重比较进一步显示，所有施氮处理的轮作总产量均较不施氮达显著水平，处理5与处理1，6相比，达显著水平，与处理2，3，4相比，未达显著水平。单从冬小麦产量看，氮肥施用的增产幅度为277～908 kg/hm2，增产率为5.7%～18.7%。处理3施氮189 kg/hm2产量最高，为5 771 kg/hm2，增产率为18.7%。而处理6较处理1的增产幅度最低，增产率仅为5.7%。氮肥施用量和冬小麦产量的关系符合曲线y＝-0.048 8x2＋13.547x＋486 3，R2＝0.968 5**，可以求得获得冬小麦最高产量的施氮量为138.8 kg/hm2。而夏玉米季受前茬残余肥力的影响，以处理5产量最高，为7 590 kg/hm2，较处理1增产21.8%。

表3 氮肥分配对作物产量的影响

2.2 氮肥分配对冬小麦—夏玉米轮作农学效益和净收益的影响

从表4可以看出，不同的氮肥分配比例影响轮作体系氮肥的农学效率，1 kg N可生产粮食2.2～4.6 kg，其中，处理 5最高，为 4.6 kg；处理 6最低，为2.2 kg。说明在总氮量控制的条件下，冬小麦季施N231 kg/hm2、夏玉米季施氮189 kg/hm2能获得较高的氮肥农学效率。从冬小麦季氮肥的农学效率看，随着施氮量的增加（施氮比例加大），氮肥农学效率呈降低趋势。

从氮肥分配对冬小麦—夏玉米轮作净收益的影响看，处理5（W55M45）的总产最高，总产值也最高，净收益也表现最高，为22 146元/hm2，高于处理1；处理6净收益最低，为20223元/hm2。除处理5外，其他处理均较处理1净收益有所降低，出现增产不增收的情况，究其原因：一方面气候因素影响产量的潜力发挥，另一方面受肥料价格飞涨的影响较大。因此，评价经济效益不仅要从单季作物或单个轮作看，还应从较长时间（两三个轮作）总体评价。

表4 氮肥分配对农学效益和净收益的影响

2.3 氮肥分配对冬小麦—夏玉米轮作体系氮肥利用率的影响

由表5可知，不施氮处理的的吸氮量在小麦季和玉米季均表现最低。方差结果显示，处理间吸氮量达显著水平，氮肥施用均可增加作物对氮养分的吸收，但由于作物生长期间受气候影响较大（春寒和夏旱），造成氮素吸收量偏低，氮肥利用效率普遍不高，致使产量较往年明显偏低。但不同的氮肥分配仍表现出氮肥利用率的差异，小麦季W45M55处理的氮肥利用率表现最高，为25.4%，而W60M40处理的肥料利用率最低，仅为7.2%；如不考虑前茬残余肥力的影响，玉米季以W55M45处理的肥料利用率表现最高，为26.1%，同样以W60M40处理的肥料利用率表现最低，为16.4%。就整个轮作而言，W55M45处理的氮肥利用率略高于其他处理，为20.8%。在气候异常的年份，获得这样的产量和肥料利用率也是可以接受的结果，毕竟试验期间部分农田受气候因素影响减产幅度较大，甚至绝收。

表5 氮肥分配对氮肥利用率的影响

3 小结与讨论

在农田生产条件下，作物生长发育往往受水、肥、气、热及栽培管理措施等因素的影响，在栽培管理措施相对一致的情况下，肥料投入的多少直接影响作物的产量。但在肥料投入量一定的条件下，何时施用、如何分配比例同样会影响肥料效益的发挥[5]。本研究结果表明，在氮肥总量（N 420 kg/hm2）控制下，不同氮肥分配会影响冬小麦—夏玉米轮作生物量、产量、收益、农学效率及肥料利用率。冬小麦季施氮231 kg/hm2（55%N）、夏玉米季施氮189 kg/hm2（45%N），能获得轮作的最大生物量和最大产量，分别为28 361，13026kg/hm2。同时，在冬小麦季施氮231 kg/hm2、夏玉米季施氮189 kg/hm2，还获得了最高的氮肥农学效益，为4.6 kg/kg，最高的氮肥利用率20.8%以及最大净收益22 146元/hm2。

冬小麦季施氮231 kg/hm2及基追比例与文献[6-8]（小麦季施氮量应控制在240 kg/hm2以下）基本一致。氮肥基追比例与文献[7]（小麦季基肥追肥比例为4∶6）的研究基本一致。而与孔令聪等[8]研究结果（小麦施氮 225～300 kg/hm2）相比，小麦施氮量也大体一致，但氮肥的基追比例相反，文献为基肥2/3、追肥1/3，本研究为基肥1/3、追肥2/3，这可能与土壤肥力基础及气候有关。另据尹晓芳等[11]研究结果，当施氮量超过150 kg/hm2时，多施入的氮大部分都累积在土壤中，但本研究并没有监测到大量的硝态氮的累积和淋洗（数据未显示），这也可能与土壤结构和降雨量有关。就夏玉米而言，本研究施肥量与陈祥等[12]的研究结果相一致。赵荣芳等[13]认为，在华北地区冬小麦—夏玉米轮作体系下，进行氮素资源优化管理，提高氮肥利用率，保持土壤肥力，兼顾生态效益是当前需要解决的根本问题。值得指出的是，本研究试验期间受气候因素影响，致使作物产量和氮肥效益及肥料利用率较同一试验点正常年份的相关研究偏低，冬小麦减产近1/4，夏玉米也减产10%，氮肥利用率也较正常年份降低近13百分点左右。但就合理的施肥量及单季作物肥料的分配比例的效果看，与以往相关研究大体一致[5，21]，这也说明本研究的氮肥施用量及分配比例对晋南地区的冬小麦—夏玉米轮作体系具有理论指导作用。因此，在华北地区冬小麦—夏玉米轮作体系下，只有进行轮作体系下的氮素资源优化管理，提高氮肥利用率，保持土壤肥力，兼顾作物产量、农民收益和生态效益，才是当前需要解决的根本问题。

［1］金继运，林葆.化肥在农业生产中的作用和展望[J].作物杂志，1997（2）：5-9.

［2］中国农业年鉴编辑委员会.中国农业年鉴[M].北京：中国农业出版社，2010.

［3］赵其国.发展与创新现代土壤科学 [J].土壤学报，2003，40（3）：321-327.

［4］朱兆良.施肥与农业和环境[J].院士讲坛，1999（6）：1-4.

［5］王宏庭，赵萍萍.不同施氮运筹对夏玉米产量、净收益及氮肥利用率的影响[J].山西农业科学，2010，38（10）：30-33.

［6］杨利玲，季保平，乔显亮，等.不同施氮量及运筹对小麦生长和土壤养分的影响[J].甘肃农业，2004（5）：46.

［7］陈刚普.濮阳市小麦—玉米轮作高产栽培技术[J].现代农业科技，2010（1）：84-86.

［8］孔令聪，汪芝寿，曹承富.氮肥运筹方式对优质小麦产量和品质的影响[J].安徽农业科学，1996，24（3）：214-216.

［9］薛文多，于立河，郭伟，等.施肥和密度对春小麦群体质量及产量的影响[J].天津农业科学，2008，14（6）：57-60.

［10］骆晓声，寇长林.不同施肥制下砂土小麦一玉米轮作体系土壤养分的动态变化[J].河南农业科学，2009（11）：64-68.

［11］尹晓芳，同延安，张树兰.关中地区小麦—玉米轮作农田硝态氮淋溶特点[J].应用生态学报，2010，21（3）：640-646.

［12］陈祥，同延安，杨倩.氮磷钾平衡施肥对夏玉米产量及养分吸收和累积的影响[J].中国土壤与肥料，2008（6）：19-22.

［13］赵荣芳，陈新平，张福锁.华北地区冬小麦—夏玉米轮作体系的氮素循环与平衡[J].土壤学报，2009，46（4）：684-697.

［14］朱兆良.农田中氮肥的损失与对策[J].土壤与环境，2000，9（1）：1-6.

［15］陈新平，张福锁.小麦—玉米轮作体系养分资源综合管理理论与实践[M].北京：中国农业大学出版社，2006.

［16］张福锁，崔振岭，王激清，等.中国土壤和植物养分管理现状与改进策略[J].植物学通报，2007，24（6）：68-69.

［17］Ju X T，Kou C L，Christie P，et al.Changes in the soil environment from excessive application of fertilizers and manures to two contrasting intensive cropping systems on the North China Plain[J].Environmental Pollution，2007，145：497-506.

［18］Zhao R F，Chen X P，Zhang H L，et al.Fertilization and nitrogen balance in a wheat/maize rotation system in north China[J].AgronomyJournal，2006，98：938-945.

［19］Cui Z L，Zhang F S，Chen X P，et al.On-farm evaluation of an inseason nitrogen management strategy based on soil Nmin test[J].Field Crops Research，2008，105：48-55.

［20］金继运.土壤养分状况系统研究法在土壤肥力研究及测土施肥中的应用[J].植物营养与肥料学报，1996，2（1）：8-15.

［21］赵萍萍.氮肥用量对夏玉米产量、收益、农学效率及氮肥利用率的影响[J].山西农业科学，2010，38（11）：43-46.