周年氮磷钾配施模式对砂姜黑土麦玉轮作体系籽粒产量和养分利用效率的影响

王永华，黄源，辛明华，苑沙沙，康国章，冯伟，谢迎新，朱云集，郭天财

（河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002）

周年氮磷钾配施模式对砂姜黑土麦玉轮作体系籽粒产量和养分利用效率的影响

王永华，黄源，辛明华，苑沙沙，康国章，冯伟，谢迎新，朱云集，郭天财

（河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002）

【目的】探讨周年不同氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉轮作体系产量及养分利用效率的影响，明确适宜豫东南砂姜黑土麦玉一体化种植的氮磷钾配施模式。【方法】于2012—2014年连续两年在河南省周口市商水县典型砂姜黑土区设置氮磷钾不同配施大田定位试验，研究磷钾肥总用量不变、2种氮用量投入水平下麦玉两季磷钾配施模式对冬小麦-夏玉米轮作种植体系氮、磷、钾养分吸收利用及产量的调控效应。其中，氮肥设全年用量360.00 kg·hm-2和540.00 kg·hm-2两个梯度，磷钾肥总量不变，设计4种配施方式，即麦季全磷玉米全钾（磷肥和钾肥分别全部施用于小麦季和玉米季）、麦季全磷玉米重钾（磷肥全部施用于小麦季，钾肥按麦玉两季42﹕58的比例分配）、麦季重磷玉米全钾（磷肥按麦玉两季64﹕36的比例分配，钾肥全部施用于玉米季）、麦季重磷玉米重钾（磷肥按麦玉两季64﹕36的比例分配，钾肥按麦玉两季42﹕58的比例分配）。【结果】高氮水平下麦玉两季磷钾肥分施能促进作物产量三要素的协调发展，显著提高冬小麦的穗数和夏玉米的穗长与行粒数，且两年度单季作物和全年籽粒产量均以麦季重磷且玉米季重钾P8处理最高，周年产量分别达21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。砂姜黑土区冬小麦和夏玉米地上部养分含量大小均表现为氮＞钾＞磷。与低氮水平相比，高氮水平有利于提高植株地上部总氮、磷、钾的含量，然而氮素的偏生产力（NPFP）、吸收效率(NUPE)、利用效率(NUE)有所降低。磷钾肥分施不仅能促进冬小麦和夏玉米对氮素的吸收，还可有效防止元素的流失，提高作物对磷素和氮素的吸收和利用，显著提高磷钾两类元素的偏生产力（PFP）、吸收效率(UPE)。而磷钾全施在麦玉某一季作物上，由于磷肥易固定、钾肥易流失的原因，造成肥料后效减小，下茬作物因养分供给不平衡而影响作物对氮磷钾的吸收利用，致使产量降低。低氮水平下麦季重磷、玉米季重钾P4处理的氮磷钾养分利用较其他处理表现较优；高氮水平下麦季重磷、玉米季重钾P8处理的单季和周年氮素偏生产力及吸收效率均显著高于其他处理。【结论】综合考虑养分利用效率和籽粒产量，在本试验条件下，麦季重磷、玉米季重钾配施模式有利于养分效率和产量的同步提高，可作为豫东南砂姜黑土及相似生态类型区冬小麦-夏玉米轮作种植高产高效施肥的优选模式。

冬小麦-夏玉米轮作；氮磷钾配施；养分利用效率；产量

0 引言

【研究意义】砂姜黑土作为黄淮平原最大的中低产土壤类型之一，是中国重要的商品粮调出区和未来粮食的主要增产区，在区域粮食生产发展及国家粮食安全战略中具有举足轻重的地位。冬小麦-夏玉米轮作是黄淮海平原一年两熟种植区独具特色的粮食作物种植模式，但现实生产中由于作物种植习惯、传统生产管理理念等原因，农民往往不能根据冬小麦-夏玉米对养分的需求量及需肥特点而进行科学施肥，尤其对夏秋两季作物肥料周年运筹上缺乏科学性，生产中常存在单季或全年施肥总量随意、作物追肥时期不明确、两季作物养分投入与分配比例不合理等现象，导致肥料浪费严重且利用率低下、生态环境污染加重等突出问题，因此，对麦玉轮作种植体系进行周年肥料一体化科学设计，实现麦玉两熟作物周年均衡增产和肥料高效利用显得尤为必要。【前人研究进展】氮磷钾肥料用量[1-2]、施肥时期[3-4]、施肥比例[5-6]以及夏秋两季作物间肥料分配比例[7-8]等单季或周年肥料运筹对作物生长发育、产量品质形成及养分利用效率的影响已有诸多报道。研究者普遍认为，氮磷钾三元素均有适宜的施用量，且在一定的肥料施用量范围内和其他因素相对稳定的条件下，产量和肥料利用率分别与施肥量呈正相关和负相关的关系[9]，施肥过多或过少均不利于作物生长、产量提高和品质改善[10-13]。宋永林等[14]研究表明，潮褐土条件下，单一施氮和氮、磷、钾的两两配合，在麦玉轮作的产量和养分利用率方面，效果不及含氮磷钾配合的各处理，说明氮磷钾全元素肥料施入土壤，对作物的养分吸收和利用具有累加作用，两两配合及单一施氮的几个处理中以氮磷处理效果最好。武际等[15]研究也发现，在一定氮肥施用基础上，配施磷钾肥可促进玉米的营养生长，且有利于协调玉米经济性状。大量生产实践和试验研究结果表明，冬小麦、夏玉米生育时期和所需养分不同，合理的肥料配施是获得高产的基础和保障。【本研究切入点】纵观前人对冬小麦-夏玉米施肥研究则多集中于施肥对单季作物的影响，较少将冬小麦、夏玉米作为整体来统筹考虑周年轮作种植体系的适宜施肥量与施肥模式，并且现有研究也往往局限于高产田，对中低产田有所忽视，特别是砂姜黑土农田。【拟解决的关键问题】本试验在前人研究的基础上，针对砂姜黑土冬小麦-夏玉米周年肥料运筹中存在的实际问题，通过在典型砂姜黑土区麦玉轮作条件下设置氮磷钾不同配施大田定位试验，在麦玉周年种植体系肥料总用量不变的前提下，探讨两种氮肥投入水平下麦玉两季作物间磷钾不同配施对冬小麦、夏玉米单季及全年作物氮、磷、钾养分吸收利用和产量的影响，以寻找综合表现最佳的周年肥料运筹模式，为建立砂姜黑土区适宜于麦玉两熟作物氮磷钾周年合理配施模式提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2012—2014连续两年度在河南省典型砂姜黑土区的周口市商水县农场14分场进行。该试验点属暖温带大陆性季风气候，位于北纬 33°32'，东经114°29'，海拔46.5 m。根据1961—2005年连续30年的商水县气象资料统计，该区常年平均降雨量806.40 mm，年平均气温14.8℃，年日照时数达2 072.3 h。本研究两季作物生长期间气象数据由本试验点小型气象站测定获取。2012—2013年冬小麦生长季平均气温9.6°C，降雨量为205.30 mm，主要集中在4月和5月，占小麦全生育期降雨量的58.8%；2013年夏玉米生长季平均气温27.1°C，降雨量为303.00 mm，主要集中在 7—9月，占玉米全生育期降雨量的 95.0%。2013—2014年冬小麦生长季平均气温 10.7°C，降雨量为173.40 mm；2014年夏玉米生长季平均气温24.6°C，降雨量为308.00 mm。两年度分别于小麦播种前取土对耕作层土壤养分状况进行化验分析，2012—2013年度供试土壤 pH为7.37；0—20 cm土层有机质含量为18.56 g·kg-1，全氮含量 1.13 g·kg-1，有效磷 17.05 mg·kg-1，速效钾279.27 mg·kg-1；20—40 cm有机质含量为14.76 g·kg-1，全氮含量0.91 g·kg-1，有效磷9.39 mg·kg-1，速效钾233.97 mg·kg-1。2013—2014年度土壤的pH为7.13，0—20 cm土层有机质含量为22.41 g·kg-1、全氮含量1.48 g·kg-1、有效磷17.46 mg·kg-1、速效钾203.63 mg·kg-1；20—40 cm有机质含量为16.06 g·kg-1、全氮含量1.23 g·kg-1、有效磷8.58 mg·kg-1、速效钾163.26 mg·kg-1。由于2013年玉米收获后对定点试验地块进行了土地平整，因此两年度土壤基础肥力存在一定差异。

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为周麦27，夏玉米品种为郑单958。小麦季播量187.50 kg·hm-2，采用从山东郓城功力有限公司引进的2BJK-6型宽幅精量播种机播种，行距22 cm，基本苗数约为262万株/hm2；玉米季采用等行距60.00 cm种植，均控制在67 500株/hm2。

试验共设8种周年肥料运筹模式（表1），在全年磷、钾肥总用量不变的前提下，设置两种氮肥投入水平下麦玉两季作物间磷钾不同配施处理，即氮肥、磷肥、钾肥多因素试验，其中氮肥设两个梯度（其全年氮肥用量分别为360.00 kg·hm-2和540.00 kg·hm-2），磷肥设两种配施方式（P1：小麦季施入全部磷肥210.00 kg·hm-2，玉米季不施磷肥；P2：小麦季重施磷肥，麦玉磷肥分配比64﹕36，即小麦季施入135.00 kg·hm-2，玉米季施入75.00 kg·hm-2）；钾肥亦设两种配施方式（K1：小麦季不施钾肥，玉米季施入全部钾肥180.00 kg·hm-2；K2：玉米季重施钾肥，麦玉钾肥分配比 42﹕58，小麦季施入 75.00 kg·hm-2，玉米季施入 105.00 kg·hm-2），具体设置见表1。每处理种植小区面积54 m2（9 m×6 m），田间随机排列，重复3次。试验中氮肥为尿素（含纯氮46%），磷肥为重过磷酸钙（含P2O546%），钾肥为KCl（含K2O 60%）。小麦季全部磷、钾肥以及氮肥的50%于播种前底施，其余50%于拔节期结合浇水追施；玉米季磷、钾肥和40%的氮肥于苗期一次性施入，剩余60%的氮肥于大喇叭口期开沟结合浇水追施。2012—2013年度冬小麦于 2012年10月14日播种，2013年6月5日收获；2013—2014年度冬小麦于2013年10月12日播种，2014年6月4日收获。2013年夏玉米于6月10日播种，9月26日收获；2014年夏玉米于6月8日播种，9月28日收获。

表1 不同处理纯养分用量Table 1 Fertilizer amount of different treatments (kg·hm-2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品获取 冬小麦季分别于开花期和成熟期取样，每小区随机取10株，按叶片、茎、叶鞘、穗轴+颖壳、籽粒5部分器官分样；玉米季分别在吐丝期和成熟期取样，每小区随机取两株，将植株按叶、茎、鞘、苞叶、穗轴、籽粒等部位分样。均在105.0℃下杀青30 min，80℃烘至恒重。将烘干植株样品粉碎，密封保存，以备植株氮磷钾养分含量测定。

1.3.2 氮磷钾养分含量测定 将备好的植株样品用H2SO4-H2O2消煮法制备待测液，采用凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量[16]。

1.3.3 氮、磷、钾的相关指标计算方法[17]：

（1）植株氮（磷、钾）素总积累量（kg·hm-2）=Σ植株各器官干重×氮（磷、钾）含量；

（2）氮（磷、钾）肥偏生产力（kg·kg-1）=施氮（磷、钾）作物产量/施氮（磷、钾）量；

（3）氮（磷、钾）素利用效率（kg·kg-1）=籽粒产量/植株氮（磷、钾）素积累量；

（4）氮（磷、钾）素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮（磷、钾）素积累量/施氮（磷、钾）量；

（5）氮（磷、钾）素收获指数=籽粒氮（磷、钾）素积累量／成熟期植株氮（磷、钾）素总积累量。

1.3.4 计产与考种 冬小麦成熟期调查各处理穗数，连根整株收获1 m双行固定样段进行室内考种，调查穗部性状，并测定其每穗粒数和粒重。成熟时各重复种植区各处理计产小区分别收割8.4 m2（1.4 m×6 m），脱粒晒干，按含水量13%折算成实际产量（kg·hm-2）；夏玉米每小区收30株折算实际产量。同时每小区取两株，用以考察穗部性状与产量构成（穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数及百粒重等）。

1.4 数据处理与统计方法

采用 Excel 2007进行数据处理和表格制作，OriginPro 8绘图，通过SPSS 17.0统计分析软件进行统计分析和差异显著性检验（LSD法）。

2 结果

2.1 氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉两熟作物产量及其构成因素的影响

2.1.1 对砂姜黑土冬小麦产量及其构成因素的影响从表2可以看出，与低氮水平相比，高氮水平下的麦玉两季作物不同磷钾配施处理的冬小麦成穗数有所提高，平均增幅达11.4%，两年度成穗数均以P8处理最多，其次为P6处理，P1处理最少，且P8和P6的成穗数显著高于P1、P3、P7年不显著（P＜0.05）。低氮和高氮两种氮肥水平下麦玉两季磷钾配施处理的穗粒数和粒重在年度与处理间的变化不尽一致。2012—2013年度，低氮和高氮两种水平下的4种磷钾配施处理对穗粒数的调控效应不明显，同一施氮条件下处理间差异不显著，但相应磷钾配施的穗粒数除 P2与P6处理外基本上表现为高氮大于低氮，P5与P1，P7与P3，P8与P4相比，每穗粒数分别增加0.9粒、1.6粒和1.5粒；2013—2014年度，麦玉两季不同磷钾配施处理均对穗粒数有明显的调控效应，且处理间差异达显著水平，除P5与P1处理外基本上亦表现为高氮大于低氮，P6与 P2，P7与P3，P8与P4相比，每穗粒数分别增加2.7粒、1.0粒和3.2粒。两年度低氮和高氮下的4种处理的千粒重平均值表现不一，2012—2013年度表现为高氮＞低氮，高氮较低氮增幅达6.1%，而2013—2014年度则表现为低氮＞高氮，高氮较低氮降幅为4.4%；两年度P5与P1，P6与P2，P7与P3的粒重变化不同，但两年度P8较P4处理的千粒重均增加，其平均增加值分别为1.1g和3.6g。高氮水平的籽粒产量与低氮水平相比有所提高，平均增幅为 12.1%，2012—2013年度和 2013—2014年度分别以P6和P8处理最高，两个年度中两处理间差异不显著，但显著高于除 P5以外的其余各处理。两年度均以P1处理的籽粒产量最低，高氮水平下各处理的籽粒产量相较低氮水平得到了提高。由此可见，无论低氮还是高氮水平，麦季全磷或重磷且玉米季重钾的磷钾配施处理 P2、P4、P6、P8两年度均获得较高的籽粒产量，且高氮水平下的 P6和P8处理有利于冬小麦三要素的协调发展，因而产量最高。

2.1.2 对砂姜黑土夏玉米产量及其构成因素的影响从表3可以看出，除穗粗和穗行数以外，两年度2种氮肥水平下不同麦玉磷钾配施处理的产量以及产量构成因素存在较大差异。无论高氮还是低氮水平下，不同磷钾配施处理间的穗粗、穗行数的差异不显著，但由于各处理间穗长、行粒数和粒重三性状存在显著差异，从而造成最终籽粒产量不同。两年度低氮水平下行粒数和粒重除2013年行粒数为P1最大外，其余都为P3最大，且P1与P3相比较差异不显著，P1较P2、P3较P4的行粒数和百粒重的平均增幅分别达8.75%、7.60%和6.27%、6.81%。而高氮水平下两年度均以P8的磷钾配施处理的穗长、行粒数最大，尤其是行粒数显著高于P5和P7处理，这是其获得较高产量的主要原因。

表3 不同氮磷钾配施处理的夏玉米产量，收获指数及产量构成因素Table 3 Yield, harvest index and yield components of summer maize in different treatments of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.1.3 对砂姜黑土麦玉轮作体系周年产量及收获指数的影响 由图1可知，两年度麦玉两季作物周年产量均以P8处理籽粒产量最高，分别为21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。由表2和3可知，两年度低氮水平的冬小麦季收获指数均表现为P1最高，且显著高于P3和P4处理，而高氮水平两年度的收获指数则有所不同，2012—2013年度为P5最高，2013—2014年度为P8最高。从全年来看，冬小麦2012—2013年度以低氮水平下的 P1最高，显著高于其他磷钾配施处理，而2013—2014年度则以高氮水平下的P8和P6的收获指数较高。两年度夏玉米无论低氮和高氮水平下收获指数变化一致，表现为低氮水平下麦玉磷钾配施处理的收获指数大于高氮水平下的相应处理，且P1显著高于P3、P4、P6、P7、P8处理，两年度低氮水平下 4种磷钾配施处理的收获指数平均值较高氮水平平均增幅达2.7%。由此可见，磷肥全部或重施在小麦季，磷肥后效作用明显，有利于麦玉两季作物干物质向籽粒中转运与分配，获得高收获指数，而麦玉钾肥分施促进了植株生长，总生物量提高，经济产量增加的同时却使收获指数降低。但磷钾全施在单季作物上，均不利于单季作物和周年产量的提高。本试验结果以高氮水平下麦季重施磷肥且玉米季重施钾肥的P8处理麦玉轮作周年产量最高，可作为砂姜黑土区的最优周年肥料运筹模式。

图1 砂姜黑土麦玉轮作体系周年产量Fig. 1 Yield in the whole year of wheat/maize rotation system in lime concretion black soil

表4 年份以及处理与年份的交互作用对冬小麦产量、夏玉米产量和周年产量的影响Table 4 Effect of years and years and treatment interaction in the global analyses of yield of winter wheat, yield of summer maize and yield in whole year

2.1.4 年份以及处理与年份的交互作用对冬小麦产量、夏玉米产量和周年产量的影响 由表4可知，年份差异方面，两年度的冬小麦产量和周年产量年度间差异显著，夏玉米产量年度间差异不显著，可能是由于2013年夏玉米收获后对试验地块进行了土地平整，影响土地基础地力而致，同时，年度间温度、降水等气候因素的差异也会对产量的形成造成一定影响。但是处理和年份的交互作用方面，冬小麦产量、夏玉米产量以及周年产量均表现为差异不显著。

2.2 氮磷钾配施对砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作体系氮素吸收与利用的影响

2.2.1 对砂姜黑土冬小麦氮素吸收与利用的影响从表5可以看出，麦玉两季不同氮磷钾配施处理对小麦植株总吸氮量、氮肥偏生产力（NPFP）、氮素吸收效率（NUPE）、氮素利用效率（NUE）和氮素收获指数（NHI）均具有明显的调控效应。高氮水平各处理（P5—P8）的小麦植株总吸氮量多为显著高于低氮水平各处理（P1—P4），两年度均以 P7的总吸氮量最高，显著高于 P6和低氮水平下的各处理，分别较P6、P4、P3、P2、P1的平均增幅为15.1%、24.8%、35.5%、34.0%、45.7%，但与P8处理间无显著差异。低氮水平下两年均以P4处理的小麦植株吸氮量最大，显著高于P1，说明P4最有利于小麦氮素的积累。低氮水平下各处理的NPFP均较高氮水平下的相应处理显著增大，且低氮水平下以P2的NPFP最高，两年度均显著高于高氮水平下的4种磷钾配施处理；高氮水平下两年度均以P5的NPFP最高，但仅在2013—2014年度显著大于 P8处理，与高氮条件下其余磷钾配施处理间无显著差异。所有处理中NUPE最大为P4处理，显著高于除P3以外的其他各处理；NUE在低氮水平下表现为P1＞P2＞P3＞P4，高氮水平表现为P5＞P6＞P7＞P8。高氮和低氮水平下不同磷钾配施处理的NHI变化规律不明显。

表5 不同氮磷钾配施处理冬小麦氮素吸收利用效率Table 5 Nitrogen uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.2.2 对砂姜黑土夏玉米氮素吸收与利用的影响 由表6可知，两年夏玉米季均以P8处理的植株总吸氮量最大，显著高于P1、P2、P3、P4、P5，其平均增幅分别达26.2%、33.4%、16.2%、18.9%和17.8%。与低氮水平下各处理相比，两年度夏玉米高氮水平下各处理的NPFP、NUPE、NUE均有所降低。低氮水平下NPFP值以P3（2014年）或P4（2013年）处理最大，显著高于P1、P2处理，其平均增幅分别为6.8%、4.9%或6.1%和4.2%；高氮水平下NPFP以P8处理最大，2013年以P5处理最小，2014年以P6处理最小，且P8显著高于P6，与P7处理间差异不显著。低氮水平下各处理的NUPE以P3最大，显著高于P1、P2和高氮水平下的各处理；高氮水平下NUPE以P8处理最大，显著高于P5、P6、P7。低氮水平下各处理的NUE以P2（2013年）或P1（2014年）最大，但各处理间差异不显著；高氮水平下各处理的 NUE两年分别为P5（2013年）和P7（2014年）最大，均显著高于P8，但P5、P6、P7处理间无明显差异。两年度各处理NHI数值变化存在一定差异，2013年低氮水平下 P1、P4处理间NHI差异不显著，但二者均显著高于其他处理，且高氮水平下各处理间差异不显著，而2014年度则以P3处理最大，P8处理最小。由此说明，在高氮水平下麦季磷肥重施、玉米季钾肥全施或重施的磷钾配施模式能促进夏玉米植株对氮的吸收，其地上部总吸氮量、NPFP、NUPE、NUE均较高。

表6 不同氮磷钾配施处理夏玉米氮素吸收利用效率Table 6 Nitrogen uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.2.3 对麦玉轮作全年氮素吸收与利用的影响 从表7可以看出，两年度高氮水平下各处理的作物地上部全年总吸氮量较低氮水平下的相应处理显著提高，平均增幅为19.0%，且2012—2013年度总吸氮量数值普遍大于2013—2014年度；而高氮水平下各处理的全年NPFP、NUPE、NUE则较低氮水平下各处理对应值减小，其减幅分别为28.3%、20.0%、9.5%。两年度地上部植株总吸氮量均以P8最大，显著大于除 P7外的其他各处理，较 P1、P2、P3、P4、P5、P6平均增幅分别为33.9%、31.5%、24.0%、20.0%、10.8%、12.9%。低氮水平下，全年NPFP和NUPE于2012—2013年度以P4处理最大，2013—2014年度以P2处理最大，且两个参数在 P2、P3、P4处理间无显著差异，除2012—2013年度NUPE在低氮水平4处理中差异不显著外，其它均显著大于P1处理；高氮水平下均以P8处理的全年NPFP和NUPE最大，但P8与P5、P6、P7处理间的全年NPFP无显著差异，P8、P7处理的全年NUPE显著大于P5、P6，但NUPE在P8与P7、P6与P5两处理间差异不显著。低氮水平下全年NUE以P2最大，而高氮水平下则以P6最大， P7处理的全年NUE最小，与P7相比，P2、P6的全年NUE平均增幅分别达22.9%、13.4%。两年度各处理的全年 NHI差异不大，且变化规律不明显。由此说明，麦季重磷且玉米季重钾的磷钾配施模式处理 P8，不仅可增强麦玉两季作物植株对氮素的吸收利用能力，而且还可提高全年NPFP、NUPE。高氮条件下麦季全磷玉米重钾P6处理的全年NUE和NHI虽高，但其全年植株吸氮总量、NPFP、NUPE降低，表明 P6处理的磷钾配施比例还有待于进一步优化。

表7 不同氮磷钾配施处理麦玉轮作全年氮素利用效率Table 7 Nitrogen uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3 氮磷钾配施对砂姜黑土冬小麦-夏玉米磷素吸收与利用的影响

2.3.1 对冬小麦磷素吸收与利用的影响 由表 8可知，两年度低氮水平下，冬小麦地上部植株总吸磷量以P4最大，其次为P2，P3最小，且P4显著大于P3，其平均增幅为 59.3%；高氮水平下，冬小麦地上部植株总吸磷量以P8最大，其次为P5，两年度中最小值分别为P6（2012—2013年度）和P7（2013—2014年度），且P6与P7处理间差异不显著。低氮水平下磷肥PFP表现为P4＞P3＞P2＞P1，且P4显著大于P2与P1；高氮水平下的磷肥PFP在2012—2013年度以P8最大，2013—2014年度以P7最大，且均显著大于P5、P6。 P1、P2和P5、P6的PPFP均较低，说明磷肥全施在麦季不利于冬小麦PPFP的升高。两年度P4处理的PUPE显著大于P1、P2、P3，但P1、P2、P3处理间无显著差异；P8处理的PUPE显著大于P5、P6、P7，且P5、P6、P7处理间差异达显著水平。低氮水平下P3处理的PUE显著高于P4、P2、P1，增幅达57.1%、34.5%、47.0%；高氮水平下P8处理的PUE显著高于P5、P6、P7，其增幅分别达38.5%、40.6%、25.8%。低氮水平下各处理的 PHI在两年度间变化不一，2012—2013年度冬小麦 PHI各处理之间除P5显著小于其他各处理外，其他处理间并无显著差异；2013—2014年度低氮水平下以P2处理的 PHI最大，显著高于 P1、P3、P4，高氮水平下 P7、P8处理的PHI较高，显著高于P5处理。低氮水平下，除 PUE外，冬小麦地上部植株总吸磷量、PPFP、PUPE、PHI均以P4最大，高氮水平下P8处理的冬小麦植株总吸磷量以及磷素效率各参数均较高，这表明麦季重施磷肥有利于增强冬小麦植株对磷素的吸收能力，提高磷素利用效率。

表8 不同氮磷钾配施处理冬小麦磷素吸收利用效率Table 8 Phosphorus uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3.2 氮磷钾配施对夏玉米磷素吸收与利用的影响由表9可知，2014年度各处理的夏玉米地上部植株总吸磷量较2013年有所下降，各处理的夏玉米地上部植株总吸磷量在氮肥投入水平和年度间的变化表现不一致，但均以P1处理最小，两年度低氮水平下均表现为P2＞P1、P4＞P3，P2较P1、P4较P3的平均增幅分别为44.4%、20.8%，除2014年P3与P4之间差异不显著外，其他均差异显著；高氮水平下两年度表现相反，2013年处理间表现为P8＞P6＞P5＞P7，2014年为P5＞P6＞P7＞P8。低氮水平下，2013年PPFP表现为P4＞P3，差异不显著，但2014年表现为P3＞P4，差异显著；高氮水平两年都表现为P8＞P7，且2014年处理间差异达显著。PUPE在低氮水平下均为P4＞P3，且处理间差异显著，而在高氮水平下各处理间无明显差异。两年度PUE，低氮水平下以P1最大，与P2、P4差异显著；但在高氮水平下，4种配施模式处理间差异均不显著。两年度PHI存在一定差异，2013年低氮水平下P4显著高于其他3个处理，高氮水平下则无显著差异；2014年则为低氮水平下P2显著高于各处理，高氮水平下P6显著高于其他各处理。

表9 不同氮磷钾配施处理夏玉米磷素吸收利用效率Table 9 Phosphorus uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.3.3 氮磷钾配施对麦玉轮作全年磷素吸收与利用的影响 从表10可以看出，麦玉轮作周年氮磷钾配施处理的全年植株吸磷总量年度间的变化规律不一致，2013—2014年度较2012—2013年度数值有所减小，多数表现为磷钾肥分施到麦玉两季作物上的全年植株总吸磷量较高。两年度麦玉轮作全年PPFP均以P8最高，P1最低，且P8的PPFP显著高于其他处理，较P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7各处理平均增涨16.8%、11.2%、12.6%、11.4%、8.4%、3.6%、8.3%。两年度麦玉轮作全年PUPE 变化不同，低氮水平下均以P4最大，P1和P3最小，且P4显著大于P1和P3；高氮水平下两年度各处理表现不同，2012—2013年度以P5、P8最大，二者显著大于P6与P7，但P5与P8、P6与P7间差异不显著，2013—2014年度则以P5的 PUPE最大，显著大于其他各处理。两年度麦玉轮作全年PUE均以低氮水平下的P3处理最高，P4（2012—2013年度）或P2（2013—2014年度）处理最低，且P3显著大于P1、P2、P4；高氮水平下两年度各处理的PUE数值大小表现不同，2012—2013年度以P7最大，且与P6差异不显著，与P5、P8差异显著，2013—2014年度则以P8处理的PUE最大，显著大于其他各处理。由此表明，高氮水平下麦季重磷且玉米季重钾的麦玉磷钾配施模式处理可明显提高麦玉轮作全年吸磷量，且能稳定获得较高的磷肥PPFP、PUPE。

表10 不同氮磷钾配施处理麦玉轮作全年磷素利用效率Table 10 Phosphorus uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.4 氮磷钾配施对砂姜黑土冬小麦-夏玉米钾素吸收与利用的影响

2.4.1 氮磷钾配施对冬小麦钾素吸收与利用的影响由表11可知，两年度各处理间地上部总吸钾量均表现为高氮水平下的各处理显著高于低氮水平下的处理，高氮和低氮水平下4个处理间差异不显著，且均以 P8处理的地上部总吸钾量最大，P3（2012—2013年度）或 P1（2013—2014年度）最小，最大处理较最小处理的平均增幅为39.2%。两年度KPFP表现为P8＞P2＞P6＞P4，P8显著大于P4，增幅为7.8%。两年度KUPE均以P6最大，P2最小。两年度KUE的变化不同，2012—2013年度各处理KUE以P2最大，P7最小，且P2显著大于P6、P7，但与P1、P3、P4、P5、P8处理间的差异不显著；2013—2014年度则以P4和P8的KUE最大，显著高于P1、P2。KHI表现为麦季施钾处理（P2，P4，P6，P8）显著高于不施钾肥处理（P1，P3，P5，P7）。由此表明，麦季全磷或重磷且玉米重钾的 P8、P6麦玉两季磷钾配施模式有利于增强冬小麦植株对钾素的吸收能力，进而获得较高的KPFP、KUPE、KUE和KHI。

表11 不同氮磷钾配施处理冬小麦钾素吸收利用效率Table 11 Potassium uptake and use efficiency of winter wheat with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

2.4.2 氮磷钾配施对夏玉米钾素吸收与利用的影响由表12可知，低氮水平下，两年度P4处理的地上部总钾、KPFP、KUPE均高于P1、P2、P3，且上述指标均以P1最小，P4较P1的总吸钾量、KPFP、KUPE平均增幅分别达20.8%、82.0%、107.1%；高氮水平下，两年度均为P8处理的地上部总钾、KPFP、KUPE最大；两年度植株吸钾量最小值表现不一致，2013年以P6最小，P8较P6增加11.4%，而2014年则以P5最小，P8较P5增加19.1%；KPFP、KUPE均以P5最小，P8处理的KPFP、KUPE显著高于P5。两年度低氮水平下KUE和KHI较高氮水平有所升高，两年度P8处理的植株吸钾总量、KPFP、KUPE虽最高，但其KHI最低，其降低的生理机理及原因有待进一步深入研究。

2.4.3 氮磷钾配施对麦玉轮作全年钾素吸收与利用的影响 由表13可知，尽管麦玉两季不同氮磷钾配施处理的全年钾肥用量相同（180 kg·hm-2），但由于麦玉两季作物间分配比例及前茬肥料对后茬作物的后效等，致使麦玉轮作全年的总吸钾量及钾肥利用效率存在差异，多数表现为在一定氮水平下磷钾配施有利于全年植株地上部钾的积累。低氮水平下，钾肥分施到两季作物的周年吸钾量较大，其中除 2013—2014年度 P2＜P1外，其他皆为钾肥分施处理的地上部钾积累量大于全施，即2012—2013年度 P2＞P1，两年度P4＞P3；高氮水平下，钾肥全施到玉米季的全年吸钾量较大，表现为P5＞P6、P7＞P8，P5较P6、P7较P8的平均增幅分别达5.6%、3.7%；两年度各处理全年KPFP规律表现一致，均以P8处理最高。全年KUPE变化不大，且差异不显著。全年KUE与PUE相比，显著下降，这和钾易流失转移的特性有关。全年KHI较低，且变幅范围较小，和小麦季相比有所提高，但小于玉米的KHI。

表12 不同氮磷钾配施处理夏玉米钾素吸收利用效率Table 12 Potassium uptake and use efficiency of summer maize with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

3 讨论

3.1 氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉籽粒产量及其构成因素的影响

谭和芳等[18]研究表明，小麦生产发育所需的氮磷钾3种大量营养元素中，氮肥对小麦的产量效应最大，其次为钾肥和磷肥，同时3种肥料配合施用更能提高小麦产量，促进小麦对营养元素的吸收，提高肥料的利用率。本条件下，两年度冬小麦籽粒产量最高为P6和P8，且差异不显著，成穗数均以P8最多，且显著高于 P1、P3、P7处理，这与前人的研究结果相一致。但是，两年度冬小麦的穗粒数和千粒重在年度与处理间变化各异，究其原因可能是受年度间温度、降雨等气候因子，以及前茬作物肥料投入的后效差异等因素的影响。研究表明，氮肥用量对玉米株高、穗位的影响较显著，磷肥和钾肥对玉米籽粒发育及产量的形成有重要影响[19]，在一定用量范围内增施钾肥可减小玉米秃尖长度，明显增加玉米产量[20]。两年度夏玉米以 P8处理的穗长、行粒数以及产量最大，这也与前人研究相符合。从单季作物来看，砂姜黑土区在高氮水平下磷钾肥均施能促进产量三要素的协调发展，麦玉两季作物周年产量也显示，两年度均为P8处理的全年籽粒产量最高，分别为21 274.2 kg·hm-2和20 219.1 kg·hm-2。由此可见，在砂姜黑土区磷肥用量全部或重施在小麦季，磷肥后效作用明显，有利于麦玉两季作物干物质向籽粒中转运与分配，而钾肥分施在两季促进了植株生长，总生物量提高，经济产量也随之增加。若磷钾肥全施在单季作物上，均不利于单季作物和周年产量的提高。在本试验条件下以高氮水平下麦季重施磷肥且玉米季重施钾肥 P8处理的麦玉轮作周年产量最高，在不考虑产投比和肥料利用率的情况下，可作为砂姜黑土区适宜的最优周年肥料运筹模式。

表13 不同氮磷钾配施处理麦玉轮作全年钾素利用效率Table 13 Potassium uptake and use efficiency of the whole year under wheat/maize rotation system with different treatment of nitrogen, phosphorus and potassium application

3.2 氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉氮素吸收的影响

赵俊晔等[21]研究指出，施氮量增加，氮素吸收效率和氮素利用效率下降，氮肥生产效率降低，氮素收获指数亦降低。本研究表明，高氮水平下麦玉两季不同磷钾配施处理的地上部植株氮吸收总量显著高于低氮水平下的磷钾配施处理，但其氮素的偏生产力NPFP、吸收效率NUPE、利用效率NUE却降低，这与前人的研究结果一致。闫鸿媛等[22]研究发现，长期单一施用氮肥会使小麦的NUE随年限增加而降低，而均衡施用氮磷钾则NUE呈上升趋势。同时，杨小梅等[23]也发现，平衡施肥能够显著提高玉米的氮肥利用率。增施氮肥是提高土壤供氮潜力的基础，但是过多的氮肥会造成养分淋失，适量的氮肥与磷钾配施有利于促进作物对氮素的吸收，从而降低养分的淋失量[24-25]。因此，合理的氮磷钾配比可以促进小麦玉米对氮素的吸收和利用。本研究结果表明，低氮水平下冬小麦-夏玉米两年度均以P4处理较其他分配方案更有利于氮素的积累；在高氮水平下单季作物和周年的吸氮量以 P8处理表现较好，但NPFP、NUPE等均与低氮水平下的处理相比有所降低。由此可见，麦季重磷且玉米季重钾的磷钾配施方案，能够更好地促进小麦玉米对氮素的吸收，提高其利用率，这也与前人的研究结果一致。综合来看，麦季全磷或重磷且玉米季重钾的磷钾配施模式，不仅能增强麦玉两季作物植株对氮素的吸收利用能力，而且还可提高全年的NPFP、NUPE。虽然高氮水平下NPFP、NUPE、NUE相较低氮水平有所降低，但综合考虑产量以及磷钾的吸收和利用，高氮水平还是较优的选择。

3.3 氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉磷素吸收的影响

研究表明，供磷水平影响植株体内的磷含量、磷净吸收量，在低磷条件下，植株磷含量、磷净吸收量明显降低，生物量显著减小[26]，但是土壤中施用的磷肥当季利用率仅为10%—15%，近75%—90%的磷积累在土壤中且其后效很高[27]。本文研究表明，无论低氮和高氮水平，两年度冬小麦地上部植株总吸磷量均以麦季重磷且玉米季重钾的P4和P8处理较高，且两磷钾配施模式处理的PFP、PUPE值较其他处理增大。这表明麦季重施磷肥有利于增强冬小麦植株对磷素的吸收能力，可实现冬小麦籽粒产量与磷素效率的同步提高。但与冬小麦相比，夏玉米植株地上部磷含量有明显的下降。低氮水平下，两年度夏玉米的 PPFP、PUPE、PUE变化不完全一致，而高氮水平下P8处理的磷肥PPFP和PUPE均最高，PHI以P6处理的最大，且显著高于其他处理。林国林等[28]在潮土条件下研究小麦季磷肥施用对后作玉米的影响时发现，在小麦季高施磷量187.5 kg P2O5·hm-2基础上减少磷肥用量20%或40%，甚至不施磷肥，对后作玉米生长均无明显影响，玉米产量、生物量、吸磷量未表现出明显差异。这与本研究结果存在一定差异，原因应该是砂姜黑土相比潮土较为贫瘠，数据显示，其使用的潮土，小麦播前0—20 cm土壤有效磷为34.60 mg·kg-1，是本研究使用的砂姜黑土的两倍。综合研究结果来看，磷钾肥分施到麦玉两季作物上的全年植株总吸磷量较高，全年磷肥 PPFP均以高氮水平下麦季重磷且玉米季重钾配施模式P8处理最高，表明高氮水平下麦季重磷且玉米季重钾的磷钾配施模式处理可明显提高麦玉全年吸磷量，且能稳定获得较高的磷肥PPFP、PUPE，可作为砂姜黑土麦玉轮作种植区较优的磷钾配施模式。

3.4 氮磷钾配施对砂姜黑土麦玉钾素吸收的影响

武际等[29]发现，氮钾肥配合施用促进了小麦对氮、钾养分吸收及植株氮、钾含量的提高，小麦对氮钾养分的吸收表现出一定的正交互作用。本研究表明，两年度麦玉两季不同氮磷钾配施处理冬小麦植株地上部总吸钾量均表现为高氮水平下的不同处理显著高于低氮水平下的处理，其中以高氮水平下P8处理最大，KHI表现为麦季施钾处理显著高于不施钾肥处理，这与前人研究相一致。与冬小麦相比，夏玉米地上部总钾量较高，这也验证了玉米是喜钾作物。低氮水平下，两年度P4处理的地上部总钾量、KPFP、KUPE均高于其他处理，且低氮水平下夏玉米的KUE和KHI较高氮水平有所提高；而高氮水平下，两年度均以P8处理的植株吸钾总量、KPFP、KUPE最大，但其KHI较低。在麦玉两季不同氮磷钾配施处理的全年钾肥用量相同（180 kg·hm-2）的情况下，由于麦玉两季作物间分配比例及前茬肥料对后茬作物的后效等[30]，致使麦玉轮作体系全年的总吸钾量及钾肥利用效率存在差异，多数表现为在一定氮水平下磷钾配施有利于全年植株地上部钾的积累，但全年的 KHI较低，因此，对本试验条件下两季作物间钾肥分配比例有待进一步研究和调整。

4 结论

高氮水平下麦玉两季磷钾肥分施能促进两季作物产量三要素的协调发展，显著提高冬小麦的单株成穗数和夏玉米的穗长与行粒数，并获得最高的周年产量。

高氮水平下麦玉两季磷钾肥分施能够显著提高周年和单季作物对氮、磷、钾的吸收量，麦玉两季磷钾肥分施不仅能促进冬小麦和夏玉米对氮素的吸收，同时可以有效防止营养元素的流失，提高作物对磷素和氮素的吸收和利用，显著提高磷钾两类元素的偏生产力（PFP）、吸收效率（UPE）。而磷钾全施在麦玉某一季作物上，由于磷肥易固定、钾肥易流失的原因，造成肥料后效减小，下茬作物会因养分供给不平衡而影响作物对氮磷钾的吸收利用，从而影响到产量。

综合考虑麦玉两季作物养分利用效率与籽粒产量，在本试验条件下，全年施纯氮540 kg·hm-2的高氮水平下，麦季重磷且玉米季重钾的 P8模式，可作为豫东南雨养砂姜黑土区冬小麦-夏玉米轮作种植体系高产高效的氮磷钾配施优选模式。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Effects of the Year-Round Management Model of N, P and K Combined Application on Grain Yield and Nutrient Efficiency of Wheat-Maize Rotation System in Lime Concretion Black Soil

WANG YongHua, HUANG Yuan, XIN MingHua, YUAN ShaSha, KANG GuoZhang, FENG Wei, XIE YingXin, ZHU YunJi, GUO TianCai
（College of Agronomy, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002）

【Objective】This research was conducted to explore the effect of different year-round management models ofcombined application of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) nutrients on grain yields and nutrient efficiency of wheat-maize rotation system in lime concretion black soil and identify an optimal model for the use efficiency of the combined N, P, and K fertilizers in integrated wheat and maize planting system in the lime concretion black soil in the southeast area of Henan province.【Method】A field experiment of combined application of N, P, and K fertilizers was persistently performed in a typical lime concretion black soil area located in Shangshui country, Zhoukou city of Henan province during two continuous wheat-maize growing seasons (2012.09-2013.08 and 2013.09-2014.08). In this experiment, a wheat-maize rotation system was designed, in which the amounts of total P and K fertilizers were not changed while two different amounts of N fertilizers and different application methods of P and K fertilizers were applied. And the effects of this rotation on absorbance and utilization of N, P, and K fertilizers by wheat and maize crops were studies. In this study, two different amounts of N fertilizers were applied at two levels of 360.00 kg·hm-2and 540.00 kg·hm-2in every year. The amounts of total P and K fertilizers were not changed, whereas these two fertilizers were applied with four different ways: all P and K fertilizers were applied in wheat and maize growing seasons, respectively; all P fertilizers were applied in wheat growing seasons, and K fertilizers were applied in both wheat and maize seasons and the ratio of K fertilizer applied in these two seasons was 42:58; all K fertilizers were applied at maize growing season and P fertilizers were applied in both wheat and maize seasons with 64:36 ratio for these two crops; P and K fertilizers were simultaneously applied into soil in both wheat and maize seasons and the ratios of P and K fertilizers applied in these two seasons were 64:36 and 42:58, respectively. The aim of this study is to find an optimal combined mode of application of N, P and K fertilizers in wheat/maize rotation system in the lime concretion black soil.【Result】Results of the experiment indicated that under large amount of the applied N fertilizer condition, simultaneous application of P and K fertilizers in both wheat and maize crops could promote the coordinated development of three key components of wheat and maize yields, and significantly improved the spike number of wheat and the lengths as well as row grains of maize spikes. Of all treatments in these two continuous crop growing seasons, P8 treatment (a larger amount of P fertilizer applied to wheat and a larger amount of K fertilizer applied to maize) harvested the highest grain yields in both a single or two seasons, and year-round yields were respectively 21 274.2 kg·hm-2and 20 219.1 kg·hm-2in two growing seasons (2012.09-2013.08 and 2013.09-2014.08). The nutrient contents in aboveground tissues of wheat and maize crops showed N>K>P in lime concretion black soil. Compared with low amounts of the applied N fertilizer condition, large amounts of the applied N fertilizers were helpful to improvement of the contents of total N, P and K nutrients in the aboveground tissues of these two crops, whereas reduced nitrogen partial factor productivity (NPFP), nitrogen uptake efficiency (NUPE) and nitrogen use efficiency (NUE). Simultaneous application of P and K fertilizers to both wheat and maize crops in one growing year improved the absorbance of N fertilizers, prevented the loss of major nutrients, improved the absorption and utilization of P and K fertilizers of both wheat and maize crops, and significantly increased partial productivity (PFP) and uptake efficiency (UPE) of P and K fertilizers. However, application of total P or K fertilizers in single wheat or maize resulted in the reduced use efficiency of major nutrients and the decreased yields of the subsequently planted crops for unbalanced nutrient supply and the reduced absorbance of N, P and K fertilizers, because P fertilizer is easily immobilized into soil and K fertilizer is easily washed away from soil, respectively. The yield of subsequently planted crops would decrease in this way, because the crops could not absorb and utilize N, P and K in the soil environment of unbalanced nutrient supply. Under small amount of the applied N fertilizer condition, absorbance and utilization of N, P and K nutrients in P4 treatment (a larger amount of P fertilizer applied to wheat and a larger amount of K fertilizer applied to maize) were the highest among all treatments. Under large amount of the applied N fertilizer condition, however, NPFP of N fertilizer in single season or year-round in P8 treatment was the highest among all treatments.【Conclusion】 Based on the efficiency of nutrient utilization and yields of wheat and maize crops, a larger amount of P and K fertilizers separately applied in wheat and maize crops could help synchronously to improve the utilization efficiency of three main nutrients and yields of wheat and maize crops. This can be an optimal model of main nutrient application for wheat and maize yields and use efficiency of fertilizers in wheat/maize rotation system in lime concretion black soil area of southeast Henan province or other similar ecological regions.

wheat-maize rotation system; combined application of nitrogen, phosphorus and potassium; nutrient use efficiency; yield

2016-09-05；接受日期：2016-11-15

国家自然基金面上项目（31471439）、国家重点研发计划（2016YFD0300105）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-03）、“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAD26B01）、“国家粮食丰产科技工程”河南课题（2013BAD07B07）

联系方式：王永华，E-mail：wangyonghua88@126.com。通信作者郭天财，E-mail：gtcxiaomai@163.com