一次性施肥在我国主要粮食作物中的应用与环境效应

刘兆辉，吴小宾，谭德水，李彦，江丽华



一次性施肥在我国主要粮食作物中的应用与环境效应

刘兆辉，吴小宾，谭德水，李彦，江丽华

（山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室，济南 250100）

当前我国粮食生产面临过量施肥、氮肥利用率低和农业劳动力短缺等问题，探讨主要粮食作物一次性施肥技术及其对作物产量、肥料利用效率以及环境效应的影响，为我国粮食生产的简化施肥提供技术支撑。本论文系统分析了一次性施肥技术的发展现状及其在三大粮食作物上的应用效果，针对一次性施肥技术存在的不足，提出其在我国三大粮食作物主产区的推广应用前景和发展方向。一次性施肥是一种生产轻便、节本增效和保护环境的技术模式。当前农业生产中，通过一次性基施缓控释肥、氮肥减量施用技术以及化学调控技术均可以实现三大粮食作物的一次性施肥。与农民传统施肥方式相比，一次性基施缓控释肥可以显著提高玉米、小麦和水稻三大粮食作物的产量和氮肥利用率，产量、氮肥利用率分别提高3.1%—31.7%、6.2%—86.6%；显著减少农田氨挥发、氧化亚氮排放、氮素淋溶和径流损失，分别减少18.1%—81.3%、22.4%—73.4%、0—53.0%和0—43.2%。氮肥减量施用技术可在减少20%—37%氮肥施用量的条件下，维持玉米、小麦和水稻的产量不降低，提高三大粮食作物氮肥利用率2.3%—20.4%，以及降低氮素的损失。添加硝化抑制剂可使三大粮食作物产量、氮肥利用率分别提高6.5%—20.1%、5.0%—78.3%，使氧化亚氮排放显著降低22.1%—51.0%；添加脲酶抑制剂显著提高三大粮食作物产量5.8%—22.8%，显著提高玉米、小麦氮肥利用率25.4%—40.7%，同时显著降低三大作物氨挥发、氧化亚氮排放46.1%—51.2%、11.9%—45.2%。在全国主要粮食主产区的应用结果表明，一次性施肥技术既实现了作物稳产高产、氮肥高效和氮损失减少，又节省了农业劳动力和降低了农业生产成本。因而，一次性施肥技术协同实现了作物高产、养分高效和环境友好的农业可持续发展道路，同时解决了我国当前农业生产劳动力不足的难题，是适宜在全国粮食主产区全面推广和应用的新技术。

一次性施肥技术；玉米；小麦；水稻；产量；肥料利用率；环境效应

0 引言

二十一世纪世界农业面临粮食安全与资源环境协同发展的巨大挑战。据预测，2050年全世界人口总数将超过90亿，相对应的粮食产量需要翻一番才能满足人类的需求[1-2]。2033年我国粮食生产需要增长35%才能满足我国人口增长及人均需要增长的需求[3]。保证粮食需求决定了农业在我国国民经济中的首要地位。玉米、小麦和水稻作为我国三大主要粮食作物，2016年的播种面积分别达到367.7×105、241.9×105和301.8×105hm2，总播种面积占全国粮食作物总播种面积的80.6%（图1-A）[4]；2016年的产量分别达到21 955×104、12 885×104和20 708×104t，总产量达到全国粮食总产的90%以上（图1-B）[4]。因而，玉米、小麦和水稻三大粮食作物在保障我国粮食安全中具有重要的地位和作用。

图1 我国三大粮食作物的总播种面积及总产量

保障当前和未来粮食安全同时减少粮食生产带来的巨大环境影响成为农业可持续发展的必然要求，科学施肥是保证高产高效及减少环境污染的重要措施之一。然而，当前我国三大粮食主产区的施肥问题仍然比较突出。由于社会经济变革导致农业劳动力短缺，我国粮食生产中过量施肥、不合理施肥的现象仍然普遍存在。不仅造成肥料利用率低，同时导致地下水硝酸盐污染[5]、水体富营养化[6]和温室气体排放[7-8]等问题，严重影响了农业生态环境和人类健康[9-10]。张福锁等[11]研究认为我国三大粮食作物的肥料利用率远低于国际水平，与20世纪80年代相比均呈下降趋势。作物高产与养分高效的本质是养分供应的时空有效性与作物的需求同步[12-14]，即供肥必须与作物的养分吸收规律相吻合，实现根层养分供应与高产作物需求在数量上匹配、时间上同步、空间上一致，这就要求在作物生产中必须进行多次施肥，这与当前我国农业劳动力短缺的社会现实是相矛盾的，已有的科学施肥技术因劳动力不足很难在我国大面积粮食生产中发挥作用。因此，当前我国的粮食生产迫切需要探索一套既省工节本又稳定高产的简化施肥技术，在满足作物生长的前提下，简化施肥管理，以实现减少劳动力投入，同时提高养分利用效率，协调作物高产与环境保护的目的。一次性施用控释肥不仅能满足作物整个生育期的养分需求，而且能简化操作和减少环境污染，具有重要的环境效益和经济效益[15-16]，因而开展一次性施肥技术的研究，可为我国粮食生产的施肥转型提供新思路，为保障我国农村劳动力短缺现状下的粮食安全提供技术支撑，对保障国家粮食安全以及农业的可持续发展具有重大意义。

1 一次性施肥技术的概念

进行简化栽培已成为当前我国粮食生产的必然需求。简化栽培是运用现代农业机械代替人工操作，简化种植管理，减少田间作业次数，将农机和农艺技术结合以减轻劳动强度，实现农业生产轻便简捷、节本增效的施肥与耕作栽培方法[17]。简化栽培是与传统复杂的手工操作生产相对应的概念[18-20]，是建立在当前农业发展的水平之上的，因此，简化栽培技术是动态和不断发展的，其具体的管理措施与保障技术等都随当前农业的发展水平而不断变化、提升和完善，但不管如何变化，简化栽培都要满足在实现作物高效生产的前提下，获得高产、优质、生态、安全和可持续发展[18]。

施肥技术是作物栽培体系中的重要组成部分，是作物高产的根本保证。作为简化栽培发展的高级形式，一次性施肥技术是指小麦、玉米等种子直播作物在播种的同时将肥料施入，水稻等移栽作物在插秧移栽或整地时将肥料施入，整个生育期内不需要再次追肥，实现作物不减产或小幅度增产，达到经济效益、环境效益和社会效益协同提高的目标。与将普通肥料作为底肥或口肥的“一炮轰”施肥方式不同，一次性施肥技术是以作物专用控释肥料为支撑，与农业机械同步实施，同时可将传统多次施肥习惯进行简化，实现大幅节省劳动力成本[21]。控释肥料具有传统速效肥料不可比拟的优势[22]。依托新型肥料为载体的施肥技术不仅能简化施肥过程，而且还能提高肥料利用率，降低施肥量[23]。

对于不同的作物，一次性施肥技术的管理方式也不完全相同。玉米一次性施肥技术是根据土壤肥力情况和玉米需肥特性确定最佳的施肥量，在整地时将玉米全生育期所需的专用缓控释氮肥配合磷、钾肥作底肥（或播种时作基肥）一次性施入，整个生育期内不再追肥的方法。小麦一次性施肥技术是指播种期根据小麦不同生育阶段对各营养成分的需求特点，结合当地的气候特征和土壤条件，以小麦目标产量为基础，按科学施肥理论和肥料改型改性技术，采用缓控释氮肥掺混磷钾等其他养分的方法，将小麦整个生育期所需的养分，在播种的同时一次性施入的技术[24]。水稻一次性施肥技术是指水稻从移栽到收获整个生育期只施肥一次，依据水稻高产稳产对肥料养分的动态需求以及结合当地的气候特征和土壤条件进行科学配方，将专用缓控释肥在水稻移栽前作基肥结合耕作措施全层施用，一次施用无需追肥，就能满足整个水稻生长期对养分的需求，同时实现增产增收的一项新技术[25-26]。

一次性施肥技术与农机结合是简化管理、减少生产环节以及进行大面积作业的重要措施。我国粮食主产区可实现一次性施肥技术的农业生产方式主要包括以下三类：（1）一次性基施控释氮肥，将控释氮肥与配套农机相结合，通过专用控释肥实现作物全生育期的养分需求，不仅省工省力、简化操作，而且还能提高肥料利用率、减少环境污染[15-16]；（2）氮肥减施技术，通过氮肥减量施用技术探寻作物氮素需求与土壤氮素供应之间的平衡关系，以实现农业高产、高效和持续健康的发展，已被国内外广泛使用[27-29]。本文所述氮肥减施技术是指通过控释肥等新型肥料的应用实现氮肥施用量的进一步优化；（3）化学调控技术，施肥时通过添加化学调控剂（如硝化抑制剂、脲酶抑制剂等）调控养分释放和进行简化操作，以解决普通肥料肥效短以及肥料利用率低的问题。

2 一次性施肥技术在主要粮食作物上的应用

缓控释肥料是一次性施肥技术的重要载体，其中控释肥料又是缓释肥料的高级形式[30-32]。目前关于控释肥的研究工作主要集中在包膜材料的选用、研制和控释机制的研究上[33-34]。国际上，美日两国是目前研究控释肥及其应用技术最成熟的国家，美国也是最先研制出控释氮肥的国家。美国生产的控释肥在世界上具有较广阔的应用范围，以硫包膜、聚合物包膜和生物降解膜为主；日本的控释肥包膜技术较为先进，以高分子包膜肥料为主；欧洲发达国家关于控释肥的研究更侧重于微溶性含氮化合物包膜[34-37]。由于控释肥的价格是普通肥料的3—8倍，国际上控释肥主要使用在花卉、水果、草坪等经济价值较高的植物上。随着国外控释肥研究技术的不断进步，控释肥的使用逐渐推广到了水稻、玉米、小麦、马铃薯、棉花和蔬菜等大田作物和经济作物上[38]。我国缓控释肥的研究开展较晚，真正形成产品产业化也仅有10余年的时间[39-40]。同发达国家相比，我国缓控释肥料的研发水平还较低，但发展较为迅速，特别是2016年，由金正大生态工程集团股份有限公司主导制定的“控释肥料”国际标准的发布，极大提升了我国控释肥料行业的国际话语权，目前在包膜材料以及包膜工艺的研究和开发上均取得了一定的成果[41]。据统计，2005—2015年，我国缓控释氮肥的总生产量为2 100万吨，总推广面积达到3 300万公顷[42]。缓控释肥及其应用技术的研究对一次性施肥技术的发展具有重要意义。

2.1 一次性施肥技术在玉米上的应用

经过60年的不懈努力，我国玉米栽培的目标已由高产为主向高产、高效、生态、安全等多目标协同发展，近年来玉米生产立足于农机农艺结合，逐渐形成了不同主产区的全程机械化生产技术规范，并且实现产量和效率的协同提高[43]。一次性施肥技术因操作简便、高效、生态、节肥和省工等特点而被广泛应用于农业生产，并在提高作物产量、氮肥利用率、培肥地力以及降低环境污染等方面取得了明显的效果。赵贵哲等[44]研究表明，与农民传统施肥方式相比，一次性基施控释肥可显著提高玉米产量16.6%，与农家肥混施增产率高达56.6%。许海涛等[45]研究表明，一次性基施控释肥有利于促进夏玉米叶面积增大和根系增多，改善玉米的产量性状，提高千粒重和产量。与掺混肥（尿素+二铵+氯化钾）相比，一次性基施控释肥明显促进玉米对氮素的吸收利用，提高氮肥当季利用率38.1%—86.6%，同时降低氨挥发速率40%—96.5%，减少氨挥发损失量39.2%—81.3%[46]。胡小康等[47]的研究结果表明，一次性基施控释肥能够显著降低夏玉米季土壤N2O的排放，N2O排放系数（0.30%）显著低于分次施用尿素处理（1.15%），生长季内土壤排放的N2O总量显著降低73.4%。张婧等[48]的研究结果表明，一次性基施控释氮肥可有效减少冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放，较普通尿素分次施用相比N2O年排放总量显著减少22.8%。Li等[49]的研究表明，与普通尿素分次施用相比，一次性基施控释氮肥可使0—1.3 m土层的氮素淋溶显著降低53%。与碳酸氢铵和普通尿素相比，一次性基施控释氮肥可有效地降低氮素径流损失15%—25%[50]。对一次性基施缓控释肥在我国玉米主产区上的应用效果进行了系统总结，全国大范围的试验结果表明与农民传统施肥相比，一次性基施缓控释肥可使玉米产量、氮肥利用率平均提高8.3%、37.5%，使氨挥发、N2O排放、氮淋溶和氮径流平均降低58.6%、24.5%、25.7%和22.4%[51]。上述研究表明一次性基施缓控释肥不仅协同提高了玉米产量和氮肥利用率，而且还减少了活性氮的损失，改善了农田环境。

全量或减量施用缓控释肥在玉米上均具有增产效果[52-53]。在减氮20%的情况下，玉米一次性基施控释氮肥仍可比普通肥料增产18.3%[53]。在减少1/3的纯氮用量的情况下，施用控释尿素仍可维持夏玉米产量不下降[54]。索东让等[55]的研究表明，玉米一次性基施控释氮肥可以节约氮肥25%，与普通尿素相比，氮肥利用率提高16.5%。彭正萍等[56]在河北省的研究表明，控释氮肥减施20%较优化施肥（尿素）处理相比可使玉米增产2.7%，氮肥利用率增加5.0%，同时减少氮素表观损失76.6%。表明控释氮肥减量施用可在保证作物产量的同时，提高肥料利用率，实现经济效益、社会效益和生态效益的最大化[29]。史桂芳等[57]研究指出，综合考虑玉米产量、氮素利用效率和经济效益，缓控释肥减氮20%可以达到省工、高产、高效和节肥的目的，适宜在华北夏玉米主产区推广应用。

除缓控释肥以外，向普通尿素中添加硝化抑制剂或脲酶抑制剂也可实现玉米一次性施肥，并且提高氮肥利用率和产量。2015年我国混合硝化抑制剂和脲酶抑制剂的氮肥生产量达到了140万吨，应用面积达到200万公顷[42]。化学调控技术已逐渐成为提高氮肥利用率和减少活性氮损失的关键策略。研究表明，添加硝化抑制剂可使玉米产量较农民习惯施肥增加7.1%，较优化施肥（尿素）增加8.6%，同时提高氮肥利用率5.0%和减少氮素表观损失53.0%[56]。夏龙龙等[51]通过文献综述的方法总结了硝化抑制剂与脲酶抑制剂在我国玉米主产区上的应用效果，研究发现添加硝化抑制剂使玉米产量和氮肥利用率分别提高6.5%和23.9%，同时使N2O排放显著减少38.9%，但对农田氨挥发无显著影响；添加脲酶抑制剂使玉米的产量和氮肥利用率分别提高6.1%和40.7%，NH3、N2O的排放分别减少46.1%和37%。此外，林海涛等[58]的研究结果表明氮肥与硝化抑制剂配施可显著增加玉米的产量、氮肥偏生产力以及农学效率，同时可降低纯氮用量60 kg·hm-2，增收346元/hm2，实现了玉米生产的节本增效。

2.2 一次性施肥技术在小麦上的应用

近年来缓控释肥的研究和应用实践证明，一次性施用缓控释肥能够提高肥料利用率，改善作物生长后期的供肥能力，促进作物增产[59]。张春伦等[60]研究表明，在冬小麦上，一次性基施缓控释肥比分次施用普通尿素增产18.3%—27.8%。汪强等[61]报道，一次性基施缓控释肥可促进小麦产量增加10.0%—11.2%，氮肥利用率提高6.2%—11.6%。彭正萍等[56]在河北省的研究表明，一次性基施控释氮肥使小麦产量较农民习惯施肥相比增加5.7%，氮肥利用率增加53.7%；与优化施肥相比增产3.1%，氮肥利用率提高35.5%。王茹芳等[62]研究表明，与普通尿素相比，一次性基施缓控释肥能使冬小麦产量提高23.8%，小麦籽粒的粗蛋白、氨基酸、湿面筋和总糖含量分别增加3.5%、21.3%、4.6%和43.8%。刘蕊等[63]研究表明，控释尿素的养分控制释放性能显著促进了小麦的生长及对氮素的吸收，产量、氮肥利用率较普通尿素分别提高13.1%—31.7%、48.9%—59.3%；与普通尿素相比，控释尿素使土壤氨挥发速率峰值有效推迟3—5 d，降低氨挥发速率峰值44.4%—69.5%，减少整个小麦季氨挥发累积损失量39.3%—52.1%。肖强等[64]通过冬小麦-夏玉米轮作3年6季的田间试验的研究表明，缓控释肥料能提高小麦氮素利用率2.8—23.4百分点、玉米氮素利用率1.0—21.6百分点，土壤-作物系统的氮素损失比普通化肥配施处理减少2.0—24.9百分点。徐钰等[65]的研究表明一次性基施控释肥可使N2O排放显著降低22.4%—35.5%，CH4的吸收量增加9.3%—44.2%，一次性基施控释肥能够抵消由于秸秆还田引起的N2O增排。利用文献综述和数据挖掘的方法总结和分析了一次性基施缓控释肥在我国小麦主产区的应用效果，一次性基施缓控释肥较农民习惯施肥相比可使小麦的产量、氮肥利用率分别提高6.4%和30.2%，使NH3、N2O排放分别减少33.8%、34.9%，但对麦田氮素淋溶和径流的影响并不显著[51]。

综合产量、效益、养分效率和生态环境等方面，控释氮肥减量施用技术在小麦上可以实现一次性施肥，具有简化生产环节、节本增收、提高养分利用和减少环境污染等优势。朱晓霞等[66]在鲁西地区的研究结果表明，与农民习惯施氮（300 kg·hm-2）相比，在优化施氮的基础上缓控释肥减氮20%（168 kg·hm-2）能够保证小麦稳产，其氮素回收率、氮肥偏生产力分别提高19.7%和34.3%。彭正萍等[56]在河北省的研究结果表明，控释氮肥减氮20%与农民习惯施肥相比使小麦产量增加7.1%，与优化施肥相比增产4.5%，氮肥利用率提高12.2%，且表观损失氮减少57.3%。谭德水等[67]研究表明，与普通尿素分次施用相比，一次性基施控释氮肥使小麦生长季N2O排放显著减少22.7%，同时降低小麦收获期土壤硝态氮残留，从而减少了氮向土壤深层淋溶和向大气排放的环境风险。张英鹏等[68]在山东棕壤上的研究发现一次性施用缓控释肥减少37%的氮肥用量仍可保证小麦获得高产，并且显著提高氮肥利用率以及降低硝态氮的淋溶风险。表明氮肥减量施用技术可实现小麦节本、稳产、增效以及环境友好的目标，与传统施肥方式相比具有较大的优势，有望在我国冬麦区全面推广应用[67]。

与农民习惯施肥相比，添加硝化抑制剂小麦产量增加13.4%；与优化施肥处理相比，添加硝化抑制剂小麦增产10.6%，氮肥利用率提高16.4%，表观损失氮减少76.7%[56]。添加硝化抑制剂能够显著抑制旱地冬小麦季N2O排放对施肥的响应，并能在普通尿素分次施用的基础上提升产量10.9%，同时降低单位产量N2O排放量22.1%[69]。对化学调控技术在我国小麦主产区上的应用效果进行了系统的总结，研究发现与农民传统施肥习惯相比，添加硝化抑制剂可使小麦产量和氮肥利用率分别提高12.3%和31.6%，同时使N2O排放、氮淋溶和氮径流分别减少31.8%、41.8%和46.1%，但对麦田NH3排放无显著影响；添加脲酶抑制剂使小麦的产量和氮肥利用率分别提高5.8%和25.4%，使NH3、N2O的排放分别减少51.2%、11.9%[51]。

2.3 一次性施肥技术在水稻上的应用

国际上美国、欧洲和澳大利亚等发达国家的水稻种植以机械直播为主[70-71]。美国水稻种植80%采用机械旱直播，澳大利亚80%采用飞机撒播的方式，大型农业机械与飞机的应用可以快速地提高工作效率，同时机械化耕作、施肥、除虫以及收获也保证了水稻的高效种植[72]。日本人多地少，地块小、分散，日本政府对粮食生产和施肥技术非常重视，不断研究、开发和推广了大量适合本国农业生产的新技术和新机具，使日本一次性施肥技术达到了世界领先水平。我国水稻种植区域跨度大，研发适合我国区域生产条件的一次性施肥技术，同时提高水稻生产机械化水平是实现水稻高产高效的重要途径，也是解决劳动力短缺、提高劳动生产率的关键。我国水稻机械化以机械插秧和机械直播为主，针对目前我国水稻生产中面临的问题，水稻一次性施肥技术不断发展，并在大面积应用上取得了较好的应用效果。

研究表明，采用同步开沟起垄水稻机械化穴播技术，与人工撒播相比平均增产16.7%，与机械插秧相比增产4.1%—27.0%；与人工插秧、人工抛秧和机械插秧相比，分别可降低生产成本4.4%、7.7%和7.9%[72]。采用60 d释放期的缓控释肥可促进水稻对氮素的吸收和减少氮肥用量，实现早稻和晚稻的一次性施肥[73]。沈寅寅等[74]报道，水稻缓控释肥养分释放速度平稳，能有效减少无效分蘖，提高水稻成穗率。纪雄辉等[75]的研究表明，控释肥料一次性基施可提高早、晚稻产量10.3%—18.3%。Fu等[76]的研究表明，与普通尿素相比，一次性基施控释肥料可使早稻的肥料利用率提高13.6%—86.4%，晚稻提高100%— 164%。控释肥料能够有效地控制氮素的释放，降低氮素的氨挥发损失，降低稻田氧化亚氮的排放，提高氮素利用率，减少因氮素损失对环境造成的污染[75]。郑圣先等[77]的研究结果表明，一次性基施控释氮肥的氨挥发、淋失和硝化-反硝化的损失量分别比普通尿素处理下降54.0%、32.5%和94.2%。王春枝等[78]等研究表明，缓控释肥可明显抑制NH3和NOx的挥发损失。邹洪涛等[79]研究了不同膜质材料覆膜制成的包膜肥料对抑制氮素挥发的影响，结果表明，与对照相比，包膜肥料的氮素挥发总量减少了18.1%—26.0%。周亮等[80]研究表明，与普通尿素处理比较，氨挥发累积损失量早稻控释氮肥处理比普通尿素处理低43.0%—54.3%，晚稻降低了27.8%—35.3%。通过整合分析的方法对一次性基施缓控释肥在我国水稻主产区的应用效果进行了总结，与传统施肥方式相比，一次性基施缓控释肥水稻的产量和氮肥利用率提高了9.3%和36.6%，NH3、N2O排放、氮素淋溶和径流分别降低69.1%、48.9%、15.3%和43.2%[51]。

在减少20%施氮量的情况下，一次性基施缓控释肥较分次施用普通尿素相比可使水稻产量持平或略增加，氮肥利用率显著提高2.3%—20.4%[81]。陈建生等[82]的研究表明，一次性施用水稻控释肥较常规施肥相比在纯氮、磷分别减少22.1%和21.8%的情况下，仍能实现增产8.2%。控释氮肥减量施用可以在维持水稻产量不降低的情况下平均节氮20%，同时提高氮肥利用率以及减少稻田氮素损失，实现水稻节本增收、稳产高效以及环境友好的可持续生产。

与传统施肥方式相比，添加硝化抑制剂可使早稻产量增加12.4%，氮肥利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力分别增加27.3%、21.9%、10.3%，经济效益增加2 615元/hm2；使晚稻增产9.9%，氮肥利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力分别增加78.3%、27.1%、10.0%，经济效益增加2 528元/hm2[83]。周旋等[84]研究表明，与普通尿素相比，添加脲酶抑制剂可使水稻增产22.2%—22.8%，经济效益提高24.6%— 25.2%；添加硝化抑制剂使水稻增产20.1%，经济效益提高22.2%。对化学调控技术在我国水稻主产区上的应用效果进行了全面总结，研究发现与农民传统施肥相比，配施硝化抑制剂可使水稻产量和氮肥利用率分别提高11.4%和24.4%，使N2O排放和氮淋溶分别降低51.0%和31.6%，但使稻田NH3的排放增加34.7%；配施脲酶抑制剂使水稻产量显著增加11.1%，NH3和N2O排放分别降低46.7%和45.2%，但对氮肥利用率无显著影响[51]。

养分供应与作物需求的时空匹配是实现三大粮食作物一次施肥技术的关键，针对不同作物、土壤类型和气候条件，研发与三大粮食作物养分需求相匹配的系列缓控释肥料，研制适宜当地种植条件和一次性施肥配套的农业机械，形成一次性施肥关键技术指标，在全国主要粮食主产区实现作物稳产高产、资源高效、农民增收、生态安全和农业的可持续发展（图2）。

3 结论

一次性施肥技术实现了三大粮食作物在整个生育期内只需施肥一次，既能实现根层养分供应与作物养分需求在数量、时间和空间上相吻合，又能简化农事操作、节省劳动力和降低生产成本。农业生产中一次性施肥技术因作物品种、区域气候类型和土壤条件的不同而产生不同的应用效果。一次性施肥技术为我国劳动力短缺情况下实现粮食可持续生产提供了一个有效途径。

4 展望

一次性施肥技术作为一项高产高效、环境友好和节约劳动力的农业生产技术，在我国未来农业的发展中具有良好的应用前景。然而，目前一次性施肥技术在农业生产中仍然存在一些不足：（1）缓控释肥存在养分释放不能做到完全与作物的需肥规律相一致；（2）缓控释肥的市场价格相对较高，限制了其在大田作物上的推广；（3）我国机械化水平仍然较低，农业机械装备总量不足，结构不合理，地区之间农业机械化水平严重不平衡；（4）现有农业机械缺少与一次性施肥技术的有效结合，施肥作业的效果不能适应不同土壤条件、不同种植方式和作物不同生长阶段的需求；（5）对一次性施肥技术在田间的应用效果缺乏科学系统的评价（经济效益、社会效益、环境效益及长远效益等方面）。

针对上述问题，今后的工作需要从以下几个方面展开：（1）开展缓控释肥养分释放机理的研究，研发与作物养分需求相匹配的专用缓控释肥；（2）研发低成本的包膜材料，降低缓控释肥生产的成本和肥料价格，使其在更多的作物上应用和推广；（3）根据一次性施肥技术需求研发相应的农业机械，特别是发展中小型多功能农业机械，以适应多生态条件、多耕地类型的耕种与收获；（4）进行农机农艺融合，建立我国区域一次性施肥技术体系，形成区域技术规程和模式，将成为我国一次性施肥技术发展的重要方向；（5）通过田间试验和跟踪调查等方式，综合评价一次性施肥技术在不同作物主产区的应用效果。

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（责任编辑 李云霞）

Application and Environmental Effects of One-off Fertilization Technique in Major Cereal Crops in China

LIU ZhaoHui, WU XiaoBin, TAN DeShui, LI Yan, JIANG LiHua

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Agricultural Environment of Huang-Huai-Hai Plain, Ministry of Agriculture / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Jinan 250100)

There are a lot of problems related to nitrogen excessive application, low nitrogen use efficiency (NUE) and lack of agricultural labor force in the current crop production in China. The objective of this paper was to investigate one-off fertilization technique for the major cereal crops (maize, wheat and rice) and its effects on yield, NUE and environmental effect, so as to provide a technical support for simplified fertilization management in our grain production. This study analyzed the research status and application effects of one-off fertilization on three major cereal crops based on the literatures. Finally, this study proposed the application prospect and the development direction of one-off fertilization technique according to the existing questions in the three major cereal crop productions. One-off fertilization technique is a portable, cost-saving and benefit- increasing, and environmental protection technical pattern in the crop production. In the current agricultural production, one-off fertilization technique of three major cereal crops can be realized through one-off application of slow/controlled release fertilizer, optimizing N rate and chemical control techniques. Compared with the conventional fertilizing methods, one-off application of slow/controlled release fertilizer could significantly increase yield and NUE of maize, wheat and rice. The yield and NUE of the major cereal crops were significantly increased by 3.1%-31.7% and 6.2%-86.6%, respectively. The loss of ammonia volatilization, nitrous oxide emissions, N leaching and run-off were significantly reduced by 18.1%-81.3%, 22.4%-73.4%, 0-53.0% and 0-43.2%, respectively. Under the condition of an average reduction of 20%-37% application, the optimizing N rate technology could still maintain the yield of maize, wheat and rice without reducing, and improved NUE of the three major cereal crops by 2.3%-20.4%, and reduced various N losses. Adding nitrification inhibitors could increase grain yield and NUE by 6.5%-20.1% and 5.0%-78.3%, respectively, and significantly reduced nitrous oxide emissions by 22.1%-51.0%. The addition of urease inhibitors could increase grain yield of maize, wheat and rice by 5.8%-22.8%, promote NUE of maize and wheat by 25.4%-40.7%, and reduce the ammonia volatilization and nitrous oxide emissions of three major cereal crops by 46.1%-51.2% and 11.9%-45.2%, respectively. The application results in the main grain producing areas of China showed that the one-off fertilization technique not only realized the stable yield of the major cereal crops, the high efficiency of N fertilizer and the reduction of N loss, but also saved the agricultural labor force and reduced the agricultural production cost. Therefore, one-off fertilization technique achieved high yield, high NUE and environment-friendly simultaneously, and solved the problems of agricultural labor shortage in the current crop production. One-off fertilization technique is a new technique suitable for comprehensive popularization and application across the country.

one-off fertilization technique; maize; wheat; rice; yield; nitrogen use efficiency; environmental effect

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.002

2018-01-23；

2018-08-17

国家重点研发计划（2017YFD0201700、2018YFD0200603）、国家公益性行业（农业）科研专项（201303103）、山东省重点研发计划（重大关键技术）（2016ZDJS08A02）、国家小麦产业技术体系岗位科学家项目（CARS-03）、山东省农业科学院青年英才培养计划、山东省博士后创新项目专项基金（201703051）

刘兆辉，Tel：0531-66659546；E-mail：liuzhaohui6666@sina.com