刘诗璇,陈松岭,蒋一飞,巴闯,邹洪涛,张玉龙
沈阳农业大学土地与环境学院/农业部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室,辽宁 沈阳 110866
氮素是影响玉米作物生长发育的最重要因素之一(纪德智等,2014;米国华等,2007)。研究表明,当前中国氮肥当季利用率低,施入土壤中的氮素35%被作物吸收,约13%在土壤中残留,而52%以各种形式发生损失(朱兆良等,2013;巨晓棠等,2002)。近年来东北地区为提高玉米产量而过量施肥的现象愈加严重,并且大部分地区均为一次性基施,但一次性过量施用氮肥不仅对玉米的产量和品质有所影响,还会严重影响生态环境(Hu et al.,2013),引发水体富营养化(Conley et al.,2009)、土壤酸化(Guo et al.,2010)及大气活性氮排放增加(Liu et al.,2013)等环境问题。
缓/控释氮肥具有调控氮素的释放时间以同步满足作物营养需求的特点(王永军等,2011;Zheng et al.,2017),与普通氮肥相比,控释氮肥可以使养分释放时间后移(马富亮等,2012),有利于提高氮肥利用效率(Cui et al.,2008;司东霞等,2014;Chintu et al.,2003),减小氮素损失的风险,降低对环境的污染(周培禄等,2017;樊小林等,1998;Zhao et al.,2013)。已有研究表明,将控释氮肥减量或将控释与普通氮肥掺混配施有助于解决目前氮肥过量施用存在的问题(李伟等,2012;Farmaha et al.,2013)。
邵国庆等(2009)、姬景红等(2017)和郭萍等(2017)等研究表明,普通氮肥相比,控释氮肥有利于玉米作物氮素积累,提高了产量及籽粒品质;王薇等(2016)和毛颖盈等(2016)研究表明,控释氮肥减量后没有显著降低产量但是显著提高了氮肥利用率;Wang et al.(2016)、尹彩侠等(2011)和谢佳贵等(2009)等通过对春玉米产量、经济效益和氮肥效率等指标分析得到的最佳掺混配施比例不同。缓/控释氮肥的养分释放时间受到气候、土壤质地、水分温度及种植模式等多种条件的影响,尤其施肥地区的土壤温度、土壤含水量等的不同,会对控释氮肥的养分释放时间产生影响,低温干燥的土壤环境会使控释氮肥的养分释放时间滞后,影响玉米苗期生长,故不同地区的应用效果也有很大差异(王永军等,2011;王寅等,2016)。控释氮肥在东北春玉米地区的应用不能直接借鉴其他地区的控释氮肥施肥指导,前人有关控释氮肥减量、配施对东北春玉米影响的研究较少,不同地区控释氮肥与普通氮肥配施最佳比例也不同,控释氮肥在东北春玉米应用中存在着产量以及氮肥利用效率不稳定、施肥成本偏高等问题而影响控释氮肥应用的推广。本试验采用田间小区试验方法,探讨控释氮肥与普通氮肥配施以及减量单施对东北春玉米产量与产量构成、氮素利用效率及土壤养分有效性的影响,结合其施肥经济收益综合优化东北春玉米最佳氮肥施用方式,为东北春玉米氮素科学管理提供依据。
试验地位于沈阳农业大学科研试验基地(41.82°N,123.56°E,海拔43 m),属温带半湿润大陆性气候,年平均气温为 7.9 ℃,农耕期≥7 ℃的平均积温为3281 ℃,日照时数平均为2372.5 h,无霜期为160 d左右,全年平均降水量为714 mm。土壤类型为棕壤,0-20 cm土层土壤有机质含量17.09 g·kg-1、土壤全氮 0.94 g·kg-1、速效磷 8.04 mg·kg-1、速效钾 573.24 mg·kg-1、pH 值 5.74、土壤容重1.25 g·cm-3,试验地整体生产力接近东北地区玉米种植地平均生产力。
供试肥料:氮肥采用市售的控释尿素(含氮量43.2%)和普通尿素(含氮量46.4%),磷肥使用过磷酸钙(P2O5≥12%),钾肥使用硫酸钾(K2O≥50%)。供试玉米品种为先玉335,种植行距60 cm,株距30 cm。试验于2017年5月9日-2017年9月28日进行。
采用单因素试验设计,设8个处理,试验设计如表1所示。每个处理3个重复,小区面积15 m2(3 m×5 m),共24个小区,小区之间种植保护行隔开以保证不同处理间肥料隔离,随机区组排列。氮肥用量如表 1所示,磷肥、钾肥用量分别为 75 kg·hm-2和 105 kg·hm-2,氮肥、磷肥、钾肥均在整地后播种前一次性条施(与当地农民习惯施肥量和施肥方式相同),其他田间管理按照当地常规田间管理进行。施肥收益方法参考王寅(2013)方法计算。
表1 试验设计表Table 1 Experiment design
1.4.1 样品采集
(1)植物样品:在玉米成熟期破坏性取样,随机选取3株小区内植株,整株取回,分为秸秆和籽粒,杀青(105 ℃,30 min)烘干至恒重后全部粉碎,置于密封袋中保存,备用。
(2)土壤样品:在玉米收获时用土钻采集各小区内土壤样品,采集深度为0-20 cm,每个小区重复3次,然后充分混合。用于土壤铵态氮、硝态氮测定的样品保存于4 ℃冰箱中,用于全氮测定的土壤样品风干后过筛,密封保存。
1.4.2 样品测定
(1)植物样品测定:玉米生理形态指标在2017年9月15日玉米成熟期测量,每个小区选取连续5株玉米测定其株高、茎粗、叶绿素及气生根。株高测定植株根茎部到顶部之间的距离;茎粗用游标卡尺测量基部直径宽度;叶绿素相对含量测定采用SPAD-502叶绿素仪即时测定每株玉米自下而上第六叶的叶绿素相对含量(用 SPAD值表示);气生根测量选取以自下而上入土第一层气生根为准进行测量。在玉米收获时于各小区随机选取5株玉米,风干脱粒后测定其产量及其产量构成要素,每个小区重复3次,最终折算成含水率为14%的籽粒百粒重和产量。
(2)土壤样品测定:将新鲜土壤样品过 5目筛后用0.01 mol·L-1CaCl2振荡浸提,用AA3自动分析仪(Bran-Luebbe;Germany)测定土壤铵态氮、硝态氮含量。土壤全氮含量采用元素分析仪测定。速效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用1 mol·L-1乙酸铵溶液浸提-火焰光度法测定;土壤碱解氮用扩散法测定。
试验数据运用SPSS 19.0和Excel 2013进行统计分析,采用LSD法比较处理间在P=0.05水平上的差异显著性。
参考巨晓棠等(2002;2003)的方法计算以下参数:
氮肥表观残留率(%)=(施氮区土壤无机氮残留量-不施氮区土壤无机氮残留量)/施氮量×100%
氮肥表观利用率(%)=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100%
氮肥表观损失率(%)=100%-氮肥表观利用率-氮肥表观残留率
氮肥农学效率=(施氮区玉米产量-不施氮区玉米产量)/施氮量
氮肥利用效率(%)=(施氮区玉米地上部吸氮量-不施氮区玉米地上部吸氮量)/施氮量×100%
氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量
施肥收益=(施氮区产量-不施氮区产量)×玉米价格-施氮量×氮肥价格
由表2可知,不同施氮处理下玉米植株成熟期株高、茎粗、气生根无显著差异,株高最高(23.20 dm)的处理为CR6,分别比CK0、CK提高了8.58%、2.57%;茎粗表现最佳(33.86 mm)的是CR4处理,优于CK(9.66 mm)和CR1处理(1.72 mm),控释氮肥减量处理各生理指标与全量相比无显著差异;而施用控释氮肥处理的SPAD值显著高于常规尿素处理和不施氮处理,CR4处理的SPAD值最高,与CK相比提高了57.52%。
表2 不同施氮处理下玉米植株生长指标Table 2 Maize growth indicators of different treatments
如表3所示,各施氮肥处理的玉米穗长和穗粗均显著高于不施氮肥处理,施用控释氮肥的处理均高于普通氮肥处理。CR4处理的穗粗和百粒重指标高于其他处理,其中百粒重指标达到显著,控释氮肥减量处理的百粒重与全量处理相比无显著差异;各处理产量表现为 CR4>CR5>CR1>CR6>CR3>CR2>CK>CK0,施用控释氮肥各处理的产量显著高于CK,其中CR4、CR5处理产量显著高于其他处理,CR4处理产量最高,达到14695.40 kg·hm-2,与CK0、CK相比产量增加了60.92%、25.68%;CR1、CR2、CR3处理之间的产量无显著差异,CR2和CR3处理产量与CK相比显著增加,说明控释氮肥减量施用与全量施用相比并不会造成减产,与普通氮肥相比可显著增产。
表3 不同施氮处理下玉米产量及其产量构成因素指标Table 3 Maize yield indicators of different treatments
图1 不同施氮处理下玉米成熟期土壤铵态氮硝态氮含量Fig. 1 Content of ammonium nitrogen and nitrate in soil during maize ripening stage of different treatments
2.3.1 不同施氮处理对玉米成熟期土壤速效养分含量的影响
如表4所示,CK0处理玉米成熟期的土壤速效钾含量显著高于施氮处理;CK0土壤速效磷含量高于不施氮处理,与CR1和CR4处理相比达到显著;CK0土壤碱解氮含量显著低于施氮处理。控释氮肥各处理土壤速效磷含量低于普通氮肥处理,低了0.46-9.36 mg·kg-1;控释氮肥与常规尿素配施处理土壤速效钾含量均低于普通氮肥处理,低了 25.47-96.10 mg·kg-1。CR4处理的土壤速效磷和速效钾含量最低,与 CK 处理相比低了 9.36 mg·kg-1和96.10 mg·kg-1;土壤碱解氮含量最高的处理为控释氮肥全量处理,高于CK处理的34.60 mg·kg-1,控释氮肥各处理的碱解氮含量均高于普通氮肥处理。
表4 不同施氮处理下玉米成熟期土壤速效养分含量Table 4 Soil available nutrient content in maize ripening stage of different treatments
2.3.2 不同施氮处理对玉米成熟期土壤铵态氮、硝态氮含量的影响
如图1所示,施用氮肥的各处理玉米成熟期土壤中铵态氮含量均显著高于不施氮处理,施用控释氮肥的各处理玉米成熟期土壤硝态氮含量显著高于普通氮肥处理,控释氮肥处理的土壤铵态氮、土壤硝态氮含量与CK相比分别增加了0.947-2.718 mg·kg-1、7.375-9.421 mg·kg-1,其中 CR1 处理的土壤铵态氮含量最高,与 CK相比高了 2.718 mg·kg-1,CR6处理的土壤硝态氮含量最高,与CK相比高出了9.421 mg·kg-1;控释氮肥减量处理的玉米成熟期土壤铵态氮含量低于全量处理但差异不显著,控释氮肥减量处理对玉米成熟期土壤硝态氮含量无明显影响。
2.4.1 不同施氮处理对氮肥利用的影响
如表5所示,CR3处理的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产率均显著高于其他处理,与CK相比分别提高了21.79%、14.17 kg·kg-1、23.68 kg·kg-1,控释氮肥处理的氮肥偏生产力与CK相比高了 9.85-14.17 kg·kg-1,说明施用控释氮肥处理相对于普通氮肥处理更有利于玉米增产;控释氮肥处理的氮肥农学效率与 CK相比高了 9.85-23.68 kg·kg-1,配施试验中各处理氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均高于控释氮肥单施处理,其中CR4处理与CR1处理的差异显著;配施处理之间氮肥利用率无显著差异,CR4和CR5处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著高于CR6处理。
2.4.2 不同施氮处理对氮素平衡的影响
如表6所示,控释氮肥处理的氮肥表观残留率和氮肥表观利用率显著高于CK处理,氮肥表观损失率显著低于CK处理,其中减量处理CR2、CR3的氮肥表观利用率和氮肥表观残留率显著高于其他处理,且氮肥表观损失率显著低于其他处理,与CK相比降低38.29%;控释氮肥各处理的氮肥表观利用率与CK相比提高16.33%-21.79%;控释氮肥各处理的氮肥表观损失率与CK相比降低44.47%-38.29%;配施试验中各处理氮肥表观利用率无显著差异,但是显著高于CR1处理;CR6处理的氮肥表观残留率显著高于其他处理,氮肥表观损失率显著低于其他处理。
表5 不同施氮处理下氮肥利用指标Table 5 Nitrogen utilization indicators of different treatments
表6 不同施氮处理下氮肥表观残留率、利用率、损失率Table 6 Apparent residual rate, utilization rate and loss rate of different treatments
如表7所示,控释氮肥处理的氮肥施肥收益明显高于普通氮肥处理,高了 3334.67-4716.19 yuan·hm-2,增收率为 107.06%-151.41%,CR4、CR5处理施氮肥收益显著高于其他处理,其中氮肥施肥收益最高的处理为 CR4处理(7830.98 yuan·hm-2),减量处理 CR2、CR3与 CR1相比差异不显著,说明减量施肥不会影响经济收益。
如图 2所示,控释氮肥配施比例与氮肥偏生产力、玉米产量和施肥收益存在极显著一元二次关系。以x为控释氮肥配比比例,与玉米产量的方程模型为y=-5372.5x2+3762.1x+14057(R2=0.9996**),与施肥收益的方程模型为 y=-9812.2x2+6974.5x+6607.3(R2=0.9995**),与氮肥偏生产力的方程模型为 y=-22.404x2+15.692x+58.564(R2= 0.9997**)。根据方程模型推算,获得最高产量和最高施肥收益的控释氮肥配施比例分别为35.01%和35.53%,最高氮肥偏生产力的控释氮肥配施比例为35.02%。因此从产量和氮肥施肥收益方面考虑,控释氮肥最佳配施比例为35%。
玉米的株高、茎粗是反映玉米生长情况的重要指标,在本研究中,控释氮肥有利于提高玉米的株高、茎粗指标。Liu et al.(2018)研究发现玉米拔节期叶片 SPAD值与叶片含氮量显著相关,说明控释氮肥掺混施用不仅可增加春玉米拔节期的光合器官数量,同时也可改善作物营养吸收状况,增强光合能力。本研究中,控释氮肥的减量和配施均显著提高了玉米植株 SPAD值,说明控释氮肥的施用有利于叶片含氮量的积累,增加了玉米生育后期氮素的供应,提高了光合能力,有利于增强玉米植株的光合作用能力,这与王寅等(2016)的研究结果相同。
增加产量是施肥的最主要目标,也是农业生产中最受关注的问题,玉米棒长、棒粗、百粒重等产量构成指标一定程度上反映了玉米产量及籽粒品质。本研究中,控释氮肥配施和单施减量的处理相比于普通氮肥处理可以提高玉米植株的棒长棒粗指标,为玉米增产提供条件。控释氮肥显著提高了玉米产量,其中CR4、CR5处理增幅显著,CR4处理与CK相比增产率达到25.68%。这是由于在玉米植株生长前期,普通氮肥的养分释放速率快,能够供给玉米在苗期和拔节期前期的养分需求,而在玉米对养分需求最大时期的养分供给由普通氮肥养分的残留部分和控释氮肥大量释放的养分来提供,满足了玉米生长时期的养分需求,这与Zheng et al.(2016)等研究结果相符。在减量处理中可以看出,减量10%、20%处理的产量与单施控释氮肥全量处理相比无显著差异,且仍显著高于普通氮肥处理,说明控释氮肥减量10%和20%依旧可以显著增产。施氮量相同的配施处理中,控释氮肥与普通氮肥3∶7、5∶5配施的处理的增产效果显著高于其他处理,说明在3∶7和 5∶5比例下两种氮肥的养分释放速率配合更适合东北春玉米的生长。
表7 不同施氮处理下春玉米氮肥施肥收益Table 7 Nitrogen fertilizer benefits in spring maize of different treatments
图2 氮肥偏生产力、玉米产量和施肥收益与控释氮肥配比比例关系Fig.2 Relationships between N partial factor productivity, grain yield and fertilization profit of spring maize with the ratio of controlled release N fertilizer and common urea
3.3.1 不同施氮处理对土壤速效养分的影响
碱解氮、速效磷和速效钾含量是反映土壤养分有效性的最直接指标,直观地反映土壤供应氮、磷、钾养分的能力。本研究中,CR4(控释氮肥与普通氮肥3∶7配施)处理的土壤速效磷和速效钾含量最低,说明CR4处理在玉米生育后期由于可以提供充足的氮素养分而更有利于玉米的生长,这与Guo et al.(2017)研究结果基本一致。玉米生育后期供应氮素养分能力的提高有利于玉米对土壤速效磷、速效钾的吸收。控释氮肥全量处理和减量 10%处理的速效磷钾含量低于减量 20%处理,说明控释氮肥减量 20%处理对玉米植株生育后期生长的促进作用不如控释氮肥全量和减量 10%的处理效果明显,但是在玉米中后期供氮能力上与普通氮肥处理相比仍有优势;从玉米生育后期土壤碱解氮含量的结果可以看出,控释氮肥全量处理在玉米生育后期具有最佳的供氮能力,同时控释氮肥减量10%、20%处理土壤碱解氮含量也保持在较高水平;而在配施处理中,控释氮肥与普通氮肥7∶3配施处理最具优势,高于控释氮肥与普通氮肥3∶7、5∶5配施处理,是因为控释氮肥与普通氮肥7∶3配施处理中控释氮肥比例较高,所以在玉米生育后期仍能保持较高的供氮能力,但是结合土壤速效磷、速效钾的含量分析,控释氮肥与普通氮肥3∶7配施处理的植株吸收的土壤养分较多,导致土壤碱解氮含量低于其他两个比例的配施处理(谢勇等,2016)。因此,综合考虑土壤速效磷、速效钾和碱解氮含量,控释氮肥与普通氮肥3∶7配施处理有利于降低氮素损失的风险并且有利于作物生长。
3.3.2 不同施氮处理对土壤铵态氮硝态氮的影响
土壤铵态氮、硝态氮的含量是直观反映土壤中无机氮含量的指标,通过测定玉米生育后期土壤中铵态氮硝态氮含量,可以反映氮肥在玉米生育后期供应氮素的能力和土壤中氮素形态的分布情况。在本研究中,施用氮肥显著提高了土壤铵态氮的含量,在玉米生育后期施用控释氮肥处理土壤硝态氮含量显著高于普通氮肥处理和不施氮处理。主要是由于施肥初期普通氮肥大量释放,未被吸收利用的氮素在土壤中以铵态氮和硝态氮的形态存在,容易以气态损失或被淋溶到土壤更深土层。控释氮肥可延后氮素释放时间,普通氮肥处理的铵态氮、硝态氮大多在前期大量损失,而控释氮肥处理由于养分释放缓慢,被土壤固持的氮素多于普通氮肥处理,因此在玉米生育后期普通氮肥处理表层硝态氮含量低于控释氮肥处理,这与Zhang et al.(2018)和Zhao et al.(2013)的研究结果相符。
3.4.1 不同施氮处理对氮肥利用的影响
氮肥利用率可以反映在作物生长系统中作物对施入氮肥的利用效率(巨晓棠等,2017),是评价氮肥效果的重要指标(巨晓棠等,2003);氮肥农学效率反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标;氮肥偏生产力是从作物增产的角度评价作物对氮素的利用效率(张美微等,2017),是国际农学研究中表征氮肥效率的重要指标。当前我国玉米生产中氮肥偏生产力平均为51.6 kg·kg-1(王崇桃等,2013),而高产田更低,平均为39.0 kg·kg-1(张福锁等,2008)。在本试验中,控释氮肥减量20%的氮肥偏生产力、氮肥利用率、氮肥农学利用效率均显著高于其他处理,表明减量施用控释氮肥有利于提高氮肥利用效率,因为控释氮肥减量后并未造成显著减产(张美微等,2017);而控释氮肥与普通氮肥掺混施用的处理与CK相比氮肥偏生产力提高了 9.85-12.52 kg·kg-1,这是由于控释氮肥与普通氮肥配施在作物生长前期主要由其中的常规尿素满足其对氮素的需求,而在生育中后期主要由控释氮肥满足作物生长需求的氮素(王寅等,2016;张敬昇等,2017),保证了玉米的高产从而提高了氮肥偏生产力。配比试验中,与单施控释氮肥和CR6相比,CR4处理显著提高了的氮肥偏生产力和氮肥农学效率,说明控释氮肥与常规尿素比例为3∶7时掺混施用的养分释放速率与东北春玉米的养分需求速率最接近,基于氮肥偏生产力和氮肥农学效率指标考虑,控释氮肥与常规尿素比例为3∶7时最适合东北春玉米生长。
3.4.2 不同施氮处理对氮素平衡的影响
东北地区春玉米生育期一般与雨季同步,普通氮肥施肥条件下无机氮素大量损失到大气和地下水体中,夏玉米常规施肥条件下氮肥的表观损失率达51.1%(司东霞等,2014),春玉米普通氮肥施肥的氮肥表观损失率为42.6%(戴明宏等,2018)。本研究中,控释氮肥的处理显著降低了氮肥表观损失率,普通氮肥处理的表观损失率达55.89%,控释氮肥与普通氮肥7∶3配比处理显著低于控释氮肥全量处理和其他配施处理,但氮肥表观残留率显著高于其他处理,说明该比例配施氮肥养分损失量低是由于增加了土壤对氮肥养分的固持量。氮肥表观损失率的降低有利于降低氮肥损失而引发环境问题的风险,有利于改善由不合理施用氮肥而导致的农业面源污染问题(姬景红等,2017),但CR6处理成熟期土壤硝态氮含量较高,成熟期土壤无机氮残留量也显著高于其他处理,增加了收获后硝态氮随降水淋失到地下水中的风险。
施用控释氮肥会增加施肥成本,但从施肥效益的指标中可以看出,施用控释氮肥可以显著增加施肥收益,控释氮肥减量施用与全量施用相比差异显著,说明减量施用控释氮肥10%、20%均可以增加经济收益。增加施肥收益有利于促进控释氮肥的推广和应用,控释氮肥与普通氮肥3∶7配施处理的经济效益显著高于其他处理,说明掺混比例增加了玉米产量、降低了施肥成本,对施肥收益的增加效果最显著。
施用控释氮肥与普通氮肥相比氮肥利用率提高了 16.33%-21.79%,氮肥表观损失率降低了33.47%-40.01%。与单施控释氮肥相比,控释氮肥与普通氮肥的比例为 3∶7和5∶5时可显著提高玉米产量,产量分别增加了 906.68 kg·hm-2和 544.61 kg·hm-2;控释氮肥与普通氮肥的比例为3∶7处理的施肥收益每公顷提高了1226.96元。各氮肥利用指标均显著高于单施控释氮肥处理,氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著高于控释氮肥与普通氮肥比例为7∶3处理,氮素表观平衡指标与控释氮肥与普通氮肥比例为5∶5的处理无显著差异。以氮肥偏生产力、玉米产量和施肥收益为指标拟合方程模型得出的控释氮肥与普通氮肥最佳配比比例为控释氮肥35.01%,最接近本试验的CR4处理,因此在配比试验处理中最佳处理为控释氮肥与普通氮肥的比例为 3∶7。
控释氮肥减量施用与普通氮肥相比显著增产,并且显著提高了氮肥利用率、氮肥偏生产力和经济效益,显著降低了氮肥表观损失率,与控释氮肥全量相比产量差异不显著,显著提高了氮肥利用率和氮肥偏生产力。
控释氮肥的减量处理和配施处理相比较,CR4、CR6处理的玉米产量和经济效益高于减量处理,且控释氮肥与普通氮肥配施处理使玉米植株成熟时期的土壤耕层无机氮含量保持在相对高的含量水平,能促进生长期玉米植株对土壤中速效磷、速效钾的吸收,能降低硝态氮向下层土壤淋洗的风险,降低氮肥表观损失率。
因此,东北春玉米最佳施氮方式为控释氮肥与普通氮肥3∶7配比施用。