氮肥减量下缓释肥和尿素配施对黄土高原春玉米氮素利用和产量效益的影响

胡迎春，韩云良，2，施成晓，3，宋端朴，李雨泽，温晓霞，秦晓梁，廖允成

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100；2.周至县特色产业发展服务中心，陕西周至 710400；3.国家缓控释肥工程技术研究中心，金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭 276700)

地膜覆盖技术在黄土高原地区的大面积推广应用，极大促进了该区域春玉米产量的提高[1-2]，但是目前覆膜下玉米生产中存在过量施氮现象，导致氮肥利用效率总体偏低[3]。尿素作为该地区主要氮肥施用形态，其过量施用不仅增加了生产成本，而且影响到土壤中碳氮的矿化及其过程，使土壤中硝态氮残留过高，造成地下水污染、土壤酸化和氨挥发量升高等环境问题[4-6]。当氮肥的施用量超出作物的需求，会使作物贪青晚熟，无效分蘖增多，抗虫和抗病能力降低[7-8]，作物产量反而会下降[9-10]，因此在农业生产中通过合理施肥来提高作物产量显得尤为重要。

氮肥的优化管理是作物高产的重要保障，有效的氮肥管理包括氮肥的施用时间、施用量和施用次数以及不同的肥料配施[11]。以基肥和追肥2次施肥供应作物生长，这种肥料分开使用的方式能提高作物产量和氮素使用效率，但是2次施肥会造成人工成本的增加，尤其是劳力成本的增加[12]。缓释肥能够很好地缓解这种状况，通过一次性施肥使作物整个生育期养分需求得到供应，可节省更多的劳动力[13-14]。同时，缓释肥养分释放缓慢，能够保持作物整个生育期土壤的氮素水平[15-16]，提高作物产量和氮素利用效率[17-20]，而且还能减小氮素损失带来的环境污染问题。但是由于缓释肥价格偏高，在大田生产中应用较少。大量施用会导致成本增加而经济收益降低，难以被大多数农户接受。

目前已经有一些关于缓释肥和尿素掺混施用在玉米方面的研究[21-22]。姬景红等[23]研究表明缓释肥和尿素按一定比例配施能够延缓叶片衰老，提高春玉米产量和收益。衣文平等[24]在缓释肥和尿素配施研究中发现，不同用量的缓释肥和尿素配施均能提高夏玉米产量，籽粒氮素积累量和经济收益，缓释肥的用量占总施氮量的30%时效果最佳。李伟等[25]在山东夏玉米上的研究结果显示，包膜尿素和普通尿素掺混施用较常规施肥在0～60 cm土层均能保持较高的硝态氮，且控释氮肥的比例在50%时产量和氮肥利用效率较高。然而关于氮肥减量下缓释肥和尿素配施的研究并不多见，而且在西北地区覆膜春玉米的生产中还没有类似的研究。

张宁宁[26]的研究发现，渭北旱塬地区缓释肥和普通尿素最适宜比例为7∶3，本试验在原有施肥基础上减少氮素用量，设置5种处理：不施氮肥、常规施肥模式(全尿素施肥)、缓释肥和尿素 7∶3配施、氮肥减量20%下的缓释肥和尿素7∶3配施、氮肥减量40%下的缓释肥和尿素7∶3配施，研究氮肥减量下缓释肥和尿素配施对植株干物质积累量、氮素质量分数、氮素分配和土壤无机氮，以及对作物产量、品质和相关的经济效益进行分析，从而为在黄土高原地区科学施肥、生态环境保护和农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2017年和2018年在中国科学院长武农业生态试验站(35°12′N，107°40′E)进行试验，该试验站属暖温带半湿润大陆性季风气候，海拔1 200 m，年均降雨量584 mm，年均气温9.1 ℃，无霜期171 d，地下水深埋50～80 m，无灌溉条件，农作物以春玉米为主，属典型的旱作农业一熟区；试验区土壤为黏黑垆土，有机质9.14 g·kg-1，碱解氮66.5 mg·kg-1，速效磷10.71 mg·kg-1，速效钾115.3 mg·kg-1。试验田附近建有气象站，2 a生育期内的日均气温分别为18.93 ℃和 18.22 ℃，2017年生育期内的降雨总量为365.0 mm，2018年为471.4 mm(图1)。

1.2 试验设计

试验开始于2016年，春玉米供试品种为‘先玉 335’，供试缓释肥(Slow-Release Urea，简称C)由史丹利公司生产(N∶P2O5∶K2O质量比为28∶6∶6)，其他肥料包括普通尿素(Urea，简称U，N≥46%)、过磷酸钙(P2O5≥16%)、氯化钾(K2O≥57%)，均为质量分数。采用随机区组设计，根据施氮量和配施方式的不同共设置5个处理，包括常规施肥量(N 225 kg·hm-2)下普通尿素(U)全施(简称100%U)、常规施肥量( N 225 kg·hm-2)下缓释肥(C)和尿素(U)配施(简称100%CU)、氮肥减量20%(N 180 kg·hm-2)下U和C配施(简称80%CU)、氮肥减量40%(N 135 kg·hm-2)下U和C配施(简称60%CU)、对照为不施氮肥处理(简称CK)，其中C和U配施质量比均为7∶3。每个处理3次重复，共15个小区，小区面积8.5 m × 4 m。玉米行距为55 cm，株距25 cm，基本苗为72 750 株·hm-2，施肥方式为一次性基施，同时各处理按照磷肥(P2O540 kg·hm-2)、钾肥(K2O 80 kg·hm-2)将肥料均匀撒入相应小区，旋耕后铺设地膜，膜际种植玉米。2017年4月20日播种，9月13日收获；2018年4月30日播种，9月21日收获。全生育期无灌溉，根据出苗情况及时进行放苗，适时防除杂草，成熟期及时收获。

图1 2017和2018年春玉米生育期降雨量及生育期日平均温度Fig.1 The average daily temperature and rainfall in 2017 and 2018 growing seasons

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质和植株全氮 在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期采集每个小区代表性植株3株，将收获的玉米植株按部位(茎秆、叶片、苞叶、籽粒、穗轴)分开，放入105 ℃烘箱中杀青30 min，然后75 ℃条件下烘干至恒质量，测定其干物质质量，然后烘干粉碎后，用H2SO4-H2O2法消煮，AA3流动分析仪测定植物全氮[27]。

1.3.2 产量及产量构成因素 每个小区连续选取玉米穗20个，晒干后，并取3个玉米穗测定其行粒数和穗行数，进而计算穗粒数，之后测定其百粒质量，然后进行人工脱粒和称量，测定其中水分质量分数，计算单位面积产量(14%含水量)。

1.3.3 土壤硝态氮和铵态氮 0～80 cm土层土壤硝态氮和铵态氮质量分数，每20 cm一个土层，用1 mol·L-1KCl溶液浸提，AA3流动分析仪测定[28]。

1.3.4 籽粒品质 玉米籽粒收获后进行风干，用DA7250近红外谷物分析仪对籽粒进行粗蛋白、粗脂肪、淀粉质量分数以及氨基酸的测定。

1.3.5 玉米经济效益 玉米价格采用当年当地玉米的收购价格，不同处理的成本包括肥料投入、劳力投入和农资投入，劳力投入包括播种、放苗、补苗、施肥和覆膜，以及除草、打药和后期收获的劳动力费用。其他投入：包括种子、地膜、农药的购买以及旋地和后期的玉米脱粒的费用。

1.3.6 相关指标计算公式 植株干物质积累量(t·hm-2)=单株干物质量×单位面积的株数

单株各部位氮素积累量(g)=植株各部分干质量×各部分氮素质量分数

植株氮素累积量(kg·hm-2)=籽粒干质量×籽粒氮素质量分数+其他器官干质量×其他器官氮素质量分数

氮肥农学效率(kg·kg-1)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

氮肥利用率=(施氮区地上部吸氮量-不施氮地上部吸氮量)/施氮量×100%

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮后所获得的籽粒产量/氮肥的投入量

纯利润(元·hm-2)=籽粒产量×玉米价格-肥料投入-劳动投入-其他投入

增收=(各处理的纯利润-常规施肥纯利润)/常规施肥纯利润×100%

1.4 数据处理与分析

采用 Excel 2010 、SPSS 22.0软件对数据进行整理和分析，采用 Sigmaplot12.5 软件作图。

2 结果与分析

2.1 春玉米干物质量以及植株氮素积累量

2017和2018年，随着生育期的延伸，地上部干物质积累量逐渐增加。在苗期，各处理间的干物质积累量差异并不显著；拔节期，不同施氮处理无显著差异，但是都高于不施氮处理；在大喇叭口期、灌浆期和成熟期，100%CU和80%CU的干物质积累量均为最高(表1)。春玉米单位面积地上部氮素吸收量与干物质的积累量随生育期的变化趋势基本一致。地上部氮素吸收量在苗期到拔节期增长缓慢；在拔节期到灌浆期随生育期呈现快速增长；灌浆-成熟期增速放缓(图2)。

2.2 春玉米各部位氮素分配

在2017和2018年收获期，与CK相比，各施氮处理的单株氮素积累量显著增加；与100%U相比，缓释肥和尿素配施各处理的单株氮素积累量与之没有显著差异(除2018年60%CU)。春玉米各部位的氮吸收量2 a内整体表现为籽粒>茎秆、叶片>苞叶、穗轴。施氮处理的单株籽粒氮素吸收量显著高于CK，2 a内分别增加了0.89～1.11 g和1.11～1.35 g，而各施氮处理之间没有显著差异。2 a内，茎秆氮素吸收量在100%CU、100%U和80%CU之间无显著差异，但是均显著高于60%CU和CK。在2017年，叶片中氮素吸收量在各施氮处理间无差异，均高于CK；2018年，80%CU和60%CU在叶片中氮素差异不显著，但显著低于100%U和100%CU，同时显著高于CK。2 a内，苞叶和穗轴氮素吸收量在不同施氮处理之间无显著差异，但是均显著高于CK(图3)。

2.3 土壤硝态氮和铵态氮质量分数

表1 春玉米不同生育期的干物质积累量Table 1 The dry accumulation amount of spring maize at different growth stages

注：同列数据后不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。下同。

Note:Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different among different treatments atP<0.05 level. The same below.

竖棒代表LSD值,P<0.05 Vertical bars represent LSD value，P<0.05

柱形图上不同字母表示处理间差异显著性(P<0.05)，小写字母对应的植株各部位的氮素差异，大写字母代表的是单株的氮素差异 Different letters above the bars are significant among different treatments atP<0.05 level, small letter represents the difference in different location of plant, capital letter represents the difference in entire plant

图3 春玉米植株单株氮素积累量和各部位氮素分配状况
Fig.3 The accumulation of nitrogen per plant and nitrogen distribution in different locations of spring maize

横棒代表LSD值 P<0.05 Horizontal bars represent LSD value at 0.05 level

2.4 玉米产量及产量构成因素、氮素利用效率

2017和2018年，产量在100%CU、100%U和80%CU之间无显著差异，且显著高于其他处理。其中，80%CU 2 a的产量均为最高(12 068 kg·hm-2和13 214 kg·hm-2)，其次为 100%CU (11 571 kg·hm-2和12 863 kg·hm-2)。而60%CU的产量显著低于 100%CU、100%U和80%CU，但是显著高于CK。与CK相比，施氮显著增加了穗粒数，而在施氮处理间并无差异。80%CU和100%CU的百粒质量高于100%U，而60%CU和CK的百粒质量低于100%U。不同处理中，80%CU的氮肥农学效率2 a里显著高于其他处理，2017年，100%CU、100%U和 60%CU之间无显著差异；2018年，60%CU显著低于80%CU，但要显著高于100%CU和100%U。随着氮肥用量的减少，春玉米的氮肥利用率和氮肥偏生产力都呈现递增的趋势。与100%U相比，100%CU的氮肥利用率和氮肥偏生产力与之都没有差异(表2)。

2.5 春玉米籽粒品质

2017和2018年，较不施氮处理，施氮显著提高了籽粒蛋白质，2 a的增幅为7.00%～12.34%和 22.07%～32.71%。与100%U相比，80%CU和100%CU的粗蛋白质在2 a的差异并不显著，但要高于60%CU和CK，CK的粗蛋白质量分数最低。CK的粗脂肪质量分数在2 a里均为最高。各处理的粗淀粉在2017年的差异并不显著，2018年100%U、100%CU和80%CU的粗淀粉显著低于CK和60%CU。2 a间各施氮处理的赖氨酸质量分数都高于CK，但在不同施氮处理间并无差异(表3)。

2.6 春玉米经济效益

2017和2018年，不同处理中80%CU 2 a的纯利润都最高，其2 a平均纯利润为11 122 元·hm-2；其次是100%U，其2 a平均纯利润为10 933 元·hm-2。与100%U相比，80%CU的纯利润2 a分别增加3.63%和0.37%，而 100%CU和60%CU均造成收益的降低，2 a分别降低 9.87%、 10.99%和22.17%、12.87%(表4)。

表2 不同施肥处理下玉米产量、产量构成和氮肥利用效率Table 2 Maize yield components, yield and nitrogen use efficiencies in different fertilization treatments

表3 不同施肥处理下春玉米品质(干基)Table 3 Quality characteristics of spring maize in different fertilization treatments (dry basis) %

表4 不同施肥处理下春玉米生产的总收益、投入以及纯利润Table 4 Total income, input and net profit of spring maize production in different fertilization treatments

注：总收益为玉米产量和玉米价格的乘积。玉米价格为当地的市场收购价格，2 a分别为1 700 元·t-1、1 800元·t-1。肥料投入为单位面积的肥料用量所产生的费用。肥料价格：缓释肥是3 600 元·t-1，尿素2 000 元·t-1，磷肥1 000 元·t-1，钾肥为2 600 元·t-1。劳动投入和其他投入在材料方法有详细介绍。

Note:The total income is the product of corn yield and corn price. Corn price was calculated basing on the local market price, which is 1 700 yuan·t-1, 1 800 yuan·t-1respectively in two years. The fertilizer input is the price of the amount of fertilizer per ha. Fertilizer price:slow release fertilizer is 3 600 yuan·t-1, urea 2 000 yuan·t-1, phosphate fertilizer 1 000 yuan·t-1, potash fertilizer 2 600 yuan·t-1. Labor input and other input are detailed in the material method.

3 讨 论

在作物的生长过程中，氮素供应的多少会直接影响到作物的产量，合理的氮素运筹是作物高产高效的重要保障[29]。缓释肥和尿素配施可显著提高作物的氮肥利用率，促进地上部和根系氮积累量和植株总氮吸收量[30]，然而，通过2 a的研究结果发现，100%CU的氮肥农学利用效率、氮肥回收效率、氮肥生产效率与100%U相比均无显著差异，这可能是该地区施氮过量的原因。孙晓等[31]研究发现，与施用尿素225 kg·km-2相比，施氮量为180 kg·km-2的缓/控释尿素处理氮肥利用率提高2.26%～12.69%，本试验发现了相似现象，80%CU和60%CU的氮素利用效率都显著高于100%U(表2)，说明在氮肥减量下缓释肥的应用能够提高氮素利用效率。土壤中无机氮质量分数是表征土壤肥力的重要指标。与普通氮肥相比，缓释肥能够提高作物生长后期的土壤无机氮质量分数[32]。本试验结果显示，收获后，100%CU和80%CU的硝态氮质量分数在 2 a 0～80 cm土层均为最高，这与郭金金等[21]和孙云保等[33]在夏玉米中的研究结果相一致，该结果也说明缓释肥和尿素配施有利于增加土壤表层的硝态氮质量分数，促进下一季作物的利用。而铵态氮在各处理中的差异并不显著(图4)，该结果和已有的研究结果相符[23-34]，这可能是由于铵态氮在旱作土壤中不稳定性，且易挥发。

长期以来，伴随着作物产量的提高，氮肥的使用量也在逐年增加，加剧了氮素的损失和环境的污染[35]。适当的减少氮肥用量不仅不会造成作物减产[36-37]，还能减少氮素的损失[38]，从而在一定程度上减轻环境污染问题。孙云保等[33]通过连续4 a研究发现，控释氮肥减施30%条件下的作物产量与常规速效肥相比无差异。Zheng等[22]在山东地区多年的小麦和玉米的轮作试验中发现，氮肥减量下缓释肥和尿素配施能够改善玉米叶片的功能和促进籽粒充分灌浆，达到小麦和玉米都能增产的效果。本研究结果表明， 80%CU没有造成产量的降低，2 a均获得了较高的产量(表2)。该结果也说明在黄土高原地区通过氮肥减量下缓释肥和尿素配施可以提高氮素的利用效率，并保持较高的玉米产量。而减氮40%虽然提高了氮素利用效率，却造成了作物产量的降低。经济效益是农业生产中要考虑的必要因素[39]，而较高的收益是农民采用新生产技术的重要驱动力[40]。从本试验结果来看，2 a中， 100%CU、60%CU与100%U相比，效益是下降的，而 80%CU的效益均是增加的，同时也有利于减少资源浪费和环境污染(表4)。因此，从经济效益来讲，氮肥减量20%下的缓释肥和尿素配施可以作为该地区一种行之有效的施肥措施。

施氮量是影响玉米品质的重要因素[41]，研究发现施氮能够增加玉米籽粒中蛋白质质量分数[42-43]；本研究表明，100%、80%和60% 3个施氮水平下玉米籽粒的蛋白质量分数均显著高于CK。另外，100%CU和80%CU的粗蛋白质量分数和100%U无显著差异，但是60%CU却显著降低了粗蛋白质量分数，与已有的研究结果一致，籽粒蛋白质质量分数在一定施氮水平下会随施氮量增加而增加[44-45]。有研究指出缓释肥可以改良作物的品质[46]，而本试验同一施氮水平下， 2 a内100%U和100%CU之间的粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉和赖氨酸质量分数并无显著差异 (表3)，说明导致这一结果的原因是当氮素的供应足够多时，缓释肥在改良品质中发挥的作用会被弱化。

4 结 论

在黄土高原地区，氮肥减量20%下缓释肥和尿素7∶3配施能够提高氮素利用效率，维持较高玉米产量，不会造成籽粒品质的降低，同时还提高了农户的经济效益，可以作为黄土高原地区一种实际可行的施肥措施。