氮肥运筹提升宿根蔗产量和氮素利用

单翔宇 谢如林 李伏生

摘  要：针对我国甘蔗生产中氮肥用量高和氮肥利用率低的问题，为提高氮肥利用率，本研究以‘桂糖42号为试验材料，研究对比5种施氮量（N150：150 kg/hm2、N225：225 kg/hm2、N300：300 kg/hm2、N375：375 kg/hm2、N450：450 kg/hm2）和2种施氮次数（R1：3次施入，30%氮肥作基肥、30%作分蘖肥和40%作攻茎肥;R2：2次施入，30%氮肥作基肥和70%作攻茎肥）下宿根蔗生长、产量、含糖量以及氮素利用。结果表明：（1）蔗茎产量受施氮量影响显著，随施氮量增加，2种施氮次数的蔗茎产量均呈现递增趋势。相同施氮量下，不同施氮次数的蔗茎产量差异不显著，R1N375、R1N450、R2N375和R2N450处理甘蔗产量较高，分别为106.4、112.2、106.4和109.1 t/hm2。（2）随施氮量增加，蔗糖分先增加后减少。N375和N450下，R1的蔗糖分显著高于R2。随施氮量增加，R1的产糖量呈先增加后无显著变化的趋势，R2的产糖量呈先增加后减少的趋势。N375和N450下，R1的产糖量显著高于R2，R1N375和R1N450处理甘蔗含糖量较高，分别为14.95和14.58 t/hm2。（3）R1和R2的当季氮肥利用率分别为22%～36%和20%～32%。因此，当施氮量为375 kg/hm2，以30%基肥、30%分蘖肥和40%攻茎肥是蔗叶还田下宿根蔗的最优施氮模式。

关键词：氮肥运筹;甘蔗;产量;氮素利用率

中图分类号：S566.1      文献标识码：A

Abstract： In view of the problems of high nitrogen （N） amount and low N use rate in sugarcane production in China， in order to improve the nitrogen utilization rate， ‘Guitang 42 was used as the experimental material. This study compared the growth， yield， sugar content and N utilization of ratoon sugarcane under five N rates （N150： 150 kg/hm2， N225： 225 kg/hm2， N300： 300 kg/hm2， N375： 375 kg/hm2 and N450： 450 kg/hm2） and two kinds of N application times （R1， three times of N application， 30% N fertilizer as basal fertilizer， 30% N fertilizer as tillering fertilizer and 40% N fertilizer as elongation fertilizer， and R2： two times of N application， 30% N fertilizer as basal fertilizer and 70% N fertilizer as elongation fertilizer）. The yield of sugarcane stems was significantly affected by N application， and the yield of the two kinds of N application times showed an increasing trend with the increase of N fertilizer rate. Under the same N rate， there was no significant difference in sugarcane yield under different N application times. R1N375， R1N450， R2N375 and R2N450 had higher sugarcane yield of 106.4 t/hm2， 112.2 t/hm2， 106.4 t/hm2 and 109.1 t/hm2. Sucrose content increased firstly and then decreased with the increase of N fertilizer rate. At N375 and N450， the sucrose content of R1 was significantly higher than that of R2. With the increase of N fertilizer rate， the sugar yield of R1 increased firstly and then did not significantly change， and the sugar yield of R2 showed a trend of first increase and then decrease. At N375 and N450， the sugar yield of R1 was significantly higher than that of R2. R1N375 and R1N450 had higher sugar yield of 14.95 t/hm2 and 14.58 t/hm2. The N fertilizer recovery fraction of R1 and R2 was 22%?36% and 20%?32%， respectively. Thus the best nitrogen application mode was N fertilizer rate of 375 kg/hm2 with 30% N fertilizer as basal fertilizer， 30% N fertilizer as tillering fertilizer and 40% N fertilizer as elongation fertilizer for ratoon sugarcane production under the condition of returning sugarcane leaves to the field.

Keywords： nitrogen management; sugarcane; yield; nitrogen utilization

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.12.011

中国甘蔗主要种植在旱坡地，土壤保水保肥能力差，每年雨季都会冲刷掉土壤养分，造成化肥利用率很低[1]。秸秆还田能有效减少地表径流，缓解土壤侵蚀和土壤养分流失[2]，对甘蔗增产和养分利用效率的提高有积极作用[3]。蔗叶还田后蔗叶中的氮素仅有5%被当季植物吸收利用，更多用于培肥地力[4]，连续秸秆还田10～15年后可减少15%氮肥用量[5]。此外，蔗叶还田对杂草生长的抑制也有一定作用。

施用氮肥对甘蔗分蘖、有效茎数和单茎质量等有促进作用，并提高甘蔗产量[6]。在广西蔗区氮肥用量普遍较高，一般尿素用量为500～ 700 kg/hm2，但被植株吸收利用的只有25%～35%，甚至更少[7]。适量施氮能提高甘蔗产量和改善甘蔗品质，而过量施氮不仅增产效果不明显，甚至还导致甘蔗品质下降[8-9]。有关甘蔗生育时期施氮次数目前存在争议。有人认为甘蔗氮肥按基肥、分蘖肥和攻茎肥施用对甘蔗生理生化性状有积极的影响，能持久保持较强的生理优势，利于提高甘蔗产量[10-13]。但另有研究表明，2次或1次施氮有利于蔗茎产量的形成和蔗茎蔗糖分的积累，从而提高蔗茎产量和蔗糖分[14-15]。

目前有关蔗叶还田下氮肥运筹对宿根蔗氮素利用的影响少见报道，且不同地区氮肥用量不同，施氮次数也存在争议。因此，研究蔗叶还田条件下合理的氮肥施用技术，对宿根蔗生长和氮素利用有重要意义。本文研究了在蔗叶还田条件下氮肥运筹对宿根蔗生长、产量、含糖量和氮素利用的影响，以期获得提高宿根蔗产量、含糖量和氮肥利用率的最优施氮模式。

1  材料与方法

1.1  材料

田间试验于2018年3月至2019年1月在广西金光农场友谊分场试验基地进行。供试土壤为赤红壤，试验前0～20 cm土壤主要理化性质：容重1.31 g/cm3、pH 6.63、有机质15.4 g/kg、全氮（N）1.31 g/kg、碱解N 78.9 mg/kg、速效磷（P）61.9 mg/kg和速效钾（K）157.8 mg/kg。供试甘蔗品种为广西农业科学院甘蔗研究所选育的‘桂糖42号。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  以不施N处理（CK）作为对照，设5种氮肥用量，N150：150 kg/hm2、N225：225 kg/hm2、N300：300 kg/hm2、N375：375 kg/hm2、N450：450 kg/hm2，以及2种施氮次数，R1：分3次施入，30%氮肥作基肥、30%作分蘖肥和40%作攻茎肥;R2：分2次施入，30%氮肥作基肥和70%作攻茎肥，如表1。试验共11个处理，分别为CK、R1N150、R1N225、R1N300、R1N375、R1N450、R2N150、R2N225、R2N300、R2N375和R2N375，每个处理设4个重复小区，随机区组设计。每小区种植甘蔗5行，行长15 m，行距1.2 m，小区面积90 m2，试验区面积3600 m2。各处理均施P2O5 90 kg/hm2和K2O 225 kg/hm2作为基肥。氮肥用尿素（N 46%），磷肥用钙镁磷肥（P2O5 18%），钾肥用氯化钾（K2O 60%）。

1.2.2  田间管理  前一年种植的甘蔗收获后遗留的全部蔗叶直接覆盖于蔗田垄间。2018年3月2日宿根蔗所有处理全部磷肥（P2O5 90 kg/hm2）和钾肥（K2O 225 kg/hm2），各施氮处理中30%尿素作基肥施用。4月30日R1追施30%尿素作分蘖肥，6月28日R1追施40%尿素以及R2追施70%尿素作攻茎肥，各施肥方案均采用撒施方式将肥料直接施于蔗田土壤中，每次施肥后進行灌溉。其他农业措施按大田生产进行。11月中旬因遭受台风暴雨，甘蔗部分倒伏，后扶起。2019年1月6日按原料蔗收获标准测定各小区蔗茎产量。

1.2.3  植株样品采集与分析  在成熟期采集植株样品，每个小区随机取5株，重复4次，共取样20株。在现场测定株高，茎径和单茎质量，并用便携式锤度计测定蔗汁糖锤度。植物样品带回实验室后，放入烘箱中，在105 ℃下杀青30 min，60 ℃下烘干至恒质量，粉碎后备用。

1.2.4  氮肥利用率和利用效率的计算  当季氮肥利用率（NRF）、氮肥农学利用效率（NAE）和氮肥偏生产力（NPFP）的计算参照黄振瑞等[16]以及巨晓棠和张福锁[17]的方法。

NRF = （施氮区植株总氮吸收量?无氮区植株总氮吸收量）/施氮量×100%

NAE （kg/kg） = （施氮区产量?无氮区产量）/施氮量

PFPN（kg/kg）=施氮区产量/施氮量

1.3  数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行整理和作表，并用IBM SPSS 24.0进行方差分析。不同处理各指标采用Duncans法作多重比较，差异显著性水平P<0.05。

2  结果与分析

2.1  氮肥运筹对宿根蔗生长的影响

甘蔗单位面积产量由单位面积的有效茎数和单蔗茎质量获得。由表2可知，宿根蔗株高、有效茎数、蔗茎直径（茎径）和单蔗茎质量均随施氮量增加而增加。R1（3次施氮）下，N450的株高最高，为409.0 cm，显著高于其他施氮量和对照（CK），比CK提高62.9 cm，而R2（2次施氮）下各施氮量株高之间的差异不显著，但均显著高于CK。相同施氮量下，R2株高均高于R1。说明较多的氮肥作攻茎肥可促进甘蔗伸长，株高增高。

R1下，各施氮处理有效茎数之间的差异显著，N450、N375、N300和N225有效茎数显著高于N150和CK，以N450的有效茎数最高，为50980条/hm2。R2下，N450和N375的有效茎数较高，为49460条/hm2和49142条/hm2，显著高于N300、N225、N150和CK，且N375和N300的有效茎数显著高于N150和CK。N450和N300下，R1有效茎数显著高于R2，其他氮肥用量下，R1与R2有效茎数之间的差异不显著，且R1N375与R2N450无显著差异。R1N450有效茎数最高，比CK提高7884条/hm2，其次是R2N450、R2N375和R1N375，分别比CK提高6364、6046和6005条/hm2。

R1下，各施氮量茎径均高于CK，N450茎径显著高于N150和CK，R2下各施氮量茎径之间的差异不显著。N225、N300、N375和N450下，R1茎径显著高于R2。R1N450茎径最高，为2.79 cm，比CK提高了0.30 cm。

R1下，N450的单蔗茎鲜质量显著高于N225、N150和CK，且N375和N300的单蔗茎鲜质量显著高于N150和CK。R2下，N450单蔗茎鲜质量显著高于N225、N150和CK，且N375和N300单蔗茎鲜质量显著高于N150和CK。相同施氮量下R1单蔗茎鲜质量与R2之间的差异不显著。R1N450和R2N450单蔗茎鲜质量较高，分别为2.60 kg和2.59 kg，其次为R1N375、R2N375和R2N300。

R1下，N450和N375干物质质量显著高于其他施氮处理和CK，N300和N225的干物质质量显著高于N150和CK。R2下，N450、N375和N300的干物质质量显著高于N225、N150和CK，N225和N150的干物质质量显著高于CK。N150施氮量下R2干物质质量显著高于R1，其他施氮量下，不同施氮次数之间的单蔗茎干质量差异不显著。

因此，较多的氮肥作为攻茎肥可促进甘蔗伸长，株高增高，在高施氮量下，3次施氮更有利于提高甘蔗有效茎数。蔗茎质量和干物质质量受施氮量的影响较大，而受施氮次数的影响不显著。

2.2  氮肥运筹对宿根蔗产量和含糖量的影响

由表3可见，相同施氮次数下，N375和N450的宿根蔗产量显著高于其他氮肥用量和CK，且N300和N225的产量显著高于N150和CK。相同施氮量下，不同施氮次数之间的宿根蔗产量差异不显著。与CK相比，除R1N150和R2N150增产效果不显著，其它施氮处理宿根蔗产量增加13.8%～ 35.7%。R1N450、R2N450、R1N375和R2N375产量较高，分别为112.23、109.10、106.43和106.41 t/hm2。

R1下，N375蔗糖分显著高于其他氮肥用量和CK，N300蔗糖分显著高于N225、N150和CK，N450蔗糖分显著高于CK。R2下，N300蔗糖分显著高于其他氮肥用量和CK，N225蔗糖分显著高于N375、N450、N150和CK，N450蔗糖分较CK降低，差异显著。N375和N450下，R1的蔗糖分显著高于R2，其他氮肥用量下，不同施氮次数之间的蔗糖分差异不显著。R1N375的蔗糖分最高，为14.04%，R2N450的蔗糖分最低，为11.34%，低于CK。

R1下，各施氮量均显著高于CK，N375和N450的含糖量显著高于其他氮肥用量。R2下，N300的含糖量显著高于其他氮肥用量和CK，且N225、N375和N450显著高于N150和CK，N150的含糖量显著高于CK。N375和N450下，R1的含糖量显著高于R2，其他氮肥用量下不同施氮次数之间的含糖量差异不显著。R1N375和R1N450含糖量最高，分别为14.95和14.58 t/hm2，其次为R2N300和R1N300。

因此，甘蔗產量受施氮量的影响较大，且较多氮肥在伸长期施入不利于甘蔗糖分的积累，进而影响甘蔗含糖量。

2.3  氮肥运筹对宿根蔗氮含量和吸收量的影响

2.3.1  氮含量  由表4可见，甘蔗各部位氮含量和吸收量均随施氮量增加而增加。R1下，N450的叶片含氮量显著高于N150和CK，且N375叶片含氮量显著高于CK。R2下，各施氮量叶片含氮量之间的差异不显著。相同施氮量下，不同施氮次数叶片含氮量之间的差异不显著。R1N450叶片氮含量最高，为12.8 g/kg。

R1下，N450的蔗茎含氮量显著高于N150和CK，且N375、N300和N225蔗茎含氮量显著高于CK。R2下，N450的蔗茎含氮量显著高于N150和CK，且N375、N300和N225蔗茎含氮量显著高于CK。相同施氮量下，不同施氮次数蔗茎含氮量之间的差异不显著。R1N450蔗茎含氮量最高，为14.1 g/kg，其次为R2N450。

2.3.2  氮吸收量  R1下，N450、N375、N300和N225的叶片氮吸收量显著高于N150和CK，且N150叶片氮吸收量显著高于CK。R2下，各氮肥用量叶片氮吸收量之间的差异不显著，除N150外均显著高于CK。N300、N375和N450下，R1叶片氮吸收量显著高于R2。R1N450叶片氮吸收量最高，为78.76 kg/hm2，其次为R1N375和R1N300。

R1下，各施氮量处理蔗茎氮吸收量之间的差异显著，且均显著高于CK。R2下N375和N450蔗茎氮吸收量之间的差异不显著，但均显著高于N300、N225、N150和CK，且其他氮肥用量处理蔗茎氮吸收量之间的差异显著，均显著高于CK。相同施氮量下，不同施氮次数蔗茎氮吸收量之间的差异不显著。R1N450蔗茎氮吸收量最高，为273.7 kg/hm2，其次为R2N450。

R1下，N450和N375总氮吸收量显著高于N300、N225、N150和CK，N300和N225总氮吸收量显著高于N150和CK，N150總氮吸收量显著高于CK。R2下，N450和N375的总氮吸收量显著高于N300、N225、N150和CK，N300和N225总氮吸收量显著高于N150和CK，N150总氮吸收量显著高于CK。N450施氮量下，R1总氮吸收量显著高于R2，其他施氮量下，不同施氮次数总氮吸收量之间的差异不显著。以R1N450总氮吸收量较高，为352.4 kg/hm2。

2.4  氮肥运筹对宿根蔗氮素利用的影响

由表5可见，R1下，N225的当季氮肥利用率显著高于其他氮肥用量处理，N300、N375和N450的当季氮肥利用率显著高于N150。R2下，N225和N375的当季氮肥利用率显著高于N450和N150，N300和N450的当季氮肥利用率显著高于N150。N225、N300和N450下，R1的当季氮肥利用率显著高于R2。

R1下，N450的氮肥农学利用效率显著高于N225与N150，且N375、N300和N225的氮肥农学利用效率显著高于N150。R2下，N450、N375、N300和N225氮肥农学利用效率之间差异不显著，但均显著高于N150。相同施肥量下，不同施氮次数氮肥农学利用效率之间的差异不显著。

相同施氮次数下，氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低，且各施氮量处理氮肥偏生产力之间的差异显著。相同施肥量下，不同施氮次数氮肥偏生产力之间的差异不显著。

3  讨论

3.1  氮肥运筹对宿根蔗生长的影响

株高、蔗茎直径（茎径）、单蔗茎质量可直接反映甘蔗生长情况，干物质积累量也是衡量植物有机物和养分积累的重要指标，干物质积累量越多说明植物长势越好。甘蔗伸长期是甘蔗生长的关键时期，对光、温、水、肥需求达到高峰，对氮肥需求量占全部生育期的50%以上，保证伸长期养分供应充足，可有效促进甘蔗生长、增粗，对甘蔗产量提高具有重要意义[18]。本试验随施氮量的增加，株高、有效茎数、茎径、单蔗茎质量和干物质质量增加，2次施氮下甘蔗株高高于3次施氮，与谢金兰等[19]的结果相同。施肥量低于300 t/hm2时，2次施氮单蔗茎质量更高。单位面积有效茎数是影响甘蔗产量的重要指标，而分蘖率对有效茎数的形成影响较大。有研究指出，分蘖率与氮素水平呈正相关[20]。在一定氮肥用量范围内，分蘖期施用氮肥确有提高甘蔗分蘖率的作用，而施用量过大则会导致无效分蘖过多，降低成茎率[19]。本研究结果表明，施用氮肥对甘蔗有效茎数影响较大，且高施氮量下3次施氮对有效茎数的提升效果更佳。

3.2  氮肥运筹对宿根蔗产量和含糖量的影响

实现高产高糖是甘蔗生产中最受关注的问题，而合理施肥是甘蔗获得高产高糖的有效途径。在一定氮肥用量范围内，甘蔗产量随着施氮量的增加而增加[8-9]。本研究N150对产量提升效果不明显，主要是由于蔗叶C/N比较高，蔗叶分解过程中微生物对氮素的竞争导致植物供氮不足[21-22]，有研究报道，蔗叶还田下施用氮肥80 kg/hm2时，甘蔗产量有所下降[23]。本研究甘蔗产量以R1N450处理最高，与前人结果基本一致[12]。高氮量下将氮肥分3次施入的甘蔗产量最高，低氮量和中氮量的2次施氮增产效果也较好。而蔗糖分受施氮量和施氮次数的影响显著，梁计南等[14]发现，在相同施氮量下，后期重施氮肥对甘蔗后期生长有利，但前期缺氮所造成的损失，不利于甘蔗糖分积累。有报道指出，中后期施用氮肥有利于促进蛋白质合成，同时会消耗大量碳水化合物，不利于提高蔗糖含量[13，24]。本研究表明，在一定氮肥用量范围内，施用氮肥有利于提高甘蔗含糖量，施氮量375 t/hm2下，3次施氮的效果最佳，与2次施氮相比，3次施氮更有利于提高甘蔗含糖量。

因此，蔗叶还田下应调整施氮比例，增加基肥和分蘖肥比重，保证甘蔗生长早期氮素供应充足，可减少蔗叶分解时微生物争氮对甘蔗生长的影响，促进甘蔗早分蘖、早生长，充分利用生长前期充沛的雨水促进甘蔗快速伸长，在干旱蔗区尤其应当推广。

3.3  氮肥运筹对宿根蔗氮素利用效率的影响

氮素对甘蔗分蘖、有效茎数和单蔗茎质量等都有一定的促进作用，是影响甘蔗生长发育和产量形成的重要元素[6]。本试验甘蔗地上部氮吸收量与施氮量成正比。有研究指出，甘蔗生长前期吸收的氮素大部分储存在蔗叶中，伸长期为保证蔗茎快速生长，储存在甘蔗中的氮素大量向蔗叶转移，提高了蔗茎中氮素含量占全株氮含量的比重[25]。本研究表明，甘蔗各部位氮素积累量随施氮量的增加而增加，增加施氮量更有利于氮素向蔗茎分配。

当季氮肥利用率、氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力是反应氮肥效果和作物对氮肥利用的重要指标。我国主要粮食作物当季氮肥利用率在25%～30%，高产农田更低[26]。本试验甘蔗当季氮肥利用率在20%～36%，除150 kg/hm2外，随施氮量的增加，当季氮肥利用率呈现递减趋势，3次施氮比2次施氮有利于提高氮肥利用率，主要是由于施肥初期尿素中的氮释放迅速，受降雨和环境影响较大，释放出的硝态氮、铵态氮未被植物直接吸收利用，增加了铵态氮的挥发和硝态氮随水淋溶的风险[27]，而3次施氮保证各时期氮素供应均处于较高水平，使植物吸收的氮素多于2次施氮。氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低。2次施氮下，N375氮肥农学利用效率最高，而N450下降，说明2次施氮下施肥量超过375 t/hm2时增施氮肥对甘蔗增产效果降低。3次施氮下，适当减少施氮量有利于提高甘蔗氮肥利用率、减少氮素损失、降低农业氮肥施用对环境的影响，这与前人研究结果相似[28]。

4  结论

本研究表明，甘蔗株高、有效茎数、茎径、单蔗茎质量和干物质积累量受施氮量的影响较大，R1N450各项指标均最高。在一定氮肥用量范围内，施用氮肥可增加甘蔗产量，提高甘蔗糖分，且3次施氮更有利于蔗糖积累，R1N375蔗糖分最高，为14.04%，R1N375、R1N450、R2N375和R2N450处理甘蔗产量较高，分别106.43、112.23、106.41和109.10 t/hm2;R1N375和R1N450含糖量较高，分别为14.95和14.58 t/hm2。3次施氮处理当季氮肥利用率在22%～36%，而2次施氮处理当季氮肥利用率在20%～32%，相同施氮量下，3次施氮当季氮肥利用率较2次施氮提高了1.46%～3.68%。综上所述，施氮量为375 kg/hm2，分3次施入（30%基肥、30%分蘖肥、40%攻茎肥），既保证甘蔗高产高糖，又使氮素利用率较高，是蔗叶还田下宿根蔗的最优施氮模式。

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