机械深施基肥对麦季氮肥利用效率的影响

刘德坤， 张雅芬， 骆瑶倩， 郭 智， 张岳芳， 刘红江

(1.江苏省农业科学院句容稻米产业研究院，江苏镇江 212444；2.江苏省句容市后白镇农业农村局，江苏镇江 212444； 3.江苏省句容市农技推广中心，江苏句容 212400；4.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏南京 210014)

小麦是我国三大主要粮食作物之一，统计数据表明，2018年我国小麦种植面积为2 430万hm。黄淮海平原是我国小麦主产区，近年来随着优质高产新品种的不断育成，以及配套栽培技术的不断进步，小麦产量水平获得了持续提高，高产小麦产量已达到8.7 t/hm。在小麦产量提高的同时，麦季的肥料施用量也在逐步增加，部分高产麦田的纯氮施用量达到360 kg/hm。据报道，我国小麦等主要作物的氮肥利用率只有30%左右，远低于发达国家水平。农田大量施用氮肥，除了增加生产成本、降低经济效益外，也带来了诸多环境问题，如加速土壤酸化、加剧农田温室效应、增加农业生产的面源污染风险等。前人关于麦田化肥减量增效技术的研究，主要集中在秸秆还田、适期播种、合理密植、优化肥料运筹、有机无机肥配施和施用新型肥料等方面。而在机条播小麦条件下，采用机械深施基肥措施，减少氮肥施用量，以提高麦季氮肥利用效率方面的研究报道较少。因此，本研究于2015—2016年度和2016—2017年度麦季在江苏省金湖县吉庄水稻种植专业合作社试验田，通过设置不施用氮肥、当地农民常规氮肥运筹和减少15%氮肥施用量3个处理，探索结合机械条播条件下，深施基肥对小麦产量构成因素及麦季氮肥吸收利用的影响，以期为我国小麦生产提高经济效益和提升农业生态环境质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2015年11月至2017年6月连续2个麦季在江苏省淮安市金湖县陈桥镇吉庄水稻种植专业合作社试验田(118°59′E，33°09′N)开展，该地为亚热带湿润季风气候，年平均温度14.6 ℃左右，年平均降水约110 d，年均降水量约1 100 mm，年日照时长 2 100 h左右，年均无霜期约220 d，轮作方式为麦—稻两熟。试验土壤为黄泥土，其主要理化性状为：有机质含量22.38 g/kg、全氮含量1.63 g/kg、速效氮含量45.13 mg/kg、总磷含量0.57 g/kg、速效磷含量18.23 mg/kg、速效钾含量162.01 mg/kg、容重1.25 g/cm、pH值6.52。

1.2 试验处理

上季水稻收获时，将秸秆切碎匀铺再用中拖耕翻还田。试验设空白对照(0N)处理，不施用氮肥，磷肥和钾肥施用量均为112.5 kg/hm，磷、钾肥在小麦播种时全部采用人工基施，小麦播种方式也为人工撒播。

采用走访和问卷调查相结合的前提下，设置当地农民常规施肥水平处理(FN)，施用纯氮(N)、磷(PO)、钾(KO)肥分别为300.0、112.5、112.5 kg/hm。小麦采用人工撒播，氮肥运筹同农民常规施肥，按时间顺序基肥40%(11月6日)、返青肥20%(翌年2月10日)、拔节肥20%(翌年3月5日)和孕穗肥20%(翌年4月3日)进行人工撒施，磷肥和钾肥均作为基肥人工撒施。

在农民常规施肥量(FN)基础上，减少15%的施氮量(RN)，即氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为255.0、112.5、112.5 kg/hm，机械条播小麦，行距为20 cm，氮肥运筹按照基肥60%(11月6日)、拔节肥10%(翌年3月5日)、穗肥30%(翌年4月3日)的比例运筹，磷肥和钾肥全部基施，采用太仓项氏农机有限公司生产的“六位一体”化机械，机条播小麦同步机械深施基肥，拔节肥和穗肥人工撒施。本试验共3个处理组合，即0N、FN、RN。

2015—2016年度和2016—2017年度，2季小麦播种时间均为11月6日，播种量225.0 kg/hm。供试小麦品种为扬麦19。试验用肥为含15% N、15% PO、15% KO的复合肥，氮、磷、钾肥不足部分用含46.2% N的尿素、含12% PO的过磷酸钙、含60% KO的氯化钾补齐。各试验小区500.0 m，设置3次重复。麦田日常管理同当地优质高产小麦栽培方法一致。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 小麦生物产量 小麦成熟期，各小区在小麦长势均衡的位点，分别调查2个1 m小麦穗数，折算平均穗数，据此取样20株，分别测定植株的茎鞘、叶片和穗等器官干物质质量(105 ℃杀青30 min后，于70 ℃下烘干至恒质量)，计算小麦生物产量。

1.3.2 小麦产量及其构成因素 各小区分别调查2个1 m小麦穗数，折算平均穗数；据此取样20株调查每穗平均粒数，测定千粒质量；计算理论产量。

1.3.3 植株氮素含量 将小麦成熟期样品按茎鞘、叶片和穗分别粉碎、消煮、定容后，用半微量蒸馏-滴定法测定植株全N含量。

1.3.4 土壤速效氮素含量 在小麦拔节、抽穗和成熟3个时期，各小区选3个采样点，取0～20 cm深度的耕作层土样，混匀后放置于自封袋，暂存在保鲜盒中，随即带回实验室分成小块，将植物根系及石子等用镊子挑出，待检。用浓度为2 mol/L 的氯化钾浸提后，采用分光光度计比色法分别测定土壤铵态氮和硝态氮含量。将各处理3个采样点的测得值平均，得到测定值。

1.3.5 氮肥吸收利用率 氮肥处理区在扣除空白区本底小麦籽粒产量后施用单位氮肥所增产的谷物产量为氮肥农学利用率(kg/kg)；小麦氮肥施用区在扣除空白区本底吸氮量后占比氮肥投入量的多少为氮肥吸收利用率(%)；氮肥处理区小麦产量和氮素累积量在同步减掉空白本底小麦产量和氮素累积量后之间的比值为氮肥生理利用率(kg/kg)；各氮肥处理区小麦产量与其纯氮施用量的比值为氮肥偏生产力(kg/kg)。

籽粒产量除以全株吸氮量为小麦氮素籽粒生产效率(g/g)；籽粒吸氮量除以全株吸氮量为小麦氮素收获指数。

1.4 数据分析方法

试验数据用Excel 2007整理并制图，用SPSS 13.0软件进行处理间差异显著性检验。不同处理间差异用()最小显著差数法进行判定，大于和标准的分别被认为差异显著和极显著。

2 结果与分析

2.1 基肥深施减氮条件下小麦产量及构成

如表1所示，有效穗数方面，小麦有效穗数在年度间差异显著；基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理平均下降7.83%，2个处理差异显著。每穗粒数方面，2015—2016年度基肥深施减氮处理与农民常规施肥处理差异不大；2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理增加6.87%，处理间的差异达显著水平。千粒质量方面，年度间小麦千粒质量差异显著；基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理平均增高4.03%，处理间的差异达显著水平。

不施氮肥处理小麦产量最低，比农民常规施肥平均下降46.14%。与农民常规施肥相比较，氮肥施用量减少15%条件下机械深施基肥，2015—2016年度小麦产量增加0.80%，2016—2017年度小麦产量降低2.13%，处理间的差异均不显著；2016—2017年度小麦产量比2015—2016年度小麦产量显著降低，主要是因为2016—2017年度小麦千粒质量显著降低。

表1 基肥深施减氮条件下小麦产量及构成

2.2 基肥深施减氮条件下小麦生物产量和经济系数

如图1所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦生物产量分别下降2.85%和5.26%，不同年度处理间的差异均达显著水平；不同年度间小麦生物产量差异显著。小麦的经济系数以农民常规施肥处理最低，不施氮肥处理最高；2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦经济系数分别提高3.43%和3.30%，2015—2016年度处理间差异均达显著水平；不同年度间小麦经济系数差异不明显。小麦籽粒产量是其生物产量与经济系数的乘积。虽然，小麦生物产量基肥深施减氮处理显著低于农民常规施肥处理，但是其经济系数显著增加，因此能保证其产量不减。

2.3 基肥深施减氮条件下小麦氮素累积量

如图2所示，2015—2016年度氮肥减量处理小麦氮素累积量比农民常规施肥处理提高7.11%，2016—2017年度氮肥减量处理小麦氮素累积量比农民常规施肥处理降低0.58%，2015—2016年度处理间的差异达到显著水平；年度间小麦氮素累积量差异显著。

2.4 基肥深施减氮条件下小麦氮素效率及收获指数

如图3所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦氮素籽粒生产效率分别降低6.11%、3.30%，不同处理间差异未达显著水平；小麦氮素籽粒生产效率年度间差异也不显著。小麦氮素收获指数方面，2015—2016和2016—2017年度氮肥减量处理比农民常规施肥处理分别提高1.63%、0.61%，处理间的差异均未达显著水平；年度间农民常规施肥处理小麦氮素收获指数差异显著。小麦氮素收获指数为小麦籽粒中所含氮素占地上部分氮素累积量的比例。氮肥减量处理提高了小麦氮素收获指数，说明通过氮肥减量处理能够促进小麦植株氮素向籽粒中运转。

2.5 基肥深施减氮对小麦氮素利用率的影响

如表2所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦氮肥农学利用率分别提高19.78%和12.55%，处理间的差异均达显著水平；年度间基肥深施减氮处理小麦氮肥农学利用率差异不显著。2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦氮肥吸收利用率分别提高28.82%和16.75%，处理间的差异均达显著水平；小麦氮肥吸收利用率年度间差异也达显著水平。2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦氮肥生理利用率分别下降6.97%和3.64%，处理间的差异均达显著水平；2016—2017年度小麦氮肥生理利用率显著大于2015—2016年度。2015—2016和2016—2017年度基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理小麦氮肥偏生产力分别提高18.58%和15.11%，处理间的差异均达显著水平；小麦氮肥偏生产力年度间差异显著。综上，通过基肥深施以及合理肥料运筹，施用氮肥量减少15%能够提高小麦氮肥农学利用率、吸收利用率以及氮肥的偏生产力。

表2 基肥深施减氮对小麦氮素利用率的影响

2.6 基肥深施减氮条件下土壤速效氮素养分

如表3所示，随着小麦生长发育的进展，基肥深施减氮和农民常规施肥处理土壤速效氮素养分的动态曲线均表现出先增加再减少开口向下抛物线的二次函数关系，这可能与试验年度麦季氮肥运筹模式相关。基肥深施减氮处理比农民常规施肥处理麦田土壤速效氮含量，在小麦拔节、抽穗和成熟期分别提高7.49%、10.07%和8.83%，处理间差异显著。说明麦季通过机械深施基肥的同时减少氮肥使用量，在小麦生育中、后期仍然维持较高的麦田土壤速效氮素含量，保证小麦的生长发育和产量形成。

表3 基肥深施减氮条件下麦田土壤速效氮素养分含量

3 讨论与结论

氮素是小麦生长发育和产量形成的重要营养元素。但超量投入氮肥，不仅不会提高小麦产量，还会增加生产成本，降低氮肥吸收利用效率。影响麦季氮肥施用量的主要因素有小麦品种、土壤肥力、气候条件、降水量、目标产量等。此外，通过改进施肥方式，可以实现小麦氮肥减量，提高肥料利用效率，确保小麦高产稳产。麦季不同耕作模式研究表明，轮耕处理有利于提高田间土壤的保水保肥能力，提高小麦的干物质累积量和谷物产量，2年深松结合1年免耕处理增产效果尤为显著。采用缓控释氮肥替代普通尿素，在减少20%氮肥施用量时，能够保证小麦高产稳产，并提高麦季氮肥吸收利用效率和小麦生产的经济效益。增施有机肥能够有效改善生育中后期土壤水分状况，提高氮肥利用效率，增加地上部生物量的积累，使小麦产量提高9.1%。本研究表明，机械深施基肥条件下，将氮肥施用量减少15%，小麦产量和农民常规施肥大致持平，使氮肥吸收利用率提高了22.8%。说明通过改进农艺管理措施，在实现麦季氮肥减量的同时，保证了小麦籽粒产量，提高了氮肥利用效率，本研究与前人的结果基本一致。主要是因为将小麦基肥深施，减少麦季氮肥随降雨产生地表径流流失风险，同时避免肥料表施后形成氨挥发和氧化亚氮等气态损失，从而提高了氮素肥料利用效率。

从小麦氮肥吸收利用率来看，四川盆地小麦氮肥减量试验2年的研究表明，与习惯施肥相比，减少50%氮肥施用量仍可维持小麦产量，并使小麦氮肥吸收利用率提高69.1%，氮肥偏生产力提高79.2%，但也导致土壤氮素亏缺，需注意土壤养分平衡问题。渭北旱塬有机无机肥配施，在降低27.1%氮肥投入量条件下，可以使小麦产量提高14.7%，其中150 kg/hm化学氮肥施用量配施有机肥处理小麦氮肥吸收利用率为最高，达到42%。本研究结果显示，与农民常规施肥比较，机械深施基肥条件下，将施氮量减少15%，小麦氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力分别平均提高16.17%、22.79%和16.85%。本研究小麦氮肥吸收利用率明显小于前人的研究结果，主要是因为本研究氮肥减量的幅度明显小于前人的研究，减少了氮肥被当季小麦的吸收比例。

关于麦田养分管理对土壤肥力的影响，温延臣等研究表明，通过商品有机肥部分替代化肥，减少化学氮肥的施用量，施用3年后，能确保小麦产量不减，并能够培肥地力，使土壤全氮含量提高12.3%。本研究表明，与农民常规施肥相比较，机械深施基肥，氮肥施用量减少15%，小麦产量不减，麦田土壤速效氮含量在小麦不同生育时期均得到显著提高。说明通过改进施肥方式，机械深施基肥，将氮肥施用量减少15%，可提高麦季氮肥吸收利用效率，保证小麦高产稳产，同时保持麦田土壤肥力不减，有利于农业生产节本增效和可持续发展。氮肥减量50%的研究表明，经过连续2季的试验，虽然能保证小麦产量不减，但是土壤氮素盈余为-30.2 kg/hm，土壤氮素出现了较大幅度亏缺。表明需要在确保土壤养分平衡条件下减施氮肥，以维持长期地力，减量幅度不宜过大。 而连续4季的研究表明，通过施用控释氮肥减氮30%，较常规施用化肥处理对小麦产量和麦田土壤氮素养分状况无显著影响。说明本研究如果采用缓控释氮肥替代普通化肥，并通过机械深施，可能会进一步减少麦季氮肥施用量，具体减量幅度有待于进一步研究。

在苏北平原，与当地农民常规种植小麦方式相比较，通过使用播种施肥一体化机械条播小麦的同时深施小麦基肥，并降低15%的化学氮肥投入量，能够提高小麦的氮素吸收利用率，保证小麦生长发育的氮素养分供应，获得小麦的高产稳产，并维持地力不减。麦季采用播种施肥一体化机械作业可以减少麦田氮肥的投入量，降低农业生产劳动强度，减轻农业面源污染风险，具有推广应用前景。关于播种施肥一体化机械作业对小麦生产经济效益和生态效益的影响，有待于进一步研究和评估。