2019, Vol. 56
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008;
3. 河南心连心化肥有限公司，河南新乡 453730
冬小麦/夏玉米周年轮作是黄淮平原典型的作物种植制度。氮肥施用，尤其是氮肥的合理施用是提高小麦、玉米等作物产量的重要因素[1]。氮肥用量和施肥方式对小麦、玉米产量及氮肥利用率均有重要影响[2-3]。2015年统计数据显示，中国化肥施用量已达6.023×107 t，其中，氮肥用量达2.362× 107 t，占化肥总量39.2% [4]。然而，中国化肥施用量持续增加，特别是氮肥的过量施用并未显著增加作物经济产量[5-7]，且导致一系列问题出现，如氮肥利用率持续下降[7-8]、地下水污染加重[9]，进而可能加重对农田生态系统的环境威胁[10]。
国际肥料工业协会根据化肥制造工艺分为缓释肥（如脲甲醛等）和控释肥（控释尿素、控失尿素等），控释肥料是指能减缓或控制养分释放速度的新型肥料，而控失肥则是通过内置包裹型材料控制肥效损失的一种新型缓释肥料，广义上而言，缓释肥料是控释肥料一种[11]。多数研究表明，缓/控释氮肥的施用对增加农作物经济产量、提高氮肥利用率和降低环境污染具有明显效果[12-14]。然而，有关缓/控释氮肥的应用报道不尽相同。有研究认为，在保证总氮情况下，控释尿素与普通尿素配施显著提高作物产量和氮肥利用率[15]。相反的研究则认为，在等氮量供应条件下，一次性施用控释尿素较分期施用普通尿素可显著提高作物产量[16-17]。此外，也有因氮肥种类不同而导致减施效果存在明显差异的报道，如孙晓等[18]研究认为，与常规施肥（225 kg·hm-2）相比，普通尿素减施20%可导致春玉米减产，而控释尿素减施20%则可增加作物产量、提高氮肥利用率和经济效益。此外，有关控释尿素与普通尿素的运筹方式的报道认为，基施控释氮肥与拔节期追施普通尿素可显著提高小麦产量和氮肥农学效率[19]。总体而言，不同的氮肥运筹方式对作物产量和氮肥利用效率均有显著影响[13, 16-19]，但目前黄淮小麦/玉米轮作区尚缺乏对氮肥运筹方式的系统研究，且前人的研究报道不一致也将影响该区氮肥的合理施用，致使该区氮肥的盲目施用等不合理现象屡见不鲜。
为此，本文结合当前黄淮冬小麦/夏玉米典型轮作种植区实际生产中所应用的主要氮肥类型、施氮方式及氮肥用量，通过连续两周年的氮肥运筹田间定位试验，研究冬小麦/夏玉米高产栽培的氮肥施用技术，以期为该地区农田氮肥优化管理和化肥零增长目标实现提供一定的理论和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2015年10月—2017年10月在位于黄淮典型冬小麦/夏玉米轮作种植区的河南省封丘县中国科学院封丘农业生态实验站（34°01′N，114°45′E）进行。该站位于河南省东北部，新乡市东南隅，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14 ℃；降水量分布不均匀，多集中在6—8月。2015—2016年冬小麦/夏玉米生育期降水量为676.8 mm，2016—2017年冬小麦/夏玉米生育期降水量为501 mm，无霜期214 d，日照时数1 928.5 h。本试验连续2个轮作周期逐月降水量和温度见图 1。试验地土壤为黄河沉积物上发育的砂质潮土，其0~20 cm耕层有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为11.2 g·kg-1、0.79 g·kg-1、36.1 mg·kg-1、10.5 mg·kg-1、92.1 mg·kg-1，pH为8.30。
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图 1 2015—2017连续2个冬小麦/夏玉米轮作逐月降雨量和日平均温度变化 Fig. 1 Monthly rainfall and daily temperature during the 2 wheat/maize rotation cycles from 2015 to 2017 |
试验供试作物为国审冬小麦品种豫麦49-198和国审夏玉米品种郑单958。氮肥品种为控失尿素（总氮大于等于43.2%，为内质包裹型新型缓释尿素，专利号ZL201210392722.7; Loss control urea；简称LCU）和普通尿素（Urea）两种，均由河南心连心化肥有限公司提供。施氮量设0、80、160和240 kg·hm-2（以N计，下同）四个水平。两个冬小麦和夏玉米作物季氮、磷、钾肥施用量相同。氮肥施用每季均按照6:4基追比例进行：基肥在播种前撒施土壤表面，然后翻入土壤耕层15~20 cm处；追肥冬小麦季在拔节期，夏玉米季在大喇叭口期，追施方式分别为冬小麦撒施加灌水，夏玉米穴施加灌水。磷、钾肥分别按照P2O5 150 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2用量作为基肥一次性施用。各试验小区氮肥运筹方式和施氮量水平详见表 1。所有试验处理均设置3次重复，随机排列，各小区面积为16 m2。试验各小区四周水泥浇筑以阻止小区间水肥互串。试验区其他管理与当地一致。
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表 1 试验方案 Table 1 Experiment scheme |
地上植株样品分籽粒和秸秆（冬小麦为茎秆、叶和颖壳，夏玉米分茎秆和叶）部位分开置于烘箱中于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称重。样品粉碎后采用凯氏定氮法测定全氮含量。
于冬小麦、夏玉米成熟期各试验小区单打单收，经烘干后按照13%标准水分含量计算籽粒和秸秆产量。
1.4 数据处理氮肥农学效率(kg·kg-1)=（施氮区每季产量—不施氮区每季产量）/施氮量
累积氮肥农学效率(kg·kg-1)=（施氮区累积产量—不施氮区累积产量）/累积施氮量
累积氮素吸收效率(kg·kg-1)=施氮区累积地上部吸氮量/累积施氮量
经济效益核算：肥料成本按照尿素1 800 yuan·t-1，控失尿素2 500 yuan·t-1，磷肥P2O5 3 000 yuan·t-1，钾肥K2O 3 200 yuan·t-1计算；籽粒产量收益根据当年市场价格计算，2015—2016年和2016—2017年冬小麦价格分别为2.4 yuan·kg-1和2.5 yuan·kg-1，夏玉米分别价格为1.4 yuan·kg-1和1.7 yuan·kg-1；每季作物追肥劳动力按当地平均劳动力水平420 yuan·hm-2计算；其他投入包括种子、农药、整地、播种、灌溉、收获等每季作物按2 600 yuan·hm-2计算。
采用Microsoft Excel 2 013处理试验数据，SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析，并采用最小显著差异（LSD）法比较不同处理间的差异性，Origin Pro 8.0绘图。图表中的不同小写字母表示处理间差异达P < 0.05显著水平。
2 结果 2.1 氮肥运筹对冬小麦/夏玉米产量及氮肥效率的影响两年作物产量存在年际变异（表 2）：2016—2017年冬小麦/夏玉米各施氮处理的产量及氮肥利用率较2015—2016年高。160~240 kg·hm-2等量施氮水平下，冬小麦/夏玉米两年产量均表现为T1优于T2、T3、T4，且在施氮量为160 kg·hm-2下产量最高。与T2~T4相比，2015—2016年和2016—2017年T1小麦产量增产率分别高出1.4%~4.6%和9.3%~22.4%，玉米产量增产率分别高出3.1%~10.7%和5.6%~18.5%。从2年4季平均数据来看，随着施氮量增加，作物平均产量均表现为先升高后降低趋势，两年度氮肥运筹方式间产量均以T1处理相对较高。
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表 2 氮肥运筹对冬小麦/夏玉米产量和氮肥效率的影响 Table 2 Effects of nitrogen application (mode and rate) on yield and nitrogen use efficiency of winter wheat / summer maize |
冬小麦/夏玉米各季氮肥农学效率随着施氮量的增加呈下降趋势（表 2）。施氮量为160 kg·hm-2和240 kg·hm-2时，T1较T2、T3和T4高，两年累积氮肥农学效率也表现为相同规律（表 3）。2016—2017年度的作物氮肥农学效率较2015—2016年度高，这主要与连续两年不施氮对照处理下土壤氮损耗有关。
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表 3 氮肥运筹对冬小麦夏玉米两周年累积氮肥效率的影响（2015—2017年） Table 3 Effects of nitrogen application (mode and rate) on accumulative nitrogen use efficiency of winter wheat and summer maize in 2015—2017 |
年份、施氮量和氮肥运筹三因素分析结果表明（表 2），年份和施氮量是影响作物产量和氮肥农学效率的重要影响因素，对冬小麦夏玉米均有显著影响；氮肥运筹方式仅对生育期相对较长的冬小麦有重要影响，而对生育期相对较短的夏玉米影响不显著。
随施氮量增加，各氮肥运筹方式下冬小麦/夏玉米作物累积氮素吸收量（两年4季）均表现出先增加后降低趋势，而氮肥农学效率和氮素吸收效率则显著降低（表 3）。每季160 kg·hm-2施氮水平（4季总用量640 kg·hm-2）下，T1累积氮素吸收量最高，且其氮肥农学效率和氮素吸收效率也显著高于T2、T3和T4。
2.2 不同氮肥运筹模式下经济效益相同氮肥运筹方式下，两年度N 160 kg·hm-2周年产量和产值及纯效益均优于其他施氮处理（表 4）。160~240 kg·hm-2等量施氮水平下，尽管T1氮肥运筹方式肥料成本较高，但因其节省了追肥人工成本，并取得相对较高的周年产量和产值，使得两年度T1纯经济效益均高于T2、T3和T4，且在施氮量160 kg·hm-2时达到最大。
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表 4 氮肥施用经济效益 Table 4 Economic benefit analysis of nitrogen application (mode and rate) |
相同氮肥运筹方式下，对两年冬小麦、夏玉米平均产量与施氮量间的关系进行一元二次方程拟合，结果发现（表 5），氮肥运筹方式T1下施氮量为169 kg·hm-2时小麦产量较高（7 518 kg·hm-2），施氮量为173 kg·hm-2时玉米产量最高（11 757 kg·hm2）。
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表 5 两年平均冬小麦/夏玉米产量与施氮量的关系 Table 5 Relationship between winter wheat and summer maize yield and nitrogen rate in two years |
通常情况下，随着氮肥用量增加作物产量呈现逐渐增加的趋势，但在超过一定施氮量后产量增长缓慢或不再增加[20]。当前，有关北方小麦/玉米轮作体系氮肥最佳用量的研究，结果不尽相同。薛泽民等[21]在晋南地区小麦/玉米轮作田间试验研究认为，总氮量控制在420 kg·hm-2情况下，小麦施氮231 kg·hm-2和玉米施氮189 kg·hm-2时可获得周年轮作最高产量。茹淑华等[22]在河北山前平原连续种植6年小麦/玉米定位试验结果表明，小麦最佳施氮量为250 kg·hm-2，玉米最佳施氮量为180 kg·hm-2。本研究中，随着施氮量增加，连续4季作物产量均呈现先增加后缓慢降低趋势，一次性基施控失尿素160 kg·hm-2可起到控量节本、增产稳产以及提高氮素利用率的作用。一次性基施控失尿素实现氮肥减量稳产的可能原因如下：一是与控失肥本身在生产过程中添加“控失剂”有关，控失剂遇水形成一张“网”，养分被“锁”在土壤中，防止肥料流失，能供应作物全生长生育期内所需养分[23]；二是与播种前控失尿素一次性深施（15~20 cm）减少氮素损失有关[24]。本研究适宜施氮量略低于前人关于该区适宜氮肥用量的报道[25]，分析原因可能与试验环境、播种时期、氮肥种类以及氮肥运筹方式不同有关。
氮肥利用率的提高是降低农业生产投入和农田面源污染的重要举措，而缓/控氮肥适宜的运筹方式可以起到提高作物氮肥利用率的作用[25-26]。梁熠等[26]认为，在总施氮225 kg·hm-2时控释尿素基施(60%)+尿素追施(40%)处理春玉米的农学效率高于一次性全部基施控释尿素处理。周丽平等[14]认为，一次性施用控失尿素的氮肥利用率较一次性施用普通尿素高。陈祥等[27]研究认为，50%基施+50%返青期追施尿素的氮肥利用率明显高于“一炮轰”传统施肥。于淑芳等[16]在山东恒台小麦玉米轮作试验研究认为，在80%正常施氮量下一次性基施控释尿素（小麦168 kg·hm-2和玉米180 kg·hm-2）可明显提高氮肥农学利用率和偏生产力。然而，也有减施10%控失尿素处理可显著降低农学效率、偏生产力的相反报道[28]。本研究中，随施氮量增加，累积氮肥利用率呈降低趋势，且在等量氮肥供应水平下施用控失尿素可明显提高氮肥利用率和氮素吸收效率，特别是在160 kg·hm-2施氮水平下控失氮肥一次性基肥深施更有利于提高氮肥利用率和作物产量，说明基施控失尿素可能有利于提高籽粒氮素吸收转运[29]，而分期施用普通尿素、基施控失尿素加追施普通尿素以及基施普通尿素加追施控失尿素处理在冬小麦/夏玉米生育后期籽粒器官所需氮素营养未被有效地吸收利用。
有研究指出，减量20%基施缓/控尿素不仅能提高氮肥利用率，还可维持作物高产，降低肥料成本和劳动力成本，增加纯效益[18]。本试验条件下，等量施氮160 kg·hm-2时，2015—2016年纯效益为一次性基施控失尿素（T1处理）较高，尿素基施加控失尿素追施（T4处理）次之；2016—2017年T1处理周年产量、周年产值及纯效益同样均显著高于其他施氮方式处理。由于评价经济效益不能单从单季作物或者单个轮作作物，应至少2个轮作周期以上进行评价[30]。因此，综合考虑两年的平均纯效益、不确定的地力因素、冬小麦夏玉米最佳经济施氮量、粮食价格及肥料价格，结合氮肥与产量模拟曲线方程，认为适合当前本地区的适宜施氮量在160~173 kg·hm-2范围，施氮方式为一次性基施控失尿素处理。此外，考虑到当前农村劳动力向城市转移，农村仅剩下留守老人和妇女务农，以及新型农业经营主体的大量涌现，急需省时省力的简约化肥料施用技术[22]的时代背景，本研究在160~173 kg·hm-2施氮范围内一次性基施控失尿素的施肥方式迎合了国家当前对农业的“两减”（减肥减药）中“减氮”目标，同时满足了农业对轻简化栽培技术的需求，具有一定的应用前景。
4 结论随施氮量增加，连续两周年冬小麦/夏玉米籽粒产量均呈先增加后缓慢降低的趋势，其中以160~173 kg·hm-2一次性基施控失尿素处理增产增收效果最好。与农户习惯施肥（尿素一基一追）相比，一次性基施控失尿素主要通过节约施肥人工成本和小幅增加作物产量进而起到控量节本、增产增效及提高氮素利用率的作用，迎合当前提倡的轻简化施肥技术需求，可作为潮土区黄淮平原较适宜的集约化农田氮肥运筹方式。
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2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Henan Xinlianxin Fertilizer Co. Ltd, Xinxiang, Henan 453730, China