緩/控釋肥條施對春玉米產量、吸氮量與氮平衡的影響

趙 營，劉曉彤，羅健航，趙天成，張學軍

（寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川 750002）

我國是世界上最大的氮肥消費國，但過量和不合理施用氮肥造成我國主要作物氮肥利用率僅30%～35%［1］，大量施用氮肥已造成土壤酸化、水體污染和大氣污染等一系列環境問題［2-4］。近年來，國家已明確提出了化肥減量施用的發展戰略，傳統的常規化肥品種已不能滿足現代農業的綠色高質量發展。緩/控釋肥料的養分釋放周期長，養分釋放時間可控，氮肥利用率可大幅度提高［5-6］，同時降低環境污染風險［7］，且一次性基施可滿足作物整個生育期對氮素的需求，降低了生產成本［8-9］。進入21 世紀以來，高效緩/控釋肥料成為了新型肥料研究領域的重點，在其生產工藝技術、養分釋放特性和田間施用效應等方面已做了大量研究［10-13］，在緩/控釋肥料施用技術上也有所突破［14-15］。緩/控釋肥已逐漸成為傳統常規肥料的重要替代產品。

寧夏引黃灌區農業集約化水平高，過量施肥和大水灌溉的粗放管理模式造成了農業面源污染問題嚴重［16-17］。寧夏引黃灌區主要作物平均施N 337.4 kg/hm2、P2O5160.5 kg/hm2，氮磷過量施用十分突出，且以傳統的常規肥料為主［18］。據統計，2017年寧夏全區玉米播種面積為30.6 萬hm2，占糧食作物總面積的42.3%，而其產量占全區糧食總產的58.1%［19］。近年來，寧夏全區對玉米產業帶進行了區域規劃，已逐步形成了引黃灌區玉米產業帶、揚黃灌區糧飼兼用玉米產業帶和南部山區優質飼用玉米產業帶，但與之配套的高效施肥技術和新型肥料產品的研發還明顯不足。緩/控釋肥一次性條施對寧夏春玉米的產量效應和環境效應研究成為亟待解決的首要問題，研究結果可為玉米生產的農機農藝融合提供技術與產品支撐。因此，本文利用自主研制的玉米專用緩釋肥和控釋摻混肥，以普通復合肥和農民習慣施肥為對照，探討了緩/控釋肥一次性條施對春玉米產量、吸氮量、土壤無機氮殘留與氮素表觀平衡的影響，為寧夏引黃灌區春玉米一次性施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏引黃灌區的吳忠市利通區東塔寺鄉劉堿灘村進行，位于東經106°14′9″，北緯38°1′6″。年均降水量不足200 mm，引黃河水自流灌溉，種植模式為年際間水旱輪作，上茬作物為水稻。供試土壤為灌淤土，0 ～20 cm 土壤pH 7.92，全鹽0.92 g/kg，有機質19.8 g/kg，全氮1.24 g/kg，無機氮（NO3--N+NH4+-N）31.7 mg/kg，有效磷 51.0 mg/kg，速效鉀 200.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

春玉米品種為晉單73，2017 年4 月10 日 播種，等行距60 cm，株距20 cm，栽培密度為7.37萬株/hm2。5 月25 日（苗期，10 展葉期）施基肥，除農民習慣施肥處理外，其它施肥處理都為一次施肥；9 月13 日收獲取樣。共設置5 個施肥處理:①不施任何肥料（CK）；②農民習慣施肥（CON），施肥量折合純N 360 kg/hm2（普通尿素N 46%），P2O5135 kg/hm2（重過磷酸鈣P2O546%），K2O 90 kg/hm2（氯化鉀K2O 60%），60%的氮肥與全部磷鉀肥在苗期（5 月25 日）側條施用，40%的氮肥在大喇叭口期（7 月21 日）結合灌水撒施追肥；③普通復合肥（CF，15-15-15）；④自研制春玉米緩釋肥（SRF，22-8-6），由尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）和雙氰胺組合材料按比例復合生產；⑤自研制春玉米控釋摻混肥（BB，17-20-8，一種含聚氨酯包膜尿素的BB 肥），由聚氨酯包膜尿素（N ≥43%，釋放周期90 d 以上）［20］、重過磷酸鈣（P2O546%）和氯化鉀（K2O 60%）按配方比例復混而成；處理②、③、④、⑤折合純N 用量都為240 kg/hm2，在春玉米苗期用小型中耕機械全部一次性側條施用，即將肥料一次性呈條狀集中施在玉米行的一側10 cm 左右，施肥深度5 ～8 cm。采用大區對比試驗，每個施肥試驗區面積為150 m2（6 m×25 m），隨機排列。其它灌水、除草、噴藥等管理同當地大田。

1.3 樣品采集與測定

春玉米成熟后，在每個試驗區重復3 次，取6行18 m2樣方（不帶苞葉）全收，統計收獲地上部子粒和秸稈鮮重，同時每個施肥處理樣方中各隨機取10 個玉米棒子和10 株秸稈樣，折算子粒和秸稈產量。

1.4 計算公式與統計方法

氮肥表觀利用率、表觀殘留率、表觀損失率及氮素表觀平衡的計算方法參照文獻［21］。

圖表數據均采用Excel 2007 及DPS 7.05 進行統計分析，多重比較為LSD 法檢驗。

2 結果與分析

2.1 緩/控釋肥條施對春玉米產量的影響

表1 可以看出，不同施肥處理下春玉米子粒、秸稈產量分別為9.6 ～15.6、11.3 ～14.2 t/hm2，施肥可顯著提高春玉米子粒產量和秸稈產量。相對于CK 處理，施肥處理下春玉米子粒增產了35.4%～62.5%，秸稈增產了10.6%～25.7%。與CON 處理相比，SRF 和BB 處理下玉米子粒產量分別顯著增加了19.2%和20.0%，而緩/控釋肥條施處理間產量基本相當，CF 處理下子粒產量沒有差異。不同施肥處理下春玉米收獲指數為0.46 ～0.55，BB 和SRF 處理下相對較高，較CON處理分別提高了0.04 和0.07。這表明緩/控釋肥條施較農民習慣施肥，能顯著提高春玉米的子粒產量，從而顯著提高其收獲指數。

表1 不同施肥處理下春玉米產量與收獲指數

2.2 緩/控釋肥條施對春玉米氮素吸收利用的影響

表2 結果顯示，不同施肥處理下春玉米子粒N、秸稈N 和地上部N 吸收量分別為112.0 ～192.0、60.4 ～100.7、172.4 ～292.7 kg/hm2，SRF 和BB 處理下相對較高。與CON 和CF 處理相比，SRF 和BB處理能顯著提高春玉米子粒N 和地上部N 的累積量，但對秸稈N 吸收影響不明顯。不同施氮處理下氮肥偏生產力為36.2 ～65.2 kg/kg，表明每施入1 kg氮肥，SRF 和BB 處理可生產64.5、65.2 kg 的玉米子粒，而CON 處理下僅36.2 kg，顯著低于緩/控釋肥和普通復合肥處理。由此可見，緩/控釋肥條施較農民習慣施肥，能顯著促進氮素在玉米子粒中累積，提高了其地上部氮的吸收利用。

表2 不同施肥處理下春玉米吸氮量與氮肥偏生產力（PFPN）

2.3 不同施肥處理下0 ～100 cm 土壤剖面無機氮殘留量

圖1 為不同施肥處理下春玉米收獲后0 ～100 cm 土壤剖面硝態氮和銨態氮殘留，可看出，春玉米種植前，0 ～100 cm 土壤各剖面硝態氮殘留量為13.2 ～86.2 kg/hm2，主要累積在0 ～40 cm 土層；而玉米收獲后，CON 處理下各層土壤硝態氮殘留量為17.3 ～97.4 kg/hm2，主要累積層次下移 到60 ～100 cm 土 層。SRF、BB、CF 處 理 下0 ～100 cm 土壤各剖面硝態氮殘留量與CK 差異不大，且主要累積在0 ～20 和20 ～40 cm 土層，而40 ～100 cm 深層土壤硝態氮殘留量較CON 處理明顯降低。春玉米種植前，0 ～100 cm 土壤各剖面銨態氮殘留僅1.4 ～3.7 kg/hm2，玉米收獲后，不同施肥處理0 ～100 cm 土壤剖面銨態氮殘留量差異不大，總體在1.0 ～3.0 kg/hm2之間波動，其殘留量很有限。因此，相對于農民習慣施肥，緩/控釋肥條施能明顯降低0 ～100 cm 土壤剖面的硝態氮殘留，而對銨態氮殘留影響不明顯；農民習慣施肥造成硝態氮向60 ～100 cm 深層土壤淋洗的趨勢明顯。

圖1 不同施肥處理下春玉米收獲后0 ～100 cm 土壤剖面硝態氮和銨態氮殘留

2.4 春玉米-土壤體系氮素表觀平衡

表3 結果顯示，氮肥為氮素輸入主要來源（N 240.0 ～360.0 kg/hm2），其次為試驗前0 ～100 cm土體Nmin殘留量（200.0 kg/hm2），玉米全生育期氮素表觀礦化量為29.0 kg/hm2，CON 處理下氮肥總輸入量589.0 kg/hm2。玉米地上部吸N 量為氮素主要輸出項，CON 處理下0 ～100 cm 土體Nmin殘留量高達216.1 kg/hm2，SRF、BB、CF 處理使其分別顯著降低了62.8%、56.2%、63.1%。相對于CON（140.8 kg/hm2），SRF 和BB 處理下氮素表觀損失分別顯著降低了23.9%和42.0%，普通復合肥（CF處理）施用造成氮素表觀損失不容忽視。氮素表觀平衡分析表明，緩/控釋肥條施較農民習慣施肥不僅顯著降低了0 ～100 cm 土體Nmin殘留量，而且顯著降低了氮素表觀損失量。

表4 為春玉米種植下氮肥表觀去向分析，可以看出，不同施肥處理下春玉米當季氮肥表觀利用率為16.6%～50.1%，農民習慣施肥處理下利用率最低，而SRF 和BB 處理下其利用率提高了2.7 ～3.0倍。不同施肥處理下春玉米氮肥表觀殘留率為8.3%～44.3%，CON 處理下最高，SRF、BB、CF處理下殘留率顯著降低。當季氮肥表觀損失率以CF 處理最高，達62.5%，顯著高于其它施氮處理。總體來說，CON 和CF 處理下氮素表觀盈余率（殘留率+損失率）分別達83.4%和70.8%，而SRF 和BB 處理分別僅為54.5%和49.8%，降低了環境污染的風險。

表3 不同施肥處理下春玉米-土壤體系氮素表觀平衡 （N，kg/hm2）

表4 不同施肥處理下春玉米-土壤體系氮肥表觀去向 （%）

3 討論

緩/控釋肥是提高作物產量和肥料利用率，降低生產成本和環境污染風險的重要替代肥料產品。有研究發現，緩/控釋肥對陜西關中地區夏玉米的增產效應不明顯（相對農民習慣施肥增產率為5%），但顯著提高了其千粒重和行粒數，同時節氮30%［22］。河南和山東地區的夏玉米試驗結果表明，兩省區專用緩釋肥一次性基施分別較習慣施肥增產了6.95%～8.28%和6.37%～9.64%［9］。與農民傳統施肥相比，緩/控釋肥一次性基施可使玉米、小麥、水稻三大糧食作物產量顯著提高3.1%～31.7%、氮肥利用率顯著提高6.2%～86.6%［23］。本研究條件下，與農民習慣施肥處理相比，緩/控釋一次性條施使春玉米子粒產量顯著增加了20.0%左右，氮肥利用率提高了2.7 ～3.0 倍，其增產幅度明顯高于夏玉米。寧夏引黃灌區春玉米的氮肥施用嚴重過量，再加上引黃大水灌溉，農民習慣施肥造成玉米當季氮肥表觀利用率僅16.6%（表4），施入氮肥的83.4%未被當季作物吸收利用，進入環境的風險明顯提高。

作物干物質累積量是形成子粒高產的物質基礎。同等氮磷鉀供應水平下，施用緩釋肥處理下玉米的干物質累積量顯著高于農民傳統施肥，但其子粒產量無顯著差異［24］。施用包膜尿素和穩定性肥料有利于春玉米后期子粒干物質累積及養分向子粒的轉移，而在氮肥用量較高時造成玉米生育后期養分的再利用率降低［25］。在東北春玉米種植區域，在農民習慣施肥減氮20%的基礎上施用緩/控釋肥，3 年平均增產3.3%，與秸稈還田配化肥處理的產量基本相當，都沒達顯著水平［26］。緩/控釋肥料能控制肥料中養分釋放速率，一次施用能滿足玉米生育期內養分需求，從而提高玉米的氮肥生產效率和利用率。脲醛肥料和包膜尿素等緩/控釋肥在東北黑土土壤中的氮素釋放天數為60 d 左右，釋放高峰在播種后32 d 前后，之后土壤速效氮含量呈下降趨勢［27］，這與本試驗中緩/控釋肥的氮素釋放特性一致。本研究中，自研制緩/控釋肥在土壤中的氮素釋放天數在65 d 以上，釋放高峰在施入土壤的第32 d 前后，65 d 后土壤中依然有低量的肥料氮釋放［28］，能夠實現一次性條施。本研究條件下，緩/控釋肥條施較農民習慣施肥，能顯著促進玉米子粒氮素累積，并提高了氮肥偏生產力，氮肥當季表觀利用率達45.5%～50.1%，與東北黑土春玉米緩/控釋肥的利用率43.5%～48.7%比較接近［27］，都明顯高于我國主要作物平均氮肥利用率30%～35%［1］。在黃土高原區域，施用長效氮肥和脲甲醛較農民習慣施肥，春玉米的氮肥農學效率及偏生產力分別增加了20.2%～23.2%和21.9%～23.7%，0 ～200 cm 土層硝態氮殘留量分別減少了47.9%、49.6%，同時施氮量減少20%［29］。本試驗春玉米收獲后，相對于農民習慣施肥，緩/控釋肥條施能明顯降低0 ～100 cm 土壤硝態氮殘留，氮素表觀損失也分別顯著降低了23.9%和42.0%，而農民習慣施肥造成硝態氮向深層土壤淋洗，普通復合肥施用造成氮素表觀損失與農民習慣施肥相當。由此可見，緩/控釋肥可以在寧夏引黃灌區春玉米生產中一次性條施，但其產量效應、環境效應和經濟效應的長期持續地綜合評價還需深入探討。

4 結論

相對于農民習慣施肥和商品復合肥，緩/控釋肥均可實現一次性條施，同時顯著提高春玉米子粒產量，促進作物氮素吸收，顯著提高當季氮肥利用率，降低土壤無機氮殘留、氮素表觀損失和表觀盈余量，同時將化肥氮減量30%以上（為農民習慣施氮的1/3），達到減少環境污染風險和降低生產成本的目標。