機械深施基肥對麥季氮肥利用效率的影響

劉德坤， 張雅芬， 駱瑤倩， 郭 智， 張岳芳， 劉紅江

(1.江蘇省農業科學院句容稻米產業研究院，江蘇鎮江 212444；2.江蘇省句容市后白鎮農業農村局，江蘇鎮江 212444； 3.江蘇省句容市農技推廣中心，江蘇句容 212400；4.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部長江下游平原農業環境重點實驗室，江蘇南京 210014)

小麥是我國三大主要糧食作物之一，統計數據表明，2018年我國小麥種植面積為2 430萬hm。黃淮海平原是我國小麥主產區，近年來隨著優質高產新品種的不斷育成，以及配套栽培技術的不斷進步，小麥產量水平獲得了持續提高，高產小麥產量已達到8.7 t/hm。在小麥產量提高的同時，麥季的肥料施用量也在逐步增加，部分高產麥田的純氮施用量達到360 kg/hm。據報道，我國小麥等主要作物的氮肥利用率只有30%左右，遠低于發達國家水平。農田大量施用氮肥，除了增加生產成本、降低經濟效益外，也帶來了諸多環境問題，如加速土壤酸化、加劇農田溫室效應、增加農業生產的面源污染風險等。前人關于麥田化肥減量增效技術的研究，主要集中在秸稈還田、適期播種、合理密植、優化肥料運籌、有機無機肥配施和施用新型肥料等方面。而在機條播小麥條件下，采用機械深施基肥措施，減少氮肥施用量，以提高麥季氮肥利用效率方面的研究報道較少。因此，本研究于2015—2016年度和2016—2017年度麥季在江蘇省金湖縣吉莊水稻種植專業合作社試驗田，通過設置不施用氮肥、當地農民常規氮肥運籌和減少15%氮肥施用量3個處理，探索結合機械條播條件下，深施基肥對小麥產量構成因素及麥季氮肥吸收利用的影響，以期為我國小麥生產提高經濟效益和提升農業生態環境質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2015年11月至2017年6月連續2個麥季在江蘇省淮安市金湖縣陳橋鎮吉莊水稻種植專業合作社試驗田(118°59′E，33°09′N)開展，該地為亞熱帶濕潤季風氣候，年平均溫度14.6 ℃左右，年平均降水約110 d，年均降水量約1 100 mm，年日照時長 2 100 h左右，年均無霜期約220 d，輪作方式為麥—稻兩熟。試驗土壤為黃泥土，其主要理化性狀為：有機質含量22.38 g/kg、全氮含量1.63 g/kg、速效氮含量45.13 mg/kg、總磷含量0.57 g/kg、速效磷含量18.23 mg/kg、速效鉀含量162.01 mg/kg、容重1.25 g/cm、pH值6.52。

1.2 試驗處理

上季水稻收獲時，將秸稈切碎勻鋪再用中拖耕翻還田。試驗設空白對照(0N)處理，不施用氮肥，磷肥和鉀肥施用量均為112.5 kg/hm，磷、鉀肥在小麥播種時全部采用人工基施，小麥播種方式也為人工撒播。

采用走訪和問卷調查相結合的前提下，設置當地農民常規施肥水平處理(FN)，施用純氮(N)、磷(PO)、鉀(KO)肥分別為300.0、112.5、112.5 kg/hm。小麥采用人工撒播，氮肥運籌同農民常規施肥，按時間順序基肥40%(11月6日)、返青肥20%(翌年2月10日)、拔節肥20%(翌年3月5日)和孕穗肥20%(翌年4月3日)進行人工撒施，磷肥和鉀肥均作為基肥人工撒施。

在農民常規施肥量(FN)基礎上，減少15%的施氮量(RN)，即氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別為255.0、112.5、112.5 kg/hm，機械條播小麥，行距為20 cm，氮肥運籌按照基肥60%(11月6日)、拔節肥10%(翌年3月5日)、穗肥30%(翌年4月3日)的比例運籌，磷肥和鉀肥全部基施，采用太倉項氏農機有限公司生產的“六位一體”化機械，機條播小麥同步機械深施基肥，拔節肥和穗肥人工撒施。本試驗共3個處理組合，即0N、FN、RN。

2015—2016年度和2016—2017年度，2季小麥播種時間均為11月6日，播種量225.0 kg/hm。供試小麥品種為揚麥19。試驗用肥為含15% N、15% PO、15% KO的復合肥，氮、磷、鉀肥不足部分用含46.2% N的尿素、含12% PO的過磷酸鈣、含60% KO的氯化鉀補齊。各試驗小區500.0 m，設置3次重復。麥田日常管理同當地優質高產小麥栽培方法一致。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 小麥生物產量 小麥成熟期，各小區在小麥長勢均衡的位點，分別調查2個1 m小麥穗數，折算平均穗數，據此取樣20株，分別測定植株的莖鞘、葉片和穗等器官干物質質量(105 ℃殺青30 min后，于70 ℃下烘干至恒質量)，計算小麥生物產量。

1.3.2 小麥產量及其構成因素 各小區分別調查2個1 m小麥穗數，折算平均穗數；據此取樣20株調查每穗平均粒數，測定千粒質量；計算理論產量。

1.3.3 植株氮素含量 將小麥成熟期樣品按莖鞘、葉片和穗分別粉碎、消煮、定容后，用半微量蒸餾-滴定法測定植株全N含量。

1.3.4 土壤速效氮素含量 在小麥拔節、抽穗和成熟3個時期，各小區選3個采樣點，取0～20 cm深度的耕作層土樣，混勻后放置于自封袋，暫存在保鮮盒中，隨即帶回實驗室分成小塊，將植物根系及石子等用鑷子挑出，待檢。用濃度為2 mol/L 的氯化鉀浸提后，采用分光光度計比色法分別測定土壤銨態氮和硝態氮含量。將各處理3個采樣點的測得值平均，得到測定值。

1.3.5 氮肥吸收利用率 氮肥處理區在扣除空白區本底小麥籽粒產量后施用單位氮肥所增產的谷物產量為氮肥農學利用率(kg/kg)；小麥氮肥施用區在扣除空白區本底吸氮量后占比氮肥投入量的多少為氮肥吸收利用率(%)；氮肥處理區小麥產量和氮素累積量在同步減掉空白本底小麥產量和氮素累積量后之間的比值為氮肥生理利用率(kg/kg)；各氮肥處理區小麥產量與其純氮施用量的比值為氮肥偏生產力(kg/kg)。

籽粒產量除以全株吸氮量為小麥氮素籽粒生產效率(g/g)；籽粒吸氮量除以全株吸氮量為小麥氮素收獲指數。

1.4 數據分析方法

試驗數據用Excel 2007整理并制圖，用SPSS 13.0軟件進行處理間差異顯著性檢驗。不同處理間差異用()最小顯著差數法進行判定，大于和標準的分別被認為差異顯著和極顯著。

2 結果與分析

2.1 基肥深施減氮條件下小麥產量及構成

如表1所示，有效穗數方面，小麥有效穗數在年度間差異顯著；基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理平均下降7.83%，2個處理差異顯著。每穗粒數方面，2015—2016年度基肥深施減氮處理與農民常規施肥處理差異不大；2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理增加6.87%，處理間的差異達顯著水平。千粒質量方面，年度間小麥千粒質量差異顯著；基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理平均增高4.03%，處理間的差異達顯著水平。

不施氮肥處理小麥產量最低，比農民常規施肥平均下降46.14%。與農民常規施肥相比較，氮肥施用量減少15%條件下機械深施基肥，2015—2016年度小麥產量增加0.80%，2016—2017年度小麥產量降低2.13%，處理間的差異均不顯著；2016—2017年度小麥產量比2015—2016年度小麥產量顯著降低，主要是因為2016—2017年度小麥千粒質量顯著降低。

表1 基肥深施減氮條件下小麥產量及構成

2.2 基肥深施減氮條件下小麥生物產量和經濟系數

如圖1所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥生物產量分別下降2.85%和5.26%，不同年度處理間的差異均達顯著水平；不同年度間小麥生物產量差異顯著。小麥的經濟系數以農民常規施肥處理最低，不施氮肥處理最高；2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥經濟系數分別提高3.43%和3.30%，2015—2016年度處理間差異均達顯著水平；不同年度間小麥經濟系數差異不明顯。小麥籽粒產量是其生物產量與經濟系數的乘積。雖然，小麥生物產量基肥深施減氮處理顯著低于農民常規施肥處理，但是其經濟系數顯著增加，因此能保證其產量不減。

2.3 基肥深施減氮條件下小麥氮素累積量

如圖2所示，2015—2016年度氮肥減量處理小麥氮素累積量比農民常規施肥處理提高7.11%，2016—2017年度氮肥減量處理小麥氮素累積量比農民常規施肥處理降低0.58%，2015—2016年度處理間的差異達到顯著水平；年度間小麥氮素累積量差異顯著。

2.4 基肥深施減氮條件下小麥氮素效率及收獲指數

如圖3所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥氮素籽粒生產效率分別降低6.11%、3.30%，不同處理間差異未達顯著水平；小麥氮素籽粒生產效率年度間差異也不顯著。小麥氮素收獲指數方面，2015—2016和2016—2017年度氮肥減量處理比農民常規施肥處理分別提高1.63%、0.61%，處理間的差異均未達顯著水平；年度間農民常規施肥處理小麥氮素收獲指數差異顯著。小麥氮素收獲指數為小麥籽粒中所含氮素占地上部分氮素累積量的比例。氮肥減量處理提高了小麥氮素收獲指數，說明通過氮肥減量處理能夠促進小麥植株氮素向籽粒中運轉。

2.5 基肥深施減氮對小麥氮素利用率的影響

如表2所示，2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥氮肥農學利用率分別提高19.78%和12.55%，處理間的差異均達顯著水平；年度間基肥深施減氮處理小麥氮肥農學利用率差異不顯著。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥氮肥吸收利用率分別提高28.82%和16.75%，處理間的差異均達顯著水平；小麥氮肥吸收利用率年度間差異也達顯著水平。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥氮肥生理利用率分別下降6.97%和3.64%，處理間的差異均達顯著水平；2016—2017年度小麥氮肥生理利用率顯著大于2015—2016年度。2015—2016和2016—2017年度基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理小麥氮肥偏生產力分別提高18.58%和15.11%，處理間的差異均達顯著水平；小麥氮肥偏生產力年度間差異顯著。綜上，通過基肥深施以及合理肥料運籌，施用氮肥量減少15%能夠提高小麥氮肥農學利用率、吸收利用率以及氮肥的偏生產力。

表2 基肥深施減氮對小麥氮素利用率的影響

2.6 基肥深施減氮條件下土壤速效氮素養分

如表3所示，隨著小麥生長發育的進展，基肥深施減氮和農民常規施肥處理土壤速效氮素養分的動態曲線均表現出先增加再減少開口向下拋物線的二次函數關系，這可能與試驗年度麥季氮肥運籌模式相關。基肥深施減氮處理比農民常規施肥處理麥田土壤速效氮含量，在小麥拔節、抽穗和成熟期分別提高7.49%、10.07%和8.83%，處理間差異顯著。說明麥季通過機械深施基肥的同時減少氮肥使用量，在小麥生育中、后期仍然維持較高的麥田土壤速效氮素含量，保證小麥的生長發育和產量形成。

表3 基肥深施減氮條件下麥田土壤速效氮素養分含量

3 討論與結論

氮素是小麥生長發育和產量形成的重要營養元素。但超量投入氮肥，不僅不會提高小麥產量，還會增加生產成本，降低氮肥吸收利用效率。影響麥季氮肥施用量的主要因素有小麥品種、土壤肥力、氣候條件、降水量、目標產量等。此外，通過改進施肥方式，可以實現小麥氮肥減量，提高肥料利用效率，確保小麥高產穩產。麥季不同耕作模式研究表明，輪耕處理有利于提高田間土壤的保水保肥能力，提高小麥的干物質累積量和谷物產量，2年深松結合1年免耕處理增產效果尤為顯著。采用緩控釋氮肥替代普通尿素，在減少20%氮肥施用量時，能夠保證小麥高產穩產，并提高麥季氮肥吸收利用效率和小麥生產的經濟效益。增施有機肥能夠有效改善生育中后期土壤水分狀況，提高氮肥利用效率，增加地上部生物量的積累，使小麥產量提高9.1%。本研究表明，機械深施基肥條件下，將氮肥施用量減少15%，小麥產量和農民常規施肥大致持平，使氮肥吸收利用率提高了22.8%。說明通過改進農藝管理措施，在實現麥季氮肥減量的同時，保證了小麥籽粒產量，提高了氮肥利用效率，本研究與前人的結果基本一致。主要是因為將小麥基肥深施，減少麥季氮肥隨降雨產生地表徑流流失風險，同時避免肥料表施后形成氨揮發和氧化亞氮等氣態損失，從而提高了氮素肥料利用效率。

從小麥氮肥吸收利用率來看，四川盆地小麥氮肥減量試驗2年的研究表明，與習慣施肥相比，減少50%氮肥施用量仍可維持小麥產量，并使小麥氮肥吸收利用率提高69.1%，氮肥偏生產力提高79.2%，但也導致土壤氮素虧缺，需注意土壤養分平衡問題。渭北旱塬有機無機肥配施，在降低27.1%氮肥投入量條件下，可以使小麥產量提高14.7%，其中150 kg/hm化學氮肥施用量配施有機肥處理小麥氮肥吸收利用率為最高，達到42%。本研究結果顯示，與農民常規施肥比較，機械深施基肥條件下，將施氮量減少15%，小麥氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力分別平均提高16.17%、22.79%和16.85%。本研究小麥氮肥吸收利用率明顯小于前人的研究結果，主要是因為本研究氮肥減量的幅度明顯小于前人的研究，減少了氮肥被當季小麥的吸收比例。

關于麥田養分管理對土壤肥力的影響，溫延臣等研究表明，通過商品有機肥部分替代化肥，減少化學氮肥的施用量，施用3年后，能確保小麥產量不減，并能夠培肥地力，使土壤全氮含量提高12.3%。本研究表明，與農民常規施肥相比較，機械深施基肥，氮肥施用量減少15%，小麥產量不減，麥田土壤速效氮含量在小麥不同生育時期均得到顯著提高。說明通過改進施肥方式，機械深施基肥，將氮肥施用量減少15%，可提高麥季氮肥吸收利用效率，保證小麥高產穩產，同時保持麥田土壤肥力不減，有利于農業生產節本增效和可持續發展。氮肥減量50%的研究表明，經過連續2季的試驗，雖然能保證小麥產量不減，但是土壤氮素盈余為-30.2 kg/hm，土壤氮素出現了較大幅度虧缺。表明需要在確保土壤養分平衡條件下減施氮肥，以維持長期地力，減量幅度不宜過大。 而連續4季的研究表明，通過施用控釋氮肥減氮30%，較常規施用化肥處理對小麥產量和麥田土壤氮素養分狀況無顯著影響。說明本研究如果采用緩控釋氮肥替代普通化肥，并通過機械深施，可能會進一步減少麥季氮肥施用量，具體減量幅度有待于進一步研究。

在蘇北平原，與當地農民常規種植小麥方式相比較，通過使用播種施肥一體化機械條播小麥的同時深施小麥基肥，并降低15%的化學氮肥投入量，能夠提高小麥的氮素吸收利用率，保證小麥生長發育的氮素養分供應，獲得小麥的高產穩產，并維持地力不減。麥季采用播種施肥一體化機械作業可以減少麥田氮肥的投入量，降低農業生產勞動強度，減輕農業面源污染風險，具有推廣應用前景。關于播種施肥一體化機械作業對小麥生產經濟效益和生態效益的影響，有待于進一步研究和評估。