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  土壤  2023, Vol. 55 Issue (6): 1187-1197  DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2023.06.004
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引用本文  

王英, 刘景辉, 武俊英, 米俊珍, 孙梦媛, 张兰英, 冯学颖. 控释氮肥减量对糜子产量、氮素利用及土壤氮含量的影响. 土壤, 2023, 55(6): 1187-1197.
WANG Ying, LIU Jinghui, WU Junying, MI Junzhen, SUN Mengyuan, ZHANG Lanying, FENG Xueying. Effects of Controlled-release N Fertilizer Reduction on Prosomillet Yield, Nitrogen Utilization and Soil N Content. Soils, 2023, 55(6): 1187-1197.

基金项目

国家科技支撑计划项目(2015BAD22B04-02)和内蒙古“草原英才”创新团队资金项目资助

通讯作者

刘景辉, (caulih@163.com) 武俊英, (nmbtwjy@163.com)

作者简介

王英(1995—),男,山西偏关人,博士研究生,主要从事间作高产栽培研究。E-mail: 1269046052@qq.com
控释氮肥减量对糜子产量、氮素利用及土壤氮含量的影响
王英1 , 刘景辉1 , 武俊英2 , 米俊珍1 , 孙梦媛1 , 张兰英1 , 冯学颖1     
1. 内蒙古农业大学农学院/内蒙古杂粮工程技术研究中心/内蒙古农业大学杂粮产业协同创新中心/全国农业科研杰出人才及其创新团队,呼和浩特 010019;
2. 内蒙古农业大学职业技术学院,内蒙古包头 014109
摘要:针对黄土高原旱作区糜子生产中氮肥种类单一、“一炮轰”等施肥方式造成氮肥利用率低的问题,本文以当地常规施氮(尿素N 120 kg/hm2)为对照,设置不同控释氮肥减量处理探究糜子产量、成熟期氮素积累分配及氮素利用效率对控释氮肥的响应,分析土壤各形态氮素含量的变化规律,以期为建立旱地糜子控释氮肥一次性基施轻简栽培技术提供支撑。结果表明:施用控释氮肥通过增加单位面积穗数和穗重显著提高了糜子产量,两年分别增产3.88% 和4.97%,控释氮肥减量20% 以下时糜子产量与尿素差异不显著。施用控释氮肥可提高糜子成熟期氮素积累量1.97% ~ 3.21%,增加糜子氮素向籽粒中的分配比例0.55% ~ 1.18%,控释氮肥减量20% 以上时糜子氮素积累量显著低于尿素全量基施处理。施用控释氮肥提高了糜子氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率及氮素生理利用率,其中氮肥偏生产力显著提高3.88% ~ 4.14%。与施用尿素相比,等量控释氮肥可显著提高糜子抽穗期和成熟期土壤硝态氮和铵态氮含量5.41% ~ 11.80% 和4.04% ~ 14.77%。随着控释氮肥减量,糜子田各形态氮素均呈降低趋势,减氮20% 以上时土壤硝态氮和铵态氮含量均显著低于对照。相关性分析结果表明,糜子氮素积累量与产量呈极显著正相关,氮素利用效率指标与土壤硝态氮含量相关性最强。综上,施用控释氮肥可显著提高糜子生育中后期土壤供氮能力,促进糜子对氮素的吸收利用进而增加产量并提高经济效益,且在适量减氮20% 时并未显著降低糜子产量,因此控释氮肥在糜子生产中有较大的应用前景及减氮潜力。
关键词氮素积累及分配    硝态氮    微生物生物量氮    氮肥农学利用效率    

糜子是我国北方旱作区重要的栽培作物,具有耐旱、生育期短、耐贫瘠等特性[1]。黄土高原丘陵区土壤肥力差、降水时空分布不均,糜子在该地区有着独特的生产优势,随着我国种植业结构调整和乡村振兴战略实施,糜子更表现出巨大的市场潜力[2]。近年来随着化肥施用,糜子的生产效率越来越高,氮肥的施用对糜子产量的贡献率逐步上升[3]。然而,生产中糜子施氮常以尿素形式施于土壤表面,这在造成肥料浪费的同时还会引起土壤养分失调、水体和大气污染等诸多环境问题,因此探究合理的氮肥施用方式对糜子产业可持续发展意义重大[4]。控释氮肥采用尿素包膜等方法做到肥效控制释放,能够减少氮素的流失并提高氮肥利用效率,同时其可仅在播前一次施入,能在减少劳动力投入的同时提高作物产量,是一种极具应用前景的新型肥料[5]

控释氮肥具有养分释放速率缓慢、肥效长等特性,其养分释放量和供应时间能够满足作物不同生长期的需求,在提高土壤供肥能力的同时减少养分淋溶风险以发挥最大的肥效[6]。张敬昇[7]研究表明,尿素中掺混控释氮肥施入土壤后可在小麦的整个生育期内保持较高的土壤铵态氮含量和脲酶活性,增强土壤的硝化能力以保持氮素供给。尿素配施控释氮肥也可以提高土壤0 ~ 100 cm土层的硝态氮累积,且随控释氮肥用量的增加土壤硝态氮含量呈上升趋势,当控释氮肥比例大于50% 时土壤中铵态氮含量也高于习惯施肥处理[8]。施用控释尿素较传统氮肥可以提高玉米成熟期氮素积累量9.4% ~ 15.5%、农学利用效率70.8% ~ 147.7%,降低氮素损失27.4% ~ 45.4%,且树脂包膜尿素对提高玉米产量、氮素吸收利用以及降低氮素损失量的效果最好[9]。同时控释氮肥能更好解决作物生长前期肥料利用率低、流失量大的问题,对农业面源污染的防控意义重大[10]

前人关于控释氮肥的研究多集中在玉米[11]、水稻[12]等作物上,关于旱作区糜子生产是否适用控释氮肥鲜见报道。本试验针对黄土高原丘陵区糜子氮肥类型单一、肥料利用率低的问题,探究控释氮肥减量对黄土高原丘陵区糜子产量、氮素吸收分配及土壤氮素供应的影响,旨在探讨该地区糜子生产中使用控释氮肥的可行性并明确其减肥潜力,以期为黄土高原丘陵区糜子合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验在内蒙古清水河县五良太乡后脑包村(39˚57´N,111˚39´E)进行,该地区是典型的长城沿线旱作丘陵地区,丘陵山地占90% 以上,平均海拔1 374 m。年平均气温7.1 ℃,≥10 ℃积温2 370 ℃,无霜期140 d,年日照时数为2 914 h,年平均大风(指瞬间风速达17 m/s,即八级以上)日数达19 d,年总辐射量570.6 kJ/cm2,干燥度3.94,年蒸发量2 577 mm。试验地土壤类型为黄绵土,试验地0 ~ 40 cm土壤养分情况见表 1。该地区属典型的中温带半干旱大陆性季风气候,降水量偏少且春旱尤为严重,2018—2019年1—9月降水及月平均气温情况见图 1

表 1 试验地0 ~ 40 cm土壤养分情况 Table 1 soil nutrients at 0-40 cm depth in test field

图 1 试验地2018—2019年月降水量及气温 Fig. 1 Monthly rainfall and temperature in 2018—2019
1.2 试验材料

供试糜子品种为当地主栽品种“黑糜子”,由清水河农业局提供。供试肥料:控释氮肥(为释放期90 d的树脂包衣尿素,含N 44.5%)、尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、硫酸钾(含K2O 51%)。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计,在当地常规施氮量的基础上设置不同控释氮肥减量处理,包括:T0(不施氮肥)、TU(常规施肥,普通尿素N 120 kg/hm2)、T1(等氮量控释氮肥,N 120 kg/hm2)、T2(控释氮肥减量10%,N 108 kg/hm2)、T3(控释氮肥减量20%,N 96 kg/hm2)、T4(控释氮肥减量30%,N 84 kg/hm2)、T5(控释氮肥减量40%,N 72 kg/hm2),此外各处理均于播种时施用过磷酸钙和硫酸钾,用量为P2O5 80 kg/hm2、K2O 25 kg/hm2,各处理肥料均作基肥撒施于土表后进行20 cm翻耕。试验在2018年和2019年分别于5月28日和5月31日播种,于9月27日和9月26日收获。采用机械条播,行距25 cm。小区面积30 m2,重复3次。

1.4 采样与指标测定 1.4.1 土壤氮素含量测定

于糜子苗期、抽穗期和成熟期在每小区内选取3点,先除去样点土壤表层杂草等杂物,然后用土钻钻取0 ~ 20、20 ~ 40 cm土层土壤样品带回实验室。部分样品保存于4 ℃冰箱用于土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮含量测定,其余样品风干后过筛密封保存用于土壤全氮含量的测定。采用AA3流动分析仪测定硝态氮和铵态氮含量,采用氯仿熏蒸提取法测定土壤微生物生物量氮含量;采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量。

1.4.2 植株氮素吸收分配及利用

在收获期每小区选择30株糜子,将植株按叶、茎鞘、穗器官分别处理,置于105 ℃烘箱内杀青30 min,然后于80 ℃烘至恒重后测定各器官干物质积累量。将各器官粉碎后用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法测定氮含量,器官干物质积累量与氮含量的乘积即为器官氮素积累量。根据取样株数和基本苗数计算每公顷植株的总干物质量后计算氮素养分积累量。

某器官氮素积累量分配率(%)=不同器官的氮素积累量/植株总氮素积累量×100

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区糜子产量–无氮区糜子产量)/施氮量

氮肥表观利用率(%)=(施氮肥区植株吸氮量–无氮区植株吸氮量)/施氮量×100

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区糜子产量/施氮量

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮区作物产量–无氮区作物产量)/(施氮区植株吸氮量–无氮区植株吸氮量)

1.4.3 产量和产量构成因素

于糜子成熟期取30株进行考种,测定主茎穗第一分枝基部到穗头的长度,即为穗长,测定每株穗重和千粒重计算其平均值。在每个处理各重复中选择1 m2晾晒风干后脱粒称重,然后折算成公顷产量。

1.4.4 经济效益

经济效益是通过对比不同氮肥施用量下投入和产出的差值,从而确定经济效益最大的处理。总投入主要包括化肥和田间管理投入,其中尿素1.8元/kg、控释氮肥3.2元/kg,硫酸钾3.5元/kg,过磷酸钙0.62元/kg,人工100元/d,除肥料投入外各处理田间管理费用均为2 100元/hm2。产出为糜子籽粒,单价为3.1元/kg。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2021整理,用SAS 9.4进行方差分析(P < 0.05)和相关性分析。

2 结果与分析 2.1 控释氮肥减量对糜子产量及其构成因素的影响

施氮肥可显著提高糜子籽粒产量,TU、T1、T2、T3、T4和T5处理较T0两年平均增产36.88%、42.92%、40.75%、35.39%、32.29% 和30.31%。各施肥处理糜子产量两年均以T1最高,分别达4 400.01 kg/hm2和4 198.43 kg/hm2,与普通尿素相比,施用等量控释氮肥可显著提高糜子产量,两年分别增加4.97% 和3.88%。随着控释氮肥减量,糜子产量呈降低趋势,其中T1处理糜子产量两年均显著高于TU,T3处理与TU差异不显著,T4和T5处理显著低于TU,这说明控释氮肥减量20% 以上时肥效较普通尿素差。穗长是糜子产量构成的重要因素,T1、T2和T3处理糜子穗长两年均与TU差异不显著,2019年T5处理显著低于TU。施氮肥可显著提高糜子千粒重,但控释氮肥及减氮处理与施尿素间差异不显著。公顷穗数和穗重是影响糜子产量的主要因素,随着控释氮肥减量,糜子公顷穗数呈降低趋势,其中T1、T2和T3处理两年均与TU差异不显著;T4和T5处理两年均低于TU,降幅为0.40% ~ 5.75%。糜子穗重受氮肥施用量影响显著,与普通尿素相比,T1和T2处理糜子穗重两年平均较TU提高4.44% 和1.86%,T3、T4和T5处理两年平均较TU降低2.19%、7.64% 和9.22%。

表 2 控释氮肥减量对糜子产量及其构成因素的影响 Table 2 Effects of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on yield and constituent factors of prosomillet
2.2 控释氮肥减量对糜子成熟期氮素积累及分配的影响

两年结果表明(表 3),各施氮处理糜子氮素积累量以T1处理最高,但与TU差异不显著;且随控释氮肥减量,氮素积累量呈降低趋势,其中T1、T2和T3处理与TU差异不显著,T4和T5处理两年均低于TU,降幅介于2.85% ~ 7.41%。成熟期氮素在糜子器官中的分配比例是影响氮素利用的关键,研究结果表明,成熟期氮积累量在各器官的分配比例表现为穗部>茎鞘>叶片,平均占比分别为65.43%、18.37% 和16.19%。施氮肥显著提高了糜子氮素向穗中的转运量,两年各处理较T0增加23.57% ~ 57.53%,转运比例提高0.67% ~ 3.96%。施氮同时降低了成熟期分配到糜子叶片和茎鞘中的氮素积累量,分配比例分别降低2.10% ~ 10.12% 和0.40% ~ 4.36%。与施用尿素相比,施用控释氮肥可提高成熟期氮素向穗中的分配,在2018年和2019年分配比例分别提高1.18% 和0.55%,相应的施用控释氮肥处理成熟期分配到茎和叶中的氮素含量减少,但两年差异均未达显著水平。随着控释氮肥减量,糜子分配到穗中的氮素的量和比例均呈降低趋势,其中T2处理分配比例两年平均较TU提高0.28%,T3、T4和T5处理较TU降低0.56%、1.30% 和1.97%。与T1相比T3、T4、T5处理氮素在穗部的分配量两年均显著降低。随控释氮肥减量,糜子氮素积累量分配到茎和叶中的比例呈增加趋势,但处理间差异不显著。

表 3 控释氮肥减量对糜子成熟期氮素分配的影响 Table 3 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on nitrogen partitioning in millets at maturity stage
2.3 控释氮肥减量对糜子氮肥利用率的影响

氮肥表观利用率以TU最低且表现为随控释氮肥减量而增加的趋势(表 4),T1、T2、T3、T4和T5两年平均较TU增加9.29%、13.59%、18.66%、23.31% 和27.88%,除2018年T1处理外,其他处理均显著高于TU。糜子氮肥偏生产力表现为T5 > T4 > T3 > T2 > T1 > TU的趋势,且处理间差异均达显著水平。其中T1、T2、T3、T4和T5处理两年平均较TU分别增加4.01%、13.81%、24.28%、38.26% 和57.36%,T2、T3、T4和T5处理两年平均较T1增加9.42%、19.49%、32.93% 和51.30%。随着控释氮肥减量,糜子农学利用率呈增加趋势,以T5处理达到最大,两年分别为12.54 kg/kg和12.29 kg/kg。T1、T2、T3、T4和T5在2018年较TU分别增加13.98%、22.69%、24.77%、28.19% 和36.02%,在2019年较TU分别增加13.85%、19.55%、20.08%、24.98% 和30.30%。两年各处理糜子氮肥生理利用率均以T2处理最高,控释氮肥处理较TU处理平均高0.48% ~13.06%。

表 4 控释氮肥减量对糜子氮素利用的影响 Table 4 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on nitrogen utilization of prosomillet
2.4 控释氮肥减量对土壤全氮含量的影响

全氮是土壤中全部氮素形态之和,包含了有机态氮和无机态氮。本试验结果(图 2)表明,从苗期到成熟期土壤全氮含量呈下降趋势,两年各处理0 ~ 20 cm土层土壤全氮含量均高于20 ~ 40 cm土层,表现为随土层加深土壤全氮含量降低的趋势。施氮肥可提高土壤全氮含量,与T0相比,各施氮处理土壤全氮含量在0 ~ 20 cm土层提高0.60% ~ 17.49%,在20 ~ 40 cm土层提高1.47% ~ 17.96%。在苗期,土壤全氮以TU最高且表现出TU > T1 > T2 > T3 > T4 > T5 > T0的趋势,其中2018年T1、T2和T3处理与TU差异不显著,2019年T1处理与TU差异不显著。在抽穗期和成熟期,土壤全氮含量在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层均表现为T1 > TU的趋势,但两处理间差异不显著,这表明施用控释氮肥较尿素并不能显著改变糜子生育后期土壤全氮含量。随着控释氮肥减量,糜子抽穗期和成熟土壤全氮含量均呈下降趋势,但在0 ~ 20 cm土层T2、T3、T4和T5处理土壤全氮含量两年均与TU差异不显著;在20 ~ 40 cm土层仅T5处理两年均显著低于TU,降幅为2.81% ~ 9.23%。这表明施用控释氮肥及适量减氮对土壤全氮含量影响较小。

(图中小写字母不同表示同一土层同一生育期不同处理间差异达P < 0.05显著水平,下同) 图 2 控释氮肥减量对土壤全氮含量的影响 Fig. 2 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on soil total nitrogen content
2.5 控释氮肥减量对土壤微生物生物量氮含量的影响

两年结果(图 3)表明,土壤微生物生物量氮含量随土层加深呈降低趋势,其中0 ~ 20 cm土层微生物生物量氮含量平均为15.31 mg/kg,20 ~ 40 cm土层平均为9.87 mg/kg,降幅达5.44 mg/kg。随着生育期的推进,土壤微生物生物量氮呈先升高后下降的趋势,两年均在抽穗期达到最大值。各时期土壤微生物生物量氮均以T0最低,施氮肥显著提高了苗期、抽穗期和灌浆期土壤微生物生物量氮含量,较T0增幅为1.34% ~ 33.87%。在苗期各施肥处理土壤微生物生物量氮含量以TU处理最高,但均与T1和T2处理差异不显著。随着控释氮肥减量土壤微生物生物量氮含量呈降低趋势,其中0 ~ 20 cm土层T3处理在2019年与TU和T1处理差异不显著,T4和T5处理两年均显著低于TU,较TU降幅在9.85% ~ 15.70%。施用控释氮肥较尿素可显著提高抽穗期和成熟期0 ~ 20 cm土层土壤微生物生物量氮含量,两时期增幅分别为7.17% ~ 7.63% 和6.10% ~ 6.98%。随着控释氮肥减量,糜子生育中后期土壤微生物生物量氮含量呈降低趋势。以成熟期为例,两土层土壤微生物生物量氮均表现为T1 > T2 > TU,其中T1处理在0 ~ 20 cm土层均显著高于TU处理;T1和T2处理较TU在0 ~ 20 cm两年平均增加6.55% 和1.70%,20 ~ 40 cm土层平均增加4.72% 和2.53%。T3、T4和T5处理两年均显著低于TU,0 ~ 20 cm土层两年平均降幅为7.42% ~ 12.62%,20 ~ 40 cm平均降幅为6.76% ~ 13.57%。

图 3 控释氮肥减量对土壤微生物生物量氮含量的影响 Fig. 3 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on soil microbial biomass nitrogen
2.6 控释氮肥减量对土壤硝态氮含量的影响

图 4可知,随着生育时期推进土壤硝态氮含量呈先升高后下降的趋势,两年均以抽穗期达到最大,成熟期含量最低;各处理土壤硝态氮含量随着土层的加深均呈下降趋势。施氮可显著提高土壤硝态氮含量,各施肥处理土壤硝态氮含量在苗期、抽穗期和成熟期较T0增幅分别为10.30% ~ 69.53%、15.33% ~ 66.65% 和11.29% ~ 53.98%。苗期土壤硝态氮含量两年均以TU处理最高,T1处理均低于TU,但仅2019年0 ~ 20 cm土层差异显著,T3、T4和T5处理两年土壤硝态氮在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层均显著低于TU。抽穗期和成熟期是影响糜子产量形成的关键时期,两年中这两个时期T1处理土壤硝态氮含量均显著高于TU,增幅为5.41% ~ 10.88%,这表明施用控释氮肥较尿素可显著提高糜子生育后期土壤速效氮含量。随着控释氮肥减量糜子生育后期土壤硝态氮含量呈降低趋势,以成熟期为例各土层土壤硝态氮含量均表现出T1 > T2 > TU > T3 > T4 > T5 > T0的趋势。两年T1处理土壤硝态氮含量显著高于TU,增幅为7.13% ~ 10.88%;T2处理土壤硝态氮含量两土层较TU增加2.89% ~ 6.53%;T3、T4和T5处理土壤硝态氮含量在两土层较TU均呈降低趋势,降幅为2.34% ~ 22.83%。

图 4 控释氮肥减量对土壤硝态氮含量的影响 Fig. 4 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on soil nitrate-nitrogen content
2.7 控释氮肥减量对土壤铵态氮含量的影响

铵态氮是糜子直接吸收的氮素形态之一,其含量直接影响糜子的生长发育。研究结果(图 5)表明,随着生育时期的推进,土壤铵态氮含量呈先升高后下降的趋势,峰值出现在抽穗期。在0 ~ 40 cm土层施肥对表层土壤铵态氮影响更大,以抽穗期为例,各施肥处理0 ~ 20 cm土层铵态氮含量较T0增加20.06% ~ 53.23%,20 ~ 40 cm土层增加14.77% ~ 35.01%。施氮肥是提高土壤速效氮含量的有效手段,本研究中施氮显著提高苗期、抽穗期和成熟期土壤铵态氮含量5.70% ~ 51.02%、14.76% ~ 56.44% 和2.96% ~ 44.63%。在苗期,两土层铵态氮含量均以TU处理最高并随着控释氮肥减量呈降低趋势,各控释氮肥处理0 ~ 20 cm土层土壤铵态氮含量较TU降幅为3.14% ~ 27.31%,20 ~ 40 cm土层降幅为3.60% ~ 22.51%,其中T1处理土壤铵态氮含量在2019年显著低于TU,2018年与TU处理差异不显著。施用控释氮肥可显著提高糜子生育后期土壤铵态氮含量,抽穗期和成熟期各土层铵态氮含量均以T1处理最高且显著高于TU。以抽穗期为例,T1处理在0 ~ 20 cm土层较TU增加12.84%,20 ~ 40 cm土层增加5.78%;随着控释氮肥减量,糜子生育后期土壤铵态氮含量呈降低趋势。以成熟期为例,两年中各施肥处理土壤铵态氮均以T1处理最高且显著高于TU,增幅在7.82% ~ 13.29%;T2、T3和T4处理铵态氮含量与TU差异均不显著,其中T2处理较TU升高2.09% ~ 7.59%,T3和T4较TU降低2.03% ~ 9.18% 和4.56% ~ 10.26%;T5处理土壤铵态氮含量最低且显著低于TU,较TU降低7.65% ~ 12.65%。

图 5 控释氮肥减量对土壤铵态氮含量的影响 Fig. 5 Effect of controlled-release nitrogen fertilizer reduction on soil ammonium nitrogen content
2.8 土壤氮素形态与糜子氮素利用效率及产量的相关性

相关性分析(表 5)表明,糜子氮素积累量与产量呈极显著正相关,这表明提高糜子氮素的吸收利用有利于产量提高。糜子氮素积累量和产量与土壤全氮、微生物生物量氮、硝态氮、铵态氮含量和氮肥生理利用率呈极显著正相关,与氮肥表观利用率呈极显著负相关。糜子氮肥表观利用率与土壤全氮、微生物生物量氮、硝态氮和铵态氮含量呈极显著负相关,氮肥偏生产力与土壤硝态氮呈显著负相关,氮肥农学利用效率与土壤硝态氮含量呈极显著负相关,糜子氮肥生理利用率与土壤全氮、微生物生物量氮、硝态氮和铵态氮含量呈极显著正相关。这表明土壤氮素指标中土壤硝态氮含量对于糜子氮效率的影响最大。

表 5 氮素利用效率、产量与土壤不同氮素形态的相关性 Table 5 Correlations between nitrogen use efficiency, yield and soil nitrogen form
2.9 控释氮肥减量对糜子经济效益的影响

不同氮肥处理对糜子经济效益的影响见表 6。各处理投入以T1处理最高达3 522.70元/hm2,T1、T2、T3、T4和T5处理投入较TU分别高10.37%、8.19%、5.91%、3.51% 和0.98%。施氮肥可提高糜子产出,施肥处理两年较T0增幅达30.28% ~ 42.89%。各施肥处理糜子产出两年均以T1处理最高,且T1和T2处理产出分别较TU增加4.96% ~ 3.88% 和3.54% ~ 2.12%。净收益作为总产出和总投入之间的差值,在各处理之间的差异明显。两年各处理净收益以T1、T2处理最高,与TU相比2018年T1、T2增收分别达280.03元/hm2和179.14元/hm2,2019年仅T1处理经济效益增加121.15元/hm2,T2处理经济效益降低14.95元/hm2。随着氮肥的减量,T3、T4和T5处理两年平均经济效益降低332.45、525.86和641.69元/hm2。通过对产投比分析可知,不施氮处理产投比最高,T1处理产投比较TU有所降低。

表 6 控释氮肥减量对糜子经济效益的影响 Table 6 Change in prosomillet economic benefits under controlled-release nitrogen fertilizer reduction
3 讨论

土壤氮素形态与含量直接反映其对作物的营养供应能力,是衡量外源氮投入是否适宜的评价依据之一,控释氮肥通过理化手段改变了氮肥的释放特性,对土壤中各种形态氮素的含量也产生了显著影响。前人研究表明,控释氮肥一次性基施可以满足棉花全生育期对氮素的需求,较尿素处理显著提高了棉花收获期0 ~ 20 cm土壤硝态氮含量达38.5%[13]。金荣等[14]认为在尿素中加入控释氮肥可以提高0 ~ 40 cm土壤的全氮及速效氮含量,促进玉米生育后期氮素积累量。张英鹏[15]研究表明,控释氮肥处理表层土壤速效氮含量比传统施肥处理提高33.06%,铵态氮含量也略高于传统施肥。本试验结果表明,控释氮肥全量基施较尿素处理并未显著降低糜子苗期土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量,且提高了糜子生长中后期土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量,其中硝态氮和铵态氮含量在抽穗期和成熟期两土层均显著高于尿素处理,增幅达5.11% ~ 14.77%。这表明控释氮肥可以延缓肥料的释放周期,协调土壤在作物整个生育期内的供氮能力从而提高糜子单产。土壤微生物生物量氮是土壤氮的关键储备库之一,具有调节氮周转的重要作用。有研究表明,施用控释氮肥可以显著提高油菜生长后期土壤微生物生物量氮含量[16]。施用控释氮肥处理的土壤微生物生物量氮含量也大于普通化肥处理[17]。本试验中施氮肥显著提高了糜子生育期内土壤微生物生物量氮含量,且在糜子生育后期控释氮肥处理土壤微生物生物量氮含量显著高于尿素处理。这说明施用控释氮肥可以提高土壤微生物生物量氮库容,对于减少肥料流失及提高氮肥利用效率有积极意义。作物生育期内各形态氮素在土壤中的垂直分布是影响氮肥利用率的重要性因素。与尿素相比,控释氮肥可显著增加表层土壤硝态氮含量,达到与分期施氮一致的效果[18]。在小麦[19]、玉米[20]上的研究结果也表明,控释氮肥减少了硝态氮下渗,可在表层土中保持较高的硝态氮含量,在深层土壤中硝态氮含量则显著低于常规施肥处理,有效控制了氮素向下淋溶。本试验中控释氮肥处理0 ~ 40 cm土层土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量均表现出随土层加深而下降的趋势,但控释氮肥全量处理在成熟期0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层硝态氮和铵态氮含量均高于尿素处理,与前人研究结果不同。这可能是当地降雨量较少对控释氮肥的释放产生影响,导致养分在作物生育前期释放少,后期释放偏多导致的,这也表明不同地域、土壤类型、气温和降水等因素会影响控释氮肥肥效释放。

氮肥合理运筹的最终目的是减少施肥量、降低劳动力投入、减少环境压力和保证作物产量,前人对控释氮肥减量下土壤氮素含量变化的研究结果并不一致。在玉米上的研究表明,控释氮肥减量20% 并一次性基施在不同土层中无机氮含量相比常规施肥均减少,显著降低了环境风险[21]。鲁艳红[22]则认为,减量15% 的树脂包膜尿素能保持较高的土壤氮素水平,减氮30% 及以上的树脂包膜尿素不利于土壤氮素肥力的保持。氮肥减量10% 配施树脂包膜尿素可降低作物收获后0 ~ 20 cm土层土壤硝态氮含量,在减氮30% ~ 40% 时降低硝态氮累积的效果更加明显[23]。本试验中,随着控释氮肥减量,土壤全氮、微生物生物量氮、硝态氮和铵态氮含量均呈下降趋势。但在减氮20% 时土壤硝态氮和铵态氮含量与普通尿素基施差异不显著,基本保持了和尿素施用相等的供氮能力。减氮20% 以上则会导致土壤无机态氮含量较尿素处理显著降低。这一结果可能与当地土壤保肥能力差,尿素处理后期氮素流失严重有关,同时当地土壤有机质含量低,糜子生育期内降水不均也影响了控释氮肥肥效释放。因此在当地控释氮肥减量20% 以上增大了糜子生长后期氮素供应不足的风险。

施用控释氮肥能显著提高小麦对氮素的吸收利用,随施氮量增大植株氮素累积量增加,氮生理效率、氮肥效率与氮肥利用率下降[24]。控释氮肥处理较常规施氮可显著提高水稻氮肥利用率达2.70% ~ 34.10%[25]。也有研究表明,控释氮肥的氮肥利用率较等氮量的尿素可提高37.6%,在减氮10% 施用条件下也可保证较高的氮肥利用效率[26]。本试验中施用控释氮肥促进了糜子对氮素的吸收利用,增加糜子氮素积累量达3.2%。施用控释氮肥也可以提高糜子氮肥表观利用率、氮肥偏生产力和氮肥农学利用率,且随控释氮肥减量各指标均呈上升趋势。生殖生长阶段充足的氮素供给可提高作物的同化能力,促进成熟期氮素向穗部转运,利于获得高产并提高氮素利用效率[27]。本研究中施用控释氮肥较尿素处理提高了糜子氮素转运到穗部的比例,利于其产量提高。前人研究表明,施用控释氮肥可以增加玉米[28]籽粒产量,树脂膜控释尿素显著提高小麦籽粒产量10.4% ~ 16.5%[29]。朱红英[30]研究表明,控释肥料的施用比普通肥料明显提高玉米产量达1.98% ~ 19.02%,且以控释肥料减氮30% 时产量最高。本试验中施用控释氮肥显著提高了糜子产量,较普通尿素高3.88% ~ 4.47%,随着控释氮肥减量糜子产量呈降低趋势,但在减氮20% 时与施用尿素差异不显著。本试验中控释氮肥的增产效应较前人偏低,这可能与肥料类型、种植方式、土壤水热条件有关,但总的来说控释氮肥在当地糜子生产中肥效优于尿素且具有较大的减肥增效潜力。

4 结论

施用控释氮肥可提高糜子生长中后期土壤各形态氮素含量,同时提高糜子成熟期氮素积累量并增加氮素向穗部的转运比例,保证了糜子较高的氮肥表观利用率、氮肥偏生产力及氮肥农学利用率;通过提高糜子单位面积穗数及穗重进而增产3.88% ~ 4.97%,增加收益121.15 ~ 280.03元/hm2。随着控释氮肥减量,土壤各形态氮含量及糜子产量均呈降低趋势,控释氮肥减量20% 以上时土壤速效氮含量及糜子产量显著低于TU。因此,控释氮肥在黄土高原丘陵区糜子生产中肥效优于尿素,表现出更大的减肥潜力。

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Effects of Controlled-release N Fertilizer Reduction on Prosomillet Yield, Nitrogen Utilization and Soil N Content
WANG Ying1 , LIU Jinghui1 , WU Junying2 , MI Junzhen1 , SUN Mengyuan1 , ZHANG Lanying1 , FENG Xueying1     
1. College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University/Inner Mongolia Mixed Cereals Engineering Technology Research Center/Inner Mongolia Agricultural University Mixed Cereals Industry Collaborative Innovation Center/National Outstanding Agricultural Research Talents and Innovation Teams, Hohhot 010019, China;
2. Vocational and Technical College, Inner Mongolia Agricultural University, Baotou, Inner Mongolia 014109, China
Abstract: In this study, aiming at the problems of low nitrogen utilization rate caused by single nitrogen fertilizer type and "one-blast" fertilization in prosomillet production in the dry farming area of the Loess Plateau, local conventional nitrogen urea N 120 kg/hm2 (TU) was taken as the control, different treatments of controlled release nitrogen fertilizer (CRNF) reduction were designed, the changes of soil nitrogen contents and prosomillet yield, nitrogen accumulation and distribution at maturity stage and nitrogen use efficiency were analyzed in order to provide support for the establishment of simple cultivation technology of prosomillet. The results show that CRNF significantly increases prosomillet yield by increasing the number and weight of spikes per unit area by 3.88% and 4.97% in two years, respectively. Prosomillet yield under CRNF reduction less than 20% is not significant different with that of TU. CRNF increases nitrogen accumulation by 1.97% to 3.21% in prosomillets at the maturity stage, and increases the distribution of prosomillet nitrogen to the seeds by 0.55%-1.18%, and prosomillet nitrogen accumulation under CRNF reduction of 20% or more is significantly lower than that of TU. CRNF improves the apparent N fertilizer utilization, N fertilizer bias productivity, N fertilizer agronomic utilization, and N physiological utilization of prosomillets, in which N fertilizer bias productivity is significantly increased by 3.88%-4.14%. Compared with TU, equal amount of CRNF significantly increases soil nitrate and ammonium N contents by 5.41%-11.80% and 4.04%-14.77% at tassel and maturity stages of prosomillets, respectively. With the decrease of CRNF, all forms of soil nitrogen show a decreasing trend in prosomillet fields, and soil nitrate and ammonium N contents under N reduction of more than 20% are significantly lower than those of TU. Correlation analysis shows that nitrogen accumulation and yield of prosomillets has a positive significant correlation (P < 0.01), and nitrogen use efficiency index has the highest correlation with soil nitrate nitrogen content. In conclusion, CRNF can significantly improve soil nitrogen supply capacity in the middle and late growth stages of prosomillets, promote the uptake and utilization of nitrogen by prosomillets and thus increase its yield and economic efficiency while does not significantly reduce its yield at a moderate nitrogen reduction of 20%, so CRNF has a great potential for nitrogen reduction in prosomillets production.
Key words: Nitrogen accumulation and allocation    Nitrate N    Microbial N    N fertilizer agronomic use efficiency