氮肥减施对黄褐土区小麦—玉米轮作体系产量和氮素吸收利用的影响

李凌云，和爱玲，杨焕焕，刘高远，郭中义，杜 君

（1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002；2.驻马店市农业科学院，河南 驻马店 463000）

化肥的投入量是影响粮食作物产量和籽粒品质的一个重要因素[1-3]。20 世纪80 年代以来，由于化肥的普遍施用我国粮食作物产量增长了近85%，但化肥施用量却增长了4.5 倍，化肥施用量的增速远远超过粮食作物产量的增速[4]。与此同时，过量施用化肥还会带来土壤退化和环境污染问题[5]。近年来，农田中氮肥的损失达到40%～50%[6-9]。其中，肥料残留造成的农业面源污染问题已经威胁到农业的可持续发展[10-12]。合理的氮肥施用是提高作物产量和氮素利用率、降低环境污染风险的有效途径[13-15]。目前，关于氮肥减施对小麦、玉米、水稻等作物产量及氮肥利用率的影响研究较多[16-33]。聂胜委等[16]研究发现，在立式旋耕条件下，小麦氮肥减施10%或20%能够实现减肥增产且对籽粒品质影响不大。李春喜等[17]研究发现，在秸秆全量还田配施菌渣（60 m3/hm2）条件下，氮肥减施10%可显著增加小麦的产量和氮素利用效率，并获得最佳经济效益。在玉米氮肥减施增效研究中，氮肥减施常与有机肥[21]、增密[22-24]、秸秆还田[25-26]等不同的栽培耕作措施相结合，以达到氮肥减施增效的目的，与上述措施结合下氮肥减施量介于20%～40%。刘佳敏等[20]对小麦—玉米轮作体系的研究发现，在小麦种植密度降低40%、玉米种植密度增加42.9%基础上，氮肥推荐量均为180 kg/hm2，可实现氮肥减量并达到经济效益最大化。柳瑞等[29]研究发现，水稻生产中采用生物质炭与化肥配施，在氮肥施用量减少20%～40%情况下，可提高水稻产量，并增强土壤固氮能力。综上，前人关于氮肥减施增效的研究多集中于一种作物上，关于不同作物轮作系统周年减施氮肥的研究较少。小麦—玉米轮作是河南省粮食作物的主要种植方式，黄褐土是河南省主要的地带性土壤类型。为此，在豫中南黄褐土区采用2 a 田间试验研究周年氮肥减施对小麦—玉米轮作体系产量及氮素吸收利用的影响，探讨黄褐土区该轮作体系下的氮肥减施潜力，旨在为粮食作物高效绿色生产提供指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2018 年10 月至2020 年10 月在驻马店市驿城区顺河办事处李庄村（33°01′16″N、114°07′27″E）进行，土壤类型为黄褐土。土壤基本理化性状：有机质含量22.5 g/kg、全氮含量1.31 g/kg、水解氮含量126 mg/kg、有效磷含量50.1 mg/kg、速效钾含量114 mg/kg、交换性钙含量8.2 cmol/kg、交换性镁含量1.25 cmol/kg、有效硫含量11.9 mg/kg、有效钼含量0.08 mg/kg、有效锌含量0.95 mg/kg、有效锰含量24.5 mg/kg，pH值5.03。

供试小麦品种为郑麦7698，玉米品种为郑单958。供试肥料：控失尿素（含N 43.6%）由河南心连心化肥有限公司生产，普通尿素（含N 46.0%）、重过磷酸钙（含P2O544%）、氯化钾（含K2O 60%）均在当地农资市场购买。

1.2 试验设计

共设置7 个处理：不施氮肥（CK）、常规施肥（FP）、优化施肥（CF）、常规施肥基础上减氮10%（90%FP）、常规施肥基础上减氮20%（80%FP）、常规施肥基础上减氮30%（70%FP）、控失尿素和普通尿素7∶3 配施（CRU）。其中，常规施肥处理所用氮肥为普通尿素，小麦季一次性底施N 225 kg/hm2，玉米季苗期一次性施N 225 kg/hm2；优化施肥处理所用氮肥为普通尿素，小麦季施N 180 kg/hm2，基追（返青至拔节期）比为6∶4，玉米季施N 180 kg/hm2，按照苗期∶大喇叭口期4∶6 施用；控失尿素和普通尿素7∶3 配施处理小麦季一次性底施N 180 kg/hm2，玉米季苗期一次性施N 180 kg/hm2（表1）。所有处理P2O5、K2O 施用量均分别为小麦季一次性底施90、60 kg/hm2，玉米季苗期一次性施60、90 kg/hm2。各处理重复3 次，随机排列。小麦季小区长10.0 m、宽3.0 m，行距0.2 m；玉米季小区长10.0 m、宽3.0 m，株距0.25 m。小麦播种量为180.0 kg/hm2，玉米种植密度为67 500株/hm2。各项田间管理措施由专人在同一个工作日内完成。

表1 小麦—玉米轮作体系各处理氮肥施用方式和施用量Tab.1 Application methods and amount of nitrogen fertilizer of different treatments in the wheat-maize rotation system

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及其构成因素 成熟期，对于小麦，每个小区取1 m双行，调查小麦有效穗数、穗粒数和千粒质量；对于玉米，每个小区取10 穗，晾晒至安全含水量（14%）后测量穗数、穗粒数、百粒质量。各小区实打实收，计产。

1.3.2 氮素累积量 考种后的籽粒和秸秆样品，放入烘箱在65 ℃下烘干，粉碎后用浓硫酸-过氧化氢消煮，按自动定氮仪法（NY/T 2419—2013）测定秸秆和籽粒中的全氮含量，计算植株氮素累积量。

1.3.3 氮肥利用效率 计算氮肥回收率（即肥料表观利用率）、氮肥农学效率、氮肥偏生产力。

氮肥回收率=（施氮区作物收获时地上部氮素累积量-不施氮区作物收获时地上部氮素累积量）/氮肥施用量；

氮肥农学效率=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/氮肥施用量；

氮肥偏生产力=施氮区作物产量/氮肥施用量。

1.3.4 土壤养分含量 成熟期，采用梅花法采集0～20 cm 耕层土壤样品，风干、研磨、过筛后测定有机质、全氮、水解氮含量。其中，有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法（LY/T 1228—1999）测定，水解氮含量采用碱解扩散法（LY/T 1229—1999）测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2013 进行数据处理，用SPSS 22.0 进行方差分析，采用LSD法进行差异显著性检验，采用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施对黄褐土区小麦—玉米轮作体系产量及其构成因素的影响

2.1.1 小麦产量及其构成因素 由表2 可知，整体上看，第2 季小麦产量较第1 季降低，主要是由于2020 年当地干旱天气持续时间较长，整体水分不平衡引起的。CF 处理小麦和玉米均分次施肥，2 个小麦季小麦产量均以CF 处理最高，分别为8 630.0 kg/hm2和6 458.0 kg/hm2。CRU 处理小麦产量次之，与CF 处理无显著差异。与FP 处理相比，3 个减氮处理（90%FP、80%FP、70%FP）2 个小麦季小麦产量均表现为90%FP ＜80%FP＜70%FP，其中，90%FP 处理小麦产量与80%FP 处理差异不显著，两者与FP处理之间均无显著差异，但70%FP 处理小麦产量降低。说明在常规施肥基础上减氮10% 和20%（90%FP、80%FP 处理）并不会显著降低小麦产量，但减氮30%（70%FP 处理）呈减产趋势，与FP 处理相比，2 个小麦季产量分别降低18.1%和14.9%，平均减产16.5%。

表2 氮肥减施对黄褐土区小麦产量及其构成因素的影响Tab.2 Effects of reduction of nitrogen fertilizer rate on wheat yield and its components in yellow-cinnamon soil area

小麦产量构成因素中，2 个小麦季，所有施氮处理穗粒数均显著高于CK，以CF 处理最高，CRU 处理次之，两者差异不显著；3 个减氮处理（90%FP、80%FP、70%FP）的穗粒数随着氮肥减施量增加呈现降低趋势，其中70%FP 处理的穗粒数较FP 处理呈一定程度降低。2 个小麦季，各施氮处理中CF、90%FP 和CRU 处理的有效穗数和千粒质量均显著高于CK，而各施氮处理之间的有效穗数和千粒质量均无显著差异。

2.1.2 玉米产量及其构成因素 由表3 可知，CF 处理小麦和玉米均分次施肥，2 个玉米季玉米产量均以CF 处理最高，分别为7 835.0 kg/hm2和8 555.0 kg/hm2。CRU 处理玉米产量次之，但与CF 处理无显著差异。3 个减氮处理（90%FP、80%FP、70%FP）在2 个玉米季玉米产量均表现为90%FP＜80%FP＜70%FP。其中，第1 个玉米季3 个减氮处理中仅70%FP 处理玉米产量显著低于FP 处理，但80%FP和70%FP 处理均显著低于CF 处理；第2 个玉米季3个减氮处理玉米产量与FP 处理均无显著差异，但80%FP 和70%FP 处理均显著低于CF 处理。说明在常规施肥基础上减氮10%和20%（90%FP、80%FP处理）并不会显著降低玉米产量；但减氮30%（70%FP 处理）呈现减产趋势，与FP 处理相比，2 个玉米季产量分别降低16.2%和17.7%，平均减产17.0%。

表3 氮肥减施对黄褐土区玉米产量及其构成因素的影响Tab.3 Effects of reduction of nitrogen fertilizer rate on maize yield and its components in yellow-cinnamon soil area

玉米产量构成因素中，2 个玉米季，所有施氮处理穗粒数均显著高于CK，3 个减氮处理（90%FP、80%FP、70%FP）的穗粒数均随着氮肥减施量增加呈降低趋势。与FP 处理相比，第1个玉米季80%FP和70%FP 处理穗粒数显著降低；2 个玉米季CRU 处理穗粒数增加，但差异不显著。第1 个玉米季，除70%FP 处理外，其他施氮处理玉米百粒质量均显著高于CK；与FP 处理相比，70%FP 和80%FP 处理百粒质量显著降低。第2 个玉米季，FP、CF、90%FP 和CRU 处理玉米百粒质量均显著高于CK，而80%FP和70%FP处理百粒质量与CK 及其他处理均无显著差异。

2.2 氮肥减施对黄褐土区小麦—玉米轮作体系氮素吸收利用的影响

2.2.1 氮素累积量 由图1—图2 可知，与CK 相比，除70%FP 处理外，2 个小麦季，其他施氮处理成熟期小麦籽粒、秸秆和总的氮素累积量均显著提高。第1 个小麦季，除70%FP 处理外，小麦籽粒、秸秆和总的氮素累积量在其他施氮处理之间均无显著差异；第2个小麦季，除了70%FP 处理及秸秆FP、CF 处理外，小麦籽粒、秸秆和总的氮素累积量在其他施氮处理之间均无显著差异。对于玉米，与CK相比，除70%FP 处理，2 个玉米季，其他施氮处理籽粒、秸秆和总的氮素累积量总体上显著提高。3 个减氮处理（90%FP、80%FP 和70%FP）小麦和玉米籽粒、秸秆和总的氮素累积量均随着氮肥减施量增加呈逐渐降低的趋势。与FP 处理相比，第1 个小麦季，70%FP 处理小麦籽粒、秸秆氮素累积量分别降低14.35%、35.19%，总的氮素累积量降低18.94%；第2个小麦季，小麦籽粒、秸秆氮素累积量分别降低15.84%、21.43%，总的氮素累积量降低16.73%。与FP 处理相比，第1 个玉米季，玉米籽粒、秸秆氮素累积量分别降低16.62%、21.16%，总的氮素累积量降低17.42%；第2 个玉米季，玉米籽粒、秸秆氮素累积量分别降低15.90%、18.23%，总的氮素累积量降低16.26%。

图1 2018—2019年度小麦—玉米轮作体系成熟期氮素累积量Fig.1 Nitrogen accumulation at maturity in wheat-maize rotation system in 2018—2019

图2 2019—2020年度小麦—玉米轮作体系成熟期氮素累积量Fig.2 Nitrogen accumulation at maturity in wheat-maize rotation system in 2019—2020

与FP 处理相比，第1 个小麦季，CF 处理小麦籽粒、秸秆和总的氮素累积量分别提高10.31%、11.64%和5.36%，第2 个小麦季分别提高3.24%、0.30%和2.77%；第1 个玉米季，CF 处理玉米籽粒、秸秆和总的氮素累积量分别提高10.41%、7.94%和10.02%，第2 个玉米季分别提高2.43%、19.70%和5.28%。与FP处理相比，第1个小麦季，CRU处理小麦籽粒、秸秆和总的氮素累积量分别提高5.53%、9.79% 和2.16%，第2 个小麦季分别提高2.70%、20.57%和5.55%；第1 个玉米季，CRU 处理玉米籽粒、秸秆和总的氮素累积量分别提高7.51%、9.52%和7.83%，第2 个玉米季分别提高2.53%、22.17%和5.77%。

2.2.2 氮素利用效率 由表4 可知，与FP 处理相比，2 个小麦季，CF 处理和CRU 处理小麦的氮肥回收率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均显著提高。其中，CF 处理小麦的氮肥回收率分别提高42.9%和37.9%，CRU 处理分别提高32.1%和50.8%；CF 处理小麦的氮肥农学效率分别提高35.2%和39.6%，CRU 处理分别提高31.7%和35.6%；CF 处理小麦的氮肥偏生产力分别提高28.9%和30.1%，CRU 处理分别提高27.4%和28.9%。3 个减氮处理（90%FP、80%FP 和70%FP）小麦的氮肥回收率和氮肥农学效率均随着氮肥减施量增加呈现逐步降低的趋势，而氮肥偏生产力则呈现逐步升高的趋势。与FP 处理相比，2 个小麦季，70%FP 处理小麦的氮肥回收率、氮肥农学效率分别降低28.9%和45.5%、23.4%和14.9%。

由表5可知，玉米的氮素利用效率与小麦相近。与FP 处理相比，2 个玉米季，CF 处理和CRU 处理玉米的氮肥回收率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力总体上均显著提高。其中，CF处理玉米的氮肥回收率分别提高49.4%和40.1%，CRU处理分别提高44.2%和41.7%；CF 处理玉米的氮肥农学效率分别提高36.0% 和36.3%，CRU 处 理 分 别 提 高29.5% 和31.9%；CF 处理玉米的氮肥偏生产力分别提高29.6% 和29.3%，CRU 处 理 分 别 提 高26.9% 和27.7%。3个减氮处理（90%FP、80%FP和70%FP）玉米的氮肥回收率和氮肥农学效率均随着氮肥减施量增加呈现逐步降低的趋势，而氮肥偏生产力则呈现逐步升高的趋势。与FP 处理相比，2 个玉米季，70%FP 处理玉米的氮肥回收率、氮肥农学效率分别降低6.3%和9.5%、12.9%和26.7%。

2.3 氮肥减施对黄褐土区小麦—玉米轮作体系土壤养分含量的影响

2.3.1 有机质含量 由表6 可知，与CK 相比，2 个轮作周年，所有施氮处理均可提高小麦、玉米成熟期土壤有机质含量。其中，对于小麦，2 个小麦季FP、CF 和CRU 处理土壤有机质含量均显著高于CK；对于玉米，第1 个玉米季FP、CF 和CRU 处理及第2 个玉米季FP、CF、90%FP 和CRU 处理土壤有机质含量均显著高于CK；施氮处理之间均无显著差异。与FP 处理相比，2 个轮作周年，CF 和CRU 处理土壤有机质含量均提高。其中，CF处理小麦季土壤有机质含量分别提高2.87%和5.64%，玉米季分别提高8.33%和1.83%；CRU 处理小麦季土壤有机质含量分别提高1.72%和1.02%，玉米季分别提高5.09%和2.28%。3 个减氮处理（90%FP、80%FP 和70%FP）2 个轮作周年小麦季、玉米季土壤有机质含量均随着氮肥减施量增加呈逐渐减低趋势。

表6 氮肥减施对黄褐土区小麦—玉米轮作体系土壤养分含量的影响Tab.6 Effects of reduction of nitrogen fertilizer rate on soil nutrient content in wheat-maize rotation system in yellowcinnamon soil area

2.3.2 全氮含量 由表6 可知，与CK 相比，2 个小麦季，所有施氮处理小麦成熟期土壤全氮含量均有所提高，但土壤全氮含量显著高于CK 的施氮处理在2 个小麦季中无重现性。与FP 处理相比，2 个小麦季70%FP 处理土壤全氮含量总体上均显著降低，其他施氮处理之间均无显著差异。与CK 相比，2个玉米季所有施氮处理均可提高玉米季成熟期土壤全氮含量，其中CRU 处理达到显著水平。与FP 处理相比，2个玉米季CRU处理土壤全氮含量均提高，分别提高14.77% 和13.48%。 3 个减氮处理（90%FP、80%FP 和70%FP）2 个小麦季土壤全氮含量均随着氮肥减施量增加呈逐渐减低趋势，而在2个玉米季则无明显变化规律。

2.3.3 水解氮含量 由表6 可知，与CK 相比，2 个轮作周年，所有施氮处理均可提高小麦、玉米成熟期土壤水解氮含量，其中CF 和CRU 处理达到显著水平。与FP 处理相比，CF 和CRU 处理土壤水解氮含量总体上均提高。其中，小麦季CF 处理土壤水解氮含量提高6.4%（第二季），玉米季分别提高2.57%和10.43%；小麦季CRU 处理土壤水解氮含量提高16.93%（第二季），玉米季分别提高7.85%和5.45%。3 个减氮处理（90%FP、80%FP 和70%FP）2个轮作周年小麦季、玉米季土壤水解氮含量均随着氮肥减施量增加呈逐渐减低趋势。

3 结论与讨论

氮肥作为作物生长必不可少的肥料，对作物的产量有重要影响[34-36]。近年来，对氮肥的管理逐渐重视起来，适量减施氮肥可达到增产和提高肥料利用率的目的，但氮肥减施过量则存在减产风险[37-38]。大量研究结果表明，黄淮海麦区常规施氮量为240 kg/hm2，将施氮量降低到180 kg/hm2时，小麦籽粒产量下降幅度不明显[39]，继续降低到120 kg/hm2时，产量大幅度下降[40]。李新华等[41]研究发现，减氮30%（施氮210 kg/hm2）是黄淮海区域的小麦适宜施氮量。而对玉米而言，在一定种植密度下，穗粒数和百粒质量是决定产量的关键因素。李援农等[42]研究发现，与常规施氮模式相比，减氮35%（施氮195 kg/hm2）可显著提高玉米产量。本研究是在华北平原黄褐土区探索小麦—玉米轮作体系氮肥的减施潜力，常规施肥基础上减氮10% 和20% 处理（90%FP 和80%FP）并不会显著降低小麦和玉米产量，这与前人研究结果相似[39]；但减氮30%处理（70%FP）呈减产趋势。

控释氮肥可以调控氮素释放时间以达到与作物需求同步，且供肥稳定[43]，在玉米上应用较多。张建军等[44]研究发现，施用控释氮肥较施用普通尿素能促进玉米干物质积累，显著提高玉米籽粒产量。肖艳华等[45]研究发现，与常规施肥处理相比，控释氮肥减量施用处理能显著提高氮素回收率、农学利用率和偏生产力，控释氮肥减量30%（193 kg/hm2）可实现玉米产量和氮素利用率同步提高。在华北平原小麦—玉米轮作体系中，每年氮肥投入量为588 kg/hm2，远高于其他国家氮肥施用量[46]。段然等[47]研究指出，在化肥高投入量农田，适量减施化肥不会影响作物产量。赵亚南等[48]研究发现，氮肥用量从180 kg/hm2减为96 kg/hm2时，小麦产量并未减少，而且还提高了肥料利用率。而在本研究中，在氮肥减施20%条件下进行分次施肥，即优化施肥条件下，以及在减氮20%基础上控失尿素和普通尿素7∶3掺混一次性施肥，均可连续2 a 提高小麦和玉米产量及氮素利用效率，部分结果与前人结果相似[44-45]。

氮肥的吸收利用效率是反映氮素是否有效利用的关键性指标。彭钰洁等[49]研究发现，化学氮肥减施可显著增加玉米根系分泌物水平，为玉米根系提供一个良好的根际环境，保证玉米生长所需的氮素和叶绿素含量，并能显著提高氮肥农学效率和表观利用率。蒋丽萍等[50]研究发现，施用控释氮肥（纯氮180 kg/hm2）一次性施入较常规施肥（纯氮280 kg/hm2）显著提高小麦产量和氮肥利用率。李银坤等[51]研究发现，氮肥减施1/3（常规施氮量为288 kg/hm2）且与有机肥等氮配施显著提高了玉米的水氮利用效率。本研究发现，与FP 处理相比，优化施肥处理（CF 处理）和配施控失尿素处理（CRU 处理）均可连续2 a 显著提高小麦—玉米氮肥回收率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力，这与前人研究结果相似[49-51]；而氮肥减施30%处理氮肥农学效率总体上较其他处理显著降低，说明过量减氮不仅造成减产，还可能会降低土壤的氮素供应能力。与常规施肥处理相比，减氮30%（70%FP）处理土壤水解氮含量显著降低，其他各施氮处理对土壤中有机质、全氮和水解氮含量的影响总体上均不大，说明过量减氮会使土壤中水解氮含量降低导致产量降低，这与张盼盼等[52]的研究结果一致。

综上，黄褐土区小麦—玉米轮作体系中，减氮20%条件下优化施肥、控失尿素和普通尿素7∶3 配施均能提高作物产量和氮素利用效率，而减氮30%则存在减产风险。综合考虑，控失尿素和普通尿素7∶3配施并一次性施肥为黄褐土区小麦—玉米轮作区的最佳施肥措施。