氮肥运筹对夏玉米产量、氮素利用率及土壤养分残留量的影响

玉米是我国的主要粮食作物之一，占世界总面积的17.2%[1]。玉米需肥量大，施肥是提高玉米产量的关键措施之一[2]。而氮肥运筹是提高玉米单产水平的重要措施[3-5]。氮肥施用模式通常是在基肥的基础上再追施2～3次以上的速效氮肥(尿素)，这种模式虽然增加作物产量和提高氮肥利用率，但同时也增加了施肥的劳动强度和成本，这与当前我国农村劳动力短缺和老龄化的现实情况不相适应[6]。近年来，随着农业机械化设计和玉米轻简化技术的不断完善，采用现代化技术措施，对田间作物工序删繁就简等轻简化处理，以达到省工、省力、高效和增产的方式已成为一种必然趋势。

一次性简化施肥技术正逐渐成为玉米生产中一种主要施肥方式。我国北方玉米主产省平均有50%的农户采用一次性施肥法[2]。但是，目前对一次性施肥技术增产效果存在争议。一次性施肥容易导致玉米生育前期养分供应过剩，挥发淋溶等损失，后期出现脱氮现象[7]。尤其是肥料种类及用量等因素直接关系玉米整个生育期养分的供应情况。缓控释肥能减缓或控制养分的释放，肥效期长且稳定，能满足玉米整个生育期对养分的需要[8]，其盐指数低，一次性大量施用不会造成“烧苗”，节省劳动力，降低成本[9]。随着缓控释肥生产成本的降低和产量的增加，缓释肥在玉米等作物生产上的广泛应用已成为化学肥料发展的趋势之一。众多研究针对一次性基施缓/控释肥的研究结论基本一致，控释肥能提高肥料利用率和作物产量[10-11]。

目前，有关玉米一次性施肥侧重于产量和植株养分吸收上，对土壤速效养分残留及其环境效应报道较少。实际上，肥料表观利用率低主要是由于大量的肥料养分残留在土壤中，未能被作物充分吸收。因此，对土壤养分残留量的考察也是评价施肥合理的重要标准。此外，许多研究对施肥量的控制以氮肥为主，忽视磷钾肥的作用。

为了科学评价和合理应用一次性施肥技术，减轻劳动强度和成本，本研究在等氮磷钾水平下，比较了复合肥、控释掺混肥、脲甲醛双膜肥一次性施肥与常规尿素底肥+追肥方式对夏玉米养分吸收、土壤养分残留和产量的影响，以明确一次性施肥养分供应特征及土壤环境效应，旨在为农民制定合理的施肥决策提供理论依据，促进我国农业可持续发展，改善生态环境。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014，2015年在山西省临汾市吴村镇洪堡村试验基地进行。该区地处半干旱、半湿润季风气候区，年平均气温12.9 ℃，年平均降水量550 mm，年无霜期203 d。试验地常年以冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式为主。试验地土壤类型为石灰性褐土，耕层(0～20 cm)土壤基础肥力pH值8.13，有机质15.20 g/kg，EC值141.40 μS/cm，全氮1.28 g/kg，碱解氮76.69 mg/kg，有效磷10.64 mg/kg，速效钾117.0 mg/kg。

1.2 试验设计

供试肥料处理为：CF.复合肥(N-P2O5-K2O为24-10-5)；BBF.掺混肥料(N-P2O5-K2O为24-12-13)；CRF.脲甲醛双膜缓释肥(N-P2O5-K2O为27-7-7)；U.尿素(含N 46%)。其中，磷肥为过磷酸钙(含12% P2O5)，钾肥为硫酸钾(含40% K2O)。施肥量经过对试验田土壤测试后夏玉米目标产量推荐以及参考相关文献标准[12]，在等氮磷钾条件下，施纯N量为225 kg/hm2，纯P量为90 kg/hm2，纯K量为120 kg/hm2，其具体设置处理如表1所示。同时以不施氮肥作为对照(CK)。

供试玉米品种为强盛369。2014年6月7日播种，2014年9月28日收获。2015年6月18日播种，2015年10月7日收获。采用随机区组设计，每处理3次重复，每个小区面积为2.5 m×20 m=50 m2，株距为24.7 cm，行距60 cm，种植密度为67 500株/hm2。

1.3 样品采集及测定

试验分别在苗期(播种后34 d)、大喇叭口期(播种后64 d)和成熟期(播种后115 d)采集植株样品。取样后用纯水洗干净，用脱脂棉将植株擦干，剪成5 cm左右碎段，105 ℃烘箱杀青30 min，于75 °C烘干24 h后，称重、粉碎过筛后备用。参照鲁如坤[13]方法，通过H2SO4-H2O2消煮，采用半自动凯氏定氮仪测定全氮含量，采用钒钼黄比色法测定全磷含量，采用火焰光度计法测定全钾含量。

在成熟期(2014年9月28日和2015年10月7日)，各处理选取有代表性植株，采集果穗20个，测定单穗重、穗长、穗粗、穗行数，风干脱粒测量百粒质量，根据小区产量折算公顷产量。每处理选取6.66 m2进行产量测定(按照含水率14%折算)，测产前每小区随机选取20个果穗进行考种。

增产率=(施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/不施氮区作物产量×100%；地上部氮素积累量(kg/hm2)=地上部干物质量×地上部干物质量含氮量；氮素表观平衡(kg/hm2)=氮投入量-氮吸收量；氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区植株产量-无氮区植株产量)/施氮量；氮素表观利用率=(施氮区作物地上部植株氮素积累量-不施氮区作物地上部植株氮素积累量)/氮肥施用量×100%。

试验分别在玉米种植前、苗期、大喇叭口期和成熟期按照“S”曲线，采用土钻分别取0～20 cm和20～40 cm土层的新鲜土壤样品，自然风干，研磨过2 mm筛备用。土壤基本理化性质测定参照鲁如坤[13]的方法测定。

1.4 数据处理

试验数据经Microsoft Excel 2007和Sigmplot 12.0软件计算、绘图。用SPSS 10.0软件进行差异显著性检验，显著性水平设定为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素分析

从表2可以看出，2014，2015年施氮肥处理比不施氮肥(CK)均增产，增产幅度分别为5.72%～27.71%和6.05%～27.84%，2年数据均表现为U3处理产量最高，比CRF处理增产3.77%和5.46%，比BBF处理增产6.52%和7.12%，但与BBF和CRF处理间差异不显著；CF和U2处理间产量差异不显著。说明一次性施用缓控释肥能显著提高夏玉米产量，实现常规尿素2次或3次施肥的产量，节约追肥成本。CF处理增产效果不如BBF和CRF处理，但与U2处理增产效果接近。尿素分次施肥次数越多，增产效果越明显。

由表2可知，2014，2015年结果均显示，玉米穗粗和穗长在各施氮处理间差异不显著，但均高于CK；2014，2015年施氮处理较CK夏玉米百粒质量分别增加0.84～5.58 g和1.08～4.73 g，除U1处理与CK处理间无显著差异外，其余处理均高于CK。U3处理下玉米穗粒数和单穗粒重最大，2年平均比CK分别增加15.96%和17.65%；BBF和CRF处理玉米穗粒数与U2和U3处理间无显著差异(2015年U2处理除外)；施氮肥处理较CK夏玉米单穗粒重2年平均增产幅度为11.73%～21.44%，其中，BBF和CRF处理玉米百粒质量、穗粒数和单穗粒重等指标较优。

Notes：Values within each column followed by the different letters show significant difference (P<0.05). The same as Tab.3-5.

2.2 各生育期养分吸收量分析

从表3可以看出，与不施氮肥CK处理相比，施氮肥处理夏玉米全生育期各器官氮磷钾吸收量增加，苗期养分吸收量增加幅度分别为N 0.58%～23.34%，P 8.81%～37.28%，K 3.56%～24.39%；大喇叭口期增加幅度分别为N 45.44%～69.58%，P 2.06%～15.62%，K 5.43%～16.05%；成熟期增加幅度分别为N 31.99%～47.85%，P 2.91%～16.82%，K 6.24%～23.16%。U3处理玉米氮素总吸收量在不同生育期均较高，BBF和CRF处理氮总吸收量低于U3，但处理间差异不显著。苗期和大喇叭口期叶片是氮素的分配中心，成熟期茎和叶中分配的养分比例减少，氮素养分逐渐由茎叶转向籽粒，茎和叶中氮素吸收量减少，籽粒氮素分配最多；玉米不同组织随生育期磷吸收与氮吸收趋势相似；茎和叶中钾素吸收量随生育期持续增加，与氮磷吸收趋势不同。

2.3 氮肥利用率分析

由表4可知，氮素表观平衡在U1处理下2014，2015年均最高，分别达37.50，38.19 kg/hm2，CF处理次之；U3处理氮素表现平衡最小，且常规尿素施肥次数越少，氮素表观平衡越小。BBF和CRF处理下氮素表观平衡量低于U3，高于U2。U3处理氮肥农学效率在2年试验结果中均最高，平均比BBF高21.29%，比CRF处理高41.77%，U3，BBF和CRF处理间差异不显著。U3处理氮肥表观利用率最高，两年平均达30.39%。BBF和CRF处理平均为29.59%和28.95%，高于CF处理(22.27%)，但3种处理间无显著差异。CF处理氮肥表观利用率低于U2，高于U1。氮肥农学效率和表观利用率随尿素分次施肥次数增加而增加。

2.4 土壤速效养分残留量分析

从表5可以看出，玉米苗期施氮处理0～20 cm土层碱解氮含量均高于CK，U1与CK间无显著差异；20～40 cm土层碱解氮含量无显著差异，苗期0～20 cm土层碱解氮含量在一次性施肥处理中表现为BBF>CF>CRF，这与不同肥料养分有效性有关。苗期0～20 cm土层速效磷含量在CF、BBF和CRF处理中较低，可能是由于部分磷元素在肥料中存在一定的释放时间；苗期20～40 cm土层速效磷含量在处理间无显著差异。苗期0～40 cm土层缓效钾在各处理间差异不显著。随着玉米生育期推进，植株对氮素需求量也增加，大喇叭口期CK处理0～20 cm土壤碱解氮含量有降低趋势，20～40 cm土层碱解氮含量基本不变。随着肥料养分释放增多以及追肥等，施氮肥处理0～20 cm和20～40 cm土层的碱解氮含量较苗期均有所增加，尤其是20～40 cm土层碱解氮含量增加较多，尿素分次施肥处理增加最明显，说明速效氮肥运移性较强。大喇叭口期BBF和CRF处理的土壤碱解氮含量大于CF。大喇叭口期0～40 cm土层速效磷含量较苗期均有所增加，BBF和CRF处理速效磷含量较高。缓效钾含量在BBF和CRF处理下较高，其余处理间差异不显著；与大喇叭口期相比，成熟期0～20 cm土壤碱解氮含量有所下降，同时20～40 cm土层碱解氮含量均略有升高，其中，U1处理20～40 cm土层碱解氮残留量较高，尿素追肥次数越多，土壤碱解氮残留量越少。0～20 cm土层速效磷除U3处理降低外，其余处理间差异不显著，20～40 cm土层CK处理较低，其余处理间差异不显著。0～20 cm土层缓效钾含量在各处理间差异不显著，施氮肥处理20～40 cm土层缓效钾含量均显著高于CK处理。

3 结论与讨论

本研究在石灰性褐土上，通过2年试验比较了不同氮肥一次性施用与普通尿素分次施肥的效果，结果显示，在简化施肥环节的条件下，采用缓控释肥在不减少作物产量的基础上可取得与速效氮肥(尿素)分次施用接近或者增加的效果。一次性基施缓控释肥处理(BBF和CRF)夏玉米产量接近常规尿素3次施肥(U3)，且处理间无显著差异，比常规尿素2次施肥(U2)和1次施肥(U1)夏玉米产量均增加。一次性基施普通复合肥(CF)处理增产幅度与U2处理接近，但低于BBF和CRF处理。2014，2015年增产幅度分别为5.72%～27.71%和6.05%～27.84%。尿素分次施肥次数越多，增产效果越明显。施氮肥处理使夏玉米百粒质量增加0.84～5.58 g，穗粒数增加幅度为1.50%～16.23%，单穗粒重增产幅度为11.16%～22.83%。BBF和CRF处理的夏玉米穗粒数、单穗粒重和百粒质量等产量构成因素均较优，与U3处理间差异不显著。可见，在一次性简化施肥条件下可以实现夏玉米的增产，这与多数研究一致[1，7，14]，因施肥种类不同增产效果各异。本研究从增产效果来看，一次性基施缓控释肥优于普通复合肥。

本研究一次性基施不同肥料对玉米的增产效果各异，这可能与肥料本身养分释放速率有一定关系[7]，特别是在玉米不同生育阶段养分释放量直接关系到植株的吸收量。养分吸收和干物质积累是籽粒产量形成的物质基础[14]。本研究结果显示，玉米随生育期总氮素累积量呈上升趋势，但成熟期叶片和茎氮素积累量较苗期和大喇叭口期逐渐降低，生长中心开始向籽粒转移，籽粒氮吸收量较高，同时氮参与合成的光合产物也由茎和叶向籽粒转移，以提高籽粒的产量和品质[9]。可见，后期保证氮素供应对玉米获得高产十分重要，后期供氮能够提高成熟期籽粒及营养器官氮素积累量[2]。U3处理玉米氮素吸收量在不同生育期均较高，BBF和CRF处理低于U3，但处理间差异不显著，这也是尿素3次施肥下夏玉米产量高的主要原因。高洪军等[15]研究指出，在氮素供应较好的条件下，营养体氮素再分配率和对籽粒氮贡献率越高，越有利于经济产量的形成。本研究结果表明，籽粒产量与氮素积累量呈正相关关系，尤其是氮素阶段供应更有利于植株高效吸收。BBF和CRF处理下玉米氮素积累量优于CF处理。赵斌等[9]研究结果也表明，包膜控释肥较等量普通复合肥显著增加夏玉米单株干物质积累和氮素积累量，这与本研究结果一致。植株氮磷钾吸收量在成熟期增加幅度分别为N 31.99%～47.85%，P 2.91%～16.82%，K 6.24%～23.16%。可见，氮素增加幅度大于磷和钾。蒋迁等[16]对郑单958的研究结果也表明，控释肥处理较常规施肥处理总氮、磷和钾积累量高，植株对三要素的吸收量大小表现为氮>磷>钾。玉米不同组织随生育期变化磷吸收与氮吸收趋势相似。与氮磷吸收趋势不同，茎和叶中钾素积累量随生育期持续增加。玉米对氮素积累量差异较磷钾积累量大[17]。

肥料利用效率是评价施肥是否合理的重要指标。本研究结果施氮处理氮肥表观利用率在20.20%～30.56%，氮肥农学效率为2.20～10.95 kg/kg。张福锁等[18]对2004-2005年不同作物和不同区域试验结果分析发现，目前我国主要粮食作物氮肥利用率变幅为10.8%～40.5%，平均为27.5%。本研究夏玉米施肥氮肥利用率接近或高于全国平均水平[19-20]。其中，2014年BBF、CRF、U3处理氮肥利用率达29.04%，28.89%和30.21%，2015年BBF、CRF、U3处理氮肥利用率分别达30.15%，29.01%和30.56%，这也说明氮肥分阶段供应有利于提高氮肥利用率。

施肥不仅要考虑作物对养分吸收，更要关注其对土壤产生的环境效应。氮肥有效性及供应能力对获得玉米高产较为关键，特别是氮素释放速率与养分吸收间的协同性是施肥考虑的关键点[8]。本研究结果显示，各施肥处理速效氮含量在各生育期差异较大。玉米苗期施氮处理0～20 cm土层碱解氮含量均高于CK。玉米营养生长前期对氮肥的需求较少，多余的氮素会积累在土壤中，后期随着玉米植株生长，氮肥需求量增加[9，21]；大喇叭口期CK处理碱解氮含量下降较明显，但施氮处理0～20 cm土层碱解氮含量仍保持较高水平。纪德智等[8]研究结果表明，大喇叭口期各施氮肥处理表层速效氮含量较苗期均有降低趋势，这与本研究结果不同，可能是由于其与不同缓控释肥养分释放期存在较大关系。本研究中，BBF和CRF处理持续提供氮素的能力较强，0～40 cm土壤碱解氮含量表现为先低后高再低的趋势，其有利于植株对氮素的吸收。后期20～40 cm土层碱解氮含量在各处理间出现较大差异，说明速效氮向下层土壤运移增加，尤其是U1处理，下移趋势明显。可见，施用缓释肥既可保证产量又能降低浅层地下水氮污染的风险[10，22]。胡娟等[23]研究表明，缓控释肥较普通尿素可提高0～20 cm土层硝态氮含量，对20～60 cm土层硝态氮含量提高作用不明显，减少了氮素向中层土壤的转移，减少氮损失。本研究玉米收获后，施氮肥处理0～20 cm土壤碱解氮残留量除U1较高外，其余处理间差异不大，保持在83.45～93.21 mg/kg，比种植前土壤背景值(76.69 mg/kg)稍高。其中，BBF和CRF处理土壤碱解氮含量高于U3，但低于U2。CF处理和U1处理20～40 cm土层碱解氮含量显著高于其他处理，可能是养分有效性高，前期向下移动趋势较大。一次性施用复合肥增产效果不如控释肥，这与氮素释放速率有一定关系，普通复合肥可溶性强，可能导致前期氮肥供应充足，后期脱氮[24]。控释肥处理氮素释放速率与夏玉米氮吸收形成一定协同效应，特别是控释肥能较好控制后期氮素供应，保证夏玉米整个生育期的氮素供应。本研究施磷钾水平虽然在各处理间水平一致，土壤中速效磷和速效钾变化差异在各生育期的差异大于施肥处理，可能是由于玉米对磷钾肥的需求量小，补充的过磷酸钙和硫酸钾肥可以满足植株对磷钾养分的需求，肥料中所包含的磷钾肥即使存在释放速率的差异，但对植株吸收影响不大[25]。

综合作物产量、土壤-作物系统养分吸收利用等指标，等氮磷钾条件下，一次性基施缓控释肥在夏玉米产量及其构成因素和养分吸收量优于一次性基施普通复合肥，接近或等同于常规尿素3次或2次施肥处理，能较好地协调夏玉米整个生育期的氮素养分供应，提高氮素利用率，减少土壤养分残留和损失，降低氮的环境效应，同时简化了施肥程序，实现了夏玉米简化、高产和高效施肥的目的。一次性基施普通复合肥增产效果不如缓控释肥，可能是由于肥料本身可溶性强，前期供肥充足，后期养分缺乏，致使其氮肥利用率低。本试验中，一次性施肥考虑缓控释肥为主。

[1] 安江勇，葛皓，肖厚军，等. 施用缓释肥对玉米产量及其性状和品质的影响[J]. 西南农业学报，2015， 28(5)：2148-2153.

[2] 武文明，陈洪俭，王世济，等. 氮肥运筹对苗期受渍夏玉米干物质和氮素积累与转运的影响[J]. 作物学报，2015，41(8)：1246-1256.

[3] Silva M A G, Muniz A S, Mannigel A R, et al. Monitoring and evaluation of need for nitrogen fertilizer topdressing for maize leaf chlorophyll readings and the relationship with grain yield[J]. Braz Arch Bio Technol, 2011, 54(4): 665-674.

[4] Ronaghi A, Ghasemi Fasaei R. Soil-crop nitrogen relationships in maize grown on calcareous fields[J]. J Plant Nutr, 2013, 36(7): 1120-1127.

[5] 李作一，李爱军，郑丽萍，等. 不同施氮水平对晋单84不同叶位叶片含氮量及产量的影响[J]. 山西农业科学，2015，356(10)：1285-1289.

[6] 司贤宗，韩燕来，王宜伦，等. 缓释氮肥与普通尿素配施提高冬小麦-夏玉米施肥效果的研究[J]. 中国农业科学，2013，46(9)：1390-1398.

[7] 李宗新，王庆成，刘霞，等. 控释肥对夏玉米的应用效果研究[J]. 玉米科学，2007，15(6)：89-92，96.

[8] 纪德智，王端，赵京考，等. 不同氮肥形式对春玉米产量、土壤硝态氮及氮素利用率的影响[J]. 玉米科学，2015，23(2)：111-116，123.

[9] 赵斌，董树亭，张吉旺，等. 控释肥对夏玉米产量和氮素积累与分配的影响[J]. 作物学报，2010，36(10)：1760-1768.

[10] 张鑫，安景文，邹晓锦，等. 不同施肥模式对玉米产量及土壤硝态氮的影响[J]. 河南农业科学，2012，41(2)：41-44.

[11] 王友平，李宗新，张书良，等. 不同类型玉米控释肥的应用效果研究[J]. 山东农业科学，2014，46(10)：83-87.

[12] Gao W, Jin J Y, He P, et al. Optimum fertilization effect on maize yield nutrient uptake and utilization in Northern China[J]. Better Crops with Plant Food, 2009, 93(2): 18-20.

[13] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，1999.

[14] 王宜伦，李潮海，谭金芳，等. 超高产夏玉米植株氮素积累特征及一次性施肥效果研究[J]. 中国农业科学，2010，43(15)：3151-3158.

[15] 高洪军，朱平，彭畅，等. 等氮条件下长期有机无机配施对春玉米的氮素吸收利用和土壤无机氮的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2015，21(2)：318-325.

[16] 蒋迁，李磊，张凤路，等. 控失肥与普通化肥对夏玉米养分积累与生长发育的影响. 华北农学报, 2016, 31(4): 199-205.

[17] Xu X P, He P, Pampolino M F, et al. Nutrient requirements for maize in China based on QUEFTS analysis [J]. Field Crops Res, 2013, 150(15), 115-125.

[18] 张福锁，王激清，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报，2008，45(5)：915-924.

[19] Caviglia O P, Melchioria R J M, Sadras V O. Nitrogen utilization efficiency in maize as affected by hybrid and N rate in late-sown crops[J]. Field Crops Res, 2014, 168: 27-37.

[20] Wang Z，Gao J，Ma B L. Concurrent improvement in maize yield and nitrogen use efficiency with integrated agronomic management strategies [J]. Agron J, 2014, 106(4): 1243-1250.

[21] 刘欢，陈苗苗，孙志梅，等. 氮肥调控对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响[J]. 华北农学报，2016，31(1)：232-238.

[22] 姬景红，李玉影，刘双全，等. 控释掺混肥对春玉米产量、光合特性及氮肥利用率的影响[J]. 土壤通报，2015，46(3)：669-675.

[23] 胡娟，吴景贵，孙继梅，等. 氮肥减量与缓控肥配施对土壤供氮特征及玉米产量的影响[J]. 水土保持学报，2015(4)：116-120.

[24] Hossain N, Kibria M G, Osman K T. Effects of NPK fertilizers, household waste compost and poultry manure on soil fertility and nutrient uptake by maize (Zea mays L.)[J]. International Journal of Bio-resource and Stress Management, 2013, 4(2): 173-178.

[25] 姬景红，李玉影，刘双全，等. 平衡施肥对玉米产量、效益及土壤作物系统养分收支的影响[J]. 中国土壤与肥料，2010(4)：37-41.