CN108633652A - 兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法 - Google Patents

兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于黄淮地区的冬小麦/夏玉米周年轮作的兼顾土壤环境容量和节氮增效的简易施肥方法，该方法在小麦种植季，小麦播种前结合整地一次性基施N 155～180 kg/hm2、P2O5100～150 kg/hm2、K2O 80～90kg/hm2；在玉米种植季：玉米播种时一次性基施N 155～180 kg/hm2、P2O5100～150 kg/hm2、K2O 80～90kg/hm2；所述N来源于缓释尿素。本发明的施肥方法对环境友好，省工省时，成本支出少，经济效益高，能够减少劳动力使用量，市场和应用前景广阔。

Description

兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥 方法
技术领域
本发明涉及农业生产技术领域，具体涉及一种适用于黄淮地区的兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法。
背景技术
小麦和玉米周年轮作是黄淮平原典型的作物种植制度。氮肥施用，尤其是氮肥的合理施用是提高小麦、玉米等作物产量的重要因素。氮肥用量和施肥方式对小麦、玉米产量及氮肥利用率均有重要影响。2015年统计数据显示，中国化肥施用量已达6022.6×104t，其中氮肥用量达2361.6×104t，占化肥总量39.2%。
近年来，中国的化肥施用量持续增加，特别是氮肥的过量施用，并未显著增加作物经济产量，反而引发了一系列的问题，如氮肥利用率持续下降，超出土壤容纳量，导致地下水污染加重及湖泊水体的富营养化，进而可能加重对农田生态系统的环境威胁。
现有关于该种植区域内的氮肥施用方式的研究多集中在单一作物，氮肥后移或减量施用氮肥施用方法对农作物籽粒产量和氮肥利用率有一定的影响。如，不同的氮肥施用方法对小麦籽粒产量和氮肥利用效率存在明显影响，按照5：5氮肥基追比，在小麦旗叶露尖时期可显著降低小麦籽粒产量和氮肥偏生产力；氮肥减施14.3%～28.6%可降低玉米籽粒产量1.67%～4.03%及相应的氮肥吸收效率和百粒需氮量。
另一方面，随着我国人口红利的逐渐流失，当前的农村劳动力成本也大幅飙升，但当前该区域内的习惯施肥模式（多次分期分阶段）仍然需占用过多的农村劳动力，也导致了生产成本的增加，降低了粮食作物的经济效益。
而目前，在面对农村劳动力短缺的情况下，兼顾小麦/玉米周年轮作期间的综合产量、氮肥利用效率及生产成本的统筹研究鲜有报道；因而亟需一种能够减少用工成本且能使冬小麦/夏玉米周年轮作产量增加，肥料利用率高、经济效益好的施肥方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，旨在解决当前劳动力短缺条件下的冬小麦/夏玉米周年轮作的产量、经济效益、生态效益难以兼顾的技术难题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
实施一种兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，包括如下步骤：
在小麦种植季，小麦播种前结合整地一次性基施N 155～180 kg/ hm2、P2O5 100～150kg/hm2、K2O 80～90kg/hm2；
在玉米种植季：玉米播种时一次性基施N 155～180 kg/ hm2、P2O5 100～150 kg/hm2、K2O 80～90kg/hm2；
以上所述N均来源于缓释尿素。
结合黄淮种植区的气候特点、种植制度及两季作物的氮素吸收规律，所述缓释尿素可优选为河南心连心化肥有限公司生产的控失尿素，其主要通过在尿素熔融料浆中添加聚丙烯酰胺膨润土和硫酸钠为主的复配高分子材料改变尿素结晶状态而制成的缓释氮肥，其中膨润土具有高吸水膨胀的特性，聚丙烯酰胺起着粘结、固定膨润土作用，纳米膨润土与料浆能够更好的融合，使得氮素的缓释性能更加的契合本地轮作条件下两季作物的需肥规律。
优选的，在玉米种植季，玉米播种时通过播种施肥一体机基施各肥料。
优选的，所述P2O5来源于过磷酸钙、重过磷酸钙、钙镁磷肥中的至少一种。
优选的，所述K2O来源于硫酸钾、氯化钾中的至少一种。
优选的，小麦种植季和/或玉米种植季基施N 160 kg/ hm2。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明在深入研究黄淮地区冬小麦/夏玉米周年轮作条件下的氮肥施用与总产量构成关系的基础之上，突破了传统的施肥观念（氮肥分期施用），将各项肥料分别于小麦、玉米播种时一次性基施，且在氮肥大幅减量施用（常规纯N施用量大都高于200 kg/ hm2）的情况下实现了年度总产量的高产稳产。
2.本发明深入探究了周年轮作条件下的小麦/玉米籽粒产量、周年产量、周年产值、肥料成本和经济效益之间的关系，在统筹考虑各因素的情况，合理确定了施肥种类、方式、时机及用量；长期的定位监测试验证明，在周年内的两种植季均一次性基施用适宜的控失尿素可以显著提高氮肥利用率，特别是在160 kg/hm2施氮水平下，有利于提高籽粒的氮素吸收转运，进而起到提高氮肥利用率和籽粒产量的作用。
3.本发明减氮施肥并优选缓释尿素，兼顾到了黄淮种植区的各种植季节的土壤承载量，能够避免过量施肥所导致的（径流携带造成的）农业面源污染及（硝酸盐淋洗导致）地下水污染，对环境友好，能促进农业生产与环境友好协调发展，实现粮食生产可持续发展。
4.本发明施肥方法省工省时，劳动力成本节省效果显著，可解决当前农村劳动力短缺（向城市大量转移）而造成的粮食生产不稳定、不安全的问题，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实例中的试验设置期间的连续4季逐月降雨量图；
图2为本发明实例中的试验田布置图；
图3为本发明实例中的氮肥施用对成熟期冬小麦地上部总吸氮量的影响图；
图4为本发明实例中的氮肥施用对成熟期夏玉米地上部总吸氮量的影响图；
图5为本发明实例中小麦收获后土层硝态氮积累量图；
图6为本发明实例中玉米收获后土层硝态氮积累量图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的实验器具如无特别说明，均为常规器具；所涉及的原料如无特别说明，均为市售常规产品；所涉及的试验或检测方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例一：冬小麦/夏玉米周年轮作施肥试验
（一）试验条件
1. 试验地：试验设置在河南省封丘县中国科学院封丘农业生态实验站（N 34°01′，E114°45′），该站位于河南省东北部，新乡市东南隅，属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温为14℃，降水量分布不均匀，多集中在6月、7月和8月，无霜期214 d，日照时数1928.5 h，本试验连续2个轮作周期逐月降雨量见图1。试验地土壤为黄河沉积物上发育的砂质潮土，其0～20 cm耕层基础养分为全氮含量0.79 g/kg，有机质含量11.2 g/kg，有效磷57.3 mg/kg，有效钾 92.1 mg/kg， pH 8.30。
2. 试验设计：试验田供试品种为国审小麦豫麦49-198，国审玉米品种郑单958。
各试验小区氮肥处理见表1所示：
表1 试验小区各处理施氮量
。
磷、钾肥分别按照P2O5 150kg/hm2和K2O 90kg/hm2并作为基肥一次性施用，控失尿素（总氮≥43.2%）为内质包裹型新型缓释尿素，由河南心连心化肥有限公司生产提供，参见专利文献CN 102898234 B，普通尿素由河南心连心化肥有限公司生产提供。P2O5来源于过磷酸钙、重过磷酸钙或钙镁磷肥，K2O来源于硫酸钾或氯化钾。
小麦、玉米两季氮、磷、钾肥施用量相同，氮肥追施小麦季在拔节期，玉米季在大喇叭口期，追施方式分别为小麦撒施+灌水，玉米穴施+灌水，含氮肥追施的处理按6：4基追比例进行。其它田间管理措施同常规。
所有试验处理均设置3个重复，小区面积为16m2，试验小区四周水泥浇筑以阻止小区间水肥互串进而影响试验，具体布置见图2。
本实施例为2015年10月～2016年9月、2016年10月～2017年9月两个冬小麦/夏玉米轮作周期试验监测结果。
（二）检测指标
1. 氮含量测定
植株样品分籽粒和秸秆（小麦为茎秆+叶+颖壳，玉米茎秆+叶）部位分开放入烘箱中于105℃ 杀青30min，70℃烘干至恒重，称重。样品粉碎后采用凯氏定氮法测定全氮含量。
2. 产量与构成要素测定
于小麦成熟期1m双行取样，并调查成穗数、穗粒数、千粒重等产量构成要素，各试验小区单打单收计算籽粒产量。玉米成熟期各小区收获全部果穗计算单位面积成穗数，果穗晒干脱粒计产，并随机取3株果穗进行穗粒数、百粒重考种调查。
3. 数据计算公式
收获指数=籽粒产量/生物量；
植株吸氮量=干物质量×植株含氮量；
农学利用率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量；
偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量；
吸收利用率（%）=（施氮区地上部氮素吸收量-无氮区地上部氮素吸收量）/施氮量×100；
生理利用率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/（施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量）；
经济效益计算：尿素以1800元/t，控失尿素2500元/t，磷肥P2O5 3000元/t，钾肥K2O3200元/t；2015-2016年小麦市场价格2.4元/kg，玉米市场价格1.4元/kg，2016-2017年小麦市场价格2.5元/kg，玉米市场价格1.7元/kg；每季作物追肥劳动力按当地劳动力水平420元/hm2，其他投入包括种子农药整地播种灌溉收获等每季作物按2600元/hm2计算。
4. 数据分析
采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0软件分析和处理试验数据，并采用OriginPro 8.0绘图，图表中的不同小写字母表示达P<0.05差异显著水平。
（三）测定氮肥施用对冬小麦/夏玉米产量及其产量构成要素的影响
1. 测定氮肥施用对冬小麦产量及其产量构成要素的影响
检测结果如表2所示：
表2 冬小麦产量及其产量构成要素
。
由表2可以看出，氮肥施用可显著提高小麦籽粒产量。由两年小麦籽粒产量结果来看，在等量施氮水平下，T1处理籽粒产量通常高于T2、T3和T4三个处理， 且T1处理产量相对较高时施氮量为N 160 kg/hm2。2016-2017年T1、T2、T3和T4四个处理在施氮量为N 160 kg/hm2时产量均高于其他施氮处理，分别较CK处理增产168.6%、146.2%、159.3%和154.0%，其中T1处理产量相对较高，表明一次性基施本试验选用的控失尿素可以满足研究地区生育期相对较长的冬小麦对氮素营养的供应需求。
通过对小麦产量构成因素分析发现，施氮可以显著提高小麦单位面积成穗数和穗粒数。等量施氮水平下， 2015-2016年小麦T1、T2、T3和T4处理单位面积成穗数、穗粒数均无显著性变化，但T1处理单位面积成穗数较T2、T3和T4 处理略高。同样，在相同施氮条件下2016-2017年小麦T1处理单位面积成穗数也较T2、T3和T4处理略高。因此，由产量构成要素来看，基施控失尿素（T1）主要通过影响单位面积成穗数和千粒重进而影响小麦籽粒产量，基施控失尿素+追施尿素（T3）主要通过影响穗粒数和千粒重进而影响产量。
2. 测定氮肥施用对夏玉米产量及其构成要素的影响
检测结果如表3所示：
表3 夏玉米产量及其产量构成要素
。
由表3可以看出，氮肥施用可以显著提高夏玉米籽粒产量。从两年夏玉米产量结果来看，等量施氮水平下，2016和2017年玉米T1、T2、T3和T4在施氮量为N 160 kg/hm2时产量明显高于其他施氮处理。其中， 2016年玉米较高产量为T1处理，达10736 kg/hm2，较CK增产58.7%，2017年较高产量同样为T1处理，达12843 kg/hm2，较CK处理116.1%，分别较T2、T3和T4处理最高产增产6.0%、2.6%和9.3%。该研究表明，一次性基施控失尿素可以满足生育期较短的夏玉米对氮素需求的营养供应。
通过对产量构成进一步分析发现，氮肥施用可显著提高夏玉米的穗数、穗粒数和百粒重。等量施氮水平下，2016年玉米T1、T2、T3和T4处理的穗粒数、百粒重差异均不显著，T1处理在N 160 kg/hm2时穗数、穗粒数均明显高于T2、T3和T4处理，最终导致T1处理与其他处理间产量差异达显著水平。2017年玉米T1处理单位面积成穗数也明显高于T2、T3和T4处理，同样也导致T1处理与其它处理间产量差异达显著水平。
此外，2017年度，T3处理在N 160 kg/hm2施氮水平时穗粒数、百粒重也较T1、T3和T4处理高，最终导致产量差异。因此，从产量构成来看，一次性施用控失尿素（T1）可通过影响单位面积成穗数和百粒重影响夏玉米籽粒产量。
3. 计算施氮量和产量的关系
不同处理的冬小麦和夏玉米的施氮量和产量的线性关系如表4所示：
表4 施氮量和产量的线性关系
。
结合表2、表3研究结果，经两年度作物产量平均值可看出，随着施氮量增加作物产量表现为先升高后降低趋势。两年度施氮方式处理间作物产量平均值均以T1处理相对较高，T3处理次之，表明控失尿素无论是用在生育期较长的小麦，还是生育期较短的玉米，均表现出特有的增产优势。
在两种植季分别一次性施用控失尿素或基施控失尿素+拔节期追施普通尿素均可明显提高小麦、玉米籽粒产量，且主要通过提高单位面积成穗数进而增加作物产量，分析认为基施控失尿素可以满足小麦拔节期之前（160d左右）和玉米大喇叭口期之前（60d左右）作物较长生育期对氮素的养分需求，进而可保证充足的单位面积成穗数，最终增加作物籽粒产量。
（四）测定氮肥施用对成熟期冬小麦/夏玉米氮积累的影响
检测结果如图3和图4所示。
从图3和图4可以看出：施氮可以显著提高作物地上部氮素积累量。连续4季T1处理作物地上部氮素积累量在施氮量为0～160 kg/hm2，可以促进地上部氮素积累，160～240kg/hm2施氮量则抑制地上部氮素积累。
2016-2017年小麦和2017年玉米T2、T3和T4处理在0～240 kg/hm2时呈线性增加。2016-2017年小麦和2017年玉米T1处理在施氮量为N 160 kg/hm2时氮素积累量明显高于其他施氮处理，T2、T3和T4处理在施氮量为N 240kg/hm2时均高于其他施氮处理，且T4处理在该施氮量下小麦氮素积累达到347 kg/hm2最高值，分别较T1、T2和T3处理最高值增加6.2%、1.5%和2.0%，说明拔节期追施控失尿素有促进小麦生育后期氮素积累的效果。
此外，2017年玉米T1处理在施氮量为N 240kg/hm2时达到最高氮素累积值323 kg/hm2，分别较T2、T3和T4处理最高值增加4.5%、3.6%和2.8%，表明一次基施控失尿素可以更好地适宜于生育期较短的夏玉米季施用。
（五）测定氮肥施用对氮肥利用率的影响
检测结果如表5和表6所示：
表5 氮肥施用对冬小麦氮肥利用率的影响
。
表6 氮肥施用对夏玉米氮肥利用率的影响
。
由表5和表6可以看出，随着施氮量的增加，T1、T2、T3和T4处理农学效率（AE）、偏生产力（PFP）、生理利用率（PE）呈降低趋势，T2、T3和T4处理吸收利用率（RE）也呈现逐渐降低趋势，而T1处理的吸收利用率（RE）则呈现出先升后降的趋势，且在N 160 kg/hm2时最高。
此外，通过对2015-2017年度小麦、玉米两个轮作周期4季作物氮肥利用率分析发现，在施氮量为N 160 kg/hm2时， 在4种施氮方式中T1处理农学效率（AE）、偏生产力（PFP）、生理利用率（PE）均相对较高表明在施氮量为N 160 kg/hm2条件下一次性基施控失氮肥可以满足研究地区小麦、玉米对氮肥营养的需求，进而起到增产增效的作用。
（六）计算经济效益
计算结果如表7所示：
表7氮肥施用经济效益分析
。
由表7可看出，相同施氮水平下，虽然T1处理肥料成本较T2、T3、T4 处理高，但T1处理节省追肥人工成本，取得的相应周年产量、周年产值较高，致使最终纯效益较高，且在施氮量N 160 kg/hm2时相对较高，2015-2016年纯效益为17831元/hm2，T4处理次之，2016-2017年为27959元/hm2，T3处理次之。
综合考虑两年的平均纯效益、不确定的地力因素、小麦玉米最佳经济施氮量、粮食价格及肥料价格及土壤环境容量等因素，可优选出出适合当前本地区的施氮量为N160 kg/hm2，施氮方式为一次性基施控失尿素处理。
（七）土层硝态氮累积量监测
发明人长期的监测研究发现，经过统筹规划玉米季和小麦季的氮肥施用种类（如选用合适的控失尿素）及用量，可达到小麦季所施上述控失尿素的速效养分释放曲线除能契合小麦氮肥需求规律之外，其氮肥后效也能满足玉米苗期之需要。2017年6月小麦收获后土层硝态氮积累量如图5所示，从该图中还可以看出，T1处理中小麦季一次基施氮量为N160 kg/hm2时，小麦收获后土层硝态氮积累量维持在合理的水平，即在不造成硝态氮大量的淋失的情况下，为下季作物苗期提供适量的速效N养分。
而玉米季施用的控失尿素经过契合玉米需肥规律的夏季释放峰期后，且其氮肥后效尚能满足冬小麦苗期之需要。2017年9月玉米收获后土层硝态氮积累量如图6所示，从该图中还可以看出，T1处理中玉米季一次性基施施氮量为N160 kg/hm2时，玉米收获后土层硝态氮积累量仍能维持在合理的水平，即在不造成硝态氮大量的淋失的情况下，为下季小麦苗期提供适量的速效N养分。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (6)

1.一种兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，包括如下步骤：
在小麦种植季，小麦播种前结合整地一次性基施N 155～180 kg/ hm2、P2O5 100～150kg/hm2、K2O 80～90 kg/hm2；
在玉米种植季：玉米播种时一次性基施N 155～180 kg/ hm2、P2O5 100～150 kg/hm2、K2O 80～90 kg/hm2；
所述N来源于缓释尿素。
2.根据权利要求1所述兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，其特征在于，所述缓释尿素为河南心连心化肥有限公司生产的控失尿素。
3.根据权利要求1所述兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，其特征在于，在玉米种植季，玉米播种时通过播种施肥一体机基施各肥料。
4.根据权利要求1所述兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，其特征在于，所述P2O5来源于过磷酸钙、重过磷酸钙、钙镁磷肥中的至少一种。
5.根据权利要求1所述兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，其特征在于，所述K2O来源于硫酸钾、氯化钾中的至少一种。
6.根据权利要求1所述兼顾土壤环境容量的冬小麦/夏玉米周年轮作节氮增效施肥方法，其特征在于，小麦种植季和/或玉米种植季基施N 160 kg/ hm2。
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