2019, Vol. 27
夏玉米(Zea mays)-冬小麦(Triticum aestivum)轮作(玉-麦轮作)是黄淮海平原典型的一年两熟制粮食作物栽培模式, 也是我国粮食高产以及超高产创建的核心产区[1-2]。氮(N)是玉米、小麦生命繁衍、成长和发育所必需的三大营养元素之一, 也是玉-麦轮作体系变化的主控因子[3-4]。研究表明, 黄淮海玉-麦轮作区在氮肥管理上随意性很高, 玉米、小麦两季作物施氮时极少考虑氮肥的盈余量, 其氮肥偏生产力均在10 kg·kg-1左右, 大田实际生产中则可能更低[5], 远低于国际上的18 kg·kg-1和24 kg·kg-1[6]。同时我国玉米、小麦生产中其氮肥用量明显高于国际上相应的平均水平, 按照作物报酬递减率, 相对应的每千克氮肥所增加的产量效应必然会有所降低[7-8]。因此, 增强农田氮素管理水平, 优化氮素施用模式是降低氮素损失、提高氮素利用率的重要途径[9]。其中一项重要措施则是研发新型肥料并推广使用绿色、高效施氮技术[10-11]。杨峰等[12]利用2年田间试验研究指出, 采用缓控释肥一次性基施模式的夏玉米产量接近或高于常规尿素3次和2次施肥, 增产效果优于一次性基施等量普通复合肥处理。此外, 在同等施氮量下, 与普通尿素相比, 施用缓释尿素水稻氮素利用率可提高20%以上, 且在氮肥减施30%条件下其产量仍比施用普通尿素提高3.0%~5.9%[13]。另有研究指出, 采用控释肥与尿素配施的施肥模式不仅可有效满足前期作物生长对养分需求[14], 又能确保作物稳产甚至高产[15], 同时还可有效减少旱地N2O及水田CH4、N2O的排放[16-17]。因此, 制定因时、因地的玉-麦周年轮作体系下合理的施氮模式, 对提高黄淮海平原粮食产量、氮肥利用率以及降低环境污染风险和节本增效等均具有重要意义。
前人有关作物氮肥施用模式的研究主要集中于“4R施肥技术”(正确的施肥量、施肥时期、施肥方法和施肥地点)的用量、时期和方法方面, 而很少考虑地力水平不同所造成的差异。冯洋等[18]通过布置水稻(Oryza sativa)氮肥效应田间试验, 发现高产田与中产田对氮肥响应灵敏度明显弱于低产田, 且地力水平间适宜施氮量变化趋势为低产田 > 中产田 > 高产田。研究表明, 同等施氮模式下, 高产田氮素利用率较中、低产田更低[19]。河南省位于黄淮海平原腹地, 地域跨度大, 各粮食产区间地力水平参差不齐。宋艳华等[20]调查指出, 河南省高、中、低产田比例分别占全省耕地面积的20%、50%和30%左右, 其中, 高产田区农业科技条件对作物产量贡献低于中、低产田, 而中、低产田区的耕地质量、施肥技术和管理水平对作物产量的贡献均远低于高产田区。研究发现, 每公顷高产田作物产量相当于1.4~3.8倍或2.1~6.0倍的中、低产田, 同时高产田对我国粮食贡献率高达54.1%[21], 未来作物粮食增产的核心仍然为中、高产田[22]。因此, 有效开展因时、因地和因量的玉-麦轮作体系氮肥施用模式研究, 对制定科学、合理的农田养分管理技术意义重大。基于此, 本文以豫北典型的玉-麦周年轮作种植模式为研究对象, 选取代表性高产田区(河南省鹤壁市)与中产田区(河南省原阳县)布置并开展不同氮肥施用模式下玉-麦轮作田间试验, 探究不同氮肥施用措施对玉-麦周年轮作模式下作物产量、氮素吸收利用以及物质分配与转运特性影响, 以期为玉-麦一体化栽培中节氮增效潜力空间分析及制定适宜的氮肥施用技术提供试验基础与理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验点概况2016年6月—2017年10月, 分别于河南省鹤壁市高产粮示范区(114°18′E, 35°40′N, 高产区)和新乡市原阳县河南农业大学试验基地(113°56′E, 35°6′N, 中产区)选取代表性田块开展玉-麦轮作下氮肥施用模式肥效试验。两地均属于温带半湿润性季风气候, 多年平均气温和降雨量分别为14.5 ℃和650 mm左右。供试土壤鹤壁为黏壤质潮土, 原阳是砂质潮土, 0~20 cm耕层土壤基础理化性质如表 1所示。分析发现, 除pH高产区(鹤壁)低于中产区(原阳)外, 其余5项土壤养分指标均显著高于后者, 有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾增幅分别高达49.4%、53.7%、20.6%、94.7%和56.9%。
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表 1 供试地土壤基本理化性质 Table 1 Soil physical-chemical properties of the experimental sites |
高、中产区夏玉米与冬小麦大田试验均设5种氮肥施用模式, 具体信息如表 2所示。
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表 2 试验各处理具体信息 Table 2 Detailed information of different treatments in the experiment |
其中, T3处理中冬小麦季按基肥:返青肥=1:1施用, 夏玉米季按基肥:大喇叭口期追肥=1:1施入; T4中冬小麦季按包膜尿素:普通尿素=3:1配方于播种前一次性基施, 夏玉米季采用含N 26%的包膜尿素按750 kg·hm-2于播种时一次性施入; T5处理中冬小麦季包膜尿素与普通尿素仍按3:1于播种前一次性施入, 夏玉米季采用含N28%的包膜尿素按750 kg·hm-2于播种时一次性施入。各处理均设3次重复, 随机区组排列。小区面积36.0 m2(宽×长= 3.6 m×10.0 m)。除氮肥外, 磷、钾肥用量分别按P2O5 90 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2做基肥一次性施入。肥料品种分别为普通尿素(含N 46%)、ESN树脂包膜尿素(含N 44%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)和氯化钾(含K2O 60%)。
供试夏玉米和冬小麦品种均为国审主推高产新品种, 在试验区具有广泛的推广种植面积和环境适应性。其中, 夏玉米品种高产区为‘豫安3号’, 中产区为‘浚单29’, 种植密度为67 500株·hm-2; 冬小麦品种高产区为‘淮麦33’, 中产区为‘设农999’, 两地播种密度分别为210 kg·hm-2和180 kg·hm-2。播种以及收获日期:高产区夏玉米2016年6月17日播种, 9月29日收获, 小麦11月4日播种, 2017年6月8日收获。中产区冬小麦2016年10月16日播种, 2017年6月2日收获; 夏玉米6月7日播种, 9月28日收获。除草、灌溉、除虫喷雾等其他田间管理措施均与当地农户习惯一致。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 基础土样采集与分析分别于夏玉米和冬小麦播种施肥前, 采用“S型”取样法采集试验地0~20 cm耕层土壤样品, 风干后过20目与100目筛, 分别测定土壤pH(电极法水土比2.5:1)、有机质(K2Cr2O7容量-外加热法)、全氮(半微量开氏法)、碱解氮(碱解扩散法)、速效磷(0.5 mol·L-1 NaHCO3法)和速效钾(NH4OAC浸提, 火焰光度法)含量(表 1)。
1.3.2 植株样品采集与分析分别于高产区夏玉米播种后27 d(六叶期)、46 d(十叶期)、61 d(十四叶期)、70 d(吐丝期)、76 d(水泡期)、91 d(乳熟期)和104 d(成熟期), 中产区夏玉米播种后33 d、54 d、69 d、76 d、85 d、101 d和113 d(生育期同高产区); 高产区冬小麦播种后105 d(越冬期)、137 d(拔节期)、160 d(抽穗期)、182 d(灌浆期)和216 d(成熟期), 中产区冬小麦播种后94 d、146 d、156 d、178 d、201 d(乳熟期)和229 d(生育期同高产区), 各小区选择有代表性夏玉米与冬小麦各20株, 于光照充足、太阳高度角变化较小的上午10:00—12:00, 利用叶绿素计SPAD仪测定夏玉米最新完全展开叶和冬小麦旗叶SPAD值, 同一小区内测试结果求取平均值。
叶片SPAD值测定结束后, 各小区选取有代表性玉米4株和1 m双行小麦样方1处, 夏玉米吐丝期前不分部位, 吐丝期后分植株与籽粒两部分; 冬小麦除成熟期外, 均未分部位进行样品采集与前处理。处理后样品先置于105 ℃烘箱中杀青30 min, 后置于65 ℃烘箱中烘至恒重, 计算生物量。H2SO4- H2O2法消煮, AA3流动注射分析仪测定植株和籽粒氮含量(g∙kg-1), 计算氮素积累量, 即各部位生物量(kg·hm-2)与氮含量(g∙kg-1)的乘积。
1.3.3 测产与考种于夏玉米和冬小麦收获期, 于各小区测产区选取长势均匀的玉米和小麦样方10.8 m2(宽×长=3.6 m×3.0 m), 自然风干后于实验室内考种分析, 测定穗粒数和千粒重, 并测算小麦样方内有效穗数; 采用PM- 8188-A型谷物水分测定仪测试夏玉米和冬小麦籽粒含水量, 换算成14.0%含水量的作物产量。
1.4 数据处理与分析按照黄明等[23]和鲁艳红等[24]描述方法分别计算夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率(apparent use efficiency of nitrogen, AUN, %)、氮肥农学效率(agronomic efficiency of nitrogen, AEN, kg·kg-1)、100 kg籽粒需氮量[nitrogen amount for producing 100 kg grains, NAPG, kg·(100)kg-1]和氮素收获指数(nitrogen harvest index, NHI):
| $ {\rm{AUN}}\left( \% \right) = \left( {施氮处理地上部氮积累量 - 对照处理地上部氮积累量} \right)/施氮量 \times 100 $ | (1) |
| $ {\rm{AEN}}\left( {{\rm{kg}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}} \right) = \left( {施氮处理作物产量- 对照处理作物产量} \right)/施氮量 $ | (2) |
| $ {\rm{NAPG}}\left[ {{\rm{kg}} \cdot {{\left( {100{\rm{kg}}} \right)}^{ - 1}}} \right] = 植株总氮积累量/籽粒产量 \times 100 $ | (3) |
| $ {\rm{NHI}} = 籽粒氮积累量/地上部氮积累量 \times 100 $ | (4) |
采用Microsoft Excel 2010进行基础数据输入与前期处理; SPSS 20.0软件进行试验点与氮肥施用模式处理间方差分析和显著性检验(LSD法), 显著性水平设定为P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001; Origin 8.5软件作图。
2 结果与分析 2.1 氮肥施用模式对玉-麦周年轮作系统作物产量及产量构成因子的影响玉-麦周年轮作下不同氮肥施用模式对产量及产量构成因子影响显著(图 1)。夏玉米产量, 2016—2017年高产区与中产区田块均以T5处理(控释尿素与普通尿素配比施用)最高, 相比于T1(不施氮肥)处理, 产量增幅分别为37.2%和34.3%, 差异显著。冬小麦产量, 不同氮肥施用模式产量变化趋势与夏玉米相似, 仍以T5最高, T4次之, T1最低。进一步分析可知, 两试验年份高产区田块不同氮肥施用模式作物产量均高于中产区田块的相应处理, 其中高产区夏玉米和冬小麦产量与中产区相比, 分别平均提高58.0%和34.7%。交互作用方差分析结果表明, 试验点(S)和处理(T)对作物产量影响均达极显著水平(P < 0.001)。
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图 1 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统作物产量的影响 Fig. 1 Effects of nitrogen application methods on crop yields of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas 各处理具体介绍见表 2。小写字母表示不同处理间在0.05水平差异显著。NS和***分别表示试验地点、处理及其交互作用不显著和在0.001水平上显著。Detailed information of treatments was shown in Table 2. Different letters above columns mean significant difference among treatments (P < 0.05). NS and *** represent not significant effect, significant effect at 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions. |
由表 3可知, 氮肥施用模式和试验点对夏玉米和冬小麦产量构成因子影响较为明显, 但各指标间表现出较大的差异性。高产区夏玉米处理间穗粒数、冬小麦穗数和穗粒数差异均达显著水平(P < 0.05), 千粒重则无明显差异; 中产区变化趋势与此一致。进一步分析发现, 试验点和处理互作(S×T)无显著影响, 该结果与产量分析效应相同。主要原因可能是交互作用分析时高产区与中产区各指标在数值大小上差异较大, 变异系数的提高降低了互作分析的灵敏度与响应度。
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表 3 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统作物产量构成因子的影响 Table 3 Effects of nitrogen application methods on yield components of crops of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas |
叶片SPAD值是反映作物色素含量及光合潜力的重要指标, 与氮素营养关系紧密, 可直接用于表征植株氮含量丰缺状况, 评估氮肥施用效果。图 2为玉-麦轮作下高、中产区不同氮肥施用模式叶片SPAD值时空变化特异性。结果表明, 不同氮肥调控模式间, 2016—2017年夏玉米与冬小麦叶片SPAD值于各生育期均整体表现为T1 < T2 < T3 < T4 < T5, 变化趋势较为稳定。氮肥调控措施下(T2-T4)高、中产区夏玉米各生育期叶片SPAD平均值, 与T1对照相比, 增幅分别为12.7%和14.3%, 冬小麦则为6.4%与7.0%(图 2)。生育期间, 随作物生长, 夏玉米叶片SPAD值整体表现为下降趋势, 主要原因是夏玉米生育期较短, 短期内植株生物量迅速增加, 稀释效应显著; 冬小麦叶片SPAD值各生育期间则无明显差异, 可能是由于叶片SPAD值测试范围较小(约6 mm2), 且小麦生育期较长, 叶片在小尺度范围内稀释效应不甚剧烈, 加之SPAD值测试受诸多因素影响, 如叶片厚度、叶色、叶表面绒毛等, 因此不同生育期测试间未表现出较为明显的差异性(图 2)。
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图 2 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统各生育期作物叶片SPAD值的影响 Fig. 2 Effects of nitrogen application methods on SPAD values at different growth stages of crops of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas 各处理具体介绍见表 2。NS、**和***分别表示试验地点、处理及其交互作用不显著、在0.01和0.001水平上显著。Detailed information of treatments is shown in Table 2. NS, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions. |
生育期间, 随播种后天数增加, 无论夏玉米亦或冬小麦, 其地上部植株氮含量(plant nitrogen concentration, PNC, g∙kg-1)均表现为逐步降低趋势, 这与冬小麦叶片SPAD值表现效果略有差异。各氮肥施用模式间, 与叶片SPAD值变化趋势相一致, 玉-麦周年轮作下夏玉米和冬小麦PNC在各处理间仍表现为T1 < T2 < T3 < T4 < T5(图 3)。各生育期平均分析, 与T1(对照)和T2(氮肥一次性足量基施)相比, 高产区夏玉米采用T5处理施氮模式其PNC可分别提高30.9%和20.1%, 中产区增幅则分别为28.1%和16.2%;高产区冬小麦相比于T1及T2处理, T5处理模式下PNC增幅分别为24.5%和16.3%, 中产区则分别为35.1%和22.7%, 差异均显著。此外, 图 3中放大图为夏玉米和冬小麦籽粒氮含量(grain nitrogen concentration, GNC, g∙kg-1)处理间变化效果, 其中, 夏玉米于籽粒形成时即分植株和籽粒两部分进行氮含量测试分析, 冬小麦仅分析成熟期时两部位氮含量效果。结果表明, 与PNC处理间变化趋势相似, 夏玉米GNC仍表现为T5最高, T4、T3、T2、T1顺次降低。如与T1相比, 高、中产区夏玉米T5处理增幅分别高达28.0%和29.9%, 冬小麦则分别为15.7%和20.4%。高、中产区间, 高产区夏玉米PNC和GNC平均值分别比中产区提高19.4%和7.3%, 冬小麦则分别提高33.3%和-5.9%。
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图 3 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统作物植株和籽粒氮含量的影响 Fig. 3 Effects of nitrogen application methods on plant and grain nitrogen contents of crops of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas 各处理具体介绍见表 2。图 3a-d的右侧图为夏玉米和冬小麦生殖生长期籽粒氮含量。柱图中不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。Detailed information of treatments is shown in Table 2. The right side charts in figure 3a-d show the grain nitrogen contents of summer maize and winter wheat at reproduction stage. In two column figures, different lowercase letters mean significant differences among treatments at P < 0.05. |
由图 4可知, 随生育进程推进, 各氮肥施用模式高、中产区夏玉米与冬小麦植株氮积累量(plant nitrogen accumulation, PNA, kg·hm-2)均呈先升高后降低趋势。其中, 两产区夏玉米分别至播种后70 d和76 d达峰值, 冬小麦则分别至182 d与201 d时最高。产区间, 高产区夏玉米和冬小麦PNA均显著优于中产区, 增幅分别高达47.0%和85.9%。氮肥施用模式间, 无论高产区亦或中产区, 夏玉米和冬小麦PNA均表现为T1 < T2 < T3 < T4 < T5。将各生育期PNA平均, 与T1和T2相比, 高产区夏玉米T5处理分别提高89.2%和61.5%, 中产区增幅则分别为83.8%和51.0%;高产区冬小麦T5相比于T1及T2则分别增加87.5%和52.1%, 中产区则分别为112.4%和68.9%, 差异均较显著。此外, 两产区夏玉米和冬小麦籽粒氮积累量(grain nitrogen accumulation, GNA, kg·hm-2)于不同氮肥施用模式间差异效应与PNA相一致, 不同的是, 高产区夏玉米GNA至收获时进入平台期, 中产区则仍表现为升高趋势, 表明该地力条件下籽粒对氮的吸收并未被充分利用, 有待进一步挖掘和提高。
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图 4 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统各作物植株和籽粒氮积累量的影响 Fig. 4 Effects of nitrogen application methods on plant and grain nitrogen accumulation of crops of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas 各处理具体介绍见表 2。图 4a-d的右侧图为夏玉米和冬小麦生殖生长期籽粒氮积累量。NS、*、**和***分别表示试验地点、处理及其交互作用不显著、在0.05、0.01和0.001水平上显著。柱图中不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。Detailed information of treatments is shown in Table 2. The right side charts in figure 4a-d show the grain nitrogen accumulation of summer maize and winter wheat at reproduction stage. In two column figures, different lowercase letters mean significant differences among treatments at P < 0.05. NS, *, ** and *** represent not significant effect, significant effect at 0.05, 0.01 and 0.001 probability levels, respectively, of experimental sites, treatments and theirs interactions. |
在2016—2017年4个氮肥施用模式试验中, 高、中产田在氮肥表观利用率(AUN)、氮肥农学效率(AEN)和100 kg籽粒需氮量(NAPG)的变化趋势一致, T1-T5间随处理数增加均呈显著升高趋势, 而氮素收获指数(NHI)则与此相反。其中, 高产区夏玉米和冬小麦AUN、AEN和NAPG指标均明显优于中产区, 实现了氮营养上的“高吸收高利用”和“高产高效”。与前述指标变化趋势相反, 高产区NHI低于中产区(表 4)。交互作用分析表明, 夏玉米和冬小麦, 试验地点(S)对所选用的4个氮肥利用率指标均产生了极显著(P < 0.01或P < 0.001)影响, 处理(T)除冬小麦NHI外, 影响效果与S相同; 但两者交互作用仅对夏玉米AUN和NAPG产生影响(P < 0.01), 其余指标均不显著(表 4)。
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表 4 氮肥施用模式对高产区和中产区夏玉米-冬小麦周年轮作系统作物氮素利用率的影响 Table 4 Effects of nitrogen application methods on nitrogen use efficiencies of crops of the summer maize-winter wheat rotation system in high- and medium-yield areas |
本文利用氮肥效应田间试验, 系统探究了不同地力水平下氮肥施用模式对玉-麦周年轮作体系中产量及构成因子、氮素吸收与利用效率的影响, 确定了适宜豫北平原玉-麦轮作系统的尿素与缓释氮肥掺混配施的高效施氮管理模式。研究表明, 控释肥与尿素配施是当前作物集约化种植条件下行之有效的施肥措施, 可有效解决作物生长前期因控释肥养分不能有效释放而导致的作物减产问题[25-26]。纪洋等[17]指出, 采用纯控释肥施用模式和控释肥与尿素配施模式虽然均可显著提高水稻产量, 但后者产量比前者增加9.1%~26.3%。本试验中, 改进农民习惯施氮措施(普通尿素一次性基施或分次施用), 优化氮肥施用模式(普通尿素与控释尿素配合减施或足量施用)可显著提高玉-麦轮作下成熟期产量, 并大幅提高氮肥利用率, 这表明普通尿素与缓释氮肥配施的优化氮肥管理模式在稳产甚至增产的同时较大幅度提高氮肥利用率是可行的。与此同时, 与常规施氮方法相比, 优化氮肥施用模式还可显著提高玉-麦轮作下各生育期叶片SPAD值、植株或籽粒氮含量以及氮素积累量。主要原因是一方面控释尿素比普通尿素养分利用率普遍较高, 肥料养分在土壤中可保持较长时间的高有效性, 并能大幅降低肥料损失, 提高养分利用率[27]; 另一方面, 两者配施后更具有多重优点, 如既能满足作物苗期对养分需求, 又能维持中后期养分持续供应[28-29]。另有研究表明, 充足的氮肥供应是作物高产、稳产的前提, 科学有效的氮营养管理则是将适宜的氮肥品种与合适的氮肥用量在适宜的时期基施或追施于恰当的位置, 并与最佳作物农艺管理措施相融合, 方能实现作物绿色、高产、高效[30-31]。缓释氮肥可控制养分释放速率, 具有肥效期长、养分供养稳定等优势。因此, 尿素掺混缓释氮肥配施的作物氮肥管理模式近年来被认为是一种肥效稳定长久、节本增效潜力较大的一种新型氮肥管理制度[32-33]。郭金金等[34]系统分析了不同施氮量下尿素与缓释氮肥掺混对大田夏玉米生理特性、氮素吸收及土壤NO3--N残留的影响, 发现相比于普尿与缓释尿素单施, 两者掺混后施用玉米净光合速率分别提高6.9%~88.6%和3.4%~90.3%, 氮素吸收率则分别提高8.1%~67.3%和6.2%~54.1%, 差异显著。本课题前期试验结果同样表明[35], 施氮156.8 kg·hm-2(控释尿素:普通尿素=3:1)措施下冬小麦产量、氮肥利用率和农学效率较农民习惯施肥分别提高6.6%、13.6%和2.3 kg·kg-1, 这与本研究结论相符合。
此外, 氮肥表观利用率、农学效率、100 kg籽粒需氮量等均是表征作物氮肥吸收利用效率的常用指标, 从不同侧面反映了作物对氮素营养的吸收、同化和利用潜力[36], 在较优化的氮肥管理措施下, 其利用率一般在50%左右[37-38]。本试验中, 高产区夏玉米和冬小麦优化施氮方式(T4与T5处理)氮肥表观利用率为60%~75%, 中产区也在40%左右, 而常规施氮方式下其氮肥利用率也在30%左右, 100 kg籽粒需氮量结果同样有所偏高。究其原因: 1)本试验各处理小区四周均独立设梗, 梗的高度约30~40 cm, 降低了氮素径流损失; 2)肥料在施用时均采用条施翻土覆盖的方式进行, 避免了肥料直接撒施在土壤表面所造成的挥发损失; 3)本试验区灌溉设施较为先进, 均采用微管喷头喷洒方式进行, 肥料释放较为彻底, 减少了肥料的挥发损失, 促进了作物对氮素的吸收利用效能。
充足的养分供应是作物获得高产的前提, 而土壤养分库容大小则是其养分供应能力的根本保障。因此, 土壤基础肥力高低至关重要[39-40]。本文中, 0~20 cm耕层土壤理化性状显示高产区土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾相比于中产区原阳点分别显著提高49.4%、53.7%、20.6%、94.7%和56.9%, 这也是高产区夏玉米和冬小麦产量特征与氮营养指标均明显高于中产区的主要原因。王俊忠等[41]试验指出, 高产田夏玉米产量明显优于中产田, 且前者随氮肥用量增加其增产效应显著低于中产田。在增产机制上, 高产田作物叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性均明显高于中、低产田, 而上述酶活性则是促使作物氮素同化、物质合成与转运的关键动力[42-43]。本试验结果表明, 不同产区间玉-麦轮作体系各项指标均表现为高产区明显优于中产区, 且不同氮肥施用模式间变化趋势均一致。因此, 根据土壤肥力水平、区域特点和作物目标产量、需肥特性等确定适宜的氮肥施用模式, 有效协调作物高产、资源高效和生态环境保护间的矛盾, 对实现氮肥施用的生态效益、社会效益和经济效益具有重要意义。此外, 随着现代科技进步及新型农业生产发展, 夏玉米和冬小麦轻简化以及机械化施肥技术将逐步得以快速推广与应用。本研究中缓释氮肥与普通尿素配合施用的施肥模式及相应配方, 亦满足于机械化及快捷化施肥的需求。同时, 如能将本试验结果与河南省不同粮食主产区(高、中、低产田)作物产量及地力性状相结合, 研制适合于区域特性玉-麦轮作下作物专用配方肥, 实施种、肥同播, 这对玉米、小麦绿色、高产高效施肥技术创建及普及推广具有重要意义和发展前景。
4 结论本文选取河南省典型高、中产区田块为试验点, 以玉-麦周年轮作制下作物氮营养特性和高效施氮模式为切入点, 分析不同氮肥施用措施对作物产量、养分吸收利用及转运效率变化规律影响, 结果表明:玉-麦周年轮作下不同氮肥施用模式间夏玉米和冬小麦产量均以控释尿素与普通尿素配比氮足量施用最佳(T5), 氮素减量施用次之(T4), 但T4与T5间产量差异未达显著水平; 常规施氮方式中普通尿素分次施用(T3)和一次基施(T2)产量效果则相对次之, 对照处理最差(T1)。产量构成因子、叶片SPAD值、植株和籽粒氮含量、氮素积累量等氮营养指标变化趋势与此相似, 上述结果在不同年份和区域的夏玉米与冬小麦试验结果相一致。表明在作物稳产甚至增产的前提下, 优化氮肥管理模式可有效减少氮肥用量, 并能较大幅度提高氮肥利用效率。此外, 优化氮肥管理模式可有效促进高产区夏玉米花后氮素合成、分配与转运效率, 中产区则主要集中于花前; 冬小麦变化趋势则与此相反。该结果对进一步掌握高、中地力条件下夏玉米与冬小麦各自氮营养吸收与同化特异性, 研制适合不同生态区的作物专用配方肥或缓控释肥提供了重要试验基础和理论参考。
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