劉高遠(yuǎn)，和愛玲，杜 君，楊占平，潘秀燕，許紀(jì)東，張玉亭

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；2遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，河南駐馬店 463100）

0 引言

化肥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是糧食的“糧食”?？茖W(xué)施肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和增加農(nóng)民收入的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措[1]。2013—2019年期間，在國家相關(guān)政策正確指導(dǎo)下，中國主要農(nóng)作物施肥管理由高量化向減量化、低肥效向高肥效及重視產(chǎn)量、環(huán)境友好型的方向逐漸轉(zhuǎn)化[2]。隨著農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定的《到2020年化肥使用零增長行動(dòng)方案》的具體實(shí)施，不僅實(shí)現(xiàn)了普通化肥施用量出現(xiàn)零、負(fù)增長，而且提出了化肥施用量“零增長”下養(yǎng)分高效利用的發(fā)展目標(biāo)，并將新型肥料的推廣與應(yīng)用作為重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)[3-4]。因此，新型肥料品種的應(yīng)用及評(píng)價(jià)在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中占居重要地位。

新型肥料是指利用新方法、新工藝生產(chǎn)的具有復(fù)合高效、緩/控釋和環(huán)境友好型等特征的肥料，區(qū)別于傳統(tǒng)化學(xué)單質(zhì)肥料和復(fù)合肥料及未經(jīng)深加工的有機(jī)肥料[5]。它能夠根據(jù)作物養(yǎng)分需肥規(guī)律控制或延緩養(yǎng)分釋放，具有肥效長、損失少、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)新型肥料的消費(fèi)量平均每年以高于5%的速度不斷增長，新型肥料品種（保水型、穩(wěn)定性、包膜型緩釋肥等）逐漸成為了普通化肥的替代品，且施用面積仍在持續(xù)不斷地?cái)U(kuò)大[6-7]。目前，針對(duì)不同區(qū)域范圍內(nèi)單一新型肥料對(duì)作物施用效果及環(huán)境效應(yīng)的研究較多，結(jié)果普遍認(rèn)為：施用新型肥料能夠提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率[8]，減少NH3揮發(fā)和N2O排放量[9-10]，增加表層土壤硝態(tài)氮的累積[11]，改善土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分狀況[3]。然而，受土壤、氣候等條件的影響，國內(nèi)外關(guān)于新型肥料促進(jìn)作物增產(chǎn)增收的觀點(diǎn)并不一致。一些研究表明，新型肥料較普通肥料增加了成本，而對(duì)作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量并無明顯影響[12-13]。因此，進(jìn)一步評(píng)價(jià)新型肥料的應(yīng)用效果是十分必要的。

砂姜黑土是黃淮海平原農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)三大低產(chǎn)土壤類型之一。其中，河南省砂姜黑土面積約占全國總面積的18%[14]，且多集中在豫南，具有很大的改造潛力。目前，關(guān)于施用新型肥料對(duì)豫南砂姜黑土區(qū)玉米生長與土壤環(huán)境影響的研究較少，尤其是缺乏應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。本研究通過2年的大田試驗(yàn)，分析豫南砂姜黑土區(qū)施用新型肥料對(duì)玉米產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收的影響，并結(jié)合土壤硝態(tài)氮?dú)埩艏坝衩捉?jīng)濟(jì)效益，綜合評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果，以期篩選出適合該區(qū)域的玉米新型肥料品種。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2018和2019年在河南省駐馬店市遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(113°97′E,33°15′N)開展。該地區(qū)海拔為70 m，年均氣溫14.9℃，年均降水量972 mm，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。降水主要集中在6—8月，占全年降雨量的70%以上（圖1）。玉米生育期內(nèi)高溫、多雨，且易同時(shí)發(fā)生。該地區(qū)土壤類型為石灰性砂姜黑土，0～50 cm土質(zhì)為黏壤土及壤質(zhì)黏土，耕層質(zhì)地粘重，適耕期較短。試驗(yàn)開展前0～20 cm土層基本性質(zhì)，如下：土壤容重1.58 g/cm3，有機(jī)質(zhì)13.7 g/kg，全氮0.11 g/kg，速效磷8.2 mg/kg，速效鉀121.1 mg/kg，pH 6.73。

圖1 遂平縣30年平均氣溫和降雨量變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置為常規(guī)尿素(CK)、控釋尿素(CRU)及含生物質(zhì)炭(BU)、微肥(MU)、腐植酸(HAU)的尿素，共5個(gè)處理，3次重復(fù)，15個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為6 m×5 m=30 m2，完全隨機(jī)排列。新型肥料處理中，CRU為加入硝化抑制劑（正丁基硫代磷酸三胺，用量為純氮含量的1%）的穩(wěn)定性尿素，BU和HAU為玉米秸稈炭（500℃下裂解，含量≤8%）和腐植酸（含量≤5%）包衣尿素，MU為Zn、Fe等微量元素（含量≤1%）與尿素制備成的多元微肥尿素絡(luò)合肥。各處理養(yǎng)分投入量相等：N、P2O5和K2O用量分別為225、45和45 kg/hm2。于6月上旬進(jìn)行播種，種肥同播，肥料作為基肥施入，無追肥。供試玉米品種為‘鄭單1002’，株行距為28 cm×60 cm，栽培密度為67500株/hm2，收獲期為9月下旬。灌水、施藥等管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相一致。

1.3 樣品采集

收獲期，各小區(qū)隨機(jī)采集10株樣品，晾曬至子粒含水量達(dá)12%時(shí)，進(jìn)行考種。項(xiàng)目包括：穗長、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重?？挤N后的秸稈和子粒，烘干、粉碎，分析養(yǎng)分含量。同時(shí)，各小區(qū)子粒和秸稈全部人工收獲，子粒含水量降至12%、秸稈含水量低于10%時(shí)，分別記產(chǎn)。收獲后，各小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，用土鉆分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層樣品，同小區(qū)同層土樣混勻，立即裝入自封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室-20℃冷凍保存，于7天內(nèi)分析硝態(tài)氮含量。

1.4 樣品分析

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：每公頃產(chǎn)量通過小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量折算。采用游標(biāo)卡尺測量穗長(cm)和穗粗(cm)；根據(jù)穗行數(shù)、單行粒數(shù)，計(jì)算穗粒數(shù)；利用電子天平（精確至0.0001）稱量百粒重(g)。

植株養(yǎng)分吸收量：子粒和秸稈樣品分別于105℃下殺青30 min，85℃下烘干至恒重，粉碎、混勻，通過濃H2SO4-H2O2消解，制備消解液。采用連續(xù)流動(dòng)自動(dòng)分析儀法測定消解液中氮濃度[15]，采用鉬藍(lán)比色法和火焰光度計(jì)法測定磷和鉀濃度[16]。植株氮（磷、鉀）吸收量計(jì)算公式，如式(1)所示。

經(jīng)濟(jì)效益：通過凈收入和產(chǎn)投比進(jìn)行評(píng)價(jià)不同新型肥料品種的經(jīng)濟(jì)效益[17]?？偖a(chǎn)出計(jì)算方式，如式(2)所示。

式中，2018和2019年玉米單價(jià)分別為1.6和1.7元/kg。

總投入(元/hm2)為肥料和其他投入（種子、農(nóng)藥、播種與收獲、人工等）費(fèi)用之和。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

通過Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖。采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過單因素方差分析法(One-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的方差分析與多重比較，顯著性假設(shè)為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用新型肥料對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表1可以看出，施用新型肥料較CK一定程度上提高了玉米產(chǎn)量，2018產(chǎn)量增幅在1.3%～10.2%之間，2019年產(chǎn)量增幅在4.1%～12.2%之間，年均產(chǎn)量增幅在2.7%～10.9%之間。新型肥料處理中，年均產(chǎn)量以HAU增幅最高，增幅為10.9%，差異顯著；同時(shí)，HAU穗粒數(shù)較CK提高了9.7%、百粒重較CK提高了9.2%，差異顯著。CRU具有一定的增產(chǎn)效果，但并不穩(wěn)定：2018年產(chǎn)量較CK變化不明顯，而2019年產(chǎn)量、穗粒數(shù)和百粒重較CK顯著提高了12.2%、9.4%和8.9%。BU和MU產(chǎn)量與CK之間差異均未達(dá)到顯著水平。

表1 不同新型肥料品種下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的表現(xiàn)

2.2 施用新型肥料對(duì)玉米植株養(yǎng)分吸收的影響

由圖2、3所示，2018和2019年施用不同新型肥料對(duì)玉米植株氮、磷和鉀吸收量的影響。結(jié)果表明，施用新型肥料較CK明顯提高了玉米植株氮、磷和鉀吸收量，年均植株氮、磷和鉀吸收量增幅分別為6.4%～20.6%、5.1%～27.5%和11.2%～18.7%。新型肥料處理中，HAU年均植株氮和磷吸收量分別較CK提高了20.6%（2018和2019年增幅分別為22.7%和18.4%）和27.5%（2018和2019年增幅分別為24.3%和30.7%），差異顯著；而其他處理年均植株氮、磷吸收量與CK之間均無顯著性差異。不同處理年均植株鉀吸收量在116.8～138.4 kg/hm2之間，盡管施用新型肥料較CK提高了植株鉀吸收量，但差異均未達(dá)到差異水平。

圖2 2018年不同新型肥料品種下玉米植株養(yǎng)分吸收量的變化

圖3 2019年不同新型肥料品種下玉米植株養(yǎng)分吸收量的變化

2.3 不同新型肥料品種下玉米土壤硝態(tài)氮含量變化

由圖4和圖5可以看出，2018和2019年不同處理0～60 cm土層硝態(tài)氮含量隨著土層深度增加呈現(xiàn)下降趨勢，同時(shí)，施用新型肥料較CK一定程度上降低了0～60 cm土層硝態(tài)氮含量。新型肥料處理中，HAU較CK顯著降低了0～40 cm土層硝態(tài)氮含量，其中，0～20 cm土層降幅為26.4%（2018和2019年降幅分別為27.5%和25.2%），20～40 cm土層降幅為32.4%（2018和2019年降幅分別為29.4%和35.3%），但40～60 cm土層硝態(tài)氮含量較CK無顯著性變化；CRU土壤硝態(tài)氮含量受年份影響較大，例如，2018年0～60 cm土層硝態(tài)氮與CK之間無顯著性差異，但2019年0～20 cm和20～40 cm土層硝態(tài)氮含量分別較CK顯著提高了29.3%和22.5%；與CK相比，盡管BU和MU均降低了0～60 cm土層硝態(tài)氮含量，但差異并不顯著。

圖4 2018年不同新型肥料品種下0～60 cm土層硝態(tài)氮含量的變化

圖5 2019年不同新型肥料品種下0～60 cm土層硝態(tài)氮含量的變化

2.4 不同新型肥料品種下玉米經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

本試驗(yàn)根據(jù)2年平均玉米產(chǎn)量變化，結(jié)合當(dāng)年玉米單價(jià)，分析了不同處理下種植玉米的凈收入及產(chǎn)投比，其結(jié)果（表2）表明：與CK相比，施用新型肥料增加了玉米經(jīng)濟(jì)效益，增收110.6～877.6元/hm2，增幅為1.7%～13.5%，其中，以HAU增幅(13.5%)最高，其次分別為CRU(7.8%)、MU(5.2%)和BU(1.7%)。各處理的產(chǎn)投比由高至低依次為HAU(2.14)＞CRU(2.05)＞MU(2.04)≈CK(2.04)＞BU(2.03)。總體結(jié)果來看，HAU較其他處理具有更高的增收潛力。

表2 不同新型肥料品種下玉米經(jīng)濟(jì)效益的變化

3 結(jié)論

本研究參試的4種玉米新型肥料均提高了玉米產(chǎn)量，增幅為2.7%～10.9%，其中，以施用含腐植酸尿素處理下產(chǎn)量最高，增幅為10.9%。與常規(guī)尿素相比，施用含腐植酸尿素能夠提高玉米穗粒數(shù)與百粒重，促進(jìn)植株氮和磷吸收，降低0～40 cm土層硝態(tài)氮?dú)埩?，而其他處理?duì)以上指標(biāo)影響相對(duì)較弱或年際間變化不穩(wěn)定。同時(shí)，施用含腐植酸尿素較常規(guī)尿素明顯提高了玉米經(jīng)濟(jì)效益。因此，在豫南砂姜黑土區(qū)施用含腐植酸尿素能夠促進(jìn)玉米增產(chǎn)增收及降低土壤硝酸鹽污染，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

4 討論

施用新型肥料在促進(jìn)作物生長、養(yǎng)分吸收及增產(chǎn)方面具有重要作用[18]。本研究中，施用含腐植酸尿素較常規(guī)尿素玉米產(chǎn)量提高了10.9%，同時(shí)，增加了穗粒數(shù)與百粒重、提高了植株氮和磷的吸收量。該結(jié)果一方面是由于腐植酸減緩了養(yǎng)分釋放速率，從而提高了養(yǎng)分利用效率[19]；另一方面，腐植酸被作物吸收后，不僅能夠提高葉片光合作用，而且能夠增強(qiáng)抗逆性[20]。施用緩/控釋肥料對(duì)作物產(chǎn)量的影響與當(dāng)年氣象因子變化（溫度、降水、光照時(shí)數(shù)等）相關(guān)[21-22]。任寧等[23]研究發(fā)現(xiàn)，施用緩/控釋肥料下干旱年份玉米干物質(zhì)累積量較常規(guī)年份降低了16.8%～52.6%，同時(shí)，氮素累積量降低了17.2%～65.9%。本研究發(fā)現(xiàn)，施用控釋尿素增加了玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量，但效果不穩(wěn)定。該結(jié)果可能與豫南年際間玉米生育期內(nèi)降水、溫度等氣象因子變化不穩(wěn)定有關(guān)[24]，例如，2019年玉米生育期內(nèi)平均最高溫度(37.3℃)較2018年(35.9℃)增加了1.4℃，平均降雨量(626.8 mm)較2018年(302.0 mm)降低了324.8 mm[25]。本研究中，施用含生物質(zhì)炭尿素并未對(duì)產(chǎn)量造成影響。然而，有研究表明，施用炭基肥料明顯提高作物產(chǎn)量及改善農(nóng)藝性狀[26,27]。究其原因，一方面是由于生物質(zhì)炭施用量、土壤性質(zhì)和氣候條件的差異；另一方面是由于生物質(zhì)炭改良土壤性質(zhì)存在長期效應(yīng)[28]。劉紅恩等[29]研究發(fā)現(xiàn)，施用含微肥尿素一定程度上提高了玉米產(chǎn)量，增幅在5%左右，本研究結(jié)果與其結(jié)論基本一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，施用含腐植酸尿素較常規(guī)尿素明顯降低了0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量。其主要原因是，與其他新型肥料相比，腐植酸作為外源有機(jī)物加入尿素，不僅能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)[30]，而且能夠激發(fā)土壤酶活性、活化表層土壤養(yǎng)分[20]，從而促進(jìn)尿素及其他養(yǎng)分被作物進(jìn)一步高效吸收[31]。目前，關(guān)于外源添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤硝態(tài)氮淋溶影響的研究結(jié)果并不一致。陳心想等[32]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用量達(dá)到80 t/hm2時(shí)，能夠減少土壤硝態(tài)氮淋溶，而施用量降至20～60 t/hm2時(shí)，其效果明顯降低或無效果。然而，Xu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為40～160 t/hm2時(shí)，均能顯著降低土壤硝態(tài)氮淋溶。本研究中，施用含生物質(zhì)炭尿素與常規(guī)尿素土壤硝態(tài)氮變化基本一致，也就是說，施用含生物質(zhì)炭尿素并未對(duì)土壤硝態(tài)氮造成顯著影響。這一結(jié)果可能是由于生物質(zhì)炭吸附效果與其原材料和施用量有關(guān)，同時(shí)，其吸附效果還受土壤類型、土壤酸堿度等因素的影響，如何通過技術(shù)手段提高農(nóng)田生物質(zhì)炭的吸附與固持能力仍需要進(jìn)一步研究。

合理評(píng)價(jià)某項(xiàng)田間管理措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，不僅要考慮到作物增產(chǎn)效果、土壤環(huán)境問題，而且要考慮到實(shí)施過程中經(jīng)濟(jì)效益最大化。本研究中，施用含腐植酸尿素具有較高的凈收入及產(chǎn)投比，其次是控釋尿素，而施用含微肥尿素產(chǎn)投比低于常規(guī)尿素。該結(jié)果表明，4種玉米新型肥料中，施用含腐植酸尿素在豫南砂姜黑土區(qū)具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。