生态集约化管理提高东北春玉米产量和氮素利用率

  【目的】  针对我国春玉米生产中存在的肥料过量和不合理施用带来的生态环境问题,研究生态集约化养分管理对东北春玉米产量、氮素利用率和氮素平衡的影响,旨在指导氮肥科学施用,提高氮肥利用效率,减少氮素损失。  【方法】  2009—2017年在吉林省公主岭市开展9年长期定位试验,试验采用双因素裂区设计,主区为两种养分管理措施:生态集约化养分管理 (EI) 和农民习惯施肥 (FP);副区为3种施氮方式,不施氮肥处理 (N0)、3年中2年施氮肥处理 (N2/3) 和3年均施氮肥处理 (N3/3)。EI处理中P₂O₅ 75 kg/hm2、K₂O 90 kg/hm2、S 30 kg/hm2和Zn 5 kg/hm2全部基施,每年N用量 2009—2014年为180 kg/hm2,2015—2017年为200 kg/hm2,其中基施、玉米拔节期追施和抽雄期追施的比例分别为1/4、1/2和1/4;FP处理N 251 kg/hm2、P₂O₅ 145 kg/hm2、K₂O 100 kg/hm2均一次性基施。调查了玉米产量、氮素吸收量、氮素累积吸收量以及土壤氮素平衡。  【结果】  在N0处理中,从2010年开始玉米产量和氮素吸收量呈现下降趋势。在N2/3处理中,不施氮年份的产量和氮素吸收量较低,而在随后一年施氮的情况下,产量和氮素吸收量又增加到N3/3处理的水平。在EI养分管理措施下,N3/3处理9年平均产量为11505 kg/hm2,而FP管理措施下N3/3的平均产量明显低于EI处理,为10764 kg/hm2。与FP处理相比,EI处理下氮素农学效率 (AE_N)、氮素回收率 (RE_N) 和氮素偏生产力 (PFP_N)分别提高了47.4%、39.6%和43.8%;EI处理的氮素残留量和氮素表观损失分别降低了49.2%和63.9%  【结论】  9年长期试验结果表明,通过优化施肥量和施肥时间,配合采用优良的玉米品种和种植密度,生态集约管理能在减少氮素投入的前提下,保持作物产量,提高植株氮素吸收量和养分利用率,减少土壤氮素残留和氮素损失。持续适宜的氮肥投入对于保障东北玉米高产和稳产至关重要。     

实时实地氮素管理对水稻产量和氮素吸收利用的影响

以扬两优6号和培两优3076水稻为材料,通过田间试验比较研究了基于SPAD值的氮素管理对水稻氮素吸收、产量和氮肥利用率的影响。结果表明,随着SPAD预设阈值的增加,氮肥用量增加,籽粒产量和氮素吸收也随之增加。实时氮素管理条件下,水稻扬两优6号和培两优3076均以SPAD值为41处理获得较高的籽粒产量和氮素利用率,该处理在籽粒产量不降低的同时节约了氮肥用量12. 8% ～33.3%;而实地氮素管理条件下,水稻扬两优6号和培两优3076均以SPAD值为39～41处理获得较高的籽粒产量和氮素利用率,该处理在籽粒产量不降低的同时节约了23.1%的氮肥用量。鉴于实地氮素管理在田间易于操作,因此建议采用39～41作为水稻关键生育期指导氮肥施用的SPAD阈值。     

高产小麦氮素调控指标研究

参照广东省农科院土肥所的水稻氮素调控（简称“氮调”）施肥研究方法,研究了长江中下游地区亩产３８０ｋｇ小麦的不同生育叶龄期适宜的土壤供氮指标值。以此指导施肥,比常规施肥法施Ｎ１２０６ｋｇ／亩节省１１８ｋｇ／亩,并增产８０％。     

低量施氮对小青菜生长和氮素损失的影响

采用田间试验和微区试验相结合,研究了低量施氮对小青菜(Brassica.chinensis)产量、氮肥利用率和氮素损失的影响,其中氮素总损失用15N示踪法测定,氨挥发用通气密闭室法测定,反硝化损失用乙炔抑制-原状土柱培养法测定,不加乙炔测定N2O排放。结果表明,施用氮肥显著增加了小青菜的产量和吸氮量,在75和150kg/hm2氮肥水平下,氮肥利用率分别为46.8%和39.4%。由于试验地土壤pH低(5.38),各处理的氨挥发均很低且差异不大,施用氮肥没有增加氨挥发。试验地土壤反硝化损失和N2O排放量较高,分别为N4.34kg/hm2/sup和N2.65kg/hm2,施用氮肥没有增加反硝化损失和N2O排放,表明氮源不是反硝化作用的限制因子。在N75和150kg/hm2两个施氮水平下,氮素回收率分别为103%和91.3%,并且土壤残留氮主要累积在020cm土层,表明肥料氮损失很少,这与氨挥发、反硝化损失较低的结果相吻合。     

华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系的氮素循环与平衡

对华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系农田氮素输入输出的数量特征、平衡状况进行了分析,并评估其优化潜力。研究表明,华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系农田每年的氮素输入中,化学氮肥、农家肥、降水、灌溉、非生物固氮和种子带入农田的氮分别为545、68、21、15、15和5kghm-2a-1,氮素年输入总量为669kghm-2a-1;每年的氮素输出中,作物收获带走的氮为311kghm-2a-1,而氨挥发、反硝化和淋洗损失的氮分别为120、16和136kghm-2a-1,氮素年输出总量为583kghm-2a-1;氮素年盈余量为86kghm-2a-1。目前我国华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系农田氮素处于大量赢余状态,从而导致氮素大量损失。因此,加强氮肥管理,提高氮肥利用率,加大有机肥施用的力度,是华北地区农田氮素资源管理的长期任务。     

日光温室蔬菜的氮素平衡及施肥调控潜力分析

以寿光日光温室番茄为研究对象,通过2年4个生长季的试验,分析整个生产体系中氮素的平衡及0―180 cm土层硝态氮动态,并对氮素优化管理条件下日光温室番茄的生产力、氮素盈余与损失特征进行了研究。结果表明,与传统施氮管理相比,综合利用灌溉水带入氮素和根层土壤无机氮的优化氮素管理技术能够保证番茄产量,同时减少73%的氮肥施用,但节肥主要集中在春茬作物生长后期及秋茬作物生长前期。自休闲至番茄第一次追肥前土壤硝态氮的大量积累与频繁灌溉导致了整个生产体系氮素大量损失,建议通过种植填闲作物或者施用高C/N比作物秸秆等可能的方法来控制土壤氮素转化,减少该时期的氮素损失。     

生态集约化养分管理对春玉米产量和氮素利用率的影响

通过两年田间试验,研究了吉林玉米带不同氮素管理措施对春玉米产量、氮素吸收、氮素平衡状况以及经济效益的影响。两年的结果表明:与农民习惯施肥（FP）相比,生态集约化养分管理措施（EI）在减少氮肥用量28%的情况下,并未影响作物的产量和氮素吸收,而其氮素回收率,农学效率,偏生产力和经济效益却分别提高了48.1%、56.9%、43.8%和11.0%; 第一年不施氮肥第二年补施氮肥不会影响第二年春玉米产量和氮肥利用率。在氮素输出项中,EI处理两季作物氮素总表观损失仅为97 kg/hm2,而FP处理高达226 kg/hm2。因此,在考虑高产的基础上兼顾保护环境的要求,基于氮肥农学效率、作物目标产量和作物施肥反应的生态集约化养分管理措施是一种较为理想的氮素管理措施。     

氮肥用量及其基追施比例对烤烟氮素利用的影响

【目的】明确氮肥用量及基追肥比例对烤烟氮素吸收利用及氮素残留与损失的调控效应,提出提高氮肥利用率、降低氮肥损失的施氮策略。【方法】应用15N示踪技术,设置2个施氮量（90、60 kg/hm2）和2个基追肥比例（70%:30%、30%:70%）,共4种氮肥处理方式。基肥在烟田起垄时施入,追肥于移栽后30天施入。在烤烟伸根期、现蕾期和成熟期采集烟株样品,成熟期采集0-20和20-40 cm土层土壤样品,测定含氮量和15N丰度。成熟期计算烟叶产量和产值。【结果】施氮量由90 kg/hm2降至60 kg/hm2,烟株吸收的基肥氮、追肥氮、土壤氮及总氮量均降低,肥料氮占总吸收氮的比例由32.1%降至28.1%,土壤氮的比例由67.9%增至71.9%。基肥氮、追肥氮在土壤中残留量与损失量降低,肥料氮损失率降低26.9%,利用率提高11.3%。追肥比例由30%增至70%,基肥氮的吸收量降低,其占总氮的比例由15.1%降至9.6%,损失率降低52.9%,利用率提高21.7%。追肥氮的吸收量增加,其占总氮的比例由12.7%增至22.8%,残留率提高20.5%,利用率降低20.4%。肥料氮的吸收量增加,其占总氮的比例由27.8%增至32.4%,残留率提高19.9%,损失率降低49.7%,利用率提高20.6%。降低施氮量和增加追肥比例对产量、产值无显著影响。【结论】降低施氮量和增加追肥比例均能够减少肥料氮的损失,提高肥料氮的利用率。在本试验条件下,施氮量为60 kg/hm2且70%追施是兼顾生态效益和经济效益的最佳氮肥运筹方式。     

氮素对菠菜衰老生理指标的影响

田间小区试验研究了氮素与菠菜衰老的关系。结果表明,菠菜生长前期,植株根系活力增强,叶片叶绿素含量、光合速率及SOD、POD、CAT等保护酶活性升高,但生长后期均持续降低;而叶片电解质渗漏及丙二醛(MDA)含量在全生育期内则持续增加。在施氮量低于600.kg/hm2条件下,增施氮素可显著降低菠菜叶片的电解质渗透率及MDA含量,增强SOD、POD和CAT等保护酶活性及根系活力,提高叶绿素含量及光合速率,延缓菠菜衰老,进而提高菠菜产量。菠菜收获时,氮素用量600.kg/hm2处理的叶片电解质渗透率和MDA含量分别比对照(不施氮)降低50.9%、67.2%,SOD、POD和CAT活性及根系活力分别高59.2%、478.4%、290.9%和131.3%;叶绿素含量及光合速率分别高59.6%、131.3%,增产率达88.0%。施氮量达900.kg/hm2时则发生负效应,虽然产量比对照增产75.3%,但比600.kg/hm2施氮量减产6.7%。     

施氮对水稻产量、氮素利用及土壤无机氮积累的影响

通过田间试验研究了不同施氮量(0、60、120、180和240 kg hm~(-2))对水稻氮肥利用、产量、土壤氮素供应及氮素平衡的影响,结果表明,水稻产量随施氮量的增加呈先增后降的趋势,当施氮量超过180 kg hm~(-2)后产量下降,根据水稻产量(y)和施氮量(x)拟合,得出最佳施氮量为204 kg hm~(-2)。施用氮肥可显著增加水稻氮吸收总量,并随施氮量的增加显著增加,当施氮量超过180 kg hm~(-2)后,氮吸收总量不再显著增加。氮肥当季回收率、农学利用率、偏生产力和生理利用率均随施氮量的增加而下降,分别由44.0%、25.5 kg kg~(-1)、145.6 kg kg~(-1)和58.1 kg kg~(-1)下降至31.1%、13.6 kg kg~(-1)、43.6 kg kg~(-1)和43.7 kg kg~(-1)。氮收获指数表现为随施氮量的增加先增后降,以施氮量180 kg hm~(-2)处理最高,为68.7%。土壤无机氮(Nmin)含量在水稻整个生育期呈现先快速下降后缓慢升高的趋势,施氮处理各层土壤Nmin积累量与不施氮处理差异均达显著水平(P0.05),且基本随着施氮量的增加而增加。水稻成熟期土壤残留Nmin量和表观损失均随施氮量的增加而增加。氮盈余主要以土壤Nmin残留量为主,表观损失在氮盈余比例较小,但随着施氮量的增加显著增加。水稻氮吸收量、土壤无机氮残留量和氮素表观损失量与施氮量呈显著的正向相关性。在本试验条件下,综合水稻产量、氮肥利用效率和土壤无机氮积累等方面的因素,在吉林省水稻主产区,适宜施氮量应控制在180~204 kg hm~(-2)范围内。     

不同氮肥施用对双季稻产量及氮肥利用率的影响

通过田间小区试验,研究了不同氮肥处理对双季稻产量及氮肥利用率影响。结果表明:增施氮肥处理比不施氮肥处理双季稻的有效穗数、每穗粒数均显著提高,早稻产量增产77.0%~127.1%,晚稻增加62.9%~108.0%;早稻中等量控释氮肥处理较普通尿素处理水稻单位有效穗数、每穗粒数、农学利用率均增加,同时增产5.0%,氮肥利用率提高18.0个百分点;减量控释氮肥处理与普通尿素处理比有效穗数、每穗粒数、产量、氮肥农学利用率有所下降但氮肥利用率提高18.6~20.2个百分点,晚稻中各控释氮肥处理较普通尿素处理每穗粒数增加、产量增产,增产率为9.7%~27.7%,氮肥利用率提高28~31.1个百分点,且农学利用率显著提高;不同用量控释氮肥处理间早稻有效穗数、产量随氮肥用量增加而增加,晚稻中当施氮水平≤162 kg/hm2(按纯氮算)时,水稻单位有效穗、每穗粒数、结实率、产量随氮肥增加而增加;当施氮水平162 kg/hm2(按纯氮算)时,随施氮量增加而减少。     

氮肥运筹对稻田田面水氮素动态变化及氮素吸收利用效率影响

通过大田试验,设计3个不同氮肥水平（0、150、240kgN·hm-2）和两种不同施肥比例（基肥：分蘖肥：穗粒肥=40%：30%：30%、基肥：分蘖肥：穗粒肥=30%：20%：50%）,研究了氮肥运筹对稻田田面水氮素动态变化特征和氮素吸收利用效率的影响。结果表明,稻田田面水NH4＋-N和总N浓度在施肥后第1d达到最大值,随后降低,在施肥后的第7d,分别降为峰值的7.88%～17.84%和29.71%～45.55%。施氮水平介于0～240Nkg·hm-2时,水稻产量随着氮素水平的提高而显著增加,氮素的吸收利用率和偏生产力却随之降低。在高氮水平（240kgN·hm-2）下,与氮肥前移相比（基肥：分蘖肥：穗粒肥=40%：30%：30%）,采用氮肥后移（基肥：分蘖肥：穗粒肥=30%：20%：50%）的施肥比例,水稻产量增加了6.2%、氮素吸收利用率和农学利用率分别提高了30.49%和23.72%,而氮素生理利用率和偏生产力差异不显著,说明适宜的氮肥运筹可以增加水稻的产量,提高氮素的吸收利用率和农学利用率,减少氮素损失。     

氮肥运筹对滴灌甜菜产量、氮素吸收和氮素平衡的影响

以甜菜品种"Beta356"为材料,研究了氮素运筹[甜菜叶丛快速增长期、块根膨大期和糖分积累期的氮素追施比例分别为6∶3∶1、5∶3∶2、4∶4∶2(用N1、N2、N3表示),不施氮素的处理为对照(用CK表示)]对滴灌甜菜产量、氮素吸收和氮素平衡的影响。结果表明:各处理甜菜产糖量为N3N2N1CK,氮素运筹间差异不显著。与N1处理相比,适当降低叶丛快速生长期的氮素施用比例,有利于提高氮肥表观利用率和氮肥表观残留率,降低氮肥表观损失率。其中N2处理的氮肥表观利用率和氮肥表观残留率分别比N1和N3处理提高了-3.00%和22.00%,108.22%和-0.14%,N2处理的氮肥表观损失率分别比N1和N3处理降低了262.40%和65.25%。综合考虑产量、氮素利用和氮素平衡认为,N2处理具有较高经济效益和环境效益,是北疆滴灌甜菜合理氮素运筹模式。     

水氮管理对优质杂交中稻旌优127产量及氮肥利用率的影响

为充分发挥优质稻的产量潜力并实现水氮资源的高效利用,以优质杂交中稻旌优127为材料,在大田环境下研究管水方式(W)、施氮量(N)和施氮方式(D)及其互作对水稻产量、穗粒结构和氮肥利用率的影响。结果表明:管水方式(W)、施氮量(N)、管水方式(D)与施氮方式互作(W×D)、管水方式与施氮量互作(W×N)、施氮量与施氮方式互作(N×D)以及三者互作(W×N×D)间对旌优127产量的影响达极显著水平,施氮方式(D)对产量的影响接近显著水平(P=0.050 5),旌优127产量在不同施氮量下均以浅湿管水且氮肥后移时产量最高。管水方式(W)、施氮量(N)、施氮方式(D)及其互作对水稻穗粒结构有不同程度的影响,通径分析表明影响产量的主要因子为单位面积有效穗数,其次是穗粒数。除施氮方式(D)、管水方式与施氮量互作(W×N)外的其他因子及其互作对氮肥农学利用率有显著影响;浅湿管水处理氮肥农学利用率显著低于常规管水处理;在浅湿管水下,氮肥后移时水稻氮肥农学利用效率随着施氮量的增加显著降低,常规施氮时差异较小;在常规管水下则相反。除施氮方式(D)外的其他因子及其互作对氮肥偏生产力有显著影响;浅湿管水处理氮肥偏生产力显著高于常规管水处理;氮肥偏生产力在不同的管水方式下均随施氮量的增加显著降低。浅湿管水,施氮100 kg/hm2,最高苗期适量施用穗肥是试验所在生态区最佳的水氮管理方式。     

Nitrogen and Phosphorus Losses with Drainage Runoff and Field Balance as a Result of Crop Management

Abstract

Two high‐input and two low‐input crop‐management systems, one reference treatment with field crop rotation, and one long‐term moderately treated pasture were studied and compared in respect to nitrogen (N) and phosphorus (P) flow and balance. The experiment was conducted on tile‐drained plots covered by Endocalcari‐Endohypogleyic Cambisols. The least Nmin (mineral nitrogen) leaching losses were registered in the pasture. The high‐input management systems did not consistently result in larger losses of Nmin [mainly nitrate (NO₃)‐N] and Ptot (total phosphorus) in the drainage water. The leaching of Nmin depended more on amount of the drainage water leaving the site, soil organic matter/humus, and soil Ntot content (positive correlation) as well as the content of water‐stable aggregates (negative correlation). The higher concentrations of Ptot in drainage runoff in the organic (ORG1) treatment and pasture during the second rotation might be conditioned of ley root system impact. Ptot leaching was positively correlated to the available P₂O₅‐AL in the topsoil. Negative N field balance was determined in all the treatments, except ORG2 and LTP in 1995–1999, whereas it was negative only in the reference plots (REF) in the 2001–2003 rotation because of the increased crop residues and drier climatic conditions. Phosphorus balance was slightly negative in the ORG1 and reference treatments during both rotations.     

不同盐分和氮肥水平对菠菜水分及氮素利用效率的影响

采用土柱栽培法研究了不同盐分和氮肥水平对菠菜水分与氮素利用效率的影响。结果表明,300 kg ha-1氮水平下,菠菜增产16.6%,水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)提高9.6%;其中以0.87 dS m-1处理的WUE最大,为25.8 kg m-3,盐分和氮肥的交互影响使WUE提高1.55 kg m-3。同时3,00 kg ha-1氮水平比100 kg ha-1氮水平的氮素利用效率(Nitrogen UseEfficiency,NUE)平均降低40%。盐分增加,NUE降低。高盐高氮处理的氮肥回收率(Nitrogen Fertilizer Recovery Efficiency,NRE)和农业氮利用效率(Agronomic Nitrogen Use Efficiency,NAE)最低,土壤残留氮量最高,对环境造成的潜在危害最大。     

缓释氮肥对水稻的增产效果及其氮素利用率

在潜育性粘壤质水稻土上研究了缓释性氮肥对水稻产量和氮肥利用率的影响。结果表明:4种供试缓释氮肥对水稻增产效果和吸氮量的顺序均为:IBDU>OM>U>GUS>CDU>CK;施肥后9d土壤中铵态氮含量最大,依次为:U>OM>IBDU>GUS>CDU>CK;在最大分蘖期前土壤硝态氮含量较多且相对稳定,至孕穗期急剧降低,抽穗至成熟期再度回升;相对于尿素,IBDU和OM能明显提高氮素利用率,分别比尿素的利用率增加了14.62%和8.57%。     

控释尿素对春玉米产量、氮效率及氮素平衡的影响

为明确控释尿素在春玉米上的应用效果及土壤氮素平衡状况,在黑龙江省双城、宾县、哈尔滨、肇源地区通过2011—2012年两年四点次田间小区试验,研究普通尿素与控释尿素(控释期90 d的树脂包膜尿素)混合施用对春玉米产量、氮肥效率(NUE)及土壤氮素盈亏的影响。结果表明,春玉米产量、植株吸氮量均随着施氮量的增加而增加。与普通尿素一次性基施相比,控释尿素能够提高玉米产量、植株吸氮量、氮肥表观利用率、氮农学效率(ANUE)及氮肥贡献率(FCR)。在相同氮素施用水平下(100%、75%、50%氮肥用量),100%基施控释尿素比100%基施普通尿素各处理玉米产量分别平均增加391、427、291 kg·hm-2;氮肥表观利用率提高5.9%、4.9%和5.1%;氮肥农学效率提高2.0、2.6 kg·kg~(-1)和2.6 kg·kg~(-1);氮肥贡献率增加2.7%、3.1%和2.4%。处理4(普通尿素40%基肥,60%追施)和处理5(40%普通尿素与60%控释尿素混合一次性基施)玉米产量、植株吸氮量、氮肥表观利用率、氮农学效率差异不显著。氮素表观亏缺量随着氮肥用量的增加而降低。与100%普通尿素作基肥一次性施入相比,100%控释尿素一次性基施降低氮素表观损失量15.0 kg·hm-2;40%普通尿素与60%控释尿素混合一次性基施降低氮素表观损失率23.9 kg·hm-2。可见,普通尿素与控释尿素分别以40%和60%的比例混合施用在黑龙江省玉米生产上是可以推广和借鉴的氮素管理方式。     

基于高氮投入和基因型差异的水稻氮素营养特征

采用氮素低效品种武育粳3(WY3)、氮素吸收高效品种连粳7(LJ7)和氮素吸收利用双高效品种南粳9108(NJ9)，开展了包括不施氮肥(LN)、适宜或减量氮肥投入(MN, 200 kg/hm2)和过量施氮(HN, 350 kg/hm2)三个条件的田间试验，探究了不同基因型差异的水稻植株整体和关键功能叶含氮量对施氮水平的响应，及其导致的光合特征的变化对氮素利用效率的作用特征。结果表明：在生育后期，氮高效品种的干物质和氮素积累强于氮低效品种。在MN条件下，LJ7和NJ9在齐穗期至完熟期干物质积累量相比WY3分别高46.44%和29.12%，氮素积累量分别高26.28%和32.31%；在该条件下，施用穗肥后27 d的时间段内(灌浆阶段)，WY3的剑叶氮含量降低21.86%,LJ7和NJ9的剑叶氮含量分别降低26.3%和34.74%，降幅次序为NJ9>LJ7>WY3,LJ7和NJ9的剑叶干重、光合速率、气孔导度、单穗重和产量显著高于WY3，氮高效品种的氮素利用效率指标优于WY3。在HN条件下，LJ7和NJ9在灌浆阶段的干物质和氮素积累量仍高于WY3，剑叶干重、气孔导度和单穗重显著优...