兼顾环境容量的豫北潮土区夏玉米高产栽培施肥方法

摘要

本发明涉及一种兼顾环境容量的豫北潮土区夏玉米高产栽培施肥方法，包括以下步骤：（1）将冬小麦秸秆全部粉碎还田，以含N量计，基施氮肥76～112 kg/hm2，以含P2O5量计，基施磷肥100～200 kg/hm2，以含K2O量计，基施钾肥120 Kg/hm2，免耕；（2）小麦收获前5～10天麦垄套种或小麦收获后铁茬抢种，最迟在6月10日前播完，机械条播玉米种，播种深度3～5cm，苗期植株密度为5.5～7.2万株/hm2；（3）以含N量计，在小喇叭口时期追施氮肥76～112 kg/hm2后，及时灌水；（4）玉米苞叶发黄7～10天后，籽粒乳线消失，基部黑色层出现时收获。本发明将玉米-土壤-肥料作为系统，合理施肥，寻求玉米高产与环境友好的化肥投入量，科学防治面源污染，促进农业生产与环境保护协调发展。

说明书

技术领域

本发明属于农作物栽培技术领域，具体涉及一种兼顾环境容量的豫北潮土区夏玉米高产栽培施肥方法。

背景技术

潮土是河流沉积物受地下水运动和耕作活动影响而形成的土壤，因有夜潮现象而得名，属半水成土，其主要特征是地势平坦、土层深厚，主要集中分布于河流冲积平原、三角洲泛滥地和低阶地。豫北地区位于华北平原的中部，其土壤主要是潮土，地形平坦，气候条件比较适宜，水资源充足，灌排方便，对发展农业生产十分有利，是河南省的主要粮食生产基地，对保障我国粮食安全有着重大意义。

2010年，国家对农业进行了全国第一次普查，彻底对农业源进行了摸底调查，结果显示，农业源污染物排放对水环境的影响较大，农业源是总氮、总磷排放的主要来源，其排放量分别占排放总量的57.2%和67.4%。要从根本上解决我国的水污染问题，必须把农业源污染防治纳入环境保护的重要议程。

玉米是豫北地区最重要的粮食作物之一。目前，农民大多都是在肥料非常充裕的条件下挖掘玉米的增产潜力，在“高产、优质”农业生产目标实现的同时却忽视了农业生产效率的下降，致使玉米氮、磷肥料施用量逐年增大，而产量并不相应增加，利用效率明显下降，并对农业环境造成不良影响。对于氮肥来说，长期大量施用氮肥超出作物的吸收能力和土壤固持能力，不仅未能达到增产效果，还使得氮素大量残留在土壤中。盈余的氮素绝大部分以硝态氮的形式在土壤剖面中累积，而在玉米的生育期，豫北地区降雨量大，在灌溉和集中降雨时很容易引起淋洗损失，进入地下水，威胁人类的健康。河南省地下水硝酸盐污染严重，超标率达到了31.4%，农业生产上氮肥的过量施用是污染的主要来源。而对于磷肥来说，由于磷肥的转化率较低，不施磷肥或少量施用不能满足玉米生长的需求，但过量施用将导致磷素在土壤中的大量累积，土壤中的残留有效磷在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏等进入水体形成的地表和地下水环境污染。

受土壤类型、土壤基础肥力及气候条件的影响，不同的土壤类型、不同的地区所适用肥料投入量及施肥方法差别很大。因而解决在豫北潮土区如何通过施肥协调夏玉米持续高产和生态环境保护之间的矛盾十分重要，但是现有的研究主要集中在施肥量对产量及品质的影响、肥料盈余对农业环境的影响上，而在保证产量稳定的前提下兼顾环境安全的施氮、磷量的研究相对较少，在农业实践当中缺乏可资推广的生产措施。

发明内容

针对上述问题，本发明将玉米-土壤-肥料作为整体系统，合理施肥，寻求玉米高产与环境友好的化肥投入量，为科学防治农业面源污染，促进农业生产与环境保护协调发展，保障粮食安全和环境安全，而提供一种兼顾环境容量的豫北潮土区夏玉米高产栽培施肥方法。

本发明通过以下技术方案实现：

设计一种兼顾环境容量的豫北潮土区夏玉米高产栽培施肥方法，具体包括以下步骤：

（1）将冬小麦秸秆全部粉碎还田，以含N量计，基施氮肥76～112kg/hm²，以含P₂O₅量计，基施磷肥100～200 kg/hm²，以含K₂O量计，基施钾肥115～125kg/hm²，免耕；

（2）小麦收获前5～10天麦垄套种或小麦收获后铁茬抢种，最迟在6月10日前播完，机械条播玉米种，播种深度4～6cm，苗期植株密度为5.5～7.2万株/hm²；

（3）以含N量计，在小喇叭口期(玉米拔节后10天左右)追施氮肥76～112kg/hm²后，及时灌水；

（4）玉米苞叶发黄7～10天后，籽粒乳线消失，基部黑色层出现时收获；其它田间管理措施同常规。

所述氮肥优选为二铵或尿素。

所述钾肥优选为氯化钾或硫酸钾。

所述磷肥优选为过磷酸钙、重过磷酸钙、钙镁磷肥中的至少一种。

优选的，在步骤（2）中，播种前用浓度0.15～0.20wt%的KH₂PO₄溶液浸种8～12h，能使幼苗叶色加深，苗壮根旺，抗逆性强，在土壤肥力差的地块增产明显。

优选的，在步骤（2）中，播种前用杀菌剂和杀虫剂对玉米种进行拌种。

优选的，所述杀菌剂为浓度2.5wt%的适乐时或浓度2wt%的立克秀，按种子重量的0.2%拌种；所述杀虫剂为浓度40wt%的辛硫磷或浓度40wt%的甲基异柳磷，按种子重量的0.2%拌种。

本发明研究表明，播种前以上述杀菌剂或和杀虫剂对玉米种子进行拌种能够有效防治夏玉米丝黑穗病、茎腐病、地下害虫、大小斑病及豫北潮土区常见的土传病虫害，可以健壮幼苗，提高植株的抗病能力，保证夏玉米丰产丰收。

本发明具有积极有益的技术效果：

（1）本发明以玉米-土壤-肥料系统作为研究对象，合理施肥兼顾玉米稳定高产与环境友好安全，能科学防治农业面源污染，促进农业生产与环境保护协调发展，为保障粮食安全和环境安全提供具体的实施方式和途径。

（2）本发明栽培施肥方法可健壮幼苗根系，并增加中、下层根系的比例，增强对土壤深层累积硝态氮的吸收，一方面减少当季氮肥投入量，另一方面减少上茬投入氮肥损失，对提高深层累积硝态氮的生物有效性，防止土壤硝态氮淋洗对地下水污染具有现实的经济意义和环境意义。

（3）本发明栽培施肥方法增加有针对性的拌种药剂，能够有效防治豫北潮土区常见的土传病虫害，壮硕幼苗，提高植株的抗病能力。

（4）本发明方法的施肥用量经济，施肥时机得当，既能及时有效的供给玉米植株肥料养分，（分期施肥）又能避免分散集中一次施肥所带来的环境风险，最终达到保持较高的经济产量、提高玉米品质，并能维持或提高土壤肥力，进而保障豫北潮土区农田生产力的可持续性和生态环境的安全性。

附图说明

图1 施磷量与籽粒及秸秆产量的关系图；

图2 玉米季施磷量与籽粒、地上部吸磷量及磷肥利用率的关系图；

图3 玉米季施磷量与收获期土壤无机磷残留的关系图；

图4 土壤Olsen-P与CaCl₂-P的关系图；

图5 土壤Olsen-P与水溶性磷的关系图；

图6 土壤Olsen-P与水溶性磷的关系图；

图7 施氮量对玉米籽粒及秸秆产量的影响图；

图8施氮量对玉米籽粒、秸秆吸氮量的影响图；

图9 玉米季施氮量与氮肥利用率的关系图；

图10 2011年玉米季收获期土壤硝态氮含量图；

图11 2012年玉米季收获期土壤硝态氮含量图；

图12 2013年玉米季收获期土壤硝态氮含量图；

图13 2011年玉米季收获期土壤铵态氮含量图；

图14 2012年玉米季收获期土壤铵态氮含量图；

图15 2013年玉米季收获期土壤铵态氮含量图；

图16 玉米季施氮量与耕层及1米土体无机氮积累量的关系图；

图17 玉米季施氮量与产量及1米土体硝态氮积累量、氮素盈余率的关系图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一豫北潮土区玉米磷肥投入阈值试验

1.试验条件：试验地位于河南省浚县，气候类型为暖温带大陆性季风气候，平均日照时数2258.1小时，年平均气温13.8℃，无霜期206天，年均降水量663.5mm，≥10℃积温4605.5℃。土壤类型为潮土，土壤有机质(SOM)12.6g/kg，土壤全氮0.85 g/kg，土壤碱解氮(Alkali-hydrolysable Nitrogen)50.2 mg/kg，有效磷13.1 mg/kg，有效钾110 mg/kg，土壤容重(0～20cm)1.410 g/cm³、(20～40cm)1.52 g/cm³、(40～60cm)1.46 g/cm³、(60～80cm)1.41 g/cm³、(80～100cm)1.37 g/cm³。

2.试验设计：试验共设置4个处理，三次重复，小区面积：6×9=54平米，随机区组排列。

（1）P₀：不施磷0%；

（2）P₁：施磷量(P₂O₅) 100 kg/hm²；

（3）P₂：施磷量(P₂O₅) 200kg/hm²；

（4）P₄：施磷量(P₂O₅) 400 kg/hm²；

试验选用的玉米品种为郑单958，免耕。播种方式为机械条播，上茬为小麦，小麦秸秆100%还田。播种前以2.5%浓度适乐时和40%浓度甲基异柳磷，按种子重量0.2wt%拌种。播种时期、收获时期见下表1，播种深度控制在5～6cm，苗期植株密度为5.8～6.2万株/hm²；4个处理，氮、钾肥施用量都一致，即氮肥（N）150 kg/hm²、钾(K₂O)120kg/hm²。所用肥料为：尿素、氯化钾、过磷酸钙。其中氮肥1/2基施，1/2在小喇叭口期追施，磷、钾肥全部基施。玉米生育期内各个小区田间管理一致。

                      表1 不同年度玉米播种及收获时间

。

3.样品采集及测定：

（1）收获期每个小区按S型布点采集5钻0～20cm土壤样品制备混合样，测定Olsen-P 、CaCl₂-P, 水溶解性总磷。同时每个小区测产后，分籽粒、秸秆二部分制备植株样品，测定植株全磷含量。

（2）测试及计算方法

①Olsen-P 的测定：0.5mol/L NaHCO₃溶液浸提，钼锑抗比色法测定。

CaCl₂-P的测定：0.01mol/L CaC1₂溶液浸提，钼锑抗比色法测定。

水溶性总磷的测定：去离子水浸提，钼锑抗比色法测定。

植株全磷测定：样品粉碎后，经硫酸-双氧水消煮，钒钼黄比色法测定。

②磷肥利用率:

PUE=(A-B)/C×100%，式中， PUE-磷肥利用率；A-供磷处理作物吸收磷素养分量；B-空白处理作物吸收磷素养分量；C-磷素供应量。

4.数据处理：实验数据统计分析采用Excel-2007，SPSS19.0等软件。

5.结果与分析

（1）施磷量与产量关系

    由图1可以看出，随施磷量的增加，玉米的产量呈缓慢增加趋势，同P₀处理相比，P₁、P₂、P₄处理产量分别增加9.3%、10.4%、11.9%，可见潮土区施磷对玉米的增产作用是有限的。秸秆产量有相似的变化趋势（图1），同P₀处理相比，P₁、P₂、P₄处理产量分别增加10.8%、11.9%、21.87%，施磷对秸秆的增产作用比籽粒明显。

（2）施磷量与吸磷量、磷肥利用率的关系

随施磷的增加，玉米籽粒与地上部吸磷量呈缓慢增加趋势。磷肥利用率随施磷量的增加，呈下降趋势，见图2。        

（3）施磷量与土壤无机磷残留量的关系

玉米季随着施磷量的增加，土壤Olsen-p、CaCl₂-P、水溶性磷的含量增加，呈正相关（见图3），土壤Olsen-p含量高于水溶性磷，CaCl₂-P含量比较低。其中施磷量与Olsen-p含量相关系数最高。

（4）农田土壤不同形态磷的相互关系

由图4、5、6可以看出收获期不同形态磷的关系都呈二次曲线关系，CaCl₂-P与水溶性磷的关系，y =0.025x²-0.003x+18.98，R2 =0.790；Olsen-P与CaCl₂-P的关系，y=0.003x²-0.137x+6.252，R2=0.524；Olsen-P与水溶性磷的关系，y = 0.007x² -0.470x+24.18，R2=0.550。

（5）土壤磷平衡

土壤磷的表观平衡可以反映土壤磷的盈余与亏损情况，进入土壤中的磷主要包括种子带入及磷肥的施入，一处土壤的磷主要是籽粒带出的磷。由表2可以看出，随施磷量的增加，磷素在土壤中的盈余率大量增加。

表2 玉米季土壤磷素平衡情况

。

6.结论

随着施磷量的增加，玉米籽粒的产量呈增加趋势，增加幅度在9.3%、10.4%、11.9%之间，玉米籽粒及秸秆的吸磷量及磷含量都随着施磷量的增加而增加，对磷素的利用存在着奢侈吸收现象，增加量远小于施磷量的增加，磷肥的利用率明显下降，从15%下降到10.8%，P₄处理为7.15%，土壤中有大量磷盈余。收获期，随施磷量的增加，土壤无机磷残留量有所增加，同P₀处理相比，P₁、P₂、P₄处理分别增加12.79mg/kg、24.18mg/kg、52.97mg/kg，占61.25%、115.80%、253.68%。综合考虑玉米产量、磷肥利用率、土壤无机磷残留等因素，并结合豫北玉米生产实践及土壤环境容量，玉米优化施磷量100kg/ hm²，玉米季磷肥阈值应低于200 kg/ hm²，以100～200kg/ hm²为佳。

实施例二豫北潮土区夏玉米氮肥投入阈值试验

1.试验条件：

试验地位于河南省浚县，气候类型为暖温带大陆性季风气候，平均日照时数2258.1小时，年平均气温13.8℃，无霜期206天，年均降水量663.5mm，≥10℃积温4605.5℃。土壤类型为潮土，土壤有机质(SOM)12.6g/kg，土壤全氮0.85 g/kg，土壤碱解氮(Alkali-hydrolysable Nitrogen)50.2mg/kg，有效磷13.1mg/kg，有效钾110mg/kg，土壤容重(0～20cm)1.410g/cm³、(20～40cm)1.52g/cm³、(40～60cm)1.46 g/cm³、(60～80cm)1.41g/cm³、(80～100cm)1.37g/cm³。

2.试验设计

试验处理六个，三次重复，小区面积：6×9=54 m²，随机区组排列。

(1)N₀：对照，不施氮肥；

(2) N_0.75：施氮量112.5kg/hm²；

(3) N₁：施氮量150kg/hm²；

(4) N_1.25：施氮量187.5kg/hm²；

(5) N_1.5：施氮量225kg/hm²；

(6) N₂：施氮量300kg/hm²；

六个处理施磷量（P₂O₅）、钾量(K₂O)分别为：100 Kg/hm²、120 Kg/hm²，所用肥料为二铵、尿素、氯化钾、过磷酸钙，其中氮肥1/2基施，1/2在小喇叭口追施，磷、钾肥全部基施。种植品种及种植、收获时间见表3。免耕，播种方式为机械条播，上茬为小麦，小麦秸秆100%还田。

表3 2011～2014年种植情况

。

3.样品采集及分析方法

玉米收获期每个小区采集0～200cm鲜土壤样品，每20cm一层，重复三次，测定硝态氮、铵态氮及土壤含水量。同时每个小区测产，分籽粒、秸秆制备植株样品，测定植株全氮含量。

土壤硝态氮、铵态氮，流动分析仪测定；植株全氮，凯氏定氮法。

4.计算及数据处理

地上部吸氮量=籽粒吸氮量+秸秆吸氮量

氮肥利用率（%）=（施氮区植株氮素积累量-空白区植株氮素积累量）/施氮量×100

硝态氮残留量(kg/hm²)=土壤硝态氮含量（mg/kg）×土壤容重(g/cm³)×土层厚度（cm）/10

试验数据统计分析采用Excel-2007，SPSS19.0等软件。

5.结果与分析

（1）施氮量与作物产量的关系

随着施氮量的增加，玉米籽粒产量先升高后降低（图7），N₁和N_1.25的产量最高，为10042kg/ hm²，同N₀产量相比，N_0.75、N₁、N_1.25、N_1.5、N₂分别增产10.3%、17.0%、17.0%、13.3%、8.7%。最高产量95%相对产量对应的施肥量应该在处理N_0.75～N₁之间。随着施氮量的增加，秸秆产量先升高再降低，N_1.5处理最高，同同N₀产量相比，N_0.75、N₁、N_1.25、N_1.5、N₂分别增产2.9%、1.7%、8.6%、15.4%、12.8%。

（2）施氮量与吸氮量、氮肥利用率的关系

 随施氮量的增加，玉米的籽粒吸氮量先增加后趋于稳定趋势（图8），N_1.25产量最高，为123.4kg/ hm², 同N₀产量相比，N_0.75、N₁、N_1.25、N_1.5、N₂分别增加12.1%、17.5%、20.2%、13.7%、13.1%。秸秆的吸氮量随施氮量增加先增加后降低，N_1.5产量最高，为69.2kg/ hm², 同N₀产量相比，N_0.75、N₁、N_1.25、N_1.5、N₂分别增加5.5%、9.6%、13.9%、26.5%、23%。最优施氮量下玉米的氮素吸收倍率为0.83。

玉米季氮肥利用率在11.6～20.1%之间，N_0.75最高，随着施氮量的增加呈下降趋势(图9)。

（3）施氮量与土壤无机氮残留量的关系

 随着施氮量的增加，潮土区玉米季各处理硝态氮的浓度明显增加（图10～15），浓度在0～45.30 mg/kg。1米以上土壤中硝态氮含量很高，并且在1米以下的土体中积累了大量的硝态氮。从下图可以看出，2011年玉米收获期，1米以下土体中积累了了大量的硝态氮，在180～200cm的土层硝态氮含量都在10mg/kg以上。随着种植周期的增加，各处理不同土层硝态氮积累量差异增加，N₀处理不同土层硝态氮含量逐渐降低，第3季玉米基本接近0，N_0.75处理不同土层硝态氮含量也逐年降低，N₁和N_1.25处理稍有增加，变化幅度不大，N_1.5和N₂处理不同土层硝态氮含量明显增加。玉米季不同土层铵态氮含量相对较低，不施肥处理较低，其他处理随施肥量的增加，不同处理间差异不显著，并且无明显规律变化。          

随着施氮量的增加，玉米季1米土体中硝态氮的积累量明显增加（图16），N_1.5处理1米土体明显增加。N_0.75、N₁、N_1.25处理变化不是太明显。

（4）氮肥与产量、氮肥与环境指标的三曲线分析

从图17可以看出，随施氮量的增加，玉米的产量先增加，后降低，N₁和N_1.25的产量最高。1米土体中硝态氮积累量也随施肥量的增加而增加，但是N_0.75、N₁、N_1.25积累量差异不大。氮素盈余率一直在升高，综合考虑玉米产量、1米土体硝态氮残留量及氮素盈余率，所以玉米季氮肥的投入阈值在N₁～N_1.5之间，即150～225kg/ hm²之间。

6、结论与讨论

随施氮量的增加，玉米的产量先增加后降低，N₁和N_1.25的产量最高，最高产量95%相对产量对应的施肥量应该在处理N_0.75～N₁之间。随施氮量增加，1米土体中硝态氮积累量也随施肥量的增加而增加，但是N_0.75、N₁、N_1.25积累量差异不大。氮素盈余率一直在升高，可见潮土区施氮量对玉米产量及硝态氮在土壤中的淋溶影响比较大。综合考虑玉米产量、1米土体硝态氮残留量及氮素盈余率，并结合本区长期以来的农业生产实践及土壤环境容量，确定玉米季氮肥的最优施氮量为150kg/ hm²，氮肥的投入阈值在N₁～N_1.5之间，即150～225kg/ hm²之间。