大豆是我国重要的粮油饲作物,在保障粮食安全、推动畜牧业发展以及医疗保健行业中发挥着重要作用。近年来,我国人民消费结构不断升级,大豆需求也随之持续攀升。然而,国内大豆供应却深陷严重不足的困境
[1],进口依存度已然超过80%
[2],这无疑为大豆产业和粮食安全带来了极为严峻的挑战。为缓解进口压力,我国提出大豆振兴计划
[3-4],旨在通过扩大种植面积、提升产量和质量,提高国内大豆供给能力。但由于耕地资源有限,提高大豆单位面积产量成为解决问题的关键途径。氮肥是大豆生产中不可或缺的营养源,其根瘤固氮作用仅能满足1/3的氮需求
[5],剩余部分需要通过外源氮肥补充。然而,近年来氮肥过量施用导致的增产效果下降、肥料利用率低下以及环境污染等问题日益凸显
[6-7]。因此,优化氮肥施用策略,以提高氮肥利用效率并减轻环境压力,成为提升大豆产量和推动绿色发展的重要举措。
当前,大豆生产中常用的氮肥以普通尿素为主
[7],虽然其成本较低,但肥效期较短,易导致作物生长后期养分供应不足
[8]。尽管在花荚期适当追肥能够弥补这一不足,但会增加劳动成本,降低经济效益。控释尿素作为一种新型肥料,能够延缓养分释放
[9],缓解作物生长后期养分不足的问题,但其成本较高且存在滞后释放的问题
[10-12]。因此,将普通尿素与控释尿素结合使用成为一种有效策略,既能发挥普通尿素的速效性,又能延续控释尿素后期效能,从而实现增产增收并降低成本的目的
[13]。已有研究表明,控释尿素掺混可显著提高作物氮肥利用率、产量和经济效益
[14-16]。例如,张建军
[17]等研究表明,在陇东春玉米种植体系中,控释尿素与普通尿素的混合施用可以提高整个生育期土壤中的硝态氮含量,从而提升玉米的产量、品质、氮肥利用率和经济效益。其中,控释尿素的最佳掺混比例为70%。杨金宇等
[18]研究表明,70%的控释尿素比例是小麦的最佳配比,可显著增加小麦的有效穗数和产量。严田蓉等
[19]在水稻上的研究也表明,控释尿素与普通尿素掺混有助于协调群体与个体生长,调节叶片的碳氮比,从而改善叶片质量并防止早衰。当控释尿素占比40%时,水稻产量最高。此外,不同土壤肥力条件由于供应养分能力不同,也会影响控释尿素和普通尿素的最佳配比
[20]。目前,控释尿素掺混的研究主要集中在小麦
[21-22]、玉米
[23]、水稻
[24]等作物上,针对夏大豆的相关研究较为匮乏,且多局限于同一基础地力条件下开展。而在不同土壤肥力条件下控释尿素与普通尿素不同掺混比例对大豆产量和经济效益的影响仍不明确。
河南省是我国夏大豆重要产区之一,其种植面积在黄淮海地区排名第二,仅次于安徽省,该地区夏大豆稳产增收对我国大豆振兴计划具有重要意义
[25-26]。因此,本研究通过大田试验,探讨控释尿素和普通尿素掺混比例对河南省高、低肥力农田大豆农艺性状、产量和经济效益的影响,旨在进一步明确该区域不同肥力农田的最佳掺混比例,为当地大豆增产增收提供理论依据和技术支撑。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验于2024年6—10月在河南省许昌市建安区金营村(113°47'E,33°34'N)进行。该区域属暖温带大陆季风气候,年平均气温14.7~15.2 ℃,年降水量671.1~736.0 mm,平均无霜期216.3~219.5 d。根据农业农村部“耕地质量等级”(GB/T 33469—2016)划分标准,试验地分为高肥力农田和低肥力农田。土壤类型为潮土,试验开始前高肥力农田和低肥力农田0~20 cm土层基本理化性质见
表1。大豆于2024年6月17日播种,10月6日收获,种植密度23万株/hm
2,前茬作物为冬小麦。
1.2 试验材料
供试大豆品种为许豆1号。
1.3 试验设计
试验设普通尿素100%(CK)、70%普通尿素+30%控释尿素(CRU30)、50%普通尿素+50%控释尿素(CRU50)、30%普通尿素+70%控释尿素(CRU70)、100%控释尿素(CRU100)共5个处理。每个处理3次重复,随机区组排列,小区面积6 m×10 m。采用机械播种,行距40 cm。氮磷钾肥料用量分别为N 58.5 kg/hm2、P2O5 76.5 kg/hm2、K2O 67.5 kg/hm2。供试肥料品种分别为普通尿素(46% N)、控释尿素(43% N)、磷酸一铵(50% P2O5)和硫酸钾(52% K2O)。控释尿素为聚氨酯包膜尿素(新洋丰公司生产,释放期约为60 d)。氮、磷、钾肥均随大豆播种一次性施入。
1.4 样品采集与分析
收获时,分别在各小区连续选取具有代表性的10株大豆完整植株进行室内考种。统计植株株高(X1)、茎粗(X2)、主茎节数(X3)、有效分枝(X4)、单株荚数(X5)、单株粒数(X6)和百粒质量(X7)等性状。各小区取中间5行实收计产(计产面积4 m2),脱粒后自然晒干,称量小区籽粒产量,折合成公顷产量。
按照大豆市场价4.77元/kg、普通尿素1.8元/kg、控释尿素2.6元/kg,其他成本费用3 773.63元/hm2(包括磷肥、钾肥、灭茬、播种、种子、浇水、除草、杀虫、收获),计算大豆经济收益。
1.5 数据分析
采用单因素(One-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(P<0.05),所有统计分析均采用SPSS 22.0软件进行,图表采用Origin 2018和R-4.3.2软件制作。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对大豆农艺性状的影响
由
表2可知,施用不同比例的控释尿素后,无论高肥力或低肥力农田,大豆的农艺性状均随着控释尿素比例的增加呈现先增加后降低的趋势。在高肥力农田中,施用控释尿素增加了大豆的单株荚数、单株粒数和百粒质量。与CK相比,单株荚数、单株粒数和百粒质量分别增加了8.79%~23.35%、5.47%~14.60%和2.96%~9.05%。CRU50处理的单株荚数、单株粒数最大,均显著高于CK(
P<0.05),CRU70处理的百粒质量最大且显著高于CK(
P<0.05)。在低肥力农田中,施用控释尿素增加了大豆的株高、茎粗、单株荚数、单株粒数和百粒质量。与CK相比,株高、茎粗、单株荚数、单株粒数和百粒质量分别增加了2.65%~8.92%、7.81%~10.47%、5.97%~21.59%、9.27%~20.37和1.97%~6.85%。CRU50处理大豆的株高、茎粗、单株荚数、单株粒数和百粒质量均最高,且显著高于CK(
P<0.05)。总之,控释尿素和普通尿素配施可显著改善不同肥力农田大豆的农艺性状,在高肥力农田主要促进大豆的繁殖生长,而在低肥力农田,则对营养生长和繁殖生长均有显著改善。
2.2 不同施肥处理对大豆产量的影响
大豆产量结果表明(
表3),在高肥力和、低肥力农田中,控释尿素和普通尿素配施均增加大豆产量,且随着控释比例的增加呈先增加后降低的趋势。在高肥力农田中,CRU50、CRU70处理的大豆产量最高且相近,均显著高于CK(
P<0.05),分别增产29.47%和29.80%。而在低肥力农田中,CRU50处理的大豆产量最高,增产44.44%。此外,高肥力、低肥力农田的平均增产率分别为22.88%和31.52%。可见,高肥力农田CRU50、CRU70处理增产效果较好,低肥力农田CRU50处理增产效果较好,且低肥力农田较高肥力农田增产效果更好。
对控释尿素比例与产量进行回归分析,结果表明(
图1),在高肥力、低肥力农田中,控释尿素比例与大豆产量显著相关(
P<0.05)。在高肥力农田中,当控释尿素与普通尿素的掺混比例为61.50%时,大豆产量最高,为3 103.76 kg/hm
2。而在低肥力农田中,当控释尿素与普通尿素的掺混比例为61.04%时,大豆产量最高,为2 856.37 kg/hm
2。尽管本研究中,高肥力农田在CRU50、CRU70处理中产量最高,而低肥力农田中CRU50处理产量最高,但2块农田理论最适宜的控释尿素与普通尿素的掺混比例相近。
2.3 大豆产量与农艺性状的相关性分析
对玉米产量和农艺性状及产量构成因素进行相关性分析,结果表明(
图2),在高肥力农田中,大豆产量与主茎节数、单株荚数、单株粒数和百粒质量均呈极显著正相关(
P<0.001)。主茎节数与单株荚数、单株粒数均呈极显著正相关(
P<0.01),单株荚数与单株粒数呈极显著正相关(
P<0.001),而百粒质量则与茎粗呈极显著负相关(
P<0.01)。表明在高肥力农田中,控释尿素与普通尿素的掺混处理下,应注重单株荚数、单株粒数和百粒质量所产生的效应,适当考虑主茎节数。而在低肥力农田中,大豆产量与株高、茎粗、单株荚数、单株粒数和百粒质量均呈极显著正相关(
P<0.001)。株高与单株荚数、单株粒数和百粒质量均呈极显著正相关(
P<0.01)。茎粗与主茎节数、单株荚数、单株粒数均呈极显著正相关(
P<0.01),与百粒质量呈显著正相关(
P<0.05)。表明在低肥力农田中,控释尿素与普通尿素的掺混在关注植株单株荚数、单株粒数和百粒质量的同时,应兼顾株高和茎粗。
2.4 大豆产量与农艺性状的通径分析
为明确不同肥力农田各农艺性状对大豆产量影响的相对重要性,进一步进行通径分析。首先对不同肥力农田分别进行逐步回归分析,在高肥力农田得到回归方程
Y=-2216.51+50.48
X2+9.70
X5+16.28
X6+143.61
X7(相关系数
r=0.93,
P<0.001,决定系数
R2 =0.87),表明该方程可靠有效,可进一步进行通径分析。由
表4可知,高肥力农田中,大豆主要性状对产量的直接通径效应均为正效应,其大小顺序为百粒质量>单株粒数>单株荚数>茎粗。高肥力农田中,百粒质量对大豆产量的直接影响最大,且通过单株荚数和单株粒数对产量产生较大间接正效应。单株粒数对大豆产量的直接正效应也较大,同时通过单株荚数和百粒质量对产量产生间接正效应。单株荚数对产量的直接正效应较小,其主要通过单株粒数和百粒质量间接对大豆产量产生正效应。说明在高肥力农田,控释尿素配施处理下,百粒质量、单株粒数和单株荚数是产量的决定性因素,百粒质量、单株粒数和单株荚数越高,产量越高。
在低肥力农田,逐步回归分析得到的最优回归方程
Y=-971.93-34.19
X1+46.00
X5+38.35
X6+53.04
X7(相关系数
r=0.92,
P<0.001,决定系数
R2=0.84)。通径分析结果表明(
表5),在低肥力农田中,大豆主要农艺性状对产量的直接效应大小顺序为单株粒数>单株荚数>株高>百粒质量。单株粒数的直接正效应最大,单株荚数和百粒质量次之,3个性状通过其他性状的间接效应总和均为正,但通过株高对产量的间接效应为负,说明单株粒数、单株荚数和百粒质量越大,产量越高,同时协调好单株粒数、单株荚数、百粒质量与株高的关系,可以提高3个性状对产量的贡献。株高对产量的直接作用为负,但其通过单株粒数、单株荚数和百粒质量对产量的间接作用之和为正,远大于其直接作用,因此,株高增加,产量不一定增加,但协调好株高与其他性状的关系可以促进产量提高。百粒质量对产量的直接影响较小,主要通过单株荚数和单株粒数对产量产生间接正效应。表明在低肥力农田中,控释尿素与普通尿素掺混处理下,单株荚数、单株粒数和百粒质量为产量的决定性因素,但应注意协调好株高与单株荚数、单株粒数和百粒质量的关系。
2.5 不同施肥处理对经济效益的影响
大豆种植经济效益主要受大豆单价、产量和前期投入的影响。控释尿素与普通尿素配施可有效提高高肥力和低肥力农田大豆生产的经济效益(
表6)。在高肥力农田中,与CK相比,控释尿素掺混经济效益增加了1 492.28~3 237.14元/hm
2,增幅为21.61%~45.90%,产投比增幅为11.69%~27.97%,其中,CRU50、CRU70处理的经济效益相近且无显著差异,分别为10 356.5、10 374.4元/hm
2,但CRU50处理的产投比较高。在低肥力农田中,控释尿素掺混较CK经济效益增加了1 855.58~4 246.87元/hm
2,增幅为20.11%~52.76%,产投比增幅为17.42%~42.77%,其中,CRU50处理的经济效益和产投比最高,分别为9 963.5元/hm
2和3.5。依产量与控释尿素比例拟合得到的理论最佳配比61.50%和61.04%,其对应的经济效益和产投比分别为15 564.37、14 393.90元/hm
2和3.87∶1、3.58∶1。
3 结论与讨论
3.1 控释尿素与普通尿素配施对大豆产量和农艺性状的影响
控释尿素和普通尿素配施兼具2种肥料的优点,在降低成本的同时,可以实现增产的效果。有研究表明,与单施普通尿素相比,控释尿素和普通尿素配施可显著增加小麦
[10,21]、水稻
[19]、玉米
[17,20]、花生
[26]等作物的产量并改善其农艺性状、提高其氮肥利用率。本研究中,与单施普通尿素相比,控释尿素与普通尿素配施显著改善高肥力和低肥力农田大豆的农艺性状,并提高产量和经济效益。且随着控释尿素比例的增加,大豆单株荚数、单株粒数及百粒质量等农艺性状呈先增加后降低的趋势,而产量也呈相似的趋势。这与本研究结果一致,刘忠新等
[27]研究表明,控释尿素与普通尿素配施显著增加大豆的株高、单株粒质量和产量,且均呈先增加后降低的趋势。王朝伟等
[5]研究也表明,控释尿素与普通尿素配施显著提高黄淮海地区大豆叶片叶绿素含量和冠层光能截获率,产量和经济效益也随控释尿素比例呈先增加后降低的趋势。其原因可能是由于普通尿素肥效快,易挥发流失,单独施用普通尿素,易造成大豆生长前期氮供应量高于其实际需求量,但后期氮素供应不足,造成植株脱肥,不利于产量提升
[28]。而控释尿素能缓慢释放养分,具有肥效后移的特征,配施控释尿素可为作物开花期至成熟期提供充足的养分供给
[29],使作物在生育后期维持较高的叶绿素含量和光合速率
[5],提高作物氮代谢活性
[30],促进其光合产物形成和籽粒灌浆
[5,31],进而提高产量。但当控释尿素比例过高时,养分延迟释放会造成大豆生育前期养分供应不足,影响其植株构建,而生育后期大量的营养元素也会造成大豆贪青晚熟,进而影响产量
[7]。因此,适宜的控释尿素和普通尿素比例才能实现肥料间养分供应持续接力,达到缓急兼济,平衡供肥的目的。
控释尿素和普通尿素的最佳配比受土壤肥力、气候条件、控释尿素种类等影响。已有研究表明,大豆种植中控释尿素适宜的掺混比例存在差异,从50%~70%不等
[5,27,32]。本研究中,高肥力农田中,控释尿素占比50%和70%处理的增产效果最好,与单施普通尿素相比,增产29.47%和29.80%;而在低肥力农田,控释尿素占比50%处理的增产效果最好,与单施普通尿素相比,增产44.44%。2块农田的控释尿素理论最佳配比分别为61.50%和61.04%。尽管不同肥力农田中控释尿素占比50%均可获得最高产量,且理论最佳配比相近,但在高肥力农田中,70%控释尿素也能获得最高产量。这可能是由于高肥力农田中较高的基础地力,在增加控释尿素比例后,仍然能为大豆的生育前期提供充足的氮素供应。而且更高比例的控释尿素更有助于籽粒灌浆
[31],提高籽粒的百粒质量。我们也发现,控释尿素占比70%的处理中,大豆的百粒质量最大。在黑龙江,土壤肥力较高情况下,控释尿素占比70%情况下,大豆单株粒质量、百粒质量和产量最高,而在土壤肥力较低的情况下,控释尿素占比50%处理土壤碱解氮含量在需氮量最大的结荚期到鼓粒期最高,整个生育期叶面积指数最大,实现了大豆产量和经济效益最大化
[27-28]。姬景红等
[33]研究也表明,土壤肥力高的土壤产量最高也需要较高的控释尿素比例。除了土壤肥力外,种植体系、控释尿素种类等也会影响控释尿素的最佳比例。如孙子钦等
[32]研究表明,在山东玉米和大豆的间作体系中,植物包膜油控释尿素占比60%为最佳配比,该配比下大豆的氮素利用效率、氮肥偏生产力、产量和经济效益最高。因此,在确定控释尿素的最佳配比时,应充分考虑土壤的肥力、气候、控释尿素种类以及种植体系等因素。
3.2 土壤肥力对控释尿素与普通尿素配施增产效果的影响
土壤肥力影响控释尿素与普通尿素掺混对大豆的增产效果。本研究中,与普通尿素相比,普通尿素配施控释尿素后,高肥力农田增产14.3%~29.8%,而低肥力农田增产20.16%~44.44%,且相同配施比例下,低肥力农田的增产效果比高肥力农田增加5.86%~14.97%,表明控释尿素与普通尿素配施在低肥力农田的增产效果优于高肥力农田。与本研究结果一致,姬景红等
[33]研究结果表明,控释尿素配施普通尿素在肥力较低的农田具有更好的增产效果
[33]。这可能是由于不同肥力农田的增产机制不同。在高肥力农田,控释尿素和普通尿素配施显著增加了大豆的单株荚数、单株粒数和百粒质量。相关性分析和通径分析也表明单株荚数、单株粒数和百粒质量是高肥力农田大豆产量的决定性因子,且与产量正相关。而在低肥力农田,控释尿素和普通尿素配施除了显著增加单株荚数、单株粒数和百粒质量之外,还显著增加了大豆株高和茎粗。相关性和通径分析也表明,单株荚数、单株粒数和百粒质量是低肥力农田大豆产量的决定性因子,同时株高也是影响大豆产量的重要因素之一。这说明在高肥力农田中,控释尿素与普通尿素配施主要通过影响大豆的繁殖生长影响产量,而在低肥力农田,控释尿素和普通尿素配施影响大豆的整个生育期。在高肥力和低肥力农田,控释尿素与普通尿素配施通过增加大豆生育后期的土壤碱解氮含量
[30],促进大豆生殖生长期大豆豆荚和籽粒的发育,进而提高产量。此外,由于低肥力农田的基础地力较低,控释尿素和普通尿素配施促进了大豆营养生长时期的生长发育,使其株型配置更合理,通过协调株高与单株荚数、单株粒数和百粒质量的关系,进一步提高产量,因而增产效果更佳。
与普通尿素单施相比,控释尿素和普通尿素掺混在不同肥力农田均显著改善了大豆的农艺性状,并提高产量和经济效益。同时,随着控释尿素比例的增加,大豆产量和经济效益呈先增加后降低的趋势。土壤肥力对控释尿素与普通尿素配施的最佳比例及增产效果具有重要影响。在高肥力农田中,控释尿素占比50%和70%时,产量和经济效益最高,而在低肥力农田中,控释尿素占比50%能够获得最高的产量和经济效益。高肥力农田和低肥力农田中,控释尿素分别占比61.50%和61.04%,可获得最高产量和收益,可作为当前生产条件下河南大豆生产的推荐施肥方式。