赵思远++王松禄+郑西来+辛佳+田飞飞+方云海

摘 要：该研究在青岛大沽河地下水源地开展了田间小区试验，以传统尿素和减量尿素为对比，探究减量硫包膜控釋肥、减量尿素配施NBPT的缓释肥Ⅰ和减量尿素配施NBPT+DMPP的缓释肥Ⅱ对冬小麦产量、氮素吸收利用及土壤硝态氮分布的影响，为优化当地施肥模式、推广应用缓/控释肥料提供一定的理论支撑和技术指导。结果表明：缓/控释肥料处理下作物吸氮量与产量较传统施肥处理增加4.5%～10.6%和2.6%～5.2%，氮素利用率（NUE）、氮肥农学效率（NAE）和氮肥偏生产力（NPFP）均得到显著提高；缓/控释肥料能够有效延缓土壤硝态氮向深层的下移；0～120cm土层硝态氮累积随生育期呈现“增-减-增”的变化规律，与作物生长及养分吸收规律相一致。综上，推荐当地冬小麦季施加硫包膜控释肥料，推荐施肥量为135kg/hm2。

关键词：缓/控释肥料；冬小麦产量；氮素利用效率；土壤硝态氮

中图分类号 S143.1；S153.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）10-0078-06

Abstract：The field experiment was conducted in the underground water source zone of Dagu River in Qingdao.The experiment was aimed to study the effects of sulfur-coated controlled release fertilization，slow release fertilization Ⅰ combined with urease inhibitor and slow release fertilization Ⅱ combined both with urease and nitrification inhibitors on winter-wheat yield，nitrogen utilization and soil nitrate temporal-spatial distribution.Treatments of conventional nitrogen fertilization and optional fertilization with reduced fertilizer were set as comparison.The results show that the treatments of slow/controlled release fertilizers（S/CRFs） increase the winter-wheat nitrogen contents and yield by 4.5%～10.6% and 2.6%～5.2% respectively，raising NUE，NAE，NPFP by 66.3%～120.3%，26.7%～47.3%，35.0%～48.3% respectively.Nitrate accumulation in the 0～120cm profile takes on variation trend as increasing-decreasing-increasing，consisting with crops growth and N-taking procession.The results of nitrogen budget show that S/CRFs significantly reduce the nitrogen surplus amount by 54.9%～66.5%，largely decreasing the risk of nitrate leaching to groundwater.In conclusion，S/CRFs have apparently advantages in increasing crops yield，enhancing nitrogen use efficiency，maintaining nitrogen budget in field and decreasing nitrate leaching.Considering the whole factors above，we suggest sulfur-coated release fertilizer in the amount of 135kgN/hm2 should be strongly promoted in the study area.

Key words：Slow/Controlled release fertilizers；Winter-wheat yield；Nitrogen use efficiency；Soil nitrate

种植业是农业生产的核心，化肥在作物增产中起重要作用。自改革开放以来，我国氮肥用量剧增，虽然提高了土壤氮素的供应能力，但施氮量与粮食产量并不呈直线关系，氮素利用率较低，不仅造成了巨大的经济损失与资源浪费，而且增加了土壤氮素盈余，对环境生态构成极大威胁[1]。大量研究表明[2-4]，硝态氮是土壤氮素残留的主要形态，若不能及时被作物吸收，硝态氮极易发生淋失造成地下水污染。

大沽河是青岛的母亲河，其地下水库是青岛的重要水源地之一，流域内人口密集，有大量耕地。根据青岛市大沽河流域水资源调查评价和2014年丰水期地下水监测结果显示，70%的采样点地下水水质级别为极差，主要原因是由于硝酸盐超标严重，硝酸盐最大超标倍数高达5.3倍（《中华人民共和国生活饮用水卫生标准》规定饮用地下水硝酸盐最大允许质量浓度为20mg/L）。刘贯群等[5]研究表明，农业氮肥是该地区地下水硝酸盐污染的主要来源。

缓/控释肥料的出现为控制农业面源污染物输入、缓解地下水硝酸盐污染提供了新的思路。王寅等[6]指出，缓/控释肥料养分的供应规律在时间和空间上与作物养分的吸收规律基本一致，大大提高了氮素利用率。于淑芳等[7]研究发现，缓/控释肥料在减氮50%施入情况下，并没有影响小麦玉米的正常生长，明显提高了肥料利用效率并显著减少了氮素的无效损失。本研究以冬小麦为供试作物，在大沽河地下水硝酸盐污染区开展田间小区试验，以该地区传统施肥方式为对照，探究缓/控释肥料对冬小麦产量、氮素利用及生育期内土壤硝态氮分布、累积、盈余的影响，旨在优化当地施肥模式，控制地下水硝酸盐污染的进一步恶化，并为缓/控释肥料的推广应用提供一定的技术支撑与实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况 试验区位于青岛市大沽河地下水源地中上游的莱西市店埠镇東庄头村（E120°21′04″，N36°44′13″），平均海拔38.0m，年平均气温11.7℃，年平均降水量635.8mm，多集中在6—8月份，年平均日照时数2656.3h，年平均蒸发量1629.0mm，无霜期193d，属温带季风型大陆性气候。作物种植模式以夏玉米-冬小麦轮作和蔬菜大棚为主。

1.2 供试材料 供试土壤为壤土，0～120cm土壤基本理化性质如表1所示。供试作物为冬小麦，品种为泰山23。供试肥料为尿素UN（含氮量46%，由中国石油天然气有限公司提供）、硫包膜控释肥SCRN（含氮量37%，由山东农大肥业科技有限公司提供）、脲酶抑制剂NBPT（正丁基硫代磷酰三胺，含量>98%，由上海思域华工科技有限公司提供）、硝化抑制剂DMPP（3，4-二甲基吡唑磷酸盐，含量>97%，由上海思域华工科技有限公司提供）、磷肥（含P2O5量14.3%）和钾肥（含K2O量50%）。

1.3 试验设计 试验于2015年10月至2016年6月进行，采用田间小区试验方法，设置6种处理：（1）以传统施氮量施入尿素169kg/hm2（100%UN）；（2）减氮20%施入尿素135kg/hm2（80%UN）；（3）减氮20%施入硫包膜控释肥料135kg/hm2（80%SCRN）；（4）减氮20%施入以尿素配施脲酶抑制剂NBPT的缓释肥料Ⅰ135kg/hm2（80%UN+D）；（5）减氮20%施入以尿素配施脲酶、硝化双抑制剂NBPT+DMPP的缓释肥料Ⅱ135kg/hm2（80%UN+N+D）；（6）不施肥的对照处理（CK）。其中，NBPT（正丁基硫代磷酰三胺）和DMPP（3，4-二甲基吡唑磷酸）的添加量分别为尿素施氮量的0.2%和1.0%。各处理磷肥、钾肥用量相同，分别为100kg/hm2和130kg/hm2。播种后，以基施形式将肥料全部均匀表施在各小区，生长期间不再追肥。灌溉水源为地下水，灌溉方式为管灌，除播种前灌底墒水1次外，在返青期灌水1次，灌水量780m3/hm2。试验田面积为59×9m2，共划分7个小区，每小区面积为7.5×6m2，在各小区内设置3个重复处理的子小区。借助耕犁播种拖拉机进行播种，按等行距种植30垄小麦，垄间距为25cm，垄长为6m。中耕、除草、病虫害防治等田间管理措施同常规大田。

1.4 样品采集与指标测定 分别在播种（2015年10月17日）、出苗（2015年11月12日）、返青（2016年03月20日）、抽穗（2016年04月28日）、灌浆（2016年05月19日）、成熟（2016年06月13日）6个生育期采集作物和土壤样品。在各小区内随机采集3组10cm垄长的小麦植株，于105℃杀青30min，后在75℃下烘至恒重，在干燥箱内冷却至室温后用天平称重。将作物干样粉碎、过筛，经浓H2SO4-H2O2消煮（Hanon SH220N石墨消解仪）后，用自动凯氏定氮仪（Hanon K9840）测定植株含氮量。在各小区分别随机取3点，用土钻分层采集0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm的土样，采用烘干法测定土壤含水率，采用2mol/L KCl溶液浸提-紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量。小麦成熟后，在各小区随机采集3组1m2面积的小麦植株，脱粒、晒干后，测定小麦穗数、穗长、穗粒数、千粒重和籽粒总重。

1.5 数据处理

1.5.1 作物氮肥利用率 作物吸氮量=作物地上部分干重×作物含氮浓度；氮肥利用效率NUE=（各施氮处理的作物吸氮量-不施氮处理的作物吸氮量）/施氮量；氮肥农学效率NAE=（各施氮处理的小麦籽粒产量-不施氮处理的小麦籽粒产量）/施氮量；氮肥部分生产力PFPN=各施氮处理的小麦籽粒产量/施氮量。

1.5.2 0～120cm土层硝态氮累积比 本试验田在2015年8月至2015年10月进行了夏玉米水肥调控试验，这导致小麦播种时各试验小区内土壤硝态氮含量不一致。为了消除初始硝态氮累积量差异的影响，对各生育期0～120cm土层硝态氮累积量进行归一化处理，并引入累积比NAR（Nitrate accumulation rate）的概念。具体计算公式为：各生育期0～120cm土层硝态氮实测累积量NA（Nitrate accumulation）=层厚度/10）；各生育期较耕前0～120cm土层硝态氮累积比NAR=NA各生育期/NA播种。

1.5.3 统计方法 试验数据采用Excel 2013和SPSS 19.0进行分析，利用Origin 9.1制图。

2 结果与讨论

2.1 缓/控释肥料对麦田作物吸氮量及产量的影响 不同施肥处理的冬小麦吸氮量及其产量统计如表2所示。方差显著性分析表明，各施肥处理与CK差异均达到1%极显著水平，而各施肥处理之间差异不显著。与CK相比，施氮处理下冬小麦的吸氮量、产量、穗数、穗长、穗粒数、千粒重分别提高27.6%～57.7%、40.6%～49.8%、8.1%～9.0%、30.4%～44.6%、48.0%～60.0%、6.4%～13.2%。80%UN处理的施氮量较100%UN减少20%，但其产量与作物吸氮量仅比100%UN减少1.2%与3.2%，这说明适当减氮施肥并不会影响小麦的正常生长。刘新宇等[10]研究也指出，施氮量在减少50%的情况下，小麦产量与吸氮量仅减少7.0%与9.7%。Dai J等[11]进行了3年的小麦定位试验，发现在施氮量在减少30%的情况下，小麦多年平均产量与平均吸氮量仅减少4.8%和7.5%，与本实验结果基本一致。等量施肥情况下，80%UN+D、80%UN+N+D、80%SCRN的作物吸氮量和产量分别比80%UN提高12.9%～23.9%和1.6%～6.5%，差异极显著。与100%UN相比，3种缓/控释肥料处理在减氮施肥情况下作物吸氮量与产量仍然增加了15.5～35.8kg/hm2和30.0～440.9kg/hm2。彭正萍等[12]对包膜控释肥、配施硝化抑制剂的缓释肥料于小麦-玉米轮作系统的应用效果进行了探究，发现缓/控释肥料施用下作物吸氮量和产量比等量尿素处理增大4.5%～10.6%和2.6%～5.2%。朱晓霞[13]也得到一致的结论，她指出缓/控释肥料能够协调养分的释放时间和强度，促进作物对养分的吸收，有利于作物的生长结籽。施加缓/控释肥料对产量构成因素增幅的大小排序为穗长（4.1%～11.0%）>穗粒数（2.7%～8.1%）>千粒重（1.9%～6.4%）>穗数（0.3%～0.4%），与郭晨[14]的研究结果相同。这说明，与传统施肥方式相比，缓/控释肥料处理下的小麦表现出更佳的吸氮能力，具有更优异的群体性状和产量指标。

2.2 缓/控释肥料对作物氮素利用效率的影响 由表2可知：减量施加缓/控释肥料处理的氮素利用效率（NUE）较100%UN增大66.3%～120.3%，差异达到1%极显著水平。氮肥农学效率（NAE）和氮肥偏生产力（NPFP）更侧重于表征作物所吸收的养分向籽粒转移、储存的效率。减量施加缓/控释肥料的NAE、NPFP比100%UN分别增大26.7%～47.3%、35.0%～48.3%，其中NPFP的差异极显著。这说明，减量施加缓/控释肥料可以显著提高作物对氮素的吸收利用效率，促进籽粒的生长，这有利于减少土壤氮素的过度盈余，避免大量氮素以硝态氮形式随大气降水和灌溉水迁移出根区，对当地地下水生态环境造成破坏。王文岩[15]的研究表明对小麦施加/缓控释肥料可以将NUE提高42.4%～57.9%；许仙菊等[16]也得到一致的结论，缓/控释肥处理在减氮25%的情况下NUE增幅为25.3%～50.2%。相比较而言，本研究中缓/控释肥料处理的NUE偏大，这可能是由于播种前土壤养分含量较高且灌溉水富含硝酸盐造成的。3种缓/控释肥料中，80%SCRN处理的NUE、NAE和NPFP均最高，其次是80%UN+N+D和80%UN+D，不同肥料对养分的缓控释机制可能是造成这一差异的重要因素。孙庆元[17]的研究表明，NBPT通过与尿素竞争脲酶的活性位点，减少尿素与脲酶的接触反应机率，从而抑制酰胺态氮向铵态氮转化的转化。Prasad等[18]则指出DMPP通过抑制亚硝化单细胞菌（Nitrosomonas spp.）的活性，延缓铵态氮向硝态氮转化的生物氧化过程。尿素与化学抑制剂混合的均匀程度很大程度决定了抑制剂对酰胺态氮向硝态氮转化的抑制效果，而硫包膜控释肥料则是通过硫包膜表面的微孔和裂隙来达到对养分释放的控制[19]，能够有效避免上述缺陷，使养分的缓控释过程更加稳定，从而更有利于作物的对土壤氮素的吸收利用。

2.3 施加缓/控释肥料下0～120cm剖面土壤硝态氮分布特征 田间钻孔分层取样结果表明，在0～120cm剖面上，各施肥处理土壤硝态氮分布差异显著（图1）。在出苗期（26d）和灌浆期（216d），CK处理土壤硝态氮含量随土层深度变化不大。不施氮处理下，没有外源养分的供给，作物生长发育所利用的氮素主要来自于土壤残余有效氮及土壤有机氮的矿化。出苗期（图1-a），各施肥处理土壤硝态氮含量随土层深度变化的趋势较一致。在0～60cm土层中，各施氮处理硝态氮含量随深度的增加而逐渐增大，并在60cm深处出现明显的累积峰。巨晓棠[2]指出，旱作条件下，施入的铵态氮肥和酰胺态氮肥在土壤中1～2周会转化为迁移能力很强的硝态氮，小麦在生育前期对土壤养分的需求较少，加之大气降水与灌溉水下渗过程中对土层的淋洗，造成硝态氮的垂向迁移运动。其中，100%UN处理在该层的土壤硝态氮含量最高，较其它处理增大15.4%～57.9%，3种缓/控释肥料次之但差异不明显，80%UN处理最小。在60～120cm土层中，各施氮处理硝态氮含量随深度的增加逐渐减小并趋于稳定。

灌浆期采样时间为播种后第216天，经过作物的吸收与下渗水对土层的淋洗，土壤硝态氮含量大幅下降，较返青期减少50%～70%（图1-b）。上土层中（0～60cm）各施氮处理土壤硝态氮分布差异不大，其含量在10～30mg/kg范围内波动。硝态氮集中分布于下土层，缓/控释肥处理土壤硝态氮含量显著高于UN，其中以80%UN+N+D处理最大，其次是80%UN+D和80%SCRN，这说明，与传统施肥方式相比，缓控释肥在作物生育后期仍能在根区提供较多的养分供作物吸收利用，这有利于降低氮素无效损失甚至淋失的风险。值得注意的是，在0～120cm土层剖面上，80%UN+D+N与80%UN+D处理仍存在明显的硝态氮累积峰（100cm深度），80%SCRN在120cm深度也有明显累积现象，而传统施肥处理硝态氮累积峰已下移出根区，说明缓/控释肥料可以有效减缓硝态氮随下渗水的运移速度，降低其对下层地下水的污染潜势。

2.4 施加缓/控释肥料下0～120cm土层硝态氮相对累积量 以播种时土层硝态氮实测累积量NA为基准，得到各生育期0～120cm土层硝态氮相对累积比NAR，如图2所示，其中播种时各施氮处理NAR均为1。各施氮处理下的NAR随生育期变化一致，均呈现“增长-减小-增长”的趋势，这与赵俊晔[20]的研究结果一致。与100%UN和80%UN相比，缓/控释肥处理具有“削峰填壑”、“厚积薄发”的特点，这既保证了后期土壤的养分优势，又降低了生育期内硝态氮淋失的风险。在出苗期，不同施肥条件下的NAR均达生育期内的最大值，各处理间的大小关系为100%UN>80%UN>80%UN+D>80%UN+N+D>80%SCRN，这说明UN处理在生育前期更能为土壤快速积累大量有效氮，这主要来自于酰胺态氮的分解转化。出苗至返青期间集中了整个生育期近50%的降水量，大气降水对土层的淋洗导致100%UN与80%UN处理NAR大幅下降至1以下，即较耕前处于亏缺状态，然而，80%UN+D和80%UN+N+D的NAR的降幅仅为6.8%和17.6%，80%SCRN处理甚至出现1.3%的增长。这表明UN处理下土壤硝态氮在生育前期便明显淋失，而缓/控释肥料受环境的影响较小，能够保证土壤硝态氮含量维持在稳定状态。董燕等[21]研究表明，受缓释剂等影响，缓/控释肥料在生育前期能显著促进了肥料氮向土壤微生物量氮与固定态铵的转化，这可以大幅降低土壤氮素随降水淋失的可能。小麦吸氮及干物质积累的最大速率均出现在返青至抽穗期[22]，对土壤养分的快速吸收加快了土层硝态氮的消耗，使该时期的NAR达到最低值。可见，此时缓/控释肥处理仍能维持相对较高的硝态氮供应水平，而UN处理由于前期肥料无机氮大量淋失表现出偏低的供氮能力。崔玉蘭[23]的研究表明，缓/控释肥料可以有效提高农田土壤的有机质含量，维持土壤肥力。随后，硝态氮含量开始缓慢上升，以缓/控释肥处理增量最大，增幅比UN大33.5～52.3个百分点，主要原因可能是：一方面随着作物对水、氮需求和田间蒸散发量的不断加大，土壤孔隙水上移并携带硝态氮进入根区；另一方面随着温度的回升，生育前期大量被微生物与矿物晶格固定的铵态氮重新释放[21]，从而补充了土层硝态氮的含量。由此可见，缓/控释肥料处理下土壤硝态氮随生育期的变化与作物生长及养分吸收规律相吻合，能够显著提高氮素利用效率，这与2.2中的结论相吻合。作物收获后，各施肥处理硝态氮积累量均小于耕前，UN处理NAR显著低于缓/控释肥料处理，这是硝态氮前期过量淋失、后期补充不足所导致的。80%UN+D、80%UN+N+D、80%SCRN在成熟期的NAR分别为0.97、0.81，0.80，这说明缓/控释肥料能够明显减少生育期内硝态氮的淋失。

3 结论

与传统施肥方式相比，减氮20%施入缓/控释肥料更有利于作物的生长，作物吸氮量与产量分别增加8.2～18.8%和0.4～5.2%，NUE、NAE、NPFP分别增大64.3%～120.3%、26.7%～47.3%和35.0%～48.3%，其中以施入80%SCRN和80%UN+N+D效果最佳。缓/控释肥料可以有效控制氮素在生育前期的快速释放，显著增加生育后期土壤硝态氮含量，使得释氮过程与作物养分吸收规律同步，降低土壤硝态氮的无效损失。土壤-作物氮素平衡系统中，缓/控释肥料能够控制输入（施肥）、增大输出（作物吸收），明显降低土壤氮素盈余量，其中以施入80%SCRN效果最佳。综上，缓/控释肥料在保证作物高产、提高氮素利用效率的同时可以大大降低土壤硝态氮淋失的风险，缓/控释肥料的推广有利于减少农业面源污染，控制大沽河地下水源地区地下水硝酸盐污染的进一步恶化。综合作物产量、氮素利用、土壤硝态氮累积与氮素盈余等因素，推荐该地区冬小麦季的施肥量为135kg/hm2，肥料种类为硫包膜控释肥料。

参考文献

[1]朱兆良，金继运.保障我国粮食安全的肥料问题[J].植物营养与肥料学报，2013（02）：259-273.

[2]巨晓棠，张福锁.中国北方土壤硝态氮的累积及其对环境的影响[J].生态环境，2003（01）：24-28.

[3]Liu X，Ju X，Zhang F，et al.Nitrogen dynamics and budgets in a winter wheat–maize cropping system in the North China Plain[J].Field Crops Research，2003，83（2）：111-124.

[4]Marta A V，Francisco S S，Denisse E B，et al.NITROGEN LEACHING LOSSES ON A VOLCANIC ASH SOIL AS AFFECTED BY THE SOURCE OF FERTILISER Pérdidas de nitrógeno por lixiviación por efecto de la fuente del fertilizante en un suelo derivado de cenizas volcánicas[J].Revista De La Ciencia Del Suelo Y Nutricion Vegetal，2006，6（2）：54-63.

[5]劉贯群，周书玉，黄修东，等.多种方法识别青岛大沽河平原区地下水硝酸盐污染来源[J].环境科学学报，2017（1）：347-356.

[6]王寅，冯国忠，张天山，等.控释氮肥与尿素混施对连作春玉米产量、氮素吸收和氮素平衡的影响[J].中国农业科学，2016（03）：518-528.

[7]于淑芳，杨力，张民，等.控释肥对小麦玉米生物学性状和土壤硝酸盐积累的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（1）：128-133.

[8]刘新宇，巨晓棠，张丽娟，等.不同施氮水平对冬小麦季化肥氮去向及土壤氮素平衡的影响[J].植物营养与肥料学报，2010（02）：296-303.

[9]Dai J，Wang Z，Li M，et al.Winter wheat grain yield and summer nitrate leaching：Long-term effects of nitrogen and phosphorus rates on the Loess Plateau of China[J].Field Crops Research，2016，196：180-190.

[10]彭正萍，刘亚男，李迎春，等.持续氮素调控对小麦/玉米轮作系统氮素利用和表观损失的影响[J].水土保持学报，2015（06）：74-79.

[11]朱晓霞，谭德水，江丽华，等.减量施用控释氮肥对小麦产量效率及土壤硝态氮的影响[J].土壤通报，2013（01）：179-183.

[12]郭晨，徐正伟，李小坤，等.不同施氮处理对水稻产量、氮素吸收及利用率的影响[J].土壤，2014（04）：618-622.

[13]王文岩，董文旭，陈素英，等.连续施用控释肥对小麦/玉米农田氮素平衡与利用率的影响[J].农业工程学报，2016（S2）：135-141.

[14]许仙菊，马洪波，宁运旺，等.缓释氮肥运筹对稻麦轮作周年作物产量和氮肥利用率的影响[J].植物营养与肥料学报，2016（02）：307-316.

[15]孙庆元，张雪崧，王艳红.土壤脲酶抑制剂正丁基硫代磷酰三胺的作用基团研究[J].土壤，2007，39（3）：492-495.

[16]Prasad R，Power J F.Nitrification Inhibitors for Agriculture，Health，and the Environment[J].Academic Press，1995，54：233-281.

[17]Malkakochba，Ofiraayalon，Yoramavnimelech.Slow release rate：Individual granules and population behaviour Malka Kochba，Ofira Ayalon & Yoram Avnimelech[J].Fertilizer Research，1994，39：39-42.

[18]赵俊晔，于振文，李延奇，等.施氮量对土壤无机氮分布和微生物量氮含量及小麦产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2006，12（4）：466-472，494.

[19]董燕，王正银.缓/控释复合肥料对土壤氮素库的调控作用[J].生态学报，2010（24）：6707-6714.

[20]李华，王朝辉，李生秀.地表覆盖和施氮对冬小麦干物质和氮素积累与转移的影响[J].植物营养与肥料学报，2008（06）：1027-1034.

[21]崔亚兰，李东坡，武志杰，等.水田土壤氮转化相关因子对多年施用缓/控释尿素的响应[J].土壤通报，2015（05）：1208-1215.

（责编：张宏民）