姚媛媛，王晓琪，杨越超，程冬冬，陈宝成，刘 燕，唐亚福，马金昭

（土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）

稻麦轮作系统链接着两个截然不同的土壤环境，可均衡高效利用温度、降水和土壤养分资源，是我国广泛应用的农业耕作制度[1-3]。氮素是水稻和小麦生长过程中最活跃的养分因子[4-5]，对作物产量的形成起着关键作用。目前，我国水稻和小麦过量施肥率超过25%，氮肥利用率仅有27.3%和38.2%[6-7]，远低于世界平均氮素利用率水平50%以上。不合理的氮肥施用不仅浪费肥料，还会通过挥发、径流和淋溶等途径造成大气、地表和地下水污染[8]。因此，提高氮素利用率对于提高粮食产量、降低农业面源污染、维护国家粮食安全具有重要意义。

控释尿素通过减缓氮素的释放速率来维持较长时间的养分供应[9]。大量水稻、小麦田间试验已证实，控释尿素能够提高氮素利用率，降低人工成本，甚至在减少氮肥投入1/3的基础上还能够保持作物平产甚至增产[10-11]。由于养分释放缓慢，还降低了氮素的固定、挥发及淋失，减轻了环境风险[12-14]。黄腐酸是广谱生物刺激素[15]，其可通过调控叶片气孔开闭增强作物的光合作用，其中的活性基团可吸附多种盐基离子，改善土壤物理性质，加速团聚体的形成，最终提高作物对肥料的利用率[16]。但二者配施后对稻麦周年轮作系统的影响鲜有研究。因此，本文通过田间小区试验，研究了控释尿素和黄腐酸的协同增效作用，为进一步提高控释尿素的效益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年6月至2019年6月在济南市济阳县水稻科技示范基地进行(E117°22′、N36°98′)，该地属暖温带半湿润季风气候，月平均气温和降水如图1所示。供试土壤类型为发育在黄河冲积母质上的粘壤水稻土，水稻种植前土壤基本理化性状为：pH 7.1(水土比2.5∶1)，有机质13.5 g/kg，硝态氮15.4 mg/kg，铵态氮12.3 mg/kg，全氮1.33 g/kg，有效磷19.7 mg/kg，速效钾114 mg/kg。

图1 2018年6月—2019年6月试验地区月平均气温和降水量Fig.1 Monthly mean temperature and precipitation during June/2018-June/2019 at the experimental site

供试肥料包括控释期3个月的树脂包膜尿素(N 43%)、普通尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O515.5%)及氯化钾(K2O 60%)，上述肥料均由金正大生态工程集团股份有限公司提供。供试黄腐酸以秸秆为原料腐熟发酵制成，属生化黄腐酸，由山东泉林嘉有肥料有限责任公司提供。供试水稻品种为‘圣稻14’，生育期约156天，属中晚熟常规粳稻；供试小麦品种为‘山农20’，生育期约240天，属于半冬性中晚熟品种。

1.2 试验方法及设计

采用田间小区试验，小区长宽均为4 m。试验开始前在各小区筑起30 cm×30 cm的土垅，以保证单独排灌。试验共设6个处理，不施氮对照(CK)；普通尿素(U)；控释尿素(CR-U)；减量40%控释尿素(60% CR-U)；控释尿素+腐殖酸(CR-U+F)；减量40%控释尿素加腐殖酸(60% CR-U+F)，每个处理重复3次，随机排列，每个处理具体养分投入量和比例见表1。普通尿素处理的氮肥6 0%基施；40%追施，水稻于苗期和拔节期各追施20%；小麦于拔节期和抽穗期各追施20%。控释尿素处理的氮肥和磷钾肥一起一次性基施于15 cm土层。黄腐酸溶解于1000 mL水中，均匀喷洒于土壤表层。

水稻行距30 cm、株距15 cm，小麦行距为20 cm。稻麦轮作系统整个生育期内的灌溉、除草、病虫害防治等均按照当地农民常规管理方式。

1.3 样品采集及测定

水稻季于苗期(2018年7月14日)、拔节期(2018年8月19日)、灌浆期(2018年9月16日)和完熟期(2018年10月20日)进行植株和土壤样品的采集；小麦季于苗期(2018年11月19日)、拔节期(2019年3月11日)、抽穗(2019年4月15日)和完熟期(2019年6月10日)进行植株和土壤样品的采集。

土壤pH采用pH计测定，水土比2.5∶1；土壤硝态氮与铵态氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流动注射分析仪(AA3-A001-02E，Bran+Luebbe，德国)测定；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，全自动智能化学分析仪(Smart Chem 200，Alliance，法国)测定；土壤速效钾采用1 mol/L CH3COONH4浸提，火焰光度计(Model 410，Sherwood，英国)测定。叶片光合速率(Pn)采用便携式光合仪(Li-6400XT，LI-COR，美国)测定；植株叶片SPAD值采用叶绿素仪(SPAD-502，Minolta，日本)测定；植株全氮采用H2SO4-H2O2联合消化，凯氏定氮法测定；在完熟期对中间三行水稻或小麦全部收割，实打实收并统计测产。控释尿素25℃静水释放率参考《缓释肥料》(GB/T23348-2009)国家标准[17]。控释尿素田间养分释放率采用埋袋法测定[18]。

氮肥利用率(%)=(施氮区地上部分吸氮量-对照区地上部分吸氮量)/施氮量×100

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区产量/施氮量

增产幅度(%)=(施氮区作物籽粒产量-对照区作物籽粒产量)/对照区作物籽粒产量×100[3]。

1.4 数据分析

数据通过Excel 2016和SAS 8.0软件进行处理和统计分析，采用ANOVA进行方差分析，不同处理间采用Duncan’s Multiple Range Test方法检验各处理平均数在P＜0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 控释尿素在25℃静水和田间土壤条件下的氮素释放特性

供试控释尿素的理论释放期为3个月。控释尿素在25℃静水条件下的释放曲线呈“S”型(图2)：肥料在前一个月释放缓慢，该时间段内养分共计释放21.7%。30～70天为养分快速释放阶段，40天内共有50.7%的氮素被释放。随后70～100天养分又进入缓慢释放阶段，30天内氮素累计释放17.7%。90天内，控释尿素氮素累积释放90.1%，符合“规定释放期内肥料养分释放总量不能低于80%”的缓控释肥料行业评价标准(GB/T 23348-2009)。

表1 试验处理氮磷钾肥和黄腐酸用量Table 1 NPK fertilizer and fulvic acid use level in each treatment of the experiment

图2 控释尿素在25 ℃静水条件下的累积释放率Fig.2 Cumulative release rate of controlled-release urea in water at 25 ℃

肥料在田间条件下的养分释放特性更能代表其实际供肥速率和肥效长短。水稻季控释尿素在土壤中的养分释放规律与25℃静水条件下基本相似(图3)，在前30天氮素累计释放21.2%，释放高峰期同样出现在30～70天，该阶段氮素累计释放48.3%。小麦季前100天由于降水稀少和土壤低温，控释尿素在该时间段内氮素仅释放了16.8%(图4)。当小麦度过越冬期进入返青期后，随着降雨量、灌溉量以及温度的提升，控释尿素在第100～200天出现释放高峰，该阶段内氮素累计释放67.6%。

2.2 不同处理对稻麦产量及产量构成因素的影响

图3 水稻季控释尿素在土壤中的氮素释放率Fig.3 Cumulative release rate of controlled-release urea in mesh bags buried in rice field

图4 小麦季控释尿素在土壤中的氮素释放特性Fig.4 Cumulative release rate of controlled-release urea in mesh bags buried in wheat field

周年轮作系统中水稻和小麦产量受氮肥类型、施氮量和黄腐酸用量3个因素共同影响(表2)。氮肥类型及施氮量主要影响了作物的有效分蘖数和穗粒数。但除CK处理外，所有施肥处理的千粒重均无显著差异。在水稻季，CR-U处理较U处理水稻产量显著提高10.5%，60% CR-U处理即在减氮40%条件下，产量与全量普通尿素处理也无显著差异。施用黄腐酸后，CR-U+F处理较CR-U处理产量显著提高7.3%，但60% CR-U+F处理与60% CR-U处理产量无显著差异。小麦季，CR-U处理较U处理显著增产9.8%，但60% CR-U处理产量较U处理降低了6.1%。控释尿素与黄腐酸配施后，CR-U+F处理在CR-U处理基础上进一步增产4.4%，并较U处理产量提高了14.7%。此外，60% CR-U+F处理较60%CR-U处理也显著增产5.0%，且与U处理产量无显著差异。

2.3 不同处理对稻麦氮素利用状况的影响

U处理在水稻季和小麦季的氮肥利用率分别仅有24.8%和31.5%，超过70%的氮素未被作物利用而损失掉(表3)。与U处理相比，CR-U处理氮素利用率在水稻季显著提高64.8%，在小麦季显著提高42.0%，因此，施用控释尿素能够提高氮素利用率，从而减少氮素损失。控释尿素与黄腐酸配施后，在控释尿素基础上进一步提高了氮素利用率，这主要由于施用黄腐酸促进了作物对氮素的吸收。在水稻季和小麦季，CR-U+F处理较CR-U处理总吸氮量分别显著提高11.7%和6.9%，从而使作物氮素利用率分别提高了32.5%和18.3%，而60% CR-U+F处理也较60% CR-U处理分别提高了氮素利用率19.6和2.4个百分点。氮肥农学效率受氮肥类型、氮素用量和黄腐酸施用3个因素共同影响，CR-U、60% CR-U、CR-U+F和60% CR-U+F处理在水稻季和小麦季氮肥农学效率较U处理均有所提高。氮肥偏生产力能够代表单位氮肥所能生产的作物籽粒量。相同施氮量条件下，控释尿素每千克氮素较普通尿素能够额外产出10.5%的水稻和9.9%的小麦，且施用黄腐酸后，能够在控释尿素基础上进一步提高氮肥的农学效率和氮肥的偏生产力。

表2 不同处理的水稻和小麦产量及产量构成Table 2 Yield and yield components of rice and wheat under different treatments

表3 不同处理下水稻和小麦的氮素利用率Table 3 Fertilizer use efficiency of rice and wheat under different treatments

2.4 不同处理对水稻灌浆期和小麦抽穗期叶片光合速率及SPAD值的影响

作物产量的90%以上源自于叶片的光合作用，水稻的灌浆期和小麦的抽穗期是作物通过光合作用进行产量积累的关键时期，该阶段叶片光合速率的高低是影响产量的关键。表4表明，CR-U处理较U处理分别显著提高水稻和小麦叶片光合速率21.9%和29.7%，并使水稻叶片气孔导度增加了15.0%，从而提高了叶片进行气体交换的能力。胞间CO2浓度会随光合效率的增加而降低，CR-U处理叶片胞间CO2浓度在水稻季和小麦季分别较U处理显著降低20.1%和22.5%，但本试验条件下，施用黄腐酸对叶片光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度没有显著影响。蒸腾作用是作物水分吸收和运输的主要动力，单独施用控释尿素能够提高叶片的蒸腾作用，从而加速水分的吸收和运输，但施用黄腐酸降低了叶片的蒸腾作用。叶片SPAD值主要受肥料类型影响，施用控释尿素的处理小麦和水稻叶片SPAD值均显著高于CK和U处理。

2.5 不同处理对土壤pH及速效养分供应强度的影响

硝态氮是干旱与半干旱土壤中有效氮素的主要存在形式，同时其含量也是对土壤氮素丰缺程度的重要反映。水稻季土壤硝态氮含量呈现先降低后升高的趋势，肥料类型对土壤硝态氮含量影响显著(表5)。苗期U处理硝态氮含量显著高于施用控释尿素的处理，但苗期水稻需氮量低，土壤中过量的氮素不仅无法被完全吸收而造浪费，还容易发生烧苗等问题。随着水稻生长，在拔节期、灌浆期和完熟期，CR-U处理和CR-U+F处理土壤中硝态氮含量均显著高于U处理，甚至在减氮40%的条件下，60% CRU处理和60% CR-U+F处理土壤硝态氮含量与U处理也无显著差异。小麦各处理土壤硝态氮含量与水稻季基本一致(表6)。

水稻季土壤铵态氮含量因肥料类型不同而呈现明显差异(表5)。水稻为喜铵作物，U处理水稻苗期土壤中铵态氮含量最高，但随后迅速下降，在拔节期较施用控释尿素的处理降低了23.2%～34.6%，在灌浆期降低了22.9%～30.0%，在完熟期降低了25.0%～29.4%。而控释尿素即使在减氮40%的条件下，土壤铵态氮含量仍显著高于U处理，从而保证了水稻拔节期和灌浆期等需氮关键时期的氮素供应。但不同施肥处理对小麦季土壤铵态氮含量没有显著影响。整个轮作周年中施用黄腐酸对土壤中硝铵态氮含量影响不显著。磷钾养分在施用量相同的条件下，各处理土壤中有效磷和速效钾含量呈现不断下降的趋势，施用黄腐酸的处理在一定程度上提高了土壤中的有效磷含量，但所有处理土壤pH和速效钾含量差异均不显著。

2.6 不同处理对轮作周年经济效益的影响

经济效益是农民最为关注的问题。通过对轮作系统周年经济效益进行计算(表7)，发现各处理每公顷产出的经济收入由大到小为CR-U+F＞CR-U＞60% CR-U+F＞60% CR-U＞U＞CK。充足的氮素供应是作物高产的保证。综合产量、氮素利用率和土壤养分供应状况发现，等氮条件下，控释尿素因其释放周期长、供氮效果好，从而促进了水稻和小麦的生长；而U处理氮素利用率低，稻麦需肥关键时期养分供应不足，产量降低，因此每公顷经济效益也较CR-U处理降低了2804元。控释尿素与黄腐酸配施后，经济效益在相同肥料基础上有进一步的提升。CR-U+F处理较CR-U处理增收2337元/hm2，60% CR-U+F处理也能较60% CR-U处理增收1823元/hm2，甚至在氮素施用量降低40%的条件下，60% CR-U+F处理经济效益较U处理仍提高了547元/hm2。

表4 不同处理水稻和小麦叶片光合特性及SPAD值Table 4 Photosynthetic characteristics of rice and wheat leaves under different treatments

表5 水稻季不同生育期0—20 cm土壤pH及速效养分含量Table 5 pH and nutrient contents in 0-20 cm soil layer in different growth stages of rice under different treatments

3 讨论

控释尿素在土壤中的养分释放过程仅受温度和饱和蒸汽压两个外界因素影响[19-20]。在水稻季，6—10月份供试地点平均气温为24.3℃，雨热同季，水分充沛(图1)，因而控释尿素在土壤中的养分释放规律与25℃静水条件下基本相似。控释尿素在前30天释放缓慢，而释放高峰期出现在30～70天。凌启鸿等[21]对水稻精确施氮进行了研究，发现水稻移栽后至拔节期，其吸氮量占整个生育期吸氮总量的25%～35%，在拔节期至抽穗期占吸氮总量的45.7%～52.5%，而抽穗期至成熟期占吸氮总量的13.4%～29.3%。因此，控释尿素在土壤中的养分释放规律符合水稻的氮肥需求规律。Ding等[22]也对2000—2016年间的489项水稻试验结果进行了Meta分析，发现在相同施氮量条件下施用控释尿素的处理较施用普通尿素的处理增产幅度可达7.4个百分点。在小麦季，由于种植后的前4个月降水稀少，平均气温也仅为3.4℃(图1)，因此控释尿素在该时间段内氮素释放十分缓慢。当小麦度过越冬期后，随着降雨量及温度的提升(2019年3月至2019年6月的月平均气温为19.8℃)，控释尿素在第100天至200天进入快速释放阶段，这也为小麦拔节、抽穗和灌浆等需肥关键时期提供了充足的氮素供应。因此，虽然小麦有着长达8个月的生育周期，但控释期仅为3个月的控释尿素就能基本满足小麦整个生育期对氮素的需求，这也与Zheng等[20]的观点一致。

表6 小麦季不同生育期0—20 cm土壤pH及速效养分含量Table 6 pH and nutrients content in 0-20 cm soil layer in different growth stages of wheat under different treatments

虽然控释尿素已经在多类农业种植系统中被证实能够控制氮素释放以提高作物产量、养分利用率并降低劳动成本。但作为肥料，控释尿素仅能作为养分供应的来源，其增产效应存在阈值，作物的产量也不能因其施用量的提高而无限增加[20]。因此，更多思路与技术亟待革新以缓解人口急剧膨胀和粮食日益短缺之间的矛盾。2012年，生物刺激素被定义为“一种施用于植物表面或根际后能够刺激植物提高养分吸收效率、非生物胁迫耐受性以及作物品质的物质和/或微生物”。黄腐酸作为生物刺激素的重要“成员”，已被证实能够改善土壤结构，促进根系伸长，增加叶绿素含量，并最终提高作物产量和氮肥利用率[15]。大田试验中，控释尿素与黄腐酸配施后，在控释尿素基础上促进了作物对氮素的吸收，从而使作物产量和氮素利用率得到了进一步提升。控释尿素通过养分缓慢释放，确保溶液离子不会因施肥产生剧烈变动；黄腐酸能够与尿素络合形成腐脲[16]，进一步降低尿素的水解速度并提高土壤缓冲能力。二者协同增效，优势互补，在合理氮素供应基础上增强氮素固定，最终实现养分高效利用。本试验条件下，还发现施用黄腐酸后使水稻、小麦不同生育期土壤有效磷含量也得到了显著提升。这可能由于黄腐酸将部分固定态的磷溶解并释放到了土壤中，且黄腐酸中的阴离子也会与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位从而减少了土壤对磷的吸附[23]。研究还发现，施用黄腐酸在一定程度上降低了植株叶片的蒸腾速率。一方面蒸腾作用是作物进行水分和养分运输的动力，蒸腾作用的降低也意味着作物对养分吸收动力的降低；但另一方面，蒸腾速率的降低能够减少水分蒸发，从而增强作物抵御逆境胁迫的能力，李绪行等[24]也证实黄腐酸能够增强小麦的抗旱能力。

表7 不同处理的周年经济效益Table 7 Annual revenue, cost and net profit in rice-wheat rotation system under different treatments

传统的矿物源黄腐酸主要来源于风化煤和泥炭等不可再生资源，虽然在作物生产中具有良好的生物刺激作用，但其不可再生的性质限制了其在农业生产中的大面积应用。供试黄腐酸以小麦秸秆为原料腐熟发酵制成，属于生化黄腐酸，不仅与矿源黄腐酸具有相似的生理活性，还具有可再生、成本低及环境友好等优势。通过前期表征工作[25-26]，证实供试黄腐酸分子量主要集中在500～3000 Da，较小的分子量使其更容易被作物所吸收。其组成主要包含氨基酸、多糖和木质素衍生物，并富含较多羧基、酚羟基等活性官能团，各种基团能够通过离子交换、螯合络合以及电位吸附等方式固定土壤中的多种元素，并促进土壤团聚体形成，从而进一步改善土壤物理结构。在2015年，农业农村部制订并发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，将化肥减量增效作为调控化肥施用政策的首要目标，本试验条件下发现黄腐酸配施控释尿素具有增加作物产量、提高氮素利用率和经济效益的潜力，在未来研究中，将进一步研究能否通过施用黄腐酸减少控释尿素用量，开发更简易的二者配施方式，并深入探究黄腐酸的增产机理。

4 结论

控释尿素通过合理的氮素供应，改善了土壤氮素供应状况，满足了稻麦整个生育期对氮素的需求，并提升了作物关键阶段的叶片光合能力，最终使小麦和水稻产量、氮素利用率较普通尿素有了显著提升。黄腐酸配合控释尿素增强了作物对氮素的吸收，提高了水稻和小麦各生育期土壤有效磷含量，在不减少氮素投入的前提下，较控释尿素单独施用显著提高水稻产量7.3%、小麦产量4.4%，提高水稻氮素利用率32.5%、小麦氮素利用率18.3%，周年经济效益增加了2337元/hm2。在控释尿素减量40%条件下与黄腐酸配施，水稻产量与全量普通尿素处理也无显著差异。综合来看，控释尿素与黄腐酸配施后能够协同增效，促进氮素高效吸收，从而为解决作物氮素利用率低的问题提供有效的技术途径和理论依据。