不同控释期包膜尿素氮素释放对小麦氮素利用的影响

2021-01-18宋挚范仲卿于晓东孟庆羽郭新送李巧玉马学文陈士更丁方军昝林生

山东农业科学 2020年12期

宋挚，范仲卿，于晓东，孟庆羽，郭新送，李巧玉，马学文，陈士更，丁方军，3，昝林生

（1.农业部腐植酸类肥料重点实验室／山东省腐植酸高效利用示范工程技术研究中心，山东泰安 271000；2.山东农大肥业科技有限公司，山东泰安 271000；3.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东泰安 271000；4.德州学院生态与园林建筑学院，山东德州 253001）

施氮是提高小麦产量及品质的有效措施。实际生产中大多采用多次追施尿素或其他速效氮肥的方法来达到增产的目的［1］。在获得高产的同时，却因速效氮肥多途径的损失（氨挥发、反硝化、N2O排放、淋洗和径流）［2］，造成水体富营养化、大气污染等环境问题［3］。近年来，包膜尿素因其具有肥效长且稳定、利用率高等特点，成为肥料领域的研究热点［4］。大量研究表明，施用包膜尿素可以显著增加小麦产量、提高氮肥利用效率，降低环境污染［5-7］。

冬小麦生育期较长，为保证包膜尿素的养分释放能供应后期小麦的氮素需求，大多施用控释期长的包膜尿素，但单施控释期长的包膜尿素可能在小麦生长前期造成供氮不足［8］。因此，相关研究主要集中在单一控释期长的包膜尿素与普通尿素不同掺混比例的应用效果上，并得到30%速效氮＋70%控释氮为效果较好的掺混比例［9-12］。冬小麦从播种到返青需120天以上，并且维持前期的氮素供应充足能保证冬前苗壮及足够的分蘖，同时贮存充足的养分供其返青生长［13］。所以，以不同控释期包膜尿素配合施用在提高利用率的前提下可更有效地保证养分的供应和产量的提高［14］。但针对不同控释期包膜尿素的配施也只集中在其释放规律的研究上［14，15］。关于不同控释期包膜尿素的释放与小麦氮素积累的关系，及其对小麦产量和土壤氮素平衡的研究鲜见报道。

因此，本试验以不同控释期包膜尿素为材料，采用室内与田间培养的方法，研究不同控释期包膜尿素的释放规律，并通过田间试验，研究不同控释期包膜尿素氮素释放与小麦氮素累积的关系，及对小麦产量、氮肥利用率、土壤氮素平衡的影响，并对比经济效益，以期为小麦科学施用包膜尿素提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在山东省肥城市农大肥业科技有限公司试验田（116°44′E，36°13′N）开展。试验区属于大陆性半湿润季风气候，年平均气温13.6℃，年平均降水量789 mm，年日照时数2 607 h，无霜期200天左右。土壤类型为褐土（系统命名为普通淋溶简育干润土），土壤0～20 cm土层基本理化性状为pH值7.17、有机质含量16.32 g／kg、全氮 1.36 g／kg、硝态氮13.98 mg／kg、铵态氮8.05 mg／kg、有效磷 17.76 mg／kg、速效钾 101.27 mg／kg。

1.2 供试材料

供试肥料：控释期30天树脂包膜尿素（N 45%）、控释期90天树脂包膜尿素（N 44%）、控释期120天树脂包膜尿素（N 43%）、大颗粒尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。供试小麦品种为济麦 22，2019年10月18日机播，2020年6月5日收获。

1.3 试验设计及方法

试验包括两部分内容：一是不同控释期包膜尿素的室内培养和田间培养释放特性试验，二是田间小区对比试验。

1.3.1 释放特性试验室内培养：分别称取不同控释期包膜尿素约10 g，装于尼龙网袋中，扎紧后置于250 mL锥形瓶中，加入25℃蒸馏水200 mL，盖上胶塞，置于25℃恒温箱中培养浸提，重复3次。分别在培养后1、7、14、28天及之后每隔14天取样，每个取样时间点取出浸提水，测定水中的氮含量。取样后将装有肥料的网袋放入并按上述方法继续培养浸提，直到累积养分释放达到80%以上为止。

田间培养：分别称取不同控释期包膜尿素约5 g，装于尼龙网袋中，扎紧后在试验当天埋入地块，重复3次，每个重复埋15个装有肥料的网袋，埋深15 cm，每个网袋水平间隔5 cm。分别在培养后1、7、14、28天及之后每隔14天取样测定，每次取出1个网袋，用蒸馏水将尼龙网中的控释肥冲洗干净，置于烘箱中60℃烘至恒重，干燥器中冷却至室温称重计算释放率［16］，直到小麦收获为止。

1.3.2 田间对比试验试验设置4个处理：（1）无氮处理（N0）；（2）常规追肥处理（FFP）：50%氮肥作基肥，50%在拔节期撒施；（3）控释肥处理1（CRU1）：速效氮（尿素，下同）配合90天控释期包膜尿素做基肥；（4）控释肥处理2（CRU2）：速效氮配合120天控释期包膜尿素做基肥；（5）控释肥处理3（CRU3）：速效氮配合30天＋120天控释期包膜尿素做基肥。各处理磷钾肥全部基施，施肥方式为条施，施肥深度10～15 cm。各处理氮磷钾用量见表1。每处理重复3次，随机区组排列。小区面积80 m2。其他田间管理措施与当地习惯管理方式一致。

表1 各处理氮磷钾施用量（kg／hm2）

1.4 样品采集与测定

1.4.1 控释肥养分释放率测定室内培养：浸提液中氮含量采用凯氏蒸馏法测定。田间培养：称取埋土前和取样后的肥料重量，采用失重法测定释放率［16］。

1.4.2 植株氮积累量与产量的测定分别在小麦苗期（2019年11月20日）、越冬前（2019年12月20日）、拔节期（2020年4月5日）、开花期（2020年5月5日）、收获期（2020年6月5日）取小麦植株样品，75℃烘干至恒重，粉碎后过筛，采用半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量［17］。收获期每小区取10株具有代表性植株室内考种，并随机收获1 m2测定产量。

1.4.3 土壤无机氮测定在小麦播种前和收获后，分别取 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层新鲜土样，用0.01 mol／L的CaCl2溶液浸提后，用AA3型流动注射分析仪测定无机氮含量（硝态氮和铵态氮）。

1.5 数据处理

氮肥利用率（%）＝（施氮区植株氮积累量-无氮区植株氮积累量）／施氮量×100；

氮肥偏生产力＝施氮区产量／施氮量；

这里利用SPSS的绘图过程看似比较烦琐，然而这个恢复原始数据、编码，然后再制图的一系列过程，却可充分调动学生手脑并用参与其中的积极性。在制作统计图的过程中，学生可渐进式深度消化统计学中的变量及其类型、数据及其类型以及频数与频数分布等有关概念的含义，同时也能对利用统计方法处理、分析数据的流程有更为深刻的认识。

土壤氮素依存率（%）＝无氮区植株氮积累量／施氮区植株氮积累量×100；

氮素表观矿化量［18］＝无氮区植株氮积累量＋收获后土壤无机氮量-播种前土壤无机氮量；

氮素表观损失［18］＝表观氮输入-表观氮输出＝起始土壤无机氮量＋氮素表观矿化量＋施氮量-作物氮积累量-剩余土壤无机氮量。

采用动力学方程拟合不同控释期包膜尿素养分特征。

一级动力学方程：

其中，Nt为培养t天后的包膜尿素养分累积释放量；N0为包膜尿素养分最大累积释放量；k为释放速率常数；t为培养天数。

Elvoich方程：

Richards方程：

其中，Nt为培养t天后的包膜尿素养分累积释放量，N0为包膜尿素养分最大累积释放量，d为曲线形状参数，k为释放速率常数，t为培养天数，ti为曲线拐点的培养时间。

数据采用Microsoft Excel、SAS软件进行计算与统计分析，运用LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同控释期包膜尿素氮素释放特征

在25℃静水培养条件下，30天控释期包膜尿素释放规律区别于90天和120天控释期包膜尿素（图1A）。30天控释期包膜尿素呈“先快后慢”的释放特征，90天和120天控释期包膜尿素均呈“S”形释放特征。3种不同控释期包膜尿素在控释期内释放率均达到80%，符合国家标准。田间埋土培养结果（图1B）显示，30天控释期包膜尿素释放规律与静水培养一致，在培养112天后累积释放率达到86%，之后趋于平稳。90天和120天控释期包膜尿素在土壤中的养分释放规律基本一致，分别在培养84天和112天后进入快速释放阶段，并分别在培养168天和182天后进入缓慢释放阶段。

图1 包膜尿素氮素累积释放率

2.2 不同控释期包膜尿素养分释放动力学拟合

一级动力学方程、Elvoich方程和Richards方程是拟合包膜尿素养分累计释放率与时间关系的经典方程［19，20］。因此，本研究利用上述3个动力学方程对包膜尿素的养分释放过程进行拟合，结果如表2所示。无论是室内25℃静水培养还是田间埋土培养，30天控释期包膜尿素的养分释放率用一级动力学方程描述较适宜（R2＝0.9893**～0.9989**，SE＝0.5230～0.7972）；Richards方程能更好地描述90天和120天控释期包膜尿素的养分释放率（R2＝0.9880**～0.9990**，SE＝0.3525～0.5934）。采用Elvoich方程拟合，虽然R2也达极显著水平（P＜0.01），但依据“决定系数越大，标准越小，拟合度越好”的标准来看，其对于包膜尿素养分释放的特征描述准确性低于一级动力学方程和Richards方程。

2.3 不同控释期包膜尿素养分释放与小麦吸氮量的关系

施用氮肥可显著增加小麦氮积累总量，但常规施肥处理和施用不同控释期包膜尿素处理的小麦氮积累总量无显著差异（表3）。常规施肥处理氮积累在苗期与CRU3处理无显著差异，却显著高于CRU1、CRU2处理；苗期至返青期，常规施肥处理显著低于CRU3处理，显著高于其他处理；返青期至拔节期，CRU2处理氮积累量较低，分别显著低于CRU1和CRU3包膜尿素处理19.63%和23.95%（P＜0.05）。拔节期后CRU2处理氮积累量显著高于其他处理，这与其养分持续释放有关。

表2 不同控释期包膜尿素养分累积释放量的动力学方程参数

表3 各生育阶段小麦氮积累量（kg／hm2）

由图2可以看出，小麦氮积累量与3个不同控释期处理氮素释放量均呈极显著的二次抛物线关系（P＜0.01），R2＝0.8713～0.9871。说明在小麦生育前期，小麦的氮积累量随着包膜尿素的养分释放呈下降趋势，之后小麦的氮积累量与包膜尿素的养分释放又呈正相关关系。这一规律可能与冬小麦进入越冬期后生长停滞有关。

图2 小麦氮积累量与包膜尿素氮素释放量的关系

2.4 不同控释期包膜尿素对小麦产量与氮肥利用率的影响

从表4看出，施用氮肥可以显著提高小麦产量。施用包膜尿素处理产量显著高于常规施肥处理，提高11.33%～15.80%，其中CRU3处理显著高于其他处理（P＜0.05）。与常规施肥相比，施用包膜尿素可以显著提高氮肥利用率和氮肥偏生产力，显著降低土壤氮素依存率。其中，CRU3处理的产量和氮肥利用率均显著高于其他处理（P＜0.05），氮肥偏生产力和土壤氮素依存率与CRU2无显著差异。

2.5 不同控释期包膜尿素对土壤硝态氮及氮素平衡的影响

本研究主要以0～100 cm土壤硝态氮累积量衡量土壤氮库的平衡状况。对比播种前与收获后的土壤硝态氮含量可以看出（图3），无氮处理在收获后硝态氮含量有所下降，各施氮处理均有不同程度增加。0～40 cm土层，包膜尿素处理的硝态氮含量高于FFP处理，40～60 cm土层，FFP处理硝态氮含量显著高于其他处理，这说明包膜尿素增加了耕层土壤的硝态氮累积量，但减少了向下一层土壤淋溶的风险。常规施肥在同等施氮量情况下，其40 cm以下土层中硝态氮含量显著高于包膜尿素处理，已经存在硝态氮向深层土壤淋溶的风险。

表4 不同处理对氮肥利用率的影响

图3 不同控释期包膜尿素处理小麦播前和收获后各土层土壤NO-3 -N累积量

从表5可以看出，在小麦整个生育期氮素矿化量和起始无机氮量达到270.26 kg／hm2，满足了各处理产量水平的小麦需氮量。在施氮量190 kg／hm2水平下，常规施肥处理有 94.73 kg／hm2的氮素损失量，包膜尿素处理的氮素损失在19.67～48.50 kg／hm2之间，较常规施肥处理低48.80%～79.24%。CRU2处理的损失量最低，其原因可能是小麦收获后120天包膜尿素仍有部分养分未释放（图1）。

2.6 不同控释期包膜尿素对小麦经济效益的影响

从表6可以看出，小麦施用氮肥可增加净收益2 555.11～5 691.03元／hm2。施用包膜尿素虽然肥料成本比常规施肥高出约300元／hm2，但由于不用追肥，节省人工成本300元／hm2，所增产部分使包膜尿素处理较常规施肥处理显著增加净收益88.61%～122.73%（P＜0.05）。在3个包膜尿素处理中，CRU3处理净收益显著高于其他处理（P＜0.05），较其他包膜尿素处理净效益增加451.73～871.75元／hm2，较 FFP处理增加3 135.92元／hm2。整体来看，CRU3处理的总收益最高，其肥料成本与CRU1处理基本持平，低于CRU2处理，所以CRU3处理的经济效益最优。

表5 小麦全生育期氮素平衡（kg／hm2）

表6 不同处理经济效益（元／hm2）

3 讨论

3.1 不同控释期包膜尿素的释放特征

树脂包膜尿素膜壳微孔因膨压而变大，水蒸气进入膜壳溶解核心肥料，然后在水蒸气压差作用下不断扩散达到释放养分的目的［21］。由于膜壳的膨胀需要一定的水分作用，因而表现初期养分释放缓慢，而不可逆的膜壳膨胀使养分溶出扩散呈现中期加快，但是肥料核心养分的减少使得扩散变慢，因此决定了控释肥养分释放呈现出前期缓慢、中期加快、达到稳定之后释放缓慢的特征［14，22］。本研究中的90天和120天控释期包膜尿素基本符合这一释放特征，但30天控释期包膜尿素却没有前期缓慢释放的阶段。其原因是30天控释期包膜尿素的包膜厚度远低于长控释期包膜尿素，其膜壳微孔易膨大，吸水较快，在短时间内就转换成快速释放阶段。因此，30天控释期包膜尿素的最佳拟合方程与90天和120天包膜尿素不同。

3.2 不同控释期包膜尿素对小麦产量的影响

研究表明，包膜尿素与速效氮肥配施可以有效提高作物产量及氮肥效率［3，9］。在本研究条件下，70%包膜尿素与30%尿素配施可提高产量11.33% ～15.80%，提高氮肥利用率14.60～23.43个百分点。这与李若楠等［23］的小麦盆栽试验结果相似。本研究施用包膜尿素的3个处理中，以30天和120天控释期包膜尿素搭配（CRU3处理）产量最高。其原因有：（1）90天控释期包膜尿素在土壤中培养198天后，养分累计释放率已达到92.42%，且释放曲线趋于平稳，其养分释放无法供应小麦灌浆期氮素积累；（2）120天控释期包膜尿素在小麦收获后仍有释放趋势，使小麦生育后期的氮素供应过于丰盈，出现谷秆比减小，光合产物转化受限等现象［3］；（3）将30天控释期包膜尿素与120天控释期包膜尿素搭配，由于30天控释期包膜尿素所提供的前期氮素供应，促进作物有效分蘖和提升株高水平，而在生育中后期，120天包膜尿素持续的氮素供应，可能增强光合作用，催化作物器官中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶等对氮素的同化与代谢，间接影响作物产量［7］。

3.3 不同控释期包膜尿素对土壤氮素损失的影响

大量研究表明，施用氮肥会造成土壤硝态氮含量的累积［24-26］。本研究中，小麦收获后施氮处理在0～100 cm土层的硝态氮累积显著高于无氮处理。0～40 cm土层中CRU2处理硝态氮累积量最高，这可能是因为120天控释期包膜尿素在小麦收获后仍有继续释放的趋势（图2），但其造成的土壤硝态氮累积主要集中在表层根系区域［10］。施用普通尿素的FFP处理在40～60 cm土层的硝态氮积累显著高于其他处理（图3），于淑芳等［27］的研究也证明了这一点。因此，施用普通尿素在当季即会向60 cm土层淋洗，而施用包膜尿素造成的硝态氮积累主要存在于表层土壤，但随着下季作物的施肥，仍有向更深层土壤淋溶的风险［6］。施用包膜尿素会增加小麦地上部氮素积累和土壤的氮素积累［5，28，29］。本研究结果显示，在土壤-作物体系中，施用包膜尿素处理的氮素表观损失较常规施肥处理低48.80% ～79.24%。巨晓棠等［2］提出的我国小麦氮素盈余量以40 kg／hm2作为参考指标，本研究中施用包膜尿素处理的氮素盈余量与这一参考指标基本相当，尤其是CRU2和CRU3处理均低于该指标。