趙思遠++王松祿+鄭西來+辛佳+田飛飛+方云海

摘 要：該研究在青島大沽河地下水源地開展了田間小區(qū)試驗，以傳統尿素和減量尿素為對比，探究減量硫包膜控釋肥、減量尿素配施NBPT的緩釋肥Ⅰ和減量尿素配施NBPT+DMPP的緩釋肥Ⅱ對冬小麥產量、氮素吸收利用及土壤硝態(tài)氮分布的影響，為優(yōu)化當地施肥模式、推廣應用緩/控釋肥料提供一定的理論支撐和技術指導。結果表明：緩/控釋肥料處理下作物吸氮量與產量較傳統施肥處理增加4.5%～10.6%和2.6%～5.2%，氮素利用率（NUE）、氮肥農學效率（NAE）和氮肥偏生產力（NPFP）均得到顯著提高；緩/控釋肥料能夠有效延緩土壤硝態(tài)氮向深層的下移；0～120cm土層硝態(tài)氮累積隨生育期呈現“增-減-增”的變化規(guī)律，與作物生長及養(yǎng)分吸收規(guī)律相一致。綜上，推薦當地冬小麥季施加硫包膜控釋肥料，推薦施肥量為135kg/hm2。

關鍵詞：緩/控釋肥料；冬小麥產量；氮素利用效率；土壤硝態(tài)氮

中圖分類號 S143.1；S153.6 文獻標識碼 A 文章編號 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

種植業(yè)是農業(yè)生產的核心，化肥在作物增產中起重要作用。自改革開放以來，我國氮肥用量劇增，雖然提高了土壤氮素的供應能力，但施氮量與糧食產量并不呈直線關系，氮素利用率較低，不僅造成了巨大的經濟損失與資源浪費，而且增加了土壤氮素盈余，對環(huán)境生態(tài)構成極大威脅[1]。大量研究表明[2-4]，硝態(tài)氮是土壤氮素殘留的主要形態(tài)，若不能及時被作物吸收，硝態(tài)氮極易發(fā)生淋失造成地下水污染。

大沽河是青島的母親河，其地下水庫是青島的重要水源地之一，流域內人口密集，有大量耕地。根據青島市大沽河流域水資源調查評價和2014年豐水期地下水監(jiān)測結果顯示，70%的采樣點地下水水質級別為極差，主要原因是由于硝酸鹽超標嚴重，硝酸鹽最大超標倍數高達5.3倍（《中華人民共和國生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定飲用地下水硝酸鹽最大允許質量濃度為20mg/L）。劉貫群等[5]研究表明，農業(yè)氮肥是該地區(qū)地下水硝酸鹽污染的主要來源。

緩/控釋肥料的出現為控制農業(yè)面源污染物輸入、緩解地下水硝酸鹽污染提供了新的思路。王寅等[6]指出，緩/控釋肥料養(yǎng)分的供應規(guī)律在時間和空間上與作物養(yǎng)分的吸收規(guī)律基本一致，大大提高了氮素利用率。于淑芳等[7]研究發(fā)現，緩/控釋肥料在減氮50%施入情況下，并沒有影響小麥玉米的正常生長，明顯提高了肥料利用效率并顯著減少了氮素的無效損失。本研究以冬小麥為供試作物，在大沽河地下水硝酸鹽污染區(qū)開展田間小區(qū)試驗，以該地區(qū)傳統施肥方式為對照，探究緩/控釋肥料對冬小麥產量、氮素利用及生育期內土壤硝態(tài)氮分布、累積、盈余的影響，旨在優(yōu)化當地施肥模式，控制地下水硝酸鹽污染的進一步惡化，并為緩/控釋肥料的推廣應用提供一定的技術支撐與實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況 試驗區(qū)位于青島市大沽河地下水源地中上游的萊西市店埠鎮(zhèn)東莊頭村（E120°21′04″，N36°44′13″），平均海拔38.0m，年平均氣溫11.7℃，年平均降水量635.8mm，多集中在6—8月份，年平均日照時數2656.3h，年平均蒸發(fā)量1629.0mm，無霜期193d，屬溫帶季風型大陸性氣候。作物種植模式以夏玉米-冬小麥輪作和蔬菜大棚為主。

1.2 供試材料 供試土壤為壤土，0～120cm土壤基本理化性質如表1所示。供試作物為冬小麥，品種為泰山23。供試肥料為尿素UN（含氮量46%，由中國石油天然氣有限公司提供）、硫包膜控釋肥SCRN（含氮量37%，由山東農大肥業(yè)科技有限公司提供）、脲酶抑制劑NBPT（正丁基硫代磷酰三胺，含量>98%，由上海思域華工科技有限公司提供）、硝化抑制劑DMPP（3，4-二甲基吡唑磷酸鹽，含量>97%，由上海思域華工科技有限公司提供）、磷肥（含P2O5量14.3%）和鉀肥（含K2O量50%）。

1.3 試驗設計 試驗于2015年10月至2016年6月進行，采用田間小區(qū)試驗方法，設置6種處理：（1）以傳統施氮量施入尿素169kg/hm2（100%UN）；（2）減氮20%施入尿素135kg/hm2（80%UN）；（3）減氮20%施入硫包膜控釋肥料135kg/hm2（80%SCRN）；（4）減氮20%施入以尿素配施脲酶抑制劑NBPT的緩釋肥料Ⅰ135kg/hm2（80%UN+D）；（5）減氮20%施入以尿素配施脲酶、硝化雙抑制劑NBPT+DMPP的緩釋肥料Ⅱ135kg/hm2（80%UN+N+D）；（6）不施肥的對照處理（CK）。其中，NBPT（正丁基硫代磷酰三胺）和DMPP（3，4-二甲基吡唑磷酸）的添加量分別為尿素施氮量的0.2%和1.0%。各處理磷肥、鉀肥用量相同，分別為100kg/hm2和130kg/hm2。播種后，以基施形式將肥料全部均勻表施在各小區(qū)，生長期間不再追肥。灌溉水源為地下水，灌溉方式為管灌，除播種前灌底墑水1次外，在返青期灌水1次，灌水量780m3/hm2。試驗田面積為59×9m2，共劃分7個小區(qū)，每小區(qū)面積為7.5×6m2，在各小區(qū)內設置3個重復處理的子小區(qū)。借助耕犁播種拖拉機進行播種，按等行距種植30壟小麥，壟間距為25cm，壟長為6m。中耕、除草、病蟲害防治等田間管理措施同常規(guī)大田。

1.4 樣品采集與指標測定 分別在播種（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）、灌漿（2016年05月19日）、成熟（2016年06月13日）6個生育期采集作物和土壤樣品。在各小區(qū)內隨機采集3組10cm壟長的小麥植株，于105℃殺青30min，后在75℃下烘至恒重，在干燥箱內冷卻至室溫后用天平稱重。將作物干樣粉碎、過篩，經濃H2SO4-H2O2消煮（Hanon SH220N石墨消解儀）后，用自動凱氏定氮儀（Hanon K9840）測定植株含氮量。在各小區(qū)分別隨機取3點，用土鉆分層采集0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm的土樣，采用烘干法測定土壤含水率，采用2mol/L KCl溶液浸提-紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮含量。小麥成熟后，在各小區(qū)隨機采集3組1m2面積的小麥植株，脫粒、曬干后，測定小麥穗數、穗長、穗粒數、千粒重和籽?？傊亍?/p>

1.5 數據處理

1.5.1 作物氮肥利用率 作物吸氮量=作物地上部分干重×作物含氮濃度；氮肥利用效率NUE=（各施氮處理的作物吸氮量-不施氮處理的作物吸氮量）/施氮量；氮肥農學效率NAE=（各施氮處理的小麥籽粒產量-不施氮處理的小麥籽粒產量）/施氮量；氮肥部分生產力PFPN=各施氮處理的小麥籽粒產量/施氮量。

1.5.2 0～120cm土層硝態(tài)氮累積比 本試驗田在2015年8月至2015年10月進行了夏玉米水肥調控試驗，這導致小麥播種時各試驗小區(qū)內土壤硝態(tài)氮含量不一致。為了消除初始硝態(tài)氮累積量差異的影響，對各生育期0～120cm土層硝態(tài)氮累積量進行歸一化處理，并引入累積比NAR（Nitrate accumulation rate）的概念。具體計算公式為：各生育期0～120cm土層硝態(tài)氮實測累積量NA（Nitrate accumulation）=層厚度/10）；各生育期較耕前0～120cm土層硝態(tài)氮累積比NAR=NA各生育期/NA播種。

1.5.3 統計方法 試驗數據采用Excel 2013和SPSS 19.0進行分析，利用Origin 9.1制圖。

2 結果與討論

2.1 緩/控釋肥料對麥田作物吸氮量及產量的影響 不同施肥處理的冬小麥吸氮量及其產量統計如表2所示。方差顯著性分析表明，各施肥處理與CK差異均達到1%極顯著水平，而各施肥處理之間差異不顯著。與CK相比，施氮處理下冬小麥的吸氮量、產量、穗數、穗長、穗粒數、千粒重分別提高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處理的施氮量較100%UN減少20%，但其產量與作物吸氮量僅比100%UN減少1.2%與3.2%，這說明適當減氮施肥并不會影響小麥的正常生長。劉新宇等[10]研究也指出，施氮量在減少50%的情況下，小麥產量與吸氮量僅減少7.0%與9.7%。Dai J等[11]進行了3年的小麥定位試驗，發(fā)現在施氮量在減少30%的情況下，小麥多年平均產量與平均吸氮量僅減少4.8%和7.5%，與本實驗結果基本一致。等量施肥情況下，80%UN+D、80%UN+N+D、80%SCRN的作物吸氮量和產量分別比80%UN提高12.9%～23.9%和1.6%～6.5%，差異極顯著。與100%UN相比，3種緩/控釋肥料處理在減氮施肥情況下作物吸氮量與產量仍然增加了15.5～35.8kg/hm2和30.0～440.9kg/hm2。彭正萍等[12]對包膜控釋肥、配施硝化抑制劑的緩釋肥料于小麥-玉米輪作系統的應用效果進行了探究，發(fā)現緩/控釋肥料施用下作物吸氮量和產量比等量尿素處理增大4.5%～10.6%和2.6%～5.2%。朱曉霞[13]也得到一致的結論，她指出緩/控釋肥料能夠協調養(yǎng)分的釋放時間和強度，促進作物對養(yǎng)分的吸收，有利于作物的生長結籽。施加緩/控釋肥料對產量構成因素增幅的大小排序為穗長（4.1%～11.0%）>穗粒數（2.7%～8.1%）>千粒重（1.9%～6.4%）>穗數（0.3%～0.4%），與郭晨[14]的研究結果相同。這說明，與傳統施肥方式相比，緩/控釋肥料處理下的小麥表現出更佳的吸氮能力，具有更優(yōu)異的群體性狀和產量指標。

2.2 緩/控釋肥料對作物氮素利用效率的影響 由表2可知：減量施加緩/控釋肥料處理的氮素利用效率（NUE）較100%UN增大66.3%～120.3%，差異達到1%極顯著水平。氮肥農學效率（NAE）和氮肥偏生產力（NPFP）更側重于表征作物所吸收的養(yǎng)分向籽粒轉移、儲存的效率。減量施加緩/控釋肥料的NAE、NPFP比100%UN分別增大26.7%～47.3%、35.0%～48.3%，其中NPFP的差異極顯著。這說明，減量施加緩/控釋肥料可以顯著提高作物對氮素的吸收利用效率，促進籽粒的生長，這有利于減少土壤氮素的過度盈余，避免大量氮素以硝態(tài)氮形式隨大氣降水和灌溉水遷移出根區(qū)，對當地地下水生態(tài)環(huán)境造成破壞。王文巖[15]的研究表明對小麥施加/緩控釋肥料可以將NUE提高42.4%～57.9%；許仙菊等[16]也得到一致的結論，緩/控釋肥處理在減氮25%的情況下NUE增幅為25.3%～50.2%。相比較而言，本研究中緩/控釋肥料處理的NUE偏大，這可能是由于播種前土壤養(yǎng)分含量較高且灌溉水富含硝酸鹽造成的。3種緩/控釋肥料中，80%SCRN處理的NUE、NAE和NPFP均最高，其次是80%UN+N+D和80%UN+D，不同肥料對養(yǎng)分的緩控釋機制可能是造成這一差異的重要因素。孫慶元[17]的研究表明，NBPT通過與尿素競爭脲酶的活性位點，減少尿素與脲酶的接觸反應機率，從而抑制酰胺態(tài)氮向銨態(tài)氮轉化的轉化。Prasad等[18]則指出DMPP通過抑制亞硝化單細胞菌（Nitrosomonas spp.）的活性，延緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化的生物氧化過程。尿素與化學抑制劑混合的均勻程度很大程度決定了抑制劑對酰胺態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化的抑制效果，而硫包膜控釋肥料則是通過硫包膜表面的微孔和裂隙來達到對養(yǎng)分釋放的控制[19]，能夠有效避免上述缺陷，使養(yǎng)分的緩控釋過程更加穩(wěn)定，從而更有利于作物的對土壤氮素的吸收利用。

2.3 施加緩/控釋肥料下0～120cm剖面土壤硝態(tài)氮分布特征 田間鉆孔分層取樣結果表明，在0～120cm剖面上，各施肥處理土壤硝態(tài)氮分布差異顯著（圖1）。在出苗期（26d）和灌漿期（216d），CK處理土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度變化不大。不施氮處理下，沒有外源養(yǎng)分的供給，作物生長發(fā)育所利用的氮素主要來自于土壤殘余有效氮及土壤有機氮的礦化。出苗期（圖1-a），各施肥處理土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度變化的趨勢較一致。在0～60cm土層中，各施氮處理硝態(tài)氮含量隨深度的增加而逐漸增大，并在60cm深處出現明顯的累積峰。巨曉棠[2]指出，旱作條件下，施入的銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥在土壤中1～2周會轉化為遷移能力很強的硝態(tài)氮，小麥在生育前期對土壤養(yǎng)分的需求較少，加之大氣降水與灌溉水下滲過程中對土層的淋洗，造成硝態(tài)氮的垂向遷移運動。其中，100%UN處理在該層的土壤硝態(tài)氮含量最高，較其它處理增大15.4%～57.9%，3種緩/控釋肥料次之但差異不明顯，80%UN處理最小。在60～120cm土層中，各施氮處理硝態(tài)氮含量隨深度的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

灌漿期采樣時間為播種后第216天，經過作物的吸收與下滲水對土層的淋洗，土壤硝態(tài)氮含量大幅下降，較返青期減少50%～70%（圖1-b）。上土層中（0～60cm）各施氮處理土壤硝態(tài)氮分布差異不大，其含量在10～30mg/kg范圍內波動。硝態(tài)氮集中分布于下土層，緩/控釋肥處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于UN，其中以80%UN+N+D處理最大，其次是80%UN+D和80%SCRN，這說明，與傳統施肥方式相比，緩控釋肥在作物生育后期仍能在根區(qū)提供較多的養(yǎng)分供作物吸收利用，這有利于降低氮素無效損失甚至淋失的風險。值得注意的是，在0～120cm土層剖面上，80%UN+D+N與80%UN+D處理仍存在明顯的硝態(tài)氮累積峰（100cm深度），80%SCRN在120cm深度也有明顯累積現象，而傳統施肥處理硝態(tài)氮累積峰已下移出根區(qū)，說明緩/控釋肥料可以有效減緩硝態(tài)氮隨下滲水的運移速度，降低其對下層地下水的污染潛勢。

2.4 施加緩/控釋肥料下0～120cm土層硝態(tài)氮相對累積量 以播種時土層硝態(tài)氮實測累積量NA為基準，得到各生育期0～120cm土層硝態(tài)氮相對累積比NAR，如圖2所示，其中播種時各施氮處理NAR均為1。各施氮處理下的NAR隨生育期變化一致，均呈現“增長-減小-增長”的趨勢，這與趙俊曄[20]的研究結果一致。與100%UN和80%UN相比，緩/控釋肥處理具有“削峰填壑”、“厚積薄發(fā)”的特點，這既保證了后期土壤的養(yǎng)分優(yōu)勢，又降低了生育期內硝態(tài)氮淋失的風險。在出苗期，不同施肥條件下的NAR均達生育期內的最大值，各處理間的大小關系為100%UN>80%UN>80%UN+D>80%UN+N+D>80%SCRN，這說明UN處理在生育前期更能為土壤快速積累大量有效氮，這主要來自于酰胺態(tài)氮的分解轉化。出苗至返青期間集中了整個生育期近50%的降水量，大氣降水對土層的淋洗導致100%UN與80%UN處理NAR大幅下降至1以下，即較耕前處于虧缺狀態(tài)，然而，80%UN+D和80%UN+N+D的NAR的降幅僅為6.8%和17.6%，80%SCRN處理甚至出現1.3%的增長。這表明UN處理下土壤硝態(tài)氮在生育前期便明顯淋失，而緩/控釋肥料受環(huán)境的影響較小，能夠保證土壤硝態(tài)氮含量維持在穩(wěn)定狀態(tài)。董燕等[21]研究表明，受緩釋劑等影響，緩/控釋肥料在生育前期能顯著促進了肥料氮向土壤微生物量氮與固定態(tài)銨的轉化，這可以大幅降低土壤氮素隨降水淋失的可能。小麥吸氮及干物質積累的最大速率均出現在返青至抽穗期[22]，對土壤養(yǎng)分的快速吸收加快了土層硝態(tài)氮的消耗，使該時期的NAR達到最低值?？梢姡藭r緩/控釋肥處理仍能維持相對較高的硝態(tài)氮供應水平，而UN處理由于前期肥料無機氮大量淋失表現出偏低的供氮能力。崔玉蘭[23]的研究表明，緩/控釋肥料可以有效提高農田土壤的有機質含量，維持土壤肥力。隨后，硝態(tài)氮含量開始緩慢上升，以緩/控釋肥處理增量最大，增幅比UN大33.5～52.3個百分點，主要原因可能是：一方面隨著作物對水、氮需求和田間蒸散發(fā)量的不斷加大，土壤孔隙水上移并攜帶硝態(tài)氮進入根區(qū)；另一方面隨著溫度的回升，生育前期大量被微生物與礦物晶格固定的銨態(tài)氮重新釋放[21]，從而補充了土層硝態(tài)氮的含量。由此可見，緩/控釋肥料處理下土壤硝態(tài)氮隨生育期的變化與作物生長及養(yǎng)分吸收規(guī)律相吻合，能夠顯著提高氮素利用效率，這與2.2中的結論相吻合。作物收獲后，各施肥處理硝態(tài)氮積累量均小于耕前，UN處理NAR顯著低于緩/控釋肥料處理，這是硝態(tài)氮前期過量淋失、后期補充不足所導致的。80%UN+D、80%UN+N+D、80%SCRN在成熟期的NAR分別為0.97、0.81，0.80，這說明緩/控釋肥料能夠明顯減少生育期內硝態(tài)氮的淋失。

3 結論

與傳統施肥方式相比，減氮20%施入緩/控釋肥料更有利于作物的生長，作物吸氮量與產量分別增加8.2～18.8%和0.4～5.2%，NUE、NAE、NPFP分別增大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。緩/控釋肥料可以有效控制氮素在生育前期的快速釋放，顯著增加生育后期土壤硝態(tài)氮含量，使得釋氮過程與作物養(yǎng)分吸收規(guī)律同步，降低土壤硝態(tài)氮的無效損失。土壤-作物氮素平衡系統中，緩/控釋肥料能夠控制輸入（施肥）、增大輸出（作物吸收），明顯降低土壤氮素盈余量，其中以施入80%SCRN效果最佳。綜上，緩/控釋肥料在保證作物高產、提高氮素利用效率的同時可以大大降低土壤硝態(tài)氮淋失的風險，緩/控釋肥料的推廣有利于減少農業(yè)面源污染，控制大沽河地下水源地區(qū)地下水硝酸鹽污染的進一步惡化。綜合作物產量、氮素利用、土壤硝態(tài)氮累積與氮素盈余等因素，推薦該地區(qū)冬小麥季的施肥量為135kg/hm2，肥料種類為硫包膜控釋肥料。

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（責編：張宏民）