不同控釋期包膜尿素氮素釋放對小麥氮素利用的影響

宋摯，范仲卿，于曉東，孟慶羽，郭新送，李巧玉，馬學(xué)文，陳士更，丁方軍，3，昝林生

（1.農(nóng)業(yè)部腐植酸類肥料重點實驗室／山東省腐植酸高效利用示范工程技術(shù)研究中心，山東泰安 271000；2.山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東泰安 271000；3.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271000；4.德州學(xué)院生態(tài)與園林建筑學(xué)院，山東 德州 253001）

施氮是提高小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的有效措施。實際生產(chǎn)中大多采用多次追施尿素或其他速效氮肥的方法來達到增產(chǎn)的目的［1］。在獲得高產(chǎn)的同時，卻因速效氮肥多途徑的損失（氨揮發(fā)、反硝化、N2O排放、淋洗和徑流）［2］，造成水體富營養(yǎng)化、大氣污染等環(huán)境問題［3］。近年來，包膜尿素因其具有肥效長且穩(wěn)定、利用率高等特點，成為肥料領(lǐng)域的研究熱點［4］。大量研究表明，施用包膜尿素可以顯著增加小麥產(chǎn)量、提高氮肥利用效率，降低環(huán)境污染［5-7］。

冬小麥生育期較長，為保證包膜尿素的養(yǎng)分釋放能供應(yīng)后期小麥的氮素需求，大多施用控釋期長的包膜尿素，但單施控釋期長的包膜尿素可能在小麥生長前期造成供氮不足［8］。因此，相關(guān)研究主要集中在單一控釋期長的包膜尿素與普通尿素不同摻混比例的應(yīng)用效果上，并得到30%速效氮＋70%控釋氮為效果較好的摻混比例［9-12］。冬小麥從播種到返青需120天以上，并且維持前期的氮素供應(yīng)充足能保證冬前苗壯及足夠的分蘗，同時貯存充足的養(yǎng)分供其返青生長［13］。所以，以不同控釋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證養(yǎng)分的供應(yīng)和產(chǎn)量的提高［14］。但針對不同控釋期包膜尿素的配施也只集中在其釋放規(guī)律的研究上［14，15］。關(guān)于不同控釋期包膜尿素的釋放與小麥氮素積累的關(guān)系，及其對小麥產(chǎn)量和土壤氮素平衡的研究鮮見報道。

因此，本試驗以不同控釋期包膜尿素為材料，采用室內(nèi)與田間培養(yǎng)的方法，研究不同控釋期包膜尿素的釋放規(guī)律，并通過田間試驗，研究不同控釋期包膜尿素氮素釋放與小麥氮素累積的關(guān)系，及對小麥產(chǎn)量、氮肥利用率、土壤氮素平衡的影響，并對比經(jīng)濟效益，以期為小麥科學(xué)施用包膜尿素提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在山東省肥城市農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司試驗田（116°44′E，36°13′N）開展。試驗區(qū)屬于大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.6℃，年平均降水量789 mm，年日照時數(shù)2 607 h，無霜期200天左右。土壤類型為褐土（系統(tǒng)命名為普通淋溶簡育干潤土），土壤0～20 cm土層基本理化性狀為pH值7.17、有機質(zhì)含量16.32 g／kg、全氮 1.36 g／kg、硝態(tài)氮13.98 mg／kg、銨態(tài)氮8.05 mg／kg、有效磷 17.76 mg／kg、速效鉀 101.27 mg／kg。

1.2 供試材料

供試肥料：控釋期30天樹脂包膜尿素（N 45%）、控釋期90天樹脂包膜尿素（N 44%）、控釋期120天樹脂包膜尿素（N 43%）、大顆粒尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。供試小麥品種為濟麥 22，2019年10月18日機播，2020年6月5日收獲。

1.3 試驗設(shè)計及方法

試驗包括兩部分內(nèi)容：一是不同控釋期包膜尿素的室內(nèi)培養(yǎng)和田間培養(yǎng)釋放特性試驗，二是田間小區(qū)對比試驗。

1.3.1 釋放特性試驗 室內(nèi)培養(yǎng)：分別稱取不同控釋期包膜尿素約10 g，裝于尼龍網(wǎng)袋中，扎緊后置于250 mL錐形瓶中，加入25℃蒸餾水200 mL，蓋上膠塞，置于25℃恒溫箱中培養(yǎng)浸提，重復(fù)3次。分別在培養(yǎng)后1、7、14、28天及之后每隔14天取樣，每個取樣時間點取出浸提水，測定水中的氮含量。取樣后將裝有肥料的網(wǎng)袋放入并按上述方法繼續(xù)培養(yǎng)浸提，直到累積養(yǎng)分釋放達到80%以上為止。

田間培養(yǎng)：分別稱取不同控釋期包膜尿素約5 g，裝于尼龍網(wǎng)袋中，扎緊后在試驗當(dāng)天埋入地塊，重復(fù)3次，每個重復(fù)埋15個裝有肥料的網(wǎng)袋，埋深15 cm，每個網(wǎng)袋水平間隔5 cm。分別在培養(yǎng)后1、7、14、28天及之后每隔14天取樣測定，每次取出1個網(wǎng)袋，用蒸餾水將尼龍網(wǎng)中的控釋肥沖洗干凈，置于烘箱中60℃烘至恒重，干燥器中冷卻至室溫稱重計算釋放率［16］，直到小麥?zhǔn)斋@為止。

1.3.2 田間對比試驗 試驗設(shè)置4個處理：（1）無氮處理（N0）；（2）常規(guī)追肥處理（FFP）：50%氮肥作基肥，50%在拔節(jié)期撒施；（3）控釋肥處理1（CRU1）：速效氮（尿素，下同）配合90天控釋期包膜尿素做基肥；（4）控釋肥處理2（CRU2）：速效氮配合120天控釋期包膜尿素做基肥；（5）控釋肥處理3（CRU3）：速效氮配合30天＋120天控釋期包膜尿素做基肥。各處理磷鉀肥全部基施，施肥方式為條施，施肥深度10～15 cm。各處理氮磷鉀用量見表1。每處理重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積80 m2。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣管理方式一致。

表1 各處理氮磷鉀施用量 （kg／hm2）

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 控釋肥養(yǎng)分釋放率測定 室內(nèi)培養(yǎng)：浸提液中氮含量采用凱氏蒸餾法測定。田間培養(yǎng)：稱取埋土前和取樣后的肥料重量，采用失重法測定釋放率［16］。

1.4.2 植株氮積累量與產(chǎn)量的測定 分別在小麥苗期（2019年11月20日）、越冬前（2019年12月20日）、拔節(jié)期（2020年4月5日）、開花期（2020年5月5日）、收獲期（2020年6月5日）取小麥植株樣品，75℃烘干至恒重，粉碎后過篩，采用半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量［17］。收獲期每小區(qū)取10株具有代表性植株室內(nèi)考種，并隨機收獲1 m2測定產(chǎn)量。

1.4.3 土壤無機氮測定 在小麥播種前和收獲后，分別取 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層新鮮土樣，用0.01 mol／L的CaCl2溶液浸提后，用AA3型流動注射分析儀測定無機氮含量（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

氮肥利用率（%）＝（施氮區(qū)植株氮積累量-無氮區(qū)植株氮積累量）／施氮量×100；

氮肥偏生產(chǎn)力＝施氮區(qū)產(chǎn)量／施氮量；

這里利用SPSS的繪圖過程看似比較煩瑣，然而這個恢復(fù)原始數(shù)據(jù)、編碼，然后再制圖的一系列過程，卻可充分調(diào)動學(xué)生手腦并用參與其中的積極性。在制作統(tǒng)計圖的過程中，學(xué)生可漸進式深度消化統(tǒng)計學(xué)中的變量及其類型、數(shù)據(jù)及其類型以及頻數(shù)與頻數(shù)分布等有關(guān)概念的含義，同時也能對利用統(tǒng)計方法處理、分析數(shù)據(jù)的流程有更為深刻的認識。

土壤氮素依存率（%）＝無氮區(qū)植株氮積累量／施氮區(qū)植株氮積累量×100；

氮素表觀礦化量［18］＝無氮區(qū)植株氮積累量＋收獲后土壤無機氮量-播種前土壤無機氮量；

氮素表觀損失［18］＝表觀氮輸入-表觀氮輸出＝起始土壤無機氮量＋氮素表觀礦化量＋施氮量-作物氮積累量-剩余土壤無機氮量。

采用動力學(xué)方程擬合不同控釋期包膜尿素養(yǎng)分特征。

一級動力學(xué)方程：

其中，Nt為培養(yǎng)t天后的包膜尿素養(yǎng)分累積釋放量；N0為包膜尿素養(yǎng)分最大累積釋放量；k為釋放速率常數(shù)；t為培養(yǎng)天數(shù)。

Elvoich方程：

Richards方程：

其中，Nt為培養(yǎng)t天后的包膜尿素養(yǎng)分累積釋放量，N0為包膜尿素養(yǎng)分最大累積釋放量，d為曲線形狀參數(shù)，k為釋放速率常數(shù)，t為培養(yǎng)天數(shù)，ti為曲線拐點的培養(yǎng)時間。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SAS軟件進行計算與統(tǒng)計分析，運用LSD法檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同控釋期包膜尿素氮素釋放特征

在25℃靜水培養(yǎng)條件下，30天控釋期包膜尿素釋放規(guī)律區(qū)別于90天和120天控釋期包膜尿素（圖1A）。30天控釋期包膜尿素呈“先快后慢”的釋放特征，90天和120天控釋期包膜尿素均呈“S”形釋放特征。3種不同控釋期包膜尿素在控釋期內(nèi)釋放率均達到80%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。田間埋土培養(yǎng)結(jié)果（圖1B）顯示，30天控釋期包膜尿素釋放規(guī)律與靜水培養(yǎng)一致，在培養(yǎng)112天后累積釋放率達到86%，之后趨于平穩(wěn)。90天和120天控釋期包膜尿素在土壤中的養(yǎng)分釋放規(guī)律基本一致，分別在培養(yǎng)84天和112天后進入快速釋放階段，并分別在培養(yǎng)168天和182天后進入緩慢釋放階段。

圖1 包膜尿素氮素累積釋放率

2.2 不同控釋期包膜尿素養(yǎng)分釋放動力學(xué)擬合

一級動力學(xué)方程、Elvoich方程和Richards方程是擬合包膜尿素養(yǎng)分累計釋放率與時間關(guān)系的經(jīng)典方程［19，20］。因此，本研究利用上述3個動力學(xué)方程對包膜尿素的養(yǎng)分釋放過程進行擬合，結(jié)果如表2所示。無論是室內(nèi)25℃靜水培養(yǎng)還是田間埋土培養(yǎng)，30天控釋期包膜尿素的養(yǎng)分釋放率用一級動力學(xué)方程描述較適宜（R2＝0.9893**～0.9989**，SE＝0.5230～0.7972）；Richards方程能更好地描述90天和120天控釋期包膜尿素的養(yǎng)分釋放率（R2＝0.9880**～0.9990**，SE＝0.3525～0.5934）。采用Elvoich方程擬合，雖然R2也達極顯著水平（P＜0.01），但依據(jù)“決定系數(shù)越大，標(biāo)準(zhǔn)越小，擬合度越好”的標(biāo)準(zhǔn)來看，其對于包膜尿素養(yǎng)分釋放的特征描述準(zhǔn)確性低于一級動力學(xué)方程和Richards方程。

2.3 不同控釋期包膜尿素養(yǎng)分釋放與小麥吸氮量的關(guān)系

施用氮肥可顯著增加小麥氮積累總量，但常規(guī)施肥處理和施用不同控釋期包膜尿素處理的小麥氮積累總量無顯著差異（表3）。常規(guī)施肥處理氮積累在苗期與CRU3處理無顯著差異，卻顯著高于CRU1、CRU2處理；苗期至返青期，常規(guī)施肥處理顯著低于CRU3處理，顯著高于其他處理；返青期至拔節(jié)期，CRU2處理氮積累量較低，分別顯著低于CRU1和CRU3包膜尿素處理19.63%和23.95%（P＜0.05）。拔節(jié)期后CRU2處理氮積累量顯著高于其他處理，這與其養(yǎng)分持續(xù)釋放有關(guān)。

表2 不同控釋期包膜尿素養(yǎng)分累積釋放量的動力學(xué)方程參數(shù)

表3 各生育階段小麥氮積累量 （kg／hm2）

由圖2可以看出，小麥氮積累量與3個不同控釋期處理氮素釋放量均呈極顯著的二次拋物線關(guān)系（P＜0.01），R2＝0.8713～0.9871。說明在小麥生育前期，小麥的氮積累量隨著包膜尿素的養(yǎng)分釋放呈下降趨勢，之后小麥的氮積累量與包膜尿素的養(yǎng)分釋放又呈正相關(guān)關(guān)系。這一規(guī)律可能與冬小麥進入越冬期后生長停滯有關(guān)。

圖2 小麥氮積累量與包膜尿素氮素釋放量的關(guān)系

2.4 不同控釋期包膜尿素對小麥產(chǎn)量與氮肥利用率的影響

從表4看出，施用氮肥可以顯著提高小麥產(chǎn)量。施用包膜尿素處理產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理，提高11.33%～15.80%，其中CRU3處理顯著高于其他處理（P＜0.05）。與常規(guī)施肥相比，施用包膜尿素可以顯著提高氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，顯著降低土壤氮素依存率。其中，CRU3處理的產(chǎn)量和氮肥利用率均顯著高于其他處理（P＜0.05），氮肥偏生產(chǎn)力和土壤氮素依存率與CRU2無顯著差異。

2.5 不同控釋期包膜尿素對土壤硝態(tài)氮及氮素平衡的影響

本研究主要以0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量衡量土壤氮庫的平衡狀況。對比播種前與收獲后的土壤硝態(tài)氮含量可以看出（圖3），無氮處理在收獲后硝態(tài)氮含量有所下降，各施氮處理均有不同程度增加。0～40 cm土層，包膜尿素處理的硝態(tài)氮含量高于FFP處理，40～60 cm土層，F(xiàn)FP處理硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理，這說明包膜尿素增加了耕層土壤的硝態(tài)氮累積量，但減少了向下一層土壤淋溶的風(fēng)險。常規(guī)施肥在同等施氮量情況下，其40 cm以下土層中硝態(tài)氮含量顯著高于包膜尿素處理，已經(jīng)存在硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風(fēng)險。

表4 不同處理對氮肥利用率的影響

圖3 不同控釋期包膜尿素處理小麥播前和收獲后各土層土壤NO-3 -N累積量

從表5可以看出，在小麥整個生育期氮素礦化量和起始無機氮量達到270.26 kg／hm2，滿足了各處理產(chǎn)量水平的小麥需氮量。在施氮量190 kg／hm2水平下，常規(guī)施肥處理有 94.73 kg／hm2的氮素損失量，包膜尿素處理的氮素損失在19.67～48.50 kg／hm2之間，較常規(guī)施肥處理低48.80%～79.24%。CRU2處理的損失量最低，其原因可能是小麥?zhǔn)斋@后120天包膜尿素仍有部分養(yǎng)分未釋放（圖1）。

2.6 不同控釋期包膜尿素對小麥經(jīng)濟效益的影響

從表6可以看出，小麥?zhǔn)┯玫士稍黾觾羰找? 555.11～5 691.03元／hm2。施用包膜尿素雖然肥料成本比常規(guī)施肥高出約300元／hm2，但由于不用追肥，節(jié)省人工成本300元／hm2，所增產(chǎn)部分使包膜尿素處理較常規(guī)施肥處理顯著增加凈收益88.61%～122.73%（P＜0.05）。在3個包膜尿素處理中，CRU3處理凈收益顯著高于其他處理（P＜0.05），較其他包膜尿素處理凈效益增加451.73～871.75元／hm2，較 FFP處理增加3 135.92元／hm2。整體來看，CRU3處理的總收益最高，其肥料成本與CRU1處理基本持平，低于CRU2處理，所以CRU3處理的經(jīng)濟效益最優(yōu)。

表5 小麥全生育期氮素平衡 （kg／hm2）

表6 不同處理經(jīng)濟效益 （元／hm2）

3 討論

3.1 不同控釋期包膜尿素的釋放特征

樹脂包膜尿素膜殼微孔因膨壓而變大，水蒸氣進入膜殼溶解核心肥料，然后在水蒸氣壓差作用下不斷擴散達到釋放養(yǎng)分的目的［21］。由于膜殼的膨脹需要一定的水分作用，因而表現(xiàn)初期養(yǎng)分釋放緩慢，而不可逆的膜殼膨脹使養(yǎng)分溶出擴散呈現(xiàn)中期加快，但是肥料核心養(yǎng)分的減少使得擴散變慢，因此決定了控釋肥養(yǎng)分釋放呈現(xiàn)出前期緩慢、中期加快、達到穩(wěn)定之后釋放緩慢的特征［14，22］。本研究中的90天和120天控釋期包膜尿素基本符合這一釋放特征，但30天控釋期包膜尿素卻沒有前期緩慢釋放的階段。其原因是30天控釋期包膜尿素的包膜厚度遠低于長控釋期包膜尿素，其膜殼微孔易膨大，吸水較快，在短時間內(nèi)就轉(zhuǎn)換成快速釋放階段。因此，30天控釋期包膜尿素的最佳擬合方程與90天和120天包膜尿素不同。

3.2 不同控釋期包膜尿素對小麥產(chǎn)量的影響

研究表明，包膜尿素與速效氮肥配施可以有效提高作物產(chǎn)量及氮肥效率［3，9］。在本研究條件下，70%包膜尿素與30%尿素配施可提高產(chǎn)量11.33% ～15.80%，提高氮肥利用率14.60～23.43個百分點。這與李若楠等［23］的小麥盆栽試驗結(jié)果相似。本研究施用包膜尿素的3個處理中，以30天和120天控釋期包膜尿素搭配（CRU3處理）產(chǎn)量最高。其原因有：（1）90天控釋期包膜尿素在土壤中培養(yǎng)198天后，養(yǎng)分累計釋放率已達到92.42%，且釋放曲線趨于平穩(wěn)，其養(yǎng)分釋放無法供應(yīng)小麥灌漿期氮素積累；（2）120天控釋期包膜尿素在小麥?zhǔn)斋@后仍有釋放趨勢，使小麥生育后期的氮素供應(yīng)過于豐盈，出現(xiàn)谷稈比減小，光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化受限等現(xiàn)象［3］；（3）將30天控釋期包膜尿素與120天控釋期包膜尿素搭配，由于30天控釋期包膜尿素所提供的前期氮素供應(yīng)，促進作物有效分蘗和提升株高水平，而在生育中后期，120天包膜尿素持續(xù)的氮素供應(yīng)，可能增強光合作用，催化作物器官中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脫氫酶等對氮素的同化與代謝，間接影響作物產(chǎn)量［7］。

3.3 不同控釋期包膜尿素對土壤氮素損失的影響

大量研究表明，施用氮肥會造成土壤硝態(tài)氮含量的累積［24-26］。本研究中，小麥?zhǔn)斋@后施氮處理在0～100 cm土層的硝態(tài)氮累積顯著高于無氮處理。0～40 cm土層中CRU2處理硝態(tài)氮累積量最高，這可能是因為120天控釋期包膜尿素在小麥?zhǔn)斋@后仍有繼續(xù)釋放的趨勢（圖2），但其造成的土壤硝態(tài)氮累積主要集中在表層根系區(qū)域［10］。施用普通尿素的FFP處理在40～60 cm土層的硝態(tài)氮積累顯著高于其他處理（圖3），于淑芳等［27］的研究也證明了這一點。因此，施用普通尿素在當(dāng)季即會向60 cm土層淋洗，而施用包膜尿素造成的硝態(tài)氮積累主要存在于表層土壤，但隨著下季作物的施肥，仍有向更深層土壤淋溶的風(fēng)險［6］。施用包膜尿素會增加小麥地上部氮素積累和土壤的氮素積累［5，28，29］。本研究結(jié)果顯示，在土壤-作物體系中，施用包膜尿素處理的氮素表觀損失較常規(guī)施肥處理低48.80% ～79.24%。巨曉棠等［2］提出的我國小麥氮素盈余量以40 kg／hm2作為參考指標(biāo)，本研究中施用包膜尿素處理的氮素盈余量與這一參考指標(biāo)基本相當(dāng)，尤其是CRU2和CRU3處理均低于該指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）在室內(nèi)25℃靜水培養(yǎng)和田間埋土培養(yǎng)條件下，30天控釋期包膜尿素的釋放特征更適合采用一級動力學(xué)方程Nt＝N0×（1-e-kt）來描述，90天和120天包膜尿素更適合采用Richards方程 Nt＝N0×［1＋d×e-k（t-ti）］-1／d進行描述。

（2）90、120、30天 ＋120天（1∶2.5）控釋期包膜尿素的養(yǎng)分釋放與小麥氮素積累呈極顯著二次拋物線關(guān)系，30天＋120天（1∶2.5）控釋期包膜尿素決定系數(shù)最高。

（3）30天 ＋120天（1∶2.5）包膜尿素處理較其他控釋期包膜尿素處理，顯著提高小麥產(chǎn)量和氮肥利用率，并降低土壤氮素依存率。

（4）包膜尿素一次性施肥顯著增加小麥的經(jīng)濟效益，其中以施用30天 ＋120天（1∶2.5）控釋期包膜尿素經(jīng)濟效益最高，凈收益較常規(guī)施肥增加3 135.92元／hm2。