水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收匹配特征

林海濤，李彥，劉兆輝，沈玉文，江麗華，譚德水，宋效宗，劉蘋

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水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收匹配特征

林海濤，李彥，劉兆輝，沈玉文，江麗華，譚德水，宋效宗，劉蘋

（山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部廢棄物基質(zhì)化利用重點實驗室/山東省環(huán)保肥料工程技術研究中心，濟南 250100）

【目的】了解水性樹脂包膜尿素氮素釋放特征及其與冬小麥氮素吸收特性在時空上的匹配性，為其在冬小麥一次性施肥上的應用提供理論依據(jù)。【方法】通過室內(nèi)和田間試驗相結合，研究水性樹脂包膜尿素外膜表面形貌特征、氮素在靜水與麥田中的釋放特征、氮素釋放與冬小麥氮素吸收的相關關系，不同土層土壤無機氮含量的時間動態(tài)以及不同生育時期土壤有效氮累積量與冬小麥吸收量的匹配關系?！窘Y果】水性樹脂包膜尿素涂膜外觀完整、致密，無明顯孔隙。C型水性樹脂包膜尿素，在水中的累積釋放曲線呈“S”型，釋放期約為45 d；在麥田中的累積釋放曲線呈拉長“S”型，釋放期約為180 d。水性樹脂包膜尿素在土壤中的氮素累積釋放量與冬小麥氮素累積吸收量呈極顯著的線性正相關。水性樹脂包膜尿素在田間的氮素釋放峰有兩個，分別在苗期和拔節(jié)期，分別占全年氮素釋放量的30.83%和23.53%。從氮素吸收與氮素釋放在生育期匹配性來看，孕穗期之前，兩者呈“錯峰”關系，氮素釋放峰在前，氮素吸收峰在后。與普通尿素處理相比，水性樹脂包膜尿素處理不同土層在關鍵生育期土壤硝、銨態(tài)氮含量和有效氮累積量顯著增加，0—30 cm土層在冬小麥返青、孕穗、灌漿期，30—60 cm土層在冬小麥孕穗、揚花、灌漿期，60—90 cm土層在冬小麥返青、揚花、灌漿期。【結論】水性樹脂包膜尿素，緩釋性滿足緩釋肥國家標準；在靜水和麥田中的氮素釋放特征相似，但在麥田中的釋放期更長；其在麥田中的氮素釋放規(guī)律與冬小麥氮素吸收規(guī)律基本一致，只是在孕穗期之前釋放峰對應的生育時期，較吸收峰提前了一個生育時期；水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能提高不同土層在冬小麥關鍵生育時期的氮素供應能力，實現(xiàn)氮素供應與冬小麥根系吸收在空間上的匹配。

水性樹脂包膜尿素；氮素釋放特征；冬小麥；氮素吸收；土壤無機氮

0 引言

【研究意義】小麥是我國三大糧食作物之一，其中又以冬小麥的種植面積最大。當前冬小麥生產(chǎn)上存在兩大矛盾：一，普通尿素一次性底施省時省工與冬小麥產(chǎn)量低和氮肥投入高的矛盾；二，普通氮素分次施用冬小麥產(chǎn)量高和氮肥投入少與當前農(nóng)村勞動力短缺間的矛盾。解決這兩大矛盾，就迫切需要肥料投入和勞動力投入“雙節(jié)約”的冬小麥一次性施肥技術。包膜控釋技術可使包膜內(nèi)的速效養(yǎng)分釋放可控，基本能夠?qū)崿F(xiàn)包膜肥中的養(yǎng)分供應與作物對養(yǎng)分的需求同步，實現(xiàn)動態(tài)平衡[1]。因而，包膜控釋氮肥就成了冬小麥一次性施肥技術首選的氮素產(chǎn)品。包膜控釋氮肥氮素釋放速率受土壤含水量的影響很大，在低含水量時，氮素難以釋放，疏水材料包膜尿素尤甚，而近年來在中國主要麥區(qū)冬、春季干旱已成常態(tài)[2-3]，因此，迫切需要一種能夠在低土壤含水量條件下不影響氮素釋放的包膜控釋尿素。水性樹脂具有較好的親水性，也有一定的吸水性，水性樹脂包膜尿素能夠在低土壤含水量條件實現(xiàn)氮素釋放，且能夠較好地協(xié)調(diào)水肥之間的關系[4]，發(fā)揮水肥之間的交互作用[5-6]。因此，研發(fā)適用于冬小麥的水性樹脂包膜尿素對推動冬小麥一次性施肥技術的推廣應用，實現(xiàn)節(jié)肥增效具有重大的現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】目前，水性樹脂包膜緩/控釋肥的研究主要集中在：水性樹脂包膜材料的選擇、制備及其包膜工藝對包膜尿素緩釋性能的影響[7-13]，養(yǎng)分釋放特征及其影響因素[14-15]與氮素釋放特征數(shù)學模型模擬[16-18]，肥效期的快速檢測方法[19]。部分學者還研究了高吸水性樹脂包膜尿素的膜結構特性與養(yǎng)分釋放特性[20-22]?！颈狙芯壳腥朦c】水性樹脂包膜緩/控釋肥的研究尚處于理論和模擬研究階段，而在應用層面研究較少，特別是水性樹脂包膜尿素在大田土壤中的氮素釋放與冬小麥養(yǎng)分吸收之間的匹配性研究相對較少?！緮M解決的關鍵問題】基于黃淮海平原冬小麥氮素吸收規(guī)律設計制備的水性樹脂包膜尿素，研究其在一次性施用條件下氮素釋放與冬小麥氮素吸收的時空匹配特征，以期為水性樹脂包膜尿素在冬小麥一次性施肥上的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物：冬小麥，品種為濟麥22，播種期為每年的10月12號，試驗從2013年10至2016年10月，共進行了3年，播種量為180 kg·hm2，行間距為25 cm。

供試肥料：普通大顆粒尿素（含氮量≥46%）；水性樹脂包膜尿素A（含氮量≥43%，包膜率為4%）、水性樹脂包膜尿素B（含氮量≥43%，包膜率為4%）、水性樹脂包膜尿素C（含氮量≥43%，包膜率為4%），均為自制；磷肥為重過磷酸鈣（P2O5，46%），鉀肥為氯化鉀（K2O，60%）。磷、鉀肥均做底肥施用，于播種前一次性均勻撒施，旋耕，使肥料在耕層內(nèi)均勻分布，氮肥溝施埋袋。

供試土壤：本試驗于山東省桓臺縣中國農(nóng)大桓臺試驗站進行，多年平均降水量為544 mm，冬小麥生育期多年平均降水量約120 mm。供試土壤類型為黏質(zhì)潮褐土，耕層（0—20 cm）土壤的pH為7.9，有機質(zhì)為11.10 g·kg-1，堿解氮為53.9 mg·kg-1，速效磷為25.90 mg·kg-1，速效鉀為197.00 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

1.2.1 水性樹脂包膜尿素的制備 先將耐水性樹脂溶解在丙烯酸單體內(nèi)，再將上述溶液加入到含改性纖維素的水凝膠中，再加入乳化劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑后高速剪切乳化，獲得均一的乳液即為水性樹脂包膜乳液，將包膜乳液在轉(zhuǎn)鼓包膜機內(nèi)均勻噴涂在大顆粒尿素的表面，經(jīng)流化床干燥后固化成膜，即獲得水性樹脂包膜尿素，通過改變疏水樹脂與丙烯酸單體的比例，獲得A、B兩種水性樹脂包膜尿素，疏水樹脂比例，B大于A。C由2/3A和1/3B組成。C型成本介于A、B型之間，較普通尿素每噸需增加500元左右的生產(chǎn)成本。

1.2.2 3種水性樹脂包膜尿素靜水釋放特征 采用緩釋肥料國家標準（GB/T 23348—2009）中的水浸泡法，稱取3種水性樹脂包膜尿素各10.00 g，放入100目尼龍網(wǎng)袋做成的小袋中，封口后將小袋放入250 mL塑料瓶中，加入200 mL 蒸餾水，加蓋密封，置于25℃的生化恒溫培養(yǎng)箱中，取樣時間為24 h，3、5、7、10、14、28、42、56、84和112 d。每個取樣時間點測定水中的尿素含量，然后繪制不同取樣時間點的尿素釋放曲線。

1.2.3 水性樹脂包膜尿素田間氮素釋放特征 試驗設不施氮肥（CK）、普通尿素（U）和水性樹脂包膜尿素（選擇C型，縮寫為WRCU）3個處理。普通尿素和水性樹脂包膜尿素處理施氮量為210 kg·hm-2，各處理磷、鉀肥用量一致（P2O5120 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2）。試驗設3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積50 m2，水性樹脂包膜尿素處理設取樣區(qū)和埋袋區(qū)，埋袋區(qū)設在冬小麥種植行之間。方法是，將供試水性樹脂包膜尿素過孔徑2.0 mm和5.0 mm網(wǎng)篩，稱取過篩后大于2.0 mm、小于5.0 mm的水性樹脂包膜尿素10.0 g，裝入長12 cm、寬8 cm已制作好的100目尼龍網(wǎng)袋中，塑封機封口。每個重復稱50袋，分3行埋入深15 cm、寬12 cm的溝中，整平溝底，將網(wǎng)袋平鋪在溝底，并使網(wǎng)袋中的肥料顆粒均勻散開，覆土至溝平，并壓實。網(wǎng)袋上掛塑料牌，塑料牌露在土外，便于取樣時準確找到肥料網(wǎng)袋。

1.3 樣品采集

施肥后，在冬小麥苗期、返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚花期、灌漿期、收獲期，分別采集植株地上部分，并取出網(wǎng)袋。所取植株在105℃恒溫下殺青20 min，再在80℃恒溫下烘干至恒重，粉碎，測定植株氮含量。取網(wǎng)袋樣時，在埋袋區(qū)采用對角線法，每個小區(qū)取5袋，盡量避免肥料的機械損傷；土壤取樣時，在行距中間鉆取0—30 cm、30—60 cm、60—90 cm土層，制備土壤樣品，每個小區(qū)取3鉆混合成一個樣品。

1.4 測試項目及方法

膜表面形貌特征分析采用掃描電鏡（SEM）觀察，水性樹脂包膜尿素在水中、土中的氮素釋放率采用對二甲氨基苯甲醛比色法；植株總氮含量測定采用凱氏定氮法；土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量測定采用流動注射分析儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel處理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SAS（ASA-Institute-Inc., 1999）統(tǒng)計分析軟件。

2 結果

2.1 水性樹脂包膜尿素在靜水中的氮素釋放特征

由圖1可以看出，水性樹脂包膜尿素在25℃水中氮素釋放曲線，A型呈倒“L”型，B型、C型均接近“S”型。A型初溶出率為9.5%，28 d釋放率為73.2%，氮素釋放期約為30 d，42 d時氮素接近釋放完全；B型初溶出率為5.1%，28 d釋放率為31.2%，氮素釋放期約為60 d，112 d氮素接近釋放完全；C型初溶出率為6.4%，28 d釋放率為43.4%，氮素釋放期約為45 d，84 d氮素接近釋放完全。3種水性樹脂包膜尿素均符合緩釋肥國家標準（GB/T 23348—2009）。

圖1 水性樹脂包膜尿素在水中的氮素累積釋放曲線

2.2 水性樹脂包膜尿素B外膜表面形貌特征

從圖2-a可以看出，外膜表面連續(xù)完整，膜質(zhì)細膩、光滑、均一、致密，因采用轉(zhuǎn)鼓包膜工藝，在成膜過程中由肥料顆粒相互碰撞產(chǎn)生的凹坑清晰可見，依據(jù)照片a中提供的比例尺，凹坑的直徑在5—10 μm。對凹坑進行放大觀察（圖2-b），放大17 000倍，亦未見微孔，可見凹坑并未深入膜內(nèi)，對膜的控釋性能影響不大；同時也可清晰地觀察到膜呈片層結構，膜的表面還可以看到清晰的白色光點，這些白色光點為改性纖維素經(jīng)高速剪切產(chǎn)生的微小片段。這些微小片段通過吸水溶脹產(chǎn)生的微孔為氮素的釋放提供通路并促進膜材料的降解，在做到養(yǎng)分控釋的同時，實現(xiàn)膜材料的可降解。

圖2 B型水性樹脂包膜尿素外膜表面的掃描電子顯微鏡（SEM）照片

2.3 水性樹脂包膜尿素在麥田土壤中的氮素釋放特征

圖3顯示，水性樹脂包膜尿素在田間土壤中氮素累積釋放曲線呈拉長“S”型，與在水中的釋放曲線具有較高的相似度。水性樹脂包膜尿素氮素累積釋放率，苗期（施肥后34 d）為30.4%，到拔節(jié)期（施肥后177 d）達到71.4%；到收獲期（施肥后241 d）達到98.6%，氮素接近釋放完全。水性樹脂包膜尿素在田間土壤中釋放期約為180 d，約為水中的4倍。氮素釋放速率，苗期到返青期最小，返青到拔節(jié)期最大，拔節(jié)到孕穗期和孕穗到揚花期次之。這可能與田間溫度和土壤濕度有關。

圖3 水性樹脂包膜尿素在田間土壤中的氮素累積釋放曲線

2.4 冬小麥全生育期氮素吸收與水性樹脂包膜尿素氮素釋放關系

由圖4可知，在大田條件下，水性樹脂包膜尿素氮素累積釋放量與冬小麥氮素累積吸收量呈極顯著的線性正相關。2高達0.9736（圖4-a）。從各生育期氮素吸收量來看，冬小麥氮素吸收峰在全生育期有兩個，一個在返青期，一個在孕穗期，且第一個大于第二個，氮素吸收量分別為74.60、47.47 kg·hm-2，分別占全年氮素吸收量的28.78%和18.31%。從各生育期氮素釋放量來看，水性樹脂包膜尿素在田間的氮素釋放峰也有兩個，分別在苗期和拔節(jié)期，也是前者大于后者，氮素釋放量分別為63.84、48.72 kg·hm-2，分別占全年氮素釋放量的30.83%和23.53%（圖4-b）。從氮素吸收峰與氮素釋放峰在生育期匹配性來看，兩者呈“錯峰”關系，水性樹脂包膜尿素氮素釋放峰在前，冬小麥氮素吸收峰在后。這種“錯峰”關系可能是由田間土壤溫度高、濕度大造成的。冬小麥苗期正值10月中旬至11月中旬，白天耕層地溫在20℃以上，灌溉后播種使土壤含水量在20%以上，該溫、濕度條件下，水性樹脂包膜尿素氮素釋放速率高，釋放量大。而返青期正值來年3月中旬，白天耕層地溫在15℃以下，春旱使土壤含水量在15%以下，此時，水性樹脂包膜尿素氮素釋放速率低，釋放量小。另外，在冬小麥孕穗、揚花期，水性樹脂包膜尿素仍然有較高的氮素釋放量。

圖4 冬小麥氮素吸收與包膜尿素氮素釋放特征匹配性分析

2.5 不同土層土壤無機氮隨時間的動態(tài)變化

如圖5所示，施氮均能提高0—30 cm土層土壤無機氮含量，該層土壤無機氮的組成以硝態(tài)氮為主。0—30 cm土層土壤硝態(tài)氮含量，普通尿素處理的不同生育期變化范圍在4.48—45.42 mg·kg-1，最大值出現(xiàn)在孕穗期；水性樹脂包膜尿素處理的不同生育期變化范圍在15.61—55.50 mg·kg-1，最大值也出現(xiàn)在孕穗期。較普通尿素處理，水性樹脂包膜尿素處理返青、孕穗、灌漿期土壤硝態(tài)氮含量分別提高了46.1%、22.2%和96.8%（圖5-a）。0—30 cm土層土壤銨態(tài)氮含量，普通尿素處理的不同生育期變化范圍在0.12—11.29 mg·kg-1，最大值出現(xiàn)在苗期；水性樹脂包膜尿素處理的不同生育時期變化范圍在0.15—9.65 mg·kg-1，最大值卻出現(xiàn)在返青期。較普通尿素處理，水性樹脂包膜尿素處理返青、孕穗、灌漿期土壤銨態(tài)氮含量分別提高了375.8%、146.3%和40.7%（圖5-b）。這表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥生長發(fā)育關鍵期（營養(yǎng)生長期、營養(yǎng)生長與生殖生長并重期以及生殖生長期）0—30 cm土層土壤硝、銨態(tài)氮含量。

圖5 不同處理0-30 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量隨時間的動態(tài)變化

由圖6可見，30—60 cm土層土壤無機氮含量亦因施氮而提高，組成仍以硝態(tài)氮為主。30—60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量，普通尿素處理變化范圍在4.32—33.83 mg·kg-1，苗期最高；水性樹脂包膜尿素處理變化范圍在10.17—44.97 mg·kg-1，孕穗期最高。較普通尿素處理，水性樹脂包膜尿素處理孕穗、揚花、灌漿期土壤硝態(tài)氮含量分別提高了34.2%、101.1%和419.2%（圖6-a）。這表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥生殖生長期30—60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量。30—60 cm土層土壤銨態(tài)氮含量，水性樹脂包膜尿素較普通尿素處理返青、拔節(jié)、揚花、灌漿期分別提高了261.4%、29.8%、91.1%、364.9%（圖6-b）。這表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥營養(yǎng)生長和生殖生長期30—60 cm土層土壤銨態(tài)氮含量。

圖7顯示，60—90 cm土層土壤無機氮含量亦能隨施氮而提高，組成仍以硝態(tài)氮為主。60—90 cm土層土壤硝態(tài)氮含量，水性樹脂包膜尿素處理較普通尿素處理，揚花、灌漿期土壤硝態(tài)氮含量分別提高了174.1%、373.5%（圖7-a）。這表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥生殖生長中后期60—90 cm土層土壤硝態(tài)氮含量。60—90 cm土層土壤銨態(tài)氮含量，水性樹脂包膜尿素處理較普通尿素處理，返青、灌漿期分別提高了226.5%、487.7%（圖7-b）。這表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥營養(yǎng)生長前期和生殖生長后期60—90 cm土層土壤銨態(tài)氮含量。

圖6 不同處理30—60 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量隨時間的動態(tài)變化

圖7 不同處理60—90 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量隨時間的動態(tài)變化

由表1可知，施氮能夠提高各生育時期不同土層土壤有效氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮之和）累積量（普通尿素處理，揚花至灌漿期30—90 cm土層除外）。0—30 cm土層土壤有效氮累積量，水性樹脂包膜尿素較普通尿素處理在返青、孕穗、灌漿期分別提高了72.4%、25.9%、94.7%，且差異達到了顯著性水平；30—60 cm土層土壤有效氮的累積量，水性樹脂包膜尿素較普通尿素處理，在孕穗、揚花、灌漿期分別增加了31.4%、100.6%、416.2%，差異達到顯著性水平；60—90 cm土層土壤有效氮的累積量，水性樹脂包膜尿素較普通尿素處理，在返青、揚花、灌漿期分別增加了39.9%、105.5%、387.4%，差異達到顯著性水平。以上表明，水性樹脂包膜尿素較普通尿素能顯著提高0—30 cm土層在冬小麥返青、孕穗、灌漿期的氮素供應能力，顯著提高30—60 cm土層在冬小麥孕穗、揚花、灌漿期的氮素供應能力以及60—90 cm土層在冬小麥返青、揚花、灌漿期的氮素供應能力。

表1 不同生育期不同土層土壤有效氮累積量

每個數(shù)值表示3次重復的平均值（±標準誤），不同的小寫字母表示不同處理間達到0.05的顯著性水平

Each value is the mean of three replicates (±SE). Different lower case letters denote significant difference (≤0.05) among different N treatments

依據(jù)表1中水性樹脂包膜尿素處理0—90 cm土層有效氮累積量和圖4中水性樹脂包膜尿素氮素釋放量和冬小麥氮素吸收量，分析發(fā)現(xiàn)，水性樹脂包膜尿素處理當期氮素供應總量（上一生育期0—90 cm土層累積的氮量與水性樹脂包膜尿素當期釋放的氮量之和）遠高于當期冬小麥氮素吸收量，兩者比值在4.25—14.84，最大比值出現(xiàn)在揚花期，其次為拔節(jié)期。分析不同來源（水性樹脂包膜尿素、不同土層）的氮量占當期氮素供應總量的比重時還發(fā)現(xiàn)：水性樹脂包膜尿素釋放的氮所占比重在返青至孕穗期較大，最大值出現(xiàn)在拔節(jié)期，為14%；0—30 cm土層累積的氮量所占比重為30%—47%，隨生育期的延長呈先下降后上升趨勢，最低點出現(xiàn)在孕穗期；30—60 cm土層累積的氮量所占比重為29%—37%，隨生育期的延長呈先上升后下降趨勢，最高點出現(xiàn)在揚花期；60—90 cm土層累積的氮量所占比重為12%—28%，隨生育期的延長呈先上升后下降趨勢，最高點出現(xiàn)在孕穗期。從返青至孕穗期，所有土層只有0—30 cm土層累積的氮量所占比重最大，其次是30—60 cm土層，最后是60—90 cm土層，僅在孕穗期，三者都接近30%。綜上，水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能提高冬小麥關鍵生育期氮素供應能力，特別是深層（30—90 cm）土壤在冬小麥生長中、后期的氮素供應能力。水性樹脂包膜尿素釋放的氮和0—90 cm土層累積的氮為冬小麥氮素吸收提供了充足的氮源，在拔節(jié)和揚花期尤甚；水性樹脂包膜尿素所在的0—30 cm土層累積的氮是冬小麥從返青到灌漿期氮素吸收的最大貢獻源，但在返青至孕穗期，30—60 cm、60—90 cm土層也是主要貢獻源，兩者所占比重之和超過了50%，在揚花期至灌漿期，30—60 cm土層貢獻也很大，與0—30 cm土層所占比重之和超過了80%。

3 討論

3.1 水性樹脂包膜尿素氮素釋放特征

膜材料的組成和成膜工藝決定了包膜緩釋肥在水中養(yǎng)分釋放特性。自制的水性樹脂包膜尿素主要以丙烯酸酯為主要膜材料，因而與張文輝[7]、李東坡[10]、喻建剛[14]和申亞珍[23]等的研究結果是一致的，水性樹脂包膜尿素在水中的累積釋放曲線呈“L”型或“S”型。不同的是，本文將丙烯酸樹脂與疏水樹脂通過乳液聚合的方法獲得具有IPN（互傳網(wǎng)絡）結構的復合膜材料，膜致密、無微孔，氮素只能通過纖維素的分解或膜材料的溶脹產(chǎn)生的孔隙進行釋放，因而隨著疏水樹脂比例的提高，膜材料的親水性和溶脹性降低，養(yǎng)分釋放速率降低，養(yǎng)分釋放誘導期延長，養(yǎng)分累積釋放曲線越接近“S”型，反之越接近“L”型。

3.2 影響水性樹脂包膜尿素在土壤中氮素釋放的因素

溫度、水分是影響水性樹脂包膜控釋氮肥氮素釋放速率的關鍵性因素[14-15]。水性樹脂包膜尿素在麥田土壤中的氮素累積釋放曲線呈拉長“S”型。這主要是因為冬小麥越冬期地溫低，土壤濕度小，限制了養(yǎng)分釋放，當進入返青期后隨著麥田灌水土壤濕度增大以及地溫上升，養(yǎng)分進入快速釋放期。水性樹脂包膜尿素在麥田土壤中的氮素釋放特性與非水性樹脂包膜尿素在東北春玉米田土壤中的氮素釋放特性相似[24]，而與謝銀旦等[25]的研究結果有較大不同，這可能與田間氣象條件不同有關，后者的研究采用了模擬試驗，土壤含水分與溫度均恒定，而本研究則完全是大田環(huán)境，溫度和土壤含水量均是變化的。因此，在控釋氮肥推向大田應用前，在大田條件下研究其養(yǎng)分釋放特征必不可少。

3.3 水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收時空匹配性分析

作物專用緩釋肥的設計，首先要依據(jù)作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律以及它在靜水和土壤中的養(yǎng)分釋放規(guī)律，根據(jù)以上規(guī)律設計出來的緩釋肥產(chǎn)品還不能成為專用產(chǎn)品，還要考慮養(yǎng)分供需的時空匹配，開展包膜緩釋肥與作物的匹配度研究，來確定作物專用緩釋肥。

研究氮素釋放與氮素吸收在時間上的匹配性是十分重要的。尹彩霞等[24]在春玉米上的研究表明，非水性樹脂包膜控釋氮肥的氮素釋放與春玉米的氮素吸收在不同生育期基本是同步的，而本研究的結果卻是不完全同步，在孕穗期之前，氮素釋放高峰提前，與氮素吸收峰呈“錯峰”關系。研究控釋氮肥的氮素釋放與冬小麥氮素吸收的匹配性，不應脫離當前的生產(chǎn)實際。目前，黃淮海冬麥區(qū)基本實現(xiàn)了秸稈還田，如果苗期氮素投入不足，這會造成秸稈腐解與冬小麥爭氮的問題，勢必會影響苗期冬小麥的生長，最終影響冬小麥產(chǎn)量。因此，在苗期較多的氮素供應十分必要[26-27]。此外，冬小麥進入返青期后各生育期時間間隔較短，且控釋氮肥釋放出的尿素在土壤中轉(zhuǎn)化為作物能吸收的氮也需要一定的時間[28]，因此，水性樹脂包膜尿素氮素釋放高峰提前，更有利于冬小麥的吸收。水性樹脂包膜尿素在冬小麥孕穗至揚花期還有一個釋放高峰，滿足冬小麥花后氮素需求，更有利于高產(chǎn)[29]。綜合看，水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收在時間上是匹配的。

研究氮素釋放與氮素吸收還需要考慮兩者在空間上的匹配性。閆素紅等[30]的研究表明，冬小麥根系主要分布在0—30 cm耕層內(nèi)，該層內(nèi)根系量占總根量的60%。本研究發(fā)現(xiàn)，水性樹脂包膜尿素所在的0—30 cm土層累積的氮也是返青至灌漿期冬小麥氮素吸收的最大貢獻源，因此，從冬小麥全生育期來看，根系主要分布與氮素主要供應在空間上是吻和的。邱新強等[31]的研究結果顯示，不同生育期冬小麥根系在土層中的分布不同，返青到拔節(jié)期，0—40 cm土層根系增長最顯著，拔節(jié)后期40—80 cm土層則最為顯著。楊兆生等[32]的研究結果表明，從全生育期看，返青到孕穗期是冬小麥根系生長的最旺盛，灌漿中后期深層（70—80 cm土層）根系的直徑會小幅遞增。本研究結果顯示，水性樹脂包膜尿素較普通尿素處理0—30 cm土層在冬小麥返青、孕穗、灌漿期土壤硝、銨態(tài)氮含量大幅提高，30—90 cm土層在冬小麥揚花、灌漿期土壤硝、銨態(tài)氮含量大幅提高；水性樹脂包膜尿素釋放的氮所占比重也在返青至孕穗期較大，最大值出現(xiàn)在拔節(jié)期；水性包膜尿素較普通尿素更能提高深層土壤（60—90 cm）在冬小麥生長中、后期的氮素供應能力。因此，從冬小麥不同生育期來看，根系分布與水性樹脂包膜尿素氮素釋放及土壤氮素在土體中的分布在空間上也是吻合的。盧殿君[33]研究發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)冬小麥（產(chǎn)量≥8.5 t?hm-2）拔節(jié)期0—90 cm土層土壤累積的有效氮量應大于等于210 kg?hm-2，本研究的試驗結果是在本試驗條件下0—90 cm土層土壤累積的有效氮量為356 kg?hm-2，說明，210 kg?hm-2的水性樹脂包膜尿素能夠滿足冬小麥高產(chǎn)的需要。綜上，水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收在空間上也是匹配的，且能滿足冬小麥高產(chǎn)對氮素的需求。

3.4 膜材料的降解性對水性樹脂包膜尿素氮釋放與冬小麥氮吸收的影響

膜材料的降解性可能會對水性樹脂包膜尿素的氮釋放以及冬小麥的氮吸收產(chǎn)生直接或間接的影響。本研究采用的水性樹脂包膜材料是由可生物降解的改性纖維素與丙烯酸酯、疏水樹脂經(jīng)乳液聚合而成。水性樹脂包膜尿素施入土壤后，涂膜會吸水溶脹，產(chǎn)生一系列的微孔，土壤中含有的纖維素水解酶就會隨水通過微孔進入膜內(nèi)對膜內(nèi)的纖維素進行水解，破壞膜的結構，產(chǎn)生更大的孔洞，從而加快氮素的釋放。隨著時間的延長，殘膜會分解成微小的片段，再由微生物進一步將其分解為短鏈烷烴。謝麗華[34]的研究證明了植物源纖維素與丙烯酸酯的聚合物在土壤中的生物降解性，其在土壤中30 d降解比例高達33.8%。劉明[35]的研究證明了樹脂包膜材料在土壤中可降解為短鏈的烷烴。一定數(shù)量的（90—360 g·m-2）殘膜短期內(nèi)不會對土壤理化性質(zhì)和小麥的生長產(chǎn)生顯著性不良影響[36]，也不會對土壤細菌和放線菌數(shù)量以及有關土壤酶活性產(chǎn)生不良影響，甚至能夠提高細菌和放線菌數(shù)量并提高土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、中性磷酸酶活性[37]。長期施用（50年累積量）可能會對土壤微生物和作物生長產(chǎn)生不利影響，這與膜材料類型有關[38]。綜上，本研究采用的水性樹脂包膜材料從理論上是可以降解的，膜材料的降解會加快包膜尿素的氮釋放，其殘留部分或降解產(chǎn)物在一定數(shù)量下短期內(nèi)不會直接或間接地給作物生長和氮素吸收帶來不利影響。

4 結論

水性樹脂膜表面致密完整，無疏水性樹脂膜常見的微孔；3種水性樹脂包膜尿素（A、B、C）養(yǎng)分釋放期為30—60 d，初溶出率為5.1%—9.5%，緩釋性符合緩釋肥國家標準（GB/T 23348—2009）；C型水性樹脂包膜尿素在水中和麥田中的氮素釋放特征相似，均呈“S”型曲線，但在麥田中的釋放期可長達180 d。

水性樹脂包膜尿素田間氮素累積釋放量與冬小麥氮素累積吸收量呈極顯著的線性正相關，在時間上，氮釋放峰較氮吸收峰提前了一個生育時期（孕穗期之前）；水性樹脂包膜尿素較普通尿素更能增加冬小麥生長發(fā)育關鍵期耕層（0—30 cm）和中、后期深層（30—90 cm）土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量和土壤有效氮的累積量；0—30 cm土層累積的氮是冬小麥從返青到灌漿期氮素吸收的最大貢獻源。因此，水性樹脂包膜尿素氮素釋放與冬小麥氮素吸收在各生育時期匹配性好，適用于冬小麥一次性施肥技術。

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（責任編輯 李云霞，趙伶俐）

The Match of the Nitrogen Uptake in Winter Wheat and Nitrogen Release of Water Borne Resin Coated Urea

LIN HaiTao, LI Yan, LIU ZhaoHui, SHEN YuWen, JIANG LiHua, TAN DeShui, SONG XiaoZong, LIU Ping

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Wastes Matrix Utilization, Ministry of Agriculture /Shandong Provincial Engineering Research Center of Environmental Friendly Fertilizers, Jinan 250100)

【Objective】 The objective of this study was to further understand the match of the nitrogen uptake in winter wheat and nitrogen release of water borne resin coated urea in time and space, and to provide a theoretical basis for its application in single fertilization in wheat.【Method】Through laboratory analysis and field experiment, the membrane surface morphology characteristics and nitrogen release characteristics in the water and in wheat fields of water borne coated urea were studied, as well as the relationship of nitrogen release in which and nitrogen uptake in winter wheat, time dynamics of inorganic nitrogen content in different soil layers, and the matching between soil available nitrogen accumulation and wheat absorption at different stages .【Result】 Membrane surface of water borne resin coated urea was complete, compact, no obvious pore. The nitrogen cumulative release curve was a “S” type for the water borne resin coated urea (type C) in water, and the nitrogen sated release time was about 45 days; the cumulative release curve in the wheat field was elongated “S” type, and nitrogen sated release time was 180 days. There was a significant linear positive correlation between the nitrogen accumulative uptake account of winter wheat and the nitrogen accumulative release account of water borne resin coated urea in soil. The nitrogen release peak of the water borne resin coated urea in the field was two, in seedling stage and jointing stage, respectively, accounting for 30.83% and 23.53% of the total nitrogen release in the whole year, respectively. According to the matching between nitrogen absorption and nitrogen release in the growth period, the relationship between them was “staggered” ahead of booting stage, and the nitrogen release peak was ahead of the nitrogen absorption peak. Compared with common urea, water-borne resin coated urea application made the content of nitrate and ammonium nitrogen and the accumulation of available nitrogen increased significantly in different soil layers at the key growth stage. The soil layer of 0-30 cm was significantly increased in the wheat returning green, booting, filling period of 30 to 60 cm soil layer in winter wheat booting and blooming. The soil layer of 60-90 cm in grain filling stage was green, flowering and filling stage of winter wheat.【Conclusion】Water-based resin coated urea, its sustained-release performance met national standard of slow-release fertilizer; which nitrogen release characteristics was similar in water and wheat fields but longer in wheat fields; the nitrogen release in wheat field was basically the same as that of winter wheat, however, the time was ahead of a growing period for the appearance of nitrogen release peak than that of nitrogen absorption peak.Compared with common urea, applying waterborne resin coated urea could improve the nitrogen supply ability of different soil layers at the key growth stage of winter wheat, and realize the spatial matching between nitrogen supply and root absorption of winter wheat.

water borne resin coating urea; nitrogen release characteristics; winter wheat; nitrogen uptake; soil inorganic nitrogen

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.004

2018-01-19；

2018-08-03

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303103）、山東省重點研發(fā)計劃（2017CXGC0304、2016ZDJS08A02）、國家小麥產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-03）、國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0201700）

林海濤，Tel：0531-83178908；E-mail：54linhai@163.com。通信作者劉兆輝，E-mail：liuzhaohui6666@sina.com