不同緩控釋氮肥對冬小麥產(chǎn)量及氮素利用率的影響

劉學彤，賈良良，楊云馬，楊軍芳*，楊振立

（1.河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所，河北 衡水 053000；2.河北省農林科學院農業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊050051；3 河北省農林科學院，河北 石家莊 050051）

目前我國是世界上化肥使用量最大的國家，農田養(yǎng)分投入過量已經(jīng)導致嚴重的資源效率下降[1]和生態(tài)環(huán)境問題[2]，如土壤酸化板結，地表富營養(yǎng)化，地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標，氧化亞氮排放量增加等問題日漸突出[3～5]。2015 年農業(yè)部提出了《到2020年化肥使用零增長行動方案》，明確提出減施化肥，力爭到2020 年將化肥、農藥利用率提高到40%以上，實現(xiàn)糧食和農業(yè)生產(chǎn)的化肥使用量零增長。當前農業(yè)綠色發(fā)展已經(jīng)成為國家和社會的迫切需求，在減施化肥背景下，河北省平原區(qū)作物產(chǎn)量水平的穩(wěn)定與提高不可能通過増施化肥來實現(xiàn)。緩控釋肥具有養(yǎng)分釋放緩慢、肥效期長的特點，可以根據(jù)作物不同時期的養(yǎng)分需求提供營養(yǎng)，改變普通速溶肥料養(yǎng)分供應集中的弊端，提高肥料利用率[6，7]，為化肥施用革新提出了新的思路和途徑。研究表明，花生、水稻、玉米、小麥和棉花等作物應用緩控釋肥后均有一定的增產(chǎn)增效作用[8～13]。

近年來，緩控釋肥在大田作物上得到了大面積推廣應用，許多學者對緩控釋肥料的養(yǎng)分釋放機理及包衣技術進行了研究并取得了顯著成效[14，15]。研究表明，可以通過改變膜材料的厚度和性能來控制緩控釋肥的養(yǎng)分釋放速度，做到與作物生長需要同步。目前對緩控釋肥的應用效果研究主要集中在肥料對玉米、花生、棉花等生育期較短作物的增產(chǎn)效應上，而在冬小麥上對不同釋放天數(shù)的緩控釋肥應用研究甚少。為此，選用幾種不同養(yǎng)分釋放時間的緩控釋氮肥，分析其釋放時期對冬小麥產(chǎn)量及氮素利用率的影響，明確適宜河北省低平原區(qū)冬小麥高產(chǎn)的緩控釋肥類型，以期為河北省低平原冬小麥產(chǎn)區(qū)減施氮肥以及一次性施用緩控釋肥提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2018 年10 月至2019 年6 月在衡水市冀州區(qū)沃源農場進行。試驗區(qū)地處河北省平原區(qū)（北緯 37.57°，東經(jīng) 115.57°），海拔高度 21.5～26.5 m，屬大陸性暖溫帶半干旱季風氣候，年平均氣溫12.7～13.3 ℃，年平均降水量500～600 mm，降水季節(jié)性分布不均。種植制度為小麥/玉米一年兩熟制。試驗地土壤屬中壤質潮土，試驗前0～20 cm 土層基礎養(yǎng)分含量為有機質15.3 g/kg、全氮1.05 g/kg、有效磷12.54 mg/kg、速效鉀117.5 mg/kg，土壤 pH 值 8.37。

1.2 試驗材料

試驗冬小麥品種為石農086。

試驗肥料有尿素（N 含量46%，河北金萬泰化肥有限責任公司生產(chǎn)）、重過磷酸鈣（P2O5含量43%，昆明東昇冶化有限責任公司生產(chǎn)）和氯化鉀（K2O 含量60%，美盛鉀肥埃斯特哈奇有限合伙企業(yè)生產(chǎn)），以及氮素控釋期分別為40、60、90 和120 d 的4 種緩控釋氮肥。其中，控釋期40 d 的緩控釋氮肥N 含量為43%，由山東省農業(yè)科學院提供；控釋期60 d 的緩控釋氮肥N 含量為44%，由領先生物科技有限公司生產(chǎn)；控釋期90 d 的緩控釋氮肥N 含量為44%，由金正大生物科技有限公司生產(chǎn)；控釋期120 d 的緩控釋氮肥N 含量為37%，由山東五洲豐公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗在等量磷（P2O5用量120 kg/hm2）、鉀（K2O 用量75 kg/hm2）的基礎上，選取4 種不同控釋期的緩控釋氮肥以及普通尿素作為氮源，共設7 個處理，各處理的施N 量不完全相同（表1）。其中，處理Ⅰ為對照（CK），不施氮肥；處理Ⅱ（農民習慣施肥）和Ⅲ（尿素優(yōu)化施肥）用普通尿素作為氮源，N 施用量分別為300 和240 kg/hm2；處理Ⅳ～Ⅶ分別是施用控釋期40、60、90 和120 d 的緩控釋氮肥處理，施N 量均為216 kg/hm2（處理Ⅲ施N 量的90%）。小區(qū)面積48 m2（8 m×6 m），每處理均3 次重復。磷肥和鉀肥全部做基肥，在播種前隨整地施入。氮肥施用方法因處理不同而異，其中，處理Ⅱ和處理Ⅲ的尿素施用方法是基肥和追肥各占50%，基肥隨整地施入，追肥在拔節(jié)期施用；緩控釋氮肥全部做基肥，在播種前隨整地施入。小麥其他管理措施同大田常規(guī)。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 土壤無機氮含量。分別在小麥返青期、拔節(jié)期、揚花期、灌漿期和成熟期，每小區(qū)均采用“S”型取樣法，用土鉆采集3 個點的0～20 cm 耕層土樣，充分混合后帶回實驗室。采用1 mol/L 的KCl 溶液浸提，利用AA3 流動分析儀測定土壤無機氮含量[16]。

表1 各處理的氮肥（N）施用量Table 1 The quantity of nitrogen fertilizer in each treatment （kg/hm2）

1.3.2.2 小麥產(chǎn)量性狀及全氮含量。小麥成熟期，每小區(qū)均隨機選取1 m 雙行，調查單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)。收獲時，每小區(qū)均隨機收獲1 m2的樣點2個，脫粒烘干后測定子粒產(chǎn)量，同時取部分子粒測定千粒重。另外，每小區(qū)均隨機選取1 個1 m 雙行的植株樣品帶回實驗室，將秸稈和子粒分別烘干，稱重后計算地上部生物量，粉碎后采用凱氏法測定全氮含量[17]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析 利用Excel 2007 軟件，計算作物吸氮量、氮肥利用率、氮肥農學效率以及氮肥偏生產(chǎn)力等：

作物吸氮量（kg/hm2） =植株含氮量×地上部生物量

氮肥利用率（%）=（施氮區(qū)小麥地上部吸氮量-對照區(qū)小麥地上部吸氮量）/施氮量×100

氮肥農學效率（kg/kg）=（施氮區(qū)小麥產(chǎn)量-對照區(qū)小麥產(chǎn)量）/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮處理產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮量 （kg/hm2）

利用SPSS 17.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同緩控釋氮肥處理對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

施氮處理的小麥產(chǎn)量均顯著＞CK，增產(chǎn)率為16.6%～29.7%（表2），表明施用氮肥能夠明顯提高小麥產(chǎn)量。處理Ⅲ的小麥產(chǎn)量略＞處理Ⅱ，差異不顯著，表明尿素優(yōu)化施肥處理達到了農民習慣施肥的產(chǎn)量水平。不同緩控釋氮肥處理的小麥產(chǎn)量差異顯著，其中，處理Ⅴ產(chǎn)量最高，達到了6 159.2 kg/hm2，略＞處理Ⅱ和Ⅲ，但顯著＞其他緩控釋氮肥處理；處理Ⅳ產(chǎn)量（5 800.1 kg/hm2）次之，較處理Ⅱ和Ⅲ略低，但差異均未達到顯著水平；其他2 個緩控釋氮肥處理的小麥產(chǎn)量均顯著＜處理Ⅱ和Ⅲ。表明施用控釋期60 d 的緩控釋氮肥對提高小麥產(chǎn)量效果最好，控釋期90 和120 d 的緩控釋氮肥不適于冬小麥一次性施肥生產(chǎn)。

進一步對施氮處理的小麥產(chǎn)量構成因素進行分析發(fā)現(xiàn)，施氮處理的小麥單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著＞CK，增幅分別在9.2%～16.9%和7.5%～15.7%；千粒重除處理Ⅳ顯著降低外，其他處理與CK 差異均不顯著。表明施氮處理冬小麥產(chǎn)量增加主要是通過單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)增加實現(xiàn)的。不同施肥處理的小麥產(chǎn)量構成因素差異較大。從單位面積穗數(shù)看，處理Ⅱ最多，與處理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ差異均不顯著，但顯著＞處理Ⅵ和Ⅶ。從穗粒數(shù)看，處理Ⅴ最多，顯著＞CK 和處理Ⅶ，略＞其他施肥處理。從千粒重看，CK 最大，除處理Ⅳ顯著＜CK 外，其他處理與CK 差異均不顯著。

2.2 不同緩控釋氮肥處理對冬小麥生育期耕層土壤硝態(tài)氮含量的影響

所有處理的土壤硝態(tài)氮含量均隨小麥生育期進程呈逐漸下降趨勢，且各施氮肥處理的指標值均＞CK（圖1）。返青期，處理Ⅳ的土壤硝態(tài)氮含量最高，其次為處理Ⅴ，二者均＞處理Ⅱ和Ⅲ；揚花期及其之后，土壤硝態(tài)氮含量始終以處理Ⅴ最高，尤其是小麥生長后期指標值遠高于其他施氮處理，這不僅有利于前期小麥群體結構的構建，也保證了后期小麥灌漿和千粒重的增加。處理Ⅵ雖然在小麥生長后期土壤硝態(tài)氮含量水平較高，但由于前期氮素釋放速率慢，土壤硝態(tài)氮含量水平較低，影響了其群體結構的構建，不利于小麥高產(chǎn)；處理Ⅶ在小麥各生育期土壤硝態(tài)氮含量均處于較低水平，導致了其小麥群體和穗粒數(shù)均較少。

表2 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 2 The effects of different fertilizer treatments on its and yield components of winter wheat

圖1 不同施肥處理對冬小麥生育期0～20 cm 耕層土壤硝態(tài)氮含量的影響Fig.1 The effects of different fertilizer treatments on soil nitrate nitrogen content in 0-20 cm soil depth at different growth stages of winter wheat

2.3 不同緩控釋氮肥處理對冬小麥氮肥利用率的影響

施氮處理的小麥地上部吸氮量均顯著＞CK（表3），增幅為35.8%～60.5%，表明施用氮肥能夠明顯提高小麥地上部的吸氮量。處理Ⅲ的小麥地上部吸氮量略＞處理Ⅱ，差異不顯著，表明尿素優(yōu)化施肥處理促進小麥地上部吸氮量增加的效果達到了農民習慣施肥水平。不同緩控釋氮肥處理的小麥地上部吸氮量差異顯著，其中，處理Ⅴ的地上部吸氮量（204.2 kg/hm2）最高，略＞處理Ⅱ和Ⅲ，但顯著＞其他緩控釋氮肥處理；而其他緩控釋氮肥處理的地上部吸氮量，除處理Ⅳ略＜處理Ⅱ和Ⅲ外，其他2 個處理均顯著＜處理Ⅱ和Ⅲ。表明施用控釋期60 d 的緩控釋氮肥對促進冬小麥地上部氮素吸收效果最好，控釋期90 和120 d 的緩控釋氮肥不適于冬小麥一次性施肥生產(chǎn)。

表3 不同施肥處理對冬小麥氮肥利用率的影響Table 3 The effects of different fertilizer treatments on nitrogen use efficiency of winter wheat

施氮肥處理的小麥氮肥農學效率為3.6～6.5 kg/kg，其中處理Ⅴ最高，其次是處理Ⅲ，二者差異不顯著，但均顯著＞其他處理；氮肥偏生產(chǎn)力為19.9～28.5 kg/kg，氮肥利用率為21.1%～35.6%，指標值均以處理Ⅴ最高，且顯著＞其他處理。表明施用控釋期60 d 的緩控釋氮肥時該地區(qū)冬小麥氮肥利用率最高。

3 結論與討論

氮素通常被認為是影響作物產(chǎn)量的重要因子[18]，研究表明，與等氮量的尿素相比，施用合適的控釋氮肥可以顯著提高作物產(chǎn)量[19，20]。本研究中，控釋期60 d的緩控釋氮肥處理和尿素優(yōu)化施肥處理的冬小麥產(chǎn)量均高于農民習慣施肥，原因可能是農民習慣的施氮量過高，前期小麥生長旺盛，群體過大，造成后期脫肥，表明該地區(qū)可以適當減施氮肥。在控釋肥處理中，控釋期90 d 和120 d 的處理由于氮素釋放緩慢，造成前期氮素供應不足，小麥分蘗較少，影響了小麥產(chǎn)量的提高；而控釋期40 d 的肥料處理雖然小麥生育前期氮肥供應充足，但后期易脫肥，也不利于小麥高產(chǎn)。綜合比較，控釋期60 d 的緩控釋氮肥在冬小麥整個生育期均保持了一定的氮素水平，可滿足作物不同生育期的養(yǎng)分需求，其通過增加單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)來提高小麥產(chǎn)量，且增加冬小麥氮素吸收量，提高氮素農學效率和農學偏生產(chǎn)力，使氮肥利用率達到35.6%，適宜該地區(qū)冬小麥一次性施肥生產(chǎn)。

生育期土壤硝態(tài)氮含量水平可以體現(xiàn)出不同控釋氮肥的養(yǎng)分釋放特性，而不同緩控釋肥料的養(yǎng)分釋放性能也與其包膜材料有關[20]。本研究中，控釋期40 d氮肥處理的土壤硝態(tài)氮含量在小麥生育前期較高，而到了生育期后期較低，正是由其養(yǎng)分釋放特性決定的?？蒯屍?0 d 氮肥處理的土壤硝態(tài)氮含量在小麥整個生育期均保持了較高水平，尤其是小麥生長后期土壤硝態(tài)氮含量遠高于其他施氮處理，可以為子粒灌漿提供充足的養(yǎng)分；且在小麥收獲后，耕層土壤硝態(tài)氮含量仍明顯高于農民習慣施肥和尿素優(yōu)化施肥處理，這可能是由于控釋期60 d 的氮肥減少了氨揮發(fā)損失，使更多的氮保留于土壤中，既提高了當季肥料利用率，又為下季作物提供了更多的土壤養(yǎng)分。孫克君等[21]研究了幾種控釋氮肥減少氨揮發(fā)的效果，發(fā)現(xiàn)與普通尿素相比，施用控釋氮肥均可不同程度地減少氨揮發(fā)損失，提高氮肥利用率。

緩控釋肥一次性基施與普通尿素分次施用相比，不僅可節(jié)省勞動力，降低成本，還可減少氨揮發(fā)，提高氮肥利用效率?？蒯尩室淮涡允┯眉夹g已經(jīng)在水稻上有了較好應用，徐明崗等[22]在早稻上成功應用了施用控釋氮肥、播種、拋秧的一次性配套技術，既減輕了勞動強度，又提高了水稻產(chǎn)量。控釋氮肥由于價格較高，在小麥和玉米生產(chǎn)上難以被大多數(shù)農戶接受，推廣應用比較困難。目前，有學者提出將控釋氮肥與普通尿素按適宜比例摻混后一次性施用[23，24]，調節(jié)速效氮與緩效氮的供應，滿足作物不同時期的氮素需求，可以降低成本，增加收益，減少環(huán)境污染風險。因此，河北省低平原區(qū)冬小麥不同緩控釋氮肥的氮素釋放期以及與普通尿素摻混施用的比例將是下一步研究的重點。