控釋氮肥減量配施對(duì)土壤氮素調(diào)控及夏玉米產(chǎn)量的影響

劉楚桐，陳松嶺，金鑫鑫，徐志強(qiáng)，葉旭紅，鄒洪濤*，張玉龍

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110161；2.遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

氮素是玉米生長(zhǎng)必需的元素，與玉米產(chǎn)量息息相關(guān)。Worku等［1］認(rèn)為，玉米耐肥性強(qiáng)，較其他農(nóng)作物相比對(duì)氮肥更加敏感，同時(shí)施氮增產(chǎn)效果顯著。近些年，我國(guó)由于過(guò)度的追求玉米產(chǎn)量，氮肥的施用量也逐漸增多。施入土壤中的氮素除了被作物吸收利用外，一部分以無(wú)機(jī)氮或有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在于土壤中，供后季植物吸收利用［2-4］。而另一部分以硝化、反硝化及淋溶等途徑進(jìn)入到環(huán)境中，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)［5］，同時(shí)還引發(fā)了一系列如土壤酸化板結(jié)、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題［6-10］。因此采用合理的氮肥施用方式在提高作物產(chǎn)量，提升氮肥利用率，保護(hù)和改善環(huán)境及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要的意義。

大量研究表明控釋尿素具有優(yōu)異的緩釋性能，已經(jīng)成為我國(guó)肥料的發(fā)展方向［11］。其不僅能夠減緩養(yǎng)分的釋放速度，使其養(yǎng)分釋放盡可能地符合作物對(duì)養(yǎng)分的需求規(guī)律，是提升氮素利用率的有效途徑之一［12-14］。任利沙等［15］認(rèn)為，施用控釋尿素能夠顯著提高玉米的穗粒數(shù)、百粒重及產(chǎn)量。劉敏等［16］研究表明，控釋尿素可有效降低夏玉米生育期氮素?fù)p失，提高氮肥利用率，維持氮素平衡。隋常玲等［17］為研究夏玉米氮肥的去向和利用率，選用15N同位素標(biāo)記的控釋氮肥與普通氮肥進(jìn)行試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，控釋氮肥處理比普通氮肥處理氮肥利用率提高7.7%，同時(shí)氮肥損失率下降了26.0%。但是控釋尿素也存在一定的缺陷，例如李偉等［18］研究指出控釋尿素價(jià)格高昂，較普通尿素高出1.5～1.6倍，并且控釋尿素前期養(yǎng)分釋放緩慢，易使作物出現(xiàn)前期缺氮后期貪青的問(wèn)題。因此，控釋與普通氮肥配施有助于彌補(bǔ)上述缺陷，既能滿(mǎn)足作物前期對(duì)養(yǎng)分的需求，又能降低經(jīng)濟(jì)成本［19］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)控釋氮肥的研究注入了較多的精力，并取得了顯著成效，但是在小麥玉米輪作體系中探究控釋摻混肥減量配施等對(duì)土壤氮肥調(diào)控及作物產(chǎn)量的影響研究還不多見(jiàn)。通過(guò)探究不同施肥處理對(duì)夏玉米生長(zhǎng)不同時(shí)期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量、硝酸還原酶和脲酶活性、微生物量氮含量、成熟期土壤全氮含量、植株和籽粒中全氮含量及玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響，為降低農(nóng)田氮肥用量，提高氮肥利用率，增加玉米產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及輕簡(jiǎn)化施肥模式提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為河南省南陽(yáng)市方城縣，年均氣溫14.4℃，年均日照2092 h，年均降水量為803.9 mm，無(wú)霜期220 d，土壤類(lèi)型為黃褐土。

試驗(yàn)始于2018年5月，試驗(yàn)共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次，小區(qū)面積3 m2。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1。供試玉米品種為大豐30，于5月30日播種，9月20日收獲，種植密度為60000株/hm2。田間管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理相同。所用尿素為普通大顆粒尿素（N 46.4%），所用控釋尿素為自制（N 43.6%，控釋期為42 d，包膜厚度為7%，所用包膜材料為聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、納米二氧化硅及1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷）。其中，100%普通尿素處理施氮總量為N 270 kg/hm2，分別于夏玉米五葉期和拔節(jié)期施用，其他施氮處理氮肥均于夏玉米五葉期施用，各處理具體施氮時(shí)期及比例如表1所示。各處理磷、鉀肥以P2O5、K2O計(jì)，施用量為120 kg/hm2，均做基肥施用，其中磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及施肥時(shí)期

1.2 樣品采集

1.2.1 土壤樣品

分別于試驗(yàn)前采集土壤樣品，測(cè)定其基礎(chǔ)理化性質(zhì)，于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期采集土壤樣品（0～20 cm），土壤樣品采集采用五點(diǎn)取樣法，取回置于實(shí)驗(yàn)室。用于土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量氮、硝酸還原酶及脲酶測(cè)定的樣品保存于4℃冰箱中，用于全氮測(cè)定的土壤樣品風(fēng)干后過(guò)篩，密封保存。

1.2.2 植物樣品

在玉米成熟期破壞性取樣，隨機(jī)選取3株小區(qū)內(nèi)植株，整株取回。

1.3 樣品測(cè)定

1.3.1 土壤樣品測(cè)定

將新鮮土壤樣品過(guò)0.25 mm篩后用0.01 mol/L CaCl2振蕩浸提，用AA3自動(dòng)分析儀（Bran-Luebbe；Germany）測(cè)定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定土壤中微生物量氮含量［20-21］。

采用凱式定氮法測(cè)定土壤全氮含量。

采用常規(guī)方法測(cè)定土壤硝酸還原酶活性以及脲酶活性。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素測(cè)定

玉米成熟后，每個(gè)小區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)，調(diào)查穗粒數(shù)和百粒重及產(chǎn)量等。

1.3.3 植物樣品的測(cè)定

分為秸稈和籽粒，殺青（105℃，30 min）烘干至恒重后全部粉碎，采用凱氏定氮法測(cè)定植物全氮。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0和Excel 2013進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 9.0進(jìn)行做圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋氮肥后移對(duì)不同時(shí)期土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖1可知，在拔節(jié)期、大喇叭口期和成熟期3個(gè)不同生長(zhǎng)時(shí)期下控釋氮肥對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響各不相同。在玉米的不同生長(zhǎng)時(shí)期下，不施氮肥處理的土壤銨態(tài)氮含量顯著低于各施氮處理。在拔節(jié)期，處理U的土壤銨態(tài)氮含量最高，與CRU、100%SCR處理間無(wú)顯著差異，其含量范圍為6.746～7.684 mg/kg，但顯著高于其余處理；在大喇叭口期，100%SCR處理的土壤銨態(tài)氮含量最高，與U及CRU處理間無(wú)顯著差異，但與CK處理相比，高出了93.9%；而在玉米成熟期，CRU處理的土壤銨態(tài)氮含量最高，與80%CRU處理間無(wú)明顯差異，但顯著高于其他處理，與CK相比銨態(tài)氮含量增加了158%，與U處理相比，增加了39.7%。

圖1 不同生長(zhǎng)時(shí)期下銨態(tài)氮含量變化

2.2 控釋氮肥后移對(duì)不同時(shí)期土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖2 不同生長(zhǎng)時(shí)期下硝態(tài)氮含量變化

如圖2所示，不同施肥處理間土壤硝態(tài)氮含量變化十分顯著。在拔節(jié)期，處理100%SCR硝態(tài)氮含量最高，為20.34 mg/kg，顯著高于其他處理，與處理CK相比高出79.0%，與處理U相比高5.17%；在大喇叭口期，處理U的土壤硝態(tài)氮含量最高，為17.94 mg/kg，與CRU處理間差異不顯著，但顯著高于其他處理，與CK相比，高86.69%；在成熟期，CRU處理硝態(tài)氮含量最高，為15.84 mg/kg，與100%SCR處理間無(wú)顯著差異，但顯著高于其他各施氮處理，較處理CK高出了68.6%，較處理U高了26.94%。

2.3 控釋氮肥后移對(duì)不同時(shí)期土壤硝酸還原酶活性的影響

從圖3可知，玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤中的硝酸還原酶活性呈現(xiàn)出了相同的規(guī)律。在全部的生長(zhǎng)時(shí)期中，100%SCR處理的硝酸還原酶活性均最高，分別達(dá)到210、390、270μg/g，相較U處理分別高出42.86%、53.85%、55.56%。另外，3個(gè)時(shí)期中80%CRU和80%SCR處理硝酸還原酶活性均較低，但是依舊顯著高于CK處理。由此可見(jiàn)，施用氮肥對(duì)于提高土壤中硝酸還原酶的活性有顯著的效果，其中100%SCR的效果最好，養(yǎng)分釋放周期最長(zhǎng)。

圖3 玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期下硝酸還原酶含量變化

2.4 控釋氮肥后移對(duì)不同時(shí)期土壤脲酶活性的影響

玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤中脲酶活性如圖4所示，所有施氮處理的脲酶活性均顯著高于CK處理。在拔節(jié)期，100%SCR處理的脲酶活性達(dá)到了拔節(jié)期的最高活性，與U處理相比高出20.83%。而在大喇叭口期，100%SCR處理土壤中脲酶活性達(dá)到了整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的最高峰，為96.20 μg/g，高出U處理48.02%，但是80%CRU和80%SCR的脲酶活性卻相對(duì)較弱，分別低于U處理18.76%和11.86%。成熟期80%CRU和80%SCR處理的脲酶活性比大喇叭口期有所增強(qiáng)，但是仍然與100%SCR處理具有顯著的差異。

圖4 玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期下脲酶活性含量變化

2.5 控釋氮肥后移對(duì)玉米成熟期土壤微生物量氮含量的影響

由圖5可知，不同施氮處理對(duì)于玉米成熟期土壤中微生物量氮含量影響差異較大。CRU處理的微生物量氮含量最高，顯著高于其他處理，與U處理相比，高出31.52%。這說(shuō)明控釋尿素養(yǎng)分釋放緩慢，能滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)后期對(duì)于養(yǎng)分的需求。100%SCR處理雖然僅含有60%控釋尿素，但是在成熟期，其微生物量氮含量與CRU處理差異并不顯著，這能夠說(shuō)明控釋氮肥減量配施不影響作物生長(zhǎng)后期肥料養(yǎng)分的釋放，反而能夠獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 玉米成熟期土壤微生物量氮含量變化

2.6 控釋氮肥后移對(duì)成熟期土壤全氮含量的影響

由圖6可知，在玉米收獲期，處理CRU的土壤全氮含量最高，為1.570 g/kg，不施氮肥處理仍為最低，為1.080 g/kg，相差0.498 g/kg。全 氮含量范圍為1.080～1.570 g/kg，其中CRU處理的土壤全氮含量較處理CK高出了46.23%，處理100%SCR較CK高出33.61%。這表明在玉米成熟期，施用含有控釋氮肥的處理土壤中養(yǎng)分含量較高且釋放緩慢，可有效為下季作物小麥的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，極大提高氮素利用效率。

圖6 玉米成熟期土壤全氮含量變化

2.7 控釋氮肥后移對(duì)玉米成熟期秸稈及籽粒中全氮的影響

由圖7可知在玉米成熟期秸稈和籽粒中氮含量的分配。就秸稈而言，處理80%CRU的含氮量最高，達(dá)到了80.84 kg/hm2，但是與處理80%SCR沒(méi)有顯著差異，較其他處理有顯著增高。處理CK的含氮量最少，較80%CRU處理降低了25.99%。就籽粒而言，同樣是處理80%CRU含氮量最高，達(dá)到151.23 kg/hm2；處理CK的含氮量最低，為116.18 kg/hm2。

圖7 玉米成熟期植株及籽粒中氮含量分配

2.8 控釋氮肥對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

如表2所示，各施氮肥處理的玉米穗粒數(shù)、籽粒重量及百粒重均顯著高于不施氮肥的處理。各處理產(chǎn)量順序?yàn)椋?00%SCR>CRU>U>80%SCR>80%CRU>CK，施用氮肥的各處理產(chǎn)量顯著高于不施氮肥的處理，增幅為7.6%～13.04%，其中100%SCR處理產(chǎn)量顯著高于其他處理，達(dá)到10483.5 kg/hm2，與常規(guī)施肥相比增產(chǎn)了4.04%。CRU增產(chǎn)了1.37%，而U與80%SCR無(wú)明顯差異。說(shuō)明控釋氮肥減量配施不影響作物產(chǎn)量，反而能夠起到增產(chǎn)的作用。

表2 不同肥料對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.9 成熟期土壤中各形態(tài)氮素及酶活性之間的相互關(guān)系

如表3所示，可以看出玉米成熟期土壤中全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量氮及脲酶活性、硝酸還原酶活性均呈正相關(guān)，微生物量氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)，與脲酶活性呈顯著正相關(guān)。硝態(tài)氮與脲酶活性及硝酸還原酶活性均呈負(fù)相關(guān)。脲酶活性與硝酸還原酶活性呈極顯著正相關(guān)。

表3 成熟期土壤中各形態(tài)氮素及酶活性的相關(guān)關(guān)系

3 討論

氮素是植物干物質(zhì)累積及進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分需求逐漸增加，但由于常規(guī)氮肥施用后養(yǎng)分釋放較快，能夠滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)前期對(duì)養(yǎng)分的需求，但不能滿(mǎn)足作物后期生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求，因此需要多次施用，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而控釋肥料養(yǎng)分釋放較慢，可基本滿(mǎn)足植物一生的需求，在生長(zhǎng)后期也能提供足夠的養(yǎng)分供給作物［22］，但是可能會(huì)出現(xiàn)前期養(yǎng)分供給不足的問(wèn)題，因此本試驗(yàn)采用控釋與普通氮肥配施，旨在結(jié)合控釋氮肥與普通氮肥的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足整個(gè)玉米生育期內(nèi)養(yǎng)分的需求量，同時(shí)留存在土壤中的養(yǎng)分能夠?yàn)橄乱患拘←湹纳L(zhǎng)前期提供養(yǎng)分，提高氮肥的利用率。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，與空白對(duì)照相比，施氮能夠顯著增加土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。在作物生長(zhǎng)前期，100%配方控釋肥的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高，與常規(guī)施肥處理差異并不顯著，而80%配方控釋肥和80%控釋尿素處理的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量卻略低，這表明施氮量不足會(huì)影響土壤中氮素的累積，另外，100%配方控釋肥中的普通尿素養(yǎng)分釋放較快，不會(huì)存在100%控釋尿素可能會(huì)引起的前期供氮不足的問(wèn)題，這與盧艷麗等［23］研究一致；在作物生長(zhǎng)中后期，100%控釋尿素處理的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量要顯著高于常規(guī)氮肥處理，而100%配方控釋肥的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量卻依舊保持較高水平，這說(shuō)明控釋尿素在作物生長(zhǎng)的中后期能夠釋放充足的養(yǎng)分來(lái)保證作物的正常生長(zhǎng)。因此，可以看出控釋氮肥減量并與普通尿素配施能夠?qū)崿F(xiàn)玉米生育期內(nèi)養(yǎng)分不間斷釋放，保證作物生長(zhǎng)前期的正常生長(zhǎng)。

土壤酶活性也是反映土壤肥力的一個(gè)重要的指標(biāo)，對(duì)土壤受到的干擾比較敏感［24］，同時(shí)，梁國(guó)鵬等［25］認(rèn)為不同氮量控釋肥的添加顯著影響了土壤酶活性。土壤中的硝酸還原酶和脲酶的活性均能體現(xiàn)氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化。在本研究中，100%配方控釋肥處理的硝酸還原酶和脲酶活性在玉米各個(gè)生育期均顯著高于其他處理，大致呈現(xiàn)“低-高-低”的趨勢(shì)，與馮愛(ài)青等［26］研究一致。這說(shuō)明100%配方控釋肥在玉米整個(gè)生育期內(nèi)均釋放了氮素于土壤中，并且促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)改善了土壤微生物的環(huán)境，從而提高了硝酸還原酶和脲酶活性。在玉米收獲期，土壤中硝酸還原酶和脲酶活性呈極顯著的相關(guān)性，說(shuō)明土壤酶對(duì)土壤的作用具有共同性，并且能夠在一定程度上反映土壤的肥力水平［27］。

土壤微生物量氮是土壤的活性因子，是作物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的庫(kù)，同時(shí)還是反映土壤肥力及養(yǎng)分利用率的一個(gè)重要的指標(biāo)［28］。在玉米收獲期，100%控釋尿素處理的微生物量氮含量顯著高于常規(guī)施肥處理，但是與100%配方控釋肥處理差異并不顯著，這說(shuō)明控釋尿素通過(guò)促進(jìn)氮素的高效利用，促進(jìn)了作物根系對(duì)于養(yǎng)分的吸收，增加了作物根系生物量及分泌物，從而提高了土壤中微生物量氮的含量和酶活性，同時(shí)其能釋放大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為下一季作物前期的生長(zhǎng)提供了充足的養(yǎng)分，而80%配方控釋肥和80%控釋尿素處理微生物量氮含量低于100%全量施用的處理，這依舊說(shuō)明施用氮素不足會(huì)影響土壤中微生物活性，降低土壤肥力。不僅如此，由于微生物量氮與銨態(tài)氮及硝態(tài)氮均呈負(fù)相關(guān)，可以說(shuō)明微生物量氮與銨態(tài)氮及硝態(tài)氮此消彼長(zhǎng)的情況，這表明當(dāng)土壤中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量較高時(shí)，一部分氮素可轉(zhuǎn)化為土壤微生物量氮形態(tài)，進(jìn)而保存養(yǎng)分，提升土壤肥力；而當(dāng)土壤中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量較低時(shí)，土壤中微生物量氮又可轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮及硝態(tài)氮供給作物吸收利用，提高肥料利用效率。

土壤中全氮含量以及植株籽粒中全氮含量的分配，可以看出100%配方控釋肥、100%控釋尿素、80%控釋尿素和80%配方控釋肥均無(wú)顯著差異，這說(shuō)明在玉米收獲期，控釋尿素能夠釋放出養(yǎng)分供作物吸收，同時(shí)也能留存在土壤中提高土壤的養(yǎng)分含量。

從產(chǎn)量來(lái)看，80%施用量無(wú)論是配方控釋肥還是控釋尿素均減產(chǎn)，而100%配方控釋肥與100%控釋尿素卻起到了增加產(chǎn)量的效果。但是100%控釋尿素價(jià)格高昂，增加了農(nóng)業(yè)成本，全部使用經(jīng)濟(jì)效益不佳；另外田間生產(chǎn)具有一定的不確定性，全量施用控釋尿素還會(huì)受到水分和溫度的影響，不能達(dá)到理想效果。

4 結(jié)論

控釋摻混肥的施用能夠有效提高玉米各生長(zhǎng)期內(nèi)土壤養(yǎng)分含量及脲酶、硝酸還原酶的活性。在當(dāng)前施肥模式下，成熟期100%配方控釋肥較常規(guī)施肥相比土壤全氮增加了24.60%，微生物量氮增加了73.57%。硝酸還原酶活性在作物的拔節(jié)期、大喇叭口期及成熟期分別增加了75%、116.67%和125.00%。同時(shí)，施用100%配方控釋肥處理玉米產(chǎn)量為10483.5 kg/hm2，較常規(guī)施肥相比增產(chǎn)了4.04%，相對(duì)于100%控釋尿素增產(chǎn)了2.63%；在施肥量減少20%情況下，產(chǎn)量降低不顯著。

綜上，控釋摻混肥的施用能夠減少施肥次數(shù)，降低農(nóng)業(yè)成本，同時(shí)還能夠增加產(chǎn)量，提高土壤肥力水平，為下一季小麥的生長(zhǎng)提供了養(yǎng)分，在小麥-玉米輪作體系中起到了重要的作用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。