蘇南麥田基施包膜尿素的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)評價

孫婷，王孟蘭，王柏淳，李運東，王慎強*

（1.南京市江寧區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，南京 211100；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

小麥作為我國的主要糧食作物，其種植面積最大，截至2019年我國小麥?zhǔn)斋@面積約2.4億hm2，年產(chǎn)量1.3億t。小麥?zhǔn)呛牡^多的作物之一，為了追求高產(chǎn)導(dǎo)致每年農(nóng)田施氮量遠高于世界平均水平，而氮肥利用率卻僅約為世界平均水平的一半[1-2]。氮損失增加，作物氮需求與產(chǎn)量的平衡模式已經(jīng)被改變，導(dǎo)致NH3揮發(fā)、N2O排放、淋失和徑流等形式的活性氮損失也隨之增加[3]。隨后，人們采用氮肥分施制度，匹配作物在生長的不同時期對氮需求的峰值，從而有效提高了作物產(chǎn)量和氮肥利用率，避免氮素的浪費[4]。然而，目前我國農(nóng)村勞動力向城市傾斜，且農(nóng)村勞動力的缺失已經(jīng)很難滿足如深施和多次追肥的生產(chǎn)模式[5]。因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展需要更合理的氮素管理模式來替代現(xiàn)有的經(jīng)營模式，從而達到增產(chǎn)減排的目的。

肥料是人們用以調(diào)節(jié)植物營養(yǎng)的重要生產(chǎn)資料，隨著化肥工業(yè)的發(fā)展，人們合成了如尿素、硫酸銨和硝酸銨等速效合成化學(xué)氮肥，其特性是極易溶于水，易被作物快速吸收，可為作物提供必要的營養(yǎng)氮，但正是由于易溶于水的特性，使相當(dāng)一部分氮素損失在大氣中和水中，而無法被植物吸收[6-7]。為解決速效化學(xué)氮肥的缺點，人們開發(fā)出一類具有前景的氮肥品種——控釋氮肥，通過擴散、溶解或者減慢氮素的釋放，減少氮素流失并提高氮素的利用效率，且在實現(xiàn)農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟目標(biāo)的同時減少田間產(chǎn)生的活性氮對環(huán)境的危害[8]。一次性基施控釋氮肥可以實現(xiàn)其氮釋放與作物氮需求的同步，作為替代常規(guī)速效氮肥的分施的措施，節(jié)約勞動力成本，提高谷物產(chǎn)量，其農(nóng)業(yè)的應(yīng)用一直受到科學(xué)家、決策者和農(nóng)業(yè)部門的關(guān)注[9]。

目前，控釋氮肥采用最廣泛的技術(shù)是有機聚合物膜材料包裹尿素顆粒，并形成物理屏障來控制釋放。其中樹脂包膜尿素是具代表性的脂溶性聚合物包膜氮肥，其具有膜材強度高、可有效控釋養(yǎng)分釋放速率和釋放時間等優(yōu)點，且生產(chǎn)制備技術(shù)成熟，近年來應(yīng)用最為廣泛，但由于其成本較高，農(nóng)民替換現(xiàn)有施肥方式意愿偏低，農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用不足[7]。為此胡風(fēng)仙[10]提出樹脂包膜尿素與尿素配比混合基施可以降低成本并提高夏玉米產(chǎn)投收益。然而，土壤背景值區(qū)域的差異，水旱農(nóng)田的差異，年際間氣候的差異也會對肥料的施用效果造成影響[11]。在稻田系統(tǒng)，包膜尿素可以很好地利用膜內(nèi)外環(huán)境濃度差實現(xiàn)氮素的有序排放，降低氣態(tài)氮的排放強度，提高水稻產(chǎn)量[12-13]。而在旱作系統(tǒng)中，土壤含水量低，包膜尿素難以實現(xiàn)釋放。北方冬小麥可以通過灌溉為包膜肥料釋放提供良好的土壤環(huán)境條件。鄭沛等[14]驗證了樹脂包膜尿素對華北冬小麥土壤氮素和產(chǎn)量的增效。而在南方小麥孕穗至結(jié)實期，存在氣溫上升較快、空氣濕度大、日照少的特點，小麥所需水分通常通過降雨獲得[15]。同時小麥的生育周期較長，需要持續(xù)氮供應(yīng)以滿足分蘗期和孕穗期氮吸收的峰值[16-17]。樹脂包膜尿素的理論靜水釋放時間超過100 d，有較好的釋放特征，但需要進一步驗證樹脂包膜尿素在南方冬小麥的施用情況，為目前面臨的氮素施用過量和農(nóng)村勞動力缺失問題提供解決途徑。

為此，本研究建立了3 a冬小麥季田間試驗，以樹脂包膜尿素一次基施模式與農(nóng)戶傳統(tǒng)尿素分施模式相比較，研究冬小麥的產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用率、農(nóng)學(xué)利用率、表觀氮肥利用率和生理利用率在兩種氮肥不同施氮量下的效果，研究了小麥生長季NH3揮發(fā)與N2O 排放的變化規(guī)律，并從產(chǎn)投收益和氣態(tài)活性氮減排角度綜合分析了經(jīng)濟效益和環(huán)境減排潛力，為日后樹脂包膜尿素對蘇南冬小麥輕簡化施用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

田間試驗在南京市江寧區(qū)阜莊街道太和水稻專業(yè)種植合作社進行。該地年均氣溫15.7 ℃，年平均降水量1 177 mm，小麥生長季節(jié)的氣溫和降雨量詳見圖1。試驗觀測周期為連續(xù)3 a（2018—2020 年）的小麥生長季。供試土壤pH 5.62，全氮1.01 g·kg-1、全磷0.41 g·kg-1，全鉀 12.63 g·kg-1，土壤有機碳 9.49 g·kg-1。供試小麥為揚麥13 號。試驗肥料為樹脂聚合物包膜尿素（PU，金正大生態(tài)工程集團股份有限公司）和未包膜常規(guī)尿素（U，靈谷化工有限公司）。PU的氮含量為42.40%，U 的氮含量為46.40%，粒徑為1.0～2.0 mm。PU 為聚氨酯類材料，包膜過程需要經(jīng)過6～8 輪的熱塑性聚氨酯混合和配制，涂層強度高、不易降解，包膜內(nèi)的尿素依靠內(nèi)外濃度差不斷浸出，理論上在25 ℃的靜水中最大釋放周期可超過100 d[7]。

1.2 試驗設(shè)計

麥季田間試驗設(shè)計5 種施肥模式：不施氮肥處理（CK）；在160 kg N·hm-2施氮量下，肥料處理為農(nóng)戶傳統(tǒng)分施尿素（U160）和一次基施樹脂包膜尿素（PU160）；在240 kg N·hm-2施氮量下，肥料處理為農(nóng)戶傳統(tǒng)分施尿素（U240）和一次基施樹脂包膜尿素（PU240），每組3 個重復(fù)。農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥方式為按照4∶3∶3的比例施基肥、蘗肥和穗肥。試驗田15個處理單元隨機排列，小區(qū)面積5 m×6 m。磷肥（120 kg P2O5·hm-2）和鉀肥（120 kg K2O·hm-2）一次性基施，基肥撒施后翻地耙田，追肥直接撒施。小麥每年11 月中后旬播種，5 月上中旬收獲。田間管理措施與當(dāng)?shù)靥镩g管理措施大致相同，生育期除草除害蟲。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 收獲和測產(chǎn)

每個小區(qū)單元選擇0.5 m2正方形面積，隨機采集3 株植物樣品。將植株分為谷粒和秸稈，脫粒后測定谷粒產(chǎn)量。在105 ℃下殺青0.5 h，之后調(diào)節(jié)到70 ℃干燥至恒質(zhì)量，計算干質(zhì)量和含水量，用破碎機破碎籽粒，密封袋裝袋以便測定。用C/N 分析儀（PRIMACS SNC90-IC-E，Skalar 中國有限公司）測定秸稈和籽粒的氮含量。

式中：Yi表示施氮處理作物產(chǎn)量，kg·hm-2；Y0表示不施氮處理作物產(chǎn)量，kg·hm-2；Ni表示施氮處理作物地上部分吸氮量，kg N·hm-2；N0表示不施氮處理作物地上部分吸氮量，kg N·hm-2。

1.3.2 NH3排放和N2O排放測定

NH3排放通量采用間歇式密閉通氣法[18]。PVC圓柱體罩子（半徑20 cm×高15 cm）插入土壤深5 cm 處收集氣體，頂部有兩個通氣孔，一個內(nèi)徑8 mm氣孔連接盛有60 mL 0.05 mol·L-1H2SO4溶液的洗氣瓶，另一個內(nèi)徑25 mm 氣孔連接一根固定在土壤中的PVC 管（高2.0 m），用于保持平衡裝置內(nèi)的氣壓恒定。真空泵將罩子內(nèi)的NH3抽吸至酸溶液中，被酸溶液吸收，抽氣泵的換氣頻率為15～20 t·min-1。施肥后，在每日8：00—10：00 和 14：00—16：00 采集 NH3，持續(xù)觀測一周以上。此后，每10 d 監(jiān)測一次NH3揮發(fā)，直到檢測不到NH3揮發(fā)為止[19]。定量濾紙過濾后，用AA3 連續(xù)流分析儀測定硫酸吸收液中NH+4-N的含量。

田間試驗中NH3排放計算如下：

式中：FAV為田間試驗NH3揮發(fā)通量，kg N·hm-2·d-1；C為吸收液濃度，mol·L-1；V為 H2SO4的體積，L；104為面積換算系數(shù)；r為罩子氣室半徑，m；6 為 24 h 與 4 h日NH3揮發(fā)收集時間的比值；t為采樣天數(shù)，d。

N2O排放采用閉室法[20]。采用靜態(tài)密閉箱法采集氣體，采樣箱由5 mm 厚的PVC 板制成，箱體（50 cm×50 cm×100 cm）為暗箱，以防止采樣過程中光照對箱內(nèi)作物光合作用及溫度的影響。箱體頂部留有溫度計插孔以便記錄采樣時的箱內(nèi)溫度。采樣時箱體密封固定在土壤中。在0、15、30、45 min時，用注射器通過暗箱的橡膠小孔抽取腔室的混合氣體20 mL，并將混合氣體注射進入預(yù)先抽真空的真空瓶中，抽取3 個重復(fù)的大氣混合氣體作為空白樣，同時記錄腔內(nèi)的溫度變化。采用Agilent 7890A 氣相色譜儀測定4 個時間段的N2O 氣體濃度?？紤]到腔室的溫度，對采集的4個時間段的N2O濃度隨時間的變化進行線性回歸分析[21]。施肥后，8：00—12：00 采集排放的N2O 氣體，采樣時間持續(xù)一周。此后，每10 d 采集一次N2O，直到無N2O 排放為止。特殊事件時，如降雨等，在1周1次的采樣頻率上增加1次樣品采集。

田間試驗中N2O排放計算如下：

式中：FN2O為田間試驗 N2O 排放通量，g·hm-2·d-1；H為箱體有效高度，m；M為N2O 的摩爾體積，g·mol-1；P為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，?.103×105Pa；R為氣體常數(shù)，8.314 Pa·m3·mol-1·K-1；T為采樣時箱內(nèi)的平均溫度為氣體排放速率，nL·L-1·h-1。

NH3和N2O 排放氣體累積量為觀測期間各間隔采樣時間點的氣體排放量累加，間隔采樣時間點氣體排放量為間隔時間乘以采樣點的平均排放通量。

1.3.3 經(jīng)濟效益

農(nóng)戶收益為小麥產(chǎn)量收益減去生產(chǎn)資料成本，小麥?zhǔn)袌鰞r格為2 400 元·t-1，生產(chǎn)資料成本包括：肥料成本（尿素2 200 元·t-1、樹脂聚合物包膜尿素3 200元·t-1、磷肥600 元·t-1、鉀肥3 600 元·t-1）[22]，人力成本600 元·hm-2[23]和其他生產(chǎn)資料成本（殺蟲劑2 400 元·hm-2[24]、小麥種子1 680 元·hm-2[25]）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 統(tǒng)計軟件（IBM，USA）對數(shù)據(jù)進行分析，對各處理的產(chǎn)量、偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)利用率、氮肥利用率、生理利用率、NH3和N2O 排放累積量以及農(nóng)戶收益利用最小顯著差異法（LSD）進行方差分析（ANOVA），P＜0.05 表示處理間差異顯著。使用Microsoft Excel制圖和整理數(shù)據(jù)，計算平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效益的影響

圖2 結(jié)果顯示，與CK 處理相比，各施氮處理均顯著提高了小麥籽粒產(chǎn)量。在同一施氮水平下，PU 處理的產(chǎn)量高于U 處理；PU 處理的年均小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于U 處理（P＜0.05）。在增加施氮量的情況下，U240 相比于 U160 平均增產(chǎn)近 14%，而 PU240 相比于PU160 平均增產(chǎn)近19%，PU 處理的增幅高于U 處理，且PU160 可以達到近似U240 的效果。表1 所示，從3 a 結(jié)果平均值看，偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率低施氮量處理高于高施氮量處理，在第3 a 相比于U 處理，PU 處理分別提高了 13.66%～17.70% 和 24.16%～28.69%。PU 處理年均氮肥利用率較U 處理顯著提高35.69%～65.20%（P＜0.05），氮肥利用率最高約50%；PU 處理的年均作物氮累積量顯著高于U 處理，U240 和PU160的年均累積氮量為同一水平；生理利用率方面，U160氮素吸收利用供小麥生長的效率（57.26 kg·kg-1）高于其他處理，其余3個處理間沒有顯著差異（P＞0.05）。

2.2 氣態(tài)活性氮的減排效果

NH3在小麥生長季的動態(tài)排放通量過程詳見圖3。從3 a 相似趨勢看，施氮肥后NH3排放量迅速上升，達到最高峰值后降低。在施基肥、蘗肥和穗肥后的1～2 d，U 處理分別出現(xiàn)3個峰值，且U240處理的峰值要高于U160 處理。PU 處理出現(xiàn)較高峰值的時間在施基肥后的3～5 d，甚至一周以后，PU240 處理的峰值高于PU160 處理，PU 處理NH3排放峰值出現(xiàn)時間和大小都要晚于或低于U 處理。由累積NH3排放量（圖4a）可知，在高施氮量的情況下PU240 相比于U240顯著降低約40%的NH3排放量，PU160的NH3累積損失量也低于U160。增加施氮量后，U 處理的NH3排放累積增幅要高于PU 處理，U240 較U160 增加了40.32%，而PU240較PU160僅增加了7.49%。

表1 樹脂包膜尿素一次基施和非包膜尿素分次施用氮肥利用效率的比較Table 1 Comparison of nitrogen fertilizer use efficiency of resin-coated urea with single application and non-coated urea with split applications

N2O 在小麥生長季的動態(tài)排放通量過程詳見圖5。U 處理在施肥后的1～2 d 達到 N2O 排放的峰值，隨后降低，最高可達137.71 μg N·hm-2·d-1，高施氮量的峰值高于低施氮量。PU160 和PU240 的N2O 排放量在基施后達到峰值，隨后受氣候變化和干濕交替影響，其排放量在 1.62～28.20 μg N hm-2·d-1和 1.97～49.58 μg N·hm-2·d-1之間波動。相比于 U 處理，PU處理的排放通量峰值較低。由累積N2O 排放量（圖4b）可知，一次性施用樹脂包膜后明顯降低了37.65%～43.36%的N2O 的排放。施氮量提高后，相比于 U160 和 PU160，U240 和 PU240 的累積 N2O 排放量雖都增加，但U240（0.28 kg N·hm-2）增幅高于PU240（0.11 kg N·hm-2）。

2.3 不同施肥模式對經(jīng)濟效益的影響

從圖6 可以看出，不同施肥模式的農(nóng)戶收益大小排序依次是PU240＞PU160＞U240＞U160＞CK，PU 處理后，農(nóng)戶麥季年均最高可得到8.59×103元·hm-2的收益。在相同的施氮量下，PU 處理的經(jīng)濟收益要顯著高于U 處理，顯著提高了40.52%～41.75%（P＜0.05）。值得注意的是，PU160 超過了U240 的增收效果，同時增施氮肥后，PU240 的增收效果約是U240 的1.5 倍。樹脂包膜肥料的市場價格高于常規(guī)未包膜的尿素，但傳統(tǒng)施肥方式產(chǎn)生的人力成本反而提升了總的生產(chǎn)資料成本。

3 討論

為了使作物在最大吸氮周期，即分蘗期和穗期，能有效地利用氮肥、提高產(chǎn)量，避免一次基施尿素造成的氮素流失，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶采用傳統(tǒng)的分施方式：1 次基施，分蘗期和穗期追肥2次[26-27]。研究結(jié)果表明，農(nóng)民傳統(tǒng)分施尿素處理，低施氮量下，U160的年均產(chǎn)量可達4 383 kg·hm-2，氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)利用率、氮肥利用率、生理利用率分別可達27.39 kg·kg-1、15.71%、28.39 kg·kg-1、57.26 kg·kg-1，年均經(jīng)濟收益為 4.96×103元·hm-2，其在小麥生長季的累積NH3和N2O 排放量為7.54 kg N·hm-2和0.85 kg N·hm-2。同水平施氮量下，華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量結(jié)果要優(yōu)于U160，說明增加氮投入產(chǎn)量仍有增幅的空間[3，17]。一些研究表明，選擇較高的施氮量（200～250 kg N·hm-2）可以獲得更高的作物產(chǎn)量和經(jīng)濟收益，具有一定的正效應(yīng)[26，28]。在農(nóng)戶習(xí)慣施氮量下，U240 的年均產(chǎn)量相比于U160可提高14.07%，農(nóng)戶收益提升22.18%，3 年農(nóng)學(xué)利用率和氮肥利用率的均值無顯著差異（P＞0.05），然而會造成每年較高的NH3和N2O 累積排放（10.58 kg N·hm-2和1.13 kg N·hm-2）。隨著我國農(nóng)村勞動力的逐步銳減，農(nóng)民多次追肥難以實現(xiàn)高產(chǎn)和高收益，且難以滿足可持續(xù)的綠色高效農(nóng)業(yè)的愿景，既不經(jīng)濟也不環(huán)保[8]。

一次性基施控釋氮肥在滿足作物持續(xù)氮素需求的同時省工省時，使氮素釋放模式與作物氮需求的模式相匹配，提高氮利用并減少活性氮的損失[29]。從本研究結(jié)果看，在相同的施氮量下，相比于U 處理，PU處理實現(xiàn)了約15%的增產(chǎn)；每千克樹脂包膜尿素施入后可以顯著提高地上部分籽粒產(chǎn)量以及單位面積的地上累積氮吸收，同時表觀氮肥利用率顯著提高，而作物吸收每千克氮轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量的能力沒有變化，這表明PU對小麥增產(chǎn)效果較好是由于促進地上氮吸收量和提高表觀氮肥利用率所致。由于良好的控釋性能，可以促進小麥對養(yǎng)分的有效吸收，這與馬泉等[30]和胡風(fēng)仙[10]施用一次性樹脂包膜的結(jié)果相一致。樹脂包膜材料的物理阻隔作用，使得氮素的釋放既可以覆蓋整個作物生長周期又可以有效阻控過量的氮素通過活性氮的途徑損失[15，31]。PU 處理累積NH3排放量和N2O 排放量明顯降低了18.57%～37.62% 和37.65%～43.36%，但由于氣溫變化、降雨以及干濕交替等因素，在穗肥后期氣態(tài)氮動態(tài)排放通量存在一定程度的起伏[12]。在氣態(tài)活性氮排放的觀測中（圖3 和圖5）可以看出，PU 處理施肥后的峰值大小減弱并延緩其出現(xiàn)時間，施用樹脂包膜肥料有效控制了一次基施后不必要的氮素流失，PU 作物NH3排放強度，即單位面積每千克產(chǎn)量的氣態(tài)氮排放累積量，僅約為U的一半，且PU降低了約40%的N2O排放量，說明一次性施用樹脂包膜尿素具有一定減排潛力。

另外，本研究結(jié)果表明，U240 和PU160 的年均產(chǎn)量以及年均經(jīng)濟收益近似為相同水平，而PU160累積氣態(tài)活性氮排放顯著低于U240，低施氮量樹脂包膜尿素處理可以達到高施氮量分施尿素處理的增產(chǎn)效果，一次性基施節(jié)省的勞動成本抵消了兩種氮肥的市場價格差，且有顯著的減排效果。在確定了包膜肥料的增效前提下，需要推薦優(yōu)化施氮量。蔣麗萍等[8]研究表明，在推薦施氮量樹脂包膜肥料可以達到對小麥高效節(jié)肥的目的，較高占比的樹脂包膜肥料的配比施用對作物生長也有正向的作用[10，30]。提高施氮量后，小麥的產(chǎn)量和收益提升，U240 的收益相當(dāng)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶可獲利約6 000 元·hm-2，而PU240 的收益增幅約是U240 的 1.5 倍，使農(nóng)戶可獲利約 9 000 元·hm-2，并且相比于PU160 累積氣態(tài)氮的損失并不顯著。由此表明施用樹脂包膜尿素可以增產(chǎn)并提升農(nóng)戶產(chǎn)投收益，控制不必要的氮素流失。

此外，一次性基施較高施氮量的樹脂包膜肥料增產(chǎn)增收漲幅可觀，NH3和N2O 排放增加也不顯著，氮用量的考量仍有優(yōu)化的空間，今后需要探究作物生長過程中養(yǎng)分需求與該包膜肥料養(yǎng)分釋放控釋機理的關(guān)系，結(jié)合如深施和側(cè)施的配套技術(shù)方案，進一步優(yōu)化控釋氮肥用量，開展長期定位試驗，綜合評價農(nóng)田氮平衡和環(huán)境經(jīng)濟效益，為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)輕簡化生產(chǎn)實踐提供必要的參考和技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

（1）在本試驗區(qū)域范圍內(nèi)，一次性基施樹脂包膜肥料可以在節(jié)約人力勞動的基礎(chǔ)上抵消肥料成本，同時滿足蘇南小麥生育期對氮素的有效需求，提高氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)利用率、氮肥利用率、地上作物累積氮吸收，高產(chǎn)低污染，增加地方農(nóng)民的經(jīng)濟收入來源。

（2）在減肥增效趨勢下，低施氮量的樹脂包膜肥料可以達到目前習(xí)慣分施施用氮量尿素的產(chǎn)量水平，且顯著降低氣態(tài)活性氮的流失。