含鋅·含錳·控釋尿素在小麥上的氮素利用及土壤無機氮殘留研究

梅沛沛，謝孟河，郭 軍，徐麗娜，王 永，未志源 (.河南科技學院生命科技學院/河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南新鄉(xiāng) 4500；.山東登海宇玉種業(yè)有限公司，山東濟南 5000；.河南省駐馬店市泌陽縣馬谷田鎮(zhèn)農業(yè)農村服務中心，河南駐馬店 46700)

我國占有世界 9% 的土地卻消耗世界總施肥量的32%。一般的化學肥料養(yǎng)分釋放速率較快，且難以做到與作物養(yǎng)分吸收規(guī)律相匹配，銨態(tài)氮易揮發(fā)，以及氮肥的硝化與反硝化作用，和磷肥的固定等，這就造成了養(yǎng)分的大量流失。為了增加作物產(chǎn)量而施用大量速效氮肥帶來了氮素利用率下降、環(huán)境污染等問題。因此，在現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)中，能夠控制養(yǎng)分流失、提高化肥利用率的新型控釋肥料的研究與生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。

我國在新型肥料的開發(fā)、研發(fā)方面與發(fā)達國家相比，起步較晚。2015年農業(yè)部指出，實現(xiàn)農作物化肥零增長國家戰(zhàn)略，為新型肥料的發(fā)展注入了新的活力。雖然目前我國新型肥料的種類比較豐富，但鑒于新型肥料施用方法復雜，如何將高科技產(chǎn)品生動化、淺顯化地傳遞給用戶是需要急待解決的。目前市面上的多種緩效性肥料和專用復合肥料，其在不同生態(tài)區(qū)的肥效及增產(chǎn)作用潛力及對環(huán)境的影響等方面仍需配套技術支持。緩控肥料在不同環(huán)境、作物等因素表現(xiàn)各有差異，在施用緩控肥料后水稻、小麥、玉米、棉花產(chǎn)量均有顯著增加，增產(chǎn)幅度分別為13.6%、11.3%、12.6%和18.8%。目前，關于控釋肥料的研究多集中在小麥、油菜、棉花、西瓜等作物的生長和發(fā)育方面，而關于含鋅尿素和含錳尿素則針對于缺鋅和缺錳的蔬菜作物研究較多，對小麥等大田作物研究鮮有報道。且針對所施用的新型肥料肥效評價方面，多集中在對所生長作物的產(chǎn)量和作物長勢方面，研究其在土壤中的釋放、轉化和殘留的尚不多見。

因此，筆者在新鄉(xiāng)潮土區(qū)研究含鋅尿素、含錳尿素和控釋尿素在小麥上的增產(chǎn)效果、養(yǎng)分吸收特征及肥料利用效率等，同時深入闡述施用新型尿素后，小麥收獲期土壤剖面中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的殘留情況，以分析其對環(huán)境的影響，從而針對當?shù)匦←湆嶋H生產(chǎn)情況，為該地區(qū)適宜的施肥量推薦及配套施肥技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2016—2018年在河南省新鄉(xiāng)市河南科技學院東區(qū)喬榭試驗田進行，試驗點屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬寒夏熱，秋涼春早，歷年平均氣溫14 ℃。7月最熱，平均27.3 ℃；1月最冷，平均0.2 ℃；年平均降水量573.4 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h，土地肥沃、光熱充沛。試驗地為中壤質黃潮土，土層深厚，耕層土壤基礎肥力狀況見表1。2017—2018年降水量及溫度見圖1。

表1 小麥播前土壤基礎肥力特征Table 1 Background properties of soil before wheat brodcasting

圖1 2017—2018年月平均氣溫和月平均降雨量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation in 2017 and 2018

供試小麥品種為百農207(河南科技學院生命科技學院小麥育種中心提供)，供試肥料有普通尿素、含鋅尿素、含錳尿素和有效鋅、氯化錳(試驗所用尿素氮含量均46.4%，為河南心連心化肥有限公司提供。含鋅尿素，是在普通尿素中添加0.7% ZnSO·7HO;含錳尿素，是在普通尿素中添加0.004% MnCl·4HO)。

以小麥百農207為試驗材料，設不施氮(O)、普通尿素(U)、普通尿素+錳(U+M)、普通尿素+鋅(U+Z)、控釋尿素(UL)、含錳尿素(UM)和含鋅尿素(UZ)，共7個施肥處理。小區(qū)面積為30 m(4.0 m×7.5 m)，隨機區(qū)組排列，3次重復。試驗中N、P、K用量分別為180、105和90 kg/hm，P、K作底肥一次施入，氮肥分2次施入，其中底施50%，拔節(jié)期50%，加鋅、加錳處理均用與含鋅尿素和含錳尿素等量的有效鋅和硫酸錳(添加的有效鋅含量9 kg/hm，添加的有效錳含量12 kg/hm)。底肥一次性施入。磷源用過磷酸鈣，鉀源用氯化鉀。其他管理同普通大田。小麥于2016年10月17日播種，于2017年6月5日收獲；2017年10月21日播種，于2018年6月4日收獲。

植株樣品采集。準確記載作物播種、生長發(fā)育情況。共取樣7次，分別于泛青期(3月2日)、起身期(3月25日)、拔節(jié)期(4月11日)、孕穗期(4月22日)、抽穗期(5月5日)、灌漿期(5月21日)和收獲期(6月1日)取樣進行農藝性狀調查。將取得的植株樣品在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重，粉碎后待測養(yǎng)分(在灌漿期和收獲期將植株分成莖稈、葉片和穗粒3部分)。

計產(chǎn)與考種。每個處理取3個1 m樣方進行小麥測產(chǎn)，然后各處理隨機抽取10株考種。

植株養(yǎng)分含量。地上部植株樣品粉碎后，稱取樣品(出苗期和拔節(jié)期0.450 0 g左右，其余各時期0.400 0 g左右)，在石墨消煮爐上經(jīng)HSO-HO消煮后，消煮液用于測定氮素養(yǎng)分含量。植株全N養(yǎng)分用流動分析儀(TRAAS- 2000)測定。植株地上部吸氮量= 植株地上部生物量×植株地上部全氮含量。

土壤樣品采集與測定。播前采基礎土樣分析土壤理化性質。在小麥收獲時，取植物樣后，用土鉆法采集土壤樣品。均采0～100 cm土層。在各處理中取土樣，每20 cm為一層，隨機取2個點混合，鮮土取回后立即將樣品充分混合，過2 mm土壤篩，并去除可見根，稱取12 g土壤放置封口袋內于-20 ℃冰箱保存。同時另取一份土樣20 g用烘干法測定土壤含水量。室內分析時，將保存在-20 ℃冰箱中的土樣取出解凍，倒入白色塑料瓶中，加入100 mL 0.01 mol/L的無水氯化鈣溶液，在20 ℃、180 r/min的轉速下振蕩浸提1 h，過濾后，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用流動分析儀(TRAAS- 2000)測定。試驗田播前和收后的土壤樣品(0～20和20～40 cm)過0.5 mm篩后，放入125 mL三角瓶中，加入0.05 mol/L DTPA溶液25 mL， 振蕩1 h后過濾于三角瓶中，待測液用火焰原子吸收分光光度計測定土壤中的有效鋅養(yǎng)分含量。土壤有效錳含量則采用DTPA-TEA方法測定。

2 結果與分析

從表2可以看出，各處理小麥成熟期的產(chǎn)量，施用氮肥后各處理的產(chǎn)量均顯著高于不施氮的處理。其中以普通尿素+鋅處理的小麥籽粒產(chǎn)量最高，達7 430.4 kg/hm，其次是控釋尿素、含錳尿素和普通尿素處理。由此可以看出，控釋尿素和含錳尿素均比普通尿素施用增產(chǎn)效果好，分別比普通尿素增產(chǎn)3.56%和 3.08%。但普通尿素+鋅處理比普通尿素增產(chǎn)7.32%，而含鋅尿素和普通尿素+錳處理沒有普通尿素小麥產(chǎn)量高。另外也發(fā)現(xiàn)，含錳尿素比普通尿素+錳處理的小麥產(chǎn)量高；而普通尿素+鋅處理比含鋅尿素處理的小麥產(chǎn)量高，且差異達顯著水平。當?shù)剞r民小麥生產(chǎn)水平與該試驗中普通尿素施N處理相當。

從表3可以看出，不同種類尿素的施肥處理并沒有顯著影響到植株的群體性狀，如1 hm穗數(shù)、有效穗數(shù)和小麥植株的個體農藝性狀，如株高、穗長、主莖基2、基3、基4和基5的節(jié)間長度及其2節(jié)間直徑等。但經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，施用控釋尿素處理小麥穗粒數(shù)比不施肥處理、施用普通尿素、含錳、含鋅和加錳尿素的處理均顯著增加。但對于該試驗中產(chǎn)量最高的普通尿素+鋅處理而言，其千粒重是幾個處理中最高的。

由圖2可知，在小麥灌漿期以前，不同施肥處理小麥生物量均呈隨著生育期的推移不斷增加的趨勢，到成熟期各處理生物量相比灌漿期均有不同程度的下降，但下降未達顯著水平。這可能與收獲期天氣干旱有關，有些植株葉片已經(jīng)凋落于地面。各施肥處理間差異在各個生育期表現(xiàn)不一致，基本上與小麥營養(yǎng)生長期和生殖生長期相對應，前期生物量積累多的，后期因為籽粒運轉和分配效率等，在灌漿期和成熟期其生物量累積不一定多。返青期，小麥地上部生物量最高的為普通尿素處理，控釋尿素處理在此時期生物量則較小，與對照不施肥處理間較接近；起身期，含錳尿素處理的生物量最高；拔節(jié)期，仍是含錳尿素處理的生物量最高，而控釋尿素在此時期生物量與其最接近；孕穗期，含鋅尿素處理的生物量最高，控釋尿素也保持較高的增長趨勢；到抽穗期，生物量發(fā)生一些變化，普通尿素+鋅處理和含錳尿素處理的生物量增長較明顯，可能這2個處理下小麥灌漿速度較快，有利于干物質積累；到灌漿期，控釋尿素處理下小麥的生物量累積達到最大值，比同時期不施肥處理高30.1%，差異達顯著水平。到成熟期，控釋尿素、含鋅尿素和含錳尿素均比普通尿素高，分別比不施肥處理高28.9%、27.1%和25.7%。因此，通過生物量動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)各種尿素的肥效發(fā)揮時期是有區(qū)別的，它們在土壤中轉化，及被植物吸收利用的速率不盡一致?？傮w上，新型尿素表現(xiàn)出一定的生物量累積優(yōu)勢。

表2 不同施肥處理下小麥籽粒產(chǎn)量及增產(chǎn)率Table 2 Grain yield and yield increase of wheat in different treatments

表3 成熟期不同施肥處理小麥考種結果Table 3 Results of wheat test in different fertilizer treatments

注：不同小寫字母表示同一生育時期不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)，n.s.表示同一生育時期不同施肥處理間差異不顯著(P<0.05)Notes:The different lowercase letters indicated significant differences between fertilizer treatments at the same growth stage (P<0.05),and n.s.stood for no significant difference圖2 各生育期不同施肥處理小麥植株地上部生物量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of above-ground biomass of wheat at different growth stages with different fertilizer treatments

由圖3可知，各處理間小麥地上部植株氮積累量在各個時期均表現(xiàn)出一定差異。這個差異一方面是來自生物量在不同時期的累積量差異，一方面是植株體內氮濃度的差異?？傮w而言，含錳尿素在生育前期累積較多的氮素養(yǎng)分，而控釋尿素則是在生育后期積累較多的氮素養(yǎng)分。

注：不同小寫字母表示同一生育時期不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)Notes：Different lowercase letters indicated significant difference between fertilizer treatments at the same growth stage (P<0.05)圖3 各生育期不同施肥處理小麥植株地上部氮素累積量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of above-ground N accumulation of wheat at different growth stages with different fertilizer treatments

從圖4可以看出， 在氮肥利用率方面，控釋尿素、含錳尿素、普通尿素+鋅、含鋅尿素各處理的氮肥當季表觀回收率均高于普通尿素處理，分別高22.16%、13.67%、9.80和2.48%。其中，控釋尿素處理顯著高于含鋅尿素處理；普通尿素+錳處理最低，但其與含鋅尿素、普通尿素+鋅和含錳尿素處理之間無顯著差異。說明科學合理選擇施用新型肥料，可以提高氮肥利用率。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Notes：Different lowercase letters indicated significant difference between fertilizer treatments (P<0.05)圖4 收獲期不同施肥處理小麥氮肥利用率Fig.4 The overall apparent recovery of fertilizer N (NRE) of wheat at maturity

從表4小麥收獲期各土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積量來看，在0～100 cm土層控釋尿素的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量與不施肥處理較為接近，與其他處理間有一定差異。具體表現(xiàn)為在0～20 cm土層，控釋尿素的銨態(tài)氮累積量與其他施肥處理間無差異，而硝態(tài)氮較其他幾個處理稍高；而從20～40 cm土層開始，不論是銨態(tài)氮還是硝態(tài)氮，包括控釋尿素在內的各施肥處理與不施肥處理間差異不顯著，而控釋尿素處理開始表現(xiàn)出一定的減少趨勢；尤其是40～60 cm土層，控釋尿素處理中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積量大幅度降低。在該層中普通尿素+錳處理的銨態(tài)氮的累積量卻出現(xiàn)了最高。對比60～80和80～100 cm這2個土層的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，控釋尿素的數(shù)值均較偏小。說明控釋尿素能很好地保存土壤養(yǎng)分在表層的積聚。雖然當季小麥沒有完全吸收利用，但也未轉移到下層，因而可以使耕層土壤養(yǎng)分蓄積而對環(huán)境負面影響較小，同時還有利于下一茬作物的養(yǎng)分供應。

表4 小麥收獲期各土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積量Table 4 NH4+-N and NO3--N accumulation of wheat soil with different layers at maturity kg/hm2

從表5可以看出，收獲期速效氮、速效磷、速效鉀、速效鋅和有效錳比收獲前分別降低了39.95%、37.64%、39.36%、38.95%和51.62%。且0～20 cm各速效養(yǎng)分的值均仍大于20～40 cm土層。在播前和收獲后各層土壤的數(shù)值進行對比時，發(fā)現(xiàn)20～40 cm各項數(shù)值變化幅度較小，受到耕作層施肥和灌水等農藝措施干擾較小。但從各個施肥處理來看，在0～20 cm土層堿解氮、速效磷和速效鉀的含量以控釋尿素處理的最高，與普通尿素及其他4種添加元素的尿素差異不顯著。對于土壤速效鋅而言，在0～20 cm土層，普通尿素+鋅處理和含鋅尿素的速效鋅養(yǎng)分含量顯著高于不額外補充鋅肥的其他幾個施肥處理；而在20～40 cm此現(xiàn)象不存在。有效錳養(yǎng)分結果與速效鋅較為一致，在土壤中補充錳元素比不添加的含量高，達17.27%～80.84%，其中普通尿素+錳的處理比含錳尿素土壤有效錳的含量高7.86%。而控釋尿素在收獲期表現(xiàn)為在各土層速效養(yǎng)分含量均較高。

表5 小麥收獲期不同土層氮、磷、鉀、錳、鋅含量Table 5 N,P,K,Mn and Zn content of wheat soil in different soil layers at maturity

3 結論與討論

從籽粒產(chǎn)量結果看，新型尿素中控釋尿素和含錳尿素在該試驗中表現(xiàn)出增產(chǎn)優(yōu)勢。普通尿素+鋅處理的小麥籽粒產(chǎn)量最高，其次是控釋尿素和含錳尿素。而含鋅尿素與普通尿素相比較低。但各施肥處理均與普通尿素處理之間無顯著差異，與不施肥處理差異顯著。因此，在普通尿素中添加氯化錳，增產(chǎn)效果不明顯，而含錳尿素則有一定的增產(chǎn)效果。與此不同的是，含鋅尿素的產(chǎn)量沒有普通尿素添加等量有效鋅的產(chǎn)量高。因為鋅和錳在不同肥料結構中對產(chǎn)量的表現(xiàn)不同。普通尿素加等量鋅處理下小麥1 hm穗數(shù)和千粒重均最高，而控釋尿素無效分蘗較多。

但在一定程度上，說明在尿素中加入鋅元素制成的含鋅尿素在小麥上施用效果不佳，推測原因有可能是在化學肥料制造工藝方面存在不當之處，有待于進一步通過多生態(tài)區(qū)試驗驗證。對于該試驗中產(chǎn)量最高的普通尿素加等量鋅的處理而言，其1 hm穗數(shù)和千粒重均是幾個處理中最高的，這其中的機理有待進一步探究。同時，也建議通過更科學合理的方式對該地區(qū)土壤中補充鋅肥。

從各生育時期小麥植株地上部生物量和地上部氮素積累量來看，各新型肥料和普通尿素在不同生育時期所能發(fā)揮的效果不同。但從整個生育期來看，無論是小麥植株生物量的累積，還是氮素養(yǎng)分的累積，起身期、拔節(jié)期小麥快速積聚營養(yǎng)物質的過程中含錳尿素表現(xiàn)優(yōu)越；從孕穗到灌漿前期，普通尿素加等量鋅處理則表現(xiàn)出快速累積的過程；而控失尿素在前期養(yǎng)分積累階段雖沒有明顯優(yōu)勢，但小麥進入灌漿期主攻籽粒后，其優(yōu)勢越來越明顯。這進一步驗證了施用控釋氮肥能夠有效延長氮素釋放期，保證作物關鍵生育時期的氮素供應，有效提高作物干物質累積，增加作物產(chǎn)量。就不同尿素施用后，氮素養(yǎng)分在不同植物器官間的轉移和累積是否有差異，最后導致產(chǎn)量差異較顯著，仍需要進一步深入研究。

從氮肥利用率來看，控釋尿素的氮肥當季表觀回收率最高，其次是含錳尿素、普通尿素+鋅。因此，控釋尿素更有利于滿足農作物生長發(fā)育過程中對氮素養(yǎng)分的需求，屬于綠色環(huán)保的新型肥料，為未來精準施肥提供理論支撐。而含鋅尿素和含錳尿素需要進一步研究其肥效及探索出更加科學合理的施用方法等。

從小麥收獲期各土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積量來看，在0～100 cm土層總的累積量上，只有控釋尿素的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量與不施肥處理較為接近，與其他施肥處理間有顯著差異?？蒯屇蛩卦?～20和20～40 cm淺層土壤累積銨態(tài)氮和硝態(tài)氮相對較多，說明控釋尿素能很好地促使土壤養(yǎng)分在表層積聚。并且當季小麥氮肥利用率以控釋尿素最高，同時，土壤剖面表層的無機氮養(yǎng)分沒有轉移到下層，因而有利于下一茬作物的養(yǎng)分供應。

收獲期各施肥處理在0～20和20～40 cm的土壤中各速效養(yǎng)分差異相對較小，該試驗田塊本身鋅和錳含量偏低，再加上小麥生長期間對鋅元素更為敏感，因此在添加鋅元素的2種施肥處理，普通尿素+鋅和含鋅尿素均在收獲期比其他施肥處理速效鋅含量高。同樣的，普通尿素+錳和含錳尿素土壤有效錳含量均高于其他施肥處理。在0～20 cm土層差異明顯，而在20～40cm土層，因土壤受到農藝措施的影響較小，所以沒有表現(xiàn)出因不同施肥處理所帶來的變化。但經(jīng)對比，控釋尿素因其具有較強的控制養(yǎng)分流失的能力，因此其養(yǎng)分釋放速度與作物生長速度較為匹配，而沒有導致養(yǎng)分過多損失。在收獲期表現(xiàn)為各土層速效養(yǎng)分均較高。因此，控釋尿素更有利于農作物有效吸收，滿足植物生長發(fā)育過程中對養(yǎng)分的需求，且具有減少農業(yè)面源污染、控制肥料流失等顯著特點。而含鋅尿素和含錳尿素需要進一步研究其肥效及科學合理的施用方法，及與土壤無機氮及其他速效養(yǎng)分間的關系等。而未來還是期望我國早日生產(chǎn)出和推廣施用環(huán)境友好的智能緩/控釋肥。

新型肥料中控釋尿素在小麥生產(chǎn)上優(yōu)勢明顯，其在小麥植株生產(chǎn)力、氮素養(yǎng)分利用及土壤無機氮殘留等方面均表現(xiàn)突出。通過底施50%和在小麥拔節(jié)期追施其余50%的施肥方式能很好地促進控釋尿素肥效的發(fā)揮，使其在小麥籽粒產(chǎn)量上增加明顯，比普通尿素增產(chǎn)3.56%。施用控釋尿素能促進小麥穗粒數(shù)增加?？蒯屇蛩卦谛←溕笃谏锪亢偷仞B(yǎng)分累積較高。其氮肥當季表觀回收率也比普通尿素高22.16%。而在小麥收獲期，控釋尿素將銨態(tài)氮和硝態(tài)氮很好地保存在0～40 cm土層。該新型肥料能較好促進作物生產(chǎn)且降低了對環(huán)境的負面作用。因此，該研究為控釋尿素在小麥高效優(yōu)質生產(chǎn)上的推廣應用提供理論支撐。而對于新型肥料含鋅和含錳尿素，建議肥料生產(chǎn)工藝要作出適當調整，另外，微量元素肥料要依據(jù)土壤和作物的需求進行合理施用。