幾種新型尿素對玉米植株氮素利用和土壤氮殘留的影響

關(guān)園園 未志源 謝孟河 劉全濤 王 永 徐麗娜 張書紅 岳艷軍 梅沛沛

（1.河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院/現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 河南新鄉(xiāng) 453003；2.山東登海宇玉種業(yè)有限公司 山東濟(jì)南 250100；3.河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453700）

農(nóng)業(yè)自古是一個國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)命脈，我國人口眾多， 耕地面積較少， 如何合理地發(fā)展農(nóng)業(yè)， 解決未來隨著耕地面積逐漸較少而帶來的糧食供應(yīng)問題， 成為當(dāng)前社會亟待解決的問題[1]。 中國自然資源部調(diào)查數(shù)據(jù)顯示耕地面積在逐年減少，2013 年全國耕地面積為1.35 億hm2，到2019 年全國耕地面積減少了730.15 萬hm2[2]。 施用化肥是目前解決耕地減少問題、實現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)的主要措施，其中氮肥更是起到主要的作用[3]。 2018 年我國化肥施用量在4 657 萬t， 占世界化肥施用量25%， 其中氮肥、磷肥、 鉀肥施用 量分別為2 814.1 萬t、774.8 萬t、1 068.1 萬t[4]。有資料統(tǒng)計，使用化肥可以使農(nóng)作物產(chǎn)量提高三到四成，是農(nóng)資投入的主要組成部分[5]。

玉米是中國的主要作物，種植面積廣、氮需求量大，2000-2019 年玉米的播種面積從2 305.6 萬hm2增長到4 128.4 萬hm2，20 年間玉米產(chǎn)量增加了146%[2]。施用氮肥對玉米生長最直觀的作用表現(xiàn)在玉米植株性狀方面，對產(chǎn)量的影響也是巨大的。 科學(xué)合理的氮肥施入對玉米產(chǎn)量品質(zhì)起到不可或缺的作用。 近些年，由于品種改良加上充足的水肥供應(yīng)，玉米高產(chǎn)性得到進(jìn)一步挖掘， 但在我國玉米的實際生產(chǎn)中，大部分農(nóng)民仍然采用比較傳統(tǒng)的施肥方式，即一次性施入大量肥料，雖然過程省時省力，但隨之帶來了肥料過量流失、土壤結(jié)塊退化，肥料利用率低下等一系列問題[6]。

針對這一問題， 科研工作者分別做了不同的試驗對比分析玉米氮肥利用率的問題， 從選用氮肥高效利用品種、氮肥流失途徑等方面進(jìn)行研究，以尋找提高氮肥高效利用的方法。 陳劍秋等研究了控釋肥料田間養(yǎng)分釋放和土壤無機(jī)氮累積的影響[7]；戰(zhàn)秀梅等通過大田試驗分析了各種施肥方式對遼東地區(qū)玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用的影響[8]；李亞朋等開展了選用新型緩控釋肥對玉米增產(chǎn)增效作用研究[9]。 史桂芳等研究發(fā)現(xiàn)， 緩控釋肥對夏玉米的產(chǎn)量和肥料利用率均有提高[10]。 探索出可以提高華北夏玉米氮素利用效率的生理機(jī)制，選出比較適合的氮肥種類，這對于提高氮肥利用、減少施肥量、保護(hù)土壤都有著重要意義[11]。 新型尿素在2015 年以后受到了關(guān)注，經(jīng)過幾年的發(fā)展新型尿素種類和產(chǎn)量也在增加[12]，但是目前在同一個試驗中設(shè)計不同種類的新型尿素對夏玉米生長和氮素吸收利用機(jī)理的研究還不多見。

因此，本試驗以鄭單958 玉米為種植材料，研究控釋、聚能網(wǎng)、腐植酸和含鋅尿素對玉米植株氮素利用和土壤氮殘留的影響。 擬從高產(chǎn)夏玉米植株生產(chǎn)潛力、產(chǎn)量收獲指數(shù)、氮肥利用率及收獲期土壤剖面中無機(jī)氮殘留等方面， 探討使用不同新型尿素對玉米生長、產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用和土壤環(huán)境的影響。 以期為新型肥料在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論支撐和推廣依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

本試驗于2017-2018 年夏季在新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院東區(qū)試驗田（107 國道）進(jìn)行。 該地區(qū)地處北緯35°16′45″、東經(jīng)113°56′10″，位于華北平原，黃河以北，太行山脈以南，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，無霜期為192 d。 當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?4.3℃，7～8 月溫度最高，降水最多，季度降水分布不均，年降水量充沛，日照時間充足，光熱條件良好。 該試驗地土質(zhì)為中壤質(zhì)黃潮土，土層結(jié)構(gòu)良好，土地肥沃。 氣候條件和土質(zhì)類型都比較適合玉米生長。 耕層土壤肥力狀況見表1。

表1 播種前試驗地土壤基礎(chǔ)肥力特征

1.2 試驗設(shè)計

供試玉米品種為鄭單958，所用化肥種類有常規(guī)尿素（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣用的普通尿素）、控釋尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐植酸尿素、含鋅尿素和加鋅的常規(guī)尿素（試驗所用肥料均由新鄉(xiāng)市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% ZnSO4·7H2O；加鋅的常規(guī)尿素與含鋅尿素有效鋅含量均為9 kg/hm2）。

本次試驗設(shè)置7 個施肥處理， N0： 無氮處理；U： 常規(guī)尿素（本地常用尿素） 處理； UI： 控釋尿素處理； UP： 聚能網(wǎng)尿素處理； UH： 腐植酸尿素處理；UZ：含鋅尿素處理；U+Z：常規(guī)尿素加鋅處理。3 次重復(fù)， 隨機(jī)區(qū)組分布。 計算出氮肥用量為純氮15 kg/畝。 用過磷酸鈣和氯化鉀作為磷肥和鉀肥，折合有效養(yǎng)分含量均為6 kg/畝， 作為底肥施入。 不同氮肥采用中原區(qū)農(nóng)民常用施肥方式， 一次性施用后期不追肥。 小區(qū)面積為33.6 m2（8.0 m×4.2 m），設(shè)有走道和外圍保護(hù)行。

1.3 測定項目和植株樣品觀察與采集

在成熟期每個處理取長勢相近的玉米2 株，將樣品植株放入烘箱先殺青30 min （溫度控制在135℃），然后在80℃條件下烘干至恒重（約烘24 h），烘干后將其分為植株和籽粒兩部分。 在玉米成熟期，每一小區(qū)選4 m 4 行（約9.6 m2）進(jìn)行測產(chǎn)。

1.3.1 植株養(yǎng)分含量測定方法將烘干后的植株和籽粒樣品用粉碎機(jī)粉碎， 稱取0.450 0～0.500 0 g 樣品，利用H2SO4-H2O2消煮法在自動消化裝置上消煮，消煮液冷卻后定容至100 mL 過濾備用。 植株全氮養(yǎng)分含量用AA3 連續(xù)流動分析儀（TRAAS-2000）測定[13]。

1.3.2 土壤樣品采集播前在試驗地塊采用 “S” 形布點取樣法，取樣深度為40 cm，用土鉆取耕層0～20 cm、20～40 cm 兩層土。 收獲期采用 “五點法” 取樣，即每個試驗小區(qū)選擇5 個取樣點，同樣取40 cm 兩層土樣，混合后將土樣風(fēng)干過篩后裝袋保存， 用于測量土壤養(yǎng)分含量。

1.3.3 土壤樣品處理將冰箱中的冷凍土樣取出解凍， 添加100 mL 0.01 mol/L 的氯化鈣溶液混合后放到振蕩瓶中，在轉(zhuǎn)速180 r/min 的條件下振蕩15 min，之后浸提1 h，過濾后，土壤無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）用連續(xù)流動分析儀測定[14]。

相關(guān)公式[14-18]：

植株各部位生物量（kg/hm2）=植株各部位干質(zhì)量×實際種植密度；

植株各部位吸氮量（kg/hm2）=植株各部位生物量×植株各部位全氮含量；

氮肥吸收利用率（NRE）=（施氮區(qū)氮總吸收量-無氮區(qū)氮總吸收量）/施氮量×100%；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（ANUE）=（施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-無氮區(qū)玉米產(chǎn)量）/施氮量；

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 進(jìn)行處理與作圖、SAS 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量

玉米作為一種需氮量比較高的作物， 施用氮肥對提高玉米產(chǎn)量有著明顯的促進(jìn)作用[19]。 從表2 可以看出， 各施肥處理對比N0 處理產(chǎn)量差異都比較顯著， 其中UI 處理的玉米成熟期產(chǎn)量最高， 達(dá)到了9 411 kg/hm2，增產(chǎn)率高達(dá)54.4%，其次為UP 處理，產(chǎn)量為9 050 kg/hm2，增產(chǎn)率達(dá)到48.4%。 其余處理增產(chǎn)效果也比較明顯，U 處理、UH 處理，UZ 處理、U+Z處理增產(chǎn)率分別為28.0%、39.2%、35.3%和43.1%。對比U 處理， 心連心提供的4 種新型肥料在玉米增產(chǎn)上表現(xiàn)也比較突出，UI 處理與U 處理對比增產(chǎn)率達(dá)20.6%。 由此可以看出，UI 處理對玉米的肥效最為明顯，可以提高化肥的利用效率，增產(chǎn)效果較為顯著，這與前人研究結(jié)果相符[20]。 UZ 處理的增產(chǎn)效果不明顯，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施用的常規(guī)尿素差異不大。 在玉米實際生產(chǎn)過程中，可以將常規(guī)尿素替換為控釋尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐植酸尿素，能減少施肥量、提高產(chǎn)量，從而增加經(jīng)濟(jì)收益。

表2 各施肥處理玉米產(chǎn)量及增產(chǎn)率

2.2 地上部植株生物量

從表3 可以看出， 玉米地上部生物量中， 植株與籽粒占全株生物量的比例基本相同。 在幾種新型尿素中， UI 處理的植株和籽粒的生物量最高， 植株生物量達(dá)到12 879 kg/hm2， 籽粒的生物量達(dá)到了12 554 kg/hm2，全株生物量為25 433 kg/hm2。 UI 處理的全株生物量高出N0 處理1.5 倍， 而UZ 處理的玉米植株總生物量為18 988 kg/hm2，表現(xiàn)最低。UI 處理籽粒生物量對比N0 處理增長27.8%，這是其增加產(chǎn)量的主要因素。

表3 各施肥處理玉米地上部生物量

2.3 玉米氮素累積量

從表4 可以看出，玉米地上部氮素累積量各施肥處理之間差異顯著，籽粒氮素累積量最高的為UI 處理，與N0 處理相比差異顯著。 在幾種新型尿素中，地上部全株氮素累積量UI 處理最高，達(dá)到277.4 kg/hm2，對比N0 處理增長率為39.7%。UZ 處理、UH 處理、UP處理地上部氮素累積量分別比N0 處理高25.8%、25.3%、17.5%。

表4 成熟期不同施肥處理玉米地上部氮素累積量

2.4 氮肥利用效率

肥料利用率可以反應(yīng)作物對肥料吸收利用的程度，判斷肥效。 從圖1 可以看出，各施肥處理在氮肥農(nóng)學(xué)利用率上（圖1A），幾種新型尿素利用率顯著高于常規(guī)尿素， 其中控釋尿素相比其他幾種新型尿素利用率要高， 其他幾種新型肥料的氮素農(nóng)學(xué)利用率在9～13 kg/kg。 在氮肥利用率（圖1B）方面常規(guī)尿素、控釋尿素、 常規(guī)尿素加鋅氮肥的利用率較其他處理都高， UI 處理最高， 55.3%的氮能被玉米吸收利用。說明相同的氮肥施用量情況下， 要獲得較高的氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮肥利用率可選擇控釋尿素這種新型尿素。

圖1 不同施肥處理對玉米氮素吸收利用的影響

2.5 土壤無機(jī)氮含量

銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）統(tǒng)稱為無機(jī)氮，是植物吸收氮素的主要形態(tài)[21]。 從圖2 可以看出，土壤表層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量最大的均為UH 處理，分別為16.74 kg/hm2、25.48 kg/hm2，說明腐植酸尿素有利于固定養(yǎng)分，減少土壤表面養(yǎng)分淋失，但是氮素的利用率較低。 取土?xí)r期為玉米收獲期后，該階段土壤殘留養(yǎng)分主要集中在玉米根部土層（20～40 cm）。 各處理中玉米根系所在土層（20～40 cm）殘留銨態(tài)氮和硝態(tài)氮最少的均是UP 處理， 殘留量分別為4.75 kg/hm2、5.16 kg/hm2。 UI 處理的硝態(tài)氮積累量與UP 處理雖然有差異，但是差異不明顯。 這與UI 處理的玉米對氮素吸收利用比較徹底，氮肥利用率較高的結(jié)果相符。

圖2 玉米收獲期土壤無機(jī)氮累積量

3 討論與結(jié)論

在產(chǎn)量方面，各種新型尿素都具備增產(chǎn)功效。 UI處理增產(chǎn)效果最為明顯，玉米產(chǎn)量最高，對比N0 處理增產(chǎn)率為35.2%， 在氮肥農(nóng)學(xué)利用率上表現(xiàn)也最高，達(dá)到14.8 kg/kg。 UP 處理產(chǎn)量也表現(xiàn)較好，增產(chǎn)率達(dá)到32.6%。 UZ 處理的玉米在幾種新型肥料中產(chǎn)量表現(xiàn)最低， 玉米對含鋅尿素的吸收轉(zhuǎn)化途徑尚不清楚，產(chǎn)量過低可能受多方面因素影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗考證。 對于增產(chǎn)效果比較明顯的幾種新型尿素，也要再進(jìn)行大田試驗對比后，選出綜合表現(xiàn)最佳的進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。 在各施肥處理地上部植株生物量對比中可以看出， 雖然U 處理全株生物量最高，但是籽粒生物量占比不高。 UI 處理的籽粒生物量最高，達(dá)到12 554 kg/hm2，這也是UI 處理產(chǎn)量最高的原因之一。 這與控釋尿素通過新型加工工藝，控制肥效釋放速度， 在作物的生育后期仍然為作物提供營養(yǎng)有關(guān)[22]。

在玉米植株氮素累積量上， 最高的為UI 處理，達(dá)到277.4 kg/hm2，對比N0 處理增長率為39.7%，其次為U+Z 處理。 在氮肥利用率上，各施肥處理中最高的為UI 處理， 達(dá)到了55.3%，U+Z 處理在氮肥利用率、生物量及氮吸收量方面均表現(xiàn)不錯，但產(chǎn)量比較低，這與 “源” 到 “庫” 的轉(zhuǎn)移方式和途徑有關(guān)，還需要進(jìn)一步研究。

從玉米收獲期土樣無機(jī)氮的累積量來看， 銨態(tài)氮在土壤中不易轉(zhuǎn)移，主要分布在耕層上層，硝態(tài)氮主要以離子形式在土壤中轉(zhuǎn)移，但較容易流失。 土壤無機(jī)氮在0～20 cm 間累積量較少， 主要是由天氣原因造成的，新鄉(xiāng)地區(qū)夏季多雨，導(dǎo)致土壤表層養(yǎng)分淋失。 UH 處理的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)都不錯，目前已有大量研究證明，腐植酸有調(diào)節(jié)土壤中氮轉(zhuǎn)化、緩釋氮素、增加土壤中氮含量的作用。 腐植酸尿素處理有利于促進(jìn)玉米氮肥養(yǎng)分吸收， 保護(hù)土壤肥力[23]。

綜上所述，UI 處理在植株性狀、 成熟期產(chǎn)量、生物量及氮累積量等方面對玉米的促進(jìn)作用都比較明顯， 這與鄒長明關(guān)于新型肥料對夏玉米生長與產(chǎn)量研究結(jié)果一致[24]。 控釋尿素作為一種新型氮肥，可以明顯提高肥料利用率，從而可以減少施肥量，避免因為施肥量過高造成貪青晚熟現(xiàn)象， 提高經(jīng)濟(jì)效益[25]。因此，控釋尿素作為一種長效氮肥，增產(chǎn)效果顯著，發(fā)展前景較好，未來可以在當(dāng)?shù)剡M(jìn)一步示范和推廣，但考慮到該試驗僅在新鄉(xiāng)地區(qū)一塊試驗田進(jìn)行，受不同土壤因素和氣候條件的影響， 在其他地區(qū)還有待進(jìn)一步試驗研究。