控釋摻混肥對雙季玉米氨揮發(fā)和肥料養(yǎng)分回收率的影響

徐祥玉，周劍雄，喻大昭，向禮波，袁家富，鄭 磊，張 強

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064；2.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東 臨沂 276700）

目前中國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國和氮肥消費國，氮肥年消費量平均約占世界的30%［1］，但中國三大糧食作物的氮肥當(dāng)季利用率分別比國際平均水平低15%～50%［2］，意味著中國農(nóng)田存在更多的氮肥損失，其中氨揮發(fā)是農(nóng)田氮肥損失的主要途徑之一，也是大氣中氨濃度不斷增加的重要來源［3］。據(jù)估計，全球平均有18%的氮肥因氨揮發(fā)而損失［4］。2014年中國氨揮發(fā)達4.20 Tg（N）∕年，占全球的34.09%，遠高于其他國家［5］。氨揮發(fā)不僅造成氮素損失，也是大氣中最重要的反應(yīng)性污染物，對生態(tài)系統(tǒng)、氣候和人類健康均會產(chǎn)生不利影響［6］。在對流層中，氨和硫酸、硝酸形成二次無機氣溶膠的主要成分硫酸銨和硝酸銨是造成霧霾的元兇［7］?？梢娊档娃r(nóng)田氨揮發(fā)對提高氮素利用效率和降低環(huán)境風(fēng)險具有重要意義。

農(nóng)田管理措施可明顯減緩氨揮發(fā)，如用硫酸銨、磷酸二銨等氮源替代尿素可降低22%～55%的氨揮發(fā)［8］；尿素在土壤亞表層條帶化或深層施用可明顯減少氨揮發(fā)［9，10］；調(diào)整灌溉量可減少47%～90%的氨揮發(fā)［11，12］。除了管理措施外，增效肥料減緩氨揮發(fā)的研究也較多，如尿素酶抑制劑N-（N-丁基）硫代磷酸三酰胺等被廣泛使用［13，14］；控釋肥料可以提高氮的利用效率、子粒產(chǎn)量和牧草品質(zhì)［15］，但卻提高了氨揮發(fā)［16］；也有研究表明，控釋肥可顯著降低鮮食玉米［17］和紅壤稻田［18，19］氨揮發(fā)?？梢?，農(nóng)田氨揮發(fā)是綜合因素作用的結(jié)果，與施肥、氣候、土壤以及作物生長期等因素均有關(guān)［20，21］。

長江中游地區(qū)光、溫、水資源豐富，是典型的多熟制生態(tài)區(qū)和中國重要的糧食生產(chǎn)基地。研究表明，長江中游雙季玉米使光能生產(chǎn)效率、積溫生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟效益比雙季水稻分別提高了8.1%、11.4%和37.8%［22］?；诒Ｕ蠂壹Z食和飼料安全的需求，長江中下游地區(qū)稻田種植玉米或發(fā)展雙季玉米的面積逐步增加［23］。在這種模式下，常規(guī)施肥的氨揮發(fā)以及控釋肥施用對氨揮發(fā)的影響并不清楚，因此，摸清長江中游地區(qū)春季子粒玉米+秋季青貯玉米雙季模式下氨揮發(fā)特征，為合理評價氮利用效率和氮損失、制定高效施肥措施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于湖北省潛江市周磯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，地處江漢平原腹地，氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候。四季分明，夏熱冬寒，熱量、雨量比較充足，年平均氣溫16.1℃，無霜期約250 d。試驗田土壤耕層含有機質(zhì)19.08 g∕kg、堿解氮56.29 mg∕kg、速效磷18.40 mg∕kg、速效鉀174.60 mg∕kg，pH 7.10。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)6個處理：處理1，不施肥（CK）；處理2，常規(guī)施肥1（CG1），N、P2O5、K2O施用量分別為210、105、150 kg∕hm2，肥源分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀；處理3，常規(guī)施肥2（CG2），N、P2O5、K2O施用量分別為210、105、150 kg∕hm2，肥源為高濃度復(fù)合肥（N、P2O5、K2O含量均為15%），其中不足的氮肥和鉀肥以尿素和氯化鉀補齊；處理4：控釋摻混肥1（CF1），N、P2O5、K2O施用量分別為168、105、150 kg∕hm2，肥源分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，其中50%為氮肥控釋，釋放期為60 d；處理5：控釋摻混肥2（CF2），N、P2O5、K2O施用量分別為168、105、150 kg∕hm2，肥源分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，其中70%的氮肥控釋，釋放期為60 d；處理6，控釋摻混肥3（CF3），N、P2O5、K2O施用量分別為168、105、150 kg∕hm2，肥源分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，其中100%的氮肥控釋，釋放期為60 d。

其中，CG1、CG2處理氮肥分兩次施用（春季子粒玉米3月17日施基肥、4月5日施追肥；秋青貯玉米7月20日施基肥8月6日施追肥；基肥∶追肥=7∶3），磷、鉀肥一次性基施，其他處理肥料均以基肥一次性施用，施肥深度8～10 cm。采用寬窄行栽培，開廂帶廂溝200 cm，其中溝寬40 cm、溝深25～30 cm，廂面寬160 cm。廂上施肥兩行，肥料間距寬80 cm，肥料帶距廂邊40 cm，肥料帶兩邊種植玉米各一行，玉米播種距肥料帶5～8 cm。

春季子粒玉米品種為鄭單958，種植密度為6.0萬株∕hm2，2018年3月17日播種，7月18日收獲；秋季青貯玉米品種為澳玉5102，種植密度為5.7萬株∕hm2，2018年7月20日播種，11月10日收獲。

1.3 測定指標(biāo)與方法

氨揮發(fā)采用通氣法測定［24］；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用1 mol∕L的KCl浸提，流動分析儀測定；植株全氮含量采用濃硫酸-雙氧水消煮，半微量凱氏定氮法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1）作物地上部養(yǎng)分?jǐn)y出量按照式（1）計算。

式中，Nop為作物養(yǎng)分?jǐn)y出量，單位為kg∕hm2；Sy為作物秸稈產(chǎn)量，單位為kg∕hm2；Sc為作物秸稈養(yǎng)分濃度，單位為g∕kg；Gy為作物子粒產(chǎn)量，單位為kg∕hm2；Gc為作物子粒養(yǎng)分濃度，單位為g∕kg；1 000為換算系數(shù)。

2）地上部養(yǎng)分回收率按照式（2）計算。

式中，Nr為養(yǎng)分回收率，單位為%；Nt為施肥處理作物地上部累積養(yǎng)分?jǐn)y出量，單位為kg∕hm2；Nc為對照處理作物地上部累積養(yǎng)分?jǐn)y出量，單位為kg∕hm2；Ni為養(yǎng)分投入量，單位為kg∕hm2。

3）所有數(shù)據(jù)用Excel軟件整理，通過R語言分析，數(shù)據(jù)分析中涉及到tidyverse、ggpubr、gglmannotate、ggplot2等包。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋摻混肥對玉米產(chǎn)量的影響

從圖1可以看出，春季子粒玉米和秋季青貯玉米產(chǎn)量表現(xiàn)基本一致，即不施肥處理（CK）產(chǎn)量顯著低于施肥處理。在施肥處理中，春季子粒玉米和秋季青貯玉米產(chǎn)量在處理間無顯著差異，由此可見在使用控釋摻混肥情況下至少可以將氮素用量降低20%而不減產(chǎn)。從3個摻混肥處理結(jié)果可以看出，在施肥量相同情況下，控釋氮素占總氮素投入比達到50%即可滿足需求。

圖1 控釋摻混肥對雙季玉米產(chǎn)量的影響

2.2 控釋摻混肥對氨揮發(fā)的影響

從圖2可以看出，江漢平原春季子粒玉米-秋季青貯玉米模式下，春季氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后30 d內(nèi)，30 d后揮發(fā)量很低；秋季青貯玉米主要發(fā)生在施肥后15 d內(nèi)，其中秋季青貯玉米季氨揮發(fā)量明顯高于春子粒玉米季。從氨揮發(fā)累積量（表1）看，在氮、磷、鉀均為單質(zhì)肥情況下（CG1），周年氨揮發(fā)損失氮量可達施氮量的9.34%，當(dāng)?shù)?、磷、鉀主要以?fù)合肥提供時（CG2），氨揮發(fā)損失氮比例降低至6.51%，當(dāng)50%以上的氮肥為控釋肥時（CF1、CF2、CF3），氨揮發(fā)損失氮比例降低至2.03%～3.56%。由此可見，單質(zhì)肥料氨揮發(fā)損失最嚴(yán)重，復(fù)合肥次之，控釋摻混肥最低。

圖2 控釋摻混肥對雙季玉米周年氨揮發(fā)的影響

表1 控釋摻混肥對氨揮發(fā)總量的影響

2.3 控釋摻混肥對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響

對江漢平原春季子粒玉米-秋季青貯玉米大田硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分析結(jié)果表明，二者0～10 cm土層含量高于10～20 cm土層，且硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮含量；處理間二者含量無顯著差異（圖3）。

圖3 控釋摻混肥對周年無機氮變化的影響

2.4 控釋摻混肥對養(yǎng)分利用效率的影響

從表2可以看出，如果秸稈不還田，則不施肥處理（CK）地上生物量攜帶大量養(yǎng)分離開農(nóng)田，其中K2O攜出量為138.36 kg∕hm2。在施肥處理中地上生物量攜帶氮素量均超過100 kg∕hm2，從大到小依次為CF1、CF3、CF2、CG2、CG1；攜帶P2O5量從大到小依次為CF1、CF2、CF3、CG2、CG1；攜帶K2O量從大到小依次為CF2、CF1、CF3、CG2、CG1。結(jié)合施肥量可見，在單質(zhì)肥施用情況下（CG1），地上部生物量對氮、磷、鉀肥料養(yǎng)分回收效率分別為31.50%、27.71%和49.82%，當(dāng)肥料為復(fù)合肥時養(yǎng)分回收率大幅度提高，當(dāng)50%以上的氮以控釋肥代替時，氮肥地上部養(yǎng)分回收率可達50%以上，磷肥地上部養(yǎng)分回收率達45%以上，而鉀肥地上部養(yǎng)分回收率甚至能達到70%以上。由此可見，肥料造粒、控釋摻混肥等措施可以提高肥料利用效率，控釋氮肥摻混比例達到50%即可滿足要求。

表2 控釋摻混肥對春子粒玉米肥料利用效率的影響

3 小結(jié)與討論

本研究表明摻混控釋尿素可在保持產(chǎn)量穩(wěn)定的同時降低20%的氮素投入。這與已有報道基本相當(dāng)，如在不減產(chǎn)的情況下，可減少東北春玉米20%的氮素投入［25］、減少小麥-玉米輪作體系中小麥季15%的氮素投入［26］、減少冬麥區(qū)14.3%的氮肥用量［27］、減少鮮食玉米25%的氮素投入［17］。這些研究均證實了控釋肥可以在保證不減產(chǎn)的情況下有效地減少氮素投入。這主要是由于緩控釋肥具有養(yǎng)分釋放緩慢、肥效時間長的特點，可以滿足作物生長的需求，有效降低施肥次數(shù)、節(jié)省肥料。本研究中控釋肥不同用量之間玉米產(chǎn)量差異不顯著，控釋氮素用量達總用量的50%即可滿足減肥需要。這與已有研究基本類似，如李偉［28］研究表明總氮中控釋氮占30%、50%和100%對小麥產(chǎn)量無顯著差異。

控釋肥可以極大提高養(yǎng)分利用效率，這在各類作物上均有報道，如：控釋肥使水稻氮素利用效率達60%～70%［29］；優(yōu)化控釋使小麥-玉米體系中養(yǎng)分表觀利用效率從常規(guī)施肥的42.4%提高到57.9%［30］；控釋肥使東北春玉米氮素利用效率提高27.1%［31］。以上說明控釋肥可以大幅度提高養(yǎng)分利用效率。本研究中摻混控釋肥可以大幅度提高肥料中氮、磷和鉀素的回收率，說明肥料帶入的養(yǎng)分被作物吸收利用程度較高，即養(yǎng)分利用效率較高。

氨揮發(fā)是氮素損失的主要途徑之一，降低氨揮發(fā)可以提高養(yǎng)分在土壤中的保留時間和養(yǎng)分利用效率，減緩環(huán)境壓力?？蒯尫士梢越档褪┓蕩淼陌睋]發(fā)，從而降低氮損失。本研究中施用控釋肥可以使雙季玉米田氨揮發(fā)占施肥總量的比例控制在2.03%～3.56%，而常規(guī)施肥為9.34%，說明控釋肥能明顯降低氨揮發(fā)，與已有報道相似，如控釋肥可使夏玉米田間氨揮發(fā)降低51.34%～91.34%［32］、鮮食甜玉米田氨揮發(fā)降低78%～81%［17］、冬麥田氨揮發(fā)從13.53%降低到8.46%［27］、稻田氨揮發(fā)降低20.2%［33］～40.9%［34］?？梢?，控釋肥是降低氨揮發(fā)的有效途徑。

由此可知，在江漢平原春季子粒+秋季青貯雙季玉米模式下，N、P2O5、K2O施用量分別控制在168、105、150 kg∕hm2時，其中50%的氮肥控釋即可實現(xiàn)產(chǎn)量維持和養(yǎng)分利用效率提高的雙重目的。由于氨揮發(fā)受到土壤水分的明顯影響［35］，因此在不同的降雨或水分管理條件下是否存在更合理的施肥量和摻混比例則有待于進一步研究。