硫包膜尿素在輕度鹽堿土壤中釋放特點及肥效研究

王　琦,王永亮,郭軍玲,郭彩霞,楊治平

(1.山西大學 生物工程學院,山西 太原　030006;2.山西省農業科學院 農業環境與資源研究所,山西 太原　030031;3.土壤環境與養分資源山西省重點實驗室,山西 太原　030031)

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硫包膜尿素在輕度鹽堿土壤中釋放特點及肥效研究

王琦1,2,3,王永亮2,3,郭軍玲2,3,郭彩霞2,3,楊治平2,3

(1.山西大學 生物工程學院,山西 太原030006;2.山西省農業科學院 農業環境與資源研究所,山西 太原030031;3.土壤環境與養分資源山西省重點實驗室,山西 太原030031)

摘要：應用水中溶出率法和輕度鹽堿土壤玉米根下土埋法,研究硫包膜尿素在輕度鹽堿土壤的釋放特征及其對春玉米氮吸收和產量的影響,并且與腐植酸包膜尿素和普通尿素進行了比較。結果表明,硫包膜尿素在靜水中初期養分釋放率大,后期明顯出現養分“鎖定效應”和“尾留效應”現象,僅能釋放出59.33%左右的養分;在輕度鹽堿土壤中,其釋放與靜水釋放趨勢一致,但在玉米收獲時養分釋放率達87.9%,在玉米全生育期,其累積釋放呈現逐漸遞增的趨勢,與玉米吸氮曲線相吻合;而與之相比較,腐植酸包膜尿素和普通尿素的釋放規律與玉米吸氮曲線吻合度較差。硫包膜尿素處理與腐植酸包膜尿素和普通尿素2個處理相比，玉米成熟期氮吸收總量分別增加26.97%和44.32%，產量分別增加8.73%和22.43%，差異均顯著；苗期耕層土壤pH值分別降低0.66,0.51。硫包膜尿素處理的穗長、百粒質量分別比腐植酸包膜尿素處理和普通尿素處理高1.33%,4.65%和2.69%,8.41%,硫包膜尿素處理的禿尖和穗粒數與普通尿素處理的差異顯著。說明硫包膜尿素在輕度鹽堿地上應用可降低土壤pH值、增強玉米植株氮素吸收利用能力,釋放特征更符合玉米氮素養分的吸收規律。

關鍵詞：硫包膜尿素;養分釋放特征;產量;吸氮量;玉米

鹽堿地[1]是地球上分布廣泛的一種土壤類型,約占陸地總面積的 25%,分布于世界各大洲干旱地區。隨著人口、資源和環境矛盾的日益突出,鹽堿地作為潛在耕地的后備資源,存在著巨大的開發潛力[2-3]。但是鹽堿土壤高pH值和高鹽分問題嚴重制約了其土地的開發利用。應用含硫物料和含碳物料作為化學改良劑改良鹽堿土壤的文獻報道已有很多。吳曦等[4]以硫磺作為含硫物料進行研究指出,堿性土壤施用硫磺,pH值最大降幅為0.5;同時鹽堿地使用硫磺可以提高土壤有效磷含量;元素硫不僅能通過氧化改變土壤酸堿度,并且在植物的生長代謝過程中起重要作用[5-9]。曹宏武等[5]以腐植酸作為含碳物料進行研究指出,鹽堿地施用腐植酸類物料,除可降低土壤堿度外,土壤有機質也有一定程度提高。通常鹽堿地改良劑一般于春播前施入土壤,硫磺和腐植酸都屬于細顆粒物料,撒施過程中易隨風揚起,造成浪費及空氣污染。特別是在內陸鹽堿地區,春季風大且沙塵較多,如山西省朔州市應縣,8級以上的大風年均在50 d以上,且主要集中在春季,約占全年大風日數的50%以上[10],嚴重影響改良劑的改良效果。將改良劑作為膜材料包裹在大顆粒尿素外層研制而成的包膜尿素,不僅解決了改良劑使用過程中造成的環境問題[11],而且還能滿足植物對氮素的需求[12-14]。目前,對改良劑作為膜材料的包膜尿素降低土壤堿度的效果以及在鹽堿地上的氮素釋放特點及其肥效的相關研究較少。國內外學者通過對包膜緩釋尿素對作物生長及產量影響的研究發現[12-14]，施用緩效肥料能有效增加玉米、水稻、大豆、小麥等作物的產量[15-24]。

本試驗重點探討了硫包膜尿素在鹽堿土壤中的改良效果以及氮素釋放及其肥效特征,旨在為輕度鹽堿土壤改良及其糧食作物生產提供參考依據。

1材料和方法

1.1供試材料

氮肥選擇3種類型尿素作為供試肥料：硫包膜尿素(漢楓緩釋肥料有限公司生產),含N量為37%,產品標注釋放期為60 d,產地為山西運城;腐植酸包膜尿素,含N量為35%,產品標注釋放期為60 d,產地為山東;普通尿素,含N量≥46.4%。磷肥選擇顆粒過磷酸鈣,P2O5含量為16%。鉀肥選擇硫酸鉀,K2O含量為50%。供試玉米品種為大豐30。

1.2試驗方法

1.2.125 ℃靜水浸提試驗選擇3種不同類型尿素作為試驗材料,分別稱取10 g裝入150 μm尼龍紗網小袋,封口后置于250 mL廣口瓶中,加入200 mL蒸餾水,加蓋密封后置于25 ℃生化恒溫培養箱中培養,同時計時,取樣時間為從計時起的第1,3,5,7,10,14,28,42,56,84 天,直至累積養分溶出率達80%以上視為釋放完全[16]。

取樣時,將廣口瓶上下顛倒3次,使瓶內的液體濃度一致,然后將浸提液全部移入250 mL容量瓶,冷卻至室溫后定容,以備測定。隨后在原廣口瓶中重新加入200 mL的蒸餾水,密封后重新置于培養箱繼續培養。試驗設3個處理,4次重復。

1.2.2田間試驗試驗區設在山西省農業科學院應縣試驗基地。該區屬暖溫帶半干旱大陸性氣候,2014年平均氣溫9.6 ℃,年均降水量321.7 mm,無霜期162 d,年均相對濕度為45%;供試土壤為輕度硫酸鹽鹽化土,容重為1.38 g/cm3,0～20 cm土層土壤pH值為 8.75,有機質13.24 g/kg,全氮0.788 g/kg,硝態氮13.42 mg/kg,有效磷8.12 mg/kg,速效鉀146 mg/kg。田間試驗時間為2014年5月2日至10月2日。

試驗設3個處理,分別為硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素,4次重復。肥料用量折純N 225 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。所有肥料均為一次性底施,試驗小區面積為60 m2。

為研究不同包膜尿素氮的田間釋放特征,分別稱取過篩后的硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素各10 g,裝入尼龍紗網小袋并封口,將肥料網袋均勻埋入玉米根系吸收區域15～20 cm的土層中,在苗期(V3)、拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、灌漿期(R5)、生理成熟期(R6)定期取出肥料網袋測試,每次取樣4個,同時取出對應的植株樣品。

1.3測定指標及分析方法

采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定植物、靜水浸提試驗和土壤埋肥試驗中肥料氮素的含量。

1.4數據統計分析

試驗數據采用Excel、Sigmaplot 12.5、Minitab 15.0軟件進行統計分析,并進行多重比較(P<0.05)。

2結果與分析

2.1不同類型包膜尿素氮素釋放速率

2.1.1不同類型包膜尿素氮素在靜水中的釋放速率從圖1可以看出,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素在25 ℃靜水中的氮素累積釋放規律明顯不同,硫包膜尿素從釋放初期到第84天,總體釋放趨勢呈現逐漸遞增的趨勢,而腐植酸包膜尿素在第5天已完全釋放。在整個釋放期內,硫包膜尿素第1天氮素養分釋放率最大,達到23.20%,之后各時段氮素養分釋放率逐漸遞減,在第42～56，56～84天這2個時段的氮素釋放率分別只有2.39%和3.65%,而到第84天氮素養分累積釋放率也僅有59.33%,該時段的氮素養分釋放表現出明顯的“鎖定效應”和“尾留效應”[17];而腐植酸包膜尿素在第1天時氮素養分釋放率高達75%以上,已處于釋放高峰期,被視為趨于完全釋放,之后其氮素養分釋放率急劇下降,第2～3天的氮素養分釋放率只有0.69%,而到第5天已完全釋放。相比腐植酸包膜尿素,硫包膜尿素的靜水釋放規律更符合緩釋肥的釋放指標[16]。

圖1　包膜尿素在25 ℃靜水中氮素釋放率和累積釋放率

2.1.2不同類型包膜尿素氮素在輕度鹽堿土壤上的釋放速率從圖2可以看出,硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素在輕度鹽堿土壤上的累積釋放速率與靜水試驗規律一致。其中,腐植酸包膜尿素在玉米苗期氮素累積釋放達97%,拔節期以后直至生理成熟期釋放接近于0,其累積釋放規律和普通尿素相似;而硫包膜尿素在玉米整個生育期的累積釋放總體呈現逐漸遞增的趨勢,硫包膜尿素在玉米大喇叭口期-生理成熟期是釋放高峰期,這一時段總釋放率為14.31%。

圖2　不同包膜尿素氮素田間累積釋放率

2.2硫包膜尿素氮素的釋放特征

由圖3可知,硫包膜尿素在輕度鹽堿土壤中與在靜水中的氮素累積釋放曲線趨勢相近。整體來看,硫包膜尿素在氮素養分釋放的第0～10天內,其在靜水中的釋放曲線與在土壤中的釋放曲線基本吻合;第10天以后,硫包膜尿素在2種介質中的氮素累積釋放差異逐漸增大,表現為土壤中的釋放曲線明顯高于在水中的釋放;在玉米種植后的第107天,硫包膜尿素的氮素累積釋放達到87.9%,而在靜水中,氮素釋放到第84天時,累積釋放率維持在60%左右,之后釋放曲線趨于平緩,釋放率增長微小,其氮素釋放表現出明顯的“鎖定效應”(與水中缺少土壤中所具有的硫細菌有關)[25]。

圖3　硫包膜尿素在靜水中及輕度

從表1可以看出,在第0～33,73～82天內,硫包膜尿素在土壤中的氮素日平均釋放率最大,達2.17%和0.28%,在其他各時段的釋放速率驟減,但始終維持在0.16%的水平。硫包膜尿素在靜水中各時段的氮素平均釋放率由高到低逐漸降低,在第82～107天時段,釋放速率降為0.12%,與在土壤中釋放速率基本相同。

表1　硫包膜尿素在水中與土壤中氮素日平均釋放率對比

2.3不同包膜尿素對耕層土壤pH值的影響

通過對整個玉米生育期0～20 cm耕層土壤pH值的監測結果可以看出,硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素對輕度鹽堿土壤pH值的影響均呈現先下降后上升的變化趨勢,即在施用后30 d左右,土壤pH值下降最明顯,之后開始緩慢升高,這與袁福生等[26]的研究結果一致。3種肥料處理之間存在差異,從玉米生長的全生育期看,硫包膜尿素處理的pH值低于腐植酸包膜尿素處理,后者低于普通尿素處理。在施用30 d時,即玉米苗期,硫包膜尿素處理的pH值降幅最大,降低了0.66;其次是腐植酸包膜尿素處理,pH值降幅達0.51,普通尿素處理的pH值也有所下降,但僅下降0.15(圖4)。

圖4　不同包膜尿素對0～20 cm土壤pH值的影響

2.4不同包膜尿素對春玉米氮素吸收和產量的影響

從圖5可以看出,在玉米不同生育期,3種尿素處理地上部氮素吸收量差異明顯。從苗期看,普通尿素處理高于腐植酸包膜尿素和硫包膜尿素處理。從大嗽叭口期開始,硫包膜尿素處理地上部吸氮量開始逐漸高于普通尿素處理;到吐絲期時,3個處理之間氮吸收量存在差異,在吐絲期、灌漿期和生理成熟期,硫包膜尿素處理玉米地上部吸氮量比腐植酸包膜尿素處理分別高14.35%,29.40%和26.97%,比普通尿素處理分別高33.63%,51.82%和44.32%。

圖5　不同包膜尿素對玉米植株各生育時期吸氮量的影響

從表2可以看出,3個處理間產量差異達顯著水平,硫包膜尿素處理產量最高,比腐植酸包膜尿素和普通尿素處理分別增加8.73%和22.43%;硫包膜尿素處理玉米的穗長、百粒質量比腐植酸包膜尿素處理和普通尿素處理分別高1.33%,4.65%和2.69%,8.41%,但差異均不顯著;而硫包膜尿素處理比腐植酸包膜尿素處理和普通尿素處理玉米禿尖長分別短58.05%和67.18%,穗粒數分別大2.94%和12.50%,且硫包膜尿素處理和普通尿素處理間差異達到顯著水平。

表2　不同緩釋尿素對玉米產量及其構成因素的影響

注：表中不同小寫字母表示5%差異顯著性。

Note:The different small letters are significantly different at 5%.

3結論與討論

大量研究表明,硫包膜尿素靜水釋放均表現出初期釋放率高,后期出現“鎖定效應”和“尾留效應”[25];同種包膜肥料在靜水中的釋放和在田間土壤中的釋放趨勢相一致,但動態過程中的氮素釋放速率差異較大[27]。本研究通過水中溶出率法和輕度鹽堿土壤玉米根下土埋法,對硫包膜尿素的研究也得出了類似的結果;同時發現,2種供試包膜尿素在不同介質中的氮素釋放率有明顯差異,這可能是由于水是一種單一的介質,包膜肥料在靜水中的釋放僅受溫度的影響,而包膜肥料在土壤中的釋放受多種因素的影響[28]。硫包膜尿素在靜水中初期養分釋放率高,可能是由包膜不完整、膜材料親水或覆膜不均勻所造成的[29],而養分平均釋放率低,后期同樣出現了明顯的“鎖定效應”和“尾留效應”。本試驗硫包膜尿素在輕度鹽堿土壤中的釋放與玉米對氮素營養的吸收趨勢一致,與呂嬌等[14]結果相似，可為玉米各時期的生長發育提供良好的氮素營養，而腐植酸包膜尿素與普通尿素的釋放趨勢與玉米的吸氮趨勢吻合度差。

尿素施入土壤后,由脲態氮轉化成銨態氮,再由銨態氮進一步向硝態氮轉化的過程中會使土壤pH值下降,導致土壤出現酸化的趨勢。而硫磺和腐植酸本身的介入也存在土壤酸化的作用,尤其在石灰性土壤上應用能有效降低硫磺和腐植酸周圍土壤的pH值[16]。本試驗結果表明,在鹽堿土壤中,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素對玉米整個生育時期的土壤pH值均有降低的效果,尤其是在苗期作用效果明顯,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素分別比基礎土壤pH值下降0.66,0.51,其中,硫包膜尿素作用效果更佳。這種對鹽堿土壤苗期pH值的下降效果,不僅可以改善土壤環境調節氮肥的釋放速度,最重要的是可以有效增加玉米的出苗率,對鹽堿土壤玉米高產起到至關重要的作用。

關于緩釋肥的增產效果,前人大量的研究發現,緩釋氮肥能提高玉米對氮素的吸收并增加玉米產量;朱紅英等[29]研究發現,大多數控釋肥都能提高玉米的產量,通常增產約10%。增產的主要原因是施用緩釋氮肥改善了玉米植株對氮素的吸收狀況,緩釋肥養分的同步釋放,滿足了植株各個生育時期的營養需求[22]。本試驗結果表明,硫包膜尿素處理在田間氮素累積釋放率與玉米地上部吸氮量曲線相吻合,玉米吸氮量的高峰期與該肥料氮素養分釋放率高峰期相吻合,說明硫包膜尿素氮素釋放與玉米植株生長需氮量一致。硫包膜尿素處理產量顯著高于腐植酸包膜尿素處理和普通尿素處理。

本試驗研究證明,硫包膜尿素可以降低輕度鹽堿地土壤pH值,提高玉米氮素的吸收量,進而增加玉米產量。

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Release of Sulfur Coated Urea in Mild Saline-alkali Soil and Study of Its Fertilizer Efficiency

WANG Qi1,2,3,WANG Yongliang2,3,GUO Junling2,3,GUO Caixia2,3,YANG Zhiping2,3

(1.College of Biological Engineering,Shanxi University,Taiyuan030006,China;2.Institute of Agricultural Environment and Resources,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Taiyuan030031,China;3.Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources in Shanxi Province,Taiyuan030031,China)

Abstract：In this experiment,the nutrient release characteristics of sulfur coated urea in mild saline-alkali soil were studied by water extraction and mild saline-alkali soil incubation method,and compared with humic acid coated urea and common urea.At the same time,the trials were conducted to investigate its effects on the absorption of nitrogen and yields of spring maize.The results indicated that in the water,sulfur coated urea had a large initial release rate of nutrient,and ″locked-in effect″ and ″tailing effect″ in its later period,and the nutrients could be only released the 60%.It had the same trend in the mild saline-alkali soil with in the water,but the nutrients released rate was 87.9% when the maize was harvest,during the whole growth period of maize,the accumulated release showed a gradual increasing trend,that fitted to the curve of the captured by nitrogen in maize.And compared with the release of humic acid urea and common urea,the difference of the nitrogen absorption curve of the corn was in the degree of the difference.In different fertilization treatments,the treatments of sulfur coated urea was better than the treatment of humic acid urea and common urea,the increment rate of maize nitrogen absorption amount was 26.97% and 44.32%,respectively,the yield of corn increased by 8.73% and 22.43%,respectively;the seedling soil pH value decreased 0.66 and 0.51 units respectively.The spike length and 100 grain weight per treatment in the treatment of sulfur coated urea were significantly higher than those of the humic acid coated urea treatment and common urea treatment,the increment rate was 1.33%,4.65% and 2.69%,8.41%,respectively.The treatment of sulfur coated urea had significant difference with the common urea treatment in bald and per spike grain.It can be seen that the application of sulfur coated urea in mild saline alkali soil has lower pH,increasing the nitrogen absorption and utilization of maize plant,and the release characteristics of the absorption law of nitrogen in maize.

Key words:Sulfur coated urea;Nutrient released characteristic;Yield;Nitrogen uptake;Maize

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.030

中圖分類號：S143.1+5

文獻標識碼：A

文章編號：1000-7091(2016)02-0182-06

作者簡介：王琦(1990-),女,山西交城人,在讀碩士,主要從事緩釋肥研制研究。通訊作者：楊治平(1969-),女,山西祁縣人,研究員,博士,碩士生導師,主要從事作物高產養分資源高效研究。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201103003);國家國際科技合作專項項目( 2015DFA90990);山西省農業科學院博士基金項目(YBSJJ1309;YBSJJ1310)

收稿日期：2016-02-15