控釋氮肥與尿素摻混比例對作物中后期土壤供氮能力和稻麥產量的影響

張敬昇，李 冰*，王昌全，向 毫，周楊洪，尹 斌，梁靖越，付月君

（1 四川農業大學資源學院，四川成都 611130；2 中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京 210008）

控釋氮肥與尿素摻混比例對作物中后期土壤供氮能力和稻麥產量的影響

張敬昇1，李 冰1*，王昌全1，向 毫1，周楊洪1，尹 斌2，梁靖越1，付月君1

（1 四川農業大學資源學院，四川成都 611130；2 中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京 210008）

【目的】研究控釋肥與尿素摻混比例對土壤氮含量及稻麥產量和經濟效益的影響，旨在篩選綜合效果最佳摻混比例，為稻麥輪作區控釋氮肥推廣應用提供科學依據。 【方法】采用稻麥輪作兩季作物大田試驗，以常規尿素施肥為對照，在稻、麥季施氮量均為 150 kg/hm2的水平下，設定添加控釋氮肥比例 0、10%、20%、40%、80%、100% 6 個處理，分別記為 T1、T2、T3、T4、T5 和 T6。除 T1 (100% 尿素) 分基施和追施，其他處理氮肥均一次性基施。分析了土壤銨態氮、硝態氮含量，調查了稻麥株高與生物量、產量構成以及經濟效益。 【結果】1) 添加 20% 以上控釋氮肥時稻麥生育中后期土壤無機氮含量有顯著提升，以添加 40% 控釋氮肥 (T4) 處理效果最明顯。2) 與 T1 相比，添加 20% 比例以上控釋氮肥，稻麥生育中后期的生物量與成熟期產量均顯著增加，以T4 處理產量最高，稻、麥季分別比常規尿素處理增產 11% 和 14%，顯著提高小麥季穗長 19.19%，顯著提高水稻季穗粒數與千粒重 13.79% 和 8.43%。3) 隨添加控釋氮肥比例增加，稻麥季經濟效益均先增加后下降，T4 處理經濟效益最佳，較常規尿素處理，小麥季增收 1108.12 yuan/hm2，提高 23.24%，水稻季增收 2497.80 yuan/hm2，提高 14.87%。 【結論】以 40% 控釋氮肥與 60% 尿素摻混一次性基施，可有效增加作物中后期土壤氮素供應能力，促進稻麥生長并獲得顯著的增產效果，還可減少人工投入或材料成本，有效提高經濟效益。

稻麥輪作；控釋肥摻混比例；土壤有效氮含量；產量；經濟效益

土壤氮素供應與合理施用氮肥對提高作物生物量、改善品質起重要作用[1–2]。中國作為全球最大的氮肥消耗國，農業生產中的施氮效果近似于將人均耕地面積提高了 0.44 hm2，顯著的產量增加有效緩解了剛性的糧食需求[3–4]。而片面追求高產造成氮肥濫用，氮肥利用率僅為 30%～35%[5]，更造成了農業面源污染、耕地次生鹽堿化等問題[6]。相比常規尿素的氮素釋放規律，控釋氮肥通過改變內核尿素粒子與交界環境中的擴散通量，可有效控制氮素釋放速率[7]，促進作物生育后期的氮素供應，能有效增加作物生育中后期葉綠素，提升光合速率和酶促活動，增強氮素轉換與積累，協調作物各器官養分吸收與分配，促進了作物產量和氮素利用率大大提高[8–9]。但控釋氮肥價格高，應用范圍受限[10]，施用效果還可能出現前期缺氮后期貪青等現象[11]。故采用控釋摻混尿素施肥方法，可望實現作物全生育期氮素協調，降低成本，提高經濟效益目的。前人研究多集中探求不同類型控釋氮肥對單季作物或多季輪作旱地作物的施用效果[10,12–14]，而關于不同控氮比摻混肥對水旱輪作 (稻–麥輪作) 區土壤養分供應與作物產量、經濟效益等研究鮮有報道。本研究通過田間試驗，研究了不同控氮比摻混肥對土壤氮含量及稻麥產量和經濟效益的影響，旨在篩選綜合效果最佳摻混比例，為稻麥輪作區的控釋氮肥推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于 2014 年 11 月至 2015 年 10 月在四川農業大學崇州市榿泉鎮試驗基地進行，該區域年均氣溫 15.9℃，年均日照時數 1161.5 小時，年均降雨量1012.4 mm，年均無霜期 285 天。供試土壤類型為水稻土，土壤有機質 29.57 g/kg、全氮含量 1.44 g/kg、堿解氮 60.76 mg/kg、速效磷 13.82 mg/kg、速效鉀110.60 mg/kg、pH 值 6.43。

1.2 供試材料

控釋氮肥含氮 (N 41.4%)，氮素釋放周期約為 90天，由中國科學院南京土壤研究所研制；尿素 (N 46.4%) 由四川美豐化工有限公司生產；過磷酸鈣(P2O512%) 由湖北祥云化工股份有限公司生產；氯化鉀 (K2O 60%) 由湖北宜昌涌金工貿有限公司經銷。供試小麥品種為內麥 836，供試水稻品種為 F 優 498。

1.3 試驗設計

試驗共設 7 個處理：CK (不施氮肥)、T1 (100%普通尿素)、T2 (控釋氮肥 10% + 普通尿素 90%)、T3 (控釋氮肥 20% + 普通尿素 80%)、T4 (控釋氮肥 40% +普通尿素 60%)、T5 (控釋氮肥 80% + 普通尿素20%)、T6 (控釋氮肥 100%)。除 CK 不施氮處理外，各處理氮、磷、鉀用量一致。麥季施氮量 150 kg/hm2，施磷量 90 kg/hm2，施鉀量 90 kg/hm2，氮、磷、鉀肥均作為基肥一次性基施。稻季施氮量 150 kg/hm2，施磷量 60 kg/hm2，施鉀量 75 kg/hm2，磷鉀肥均作為基肥一次性基施，T1 處理基肥 70%，追肥 30%，追肥于基肥施用后第 10 天進行。試驗小區面積 30 m2(5 m × 6 m)。隨機排列，每個處理設三次重復。小區田埂設農膜，四周設保護行，避免水肥相互滲透，田間管理以當地習慣方式管理。

1.4 樣品采集及測定

施肥前采集試驗基礎土樣分析其理化性質。在稻、麥分蘗期、拔節期、抽穗期、成熟期用土鉆于各小區采用多點混合法采樣，采集 0—20 cm 和20—40 cm 土樣。土樣部分進行冷藏保鮮，用于無機氮及含水率測定。在各生育期，小麥季每小區取代表性樣品 30 株，水稻季每小區取代表性樣品 5 穴，用于量取株高及稱量地上部生物量。稻麥成熟期產量單打單收，計產。

土壤銨態氮采用靛酚藍比色法，硝態氮采用紫外雙波段比色法[15]。植物樣于 70℃ 烘箱烘至恒重，量取株高并稱量地上部分總生物量。籽粒烘干后，單獨脫粒，產量以干重表示。

1.5 數據處理

采用 Excel 和 SPSS 軟件對數據處理和分析，采用 LSD 方法進行多重比較分析 (P ＜ 0.05)。

2 結果與分析

2.1 控釋氮肥摻混尿素對土壤氮含量的影響

2.1.1 土壤銨態氮含量變化 由圖 1 可知，添加 20%以上比例的各控釋氮肥處理較 CK 處理顯著提高小麥各生育期土壤銨態氮含量，抽穗期 T4 處理顯著高于 T1 處理，其余時期各處理無顯著差異。在分蘗期，小麥季 20—40 cm 土壤銨態氮為 T3 處理顯著高于其余各處理，其余處理間無顯著差異。拔節期各處理無顯著差異。抽穗期 T4 與 T3 處理顯著高于常規尿素 T1 處理。成熟期各施氮處理無顯著差異。

水稻季 0—20 cm 土壤銨態氮濃度各施氮處理隨生育期推進呈先增長后下降的趨勢，拔節期為峰值時期 (圖 1)。各生育期，CK 處理均顯著低于各施氮處理，且隨生育期推進持續下降。分蘗期，各施氮處理銨態氮含量隨控氮比增加而降低，T1 處理銨態氮含量最高，顯著高于添加 20% 比例以上控釋氮肥處理。拔節至成熟期，T1 處理與 T2 處理均顯著低于其余控釋氮肥處理，T4 處理銨態氮含量均顯著高于各處理。水稻季 20—40 cm 土壤銨態氮含量與0—20 cm 土壤基本保持相似的規律。

圖1 不同處理對不同土層土壤銨態氮含量的影響Fig.1 Effect of different treatments on content of ammonium nitrogen in different soil layers

2.1.2 土壤硝態氮含量變化 從圖 2 可看出，小麥分蘗期 0—20 cm 土層硝態氮含量，常規尿素 T1 處理顯著高于各控釋氮肥處理，拔節期各添加控釋氮肥處理均顯著大于 T1；抽穗期與成熟期，添加 40% 比例以上控釋氮肥處理 (T4、T5 和 T6) 硝態氮含量顯著高于 T1 處理。20—40 cm 土壤硝態氮含量在分蘗期，隨控氮比增加，硝態氮含量持續減少，T1 處理硝態氮含量顯著高于添加 40% 比例以上控釋氮肥處理 (T4、T5 和 T6)，而拔節至成熟期，添加 40% 比例以上控釋氮肥處理又顯著高于 T1。

圖2 不同處理對不同土層土壤硝態氮含量的影響Fig.2 Effect of different treatments on content of nitrate nitrogen in different soil layers

由圖 2 可知，分蘗期水稻季 0—20 cm 土壤硝態氮含量，添加 20% 比例以上控釋氮肥處理硝態氮含量顯著低于 T1 處理，拔節期 T4 處理顯著高于 T1 處理，抽穗期至成熟期，T4、T5 和 T6 處理均顯著高于 T1。水稻季 20—40 cm 土壤硝態氮在生育前中期趨于平穩，成熟期出現明顯下降。分蘗期隨控氮比增加，各處理硝態氮含量呈遞減趨勢，以 T1 處理硝態氮含量顯著高于添加 20% 比例以上控釋氮肥處理；拔節至成熟期，土壤硝態氮含量隨控氮比增加呈先增長后下降趨勢，在 T4 處理出現峰值，添加40% 以上比例的控釋氮肥處理均顯著高于常規尿素T1 處理。

2.2 控釋氮肥摻混尿素對作物株高與生物量的影響

表 1 可知，小麥季 T1 處理在分蘗期株高最高，但與添加 20% 以上比例控釋氮肥處理無顯著差異；拔節至成熟期，T4、T5 處理的株高均持續顯著高于T1 處理。水稻季 T1 處理在分蘗期株高最高，但與T3、T4、T5 無顯著差異；拔節期，T4 與 T3 處理株高顯著高于常規尿素 T1 處理；抽穗至成熟期，添加40% 以上各控釋氮肥處理株高均顯著高于 T1 處理。其中僅 T4 處理在稻、麥生育中后期，均對株高生長呈顯著增長水平。

水稻與小麥生物量積累特征存在明顯差異 (表 1)。小麥季 T1 處理在分蘗期，生物量顯著高于各處理，且生物量隨控氮比增加而遞減；拔節至成熟期，添加 20% 以上比例的控釋氮肥處理均顯著高于 T1 處理，其中 T4 處理顯著高于各處理。水稻分蘗期生物量隨控釋氮肥比例的增加，呈先增長后下降的趨勢，在 T4 處理達峰值。拔節至成熟期生物量，也表現為添加 20% 以上比例控釋氮肥均顯著高于常規尿素 T1 處理。

表1 不同處理水稻、小麥株高與地上部生物量Table 1 Plant height and aboveground biomass of rice and wheat in different treatments

2.3 控釋氮肥摻混尿素對稻麥產量的影響

氮肥能顯著增加稻麥作物產量，不同處理對稻麥作物產量及構成因子效果不同 (表 2)。在水稻、小麥季，與 T1 處理相比，添加 20% 比例以上的控釋氮肥處理均顯著增產。T4 處理產量最高，在小麥與水稻季較單施尿素 T1 處理，分別增產 14% 和11%，較單施控釋氮肥處理 T6 分別增產 7% 和 4%。

各處理對稻麥產量構成因子的影響各異，小麥季添加 20% 比例以上的控釋氮肥各處理能較常規尿素 T1 處理的穗長明顯增加，其中 T4 處理最長，較單施尿素處理 T1 增長 19.19%，較單施控釋氮肥處理 T6 增長 7.87%；各施氮處理在穗粒數和千粒重上差異不顯著。水稻季各施氮處理在穗長上差異不顯著；添加 40% 比例以上控釋氮肥的各處理能較常規尿素處理顯著增加穗粒數；T4 與 T3、T5 處理千粒重依次為最高及次之，均顯著高于其余各處理，其中 T4 處理較 T1 處理增加 8.43%，較 T6 處理增加8.35%。

2.4 控釋氮肥摻混尿素對稻麥經濟效益的影響

表 3 表明，肥料投入成本隨控釋氮比例增加而增加。與 T1 處理相比，小麥與水稻季各摻混肥成本分別增加 1.19%～11.91% 和 –4.64%～4.55%，由高到低依次為 T6 ＞ T5 ＞ T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1。

水稻、小麥均以 T4 處理凈收入最高，T3 次之，依次為 T4 ＞ T3 ＞ T5 ＞ T6 ＞ T1 ＞ T2 ＞ CK。小麥季 T4 處理比 T1 處理提高 23.24%，比 T6 處理提高21.85%，比其余摻混配施處理平均提高 18.62%；水稻季 T4 處理比 T1 處理提高 14.87%，比 T6 處理提高 6.79%，比其余摻混配施處理平均提高 6.41%。

表2 不同處理水稻、小麥產量構成Table 2 Yield components of rice and wheat under different treatments

3 討論

土壤氮素盈缺狀況與作物吸氮量、生產與代謝、群體發育、產量構成緊密相關[12,16]，土壤無機氮可作為土壤供氮能力的重要指標，表征著較為活躍的土壤氮部分[17]。氮肥施入對 0—20 cm 土壤無機氮產生顯著影響[18]。研究表明，較常規尿素處理，控釋氮肥處理使油菜成熟期耕作層土壤硝態氮含量和無機氮總量分別增加了 149.3%～296.1% 和 40.5%～145.9%，對銨態氮含量無顯著影響[13]。本研究表明，添加控釋氮肥處理在稻麥季作物生育中后期仍有促進土壤氮素供應的作用，其中添加 40% 控釋氮肥 (T4) 處理在稻麥生育中后期土壤無機氮含量均處于較高水平。這表明恰當的摻混比例既可有效提供作物生育前期的養分需求，又能通過控釋氮肥延長在作物關鍵時期的氮素供應，以促進作物生長發育。小麥季速效氮含量總體上高于水稻季，這可能是因為稻麥作物在生育前期因溫度及水分條件明顯不同，導致肥料溶出速率差異。研究表明，土壤溫度接近 0℃，控釋氮肥的氮素溶出速率幾乎為零[19]。相反的是，水稻季在生育前期更易以氨揮發或徑流途徑而流失，減少了水稻季總供氮能力。稻田銨態氮含量雖然較麥田稍高，但其硝化作用極易受干濕交替波動，淹水土壤硝化作用隨水分增加而明顯抑制[20]，進而影響控釋氮肥在稻季土壤中的釋放。還可能由于旱作條件下，控釋氮肥中的包膜材料一定程度改善了土壤孔隙結構，促進了硝化細菌、亞硝化細菌等繁殖，刺激脲酶的催化，增強了銨態氮向硝態氮的轉化速率[21]。而水稻季抽穗期土壤 (0—20 cm) 硝態氮有明顯的增加效應，是由排水曬田、土壤通透性增強、氧化還原電位改變、土壤硝化細菌繁殖、硝化作用強烈所致[22]。

株高與生物量是影響產量的重要因素。適當提高株高水平可起增產作用[23–24]，生物量指標對增產的貢獻率最大，是增加作物產量的源與核心因素[25]。Peng 等[26]研究表明，作物增產潛力應摒棄傳統通過改善作物收獲指數以達增產，可直接通過增加生物量積累，提高作物增產潛力。本試驗條件下，常規尿素處理 (T1) 株高在水稻、小麥分蘗期較其它處理高，但隨生育期推進，其株高增長速率較摻混控釋氮肥處理低，這表明常規尿素處理由于氮素釋放周期短，對作物株高的持續提高效應不大，一定程度上會影響作物產量水平。僅以添加 40% 控釋氮肥(T4) 處理在水稻、小麥兩季生育中后期表現出對株高有顯著促進效應，這可能通過影響穗下節長或改善其余生殖器官特征促進產量[27]。不同控氮比摻混肥對稻麥季分蘗期生物量影響存在明顯差異。小麥季生物量隨控氮比增加而遞減，常規尿素處理 (T1) 生物量顯著高于其余各處理；水稻季則隨控氮比增加，呈先增長后下降的拋物線趨勢，以添加 40% 控釋氮肥處理 (T4) 最高。這可能是控釋氮肥在不同溫度與濕度的溶出速率不一致，小麥生育前期，氣溫低、水分少，控釋氮肥不易有效溶出，而尿素相對更易水解；水稻生育前期溫度較高，控釋肥溶出效果好，并能被水稻有效吸收，增加了水稻地上部生物量累積。雖然水稻分蘗期常規尿素處理 (T1) 土壤無機氮含量較高，促進了水稻生育前期供氮，但該時期水稻生物量小，吸收利用效率有限，反而會引起土壤氮素流失的風險[28]。水稻拔節至成熟期，添加20% 以上比例控釋氮肥處理的水稻生物量均顯著高于 T1 處理。其中添加 40% 控釋氮肥處理 (T4) 在稻麥兩季對生物量增加效果最明顯，這表明 T4 處理可通過提高生物量，提高個體庫容，達到提升群體庫容的效果，有效提高稻麥增產潛力[25]。

表3 不同處理水稻、小麥經濟效益變化 (yuan/hm2)Table 3 Economic benefit performance of rice and wheat by different treatments

研究表明，等氮條件下控釋氮肥或控釋摻混尿素處理能增產及提高產量構成因子[19,29–30]。不同包膜材料的控釋氮肥施用效果不同[31]，不同區域控釋摻混比例差異較大[32–33]。本研究表明，添加 20% 比例以上控釋氮肥處理均比常規尿素處理顯著提高稻麥作物產量，小麥增產 6%～14%，水稻增產 7%～11%。添加 40% 控釋氮肥處理 (T4) 不同程度改善了作物產量構成，稻麥產量均顯著提高。這是由于 T4 處理中60% 添加比例的尿素能在作物苗期至分蘗期提供適量的氮素，促進作物有效分蘗和提升株高水平，而生育中后期，控釋氮肥持續的氮素供應，可能增強了光合作用，催化作物器官中 NR、GS、GDH、GPT 等對氮素的同化與代謝，間接影響作物產量[34]。添加 40% 控釋氮肥處理 (T4) 基本協調了作物在整個生育期對氮素的需求，從而實現顯著的增產效果。

控釋氮肥因生產成本較普通尿素高 2.5～8 倍[35]，在一定程度上增加了購買肥料的成本。控釋氮肥在總氮肥投入中的摻混比例也不是越高越好。本研究條件下，控釋氮摻混比在 20%～40% 之間，可提高水稻、小麥經濟效益，以添加 40% 控釋氮肥 (T4) 處理最高，與相關文獻報道結果基本一致[36–38]。

4 結論

氮肥中添加 40% 的控釋氮肥和 60% 尿素，既可為水稻、小麥生育前期提供適量氮素供應，促進有效分蘗、增加株高，又可在生育中后期生殖發育階段，保證氮素較強的供應水平，改善產量構成，顯著提高水稻和小麥產量。

40% 控釋氮肥 + 60% 尿素肥料生產和施用總成本適中，小麥季與水稻季凈收入分別增加 23.24% 和14.87%，可作為成都平原稻–麥輪作區適宜的控氮摻混比例。

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Effects of the blending ratio of controlled release nitrogen fertilizer and urea on soil nitrogen supply in the mid-late growing stage and yield of wheat and rice

ZHANG Jing-sheng1, LI Bing1*, WANG Chang-quan1, XIANG Hao1, ZHOU Yang-hong1, YIN Bin2, LIANG Jing-yue1, FU Yue-jun1
( 1 College of Resources, Sichuan Agriculture University, Chengdu, Sichuan 611130, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, Jiangsu 210008, China )

【Objectives】Efficient use of controlled-release nitrogen fertilizer (CRNF) and urea (UR) will improve crop growth and save the costs for the fertilization practice at the same time. So the optimum ratio of CRNF and UR was studied in wheat and rice production for high yield and profit. 【Methods】One-year field experiment was conducted in rice and wheat rotation system. Under the total N input of 150 km/hm2, the addition ratio of CRNF of 0, 10%, 20%, 40%, 80%, 100% was set up for both the crops, which were recorded as T1, T2, T3, T4, T5 and T6, respectively. Except urea control, the N in treatments was all completely basal applied. The NH4+-N, NO3–-N contents of soil, plant height, biomass, yield component factors and economic benefits were calculated 【Results】1) In all the CRNF addition treatments, the soil inorganic nitrogen content in the mid-late stage of rice and wheat was increased significantly, with the highest increase in treatment T4 (40% CRNF). 2) When the CRNF addition was more than 20%, the rice biomass and yield were all increased significantly, compared to T1 (no CRNF addition)，and the highest biomass and yield were obtained in T4 treatment, in whichthe rice yield was increased by 11% and wheat yield by 14% respectively. Among the yield components, the wheat spike length was elongated by 19.19%, and the grain number per panicle was increased by 13.79% and the 1000-grain weight by 8.43% respectively. 3) With the increasing of CRNF ratio, the economic benefits in both rice and wheat increased at beginning and then decreased afterwards, with the peak in T4. With T4 treatment, the income for wheat was 1108.12 yuan/hm2(increased by 23.24%) and for rice was 2497.80 yuan/hm2(increased by 14.87%), compared with T1. 【Conclusions】Appropriate blending of commercial urea and controlled-release urea will enhance the nitrogen supply of soil in the mid-late growing stage of rice and wheat, thus increase the yield effectively and the benefit directly. The suitable blending ratio of two kinds of nitrogen fertilizer is 40% CRNF with 60% conventional UR in the tested region.

rice-wheat rotation; controlled release blend bulk urea; soil nitrogen; yield; economic benefit

2016–03–14接受日期：2016–06–13

國家科技支撐計劃（2013BAD07B13）；四川省科技支撐計劃（2012JZ0003）資助。

張敬昇（1993—），男， 重慶江北人，碩士研究生，主要從事土壤氮素轉化研究。E-mail：jove20883452@163.com

* 通信作者 E-mail：benglee@163.com