緩釋尿素對滴灌棉田土壤無機氮及其產量的影響

李 瑋，冶 軍，鄭繼亮，岳艷軍

(1.石河子大學農學院資源與環境科學系， 新疆 石河子 832003；2.新疆心連心能源化工有限公司， 新疆 瑪納斯縣 832200)

緩釋尿素對滴灌棉田土壤無機氮及其產量的影響

李 瑋1，冶 軍1，鄭繼亮2，岳艷軍2

(1.石河子大學農學院資源與環境科學系， 新疆 石河子 832003；2.新疆心連心能源化工有限公司， 新疆 瑪納斯縣 832200)

通過田間試驗，研究了基施緩釋尿素占總氮量20%，50%和100%對棉田土壤無機氮分布、積累以及棉花產量、氮素吸收利用及農田氮素平衡的影響，明確緩釋尿素能否在滴灌棉花上施用，并探討其施用的適宜基施比例。結果表明，施用緩釋尿素可顯著提高土壤硝態氮和銨態氮含量，其中各緩釋尿素處理的土壤硝態氮含量較不施氮處理分別提高189.27%、195.58%和112.70%。施肥處理土壤無機氮積累量均表現為富集現象，不施氮處理則表現為負積累效應。土壤無機氮含量隨基施比例的增加而降低，而土壤氮素表觀損失量和氮素盈余量隨基施比例的增大均為先降后增的趨勢。棉花產量、氮肥利用率和農學效率均隨緩釋尿素基施比例的增大表現出先增加后降低的趨勢，緩釋尿素是通過增加棉花單株結鈴數或單鈴重來實現增產的。綜上，本試驗條件下，緩釋尿素占總氮量50%作基肥的滴灌棉花產量及氮肥利用率較高，土壤氮素表觀損失量較低。

滴灌；棉田；緩釋尿素；無機氮；產量

尿素是我國主要的化學氮肥品種，占氮肥總消耗量的65%左右，其活性強，損失途徑多，肥效期短，氮肥利用率普遍較低[1-2]。據研究，全國大田作物氮肥當季平均利用率僅在30%～35%[3-4]。新疆是中國最大的優質棉產地，氮肥是新疆棉花生產重要的養分限制因子之一[5]，所以在新疆滴灌棉花生產上，以隨水追施普通尿素或以尿素為主成分的滴灌專用肥為主。然而，這樣會導致氮肥以氨揮發、反硝化、淋洗等途徑大量流失[6]，既造成巨大的經濟損失，又給生態環境和人類健康帶來潛在的危害。

緩釋氮肥兼顧了環境保護和農業生產，其釋放時間長，不但可有效地減少肥料養分的流失，提高肥料利用率，減少施肥量，而且能降低施肥對環境的污染[7-8]。長期以來中國傳統農業特別重視基肥的施用，而氮肥基施也是確保作物高產穩產以及培肥地力的重要手段。緩釋尿素作基肥施用，在旱地農業及普通畦灌、溝灌條件下優勢顯著。據報道，施用緩釋肥料可以提高氮肥利用率達10%～20%[9]，尤其對水稻、棉花、小麥、玉米等大田作物具有明顯增產的效果[10-13]。但是，目前在新疆北部以滴灌為主的水肥一體化生產模式中，由于滴灌隨水施肥能提高肥料的利用率，少量施用基肥或不施基肥的現象很普遍。然而，基肥在作物未進行滴灌施肥的苗期能發揮較大的作用。針對這些問題，緩釋尿素在滴灌棉花上作基肥施用是否可行，仍存在一定的疑問。因此，本研究通過大田施肥試驗，研究不同基施比例的緩釋尿素對滴灌棉田土壤無機氮累積，棉花產量，氮肥利用率及土壤氮素平衡的影響，以期為滴灌條件下棉花施用緩釋尿素可行性及適宜的基施比例提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年在新疆石河子市天業化工生態示范園進行，土壤類型為灌耕灰漠土，質地為壤土，pH 8.66，有機質20.79 g·kg-1，全氮0.86 g·kg-1，速效磷17.44 mg·kg-1，速效鉀354 mg·kg-1。供試作物為棉花(品種：新陸早48號)。供試肥料：尿素(CO(NH2)2)：N 46%；重過磷酸鈣：含P2O546%；硫酸鉀(K2SO4)：含K2O 50%；緩釋尿素：由新疆心連心能源化工有限公司提供，含N 44%，控失率大于35%。

1.2 試驗設計

試驗設5個處理，每個處理重復4次，共20個試驗小區，小區面積25.3 m2。棉花于2015年4月29日播種，采用一膜兩管四行，棉花播種密度30萬株·hm-2。采取“干播濕出”，播種后滴出苗水750 m3·hm-2。棉花生長期間灌水7次，每次灌水間隔8天，灌水量514 m3·hm-2，6月10日滴第一水，8月初停水，總灌水量3 600 m3·hm-2。各處理在棉花生長期間追肥分五次隨水滴入，從第二次灌水開始，第六次灌水結束，每次施肥量相同。其余田間管理措施同當地大田。

表1 試驗地0～100 cm土層土壤基礎理化性狀

試驗在施氮量310 kg·hm-2下，以不同基施用量的緩釋尿素搭配追施普通尿素，緩釋尿素用量分別占總施氮量的20%、50%、100%，同時設置兩組對照，即不施氮處理和普通尿素基施處理。分別為：

1) 不施氮肥(N0)，只施磷、鉀肥；

2) 普通尿素(U20)，基施普通尿素20%+追施普通尿素80%；

3) 緩釋尿素(CU20)，基施緩釋尿素20%+追施普通尿素80%；

4) 緩釋尿素(CU50)，基施緩釋尿素50%+追施普通尿素50%；

5) 緩釋尿素(CU100)，緩釋尿素100%基施。

其中，U20為當地農民習慣施肥基施比例，各處理磷、鉀肥均等量(P2O590 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2)作基肥一次性施入。

1.3 樣品采集和測定

在棉花播種前、收獲后采集0～100 cm深度的土樣，每20 cm為一層，用烘干法測定土壤容重和含水量，2 mol·L-1KCl浸提-比色法測定銨態氮含量，紫外分光光度法測定硝態氮含量。

在棉花成熟期取地上部新鮮樣品，用烘干法測定各器官干物質重，凱氏定氮法測定植株全氮。同時進行測產，并實收計產。

1.4 數據分析與計算

文中相關參數計算公式如下[14-15]

式中，h為土層厚度(cm)；β為土壤容重(g·cm-3)；c1為土壤銨態氮含量(mg·kg-1)；c2為土壤硝態氮含量(mg·kg-1)。

土壤無機氮積累量(kg·hm-2)=收獲后土壤無機氮含量(Nmin)-初始土壤無機氮總量(Nmin)；

土壤氮素礦化量(kg·hm-2)=不施氮區地上部分吸氮量+不施氮肥區土壤無機氮含量(Nmin)-不施氮土壤起始無機氮(Nmin)；

土壤氮素表觀損失量(kg·hm-2)=施氮量+播前土壤起始無機氮(Nmin)+土壤氮素礦化量-作物攜出-收獲后土壤無機氮含量(Nmin)；

氮盈余量(kg·hm-2)=收獲后土壤殘留無機氮(Nmin)+土壤氮素表觀損失量；

氮收獲指數(%)=(籽粒吸氮量/植株吸氮量)×100；

氮肥利用率(%)=(施氮區植株吸氮量-不施氮區植株吸氮量)/施氮量×100；

氮肥農學效率(kg·kg-1)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量。

試驗數據用SPSS 17.0和Excel 2003軟件進行處理和統計分析，LSD法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤無機氮分布、積累及殘留的變化

2.1.1 收獲期土壤硝態氮和銨態氮的氮垂直分布 收獲期土壤硝態氮和銨態氮的氮垂直分布如圖1所示，土壤NO3--N主要分布在0～60 cm土層，而60 cm以下土層NO3--N含量相對較低。各施肥處理土壤NO3--N含量在0～100 cm土層均顯著高于N0，緩釋尿素處理隨基施比例的增加0～60 cm土層土壤NO3--N含量表現為先增加后降低，60～100 cm土層各處理無明顯差異。U20、CU20、CU50和CU100處理0～100 cm土層NO3--N平均含量較N0分別增加了140.97%、189.27%、195.58%和112.70%。

圖1 棉花收獲期0～100 cm土層銨態氮和硝態氮含量

Fig.1 Distribution of soil NO3--N and NH4+-N within the 0～100 cm depth at cotton harvest under treatment of slow-release urea

各施肥處理NH4+-N主要積累于0～40 cm土層，40 cm以下土層NH4+-N含量差異不顯著，但均大于N0處理。

2.1.2 土壤無機氮積累 圖2為各處理土壤無機氮積累情況。施用緩釋尿素和普通尿素均能影響0～100 cm土壤的無機氮積累量，不同處理土壤無機氮積累量表現為CU20、CU50>U20>CU100>N0，不施肥處理為負積累，其余處理土壤無機氮均呈正積累，其中，CU20、CU50處理土壤無機氮積累量較U20高61.03%和63.76%。

圖2 不同處理對0～100 cm土壤無機氮積累的影響

Fig.2 Mineral N accumulation within 0～100 cm depth under the treatments

2.1.3 土壤無機氮含量 結果表明，各施肥處理土壤無機氮含量均顯著高于N0處理，與對照相比，CU100處理土壤無機氮含量最低，CU20和CU50處理較高，均達到顯著水平(表2)。各施肥處理較不施肥處理土壤無機氮含量增幅為98%～172%，其中，0～40 cm土層土壤無機氮最多，80～100 cm最少。

2.2 棉花植株干物質及氮素積累動態

圖3為棉花植株干物質和氮素積累動態，在棉花整個生育期內，各施肥處理干物質積累量均呈“S”曲線，并且隨著生育期的進程植株干物質積累量逐漸增加，在收獲期達到最大。其中，各處理的干物質積累量自初花期以后出現分異，并且各施氮處理顯著高于不施氮處理。棉花地上部氮素積累趨勢與生物量動態基本一致，隨生長發育表現為逐漸增加的趨勢。各處理在初花期前植株氮素吸收量無顯著差異，而在之后施肥處理開始顯著增加，與此同時不施氮處理氮素吸收量最低，說明土壤中氮素僅能夠滿足棉花早期生長的需要。

表2 不同處理對土壤無機氮含量的影響/(kg·hm-2)

注：同一列數值后的不同小寫字母表示不同處理差異達5%顯著水平，同一列數值后的不同大寫字母表示不同土層間差異達5%顯著水平。

Note: Values within a column followed by a different lowercase letter indicate significant difference at the 5% level. Values within a row followed by different uppercase letters indicate significant difference at the 5% level.

圖3 棉花地上部干物質及氮素積累動態

Fig.3 Accumulation trends of dry matter of aerial cotton and accumulation trends of N under treatment of slow-release urea fertilizer

2.3 棉花產量及氮肥利用率

2.3.1 棉花產量及其構成因子 表3可以看出，等施氮量下，緩釋尿素處理棉花保苗株數以CU100處理最少，說明氮肥一次性投入會影響棉花出苗；施氮均顯著提高棉花單株結鈴數，以CU100處理最多。各施肥處理棉花單鈴重均顯著高于不施氮處理，CU50處理最高，其余處理間無顯著差異。緩釋尿素處理間棉花產量隨基施比例的增大先增加后降低，其中CU50處理產量最高，比U20處理增產8.40%；但基施比例為20%時，緩釋尿素與普通尿素處理間產量差異不顯著。

表3 不同處理對棉花產量及其構成因素的影響

注：同一列數值后的不同小字母表示不同基施比例間差異達5%顯著水平。下同。

Note: Values within a column followed by a different lowercase letter are significantly different at the 5% level. The same below.

2.3.2 棉花氮肥利用率 不同處理下的棉花氮肥利用率如表4。施用氮肥能顯著提高棉花氮收獲指數，不施氮處理最低。相比于對照處理，CU20處理的氮肥利用率和氮肥農學效率差異均不顯著；CU50處理的氮肥利用率和氮肥農學效率分別高出4.18%和20.60%，而CU100處理均最低。同時，緩釋尿素處理間相比，CU50處理比CU20和CU100處理氮肥利用率高4.18%和24.37%，氮肥農學效率高28.25%和74.14%。

表4 不同處理下的棉花氮肥利用率

2.4 土壤氮素平衡

在本試驗中計算氮素平衡時，將土壤無機氮所在層次定義為0～100 cm深度，假定施氮區與不施氮區土壤礦化氮量相同，且不考慮降雨帶入土壤中的氮素量。

表5為棉花收獲期土壤氮素平衡。結果表明，在氮素總輸入項中，氮素總輸入量除N0外均一致；在氮素輸出項中，棉花氮素積累量隨基施比例增加先增加后降低，而氮肥表觀損失量則呈相反趨勢，其中CU20和CU50處理氮的表觀損失量均為負值，表明作為基肥的一部分被土壤固持的肥料氮又重新釋放了出來，由于基施的肥料氮被耕翻進入土壤中，因而這部分氮素可能主要是通過生物固定或粘土礦物固定進入了土壤有機氮或固定態銨組分。土壤氮素含量表現為隨基施比例的增加而降低。土壤氮素氮盈余量隨基施比例的升高表現為先降低后增加的趨勢，不施氮肥處理氮素盈余量最低為103 kg·hm-2，CU100處理最高為290 kg·hm-2。同時，U20、CU20、CU50和CU100處理土壤無機氮含量分別占盈余氮總量的86.94%、101.47%、106.11%和70.00%，表明盈余的氮素主要是保留在土壤中而不是通過損失進入環境，從而降低了環境污染風險。

表5 不同處理下的土壤氮素平衡

3 討 論

在干旱與半干旱地區土壤中，硝態氮是土壤有效氮素的主要存在形式，其含量在一定程度上反映出土壤氮素的豐缺[16]。本試驗結果表明，緩釋尿素處理隨基施比例的增加0～60 cm土層土壤NO3--N含量呈先增后減。同時，不施氮處理土壤無機氮積累量最低，出現虧缺，表現為負積累效應，基施比例為100%時次之；基施比例為20%和50%時，土壤無機氮積累量顯著增加，表現為富集現象。本研究表明，土壤無機氮含量隨基施比例的增大而顯著降低，尤其是緩釋尿素100%作基肥處理最低，這可能是緩/控釋肥用量過多時，大部分肥料態氮在棉花生長后期釋放，而此時棉花進入生長衰弱期，根系吸收能力降低，從而導致大量肥料氮經淋洗或反硝化等途徑損失出土壤-作物體系[17]，但究其具體去向還有待進一步研究。

本研究得出，緩釋尿素處理滴灌棉花干物質和氮素積累量均隨生育期進程持續增加，未出現脫肥現象。胡偉[18]研究表明，緩/控釋氮肥處理的棉花干物質累積量大于普通氮肥，且后期的養分供應相對充足和持久。焦曉光等[19]研究分析，緩釋尿素比常規尿素在水稻抽穗后期氮肥提供的多，進而加快了抽穗至成熟期的干物質積累，而其又與產量呈極顯著正相關關系。

本研究表明，施用緩釋尿素增加棉花單株結鈴數或單鈴重，緩釋尿素處理間棉花產量隨基施比例的增大先增后降，以緩釋尿素50%基施產量最高，與普通尿素處理相比增產8.40%。陳宏坤[20]等在黃淮海棉區研究發現，相同施氮量下，施用不同比例控釋尿素的處理籽棉產量比全部施用普通尿素處理均顯著增加。本研究還表明，緩釋尿素50%基施處理棉花氮肥利用率比20%和100%基施處理高4.18%和24.37%，氮肥農學效率高28.25%和74.14%。緩釋尿素處理棉花氮肥利用率隨基施比例的增大先升后降。可能是因為當基肥量為20%，追肥量過大時，普通尿素速效氮釋放過快，與棉花養分吸收不同步，導致氮素較多的殘留于土壤以及通過各種途徑損失，進而肥料利用率較低[21-22]。

土壤氮素平衡是評估田間氮素表觀損失的有效方法[23-24]。本研究試驗結果表明，滴灌條件下，棉田土壤氮素表觀損失量隨緩釋尿素基施比例的增加而先降后增，過多的施用基肥或追肥會增加氮素的損失。氮素盈余量也表現出與之類似的趨勢，然而盈余的氮素主要是保留在土壤中而不是通過損失進入環境，這與熊又升[25]等的研究結論一致，所以施用緩釋尿素可以降低環境污染的風險。

4 結 論

施用緩釋尿素能提高棉田土壤無機氮含量，降低氮素表觀損失，緩釋尿素處理較普通尿素處理高61.03%～63.76%。同時，施用適宜基施比例的緩釋尿素不但可以保證作物的生長，而且能獲得較高的肥料利用率。基施緩釋尿素占總氮量50%處理比20%和100%處理的氮肥利用率高4.18%和24.37%，氮肥農學效率高28.25%和74.14%。在本研究條件下，滴灌棉花基施緩釋尿素占總氮量50%為優。

[1] 趙秉強,楊相東,李燕婷,等.我國新型肥料發展若干問題的探討[J].磷肥與復肥,2012,27(3):1-4.

[2] 高祥照,馬文奇,崔 勇,等.我國耕地土壤養分變化與肥料投入狀況[J].植物營養與肥料學報,2000,6(4):363-369.

[3] 朱兆良.中國土壤氮素研究[J].土壤學報,2008,45(5):779-783.

[4] 趙秉強,張福鎖,廖宗文,等.我國新型肥料發展戰略研究[J].植物營養與肥料學報,2004,10(5):536-545.

[5] 張 炎,王講利,毛端明,等.新疆棉花平衡施肥技術發展現狀[J].土壤肥料,2003(4):7-10.

[6] Nosengo N. Fertilized to death[J]. Nature, 2003,425:894-895.

[7] 陳劍秋,陳宏坤,張 民,等.控失復合肥田間養分釋放特征及對土壤硝態氮和銨態氮累積的影響[J].水土保持學報,2011,25(4):110-115.

[8] 閆 湘,金繼運,何 萍,等.提高肥料利用率技術研究進展[J].中國農業科學,2008,41(2):450-459.

[9] 王向峰,劉樹慶,寧國輝.緩/控釋肥料的氮素利用率及控制效果研究[J].華北農學報,2006,21:38-41.

[10] 張福鎖,崔振嶺,王激清,等.中國土壤和植物養分管理現狀與改進策略[J].植物學通報,2007,24(6):687-694.

[11] 胡 偉,張 炎,胡國智,等.控釋尿素與普通尿素對棉花生長、養分吸收和產量的影響[J].新疆農業科學,2010,47(7):1402-1405.

[12] 王 恒,姜亦梅,趙蘭坡.控釋尿素對吉林春玉米產量和氮肥利用率的影響[J].中國農學通報,2011,27(5):126-129.

[13] 于淑芳,楊 力,張 民,等.控釋尿素對小麥、玉米產量及土壤氮素的影響[J].農業環境科學學報,2010,29(9):1744-1749.

[14] 劉學軍,趙紫娟,巨曉棠,等.基施氮肥對冬小麥產量、氮肥利用率及氮平衡的影響[J].生態學報,2002,22(7):1122-1128.

[15] 侯秀玲.棉田土壤硝態氮實時變化規律及氮素平衡初步研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學,2006.

[16] 胡明芳，田長彥,呂昭智,等.氮肥施用量對新疆棉花產量及植株和土壤中硝態氮含量的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2006,34(4):63-68.

[17] 成艷紅,武 琳,鐘義軍,等.控釋肥對稻草覆蓋紅壤花生產量及土壤有效氮平衡的影[J].土壤學報,2014,(2):306-313.

[18] 胡 偉.控釋氮肥對棉花植株和土壤氮素含量及產量的影響[D].烏魯木齊：新疆農業大學,2010.

[19] 焦曉光,梁文舉.施用控釋尿素后土壤尿素氮的轉化及其對產量的影響[J].農業系統科學與綜合研究,2003,(4):297-299.

[20] 陳宏坤,李 博.摻混型控釋肥對棉花產量及氮肥利用率的影響[J].中國農學通報,2012,28(3):213-217.

[21] 易鎮邪,王 璞,陶洪斌,等.氮肥基/追比對華北平原夏玉米生長發育與水、氮利用的影響Ⅱ.夏玉米氮素累積、轉運與土壤無機氮動態[J].中國生態農業學報,2008,(1):86-90.

[22] 鄭成巖,于振文,王西芝,等.灌水量和時期對超高產小麥氮素積累、分配和轉運及土壤硝態氮含量的影響[J].植物營養與肥料學報,2009,15(6):1324-1332.

[23] 曹雯梅,劉松濤,鄭貝貝,等.小麥高產及超高產優化管理模式對氮素吸收分配、土壤硝態氮累積及產量的影響[J].核農學報,2013,(10):1567-1574.

[24] 耿計彪,張 民,李成亮,等.控釋氮肥對盆栽棉花產量及土壤養分狀況的影響[J].棉花學報,2015,(5):401-407.

[25] 熊又升,陳明亮,何圓球,等.包膜尿素對芹菜產量、品質及氮素平衡的影響[J].植物營養與肥料學報,2005,(1):104-109.

Effects of slow-release urea on soil inorganic N and yield in drip-irrigated cotton field

LI Wei1, YE Jun1, ZHEN Ji-liang2, YUE Yan-jun2

(1.DepartmentofResourcesandEnvironmentalScience,CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China;2.XinjiangXLXEnergyChemicalCo.,Ltd，Manasi,Xinjiang832200,China)

The objective of this experiment was to study the effect of slow-release urea fertilizer on soil inorganic N distribution, N accumulation, residual N concentration, yield, N use efficiency, and the N balance. Findings from this study can be used to determine if slow-release urea can be applied to drip-irrigated cotton and to decide the optimum application rate at planting. The results showed that the concentration of NO3--N and NH4+-N significantly increased by using slow-release urea, and the content of nitrate nitrogen in the soil treated with slow-release urea increased by 189.27%, 195.58% and 112.70% respectively. The accumulation amount of inorganic nitrogen in the soil in fertilization treatment showed the enrichment phenomenon, and the negative accumulation effect was shown in the treatment of nitrogen fertilizer. The content of inorganic nitrogen in soil decreased with the increase of the proportion of base fertilizer, while the apparent N loss and the increase of the percentage of nitrogen surplus decreased first and then increased. Cotton yield, nitrogen use efficiency and agronomic efficiency increased first and then decreased with the increase in the proportion of base fertilizer of slow-release urea, and the yield was attributed to the increase in the boll number and boll weight of cotton. In conclusion, under the experimental conditions, with slow-release urea being 50% of the total nitrogen, the yield of drip-irrigated cotton and nitrogen use efficiency were higher, and apparent N loss was lower.

drip irrigation; cotton field; slow-release urea; inorganic nitrogen; yield

1000-7601(2017)02-0166-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.26

2015-12-17基金項目：國際科技合作專項(2015DFA11660)

李 瑋(1990—)，男，新疆昌吉人，碩士，主要從事新型肥料與現代施肥技術研究。 E-mail:18040832639@163.com。

冶 軍，E-mail:yejun.shz@163.com。

S143

A