控釋肥對小麥/玉米農田土壤硝態氮累積和遷移的影響

石寧，李彥，張英鵬，羅加法，仲子文，孫明，劉兆輝，井永蘋，薄錄吉

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控釋肥對小麥/玉米農田土壤硝態氮累積和遷移的影響

石寧1，李彥1，張英鵬1，羅加法2，仲子文1，孫明1，劉兆輝3，井永蘋1，薄錄吉1

（1山東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室/山東省農業面源污染防控重點實驗室，中國濟南 250100；2新西蘭農業科學院魯亞庫拉研究中心，新西蘭哈密爾頓 3240；3山東省農業科學院，中國濟南 250100）

【目的】利用田間試驗研究樹脂包膜控釋尿素對冬小麥夏玉米產量、肥料表觀利用率、氮肥表觀損失量、土壤硝態氮的累積和遷移規律的影響，為一次性施肥技術的發展提供重要的理論指導?！痉椒ā繉Χ←?夏玉米輪作的大田試驗設置3個處理：（1）不施氮（CK）；（2）普通尿素優化施肥處理（OPT，基施50%，小麥返青、玉米拔節50%）；（3）樹脂包膜尿素一次性施肥處理（CRF，80% OPT施氮量）。小麥OPT和CRF處理氮用量分別為180和144 kg·hm-2，玉米OPT和CRF處理氮分別為210和168 kg·hm-2，小麥磷鉀的施用量分別為P2O590 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2，玉米磷鉀的施用量分別為P2O560 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2，肥源分別為過磷酸鈣和氯化鉀。在小麥返青期、拔節期、孕穗期和收獲期以及玉米苗期、拔節期、灌漿期和成熟期按照20 cm土層采集0—100 cm土壤剖面土樣進行分析，在收獲時收集植株葉片及籽粒樣品進行養分分析并測定其產量?！窘Y果】與優化施肥相比，控釋肥在減少20%施氮量的情況下，小麥產量達到7.87 t·hm-2，地上部總氮吸收量為209 kg·hm-2，玉米產量和吸氮量分別為7.57 t·hm-2和142 kg·hm-2，不僅保證了小麥、玉米的產量和地上部總氮吸收量，小麥玉米持續施用控釋肥還減少了土壤中氮的表觀損失量。土層中硝態氮素累積主要發生在40—60 cm土層，控釋肥能夠有效減少硝態氮在0—100 cm土層中的累積量，同時減緩硝態氮向深層土壤遷移的速率?！窘Y論】在冬小麥-夏玉米體系中，控釋肥能夠實現減量施氮不減產，同時減少氮肥損失，降低土壤中硝態氮的累積和遷移，降低環境風險。

控釋肥；硝態氮；累積；遷移；小麥；玉米

0 引言

【研究意義】氮肥在農田生態系統中的投入和支出平衡對農業可持續發展至關重要，而農民為了獲得更高的作物產量，盲目的過量施用氮肥導致氮肥利用率低，同時造成了嚴重的環境污染，例如地表富營養化、地下水和蔬菜中硝態氮含量超標、溫室氣體排放量增加等問題[1]。在華北平原地區，冬小麥-夏玉米輪作是主要的輪作模式，冬小麥季氮的平均施用量已經達到369 kg·hm-2[2]，遠超過作物對氮的需求量。另外，作物前期生長對養分需求較小，在傳統的施肥過程中，有一半的氮肥會作為基肥在作物前期施入土壤，造成浪費[3]。我國目前當季氮肥利用率低，僅為35%[4]，平均每年大約有180 kg·hm-2的氮通過氨揮發、硝化與反硝化等途徑損失在環境中[5]，而累積在土壤中的氮主要以硝態氮的形式存在[6-8]，非常容易因為降雨或者大量灌溉向深層土壤遷移，造成深層土壤硝態氮累積增加[2,9-10]，進而造成氮淋溶威脅地下水安全[11]。氮素施用主要以尿素為主，尿素施入土壤后在脲酶的作用下會迅速水解并發生大量氮損失[12]，在小麥-玉米輪作體系中，土壤中硝態氮在60—200 cm土層中已經出現明顯的累積和遷移[13-14]。所以氮肥品種，施用數量以及施用時間是保證作物產量和提高氮肥利用效率的關鍵[4]，其中，緩/控釋肥用于大田主要糧食作物已經成為當前減量施氮，提高氮肥利用率并維持土壤氮素平衡的重要途徑，也是未來農業可持續發展的重要途徑。【前人研究進展】研究者主要從肥料品種本身上尋找解決問題的方法，根據包膜材料控制養分的釋放速率和釋放時間，將其分為緩釋肥和控釋肥[1,15]。其中，控釋肥因為其釋放養分的時間和速率滿足了作物在整個生育期對養分的需求[16-18]，還因為其一次性施肥的特點降低了傳統基追分施增加的勞動成本，成為降低氮肥使用量而提高其利用率的主要途徑之一。提高作物產量和氮肥利用率是選用控釋肥的基本目標，最主要的目標是要降低氮在土壤中的殘留和向深層土壤的遷移，減少氮肥對環境產生的風險。已經有研究表明，施用樹脂包膜的尿素能夠顯著增加玉米、水稻等作物的產量，提高氮肥利用效率[6,19]，而冬小麥這樣長生育期的作物對控釋肥養分的釋放速率以及氮肥利用效率的要求也會更高[19-21]。【本研究切入點】之前的研究大多集中在控釋肥對作物產量、品質的影響以及氮肥的回收利用率等方面，忽略了施用控釋肥后土壤氮的累積和其遷移的情況?！緮M解決的關鍵問題】本試驗是在保證小麥、玉米穩產或者少量增產的前提下，在小麥-玉米輪作體系中施用減量氮肥的控釋尿素，能減少氮肥損失，并降低土壤中硝態氮的累積和其向深層土壤的遷移，降低其對環境的污染風險，為綠色農業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 基本概況

試驗地位于山東省微山島鄉上莊村，經緯度為：34°39'34" N，117°14'46" E。該地區常年平均降水為697 mm。試驗作物為冬小麥濟麥22號，2014年10月6日播種，2015年6月20日收獲，夏玉米為鄭單958，2015年6月28日播種，10月4日收獲。供試土壤為潮土，黏壤土。表層0—20 cm土層的基礎理化性狀：pH 7.3，有機質含量為20.75 g·kg-1，Olsen-P含量為6.86 mg·kg-1，有效鉀含量為89.69 mg·kg-1，硝態氮含量為9.64 mg·kg-1，0—100 cm土層中硝態氮累積量為50 kg·hm-2。

1.2 試驗設計與田間管理

小麥施肥處理：CK（不施用氮肥的空白處理，0-90-60，每公頃N、P2O5、K2O純養分含量）；CRF（144-90-60，控釋肥處理，氮投入量為優化施肥處理的80%）；OPT（180-90-60，優化施肥處理）。玉米施肥處理：CK（0-60-60）；CRF（168-60-60）；OPT（210-60-60）。

田間操作根據當地習慣，肥料包括普通尿素（N 46%）和樹脂包膜尿素（N 42%，金正大）、重鈣（P2O544%）、氯化鉀（K2O 60%）。其中，普通尿素分基施和追施兩次，施用量基，追肥各半，追施分別在小麥返青期和玉米拔節期進行開溝施用。磷鉀肥和包膜控釋肥一次性基施。每個處理設置3次重復，小區面積36 m2，各小區隨機區組排列。小麥生育期內不進行人工灌溉，各處理其他管理措施均等同于大田生產。

1.3 田間收獲與指標測定

于作物成熟期收獲整株作物，按器官分開，105℃殺青30 min，60℃烘至恒重，稱取干重。通過凱氏定氮法測定植株樣品全氮。于小麥的返青期、拔節期、孕穗期和收獲期以及玉米的苗期、拔節期、灌漿期和成熟期按照20 cm土層采集0—100 cm土壤剖面土，用環刀法測定不同土層土壤容重，鮮土用2 mol·L-1KCl溶液（土水比1﹕5）浸提，并通過氮素連續流動分析儀（TRAACS 2000, Bran and Luebbe, Norderstedt, Germany）測定硝態氮和銨態氮。

1.4 統計及分析方法

采用Excel、SigmaPlot進行數據處理和繪圖，采用SPSS16.0（Duncan<0.05）（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）進行顯著方差分析。

氮肥表觀利用率（REN）=(U-U0)/F×100%

式中，U為施肥后作物收獲時地上部的氮肥吸收量，U0為未施肥時作物收獲時地上部的氮肥吸收量，F為氮肥的投入量。

氮肥表觀損失（Nloss）=Nmin，initial+ Norganic+ Nfer- Nmin, harvest- Nuptake

式中，Nmin, initial和 Nmin, harvest分別表示種植前和收獲后0—100 cm土層無機氮含量；Norganic表示假定不施氮肥處理的氮素損失為零，并根據氮素平衡計算土壤氮的礦化量；Nfer表示氮肥的投入量；Nuptake表示地上部氮的吸收量[22]。

相對氮累積速率（RNAR）=(N2-N1)/[(T2-T1)N1]式中，N1和 N2分別表示在第一（T1）、第二次（T2）收獲時土壤中的氮含量。

2 結果

2.1 不同施肥措施對氮肥吸收利用的影響

從表1可見，小麥季和玉米季的OPT和CRF處理的產量均顯著高于對照處理，地上部總吸氮量也均顯著高于對照處理，但是OPT和CRF之間沒有顯著差異（表1）。

在小麥季，CRF和OPT處理的氮肥表觀利用率沒有顯著差異，分別為45%和53%。而CRF處理0—100 cm土層的氮肥表觀損失量較低，為46.94 kg·hm-2，顯著低于OPT處理（表2）。在玉米季，CRF的氮肥表觀利用率略高于OPT，但處理之間沒有顯著差異。CRF處理0—100 cm土壤硝態氮出現盈余，為19.35 kg·hm-2，而此時OPT處理氮肥表觀損失量為53.78 kg·hm-2，顯著高于CRF（表2）。

2.2 不同生育時期土壤硝態氮累積變化

隨著小麥生長，CRF處理的0—100 cm土層中硝態氮的含量一直和對照處理CK保持一致，在拔節期出現最低累積量14 kg·hm-2，而后隨著小麥生長累積量逐漸升高，在收獲期達到80 kg·hm-2；相反，OPT處理的0—100 cm土層中，硝態氮含量在小麥的孕穗期明顯高于其他處理，達到峰值214 kg·hm-2，在收獲時硝態氮含量下降為105 kg·hm-2（圖1）。在玉米季，不同處理間0—100 cm土層中的CRF和CK硝態氮含量變化趨勢一致，在整個生育期CRF處理的硝態氮含量平均高出CK 110 kg·hm-2，OPT處理在灌漿期達到峰值312 kg·hm-2；在玉米成熟收獲時，CRF和OPT土壤硝態氮含量相同，均達到165 kg·hm-2（圖2）。

表1 小麥/玉米產量和總吸氮量

每列數據后小寫字母表示不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

The lowercase letters in the column indicate significant differences among the treatments (＜0.05). The same as below

表2 小麥/玉米不同處理的氮肥表觀利用率和0—100 cm土層氮肥表觀損失量

同列數據后小寫字母表示小麥不同處理間差異顯著，大寫字母表示玉米不同處理間差異顯著（＜0.05）

The lowercase letters in the column indicate significant differences between the treatments for wheat, the uppercase letters indicate differences between the treatments for maize (＜0.05)

RS：青期；JS：拔節期；BS：孕穗期；HS：收獲期。下同

2.3 硝態氮在土壤中的遷移速率

小麥季土壤中硝態氮的相對累積速率在不同土層中存在顯著差異。施氮處理OPT和CRF的相對累積速率隨著土層加深呈現出先升高后降低的規律，并在40—60 cm土層達到峰值，顯著高于其他土層中硝態氮的相對累積速率。OPT在40—60 cm土層中每季達到93 kg·hm-2，是CRF處理的2倍多（圖3）。小麥收獲之后播種玉米，玉米季土壤中硝態氮累積速率的變化和小麥季完全不同。在0—20 cm表層土壤中，硝態氮的相對累積速率雖然顯著高于其他土層，但是CRF的相對累積速率也僅為每季2 kg·hm-2，OPT和CK為1 kg·hm-2，在20—40 cm以及40—60 cm，除了OPT土層中出現較小的累積，其他處理在20—100 cm土層中均出現了小幅度的負增長現象（圖4）。

圖2 玉米季不同生育時期硝態氮在0—100 cm土層中的累積量

不同大寫字母表示不同土層間平均值差異顯著（P＜0.05）。下同

圖4 玉米季不同處理硝態氮在不同土層中的相對累積速率

3 討論

雖然CRF的施氮量僅為OPT的80%，但是并沒有降低小麥、玉米的產量和地上部總氮吸收量（表1），說明在優化施肥量的基礎上減施20%的氮肥能夠保證作物不減產，符合目前華北平原小麥、玉米適宜的理論施氮量[23-24]。氮肥利用率隨施氮量增加而降低，損失率相應增加[22,25]，本試驗條件下，OPT的施氮量雖然是優化施氮量，但是因為施用的是尿素，在土壤中極易造成損失進而污染環境。小麥季中OPT處理氮肥的表觀利用率雖然較高，但是氮肥的損失量也高（表2），相反，包膜控釋肥料由于釋放養分緩慢，在整個生育期土壤中的硝態氮變化相對比較平緩，在整個生育期根層土壤硝態氮量較穩定[19,26]。王文巖[27]、栗麗等[28]研究也證實控釋肥能夠在減施25%氮肥的條件下保證產量并提高氮肥利用率，同時也能維持土壤氮素平衡。從化肥氮投入量和作物地上部氮輸出量發現，在本試驗中小麥/玉米一年兩熟的輪作體系中，CRF的氮總輸入量為312 kg·hm-2，地上部總吸氮量為326 kg·hm-2，而OPT的總輸入為390 kg·hm-2，輸出為351 kg·hm-2，根據CHEN等[29-30]建立的高產條件下土壤-作物系統綜合管理技術，本試驗中OPT處理的施氮量雖然在理論推薦施氮量的范圍內，但仍然存在較高的氮累積或者損失的風險，CRF的施氮量相對更為合理。另外，由于OPT追施尿素，小麥和玉米生長后期0—100 cm土層中有明顯的硝態氮累積，在作物收獲后，硝態氮卻又明顯回落，從CRF和OPT處理的表觀損失量（表2）可以看出，CRF減少的20%的氮實際也是減少了氮的損失量。

硝態氮在土壤剖面中的累積量和淋容量會隨著施氮量的增加而增加[31-33]，淋溶量不僅受水分的影響，也和作物根系生長的時空性相關。在本試驗中，OPT處理0—100 cm的土層中，硝態氮的含量在小麥季拔節期和玉米灌漿期追施氮肥后都有明顯累積，小麥季整個生育期中硝態氮的相對累計速率在40—60 cm土層表現最強烈，高達93 kg·hm-2，說明硝態氮向深層土壤遷移在小麥季主要集中在40—60 cm土層，于淑芳等[20]研究也表明，在首季小麥季時，施用速效性氮肥后硝態氮向下遷移主要集中在60 cm土層，即使在高氮投入的設施菜田中，施用控釋肥后，硝態氮殘留主要集中在表層根系分布的區域，減少了其向下層土壤的淋洗[34]。因此，40—60 cm土層可能是0—100 cm土層中氮素遷移的敏感層，硝態氮在土壤中累積和遷移發生初期主要集中在40—60 cm土層。在之后玉米季連續施用氮肥后，所有施肥處理其硝態氮含量均呈現不斷增加的趨勢（圖2），而此時土層中硝態氮只有在0—20 cm表層發生較小幅度的累積，而在20—100 cm土層中出現了小幅度的負增長（圖4），在玉米收獲時，所有施氮處理0—100 cm的硝態氮含量已經維持在了較高水平，說明此時20—100 cm土層中的硝態氮仍然在向更深層的土壤遷移，發生了淋溶[32-33]。CRF處理0—100 cm土層中硝態氮累積量在小麥季和CK保持一致，由于連續的施加氮肥，在玉米季其含量也開始升高，并從表層土壤向下遷移，但是遷移速率遠不及OPT處理（圖3、4）。上述結試驗結果說明，在小麥-玉米輪作中，控釋肥在土壤中殘留硝態氮減少，在保證耕層養分供應滿足作物需求的情況下減少了硝態氮向深層土壤的遷移。在西歐等發達國家規定的氮肥優化管理體系中，作物收獲后0—100 cm土層中氮素殘留應不超過50 kg·hm-2[20]，在中國針對華北平原小麥/玉米輪作體系中優化管理的氮素盈余量參考值為100 kg·hm-2[35]。本試驗在試驗前0—100 cm土層中的硝態氮含量為50 kg·hm-2，在小麥/玉米輪作收獲后CRF和OPT處理的硝態氮含量均為165kg·hm-2，盈余量為115 kg·hm-2，結果非常接近，這也就充分說明本試驗中減施20% 氮的控釋肥能更好地降低對土壤以及地下水環境污染的風險。

4 結論

和優化施肥相比較，包膜控釋肥不僅可以實現和作物種子一次性施入土壤，減少勞動力達到省工的目的；另外，在保證作物產量和地上部吸氮量的同時，減施20%氮量的控釋肥還減少了硝態氮在土壤中的殘留量，降低了硝態氮向深層土壤遷移的速率，也進一步降低了對環境污染的風險。

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（責任編輯 李云霞，趙伶俐）

Effects of the Controlled Release Fertilizer on Nitrate Accumulation and Migration in the Soil of Wheat-Maize Rotation System

SHI Ning1, LI Yan1, ZHANG YingPeng1, LUO JiaFa2, ZHONG ZiWen1, SUN Ming1, LIU ZhaoHui3, JING YongPing1, BO LuJi1

(1Agricultural Institute of Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment of Huang-Huai-Hai Plain, Ministry of Agriculture/Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Control and Prevention, Jinan 250100, China;2AgResearch, Ruakura Research Centre, Hamilton 3240, New Zealand;3Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China)

【Objective】 This study explored the effects of urea coated by resin on the crop yield, nitrogen (N) recovery efficiency, N apparent loss, nitrate accumulation and migration of winter wheat and summer maize, which could provide theoretical support for further development of one-off fertilization technique. 【Method】 Field experiments in winter wheat-summer maize were set up with four different treatments, described as below : (1) No N fertilizer (CK), (2) Optimal fertilization by split application of urea (OPT, 50% of base fertilizer, 50% of turning green fertilizer of wheat and jointing fertilizer of maize, (3) single basal application of resin coated urea (CRF, 80% N rate of OPT). The OPT and CRF in wheat were fertilized with N 180 kg·hm-2and 144 kg·hm-2, respectively, which in maize were 210 kg·hm-2and 168 kg·hm-2, respectively. All the experimental fields were fertilized with P2O590 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2in wheat, and P2O560 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2in maize, which were supplied by calcium superphosphate and potassium chloride. The 0-100 cm soil samples were collected at 20 cm increments during the period of returning green stage, jointing stage, booting stage and after harvest for the winter wheat; and seeding stage, jointing stage, filling stage and harvest stage for the summer maize. Shoot and grain samples of crops were collected at harvest stage to analyze nutrients. 【Result】 Compared with OPT, the yield of CRF reached 7.87 t·hm-2, the total N absorption of aboveground was 209 kg·hm-2, and the maize yield and N uptake were 7.57 t·hm-2and 142 kg·hm-2, respectively. It not only ensured the yield and total N uptake in wheat and maize, but also decreased the apparent N loss in soil in the wheat and maize rotation system. The 40-60 cm soil layer was the main location that nitrate accumulation. The application of CRF could effectively reduce the accumulation of nitrate in 0-100 cm soil layer, and slowing down the rate of nitrate migrate to the deep soil. 【Conclusion】 In the winter wheat-summer maize system, CRF with less N input could reduce the nitrate accumulation and migration in the soil without reducing yield and N uptake. Application of CRF could reduce the environmental risk from the apparent N loss in the soil.

controlled release fertilizer; nitrate-N; accumulation; migration

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.010

2018-01-19；

2018-06-21

國家公益性行業（農業）科研專項（201303103）、“海外泰山學者”建設工程專項、農業部“引進國際先進農業科學技術”項目（2014—S21）、山東省農業科學院農業科技創新工程（CXGC2016B09）、山東省農業科學院青年科研基金（2014QNM49，2016YQN40）、山東省自然科學基金（ZR2016DB28）、山東省重點研發計劃（2016CYJS05A01）

石寧，E-mail：shining412616@163.com。通信作者李彥，Tel：0531-83179141；E-mail：nkyliyan@126.com