控釋尿素與黃腐酸提高稻麥輪作系統產量和效益的協同效應

姚媛媛，王曉琪，楊越超，程冬冬，陳寶成，劉 燕，唐亞福，馬金昭

（土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018）

稻麥輪作系統鏈接著兩個截然不同的土壤環境，可均衡高效利用溫度、降水和土壤養分資源，是我國廣泛應用的農業耕作制度[1-3]。氮素是水稻和小麥生長過程中最活躍的養分因子[4-5]，對作物產量的形成起著關鍵作用。目前，我國水稻和小麥過量施肥率超過25%，氮肥利用率僅有27.3%和38.2%[6-7]，遠低于世界平均氮素利用率水平50%以上。不合理的氮肥施用不僅浪費肥料，還會通過揮發、徑流和淋溶等途徑造成大氣、地表和地下水污染[8]。因此，提高氮素利用率對于提高糧食產量、降低農業面源污染、維護國家糧食安全具有重要意義。

控釋尿素通過減緩氮素的釋放速率來維持較長時間的養分供應[9]。大量水稻、小麥田間試驗已證實，控釋尿素能夠提高氮素利用率，降低人工成本，甚至在減少氮肥投入1/3的基礎上還能夠保持作物平產甚至增產[10-11]。由于養分釋放緩慢，還降低了氮素的固定、揮發及淋失，減輕了環境風險[12-14]。黃腐酸是廣譜生物刺激素[15]，其可通過調控葉片氣孔開閉增強作物的光合作用，其中的活性基團可吸附多種鹽基離子，改善土壤物理性質，加速團聚體的形成，最終提高作物對肥料的利用率[16]。但二者配施后對稻麥周年輪作系統的影響鮮有研究。因此，本文通過田間小區試驗，研究了控釋尿素和黃腐酸的協同增效作用，為進一步提高控釋尿素的效益提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年6月至2019年6月在濟南市濟陽縣水稻科技示范基地進行(E117°22′、N36°98′)，該地屬暖溫帶半濕潤季風氣候，月平均氣溫和降水如圖1所示。供試土壤類型為發育在黃河沖積母質上的粘壤水稻土，水稻種植前土壤基本理化性狀為：pH 7.1(水土比2.5∶1)，有機質13.5 g/kg，硝態氮15.4 mg/kg，銨態氮12.3 mg/kg，全氮1.33 g/kg，有效磷19.7 mg/kg，速效鉀114 mg/kg。

圖1 2018年6月—2019年6月試驗地區月平均氣溫和降水量Fig.1 Monthly mean temperature and precipitation during June/2018-June/2019 at the experimental site

供試肥料包括控釋期3個月的樹脂包膜尿素(N 43%)、普通尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O515.5%)及氯化鉀(K2O 60%)，上述肥料均由金正大生態工程集團股份有限公司提供。供試黃腐酸以秸稈為原料腐熟發酵制成，屬生化黃腐酸，由山東泉林嘉有肥料有限責任公司提供。供試水稻品種為‘圣稻14’，生育期約156天，屬中晚熟常規粳稻；供試小麥品種為‘山農20’，生育期約240天，屬于半冬性中晚熟品種。

1.2 試驗方法及設計

采用田間小區試驗，小區長寬均為4 m。試驗開始前在各小區筑起30 cm×30 cm的土垅，以保證單獨排灌。試驗共設6個處理，不施氮對照(CK)；普通尿素(U)；控釋尿素(CR-U)；減量40%控釋尿素(60% CR-U)；控釋尿素+腐殖酸(CR-U+F)；減量40%控釋尿素加腐殖酸(60% CR-U+F)，每個處理重復3次，隨機排列，每個處理具體養分投入量和比例見表1。普通尿素處理的氮肥6 0%基施；40%追施，水稻于苗期和拔節期各追施20%；小麥于拔節期和抽穗期各追施20%。控釋尿素處理的氮肥和磷鉀肥一起一次性基施于15 cm土層。黃腐酸溶解于1000 mL水中，均勻噴灑于土壤表層。

水稻行距30 cm、株距15 cm，小麥行距為20 cm。稻麥輪作系統整個生育期內的灌溉、除草、病蟲害防治等均按照當地農民常規管理方式。

1.3 樣品采集及測定

水稻季于苗期(2018年7月14日)、拔節期(2018年8月19日)、灌漿期(2018年9月16日)和完熟期(2018年10月20日)進行植株和土壤樣品的采集；小麥季于苗期(2018年11月19日)、拔節期(2019年3月11日)、抽穗(2019年4月15日)和完熟期(2019年6月10日)進行植株和土壤樣品的采集。

土壤pH采用pH計測定，水土比2.5∶1；土壤硝態氮與銨態氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流動注射分析儀(AA3-A001-02E，Bran+Luebbe，德國)測定；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，全自動智能化學分析儀(Smart Chem 200，Alliance，法國)測定；土壤速效鉀采用1 mol/L CH3COONH4浸提，火焰光度計(Model 410，Sherwood，英國)測定。葉片光合速率(Pn)采用便攜式光合儀(Li-6400XT，LI-COR，美國)測定；植株葉片SPAD值采用葉綠素儀(SPAD-502，Minolta，日本)測定；植株全氮采用H2SO4-H2O2聯合消化，凱氏定氮法測定；在完熟期對中間三行水稻或小麥全部收割，實打實收并統計測產。控釋尿素25℃靜水釋放率參考《緩釋肥料》(GB/T23348-2009)國家標準[17]。控釋尿素田間養分釋放率采用埋袋法測定[18]。

氮肥利用率(%)=(施氮區地上部分吸氮量-對照區地上部分吸氮量)/施氮量×100

氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/施氮量

氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮區產量/施氮量

增產幅度(%)=(施氮區作物籽粒產量-對照區作物籽粒產量)/對照區作物籽粒產量×100[3]。

1.4 數據分析

數據通過Excel 2016和SAS 8.0軟件進行處理和統計分析，采用ANOVA進行方差分析，不同處理間采用Duncan’s Multiple Range Test方法檢驗各處理平均數在P＜0.05水平的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 控釋尿素在25℃靜水和田間土壤條件下的氮素釋放特性

供試控釋尿素的理論釋放期為3個月。控釋尿素在25℃靜水條件下的釋放曲線呈“S”型(圖2)：肥料在前一個月釋放緩慢，該時間段內養分共計釋放21.7%。30～70天為養分快速釋放階段，40天內共有50.7%的氮素被釋放。隨后70～100天養分又進入緩慢釋放階段，30天內氮素累計釋放17.7%。90天內，控釋尿素氮素累積釋放90.1%，符合“規定釋放期內肥料養分釋放總量不能低于80%”的緩控釋肥料行業評價標準(GB/T 23348-2009)。

表1 試驗處理氮磷鉀肥和黃腐酸用量Table 1 NPK fertilizer and fulvic acid use level in each treatment of the experiment

圖2 控釋尿素在25 ℃靜水條件下的累積釋放率Fig.2 Cumulative release rate of controlled-release urea in water at 25 ℃

肥料在田間條件下的養分釋放特性更能代表其實際供肥速率和肥效長短。水稻季控釋尿素在土壤中的養分釋放規律與25℃靜水條件下基本相似(圖3)，在前30天氮素累計釋放21.2%，釋放高峰期同樣出現在30～70天，該階段氮素累計釋放48.3%。小麥季前100天由于降水稀少和土壤低溫，控釋尿素在該時間段內氮素僅釋放了16.8%(圖4)。當小麥度過越冬期進入返青期后，隨著降雨量、灌溉量以及溫度的提升，控釋尿素在第100～200天出現釋放高峰，該階段內氮素累計釋放67.6%。

2.2 不同處理對稻麥產量及產量構成因素的影響

圖3 水稻季控釋尿素在土壤中的氮素釋放率Fig.3 Cumulative release rate of controlled-release urea in mesh bags buried in rice field

圖4 小麥季控釋尿素在土壤中的氮素釋放特性Fig.4 Cumulative release rate of controlled-release urea in mesh bags buried in wheat field

周年輪作系統中水稻和小麥產量受氮肥類型、施氮量和黃腐酸用量3個因素共同影響(表2)。氮肥類型及施氮量主要影響了作物的有效分蘗數和穗粒數。但除CK處理外，所有施肥處理的千粒重均無顯著差異。在水稻季，CR-U處理較U處理水稻產量顯著提高10.5%，60% CR-U處理即在減氮40%條件下，產量與全量普通尿素處理也無顯著差異。施用黃腐酸后，CR-U+F處理較CR-U處理產量顯著提高7.3%，但60% CR-U+F處理與60% CR-U處理產量無顯著差異。小麥季，CR-U處理較U處理顯著增產9.8%，但60% CR-U處理產量較U處理降低了6.1%。控釋尿素與黃腐酸配施后，CR-U+F處理在CR-U處理基礎上進一步增產4.4%，并較U處理產量提高了14.7%。此外，60% CR-U+F處理較60%CR-U處理也顯著增產5.0%，且與U處理產量無顯著差異。

2.3 不同處理對稻麥氮素利用狀況的影響

U處理在水稻季和小麥季的氮肥利用率分別僅有24.8%和31.5%，超過70%的氮素未被作物利用而損失掉(表3)。與U處理相比，CR-U處理氮素利用率在水稻季顯著提高64.8%，在小麥季顯著提高42.0%，因此，施用控釋尿素能夠提高氮素利用率，從而減少氮素損失。控釋尿素與黃腐酸配施后，在控釋尿素基礎上進一步提高了氮素利用率，這主要由于施用黃腐酸促進了作物對氮素的吸收。在水稻季和小麥季，CR-U+F處理較CR-U處理總吸氮量分別顯著提高11.7%和6.9%，從而使作物氮素利用率分別提高了32.5%和18.3%，而60% CR-U+F處理也較60% CR-U處理分別提高了氮素利用率19.6和2.4個百分點。氮肥農學效率受氮肥類型、氮素用量和黃腐酸施用3個因素共同影響，CR-U、60% CR-U、CR-U+F和60% CR-U+F處理在水稻季和小麥季氮肥農學效率較U處理均有所提高。氮肥偏生產力能夠代表單位氮肥所能生產的作物籽粒量。相同施氮量條件下，控釋尿素每千克氮素較普通尿素能夠額外產出10.5%的水稻和9.9%的小麥，且施用黃腐酸后，能夠在控釋尿素基礎上進一步提高氮肥的農學效率和氮肥的偏生產力。

表2 不同處理的水稻和小麥產量及產量構成Table 2 Yield and yield components of rice and wheat under different treatments

表3 不同處理下水稻和小麥的氮素利用率Table 3 Fertilizer use efficiency of rice and wheat under different treatments

2.4 不同處理對水稻灌漿期和小麥抽穗期葉片光合速率及SPAD值的影響

作物產量的90%以上源自于葉片的光合作用，水稻的灌漿期和小麥的抽穗期是作物通過光合作用進行產量積累的關鍵時期，該階段葉片光合速率的高低是影響產量的關鍵。表4表明，CR-U處理較U處理分別顯著提高水稻和小麥葉片光合速率21.9%和29.7%，并使水稻葉片氣孔導度增加了15.0%，從而提高了葉片進行氣體交換的能力。胞間CO2濃度會隨光合效率的增加而降低，CR-U處理葉片胞間CO2濃度在水稻季和小麥季分別較U處理顯著降低20.1%和22.5%，但本試驗條件下，施用黃腐酸對葉片光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度沒有顯著影響。蒸騰作用是作物水分吸收和運輸的主要動力，單獨施用控釋尿素能夠提高葉片的蒸騰作用，從而加速水分的吸收和運輸，但施用黃腐酸降低了葉片的蒸騰作用。葉片SPAD值主要受肥料類型影響，施用控釋尿素的處理小麥和水稻葉片SPAD值均顯著高于CK和U處理。

2.5 不同處理對土壤pH及速效養分供應強度的影響

硝態氮是干旱與半干旱土壤中有效氮素的主要存在形式，同時其含量也是對土壤氮素豐缺程度的重要反映。水稻季土壤硝態氮含量呈現先降低后升高的趨勢，肥料類型對土壤硝態氮含量影響顯著(表5)。苗期U處理硝態氮含量顯著高于施用控釋尿素的處理，但苗期水稻需氮量低，土壤中過量的氮素不僅無法被完全吸收而造浪費，還容易發生燒苗等問題。隨著水稻生長，在拔節期、灌漿期和完熟期，CR-U處理和CR-U+F處理土壤中硝態氮含量均顯著高于U處理，甚至在減氮40%的條件下，60% CRU處理和60% CR-U+F處理土壤硝態氮含量與U處理也無顯著差異。小麥各處理土壤硝態氮含量與水稻季基本一致(表6)。

水稻季土壤銨態氮含量因肥料類型不同而呈現明顯差異(表5)。水稻為喜銨作物，U處理水稻苗期土壤中銨態氮含量最高，但隨后迅速下降，在拔節期較施用控釋尿素的處理降低了23.2%～34.6%，在灌漿期降低了22.9%～30.0%，在完熟期降低了25.0%～29.4%。而控釋尿素即使在減氮40%的條件下，土壤銨態氮含量仍顯著高于U處理，從而保證了水稻拔節期和灌漿期等需氮關鍵時期的氮素供應。但不同施肥處理對小麥季土壤銨態氮含量沒有顯著影響。整個輪作周年中施用黃腐酸對土壤中硝銨態氮含量影響不顯著。磷鉀養分在施用量相同的條件下，各處理土壤中有效磷和速效鉀含量呈現不斷下降的趨勢，施用黃腐酸的處理在一定程度上提高了土壤中的有效磷含量，但所有處理土壤pH和速效鉀含量差異均不顯著。

2.6 不同處理對輪作周年經濟效益的影響

經濟效益是農民最為關注的問題。通過對輪作系統周年經濟效益進行計算(表7)，發現各處理每公頃產出的經濟收入由大到小為CR-U+F＞CR-U＞60% CR-U+F＞60% CR-U＞U＞CK。充足的氮素供應是作物高產的保證。綜合產量、氮素利用率和土壤養分供應狀況發現，等氮條件下，控釋尿素因其釋放周期長、供氮效果好，從而促進了水稻和小麥的生長；而U處理氮素利用率低，稻麥需肥關鍵時期養分供應不足，產量降低，因此每公頃經濟效益也較CR-U處理降低了2804元。控釋尿素與黃腐酸配施后，經濟效益在相同肥料基礎上有進一步的提升。CR-U+F處理較CR-U處理增收2337元/hm2，60% CR-U+F處理也能較60% CR-U處理增收1823元/hm2，甚至在氮素施用量降低40%的條件下，60% CR-U+F處理經濟效益較U處理仍提高了547元/hm2。

表4 不同處理水稻和小麥葉片光合特性及SPAD值Table 4 Photosynthetic characteristics of rice and wheat leaves under different treatments

表5 水稻季不同生育期0—20 cm土壤pH及速效養分含量Table 5 pH and nutrient contents in 0-20 cm soil layer in different growth stages of rice under different treatments

3 討論

控釋尿素在土壤中的養分釋放過程僅受溫度和飽和蒸汽壓兩個外界因素影響[19-20]。在水稻季，6—10月份供試地點平均氣溫為24.3℃，雨熱同季，水分充沛(圖1)，因而控釋尿素在土壤中的養分釋放規律與25℃靜水條件下基本相似。控釋尿素在前30天釋放緩慢，而釋放高峰期出現在30～70天。凌啟鴻等[21]對水稻精確施氮進行了研究，發現水稻移栽后至拔節期，其吸氮量占整個生育期吸氮總量的25%～35%，在拔節期至抽穗期占吸氮總量的45.7%～52.5%，而抽穗期至成熟期占吸氮總量的13.4%～29.3%。因此，控釋尿素在土壤中的養分釋放規律符合水稻的氮肥需求規律。Ding等[22]也對2000—2016年間的489項水稻試驗結果進行了Meta分析，發現在相同施氮量條件下施用控釋尿素的處理較施用普通尿素的處理增產幅度可達7.4個百分點。在小麥季，由于種植后的前4個月降水稀少，平均氣溫也僅為3.4℃(圖1)，因此控釋尿素在該時間段內氮素釋放十分緩慢。當小麥度過越冬期后，隨著降雨量及溫度的提升(2019年3月至2019年6月的月平均氣溫為19.8℃)，控釋尿素在第100天至200天進入快速釋放階段，這也為小麥拔節、抽穗和灌漿等需肥關鍵時期提供了充足的氮素供應。因此，雖然小麥有著長達8個月的生育周期，但控釋期僅為3個月的控釋尿素就能基本滿足小麥整個生育期對氮素的需求，這也與Zheng等[20]的觀點一致。

表6 小麥季不同生育期0—20 cm土壤pH及速效養分含量Table 6 pH and nutrients content in 0-20 cm soil layer in different growth stages of wheat under different treatments

雖然控釋尿素已經在多類農業種植系統中被證實能夠控制氮素釋放以提高作物產量、養分利用率并降低勞動成本。但作為肥料，控釋尿素僅能作為養分供應的來源，其增產效應存在閾值，作物的產量也不能因其施用量的提高而無限增加[20]。因此，更多思路與技術亟待革新以緩解人口急劇膨脹和糧食日益短缺之間的矛盾。2012年，生物刺激素被定義為“一種施用于植物表面或根際后能夠刺激植物提高養分吸收效率、非生物脅迫耐受性以及作物品質的物質和/或微生物”。黃腐酸作為生物刺激素的重要“成員”，已被證實能夠改善土壤結構，促進根系伸長，增加葉綠素含量，并最終提高作物產量和氮肥利用率[15]。大田試驗中，控釋尿素與黃腐酸配施后，在控釋尿素基礎上促進了作物對氮素的吸收，從而使作物產量和氮素利用率得到了進一步提升。控釋尿素通過養分緩慢釋放，確保溶液離子不會因施肥產生劇烈變動；黃腐酸能夠與尿素絡合形成腐脲[16]，進一步降低尿素的水解速度并提高土壤緩沖能力。二者協同增效，優勢互補，在合理氮素供應基礎上增強氮素固定，最終實現養分高效利用。本試驗條件下，還發現施用黃腐酸后使水稻、小麥不同生育期土壤有效磷含量也得到了顯著提升。這可能由于黃腐酸將部分固定態的磷溶解并釋放到了土壤中，且黃腐酸中的陰離子也會與磷酸根競爭固相表面專性吸附點位從而減少了土壤對磷的吸附[23]。研究還發現，施用黃腐酸在一定程度上降低了植株葉片的蒸騰速率。一方面蒸騰作用是作物進行水分和養分運輸的動力，蒸騰作用的降低也意味著作物對養分吸收動力的降低；但另一方面，蒸騰速率的降低能夠減少水分蒸發，從而增強作物抵御逆境脅迫的能力，李緒行等[24]也證實黃腐酸能夠增強小麥的抗旱能力。

表7 不同處理的周年經濟效益Table 7 Annual revenue, cost and net profit in rice-wheat rotation system under different treatments

傳統的礦物源黃腐酸主要來源于風化煤和泥炭等不可再生資源，雖然在作物生產中具有良好的生物刺激作用，但其不可再生的性質限制了其在農業生產中的大面積應用。供試黃腐酸以小麥秸稈為原料腐熟發酵制成，屬于生化黃腐酸，不僅與礦源黃腐酸具有相似的生理活性，還具有可再生、成本低及環境友好等優勢。通過前期表征工作[25-26]，證實供試黃腐酸分子量主要集中在500～3000 Da，較小的分子量使其更容易被作物所吸收。其組成主要包含氨基酸、多糖和木質素衍生物，并富含較多羧基、酚羥基等活性官能團，各種基團能夠通過離子交換、螯合絡合以及電位吸附等方式固定土壤中的多種元素，并促進土壤團聚體形成，從而進一步改善土壤物理結構。在2015年，農業農村部制訂并發布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，將化肥減量增效作為調控化肥施用政策的首要目標，本試驗條件下發現黃腐酸配施控釋尿素具有增加作物產量、提高氮素利用率和經濟效益的潛力，在未來研究中，將進一步研究能否通過施用黃腐酸減少控釋尿素用量，開發更簡易的二者配施方式，并深入探究黃腐酸的增產機理。

4 結論

控釋尿素通過合理的氮素供應，改善了土壤氮素供應狀況，滿足了稻麥整個生育期對氮素的需求，并提升了作物關鍵階段的葉片光合能力，最終使小麥和水稻產量、氮素利用率較普通尿素有了顯著提升。黃腐酸配合控釋尿素增強了作物對氮素的吸收，提高了水稻和小麥各生育期土壤有效磷含量，在不減少氮素投入的前提下，較控釋尿素單獨施用顯著提高水稻產量7.3%、小麥產量4.4%，提高水稻氮素利用率32.5%、小麥氮素利用率18.3%，周年經濟效益增加了2337元/hm2。在控釋尿素減量40%條件下與黃腐酸配施，水稻產量與全量普通尿素處理也無顯著差異。綜合來看，控釋尿素與黃腐酸配施后能夠協同增效，促進氮素高效吸收，從而為解決作物氮素利用率低的問題提供有效的技術途徑和理論依據。