包膜尿素氮釋放模擬與黑土簡化施氮研究

趙京考，吳德亮，仝利朋，宋丹丹，王 端

(東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

【研究意義】作為主要氮肥品種的尿素，雖然本身具有一定的緩釋性(其一般釋放期約40 d)，對于生育期長達120 d的玉米來說，整個生育期需要數次施氮才能滿足作物的氮需求[1]。隨著作物生產的發展，減少施肥次數、降低施肥成本、增加作物產量、提高作物品質的肥料品種與施肥方法逐漸成為新的發展趨勢[2-5]。【前人研究進展】包膜尿素是基于此種設想的氮肥品種，目的是通過物理包膜、控制尿素釋放的方式對尿素的釋放速度加以調控以適應作物生長不同階段對氮素的需求[3-4,6-7]。氮肥形態對作物的氮吸收、氮素損失和肥料利用率有著較大的影響[1,8]。目前，雖然氮肥的來源多樣，但其形態大部分是銨態氮、硝態氮和酰胺態，三者均來自于合成氨工業[8]。三者之中，在土壤中最為穩定的是容易被土壤粘土顆粒吸附的帶正電荷的銨態氮，其次是電中性的酰胺態尿素，最容易損失的氮素形態是帶負電荷的硝態氮，同時也是旱田氮素的主要存在形態[9]。包膜尿素提高氮素利用率的最大潛能是它能夠延遲氮肥的釋放速度，以便更好地與作物需求相匹配。往往希望一次施肥能夠滿足整個作物生育期對氮素的需求，并且將土壤內的礦物氮素水平保持在較低的水平。包膜肥料可以降低施肥次數、減少人工與機械支出，降低氨揮發，提高氮肥效率[10-11]。【本研究切入點】玉米是東北地區的主要旱作作物，其生育期在110～130 d。在苗期，由于植株矮小，根系欠發達，對氮肥的需求較低；拔節期以后植株呈加速生長態勢，對氮素的需求也呈指數上升，并在開花期達到最高。玉米生育后期對氮素的需求有所降低，但是缺氮仍可能影響籽粒的形成。尿素的釋放在施肥后8～10 d達到高峰，生成的高濃度銨離子極有可能形成氨氣釋放到大氣中，不但造成氮肥的損失，同時造成大氣的污染[5,8]。防止短期內大量銨離子在土壤內的積聚是降低氮損失的方式之一[1,8]。雖然硫包膜尿素和樹脂包膜尿素同屬包膜尿素，二者無論是包膜材料還是氮素釋放模式均不同[9]。材料遇水后，經目測觀察，硫包膜尿素顆粒的形變遠小于樹脂包膜尿素，后者遇水會膨大，從小米粒大小膨大到黃豆顆粒大小。包膜尿素顆粒破裂得越晚，尿素顆粒保持在膜內的時間越長，后續釋放時間越長，對作物后期生長越有利[3,9]。評價氮素釋放形態優劣的手段目前主要是基于產量和產量構成因素的分析, 缺少產量與供氮水平之間關系的直接證據[2,4,6]。因為，除受到氮素供給影響之外，作物產量還受到其他諸多因素特別是土壤水分的影響[12]。在土體內，包膜尿素釋放后產生的氮素在時間-空間上呈動態分布，在東北地區，在大多數地區不具備灌溉條件的情況下，依據氮素-產量關系對包膜尿素的氮素供給得出的結論往往具有很多不確定性。在時間上，一般規律是前期高，后期低；在空間上，一般是上層高，下層低。同一個處理，在不同的土層表現出較大的氮素供給差異，給處理之間的氮素供給類型優劣的比較造成了較大困擾[4,6]。利用1 m土體內氮素的含量而不是氮素的濃度可以更好地區分不同氮素處理之間的差異[7,10]。【擬解決的關鍵問題】一是對硫包膜和樹脂包膜尿素的氮釋放過程進行室內模擬并比較2種包膜尿素的釋放特征；二是比較同等施氮量條件下2種包膜尿素的土壤供氮能力，并以此為依據，判斷包膜尿素一次性施肥代替傳統“底肥+追肥模式”的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本實驗于2013、2014年5-10月在東北農業大學新農村發展研究院阿城實驗實習基地進行，試驗地地理坐標為127°2′3.1′′E，45°31′11.6′′N，海拔144 m，試驗地土壤類型為草甸黑土，土壤有機質含量38.90 g·kg-1，土壤全氮含量1.36 g·kg-1，堿解氮119.00 mg·kg-1，速效磷28.30 mg·kg-1，速效鉀123.40 mg·kg-1。試驗地平坦。

1.2 材料

室內模擬試驗與田間試驗所用材料均為市售硫包膜尿素SCU(N 36.9 %)、美國進口樹脂包膜尿素PCU(N 44.5 %)。

1.3 試驗設計

1.3.1 氮素釋放室內模擬試驗 包膜氮肥的氮釋放參數測定采用水浸法[1,7,9,11,15]。放入水中的包膜尿素膜外尿素濃度遠低于膜內濃度，在膜的內外形成了尿素溶液的化學勢差，水分從水勢高的膜外流向水勢低的膜內。同時，由于擴散作用，尿素分子從濃度高的膜內擴散到尿素濃度低的膜外。不同時間氮素釋放量稱之為溶出率，用下式表示：

(1)

式中，p為溶出率，m為樣品培養時間(d)，Nt為包膜尿素的起始氮素總含量。當m=1時，定義p為初期溶出率，m時間段內(d)p值為累積釋放率。

水浸法：在尼龍網袋內放入5.00 g樣品。將裝有樣品的網袋浸入盛有100.00 mL蒸餾水的容器內密封，置于恒溫培養箱在不同溫度下培養。試驗設2個氮肥品種(硫包膜、樹脂包膜尿素)，3個溫度水平(20，25，30 ℃)，共6個處理，3次重復。定期取樣。取樣前手搖容器混勻內容物，過濾后測定浸提液的氮濃度。將部分釋放氮素后的網袋重新放入培養容器內，再加100.00 mL蒸餾水重新置于恒溫培養箱中繼續培養。如此反復，直至袋內氮素全部溶于水[1,11]。

表1 試驗處理與施肥量(kg·hm-2，CRN/NT為控釋氮肥占總施氮量的比例)

1.3.2 田間試驗 2013年，試驗設置3個氮水平、2種包膜肥料(硫包膜、樹脂包膜尿素)，共7個處理，采用隨機區組排列，小區面積為60.0 m2。所用玉米品種為先玉335，品種生育期為126 d，種植密度為60 000株·hm-2。除處理CU1、CU2為分次施肥外，其他處理的氮肥均作基肥一次性施入，磷肥和鉀肥全部作基肥施入。各處理肥料用量見表1。在2013年實驗結果的基礎上，2014年將總施氮量調整為156 kg·hm-2，試驗新增氮素一次基施和50 %普通尿素加50 %樹脂包膜尿素處理, 以檢驗降低樹脂包膜比例的施氮效果(表1)。

取樣時期分別為拔節期、灌漿期、成熟期，取樣深度分別為0～30，30～60，60～100 cm。

試驗地原地培養[13]：準備網孔直徑為60目的網袋若干，備用。每個網袋裝入10.00 g樣品。于壟溝內挖深、寬分別為15、12 cm的壟溝， 將盛有樣品的網袋按5 cm間距放置于壟溝的底部，填平。采取“前期密，后期稀”的原則取樣，取樣時間分別為埋樣后的第1、4、7、14、19、23、28、40、47、54、61天。每次測定3個樣品。樣品取出后用蒸餾水清洗袋外粘附土壤，并在無污染的條件下晾至無可見水，將樣品低溫(60 ℃)烘干。根據釋放前后的網袋重量差計算氮素釋放率。

1.4 土壤含氮量的測定

稱取5.00 g鮮土，移入250 mL三角瓶中；用移液管加入50 mL濃度為2 mol/L的KCl溶液提取液，振蕩30 min后過濾。測定濾液中NO3-N、NH4-N含量[流動分析儀(AA3)法]，同時取樣用烘干法測定土壤含水量用以氮素含量的計算。

1.5 數據處理與分析方法

運用Microsoft Excel 365和SPSS 17.0進行數據分析。

生長期土壤有效氮計算公式[14]：

(2)

式中，N為1 m土層內有效氮含量(kg·hm-2)，n1,n2,…,nm為1 m土層內不同分層NO3-N含量(mg·kg-1)，d1,d2,…,dm為土層分層厚度(cm)。

2 結果與分析

2.1 包膜尿素的氮養分釋放模擬

2.1.1 樹脂包膜尿素 從圖1可以看出，在20 ℃條件下，樹脂包膜尿素的氮釋放速度大致經歷了4個階段[11,13]。第一階段從第1～17天，樹脂包膜尿素釋放了全氮的5.00 %，平均氮釋放速率為0.30%/d；第二階段從第18～75天，氮素釋放總量的54.00 %，平均氮釋放速率為0.95 %/d；第三階段從第76～105天，氮素釋放總量的3.00 %，平均氮釋放速率為0.45 %/d；第四階段從第77～155天，氮素釋放總量的7.00 %，平均氮釋放速率為0.14 %/d。在25 ℃條件下，樹脂包膜尿素可區分為2個階段。第一階段從第1～47天，氮釋放總量的63.00 %，平均氮素釋放率為1.34 %/d；第二階段從第48～90天，氮素釋放總量的17.00 %，平均氮素釋放量為0.40 %/d。在30 ℃條件下，基本只有一個階段，且釋放速率較高，在50 d內就釋放了氮素的80.00 %，平均釋放率為1.82 %/d。可見，溫度升高加速了樹脂包膜尿素的釋放速度，并使釋放時間顯著縮短，在20、25、30 ℃條件下釋放80 %的總氮量所需天數分別為153、88、50 d。

圖1 溫度對樹脂包膜尿素氮釋放曲線的影響Fig.1 Effect of temperature on the nitrogen release of polymer coated-urea

2.1.2 硫包膜尿素 與樹脂材料不同，硫包膜的剛性遠高于樹脂包膜，遇水不能膨脹。從圖2可以看出，硫包膜尿素與釋放時間之間的關系呈“r”形狀，而不是“S”形。在20 ℃下，硫包膜尿素的初期養分釋放率為48.00 %，7 d累積釋放率為59.78 %，平均氮釋放率為1.96 %/d。第二階段從第8～74天，氮素累積釋放率為20.20 %，平均氮釋放率為0.30 %/d。升高溫度并沒有改變氮釋放曲線的總體形狀，但是縮短了釋放時間[15]。20、25、30 ℃條件下達到80.00 %的累積釋放率所需的時間分別為73、67、59 d。

由圖1～2可以看出，2種包膜尿素的氮釋放模式和速率存在著明顯差別。硫包膜尿素的釋放特征為：初始釋放量高，之后呈線性釋放。25 ℃下初始溶出率高達49.00 %，累積釋放期為75 d。20 ℃下其釋放曲線變化不明顯，即溫度對硫包膜尿素的養分釋放影響較小。樹脂包膜尿素釋放曲線呈S形，其氮釋放受溫度的影響大于硫包膜尿素，溫度的降低大大減緩了氮的釋放。單從氮釋放天數看，25 ℃下硫包膜尿素的釋放期為75 d，樹脂包膜尿素為85 d，兩者僅相差10 d。然而二者在釋放速率和模型的差異對氮素釋放和作物生長的影響也較大。

圖2 溫度對硫包膜尿素氮釋放的影響Fig.2 Effect of temperature on the nitrogen release of sulfur coated-urea

2.1.3 介質與樹脂包膜尿素 介質對包膜尿素的氮釋放有著明顯的影響。在田間，施入土壤的包膜尿素受到土壤水和微生物的影響，其環境明顯不同于蒸餾水。因此，需要對介質的影響加以研究。由圖3可以看出，溫度相同，在最初的15 d內，水浸法與土培法所測得的氮素釋放曲線十分相似。15 d以后，土培法測得的氮素釋放率明顯加速，并一直保持到培養的第23天。之后，氮素釋放率隨有所降低，但仍然高于水浸法。直至培養38 d后，土培法的氮素釋放速率才有所降低，此時氮素釋放率已達總量的65.00 %。與土培法相比，水浸法在前60 d的氮釋放速度基本穩定，平均值在1.00 %/d，其后氮釋放速度明顯變緩，在30 d內，累積釋放率達到總氮量的15.00 %，平均釋放率為0.50 %/d。田間氮釋放曲線與上述二者都不同。培養開始后，從第1～23天，氮素釋放速率極低，平均只有0.13 %/d。從第24～53天，在29 d內，樹脂包膜尿素釋放了總氮量的77.00 %，平均釋放量為2.66 %/d。由此可見，土壤會加速樹脂包膜尿素的氮素釋放速度，縮短其釋放期。

2.1.4 介質與硫包膜尿素 由圖4可知，與樹脂包膜尿素不同，在培養的第1天就有大量的氮素釋放出來。從水浸法的氮素釋放來看，培養的第1天氮素累積釋放率超過48.00 %。從培養的第2～7天，氮累積釋放率從48.00 %增加到58.00 %，平均釋放率為1.67 %/d。從培養的第8～66天，氮素累積釋放率從58 %增加到80 %，平均釋放率為0.38 %/d。25 ℃土培結果顯示，第1天的氮釋放速率為42.00 %，低于水浸法的48.00 %，高于田間原地培養的21 %。從第2～7天，氮素累計釋放率增加59.00 %，平均釋放率為2.80 %/d。從第8～44天，硫包膜尿素氮累積釋放率從59.00 %增加到80.00 %，平均為0.58 %/d。土壤原地培養明顯降低了第1天的氮素釋放量(21.00 %)。從第2～17天，氮釋放率從21.00 %增加到68.00 %，平均為3.10 %/d。從第18～33天，氮釋放率從68.00 %增加到80.00 %，平均值為0.75 %/d。因此，土壤培養也加快了硫包膜尿素的氮釋放速率。

圖3 培養介質對樹脂包膜尿素氮釋放曲線的影響Fig.3 Effect of media on the nitrogen release of polymer coated-urea

2.2 不同施氮處理對土壤無機氮含量的影響

土壤無機氮水平可以反映出植物生長過程中土壤養分供應的豐缺情況。硝態氮和銨態氮為土壤中無機氮的主要存在形式，由于銨態氮在旱地土壤中含量較低且差異較小，而硝態氮是旱田土壤氮素存在的主要方式，可用來計算土壤的有效氮[14]。因此將硝態氮含量及耕層無機氮含量變化作為研究的重點。

圖4 不同介質中硫包膜肥料氮素釋放曲線Fig.4 Cumulative release rate of nitrogen from SCU in different medium

土體內不同土層硝態氮濃度與氮肥處理和玉米生育時期有著密切關系(表2)。硝態氮的總變化趨勢是，同一種氮肥處理，如果條件相同，高氮水平(188 kg·hm-2)的硝態氮含量高于低氮水平(94 kg·hm-2)的硝態氮含量；說明施氮量越大，土壤氮的殘存量也越大；同一個處理、同一個玉米生育時期，0～30 cm土層的硝態氮含量高于31～60和61～100 cm 2個土層，但是31～60和61～100 cm 2個土層的規律性不強，其大小依玉米的生育時期而變。即在相同條件下拔節期 > 抽雄期 > 成熟期，也有個別處理存在成熟期 > 抽雄期的現象。

表2 不同氮肥處理0～100 cm土層硝態氮含量的變化

注：CU，普通尿素兩次施肥，SCU，PCU硫包膜尿素，樹脂包膜尿素一次施入。

圖5 94 kg·hm-2施氮量下玉米不同生育時期不同施肥方式的土壤有效氮Fig.5 Relationship between soil available N and the growth stages of maize at low nitrogen rate (94 kg·hm-2)

由于隨土層和玉米生育時期變化大[6]，以硝態氮濃度為指標比較處理之間的氮素差異不甚清晰，而以玉米同一生育時期不同土層硝態氮含量為基礎計算的土體有效氮總量能夠較好地解決之一問題。玉米同一生育時期土體內的有效氮總量計算方法見公式(2)。

從圖5可以看出，在玉米生育早期(拔節期)，普通尿素CU1處理剛剛進行第2次追肥，追施的尿素尚沒有分解形成硝態氮，CU1處理與PCU1(樹脂包膜尿素)的土壤有效氮總量相似。硫包膜尿素一次施肥處理(SCU1)的土壤有效氮總量水平則明顯高于其余處理。玉米需肥的中后期(灌漿期)已過最大需肥期，CU1，SCU1，PCU1 3個處理之間差異不明顯。然而，在玉米生育后期(成熟期)，CU1與PCU1 有效氮總量相似，SCU1的有效氮總量則出現了明顯下降。由此可見，在低施氮量條件下，施用不同的包膜尿素，普通尿素底肥+追肥的方法與一次性施用樹脂包膜尿素的氮釋放特征相似，而與硫包膜尿素一次性施肥不同，后者有較為明顯的后期脫肥現象。

在高施氮量(188 kg·hm-2)條件下，在玉米生育早期(拔節期)，處理CU2與SCU有效氮總量較高，然而PCU2處理卻較低 (圖6)。此時玉米對氮素的需求尚沒有達到最高，有效氮總量高會引起氮素的損失。在灌漿期，CU2與PCU2有效氮總量較高，但與SCU2相比沒有達到極顯著差異。到生育末期，PCU2處理的有效氮含量明顯高于其余處理，說明對后期玉米生長供氮較為有利。

圖6 188 kg·hm-2施氮量下玉米不同生育時期不同施肥方式的土壤有效氮Fig.6 Relationship between soil available N and the growth stages of maize at high nitrogen rate (188 kg·hm-2)

圖7 156 kg·hm-2施氮量下玉米不同生育時期不同氮源的土壤有效氮Fig.7 Relationship between soil available N and the growth stages of maize at high nitrogen rate (156 kg·hm-2)

2014年度土壤有效氮隨玉米發育時期的變化特點為，在拔節期，普通氮源氮素處理(DCU、CU2)有效氮總量較高，而包膜氮肥處于較低水平。此時玉米尚未達到吸收高峰期，適當控制土壤有效氮總量可降低氮素損失(圖7)。在抽雄期，各個氮素處理的有效氮總量相差不多，但PCU處理略低于其它處理。在成熟期，處理CU2的有效氮總量最高，而其余氮素處理氮素總量顯著低于CU2。

3 討 論

酰胺態的尿素雖然可以以酰胺態被作物所吸收，但更多吸收形式是酰胺轉化后的銨態氮和硝態氮。在環境因素的作用下，尿素在土壤內轉化為銨態氮和硝態氮。氮素的3種形式以銨態氮最為穩定，其次為酰胺態；硝態氮穩定性最差，但卻是旱田土壤中氮素的主要存在形式。控制不同階段氮素的3種形式有利于減少氮素損失，增加作物的氮吸收[2-3,5-6]。

在本研究中，不同包膜尿素的氮釋放特征差異較大。硫包膜尿素初期釋放量大，持續時間短；后期氮釋放速率明顯降低，持續時間長，在一定程度上耦合了氮素釋放與作物氮吸收[7]。樹脂包膜尿素則不同，初級氮釋放率很低，后加速至較高的水平，最后又降低到較低的氮釋放水平。從哈爾濱地區的玉米氮需求來看，5月1日至6月20日為苗期，長達50 d，這一時期玉米的氮需求較少；拔節期為6月21至7月30日，為40 d，氮素需求增長顯著；8月1-15日為開花期，氮素需求達到最高。8月16日-8月31日為灌漿期，9月1-20日為成熟期。可見，從氮供需耦合的角度看，樹脂包膜尿素更接近玉米的氮素需求[9]。

氮素的釋放特征與施氮量有關。在施氮量為94 kg·hm-2時，施用不同的包膜尿素，普通尿素基肥+追肥的方法與樹脂包膜尿素基施處理的氮釋放特征相似，而與硫包膜尿素基施不同，后者有較為明顯的后期脫肥現象；在施氮量為188 kg·hm-2時，即在玉米生育早期(拔節期)，樹脂包膜尿素也能將土壤中的硝態氮水平保持在低水平，表現出較大的氮素釋放緩釋優勢；在玉米生育的中后期，這種優勢有擴大的趨勢。到生育末期，樹脂包膜尿素處理的有效氮含量明顯高于其余處理，說明對后期玉米生長供氮較為有利。在施氮量為156 kg·hm-2時，硫包膜尿素基施、50 %樹脂包膜尿素+50 %尿素處理均增加了玉米中期的氮素供應[11]。

除了用于一次性施肥外，包膜尿素也被用作玉米的追肥，以增加后期的氮素供給，通過增加玉米的籽粒重量達到增加產量、提高玉米籽粒品質的目的[3]。另外，在包膜材料中加入化學抑制劑(硝化抑制劑、脲酶抑制劑)還可以控制氮素不同形態在土壤中的相互轉化，從而達到提高氮素利用率的目的[2]。

4 結 論

從本研究來看，PCU基施處理、50 % PCU+50 %普通尿素混合基施處理緩釋效果與傳統尿素基肥+追肥處理效果相當，可用于玉米一次性施肥，而SCU基施則不能。樹脂包膜尿素性能優于硫包膜尿素，但在價格上樹脂包膜高于硫包膜尿素，因此在推廣上尚需要根據具體情況選擇包膜尿素的品種和在氮肥中添加包膜尿素的數量。由于樹脂包膜尿素的優異性能，以樹脂包膜尿素代替尿素實現氮肥一次性施肥的施肥方法更為合理。