緩控釋氮肥減施對冬小麥產量和氮素利用效率的影響

徐杰，王錫玖，薛艷芳，何昕楠，劉靈艷，孟維偉，南鎮武，王娜，劉開昌

（1.山東省農業科學院作物研究所，山東 濟南 250100；2.桓臺縣農業農村局，山東 桓臺 255000；3.山東省農業科學院玉米研究所，山東 濟南 250100）

小麥是我國主要的糧食作物之一，適量施氮可以提高其產量并改善品質，但近年來農民盲目追求高產而導致過量施氮和不合理施氮，產量并未進一步增加［1］，反而導致氮肥利用效率降低和地下水污染加重［2，3］。隨著土地流轉的加快，小麥生產需要高效集約化種植。緩控釋肥的發展和應用為減少農業氮素投入、提高氮肥利用率提供了思路，因其有長效穩定的肥效、省時省工和減少環境污染等特點已逐漸成為未來農業肥料發展的重要趨勢［4，5］。因此，研究新形勢下小麥生產過程中緩控釋肥高效利用技術，對促進冬小麥種植增產增效和實現輕簡化生產具有重要意義。

包膜緩控釋肥因其成熟的制備工藝和較好的緩釋效果，已成為當前國外市場應用最廣泛的緩釋肥料，其主要是在肥料顆粒表層包被上控制養分釋放的包膜材料，使養分釋放與作物養分吸收基本同步［6］。其主要種類有物理型和物理化學型，其中最為常見的是樹脂包膜肥料和硫包膜尿素等［7］。前人研究表明，包膜緩釋肥一次基施在水稻和玉米等作物上的應用效果顯著［8，9］。但冬小麥的生育期普遍在200 d以上，養分需求具有前期少、后期多的特點，且拔節至孕穗期對氮素營養的需求最為旺盛，難以實現最大化的增產效果［10，11］。另外包膜肥料養分釋放受土壤溫度和水分等環境因素影響較大［12］。因此，針對特定區域尋求養分釋放規律與冬小麥整個生育期養分需求相吻合的緩控釋肥成為亟待解決的問題。

本研究在魯西北地區開展大田試驗，研究不同包膜緩控釋氮肥減量施用條件下小麥產量、氮肥利用效率和土壤硝態氮含量的差異，篩選有利于冬小麥高產及氮素高效利用的包膜肥料，以期為冬小麥輕簡化栽培技術體系建設和控釋氮肥在魯西北地區冬小麥生產上的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

于2017—2019年在山東省農業科學院濟陽綜合試驗示范基地（36°58′28″N、116°57′33″E）進行兩季大田小區試驗。該地位于魯西北平原南部，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫12.8℃，年平均無霜期195 d，年太陽輻射量5.2×105MJ/m2，年降水量583.3 mm，降水多集中在7—9月份。冬小麥生育季平均氣溫為8.96℃，日照時數為1 570.2 h，≥0℃積溫為2 021.4℃，年均降水量為147.9 mm。

試驗地為潮土，為冬小麥－夏玉米輪作定位試驗地，0～20 cm耕層土壤基礎肥力為全氮0.53 g/kg、堿解氮54.73 mg/kg、速效磷10.58 mg/kg、速效鉀96.45 mg/kg、有機質12.42 g/kg，鹽分0.15%，pH值7.6。供試小麥品種為濟麥22。

1.2 試驗設計

采用單因素隨機區組設計，設置6個氮肥梯度，施氮量（N）分別為:0、72、126、180、234、250 kg/hm2，其中以不施氮為空白對照，N 234 kg/hm2和250 kg/hm2為農民傳統施氮對照，施氮量180 kg/hm2為優化施氮量；根據優化施氮量，設置3種新型緩控釋氮肥（硫加樹脂尿素、樹脂包膜尿素、熱固樹脂尿素）等氮量處理，共計9個處理（表1），重復3次。小區面積為90 m2（10 m×9 m）。

表1 試驗方案

試驗所用控釋肥由金正大公司生產。普通尿素、硫加樹脂尿素、樹脂包膜尿素、熱固樹脂尿素含氮量分別為46%、35%、44%、43%，其中硫加樹脂尿素含硫20%。所有處理磷鉀養分投入量相同且均作基肥一次性施入，磷肥為重過磷酸鈣（P2O590 kg/hm2），鉀肥為顆粒狀硫酸鉀（K2O 90 kg/hm2）。試驗田其它管理按照高產田標準進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 分蘗數 小麥苗期調查田間基本苗數，每小區標記1 m雙行樣區。于越冬期、拔節期、開花期和成熟期采集植株樣品，調查群體數量。

1.3.2 產量及產量構成 成熟期調查公頃穗數、穗粒數和千粒重。每小區收獲3 m2脫粒，自然風干至籽粒含水率為13%左右時稱重，并折算成公頃產量。

1.3.3 干物質量 小麥開花期和成熟期每小區隨機取0.5 m雙行樣品，其中開花期樣品分為莖鞘、葉片和穗三部分，成熟期分為莖鞘、葉片、穎殼、籽粒四部分。分樣后，裝入牛皮紙袋中，放入烘箱105℃殺青30 min、80℃烘干至恒重，稱干物質重。

1.3.4 籽粒全氮含量 將成熟期籽粒樣品磨粉，采用濃硫酸消煮，國標GB 2905—1982半微量凱氏定氮法測定全氮含量。

1.3.5 土壤硝態氮 于小麥成熟期取0～100 cm土層土壤樣品，－20℃冰箱低溫保存。稱取12 g土樣，加入KCl溶液50 mL浸提，用連續流動分析儀測定土壤硝態氮含量。

1.3.6 氮肥指標計算公式 氮肥農學利用效率（kg/kg）＝（施氮處理籽粒產量－不施氮處理籽粒產量）/施氮量；氮肥偏生產力（kg/kg）＝籽粒產量/施氮量；氮肥生理利用效率（kg/kg）＝（施氮處理籽粒產量－不施氮處理籽粒產量）/（施氮處理地上部氮素積累量－不施氮處理地上部氮素積累量）。

1.3.7 干物質轉運指標計算公式 營養器官花前貯藏干物質轉運量（t/hm2）＝開花期干重－成熟期干重；營養器官花前貯藏干物質轉運率（%）＝（開花期干重－成熟期干重）/開花期干重×100；花后干物質積累量（t/hm2）＝成熟期籽粒干重－營養器官花前貯藏干物質轉運量；對籽粒產量的貢獻率（%）＝花前貯藏干物質轉運量（或花后干物質物量）/成熟期籽粒干重×100。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2019處理數據及作圖，用SAS 9.4軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥莖蘗動態的影響

由圖1可知，2017—2018年度和2018—2019年度越冬前和拔節期，除T2外各施氮處理的總莖蘗數均顯著高于無氮處理T1，傳統施氮處理T9和T8較高，說明增施氮肥促進了拔節前冬小麥的莖蘗數，以T8處理總莖蘗數增長最快，表明更多的春季分蘗發生在傳統施氮處理上。2017—2018年度和2018—2019年度拔節期緩控釋肥處理間平均莖蘗數以T6處理最低，與T4處理無顯著差異，但是較T8處理平均降低36.1%。拔節后無效分蘗逐漸死亡，成熟期莖蘗數仍以T8處理最高，T6處理與其相比兩年僅降低5.9%，說明傳統施氮絕大部分的春季分蘗是無效分蘗，對成穗數影響較小，而緩控釋肥T6處理顯著抑制了無效分蘗的生長。

圖1 不同處理對冬小麥莖蘗動態的影響

2.2 不同處理對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表2看出，與不施氮T1相比，不同氮肥處理均顯著提高冬小麥產量，且隨著施氮量的增加而增加，以傳統施氮處理T8產量最高，再進一步增施氮肥產量無明顯增加。緩控釋肥各處理以樹脂包膜尿素T6處理產量最高，與T8相比無顯著差異，較T1兩年平均增產137.2%；與T4處理相比，2018、2019兩年分別增產7.8%、10.6%。進一步分析產量構成發現，與T1相比，T6處理可以顯著提高公頃穗數、穗粒數和千粒重；與T4處理相比，T6處理2018年穗粒數顯著增加8.0%，2019年公頃穗數顯著提高9.8%；兩年公頃穗數T6較T8處理平均降低7.7%，但是其千粒重增加6.2%。說明在等量施氮條件下施用樹脂包膜尿素緩控釋肥（T6）可以通過獲得較高的穗數或穗粒數提高產量；氮肥投入等量情況下，與傳統施氮相比，雖然公頃穗數略有降低，但是可以通過增加千粒重來保證冬小麥獲得較高產量。

2.3 不同處理對冬小麥的干物質積累與轉運的影響

由表3可知，不施氮處理T1營養器官貯藏干物質的轉運量、轉運率及其對籽粒干物質的貢獻率均低于施氮處理，但是其花后干物質積累量的貢獻率高于施氮處理，表明不施氮抑制了冬小麥營養器官貯藏干物質向籽粒中轉運。施氮處理間比較，營養器官貯藏干物質的轉運量、轉運率及其貢獻率呈先升高后降低變化趨勢；其中，轉運量以T6處理最高，其次是T5和T7處理，表明T6、T5和T7處理有利于提高營養器官貯藏干物質向籽粒中轉運的效率。隨施氮量增加花后干物質積累量總體不斷升高，以T9處理最高；干物質積累量的貢獻率以T6處理最低，而T8處理有利于提高花后干物質積累量，且其貢獻率亦較高，而再增施氮肥的T9處理對花后干物質貢獻率無顯著促進作用。

表3 不同處理對冬小麥花后營養器官干物質積累量和干物質再分配量的影響

2.4 不同處理對冬小麥氮肥利用效率的影響

由表4可知，優化施氮量處理較高施氮量處理均顯著提高了冬小麥氮肥農學利用效率。與T8處理相比，T6處理2017—2018年度和2018—2019年度分別增加27.7%和33.3%。氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而顯著降低，與T4相比，2018—2019年度T6處理氮肥偏生產力增加10.6%；T6較T8處理2017—2018年度和2018—2019年度分別增加28.9%和32.4%，兩年平均增加30.6%。氮肥生理利用效率隨著施氮量的增加先增加后降低，以T6處理最高，與優化施氮量T4處理無顯著差異，較T8處理2017—2018年度和2018—2019年度分別增加57.1%和61.7%，兩年度平均增加59.4%。說明樹脂包膜尿素T6處理在降低氮肥投入量的同時，可以獲得較高的氮肥農學利用效率、氮肥偏生產力和氮肥生理利用效率。

表4 不同處理對冬小麥氮肥利用效率的影響

2.5 不同處理對土壤硝態氮含量的影響

從圖2可以看出，2017—2018年施氮顯著增加小麥收獲時1 m土體中的硝態氮含量，特別是顯著提高0～40 cm土體的硝態氮含量，以T8處理最高。而氮肥優化各處理0～40 cm土體硝態氮含量顯著降低，T6處理0～40 cm土體的硝態氮含量較T8處理顯著降低49.5%，與優化氮肥處理T4相比無顯著差異。

圖2 不同處理對0～100 cm土層土壤硝態氮含量的影響

2018—2019年冬小麥收獲后，施氮處理顯著提高60～100 cm土層硝態氮含量，特別是80～100 cm土層硝態氮含量，以T8處理最高。施用緩控釋肥可以降低土體中硝態氮含量，樹脂包膜尿素T6處理80～100 cm土層硝態氮含量比T8處理低49.5%，與優化氮肥處理T4相比無顯著差異。

兩年度比較，2018—2019年土壤硝態氮殘留量相對較少，原因主要與2018—2019年降雨量較大有關，土壤硝態氮淋洗嚴重。如果下季作物繼續高施氮，土壤中的氮素不能被作物吸收利用，將大部分隨著降雨向下淋洗，可能引起地下水污染。

3 討論與結論

合理的氮肥運籌是提高小麥產量的重要途徑。農民傳統施肥方式是施用大量氮肥作基肥，但冬小麥生長早期需要養分數量少，根系吸收弱，大量施用氮肥不能被作物及時充分吸收利用導致大量損失，一方面造成肥料利用率低，同時造成巨大的環境壓力［10，11］。而緩控釋肥是通過包膜層來調節肥料內部速效養分的釋放速率，通過包膜材料的組成設計，最有可能實現養分的釋放速率與作物的需肥規律相匹配［13］。研究表明，與等氮量尿素相比，施用合適的控釋氮肥可以顯著提高作物產量［8，9，14］。本研究中緩控釋肥T6處理較等氮量T4處理兩年平均增產9.2%，與傳統施肥T8處理相比，在降低23%的施氮量時，產量無顯著差異。研究表明適當提高氮肥的施用量可提高小麥分蘗的發生速率［15，16］，但避免用量過大，否則容易增加無效分蘗數量［17，18］。本研究中，拔節期T6處理莖蘗數與T4處理無顯著差異，較T8處理低36.1%。拔節后無效分蘗逐漸死亡，成熟期T6處理莖蘗數部分年份較T4處理增加6.8%；但兩年平均比T8處理僅低5.9%，說明控釋肥T6處理可以顯著抑制春季無效分蘗的生長，與傳統施氮相比，雖然穗數略有降低，但是可通過提高營養器官貯藏干物質向籽粒中轉運的效率、增加千粒重來保證冬小麥獲得較高產量。

生育期土壤硝態氮含量水平可以體現出不同控釋氮肥的養分釋放特性，而不同緩控釋肥料的養分釋放性能也與其包膜材料有關［19］。本研究中，緩控肥T6處理0～100 cm土壤中硝態氮含量與優化氮肥處理T4相比無顯著差異；較T8處理2017—2018年度0～40 cm土體的硝態氮含量顯著降低49.5%，2018—2019年度80～100 cm土層硝態氮含量降低49.5%；氮肥農學利用效率、氮肥偏生產力和氮肥生理利用效率分別增加30.5%、30.6%和59.4%。因此，本試驗條件下，純氮量180 kg/hm2的樹脂包膜尿素一次性基施可提高小麥產量和氮肥利用率，降低土壤硝態氮含量，達到高產、高效、節肥的目的，適合在該區域推廣應用。馬富亮等［20］研究表明，硫膜控釋尿素和樹脂包膜控釋尿素在增加小麥產量、改善小麥籽粒品質和提高氮素利用率方面均起到較好的作用，其中樹脂包膜控釋尿素比硫膜控釋尿素表現出更好的增產效應，實現了氮素的高效利用，與本研究結果一致。蔣麗萍等［21］研究表明，與本試驗中同一家公司生產的樹脂包膜尿素，一次性基施較農民習慣施肥小麥產量提高2.2%，氮肥利用率提高16.9%，氮肥偏生產力提高58.8%。說明樹脂包膜尿素釋放速率較慢，更能有效防止硝態氮淋失和氨揮發損失，降低土壤氮素依存率，使小麥對土壤氮的依賴性逐漸減弱，對肥料氮的依賴性逐漸增強，進而提高小麥氮素吸收能力，有效提高氮素利用率。

綜上所述，在本試驗區域，樹脂包膜尿素T6處理一次性基施較等量優化施氮180 kg/hm2處理顯著降低春季無效分蘗數，獲得較高的穗數或穗粒數，增產9.2%；在降低春季無效分蘗數、公頃穗數略有降低時，較T8處理提高營養器官貯藏干物質向籽粒中轉運的效率、增加千粒重，保證冬小麥穩產。并且與傳統施氮相比，T6處理顯著降低土壤硝態氮含量，提高氮肥農學利用效率、氮肥偏生產力和氮肥生理利用效率30.5%、30.6%和59.4%，可以實現高產、高效、輕簡化栽培的目的。因此，在魯西北地區小麥生產中，推廣樹脂包膜尿素一次性基施具有重要的實踐意義。然而在“減肥增效”的背景下，減量施用控釋氮肥能否持續保持小麥高產、穩產和可持續性生產，還有待更深入地研究。