硫膜和树脂膜控释尿素对土壤硝态氮含量及氮素平衡和氮素利用率的影响

2015-06-15宋付朋卢艳艳

植物营养与肥料学报 2015年2期

关键词：硝态氮素氮肥

刘敏，宋付朋，卢艳艳

(土肥资源高效利用国家工程实验室，国家缓控释肥工程技术研究中心，山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018)

硫膜和树脂膜控释尿素对土壤硝态氮含量及氮素平衡和氮素利用率的影响

刘敏，宋付朋*，卢艳艳

(土肥资源高效利用国家工程实验室，国家缓控释肥工程技术研究中心，山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018)

硫膜控释尿素；树脂膜控释尿素；土壤硝态氮；氮素平衡；氮素利用率

据联合国粮农组织估计，在发展中国家的粮食增产中，化肥的作用占到55%以上[1]。为了追求高产，我国北方玉米产区大量施用氮肥，过量投入的氮素不仅造成氮素利用率降低，而且使农田生态系统中有大量的氮素盈余，这些盈余的氮素部分以气体形式挥发损失，或以硝态氮的形式通过淋洗、径流等途径污染农业生态环境[2-6]。因此如何科学有效地施用氮肥，提高肥料利用率，减少对农业生态环境的污染已成为现代农业科学研究的重大课题，而控释尿素的开发应用这一问题的解决开辟了新的途径[7-8]。

近年来，关于控释尿素的研究多集中在控释尿素对玉米、小麦、水稻等作物的产量和氮肥利用率及对耕层土壤养分状况的影响等方面[9-12]，而关于硫膜和树脂膜两种不同包膜控释尿素在防止农田土壤硝态氮的迁移淋失和氮素平衡方面的报道较少。为解决在高温多雨的气候条件下夏玉米种植中硫膜和树脂膜控释尿素的选择和应用问题，本文通过田间试验研究硫膜和树脂膜控释尿素在降低玉米农田土壤剖面硝态氮迁移累积的效应及其对土壤—作物体系氮素平衡的影响规律，以期为不同包膜控释尿素在玉米种植上的选择与应用以及大面积推广提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验材料

供试土壤为潮褐土(土壤系统分类为斑纹简育干润淋溶土)，耕层土壤有机质含量 8.26 g/kg、全氮0.36 g/kg、硝态氮 8.8 mg/kg、铵态氮2.4 mg/kg、有效磷 26 mg/kg、速效钾71 mg/kg、 pH 值8.51(水土比=2.5 ∶1)，电导率181.7 μS/cm，容重1.13 g/cm3。

供试氮肥为普通尿素(含N 46%)，硫膜控释尿素(含N 35%)，树脂膜控释尿素(含N 43%)，其中硫膜和树脂膜控释尿素的释放时间均为3个月，均由山东金正大生态工程股份有限公司生产提供；普通尿素由泰安市肥城阿斯德化工厂提供。磷肥为粉末状过磷酸钙(含P2O514%)(湖北祥云生产)，钾肥为俄罗斯生产的红色大颗粒氯化钾(含K2O 60%)。

供试玉米品种为郑单958。

1.3 试验设计

本试验设 1)不施氮对照(CK)；2)低量普通尿素(LCU)；3)高量普通尿素(HCU)；4)低量硫膜控释尿素(LSU)；5)高量硫膜控释尿素(HSU)；6)低量树脂膜控释尿素(LPU)；7)高量树脂膜控释尿素(HPU)，共7个施氮肥处理，每个处理4次重复，共28个小区，小区面积22.5 m2，随机区组排列。低量和高量氮肥分别为施 N 210 kg/hm2和 300 kg/hm2；各处理施磷量和施钾量相同，均为P2O5105 kg/hm2、 K2O 210 kg/hm2。氮、磷、钾肥均在玉米播种前(2012年6月12日)作基肥撒施，然后旋耕，使其与耕层土壤充分混合，施肥当天按照常规播量播种夏玉米，田间管理按照常规方式进行，10月3日收获并测产。

1.4 测定项目和方法

分别于玉米苗期(施肥后14 d)、灌浆期(施肥后65 d)、收获期(施肥后90 d)在小区内按每 20 cm一层分5层取0—100 cm土样，每小区随机取3个点，相同层次的土壤混合为一个样，置于冰柜中冷冻保存。鲜土样解冻后混匀称取 6 g 土样3份，用50 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，振荡30 min后过滤，用德国产AA3型流动分析仪测定土壤硝态氮、铵态氮含量，同时测定土壤含水量。

玉米收获后采集植株样品，每小区取3株。样品取回后在105℃杀青30min，温度降至70℃烘干称重。粉碎后采用凯氏定氮法测定植株全氮含量。

1.5 计算方法

土壤氮素净矿化量=不施氮肥区玉米地上部氮素累积量+不施氮肥区土壤矿质氮量-不施氮肥区起始矿质氮量[13]。

氮输入包括施入氮肥、土壤起始无机氮和土壤氮素净矿化量；氮输出包括作物吸收、残留无机氮和表观损失，根据氮素输入输出的平衡模型计算氮的表观损失。

氮表观损失量= 氮输入量-作物吸收量-土壤残留无机氮量；

氮肥表观损失率(%)=氮表观损失量/施氮量×100 ；

氮盈余量(kg/hm2)=土壤残留无机氮含量+氮表观损失量[14]。

氮肥农学效率(籽粒 kg/kg N)= (施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/施氮量；

氮肥利用率(%)=(施氮处理作物吸氮量-不施氮处理作物吸氮量)/施氮量×100[15]。

试验数据均采用SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同控释尿素对玉米不同生育期土壤剖面硝态氮含量的影响

在玉米苗期、灌浆期、收获期，硫膜和树脂膜控释尿素处理0—100 cm各土层的土壤硝态氮含量均随着施氮量的升高而升高，但影响幅度不同(图1)。

图1 不同处理硝态氮含量的时空变化Fig.1 Spatial-temporal variations of soil -N content of different treatments[注(Note)： CK—不施氮肥 No nitrogen fertilizer; LCU—低量普通尿素Low amount common urea; HCU—高量普通尿素High amount common urea; LSU—低量硫膜控释尿素Low amount sulfur-coated controlled release urea; HSU—高量硫膜控释尿素High amount sulfur-coated controlled release urea; LPU—低量树脂膜控释尿素Low amount polymer-coated controlled release urea; HPU—高量树脂膜控释尿素High amount polymer-coated controlled release urea.]

2.2 不同控释尿素对玉米生育期土壤氮素平衡的影响

表1 玉米整个生育期的土壤氮素平衡(kg/hm2)

注(Note): CK—不施氮肥 No nitrogen fertilizer; LCU—低量普通尿素Low amount common urea; HCU—高量普通尿素High amount common urea; LSU—低量硫膜控释尿素Low amount sulfur-coated controlled release urea; HSU—高量硫膜控释尿素High amount sulfur-coated controlled release urea; LPU—低量树脂膜控释尿素Low amount polymer-coated controlled release urea; HPU—高量树脂膜控释尿素High amount polymer-coated controlled release urea. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

这表明硫膜和树脂膜控释尿素在供应作物氮素、减少土壤残留无机氮量、氮表观损失量和氮盈余量方面的效果优于普通尿素，其中树脂膜控释尿素在减少氮的表观损失和氮盈余方面的效果优于硫膜控释尿素，而在土壤残留无机氮方面二者差异不显著。

2.3 不同控释尿素对玉米产量及氮素利用率影响

表2 玉米产量和控释尿素对肥料的氮素利用效率

注(Note): CK—不施氮肥 No nitrogen fertilizer; LCU—低量普通尿素Low amount common urea; HCU—高量普通尿素High amount common urea; LSU—低量硫膜控释尿素Low amount sulfur-coated controlled release urea; HSU—高量硫膜控释尿素High amount sulfur-coated controlled release urea; LPU—低量树脂膜控释尿素Low amount polymer-coated controlled release urea; HPU—高量树脂膜控释尿素High amount polymer-coated controlled release urea. AE—N agricultural efficiency; NUE—Nitrogen use efficiency.同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

这说明硫膜和树脂膜控释尿素均能明显提高玉米产量、氮肥农学效率和氮素利用率，树脂膜控释尿素在提高氮肥农学效率和氮素利用率方面的效果优于硫膜控释尿素。施氮 N 300 kg/hm2比 N 210 kg/hm2更有利于提高玉米产量和氮素利用率。

3 讨论与结论

大量研究认为土壤残留硝态氮极易通过淋溶或硝化—反硝化途径损失出土壤—作物生态系统，对环境产生威胁[16-17]。本试验条件下，与普通尿素相比，硫膜和树脂膜控释尿素均能降低玉米苗期 0—100 cm 各土层的硝态氮含量，提高玉米灌浆期和收获期 0—40 cm的土壤硝态氮供应量并降低了40 cm以下土层的硝态氮的累积量，这与卢艳艳等[18]的研究结果相一致。这是由于普通尿素的氮素释放快，在玉米生育前期即大量释放，到玉米需肥高峰期易造成土壤氮素供应不足，而两种包膜控释尿素的氮素供应在时间和空间上与作物养分吸收规律更加接近，从而减少了前期硝态氮的累积淋失，增加了玉米需肥高峰期的硝态氮含量。本试验还研究表明，硫膜与树脂膜控释尿素相比，树脂膜控释尿素能减少苗期0—60 cm土层土壤的硝态氮供应，提高灌浆期和收获期 0—20 cm土层土壤硝态氮含量。这是由于树脂膜控释尿素的氮素养分释放规律与玉米养分吸收规律更加吻合，对土壤硝态氮向下运移的控制优于硫膜控释尿素，有利于减少氮素潜在的淋洗、迁移损失。两种控释尿素施氮量N 300 kg/hm2比N 210 kg/hm2更有利于提高耕层土壤硝态氮含量，降低耕层以下土层的硝态氮累积损失，保证玉米生育盛期的速效氮素供应，且树脂膜控释尿素优于硫膜控释尿素。

因此，综合考虑保证氮素供应、减少氮素损失、提高玉米产量及氮素利用率等方面，在黄淮海区域高温多雨的气候条件下，夏玉米种植中，施氮量为N 300 kg/hm2的树脂膜控释尿素或者硫膜和树脂膜控释尿素二者配合施用是最佳施氮方式。

[1] 张民, 史衍玺, 杨守祥, 等. 控释和缓释肥的研究现状与进展[J]. 化肥工业, 2001, 28(5): 27-30. Zhang M, Shi Y X, Yang S Xetal. Status quo of study of controlled-release and slow-release fertilizers and progress made in this respect[J]. Chemical Fertilizer Industry, 2001, 28(5): 27-30.

[2] Ju X T, Kou C L, Christie Petal. Changes in the soil environment from excessive application of fertilizers and manures to two contrasting intensive cropping systems on the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2007, 145: 497-506.

[4] Zhao R F, Chen X P, Zhang F Setal. Fertilization and nitrogen balance in a wheat/maize rotation system in north China[J]. Agronomy Journal, 2006, 98: 938-945.

[5] Cui Z L, Zhang F S, Chen X Petal. On-farm evaluation of an in-season nitrogen management strategy based on soil Nmin test field[J]. Filed Crops Research, 2008, 105(1/2): 48-55.

[7] 卫丽, 马超, 黄晓书, 等. 控释肥对土壤全氮含量及夏玉米产量品质的影响[J]. 水土保持学报, 2009,23, (4): 176-179. Wei L, Ma C, Huang X Setal. Effects of controlled-release nitrogen fertilizer on total N of soil and yield and quality of summer maize[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23, (4): 176-179.

[8] 郑圣先, 聂军, 熊金英, 等. 控释肥料提高氮素利用率的作用及对水稻效应的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2001,7(1): 11-16. Zheng S X, Nie J, Xiong J Yetal. Study on role of controlled release fertilizer in increasing the efficiency of nitrogen utilization and rice yield[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2001, 7(1): 11-16.

[9] 王宜伦, 李潮海, 王瑾, 谭金芳. 缓/控释肥在玉米生产中的应用与展望[J]. 中国农学通报, 2009, 25(24): 254-257. Wang Y L, Li C H, Wang J, Tan J F. Application and prospect of slow/controlled release fertilizers in maize production[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(24): 254-257.

[10] 李方敏, 樊小林, 陈文东. 控释肥对水稻产量和氮肥利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2005,11(4): 494-500. Li F M, Fan X L, Chen W D. Effects of controlled release fertilizer on rice yield and nitrogen use efficiency[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005,11(4): 494-500.

[11] 栗丽, 洪坚平, 王宏庭, 等. 施氮与灌水对夏玉米土壤硝态氮积累、氮素平衡及其利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010,16(6): 1358-1365. Li L, Hong J P, Wang H Tetal. Effects of nitrogen application and irrigation on soil nitrate accumulation, nitrogen balance and use efficiency in summer maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(6): 1358-1365.

[12] 谢春生, 唐拴虎, 徐培智, 等. 一次性施用控释肥对水稻植株生长及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(2): 177-182. Xie C S, Tang S H, Xu P Zetal. Effects of single basal application of controlled-release fertilizers on growth and yield of rice[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(2): 177-182.

[13] 巨晓棠, 刘学军, 张福锁. 冬小麦与夏玉米轮作体系中氮肥效应及氮素平衡研究[J]. 中国农业科学, 2002, 35(11): 1361-1368. Ju X T, Liu X J, Zhang F S. Study on effect of nitrogen fertilizer and nitrogen balance in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(11): 1361-1368.

[14] 崔振岭, 陈新平, 张福锁, 等. 华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系土壤硝态氮的适宜含量[J]. 应用生态学报, 2007,18(10): 2227-2232. Cui Z L, Chen X P, Zhang F Setal. Appropriate soil nitrate N content for a winter wheat/summer maize rotation system in North China plain[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(10): 2227-2232.

[15] 杨荣, 苏永中. 水氮配合对绿洲沙地农田玉米产量、土壤硝态氮和氮平衡的影响[J]. 生态学报, 2009, 29(3): 1459-1467. Yang R, Su Y Z. Effects of nitrogen fertilization and irrigation rate on grain yield, nitrate accumulation and nitrogen balance on sandy farmland in the marginal oasis in the middle of Heihe River basin[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(3): 1459-1467.

[16] 巨晓棠, 刘学军, 邹国元, 等. 冬小麦/夏玉米轮作体系中氮素的损失途径分析[J]. 中国农业科学, 2002, 35(12): 1493-1499. Ju X T, Liu X J, Zou G Yetal. Evaluation of nitrogen loss way in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(12): 1493-1499.

[17] Mosier A R, Zhu Z L. Changes in patterns of fertilizer nitrogen use in Asia and its consequences for N2O emissions from agricultural systems[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2000, 57: 107-117.

[18] 卢艳艳, 宋付朋, 赵杰, 高杨. 控释尿素对土壤氨挥发和无机氮含量及玉米氮素利用率的影响[J]. 水土保持学报, 2010, 24(6): 79-82. Lu Y Y, Song F P, Zhao J, Gao Y. Effects of controlled-release urea on ammonia volatilization and inorganic nitrogen of soil and nitrogen use efficiency in maize[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(6): 79-82.

[19] 马富亮, 宋付朋, 高杨, 邹朋. 硫膜和树脂膜控释尿素对小麦产量、品质及氮素利用率的影响[J]. 应用生态学报, 2012,23(1): 67-72. Ma F L, Song F P, Gao Y, Zou P. Effects of sulfur- and polymer-coated controlled release urea fertilizers on wheat yield and quality and fertilizer nitrogen use efficiency[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(1): 67-72.

LIU Min, SONG Fu-peng*, LU Yan-yan

(NationalEngineeringLaboratoryforEfficientUtilizationofSoilandFertilizerResources/NationalEngineering&TechnologyResearchCenterforSlowandControlledReleaseFertilizers/CollegeofResourcesandEnvironment,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271018,China)