硫包膜尿素在轻度盐碱土壤中释放特点及肥效研究

王　琦,王永亮,郭军玲,郭彩霞,杨治平

(1.山西大学 生物工程学院,山西 太原　030006;2.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所,山西 太原　030031;3.土壤环境与养分资源山西省重点实验室,山西 太原　030031)



硫包膜尿素在轻度盐碱土壤中释放特点及肥效研究

王琦1,2,3,王永亮2,3,郭军玲2,3,郭彩霞2,3,杨治平2,3

(1.山西大学 生物工程学院,山西 太原030006;2.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所,山西 太原030031;3.土壤环境与养分资源山西省重点实验室,山西 太原030031)

摘要：应用水中溶出率法和轻度盐碱土壤玉米根下土埋法,研究硫包膜尿素在轻度盐碱土壤的释放特征及其对春玉米氮吸收和产量的影响,并且与腐植酸包膜尿素和普通尿素进行了比较。结果表明,硫包膜尿素在静水中初期养分释放率大,后期明显出现养分“锁定效应”和“尾留效应”现象,仅能释放出59.33%左右的养分;在轻度盐碱土壤中,其释放与静水释放趋势一致,但在玉米收获时养分释放率达87.9%,在玉米全生育期,其累积释放呈现逐渐递增的趋势,与玉米吸氮曲线相吻合;而与之相比较,腐植酸包膜尿素和普通尿素的释放规律与玉米吸氮曲线吻合度较差。硫包膜尿素处理与腐植酸包膜尿素和普通尿素2个处理相比，玉米成熟期氮吸收总量分别增加26.97%和44.32%，产量分别增加8.73%和22.43%，差异均显著；苗期耕层土壤pH值分别降低0.66,0.51。硫包膜尿素处理的穗长、百粒质量分别比腐植酸包膜尿素处理和普通尿素处理高1.33%,4.65%和2.69%,8.41%,硫包膜尿素处理的秃尖和穗粒数与普通尿素处理的差异显著。说明硫包膜尿素在轻度盐碱地上应用可降低土壤pH值、增强玉米植株氮素吸收利用能力,释放特征更符合玉米氮素养分的吸收规律。

关键词：硫包膜尿素;养分释放特征;产量;吸氮量;玉米

盐碱地[1]是地球上分布广泛的一种土壤类型,约占陆地总面积的 25%,分布于世界各大洲干旱地区。随着人口、资源和环境矛盾的日益突出,盐碱地作为潜在耕地的后备资源,存在着巨大的开发潜力[2-3]。但是盐碱土壤高pH值和高盐分问题严重制约了其土地的开发利用。应用含硫物料和含碳物料作为化学改良剂改良盐碱土壤的文献报道已有很多。吴曦等[4]以硫磺作为含硫物料进行研究指出,碱性土壤施用硫磺,pH值最大降幅为0.5;同时盐碱地使用硫磺可以提高土壤有效磷含量;元素硫不仅能通过氧化改变土壤酸碱度,并且在植物的生长代谢过程中起重要作用[5-9]。曹宏武等[5]以腐植酸作为含碳物料进行研究指出,盐碱地施用腐植酸类物料,除可降低土壤碱度外,土壤有机质也有一定程度提高。通常盐碱地改良剂一般于春播前施入土壤,硫磺和腐植酸都属于细颗粒物料,撒施过程中易随风扬起,造成浪费及空气污染。特别是在内陆盐碱地区,春季风大且沙尘较多,如山西省朔州市应县,8级以上的大风年均在50 d以上,且主要集中在春季,约占全年大风日数的50%以上[10],严重影响改良剂的改良效果。将改良剂作为膜材料包裹在大颗粒尿素外层研制而成的包膜尿素,不仅解决了改良剂使用过程中造成的环境问题[11],而且还能满足植物对氮素的需求[12-14]。目前,对改良剂作为膜材料的包膜尿素降低土壤碱度的效果以及在盐碱地上的氮素释放特点及其肥效的相关研究较少。国内外学者通过对包膜缓释尿素对作物生长及产量影响的研究发现[12-14]，施用缓效肥料能有效增加玉米、水稻、大豆、小麦等作物的产量[15-24]。

本试验重点探讨了硫包膜尿素在盐碱土壤中的改良效果以及氮素释放及其肥效特征,旨在为轻度盐碱土壤改良及其粮食作物生产提供参考依据。

1材料和方法

1.1供试材料

氮肥选择3种类型尿素作为供试肥料：硫包膜尿素(汉枫缓释肥料有限公司生产),含N量为37%,产品标注释放期为60 d,产地为山西运城;腐植酸包膜尿素,含N量为35%,产品标注释放期为60 d,产地为山东;普通尿素,含N量≥46.4%。磷肥选择颗粒过磷酸钙,P2O5含量为16%。钾肥选择硫酸钾,K2O含量为50%。供试玉米品种为大丰30。

1.2试验方法

1.2.125 ℃静水浸提试验选择3种不同类型尿素作为试验材料,分别称取10 g装入150 μm尼龙纱网小袋,封口后置于250 mL广口瓶中,加入200 mL蒸馏水,加盖密封后置于25 ℃生化恒温培养箱中培养,同时计时,取样时间为从计时起的第1,3,5,7,10,14,28,42,56,84 天,直至累积养分溶出率达80%以上视为释放完全[16]。

取样时,将广口瓶上下颠倒3次,使瓶内的液体浓度一致,然后将浸提液全部移入250 mL容量瓶,冷却至室温后定容,以备测定。随后在原广口瓶中重新加入200 mL的蒸馏水,密封后重新置于培养箱继续培养。试验设3个处理,4次重复。

1.2.2田间试验试验区设在山西省农业科学院应县试验基地。该区属暖温带半干旱大陆性气候,2014年平均气温9.6 ℃,年均降水量321.7 mm,无霜期162 d,年均相对湿度为45%;供试土壤为轻度硫酸盐盐化土,容重为1.38 g/cm3,0～20 cm土层土壤pH值为 8.75,有机质13.24 g/kg,全氮0.788 g/kg,硝态氮13.42 mg/kg,有效磷8.12 mg/kg,速效钾146 mg/kg。田间试验时间为2014年5月2日至10月2日。

试验设3个处理,分别为硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素,4次重复。肥料用量折纯N 225 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。所有肥料均为一次性底施,试验小区面积为60 m2。

为研究不同包膜尿素氮的田间释放特征,分别称取过筛后的硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素各10 g,装入尼龙纱网小袋并封口,将肥料网袋均匀埋入玉米根系吸收区域15～20 cm的土层中,在苗期(V3)、拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、灌浆期(R5)、生理成熟期(R6)定期取出肥料网袋测试,每次取样4个,同时取出对应的植株样品。

1.3测定指标及分析方法

采用浓硫酸消煮-凯氏定氮法测定植物、静水浸提试验和土壤埋肥试验中肥料氮素的含量。

1.4数据统计分析

试验数据采用Excel、Sigmaplot 12.5、Minitab 15.0软件进行统计分析,并进行多重比较(P<0.05)。

2结果与分析

2.1不同类型包膜尿素氮素释放速率

2.1.1不同类型包膜尿素氮素在静水中的释放速率从图1可以看出,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素在25 ℃静水中的氮素累积释放规律明显不同,硫包膜尿素从释放初期到第84天,总体释放趋势呈现逐渐递增的趋势,而腐植酸包膜尿素在第5天已完全释放。在整个释放期内,硫包膜尿素第1天氮素养分释放率最大,达到23.20%,之后各时段氮素养分释放率逐渐递减,在第42～56，56～84天这2个时段的氮素释放率分别只有2.39%和3.65%,而到第84天氮素养分累积释放率也仅有59.33%,该时段的氮素养分释放表现出明显的“锁定效应”和“尾留效应”[17];而腐植酸包膜尿素在第1天时氮素养分释放率高达75%以上,已处于释放高峰期,被视为趋于完全释放,之后其氮素养分释放率急剧下降,第2～3天的氮素养分释放率只有0.69%,而到第5天已完全释放。相比腐植酸包膜尿素,硫包膜尿素的静水释放规律更符合缓释肥的释放指标[16]。

图1　包膜尿素在25 ℃静水中氮素释放率和累积释放率

2.1.2不同类型包膜尿素氮素在轻度盐碱土壤上的释放速率从图2可以看出,硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素在轻度盐碱土壤上的累积释放速率与静水试验规律一致。其中,腐植酸包膜尿素在玉米苗期氮素累积释放达97%,拔节期以后直至生理成熟期释放接近于0,其累积释放规律和普通尿素相似;而硫包膜尿素在玉米整个生育期的累积释放总体呈现逐渐递增的趋势,硫包膜尿素在玉米大喇叭口期-生理成熟期是释放高峰期,这一时段总释放率为14.31%。

图2　不同包膜尿素氮素田间累积释放率

2.2硫包膜尿素氮素的释放特征

由图3可知,硫包膜尿素在轻度盐碱土壤中与在静水中的氮素累积释放曲线趋势相近。整体来看,硫包膜尿素在氮素养分释放的第0～10天内,其在静水中的释放曲线与在土壤中的释放曲线基本吻合;第10天以后,硫包膜尿素在2种介质中的氮素累积释放差异逐渐增大,表现为土壤中的释放曲线明显高于在水中的释放;在玉米种植后的第107天,硫包膜尿素的氮素累积释放达到87.9%,而在静水中,氮素释放到第84天时,累积释放率维持在60%左右,之后释放曲线趋于平缓,释放率增长微小,其氮素释放表现出明显的“锁定效应”(与水中缺少土壤中所具有的硫细菌有关)[25]。

图3　硫包膜尿素在静水中及轻度

从表1可以看出,在第0～33,73～82天内,硫包膜尿素在土壤中的氮素日平均释放率最大,达2.17%和0.28%,在其他各时段的释放速率骤减,但始终维持在0.16%的水平。硫包膜尿素在静水中各时段的氮素平均释放率由高到低逐渐降低,在第82～107天时段,释放速率降为0.12%,与在土壤中释放速率基本相同。

表1　硫包膜尿素在水中与土壤中氮素日平均释放率对比

2.3不同包膜尿素对耕层土壤pH值的影响

通过对整个玉米生育期0～20 cm耕层土壤pH值的监测结果可以看出,硫包膜尿素、腐植酸包膜尿素和普通尿素对轻度盐碱土壤pH值的影响均呈现先下降后上升的变化趋势,即在施用后30 d左右,土壤pH值下降最明显,之后开始缓慢升高,这与袁福生等[26]的研究结果一致。3种肥料处理之间存在差异,从玉米生长的全生育期看,硫包膜尿素处理的pH值低于腐植酸包膜尿素处理,后者低于普通尿素处理。在施用30 d时,即玉米苗期,硫包膜尿素处理的pH值降幅最大,降低了0.66;其次是腐植酸包膜尿素处理,pH值降幅达0.51,普通尿素处理的pH值也有所下降,但仅下降0.15(图4)。

图4　不同包膜尿素对0～20 cm土壤pH值的影响

2.4不同包膜尿素对春玉米氮素吸收和产量的影响

从图5可以看出,在玉米不同生育期,3种尿素处理地上部氮素吸收量差异明显。从苗期看,普通尿素处理高于腐植酸包膜尿素和硫包膜尿素处理。从大嗽叭口期开始,硫包膜尿素处理地上部吸氮量开始逐渐高于普通尿素处理;到吐丝期时,3个处理之间氮吸收量存在差异,在吐丝期、灌浆期和生理成熟期,硫包膜尿素处理玉米地上部吸氮量比腐植酸包膜尿素处理分别高14.35%,29.40%和26.97%,比普通尿素处理分别高33.63%,51.82%和44.32%。

图5　不同包膜尿素对玉米植株各生育时期吸氮量的影响

从表2可以看出,3个处理间产量差异达显著水平,硫包膜尿素处理产量最高,比腐植酸包膜尿素和普通尿素处理分别增加8.73%和22.43%;硫包膜尿素处理玉米的穗长、百粒质量比腐植酸包膜尿素处理和普通尿素处理分别高1.33%,4.65%和2.69%,8.41%,但差异均不显著;而硫包膜尿素处理比腐植酸包膜尿素处理和普通尿素处理玉米秃尖长分别短58.05%和67.18%,穗粒数分别大2.94%和12.50%,且硫包膜尿素处理和普通尿素处理间差异达到显著水平。

表2　不同缓释尿素对玉米产量及其构成因素的影响

注：表中不同小写字母表示5%差异显著性。

Note:The different small letters are significantly different at 5%.

3结论与讨论

大量研究表明,硫包膜尿素静水释放均表现出初期释放率高,后期出现“锁定效应”和“尾留效应”[25];同种包膜肥料在静水中的释放和在田间土壤中的释放趋势相一致,但动态过程中的氮素释放速率差异较大[27]。本研究通过水中溶出率法和轻度盐碱土壤玉米根下土埋法,对硫包膜尿素的研究也得出了类似的结果;同时发现,2种供试包膜尿素在不同介质中的氮素释放率有明显差异,这可能是由于水是一种单一的介质,包膜肥料在静水中的释放仅受温度的影响,而包膜肥料在土壤中的释放受多种因素的影响[28]。硫包膜尿素在静水中初期养分释放率高,可能是由包膜不完整、膜材料亲水或覆膜不均匀所造成的[29],而养分平均释放率低,后期同样出现了明显的“锁定效应”和“尾留效应”。本试验硫包膜尿素在轻度盐碱土壤中的释放与玉米对氮素营养的吸收趋势一致,与吕娇等[14]结果相似，可为玉米各时期的生长发育提供良好的氮素营养，而腐植酸包膜尿素与普通尿素的释放趋势与玉米的吸氮趋势吻合度差。

尿素施入土壤后,由脲态氮转化成铵态氮,再由铵态氮进一步向硝态氮转化的过程中会使土壤pH值下降,导致土壤出现酸化的趋势。而硫磺和腐植酸本身的介入也存在土壤酸化的作用,尤其在石灰性土壤上应用能有效降低硫磺和腐植酸周围土壤的pH值[16]。本试验结果表明,在盐碱土壤中,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素对玉米整个生育时期的土壤pH值均有降低的效果,尤其是在苗期作用效果明显,硫包膜尿素和腐植酸包膜尿素分别比基础土壤pH值下降0.66,0.51,其中,硫包膜尿素作用效果更佳。这种对盐碱土壤苗期pH值的下降效果,不仅可以改善土壤环境调节氮肥的释放速度,最重要的是可以有效增加玉米的出苗率,对盐碱土壤玉米高产起到至关重要的作用。

关于缓释肥的增产效果,前人大量的研究发现,缓释氮肥能提高玉米对氮素的吸收并增加玉米产量;朱红英等[29]研究发现,大多数控释肥都能提高玉米的产量,通常增产约10%。增产的主要原因是施用缓释氮肥改善了玉米植株对氮素的吸收状况,缓释肥养分的同步释放,满足了植株各个生育时期的营养需求[22]。本试验结果表明,硫包膜尿素处理在田间氮素累积释放率与玉米地上部吸氮量曲线相吻合,玉米吸氮量的高峰期与该肥料氮素养分释放率高峰期相吻合,说明硫包膜尿素氮素释放与玉米植株生长需氮量一致。硫包膜尿素处理产量显著高于腐植酸包膜尿素处理和普通尿素处理。

本试验研究证明,硫包膜尿素可以降低轻度盐碱地土壤pH值,提高玉米氮素的吸收量,进而增加玉米产量。

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Release of Sulfur Coated Urea in Mild Saline-alkali Soil and Study of Its Fertilizer Efficiency

WANG Qi1,2,3,WANG Yongliang2,3,GUO Junling2,3,GUO Caixia2,3,YANG Zhiping2,3

(1.College of Biological Engineering,Shanxi University,Taiyuan030006,China;2.Institute of Agricultural Environment and Resources,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Taiyuan030031,China;3.Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources in Shanxi Province,Taiyuan030031,China)

Abstract：In this experiment,the nutrient release characteristics of sulfur coated urea in mild saline-alkali soil were studied by water extraction and mild saline-alkali soil incubation method,and compared with humic acid coated urea and common urea.At the same time,the trials were conducted to investigate its effects on the absorption of nitrogen and yields of spring maize.The results indicated that in the water,sulfur coated urea had a large initial release rate of nutrient,and ″locked-in effect″ and ″tailing effect″ in its later period,and the nutrients could be only released the 60%.It had the same trend in the mild saline-alkali soil with in the water,but the nutrients released rate was 87.9% when the maize was harvest,during the whole growth period of maize,the accumulated release showed a gradual increasing trend,that fitted to the curve of the captured by nitrogen in maize.And compared with the release of humic acid urea and common urea,the difference of the nitrogen absorption curve of the corn was in the degree of the difference.In different fertilization treatments,the treatments of sulfur coated urea was better than the treatment of humic acid urea and common urea,the increment rate of maize nitrogen absorption amount was 26.97% and 44.32%,respectively,the yield of corn increased by 8.73% and 22.43%,respectively;the seedling soil pH value decreased 0.66 and 0.51 units respectively.The spike length and 100 grain weight per treatment in the treatment of sulfur coated urea were significantly higher than those of the humic acid coated urea treatment and common urea treatment,the increment rate was 1.33%,4.65% and 2.69%,8.41%,respectively.The treatment of sulfur coated urea had significant difference with the common urea treatment in bald and per spike grain.It can be seen that the application of sulfur coated urea in mild saline alkali soil has lower pH,increasing the nitrogen absorption and utilization of maize plant,and the release characteristics of the absorption law of nitrogen in maize.

Key words:Sulfur coated urea;Nutrient released characteristic;Yield;Nitrogen uptake;Maize

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.030

中图分类号：S143.1+5

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)02-0182-06

作者简介：王琦(1990-),女,山西交城人,在读硕士,主要从事缓释肥研制研究。通讯作者：杨治平(1969-),女,山西祁县人,研究员,博士,硕士生导师,主要从事作物高产养分资源高效研究。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201103003);国家国际科技合作专项项目( 2015DFA90990);山西省农业科学院博士基金项目(YBSJJ1309;YBSJJ1310)

收稿日期：2016-02-15