沙壤土包膜尿素释放期与小麦适宜施用方式研究
2016-08-24刘永哲陈长青王火焰周健民陈照明刘晓伟
刘永哲, 陈长青, 尚 健, 王火焰, 周健民, 陈照明, 刘晓伟
(1 南京农业大学应用生态研究所, 南京 210095; 2 宣城市农产品质量安全监管局, 安徽宣城 242000;3 土壤与农业可持续发展国家重点试验室/中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
沙壤土包膜尿素释放期与小麦适宜施用方式研究
刘永哲1,3, 陈长青1, 尚 健2, 王火焰3*, 周健民3, 陈照明3, 刘晓伟3
(1 南京农业大学应用生态研究所, 南京 210095; 2 宣城市农产品质量安全监管局, 安徽宣城 242000;3 土壤与农业可持续发展国家重点试验室/中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
【目的】在保水保肥性差、 氮素淋溶损失严重的姜堰高砂土地区,采用新型水基反应成膜技术的包膜尿素,研究可提高小麦产量以及氮肥利用率的肥料品种和施肥方法。【方法】本研究采用30、 60、 90 d三种控释期包膜尿素(PCU30、 PCU60、 PCU90)并各设置三种施肥方式处理: 播种行下方12 cm处一次基施、 播种行侧方3 cm深5 cm处一次基施、 播种行侧方10 cm深5 cm处一次基施(T1、 T2、 T3)。小麦成熟期测定各小麦秸秆和籽粒产量与干物质分配,测定氮素吸收量。【结果】三种包膜尿素中,施用PCU60增产效果最好,其侧施处理优于种下深施,其中T2处理的小麦产量最高,为8661 kg/hm2,比当地习惯施肥增产6.5%。PCU60 T2处理的氮肥利用率为53.7%,较习惯施肥提高17.3%,差异显著。PCU90各处理较习惯施肥均减产且收获期土壤硝态氮残留量高,不适合当地使用。【结论】在砂土基质下,PCU60在播种行侧方3 cm深5 cm处一次基施可替代尿素分次施用,降低劳动成本。
小麦; 包膜肥料; 施肥位置; 尿素; 氮肥利用率
小麦是我国主要粮食作物,在我国粮食安全中起着不可替代的重要作用。随着我国人口数量的递增和耕地面积的不断减少,农民单方面追求作物产量和经济效益,过量的、 不合理的氮肥施用已趋于常态化,结果造成土壤养分不平衡、 肥料资源浪费以及农产品品质降低等一系列问题[1]。过量施入农田的氮素通过径流、 淋溶或挥发等途径进入环境系统,造成地表水富营养化以及地下水硝酸盐含量超标等问题,严重威胁人体健康[2-3]。资料显示,施用包膜尿素能有效降低氮肥损失,提高氮肥利用效率,减轻因肥料使用所产生的环境负面影响[4-5]。
1 材料与方法
1.1供试材料
试验材料为中国科学院南京土壤研究所采用水基反应成膜技术(包衣工业中用水代替有机溶剂,用化学聚合反应在尿素颗粒表面直接成膜制成保水包膜尿素材料)制造的30、 60、 90天控释期包膜尿素(分别用PCU30、 PCU60、 PCU90表示),含氮量均为41%。小麦品种为扬麦20。
1.2试验设计
试验共设11个处理, 其中两个对照处理为CK1(不施氮肥)和CK2(当地习惯施肥,普通尿素,撒施,基追比40% ∶30% ∶30%)。 另外,3种包膜尿素各设3种施肥方式处理: T1(包膜尿素在播种行下方12 cm处一次条施); T2(包膜尿素在播种行侧方3 cm深5 cm处一次条施); T3(包膜尿素播种行侧方10 cm深5 cm处一次条施), 随机区组设计,每个处理设4个重复。各处理肥料用量: N 225 kg/hm2(CK1除外),P2O5180 kg/hm2(含量12%的过磷酸钙,基施一次撒施),K2O 120 kg/hm2(含量60%的氯化钾,基施一次撒施)。
试验微区2.5 m2(长2.5 m、 宽1 m)。小麦条播,包膜尿素条施(农民习惯施肥所用尿素为表面撒施)。施肥前,在微区内按照25 cm的行距标记出小麦播种行,而后分别在播种行下方或平行的一侧,按照上述处理所描述的深度和距离开沟,将称好的包膜尿素均匀撒入,覆土后在播种行均匀播入小麦种子。在冬小麦生育期内按照扬麦20高产栽培技术进行田间管理。
1.3样品采集与测定方法
小麦成熟期时各微区全部收获,测定各微区秸秆和籽粒的产量与干物质分配,同时取部分籽粒与秸秆样品带回室内,采用凯氏定氮法测定植株样品氮素含量。
每个小区以肥料条施位置为中心采取长宽高均为20 cm的耕层土壤样品,混合均匀,四分法取样。土壤样品用2 mol/L的KCl提取后测定土壤铵态氮(水杨酸钠-次氯酸钠比色法)、 硝态氮(镉柱还原法)含量,以上指标均采用法国SmartChem200全自动化学分析仪测定。
氮肥利用率采用差值法计算,其公式为:
氮肥表观利用率(%)=(施氮区植株吸氮量-不施氮区植株吸氮量)/施氮量×100
试验数据应用SPSS13.0软件进行统计分析,EXCEL2010软件作图
2 结果与分析
2.1包膜尿素释放期及施肥方式对小麦产量及干物质分配的影响
施氮使冬小麦极显著增产,PCU30、 PCU60、 PCU90不同施肥方式下的产量均显著高于CK1(表1)。三种包膜尿素中,PCU60的增产效果最佳。本试验条件下,CK2小麦产量为8129 kg/hm2。PCU30
表1 不同缓控肥及施用方式小麦产量及干物质分配率
注(Note): 处理列30、 60、 90分别表示包膜肥释放天数 30, 60 and 90 in the treatment column mean duration of nutrient release; T1、 T2、 T3分别表示种下12 cm、 种子行一侧3 cm深5 cm、 种子行一侧10 cm深5 cm三种施肥方式T1, T2 and T3 mean different fertilizer application patterns (12 cm underneath the wheat seed, 3 cm away from and 5 cm underneath the seed, and 10 cm away from and 5 cm underneath the seed); 数值后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Values followed by different letters mean significantly different in the same column(P<0.05).
在T2、 T3处理下的小麦产量相对于CK2无显著增加,T3处理产量最高,为8207 kg/hm2。T1处理相对CK2减产9.1%,差异显著。PCU60以T2处理产量最高,为8661 kg/hm2,相对CK2增产6.5%,差异显著。PCU60在T1处理下的产量相对CK2显著减产。PCU90不同施肥处理较CK2处理均表现显著的减产趋势,其中产量下降最严重为T2处理,相对习惯施肥减产13.1%。
施用包膜尿素各处理的籽粒干物质分配比例除PCU60的T2处理外均低于习惯施肥。CK2处理的籽粒干物质分配比例为53.9%,仅次于PCU60的T2处理55.4%。其他各个处理均低于CK2,但高于CK1。
2.2包膜尿素释放期及施肥方式对小麦氮含量及氮积累分配的影响
施用包膜尿素各处理的小麦籽粒及秸秆氮含量较习惯施肥均有不同程度的提高(图1)。CK1籽粒氮含量最低,为21.4 mg/kg。PCU30不同施肥方式下籽粒氮含量均显著高于CK2,最高的处理为T1,为28.5 mg/kg。PCU60在T1和T2处理下的籽粒氮含量高,且T2>T1,两处理显著高于CK2,T3处理较CK2差异不显著。PCU90在不同施肥方式下的籽粒氮含量的大小顺序为 T1>T2>T3,除了T1处理外其他处理较CK2差异不显著。各处理的小麦秸秆氮含量比籽粒氮含量差异更加明显。PCU30与PCU60在不同施肥方式下的秸秆氮含量变化趋势一致,最高的均为T1处理,其次为T2处理,显著高于CK2,T3处理较CK2无显著差异。PCU90不同处理的秸秆氮含量大小趋势仍然为T1>T2>T3>CK2,但是仅仅T1处理差异显著。
图1 不同缓控肥及施肥方式对小麦氮含量的影响Fig.1 Effect of different coated fertilizers and application patterns on N content of wheat[注(Note): 柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters above the bars mean significantly different among treatments(P<0.05).]
2.3包膜尿素释放期及施肥方式对小麦氮肥表观利用率的影响
习惯施肥处理的氮肥表观利用率为36.4%,施用PCU30、 PCU60可不同程度地提高氮肥表观利用率。PCU30在T3处理下的氮肥表观利用率最高,达51.4%,比农民习惯增加了15.0%; PCU60的T2处理达到53.7%,比农民习惯高了17.3%,差异达到显著水平。PCU90的施用较农民习惯施肥未能有效提高氮肥表观利用率,除播种行下方12 cm施用高于习惯施肥外,其他两处理均显著低于农民习惯措施(表2)。
2.4包膜尿素释放期及施肥方式对土壤速效氮残留的影响
表2 不同缓控肥及施肥方式对小麦氮积累及分配的影响
注(Note): 数值后不同小写字母表示处理间差异达P<0.05显著水平Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments(P<0.05).
图2 不同缓控肥及施肥方式收获季土壤铵态氮和硝态氮含量Fig.2 Soil and concents in different coated urea and application patterns at harvest[注(Note): 柱上不同小写字母表示同一包膜尿素控释肥不同施肥方式间差异显著(P<0.05)Different letters above the bars mean different application patterns significant difference in same coated urea(P<0.05).]
3 讨论
3.1包膜尿素释放期对小麦产量的影响
姜堰是长江下游地区重要的稻麦轮作区,该地区土壤类型为高砂土,土壤透水透气能力强,为了保证稻麦产量,当地习惯氮肥用量往往高于当地农业部门推荐用量。相对普通尿素而言,包膜尿素可以根据小麦生长发育时期调节养分释放速率,提高养分利用率并减少养分流失[4-5,8]。研究表明施用包膜尿素会降低小麦的成穗数,但可显著增加小麦千粒重、 穗粒数和籽粒的蛋白质含量,达到增产提质的效果[17-18]。虽然包膜尿素具有以上优点,但是采用何种控释期的包膜尿素应该针对当地土壤类型及作物生长环境而定。本试验条件下,PCU60一次基施的增产效果最好,其次为PCU30的处理,PCU90的处理则明显减产,其不同施肥方式下的小麦产量均低于农民习惯施肥。造成这种差异的可能原因为PCU30养分释放速率稍快,释放的养分在砂质土壤中损失较大,无法满足小麦后期生长对氮素的需求。而PCU90则在小麦生长前期氮素释放量低,不能满足小麦前期生长的养分需求,影响作物发育,导致最后产量下降。赵士诚等[19]试验也表明,在砂质土等贫瘠土壤中,一定比例的基肥对于小麦产量及氮素吸收非常重要,是小麦稳产、 高产的重要前提,仅后期追肥并不能消除前期氮缺乏对小麦生长和高产的影响。PCU90在小麦收获时耕层土壤硝态氮残留量高,也可证明其释放速率过慢。石玉等[20]研究指出,在施氮量相同的条件下,增加追肥比例,保证作物整个生育期连续的氮素供应可显著提高小麦产量。对比其余两种肥料,我们可以推测PCU60在本试验区域的释放规律能基本拟合冬小麦的需氮要求,其持续释放相当于增加了小麦后期“追肥”的比例,从而提高了小麦产量和氮肥利用率。
3.2施肥方式对小麦生长的影响
肥料位置效应的体现需要以肥料合理的施用量和施肥时期为基础,影响肥料施用位置效应的因素包括肥料的特点、 作物的种类及土壤的性质等,不同品种的肥料对于不同施用位置会产生明显不同的利用效应[14,21-22]。谷佳林等[23]试验表明,采用包膜尿素与玉米种子接触性一次基施能够替代常规分次施肥,降低了氮肥损失,能够有效提高氮肥利用率。本文试验结果同样显示,包膜尿素施肥距离的远近显著影响小麦的产量。PCU30和PCU60两种有增产效果的包膜尿素,其施用位置对小麦产量影响的大小为: 侧3 cm深5 cm条施>侧10 cm深5 cm条施>种下12 cm处条施,即侧施的肥料效应都优于小麦种子正下方施用。可能原因为: 包膜尿素养分释放速度慢,12 cm的种下距离太远,在高砂土地区,小麦生长前期充足的雨水容易导致原本释放量就少的肥料养分随水淋洗至亚耕层,不利于小麦对养分的吸收。而PCU90在不同施用方式下的表现则与PCU30和PCU60相反,其种下12 cm施用的小麦产量、 籽粒和秸秆中的氮含量均高于侧施的处理,而且收获时土壤硝态氮残留高,这说明这种肥料前期释放量低,无法满足作物前期生长的养分需求、 后期释放多导致奢侈吸收的特点。但是值得注意的是PCU90三种施肥方式相对农民习惯均显著减产,可见90天控释期包膜尿素不适用于该地区一次性施用,其与速效尿素不同比例混合做基肥可能效果更佳,这值得进一步深入研究。
本试验条件下农民习惯施肥的小麦氮肥表观利用率为36.4%,与现有研究结果基本一致[24-25],将尿素分次施用改为控释肥一次基施显著提高了氮肥表观利用率。包膜肥释放期和施肥位置非常关键,本文氮肥表观利用率增幅最高的为PCU60的T2处理,达到53.7%。但是PCU90未能有效提高氮肥表观利用率,其T2、 T3处理较习惯施肥不同程度降低。综合土壤残留的硝态氮数据,推测PCU90大部分养分残留在土壤中或者还有未释放的养分,最终导致氮肥利用率低。虽然PCU60 T2处理的氮肥表观利用率较习惯施肥有显著提高,但此处理的籽粒氮积累量高达244.7 kg/hm2,已超过了氮肥施入量,加上秸秆的氮积累量,地上部总氮积累量高达302.3 kg/hm2。从养分平衡的角度看,达到这种产量水平的小麦已耗竭了土壤原有的氮养分,若得不到其他外源氮素的补充,长期如此必然导致土壤地力水平下降,不利于产量水平的可持续性[15, 26]。
3.3与当前研究结果的异同
从已有文献研究结果看,不同种类的缓控释氮肥田间养分释放规律及与尿素配施比例对作物产量以及氮素吸收影响等方面的研究比较成熟[27-29],但对缓释氮肥集中施用的位置效应的研究还比较少见。虽然控释氮肥可以通过缓慢释放来降低肥料的氨挥发以及淋洗等损失,但是表面撒施的施肥方式仍然相对粗犷,尤其是保肥能力弱的砂土地区,小麦出苗至拔节时间长且养分需求少,缓控肥暴露于土壤表面仍有一定损失[30]。本试验将缓控肥一次集中深施于土壤中,使得肥料养分被土壤固持,更进一步降低氮养分挥发损失,进而影响小麦的生长和产量。这与王贺等[14]在华北平原砂质土壤上所做夏玉米对控释肥不同施用位置响应的研究结果相符。
4 结论
本试验条件下,60天缓控期的包膜尿素对小麦的增产效果最好,其最佳的施肥方式为小麦播种行侧方3 cm深5 cm处一次条施,产量高达8661 kg/hm2,相对尿素分次施用增产显著,该处理显著提高了小麦对氮素的吸收利用,使氮肥表观利用率从常规处理的36.4%提高到53.7%。30天、 90天缓控期包膜尿素在本试验环境下的释放规律均不符合冬小麦整个生育期的需氮要求,而且90天缓控期包膜尿素在小麦收获后仍有大量硝态氮在土壤残留,加大了损失风险,故不推荐这两种控释期包膜尿素在该区使用。
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Release durations and suitable application patterns of coated urea on winter wheat in sandy loam soil
LIU Yong-zhe1,3, CHEN Chang-qing1, SHANG Jian2, WANG Huo-yan3*, ZHOU Jian-min3, CHEN Zhao-ming3, LIU Xiao-wei3
(1InstituteofAppliedEcology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing, 210095,China; 2XuanchengAgriculturalProductsQualitySafetySupervisionBureau,Xuancheng,Anhui242000,China; 3StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)
wheat; coated fertilizer; placement of fertilizer; urea; N fertilizer use efficiency
2015-06-23接受日期: 2015-09-22
国家重点基础研究发展计划项目(2013CB127401); 国家自然科学基金项目(41271309) 资助。
刘永哲(1990—), 男, 山东泰安人, 硕士研究生, 主要从事养分高效利用机理与调控措施方面的研究。E-mail: lyzqdny@163.com
Tel: 025-86881569, E-mail: hywang@issas.ac.cn
S153
A
1008-505X(2016)04-0905-08