不同控氮比掺混肥对土壤无机氮与脲酶及冬小麦产量的影响

2016-10-18张敬王昌全付月君谢一平

干旱地区农业研究 2016年4期

张敬，李　冰，王昌全，尹　斌，向　毫，付月君，谢一平

(1.四川农业大学资源学院，四川成都 611130; 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008)

(1.四川农业大学资源学院，四川成都 611130; 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008)

开展田间小区试验，研究了控释氮肥与尿素掺混施用对土壤无机氮与脲酶及冬小麦产量的影响，旨在寻求控释氮肥与尿素最佳掺混比例，提出缓解氮肥损失、降低面源污染、节约成本、易于推广的施肥方式。结果表明：较常规尿素处理，控释氮肥与尿素掺混对土壤铵态氮含量影响总体差异不显著；在小麦分蘖期，常规尿素处理土壤硝态氮含量和土壤脲酶活性较高，而小麦拔节期至成熟期，则以掺混40%比例以上控释氮肥处理的土壤硝态氮含量和脲酶活性较高；各施氮处理对小麦穗粒数和千粒重影响差异不显著，产量以掺混40%控释氮肥处理最高，较常规尿素处理增产14%，因产值最高，投入成本适中，净收入水平和产投比均为最高，分别为5 875.72 元·hm-2和2.24，较常规尿素处理提高了23.24%和9.27%。综上，40%控释氮肥与60%尿素掺混处理在提高土壤无机氮含量，激活小麦生长中、后期脲酶活性，增加冬小麦产量方面效果显著。

冬小麦；掺混氮肥；无机氮；脲酶；产量

控释氮肥作为绿色高效肥料的重要发展方向，较普通尿素更能满足作物对氮素的需求，有效促进作物生长发育[1-5]。土壤无机氮是作物吸收的主要氮源，合理的氮肥运筹能显著提高土壤供氮水平并促进作物生长发育[6]。脲酶能催化土壤氮转换与代谢，促进潜在氮素有效化[7]，其活性高低可表征土壤供氮水平[8]。单施控释氮肥的氮素释放特征，通常可提高作物生长中、后期土壤无机氮含量[9-10]，激活土壤脲酶活性，促进含氮氧化物的有效化[11]，延长土壤持续供氮能力，增强作物在关键生长时期的氮素吸收，进而促进光合作用和氮素累积与代谢，达到提高作物产量和氮素利用率水平[12-14]。但控释氮肥较尿素的价格高出2.5～8倍，故常施用于附加值较高的花草蔬果[15-16]。而冬小麦等麦类作物，单一施用控释氮肥料的成本偏高，农民普遍不易接受，因此在大面积推广使用上相对受限[17-18]。同时，控释氮肥肥效周期普遍较长，可能造成作物在生育前期缺乏速效氮素，生育晚期贪青晚熟或作物倒伏[19]，故提出尿素与控释氮肥掺混的新施肥方式。前人在单施控释氮肥对作物产量和氮素利用率上有较多研究，但就尿素与控释氮肥掺混对土壤供氮特征以及作物产量高低的研究较少。本文通过田间小区试验，设置不同掺混控氮比，研究控释氮肥与尿素不同掺混比例对冬小麦各生育期土壤无机氮含量和脲酶活性的动态变化、产量及经济效益等影响，分析并探讨不同控释氮肥比例特征和差异，旨在寻求最佳控释氮肥与尿素掺混比例，为小麦生产的氮肥合理高效施用技术提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验于2014年11月至2015年5月在四川农业大学崇州市桤泉镇试验基地进行，该区域年均气温15.9℃，年均日照时数1 161.5 h，年均降雨量1 012.4 mm，年均无霜期285 d。供试土壤类型为水稻土，土壤有机质29.57 g·kg-1，全氮含量1.44 g·kg-1，碱解氮60.76 mg·kg-1，速效磷13.82 mg·kg-1，速效钾110.60 mg·kg-1，pH值6.43。

1.2供试材料

控释氮肥含氮(N 41.4%)，氮素释放周期约为90 d，由中国科学院南京土壤研究所研制；尿素(N 46.4%)，由四川美丰化工有限公司生产；过磷酸钙(P2O512%)，由湖北祥云化工股份有限公司生产；氯化钾(K2O 60%)，由湖北宜昌涌金工贸有限公司经销。供试小麦品种为内麦836。

1.3试验设计

试验共设7个处理:CK(不施氮肥)；U(常规施氮 100%尿素)；10%CRU(控释氮肥10%+普通尿素90%)；20%CRU(控释氮肥20%+普通尿素80%)；40%CRU(控释氮肥40%+普通尿素60%)；80%CRU(控释氮肥80%+普通尿素20%)；CRU(控释氮肥100%)。除CK不施氮处理外，各处理氮、磷、钾用量一致，施氮量为150 kg·hm-2，施磷量90 kg·hm-2，施钾量90 kg·hm-2，肥料均作为基肥一次性基施。

试验小区长5 m，宽6 m，小区面积30 m2。随机排列，每个处理设三次重复。

1.4样品采集

土样分别于小麦播种前采集基础土样分析其理化性质，在小麦生长分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期用土钻于各小区采集0～20 cm与20～40 cm两个土层土样，土样以多点混合法采集。采集土样分为两个部分，一部分为鲜样用于脲酶活性及含水率测定，另一部分风干后磨细过筛测定土壤养分含量。

植物样采于小麦成熟期，产量单打单收，计产。

1.5样品测定

土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法，硝态氮采用紫外双波段比色法[20]。土壤脲酶采用苯酚钠比色法[21]。

小麦于成熟期采集后，进行烘干，单独脱粒，产量以风干后的重量表示。

1.6数据处理

采用Excel软件和SPSS软件对试验数据处理分析，数据采用LSD方法进行统计处理(P<0.05)。

2　结果与分析

2.1不同处理对冬小麦农田土壤铵态氮的影响

由图1可看出，各生育期不同处理的铵态氮含量均较低，总体差异不显著。在小麦生殖生长关键时期(拔节期～抽穗期)，40%CRU处理在0～20 cm土壤中铵态氮含量相对较大，尤其在抽穗期时，与U处理差异显著。20～40 cm土壤铵态氮随生育期推进呈下降趋势，添加20%以上控释氮肥处理在生育中后期均能有效维持较高水平，40%CRU处理在分蘖～抽穗期，其铵态氮水平最高。说明40%CRU处理能有效提高土壤铵态氮含量。

2.2不同处理对冬小麦农田土壤硝态氮的影响

小麦季硝态氮含量呈先增长后下降趋势(图2)。与CK相比，氮肥的施用能显著提高土壤硝态氮含量。在分蘖期，常规施肥处理土壤硝态氮含量最高，在0～20 cm土层中，与其余各处理差异显著；在20～40 cm土层中，也与40%CRU、80%CRU和CRU处理差异显著。小麦自拔节期进入需氮水平较高时期，该时期不同土层中，CRU处理土壤硝态氮含量均最高，与其余各处理差异显著，80%CRU与40%CRU处理硝态氮含量也较高，均与常规施肥差异显著。抽穗期起，吸收与积累的养分元素向穗部运输，小麦发育仍对氮素具有较高需求，在不同土层中，40%CRU与80%CRU处理的硝态氮水平相对较高，均与U和10%CRU处理达显著差异。成熟期小麦发育完全，对氮素需求减少，0～20 cm土层中，各施氮处理硝态氮含量随缓控氮肥比例增加而增加，即CRU>80%CRU>40%CRU>20%CRU>10%CRU>U>CK，且80%CRU、CRU处理与其余各氮肥处理差异显著，在20～40 cm土层中，40%CRU与80%CRU处理硝态氮含量最高和次高，均与U处理达显著差异水平。

注：柱图上方不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters on the top of the column indicate significant difference among treatments (P<0.05). The same below.

图1不同处理对冬小麦不同生育期土壤铵态氮含量的影响

总体来看，在冬小麦生育前期，各土层中，U处理土壤硝态氮含量最大；在小麦生育中、后期，40%CRU、80%CRU和CRU处理土壤硝态氮含量均较高；说明了控释氮肥添加比例超过40%处理对小麦生育中、后期土壤耕作层硝态氮含量具有显著提升效果，满足小麦生长发育关键时期对氮素的吸收。

图2不同处理对冬小麦不同生育期土壤硝态氮含量的影响

2.3不同处理对冬小麦农田土壤脲酶活性的影响

小麦季脲酶总体呈先增长后下降的趋势，且拔节期出现脲酶活性峰值(图3)。与CK比较，氮肥施用能显著提高土壤脲酶活性。分蘖期时，各土层U处理土壤脲酶活性最大，且在0～20 cm土层中，与其余各处理差异显著。拔节期时，在0～20 cm土层中，40%CRU处理脲酶活性最大，与U、10%CRU和20%CRU处理差异显著；拔节期时，在20～40 cm土层中，CRU处理脲酶活性最大，与除80%CRU处理外的各处理差异显著，80%CRU脲酶活性次之，与U、10%CRU和20%CRU处理差异显著，40%CRU和20%CRU处理脲酶活性也相对较大，与U和10%CRU处理差异显著。抽穗期至成熟期，各土层中40%CRU、80%CRU和CRU处理下的脲酶活性均较大，且均与U处理差异显著。

图3不同处理对冬小麦不同生育期土壤脲酶活性的影响

Fig.3Influence of different treatments on soil urease activity

总体上看，在小麦分蘖期，U处理提高了土壤脲酶活性，促进了氮素的转换，提高了土壤无机氮含量(图1,图2)。自小麦进入拔节起，控释氮肥添加比例超过40%处理均能有效激活土壤脲酶活性，促进土壤有效氮含量，有利于小麦生殖生长阶段的氮素吸收和积累。

2.4不同处理对冬小麦产量及经济效益的影响

由表1可看出，在小麦产量方面，随掺混控释氮肥比例增大，产量呈先上升后下降趋势，产量最高为40%CRU处理(40%控释氮肥+60%尿素)，较U处理增产率达14%，较CRU处理增产率达7%，与各处理差异显著。在穗粒数方面，空白处理与其余各处理差异显著，表明氮肥施用能提高小麦产量构成因子；但氮肥处理对小麦千粒重的影响较小，各处理差异不显著。经济效益方面，成本投入随控氮比增加而增加，净收入则先增长后下降，40%CRU处理为净收入最大值，较U处理增收1 108.12 元·hm-2，提高了23.24%；较CRU处理增收1 053.79 元·hm-2，提高了21.85%。产投比仍以40%CRU处理最高，比U处理增长了9.27%，比CRU处理增长了14.87%。故表明40%CRU处理能显著提高小麦产量和经济效益，而U和CRU处理产量与经济效益水平均较低。

表1　不同处理对冬小麦产量及经济效益的影响

注：尿素市售2.25 元·kg-1；控释氮肥3.5 元·kg-1；磷肥1.0 元·kg-1；钾肥3.75 元·kg-1；劳务费100 元·人-1·天-1；面粉1.9 元·kg-1。同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

Note: Urea 2.25 yuan·kg-1; controlled nitrogen fertilizer 3.5 yuan·kg-1; phosphate fertilizer 1.0 yuan·kg-1; potassium fertilizer 3.75 yuan·kg-1; Labor cost 100 yuan·person-1·day-1; flour 1.9 yuan·kg-1. Letters in column indicate significant differences atP<0.05 level.

3　讨　论

土壤酶的活性是土壤肥力的关键指标之一，反映了土壤中相关生物化学动态变化及强度[28-29]。适量的无机肥施用能一定程度激活土壤酶，促进土壤养分循环与转换[30]。而尿素仅在脲酶活动下进行水解, 其酶促产物是植物可利用的主要氮源之一,故脲酶活性高低可用来表征土壤氮素丰缺[31]。张俊丽等[32]研究证明，与尿素相比，控释氮肥能显著提高土壤脲酶并有效减少碳排量。刘明等[33]研究还发现，控释氮肥的树脂残膜通过改善土壤结构和环境，土壤脲酶活性提高了17.39%～85.71%，有效增加土壤微生物数量，并刺激植物根系生长。本试验结果表明，U处理土壤脲酶活性在小麦生育前期相对较高，这是因为尿素释放与扩散速度迅速，铵根离子与硝酸根离子浓度增加导致微域环境变化，短期较为充足的底物刺激了酶促活动，而尿素保肥能力差，提供于小麦生育中、后期土壤的底物较少，故拔节～成熟期脲酶活性较差。控释氮肥添加比例超过40%的处理在整个小麦生育期间，通过氮素释放速率的有效控制，提供了以硝态氮为主的酶促底物，从而在小麦生育中、后期仍表现出较高的脲酶活性，进而可能通过影响直接参与土壤氮素转换的微生物数量，增强土壤氮素形态转换和有效性，以达到对冬小麦各营养器官可吸收养分的协调，对冬小麦自抽穗期起的穗部发育有重要贡献。

籽粒生物量随光合产物积累形成，作物茎鞘不断吸收积累的物质在抽穗期开始逐渐向穗部籽粒转移，高质增产的重要途径是生育中、后期干物质的有效积累[34]。控释氮肥与尿素掺混配施，通过两种肥料不同的氮素释放速率，优劣互补，缓急并重，供肥平衡[35]。有研究表明，控释掺混肥既有利于作物生长前期发育，更能在成熟期显著提高产量和氮素利用率，增加经济收益[36-37]。本试验表明，氮肥施用能够提高作物产量及产量构成因子。U处理因在小麦生育前期释放速率迅速，氮素利用率低，而在小麦生育中、后期的持续供氮能力弱，从而抑制了作物发育，产量相对较低。掺混配施40%控释氮肥+60%尿素处理(40%CRU)能在小麦全生育期持续提供充足氮素养分，尤其在小麦生育中、后期，仍可维持较高的无机氮含量，既克服了单施尿素造成的后期脱氮缺肥，又可弥补CRU处理可能引起的前期供氮不足、或后期贪青晚熟的现象，有助于小麦干物质积累和较佳的谷草比水平实现，达到显著增产效果。此外，40%CRU处理因恰当的掺混比例，有效降低了施用控释氮肥的成本，其成本投入合理适中，经济效益方面净收入最高，有效增加了农民的纯利润，较高的产投比更有助于农民接受并推广控释氮肥的施用。

4　结　论

本研究表明，在掺混配施40%控释氮肥+60%尿素处理(40%CRU)条件下，土壤铵态氮含量在小麦整个生育期相对较高，增强了土壤硝化作用的潜力；其土壤硝态氮含量和脲酶活性在小麦各生育期处于高水平，有利于小麦对氮素营养的吸收利用，促进各营养器官干物质积累和养分协调，最终达到小麦产量与经济效益显著提高。较常规尿素处理，40%CRU处理小麦产量达5 595.73 kg·hm-2，增产14%，经济效益净收入增收1 108.12 元·hm-2，提高了23.24%。因此，推荐掺混配施控释氮肥40%+尿素60%处理为提高土壤氮素供应、促进土壤脲酶活性、增加小麦产量及经济效益的最佳掺混比例。

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Effects of bulk blend fertilizers with different controlled nitrogen ratios on the soil inorganic nitrogen, urease and winter wheat yield

ZHANG Jing-sheng1, LI Bing1, WANG Chang-quan1, YIN Bin2,XIANG Hao1, FU Yue-jun1, XIE Yi-ping1

(1.CollegeofResources,SichuanAgricultureUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China;2.Instituteofsoilscience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing,Jiangsu210008,China)