控释氮肥与尿素掺混比例对作物中后期土壤供氮能力和稻麦产量的影响

张敬昇，李 冰*，王昌全，向 毫，周杨洪，尹 斌，梁靖越，付月君

（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）

控释氮肥与尿素掺混比例对作物中后期土壤供氮能力和稻麦产量的影响

张敬昇1，李 冰1*，王昌全1，向 毫1，周杨洪1，尹 斌2，梁靖越1，付月君1

（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）

【目的】研究控释肥与尿素掺混比例对土壤氮含量及稻麦产量和经济效益的影响，旨在筛选综合效果最佳掺混比例，为稻麦轮作区控释氮肥推广应用提供科学依据。 【方法】采用稻麦轮作两季作物大田试验，以常规尿素施肥为对照，在稻、麦季施氮量均为 150 kg/hm2的水平下，设定添加控释氮肥比例 0、10%、20%、40%、80%、100% 6 个处理，分别记为 T1、T2、T3、T4、T5 和 T6。除 T1 (100% 尿素) 分基施和追施，其他处理氮肥均一次性基施。分析了土壤铵态氮、硝态氮含量，调查了稻麦株高与生物量、产量构成以及经济效益。 【结果】1) 添加 20% 以上控释氮肥时稻麦生育中后期土壤无机氮含量有显著提升，以添加 40% 控释氮肥 (T4) 处理效果最明显。2) 与 T1 相比，添加 20% 比例以上控释氮肥，稻麦生育中后期的生物量与成熟期产量均显著增加，以T4 处理产量最高，稻、麦季分别比常规尿素处理增产 11% 和 14%，显著提高小麦季穗长 19.19%，显著提高水稻季穗粒数与千粒重 13.79% 和 8.43%。3) 随添加控释氮肥比例增加，稻麦季经济效益均先增加后下降，T4 处理经济效益最佳，较常规尿素处理，小麦季增收 1108.12 yuan/hm2，提高 23.24%，水稻季增收 2497.80 yuan/hm2，提高 14.87%。 【结论】以 40% 控释氮肥与 60% 尿素掺混一次性基施，可有效增加作物中后期土壤氮素供应能力，促进稻麦生长并获得显著的增产效果，还可减少人工投入或材料成本，有效提高经济效益。

稻麦轮作；控释肥掺混比例；土壤有效氮含量；产量；经济效益

土壤氮素供应与合理施用氮肥对提高作物生物量、改善品质起重要作用[1–2]。中国作为全球最大的氮肥消耗国，农业生产中的施氮效果近似于将人均耕地面积提高了 0.44 hm2，显著的产量增加有效缓解了刚性的粮食需求[3–4]。而片面追求高产造成氮肥滥用，氮肥利用率仅为 30%～35%[5]，更造成了农业面源污染、耕地次生盐碱化等问题[6]。相比常规尿素的氮素释放规律，控释氮肥通过改变内核尿素粒子与交界环境中的扩散通量，可有效控制氮素释放速率[7]，促进作物生育后期的氮素供应，能有效增加作物生育中后期叶绿素，提升光合速率和酶促活动，增强氮素转换与积累，协调作物各器官养分吸收与分配，促进了作物产量和氮素利用率大大提高[8–9]。但控释氮肥价格高，应用范围受限[10]，施用效果还可能出现前期缺氮后期贪青等现象[11]。故采用控释掺混尿素施肥方法，可望实现作物全生育期氮素协调，降低成本，提高经济效益目的。前人研究多集中探求不同类型控释氮肥对单季作物或多季轮作旱地作物的施用效果[10,12–14]，而关于不同控氮比掺混肥对水旱轮作 (稻–麦轮作) 区土壤养分供应与作物产量、经济效益等研究鲜有报道。本研究通过田间试验，研究了不同控氮比掺混肥对土壤氮含量及稻麦产量和经济效益的影响，旨在筛选综合效果最佳掺混比例，为稻麦轮作区的控释氮肥推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于 2014 年 11 月至 2015 年 10 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 1161.5 小时，年均降雨量1012.4 mm，年均无霜期 285 天。供试土壤类型为水稻土，土壤有机质 29.57 g/kg、全氮含量 1.44 g/kg、碱解氮 60.76 mg/kg、速效磷 13.82 mg/kg、速效钾110.60 mg/kg、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天，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，供试水稻品种为 F 优 498。

1.3 试验设计

试验共设 7 个处理：CK (不施氮肥)、T1 (100%普通尿素)、T2 (控释氮肥 10% + 普通尿素 90%)、T3 (控释氮肥 20% + 普通尿素 80%)、T4 (控释氮肥 40% +普通尿素 60%)、T5 (控释氮肥 80% + 普通尿素20%)、T6 (控释氮肥 100%)。除 CK 不施氮处理外，各处理氮、磷、钾用量一致。麦季施氮量 150 kg/hm2，施磷量 90 kg/hm2，施钾量 90 kg/hm2，氮、磷、钾肥均作为基肥一次性基施。稻季施氮量 150 kg/hm2，施磷量 60 kg/hm2，施钾量 75 kg/hm2，磷钾肥均作为基肥一次性基施，T1 处理基肥 70%，追肥 30%，追肥于基肥施用后第 10 天进行。试验小区面积 30 m2(5 m × 6 m)。随机排列，每个处理设三次重复。小区田埂设农膜，四周设保护行，避免水肥相互渗透，田间管理以当地习惯方式管理。

1.4 样品采集及测定

施肥前采集试验基础土样分析其理化性质。在稻、麦分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期用土钻于各小区采用多点混合法采样，采集 0—20 cm 和20—40 cm 土样。土样部分进行冷藏保鲜，用于无机氮及含水率测定。在各生育期，小麦季每小区取代表性样品 30 株，水稻季每小区取代表性样品 5 穴，用于量取株高及称量地上部生物量。稻麦成熟期产量单打单收，计产。

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[15]。植物样于 70℃ 烘箱烘至恒重，量取株高并称量地上部分总生物量。籽粒烘干后，单独脱粒，产量以干重表示。

1.5 数据处理

采用 Excel 和 SPSS 软件对数据处理和分析，采用 LSD 方法进行多重比较分析 (P ＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥掺混尿素对土壤氮含量的影响

2.1.1 土壤铵态氮含量变化 由图 1 可知，添加 20%以上比例的各控释氮肥处理较 CK 处理显著提高小麦各生育期土壤铵态氮含量，抽穗期 T4 处理显著高于 T1 处理，其余时期各处理无显著差异。在分蘖期，小麦季 20—40 cm 土壤铵态氮为 T3 处理显著高于其余各处理，其余处理间无显著差异。拔节期各处理无显著差异。抽穗期 T4 与 T3 处理显著高于常规尿素 T1 处理。成熟期各施氮处理无显著差异。

水稻季 0—20 cm 土壤铵态氮浓度各施氮处理随生育期推进呈先增长后下降的趋势，拔节期为峰值时期 (图 1)。各生育期，CK 处理均显著低于各施氮处理，且随生育期推进持续下降。分蘖期，各施氮处理铵态氮含量随控氮比增加而降低，T1 处理铵态氮含量最高，显著高于添加 20% 比例以上控释氮肥处理。拔节至成熟期，T1 处理与 T2 处理均显著低于其余控释氮肥处理，T4 处理铵态氮含量均显著高于各处理。水稻季 20—40 cm 土壤铵态氮含量与0—20 cm 土壤基本保持相似的规律。

图1 不同处理对不同土层土壤铵态氮含量的影响Fig.1 Effect of different treatments on content of ammonium nitrogen in different soil layers

2.1.2 土壤硝态氮含量变化 从图 2 可看出，小麦分蘖期 0—20 cm 土层硝态氮含量，常规尿素 T1 处理显著高于各控释氮肥处理，拔节期各添加控释氮肥处理均显著大于 T1；抽穗期与成熟期，添加 40% 比例以上控释氮肥处理 (T4、T5 和 T6) 硝态氮含量显著高于 T1 处理。20—40 cm 土壤硝态氮含量在分蘖期，随控氮比增加，硝态氮含量持续减少，T1 处理硝态氮含量显著高于添加 40% 比例以上控释氮肥处理 (T4、T5 和 T6)，而拔节至成熟期，添加 40% 比例以上控释氮肥处理又显著高于 T1。

图2 不同处理对不同土层土壤硝态氮含量的影响Fig.2 Effect of different treatments on content of nitrate nitrogen in different soil layers

由图 2 可知，分蘖期水稻季 0—20 cm 土壤硝态氮含量，添加 20% 比例以上控释氮肥处理硝态氮含量显著低于 T1 处理，拔节期 T4 处理显著高于 T1 处理，抽穗期至成熟期，T4、T5 和 T6 处理均显著高于 T1。水稻季 20—40 cm 土壤硝态氮在生育前中期趋于平稳，成熟期出现明显下降。分蘖期随控氮比增加，各处理硝态氮含量呈递减趋势，以 T1 处理硝态氮含量显著高于添加 20% 比例以上控释氮肥处理；拔节至成熟期，土壤硝态氮含量随控氮比增加呈先增长后下降趋势，在 T4 处理出现峰值，添加40% 以上比例的控释氮肥处理均显著高于常规尿素T1 处理。

2.2 控释氮肥掺混尿素对作物株高与生物量的影响

表 1 可知，小麦季 T1 处理在分蘖期株高最高，但与添加 20% 以上比例控释氮肥处理无显著差异；拔节至成熟期，T4、T5 处理的株高均持续显著高于T1 处理。水稻季 T1 处理在分蘖期株高最高，但与T3、T4、T5 无显著差异；拔节期，T4 与 T3 处理株高显著高于常规尿素 T1 处理；抽穗至成熟期，添加40% 以上各控释氮肥处理株高均显著高于 T1 处理。其中仅 T4 处理在稻、麦生育中后期，均对株高生长呈显著增长水平。

水稻与小麦生物量积累特征存在明显差异 (表 1)。小麦季 T1 处理在分蘖期，生物量显著高于各处理，且生物量随控氮比增加而递减；拔节至成熟期，添加 20% 以上比例的控释氮肥处理均显著高于 T1 处理，其中 T4 处理显著高于各处理。水稻分蘖期生物量随控释氮肥比例的增加，呈先增长后下降的趋势，在 T4 处理达峰值。拔节至成熟期生物量，也表现为添加 20% 以上比例控释氮肥均显著高于常规尿素 T1 处理。

表1 不同处理水稻、小麦株高与地上部生物量Table 1 Plant height and aboveground biomass of rice and wheat in different treatments

2.3 控释氮肥掺混尿素对稻麦产量的影响

氮肥能显著增加稻麦作物产量，不同处理对稻麦作物产量及构成因子效果不同 (表 2)。在水稻、小麦季，与 T1 处理相比，添加 20% 比例以上的控释氮肥处理均显著增产。T4 处理产量最高，在小麦与水稻季较单施尿素 T1 处理，分别增产 14% 和11%，较单施控释氮肥处理 T6 分别增产 7% 和 4%。

各处理对稻麦产量构成因子的影响各异，小麦季添加 20% 比例以上的控释氮肥各处理能较常规尿素 T1 处理的穗长明显增加，其中 T4 处理最长，较单施尿素处理 T1 增长 19.19%，较单施控释氮肥处理 T6 增长 7.87%；各施氮处理在穗粒数和千粒重上差异不显著。水稻季各施氮处理在穗长上差异不显著；添加 40% 比例以上控释氮肥的各处理能较常规尿素处理显著增加穗粒数；T4 与 T3、T5 处理千粒重依次为最高及次之，均显著高于其余各处理，其中 T4 处理较 T1 处理增加 8.43%，较 T6 处理增加8.35%。

2.4 控释氮肥掺混尿素对稻麦经济效益的影响

表 3 表明，肥料投入成本随控释氮比例增加而增加。与 T1 处理相比，小麦与水稻季各掺混肥成本分别增加 1.19%～11.91% 和 –4.64%～4.55%，由高到低依次为 T6 ＞ T5 ＞ T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1。

水稻、小麦均以 T4 处理净收入最高，T3 次之，依次为 T4 ＞ T3 ＞ T5 ＞ T6 ＞ T1 ＞ T2 ＞ CK。小麦季 T4 处理比 T1 处理提高 23.24%，比 T6 处理提高21.85%，比其余掺混配施处理平均提高 18.62%；水稻季 T4 处理比 T1 处理提高 14.87%，比 T6 处理提高 6.79%，比其余掺混配施处理平均提高 6.41%。

表2 不同处理水稻、小麦产量构成Table 2 Yield components of rice and wheat under different treatments

3 讨论

土壤氮素盈缺状况与作物吸氮量、生产与代谢、群体发育、产量构成紧密相关[12,16]，土壤无机氮可作为土壤供氮能力的重要指标，表征着较为活跃的土壤氮部分[17]。氮肥施入对 0—20 cm 土壤无机氮产生显著影响[18]。研究表明，较常规尿素处理，控释氮肥处理使油菜成熟期耕作层土壤硝态氮含量和无机氮总量分别增加了 149.3%～296.1% 和 40.5%～145.9%，对铵态氮含量无显著影响[13]。本研究表明，添加控释氮肥处理在稻麦季作物生育中后期仍有促进土壤氮素供应的作用，其中添加 40% 控释氮肥 (T4) 处理在稻麦生育中后期土壤无机氮含量均处于较高水平。这表明恰当的掺混比例既可有效提供作物生育前期的养分需求，又能通过控释氮肥延长在作物关键时期的氮素供应，以促进作物生长发育。小麦季速效氮含量总体上高于水稻季，这可能是因为稻麦作物在生育前期因温度及水分条件明显不同，导致肥料溶出速率差异。研究表明，土壤温度接近 0℃，控释氮肥的氮素溶出速率几乎为零[19]。相反的是，水稻季在生育前期更易以氨挥发或径流途径而流失，减少了水稻季总供氮能力。稻田铵态氮含量虽然较麦田稍高，但其硝化作用极易受干湿交替波动，淹水土壤硝化作用随水分增加而明显抑制[20]，进而影响控释氮肥在稻季土壤中的释放。还可能由于旱作条件下，控释氮肥中的包膜材料一定程度改善了土壤孔隙结构，促进了硝化细菌、亚硝化细菌等繁殖，刺激脲酶的催化，增强了铵态氮向硝态氮的转化速率[21]。而水稻季抽穗期土壤 (0—20 cm) 硝态氮有明显的增加效应，是由排水晒田、土壤通透性增强、氧化还原电位改变、土壤硝化细菌繁殖、硝化作用强烈所致[22]。

株高与生物量是影响产量的重要因素。适当提高株高水平可起增产作用[23–24]，生物量指标对增产的贡献率最大，是增加作物产量的源与核心因素[25]。Peng 等[26]研究表明，作物增产潜力应摒弃传统通过改善作物收获指数以达增产，可直接通过增加生物量积累，提高作物增产潜力。本试验条件下，常规尿素处理 (T1) 株高在水稻、小麦分蘖期较其它处理高，但随生育期推进，其株高增长速率较掺混控释氮肥处理低，这表明常规尿素处理由于氮素释放周期短，对作物株高的持续提高效应不大，一定程度上会影响作物产量水平。仅以添加 40% 控释氮肥(T4) 处理在水稻、小麦两季生育中后期表现出对株高有显著促进效应，这可能通过影响穗下节长或改善其余生殖器官特征促进产量[27]。不同控氮比掺混肥对稻麦季分蘖期生物量影响存在明显差异。小麦季生物量随控氮比增加而递减，常规尿素处理 (T1) 生物量显著高于其余各处理；水稻季则随控氮比增加，呈先增长后下降的抛物线趋势，以添加 40% 控释氮肥处理 (T4) 最高。这可能是控释氮肥在不同温度与湿度的溶出速率不一致，小麦生育前期，气温低、水分少，控释氮肥不易有效溶出，而尿素相对更易水解；水稻生育前期温度较高，控释肥溶出效果好，并能被水稻有效吸收，增加了水稻地上部生物量累积。虽然水稻分蘖期常规尿素处理 (T1) 土壤无机氮含量较高，促进了水稻生育前期供氮，但该时期水稻生物量小，吸收利用效率有限，反而会引起土壤氮素流失的风险[28]。水稻拔节至成熟期，添加20% 以上比例控释氮肥处理的水稻生物量均显著高于 T1 处理。其中添加 40% 控释氮肥处理 (T4) 在稻麦两季对生物量增加效果最明显，这表明 T4 处理可通过提高生物量，提高个体库容，达到提升群体库容的效果，有效提高稻麦增产潜力[25]。

表3 不同处理水稻、小麦经济效益变化 (yuan/hm2)Table 3 Economic benefit performance of rice and wheat by different treatments

研究表明，等氮条件下控释氮肥或控释掺混尿素处理能增产及提高产量构成因子[19,29–30]。不同包膜材料的控释氮肥施用效果不同[31]，不同区域控释掺混比例差异较大[32–33]。本研究表明，添加 20% 比例以上控释氮肥处理均比常规尿素处理显著提高稻麦作物产量，小麦增产 6%～14%，水稻增产 7%～11%。添加 40% 控释氮肥处理 (T4) 不同程度改善了作物产量构成，稻麦产量均显著提高。这是由于 T4 处理中60% 添加比例的尿素能在作物苗期至分蘖期提供适量的氮素，促进作物有效分蘖和提升株高水平，而生育中后期，控释氮肥持续的氮素供应，可能增强了光合作用，催化作物器官中 NR、GS、GDH、GPT 等对氮素的同化与代谢，间接影响作物产量[34]。添加 40% 控释氮肥处理 (T4) 基本协调了作物在整个生育期对氮素的需求，从而实现显著的增产效果。

控释氮肥因生产成本较普通尿素高 2.5～8 倍[35]，在一定程度上增加了购买肥料的成本。控释氮肥在总氮肥投入中的掺混比例也不是越高越好。本研究条件下，控释氮掺混比在 20%～40% 之间，可提高水稻、小麦经济效益，以添加 40% 控释氮肥 (T4) 处理最高，与相关文献报道结果基本一致[36–38]。

4 结论

氮肥中添加 40% 的控释氮肥和 60% 尿素，既可为水稻、小麦生育前期提供适量氮素供应，促进有效分蘖、增加株高，又可在生育中后期生殖发育阶段，保证氮素较强的供应水平，改善产量构成，显著提高水稻和小麦产量。

40% 控释氮肥 + 60% 尿素肥料生产和施用总成本适中，小麦季与水稻季净收入分别增加 23.24% 和14.87%，可作为成都平原稻–麦轮作区适宜的控氮掺混比例。

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Effects of the blending ratio of controlled release nitrogen fertilizer and urea on soil nitrogen supply in the mid-late growing stage and yield of wheat and rice

ZHANG Jing-sheng1, LI Bing1*, WANG Chang-quan1, XIANG Hao1, ZHOU Yang-hong1, YIN Bin2, LIANG Jing-yue1, FU Yue-jun1
( 1 College of Resources, Sichuan Agriculture University, Chengdu, Sichuan 611130, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, Jiangsu 210008, China )

【Objectives】Efficient use of controlled-release nitrogen fertilizer (CRNF) and urea (UR) will improve crop growth and save the costs for the fertilization practice at the same time. So the optimum ratio of CRNF and UR was studied in wheat and rice production for high yield and profit. 【Methods】One-year field experiment was conducted in rice and wheat rotation system. Under the total N input of 150 km/hm2, the addition ratio of CRNF of 0, 10%, 20%, 40%, 80%, 100% was set up for both the crops, which were recorded as T1, T2, T3, T4, T5 and T6, respectively. Except urea control, the N in treatments was all completely basal applied. The NH4+-N, NO3–-N contents of soil, plant height, biomass, yield component factors and economic benefits were calculated 【Results】1) In all the CRNF addition treatments, the soil inorganic nitrogen content in the mid-late stage of rice and wheat was increased significantly, with the highest increase in treatment T4 (40% CRNF). 2) When the CRNF addition was more than 20%, the rice biomass and yield were all increased significantly, compared to T1 (no CRNF addition)，and the highest biomass and yield were obtained in T4 treatment, in whichthe rice yield was increased by 11% and wheat yield by 14% respectively. Among the yield components, the wheat spike length was elongated by 19.19%, and the grain number per panicle was increased by 13.79% and the 1000-grain weight by 8.43% respectively. 3) With the increasing of CRNF ratio, the economic benefits in both rice and wheat increased at beginning and then decreased afterwards, with the peak in T4. With T4 treatment, the income for wheat was 1108.12 yuan/hm2(increased by 23.24%) and for rice was 2497.80 yuan/hm2(increased by 14.87%), compared with T1. 【Conclusions】Appropriate blending of commercial urea and controlled-release urea will enhance the nitrogen supply of soil in the mid-late growing stage of rice and wheat, thus increase the yield effectively and the benefit directly. The suitable blending ratio of two kinds of nitrogen fertilizer is 40% CRNF with 60% conventional UR in the tested region.

rice-wheat rotation; controlled release blend bulk urea; soil nitrogen; yield; economic benefit

2016–03–14接受日期：2016–06–13

国家科技支撑计划（2013BAD07B13）；四川省科技支撑计划（2012JZ0003）资助。

张敬昇（1993—），男， 重庆江北人，硕士研究生，主要从事土壤氮素转化研究。E-mail：jove20883452@163.com

* 通信作者 E-mail：benglee@163.com